1 Kemija in biologija tal

Erika Jež

Kdaj uporabljamo izraze tla, zemlja, prst?

V slovenskem jeziku pogosto naletimo na zadrego, ko moramo govoriti o tistem delu sveta, na katerem se odvija večina našega življenja. V pogovornem jeziku Slovenci najpogosteje uporabljamo izraz “zemlja”. V slovenski književni literaturi pa bomo pogosteje zasledili izraz “prst,” medtem ko izraz “tla” ostaja nevtralna izbira, prisotna tudi v zakonodajnih besedilih. Na kratko, v slovenskem jeziku vlada precejšnja zmeda glede izrazoslovja, zato je pomembno, da v uvodu razjasnimo pomen teh treh izrazov, kot jih je strokovno opredelil Vrščaj(Vrščaj, 2015).

Izraz PRST uporabljajmo za sprstenino oz. za ustrezne horizonte, ki so rezultat pedogeneze. Označuje preperino primerne strukture (največkrat gre za sferične strukturne agregate) in drobljivosti, pogosto lahko z večjo vsebnostjo organske snovi. “Prst” lahko označuje zemljo omenjenih fizikalnih lastnosti, ki ima hkrati tudi dobre kemijske lastnosti (kislost, vsebnost hranil). Te se izrazijo v nadpovprečni rodovitnosti in to ustreza pojmovanju ljudske besede ‘prst’ (vrtna prst, prst za lončnice). Izraz “prst” danes v pogovornem jeziku zveni arhaično.

PRST je v uporabi v okviru pedogeografije in posledično celotne geografije.

Izraz ZEMLJA je pomensko enak “prsti” in je v pogovornem jeziku tudi najpogosteje uporabljan. Tako kot pri drugih jezikih ta izraz uporabljamo tudi za ime planeta in predvsem v pomenih zemljišča z mejami, zemlje kot lastnine, pa tudi v teritorialnem pomenu.

Izraz TLA uporablja matična pedologija in so jo povzele druge vede, državna uprava in zakonodaja. Tla preučuje PEDOLOGIJA, razmeroma mlada naravoslovna veda. “Tla” uporabljamo v strokovnih in poljudnih besedilih ter drugje v javni rabi in zakonodaji za:

1. a) naravno, antropogenizirano in tudi v celoti antropogeno tridimenzionalno tvorbo na kopenski površini;
2. b) za talne tipe kot osnovne enote klasifikacije tal, ter
3. c) v povezavah z rabo zemljišč (raba tal).

Zato bomo tudi v tem poglavju uporabljali izkuljučno izraz “tla”. “Tla” uporabimo posebej takrat, ko govorimo o naravni ali logični razvrstitvi horizontov različnih kemijsko-fizikalnih lastnostih od površine v globino do matične podlage, ne glede na stadij razvoja tal in ne glede na obseg izvajanja funkcij ali kompleksnih lastnosti talnega profila kot celote (rodovitnost).

Pedogeneza: od matične kamnine do tal

Povzeto po Schaetzl & Anderson (2005)

Ko razpravljamo o nastanku tal ali pedogenezi, običajno pomislimo na golo matično kamnino na kateri se skozi dolga obdobja odvijajo procesi preperevanja, rezultat teh procesov pa so tla. Razpadanje matične kamnine v manjše mineralne delce je biološko-fizikalno-kemijski proces, ki ga sprožajo ponavljajoči se cikli segrevanja in ohlajanja, zamrzovanja in tajanja, ter tudi abrazija zaradi vetra, vode in ledenih mas. Kemijski in biokemijski procesi razpadanja matične kamnine se pojavijo le v prisotnosti vode, kisika in organskih spojin, in jih sprožijo organizmi v tleh. Vsi ti procesi in reakcije pretvarjajo primarne minerale v sekundarne minerale, kot so silikatne gline in oksidi aluminija, železa in silicija. Minerali v tleh se počasi topijo in ti raztopljeni anogranski elementi služijo kot hranila za rast talnih organizmov in rastlin.

Vendar pedogeneza redko poteka tako preprosto. V naravi se pogosto pojavita dva veliko bolj zapletena scenarija. Po eni strani lahko ponavljajoča se erozija sprstenine s površine matične kamnine na dolgi rok znižuje površje in sprstenino odnaša na drugo lokacijo. Tako se sveža matična kamnina nenehno pojavlja na površju in tu je proces pedogeneze stalno na prvi stopnji glede na časovni potek.  V drugem scenariju pa govorimo o počasnem a konstantmen dodajanju sedimentov na površino tal, kar zahteva stalno spreminjanje in prilagajanje procesov pod tlemi. V tem primeru gre za dolgoročno poglabljanje talnega profila. Ta proces imenujemo kumulacija. Kumulacija lahko nastane kot posledica odnašanja materiala zaradi vetra, vode ali človeške dejavnosti z ene lokacije na drugo. Pogosto se pojavlja na aluvialnih površinah, kot so poplavne ravnice, lahko pa se pojavi tudi pri počasnem kopičenju peska iz gora v doline. Za ta proces so značilni majhni, počasni vnosi sedimentov, kot je pesek po celotni pokrajini in ne samo na nizko ležeča območja. Pri kumulaciji torej površina profila postopoma “raste navzgor”, kjer obstoječa tla postanejo matični material za novo nastala tla.

Procese preperevanja delimo v fizikalno, kemijsko in biološko preperevanje. Pri fizikalnem preperevanju kamnine (ali minerali) razpadajo na manjše delce, ne da bi pri tem spremenile kemijski značaj. Pri tem se specifična površina delcev znatno poveča, kar pripomore k hitrejšemu kemijskemu preperevanju kamnin (oz mineralov).

Dejavniki, ki vplivajo na nastanek tal: Tla nasatajajo počasi ob vplivom več dejavnikov iz okolja. Te dejavnike lahko razdelimo na nežive dejavnike, kot so (1) matična podlaga (matična kamnina), (2) podnebje in (3) relief. Pri živih dejavnikih pa govorimo o (4) talnih organizmih (tako rastline, kot tudi živali in človek). Na hitrost in potek nastajanja tal pomebno vpliva trajanja interakcij med živimi in neživimi dejavniki, tako da lahko (5) čas deiniramo kot pomemben dejavnik pri nastajanju tal. Te spremenljivke razumemo kot dejavnike tvorbe tal oz pedogeneze. Razpon možnih podnebij, matičnih podlag in drugih dejavnikov pedogeneze tal je ogromen, zato je tudi raznolikost talnih tipov zelo velika.

Horizonti v tleh so rezultat delovanja pedogenetskih dejavnikov

Lastnosti izvorne kamnine in raznolika intenzivnost delovanja tlotvornih (pedogenetskih) procesov vplivajo na nastanek različnih tipov tal, ki se razlikujejo po svojih fizikalnih in kemijskih lastnostih ter posledično po primernosti za različne namene rabe.

Tla so sestavljena iz talnih horizontov – različno debelih slojev v talnem profilu, ki imajo različne kemijske in fizikalne lastnosti. Ti horizonti se med seboj razlikujejo v različnih morfoloških, fizikalnih, kemijskih ali bioloških lastnostih, kot so na primer struktura, tekstura, kislost, poroznost, barva itd. Različne vrste tal se razlikujejo po prisotnosti in debelini različnih horizontov ter skupni globini.

Horizonti so rezultat delovanja pedogenetskih dejavnikov, kot so matična podlaga, klima, relief, čas in organizmi, ter procesov v celotnem profilu tal. Običajno potekajo vzporedno s površjem tal, bodisi na ravnini bodisi na pobočju. Zgornji horizonti so običajno bogatejši z organskimi snovmi, spodnji pa pogosto vsebujejo več kamnitega materiala ali ilovnice. Meja med horizonti se lahko razlikuje glede na ostrino – lahko je zelo ostra ali postopna. Prav tako se lahko pojavijo različne oblike meje med dvema horizontoma, kot so ravne, valovite, klinaste ali žepaste. Horizonti se lahko tudi razlikujejo v svoji obliki – lahko so osnovni, karakteristični (diagnostični) ali pa gre za različice osnovnih horizontov.

Horizonte označujemo s kombinacijami velikih (O, A, E, B, H, G, P) in malih črk (l, f, h, p, t itd.). Na primer, vrhnji orani horizont označimo z Ap, obledeli in sprani horizont pod površjem tal z E, sivi, glinasti in mokri horizont globlje v tleh pa z Gr.

Tla so zgrajena iz različnih slojev oz. horizontov, ki se razlikujejo po svojih lastnostih. Vrsta horizontov in njihova postavitev v profilu tal so diagnostični znaki različnih vrst tal t.i. tipov tal.

Tla kot trifazni sistem: plin, tekočina, trdna snov

Tla predstavljajo relativno tanko plast na površini Zemlje, ki je sestavljena iz preperelih kamnin, kamnitega drobirja, humusa ter živega sveta. Gre za naravno telo, ki prekriva kamnito zemeljsko skorjo, in predstavlja edinstven porozen prostor, kjer živi izjemno raznoliko število organizmov različnih vrst in velikosti. Tla so v osnovi trifazni sistem sestavljen iz trde, tekoče in plinaste faze. Na primer, v tipičnih ilovnatih tleh, ki so idealna za rast rastlin, trdni delci v površinskem horizontu običajno predstavljajo približno 50 % prostornine (približno 45 % mineralnih delcev in 5 % organske snovi), plini (zrak) pa predstavljajo približno 20-30 %, preostalih 20-30 % pa običajno predstavlja voda.

Seveda se lahko porazdelitev plinov in vode v prostoru hitro spremeni glede na vremenske razmere in številne druge dejavnike. Razporeditev in povezovanje trdih delcev (glej: skelet, pesek, melj in glina) ustvarjata prostore med skupki – pore. Te pore so različnih oblik in predvsem različnih velikosti. V mikroporah (<2 μm) je voda navadno močno vezana na stene por in talne delce in zato ni dostopna rastlinam. Mikropore so večino časa zasičene z vodo, kar ustvarja vlažno in anaerobno okolje, ki pa ustvarrja primerne razmere oz življenjski prostor mikroorganizmov, ki imajo pomembno vlogo pri presnovi in kroženju snovi in energije v tleh. V mezoporah (50 μm–2 μm) se izmenjujeta voda in zrak. Mezopore so lahko nasičene z vodo/talno tekočino po dolgotrajnih padavinah in se počasi praznijo odvisno do sušnih razmer.

Trdna faza tal

Minerali in organske snovi sestavljajo trdno fazo tal. Osnovno poznavanje sestave in lastnosti teh snovi je temeljnega pomena za razumevanje vpliva tal na rast vinske trte.

Minerali v tleh

Trdni talni delci se v tleh pojavljajo v zelo različnih velikostih – od balvanov (premer 600 mm), kamnov in proda (premer 600 do 2 mm), kar poimenujemo skelet tal, do delcev fine frakcije velikosti pod 2 mm. Fina frakcija v tleh vključuje delce različnih vrst mineralov in različnih velikosti teh mineralov. Minerale lahko opredelimo kot naravne anorganske spojine z določeno kemijsko sestavo, urejeno notranjo strukturo (so kristaljeni) in določenimi lastnostmi. Značilne so fizikalne lastnosti, na podlagi katerih jih lahko na terenu dokaj hitro prepoznamo, kot so na primer trdota, kristalna oblika, razkolnost, sijaj, barva itd. Poznamo okrog 2000 mineralov, vendar jih je le okrog 200, ki so dovolj pogosti, da so geološko in ekonomsko pomembni. Med njimi so silikatni in alumosilikatni minerali (spojine s silicijem, aluminijem in kisikom), ki tvorijo čez 90% Zemljine skorje, sledijo še oksidi (spojine s kisikom) in hidroksidi (spojine z vodo) ter karbonati (spojine z ogljikovim dioksidom). Glede na njihov nastanek jih delimo na primarne in sekundarne minerale.

Primarni minerali so minerali, ki niso bili kemijsko spremenjeni. Nastanejo direktno iz magme, ko se magma dviguje se na poti ohlaja in sproti nastajajo minerali. Primeri primarnih mineralov so kremen, plagioklazi, olivine itd.  Primarni minerali se pojavljajo predvsem v pesku (premer delcev 2-0,05 mm) in melju (0,05-0,002 mm).

Sekundarni minerali so minerali, ki nastanejo s preperevanjem primarnih mineralov, nastanejo tudi ko se spremeni struktura primarnih mineralov oz kemijsko s kristalizacijo oborin, ki nastajajo pri procesu preperevanja matične kamnine. Pogosti sekundarni minerali v tleh so glineni minerali, oksidi in hidroksidi ter karbonati. Sekundarni minerali se nahajajo predvsem v glini in melju.

Minerali v glineni frakciji tal

Gline predstavljajo relativno stabilno fazo v evoluciji mineralne komponente tal. Nastajajo kot produkti preperevanja matične kamnine (primarnih mineralov). Novotvorbe (sekundarne minerale) delimo v štiri večje skupine: (1) minerali glin, (2) oksidi, hidroksidi Fe, Al, Ti, Mn ter (3) kremenica (SiO2) in (4) organske mineralne sestavine. Pri prepareavnju in novotvorbi sekundarnih mineralov se izloča/ obori stranski toda zelo pomemben del (5) soil alkalnih in zemeljsko alkalnih kovin Na-, K-, Ca-, Mg-hidroksidi in dalje -karbonati, -sulfati, -fosfati, itd. Njihov velik pomen se kaže v tem, da bogatijo talno raztopino s hranili za rastline in živali oz se kot kationi pojavljajo v izmenjevalnih procesih v tleh.

Minerali v glineni frakciji (minerali glin) imajo zaradi majhne velikosti veliko specifično površino, ki je močno negativno nabita. Te negativno nabite površine so ena od temeljno pomembnih lastnosti glinenih mineralov, saj so takšne površine privlačne za pozitivno nabite ione, kot so hranila, težke kovine ali nekatera organska onesnažila. Gline imajo ne le privlačne površine, ampak tudi zelo velike površine. Ocenjuje se, da ima kubični centimeter gline reaktivno površino približno 2800 kvadratnih metrov, kar je enako površini nogometnega igrišča!

Glineni minerali so kristali kot drugi minerali, vendar se običajno oblikujejo le kot zelo majhni kristali, zato so nahajališča gline skoraj vedno drobnozrnata. Glede na matično kamnino in druge pogoje v tleh lahko nastanejo različni tipi glin, ki jih običajno delimo v skupine, ki se med seboj razlikujejo glede na razmerje med Si in Al:

• (1) Minerali z razmerjem Si:Al manjšim od 1 – kaolinitova skupina: Najpogostejši mineral te skupine je kaolinit, ki ga najdemo v številnih dobro preperelih tleh. Je pa to tudi najpreprostejši glineni mineral, saj je izmenično sestavljen iz tetraedrične plasti silicijevega dioksida (T-plasti) in oktaedrične plasti aluminija (O-plasti). Zaradi kombinacije ene tetraedrične plasti in ene oktaedrične plasti je to silikat v razmerju 1:1. Kaolinit ima strukturo v plasteh, kjer vodikove vezi povezujejo atome kisika iz T-plasti in atome hidroksida iz O-plasti. Vodikova vez je čvrsta in ne dovoljuje širjenja reže. Zaradi vodikove vezi topila in molekule vode ne prodirajo v medplastne prostore ampak se adsorbirajo le na površini minerala. Specifična površina minerala pa je majhna in tudi kapaciteta kationske izmenjave je majhna. Gline z večjo vsebnostjo kaolinita ob spremembi vsebnosti vode v tleh se tako minimalno krčijo ali nabreknejo.
• (2) Minerali z razmerjem Si:Al enakim 2 – ilitova skupina (ang. mica): Struktura illita je bolj zapletena kot struktura kaolina. V tem primeru je vsaka plast v strukturi sestavljena iz aluminijeve oktaedrične plasti, vstavljene med dve tetraedrični plasti (ena “navzgor” in druga “navzdol”). Kombinacija dveh tetraedričnih plasti, ki obkrožata eno oktaedrično plast, je znana kot silikat v razmerju 2:1. Za to skupino mineralov je značilna izomorfna izmenjava elementov – to je pojav, ki se pojavlja v kristalni strukturi mineralov, kjer eni elementi zamenjujejo druge v kristalni mreži, ne da bi spremenili osnovno strukturo minerala. V primeru ilita je nekaj Si4+ ionov zamenjanih z Al3+, zato nastane v tetraedrih negativn naboj. Kako hitro bo kation izstopil iz hidracjskega ovoja je odvisno od njegove hidratacijske energije. Hidratacijska energija za najpogostejše katione v talni raztopini na mol pada v naslednjem zaporedju: Al 3+ > Mg2+ > Ca2+ > Na+ > K+ = NH4+. V primeru ilita se na negativen naboj, ki nastane z zamenjavo Al3+ iona s Si4+ veže K+ ion, katerega polmer je ravno tako velik, da se lahko namesti v heksagonalne odprtine v tetraederski plasti. To je dokaj močna povezava, zato ilit redko nabreka.
• (3) Skupina mineralov, ki ima prav tako razmerje Si:Al enako 2 je montmorijonitova ( ang. montmorillonite) skupina. Tipični predstavnik te skupine je montmorijonit. Struktura te skupine mineralov je triplastna, plasti pa so med seboj povezane le z Van der Waalsovimi vezmi. Ta povezava pa je relativno šibka in zato se prostor med plastmi (medlamelne reže) lahko širi. Molekule vode in ioni zato z lahkoto prodirajo v režo, ki je lahko široka od 1 do 20 nm. Posledica tega je močno nabrekanje montmorijonita v stiku z vodo, in nasprotno pri izsuševanju nastajajo široke razpoke v tleh. Vsi minerali te skupine imajo veliko specifično površino (posledično veliko kationsko izmenjevalno kapaciteto) in intenzivo izomorfno zamenjavo, kar povzroči dodaten negativni privlak (naboj). Pri montnorijonitu je v oktaederski plasti Al3+ ion deloma nadomeščen z Mg2+ ali Fe2+, posledica pa je višek negativnega naboja. Tudi izomorfična zamenjava Si4+ z Al3+ je pri tem mineralu bolj pogosta, kot pri kaolinitu ali ilitu, kar povzroči dodatni negativni naboj na površini. Ta naboj se zato navtralizira z adsorbcijo kationov iz raztopine na površini minerala.

V glineni frakciji tal imamo tudi druge minerale: to so pretežno prosti oksidi in hidroksidi železa, aluminija, titana in mangana, ki se pojavljajo v amorfni in kristalni obliki, kot prevleke prek drugih običajno glinenih mineralov. Delujejo kot vezivo, ki lepi različne delce tal (ne le anogranske ampak tudi organske), to je še osebej značilno za hidrokside. Tako ustvarjajo kompleksne sestavine s silikati in organsko snovjo v tleh.

Med njimi so pomembnejši oksidi Fe, Al in Mn. Železovi oksidi se kopičijo v močno preperelih tleh, zlasti tistih, ki izvirajo iz bolj bazičnih kamnin. Pojavljajo se kot ločeni delci ali kot tanke prevleke na glinenih mineralih. Železovi oksidi so močno obarvani, od rumene do rdeče rjave in črne barve, tudi če so razpršeni po profilu tal. Ko se iz raztopine bogate z Fe2+ ioni, železo izobori se oborina ob primernih pogojih (nižje temprerature in veliko vlage) počasi spremeni v rumeni mineral getit (-FeOOH). To je najpogostejši in najstabilnejši železov oksid v tleh. Aluminijevi oksidi imajo sivkasto-belo barvo, ki se v tleh zlahka prikrije, razen tam, kjer so velike koncentracije res visoke, kot na primer v boksitnih rudiščih. V kislih tleh se oborine Al(OH)3 tvorijo v vmesnih plasteh vermikulitov ali kot površinske prevleke na glinenih mineralih. Ta slabo urejena oborina počasi kristalizira v gibsit, ki je glavni mineral aluminijevega oksida v tleh. Fe in Al oksidi imajo spremenljiv površinski naboj, ki je pri kislem ali nevtralnem pH običajno pozitiven. Tako tvorijo zelo stabilne prevleke na negativno nabitih glinenih mineralih. Pozitiven površinski naboj pomeni tudi, da adsorbirajo negativno nabite organske in anorganske ione iz raztopine, kar daje tlom specifično anionsko izmenjavalno kapaciteto.

Glavna značilnost mineralov v fini frakciji, ki vpliva na njihovo delovanje v tleh, je razmerje med površino in prostornino delca, kar imenujemo spečifična površina delca. Manjša kot je velikost delca, večje je razmerje med njegovo površino in prostornino. Velika specifična površina delca pomeni, da se na njegovo površino lahko adsorbira več molekul, kar poveča njihovo zadrževanje v tleh (npr. vode) ali zmanjšuje dostopnost hranil. Ker je podatek o specifični površini mineralnih delcev v tleh pomemben, v tleh določamo porazdelitev velikosti delcev v fini frakciji tal. To se izraža kot tekstura tal.

Tekstura tal

V preteklosti so kmetje razlikovali med teksturnimi razredi glede na zahtevnost obdelave tal.   Težka, glinena tla so zahtevala več truda (konjske moči) za obdelavo kot lažja, peščena tla. Ko v roke primemo naključni izkopana tla na travniku, opazimo da v talni zmesi najdemo večje kamenje, košče razpadlega kamenja ter zlahka lahko izločimo fino frakcijo tal. Podobno tudi pri določanju teksture tal, najprej s sejanjem odstanimo t.i. skelet. To je kamninski drobir velikosti večje od 2 mm in v tleh vpliva predvsem na fizikalne lastnosti tal (povečuje zračnost in propustnost za vodo. Ker izpodriva drobno zemljo zmanjšuje življenski prostor koreninam in talnim organizmom. Skelet običajno nima velikega vpliva na kemijo v tleh, razen, če se pojavlja apnenčast skelet, kjer se Ca-karbonati hitro topijo in tako vstopajo v talno raztopino. Tekstura tal je dokaj konstantna talna lastnost, ki se spreminja le v daljšem časovnem obdobju. Razvojno mlade oblike tal navadno vsebujejo več skeleta in peščenih delcev, s starostjo pa se delež gline povečuje.

Ko iz tal izločimo skelet nam ostane le še fina frakcija tal, kjer teksturo tal predstavlja razmerje med različno velikimi delci mineralov v tleh, kot so pesek, melj in glina. Fino frakcijo talnih delcev tako delimo v pesek, melj in glino (grobi pesek: 2–0.2 mm; fini pesek: 0.2–0.05 mm; grobi melj (0.05–0.02 mm; fini melj: 0.02–0.002 mm; glina: < 0.002 mm). Določanje teksture tal lahko opravimo že na terenu z uporabo določevalnih ključev za določanje teksture v tleh. Temu postopku pravimo tudi prstni preizkus in ga opravljajo v mnogih slovenskih laboratorijih. V laboratoriju pa določanje teksture tal običajno temelji na analizi velikosti delcev (angl. particle-size analysis – PSA). Delce ločujemo glede na njihovo velikost na osnovi hitrosti sedimentacije. Sedimentacija delca je povezana s hitrostjo usedanja delca in njegovim premerom. Sila, ki deluje navzdol na posamezen delec tal v vodnem mediju je odvisna od premera in gostote delca ter od gostote tekočine. Nasproti tej sili pa deluje sila upora, ki je odvisna od viskoznosti tekočine in hitrosti padanja delca. Z izenačenjem teh dveh sil dobimo končno hitrost usedanja delca: Stokesov zakon (gibanje sferičnega telesa v tekočini). Po tem zakonu velja, da se večji delci usedajo hitreje kot manjši. Težo ali teksturo tal določajo razmerja med peskom, meljem in glino. Ko določimo razmerje med delci izraženov  odstotkih (%) si pri določanju teksturnega razreda tal pomagamo s teksturnim trikotnikom. Paleta teksturnih razredov se od države do države spreminja, v Sloveniji se za določanje teksturnega razreda uporablja ameriško teksturno klasifikacijo (United States Department of Agriculture – USDA).

Tekstura tal vpliva na več lastnosti tal, zlasti z vplivom na strukturo tal, zadrževanje vode, prezračenost tal, odcednost tal, temperature v tleh in sposobnost zadrževanja hranil. Glineni delci vplivajo na združevanje trdnih talnih delcev v skupke, ki jim pravimo strukturni agregati. Strukturni agregati so v tleh z večjo vsebnostjo glinenih delcev bolj stabilni, kar vpliva na sposobnost zadrževanja vode, prezračenost tal in odcednost tal. Dobro prezračena in hitro odcedna tla pomembna za noramlno rast vinske trte. Tla z večjim deležem gline in melja imenujejmo “težka tla”. Težka tla imajo večjo sposobnost zadrževanja vode kot “lahka tla”. To so tla z večjim deležem peska. Glavna značilnost lahkih tal je dobra prezračenost in hitra odcednost tal, vendar imajo lahka tla manjšo sposobnost zadrževanja vode in hranil. Izrazito lahkih tal v Sloveniji v kmetijski rabi praktično ni. Imamo pa (pre)velik delež težkih tal, kjer je obdelava vinogradniških tal bolj zahtevna.

Tekstura tal izrazito vpliva tudi na temperaturo tal. Glineni delci zadržujejo več vode kot pesek v tleh. Voda ima tri- do štirikrat večjo specifično toplotno kapaciteto v primerjavi s trdnimi snovmi. Poleg tega se med spremembo fizikalnega stanja vode, na primer iz ledu v tekočo vodo ali obratno, absorbira ali izloča veliko latentne toplote. Tako se temperatura vlažnih glinenih tal počasneje odziva na spremembe temperature zraka spomladi in jeseni, kot počasneje kot temperatura lahkih peščenih tal. Na temperaturni režim v vinogradih lahko vpliva tudi kamnitost površine tal. Veliki kamni podnevi delujejo kot ponor toplote, ponoči pa to toplotno energijo počasi oddajajo, kar ustvarja ugodnejšo mikroklimo v vinogradniških vrstah. Dober primer tega učinka je območje Chateauneuf-du-Pape v dolini južne Rone v Franciji.

Najbolj ugodna tla za kulturne rastline so ilovice ( peščena ilovica, glinasta ilovica). Neugodna za pridelavo pa so izrazito glinena tla, pa tudi meljasta in peščena tla.

Organska snov v tleh

Organska snov v tleh je sestavljena iz različnih organskih materialov, ki izvirajo iz rastlinskih in živalskih ostankov, mikrobov ter drugih živih organizmov. Ti materiali se sčasoma razgrajujejo in prehajajo skozi različne faze razgradnje, dokler ne postanejo stabilna organska snov, imenovana humus. Organska snov ima ključno vlogo v tleh, saj vpliva na številne fizikalne, kemične in biološke lastnosti tal.

Kroženje in sekvestracija ogljika

Povzeto po Donald L. Sparks (2003)

Osnovni element organskih spojin je ogljik. V predindustrijski dobi je bila vsebnost ogljika C v ozračju približno 280 ppm, vendar se količina ogljika iz leta v leto povečuje. Za stabilizacijo koncentracije C v ozračju na 550 ppm (kar je približno 2-kratnik predindustrijske ravni) bo zahtevalo veliko naporov pri zmanjševanju svetovnih emisij CO2. V zadnjih 150 letih se je količina C v ozračju iz toplogrednih plinov, kot so CO2, CH4 in N2O, povečala za 30 %, kar je je v veliki meri posledica izgorevanja fosilnih goriv (nafta, premog), krčenja gozdov, gozdnih požarov in obdelovanja zemlje.

CO2 v ozračju lahko zmanjšamo na več načinov. Ti vključujejo zmanjšanje izpustov v ozračje z uporabo naprednih nizko oz brezogljičnih tehnologij, uporabo alternativnih virov energije, kot so sončna, vetrna, vodna in jedrska energija. Drug način za zmanjšanje CO2 v ozračju je sekvestracija ogljika. Sekvestracija ogljika je dolgoročno shranjevanje C v oceanih, tleh, rastlinstvu (zlasti gozdovih) in geoloških formacijah. Na globalni ravni obstaja več tako imenovanih bazenov za hrambo ogljika. Oceanski bazen je ocenjen na 38 000 Pg (petagramov = 1 × 1015 g = 1 milijarda metričnih ton), geološki bazen na 5000 Pg, bazen organskega C (SOC) v tleh shranjenega predvsem v organski snovi pa na 1500 (do globine 1 m) oz 2400 Pg (do globine 2 m), atmosferski bazen na 750 Pg in biotski bazen (npr. rastline) na 560 Pg. Tako vidimo, da je do globine 2 m v tleh sharnjenega 3.2-krat več organskega C, kot ga imamo v atmosferi in 4.4-krat več, kot ga je shranjenega v vseh živih rastlinah in živalih na svetu.

Poleg zaloge organskega C (SOC) v tleh pa najdemo tudi zaloge anorganskega ogljika (SIC), ki znaša od 695 do 748 Pg CO32- in ga najpogosteje najdemo v zgornjih horizontih sušnih in polsušnih tal. V tleh k anorganskemu C uvrščamo primarne in sekundarne minerale karbonatov, pri čemer so slednji pomembnejši za sekvestracijo C. Karbonati v tleh nastajajo pri kemiskji reakciji, ko Ca2+ in/ali Mg2+ reagira s šibko ogljikovo kislino (H2CO3) v raztopini tal zgornjih horizontov in se nato izpirajo v spodnje profile tal. Stopnja sekvestracije SIC s tem mehanizmom je lahko od 0,25 do 1 Mg C ha-1 letno. Vloga tal, zlasti SOM, v globalnem krogu C je torej ogromna, saj lahko služi kot hranilnik zalog C pri sekvestraciji.

Raba tal/zemljišč in upravljanje s tlemi močno vplivajo na raven zaloge SOC v tleh in s tem na sekvestracijo C. Ob slabem upravljanju s tlemi (npr. globoko oranje, pretirano gnojenje itd. ) lahko drastično zmanjšamo zaloge SOC. Vsebnost organske snovi v tleh se zmanjša kot posledica (1) mineralizacije organskega ogljika v tleh, (2) odnašanja organske snovi zaradi erozije tal in (3) zaradi izpiranja v globino tal ali končno v podtalnico. Stopnja izgube SOC iz tal je večja v tropskih kot v zmernih regijah in večja na tleh z visokimi vrednostmi SOC kot v tleh z nizkimi začetnimi vrednostmi. Prav tako pa k izgubi organske snovi v tleh pomembno pripomore prehod iz naravnih v kmetijske ekosisteme ob spremembi rabe tal. Izguba SOC je večja na obdelovalnih površinah kot na pašnikih, zlasti zaradi obdelovanja/oranja, ki povečuje dihanje tal ter mineralizacijo in razgradnjo SOC. Ohranitveno/regenerativno kmetovanje vključuje pristope, pri katerih so v prvi vrsti uporabljeni pristopi za ohranjanje SOC v tleh. Eden izmed osnovnih pristopom je omejevanje globokega oranja/prakopavanja tal. Uporaba obdelave tal z minimalnim oranjem lahko bistveno zmanjša izgube C iz tal, saj zmanjša mineralizacijo in erozijo ter spodbuja sekvestracijo C. Ocenjeno je bilo, da bi lahko taka rastlinska pridelava služila kot ponor približno 1 % emisij fosilnih goriv. Pokrivne rastline, kot so stročnice, in kolobarjenje pa lahko sekvestracijo C še povečajo.

Poleg razgradnje SOC zaradi napačne obdelave tal, pa lahko tudi z drugimi ukrepi v kmetijstvo pospešimo izpuste CO2 v atmosfero, kot sta gnojenje z mineralnimi gnojili ter namakanje. CO2 nastaja pri proizvodnji mineralnih gnoji, prav tako pa se porablja fosilna goriva pri črpanju vode za namakanje. Poleg tega lahko z uporabo podzemne vode, ki vsebuje do 1% raztopljenega Ca v sušnih tleh spodbudijo sproščanje CO2 v ozračje (Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3↓ + H2O + CO2↑). Na drugi strain pa lahko s pravilnim pristopom v kmetijsktu veliko prispevamo k sekvestraciji C oz izgradnji organske snovi v tleh. To lahko dosežemo z obnovo/remediacijo tal, ki so bila erodirana, z dodajanjem organskih gnojil, povečanjem organske biomase in zmanjšanje erozije z uvajanjem pokrovnih posevkov in kolobarjenja, izvajanje sistemov ohranitvene/regenerativne obdelave tal in z minimalnim oz preciznim namakanjem. Na ta način lahko povečamo vsebnost organske snovi v tleh od 0,1 do 4,5 %.

V okolju poznamo dva ločena cikla kroženja ogljika. Dolgoročni ogljikov cikel, ki mu pravimo tudi geološki cikel, saj procesi v tem ciklu lahko trajajo tisoče ali celo milijone let. V ogljikovem geološkem ciklu se organski material nalaga (sedimentira) na površino oz morsko dno in se v daljšem časovnem obdobju mineralizira v sedimentne kamnine, ki lahko vsebujejo tudi fosile (okameneli ostanki organizmov). To je dolgotrajen proces, ki lahko traja od več sto do več milijonov let, odvisno od hitrosti sedimentacije in drugih geoloških dejavnikov. Če so organski ostanki dovolj dolgo zakopani in izpostavljeni visokemu tlaku in temperaturi, se lahko pretvorijo v fosilna goriva, kot so premog, nafta in zemeljski plin. Tudi ta proces lahko traja od več milijonov do več deset milijonov let. Del fosilnih goriv človek v zadnjem času izkorišča za pridobivanje električne energije, v naravi pa ogljik shranjen pod Zemeljskih površjem pride ponovno v atmosfero z vulkanskim delovanjem. Med vulkanskimi izbruhi se lahko sprosti ogljikov dioksid, ki je bil ujet v globokih plasteh Zemlje. Ta proces se lahko zgodi precej hitro, vendar je v primerjavi z drugimi procesi v geološkem ciklusu ogljika manj pogost.

Biološki oz. kratkoročni cikel ogljika v naravi obsega procese, ki se odvijajo v kratkem časovnem obdobju, vendar so ključni za kroženje ogljika med živimi organizmi in atmosfero. Glavni proces, ki determinira biološki ciklej ogljika je fotosinteza. Rastline in drugi fotosintezni organizmi imajo v celicah organele, ki jim pravimo kloroplasti s klorofilnimi pigmenti. Ti organizmi uporabljajo sončno energijo, da iz ogljikovega dioksida (CO2) in vode (H2O) proizvedejo glukozo in kisik (O2). To je ključni proces, ki skrbi za ponor CO2 iz ozračja in ga pretvori v organske spojine. Na drugi strani pa s procesom dihanja rastline in živali porabljajo kisik in sproščajo CO2 kot stranski produkt presnove. CO2 se tako ponovno vrne v ozračje. Ko organizmi umrejo, jih mikroorganizmi v tleh razgradijo. Njabolj intenzivni procesi razgradnje organskih snovi v tleh potekajo v okolici rastlinskih korenin. Tu se ustvari cona, ki jo imenujemo rizosfera. V tej coni potekajo intenzivi procesi razgradnje, kjer razpada odmrli rastlinski in živalski material ob prisotnosti rastlinskih izločkov aktivnega koreninskega sistema. Med razgradnjo se organski material razgradi v preproste ogljikove spojine. Poleg tega se del ogljika izloča v obliki organskih odpadkov, kot so iztrebki in urin.

V naravi ima vsak organizem svoj prostor v hierarhično urejenem prehranjevalnem spletu, kjer spojine z ogljikov prehajajo od primarnih proizvjalcev (rastlin) preko herbivorov (organizmi, ki se prehranjujejo z rastlinami) do karniorov (organizmi, ki se prehrajujejo z mesom). Pri tem pa se do višjih prehranjevalnih ravni ne prenaša vsa ogljik ampak pri prehodu velja zakon 10 % prenosa. Ta pravi, da nižje prehranjevalne ravni za svoj lasten obstoj in razmnoževanje porabijo 10 % oglikovih snovi, ki se v atmosfero sprostijo zaradi dihanja, kor CO2. Biološki cikel poteka neprestano, pri čemer se ogljik stalno premika med atmosfero, biosfero in litosfero.

Mineralizacija in imobilizacija organske snovi v tleh

Primarna organska snov nastaja v procesu fotosinteze. Rastlinski opad (listje, iglice, les, cvetovi, plodovi itd.) oz. odmrla organska snov rastlin je na površini tal plen talnih živali, ki opad kosajo, ga drobijo in se z njim prehranjujejo. Opad, torej mrtvo organsko snov, talni organizmi in mikroorganizmi uporabljajo za svojo hrano in jo s tem razkrajajo. V procesu razgradnje (mineralizacije) pa se iz organske snovi sproščajo hranila in energija. Tako se kompleksne organske polimerne molekule razgradijo v preproste anorganske molekule. Na primer, organsko vezani N, P in S se pretvorijo v dostopno ionsko obliko NH4+, H2PO- in SO42-. Rezultat razkrajanja in razgradnje organske snovi je predvsem ogljikov dioksid in voda, energija, ki se porablja za življenje talnih organizmov, ter hranila (dušik, fosfor, kalij, žveplo, kalcij, itd.), ki so po mineralizaciji na voljo rastlinskim koreninam, rastlinam za ponovno rast.

Količina rastlinskih organskih ostankov in delež organskih ostankov, ki ga mikroorganizmi mineralizirajo – razgradijo do CO2, sta najpomembnejša člena v krogotoku ogljika in najbolj vplivata na dinamiko spreminjanja vsebnosti organske snovi v tleh. Pri razgradnji organskih ostankov sodeluje tudi talna favna, ki organske ostanke mineralizira in na ta način pospeši njihovo mikrobno razgradnjo in mineralizacijo.

Preostali ogljik, ki se ne sprosti v atmosfero pa se sintetizira v celice talnih mikrobov, ki jih definiramo kot mikrobna biomasa. V mikrobno biomaso se vgradi tudi različen delež bistvenih elementov (kot so N, P in S) in ti elementi tako niso na voljo za rast rastlin. Ta proces se imenujemo imobilizacija. Pri pogojih, ko je razgradnja in mineralizacija rastlinskih ostankov v tleh počasnejša od njihove akumulacije delež organske snovi tal naraste, tako da nastanejo organska tla. Izrazit primer so šotna barja na visokogorskih planotah, v Sloveniji na primer na Jelovici in Lovrenškem Pohorju. Nastala so zaradi prevladujočih nizkih temperatur in nasičenosti tal z vodo. Ti pogoji so upočasnili razgradnjo in mineralizacijo rastlinskih organskih ostankov, predvsem iz šotnega maha. Tla šotnih barij sestavlja do 90% slabo razgrajene organske snovi, ki se nabira v debelih plasteh.

Neživa organska snov v tleh

Povzeto po Leštan (2001)

Glavnino tal gradijo mineralni delci, tako imamo v tleh običajno do 10% organske snovi.  Organsko snov tal sestavljata živa in neživa organska snov. Večino predstavljajo stabilne organske spojine humusa (70 – 90%). Humus je stabilni del nežive organske snovi tal, za katerega velja, da ima veliko obstojnost v tleh. Kljub temu, da se lahko v nekaterih tleh zadrži tudi več sto let, pa ni popolnoma odporen na mikrobno transformacijo in razgradnjo in se v končni fazi vedno mineralizira. Humus predstavlja večinski del organske snovi v tleh.

Humus je visokomolekularna organska snov tal, ki se je kemijsko ne da natančno identificiranti, vseeno pa vemo, da ga sestavljajo humin, huminske kisline ter fulvinske kisline. Organska snov ne mineralizira v celoti. Del se je spremeni v novo – sintetizirano in trajnejšo organsko snov kompleksne sestave, ki jo imenujemo humus. Proces imenujemo humifikacija. Humus je sestavljen iz kompleksnih organskih snovi (humina, huminskih kislin, fulvokislin in glomalina), ki so v tleh bolj obstojne, temno rjave in črne barve. Zato so zgornji A-horizonti značilno obarvani temno rjavo oz. črno, ko so močno humozni.

Humus bistveno vpliva na lastnosti tal. Omogoča dobro in obstojno strukturo (oreškasto, grudičasto ali celo mrvičasto), zelo poveča sposobnost tal za vezavo in izmenjavo hranil (poveča kationsko pa tudi anionsko izmenjalno kapaciteto), poveča filtrne sposobnosti tal za talne delce, zračnost tal, sposobnost razgradnje, nevtralizacije in transformacije škodljivih snovi, zelo povečuje sposobnost tal za zadrževanje vode in še bi lahko kaj dodali. Pomen humusa za rodovitnost ter lastnosti dobro humoznih tal so poznali že v starem Egiptu in Grčiji, kjer so humus imenovali eliksir življenja.

Poleg humusa pa k neživi organski snovi v tleh vključujemo tudi ne-humificirane snovi, kot so lignin in ligninu podobne spojine, beljakovine (proteini in encimi), druge skupine v manjših količinah pa so ogljikovihidrati (hemiceluloza, celuloza, škrob), masti voski in lipidi. Ne-humificirane snovi imajo prepoznavne fizikalne in kemične lastnosti in jih mikroorganizmi v tleh zlahka napadejo in se v tleh ohranijo le kratek čas. Ne-humificirane snovi pridejo v tla kot raslinski opad ali kot izločki, ki jih rasline skozi koreninski sistem izločajo v tla oz z razgradnjo odmirlih talnih mikroorganizmov in talnih živali. Organizmi snov razgrajujejo, saj pri tem dobijo energijo in hranilne snovi za izgradnjo lastne biomase. Proces razgradnje poteka od nekaj dni do desetletij in je odvisen od temperature in vlage ter kakovosti žive in odmrle biomase. Ratlinski opad, ki ga razgrajujejo talni mikroorganizmi, do 50 % predstavljajo polimeri C, vključno s hemicelulozo, pektini in celulozo. Te glavne strukturne sestavine celične stene vsebujejo le majhno količino esencialnih hranil, kot sta N in P. Na drugi stani pa citoplazemske sestavine (vsebina znotraj celične stene rastlinske celice), kot so sladkorji, amino spojine, organske kisline in beljakovine, predstavljajo do 10 % suhe teže rastlinskih ostankov in zagotavljajo potrebno energijo in esencialna hranila za dokončanje razgradnje.

Neživa organska snov in struktura tal

Prostorski ureditvi talnih delcev, agregatov in praznin pravimo struktura tal. Struktura tal določa delež, velikost in obliko por in talnih prostorov ter razmerje med makro (>30mm), mezo (30-0.2 mm) in mikro (<0.2 mm) porami v tleh. Dobro strukturirana tla so za organizme primernejša, predvsem talnim živalim zagotavljajo primeren prostor. Makropore omogočajo kapilarno prevodnost vode v tleh. V makroporah se shranjuje voda, ki jo lahko izkoriščajo rastline. Mikropore vsebujejo vodo, ki je močno vezana na negativno nabite delce gline in humusa in rastlinam zato težje dostopna. Od deleža makropor je odvisna poroznost tal in s tem tudi prezračevanje in odvodnjavanje tal. Strukturni agregati pomagajo vzdrževati rahlost tal, kar tudi pripomore k boljšemu zračenju tal. Dobro strukturirana tla imajo boljše mehanske lastnosti in jih je lažje obdelovati. Struktura tal se manifestira v makroskopski in mikroskopski skali, pri slednji ima pomembno vlogo organska snov tal.

Najmanjši delci, ki omogočajo nastanek dobro strukturiranih tal so mikroagregati (<50 mm). Mikroagregati nastajajo s povezovanjem delcev glinenih mineralov. Kot vezivo služi humus, ki preko kovinskih kationov z glinami tvori organo-mineralne komplekse. Mikroagregati ter delci peska in melja se zlepljajo med seboj in se združijejo v makroagregate (>50 mm). Pri tem kot lepilo služijo polisaharidne snovi, ki jih izločajo bakterije in glive ter korenine rastlin. Poleg zlepljanja z polisaharidnimi lepili poteka združevanje v makroagregate tudi z mehanskim povezovanjem s hifami aktinomicet in gliv ter koreninicami rastlin.

V makroagregate se združujejo delci peska melja in mikroagregatov. Združevanje poteka z zlepljanjem in mehanskim povezovanjem. Polisaharidi, ki zlepljajo talne delce so mikrobiološko zelo hitro razgradljive snovi. Pri procesih, ki peljejo do zmanjševanja deleža organske snovi v tleh ta del nežive organske snovi običajno prvi izgine, kar povzroči razpad makroagregatov. To se lahko zgodi kot posledica intenzivne kmetijske rabe tal. Razpad makro-agregatov zaradi trganja spletov hif aktinomicet in gliv ter rastlinskih koreninic povzroča tudi intenzivna mehanska obdelava tal, na primer oranje.

Iz mikro in makro-agregatov pod vplivom klimatskih razmer: vlaženje, izsuševanje, zmrzovanje in taljenje lahko v tleh pride do oblikovanja večjih strukturnih agregatov (>0.5 mm). Strukturni agregati so lahko različnih oblik: sferični, poliedrični, prizmatični lističasti, ki dajejo tlom različno (makroskopsko) strukturo, ki jo lahko razločimo s prostim očesom ali z

uporabo leč. Pri razpadu strukturnih agregatov je najpomembnejši dejavnik voda.

Struktura tal je ena bistvenih morfoloških lastnosti tal in vpliva na številne talne karakteristike in procese: poroznost, razmerje med makro in mikroporami, vodne tokove, dostopnost hranil, delovanje mikroorganizmov, razvoj in rast korenin. Na povezovanje talnih delcev med seboj in tvorbo strukturnih agregatov vplivajo številni procesi, najpomembnejši med njimi so: koagulacija koloidov, elektrostatično povezovanje glibnenih delcev, vlaženje in izsuševanje, zmrzovanje in taljenje, zlepljanje, delovanje rastlinskih korenin in talne favne. Vinska trta je kulturna rastlina za katero je znano, da lahko njen koreninski sistem prodre zelo globoko v tla – na globokih prodnatih tleh v regiji Bordeaux so našli korenine vinske trte vse do globine 6 m. Olesenele korenine vinske trte so običajno vsaj 30-35 cm pod površino in se po tretjem letu od zasaditve načeloma ne povečujejo več. Kljub temu pa se koreninski podaljški manjšega premera še naprej širijo horizontalno in vertikalno od olesenegega ogrodja. Od debla lahko segajo več metrov vstran. Te korenine in drobnejše stranske korenine v območju 10-60 cm globoko zagotavljajo glavne absorpcijske površine za normalno rast vinske trte.

Rastlinske korenine in z njimi povezane mikorizne glive pomagajo ustvarjati strukturo tal. Ugodna in stabilna struktura tal za vinsko trto zagotavlja optimalno razpoložljivost vode in kisika, ki sta bistvena za rast korenin in talnih organizmov. Struktura mora biti porozna in ne sme biti težka za korenine, omogočati mora nemoteno izmenjavo plinov in pretok vode, biti mora odporna proti eroziji, omogočati mora obdelavo tal ob različnih vsebnostih vode v tleh ter omogočiti prehod traktorjev in strojev za spravilo pridelkaz minimalnim zbitjem.

Neživa organska snov in sorptivna sposobnost tal

Sorptivna sposobnost tal je sposobnost tal, da vežejo in zadržujejo tekočine in ione v talni raztopini. Ločimo več mehanizmov, ki omogočajo vezavo in zadrževanje:

• (1) Mehansko sorpcijo vode ter ionov v talni raztopini zaradi sistema por in kapilar (kapilarna voda), ki delujejo kot filter.
• (2) Fizikalno sorpcijo vode in ionov in na površino (negativno) električno nabitih koloidnih delcev gline in humusa.
• (3) Kemijsko sorpcijo. Mineralna hranila so lahko v obliki topnih ali netopnih soli. Kemijsko vezana voda se nahaja v kristalni mreži glinenih mineralov.
• (4) Biotska sorpcija. Predvsem mikroorganizmi v svoji biomasi zajemajo velik del razpoložljive mineralnih hranil in vode.

Med vsemi mehanizmi, ki določajo sorptivno sposobnost tal je najpomembnejša fizikalna sorpcija vode in ionov na talne koloide. Hidratacijski ovoj okoli koloidnih delcev gline in humusa nastaja zaradi interakcije električno nabite površine koloida z dipoli vodnih molekul. Tudi koncentracija kationov je višja v plasti vode ob nabiti površini koloida.

Hidratacijski ovoj z večjo koncentracijo kationov nastaja kot posledica električno negativno nabite površine koloidov ter dipolnega privlaka vodnih molekul ter elektrostatičnega privlaka kationov. Količina vode, ki jo tla lahko zadržijo je odvisna od deleža, velikosti in oblike por in talnih prostorov, ki se izraža v strukturi tal. V drobnih kapilarah se voda zadrži in ne odteče predvsem zaradi adhezijskih sil med vodnimi molekulami in trdnimi površinami in visoke površinske napetosti vode. Posebno močno pa se voda veže na površine talnih koloidov gline in humusa, kjer se zadrži v obliki vodnih filmov – hidratacijski ovoj. Količina vode, ki jo tla lahko zadržijo je tako poleg strukture odvisna predvsem od teksture tal in vsebnosti humusa.

Tla s fino teksturo, kot so glinena tla z veliko površino delcev, lahko zadržijo več vode kot peščena tla, ki imajo sicer velik delež por, a so te tako velike, da voda odteče. Se pa tla s finejšo strukturo in manjšim deležem por z vodo hitreje nasičijo kot pečena tla, zato v takih tleh prevladujejo anaerobna razmere. Količina zadržane vode v tleh premo-sorazmerno narašča tudi z deležem organske snovi v tleh.

Sorptivno sposobnost tal za vezavo, zadrževanje in izmenjavo kationov imenujemo kationska izmenjalna kapaciteta. Kationska izmenjalna kapaciteta določa količino kationov, ki jo tla lahko adsorbirajo pri določenem pH in jo izražamo v centi molih pozitivnega nabija na 100 g koloida ali tal (cmol+/100g). Omogoča izmenjavo kationov med talno raztopino, negativni nabitimi mesti na koloidnih delcih humusa in gline, ter rastlino. Na kationska izmenjalna mesta na koloidih se kationi vežejo z različno preferenco, ki predvsem odraža njihov naboj in ionski radij ter je seveda odvisna tudi od koncentracije posameznih kationov v talni raztopini. Pri enaki koncentraciji je vrstni red kationov glede na sposobnost izmenjave sledeč:

Al3+ > Ca2+ > Mg2+,> NH4+ = K+ > Na+

Negativno nabita površina koloidov privlači tudi druge katione, na primer Cu2+, Zn2+, Mn2+ iz talne raztopine. Med kationi so za prehrano rastlin nujno potrebna (esencialna) hranila. Rastlinskim koreninam postanejo na voljo po izmenjavi kationov med površinami talnih koloidov in talno raztopino. Na ta način koloidi regulirajo oskrbo rastlin s hranil in spojinami (vitamini, fitohormoni), ki so adsobirane na aktivnih površinah koloidov.

Živa organska snov oziroma talna biocenoza – tla kot habitat

Tla so dinamična mešanica organskih in mineralnih delcev različnih velikosti ter živih organizmov in njihove odmrle biomase. Talni organizmi prestavljajo živo organsko snov tal. Nekateri organizmi preživijo v tleh svoj celotni življenjski ciklus, drugi pa so na tla kot življenjsko okolje vezani le delno.

Število organizmov oziroma njihova biomasa na enoto tal ter struktura združb organizmov se spreminjajo z globino tal in so odvisni od lastnosti tal, rastlinskega pokrova, letnega časa, klimatskih razmer in rabe tal. Talna biota živi vse do matične kamnine, največ organizmov pa najdemo v zgornjih 30 cm tal, kjer je največ hrane in kisika. Malo znano je, da je pedosfera, poleg atmosfere, geosfere/litosfere in hidrosfere, biotsko zelo pester življenjski prostor z izjemnim številom organizmov. V kocki oranih tal s stranico 4 cm je število organizmov približno enako številu vseh ljudi na Zemlji. Čeprav biomasa organizmov v tleh (brez korenin rastlin) ne presega 1 % suhe teže tal, je delež žive biomase v tleh večji kot v drugih življenjskih okoljih in pomembno vpliva na delovanje tal in kopenskih ekosistemov.

V tleh živi veliko mikroskopskih enoceličnih organizmov, kot so prokariontske bakterije in arheje, ki igrajo ključno vlogo pri kroženju snovi in plinov. Cianobakterije in alge sta prav tako pomembni skupini mikroorganizmov v tleh. Nekatere cianobakterije lahko vežejo dušik iz zraka, kar rastlinam priskrbi 10 do 25 kg dušika letno na hektar. Alge so prisotne skoraj povsod v tleh, predvsem na površini, kjer so številčnejše in so do sedaj identificirali okoli 700 vrst. Alge prispevajo k fiksaciji dušika, izboljšanju strukture tal in tvorijo biološke skorje, ki ščitijo tla pred erozijo. Glive se prehranjujejo z razgrajevanjem organske snovi ali zajedanjem živih bitij ter se pojavljajo v vseh tleh, bodisi kot enocelične glive bodisi kot dolgi nitasti miceliji. Glive imajo pomembno vlogo pri kroženju hranil, saj učinkovito razgrajujejo organsko osnov, posebej v kislih tleh. Pomembna je tudi njihova simbiotska interakcija z drugimi vrstami ter prispevek k dobri strukturi tal. Praživali (~ 30.000 vrst), sicer mikroskopsko majhni enocelični organizmi, ki so veliki do 1 mm in živijo v svežih ali vlažnih tleh, se hranijo z mrtvo organsko snovjo in bakterijami ter prispevajo h kroženju dušika. V tleh pa živijo tudi večje živali kot so vrtinčarji (~ 3.000 vrst), kotačniki (~ 12.000 vrst) in drobne gliste, ki prebivajo v vodnem filmu na strukturnih agregatih tal. Deževniki, prebivalci vseh vrst tal, imajo pomembno vlogo pri mešanju tal, saj po ocenah v obliki glistin letno odložijo 5 mm površine tal. Od žuželk so zelo pomembni skakači (Collembola, ~ 6.000 vrst), ki se hranijo z opadom in mikroorganizmi ter prispevajo k razgradnji rastlinskih ostankov in kontroli populacij drugih vrst v tleh. Številne pršice (lahko jih je tudi več 100.000 na m2), ki sodijo med pajkovce, so prisotne v vseh vrstah tal.

Danes talne organizme opisujemo in jih razvrščamo na različne načine – enotne sistematike talnih organizmov še ni. Zelo pogosto talne organizme razvrščamo glede na njihovo velikost na mikrobe, mezofauno in makrofauno. Mikrobi so najmanjši talni organizmi, ki vključujejo bakterije, arheje, glive, alge in protozoje. So mikroskopski in večinoma enocelični, vendar imajo ključno vlogo pri razgradnji organske snovi, kroženju hranil in tvorbi humusa. Med mezofauno spadajo organizmi, ki so nekoliko večji od mikroorganizmov, vendar še vedno zelo majhni. Mednje štejemo kolobarnike, pršice, skakače, praščipalce in majhne členonožce. Ti organizmi se hranijo z organskimi snovmi, mikroorganizmi ali drugimi mezoorganizmi in prispevajo k razgradnji organske snovi ter prezračevanju tal. Makrofauna pa so največji talni organizmi, ki vključujejo deževnike, stonoge, pajke, mravlje, hrošče in druge velike členonožce ter vretenčarje, kot so krti in glodavci. Makroorganizme lahko poimenujemo tudi “ekološki inžinirji”, saj so pomembni za mehansko obdelavo tal. S svojimi dejavnostmi mešajo in prezračujejo tla in izboljšujejo vodni režim v tleh.

Talni mikroorganizmi

Mikroorganizmi živijo v tleh, na kamninah, v koreninah, zakopani kilometre globoko v Zemeljski skorji, v kompostu in med strupenimi odpadki. Najdemo jih v vročih vrelcih in v ledenikih. Živijo v hišah in na spomenikih. Med talnimi mikroorganizmi je daleč največ bakterij in gliv. Ti mikroorganizmi so glavni razgrajevalci odmrle organske snovi v ekosistemu tal. Njihova osnovna vloga v ekosistemu tal je recikliranje. Kompleksne organske molekule (biopolimere), ki sestavljajo mrtve ostanke rastlin in živali spremenijo v enostavne anorganske spojine, ki jih rastline in drugi organizmi lahko uporabijo za ponovno rast.

Talne BAKTERIJE uporabljajo različne vrste metabolizma. Kot vir energije lahko izkoriščajo organske in anorganske snovi. Za izgradnjo biomase izkoriščajo organski ogljik ali ogljik iz CO2 v atmosferi. Kot akceptor elektronov, ki nastajajo pri energijski izrabi (razgradnji) organskih in (oksidaciji) anorganskih snovi lahko uporabljajo O2 (aerobna respiracija), v odsotnosti O2 pa mineralne snovi (anaerobna respitacija) ali organske snovi (fermentacija).

Glede na vire energije in vir C, ki ga bakterije uporabljajo za izgradnjo celične biomase ločimo:

• (1) Fotoavtotrofne bakterije. Vir energije je svetloba, vir ogljika pa CO2. Taka izraba virov je značilna tudi za mikroalge in rastline.
• (2) Kemoavtotrofne bakterije. Vir energije so anorganske snovi (S, H2S, NH3, H, NO2), vir ogljika pa CO2. Te vire izrabljajo tudi arheje.
• (3) Kemoheterotrofne bakterije. Vir energije in ogljika je organska snov. Te vire izrabljajo tudi živali.

Med bakterijami najdemo aerobne in anaerobne vrste. Zaradi raznolikih metabolizmov, ki so prilagojeni izrabi skoraj vsem možnim virov energije, najdemo bakterije v vseh nišah v tleh, ki življenje sploh omogočajo. Talne bakterije so večinoma saprofiti – hranijo se z odmrlo biomaso rastlin in živali, ki jo pri tem energetsko izrabijo, razkrojijo in mineralizirajo (kemoheterotrofne bakterije). Najbolje zastopana skupina bakterij v tleh so bakterije reda aktinomicet (Actinomycetales). So grampozitivne, aerobne bakterije, ki pomembno prispevajo k razgrajevanju in mineralizaciji organskih ostankov v tleh. Nekatere bakterije, med najpomembnejšimi so rodovi Azotobacter, Clostridium, Rhizobium, Bradyrhizobium, so sposobne vezave – fiksacije N2 iz atmosfere v organsko vezan N, ki ga kot vir N lahko uporabljajo tudi drugi organizmi. Bakterije rodu Pseudomonas (saprofiti) pri razgradnji organske snovi v anaerobnih pogojih namesto kisika (aerobna respiracija) lahko uporabljajo NO3 kot acceptor elektronov (anaerobna respiracija). Te bakterije povzročajo v tleh denitrifikacijo. Pri tem pride do pretvorbe mineralnega dušika v plinski molekularni dušik. Ta proces je glavna pot izgubljanja virov dušika iz tal v atmosfero. Tako da lahko rečemo, da so bakterije gonilne sila kroženja dušika v tleh.

Razgradnja organske snovi z anaerobno repiracijo je energetsko manj ugodna kot aerobna respiracija zato poteka samo, če v tleh ni O2. Če v tleh, na primer ob poplavah, zmanjka O2 potem bakterije Pseudomonas namesto aerobne uporabijo anaerobno respiracijo. Kemoautotrofne aerobne bakterije Nitrobacter in Nitrosomonas kot vir energije uporabljajo oksidacijo NH3. NH3 nastaja v tleh pri razkroju živalske in rastlinske biomase v procesu, ki mu pravimo amonifikacija. Nitrobacter in Nitrosomonas v procesu nitrifikacije NH3 spremenijo v NO3-, ki je primeren vir N za številne rastline. Skupaj z bakterijami, ki vežejo N in bakterijami Pseudomonas, ki N reducirajo, bakterije Nitrobacter in Nitrosomonas spreminjajo N v kemijske oblike, ki so primerne za prehrano različnih organizmov. S tem omogočajo vključevanje N v biološko kroženje snovi v kopenskih ekosistemih. V tleh živeče bakterije so sposobne oksidacije in redukcije ter s tem kroženja tudi drugih elementov kot so P, S, Fe, in Mn.

GLIVE so večinoma saprofiti in so najpomembnejši razgrajevalci odmrle rastlinske biomase, ki se nabira na površini tal. Pomembno vplivajo na kroženje snovi po kopenskih ekosistemih. Številne talne glive proizvajajo in izločajo različne hidrolitične in druge encime. Hidrolaze sodelujejo pri depolimerizaciji velikih molekul naravnih polimerov (na primer celuloze, hemiceluloze, proteinov, pektinov), pri čemer porabljajo vodo. Sproščene manjše molekule so mikroorganizmom lažje dosegljive kot vir hrane zaradi večje propustnosti skozi celične stene in membrane in zaradi večje mobilnosti in vodotopnosti.

Mikorizne glive živijo v simbiozi z koreninami rastlin. Mikoriza (Mycorrhizae) v dobesednem prevodu pomeni “koreninska gliva” in pomeni simbiotsko združbo med rastlino, oziroma njenim koreninskim delom, in glivo. Rastline z mikoriznimi glivami pridobijo predvsem večjo površino koreninskega sistema in s tem povečano možnost absorbcije hranil, predvsem fosfatov in vode. Mikoriza je zato posebno pomembna predvsem za rastline, ki uspevajo na revnih tleh in pa tam, kjer je na voljo le malo vode. Mikorizne glive tudi ščitijo rastlinske korenine pred patogenimi mikroorganizmi, medtem ko omogočajo kolonizacijo korenin s koristnimi mikroorganizmi, na primer z bakterijami, ki vežejo dušik. Mikorizne glive kolonizirajio predvsem drobnejše korenine in praviloma ne razgrajujejo organskih ostankov, temveč pridobivajo ustrezna hraniva neposredno iz koreninskih izločkov. Poznamo dve obliki mikorize:

• (1) Ektomikoriza, pri kateri gliva tvori obsežen micelijski splet na površini korenin, penetracija glivnih hif v same korenine pa je majhna. Med ektomikorizne glive spadajo številne glive iz razreda basidiomicet (Basidiomycetes) in askomicet (Ascomycetes), med njimi tudi znani tartufi.
• (2) Endomikoriza, pri kateri gliva kolonizira tkivo korenin. Med endomikorizne glive spadajo tiste iz razreda zigomicet (Zygomicetes), med katerimi jih je največ iz rodu Glomus.

Mikoriza je značilna za večino rastlin in za skoraj 90% dreves. Zelo pomembna je za gozdna tla zmernih podnebij. Na splošno velja, da so skoraj vse rastline, ki rastejo na prerijskih, travnatih, gozdnih, alpskih in arktičnih tal sposobne mikorize. Med mikoriznimi rastlinami je tudi večina ekonomsko pomembnih kultur. Če na korenine vinske trte ob sajenju inkuliramo mikorizne glive le-te lahko pomembno vplivajo na rast vinske trte z izboljšanjem absorpcije hranil, kot so fosfor in mikrohranil (cink, baker in mangan), ter povečano odpornostjo proti suši in boleznim. S povečanjem površine koreninskega sistema te glive omogočajo boljšo absorpcijo vode in hranil, kar je ključno za rast trte na suhih ali peščenih tleh. Prav tako prispevajo k boljši talni strukturi, kar izboljšuje prezračevanje in odvodnjavanje tal. Mikorizne glive lahko tudi zaščitijo trto pred talnimi patogeni, kar izboljšuje njeno splošno zdravje in vitalnost, posledično pa povečuje pridelke in kakovost grozdja.Številne talne bakterije in glive so antagonisti organizmom, ki so poljščinam in drugim rastlinam škodljivi. Škodljivim organizmom škodijo predvsem z sintezo in izločanjem raznih antibiotikov in toksinov. Številne bakterije so koristne kot antagonisti škodljivim organizmom. Pripravke, ki vsebujejo nekatere teh bakterij uporabljamo za t.i. biotsko varstvo rastlin.

Voda v tleh

Vsebnost vode v tleh je ključni člen hidrološkega cikla, ki nadzira izmenjavo vode med atmosfero in podzemno vodo ter vpliva na večino fizikalnih, kemijskih in bioloških procesov, ki se pojavljajo v tleh. Fizikalno voda v tleh deluje kot mazivo in vezivo med talnimi delci, zato ima učinek na njihovo strukturno stabilnost oz strukturo tal. Velika toplotna prevodnost vode omogoča zmernost v dnevnih in sezonskih nihanjih temperature na površju tal. Kemijsko voda omogoča transport raztopljenih anorganskih snovi in suspendiranih organskih delcev, ki so vključeni v procese razvoja in degradacije tal. Količina vode ima pomemben vpliv na mnogo biofizikalnih procesov v tleh, vpliva na kaljenje semen, rast in mineralno prehrano rastlin ter mikrobno razgradnjo organske snovi. Poznavanje variabilnosti vsebnosti vode na ravni parcele, je pomembno pri upravljanju kmetijskih površin v smislu maksimalnega povečanja pridelka ter zmanjševanja negativnih učinkov uporabe gnojil in fitofarmacevtskih sredstev na kakovost podzemne vode.

Viri vode v tleh so padavine, v manjšem obsegu vodni hlapi in podtalnica. Ko se na površini tal pojavi voda, bodisi tja pride zaradi padavin ali namakanja, del vode steče po površini kot površinski odtok.  Ta voda se lahko zbere v hudournikih ali rekah in se prelije v druge vodne vire. V primerih, ko je padavinska količina prevelika ali kadar so tla že zasičena z vodo, lahko voda povzroči poplave ali erozijo tal. Do podpovršinskega toka pride, ko se voda odcedi skozi tla in tako hitro doseže podtalnico. To se zgodi, če so tla peščena in močno porozna. Ob noramlnih pogojih pa se voda v tla infiltrira. Infiltracija je prva faza, v kateri voda iz atmosfere prodre v tla skozi površino tal. Infiltracija je odvisna od različnih dejavnikov, kot so prepustnost tal, nagib površine, vegetacija in intenzivnost padavin. Gravitacijska infiltracija oz gravitacijski odtok vode v tleh poteka, ko voda teče skozi površino tal navzdol zaradi gravitacije. Ko padavinska voda udari na površino tal, se ta hitro infiltrira v tla in prodre v globlje plasti tal. Pri kapilarnem dvigu oz infiltraciji vode pa se voda giblje med mikroporami v tleh. Pri tem sodelujejo kapilarne sile in voda se tako lahko dviga proti gravitaciji navzgor. To se pogosto dogaja v težkih ilovnatih ali glinenih tleh. Talna voda bodisi zaradi izhlapevanja na površini tal, transpiracije rastlin prehaja iz tal nazaj v atmosfero kot vodna para. Temu procesu pravimo evaporacija vode. Ta proces je pomemben del hidrološkega cikla in vpliva na razpoložljivost vode v tleh ter na mikroklimatske pogoje. Z evaporacijo vode iz tal se tudi zaključi vodni cikelj v tleh.

Infiltrirana voda v tleh se pojavlja v različnih oblikah: kot vodna para. Vodni hlapi so tako sestavni del talne atmosphere in se gibljejo iz toplejšega mesta na hladnejše, tam pa se nazadnje kondezirajo v vodne kaplje. V tleh poznamo tudi kristalno oz kemijsko vezano vodo in se pojavlja kot kristalno vezana voda v mineralih (Al, Fe-hidroksidi) ali voda, ki je vezana na soli v tleh (CaSO4 x H2O). Higroskopska voda pa je v tleh v obliki kapljevine (tekočine). Ko količina vodnih molekul v talnem zraku doseže nasičenje, se začne vezava vode na talne delce v obliki kapljevine. Prva plast molekul vode se veže s tenzijo – 3,1 MPa. Tenzija je izraz za negativni tlak, ker med talnimi delci in molekulami vode (tudi samo med slednjimi) delujejo privlačne sile. Količina higroskopske vode v tleh je tako odvisna od količine glinenih in organskih/humusnih delcev v tleh, vrste mineralov glin, koncentracije talne raztopine in nasičenosti zraka z vodnimi hlapi v tleh. S segrevanjem tal na 105°C higroskopsko vodo odstranimo iz tal.

Če opazujemo zanemarljivo majhen del vode (zanemarimo maso in volumen vode), potem govorimo o potencialu oz. v tem primeru o matričnem potencialu vode v tleh, ki ima negativni predznak in ga označujemo z grško črko psi (Ψ). Podajamo ga tudi kot pF vrednost, ki pomeni logaritem vodnega stolpca, izraženega v centimetrih in ki ustvari tak potencial (npr. pri potencialu 1000 cm je pF vrednost 3; potencial 1000 cm je enakovreden 10 m vodnega stolpca oz. 1 bar hidrostatičnega pritiska). Najbolj negativen matični potencial vode v tleh ima voda, ki je najbližje talnemu delcu. Vsaka naslednja plast vode, vezana na talne delce ima nekoliko večji matrični potencial (od večje negativne vrednosti se pomikamo proti ničli). Čim več vode je v tleh, večji je matrični potencial in voda je vedno bolj dostopna rastlinam. Kajti higroskopsko vezana voda v tleh predstavlja inertno (mrtvo) vlago, ki jo ratline ne morejo srkati.

Vstop vode iz tal v rastline preko koreninskih laskov je možen, če je matrični potencial vode v tleh večji (manjša negativna številka) od potenciala vode v rastlinah, ki se prav tako izraža v negativnih vrednostih v MPa. Rastline morajo zato, da lahko sprejmejo vodo skozi koreninske laske, premagati njen matrični potencial v tleh. Dogovorjena meja najmanjšega matričnega potenciala, ki ga rastline lahko premagajo, je – 1,5 MPa, četudi nekatere rastline, npr. oljka, lahko sprejemajo vodo, ki ima manjši potencial. Dogovorjena meja – 1,5 MPa (pF = 4,2) se imenuje točka venenja (TV). Rastline pri takem stanju vode v tleh trajno ovenijo in si ne opomorejo, četudi jih zalijemo.

Ko količina vode v tleh narašča in se debeli plast vodnih molekul, ki so vezane na talne delce, postaja voda vedno bolj dostopna rastlinam. Ko je vode v tleh relativno veliko in je vodna plast okoli talnega delca že relativno debela, je matrični potencial zadnjih plasti vode tako velik, da ga premaga gravitacijski potencial in voda se začne zaradi gravitacije premikati skozi talni profil. Ko gravitacijsko odcedna voda odteče, se vzpostavi stanje t. i. poljske kapacitete (PK). Pri PK je največja količina vode, ki jo tla lahko zadržijo. V tem stanju so mikropore zapolnjene v vodo in makropore zapolnjene z zrakom. Za večino rastlin je to najprimernejše stanje, saj imajo korenine na voljo dovolj vode in dovolj zraka. Dogovorjena vrednost matričnega potenciala za PK je -0,033 MPa (pF = 2,5).

Če je vode v tleh toliko, da so z njo napolnjene tudi makropore (npr. po dovolj močnem in dolgotrajnem dežju), govorimo o polni kapaciteti tal za vodo. Vendar voda iz makropor počasi odteče v globlje plasti in proti podzemni vodi, ker je gravitacijski potencial večji od matričnega. Ko gravitacijsko odcedna voda odteče, se vzpostavi stanje PK tal za vodo, kar se v peščenih tleh zgodi po približno enem dnevu, v glinenih tleh po približno treh dneh.

Reakcija talne raztopine oziroma pH tal

pH tal pogosto imenujemo glavna spremenljivka tal, ki močno vpliva na številne kemijske reakcije in procese v tleh. Tako  vpliva  na  fizikalno  kemične  procese  v  tleh  in  na  fiziološke procese v rastlinah. Reakcijo talne raztopine določa koncentracija disociiranih vodikovih ionov, izražamo pa jo s pH- vrednostjo.

pH = – log [H+]

Voda disociira na vodikove in hidroksilne  ione. V vodi in vodnih raztopinah obstaja ravnotežje: H2O  +  H2O  →  H3O+  +  OH-

Pri tem je konstanta ravnotežja podana z izrazom, ki se imenuje ionski produkt vode. V vsaki raztopini je torej  zmnožek  koncentracije  vodikovih  in  hidroksilnih  ionov  konstanten.  Pri  25°C  je Kw  =  10 -14 mol2 l-2.

[H+][OH-]  = Kw = 10 -14 mol2 l-2

Tla, ki imajo pH <7, so kisla, tista, ki imajo pH >7, veljajo za alkalna, za tista s pH 7 pa velja, da so nevtralna. Najpomembnejša krivca za kislost tal v mineralno-organskih tleh sta H in Al, pri čemer je Al pomembnejši v tleh z zelo nizkimi vrednostmi pH (<4).

Reakcija tal je posledica številnih dejavnikov in procesov, ki se odvijajo v tleh. Talni pH je rezultat ravnotežja med talnimi minerali, ioni v talni raztopini in kationske izmenjave med talno raztopino in  adsorpcijskim  kompleksom.  Najpomembnejši  dejavnik,  ki  določa  razvoj  pH  v  tleh  je  vsebnost  bazičnih kationov v matični podlagi in proces pedogeneze. Poleg matične podlage pa na razvoj pH talne raztopine vplivajo tudi drug dejavniki: vsebnost organske snovi v tleh, vpliv rastlinskih korenin in talne favne ter seveda človekovi posegi v tla (industrializacija, gnojenje).

V praksi štejemo k nevtralnim tlem vsa tla v območju pH vrednosti od 6.5 do 7.5. Optimalen pH ni enak za vse tipe tal. Lahka tla in tla, ki so bogata s humusom, imajo nižji optimalen pH. V naravi lahko sklepamo na reakcijo tal že po prirodni vegetaciji. Vsaka rastlinska vrsta najbolje uspeva v določenem pH območju. Za večino rastlinskih vrst je najugodnejši pH od 6.0-7.0 oz v organskih tleh od 5.5-6.0. Vendar pa lahko nekatere rastline najdemo le na kislih tleh (acidofilne), druge le na bazičnih (bazifilne). Pokazatelj zelo kislih ali bazičnih tal je tudi to, da rastline slabo uspevajo. Vinska trta najbolje uspeva v tleh s pH vrednostjo med 6 in 7. To območje pH, ki je nevtralno do rahlo kislo, je optimalno za večino sort vinske trte. Vendar pa se lahko nekatere sorte in njihove podlage lahko prilagajajo tudi rahlo kislim ali alkalnim tlem.

Kislost ima tudi velik vpliv na dostopnost hranil. Mnogi elementi nastopajo v tleh v različnih

oblikah, kar je odvisno od pH tal. Rastline pa niso sposobne sprejemati vseh oblik hranil oz.

sprejemajo določene oblike lažje od drugih. Primer: fosfor je rastlinam najbolj dostopen v območju 6.0 – 7.0. V kislih tleh (pH < 5.8) fosfor reagira z železom in nastane netopen železov fosfat, v bazičnih tleh pa fosfor reagira s kalcijem in prav tako nastane slabo topen kalcijev fosfat. V splošnem velja, da so vsa glavna hranila in Mo rastlinam najbolj dostopni v nevtralnem pH območju. Elementi v sledovih pa so bolj dostopni v kislem območju. V kislih tleh lahko H+  in Al3+ ioni izpodrinejo adsorpcijsko vezane Ca2+, Na+ , K+ , Mg2+ in druge ione v raztopino, od koder se le ti lahko izperejo.

pH je pomemben podatek, tudi za vinogradniška tla, saj nam pove kakšen bo sprejem hranil. Prav pri interpretaciji pH vrednosti je veliko neznanja, saj lahko ob visokem pH (nad 7,00) nepravilno sklepajo da je v tleh preveč kalcija. Visok pH povzročajo tako vodikovi (H+) ioni, kot tudi ostali kationi med katerimi sta na prvem mestu kalij (K+) in magnezij (Mg2+). Prav zaradi tega imajo naši odlični z laporji bogati vinogradi visoke pH, kar pa ne pomeni pribitka kalcija. Pravzaprav se kalcij ob magneziju zelo hitro izpira v spodnje plasti tal in postaja v vinogradih z zelo plitkim koreninskim sistemom travnega pokrova in korenin trt, ter visokim pH, že vzrok pomanjkanja. Nizki pH pa avtomatično ne pomeni zgolj samo apnenja, temveč zahteva najprej povečanje humusa in zračnosti v tleh z vnosom večjih količin težko topnih kalcitov, dolomitov, silikatov, zeolitov in PRP granulatov. Po tem pa opravimo apnenje, ki bo sprostilo vezi in rastlinam omogočilo dober sprejem hranil.

ph v tleh in vpliv kislega dežja

Kisli dež nastaja s kondenzacijo kislih hlapov, predvsem žveplovih (H2SO4) in dušikovih (HNO3) v ozračju zaradi emisij žveplovega dioksida (SO2) in dušikovih oksidov iz naravnih in antropogenih virov. Največji antropogeni viri teh plinov so izgorevanje fosilnih goriv (vir žveplovih plinov) in izpuhi motornih vozil (vir dušikovih oksidov). Ti hlapi kondenzirajo na aerosolnih delcih in skupaj z osnovnimi snovmi v atmosferski vodi določajo pH padavin. Glavni kationi v padavinski vodi so H+, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+ in K+, glavni anioni pa SO42-, NO3- in Cl-. Povprečna vrednost količine H+, ki nastane na leto zaradi kislih padavin na industrializiranih območjih, je 1 kmol H+ ha-1 leto-1, vendar se lahko glede na bližino vira onesnaženja giblje od 0,1 do 6 kmol H+ ha-1 leto-1. Čeprav je dobro dokumentirano, da kisli dež škodljivo vpliva na vodne organizme, saj močno zniža pH jezer in potokov, ter povzroča škodo na stavbah, spomenikih in rastlinah, kot so nekatere vrste dreves, se zdi, da so njegovi učinki na kmetijska tla minimalni. V večini primerov je zakisanost tal, ki se pojavi naravno ali je posledica agronomskih praks, bistveno večja od zakisanosti zaradi kislega dežja. Če na primer predpostavimo, da se na obdelanih tleh letno uporabi od 50 do 200 kg N ha-1, je zakisanje tal (zaradi reakcije NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+) zaradi gnojil 4-16-krat večje kot zakisanje zaradi kislega dežja v visoko industrializiranih območjih. Zato se zdi, da v večini tal, ki se obdelujejo v kmetijstvu, kisli dež ne predstavlja težave. To velja zlasti za tla, ki se redno apnijo in imajo zaradi velike vsebnosti gline in organskih snovi precejšnjo pufersko sposobnost. Vendar pa lahko kisli dež na tleh z nizko pufersko kapaciteto, kot so številna peščena tla, sčasoma poveča njihovo kislost.

Vseeno pa kisli dež lahko negativno vpliva na kemijsko sestavo tal v gozdovih in na travnikih. Apnenje gozdov se redko izvaja, kisli dež pa lahko povzroči izpiranje hranilnih kationov, kot so Ca2+, Mg2+ in K+, iz tal, kar povzroči znižanje pH in topnost strupenih kovin, kot sta Al3+ in Mn2+. To lahko povzroči zmanjšano biološko aktivnost tal (zmanjšano aktivnost talnih organizmov), kot je amonifikacija (pretvorba NH4+ v NO3-), in zmanjšano vezavo atmosferskega N2 s strani križnic, in tako se lahko zmanjša kroženje hranil. Sčasoma se produktivnost gozdov in travnikov zmanjša zaradi manjšega števila hranil in višjih vsebnosti strupenih kovin.

Zrak v tleh

Pomen zraka v tleh je dvojen: (1) omogoča dihanje talnih organizmov in rastlinskega koreninskega sistema in (2) deluje kot medij kemijskih reakcij, predvsem redoks reakcij (oksidacija in redukcija) v tleh.

Oksidacijsko-redukcijske (redoks) reackcije in potenciali

Kemijske reakcije v tleh vključujejo kombinacijo prenosa protonov in elektronov. Do oksidacije pride, če pri prenosu pride do izgube elektronov, do redukcije pa, če pride do pridobitve elektronov. Oksidirana komponenta ali oksidant je akceptor elektronov, reducirana komponenta ali reducent pa donor elektronov. Elektroni v raztopini tal niso prosti, zato mora biti oksidant v tesnem stiku z reducentom. Za popoln opis oksidacijsko-redukcijskih (redoks) reakcij je treba upoštevati tako oksidacijo kot redukcijo. Da bi ugotovili, ali bo določena reakcija potekala, lahko zapišemo redukcijske in oksidacijske polreakcije (polreakcijo ali polcelično reakcijo lahko imenujemo redoks par) in izračunamo ravnotežne konstante za polreakcije. Redoks reakcije oksidantov v tleh lahko konvencionalno opredelimo s splošno polredukcijsko reakcijo: Ox + mH+ + ne– → Red, kjer je Ox oksidirana komponenta ali akceptor elektronov, Red reducirana komponenta ali donor elektronov, m število vodikovih ionov, ki sodelujejo v reakciji, in n število elektronov, ki sodelujejo v reakciji. Elektroni v enačbi morajo biti zagotovljeni s spremljajočo oksidacijsko polreakcijo. V tleh je organska snov glavni vir elektronov. Da bi v celoti opisali redoks reakcijo, mora biti oksidacijska reakcija uravnotežena z redukcijsko reakcijo. Ponazorimo te koncept z redoks reakcijo redukcije Fe(OH)3 v tleh, kjer CH2O predstavlja organsko snov v tleh:

4Fe(OH)3 + 12H+ + 4e– → 4 Fe2+ + 12H2O (redukcija)

CH2O + H2O → CO2 + 4H+ + 4e– (oksidacija)

4 Fe(OH)3 + CH2O + 8H+ → 4 Fe2+ + CO2 + 11H2O (redoks reakcija)

Eh v tleh, znan tudi kot redoks potencial ali električni potencial, je merilo oksidacijsko-redukcijske (redoks) aktivnosti v tleh. Predstavlja potencialno moč elektronskih procesov, ki se dogajajo med reakcijami oksidacije in redukcije v tleh. Eh potencial se izraža v enotah električnega potenciala, kot je milivolt (mV) in je merjen glede na standardno vodikovo elektrodo (SHE – Standard Hydrogen Electrode) ali glede na referenčno elektrodo. Pozitivne vrednosti Eh potenciala kažejo na oksidacijske razmere, medtem ko negativne vrednosti kažejo na redukcijske razmere. Oksidacijski potenciali se pogosteje uporabljajo v kemiji, medtem ko se v kemiji tal za opis tal in drugih naravnih sistemov pogosteje uporabljajo redukcijski potenciali.

Meritve redoks potenciala uporabljamo za opredelitvev oksidacijsko-redukcijskega stanja tal. Oksidirana tla imajo redoks potenciale od +400 do +700 mV. Sezonsko nasičena tla imajo redoks potenciale od +400 do +700 mV (oksidirana) do močno reduciranih (-250 do -300 mV). Meritve redoks potenciala lahko pomagajo predvideti, kdaj se bodo zaradi izčrpavanja oksidantov, kot sta kisik in nitrat, začele redukcijske razmere in kdaj se bodo začele oksidacijske razmere, ko se v tla ponovno vnese kisik. Meritve redoks potenciala lahko zagotovijo tudi informacije o pogojih, ki so ugodni za povečano biološko dostopnost težkih kovin, spremembe v metabolizmu rastlin, razširjenost oz pojavljanju različnih rastlinskih vrst in za določanje lokacij mokrišč. Če podatke o redoks potencialu združimo z drugimi informacijami, kot sta globina podtalnice in vsebnost kisika v tleh, lahko pridobimo še natančnejše podatke o vlažnosti okolja. V suhih okoljih se Eh in vsebnost kisika med letom ne spreminjata veliko. Prehodna območja so lahko oksidirana ali reducirana, saj se gladina podzemne vode dviguje in spušča. Redoks potenciali pa so nizki vse dokler se voda ne izsuši in se kisik ne prebije skozi tla. Podatki o redoks potencialu v tleh so koristni tudi za razumevanje morfologije in pedogeneze tal. Barva tal in stopnja pegavosti (lise ali madeži različnih barv ali barvnih odtenkov, ki se izmenjujejo s prevladujočo barvo lahko veliko povejo o stanju vlage v tleh. Tako barva kot pegavost sta odvisni od redoks kemije Fe v tleh. Kadar so tla dolgo časa nasičena z vodo, se oksidi Fe pod nizkimi redoks potenciali reducirajo in tla se obarvajo sivo. Tla, ki so podvržena izmeničnim oksidacijskim in redukcijskim ciklom, so običajno pegasto rjavo obarvana.

Količina zraka v tleh je v obratnem sorazmerju z vodo. Pri povečani vlažnosti se zmanjša volumen zraka v tleh. Po namakanju ali deževju so tla lahko popolnoma nasičena in skoraj ves prostor v porah tal je zapolnjen z vodo. Na drugi strani, ko so tla skoraj popolnoma suha, je prostor por večinoma zaseden z zrakom v tleh. Sestava zraka v tleh se precej razlikuje od sestave zraka v ozračju. Koncentracija O2 v talni atmosferi je običajno manjša od koncentracije v ozračju, saj O2 stalno porabljajo rastlinske korenine in pri mikrobnem dihanju. Običajno dobro prezračena tla vsebujejo več kot 150 mL L-1 O2, vendar se lahko koncentracija O2 giblje med 140 mL L-1 in 210 mL L-1. Ko vsebnost vode v tleh preseže 35 %, lahko koncentracija O2 v zraku v tleh pade pod 50 mL L-1, v dolgotrajnih anaerobnih ali anoksičnih razmerah pa se lahko koncentracija O2 zmanjša na nič, kar negativno vpliva na rastlinski koreninski sistem in rastline. Koncentracija CO2 v talni atmosferi je veliko večja (∼2-30 mL L-1) kot v atmosferskem zraku (0,417 mL L-1) zaradi respiracije mikroorganizmov in korenin ter omejene difuzije v tleh. V skrajnih primerih, na primer v globinah, v bližini rastlinskih korenin in v razmerah z nizko vsebnostjo kisika ali v sledovih, je lahko koncentracija CO2 celo 115 mL L-1. Izjemno visoka koncentracija CO2 v zraku v tleh v primerjavi z atmosferskim zrakom vpliva na razpadanje mineralov v tleh in kemijo karbonatov in pedogenezo. Koncentracija N2 v talni atmosferi je običajno podobna koncentraciji v atmosferskem zraku in se le malo spreminja glede na delež drugih plinov v zraku v tleh, zlasti O2. V mokriščih in drugih okoljih s pomanjkanjem kisika v tleh pomembno prispevajo drugi plini, vključno z dušikovim oksidom (N2O, do 0,09 ml L-1), dušikovim oksidom (NO), metanom (CH4) in vodikovim sulfidom (H2S).

Mehanizmi prenosa plinov v tleh

Gibanje plinov v tleh povzročajo (1) koncentracijski gradienti (difuzija, pasivno gibanje pri katerem molekule plinov potujejo od višje k nižji koncentraciji), (2) gradienti temperature (konvekcija, kjer poteka prenos toplote, pri katerem se segreta snov (na primer zrak) dviguje zaradi nižje gostote in hladna snov se spušča zaradi večje gostote) in (3) tlaka (advekcija). Praviloma je parcialni pritisk O2 v ozračju večji kot v talni atmosferi, kar povzroča, da kisik prodira iz ozračja v tla. Obratno pa velja za CO2. Na hitrost prenosa plinov pomembno vplivajo tudi lastnosti tal (npr. prepustnost, poroznost, vsebnost vode) in lastnostmi plinov v talni atmosferi (npr. gostota, viskoznost, difuzivnost). V bližini površja tal sta tok in prenos povezana z atmosfero, ki leži nad njo. Tako atmosferski pogoji, kot so zračni pritiski, temperatura zraka in moč vetra ob površini, določajo robne pogoje za gibanje plinov pod površino. Prisotnost vetra se je izkazala kot pomemben dejavnik, ki vpliva na podpovršinski prenos plinov in stopnjo izmenjave med tlemi in ozračjem. Cirkulacija tal oz plinov v tleh je odvisna od zgradbe poroznega ožilja v tleh, od vlažnisti tal, pa tudi strukture tal in deleža organske snovi. Praviloma sta zračenje in kapaciteta tal za zrak večja v peščenih tleh > ilovnatih tleh > glinastih tleh.

Raziskovanje talne atmosfere sodi med najmanj raziskana področja in so v zadnjem času predvsem povezana z raziskavami plinov, ki pripevajo k ogrevanju ozračja.

Rodovitnost tal

Rodovitnost tal je sposobnost tal, ki omogoča rast in razvoj rastlin, in je rezultat prepleta kemijskih, fizikalnih ter bioloških lastnosti tal. K rodovitnosti bistveno prispevajo kemijske lastnosti tal, zlasti vsebnosti glavnih rastlinskih hranil, kot so dušik, fosfor, kalij, kalcij, magnezij, žveplo ter mikrohranila, kot so bor, cink, železo in mangan. Poleg dobre založenosti tal s hranili morajo ustrezati tudi fizikalne lastnosti, kot so tekstura in struktura ter z njimi povezane kompleksne lastnosti kot so poroznost, propustnost, zračnost, ki vplivajo na zadrževanje vode. Fizikalne in kemijske lastnosti tal so bolj stabilne in jih bolje razumemo kot biološke lastnosti. Te so bolj dinamične in se hitro spreminjajo med letnimi časi ter kratkimi časovnimi obdobji.

Rodovitnost tal se naravno zmanjšuje v daljšem časovnem obdobju, v desettisočletjih, s staranjem tal. Procesi staranja tal so predvsem spiranje hranil (npr. fosforja in kalcija), ki ima za posledico osiromašenje in zakisanje zgornjih horizontov. Rodovitnost tal v naravnih ekosistemin je pomembna lastnost tal, saj določa rastlinske združbe in s tem nadzemno biotsko pestrost. Medtem, ko se rodovitnost kmetijskih tal (lahko) zmanjšuje tudi v krajših časovnih obdobjih, predvsem zaradi morebitnega slabšanja fizikalnih lastnosti tal, tj. večja zbitost tal, povečana erozija in predvsem izguba organske snovi v vrhnjih horizontih. Predvsem pa se lahko rodovitnost hitro zmanjša, če v tleh ne nadomeščamo rastlinskih hranil, ki smo jih s pridelkom odvzeli iz tal, se pravi odpeljali s kmetijskega zemljišča. Gnojenje je torej nujni ukrep nadomeščanja odvzetih hranil in s tem ohranjanja rodovitnosti tal.

Ključni ukrepi za ohranjanje rodovitnosti po mnenju Vrščaja(Vrščaj, 2017) so enaki trajnostni rabi kmetijskih zemljišč:

• ohranjanje primerne vsebnosti oz. založenosti rastlinskih hranil v tleh;
• preprečevanje zbijanja tal;
• zmanjševanje izgub talne organske snovi;
• skrb za zagotavljanje dobre strukture tal;
• ohranjanje biološke pestrosti tal.

Etična dolžnost naše generacije je naslednjim generacijam zapustiti rodovitna in neonesnažena tla. Rodovitnost tal je življenjskega pomena za delovanje okolja ter obstoj človeka. Rodovitna tla ne le omogočajo pridelavo hrane, ki je temeljna za preživetje človeštva, ampak tudi podpirajo širše ekosisteme, ki vzdržujejo biodiverziteto in ekološko ravnovesje. Ohranjanje in izboljševanje kakovosti tal je ključno za preprečevanje erozije, ohranjanje vodnih virov in zmanjšanje vpliva podnebnih sprememb. S skrbjo za tla ne skrbimo le za trenutno produktivnost kmetijstva, ampak tudi za dolgoročno trajnost in stabilnost našega planeta. Zato je nujno, da izvajamo trajnostne kmetijske prakse, zmanjšujemo uporabo škodljivih kemikalij ter spodbujamo naravne procese obnavljanja tal. Le tako lahko zagotovimo, da bodo prihodnje generacije imele dostop do zdravih, rodovitnih tal, ki bodo omogočala nadaljnji razvoj in blaginjo človeštva.

Viri

1. Vrščaj B. Zakaj rečemo prst, tla, zemlja? Geografski obzornik. 2015;2/3(62).
2. Schaetzl RJ, Anderson S. Soils: Genesis and Geomorphology. Cambridge University Press; 2005.
3. Sparks DL. Environmental Soil Chemistry. Academic Press; 2003.
4. Leštan D. Organska snov tal – študeijsko gradivo. Published online 2001.
5. Vrščaj B. Lastnosti, Pestrost in Ekosistemske Storitve Tal. Ministrstvo za okolje in prostor Republike Slovenije; 2017