Frakcionace síry a uhlíku v půdě při různé intenzitě hnojení organickými a minerálními hnojivy

Ing. Pavel Suran

Disertační práce

Soil sulfur and carbon fractionation under different organic and mineral fertilizer intensity

Anotace:

Pro výživu rostlin sírou je klíčový obsah minerálního síranového aniontu v půdě. Organicky vázaná síra v půdě je mineralizována a doplňuje zásoby minerální síry. Je pozorován dlouhodobý trend ve snižování obsahů minerálního, ale také organicky vázaného podílu síry v půdě. Obsah organicky vázané síry souvisí s obsahem a kvalitou půdní organické hmoty (POH). Vývoj indikátorů kvality půdní organické hmoty se v poslední době zaměřil na obsah glomalinu (GRSP) v půdě. Jedná se o glykoprotein, který působí jako hydrofobní biofilm spojující půdní agregáty a organickou hmotu. Další možný přístup ke stanovení kvality POH je využití infračervené spektroskopie ke stanovení indexu smáčivosti (PWI) a indexu aromaticity (iAR). Původně byly tyto indexy využívány k měření stability půdních agregátů. Jejich hodnoty ovšem vycházejí z přirozených vlastností molekul půdní organické hmoty, jako hydrofobnost, nebo alifaticita. Cílem práce bylo (i) pomocí frakcionace síry určit minerálně a organicky vázaný podíl síry a následně z minerálního podílu určit rostlinám skutečně přístupný podíl síry a dále vyhodnotit bilanci síry v dlouhodobých přesných polních pokusech s různými systémy organického a minerálního hnojení. (ii) prověřit vhodnost nových metod (rychlejších a šetrnějších k životnímu prostředí) ke stanovení různých forem půdní organické hmoty (obsah glomalinu - GRSP, index smáčivosti -PWI a index aromaticity - iAR) jako indikátorů kvality POH. (iii) Kvantifikovat vztah mezi jednotlivými frakcemi síry v půdě a vybranými kvalitativními indikátory půdní organické hmoty. Pro určení obsahů jednotlivých frakcí síry v půdě byl vybrán dlouhodobý stacionární pokus s monokulturou kukuřice na luvisolu v Červeném Újezdě. Zvolenými variantami byly nehnojená kontrola, DAM (dusičnan amonný s močovinou), DAM + kieserit, síran amonný, DAM + sláma, čistírenský kal, kejda, hnůj. K určení minerálních frakcí síry byla provedena sekvenční extrakce vzorku v demineralizované vodě (SH2O) následovaná extrakcí v NaH2PO4 (SADS). Jejich součet je minerální/rostlinám přístupná síra (SAV). Celková síra (ST) byla stanovena po digesci v lučavce královské. Organická síra (SORG) je rozdíl ST a SAV. Byla provedena také extrakce síry z půdy v roztoku Mehlich 3 za účelem prověření vhodnosti této metody k určení rostlinám přístupné síry. Posouzení vhodnosti indikátorů kvality POH bylo provedeno na výše zmíněném pokusu. Dále byly využity dlouhodobé pokusy na 5 stanovištích s rotací plodin na luvisolu (ÚKZÚZ). Sledované varianty byly nehnojená kontrola, hnůj a hnůj v kombinaci se stupňovanou dávkou NPK. Pro řešení uvedených cílů byly také analyzovány půdy dlouhodobých pokusů na černozemi s monokulturou kukuřice na stanovišti Suchdol s nehnojenou kontrolou a stupňovanou dávkou DAM a čistírenských kalů. Vybrané indikátory (GRSP, iAR a PWI) byly srovnány s běžně rozšířenými metodami stanovení kvality POH – obsah huminových látek, rozpuštěný organický uhlík, uhlík extrahovatelný horkou vodou. Bylo stanoveno snížení obsahů SAV a ST v půdě. Snížení obsahu SORG bylo pozorováno na minerálně hnojených variantách a některých organicky hnojených variantách (kejda a DAM + sláma). Stanovení obsahu síry v půdě metodou Mehlich 3 se dá doporučit k určení rostlinám přístupné síry, pokud je cílem současně stanovit také další živiny. Jestliže se jedná pouze o stanovení rostlinám přístupného podílu síry, tak se stále jako lepší jeví metoda určení minerálních frakcí síry (SAV). Bilance síry, vycházející ze vstupů a výstupů síry, byla na všech hnojených variantách záporná. Největší ztráty síry byly pozorovány na minerálně

Anotace:

hnojených variantách. Ztráty síry byly pozorovány také na organicky hnojených variantách. Využití iAR, PWI a extrakce GRSP jako indikátorů změn kvality půdní organické hmoty je možné. Hodnoty těchto indikátorů dobře reagují na změny v kvalitě POH dané použitím organických hnojiv. Hodnoty indikátorů se významně zvýšily v pokusech s rotací plodin na luvisolu v porovnání s monokulturou kukuřice na luvisolu. Hodnoty těchto indikátorů jsou v dobré korelaci s hodnotami „tradičních“ indikátorů kvality POH. Tyto vztahy jsou specifické díky rozdílným půdním typům (luvisol/černozem) a způsobu pěstování rostlin (monokultura kukuřice/rotace plodin). Je nutné zdůraznit, že tato problematika vyžaduje další studium na široké škále půdních typů. Dále byl stanoven vztah mezi SORG a obsahem huminových kyselin a GRSP. Byl kalkulován obsah síry v GRSP. Bylo zjištěno, že obsah síry v GRSP je významně ovlivněn typem hnojiva (organické/minerální). Klíčová slova: minerální síra, organická síra, glomalin, infračervená spektroskopie,

Abstract:

Content of sulfate anion in the soil is the most important component for proper plant nutrition by sulfur. Organically bound sulfur is mineralized and refills mineral sulfur pool in the soil. A trend in the decrease of mineral and organic sulfur fractions content was observed. Content of organically bound sulfur is related to the quality and quantity of soil organic matter (SOM). A development of new methods for determining the quality of SOM is focused on glomalin (GRSP) content estimation. It is also possible to use infrared spectroscopy to determine the potential wettability index (PWI) and aromaticity index (iAR) for estimating the SOM quality. Originally, these indices were used to study soil aggregate stability. Values of these indices come from the natural characteristics of organic molecules in the soil, like their hydrophobicity or aromaticity. Aim of this work was: (i) to determine the content of different sulfur fractions and determine the content of mineral and organic bound sulfur. Mineral content of sulfur would then be used to determine a fraction of soil sulfur that is truly available to plants. Additionally, a balance of sulfur in long-term, accurate stationary trials would be determined in different fertilizer systems. (ii) to determine suitability of new methods (faster, more environmentally friendly) to assess different forms of SOM (GRSP, PWI, iAR) as indicators of SOM quality. (iii) to quantify the relationship between individual soil sulfur fraactions and selected indicators of soil organic matter quality. Long-term stationary experiment on luvisol with maize monoculture in Červený Újezd was used to determine soil sulfur fractions. Selected treatments were unfertilized control, urea with amonnium nitrate (UAN), UAN + kieserite, ammonium sulfate, UAN + straw, sewage sludge, slurry, and farmyard manure. Sequential extraction of soil sample with demineralized water followed by NaH2PO4 was used to determine water soluble (SH2O) and adsorbed (SADS) sulfur fractions, respectively. Their sum is plant available/mineral sulfur (SAV). Total sulfur content (ST) was determined after digestion in aqua regia. Organic sulfur content (SORG) was determined as a difference between ST and SAV. Extraction of soil sample with Mehlich 3 solution was performed to assess the suitability of this solution in plant-available sulfur determination. Evaluation of the suitability of new SOM quality indicators was performed on the aforementioned experimental site. This evaluation was also performed on long-term field experiments on luvisol with crop rotation (ÚKZÚZ) (5 sites). Monitored treatments were unfertilized control. Farmyard manure, and farmyard manure with escalating NPK dose. To further evaluate the SOM quality indicators a long-term stationary experiment on chernozem with maize monoculture on Suchdol site was selected. Monitored treatments were unfertilized control, escalating doses of UAN and escalating doses of sewage sludge. Selected indicators of SOM quality (GRSP, PWI, iAR) were compared to the commonly used ones, namely humic substances content, dissolved organic carbon content, and hot water extractable content. A decrease of SAV and ST was determined. A decrease of SORG content was observed on treatments with mineral fertilizer and some treatments with organic fertilizer (UAN + straw and slurry). Determination of sulfur using the Mehlich 3 solution can be recommended to extract plant-available sulfur if the extraction of other nutrients is also a target. In case it is not, a method to determine SAV is still more suitable. A negative sulfur balance was determined on all treatments. The highest loss of sulfur from the soil was observed in mineral fertilizer treatments. Organic fertilized treatments lost a significant content of sulfur. The use of iAR, PWI, and GRSP methods to estimate the SOM quality is possible. These indicators react well to changes in SOM quality based on the organic fertilizer input. The value

Abstract:

s of these indicators were increased in crop rotation on luvisol in comparison with monoculture on luvisol. These indicators are in good correlation with “traditional” indicators of SOM quality. Their relationships are specific to soil type (luvisol/chernozem) and approach to crop production (crop rotation/maize monoculture). It is important to emphasize, that more research is needed especially in relation to soil type. A correlation of SORG with humic acid and GRSP content was determined. The content of sulfur in GRSP was calculated. The content of sulfur in GRSP is significantly influenced by the type of fertilizer (organic/mineral). Keywords: mineral sulfur, organic sulfur, glomalin, infrared spectroscopy.

Klíčová slova

organická síra, glomalin, infračervená spektroskopie, minerální síra

Keywords

mineral sulfur, organic sulfur, glomalin, infračervená spektroskopie

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 3. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Ing. Jiří Balík, CSc. dr. h. c.
• Oponent: Pavel Ryant, externi, Ladislav Ducsay, externi, Eva Kunzová, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Doktorský studijní program:
Obecná produkce rostlinná