WPŁYW BIOSTYMULATORÓW ROZKŁADU MATERII ORGANICZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI KWASÓW HUMNOWYCH

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM L.X NR 1 WARSZAWA 2009: BOŻENA DĘBSKA', ERIKA TOBIASHOVA2. MAŁGORZATA DRĄG1, MICHAŁ LEŚNIAK1 WPŁYW BIOSTYMULATORÓW ROZKŁADU MATERII ORGANICZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI KWASÓW HUMNOWYCH INFLUENCE OF BIO-STIMULATORS OF ORGANIC MATTER DECOMPOSITION ON THE PROPERTIES OF HUMIC ACIDS 'Katedra Chemii Środowiska. Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz 2Katedra Pedologii i Geologii, Uniwersytet Rolniczy w Nitrze, Słowacja A b stra c t: The aim o f the present paper w as to define the effect o f adding bio-stim ulators o f organic matter decom position (BETA-LIQ (the Czech Republic); TRICHOM IL (BIO M A, Slovakia)) on the hum ic acids properties. The studied matter had been subject to conventional and reduced tillage system. Soil was sam pled after three years o f the application o f bio-stim ulators in June and October. From the soil sam ples there were isolated hum ic acids (H A s) for w hich the follow in g analyses were made: elem ental com position, UV-V1S. HPLC and H As susceptibility to oxidation w as determ ined. It w as show n that hum ic acids from soil w ithout bio-stim ulators added demonstrated a low er content o f hydrogen, higher content o f oxygen and a low er value o f H/C ratio (in spring) as com pared with hum ic acids isolated from the sam ples from the variants with bio-stim ulators. The application o f the bio-stim ulators m odified the hydrophilic and hydrophobic properties o f hum ic acids. H um ic acids isolated from the sam ples from the plots after the application o f BETA-LIQ show ed higher values o f the HIL/HOB ratio, as com pared w ith the hum ic acids from soil o f the variant with TRICHOMIL. Slow a klu czow e: skład pierwiastkowy, widm a UV-VIS, podatność na utlenianie. HPLC. K ey w o rd s: elem ental com position, UV-VIS spectra, susceptibility to oxidation, HPLC. WSTĘP Substancje humusowe odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu agroekosystemu, m.in. biorą udział w obiegu mikro- i makropierwiastków, kształtują właściwości fizyczne, biologiczne i chemiczne gleb. unieruchamiają związki toksyczne itp. [Dziadowiec 2003]. Spośród zabiegów agrotechnicznych wpływających na wzrost zasobności gleb w próchnicę, szczególnie dużą rolę odgrywa nawożenie organiczne i mineralne oraz resztki roślinne pozostawione na polu jako alternatywa nawożenia organicznego. Nawożenie wpływa nie tylko na zawartość próchnicy, lecz również na jej skład frakcyjny oraz na właściwości fizykochemiczne substancji humusowych [Loginow 1988; Gonet 1989; Dębska 2004: Zaujec 2007].

2 Wpływ biostymidatorów rozkładu materii organicznej na kwasy haminowe 23 Celem niniejszej pracy było określenie wpływu dodatku do gleby biostymulatorów rozkładu resztek pożniwnych, na właściwości kwrasów huminowych w dwóch systemach uprawy roli: konwencjonalnym i uproszczonym. MATERIAŁ I METODY Badano glebę z warstwy ornej (0-30 cm) doświadczenia założonego na glebie płowej o uziamieniu pyłu piaszczystego w Zakładzie Doświadczalnym Malanta Uniwersytetu Rolniczego w Nitrze (Słowacja). Schemat doświadczenia prowadzonego w latach przedstawiono w tabeli 1. Próbki gleby pobrano po trzech latach prowadzenia doświadczenia (w roku 2004). Na wszystkich poletkach (w tym kontroli) stosowano jednakowe nawożenie organicznomineralne (obornik - 50 t-ha \ N kg-ha 1, K - 50 kg-ha 1). W uprawie konwencjonalnej stosowano 3 orki: podorywka, orka głęboka, orka średnia (wariant oznaczony symbolem K). W uprawie zredukowanej (uproszczonej) stosowano jedynie talerzowanie (wariant oznaczony symbolem R). Na wszystkich poletkach uprawiano jęczmień jary. Stosowane biostymulatory rozkładu resztek pożniwnych to preparaty organiczno-mineralne: BETA-LIQ - preparat produkcji Czeskiej (Redam sp. z o.o. Smrzice, Czechy), TRICHOMIL - preparat produkcji Słowackiej (Bioma sp. z o.o. Tmawa, Słowacja). Opis powyższych preparatów znajduje się w pracy Zaujeca i Simansky [2006]. Z próbek gleb wyizolowano kwasy huminowe (KH) metodą Schnitzera. Otrzymano KH, w których zawartość popiołu nie przekraczała 2%. Dla wyizolowanych kwasów huminowych wykonano oznaczenia: - składu pierwiastkowego autoanalizatorem CHN firmy Perkin-Elm er-zawartość tlenu obliczono z różnicy wartości 100% i wartości otrzymanej z sumowania zawartości C, H, N; wyniki składu pierwiastkowego przedstawiono w procentach atomowych w przeliczeniu na substancję bezpopielnąi obliczono wartości stosunków: H/C, O/C oraz stopień utlenienia wewnętrznego wg wzoru [Żdanow 1965]: co = (20+3N-H )/C gdzie: C, H, O. N - zawartość w ęgla, wodoru, tlenu i azotu; - wartości absorbancji przy długościach fal: 280 (Aog0). 400 (A 4 ), 465 (A ), 600 (A600) i 665 nm (A ), zmierzono spektrometrem UV-VIS Lambda 20 firmy Perkin- Elmer. Pomiar wartości absorbancji w zakresie światła widzialnego wykonano dla 0,02% roztworów kwasów huminowych w OJ M roztworze NaOH (Na-humiany). Pomiar wartości absorbancji przy A = 280 nm wykonano po rozcieńczeniu próbek wyjściowych KH 0,1 M NaOH w stosunku 1:5. Na podstawie wyznaczonych wartości absorbancji obliczono wartości współczynników: A - stosunek wartości absorbancji przy długościach fal 280 i 465 nm, A^6- stosunek wartości absorbancji przy długościach fal 280 i 665 nm, A4 6- stosunek wartości absorbancji przy długościach fal 465 i 665 nm, AlogK = log A400 - log A600 [Kumada 1987];

3 24 B. Dębska, E. Tobiashova, M. Drąg, M. Leśniak TABELA 1. Schemat doświadczenia 'FABLE 1. Experimental design Próbka Sample Sposób uprawy Tillage system Biostymulatory Biostimulators Termin pobrania próbek Sampling time 2004 rok - year 1 KK VI Konwencjonalny Brak (kontrola) Czerwiec (June) 1 KK X Conventional Without (control) Październik (October) 2 KT VI TRICHOMIL Czerwiec (June) 2 KT X Październik (October) 3 KB VI BETA-LI Q Czerwiec (June) 3 KB X Październik (October) 4 RK VI Zredukowany Brak (kontrola) Czerwiec (June) 4 RK X (uproszczony) Without (control) Reduced Październik (October) 5 RT VI TRICHOMIL Czerwiec (June) 5 RT X Październik (October) 6 RB VI BETA-LI Q Czerniec (June) 6 RB X Październik (October) - podatności kwasów huminowych na chemiczne utlenianie. Podatność na utlenianie wykonano dla 0,02% roztworów kwasów huminowych w 0.1 M NaOH (Na-humiany), które zadano L5% w stosunku 1:1. Przed i po upływie 24 h wykonano pomiar wartości absorbancji przy długości fal: 400, i 665 nm. Spadek wartości absorbancji roztworów humianów po reakcji, wyrażony w/ procentach wyjściowej wartości absorbancji roztworu porównawczego obliczono wg wzoru: A A = [(A - A )/ A T l 00% u LV 0 \ v 0 gdzie: A - absorbancja roztworu przed utlenieniem. A u - absorbancja roztworu po utlenieniu: - rozdziału chromatograficznego na frakcje hydrofilowe i hydrofobowe. Rozdział chromatograficzny wykonano za pomocą chromatografu cieczowego HPLC Series 200 firmy Perkin-Elmer wyposażonego w detektor DAD (diodę cirray detector). Zastosowano kolumnę analityczną X-Terra C l8 o wielkości cząstek 5 jum i wymiarach 250 x 4,6 mm I.D [Woelki i in. 1997: PreuBe i in. 2000: Dębska 2004]. Na podstawie wyznaczonych powierzchni pod pikami obliczono w cząsteczkach kwasów huminowych udział frakcji hydrofilowych (H1L) i frakcji hydrofobowych (HOB-1, HOB-2) oraz parametr HIL/(HÓB-l+HOB-2).

4 Wpływ bios ty mu lat or ów rozkładu materii organicznej na kwasy huminowe 25 WYNIKI I DYSKUSJA Kwasy huminowe (KH) z gleby bez dodatku biostymulatorów charakteryzowały się średnio wyższą zawartością węgla i tlenu oraz niższą wodoru w porównaniu z kwasami huminowymi z gleby z biostymulatorami (tab. 2). Wartości liczbowe stosunków atomowych zawartości poszczególnych pierwiastków pozwalają w przybliżeniu określić strukturę cząsteczek kwasów huminowych poprzez ocenę stopnia kondensacji pierścieni aromatycznych (stosunek H/C) oraz stopnia ich dojrzałości (O/C, a)) [Dębska 2004: Gonet, Dębska 1998; Orlov 1990]. Przyjmuje się, że wartość H/C między 0,7 a 1,5 odpowiada układom aromatycznym sprzężonym z alifatycznym łańcuchem zawierającym do 10 atomów węgla. Wartości stosunku H/C analizowanych KH zawierały się w granicach od 1.01 do 1,52 (tab. 2). KH wyizolowane z próbek pobranych wiosną z poletek, na których nie byty stosowane biostymulatory. odznaczały się niższą wartością stosunku H/C niż KH gleby z wariantów z biostymulatorami. Przy tym dla gleby z uprawy konwencjonalnej zaobserwowane różnice były mniejsze w porównaniu z glebą z uprawy uproszczonej. Wartości stopnia utlenienia wewnętrznego - parametru co (tab. 2) mieściły się w granicach od do 0,401. Dla KH z wariantów bez dodatku biostymulatorów wyższymi wartościami charakteiyzowały się KH gleby w uprawie zredukowanej niż konwencjonalnej, przy tym zdecydowanie większą różnicę stwierdzono wiosną niż jesienią. Dla KH gleby z dodatkiem biostymulatorów pod uprawą konwencjonalną niezależnie od terminu pobrania próbek do analizy, otrzymano niższe wartości tego parametru niż dla KH gleby kontrolnej. W7uprawie zredukowanej taką zależność zaobserwowano po zastosowaniu TRICHO- MILU. Natomiast KH wyizolowane z próbek gleby wariantu z BETA-LIQ pobranych jesienią (6RBX) charakteryzowały się wyższą wartością stopnia utlenienia wewnętrznego w porównaniu z KH z gleby tego samego wariantu wiosennego (6RBVI) i z KH gleby wariantu bez dodatku biostymulatorów wiosną (4RKVI). Otrzymane wartości absorbancji badanych kwasów huminowych wskazują, że wykres zależności długości fali do wartości absorbancji ma charakter monotonicznie malejący (tab. 3). Współczynniki Ar.vr AV6. A t 6 i AlogK są parametrami, które dostarczają nam o TABELA 2. Skład pierwiastkowy kwasów huminowych (wyrażony w % atomowych) TABLE 2. Elemental composition of humic acids (in atomic percentage) i Próbka ISample O... X O M/C O/C u) ;1 KK VI , , KK X , , KT VI ;s.oo KT X , KB VI , KB X , ,129 4 RK VI 37, , ,401 4 RK X 35, ,00 19, RT VI i o , RT X ,56! RB VI , RB X o o

5 i 26 B. Dębska. E. Tobiashova, M. Drąg, M. Leśniak i wiele więcej informacji niż same TABELA 3. Parametr)' spektrometryczne kwasów wartości absorbancji, ponieważ huminowych w zakresie UV-VIS mogą być wykorzystywane do TABLE 3. Spectrometric parameters o f humic acids oceny stopnia zawansowania iii UV-VIS range procesu humifikacji materiałów Próbka oraz charaktery styki powstałych Sample ^280 A46.S A665 A,, *2* a4,6 IA logk : substancji humusowych. Młode" 1 KK VI ,557 kwasy huminowe, na ogól o niższej 1 KK X i masie cząsteczkowej i niższym 2 KT VI i stopniu kondensacji struktur aromatycznych, 2 KT X charakteryzują się 3 KB VI ;0.674 wyższymi wartościami współczynników': 3 KB X , A ^.A 46 i AlogK 4 RK VI R K X i w porównaniu z~kh wyizolowanymi z materiałów o d zn a 5 RT X ,183 4, RT VI , czających się wysokim stopniem 6 RB VI , ,86 0,659 humifikacji [Gonet. Dębska 1998; Kumada 1987]. 6 RB X ,187 14,33 21, ! KH gleby z wariantów z TRICHOMILEM, niezależnie od stosowanego sposobu uprawy; charakteryzowały się wyższymi wartościami stosunków An A_, i A a wiosna w ^ ^ x J porównaniu z KH wyizolowanymi z próbek gleb pobranych jesienią (tab. 3). Odwrotną zależność zaobserwowano dla wariantów z BETA-LIQ. Otrzymane wartości współczynnika AlogK potwierdziły, że KH gleby z wariantów z TRICHOMILEM wiosną mogą wyróżniać się nieznacznie niższą masą cząsteczkową, wyższym udziałem prostych struktur aromatycznych w porównaniu z KH z próbek pobranych jesienią - odwrotnie niż KH gleby wariantów z BETA-L1Q. Podatność na utlenianie kwasów huminowych określono stosunkowo prostą metodą z wykorzystaniem wody utlenionej. Cząstki kwasów huminowych po zastosowaniu H0O, ulegają destrukcji, której towarzyszy zmiana wartości absorbancji roztworu na mniejszą [Gonet 1989]. Zmiany wartości absorbancji analizowanych kwasów huminowych zostały przedstawione w tabeli 4. Jako miarę podatności na utlenianie przyjęto spadek absorbancji przy długości fal i 665 nm, wyrażony w procentach absorbancji roztworu wyjściowego. Kwasy huminowe wyizolowane z próbek gleb, na których stosowano uprawę konwencjonalną bez dodatku biostymulatorów, charakteryzowały się wyższą odpornością na utlenianie wiosną (niższe wartości AA4Q0. AA46_. AA in. AA,..) niż jesienią. Dla KH gleby spod uprawy zredukowanej otrzymano zbliżone wartości omawianych parametrów wiosną i jesienią. Zastosow anie TR1CHO- MILU w uprawie konwencjonalnej, analogicznie jak w uproszczonej, powodowało tylko nieznaczne różnice wartości współczynników zależnie od pory pobrania prób gleby wiosną czy jesienią. Po zastosowaniu BETA-LIQ, KH wyizolowane z próbek pobranych wiosną odznaczały się niższy mi TABELA 4. Podatność na utlenianie kwasów huminowych TABLE 4. Susceptibility to oxidation o f humic acids Próbka Sample AA 400 A A 5 AA 600 AA 1 KK VI KK X! KT VI!43, K i X , KB VI KB X RK VI RK X RT VI RT X RB VI RB X

6 Wpływ biostymidatorów rozkładu materii organicznej na kwasy hnminowe 27 wartościam i om awianych wspoł- czynników w porównaniu z wartościam i Otrzymanymi jesien ią. Większa odporność na utlenianie KH wariantu z BETA-LIQ wiosną (niższe wartości A A ^, AA465. AA600, AA^65) w porównaniu z KH gleby z wariantu kontrolnego może wskazywać na szybszy rozkład świeżo wprowadzonych materiałów' organicznych do gleby, co szczególnie jest widoczne w wariantach z uprawą uproszczoną. C ząsteczki kw asów hum inowych, niezależnie od rodzaju stosow anych zabiegów agrotechnicznych, charakteryzowały się przewagą frakcji hydrofobowych (55,23- TABELA 5. Udział frakcji hydro filo wych i hydro fobowych w cząsteczkach kwasów himiinowych TABLE 5. Share ofhydropliilic and hydrophobic fractions in molecules o f humic acids Próbka S ample MIL HOB-1 IIOB-2 ZHOB HIL/HOB j i 1 KK VI 36, , i KK X 36,% i 0,586 2 KT VI 38,81 46, ; KT X ; KB VI KB X 41, RK VI 40, RK X RT VI 38, : RT X RB VI ,87 57, RB X i ,38%) nad hydrofitowymi (tab. 5). Najmniejszym udziałem frakcji hydrofilowych. a w konsekwencji najmniejszymi wartościami stosunku HIL/HOB ( ,586), odznaczały się KH gleby wariantu bez dodatku biostymulatorów i z uprawą konwencjonalną. Kwasy huminowe z wariantów z BETA-LIQ zawierały' więcej frakcji hydrofilowych w porównaniu z KH gleby z wariantów z TRICHOMILEM. Najwyższe wartości stosunku HIL/HOB otrzymano dla KH gleby z wariantów 6RB VI i 6RBX (uprawa uproszczona + BETA-LIQ). Dębska [2004] na podstawie zależności korelacyjnych stwierdza, że wraz ze wzrostem..stopnia dojrzałości ' kwasów huminowych zwiększa się w nich udział frakcji hydrofitowej, a maleje frakcji hydrofobowych. W konsekwencji cząsteczki KH o wyższym stopniu dojrzałości" charakteryzują się wyższą wartością stosunku HIL/HOB. Przeprowadzone badania kwasów huminowych wskazują, że charakteryzowały się one stosunkowo wysokim stopniem dojrzałości", niezależnie od stosowanych zabiegów' agrotechnicznych. Świadczą o tym wysokie wartości stosunku O/C, stopnia utlenienia wewnętrznego, niskie wartości podatności na utlenianie oraz niskie wartości współczynników absorbancji (Ar,4, A, A4 6 i AlogK) i wysokie wartości stosunku HIL/HOB. Należy' również podkreślić, że nie wykazano jednoznacznych tendencji wpływu zabiegów agrotechnicznych (orki, talerzowanie) oraz dodatku biostymulatorów rozkładu materii organicznej na właściwości kwasów huminowych. Różnice wartości niektórych parametrów, jakie wystąpiły między pomiarami wiosennymi i jesiennymi, w skazują, że gleba jest układem dynamicznym, w której zachodzą nieustannie procesy mineralizacji i humifikacji. WNIOSKI 1. Kw;asy huminowe z gleby z wariantów bez dodatku biosty mulatorów charakteryzowały się niższą zawartością wodoru, wyższątlenu i niższą wartością stosunku H/C (wiosną) oraz wyższymi wartościami stopnia utlenienia wewnętrznego w' porównaniu z KH gleby z wariantów z biostymulatorami. 2. Kwasy huminowe z gleby pod uprawą konwencjonalną zawierały na ogół mniej węgla i wodoru i charakteryzowały się niższymi wartościami stopnia utlenienia wewnętrznego w porównaniu z KH z gleby pod uprawą uproszczoną.

7 28 B. Dębska, E. Tobiashova, M. Drąg, M. Leśniak 3. Wprowadzenie bi osty mul atorów modyfikowało właściwości hydrofilowo-hydrofobowe kwasów huminowych, przy tym zastosowanie BETA-LIQ sprzyjało wyższym wartościom stosunku HIL/HOB w porównaniu z TRICHOMILEM. 4. Przeprowadzone badania wykazały, że kwasy huminowe z gleby płowej, niezależnie od stosowanych zabiegów agrotechnicznych i wprowadzenia biostymulatorów, charakteryzowały się wysokim stopniem dojrzałości'. LITERATURA DĘBSKA B. 2004: W łaściwości substancji humusowych gleby nawożonej gnojowicą. Rozprawy 110ATR Bydgoszcz: 112 ss. DZIADOWIEC H. 1993: Ekologiczna rola próchnicy Glebowej, 'lesz. Probl. Post. NaukRoln. 411: GONET S.S. 1989: W łaściwości kwasów huminowych gleb o zróżnicowanym nawożeniu. Rozpraw y 33 A TR Bydgoszcz. GONET S.S.. DĘBSKA B. 1998: Properties o f humic acids developed during humification process o f post-harvest plant residues. Environ. Int /6: K UM ADA K. 1987: Chemistry o f soil organic matter. Developments in Soil Science 17. Japan Sc. Soc. Press Tokyo. Elsevier Amsterdam: 241 ss. LOGINOW W 1988: Nawożenie organiczne. WOPR. Minikowo: 18 ss. ORLOV D.S. 1990: Gumusowyje kisloty poczv i obszczaja teoria gumifikacji. Izd. MGU. Moskwa: 378 ss. PREUBE G.. FRIEDRICH S.. SALZER R. 2000: Retention behavior o f humic substances in reversed phase HPLC. Freseniits J. Anal. Chem. 368: WOEEKI G.. FRIEDRICH S.. HANSCHMANN G.. SALZER R. 1997: IIPLC fractionation and structural dynamics o f humic acids. Fresenius J. Anal. Chem. 357: ZAUJEC A. 2007: Funkcje materii organicznej w obiegu związków węgla i żyzności gleb. W: Rola materii organicznej w środow isku. Gonet S.S.. Markiewicz M. (red.). PTSIL Wrocław: Z A UJ IX" A.. SIM ANSKY V. 2006: Vplyv biostymulatorov rozkładu rastlinnych zviskov na podnu slrukturu a organicku hmotu pody. Vvd. ES SPIJ. Nitra (Słowacja): 112 ss. ŻDANOV J.A. 1965: Srednaja stepen okislenia ugleroda i nezamenimost aminokislot. Biochimija 30. 6: Dr hab. inż. Bożena Dębska, prof. nadz. UTP Katedra Chemii Środowiska, Wydział Rolniczy Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy ul. Bernardyńska 6, Bydgoszcz debska<d,;utp. edu.pl