Čistírenské kaly jako zdroj přístupného fosforu pro jarní ječmen

Bc. Zuzana Jablonická

Master's thesis

Sewage sludge as a source of bioavailable phosphorus for summer barley

Abstract:

Hlavním objektem zkoumání této diplomové práce jsou čístírenské kaly a jejích přínos fosforu do půdy, jako alternativní hnojivo pro ječmen jarní. Cílem práce je analyzovat vliv dlouhodobé aplikace čistírenského kalu na obsah okamžitě a potenciálně přístupných forem fosforu v půdě. Následně jsou sledovány vztahy mezi biologicky dostupným fosforem v půdě a výnosem jarního ječmene.Fosfor patřící mezi základní biogenní prvky je ze všech nejméně hojný. Hlavní zásobník představují horniny a oceánské sedimenty v zemské kůře, kde je obsaženo asi 1015 kg fosforu. Z tohoto množství je přibližně jenom 0,1% (1012 kg) zapojeno do globálního cyklu fosforu na Zemi. Agronomicky nejvýznamnějším přirozeným zdrojem fosforu v půdě je minerál apatit, který se vyskytuje ve všech magmatických horninách rozptýlený v různých formách (fluor-, chlor-, hydroxylapatit). Dále známe a využívané minerály jsou pyromorfit, wavellit a vivianit. Intenzivní těžba přírodních surových fosfátů k produkci minerálních hnojiv vede nevyhnutelně k postupnému vyčerpání jejich světových nalezišť.Další významná část celkového P představuje fosfor organicky vázaný, protože se vyskytuje ve všech živých organizmech. Ve většině půd připadá na fosfor vázaný organicky kolem 30 - 50 % celkového fosforu v půdě, avšak může to být i méně než 5 % a více než 90 %. Zdrojem organických sloučenin fosforu v půdě jsou zejména odumřelé buňky a zbytky mikroorganismů, rostlin i půdních živočichů, dále kořenové exsudáty a další látky uvolňované organismy do půdy. Fosfor je složkou důležitých organických molekul jako DNA a RNA, energetických přenašečů (ADP, ATP) a také je součástí buněčné membrány ve fosfolipidech, z čeho je patrné, že je nenahraditelným elementem veškerého života na Zemi. Vzduch a voda v přirozeném stavu obsahují velice málo fosforu. Ve srovnání s jinými živinami dusíkem nebo draslíkem je fosforu v půdě také jen velmi malé množství, a to většinou ve formách nedostupných pro rostliny a organismy. Proto se fosfor často stává limitujícím prvkem při výživě a růstu rostlin.Rostlinami je fosfor přijímán, stejně jako ostatní minerální látky, z vody, a to ve forměaniontu H2PO4- a jeho příjem je energeticky velmi náročný. Opatřit rostlinám dostatečnouvyživufosforemznamenazajistithnojařskymopatřenimvysokouhladinufosforuvpůdě právě ́́́́ve formě rostlinám přistupné. Fosfor vnesený do půdy ve formě minerálních hnojiv značnou ́měrou (v některých případech až z 90 %) podléhá fixaci, resp. přeměně na obtížně rozpustné a rostlinám málo dostupné (až prakticky nedostupné) formy fosfátů. To je způsobené imobilizací, tj. přechod do thermodynamicky stabilnějších forem v důsledku krystalizačních, dehydratačních a aglomeračních procesů v půdě. Při porovnání koeficientů využití jednotlivých makrobiogenních prvků (dusík 40 – 90 %, draslík 45 – 70 %) dosahuje fosfor se svými 10 – 25 % jen zlomku využitelnosti ostatních živin. Cílevědomá regulace přeměn fosforu v půdě má přímý vliv na zefektivnění fosforečného hnojení. Fosforečné ionty přicházející hnojením do půdy se fixují především účinkem půdních kationtů, takže dochází ke změnám tzv. frakčního složení půdního fosforu. Jde o změny vzájemného poměru Al-fosfátů, Ca-fosfátů, Fe-fosfátů – v závislosti na půdních faktorech a taktéž na typu i dávce hnojiva. Transformační procesy jsou kromě toho výsledkem působení půdní reakce, typu a podílu jílových minerálů, množství a kvality půdní organické hmoty, stavu nasycení půdního sorpčního komplexu dvojmocnými kationty, přítomnosti uhličitanů a dalšíc

Abstract:

h faktorů. Na zvýšení účinnosti byl prokázán v řadě prací velice příznivý účinek vápnění kyselé půdy. Úpravou půdní reakce je možné dosáhnout příznivého ovlivnění způsobu vazby fosforu v půdě. V kyselé oblasti je aktivita iontů železa a hliníku vysoká a také i jejich adsorpce na jílech intenzivní, co způsobuje fixaci a omezení příjmu fosforu pro rostliny. Naopak v oblasti neutrální půdní reakce se nachází maximum rozpustnosti Ca – fosfátů, ze kterých se za vhodných podmínek může fosfor uvolnit, a tým se stát přístupný pro rostliny.V cyklu fosforu mají významnou úlohu půdní mikroorganismy. Podstatně se podílejí na solubilizaci (rozpouštění) anorganických sloučenin P a na mineralizaci (rozkladu) organických sloučenin. Vzhledem k poměrně rychlým životním cyklům půdních mikroorganismů, kterých může být až několik desítek za rok, se po odumření mikrobiálních buněk relativně mnoho fosforu průběžně uvolňuje a tento fosfor může být přijat rostlinami. Doplňování zásoby rozpuštěného P probíhá v zásadě ze dvou hlavních zásobníků: z organicky vázaného P a z minerálních sloučenin P. Tyto přesuny zahrnují jak biologické procesy, tak fyzikálně-chemické děje, avšak podíl mikroorganismů často převažuje. Rozpouštění anorganických sloučenin fosforu a uvolňování P do půdního roztoku ovlivňují kromě půdních mikroorganismů i kořeny rostlin. Základní enzymy zajišťující rozklad organických fosforečných látek jsou fytasy a fosfatasy. Některé fosfatasy jsou extracelulární - jsou uvolňovány kořeny rostlin a mikroorganismy do půdního prostředí, kde potom probíhá jimi zprostředkovaná mineralizace organických sloučenin.Aplikace kalů z čistíren odpadních vod na zemědělské půdě je tradiční technologií, jakzlepšovat kvalitu půdy. V naší zemi se tak dělo již od počátku minulého století, a také v současné době postupně roste zájem zemědělců o hygienizované kaly, které lze ukládat nazemědělskou půdu. Kal je podle základní definice suspenze nerozpuštěných látek ve vodě.Jedná se o bohaty zdroj organicke hmoty, zakladnich živin i stopovych prvků. Obsah ́́́́́př istupnych ž ivin je vyznamny, ale znač ně variabilni mezi jednotlivymi Č OV. Aplikace kalu ́́́́́́do půdy vede ke zlepš ení pů dní úrodnosti, čím je možné č ásteč ná náhrada za stále znižujíci seprodukci statkovych hnojiv. Dále se jejich použití na pů du vyznačuje zlepš enim fyzikalnich, ́ ́́́chemických a biologických vlastností půd. Zvyšují vododržnost půd, retenční kapacitu, agregaci pů dních částic a také zvýš ení aerace, a znížení eroze. Organických látky obsažené v č istírenských kalech podléhají rychleji rozkladu po jejich aplikaci do pů dey v porovnání s hnojem, čím jsou živiny v nich obsáhlé př istupně jš i pro rostliny.́́Celkový výživný potenciál půdy, pokud jde o fosfor, je dán obsahem tzv. přijatelných(labilních) forem P. Pro bezprostřední příjem této živiny rostlinami je však rozhodující momentální koncentrace fosforečnanových iontů v půdním roztoku. V převážné většině případů je koncentrace P v půdním roztoku velmi nízká, zpravidla se pohybuje v rozmezí od 0,02 do 0,2 mg P na litr. Rostlina je tudíž odkázána na neustálé doplňování půdního roztoku v aktivní kořenové zóně fosfátovými ionty. Jestliže je fosfor z roztoku odčerpán rostlinami, musí být doplněn z tuhé fáze labilním P. Obsah fosforu v půdním roztoku je potřeba doplňovat co nejrychleji, aby jeho nedostatek neomezoval výživu rostlin.V této práci zkoumaný jarní ječmen reaguje v porovnání s jinými obilovinami nejcitlivěji na hnojení, což souvisí se mělce rozloženým kořenovým systémem, který si vyžaduje dostatek pohotových živin v půdě. Takto málo aktívní kořenový systém je důvodem, že ječmen velmi závisí i na klimatických podmínkách okolí. Zásadou pro úspěšné pěstování ječmene je vyváženost veškerých vstupů a jejich přísun v optimálním množství. Kratší vegetační období (110 – 125 dní) je doba za kdy musí přijmout poměrně velké množství živin, aby dosáhl požadované kvality a výnosu. Fosfor zkracuje dobu zrání, ovlivňuje zdravotní stav rostlin, zvyšuje odolnost proti poléhání, zlepšuje sladovnickou kvalitu zrna, působí příznivě na obsah škrobu a extraktu, zvyšuje podíl předního zrna a ovlivňuje klíčivost obilek. Ječmen si vyžaduje zvýšenou potřebu fosforu již v raných fázích růstu a na začátku odnožování, kdy fosfor zabezpečuje intenzivnější dýchání. Při nedostatku fosforu v období počátečního růstu se vytváří nevhodný poměr mezi N a P v nadzemní části rostliny a přijatý N nemůže rostlinahospodárně využít. Největší nárok na živiny má však ve fázi sloupkovaní - období velké periody růstu, kdy ječmen přijímá až 46 % fosforu. Protože ječmen poměrně slabě resorbuje kyselinu fosforečnou, je potřebné, aby byla ve své nejpřístupnější formě.Hlavním cílem zkoumání této diplomové práce jsou čístírenské kaly a jejích přínos fosforu do půdy. Cílem práce je analyzovat vliv dlouhodobé aplikace čistírenského kalu na obsah okamžitě a potenciálně přístupných forem fosforu v půdě. Následně jsou sledovány vztahy mezi biologicky dostupným fosforem v půdě a výnosem jarního ječmene.Přístupná forma fosforu pro rostliny je v práci analyzována dvěma extrakčními metodami - vodným výluhem a metodou Mehlich 3, které byli navzájem porovnané pomocí korelační a regresní analýzy. Maloparcelkový přesný polní pokus byl založen na pokusných stanicích ČZU a VÚRV v.v.i. Ruzyně v roce 1996. Jako hlavní hodnocení jsou sledovány časové řady, tj. vývoj obsahů přístupného fosforu od založení pokusu po rok 2017. Na parcelách (1 varianta – 60 m2) byly pěstovány v tříhonném osevním sledu tyto plodiny: brambory, ozimá pšenice a jarní ječmen. V pokuse byli porovnávané tři varianty hnojení, s nehnojenou kontrolní variantou. Jako zdroje přístupního fosforu byly testovány čistírenské kaly, hnůj a minerální hnojivo NPK. Po každé sklizni pokusů jsou vždy zaznamenány hektarové výnosy pěstovaných plodin.Čistírenské kaly byly v práci vyhodnocené jako nejlepší zdroj přístupného fosforu v půdě. Tyto výsledky byly potvrzeny na všech zkoumaných lokalitách, za pomoci obou extrakčních metod, jejichž výsledky těsně vzájemně korelovaly. Lokalita Hněvčeves vykazovala po aplikaci kalu největší obsahy přístupného fosforu v půdě, jako i nejvyšší průměrné výnosy ječmene jarního v porovnání s ostatními sledovanými lokalitami. Avšak po aplikaci minerálního hnojiva NPK bylo dosaženo celkově největšího výnosu od nehnojené kontroly. Nižších průměrných výnosů ve srovnání s kaly bylo dosaženo po aplikaci hnoje, čímž bylo dokázáno, že čistírenské kaly jsou za tohoto hlediska lepším hnojivem.

Abstract:

Phosphorus (P) is one of the most important nutrient element limiting agricultural production in the most regions of the world. It is extremely chemically reactive, and in all its natural forms, including organic forms, P is very stable or insoluble. Only a very small proportion exists in the soil solution, from where phosphorous is available for plants as a nutrition.The main aim of this thesis was to evaluate the influence of long-term application of sewage sludge into the soil as a fertilizer for spring barley, focused on the changes of bioavailable phosphorus in soil after sewage sludge application in comparison to farmyard manure, mineral NPK application and control non-fertilized treatment. Relations between bioavailable phosphorous in soil and the yield of spring barley were determined.The experiment was established at Hněvčeves, Humpolec and Suchdol sites with different soil - climatic conditions. Three different crops were grown in rotation - potatoes, wheat and barley on small plots (60 m2). Archive soil samples from the beginning of the experiment (1996) and from the end of each year’s crop rotation (1999, 2002, 2005, 2008, 2011, 2014, 2017) were analyzed. Two different extraction methods were used (the water extraction and method Mehlich 3), to investigate the effect of sewage sludge application on soil.Even though the results of these methods were calculated in significantly different amounts of bioavailable P, strong correlations between were observed. Sewage sludge appeared to be the best source of bioavailable soil phosphorus compared to the farmyard manure and NPK on all experimental locations. Application of sewage sludge have shown positive effect on the yield of barley and the average yield was higher by 15 – 45 % than control, depending on the location. In treatments with mineral fertilizers NPK the increment of spring barley grain yield was the highest from all experimented fertilizers. No significant differences were recorded between sewage sludge and farmyard manure treatment, however the yield of barley after sewage sludge application was in average a bit higher.

Keywords

čistírenské kaly, fosfor, půda, hnojení, ječmen jarní

Keywords

sewage sludge, phosphorous, soil, fertilizer, spring barley

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2018

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Martin Kulhánek, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Waste Technology / Technology, Processing and Utilization of Waste