AZOT I FOSFOR W ROZTWORACH GLEBOWYCH Z WYBIEGÓW FERM GĘSI

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 533: AZOT I FOSFOR W ROZTWORACH GLEBOWYCH Z WYBIEGÓW FERM GĘSI Sławomir Ligęza Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wstęp Gleby na wybiegach ferm gęsi pokryte są warstwą organicznego nadkładu, który tworzy się z mieszaniny paszy, ptasich odchodów i piór. Obok materiału roślinnego o róŝnym stopniu rozkładu, poziom ten zawiera duŝe ilości związków łatwo rozpuszczalnych w wodzie, w tym azotu i fosforu. Warstwa zalegająca na powierzchni wpływa w istotny sposób na skład chemiczny roztworów glebowych, w miejscach uŝytkowanych jako wybiegi dla gęsi. W wyniku mikrobiologicznego rozkładu powstaje szereg organicznych i nieorganicznych związków chemicznych, które wraz z infiltrującą wodą są przemieszczane w głąb profilów glebowych. Dlatego, głębiej leŝące poziomy gleb na fermach, w porównaniu z glebami spoza ferm, wykazują wyŝszą zawartość łatwo mobilnych form pierwiastków. DuŜe fermy bardzo często są przyczyną zmian chemizmu wód gruntowych, co jest zjawiskiem niekorzystnym z punktu widzenia ochrony jakości składników hydrosfery. Celem pracy była analiza zawartości N-NH 4 +, N-NO 3 _ oraz PO 4 3 _ w roztworach glebowych na terenach ferm gęsi, w porównaniu z glebami o podobnej typologii, które znajdują się w sąsiedztwie terenów hodowlanych, jednak nie podlegały bezpośredniemu oddziaływaniu ptaków. Materiał i metody badań Gleby do badań pobrano na terenie wybiegów dwóch ferm gęsi - w Knyszynie (FK), (woj. podlaskie) oraz w Hucie Józefów (FHJ), (woj. lubelskie). W chwili pobierania próbek obie fermy funkcjonowały od co najmniej 20 lat. W pobliŝu ferm, ale poza zasięgiem oddziaływania gęsi, wybrano obiekty kontrolne, na których nie stosowano nawoŝenia obornikiem lub pozostawały jako nieuŝytek. Po wykonaniu odkrywek próbnych na fermach i obiektach kontrolnych, zestawiono pary pedonów (ferma-kontrola) o podobnej budowie profilów. Z kaŝdego poziomu genetycznego pobrano do metalowych cylindrów o pojemności 100 cm 3 (w 5 powtórzeniach) próbki gleb o zachowanej strukturze, które posłuŝyły do określenia polowej pojemności wodnej (PPW). Przyjęto, Ŝe dla badanych autogenicznych gleb mineralnych roztwór glebowy pozyskiwany w laboratorium, przy takim stanie wilgotności próbek, będzie miał skład najbardziej zbliŝony do występującego w warunkach naturalnych. Z kaŝdego poziomu genetycznego wzięto do 20 kg uśrednionego materiału glebowego, z którego otrzymywano roztwory glebowe. Do plastikowych naczynek nawaŝano po 1 kg

2 270 S. Ligęza powietrznie suchej gleby, dodawano wodę redestylowaną w ilości odpowiadającej potencjałowi wody -9,81 kpa (pf = 2,0), mieszano aby nawilgotnić całą próbkę. śeby wyeliminować parowanie, pojemniczki z glebą umieszczano w szczelnie zamkniętych woreczkach polietylenowych i inkubowano przez 48 godzin [QUINN, WOLT 1990] w temperaturze ok. 20 C, bez dostępu światła. Roztwór pozyskiwano metodą wirowania próbek [SMAL 1999] z szybkością 3500 obr. min -1, przez 30 min. ZaleŜnie od wydajności procesu wirowania, do inkubacji brano od 5 do 9 kg gleby. Po odwirowaniu gleby z całego poziomu genetycznego roztwór uśredniano. Zawartość N-NH + 4 w roztworach oznaczono metodą Nesslera, a PO 3 4 _ kolorymetrycznie metodą molibdenową [HERMANOWICZ i in. 1999], natomiast N-NO 3 _ kolorymetrycznie z kwasem fenolodwusulfonowym [PRINCE 1955]. Gleby z obu ferm i kontrolne miały charakter niecałkowity. Materiał z Knyszyna (FK) zakwalifikowano do gleb brunatnych właściwych wytworzonych z piasków zwałowych zawierających 3,4-10,6% części szkieletowych, leŝących na glinie zwałowej. Poziomy genetyczne profilu z terenu fermy (FK) tworzyły sekwencję O 1 -A- Bbr-Cca-IICca, natomiast kontrolnego Ap-Bbr-C-IICca. Gleby z Huty Józefów (FHJ) zaliczono do płowych typowych, wytworzonych z pyłów ilastych na glinach. Profil na fermie miał układ poziomów O 2 -A-Eet-Bt-IIC, natomiast kontrolny O 1 -Ap-Eet-Bt-IIC. Badane gleby zawierały w poziomach próchnicznych od 6 do 11 g C kg -1, 0,8-1,9 g N kg -1, i bardzo wysoką zawartość fosforu przyswajalnego oznaczonego metodą Egnera-Riehma (> 500 mg kg -1 ). BliŜszą charakterystykę gleb i ich właściwości zawarto w pracach LIGĘZA, MISZTAL [1999], LIGĘZA, SMAL [2004] oraz LIGĘZA [2007]. Wyniki i dyskusja Odchody ptaków są zasobne w podstawowe składniki nawozowe [MAZUR, KWIATKOWSKA 1986; LICZNAR i in. 1995]. Wysoka zawartość azotu i fosforu w glebach na wybiegach gęsi stwarza zagroŝenie dla wód, gdyŝ są to dwa podstawowe pierwiastki powodujące eutrofizację wód powierzchniowych. Wysokie stęŝenie związków azotu w wodach gruntowych (np. w studniach), zmniejsza moŝliwość ich gospodarczego wykorzystania. Podstawowym źródłem azotu w glebach ferm gęsi jest kwas moczowy oraz jego sole, które są rozkładane przez zewnątrzkomórkowe enzymy bakterii glebowych. Końcowym produktem przemian jest przede wszystkim amoniak, który podlega sorpcji wymiennej, rozpuszcza się w wodzie glebowej, a takŝe jest uwalniany do atmosfery [GAY, KNOWLTON 2005]. Jony amonowe mogą być przekształcane w procesie nitryfikacji do azotanów (V). Pomiot gęsi zawiera znaczne ilości związków fosforu, które mogą przedostawać się do wód. SCHERER i in. [1995] podają, Ŝe jeden osobnik dzikiej gęsi wydala dziennie z odchodami około 1,5 g fosforu ogółem. Dane liczbowe zawarte w tabeli 1 oraz graficzne porównanie stęŝeń analizowanych pierwiastków w analogicznych poziomach gleb z ferm i kontrolnych (rys. 1) wskazują, Ŝe w większości przypadków odnotowano wyraźny wzrost zawartości jonów amonowych, azotanowych(v) i ortofosforanów. 1 poziom organiczny powstały podczas hodowli gęsi na wybiegach; organic horizon developed in the time of goose husbandry 2 inicjalny poziom organiczny; initial organic horizon

3 AZOT I FOSFOR W ROZTWORACH GLEBOWYCH mmol N-NH 4 + dm -3 A A/Ap Bbr Cca/C A/Ap Eet Bt IIC poziom; horizon dm -3 mmol N-NO 3 - B A/Ap Bbr Cca/C A/Ap Eet Bt IIC poziom; horizon dm -3 umol PO 4 3- C A/Ap Bbr Cca/C A/Ap Eet Bt IIC poziom; horizon Fig. 1. ferma; farm Rys. kontrola; 1. control Profilowy rozkład stęŝeń N-NH + 4 (A), N- NO 3 _ (B) i PO 3 4 _ (C) w roztworach glebowych Concentration of N-NH 4 + (A), N-NO 3 _ (B), and PO 4 3 _ (C) in the soil solution in the soil profiles Dotyczy to szczególnie obiektu FHJ, gdzie gleby miały uziarnienie pyłów ilastych. Specyfika otrzymywania roztworów glebowych powoduje, Ŝe liczba próbek zestawianych do porównywania za pomocą testów statystycznych jest mała. Z tego powodu

4 272 S. Ligęza uŝyto testu t-studenta, choć wysuwane są w stosunku do niego zastrzeŝenia [WOŁEK 1992]. Istotne róŝnice między średnią zawartością N-NO 3 _ w analogicznych poziomach gleb z wybiegów gęsi oraz kontrolnych wykazano tylko w przypadku azotu azotanowego(v), (tab. 2). Tabela 1; Table 1 Średnia zawartość N-NH 4 +, N-NO 3 _ i PO 4 3 _ w roztworach glebowych Mean concentration of NH 4 +, N-NO 3 _ and PO 4 3 _ in soil solutions Poziom; Horizon Głębokość Depth N-NH 4 + Ferma w Knyszynie; Farm in Knyszyn N-NO 3_ PO 4 3 _ mmol dm -3 µmol dm -3 A 0-20 cm 0,91 3,34 178,1 Bbr cm 0,57 2,18 29,7 Cca > 70 cm 0,20 1,03 4,9 Profil kontrolny fermy w Knyszynie; Control profile in Knyszyn Ap 0-25 cm 0,72 0,85 28,2 Bbr cm 0,28 0,42 18,4 C cm 0,12 0,10 2,2 Ferma w Hucie Józefów; Farm in Huta Józefów A 0-17 cm 3,43 7,15 850,2 Eet cm 0,94 0,14 76,4 Bt cm 0,60 3,81 52,3 IIC > 60 cm 0,30 7,65 4,0 Profil kontrolny FHJ; Control profile in Huta Józefów A 0-25 cm 0,81 0,05 40,2 Eet cm 0,35 0,04 30,1 Bt cm 0,26 0,02 4,0 IIC > 65 cm 0,34 0,10 8,0 W odniesieniu do prób o małej liczebności, w tym przypadku wynoszącej n = 14, nawet niewielkie odchylenia od oczekiwanego rozkładu zmniejszają prawdopodobieństwo potwierdzenia istotności róŝnic między średnimi. Zawartość N-NH + 4 i PO 3 4 _ w roztworach kontrolnych obu ferm była na zbliŝonym poziomie, natomiast w punkcie kontrolnym fermy FHJ było wyraźnie mniej N-NO 3 _. W przypadku gospodarstwa FK, stęŝenia wszystkich badanych jonów w roztworach były niŝsze niŝ na fermie FHJ i zmniejszały się wraz z głębokością gleby, zarówno na wybiegach, jak i w punktach kontrolnych (rys. 1). Bardzo wysokie stęŝenia N-NO 3 _ w roztworach glebowych, wyŝsze niŝ N- NH + 4 (tab. 1), wskazują na intensywny proces nitryfikacji oraz sorpcję jonów amonowych. Przeprowadzone wcześniej badania stałej fazy tych samych gleb wykazały odwrotną zaleŝność między analizowanymi formami azotu [LIGĘZA, MISZTAL 1999], tzn. zawartość azotu amonowego była wyŝsza w przeliczeniu na powietrznie suchą masę gleby niŝ azotu azotanowego. Mało istotna w odniesieniu do anionów sorpcja wymienna sprzyja ich wy-

5 AZOT I FOSFOR W ROZTWORACH GLEBOWYCH mywaniu. W roztworach z obiektu FHJ, na poziomie skały macierzystej stwierdzono porównywalny poziom stęŝeń azotanów(v) do występującego w poziomie próchnicznym (rys. 1B). Trudno przepuszczalne podłoŝe zalegające w spągu gleby (glina średnia i cięŝka) zatrzymywały infiltrującą wodę wraz z zawartymi w niej azotanami. W odniesieniu do N-NH 4 +, takiego zjawiska nie zaobserwowano. Profilowy rozkład stęŝeń jonów azotanowych(v) z gleby na tej fermie wskazuje intensywne przemywanie poziomu podpróchnicznego Eet. StęŜenie N-NO 3 _ w poziomie eluwialnym było wyraźnie niŝsze niŝ w leŝącym powyŝej poziomie A oraz w znajdującym się poniŝej poziomie teksturalnym Bt. Wartości testu t dla średnich stęŝeń pierwiastków w roztworach z ferm i roztworach kontrolnych Values of t-test for average concentration of elements in the soil solution from farms and the control Jon; Ion Wartość testu t t-test value Tabela 2; Table 2 Wartość p p value N-NH 4 t = 1,35 (r.n.; n.s.) p < 0,20 N-NO 3 t = 3,10* p < 0,009 PO 4 t = 1,32 (r.n.; n.s.) p < 0,21 Wnioski 1. Roztwory glebowe z wybiegów ferm gęsi wykazywały wysokie stęŝenia jonów amonowych, azotanowych(v) oraz ortofosforanów. Roztwory z Knyszyna charakteryzowały się w porównaniu z roztworami kontrolnymi 1,3-2,0 razy wyŝszą zawartością N-NH 4 +, 4,0-10,3 razy N-NO 3 _ oraz 1,6-6,3 razy PO 4 3 _. W roztworach z obiektu w Hucie Józefów róŝnice te były wyŝsze i wzrost stęŝeń wynosił odpowiednio: 2,3-4,2 razy dla N-NH 4 +, 3,5-190,5 dla N-NO 3 _ oraz 2,5-21,1 dla PO 4 3 _. 2. W roztworach glebowych z obu ferm stwierdzono wyŝsze stęŝenia N-NO 3 _ niŝ N-NH 4 +, co świadczy o intensywnym przebiegu procesu nitryfikacji i wiązaniu jonów amonowych w procesach sorpcji glebowej. Wcześniej przeprowadzone badania stałej fazy tych samych gleb, wykazały odwrotną zaleŝność, gdyŝ stwierdzono wyraźną dominację jonów amonowych nad azotanowymi(v). 3. Intensywne wymywanie azotanów(v) w głąb gleb na wybiegach gęsi i moŝliwość skaŝenia wód gruntowych potwierdza profilowy rozkład stęŝeń w Hucie Józefów. Roztwory glebowe otrzymane ze słabo przepuszczalnej dla wody skały podścielającej o uziarnieniu glin cięŝkich miały wyŝszy poziom stęŝeń N-NO 3 _ niŝ poziom próchniczny zalegający bezpośrednio pod warstwą pomiotu. Literatura HERMANOWICZ W., DOJLIDO J., DOśAŃSKA W., KOZIOROWSKI B., ZERBE J Fizycznochemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa: 556 ss. GAY S.W., KNOWLTON K.F Ammonia emission and animal agriculture. Biological

6 274 S. Ligęza Systems Engineering. Publication: LICZNAR S.E., DROZD J., LICZNAR M Oddziaływanie pomiotu kurzego na właściwości gleb terenów przyległych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 418: LIGĘZA S Skutki wieloletniego uŝytkowania gleby jako wybiegu dla gęsi w aspekcie zmian zawartości rozpuszczonego węgla organicznego w roztworach glebowych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 520: LIGĘZA S., MISZTAL M Zmiany właściwości gleb zachodzące pod wpływem zalegających pomiotów gęsi. Fol. Univ. Agric. Stetin. 200, Agricultura 77: LIGĘZA S., SMAL H Odczyn, przewodnictwo właściwe oraz stęŝenie pierwiastków zasadowych w roztworach glebowych gleb uŝytkowanych jako wybiegi na fermach gęsi. Annales UMCS Sec. E 59(4): MAZUR T., KWIATKOWSKA E Formy związków azotowych, fosforowych i potasowych w pomiocie kurzym. Rocz. Glebozn. 37(1): PRINCE A.L Appendix - methods in soil analysis, w: Chemistry of the soil. BEAR F.E. (Red.). ACS Monograph 126. Reinhold Publishing Corp., New York. QUIAN P., WOLT J.D Effects of drying and time incubation on the composition of displaced soil solution. Soil Sci. 6: SCHERER N.M., GIBBONS H.L., STOOPS K.B., MULLER M Phosphorus loading of an urban lake by bird droppings. Lake and Reserv. Manage. 11(4): SMAL H Właściwości chemiczne roztworów glebowych gleb lekkich i ich zmiany pod wpływem zakwaszenia. Rozpr. Nauk. 230, Wyd. AR Lublin: 108 ss. WOŁEK J Vademecum statystyki dla biologów. Instytut Botaniki im. W. Szafera, PAN. Kraków: 137 ss. Słowa kluczowe: roztwór glebowy, fermy gęsi, jony amonowe, azotany, fosforany Streszczenie Badano wpływ warstwy pomiotu na fermach gęsi na zawartość N-NH 4 +, N- NO 3 _ i PO 4 3 _ w roztworach glebowych. Do badań wytypowano 2 fermy działające przez co najmniej 20 lat. Roztwór glebowy otrzymywano metodą wirowania próbek gleby (3500 obr. min -1, 30 min.) o wilgotności odpowiadającej polowej pojemności wodnej (-9,81 kpa, pf = 2,0). W roztworach z wybiegów stwierdzono wysokie stęŝenia badanych form pierwiastków oraz ich wymywanie w głąb profilów, co grozi skaŝeniem wód gruntowych. Azot azotanowy dominował w roztworach glebowych nad formą amonową, co wskazuje na intensywny proces nitryfikacji, ale takŝe wiązanie N-NH 4 + w procesach sorpcji glebowej. Relacje te układały się odmienne niŝ we wcześniej przeprowadzonych badaniach stałej fazy gleby, gdzie formą dominującą był azot amonowy. NITROGEN AND PHOSPHORUS IN SOIL SOLUTIONS FROM THE AREA OF GOOSE FARMS Sławomir Ligęza Institute of Soil Science and Environment Management, University of Life Sciences, Lublin Key words: soil solution, goose farms, ammonium ions, nitrates, orthophosphates

7 AZOT I FOSFOR W ROZTWORACH GLEBOWYCH Summary The influence of goose manure layer on the concentration of N-NH 4 +, N-NO 3 _ and PO 4 3 _ in the soil solutions was studied. Two farms working for over 20 years were selected for the investigation. The soil solution was obtained by the centrifugation of soil samples at a speed of 3500 rpm for 30 minutes. Soil moisture corresponded to field water capacity of the soil (-9.81 kpa, pf = 2.0). The concentrations of nitrogen compounds and orthophosphates in the soil solutions were higher in comparison to the control and its leaching into the deeper soil horizons was stated. That is a reason why ground water is threatened with contamination. A comparison of nitrates and ammonium ion levels in the soil solutions indicates that N-NO 3 _ dominates above N- NH 4 +. That was a reverse relation than that observed earlier for the soil solid phase. Dr Sławomir Ligęza Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska Uniwersytet Przyrodniczy ul. Kr. Leszczyńskiego LUBLIN slawomir.ligeza@up.lublin.pl