ZAWARTOŚĆ WĘGLA BIOMASY MIKROBIOLOGICZNEJ W RÓŻNIE UŻYTKOWANYCH GLEBACH POGÓRZY: ŚLĄSKIEGO I CIĘŻKOWICKIEGO*

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LXI NR 4 WARSZAWA 2010: ANNA MIECHÓWKA, MICHAŁ GĄSIOREK, AGNIESZKA JÓZEFOWSKA, PAWEŁ ZADROŻNY ZAWARTOŚĆ WĘGLA BIOMASY MIKROBIOLOGICZNEJ W RÓŻNIE UŻYTKOWANYCH GLEBACH POGÓRZY: ŚLĄSKIEGO I CIĘŻKOWICKIEGO* EFFECT OF SOIL MANAGEMENT METHOD ON THE CONTENT OF MICROBIAL BIOMASS CARBON IN SOILS OF ŚLĄSKIE AND CIĘŻKOWICKIE FOOTHILLS Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie Abstract: The following parameters were determined in 14 soil profiles (7 grasslands and 7 arable soils) from the Śląskie and Ciężkowickie Foothills: organic carbon content (TOC) by dry combustion using the Euro Thermoglas TOC-TN 1200 apparatus and microbial biomass carbon (BC) using the chloroform fumigation-extraction method [PN-ISO ]. The soil management method influenced the content of TOC, BC, and the value of the percentage coefficient BC/TOC. In grassland soils these parameters were much higher than in the arable soils. Cultivated soils from the Śląskie and Ciężkowickie Foothills are characterized by a high ratio of microbial biomass carbon in its total content, which may indicate their high biological activity and good soil health. The content of BC was significantly positively correlated with TOC, TN, total exchangeable bases, cations exchange capacity and negatively correlated with the content of clay fraction. Słcnva kluczowe: węgiel biomasy mikroorganizmów, Pogórze Śląskie, Pogórze Ciężkowickie, użytkowanie gleb. Keywords: soil microbial biomass carbon, Śląskie Foothill, Ciężkowickie Foothill, soil management method. WSTĘP Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej i jego udział w całkowitej zawartości węgla w glebach uprawnych mogą być wskaźnikami jakości gleby i stopnia jej degradacji [Smith, Paul 1990; Sparling 1997]. Ulegająone szybciej zmianie pod wpływem nawożenia gleb i płodozmianu niż zawartość węgla organicznego lub azotu ogólnego w glebie [Powlson i in. 1987]. W związku z tym są one wykorzystywane często w ocenie wpływu wielkości nawożenia [Balik i in. 2004,Ć emy i in. 2008] i rodzaju wprowadzanych do gleby nawozów (osady ściekowe, gnojowica, komposty), na jej kondycję zdrowotną [Sparling 1997]. Badania wykonano w ramach projektu badawczego nr N N Wpływ sposobu użytkowania na zasoby węgla organicznego, azotu i siarki w glebach górskich zagospodarowanych rolniczo.

2 Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej w... użytkowanych glebach pogórzy 165 Badania takie zazwyczaj są prowadzone w doświadczeniach polowych. Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej i jego udział w całkowitej zawartości węgla w glebach uprawnych rzadziej są wykorzystywane w celu charakterystyki gleb pozostających w użytkowaniu rolniczym poza polami doświadczalnymi [Wirth 2001]. Celem niniejszej pracy była ocena aktywności biologicznej różnie użytkowanych rolniczo gleb Pogórzy Śląskiego i Ciężkowickiego, na podstawie zawartości węgla biomasy mikrobiologicznej (BC) i jego udziału w całkowitej zawartości węgla (BC/TOC). Ponadto podjęto próbę określenia wpływu sposobu użytkowania gleb i ich właściwości na zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej (BC) i jego udział w całkowitej zawartości węgla (BC/TOC). MATERIAŁ I METODYKA W pracy wykorzystano materiał glebowy z 14 profili gleb wytworzonych ze zwietrzelin skał jednostki śląskiej fliszu karpackiego, zlokalizowanych na Pogórzu Śląskim - w Ustroniu (2 stanowiska) i Górkach Wielkich oraz na Pogórzu Ciężkowickim - w: Swoszowej, Joninach, Czermnej i Dobrocinie (rys. 1). Materiał glebowy ze wszystkich stanowisk został pobrany w sierpniu 2008 roku. Każde z 7 badanych stanowisk reprezentowane było przez parę profili o zbliżonej genezie, zlokalizowanych na gruntach ornych i użytkach zielonych sąsiadujących ze sobą tak aby różniły się między sobą tylko właściwościami zmienionymi na skutek różnego Pogórze Śliskie P a g ó r /e C iężk o w ick ie KARPATY POLSKIE RYSUNEK 1. Lokalizacja stanowisk badawczych: 1 i 2 - Ustroń, 3 - Górki Wielkie, 4 - Swoszowa, 5 - Joniny, 6 - Czernina, 7 - Dobrocin FIGURE 1. Location map of experimental sites: 1 and 2 - Ustroń, 3 - Górki Wielkie, 4 - Swoszowa, 5 - Joniny, 6 Czermna, 7 - Dobrocin

3 166 A. Miechówka, M. Gąsiorek, A. Józefowska, P. Zadrożny sposobu ich użytkowania. Informacje na temat użytkowania gleb uzyskano od gospodarujących na nich rolników. Na gruntach ornych stosowano płodozmian: ziemniaki, pszenicą mieszanka zbóż (pszenica, jęczmień, owies), z wyjątkiem stanowiska 7 (ziemniaki, żyto, owies). Nawożono je obornikiem co 2-3 lata oraz nawozami mineralnymi, przy czym na Pogórzu Ciężkowickim stosowano dużo niższe dawki nawozów mineralnych niż na Pogórzu Śląskim. Użytki zielone nawożono nawozami mineralnymi jedynie na stanowiskach: 3, 4 i 6, a obornikiem i (lub) gnojowicą na stanowiskach: 2 (najwyższa dawka), 3 i 6. Użytki zielone na stanowiskach 1 i 7 nie były nawożone. W częściach ziemistych badanych gleb oznaczono: skład granulometryczny metodą areometrycznącasagrande'a w modyfikacji Prószyńskiego [PN-R-04032], ph w H20 metodą potencjometryczną [ISO 10390], sumę zasad wymiennych (S) przez oznaczenie poszczególnych kationów (Ca+2, Mg+2, K+, Na+) po ich ekstrakcji CH3COONH4 o stężeniu 1 mol dm"3, kwasowość potencjalną(h ) metodąkappena, wykorzystując do ekstrakcji 1- molowy CH COONa [Lityński i in. 1976], zawartość: węgla organicznego (TOC) metodą termiczną z wykorzystaniem aparatu firmy Euro Thermoglas TOC-TN 1200, azotu ogółem (TN) metodą Kiejdahla [Lityński i in. 1976] aparatem firmy Kieltec i węgla biomasy mikrobiologicznej (BC) metodą chloroformowej fumigacji-ekstrakcji [PN-ISO ]. Wyniki opracowano statystycznie wykorzystując program STATISTICA 8. Obliczono współczynniki korelacji porządku rang Spearmana między zawartością węgla biomasy mikroorganizmów (BC) i jego udziałem w zawartości węgla organicznego (BC/TOC) a wybranymi właściwościami badanych gleb. WYNIKI I DYSKUSJA Badane gleby zaliczono według Systematyki gleb Polski [1989] do gleb: brunatnych właściwych (profile 1,3 i 5) i kwaśnych (profil 7) oraz gleb płowych (profil 6) i opadowoglejowych (profile 2 i 4). Charakteryzowały się one najczęściej uziamieniem pyłów: ilastych lub gliniastych i glin: piaszczystych, zwykłych lub ilastych [PTG 2009]. Objęte badaniami gleby były zazwyczaj bardzo kwaśne lub kwaśne, z wyjątkiem tych, które były wapnowane w ostatnich latach (profile: 5Z, 6R i 6Z), w związku z czym ich górny poziom charakteryzował się odczynem słabo kwaśnym lub obojętnym oraz poziomu Cca profilu 3R wytworzonego z łupków wapniowcowych. Właściwości sorpcyjne badanych gleb były bardzo zróżnicowane (tab. 1 i 2). Najwyższą zawartością węgla ogółem (TOC) i węgla biomasy mikrobiologicznej (BC) charakteryzowały się poziomy powierzchniowe badanych gleb. W poziomach tych zawartość BC była wyraźnie, a niekiedy nawet wielokrotnie, wyższa w glebach pod użytkami zielonymi, w których wahała się od 726,7 do 2105,7 mg kg-1, w porównaniu z glebami gruntów ornych, gdzie wynosiła od 121,5 do 375,0 mg kg-1 (tab. 1 i 2). Jednocześnie udział BC w TOC w poziomach powierzchniowych gleb użytków zielonych był znacznie wyższy (3,26-8,09%) niż w glebach gruntów ornych (1,44-2,19%), co świadczy o ich większej aktywności biologicznej. Potwierdzają to wcześniejsze badania innych autorów, wskazujące na wyższą zawartość BC w glebach użytków zielonych niż w glebach gruntów ornych [Kara, Bolat 2008]. Sparling [1997] podaje, że w glebach naturalnych wskaźnik BC/TOC waha się od 1 do 5%. Wartości tego wskaźnika charakteryzujące badane gleby najczęściej mieściły się w tym przedziale, jedynie dla poziomu A lh profilu 2Z (Ustroń) jego wartość była wyższa i wynosiła 8,09%. Profil 2Z reprezentował glebę użytku zielonego, nawożoną corocznie obornikiem.

4 TABELA 1. Wybrane właściwości oraz zawartość BC i stosunek BC/TOC w badanych glebach gruntów ornych TABLE 1. Some properties and content o f BC and BC/TOC ratio o f investigated arable soils Profil Profile Poziom Horizon Głębokość Depth [cm] PHkc) II 1 S2 PWK rnt3 v t4! nnt Ił - clay TOC!TN TOC:TN jbc BC/TOC mmol(+) kg"1 % g kg"1 i [mg-kg"1] [ % ] IR Ap ,3 56,7 78,6 135,3 58,1!11 19,1 1,73 11,03 285,6 1,50 A/Gg ,0 38,8 67,0 105,8 63,3!19 3,7 0,65 5,79 66,9 1,79 G ig ,8 58,2 61,4 119,6 51,3 21 2,0 0,48 4, G2g ,5 77,6 44,9 122,5 36,6 21 1,9 0,39 4, R Ap ,2 58,2 89,0 147,2 60, ,1 2,00 9,89 274,9 1,44 G ig ,0 38,8 51,1 89,9 56,8 I1 7 4,2 0,63 6, G2g ,7 53,7 68,3 122,0 56,0 22 2,3 0,32 7, c i g ,5 71,6 69,0 140,6 49,1 27 2,0 0,46 4, C2g ,6 92,5 77,9 170,4 45,7 25 2,7 0,54 4, R A lp ,7 44,3 89,9 134,3 67, ,1 2,00 8,55 375,0 2,19 A2p ,0 34,1 102,5 136,6 75, ,1 1,60 9,43 300,7 1,99 Bbrg ,4 17,9 115,1 133,0 86,5 22 6,6 1,20 5,50 50,3 0,76 BbrGg ,4 17,0 91,43 108,4 84,3 20 5,9 1,10 5,34 107,0 1,82 Cca ,0 6,0 305,1 311,1 98,1 43 9,2 0,80 14, R Ap ,1 56,1 90,3 146,4 61, ,6 1,35 1 8,63 226,0 1,95 Bbrg ,0 53,2 86,1 139,3 61,8 27 5,4 0,86 6,24 86,7 1,62 G ig ,9 54,1 104,6 158,7 65,9 32 4,7 0,53 8,78 32,2 0,69 G2g ,7 45,4 92,0 137,4 66,9 32 3,0 10,63 4, R Ap ,0 58,0 24,1 82,1 29,4 10 9,9 1,32 7,51 168,8 1,71 Eetg ,1 38,7 26,2 64,9 40,4 14 2,2 0,45 4,83 11,6 0,54 Gg ,9 49,3 35,1 84,4 41, ,43 4,48 4,3 0,23 BGg ,5 98,6 69,7 168,2 41,4 19 1,3 0,45 2,92 10,8 0,82 6R A lp ,8 11,4 115,8 127,2 91,1 15 6,5 1,15 5,69 121,5 1,88 A2p ,0 16,1 90,2 106,3 84,9 16 5,1 0,93 5,45 128,6 2,54 Eet/B ,9 45,5 82,9 128,3 64,6 23 1,9 0,45 4,30 31,0 1,60 Bbr ,5 88,1 56,6 144,6 39,1 21 1,6 0,47 3,33 33,5 2,13 7R Ap ,7 60,6 15,6 76,2 20,5 7 9,8 0,85 11,55 202,7 2,0 Bbr ,1 79,5 8,0 87,5 9,1 9 4,0 0,45 8,87 28,1 0,70 BbrC 35-55(65) 4,2 61,6 14,0 75,6 18,6 7 0,17 10,85 37,5 2,10! 1>8 C l ,3 37,9 12,8 50,7 25,2 ii 4 0,8 0,2 3, C ,2 35,0 19,2 54,2 35,4! 6 1,3 0,48 2, Kwasowość potencjalna - Potential acidity;2 Suma zasad wymiennych - Total exchangeable bases; 3Pojemność sorpcyjna - Cations exchange capacity; 4Stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi - Base saturation Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej w... użytkowanych glebach pogórzy 167

5 TABELA 2. Wybrane właściwości oraz zawartość BC i stosunek BC/TOC w badanych glebach użytków zielonych TABLE 2. Some properties and content o f BC and BC/TOC raiio o f investigated grassland soils Profil Poziom Głębokość PHkci H 1 s 2 PWK t3 V clay TOC TN TOC:TN BC BC/TOC DOt. Profile Horizon Depth [cm] mmolo ) kg'1 % [mg k g 1] [%] g kg"1 1Z Alh 0-8 4,3 88,1 43,4 131,4 33,0 9 24,2 0,21 11,7 802,0 3,3 A2h ,9 65,7 53,6 119,3 44, ,2 0,17 9,9 221,0 1,29 Gig ,7 56,7 66,5 123,2 54,0 22 1,9 0,02 9,7 - - G2g ,6 71,6 50,3 121,9 41,2 19 1,4 0,03 4,3 - - G3g ,7 65,7 60,7 126,4 48,0 19 1,1 0,02 5, Z Alh 0-8 4,2 65,7 98,6 164,3 60, ,0 0,29 9,1 2105,7 8,09 A2h , ,7 146,3 51, ,5 0,20 9,1 557,0 3,01 A2h/Gg ,2 62,7 74,3 137,0 54,2 23 7,8 0,10 7,7 - - Gg ,8 59,7 65,7 125,4 52,4 21 8,8 0,11 8,0 - - c ig ,8 59,7 63,7 123,4 51,6 25 2,4 0,04 6, Z Alh ,3 69,0 97,6 166,7 58,6 9 34,4 0,32 10,8 1122,8 3,26 A2h ,9 32,4 118,1 150,4 78, ,8 0,15 8,5 270,4 2,12 ABbrg ,4 19,6 88,9 108,5 81,9 17 7,0 0,10 7,0 71,4 1,03 cig ,2 18,8 200,3 219,1 91,4 41 3,8 0,07 5, Z Alh 0-8 4,5 61,9 109,3 171,2 63, ,3 0,30 10,1 1240,2 4,09 A2h ,1 53,2 80,5 133,7 60, ,7 0,16 7,8 400,4 3,16 Bbrg ,8 56,1 103,2 159,3 64,8 29 5,3 0,09 6,0 64,2 1,21 Gig ,8 50,3 121,1 171,3 70,7 35 3,7 0,05 7,2 34,9 0,95 G2g ,8 51,2 116,2 167,4 69,4 36 2,3 0,07 3, Z Alh 0-9 5,7 30,0 86,6 116,6 74,3 5 19,9 0,24 8,2 726,7 3,65 A2h ,6 11,6 99,4 111,0 89,6 6 9,9 0,11 8,9 92,5 0,93 Bbr ,9 28,0 31,8 59,8 53,1 10 4,7 0,05 9,9 33,7 0,72 BbrCl ,6 25,1 26,3 51,4 51,1 12 3,0 0,03 9,4 28,9 0,95 BbrC ,5 24,2 26,6 50,8 52,4 11 2,2 0,02 12, Z Alh 0-7 6,2 21,8 120,8 142,6 84,7 4 29,0 0,23 12,7 1339,7 4,62 A2h ,1 9,5 205,8 215,2 95,6 5 12,8 0,14 10,0 315,5 2,46 Blbr ,7 7,6 122,5 130,1 94,2 18 2,6 0,0 5,5 48,8 1,90 B2br ,1 10,4 114,1 124,6 91,6 20 1,7 0,04 3,7 17,7 1,06 BbrC ,8 22,7 94,9 117,6 80,7 17 1,4 0,03 4,6 15,4 1,10 7Z Alh 0-5 4,1 66,3 58,2 124,5 46,8 5 34,9 0,22 15,7 1488,5 4,26 A2h ,8 47,3 13,6 60,9 22,3 6 7,6 0,10 7,4 235,3 3,08 Bbr ,2 31,1 9,0 40,1 22,4 7 2,5 0,04 6,8 10,6 0,42 BbrC ,1 20,8 9,0 29,9 30,2 5 1,7 0,04 4,7 7,7 0,46 C ,2 25,6 10,6 36,2 29,3 5 1,3 0,03 4, Objaśnienia jak w tab. 1 - Explanations as in Table 1 1 A. Miechówka, M. Gąsiorek, A. Józefowska, P. Zadrożny

6 Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej w użytkowanych glebach pogórzy 169 TABELA 3. Współczynniki korelacji między zawartością węgla biomasy mikroorganizmów (BC) i jego udziałem w zawartości węgla organicznego (TOC) a wybranymi właściwościami badanych gleb (n = 45) TABLE 3. The coefficients of the corelation between BC and TOC and some properties of soils (n = 45) BC BC/TOC PHkc! 0,270 0,210 H t 0,237 0,226 s 0,296* 0,233 PWK 0,439** 0,360* V 0,152 0,104 Ił - clay -0,309* -0,258 TOC 0,945*** 0,670*** TN 0,946*** 0,713*** *p < 0,05 **p < 0,01, ***p < 0,001 Zawartość TOC wraz z głębokościąprofili generalnie malała, z wyjątkiem dolnych poziomów profili 3R i Z, 7R i Z oraz 4R i 10R, w których w zasięgu profilu znalazła się zwietrzelina łupków o podwyższonej zawartości węgla. Podobna zależność występowała w przypadku zawartości BC, a w glebach użytków zielonych również wartości stosunku BC/TOC. Znamienne jest to, że w glebach gruntów ornych wartości stosunku BC/TOC wraz z głębokościązmieniały się nieregularnie, z wyjątkiem profilu 7R. Zawartość BC była dodatnio skorelowana z zawartością TOC i TN (bardzo silnie) oraz z wartościami PWK (zależność umiarkowana) i S (zależność słaba) oraz ujemnie skorelowana z zawartością frakcji iłu (zależność słaba) (tab. 3). Podobne zależności zostały opisane w literaturze dla innych gleb [Chowdhury i in. 1999; Kara, Bolat 2008; Ibomcha Singh, Yadava 2006]. Nie stwierdzono natomiast wykazanej przez innych autorów [Kara, Bolat 2008; Ibomcha Singh, Yadava 2006] korelacji pomiędzy zawartością BC a ph gleby (tab. 3). Wartości stosunku BC/TOC były dość silnie skorelowane z zawartością TOC i TN, a słabo z wartościami PWK (tab. 3). WNIOSKI 1. Gleby uprawne Pogórzy Śląskiego i Ciężkowickiego charakteryzują się znacznym udziałem węgla biomasy mikroorganizmów w jego ogólnej zawartości, co może świadczyć o ich wysokiej aktywności biologicznej. 2. Na zawartość węgla organicznego i węgla biomasy mikroorganizmów w badanych glebach oraz udział węgla biomasy mikroorganizmów w zawartości węgla organicznego wpływał w znacznym stopniu sposób użytkowania gleb. Zarówno zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej, jak i jego udział w zawartości węgla organicznego były znacznie wyższe w glebach użytków zielonych niż gruntów ornych. 3. Zawartość węgla biomasy mikrobiologicznej w badanych glebach była istotnie dodatnio skorelowana z zawartością węgla organicznego i azotu ogółem, pojemnością kompleksu sorpcyjnego i sumą zasad wymiennych oraz ujemnie skorelowana z zawartością frakcji iłu. LITERATURA BALIK J., ĆERNY J., TLUSTOŚ P., ZITKOVA M., SYKORA K., WIŚNIOWSKA-KIELIAN B. 2004: Nitrogen balance, mineral nitrogen content and microbial biomass nitrogen in long-term experiment with maize. Chemia i Inżynieria Ekologiczna 11, 8: ĆERNY J., BALIK J., KULHANEK M., NEDVED V. 2008: The changes in microbial biomass C and N in longterm field experiments. Plant Soil Environ. 54, 5:

7 170 A. Miechówka, M. Gąsiorek, A. Józefowska, P. Zadrożny CHOWDHURY KOUNO K., ANDO T. 1999: Correlation among Microbial Biomass S, Soil Properties, and other Biomass Nutrients. Soil Sci. Plant Nutr. 45, 1: IBOMCHA SINGH L., YADAVA P.S. 2006: Spatial distribution o f microbial biomass in relation to land-use in subtropical systems o f north-east India. Tropical Ecology 47, 1: KARA O., BOLAT I. 2008: The Effect o f Different Land Uses on Soil Microbial Biomass Carbon and Nitrogen in Bartin Province. Turc. J. Agric. For. 32: LITYŃSKI T., JURKOWSKA H., GORLACH E. 1976: Analiza chemiczno-rolnicza. PWN, Warszawa: 332 ss. PN-R : Gleby i utwory mineralne. Pobieranie próbek i oznaczanie składu granulometrycznego. PN-ISO : Jakość gleby. Oznaczanie ph. PN-ISO : Oznaczanie ilości biomasy mikroorganizmów w glebie. Metoda fumigacji-ekstrakcji. PTG 2009: Klasyfikacja uziamienia gleb i utworów mineralnych - PTG Roczn. Glebozn. 60, 2: POWLSON D.S., BROOKES P.C., CHRISTENSEN B.T. 1987: Measurement of Soil Microbial Biomass Provides an Early Indication o f Changes in Total Soil Organic-Matter Due to Straw Incorporation. Soil Biol. Biochem. 19: SMITH J.L., PAUL E.A. 1990: The significance o f soil microbial biomass estimation. W: G.M. Bollay, G. Stotzken (red.) Soil Biochemistry 6. Marcel Dekker, New York: SPARLING G.P. 1997: Soil Microbial Biomass, Activity and Nutrient Cycling as Indicators o f Soil Health. W: Biological Indicators o f Soil Health. Pankhurst C.E., Doube B.M., Gupta V.V.S.R. (red.) Cabintemational: SYSTEMATYKA GLEB POLSKI 1989: Rocz. Glebozn. 40, 3: WIRTH S. J. 2001: Regional-Scale Analysis o f Soil Microbial Biomass and Soil Basal C Respiration in Northeastern Germany. W: Sustaining the Global Farm. Stott D.E., Mohtar R. H., Steinhardt G.C (red.). 10th International Soil Conservation Organization M eeting, Pardue University and the USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory, 24-29: Prof. dr hab. Anna Miechówka Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb Uniwersytet Rolniczy; Al Mickiewicza 21, Kraków rrmiecho@cyfedu.pl