Proceedings of ECOpole Vol. 1, No. 1/2 2007 Marzena S. BRODOWSKA 1 i Adam KACZOR 2 ZAWARTOŚĆ RÓŻNYCH FORM SIARKI W PSZENICY I RZEPAKU W WARUNKACH ZRÓŻNICOWANEGO ZAOPATRZENIA GLEBY W SIARKĘ, WAPŃ I MAGNEZ CONTENT OF DIFFERENT FORMS OF SULPHUR IN WHEAT AND RAPE UNDER CONDITIONS OF VARIED SOIL SUPPLY IN SULPHUR, MAGNESIUM AND CALCIUM Streszczenie: W dwuletnich doświadczeniach wazonowych oceniono zakres i kierunek zmian w zawartości siarki siarczanowej i organicznej w pszenicy oraz rzepaku w warunkach nawożenia siarką (Na 2SO 4, S elementarna) i wapnowania (CaCO 3, CaCO 3+MgCO 3). Doświadczenia założono metodą kompletnej randomizacji. Obejmowały one trzy czynniki zmienne, z których dawkę i formę nawozu odkwaszającego oraz dawkę siarki zastosowano na trzech poziomach, a formę siarki na dwóch. W pierwszym roku badań rośliną testową była pszenica jara, zaś w drugim rzepak jary. Uzyskane wyniki wskazują, że zastosowane czynniki doświadczalne wywarły wyraźny wpływ na zawartość S-SO 4 i S org. w jarych formach pszenicy i rzepaku. Rzepak w porównaniu z pszenicą charakteryzował się większymi zawartościami analizowanych form siarki. Wapnowanie wpłynęło na zmniejszenie zawartości siarki siarczanowej i organicznej w roślinach. Lepsze zaopatrzenie roślin w siarkę wiązało się ze wzrostem zawartości analizowanych form siarki. Słowa kluczowe: zawartość siarki siarczanowej, zawartość siarki organicznej, pszenica jara, rzepak jary, nawożenie siarką, wapnowanie Siarka jest jednym z podstawowych składników pokarmowych, który warunkuje rozwój roślin, zwierząt i człowieka [1, 2]. Do czasu powstania cywilizacji przemysłowej o siarce oraz jej biologicznym i gospodarczym znaczeniu wiedziano niewiele, mimo że znano ją i wykorzystywano już od starożytności [3]. Naturalny obieg tego pierwiastka został znacznie zakłócony już w połowie XIX wieku. W tym bowiem czasie zaobserwowano, że wraz z bardzo szybkim rozwojem cywilizacyjnym nastąpiło znaczne zwiększenie emisji związków siarki ze źródeł antropogennych, głównie przemysłu, górnictwa i hutnictwa [3, 4]. Począwszy od drugiej połowy XX wieku, zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego tlenkiem siarki(iv) przybrało niepokojące rozmiary. Podjęto więc kroki mające na celu zmniejszenie poziomu emisji SO 2 do atmosfery [5, 6]. Redukcja emisji związków siarki wydatnie zmniejszyła depozyt tego pierwiastka [6-8]. Ponadto spadek zużycia nawozów organicznych oraz mineralnych zawierających duże koncentracje siarki przy jednoczesnym dość dużym wzroście plonów roślin uprawnych przyczynił się do zachwiania bilansu tego pierwiastka w glebach [6, 9-12]. Problem niedoboru siarki w produkcji roślinnej odnotowano w 73 krajach świata, w tym w 18 państwach Europy [13, 14]. Deficyt siarki stwierdzono między innymi w Australii, Nowej Zelandii, Ameryce Łacińskiej oraz niektórych rejonach Stanów Zjednoczonych [15]. Problem deficytu siarki w glebach dotyczy również Polski. Świadczyć o tym może znaczący, bo aż 53% udział gleb o niskiej zasobności w ten pierwiastek [16]. Niedostatek siarki występuje głównie 1 Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Akademia Rolnicza w Lublinie, ul. Akademicka 15, 20-950 Lublin, tel. 081 445 60 45, fax 081 445 66 64, e-mail: marzena.brodowska@ar.lublin.pl 2 Katedra Biochemii i Chemii Środowiskowej, Akademia Rolnicza w Lublinie, ul. Szczebrzeska 102, 20-400 Zamość, tel. 084 677 27 03, fax 084 639 60 39, e-mail: adam.kaczor@ar.lublin.pl
104 Marzena S. Brodowska i Adam Kaczor w glebach północnej i północno-wschodniej części naszego kraju [17]. Problem niedoboru siarki w glebach będzie stale narastał. Zgodnie z prognozami Światowego Instytutu Siarkowego, globalny deficyt tego składnika pokarmowego w 2010 roku wyniesie 11,1 mln ton S rocznie [13]. Stąd też celem pracy była analiza wpływu nawożenia siarką na zawartość siarki siarczanowej i organicznej w roślinach w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby w wapń i magnez. Metodyka badań Analizowano materiał roślinny uzyskany w dwuletnich doświadczeniach wazonowych założonych na materiale glebowym pobranym z warstwy ornej gleby płowej o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej. Doświadczenia założono metodą kompletnej randomizacji. Obejmowały one 3 czynniki zmienne (dawka siarki, forma siarki oraz dawka i forma nawozu odkwaszającego). Nawożenie siarką w postaci Na 2 SO 4 i S elementarnej zastosowano przed siewem pszenicy i rzepaku, a wapnowanie węglanem wapnia oraz węglanem wapnia i węglanem magnezu zmieszanym w stosunku 1:1 (dolomit) wniesiono jednorazowo przed założeniem doświadczeń według następującego schematu: 1. S 0 Ca 0 Mg 0 4. S 0 Ca 1 Mg 1 7. S 0 Ca 2 Mg 0 2. S 1 Ca 0 Mg 0 5. S 1 Ca 1 Mg 1 8. S 1 Ca 2 Mg 0 3. S 2 Ca 0 Mg 0 6. S 2 Ca 1 Mg 1 9. S 2 Ca 2 Mg 0 gdzie: S 0 - bez nawożenia siarką; S 1 - nawożenie S w postaci Na 2 SO 4 lub S elementarnej w ilości 0,015 g S kg 1 gleby pod pszenicę jarą i w ilości 0,030 g S kg 1 gleby pod rzepak jary; S 2 - nawożenie S w postaci Na 2 SO 4 lub S elementarnej w ilości 0,03 g S kg 1 gleby pod pszenicę jarą i w ilości 0,06 g S kg 1 gleby pod rzepak jary; Ca 0 Mg 0 - bez wapnowania; Ca 1 Mg 1 - wapnowanie mieszaniną CaCO 3 i MgCO 3 (dolomit) według 1,0 Hh; Ca 2 Mg 0 - wapnowanie CaCO 3 według 1,0 Hh. W pierwszym roku badań rośliną testową była pszenica jara odmiany Ismena, zaś w drugim rzepak jary odmiany Licosmos 00. Po ekstrakcji materiału roślinnego 2% CH 3 COOH z dodatkiem węgla aktywnego zawartość siarki siarczanowej oznaczono nefelometrycznie [18]. Zawartość siarki organicznej obliczono z różnicy pomiędzy siarką ogółem (oznaczoną nefelometrycznie metodą Butters-Chenery [19]) i siarką siarczanową. Analiza wyników i ich omówienie Zawartości siarki siarczanowej i organicznej w jarych formach pszenicy i rzepaku mieściły się w szerokim zakresie, wykazując zmienność w zależności od gatunku rośliny, fazy rozwojowej i organu oraz czynników doświadczalnych ujętych w eksperymencie. Największy wpływ na zawartość analizowanych form siarki przez rośliny testowe miała dawka tego składnika zastosowanego w nawozach (tabele 1 i 2). Podobnie jak w badaniach innych autorów [20, 21], zawartości siarki siarczanowej i organicznej wyraźnie zwiększyły się w suchej masie roślin lepiej zaopatrzonych w ten składnik. W przypadku pszenicy - w zależności od obiektu doświadczalnego - wzrost ten kształtował się w granicach od kilku do około 50% w stosunku do wartości w serii nienawożonej siarką. Wzrost ten był znacznie większy w przypadku rzepaku, czyli rośliny o wysokich wymaganiach w stosunku do tego składnika [13, 21-24]. Wynika z tego, że w porównaniu z pszenicą rzepak bardziej reagował na niedobór siarki w środowisku wzrostu.
Zawartość różnych form siarki w pszenicy i rzepaku w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby 105 Wzrost ph gleby w wyniku wapnowania wiązał się z obniżeniem zawartości analizowanych form siarki w badanych roślinach. Spadek ten można po części tłumaczyć zjawiskiem rozcieńczenia składnika. Na obniżenie zawartości S-SO 4 i S org. w suchej masie roślin wapnowanie mogło wpływać także bezpośrednio. Znane są prace, z których wynika, że wzrost stężenia jonów wapnia i magnezu w kompleksie sorpcyjnym gleby może przyczynić się do ograniczenia pobierania siarki przez rośliny [20]. Można to wyjaśnić tym, że część zastosowanej siarki w obecności jonów Ca 2+ przechodzi w trudno rozpuszczalny uwodniony siarczan wapnia (gips). Tabela 1 Zawartość S-SO 4 [g S kg 1 ] i S org. [g S kg 1 ] w pszenicy jarej w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby w siarkę, wapń i magnez Table 1 The content of S-SO 4 [g S kg 1 ] and organic S [g S kg 1 ] in spring wheat under conditions of varied soil supply in sulphur, magnesium and calcium Obiekt Object Krzewienie Tillering Kwitnienie Flowering Ziarno Grain Pełna dojrzałość Full maturity Słoma Straw S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S w postaci Na 2SO 4 S in form of Na 2SO 4 S 0Ca 0Mg 0 0,8 2,8 0,6 2,3 0,2 1,7 0,6 1,8 S 1Ca 0Mg 0 1,0 2,8 1,0 2,5 0,2 1,8 0,9 2,0 S 2Ca 0Mg 0 1,1 2,8 1,3 2,7 0,3 1,9 1,3 2,1 S 0Ca 1Mg 1 0,9 2,4 0,5 2,2 0,2 1,5 0,5 1,7 S 1Ca 1Mg 1 1,0 2,5 0,6 2,3 0,2 1,8 0,8 1,9 S 2Ca 1Mg 1 1,1 2,7 0,7 2,5 0,2 1,9 1,1 2,2 S 0Ca 2Mg 0 0,8 2,4 0,5 2,1 0,1 1,2 0,4 1,6 S 1Ca 2Mg 0 0,9 2,7 0,6 2,3 0,2 1,4 0,6 1,8 S 2Ca 2Mg 0 1,0 2,8 0,7 2,4 0,3 1,6 1,0 2,0 S w postaci elementarnej Elementary S S 0Ca 0Mg 0 0,8 2,4 0,7 2,3 0,2 1,6 0,7 1,6 S 1Ca 0Mg 0 1,1 2,6 1,0 2,4 0,2 1,6 1,0 1,6 S 2Ca 0Mg 0 1,2 2,9 1,4 2,5 0,3 1,6 1,4 1,9 S 0Ca 1Mg 1 0,8 2,3 0,5 2,0 0,2 1,4 0,5 1,4 S 1Ca 1Mg 1 0,9 2,4 0,6 2,2 0,3 1,7 0,9 1,8 S 2Ca 1Mg 1 0,9 2,6 0,7 2,4 0,3 1,9 1,2 2,0 S 0Ca 2Mg 0 0,7 2,1 0,5 1,9 0,2 1,3 0,5 1,3 S 1Ca 2Mg 0 0,8 2,1 0,7 2,0 0,3 1,3 0,7 1,6 S 2Ca 2Mg 0 0,9 2,3 0,8 2,1 0,3 1,4 1,2 1,6
106 Marzena S. Brodowska i Adam Kaczor Tabela 2 Zawartość S-SO 4 [g S kg 1 ] i S org. [g S kg 1 ] w rzepaku jarym w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby w siarkę, wapń i magnez Table 2 The content of S-SO 4 [g S kg 1 ] and organic S [g S kg 1 ] in spring rape under conditions of varied soil supply in sulphur, magnesium and calcium Pełna dojrzałość Obiekt Object Rozeta Rosette Kwitnienie Flowering Nasiona Seeds Full maturity Słoma Straw S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S-SO 4 S org. S w postaci Na 2SO 4 S in form of Na 2SO 4 S 0Ca 0Mg 0 3,0 4,1 0,4 1,8 X X 0,3 0,7 S 1Ca 0Mg 0 7,3 5,7 3,1 3,2 1,2 5,1 0,9 1,2 S 2Ca 0Mg 0 8,7 5,9 4,6 4,0 1,3 6,2 2,6 2,5 S 0Ca 1Mg 1 2,4 2,0 0,2 1,0 0,5 2,0 0,3 0,6 S 1Ca 1Mg 1 5,5 4,1 1,9 2,5 1,0 5,0 0,7 1,3 S 2Ca 1Mg 1 6,0 4,3 3,5 2,7 1,1 6,2 2,1 2,8 S 0Ca 2Mg 0 1,6 2,1 0,2 0,8 0,4 2,0 0,3 0,6 S 1Ca 2Mg 0 5,5 3,5 1,9 2,3 0,9 4,9 0,8 1,1 S 2Ca 2Mg 0 5,9 3,6 3,5 2,9 1,0 6,1 2,3 2,4 S w postaci elementarnej Elementary S S 0Ca 0Mg 0 3,2 4,1 0,3 1,4 X X 0,3 0,7 S 1Ca 0Mg 0 4,3 5,5 0,9 2,3 0,8 3,4 0,7 1,0 S 2Ca 0Mg 0 5,8 5,6 2,8 3,0 1,0 4,5 2,1 1,7 S 0Ca 1Mg 1 0,5 2,6 0,2 0,7 0,6 1,9 0,3 0,7 S 1Ca 1Mg 1 3,3 3,4 0,7 1,4 0,7 3,6 0,6 1,0 S 2Ca 1Mg 1 3,4 4,1 1,0 2,1 0,9 4,3 1,6 1,8 S 0Ca 2Mg 0 1,2 1,8 0,1 1,0 0,5 2,0 0,2 0,6 S 1Ca 2Mg 0 1,8 3,4 0,6 1,6 0,7 3,2 0,6 0,9 S 2Ca 2Mg 0 3,5 3,7 1,1 2,3 0,9 4,1 1,7 1,5 X - nie oznaczono ze względu na brak materiału / not determined because lack of material Wnioski 1. Kierunek i zakres zmian w zawartości siarki siarczanowej i organicznej w pszenicy i rzepaku zależał od gatunku, fazy sprzętu i organu rośliny oraz od zaopatrzenia roślin w siarkę i zwapnowania gleby. 2. Rzepak w porównaniu z pszenicą charakteryzował się większymi zawartościami analizowanych form siarki. 3. Lepsze zaopatrzenie roślin w siarkę wiązało się ze wzrostem zawartości siarki siarczanowej i organicznej w roślinach testowych. 4. Zmiana odczynu gleby, w wyniku aplikacji nawozów odkwaszających, wpłynęła na spadek zawartości rozpatrywanych form siarki. 5. Badania własne pozwalają na stwierdzenie, iż nawożenie roślin siarką wpływa korzystnie na jakość roślin.
Zawartość różnych form siarki w pszenicy i rzepaku w warunkach zróżnicowanego zaopatrzenia gleby 107 Literatura [1] Knights J.S., Zhao F.J., Spiro B. i McGrath S.P.: Long-term effects of land use and fertilizer treatments on sulfur cycling. J. Environ. Qual., 2000, 29(6), 1867-1874. [2] Kaczor A., Brodowska M.S. i Kowalski G.: Wpływ nawożenia siarką i wapnowania na zawartość siarki w jarych formach pszenicy i rzepaku. Ann. UMCS, sec. E, 2004, 59(4), 1847-1853. [3] Motowicka-Terelak T. i Terelak H.: Siarka w glebach Polski stan i zagrożenia. PIOŚ, Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa 1998. [4] Kiepul J.: Wpływ symulowanej imisji i wapnowania na bilans siarki w doświadczeniu lizymetrycznym. Fragm. Agron., 1998, 2, 45-52. [5] Dubuis P.-H., Marazzi C., Städler E. i Mauch F.: Sulphur deficiency causes a reduction in antimicrobial potential and leads to increased disease susceptibility of oilseed rape. J. Phytopathol., 2005, 153, 27-36. [6] Zhao F.J., Hawkesford M.J. i McGrath S.P.: Sulphur assimilation and effects on yield and quality of wheat. J. Cereal Sci., 1999, 30, 1-17. [7] Kertesz M.A. i Mirleau P.: The role of soil microbes in plant sulphur nutrition. J. Experim. Bot., 2004, 55(404), 1939-1945. [8] Girma K., Mosali J., Freeman K.W., Raun W.R., Martin K.L. i Thomason W.E.: Forage and grain yield response to applied sulfur in winter wheat as influenced by source and rate. J. Plant Nutr., 2005, 28, 1541-1553. [9] Eriksen J. i Askegaard M.: Sulphate leaching in an organic crop rotation on sandy soil in Danmark. Agricult., Ecosyst. and Environ., 2000, 78, 107-114. [10] Scherer H.W.: Sulphur in crop production - invited paper. Europ. J. Agronom., 2001, 14, 81-111. [11] Eriksen J., Olesen J.E. i Askegaard M.: Sulphate leaching and sulphur balances of an organic cereal crop rotation on three Danish soils. Europ. J. Agronom., 2002, 17, 1-9. [12] Thomas S.G., Hocking T.J. i Bilsborrow P.E.: Effect of sulphur fertilization on growth and metabolism of sugar beet grown on soils of differing sulphur status. Field Crops Res., 2003, 83, 223-235. [13] Kaczor A. i Kozłowska J.: Wpływ kwaśnych opadów na agroekosystemy. Folia Univ. Agric. Stetin., 2000, 204(81), 55-68. [14] Biskupski A., Winiarski A. i Malinowska P.: Stan produkcji krajowej nawozów zawierających siarkę oraz tendencje światowe ich wytwarzania i stosowania. Nawozy i Nawożenie, 2003, 4(17), 9-30. [15] Brodowska M.S. i Kaczor A.: Wpływ wapnowania i nawożenia siarką na glebę i rośliny. Cz. I. Zmiany niektórych właściwości gleby. Roczn. Glebozn., 2005, 56(1/2), 13-20. [16] Szulc W.: Wpływ zróżnicowanego nawożenia na zawartość różnych form siarki w glebie. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 2002, 482, 513-518. [17] Kaczor A. i Brodowska M.S.: Wpływ wapnowania i nawożenia siarką na wzrost, rozwój i plonowanie jarych form pszenicy i rzepaku. Cz. II. Rzepak jary. Acta Agrophys., 2003, 1(4), 661-666. [18] Grzesiuk W.: Nefelometryczne oznaczanie siarki siarczanowej w roślinach. Roczn. Glebozn., 1968, 1, 167-173. [19] Butters B. i Chenery E.M.: A rapid method for the determination of total sulphur in soils and plants. Analyst, 1959, 84, 239-245. [20] Motowicka-Terelak T., Terelak H. i Witek T.: Liczby graniczne do wyceny zawartości siarki w glebach i roślinach. IUNG, Puławy, seria P, 1993, 53, 15-20. [21] McGrath S.P., Zhao F.J. i Withers P.J.A.: Development of sulphur deficiency in crops and its treatment. The Fertiliser Society, London 1996, 3-47. [22] Dampney P.M.R. i Salmon S.: The effect of rate and timing of late nitrogen applications to breadmaking wheat as ammonium nitrate or foliar urea-n, and the effect of foliar sulphur application. I. Effect on yield, grain quality and recovery of nitrogen in grain. Aspects Appl. Biol., 1990, 25, 229-241. [23] Griffiths M.W., Kettlewell P.S. i Hocking T.J.: Effects of foliar-applied sulphur and nitrogen on grain growth, grain sulphur and nitrogen concentrations and yield of winter wheat. J. Agricult. Sci., 1995, 125, 331-339. [24] Marazzi C. i Städler E.: Influence of plant sulphur nutrition on oviposition and larval performance of the diamondback moth. Entomol. Experi. Appl., 2004, 111, 225-232.
108 Marzena S. Brodowska i Adam Kaczor CONTENT OF DIFFERENT FORMS OF SULPHUR IN WHEAT AND RAPE UNDER CONDITIONS OF VARIED SOIL SUPPLY IN SULPHUR, MAGNESIUM AND CALCIUM Summary: In the two-year pot experiment the range and direction of the changes in content of sulphate sulphur and organic sulphur in wheat and rape in the conditions of sulphur fertilization (Na 2SO 4, elementary S) and liming (CaCO 3+MgCO 3) were analysed. The experiments were performed using the complete randomization method. Three variable factors were used - dose and form of lime and dose of sulphur were applied on 3 levels while sulphur form on 2 levels. In the first year of the research spring wheat was used as a test plant, in the second year - spring rape. The achieved results let us state that applied experimental factors have significantly influenced the content of S-SO 4 and organic S in spring forms of wheat and rape. Among the test plants the higher contents of analysed forms of sulphur were found in the case of rape. Liming influenced the decrease of sulphate sulphur and organic sulphur content in plants. The better plants supply in sulphur was connected with increase in the content of analysed forms of sulphur. Keywords: content of sulphate sulphur, content of organic sulphur, spring wheat, spring rape, sulphur fertilization, liming