ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 520: 135-142 SKUTKI WIELOLETNIEGO UśYTKOWANIA GLEBY JAKO WYBIEGU DLA GĘSI W ASPEKCIE ZMIAN ZAWARTOŚCI ROZPUSZCZONEGO WĘGLA ORGANICZNEGO W ROZTWORACH GLEBOWYCH Sławomir Ligęza Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Akademia Rolnicza w Lublinie Wstęp Na wybiegach ferm gęsi zalega warstwa o róŝnej miąŝszości, będąca mieszaniną resztek paszy, ptasich odchodów i piór. Jest to pomiot, składający się głównie z materiału organicznego w róŝnym stadium rozkładu, nasyconego duŝą ilością związków łatwo rozpuszczalnych w wodzie zarówno organicznych, jak i mineralnych. W warstwie tej znajdują się podstawowe pierwiastki nawozowe, tj. azot, fosfor, potas oraz mało- i wielkocząsteczkowe związki węgla organicznego o róŝnym stopniu polimeryzacji i rozpuszczalności w wodzie. Klimat Polski cechuje się przewagą opadów nad parowaniem. W takich warunkach infiltrująca woda wymywa pierwiastki z pomiotu i wprowadza do gleby. W warunkach naturalnych roztwór glebowy pozostaje w stanie równowagi termodynamicznej z fazą stałą, a o jego składzie chemicznym decydują przede wszystkim procesy zachodzące in situ. Skład chemiczny roztworów w glebach uŝytkowanych jako wybiegi gęsi przestaje zaleŝeć od czynnika endogennego, jakim są właściwości solum poddawanego działaniu czynników glebotwórczych, natomiast dominujący wpływ na kształtowanie chemizmu wody glebowej, zaczyna mieć czynnik egzogenny ornitogeniczna warstwa nadkładu. Celem pracy było określenie, w jakim stopniu pomiot gęsi wpływa na wzrost zawartości rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) w roztworach glebowych, na podstawie porównania z glebami naturalnymi o tej samej typologii i genezie. Niniejsze opracowanie obejmuje analizę form węgla w mineralnych poziomach badanych gleb. Obiekty i metody badań Do badań wytypowano fermę gęsi w Knyszynie (FK, woj. podlaskie) i w Hucie Józefów (FHJ, woj. lubelskie). Obie funkcjonowały w chwili rozpoczęcia badań, przez co najmniej 20 lat. Odpowiednio długi okres przebywania ptaków na tym samym terenie, zapewniał trwały charakter zmian w środowisku glebowym, zachodzących pod wpływem pomiotu. W sąsiedztwie ferm, ale poza zasięgiem oddziaływania gęsi, wybrano obiekty kontrolne (brak nawoŝenia obornikiem, ekstensywne uŝytkowanie lub nieuŝytek, brak innych działań powodujących wzrost próchniczności gleby). Na wybiegach ferm oraz w obiektach kontrolnych wykonano odkrywki próbne. Na ich podstawie wytypowano pary pedonów (ferma punkt porównawczy) o zbliŝonej
136 S. Ligęza budowie profili, i wykonano pełne odkrywki glebowe. Z kaŝdego poziomu genetycznego pobrano w 5 powtórzeniach próbki gleb o zachowanej strukturze, które posłuŝyły do określenia właściwości retencyjnych. Ponadto, z kaŝdego poziomu wzięto do 20 kg uśrednionego materiału glebowego, z którego otrzymywano roztwory glebowe. Do plastikowych naczynek nawaŝano po 1 kg powietrznie suchej gleby, dodawano wodę redestylowaną w ilości odpowiadającej potencjałowi wody -9,81 kpa (pf = 2,0), mieszano, aby cała próbka była wilgotna. śeby wyeliminować parowanie, pojemniczki umieszczano w szczelnie zamkniętych woreczkach polietylenowych i inkubowano przez 48 godzin [QUIAN, WOLT 1990] w temperaturze ok. 20 C, bez dostępu światła (ograniczenie rozwoju fotoautotrofów). Roztwór pozyskiwano metodą wirowania próbek, z szybkością 3500 obr. min -1 przez 30 min [SMAL 1999]. ZaleŜnie od wydajności procesu wirowania, do inkubacji brano od 5 do 9 kg gleby. Po odwirowaniu gleby z całego poziomu genetycznego roztwór uśredniano. Zawartość węgla organicznego (C org.) w glebach i rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) w roztworach oznaczano metodą Tiurina; RWO po zagęszczeniu roztworów [MISZTAL, GÓRNIAK 1993; GÓRNIAK 1996]. Profile gleb i uziarnienie analizowanych poziomów Soil profiles and textural classes of investigated horizons Tabela 1; Table 1 Knyszyn Ferma; Farm Poziom Horizon uziarnienie* texture* poziom horizon uziarnienie* texture* O 3-0 cm - - - - A 0-20 cm ps; s Ap 0-25 cm pglp; ls Bbr 20-70 cm psp; s Bbr 25-65 cm psp; ls Cca > 70 cm pl; s C 65-75 cm gls; sl - - - IICca > 75 cm - Huta Józefów ferma; farm Poziom Horizon uziarnienie texture poziom horizon uziarnienie texture O 5-0 cm - - - - A 0-17 cm płi; sil Ap 0-25 cm płi; sil Eet 17-33 cm płi; sil Eet 25-30 cm płi; sil IIBt 33-60 cm glss; l Bt 30-65 cm płi; sil IIC > 63 cm glss; sl IIC > 65 cm gc; c * nomenklatura utworów wg PTGleb.; description of soil textural classes according to WRB: pl; s piasek luźny; sand ps; s piasek słabogliniasty; sand psp; ls piasek słabogliniasty pylasty; loamy sand pglp; ls piasek gliniasty lekki pylasty; loamy sand glss; l glina lekka silnie spiaszczona; loam gls; sl glina lekka słabo spiaszczona; sandy loam płi; sil pył ilasty; silt loam gc; c glina cięŝka; clay Gleby z Knyszyna zaklasyfikowano do brunatnych właściwych wytworzonych z piasków zwałowych na glinach zwałowych, natomiast z Huty Józefów do płowych typowych, wytworzonych z pyłów ilastych na glinach zwałowych. Gleby z obu ferm i punktów kontrolnych miały charakter niecałkowity i wykazywały duŝą zmienność składu granulometrycznego, który określono metodą areometryczną Prószyńskiego. Morfologię profilów, sekwencję i miąŝszość poziomów genetycznych oraz uziarnienie poziomów zawarto w tab. 1. Poziom próchniczny w obiekcie kontrolnym FHJ odcinał
SKUTKI WIELOLETNIEGO UśYTKOWANIA GLEBY JAKO WYBIEGU... 137 się wyraźnie w spągu od leŝącego pod nim poziomu przemycia (Eet). W miejscu tym znajdowało się dawniej pole i mimo upływu lat, ślady uprawy płuŝnej nie uległy zatarciu. BliŜszą charakterystykę właściwości gleb zawarto w pracach LIGĘZA, MISZTAL [1999] oraz LIGĘZA, SMAL [2004]. Wyniki i dyskusja Warstwa organicznego nadkładu, leŝąca na wybiegach dla gęsi, wpływa na właściwości chemiczne trójfazowego układu gleby. Ogranicza wymianę gazową, zmienia skład powietrza glebowego, obniŝa ewaporację, zmienia chemizm fazy stałej i ciekłej oraz proporcje między poszczególnymi pierwiastkami [LIGĘZA, MISZTAL 1999; LIGĘZA, SMAL 2003; LIGĘZA, SMAL 2004; GAY, KNOWLTON 2005]. Dotyczy to równieŝ C org. i jego form. Mineralne poziomy analizowanych gleb były mało zasobne w węgiel organiczny zarówno na wybiegach, mimo warstwy pomiotu, jak i punktach kontrolnych. Zawartość C org. w poziomach próchnicznych wahała się od 490 mmol C kg -1 do 890 mmol C kg -1, co odpowiada od 0,6% do 1,1% C org. Nie stwierdzono jednoznacznie, aby pomiot wpływał na wzrost ilości węgla w glebach. W niektórych przypadkach zawartość C org. była niŝsza na wybiegach dla gęsi niŝ w analogicznych poziomach obiektów porównawczych (tab. 2). Związek między zawartością C org. w glebie a stęŝeniem RWO w roztworze jest prawidłowością ogólnie znaną. Uzyskane w badaniach wyniki poddano analizie regresji liniowej, którą szacowano metodą najmniejszych kwadratów. ZaleŜność między C org. a RWO w badanych glebach moŝna opisać wzorem y = 0,0015x + 0,4402, dla którego współczynnik determinacji wynosił r 2 = 0,5975. Skorelowanie zawartości C org. w glebie i stęŝenia RWO w roztworze było istotnie dodatnie, a wartość współczynnika korelacji liniowej wynosiła r = 0,77 (p < 0,05). TakŜe GONET i in. [2002] stwierdzili podobny związek między ogólną zawartością węgla organicznego w glebach a węglem łatwo rozpuszczalnym, niezaleŝnie od typu gleby (płowa, czarnoziem itp.). Wartości współczynników korelacji wynosiły dla róŝnych roztworów ekstrakcyjnych r = 0,791 i r = 0,728 (p < 0,05). W prezentowanych badaniach, dla wszystkich porównywanych par roztworów glebowych, stęŝenie RWO było wyŝsze na fermach niŝ w obiektach kontrolnych (tab. 2). Istotność tych róŝnic została potwierdzona testem Wilcoxona (Z = 2,201, p = 0,028) oraz testem t-studenta dla wszystkich próbek (t 3 ), (tab. 2). Rozpatrując jednak oba obiekty indywidualnie odnotowano, Ŝe badane testem t-studenta stęŝenia RWO w roztworach z Huty Józefów nie róŝniły się istotnie (t 2 ), na co wpłynęła stosukowo mała róŝnica koncentracji węgla rozpuszczonego w poziomach IIBt-Bt, natomiast roztwory z Knyszyna róŝniły się pod względem zawartości RWO (t 1 ).
138 S. Ligęza Poziom Horizon Średnia zawartość C org. i RWO w glebach oraz RWO w roztworach Mean concentration of C org. and DOC in soils and DOC in soil solutions C org.; Organic C (mmol C kg -1 ) RWO; DOC (mmol C dm -3 ) Knyszyn (FK) farma; farm PPW; FSM (% w/w) Tabela 2; Table 2 RWO; DOC (mmol C kg -1 ) A 890 1,57 21,8 0,44 Bbr 140 0,95 16,2 0,18 Cca 75 0,32 19,4 0,08 Ap 490 1,37 26,9 0,50 Bbr 170 0,57 22,3 0,16 C 90 0,10 16,7 0,02 Huta Józefów (FHJ) farma; farm A 720 1,93 32,1 0,91 Eet 260 1,61 22,7 0,47 IIBt 65 0,56 21,7 0,16 IIC 58 0,26 13,0 0,04 A 830 1,24 28,0 0,48 Eet 250 0,74 27,9 0,29 Bt 160 0,43 24,7 0,14 IIC n.o. n.o. n.o. n.o. Test t-studenta dla roztworów glebowych z obiektu FK t-student test for soil solutions from FK farm Test t-studenta dla roztworów glebowych z obiektu FHJ t-student test for soil solutions from FHJ farm Test t-studenta dla wszystkich roztworów t-student test for all soil solutions t 1 = 4,68* p < 0,05 t 2 = 2,53 p < 0,13 (n.i.) t 3 = 3,39* p < 0,05 RWO; DOC rozpuszczalny węgiel organiczny; dissolvet organic carbon PPW; PSM polowa pojemność wodna; field soil moisture capacity * róŝnice istotne statystycznie; statistically significant differences n.i. róŝnice nieistotne statystycznie; differences statistically not significant n.o. nie oznaczano; not determined t 1 test t-studenta dla roztworów z Knyszyna; t-student test for soil solutions from Knyszyn t 2 test t-studenta dla roztworów z Huty Józefów; t-student test for soil solutions from Huta Józefów test t-studenta dla wszystkich roztworów; t-student test for all samples t 3 StęŜenia RWO w otrzymanych roztworach były niŝsze niŝ podawane w literaturze przez innych autorów [GOODY i in. 1995; LINDROOS i in. 1995]. Roztwory z poziomów próchnicznych gleb piaszczystych południowej Polski badane przez SMAL [1999], zawierały od 12,6 do 19,9 mmol C dm -3 na obszarach leśnych, natomiast od 5,1 do 12,1 mmol C dm -3 w glebach uprawnych. StęŜenia RWO w poziomach próchnicznych gleb ferm FK i FHJ mieściły się natomiast w zakresie podanym przez van GINKEL i in. [1994] dla badanych przez nich gleb uprawnych, tj. 0,25-0,83 mmol C dm -3 (3-10 mg C dm -3 ).
SKUTKI WIELOLETNIEGO UśYTKOWANIA GLEBY JAKO WYBIEGU... 139 StęŜenie RWO malało wraz z głębokością w roztworach wszystkich gleb zarówno na fermach, jak i w profilach kontrolnych (tab. 2). W przypadku wybiegów, podstawowym źródłem RWO wnoszonego do gleby i przechodzącego do roztworów glebowych jest warstwa organicznego pomiotu. RWO stanowi najbardziej mobilną frakcję C org., która jest przemieszczana w głąb, aŝ do chwili unieruchomienia w procesach hydrogeochemicznych [JARDINE i in. 2006]. Migracja związków RWO z pomiotu moŝe zachodzić nie tylko w płaszczyźnie pionowej, ale takŝe poziomej. LICZNAR i in. [1995] stwierdzili w pobliŝu badanego przez nich składowiska pomiotu kurzego wzrost próchniczności gleby. Sytuacja taka nie zawsze daje się zaobserwować [LIGĘZA, MISZTAL 1999], co naleŝy prawdopodobnie łączyć ze składem jakościowym pomiotu i lokalnym ukształtowaniem terenu. W skład RWO wchodzą zarówno proste związki organiczne o charakterze nieswoistych substancji próchnicznych (kwasy tłuszczowe, kwasy organiczne, aminokwasy, cukry), jak i rozpuszczalne w wodzie substancje o charakterze humusowym [AIKEN 2002]. O wzroście próchniczności gleb decyduje w duŝym stopniu skład jakościowy C org. i RWO. Podstawowym substratem wyjściowym dla najbardziej mobilnych związków RWO na terenach wybiegów ferm gęsi jest kwas moczowy, który bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie, jednak ulega rozkładowi pod wpływem występujących w glebie enzymów. Wysoka aktywność mikroorganizmów i szybka transformacja łatwo przyswajalnych związków RWO jest prawdopodobnie przyczyną, iŝ w przypadku ferm gęsi przyrost stęŝeń tej frakcji węgla nie jest wysoki. StęŜenie RWO w roztworach glebowych przeliczono takŝe na powietrznie suchą masę gleby. O ile, w przypadku roztworów glebowych, wzrost zawartości RWO na fermach był wyraźny, to po transformacji danych wyjściowych ze stęŝenia w jednostce objętości fazy ciekłej na jednostkę masy fazy stałej, sytuacja uległa zmianie. Na obszarze fermy FK, poziomy próchniczne i podpróchniczne zawierały podobną ilość RWO na masę gleby w zestawieniu z kontrolnymi, natomiast na fermie FHJ, wzrost zasobności gleb w RWO odnotowano przede wszystkim w poziomach powierzchniowych (tab. 2). Przy niŝszym stęŝeniu węgla rozpuszczonego w roztworze, ale większej wilgotności gleby, przeliczenie stęŝeń na masę gleby moŝe dawać w efekcie wyŝszą zawartość związków RWO (np. poziomy A Ap obiektu FK, tab. 2). Sugeruje to, iŝ przy interpretacji danych wskazane jest branie pod uwagę, jaki efekt na końcowy wynik badań moŝe mieć matematyczna transformacja danych źródłowych. Istotnych róŝnic stęŝeń RWO w jednostce masy gleby między fermami a obiektami kontrolnymi nie wykazał Ŝaden z testów, które wskazywały na istotność róŝnic koncentracji RWO w jednostce objętości wody glebowej. Wnioski 1. StęŜenie rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) w roztworach glebowych istotnie korelowało z ilością C org. w glebach i było wyŝsze na wybiegach dla gęsi niŝ w obiektach kontrolnych. StęŜenie RWO w roztworach malało wraz z głębokością gleby zarówno w przypadku gleb z ferm, jak i kontrolnych. 2. Koncentracja RWO we wszystkich roztworach glebowych kształtowała się na niskim poziomie, takŝe w glebach na wybiegach dla gęsi, gdzie na powierzchni zalegała organiczna warstwa pomiotu. StęŜenie RWO w roztworach było na ogół niŝsze niŝ spotykane w opracowaniach dotyczących literatury tematu. 3. Po przeliczeniu stęŝeń RWO w roztworach glebowych na jednostkę masy gleby
140 S. Ligęza odnotowano, Ŝe wzbogacenie we frakcję węgla rozpuszczonego dotyczyło przede wszystkim górnych poziomów genetycznych gleb na fermach. Poziomy głębiej leŝące zawierały zbliŝoną ilość RWO, mimo Ŝe w uzyskanych roztworach stwierdzono istotne róŝnice między próbkami z ferm i obiektów kontrolnych. 4. Transformacja danych wyjściowych i sposób przedstawienia wyników badań, np. stęŝenie RWO w jednostce objętości roztworu glebowego lub zawartość w jednostce masy gleby, moŝe wpływać na interpretację analizowanych zaleŝności. UŜyte testy statystyczne wykazywały istotne róŝnice stęŝeń RWO, gdy rozpatrywano roztwory i objętość, natomiast nie wykazywały róŝnic istotnych statystycznie, gdy brano pod uwagę zawartość RWO w przeliczeniu na masę stałej fazy. Literatura AIKEN G.R. 2002. Organic matter in ground water. w: Geological survey artificial recharge. Aiken G.R. Kunansky E.L. (red.). U.S. Workshop Proceedings, 2-4 IV 2002, Sacramento California. U.S. Geological Survey. Open-File Report 02-89: 21-23. GAY S.W., KNOWLTON K.F. 2005. Ammonia emission and animal agriculture. Biological Systems Engineering. Publication 442-110: 5 ss. GONET S., DĘBSKA B., PAKUŁA J. 2002. Zawartość rozpuszczonego węgla organicznego w glebach i nawozach organicznych. PTSH, Wrocław: 76 ss. GOODY D.C., SHAND P., KINNINBURGH D.G., VAN RIEMSDIJK W.H. 1995. Field-based partition coefficients for trace elements in soil solution. Eur. J. Soil Sci. 46: 265-285. GÓRNIAK A. 1996. Substancje humusowe i ich rola w funkcjonowaniu ekosystemów słodkowodnych. Rozprawa habilitacyjna, Dział Wydawnictw Filii Uniwersytetu Warszawskiego w Białymstoku: 151 ss. JARDINE P.M., MAYES M.A., MULHOLLAND P.J., HANSON P.J., TARVER J.R., LUXMOORE R. J., McCARTHY J. F., WILSON G. V. 2006. Vadose zone flow and transport of dissolved organic carbon at multiple scales in humid regimes. Vadose Zone Journal 5: 140-152. LICZNAR S.E., DROZD J., LICZNAR M. 1995. Oddziaływanie składowiska pomiotu kurzego na właściwości gleb terenów przyległych. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 418: 541-550. LIGĘZA S., MISZTAL M. 1999. Zmiany właściwości gleb zachodzące pod wpływem zalegających pomiotów gęsi. Fol. Univ. Agric. Stetin. 200, Agricultura 77: 207-212. LIGĘZA S., SMAL H. 2003. Stosunki molowe NPK w glebach o zakłóconej równowadze chemicznej. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 493: 651-658. LIGĘZA S., SMAL H. 2004. Odczyn, przewodnictwo właściwe oraz stęŝenie pierwiastków zasadowych w roztworach glebowych gleb uŝytkowanych jako wybiegi na fermach gęsi. Annales UMCS Sec. E 59(4): 1613-1619. LINDROOS A.J., DEROME J., NISKA K. 1995. The relationship between dissolved organic matter and percolation water chemistry in Northern Finland. Water Air Soil Poll. 79: 191-200. MISZTAL M., GÓRNIAK A. 1993. Preliminary estimate of the organic substances of the lake waters and bottom sediments. Verh. Internat. Limnol. 25: 175-176. QUIAN P., WOLT J.D. 1990. Effects of drying and time of incubation on the composition of displaced soil solution. Soil Sci. 6: 367-373. SMAL H. 1999. Właściwości chemiczne roztworów glebowych gleb lekkich i ich zmiany
SKUTKI WIELOLETNIEGO UśYTKOWANIA GLEBY JAKO WYBIEGU... 141 pod wpływem zakwaszenia. Rozprawy naukowe 230. Wyd. AR, Lublin: 108 ss. VAN GINKEL J.H., MERCKX R., VANVEEN J.A. 1994. Microbial biomass method based on soluble carbon in the soil solution. Soil Biol. Biochem. 26: 417-419. Słowa kluczowe: roztwór glebowy, rozpuszczony węgiel organiczny, pomiot gęsi Streszczenie Badano wpływ warstwy pomiotu na wybiegach dla gęsi na zawartość rozpuszczonego węgla organicznego (RWO) w roztworach glebowych. Do badań wybrano dwie fermy działające od ponad 20 lat. Roztwór glebowy otrzymywano metodą wirowania próbek (3500 obr. min -1, 30 min) o wilgotności odpowiadającej polowej pojemności wodnej (-9,81 kpa, pf = 2,0). Stwierdzono dodatnią korelację między ilością C org. w glebie a stęŝeniem RWO w roztworach. Wartość współczynnika korelacji liniowej wynosiła r = 0,77 (p < 0,05). Zawartość RWO była wyŝsza w roztworach glebowych z wybiegów w porównaniu z obiektami kontrolnymi, jednak nie wykazano wysokiego wzrostu stęŝenia RWO wynikającego z zalegania pomiotu. Wskazują na to dane uzyskane po przeliczeniu stęŝeń RWO w roztworach na zawartość w jednostce masy stałej fazy gleby. EFFECTS OF MULTI-ANNUAL USING THE SOIL AS A GOOSE YARD ON THE CHANGES OF DISSOLVED ORGANIC CARBON CONTENT IN SOIL SOLUTIONS Sławomir Ligęza Institute of Soil Science and Environment Management, Agricultural University, Lublin Key words: soil solution, DOC, goose droppings Summary The influence of goose droppings layer on dissolved organic carbon (DOC) concentration in soil solution was studied. Two farms working for over 20 years were selected for investigation. The soil solution was obtained by centrifugation of soil samples at speed about 3500 rpm for 30 min. Soil moisture corresponded to field water capacity of soil (-9.81 kpa, pf = 2.0). A significant positive correlation was found between content of C org. in the soil and DOC concentration in the soil solutions. A correlation coefficient was r = 0.77 (p < 0.05). The concentration of DOC was higher in the soil solutions from the farms in comparison to the controls. Dr Sławomir Ligęza Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska Akademia Rolnicza ul. Leszczyńskiego 7 20-069 LUBLIN e-mail: slawomir.ligeza@ar.lublin.pl