19. मृदा कार्बनिक पदार्थ (SOIL ORGANIC MATTER)

मृदा कार्बनिक पदार्थ - संरचना, मृदा संरचना, खनिजकरण और स्थिरीकृतीकरण (Soil organic matter – composition, decomposition, mineralization and immobilization)

मृदा कार्बनिक पदार्थ (SOIL ORGANIC MATTER)

कार्बन युक्त पदार्थ कार्बनिक पदार्थ होते हैं। मिट्टी के कार्बनिक पदार्थों (Soil organic matter) में पौधे और जानवरों के अवशेष विघटित होते हैं। इसमें जैविक उत्पत्ति के पदार्थ भी शामिल हैं जो या तो जीवित हैं या मृत हैं।

मृदा कार्बनिक पदार्थ मिट्टी की भौतिक स्थितियों (soil physical conditions) को तय करने / बनाए रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह मिट्टी के उर्वरकों (soil chemical properties) विशेष रूप से मृदा कार्बनिक पदार्थ क्षमता को भी प्रभावित करता है। कार्बनिक पदार्थ मिट्टी के सूक्ष्म जीवों (soil micro organisms) के लिए ऊर्जा स्रोत की आपूर्ति करते हैं। मृदा विकास (Soil development) एक अन्य पहलू है जो मिट्टी के कार्बनिक पदार्थों से प्रभावित होता है।

पौधों के ऊतक प्रमुख स्रोत हैं। जानवरों को द्वितीयक स्रोत माना जाता है। वे मूल पौधे के ऊतकों पर हमला करते हैं, अपशिष्ट उत्पादों का योगदान करते हैं और मृत्यु के बाद अपने स्वयं के शरीर छोड़ देते हैं।

मृदा कार्बनिक पदार्थ को प्रभावित करने वाले कारक (Factors affecting soil organic matter)

1. जलवायु
2. प्राकृतिक वनस्पति
3. बनावट
4. जल निकासी
5. फसल और जुताई
6. फसल चक्र, अवशेष और पौधों के पोषक तत्व

1. जलवायु:

तापमान और वर्षा मिट्टी में पाए जाने वाले $N$ और कार्बनिक पदार्थों की मात्रा पर प्रमुख प्रभाव डालते हैं।

1. तापमान: गर्म क्षेत्रों से ठंडे क्षेत्रों की ओर जाने पर तुलनीय मिट्टी (comparable soils) में कार्बनिक पदार्थ और $N$ की मात्रा बढ़ने की प्रवृत्ति होती है। ठंडी जलवायु की तुलना में गर्म जलवायु में कार्बनिक पदार्थों का मृदा कार्बनिक पदार्थ तेज हो जाता है। औसत वार्षिक तापमान में प्रत्येक $10^\circ\text{C}$ की अवक्रमण के लिए, कुल कार्बनिक पदार्थ और $N$ दो से तीन गुना बढ़ जाता है।
2. वर्षा: वर्षा में वृद्धि के साथ कार्बनिक पदार्थों में वृद्धि होती है। तुलनीय परिस्थितियों में, प्रभावी नमी के अधिक होने पर $N$ और कार्बनिक पदार्थ बढ़ जाते हैं।

2. प्राकृतिक वनस्पति:

जंगलों की तुलना में घास के मैदानों के तहत विकसित मिट्टी (soils developed) में कुल कार्बनिक पदार्थ अधिक होता है।

3. बनावट:

महीन बनावट वाली मिट्टी (Fine textured soils) में आमतौर पर मोटे बनावट वाली मिट्टी (coarse textured soils) की तुलना में कार्बनिक पदार्थ अधिक होते हैं।

4. जल निकासी:

खराब जल निकासी वाली मिट्टी (Poorly drained soils) अपनी उच्च नमी सामग्री और अपेक्षाकृत खराब वातन के कारण अच्छी जल निकासी वाली मिट्टी (well drained soils) की तुलना में कार्बनिक पदार्थों और $N$ में बहुत अधिक होती है।

5. फसल और जुताई:

तुलनीय कुंवारी मिट्टी (comparable virgin soils) की तुलना में फसली भूमि में $N$ और कार्बनिक पदार्थ बहुत न्यून होते हैं। आधुनिक संरक्षण जुताई प्रथाएं पारंपरिक जुताई की तुलना में उच्च OM स्तर बनाए रखने में मदद करती हैं।

6. चक्र, अवशेष और पौधों के पोषक तत्व:

फलियों के साथ अनाज के फसल चक्र के परिणामस्वरूप मिट्टी में उच्च कार्बनिक पदार्थ (higher soil organic matter) होते हैं। उच्च कार्बनिक पदार्थ स्तर, अधिमानतः जहां फसल रोटेशन का पालन किया जाता है।

जैविक अवशेषों की संरचना:

पौधों के अवशेषों में 75% नमी और 25% शुष्क पदार्थ होता है। यह 25% कार्बन (Carbon - 10-12%), ऑक्सीजन (Oxygen - 9-10%), हाइड्रोजन (Hydrogen - 1.5-2.5%), $N$ (1-2%) और खनिज पदार्थ (mineral matter - 1-3%) से बना है।

पौधों के ऊतकों की संरचना:

• कार्बोहाइड्रेट
  • सेल्युलोज: 20-50%
  • हेमीसेल्यूलोज: 10-30%
  • स्टार्च, चीनी: 1-5%
• मृदा कार्बनिक पदार्थ: 1-15%
• वसा, मोम, टैनिन: 1-10%
• लिग्निन: 10-30%
• अकार्बनिक अवशेष (खनिज पदार्थ)

मृदा कार्बनिक पदार्थ युक्त सामग्री:

1. पानी में अघुलनशील: मृदा कार्बनिक पदार्थ, पेप्टाइड्स, पेप्टोन और $S$ युक्त सामग्री
2. पानी में मृदा कार्बनिक पदार्थ: $\text{NO}_3$, $\text{NH}_4$ यौगिक ($\text{NO}_3$, $\text{NH}_4$ compounds)

मृदा कार्बनिक अवशेष (Soil organic residues):

• गैर-मृदा कार्बनिक पदार्थ युक्त: कार्बोहाइड्रेट (Carbohydrates - सेल्युलोज, हेमीसेल्यूलोज, स्टार्च, चीनी आदि / celluloses, Hemicellulose, Starch, Sugar etc)
• ईथर में मृदा कार्बनिक पदार्थ: वसा, तेल, मोम, रेजिन आदि
• लिग्निन

कार्बनिक पदार्थों को उनके मृदा कार्बनिक पदार्थ की दर के आधार पर भी वर्गीकृत किया जाता है:

1. तेजी से विघटित: चीनी, स्टार्च, मृदा कार्बनिक पदार्थ आदि
2. न्यून तेजी से विघटित: हेमीसेल्यूलोज, सेल्युलोज आदि
3. बहुत धीरे-धीरे विघटित: वसा, मोम, रेजिन, लिग्निन आदि

उर्वरकों का मृदा कार्बनिक पदार्थ (Decomposition of soil organic matter):

विभिन्न कार्बनिक अवशेषों में विभिन्न कार्बनिक यौगिक होते हैं। कार्बनिक अवशेषों के मृदा कार्बनिक पदार्थ की दर में बहुत भिन्नता है। शर्करा, स्टार्च और सरल मृदा कार्बनिक पदार्थ बहुत तेजी से विघटित होते हैं। दूसरी ओर वसा, मोम और लिग्निन बहुत धीरे-धीरे विघटित होते हैं। हेमीसेल्यूलोज, सेल्युलोज और मृदा कार्बनिक पदार्थ मध्यवर्ती हैं। भले ही संरचना भिन्न हो सकती है, अंतिम उत्पाद न्यूनोबेश समान होते हैं।

मृदा कार्बनिक पदार्थ के दौरान होने वाली सामान्य प्रतिक्रियाएं हैं:

1. $\text{CO}_2$, पानी, ऊर्जा और गर्मी की रिहाई (release of $\text{CO}_2$, water, energy and heat) के साथ थोक का मृदा कार्बनिक पदार्थेटिक ऑक्सीकरण।
2. आवश्यक तत्व जारी किए जाते हैं ($N$, $P$, $S$ आदि) और प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला द्वारा स्थिरीकृत किए जाते हैं।
3. माइक्रोबियल क्रिया के प्रतिरोधी यौगिकों का निर्माण।

माइक्रोबियल क्रिया के प्रति बहुत प्रतिरोधी अणु यौगिकों के संशोधन या माइक्रोबियल संश्लेषण के माध्यम से बनते हैं।

एरोबिक परिस्थितियों में बनने वाले उत्पाद हैं:
$\text{CO}_2$, $\text{NH}_4$, $\text{NO}_3$, $\text{H}_2\text{PO}_4$, $\text{SO}_4$, $\text{H}_2\text{O}$ और आवश्यक पौधे पोषक तत्व जैसे $Ca$, $Mg$, $Fe$, $Cu$, $Zn$ आदि।

अवायवीय परिस्थितियों के तहत:
$\text{CH}_4$, कार्बनिक अम्ल (organic acids) जैसे लैक्टिक, प्रोपियोनिक, ब्यूटिरिक, $\text{NH}_4$, विभिन्न अमाइन अवशेष (various amine residues - $\text{R-NH}_2$), $\text{H}_2\text{S}$, एथिलीन (ethylene - $\text{CH}_2=\text{CH}_2$) और ह्यूमिक पदार्थ।

A. मृदा कार्बनिक पदार्थ पदार्थों का मृदा कार्बनिक पदार्थ:

जब एरोबिक परिस्थितियों में ग्लूकोज का "टूटना" आम बोलचाल होता है तो प्रतिक्रिया (reaction) इस प्रकार होती है:
चीनी + ऑक्सीजन → $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

आंशिक रूप से ऑक्सीकृत परिस्थितियों में:
चीनी + ऑक्सीजन → एलिफैटिक एसिड (Aliphatic acids - एसिटिक, फॉर्मिक आदि / Acetic, formic etc.) या हाइड्रॉक्सी एसिड (Hydroxy acids - साइट्रिक, लैक्टिक आदि / Citric, lactic etc.) या अल्कोहल (Alcohols - एथिल अल्कोहल आदि / ethyl alcohol etc.)

शामिल कुछ प्रतिक्रियाओं को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:
$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 2\text{O}_2 \rightarrow 2\text{CH}_3\cdot\text{COOH} + 2\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$
$2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 3\text{O}_2 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7 + 4\text{H}_2\text{O}$
$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 2\text{O}_2 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$

अमोनिफिकेशन (Ammonification) - कार्बनिक $N$ → पॉलीपेप्टाइड्स → पेप्टाइड्स → अमीनो एसिड (aminoacids) → $\text{NH}_3$ या $\text{NH}_4$

1. अमोनिफिकेशन (Ammonification): कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों (organic nitrogenous compounds - अमीनो एसिड, एमाइड्स, अमोनियम यौगिक, नाइट्रेट आदि / amino acids, amides, ammonium compounds, nitrates etc.) का अमोनिया में परिवर्तन / रूपांतरण अमोनिफिकेशन (ammonification) कहलाता है। यह प्रक्रिया विषमपोषी रोगाणुओं द्वारा एरोबिक परिस्थितियों में हाइड्रोलाइटिक और ऑक्सीडेटिव मृदा कार्बनिक पदार्थेटिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप होती है।
2. नाइट्रिफिकेशन (Nitrification): अमोनिया को नाइट्राइट (ammonia to nitrites - $\text{NO}_2$) और फिर नाइट्रेट (nitrate - $\text{NO}_3^-$) में बदलने की प्रक्रिया को नाइट्रिफिकेशन के रूप में जाना जाता है। यह ऑटोट्रॉफिक बैक्टीरिया द्वारा एक एरोबिक प्रक्रिया है।
   अमोनिया (Ammonia - $\text{NH}_4$) → [नाइट्रोसोमोनस] → नाइट्राइट (Nitrite - $\text{NO}_2$) → [नाइट्रोबैक्टर] → नाइट्रेट (Nitrate - $\text{NO}_3^-$)
   शुद्ध प्रतिक्रियाएं (net reactions) इस प्रकार हैं:
   $\text{NH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2 + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O} + \text{energy}$
   $\text{NO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^- + \text{energy}$
3. डेनिट्रिफिकेशन (Denitrification): वह प्रक्रिया, जिसमें मिट्टी के नाइट्रेट (soil nitrate) को गैसीय मृदा कार्बनिक पदार्थ या नाइट्रस ऑक्साइड में बदलना शामिल है, डेनिट्रिफिकेशन कहलाती है। जल भराव और उच्च pH डेनिट्रिफिकेशन द्वारा $N$ हानि को बढ़ाएगा।
   नाइट्रेट → [स्यूडोमोनास / बैसिलस] → $N_2$ गैस

2. अवायवीय परिस्थितियों में:
$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ (ग्लूकोज / Glucose) - लैक्टिक एसिड, ब्यूटिरिक एसिड, एथिल अल्कोहल बनते हैं।
मृदा कार्बनिक पदार्थ और अन्य $N$ यौगिकों को मौलिक $N$ में परिवर्तित किया जाता है।

B. अघुलनशील पदार्थों का मृदा कार्बनिक पदार्थ

1. मृदा कार्बनिक पदार्थ का टूटना: पौधों की सामग्री के मृदा कार्बनिक पदार्थ के दौरान, मृदा कार्बनिक पदार्थ पहले कई मध्यवर्ती उत्पादों में हाइड्रोलाइज्ड होते हैं।
   • अमीनाइजेशन (Aminization): मृदा कार्बनिक पदार्थ को अमीनो एसिड में बदलने की प्रक्रिया।
   • अमोनिफिकेशन (Ammonification): अमीनो एसिड और एमाइड्स को अमोनिया में बदलने की प्रक्रिया।
2. सेल्युलोज का टूटना: सबसे प्रचुर मात्रा में कार्बोहाइड्रेट का मृदा कार्बनिक पदार्थ।
   सेल्युलोज → [हाइड्रोलिसिस / सेल्युलेज] → सेलोबायोज → [हाइड्रोलिसिस / सेलोबिएज] → ग्लूकोज → [ऑक्सीकरण] → कार्बनिक अम्ल → $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$
   यह प्रतिक्रिया तटस्थ और क्षारीय मिट्टी (neutral and alkaline soils) की तुलना में अम्लीय मिट्टी (acid soils) में अधिक धीरे-धीरे आगे बढ़ती है। यह अच्छी वातित मिट्टी (well aerated soils) में काफी तेज और खराब वातित मिट्टी (poorly aerated soils) में तुलनात्मक रूप से धीमी होती है।
3. हेमीसेल्यूलोज का टूटना: सेल्युलोज की तुलना में तेजी से विघटित होते हैं और पहले उनके घटकों शर्करा और यूरोनिक एसिड में हाइड्रोलाइज होते हैं। शर्करा पर रोगाणुओं द्वारा हमला किया जाता है और वे कार्बनिक अम्ल, अल्कोहल, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में परिवर्तित हो जाते हैं। यूरोनिक एसिड (uronic acids) पेंटोज और $\text{CO}_2$ में टूटकर / विघटित होकर जाते हैं। इस प्रकार नव संश्लेषित हेमीसेल्यूलोज मृदा कार्बनिक पदार्थ का एक हिस्सा बनाते हैं।
4. स्टार्च का टूटना: यह रासायनिक रूप से एक ग्लूकोज बहुलक है और पहले एमाइलेज की क्रिया द्वारा माल्टोज में हाइड्रोलाइज किया जाता है। माल्टोज को आगे माल्टेज द्वारा ग्लूकोज में परिवर्तित किया जाता है। प्रक्रिया को इस प्रकार दर्शाया गया है:
   $(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \rightarrow n(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6)$

C. ईथर में मृदा कार्बनिक पदार्थ पदार्थों का मृदा कार्बनिक पदार्थ:

वसा → ग्लिसरॉल + फैटी एसिड (fatty acids)
ग्लिसरॉल → $\text{CO}_2$ + पानी

D. लिग्निन का मृदा कार्बनिक पदार्थ:

लिग्निन धीरे-धीरे विघटित होता है, सेल्युलोज से बहुत धीमा। पूर्ण ऑक्सीकरण $\text{CO}_2$ और $\text{H}_2\text{O}$ को जन्म देता है।

सल्फर युक्त कार्बनिक यौगिक:
सल्फर ऑक्सीकरण बैक्टीरिया द्वारा $\text{SO}_4^{2-} + \text{H}^+$ + ऊर्जा में परिवर्तित।

$P$ युक्त कार्बनिक यौगिक:
विभिन्न सूक्ष्म जीव मिट्टी के pH (soil PH) के आधार पर फॉस्फेट मृदा कार्बनिक पदार्थ $\text{H}_2\text{PO}_4^-$ और $\text{HPO}_4^{2-}$ की उपस्थिति में फॉस्फोलिपिड और अन्य कार्बनिक $P$ यौगिकों को खनिज (mineralize) करते हैं।

खनिजीकरण (Mineralisation): $C$, $N$, $P$ और $S$ के कार्बनिक रूपों का अकार्बनिक या खनिज रूपों में जैविक रूपांतरण खनिजीकरण (mineralization) कहलाता है।

स्थिरीकृतीकरण (Immobilization): मिट्टी के जीव (soil organism) द्वारा $C$, $N$, $P$ और $S$ के अकार्बनिक रूपों को कार्बनिक रूपों में बदलना स्थिरीकृतीकरण कहलाता है।

मृदा कार्बनिक पदार्थ को प्रभावित करने वाले कारक

1. तापमान: ठंडी अवधि पौधों के विकास / पौधा वृद्धि और कार्बनिक पदार्थों के मृदा कार्बनिक पदार्थ को धीमा कर देती है। गर्मियां पौधों के विकास / पौधा वृद्धि और मृदा कार्बनिक पदार्थ संचय की अनुमति दे सकती हैं।
2. मृदा नमी (Soil moisture): शुष्क और अवायवीय दोनों स्थितियों की चरम सीमा पौधों के विकास / पौधा वृद्धि और माइक्रोबियल अपघटन को न्यून करती है। क्षेत्र की क्षमता नमी की स्थिति के निकट या थोड़ी गीली दोनों प्रक्रियाओं के लिए सबसे अनुकूल हैं।
3. पोषक तत्व: पोषक तत्वों विशेष रूप से $N$ की न्यूनी मृदा कार्बनिक पदार्थ को धीमा कर देती है।
4. मृदा कार्बनिक पदार्थ: अधिकांश रोगाणु pH 6 से 8 पर सबसे अच्छे रूप से बढ़ते हैं, लेकिन pH 4.5 से नीचे और pH 8.5 से ऊपर गंभीर रूप से बाधित होते हैं।
5. मृदा बनावट (Soil Texture): क्ले में उच्च मिट्टी बड़ी मात्रा में मृदा कार्बनिक पदार्थ को बनाए रखने की प्रवृत्ति रखती है।
6. अन्य कारक: तत्वों ($Al$, $Mn$, $B$, $Se$, $Cl$) का विषाक्त स्तर, अत्यधिक घुलनशील लवण, छाया और पौधों की सामग्री में कार्बनिक फाइटोटॉक्सिन।

कार्बनिक पदार्थों की भूमिका

1. कार्बनिक पदार्थ मिट्टी की एक दानेदार स्थिति (granular condition of soil) बनाता है जो वातन और पारगम्यता की अनुकूल स्थिति को बनाए रखता है।
2. मिट्टी की जल धारण क्षमता (Water holding capacity of soil) बढ़ जाती है और सतह के अपवाह, कटाव आदि न्यून हो जाते हैं क्योंकि कार्बनिक पदार्थों को मिलाने के कारण अच्छी घुसपैठ होती है।
3. मोटे कार्बनिक पदार्थों के साथ सतह मल्चिंग हवा के कटाव को न्यून करती है और गर्मियों में मिट्टी के तापमान को न्यून करती है और सर्दियों में मिट्टी को गर्म रखती है।
4. कार्बनिक पदार्थ रोगाणुओं के लिए ऊर्जा के स्रोत और पोषक तत्वों के भंडार के रूप में कार्य करता है जो पौधों के विकास / पौधा वृद्धि के लिए आवश्यक हैं और हार्मोन, एंटीबायोटिक्स भी।
5. ताजा कार्बनिक पदार्थ केंचुओं, चींटियों और कृंतकों के लिए भोजन की आपूर्ति करता है और अम्लीय मिट्टी में मिट्टी के $P$ (soil P) को आसानी से उपलब्ध कराता है।
6. विघटित कार्बनिक पदार्थों से निकलने वाले कार्बनिक अम्ल मिट्टी में क्षारीयता (alkalinity in soils) को न्यून करने में मदद करते हैं; कार्बनिक अम्ल $\text{CO}_2$ के साथ मिलकर खनिजों को भंग (dissolve minerals) करते हैं और उन्हें अधिक उपलब्ध बनाते हैं।
7. ह्यूमस (Humus - एक अत्यधिक विघटित कार्बनिक पदार्थ / a highly decomposed organic matter) विनिमेय और उपलब्ध धनायनों के लिए एक भंडारगृह प्रदान करता है।
8. यह एक बफरिंग एजेंट के रूप में कार्य करता है जो pH और मिट्टी की प्रतिक्रिया (pH and soil reaction) में तेजी से रासायनिक परिवर्तन / रूपांतरणों की जांच करता है।