Ser du marken för träden? Anja Lomander Skogsvårdsstyrelsen Västra Götaland 1
Att inte se skogen för alla träden, är ett känt uttryck. Än mer slående är att vi oftast inte ser marken för alla träden. Ändå är marken mycket central inom skogsbruket eftersom den är starkt kopplad till produktionen. För att kunna diskutera effekter av skogsbruket på bl a mark och vatten, samt åtgärder i form av askåterföring och kalkning är det därför viktigt att skaffa sig en förståelse av vad mark är och hur den fungerar. Markens beståndsdelar Marken består av tre olika delar, fast material, vätska och gas (Fig 1). Det fasta materialet utgörs dels av mineralpartiklar av olika storlek och dels av partiklar av organiskt material. Det organiska materialet i sin tur utgörs huvudsakligen av döda växtdelar och djur som brutits ned olika långt, men även levande bakterier och svamptrådar (mycel) räknas hit. Mellan de fasta partiklarna finns hålrum, s k porer, av olika storlek. Dessa fylls dels ut av vatten där olika ämnen finns lösta, dels av gaser. I porsystemet finns även levande rötter, svamptrådar och bakterier samt andra marklevande organismer som t ex maskar och skalbaggar. Mineralpartikel Bakterier Svampmycel Marklevande djur Organiskt material Vatten Luft 0.2 mm Figur 1. Finrot (tunnaste rötterna där upptag av vatten och näring huvudsakligen sker) i relation till övriga beståndsdelar i marken. Beroende på storleksfördelningen av de olika mineralpartiklarna (texturen), samt mängden nedbrutet organiskt material (humus), indelas marken i olika jordarter. Det finns två huvudtyper av jordarter, dels mineraljordar och dels organogena jordar, t ex torv (Fig 2). Med hänsyn till storleksfördelningen av de olika mineralpartiklarna delas mineraljordarna i sin tur in i sorterade och osorterade jordar. I sorterade jordar dominerar ett fåtal storlekar på partiklarna. Ett exempel på sorterade jordar i skogsmark är sediment. Dessa har huvudsakligen bildats genom sedimentation av partiklar i vatten. Beroende på vattnets strömningshastighet uppstår sediment av olika grovlek. Finare partiklar som lera, mjäla och mo har avsatts i lugnare vatten än sand. Osorterade jordar däremot, innehåller 2
en blandning av i princip alla partikelstorlekar. Denna jordart benämns morän och är den vanligaste jordarten i Sverige. Morän är ett resultat av inlandsisen. Isens rörelse över landskapet medförde att material från berggrunden skrapades loss och krossades. När isen sedan smälte undan avsattes det krossade materialet på olika sätt på marken. Olika typer av morän bildades. Fördelningen av partiklarnas storlek och innehållet av humus är viktigt för markens närings- och vattenhållande förmåga. Ju mindre partiklarna är och ju mer humus marken innehåller, desto mer vatten och näring kan marken hålla. Ju grövre partiklarna är och ju mindre humus marken innehåller, desto mindre vatten och näring kan marken hålla. Detta har betydelse för markens bördighet, d v s näringslevererande förmåga. Som kommer att diskuteras senare har det även betydelse för markens förmåga att stå emot försurning. Figur 2. Beroende på storleksfördelningen av mineralpartiklarna, samt mängden humus indelas marken i olika jordarter. Den övre delen av marken, vilken påverkas av växtrötterna och utgör basen för växtproduktionen, kallas jordmån. Beroende på inverkan av faktorer som klimat, sammansättning och storlek av mineralpartiklar, vegetation, topografi på lokalen, samt djur och inte minst mänskliga aktiviteter i form av brukande och förorenande, utvecklas med tiden olika jordmåner. Alla dessa faktorer samverkar och bidrar olika mycket till utvecklandet av jordmåner. Det är därför mycket svårt att renodla effekten av en separat faktor. Som exempel kan nämnas klimatet, d v s fukt och temperatur, som har stor betydelse för hur snabbt olika processer sker i marken. Döda växter och djur bryts ned snabbare om det är varmt och fuktigt, än om det är kallt och torrt. Detta påverkar i sin tur mängden organiskt material, d v s humus i marken, som i sin tur påverkar transporten av 3
vatten och andra ämnen i marken, som i sin tur påverkar jordmånen. Klimatet påverkar också vilken typ av vegetation som växter på marken. Vegetationen i sin tur påverkar också jordmånen och de djurarter som kommer att leva i marken. Den vanligaste jordmånen i Sverige kallas podsol och utgör ca 60 % av skogsmarken (Fig 3). Podsol kommer från de ryska orden pod och zola vilka betyder under respektive aska. Namnet sägs anspela på den askfärgade mineraljorden som benämns blekjord på svenska. Blekjorden, även kallad utlakningshorisonten (E-horisonten) utgör den översta delen av mineraljorden och ligger direkt under det organiska lagret som kallas för mårlagret (O-horisonten). Under blekjorden ligger rostjorden även kallad anrikningshorisonten (B-horisonten) och under denna följer det opåverkade modermaterialet (C-horisonten). Mårlager/humuslager Matjord Blekjord Rostjord Alv Opåverkat material Berggrund Åker Skogsmark Figur 3. Tillskillnad mot en åkermark som vanligen har två horisonter, matjord och alv kan en podsol vanligen delas in i fyra horisonter. Först kommer mårlagret som består av mer eller mindre nedbrutna växt- och djurdelar, sk förna och humus. Därefter följer blekjorden vilken huvudsakligen består av ljusa mineralkorn. Rostjorden innehåller mycket järn och är därför rostfärgad. Längst ned ligger det material som ännu inte hunnit bli påverkad av omgivande faktorer och därför kallas opåverkat material eller modermaterial. Mycket förenklat uppstår en podsol genom att de organiska syror som bildas då växt- och djurdelar bryts ned, frigör aluminium och järn från mineralkornen i marken. Med det vatten som rör sig ned genom marken, transporteras de organiska syrorna, tillsammans 4
med järnet och aluminiumet ned i marken, tills de slutligen fastnar. Om denna process får pågå ett tag kommer de mineralkorn som ligger alldeles under det organiska materialet att bli utarmade på järn och aluminium. Kvar blir i princip bara kiseloxid, d v s kvarts, vilket ger E-horisonten dess bleka karakteristiska färg. Under E-horisonten, där de organiska syrorna tillsammans med järnet och aluminiumet ansamlas utvecklas den rostfärgade B- horisonten. Idag diskuteras olika teorier till varför de organiska syrorna tillsammans med järnet och aluminiumet anrikas i B-horisonten. De berörs dock inte närmare här. På åkermarker och betesmarker är brunjord en vanlig jordmån. Ofta urskiljer man i dessa bara två horisonter matjord (0-30 cm) och alv, vilka inte alltid är tydligt avgränsade från varandra (Fig 3). En viktig orsak till skillnaden är att man i brunjordar har daggmaskar som blandar om jorden och förhindrar bildning av skarpt avgränsade horisonter. Dessutom brukas flera av dessa jordar genom harvning och plöjning vilket också bidrar till en omblandning. Betydelsen av markens minsta partiklar Som nämnts inledningsvis ökar markens förmåga att hålla vatten och näring med ett ökat innehåll av de minsta partiklarna av både mineraler och humus. Orsaken till att den vattenhållande förmågan ökar beror till stor del på att andelen många små porer ökar. Vattnet kan lättare hålla sig kvar i små porer (kapillära krafter) jämfört med i stora porer. Tänk dig att du t ex häller ett glas vatten på en sandjord, jämfört med om du gör det på en lerjord. Sandjorden kommer att torka upp snabbt eftersom vattnet snabbt rinner igenom dess grova porer. Leran däremot förblir fuktig en längre stund eftersom vattnet hålls kvar i dess små porer under en längre tid. På motsvarande sätt som andelen små porer ökar i marken med en ökad andel små partiklar så ökar även den totala ytan på markpartiklarna ju mindre de är. Detta har stor betydelse för markens förmåga att binda och frigöra näring, vilket i sin tur har betydelse för markens bördighet och förmåga att stå emot försurning. Beträffande de små partiklarnas förmåga att hålla näring beror den till stor del på att partiklarna är laddade och därför kan dra till sig ämnen av motsatt laddning, t ex näringsämnen. Man kan förenklat likna dem vid nordpolen på en magnet som mycket löst drar till sig sydpolerna på flera andra små magneter. Dessa små magneter skulle kunna vara näringsämnen, men även sura ämnen. Ju fler mycket små partiklar som marken innehåller desto större blir den totala yta som kan binda näringsämnen och sura ämnen. Det innebär att markens näringshållande förmåga, och därmed även förmåga att buffra försurning ökar med ökad finkornighet. Nedan beskrivs mer i detalj hur detta fungerar och vad det har för betydelse för marken. Markpartiklarna och i synnerhet de allra minsta partiklarna, de sk kolloiderna, är huvudsakligen negativ laddade. En del av de negativa laddningarna kallas permanenta eftersom de inte beror av ph i marken. En annan del av laddningarna kallas ph-beroende eftersom de påverkas av ph i marken. Det organiska materialet, d v s humusen har endast ph-beroende laddningar, medan mineralpartiklarna har både permanenta och phberoende laddningar (Fig 4). 5
Figur 4. Den totala mängden laddningar (permanenta + ph-beroende) på en partikel benämns katjonbyteskapacitet (CEC). Summan av utbytbar aciditet och hårt bundna sura ämnen kallas total aciditet. Utbytbara näringsämnen benämns baskatjoner. Den totala mängden negativa laddingar som finns hos markens partiklar (permanenta + ph-beroende) benämns markens katjonbytes kapacitet (CEC). Dessa negativa laddningar neutraliseras huvudsakligen genom att positiva joner binds svagt elektrostatiskt till dem (Fig 4). De positiva jonerna utgörs dels av näringsämnen som kalium (K + ), magnesium (Mg 2+ ), kalcium (Ca 2+ ), natrium (Na + ) och mangan (Mn 2+ ), dels av sura joner som vätejoner (H + ) och aluminium (Al 3+ ). Näringsämnena kallas vanligen baskatjoner, medan andelen vätejoner och aluminium kallas utbytesaciditet. Andelen baskatjoner i förhållande till CEC benämns basmättnadsgrad och anges i % av CEC. Andelen baskatjoner respektive sura joner, varierar mellan olika jordar. Ju surare en jord är desto större andel sura joner finns bundna till markpartiklarna och desto lägre är basmättnadsgraden. Det innebär att förrådet av mineralnäring som snabbt kan komma växterna tillgodo är lägre i en försurad mark, jämfört med en mark som inte är försurad. Dessutom minskar de ph-beroende laddningarna då marken blir surare. Orsaken är att vätejoner binder extra starkt till de ph-beroende laddningarna under sura förhållanden. Detta gör att markens CEC sjunker vid låga ph-värden jämfört med vid höga. Eftersom markens CEC som vi sett har betydelse för markens förmåga att binda näringsämnen, kan denna på så sätt också minska då marken blir surare. Det sker ett ständigt utbyte mellan de ämnen som finns lösta i markvätskan och de ämnen som sitter bundna till markpartiklarna. Man kan även säga att de baskatjoner och de sura ämnen som sitter adsorberade till markpartiklarna står i jämvikt med de joner som finns lösta i markvätskan (Fig 5). Växterna kan ta upp de ämnen som finns lösta i markvätskan. Genom att göra det påverkar de även utbytet av ämnen mellan markpartiklarna och markvätskan. De näringsämnen som finns bundna till markpartiklarna utgör således växterna lättillgängliga näringsförråd. 6
Figur 5. Växten avger ämnen med motsvarande laddning som den tog upp, t ex om den tar upp en kalcium (Ca 2+ ) avger den två vätejoner (H + ). Orsaken är att roten måste bibehålla laddningsbalansen. Samtidigt sker det ett ständigt utbyte av ämnen mellan markvätskan och markpartiklarna. De vätejoner som växten släppte ut kan därför binda till markpartikeln och i sin tur tränga ut t ex en kalcium från den. Markens näringsförråd De näringsämnen (huvudsakligen baskatjoner) som sitter bundna till markpartiklarna utgör markens lättillgängliga växtnäringsförråd. Det innebär att de mycket lätt kan frigöras från markpartiklarna, komma ut i markvätska och därmed bli tillgängliga för växterna. Det lättillgängliga växtnäringsförrådet utgör bara en bråkdel av en procent av markens totala näringsförråd. Detta utgörs istället av all näring som finns bundet i markens mineraler och i onedbrutna växt- och djurrester. Näringen som finns bunden i markens mineralpartiklar frigörs och blir tillgänglig för växterna genom vittring. Det innebär att näring som sitter mycket hårt bunden frigörs från mineralpartiklarna, på antingen fysikalisk eller kemisk väg. Den fysikaliska vittringen leder bl a till att större partiklar sönderdelas till mindre partiklar. Detta kan t ex ske genom den sprängverkan som vatten utövar då det fryser, eller den sprängverkan som rötter orsakar då de spränger fram genom marken. En ökad andel mindre partiklar ökar den totala ytan som kan utsättas för ytterligare vittring och från vilken näringsämnen kan frigöras. Även om fysikaliska vittringen även medför att näringsämnen lösgörs från mineralpartiklarna, så är den kemiska vittringen mer betydelsefull för detta. Vid kemisk vittring reagerar bl a sura ämnen med mineralpartiklarna och neutraliseras (oskadliggörs) i samband med det. Samtidigt medför detta att näringsämnen trängs ut från mineralen till markvätskan, där de blir tillgängliga för växterna. Ju större andel små partiklar som en jord innehåller, d v s ju finkornigare den är, desto större är den yta varifrån näring kan frigöras och sura ämnen neutraliseras. Generellt innebär det att en finkornigare jord lättare/snabbare kan kompensera för näringsupptag och försurning än en grovkornigare jord. 7
En stor andel näring sitter bunden i humusen och i förnan, vilka utgörs av organiskt material. Förna består av döda växt- och djurdelar som fallit till marken och vars ursprung man ännu kan urskilja. När nedbrytningen gått så långt att man inte längre kan urskilja ursprunget brukar man däremot tala om att humus har bildats. Nedbrytningen av förna och bildningen av humus är mycket viktig för näringsfrigörelsen och den näringshållande förmågan i marken. Den innebär ett komplext samspel mellan markdjuren och de bakterier och svampar som lever i marken. Förenklat skulle de olika stegen i nedbrytningsprocessen kunna beskrivas som följer: Ett dött blad faller till marken. Där angrips det först av markdjur som sönderdelar det till mindre delar. Till skillnad från åkermark där daggmasken är den viktigaste sönderdelaren, är småringmarskar, hoppstjärtar och kvalster viktigast för sönderdelningen av förna i skogsmark. Sönderdelningen av bladet gör det lättare för svampar och bakterier att angripa bladet och därefter bryta ned det i ännu mindre beståndsdelar, samt eventuellt omforma dessa till nya. I skogsmark utgör svampar den viktigaste mikrobiella nedbrytargruppen medan bakterier är viktigast i åkermark. Svamparna och bakterierna bryter ned det organiska materialet (socker, cellulosa, stärkelse, lignin) för att utvinna energi och få byggstenar till sina egna celler. En viss del av det organiska materialet bryter de inte ned helt eller omvandlar till resprodukter Samlingsnamnet för dessa organiska föreningar är humus. Det har, som nämnts ovan en hög CEC och är därför mycket viktigt för markens näringshållande förmåga. Den näring (kväve, baskatjoner, mikronäringsämnen) men även de tungmetaller som från början fanns i bladet frigörs även till marken då bladet bryts ned och blir på så sätt åter tillgängliga för växterna. Näringsbalansen Växternas näringsupptag Växterna påverkar marken genom sitt upptag av näring och vatten. Huvuddelen av den näringen som växterna tar upp finns som joner i marklösningen, tex kalium (K + ), magnesium (Mg 2+ ), kalcium (Ca 2+ ), ammonium (NH 4 + ) och nitrat (NO 3 - ). För att roten skall behålla sin neutrala laddning, måste den för varje positivt laddad jon som den tar upp, avge en sur positivt laddad jon (H + ). På motsvarande sätt avges en basiskt verkande negativt laddad jon (OH - ), vid upptag av en negativt laddad jon som t ex NO 3 - (Fig 5). Eftersom upptaget av positivt laddade joner generellt är större än upptaget av negativt laddade joner medför växternas näringsupptag en anrikning av basiska joner i växten och en anrikning av sura joner utanför roten och därmed en försurning av marken. Från att en mark planteras med gran, till dess att ett bestånd är ca 80 år, räknar man med att markens ph sjunker med ett par tiondelar bara på grund av trädens näringsupptag. Den upptagna näringen återförs dock till marken i och med att näringen frigörs från döda växtdelar som bryts ned. I en urskog där alla träd får falla till marken och förmultna kommer därför all näring som tagits upp av träden att friges på nytt. Således orsakar trädens näringsupptag i dessa bestånd ingen nettoförsurning om man ser över en längre tidsperiod. Faktorer som rubbar näringsbalansen Vid uttag av stamved och GROT, förs den näring och kalkverkan som annars skulle frigjorts om växtdelarna lämnats kvar att förmultna, ut från skogen. Modernt skogsbruk 8
bidrar därför till en permanent förlust av näring och kalkverkan och ett permanent tillskott av sura joner till marken (Fig 6). En viss del av denna näringsförlust kan marken själv kompensera för, via vittring av näringsämnen från mineral. Det är dock svårt att fastsälla om vittringen kan kompensera för hela den förlust av näring och basverkan som uttag av stamved och GROT medför. Dessutom skiljer det mellan olika mark- och vegetationstyper. Eftersom, som tidigare nämnts, trädens näringsupptag leder till en anrikning av sura ämnen utanför roten, erhålls en anrikning av basiska ämnen i trädet. Dessa basiska ämnen kvarstå i askan och återförs således till marken om askan återförs till skogsmarken. Deposition Skörd Vittring Läckage Figur 6. Näring och kalkverkande ämnen förs bort från marken via skörd av stamved och GROT, samt via läckage. För att inte få en näringsobalans och därmed en försurning av marken måste detta balanseras av deposition och vittring av näring och kalkverkande ämnen. Näringsförlusterna orsakade av stamveds- och GROT-uttag kompenseras inte bara av vittring, utan även av deposition, d v s nedfall av näringsämnen från luften (Fig 6). En stor del av dessa kommer ursprungligen från havet. Därför är denna deposition vanligen större ju närmare en havskust man befinner sig. Tyvärr deponeras inte bara näringsämnen utan även sura svavel- och kväveföreningar, d v s kväve- och svaveloxider tillsammans med sura vätejoner (H + ). Detta medför att man riskerar att få ett överskotta av sura vätejoner tillsammans med framförallt nitrat. Vittringen förbrukar en viss del av de sura vätejonerna. Överskottet av vätejoner konkurrerar dock med näringsämnena om att binda 9
elektrostatiskt till markpartiklarna. Konkret innebär det att sura vätejoner, p g a sitt stora antal tränger ut baskatjoner från markpartiklarna till marklösningen. Detta kallas för baskatjonbuffring eftersom de sura vätejonerna tillfälligt neutraliseras, d v s de är inte längre ute i marklösningen där de kan reagera på andra sätt eller lakas ut (Fig 7). Figur 7. Överskott av sura ämnen i markvätskan tränger ut näringsämnena från markpartiklarna. Näringsämnena hamnar i markvätskan, där de antingen tas upp av växterna eller riskerar att lakas ut. Fortsätter tillförseln av sura vätejoner kommer med tiden både markvätskan och markpartiklarna att domineras av vätejoner samtidigt som de blir utarmade på baskatjoner. Vid låga ph-värden i marken, d v s vid höga halter av sura joner riskerar man därför att inledningsvis få en hög halt av baskatjoner i markvätskan, samtidigt som markpartiklarna blir mättade med vätejoner. Om baskatjonerna inte tas upp av vegetationen finns det en risk att de istället förloras från marken via läckage. Detta innebär att de transporteras med vatten ned genom marken och så småningom ut i vattendragen. Om näringsämnena börjar ta slut i markvätskan, samtidigt som andelen baskatjoner på markpartiklarna har sjunkit (basmättnadsgraden har sjunkit) och vittringen inte är tillräckligt stor för att hinna med att kompensera för förlusten av näringsämnen, medför en fortsatt tillförsel av vätejoner (H + ) att mängden vätejoner ökar även i markvätskan. Man kan uppmäta att ph sjunker i marken och även i avrinnande vatten. Sammanfattningsvis kan man säga att långsiktig balans i marken råder då: Trädupptag + Läckage = Deposition + Vittring Om man inte har balans mellan dessa parametrar riskerar man försurning vilket innebär: 10
1: En ökning av vätejoner i markvätskan, d v s en ph-sänkning som beror på att ämnen som neutraliserar syran har förbrukats. 2: En förlust av näringsämnen, d v s en förlust av kalkverkande baskatjoner från systemet (både från markpartiklarna och markvätskan). 11