TOPRAK KİMYASI DERS NOTLARI II: KISIM

1. TOPRAK KİMYASIDERS NOTLARI II: KISIM 5. TOPRAK ORGANİK MADDESİ VE YÖNETİMİ PROF.DR. SONAY SÖZÜDOĞRU OK

3. Türkiye topraklarının çok büyük bir çoğunluğunun organik madde kapsamı tarımsal üretimden en yüksek veriminalınmasını engelleyecek düzeydedir.

4. Kil ve organik madde miktarının bilinmesi neden önemlidir? • Yüksek KDK değeri (>25) toprağın yüksek kil/organik madde kapsadığının ve fazla miktarda katyon tutubileceğinin en iyi göstergesidir. • Düşük KDK değeri (<5) toprağın kumlu ve ve düşük organik madde kapsamında olduğunun ve fazla katyon tutamayacağının iyi bir göstergesidir.

5. 5.1. Toprak organik maddesi tanımı, bileşenleri ve kompozisyonu Organik madde çoğu kaynaklarda humus tanımıyla aynı anlamda kullanılmakla beraber bazı araştırıcılar tamamen değişime uğramış organik materyalleri humus olarak tanımlamaktadır (Çizelge 1).

6. Çizelge 1.Organik maddeye ilişkin tanımlamalar

7. Elektron mikroskop görüntüleri Killer yaprakçıklar halinde, kat kat dizili görünüm verir. Elektrik yüklüdürler ve magnet gibi davranırlar, besin maddelerini çekerler ve tutarlar. Kil mineralleri Humik maddeler Amorf yapıdadırlar

8. 5.2.Toprak organik maddesinin etkileri • Fiziksel- toprak strüktürünü düzenler,su tutma kapasitesini arttırır, hacim ağırlığını düşürür, koyu rengi ile toprağın sıcaklığını etkiler • kimyasal – Yüksek KDK, pH tamponu gibi etki eder,metalleri bağlar,pestisitlerle reaksiyona girerek onları tutar. • Biyolojik – toprak organizmalarına enerji sağlar,mikrobiyal popülasyonu ve aktivitelerini arttırır, mikroorganizmalar için besin ve besin deposudur. • Toprak organik maddesindeki besinlerin yaklaşık % 1 to 4’ü mikroorganizmaların dönüştürmesiyle bitkilere yarayışlı halde salınır. • Bu salınma ılık ve nemli koşullar altında yüksek soğuk ve kuru iklimlerde yavaştır. Mikroorganizmalar bitkiler için besin maddesi salınımı için zorlayıcı kuvvettir.

9. om bitki besin maddeleri için kaynak ve depo, • toprak organizmaları için de enerji kaynağıdır. • Toprağın agregasyonunu, havalanmasını, su tutma kapasitesini • ve geçirgenliğini olumlu yönde etkiler, • erozyonu önler, verimliliğini arttırır. • Toprak organik maddesi toprakta pestisit taşınımı, • su kalitesi ve evrensel karbon döngüsü üzerinde etkin bir rol oynar. Toprak organik maddesinde ve ayrışan bitki materyalindeki C miktarı canlı biyolojik kütleden 2-3 kez daha fazladır. • Toprak organik maddesi dünya yüzeyindeki en büyük karbon rezervini oluşturmaktadır. • Dünya topraklarının organik karbon kapsamlarının yaklaşık 1.395x1012 kg olduğu tahmin edilmektedir • Toprakta organik maddenin ayrışması atmosfer için en büyük C girdisi kaynağını oluşturmaktadır.

10. + Flokülasyon (kimyasal) Agregasyon Kümeleşme (Flokülasyon ve Agregasyon) (organik)

11. Organik Madde Destekli Kümeleşme

12. Çizelge 2. Toprak organik maddesinin genel özellikleri ve toprak özellikleri üzerine etkileri

13. Hidrojen Besin maddesi Artan pH organik maddenin KDK ni artırır Düşük pH, 4 - 5 (asidik toprak) Nötr pH, 7

14. Humin maddeler koyu renklidir ve güneş ışınlarını daha iyi absorbe ederler. Böylece toprakların daha çabuk ve iyi ısınmalarını sağlarlar. Organik maddece varsıl topraklar ilkbaharda erken ısınacakları için vejetasyon periyodu da uzamış olur • Organik maddenin KDK’sının yüksek oluşu, kapsadıkları karboksil (COOH) ve fenolik hidroksil (OH) guruplarındandır ve topraklarda bbm’nin yıkanarak uzaklaşmalarına engel olur • Tarım ilaçlarının adsorpsiyonuna veya deaktivasyonuna yada her ikisinde de etkilidir • Bitki besin maddesi kaynağı olarak görev yapar ve bitki besin maddelerinin yarayışlılıklarını artırır.

15. Tarım topraklarında organik maddenin miktarı % 1- 10 arasında değişmektedir. • Toprakların organik madde içerikleri birbirinden farklıdır örneğin çöl topraklarında % 0,2’den az, organik topraklarda ise % 80’den fazla organik madde bulunmaktadır. • Toprak organik maddesi topraklar için son derece önemli bir kalite faktörüdür.

16. 5.3. Bitkilerin dokularında bulunan organik bileşikler Çizelge 3. Yüksek bitki kalıntılarının bileşiminde bulunan organik maddeler (%) OM bileşiminde oluştuğu ortama göre değişmekle birlikte genel olarak %50 C, %40 oksijen, %5 H, %4 N ve %1 S bulunmaktadır. Bitki besin maddeleri toprağın inorganik fraksiyonuna bağlandığı gibi organik maddeye de değişebilir katyon ve anyonlar halinde veya katyon köprüleri ile bağlanabilir, organomineral oluşumların yüzeylerinde adsorbe edilmiş halde bulunabilir.

17. 5.4. Bitkilerin dokularında bulunan bileşenlerin ayrışma hızları Çizelge 4. Bitki bileşenlerinin ayrışma hızı Taze organik materyal toprağa karıştığında hemen bakteri faaliyeti başlar:Şekerler, proteinler ve amino asitler gibi basit şekerlerle beslenmeye başlarlar ve bakteri nüfusu artar. Bakteriler kalıntılardaki bazı kompleks organik bileşikleri parçalayamazlar ve geri kalan materyalden yararlanmaları engellenmiş olur.

18. Lignin suda, çoğu organik çözücüde ve sülfürik asitte çözünmez, mikrobiyal ayrışmaya da son derece dayanıklıdır. • Bu özelliklerinden dolayı lignin organik maddenin oluşmasında (özellikle humik madde) önemli bir rol oynar. • Basidiomycetes ve Ascomycetesler önemli lignin parçalayıcı organizmalardır. Ligninin biyodegradasyonu sonucu polifenoller ve fenoller oluşur. Ayrışma, organik kalıntıların fiziksel olarak parçalanması, kompleks organik moleküllerin basit organik ve inorganik moleküllere dönüşümüdür.

19. Ayrışma hızını etkileyen üç temel faktör: • toprak organizmaları, • fiziksel ortam ve • organik maddenin yapısıdır. • Toprak organik maddesinin oluşumunda mikrobiyal degradasyon ve polimerizasyon aşamaları sonucunda ortama karbondioksit, enerji, su, bitki besinleri ve yeniden sentezlenmiş organik karbon bileşikleri verilir. Bu olaya humifikasyon denir .Lignin ayrışmasından gelen peptitler, aminoasitler ve aromatik bileşikler anahtar bileşenlerdir ve bunlar hümik materyalleri oluşturur.

20. Bitki artıkları Fenoller benzoik asit diğer aromatik bileşikler Basit şekerler ve organik bileşikler Polifenoller Peptitler ve aminoasitler Modifiye ligninler Quinonlar Mikrobiyal degradasyon Hümik maddeler Polimerizasyon Şekil 1. Toprak organik maddesinin oluşum aşamaları

21. 5.5. Toprakların organik madde (humus) kapsamlarına göre sınıflandırılması Çizelge 5. Kültür topraklarının kapsadıkları organik karbon ya da organik madde miktarına göre sınıflandırılması % organik madde =% C x 1.72 veya organik maddesi yüksek topraklarda 1.72 yerine 2 ile çarpılı.

22. 5.6. Topraklarımızın organik madde durumu Çizelge 6. Ülkemiz topraklarının organik madde kapsamlarına göre dağılımı (Eyüpoğlu, 1999)

23. Şekil 2. Toprak gruplarının organik karbon içerikleri

24. Şekil 3.Organik maddenin fraksiyonları kimyasal organik bileşikler karbonhidrat,protein, amino asit Yavaş ayrışırar Kolayca ayrışır ve kaybolur

25. Şekil 4.Organik maddenin fraksiyonlarına ayrışması

26. Çizelge 7.humik ve fulvik asitlerin özellikleri

27. 5.7. Organik maddenin yük kaynakları Fonksiyonel gruplar: COOH and R-OH grupları -COO- K+ NH+ -0- -COO- Ca+2 -0- Na+ H+ Organik madde pH 7.0 KDK 100-400cmol/kg

28. organik madde organik madde Organik Madde - fonksiyonel gruplar: karboksil, hidroksil, fenolik * Humus, Humik Asit, Fulvik Asit

29. 5.8. Organik madde: azot kaynağı • Azotun % 90’nı organik haldedir. Yarayışlı hale gelmesi için mineralize olması gerekir. • Amonyum N (NH4+): İnorganik, çözünebilir halde • Nitrat (NO3-): İnorganik, çözünebilir halde • Atmosferik N (N2): atmosferin % 80’nini oluşturmasına rağmen N-fikse eden bitkiler dışında diğer bitkilere faydalı değildir. • Nitrit (NO2-): sadece anaerobik koşullar altında.Bitkiler için toksiktir. Genellikle topraklarda önemli miktarlarda bulunmaz.

30. Mineralizasyona karşı immobilizasyon • Mineralizasyon – organik bağlı bileşiklerin organizma veya bitkilere yarayışlı hale gelmesi • Immobilizasyon – inorganik formdaki bir elementin bitkilere yarayışlı olmayan organik forma dönüşmesi

31. Bitki artığı Toprak organik maddesi Mikrobiyal biyokütle Mineralizasyon N2O N2 NH4+ NO2- NO3- Redüksiyon Oksidasyon PO4-3 SO4-2 Bitki alımı Tutulma Yıkanma Şekil 2. Mineralizasyon

32. Organik madde dekompozisyonuKarbon ve Azot döngüsü Degredasyonun her bir döngüsünde organik karbonun yaklaşık 2/3 ü enerji olarak kullanılır ve CO2 olarak salınır Degredasyonun her bir döngüsünde organik karbonun yaklaşık 1/3 ü mikrobiyal hücrelerin yapımında veya toprak organik maddesinin bir parçası haline gelir. CO2 Bitki artığı CO2 Bakteri, Fungus Toprakorganik maddesi Nematodlarprotistler, humus

33. 5.9. C:N (karbon/azot) oranı • Düşük C:N oranı (<25:1) : mineralizasyonun ve hızlı ayrışma oranının göstergesidir. • yüksek C:N oranı (>25:1) immobilizasyonun ve düşük ayrışma oranının göstergesidir. • düşük C:N oranı (yüksek N değeri) -sulandırılmamış çiftlik gübresi, otlar, sebze atıkları • Orta derede C:N oranı olan materyaller– çoğu kompostlar, yaprak malçları, örtü bitkilerinin artıkları • yüksek C:N oranı olan materyaller– saman,ağaç kabuğu,odu parçacıkları, talaş, mısır sapları,

34. Bakteri ve fungusun C/N oranı 8:1 Toprak N Mineralizasyon Organik madde ayrışmasıKarbon ve azot oranları CO2 Organik artık C/N oranı yaklaşık 9:1 Karbonun 2/3 ü CO2olarak salınır C/N ratio 3:1 Mikrobial C/N oranı toprağa N salınarak 8:1 de tutulur

35. CO2 Organik artık C/N oranı yaklaşık 24:1 Karbonun 2/3 ü CO2olarak salınır C/N oranı 8:1 Bakteri ve fungusun C/N oranı 8:1 Organik madde ayrışması C/ N oranı Mikrobiyal C/N oranı N tüketilmeden veya salınmadan sürdürülür

36. kayıplar artar ve girdiler sabit kalırsa toprak organik maddesi azalır Dekompozisyon (CO2) Bitki kalıntıları Bitki kökleri Ahır gübresi kompost girdi Toprak om kayıplar Erozyon

37. Girdi artar ve kayıplar aynı kalırsa, toprak organik maddesi artar. Bitki artıkları Bitki kökleri Ahır gübresi kompost girdiler Toprak organik maddesi Dekompozisyon (CO2) kayıplar Erozyon

39. 1.Toprak organik madde düzeyini belirleyen faktörler • 1.1.Amenajman • Neredeyse tüm toprak ve ürün amenajman uygulamaları toprak organik maddesine etki etmektedir Coyne and Thompson (2006) amenajmanın toprak organik maddesi üzerine etkilerini şu şekilde açıklamışlardır: • -Kültivasyon toprak organik maddesinin kaybolmasına yardımcı olur. • -Illionis Üniversitesi’nin uzun dönemli deneme alanlarında, 125 yılı aşkın sürekli mısır kültivasyonu sonucunda toprak organik maddesi içeriği % 60 daha fazla azalmıştır. • -Kültivasyon toprağı havalandırdığı için aerobik ayrışma teşvik edilir. • -Toprak işleme agregatları kırarak agregatlarda korunan toprak C’unu mikrobiyal ayrışmaya açık hale getirir. • -Drenaj yine toprak organik maddesi üzerine çarpıcı bir etkiye sahiptir. • Toprak organik maddesine etki eden uygulamalar toprak işleme ve dikim teknikleri, bitki artıklarının muameleleri, organik artıkların uygulanması, bitki rotasyonu ve ön bitki kullanımıdır .

40. Organik madde miktarının yüksek olması doğrudan üretim miktarını etkilemekten başka ekonomik olarakta katkı sağlar. • Örneğin bazı çiftçiler 7 yıllık çiftlik gübresi kullanımı ve korumalı tarım sonrasında toprağın işlenmesi sırasında daha az güç harcandığını ve yakıttan tasarruf edildiğini belirtmişlerdir. • Yine bazı araştırıcılar uzun yıllar (8 yıl) çiftlik gübresi uygulanan topraklarda inorganik gübre uygulaması yapılan topraklara göre toprak işleme sırasında kullanılan yakıt tüketiminin azaldığını belirtmişlerdir. Yukarıdaki sonuçlar toprak organik maddesinin artmasının yakıt tasarrufu için bir potansiyel oluşturduğunu göstermektedir.

46. KATYON DEĞİŞİM KAPASİTESİ • KATYON DEĞİŞİMİ: Kolloid yüzeyinde adsorbe edilmiş olan değişebilir katyonlarla toprak çözeltisi içinde bulunan katyonların yer değiştirmesi • Katyon Değişim Kapasitesi: Bir toprağın adsorbe edebileceği değişebilir katyonların toplam miktarıdır. • me/ 100 g toprak (Cmol kg -1) • 1 miliekivalan, 1 miligram H ile bağlanan yada onun yerine geçen diğer bir iyonun miktarıdır. • KDK ‘ si 10 me/100g ise 100g toprak 10mg H veya ona eşdeğer katyon tutmaktadır anlamına gelir.

47. milieşdeğerlik sayısı Katyon Değişim Kapasitesi (KDK) değişebilir katyonlar olarak bilinirler • toprak çözeltisinden katyonları çekme – alma kapasitesi (örneğin, kil mineralleri net negatif yüklerinin bir ölçüsüdür) • meq/100g biriminde ölçülür (100 g kilin içerdiği net negatif yük) • yüksek değerlikli ve yalın yarı-çapları büyük olan katyonların iyonik yer değiştirme gücü daha fazladır. Al3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+ > H+ > Na+ > Li+

48. Bazla doygunluk yüzdesi: Bir toprağın kolloidal komplekslerinin içerdiği değişebilir bazların ( Ca, Mg, K, Na) katyon değişim kapasitesinin yüzdesi olarak ifade edilen miktarlarına bazlarla doygunluk yüzdesiadı verilir. • Miliekivalan değişebilir bazlar / KDK x 100 • Bir toprağın bazla doygunluk yüzdesi 80 ise, kolloidin negatif yüklerinin % 80’i bazlar, % 20’si H+ tarafından doyurulmuş demektir. • Hidrojenle doygunluk yüzdesi: Bir toprağın kolloidal komplekslerinin içerdiği değişebilir hidrojenin kapasitesinin yüzdesi olarak ifade edilen miktarlarına hidrojenle doygunluk yüzdesi adı verilir. • Miliekivalan değişebilir H / KDK x 100 • Kurak bölge topraklarının bazla doygunluk yüzdeleri %100 ve pH 8-10

49. Örnek: 1 toprağın KDK: 16 me/100g, değişebilir bazları oluşturan katyon toplamı 12 me/100 g ise bazla doygunluk yüzdesi? 12/16 x 100= % 75 Yani: • Toprağın KDK’sinin % 75’ini Ca, Mg, Na, K katyonları ile %25’ini H ve Al iyonları oluşturmaktadır. KDK üzerine; • Kil tipi, Kil miktarı, • Organik madde miktarı, • pH etkilidir.

50. Katyon değişim kapasitesine toprak tekstürü ve organik madde miktarının etkisi • Kil tipi aynı kalmak koşulu ile toprağın kil yüzdesi arttıkça katyon değişim kapasitesi de artmaktadır. Kumlu olan hafif topraklarda kil kolloidleri ve humus miktarları düşük olduğundan dolayı, killi olan ağır bünyeli topraklara göre katyon değişim kapasiteleri daha düşüktür. Katyon değişim kapasitesine kolloid tipinin etkisi • Humus miktarı eşit olmak koşulu ile aynı miktarda kil içeren topraktan montmorillonite sahip olanın katyon değişim kapasitesi, kaolinite sahip olan toprağa göre 10-12 kat daha fazladır. • Buradan anlaşılacağı üzere bir topraktaki kil tipi ve miktarı ile humus miktarı belirlendiğinde, o toprağın katyon değişm kapasitesini tahmin etmek mümkündür.