ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LXII NR 1 WARSZAWA 2011: 121-127 ANNA PIOTROWSKA, JAN KOPER SEZONOWE ZMIANY AKTYWNOŚCI /3-GLUKOZYDAZY W GLEBIE POD UPRAWĄ KONICZYNY CZERWONEJ ORAZ PSZENICY OZIMEJ W NASTĘPSTWIE ODDZIAŁYWANIA NAWOŻENIA MINERALNEGO, NATURALNEGO INATURALNO-MINERALNEGO SEASONAL CHANGES OF SOIL /3-GLUCOSIDASE ACTIVITY IN SOIL UNDER RED CLOVER AND WINTER WHEAT AS A CONSEQUENCE OF DIFFERENTIATED MINERAL, NATURAL AND NATURAL-MINERAL FERTILIZATION Katedra Biochemii, Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy A b stract: The objective o f this study was to determ ine seasonal changes o f /?-glucosidase as w ell as to indicate sequential effects o f long-term fertilization after additional lim ing application. Soil was sam pled from 14 m ineral, natural (farm yard m anure) and natural-m ineral fertilization com binations under red clover (in 2001 before lim ing) and w inter w heat (in 2003 after lim ing) from the Ap horizon four tim es a year. The enzym e activity was higher in the soil under w inter w heat in com parison to the soil under red clover and ranged w ithin 0.14-0.51 m M /?N P-kg_l-h_1 in the soil sam ples taken in 2001 and 0.18-0.62 m M pn P-kg_1-h_1 in soil analyzed in 2003. The /?-glucosidase activity changed significantly during the season and in both years was the highest in the soil sam ples taken in April. A significant, positive influence o f farm yard m anure (FY M ) on /?-glucosidase activity was shown, w hile no clear trend was observed in the enzym e activity depending on the different com binations o f m ineral fertilization (N, P, K and Mg). Słow a kluczow e: aktyw ność ^-glukozydazy, nawożenie naturalno-m ineralne. K ey words: fi-glucosidasc activity, seasonal changes, natural-m ineral fertilization. WSTĘP Aktywność enzymatyczna gleby wykazuje się dużą zmiennością sezonową, która w znacznym stopniu kształtowana jest przez obecność i skład gatunkowy szaty roślinnej oraz okres wegetacji roślin, co związane jest z kolei z okresowym nagromadzeniem się w glebie substratów reakcji przeprowadzanych przez enzymy [Niemi i in. 2005]. Roślina jest jednym z partnerów w układzie biocenotycznym i wszelkie zmiany fizjologiczne, jakim podlega ona w okresie wegetacyjnym, znajdują swe odbicie w cechach zespołu
122 A. Piotrowska, J. Koper współżyjących z nią drobnoustrojów, które są głównym źródłem enzymów w glebie [Balicka 1983]. Przebieg procesów enzymatycznych w glebie w trakcie sezonu wegetacyjnego roślin jest trudny do wyjaśnienia z uwagi na wpływ różnych czynników kształtujących właściwości środowiska glebowego, w tym zmieniającą się okresowo temperaturę i uwilgotnienie środowiska glebowego [Gliński i in. 1983; Gianfreda, Bollag 1996]. Ogromną rolę w regulacji aktywności enzymatycznej gleby mają także czynniki antropogeniczne, w tym stosowane nawożenie naturalne i mineralne, którego wpływ na enzymy glebowe był przedmiotem wcześniejszych badań [Acosta-Martinez, Tabatabai 2000; Bóhme i in. 2005; Okur i in. 2006]. Niektórzy autorzy jako ważny czynnik zmienności sezonowej aktywności enzymatycznej gleby wskazują następczy wpływ rodzaju resztek pożniwnych dostających się do gleby oraz tempo ich rozkładu [Perucci, Scarponi 1985; Gianfreda, Ruggiero 2006; Okur i in. 2008]. Jednym z enzymów biorących udział w rozkładzie resztek pochodzenia roślinnego jest /J-glukozydaza [E.C. 3.2.1.21]. Katalizuje ona reakcję rozkładu celobiozy, powstającej jako produkt pośredni rozkładu celulozy, do dwóch cząsteczek glukozy i odszczepia cząsteczki glukozy od nieredukujących końców oligosacharydów. Z uwagi na to, że produkt reakcji tego enzymu jest głównym źródłem energii dla mikroorganizmów glebowych, pełni on bardzo ważną rolę w obiegu węgla w glebie [Bandick, Dick 1999; Jimenez i in. 2007]. Przeprowadzone badania miały na celu uchwycenie zmienności sezonowej aktywności /3-glukozydazy oraz określenie następczego wpływu wieloletniego nawożenia mineralnego, naturalnego i naturalno-mineralnego na jej aktywność. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Materiał glebowy do badań pobrano z doświadczenia nawozowego zlokalizowanego na glebie płowej typowej w Stacji Badawczej w Mochełku k/bydgoszczy należącej do UTP w Bydgoszczy. Jest to doświadczenie jednoczynnikowe, którego celem jest porównanie oddziaływania na glebę 14 wariantów nawożenia naturalno-mineralnego: l)bez nawożenia - kontrola, 2) słoma + NPK, 3) NPK + Ca, 4) NPK, 5) obornik (O), 6) O + PK, 7) O + KN, 8 )0 + KN + Mg, 9) O + PN, 10) O + PN + Mg, 11) O + NPK, 12)0+NPK + Mg, 13) O + NPK + Ca, 14) O + NPK + Ca + Mg. Zmianowanie roślin oraz dawki nawozów mineralnych zastosowane w latach 2000-2003 przedstawiono w tabeli 1. Do nawożenia użyto: saletrę amonową, superfosfat prosty pylisty lub potrójny granulowany, sól potasową wysokoprocentową oraz siarczan magnezu. Obornik w dawce 30 t-ha-1 oraz słomę w dawce 5 t-ha"1, z dodatkiem azotu w dawce 35 kg*ha_1, stosowano TABELA 1. N aw ożenie mineralne stosow ane w dośw iadczeniu w latach 2 0 0 0-2 0 0 3 TABLE 1. Fertilization applied in 2 0 0 0-2 0 0 3 Rok - Year Roślina - Plant N p!ik M g C a 2000 Jęczm ień jary + K oniczyna czerw ona Spring barley + Red clover kg-ha-1 t-ha"1 50 35 100 - - 2001 K oniczyna czerw ona - Red clover 30 26 83 - j 2001 R zepak ozimy - W inter rape 75 - - 18,1 u! 2002 O w ies zwyczajny - O ats 50 17,5 41,5 - i 2003!Pszenica ozima - W inter w heat 60 22 50 - i?o!
Sezonowe zmiany aktywności fi-glukozydazy w glebie...pod wpływem nawożenia... 123 pod burak cukrowy (1999 r.). Wieloletnie (1969-2001) nawożenie mineralne bez wapnowania stosowane na niektórych obiektach spowodowało silne zakwaszenie gleby i związany z tym spadek zasobności gleby w składniki pokarmowe oraz obniżenie plonowania roślin. Dlatego też po zbiorze koniczyny czerwonej w 2001 roku na wszystkich obiektach doświadczalnych zastosowano wapnowanie wyrównawcze w dawce 1,5 t-ha'1cao. W końcu sierpnia 2001 roku wysiano rzepak ozimy, który po złym przezimowaniu zlikwidowano wiosną 2002 r. i wysiano owies zwyczajny. W 2003 roku zgodnie z zaplanowanym zmianowaniem w doświadczeniu uprawiano pszenicę ozimą. Próbki glebowe do badań pobrano z warstwy uprawnej (5-25 cm), trzykrotnie w okresie wegetacyjnym koniczyny czerwonej (kwiecień, maj, czerwiec 2001 - pobranie I-III) oraz na początku października tego roku spod rzepaku ozimego (pobranie IV po wapnowaniu wyrównującym). W 2003 r. próbki glebowe pobrano spod pszenicy ozimej ( kwiecień, maj, czerwiec - pobranie I- III) oraz na początku sierpnia po jej zbiorze (pobranie IV). Aktywności /3-glukozydazy oznaczono spektrofotometrycznie wg Eivazi i Tabatabai [1988]. Metoda ta polega na spektrofotometrycznym pomiarze wytworzonego /?-nitrofenolu (pnp) po godzinnej inkubacji próbki gleby w temperaturze 37 C z/?-nitrofenylo-/3 -D-glukozydem (w zmodyfikowanym uniwersalnym buforze - MUB o ph 6,5) jako substratem. Aktywność enzymu wyrażono w milimolach wytworzonego /?NP na 1 kg gleby po godzinnej inkubacji. Oznaczono następujące właściwości chemiczne gleby: zawartość węgla organicznego (Corg) metodą Tiurina, zawartość azotu ogółem (Nog) metodą Kjeldahla, ph potencjometrycznie w 1 mol KCl*dm3 [Lityński i in. 1976]. WYNIKI I DYSKUSJA Zastosowane w doświadczeniu po zbiorze koniczyny czerwonej wapnowanie wyrównawcze wpłynęło istotnie na zmniejszenie się kwasowości gleby. Wartości kwasowości wymiennej kształtowały się w zakresie ph w KC1 = 3,7-5,9 w glebie spod koniczyny czerwonej oraz od ph w KC1 = 4,0-6,9 w glebie spod pszenicy ozimej. Porównując średnią dla wszystkich obiektów zawartość Corg w badanej glebie stwierdzono nieznaczny wzrost jego zawartości w próbkach gleby spod pszenicy ozimej (5,46 g-kg-1) w porównaniu z ilością stwierdzoną w glebie spod koniczyny czerwonej (5,26 g*kg_1). Zawartość Nog pozostała na zbliżonym poziomie w obu latach badań (średnio 0,51 g-kg-1). Największą koncentrację Corg i Nog stwierdzono w próbkach pobranych z poletek nawożonych: O + NPK + Mg + Ca, najmniejszą zaś w materiale glebowym pochodzącym z poletek kontrolnych (Corg) oraz nawożonych: NPK i NPK + Ca (Nog). Szczegółowe wyniki zawartości Corg i Nog oraz wartości phwl mol KCldm3 w próbkach gleby z poszczególnych poletek w obu latach badań przedstawiono we wcześniejszej pracy [Piotrowska, Koper 2009]. W obu latach badań aktywność /J-glukozydazy wykazywała zmienność sezonową i najaktywniejsza była w próbkach glebowych pobranych w I terminie (kwiecień) oraz zmniejszała się w kolejnych terminach badań (tab. 2). Według Niemi i in. [2005] jednym z powodów takiego kierunku zmian aktywności badanego enzymu może być wyczerpywanie się substratów reakcji związane ze stopniowym rozkładem resztek roślinnych
124 A. Piotrowska, J. Koper TABELA 2. Sezonow a zmienność aktyw ności /?-glukozydazy (mm /?N P-kg_1-h_1) pod w pływ em następczego oddziaływ ania naw ożenia m ineralnego, naturalnego i naturalno-m ineralnego TABLE 2. S easonal changes of/3-glucosidase activity (m M ;;N P 'k g _1'h _1) as influenced by sequential mineral, natural and natural-m ineral fertilization io biekty naw ożeniow e (II czynnik) Fertilization o bjects (II factor) Terminy pobrania prób glebow ych (I czynnik) Soil sam pling dates (I factor)*** R ok 2001 - Year 2001 R ok 2:003 - Year 2003 IV V VI X IV V VI V III 1. C ontro la - C ontrol 0,31 0,23 0.27 0,18 0,26 0,26 0,34 0,25 2. S ło m a+ N P K - S traw + N P K 0,31 0,17 0,26 0.17 0,32 0,21 0,27 0,22 3. N P K -rc a 0,31 0,19 0,18 0,15 0,43 0,25 0,23 0,27 4. N PK 0,22 0,15 0,16 0.14 0,35 0,26 0,23 0,25 5 * q _ ** FY M 0,28 0.19 0,20 0.21 0,25 0,18 0,31 0,23 6. O + P K - FYM -hpk 0,26 0,22 0,23 0,18 0,34 0,24 0,27 0,22 7. O + N K - F Y M + N K 0,34 0.21 0,23 0,20 0,3 7 0,27 0,36 0,27 8. O + N K + M g -F Y M + N K + M g 0,39 0,28 0,19 0,20 0,38 0,34 0,35 0,18 9. 0 + N P - FYM-KNP 0,35 0,22 0,20 0,18 0,39 0,36 0,28 0,29 10. 0 + N P + M g - F Y M + N P + M g 0,35 0,24 0,19 0,21 0,41 0,34 0,38 0,37 11. O + N P K - FY M -fn PK 0,34 0,20 0,15 0,20 0,39 0,30 0,27 0,27 12. 0 + N P K > M g - F Y M + N P K ^M g 0,37 0,27 0,18 0,23 0,52 0,36 0,41 0,27 13. O + N P K -fc a - F Y M + N P K + C a 0,43 0,31 0,20 0,25 0,52 0,53 0,45 0,34 14. 0 + N P K > M g + C - FY M + N P K > M g+c a 0,51 0,42 0,34 0,29 0,41 0,62 0,40 0,39 Średnio - M ean 0,34 0,24 0,21 0.20 0,38 0,32 0,33 0,27 N I R 0. 0 5 - L S D..«K I czynnik - I factor, II czynnik - II factor Interakcje - Interactions I X II II X I 0,0 4 5 ; 0,0 2 2 ; 0.021 0,043 0,032 : 0,029 0,015 ; 0,056 * 0 - obornik, **FY M - farm yard m anure, *** IV - kw iecień - April, V maj - May, VI - czerw iec - June, VIII - sierpień - August, X - październik - O cto b er pozostawionych w poprzednim roku. Autorzy ci również wykazali stopniowe zmniejszanie się aktywności /3-glukozydazy w glebie badanej kilkukrotnie w okresie od czerwca do końca sierpnia. Zastosowane na wszystkich poletkach doświadczalnych wapnowanie wyrównawcze wpłynęło istotnie na zwiększenie się aktywności /3-glukozydazy w glebie spod pszenicy ozimej (w 2 lata po wapnowaniu) w porównaniu z jej aktywnością w glebie niewapnowanej spod koniczyny czerwonej (tab. 2, rys.l). Aktywność ta mieściła się w zakresie 0,14-0,51 mm pnp-kg^-hf1w próbkach gleby pobranych w 2001 roku oraz od 0,18 do 0,62 mm pnp-kg_1-h_1 w materiale glebowym analizowanym w 2003 roku. Znaczny wzrost wartości ph gleby po zastosowaniu wapnowania oddziaływał na wzrost aktywności mikrobiologicznej gleby, skutkiem czego było zwiększenie się aktywności badanego enzymu. Potwierdzeniem tego były dodatnie współczynniki korelacji pomiędzy aktywnością/3-glukozydazy a wartościami ph w KC1 uzyskane w badaniach własnych (tab. 3). Istotny wpływ wartości ph na aktywność /3-glukozydazy, zwłaszcza w przypadku gleb kwaśnych, uzyskano także w badaniach innych autorów [Acosta-Martinez, Tabatabai 2000; Enkeler, Tabatabai 2003]. Dodatni wpływ obornika (porównanie wariantów nawożeniowych NPK i O) na aktywność /3-glukozydazy stwierdzono jedynie w próbkach
Sezonowe zmiany aktywności fi-glukozydazy w glebie...pod wpływem nawożenia... 125 Obiekty nawozowe *Fertilisation obj ects RYSUNEK 1. A ktywności /?-glukozydazy [mm /?N P'kg-1-h_1] pod wpływem następczego oddziaływ ania naw ożenia m ineralnego, naturalnego i naturalno-m ineralnego w obu latach badań (2001 i 2003) (średnio dla w szystkich term inów pobrania próbek glebowych) FIG U R E 1. /?-glucosidase activity [m M ^N P-kg_1-h_l] as influenced by sequential m ineral, natural and natural-m ineral fertilization in both years o f investigation (2001 and 2003) (m ean for all o f soil sam pling dates) TABELA 3.W spółczynniki korelacji prostej pom iędzy aktyw nością /?-glukozydazy a param etram i chem icznymi gleby TABLE 3. C orrelation coefficients betw een /3-glucosidase activity and chem ical prop erties studied Terminy pobierania p ró b e k gleby Soil sampling dates 2001 K w iecień - April M aj - M ay C zerw iec - June Październik - O ctober 2003 K w iecień - April M aj M ay C zerw iec - June Sierpień - August G L U /C org G L U /N og G L U /N tot 0,86*** 0,71** 0,88*** 0,63** 0,78** 0,54* G L U /ph w - in KC1 0,38* 0,42* 0,8 3 * * * 0,67** 0,52* 0,59* 0,7 4 * * i 0,74** 0,39* 0,8 4 * * * GLU - aktyw ność /?-glukozydazy - /3-glucosidase activity, C o rg - zaw artość węgla organicznego - organic carbon content, N og - zaw artość azotu ogółem, N to t - total nitrogen content, *** istotne przy p = 0,001 - significant at p = 0.0 0 1, ** istotne przy p = 0,01 - significant at p = 0.0 1, * istotne przy p = 0,05 - significant at p = 0.05
126 A. Piotrowska, J. Koper pobranych spod koniczyny czerwonej, nie wykazano natomiast jednoznacznego oddziaływania poszczególnych składników nawożenia mineralnego (N, P, K i Mg) na zmiany tej aktywności w obu latach badań. Wyraźny dodatni wpływ nawożenia obornikiem na aktywność /?-glukozydazy w porównaniu z kontrolą oraz glebą nawożoną tylko nawozami mineralnymi wykazali Bóhme i in. [2005]. Zastosowanie nawożenia obornikiem powoduje zwiększenie aktywności /3-glukozydazy przez wzrost liczebności mikroorganizmów będących głównym źródłem tego enzymu w glebie [Marcote i in. 2001; Bóhme, Bóhme 2006]. Najwyższą aktywność badanego enzymu w glebie spod obu roślin uzyskano na obiektach z pełnym nawożeniem naturalno-mineralnym (obiekt 14) (tab. 2, rys. 1). Z uzyskanych wartości korelacji prostej pomiędzy aktywnością/3-glukozydazy a zawartością Corg i Nog (tab. 3) wynika, że istotną zależność tych parametrów stwierdzono dla próbek glebowych pobranych we wszystkich terminach spod pszenicy ozimej i tylko w drugim terminie badań dla gleby spod koniczyny czerwonej. Uzyskane współczynniki korelacji są zgodne z wynikami uzyskanymi przez innych autorów (De la Horra i in. 2003; Bóhme i in. 2005) i potwierdzają znaczenie /?-glukozydazy w obiegu węgla oraz jej udział w transformacji glebowej substancji organicznej [Caravaca i in. 2002; Kizilkaya, Bayrakli 2005]. WNIOSKI 1. Aktywność /3-glukozydazy glebowej cechowała się zmiennością sezonową, przy czym najwyższa jej aktywność w obu latach badań stwierdzona została w próbkach glebowych pobranych w I terminie (kwiecień) i zmniejszała się w kolejnych terminach badań. 2. Wapnowanie wyrównawcze zastosowane na wszystkich obiektach doświadczalnych wpłynęło istotnie na zwiększenie się aktywności /J-glukozydazy w glebie pod pszenicą ozimą 2 lata po wapnowaniu w porównaniu z jej aktywnością oznaczoną w glebie niewapnowanej spod koniczyny czerwonej. 3. Stwierdzono dodatni wpływ obornika na aktywność /J-glukozydazy w glebie pod koniczyną czerwoną, nie wykazano natomiast jednoznacznego oddziaływania poszczególnych składników nawożenia mineralnego (N, P, K i Mg) na zmiany aktywności tego enzymu w obu latach badań. LITERATURA ACOSTA-MARTINEZ A., TABATABAI M A. 2000: Enzyme activities of a lime agricultural soil. Biol. Fertil. Soils 31: 85-91. BALICKA N. 1983: Niektóre aspekty wzajemnego oddziaływania roślin i drobnoustrojów. Post. Mikrobiol. 22, l: 87-94. BANDICK A.K., DICK R.P. 1999: Field management effects on soil enzyme activities. Soil Biol. Biochem. 31: 1471-1479. BÓHME L., LANGER U., BÓHME F. 2005: Microbial biomass, enzyme activities and microbial community structure in two European long-term field experiments. Agric. Ecosyst. Environ. 109: 141-152. BÓHME L., BÓHME F. 2006: Soil microbiological and biochemical properties affected by plant growth and different long-term fertilisation. Eur. J. Soil Biol. 42: 1-12. CARAVACA F., MASCIANDARO G., CECCANTI B. 2002: Land use in relation to soil chemical and biochemical properties in a semiarid Mediterranean environment. Soil Till. Res. 68: 23-30. DE LA HORRA A.M., CONTI M.E., PALMA R.M. 2003: /?-glucosidase and proteases activities as affected by long-term management practices in a typic argiudoll soil. Comm. Soil Sci. Plant Anal. 34: 2395-2404. EIVAZI F., TABATABAI M.A. 1988: Glucosidases and galactosidases in soils. Soil Biol. Biochem. 20: 601-606.
Sezonowe zmiany aktywności fi-glukozydazy w glebie...pod wpływem nawożenia... 127 ENKELER M., TABATABAI M.A. 2003: Effects of liming and tillage systems on microbial biomass and glycosidases in soils. Biol. Fertil. Soils 39: 51-61. GIANFREDA L., BOLLAG J.M. 1996: Influence of natural and anthropogenic factors on enzyme activity in soil. W: Soil Biochemistry. Stotzky G., Bollag J.M. (red.). Marcel Dekker, New York: 9: 123-193. GIANFREDA L., RUGGIERO P. 2006: Enzyme activities in soil. W: Nucleic acids and proteins in soil. Nannipieri P., Smalla K. (red.). Springer-Verlag, Berlin: 257-310. GLIŃSKI J., STĘPNIEWSKA Z., KASIAK A. 1983: Zmiany aktywności enzymatycznej gleb w warunkach zróżnicowanej zawartości tlenu i wilgotności. Rocz. Glebozn. 43, 1/2: 53-59. JIMENEZ P., ORTIZ O., TARRASÓN D., GINOVART M., BONMATI M. 2007: Effect of differently posttreated dewatered sewage sludge on /J-glucosidase activity, microbial biomass carbon, basal respiration and carbohydrates contents of soils from limestone quarries. Biol. Fertil. Soils 44: 393-398. KIZILKAYA R., BAYRAKLI B. 2005: Effect of N-enriched sewage sludge on soil enzyme activities. Appl. Soil Ecol. 30: 192-202. LITYŃSKI T., JURKOWSKA H., GORLACH E. 1976: Analiza chemiczno-rolnicza. PWN, Warszawa: 149 ss. MARCOTE I., HERNANDEZ T., GARCIA. C., POLO A. 2001: Influence of one or two successive annual applications of organic fertilizers on the enzyme activity of soil under barley cultivation. Bioresour. Technol. 79: 147-154. NIEMI R.M., VEPSALAINEN M., WALLENIUS K., SIMPANEN S., ALAKUKKU L., PIETOLA L. 2005: Temporal and soil depth-related variation in soil enzyme activities and in root growth of red clover (Trifolium pratense) and timothy {Phleum pratense) in the Field. Soil Biol. Biochem. 30: 113-125. OKUR N., GÓęMEZ S., TUZEL Y. 2006: Effect of organic manure application and solarization on soil microbial biomass and enzyme activities under greenhouse condition. Biol. Agric. Hortic. 23: 305-320. OKUR N, KAYIKęiOGLU H.H., OKUR B., DELIBACK S. 2008: Organic amendment based on tobacco waste compost and farmyard manure: influence on soil biological properties and butter-head lettuce yield. Turk. J. Agric. For. 32: 91-99. PERUCCI P., SCARPONI L. 1985: Effect of different treatment with crop residues on soil phosphatase activity. Biol. Fertil. Soils 1: 111-115. PIOTROWSKA A., KOPER J. 2009: Następczy wpływ nawożenia mineralnego, organicznego i organicznomineralnego na aktywność ureazy glebowej spod uprawy koniczyny czerwonej i pszenicy ozimej. Rocz. Glebozn. 60, 1: 92-96. Dr inż. Anna Piotrowska Katedra Biochemii, Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Bernardyńska 6/8, 85-029 Bydgoszcz e-mail: apiotr@utp. edu.pl