Vliv půdních aditiv na regulaci příjmu rizikových prvků a živin rostlinami

Ing. Stanislava Vondráčková

Doctoral thesis

The Influence of Soil Amendments on the Uptake of Toxic Elements and Nutrients by Plants

Abstract:

Pěstování rostlin na půdách silně kontaminovaných rizikovými prvky je problematické, neboť vysoké koncentrace rizikových prvků v půdách mohou být pro řadu tolerantních rostlin fytotoxické, případně způsobit i jejich úhyn. Vápnění nebo aplikace fosforečných aditiv omezují mobilitu řady rizikových prvků v půdách a mohou tak být vhodným opatřením pro kontaminované půdy. Zvolená půdní aditiva nemají vliv jen na mobilitu rizikových prvků, ale také na mobilitu živin v půdě. Nevhodně zvolené půdní aditivum nebo jeho nevhodná aplikační dávka může omezit příjem živin, vyvolat jejich deficienci a znemožnit tak pěstování rostlin na kontaminovaných půdách. Na stabilizovaných půdách je proto potřebné testovat i reakce tolerantních rostlin (bylin i dřevin) a pro půdy silně kontaminované rizikovými prvky hledat nejvhodnější kombinaci půdního aditiva a tolerantní rostliny. Experimentální část doktorské práce byla rozdělena na inkubační experimenty a nádobové pokusy. V modelových inkubačních experimentech byla během 42 dnů posuzována účinnost vápenatých hmot a fosforečných aditiv pro stabilizaci toxických prvků (As, Cd, Pb, Zn) a mikroprvků (Fe, Mn). Zvolená aditiva byla aplikována do slabě kyselé a alkalické silně kontaminované půdy ve třech dávkách. V nádobových pokusech byly posuzovány reakce tolerantních rostlin (šťovík tupolistý, vrba Smithova), pěstovaných v silně kontaminovaných půdách stabilizovaných vápněním nebo aplikací fosforečných aditiv. V rámci pokusů byl hodnocen růst a mortalita rostlin, produkce biomasy rostlin, labilní koncentrace široké škály prvků v půdě a dále jejich celkové obsahy v rostlinné biomase. Ve slabě kyselé půdě byly potenciálně mobilizovatelné koncentrace Cd, Pb, Zn a Mn během 42 dnů inkubace více imobilizovány aplikací rychle rozpustných aditiv (vápno, superfosfát) než pomalu rozpustných aditiv (dolomit, mletý fosfát). Stabilizace půdy vápnem v kombinaci s listovou aplikací železa se projevilo jako nejvhodnější opatření pro zvýšení produkce biomasy vrb a snížení toxických prvků, zejména Cd a Zn, ve slabě kyselé půdě. Počáteční fáze růstu šťovíků negativně ovlivňovala vysoká dostupnost Ca, Cd, Pb a Zn v půdách. Šťovík tupolistý s nízkou akumulací (exkludační) se ve vyvápněných půdách a v alkalické půdě ošetřené superfosfátem choval jako rostlina s běžnou až s vysokou akumulací (indikační až akumulační) rizikových prvků. V alkalické půdě se šťovík tupolistý navíc choval i jako hyperakumulační rostlina Al. Určování rostlin vhodných pro fytoremediace by proto mělo být prováděno obezřetně s ohledem na vlastnosti rostlin a chemické vlastnosti půd.

Abstract:

Plant cultivation in soils heavily contaminated by risk elements is a challenging issue due to phytotoxic effects that restrict plant growth. Liming and phosphate additives application reduce the mobility of some risk elements in contaminated soils and can be a suitable measure for contaminated soils but can also affect availability of nutrients for plants. Therefore, it is necessary to test response of tolerant plants (trees and herbs) on soils heavily contaminated by risk elements and look for the most suitable combination of soil additives and tolerant plants. Experimental part of PhD thesis was divided into the incubation experiments and the vegetation pot experiments. The incubation experiments: The efficiency of liming and phosphate additives at three application rates was tested for micro- and toxic elements immobilisation in weakly acid and alkaline soils heavily contaminated by As, Cd, Pb, and Zn within period of 42 days. The vegetation pot experiments: The two tolerant plants Salix × smithiana Willd. (three-year experiment) and Rumex obtusifolius L. (one-year experiment) were planted in the same contaminated soils as in the incubation experiments. Both soils were untreated and treated with two doses of lime and dolomite (S. smithiana) or treated with lime and superphosphate (R. obtusifolius). For both plants, we evaluated the initial plant growth, plant mortality, biomass production or content of macro-, micro- and toxic elements in the biomass. We evaluated also the content of organic acids in the biomass of R. obtusifolius. Higher immobilisation effects on acid-extractable Cd, Zn, Pb, and Mn was observed for fast soluble additives (lime, superphosphate) compare to slow soluble additives (dolomite, rock phosphate) only in weakly acid soil. Lime application irrespective of dose with foliar Fe application and planting willows in the second year after the application of lime seemed to be the most suitable measure for increasing biomass production and decreasing toxic elements, especially Cd and Zn, without decreasing the macro- and micronutrients in the aboveground organs of willows in weakly acid soil. Seedlings of R. obtusifolius are sensitive to high availability of Ca, Cd, Pb, and Zn in soil. Biomass production was negatively related to the mobility of micro- and toxic elements. Elevated transport of micro- and toxic elements from belowground organs into leaves was recorded in both lime-treated soils and in superphosphate-treated alkaline soil as a result of sufficient amount of Ca available from soil solution as well as from superphosphate that can probably modify distribution of micro- and toxic elements in R. obtusifolius as a representative of oxalate plants. Rumex obtusifolius is an As-, Cd-, Pb-, and Zn-excluder and is sensitive to high availability of micro- and toxic elements in the soil. Soil chemical properties affect the distribution of essential elements within the plant greatly. In alkaline soil, R. obtusifolius is an Al-hyperaccumulator with the highest concentrations of oxalate in leaves, of malate in stems, and of citrate in belowground organs. These organic acids form strong complexes with Al that can play a key role in internal Al tolerance.

Keywords

kontaminovaná půda, prvky, půdní aditiva, rostliny

Keywords

contaminated soil, elements, plants, soil additives

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 11. 2015

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources