Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére a talajban

A G R O K É M I A É S T A L A J T A N 62 (2013) 1

143–162

Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO2 és N2O gázok képződésére a talajban 1

HELTAI György, 2ANTON Attila, 3HOFFMANN Sándor, 2SZILI-KOVÁCS Tibor, 3 BERECZ Katalin, 1KAMPFL Györgyi, 1KRISTÓF Krisztina, 1MOLNÁR Erik, 1 HORVÁTH Márk és 1BÁLINT Ágnes

1

Szent István Egyetem, Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar, Kémia és Biokémia Tanszék, Gödöllő, 2MTA Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet, Budapest és 3Pannon Egyetem, Georgikon Kar, Növénytermesztéstani és Talajtani Tanszék, Keszthely

A talaj–növény–légkör rendszerben lejátszódó, egymásba kapcsolódó szén- és nitrogénciklusok részletes feltérképezése közel 150 éve a mezőgazdasági kutatások egyik legfontosabb feladata. Eleinte a fő kérdés az optimális növényi tápanyagellátás módszereinek kidolgozása volt. A XX. század nyolcvanas éveitől kezdve azonban egyre nagyobb hangsúlyt kaptak a környezeti szempontok: az intenzív növénytermelési technológiák miatti nitrátkimosódás, illetve a biogén eredetű üvegházhatású gázok (N2O, CO2) és a reaktív nitrogén-oxidok (NOx) kibocsátásának minimalizálása. E témakörben 1982-ben rendezték Rothamstedben az Első Nemzetközi Nitrogén Munkaértekezletet. 2012-ben a 17. Nitrogén Munkaértekezlet (Wexford, Írország) fő témája volt, hogy a növekvő energia- és műtrágyaárak mellett hogyan lehet legjobban hasznosítani a nitrogén-transzformáció eddig ismert útjait a környezetet kímélő mezőgazdasági termelésben, s hogyan lehet a nitrogénveszteségeket csökkenteni a növekvő élelmiszertermelési igények kielégítése mellett. Ehhez kapcsolódva kiemelt jelentőségű kérdésként kezelték a környezetbe irányuló biogén eredetű reaktív nitrogénveszteségek csökkentésének problémáját is. Az üvegházhatás problémájának felismerése a hetvenes évektől kezdve ráirányította a figyelmet a mezőgazdasági talajok szerepére a CO2 és N2O gázok kibocsátásában. Az első közlemény a talajok nitrogén-monoxid és az ebből származó magasabb oxidációfokú nitrogén-oxidok (közös jelölés szerint NOx) emissziójáról 1978ban jelent meg (GALBALLY & ROY, 1978). Ettől kezdve e témakörben egyre nagyobb számban adtak közre újabb közleményeket globális, regionális és lokális vizsgálatokról és emissziós modellek kifejlesztéséről. E folyamatoknak további lökést adott az IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) szervezetének megalakulása 1988-ban és a GEIA (Global Emissions Initiative) hálózat létrehozása 1990-ben. Ezek a szervezetek biztosították a globális együttműködés kereteit a klímaváltozás antropogén forrásainak kutatásában, s az 1995-ben kiadott „2nd IPCC Postai cím: HELTAI GYÖRGY, Szent István Egyetem, MKK Kémia és Biokémia Tanszék, 2103 Gödöllő, Páter K. u. 1. E-mail: [email protected]

144

HELTAI et al.

Assessment Report” volt a kiindulópontja az 1997-es Kiotói Egyezménynek. Az Európai Közösség Közös Kutatóközpontjának Környezetvédelmi Intézete statisztikai jelentések és tudományos információk alapján 1970 óta gyűjti az üvegházhatású gázok és légszennyezők emissziójára vonatkozó adatokat az EDGAR (Emissions Database for Global Atmospheric Research) adatbázisban. E globális adatbázisban 10×10 km felbontású térképeken 1970-től gyűjtött és ábrázolt adatok lehetővé teszik a lokális, regionális és globális modellek alkalmazását ugyanazon adatsorokra, s figyelembe vehető az energiatermelő és egyéb ipari üzemek, az úthálózatok, a hajóutak, az emberi és állati populáció sűrűsége és a mezőgazdasági földhasználat hatása is. Ehhez kapcsolódott a Kiotói Egyezmény célkitűzéseinek verifikálását szolgáló, 2010-ben zárult AFOLUDATA Információs Rendszer (GHG AFOLU: Greenhouse Gases in Agriculture, Forestry, and Other Land Uses) programja is. E program céljai között már szerepelt a CO2, CH4 és N2O emisszió mérések és a statisztikai jelentések összehasonlíthatóságának javítása, továbbá az üvegházgázmérlegre és a klímaváltozás hatására vonatkozó ismeretek elmélyítése a szárazföldi ökoszisztémákban. A kifejlesztett modellek és adatbázisok napjainkig növekedési trendet regisztrálnak a CO2 és nitrogén-oxidok kibocsátásában (YANG et al., 2011; ROWLINGS et al., 2010) és az üvegházhatású gázok globális emissziójában mintegy 20%-ra becsülik a mezőgazdasági tevékenységből eredő hányadot (LOKUPITIYA & PAUSTIAN, 2005). Az emissziós források statisztikai elemzése szerint ehhez jelentősen hozzájárul a talajok biogén eredetű gázemissziója. GANZEVELD és munkatársai (2005) elemzése szerint a talajok nagyon jelentős forrásai a reaktív NOx gázemissziónak is a nitrogén-monoxid révén, amely nitrifikációs és denitrifikációs folyamatokban is keletkezhet. E folyamatokat jelentősen befolyásolják a talaj biogeokémiai és fizikai tulajdonságai (pl. mikroba-együttes, talaj fizikai féleség, talajnedvesség-állapot, pH, redoxipotenciál, tápanyag-ellátottság) (CONRAD, 1996). Ugyanakkor a földhasználat (művelés, öntözés, trágya- és műtrágyahasználat, talajtömörödés, növények vetése és betakarítása) is jelentősen hat a gázemisszióra (FROLKING et al., 1998), s az atmoszférába irányuló NOx fluxust jelentősen befolyásolja a növénytakaró föld feletti részével lezajló kölcsönhatás is (GANZEVELD et al., 2002). A globális felmérések szerint a ritkán lakott és vidéki térségekben a talaj biogén NO-gáz emissziója határozza meg a légkörbe jutó NOx fluxust, míg az iparosodott területeken a fosszilis tüzelőanyagokból származik az évi 20–25 Tg N-re becsült NOx emisszió túlnyomó része (DELMAS et al., 1997). A talaj biogén eredetű NO-forrás becslések az évi 9,75 és 21 Tg N (POTTER et al., 1996; DAVIDSON & KINGERLEE, 1977) tartományba esnek, azonban azok a becslések, amelyek figyelembe veszik a lombkorona szinten történő megkötődést ennél 50%-kal kisebb értékeket adnak (YINGER & LEVY, 1995; GANZEVELD et al., 2002). Ez az eltérés HUTCHINSON és munkatársai (1997) szerint elsősorban az eltérő trágyázás és az esőzések hatásának tulajdonítható. Részletesebb adatokat találhatunk szemiarid (275 mm·év-1) területen a földhasználat jellege és az üvegházhatású gázok (CH4, CO, N2O és NOx) emissziója közötti kapcsolatról és az emissziómérés módjáról GALBALLY és munkatársai (2008) kutatási jelentésében. A gáz fluxusokat statikus kamra módszerrel mérték 0, 5, 15, ill. 50 perccel a zárás után. A CO2-ot infravörös fotometriás detektorral, a

Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO2 és N2O gázok képződésére

145

NOx-koncentrációt kemilumineszcenciás módszerrel a helyszínen folyamatosan mérték. A CH4-, CO- és N2O-koncentrációt a kísérleti helyszínektől néhány kilométerre telepített mobil gázkromatográfiás laboratóriumban mérték a kamrákból vett és odaszállított gázmintákból megfelelő szárítás után. A közölt adatokból számított emissziók CO2 esetében (-80)-75 μg (C)·m-2·s-1; CH4 esetében (-10)-5 ng (C)·m-2·s-1; CO esetében (-6)-38 ng (C)·m-2·s-1; N2O esetében (-0,5)-5,5 ng (N)·m-2·s-1; NOx esetében 0,5–1,7 ng (N)·m-2·s-1 határok között változtak. (A negatív értékek értelemszerűen abszorpciót jelentenek.) Különösen fontos a hőmérséklet és a talajnedvesség figyelembevétele, amint azt STEWART és munkatársai (2008) az AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis) program keretében végzett NOx emisszió kutatásai mutatják. A nedves, ill. száraz talajok felett 0,8–1,4, ill. 0–0,2 ppb NOx-szinteket mértek. MARTIN és munkatársai (1998) vizsgálatai szerint réteken az NOx emisszió becslések értéke 0,003–101 ng (N)·m-2·s-1 között változott. Figyelembe véve a nedvesség, a vízzel telt pórustérfogat és a hőmérséklet hatását gyep ökoszisztémákra évi 1 Tg (N) NOx-N globális emissziót számoltak. YAN és munkatársai (2005) úgy vélik, hogy az 50 Tg (N)·év-1-re becsült globális NOx-N emisszióban a talaj hozzájárulása nagyon bizonytalan, mivel a becslési modellek – amelyek a leltározási módszeren, vagy a folyamatalapú, illetve az empirikus modelleken alapulnak – nagymértékben különbözhetnek. Munkájukban egy új statisztikus modell kifejlesztését ismertették, amelyben figyelembe vették a talaj szervesanyag-tartalmát, a pH-t, a talajfedettség-típust, a klímát, s a nitrogén inputot. Az eddigiekből levonható az a következtetés, hogy a mezőgazdasági talajhasználat jelentősen hozzájárul a szén- és nitrogén-oxidok légköri emissziójához és abszorpciójához, s az eddigi globális leltárok és modellek a biogén eredetű emisszióban növekedési tendenciát mutatatnak, bár a becsléseknek rendkívül nagy a bizonytalansága. Mindezeket figyelembe véve jelen tanulmányunk legfőbb célja olyan kísérleti rendszer megvalósítása volt, amely a magyarországi ökológiai és klimatikus viszonyok között a talajban az üvegházhatású gázok képződése és emissziója, illetve a növényi tápanyagellátás közötti összefüggésekről kvantitatív adatokat szolgáltat. Korábban laboratóriumi mikrokozmosz kísérletekben vizsgáltuk a tápanyag-, a vízellátás, a hőmérséklet és nehézfémszennyezés hatását a talaj-mikrobiológiai folyamatok eredményeként bekövetkező NOx, N2O és CO2 gázemisszióra, s a mikrokozmosz kísérleti rendszer fejlesztésével párhuzamosan kalibráltuk és validáltuk a gázprodukció értékeléséhez szükséges analitikai és kromatográfiás módszereket (KAMPFL et al., 2007). Kísérleti rendszerünket a Keszthelyen 1963-ban beállított „Szerves- és műtrágyák hatását összehasonlító tartamkísérletre” építettük (HOFFMANN et al., 2008). Nagyméretű tenyészedényekben mezokozmosz, továbbá bolygatatlan talajoszlop kísérletet állítottunk be. A tartam- és a tenyészedénykísérletben a kezelések hatását a terméskomponensekre és a CO2 képződésésére HOFFMANN és munkatársai (2013) közleményében ismertetjük. Jelen dolgozatunkban a tenyészedény- és a talajoszlop-kísérletben az ásványi és istállótrágyák, valamint a talajba bedolgozott növényi szerves anyag hatását mutatjuk be a talajlevegőben felhalmozódó CO2 és N2O gázok képződésének dinamikájára a tenyészidő folyamán.

HELTAI et al.

146

Anyag és módszer Tenyészedény-kísérlet A tenyészedény-kísérleteket az 1963-ban Keszthelyen beállított „Szerves és ásványi trágyázási tartamkísérletből” kiválasztott kezelések talajaival végeztük. A tartamkísérletben Ramann-féle barna erdőtalajon (Eutric Cambisol), „A” és „B” vetésforgóval, istállótrágya vagy ekvivalens hatóanyag-tartalmú NPK-műtrágya adagok, továbbá nagyadagú NPK-műtrágyázás szervesanyag-utánpótlással kombinált vagy anélküli kezeléseket alkalmaztak. A kísérlet részletesebb leírása HOFFMANN és munkatársai (2008) munkájában olvasható. A beállításkor a legfontosabb talajjellemzők a következők voltak: humusz: 1,5– 1,7%; pHKCl: 7,1–7,3; AL- (ammónium-laktát oldható) P2O5: 27–60 mg·kg-1; ALK2O: 135–160 mg·kg-1. A tenyészedényes modellkísérleteket 2008-ban, 2009-ben és 2010-ben állítottuk be kukoricával (Zea mays L.) üvegházban. Nagyméretű (40×40 cm-es) edényeket töltöttünk meg a kiválasztott tápanyagkezelések I-III. ismétléseinek szántóföldi parcelláiról vett (abszolút száraz állapotra számolva) 45 kg talajjal (1. táblázat). A tenyészedényekbe 20 cm talajmélységben 1,8 dm³ össztérfogatú gázcsapdákat helyeztünk. 2008-ban három kezelésben a felszínre helyezett gázcsapdákkal is (1F, 4F és 7F kezelés), 2010-ben pedig ugyanezen három kezelésben jelzőnövény alkal1. táblázat A tenyészedény-kísérlethez kiválasztott szántóföldi tartamkísérleti tápanyagkezelések (4)

(5)

(6)

(1)

(2)

(3)

Kezelés sorszáma

Istállótrágya (#)

Ekvivalens (ekv) NPKmennyiség

Kiegészítő ásványi trágyázás (N, P2O5, K2O) (t·ha-1·5 év-1)

Összes N, P2O5, K2O (kg·ha-1·év-1)

Szalmavagy szárleszántás

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

– 1 #(2) 2 #(2) 3 #(2) – – – 1 #(1) – –

– – – – 1ekv 2ekv 3ekv – 1ekv 1ekv

– – – – – – – 640, 360, 660 640, 360, 660 640, 360, 660

– 44, 38, 49 88, 76, 98 132, 114, 147 44, 38, 49 88, 76, 98 132, 114, 147 172, 110, 181 172, 110, 181 172, 110, 181

– – – – – – – – – +

Megjegyzések: 1 #(2) = 35 t·ha-1 istállótrágya 5 év alatt két részletben, az 1. és 3. évben kijuttatva; 1 #(1) = 35 t·ha-1 istállótrágya 5 év alatt egy részletben, az 1. évben kijuttatva; 1ekv= 35 t·ha-1 istállótrágyában levő ásványi NPK 5 év alatt, évente kijuttatva. 2008-ban az 1., 4. és 7. kezelésekben a felszínre is elhelyeztünk gázcsapdákat, az ezekre vonatkozó adatokat a továbbiakban 1F, 4F és 7F jelöléssel ismertetjük. 2010-ben az 1., 4. és 7. kezelésekben növény nélküli kontrollt is alkalmaztunk, az ezekre vonatkozó adatokat a továbbiakban 1A, 4A és 7A jelöléssel ismertetjük


147

mazása nélkül is (1A, 4A és 7A kezelés) elvégeztük a kísérletet. Edényenként négy növényt neveltünk fel a teljes érésig. A tenyészedény-kísérletet is véletlen blokk elrendezésben három ismétlésben állítottuk be. A növényeket öntöztük, fenntartva a talajok optimális nedvességtartalmát a teljes kísérleti időszak alatt. A gázcsapdákban felfogott talajlevegőből hetente-tíznaponta mintákat vettünk három ismétlésben, gáztömör Hamilton fecskendővel (10 cm³), majd a gázmintákat vákuumozott Exetainer csövekbe (Labco Ltd., UK) injektáltuk. A csöveket a mintavétel napján a Szent István Egyetem laboratóriumába szállítottuk, ahol 12 órán belül gázkromatográfiásan (HP 5890, Porapak Q oszlop) meghatároztuk CO2- és N2O-tartalmukat (KAMPFL et al., 2007). Bolygatatlan talajoszlop kísérlet Hat bolygatatlan talajoszlopot készítettünk PÁRTAY és munkatársai (1992) szerint a tartamkísérlet melletti szegélyterületből kiemelve 2008 áprilisában. Az oszlopokat (magasság 90 cm, átmérő 40 cm) a MTA TAKI Őrbottyáni Kísérleti Telepén egy aknában helyeztük el, a kísérleteket 2008 és 2011 között végeztük. A kísérlet első szakaszában, 2008-ban semmilyen kezelést nem alkalmaztunk, valamennyi oszlopba kukorica jelzőnövényt vetettünk. Ezt követően 2008 őszétől három éven keresztül eltérő trágyázási kezeléseket állítottunk be, leegyszerűsítve: 1. Kontroll, 2. NPK-műtrágya kezelés, 3. Kukorica növény, 4. Kukorica és NPKtrágyázás, 5. Kukorica és istállótrágya, 6. Kukorica, NPK-műtrágya és istállótrágya (2. táblázat). A tápanyagkezelések tekintetében az 1. és. 3. oszlopok megfelelnek a tenyészedény-kísérlet 1. kezelésének, a 2. és 4. oszlopok a 7. kezelésnek, az 5. oszlop a 4. kezelésének, és a 6. oszlop a 4.+7. kezelés kombinációjának felel meg (1. táblázat). Az istállótrágya összetétele: szerves anyag: 33,65%, összes N: 0,883%, NO3-N: 456, NH4-N: 25,7, összes P: 4235, összes K: 15515 mg·kg-1. 2. táblázat A bolygatatlan talajoszlopokon beállított trágyázási kezelések (1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Kezelés sorszáma

Növény (kukorica)

Istállótrágya (2008 és 2010) g·oszlop-1

P-, K-műtrágya (2008 és 2010) g·oszlop-1

N-műtrágya (2009, 2010, 2011) g·oszlop-1

1. 2. 3. 4. 5. 6.

– – + + + +

– – – – 653,6 653,6

– 25,6 P; 10,6 K – 25,6 P; 10,6 K – 25,6 P; 10,6 K

– 5,1 – 5,1 – 5,1

Megjegyzés: Az istállótrágya-adag 105 t·ha-1 5 év alatt, 2 részletben történő kijuttatásának felel meg. A műtrágyaadagok 105 t·ha-1 istállótrágyával ekvivalensek, a P- és K- 5 év alatt 2 részletben, míg a N-műtrágya évente, tavasszal lett kijuttatva, a P 18%-os szuperfoszfát, a K 60%-os KCl, a N 27%-os pétisó formájában

HELTAI et al.

148

A kukoricamagokat május elején vetettük az oszlopokba, a kikelt növényekből oszloponként 3-3 egyedet hagytunk meg. Hatleveles stádiumukban a növények levágása után 1-1 egyedet hagytunk meg oszloponként. A csapadékviszonyok függvényében az oszlopokat vízzel öntöztük. Az öntözésnél figyelembe vettük a területen mért 30 éves átlagcsapadékot, és hozzávetőlegesen annak megfelelően pótoltuk a vizet. A talajlevegő mintavételéhez szilikoncsöveket (JACINTHE & DICK, 1996) helyeztünk el 20, 40 és 60 cm mélységben (SZILI-KOVÁCS et al., 2009). A talajlevegő mintavételezését hetente, vagy kéthetente reggel végeztük, ahogy azt a tenyészedény-kísérletnél ismertettük. Eredmények Tenyészedény-kísérlet A CO2 és N2O gáz koncentrációjának változását a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdákban a tenyészidő folyamán a vetéstől (indítástól) kezdve a 2008, 2009 és 2010 kísérleti években a különböző trágyázási kezelésekben az 1. és 2. ábrák mutatják. Az ábrákon minden egyes mintavételi időpontban a tíz kezelést az egymás melletti oszlopok szemléltetik, s feltüntettük a 2008-ban, illetve a 2010-ben alkalmazott kiegészítő kezelések (1F, 4F, 7F, illetve 1A, 4A, 7A) eredményeit is. A CO2-koncentrációt grafikusan összehasonlítva a bolygatatlan talajoszlopban 20 cm mélységben mért értékekkel megállapítható, hogy 2008-ban lényegesen kisebb, 2009-ben és 2010-ben viszont azonos mértékű volt a tenyészedényekben mért értékekkel. A N2O gáz koncentrációja, s így produkciója is a tenyészedényekben lényegesen kisebb volt, mint a talajoszlopokban 20 cm mélységben mért értékek, csak 2011-ben a kísérlet indításának kezdeti időszakában érte el a bolygatatlan talajoszlopban kapott értékeket. A szabadföldi tartamkísérletben és a tenyészedény-kísérletben a tápanyagkezelések hatását a termésre, s ezzel összefüggésben a talajlevegő CO2-tartalmára HOFFMANN és munkatársai (2013) jelen Agrokémia és Talajtan szám 163–176 oldalán megjelenő közleményében részletesen értékeljük. E helyen csak a bolygatatlan talajoszloppal történő összehasonlítás szempontjai szerint ismertetjük az eredményeket. A tenyészedényekben a CO2 és N2O képződésével kapcsolatban mindhárom évben általánosan megfigyelhetők voltak a következő hatások: – A növény nélküli kezelésekben minden esetben szignifikánsan kisebb volt a CO2-produkció, mint az azonos növényes kezelésekben. A N2O-produkció a növényes kezelésekben is nagyobb volt, mint a megfelelő növény nélküli kezelésekben. Ezek a különbségek azonban nem voltak szignifikánsak. – A trágyázási kezelések az esetek többségében szignifikánsan növelték a CO2produkciót az [(istállótrágya)] < [ásványi(NPK)] < [szerves anyag + ásványi(NPK)] sorrendben. 2008-ban és 2009-ben csak az ásványi(NPK) kezelésekben kaptunk egy-egy időpontban a kontrollnál szignifikánsan nagyobb N2O-produkciót. 2010ben, amikor a kísérlet kezdeti (2., 4., 6.) napján is vettünk gázmintákat, rövid idő-

1. ábra A CO2-koncentráció (mg·L-1) változása a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdában 2008 (A), 2009 (B) és 2010 (C) években. Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 1. táblázat

Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO2 és N2O gázok képződésére 149

2. ábra A N2O-koncentráció (μg·L-1) változása a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdákban 2008 (A), 2009 (B) és 2010 (C) években Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 1. táblázat

150 HELTAI et al.


151

szakban szignifikánsan nagyobb volt a N2O-produkció a kontrollnál az [(istállótrágya)] < [ásványi(NPK)] < [szerves anyag + ásványi(NPK)] sorrendben. – A tenyészidő folyamán kezdeti stagnálás után a CO2-produkció szignifikánsan növekedni kezdett, s egy, vagy két maximum elérése után a tenyészidő végére a CO2-koncentráció a kezdeti szintre csökkent. A tenyészidő folyamán szignifikáns N2O-produkció növekedés csak a kezdeti időszakban az 1–6. nap között volt mérhető. Ezt követően már nem látható az idő szerinti változásban tendencia. – A talajfelszínre elhelyezett gázcsapdákban a CO2-koncentráció az esetek többségében szignifikánsan kisebb volt, mint a 20 cm mélységből vett mintákban mért értékek. Ezzel ellentétben a talajfelszínre elhelyezett gázcsapdákban a N2Oprodukció az esetek többségében nagyobb volt, mint a 20 cm mélységből vett mintákban mért értékek. Ez a tendencia azonban statisztikailag nem volt igazolható egyértelműen. Talajoszlop-kísérlet A CO2 és N2O gáz produkcióját a tenyészidő folyamán a vetéstől (indítástól) kezdve az egyes kísérleti években a különböző mélységekben a 3., 4., 5. és 6. ábrák mutatják. Az ábrákon az egyes időpontokban a hat kezelést az egymás melletti oszlopok szemléltetik. Az értékelésben a 2008. évet külön kezeljük, mivel ebben az évben tulajdonképpen a hat talajoszlop kondicionálása történt és nem alkalmaztunk sem trágyázási kezelést, sem jelzőnövényt: – 2008-ban a CO2-koncentráció a tenyészidő folyamán mind a hat oszlopban először a 40. napig erősen növekedett, majd az 53. napon csökkent, ezután újra növekedett a 69. napig. Ezt követően a 102. napig erősen csökkent. Ezek az időbeli változások az esetek többségében szignifikánsak voltak. Az oszlopokban lefelé haladva 20 cm-től 40 cm-ig minden oszlopban és minden időpontban egyértelmű (szignifikáns) növekedés volt tapasztalható, 40 cm és 60 cm között még kisebb mértékű további növekedés mutatkozott, amely azonban már nem minden esetben volt szignifikáns. A hat oszlop között minden esetben jelentős és sok esetben szignifikáns különbség volt tapasztalható a CO2-képződésben. – 2008-ban a tenyészidő kezdeti szakaszában a 25. napig növekedett a N2Okoncentráció, ettől kezdve rohamosan csökkent, s a 69. naptól már alig változott. Az időbeli változások eddig az időpontig voltak szignifikánsak. Az oszlopokban lefelé haladva nem lehetett egyértelmű tendenciát megállapítani: növekedés és csökkenés egyaránt előfordult, s ez a változás az egyes oszlopok között a különböző időpontokban jelentősen különbözött, azaz a hat oszlopban a N2O-produkciók sok esetben jelentősen (szignifikánsan) különböztek. A 2009., 2010. és 2011. évi kísérletben a hat oszlop már eltérő kezelést kapott. Mindhárom évben megfigyelhető, hogy a CO2- és N2O-koncentráció szintje az első kondicionáló évhez képest valamennyi oszlopban általánosan csökkent (több mint 50%-kal). Ennek feltehetően az lehetett az oka, hogy a frissen preparált oszlopokban jelenlévő gyökérmaradványok az első évben jelentősen hozzájárulhattak mind a CO2-, mind a N2O-képződéshez.

HELTAI et al.

152 250

1

2

3

4

5

6

200

60

A 20 cm

1

2

3

4

5

B

6

50

20 cm

40

150

30 100

20

50

10

0 10 250

1

25 2

3

40 4

53 5

69

81

102

200

10

25

40

53

69

1

40 cm

2

3

4

5

81

102

B

60

A

6

0

6

50

40 cm

40

150

30 100

20

50

10 0

0 10 250

1

25 2

3

40 4

53 5

69

81

A

6

60 cm

200

10

102 60

1

25 2

3

40 4

53 5

69

81

102

B

6

50

60 cm

40

150

30 100

20

50

10

0

0 10

25

40

53

69

81

102

10

25

40

53

69

81

102

3. ábra A CO2- (mg·L-1) (A) és N2O-koncentráció (μg·L-1) (B) változása a tenyészidő folyamán 20, 40 és 60 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 2008-ban Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat

A talajoszlopokban a CO2- és N2O-koncentráció változásával és képződésével kapcsolatban mindhárom évben általánosan megfigyelhetők a következő hatások: – Növény jelenlétének hatására a növény nélküli kontrollhoz képest a CO2produkció szignifikánsan növekedett, a N2O-produkcióban a kezdeti időszakban


153

4. ábra A CO2- (mg·L-1) (A) és N2O-koncentráció (μg·L-1) (B) változása a tenyészidő folyamán 20, 40 és 60 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 2009-ben Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat

10. napig) szignifikáns növekedés, ezután viszont szignifikáns csökkenés volt megfigyelhető. – A növény nélküli kontrollhoz képest az NPK-kezelés hatására minden esetben szignifikánsan kisebb lett a CO2-produkció és a N2O-produkció is.

154

HELTAI et al.


– Az NPK-kezelés növény alkalmazása mellett is az esetek többségében csökkentette a CO2-produkciót, ez a csökkenés azonban kevésbé volt kifejezett, mint a növény nélküli esetben. Hasonló volt az istállótrágya- és az (NPK+istállótrágya)kezelés hatása is a CO2-produkcióra, azonban a csökkenés a kontrollokhoz képest kevésbé volt kifejezett.


155

Az NPK-kezelés hatására az esetek többségében csökkent a N2O produkció is a növényes kontrollhoz képest. Az istállótrágya- és az (NPK+istállótrágya)-kezelésekben is a N2O-produkció többnyire csökkenő tendenciát mutatott, azonban ennek megítélése a nagy mérési bizonytalanság miatt nem egyértelmű. A tenyészidő folyamán a CO2-koncentráció kezdeti stagnálás után növekedni kezdett, s az esetek többségében egy vagy két maximum elérése után a tenyészidő végéhez közeledve erősen csökkent. Az egymást követő mintavételi időpontok kö80 70

1

2

3

4

5

6

A 20 cm

60 50 40 30 20 10 0 -10 0

9

18 23 30 37 45 53 58 65 77 85 91 98 105 112 119 127 135 142 156

80 70

1

2

3

4

5

6

A 40 cm

60 50 40 30 20 10 0 -10 0 80 70

9

1

18 23 30 37 45 53 58 65 77 85 91 98 105 112 119 127 135 142 156 2

3

4

5

6

A 60 cm

60 50 40 30 20 10 0 -10 0

9

18 23 30 37 45 53 58 65 77 85 91 98 105 112 119 127 135 142 156

HELTAI et al.

156 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

1

2

3

4

5

B

6

20 cm

-10 0 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

9

1

18 23 30 37 45 53 58 65 77 85 91 98 105 112 119 127 135 142 156 2

3

4

5

B

6

40 cm

-10 0 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

9

1

18 23 30 37 45 53 58 65 77 85 91 98 105 112 119 127 135 142 156 2

3

4

5

B

6

60 cm

-10

0

9

18

23

30

37

45

53

58

65

77

85

91

98 105 112 119 127 135 142 156


zötti változások az esetek többségében szignifikánsak. A N2O-koncentráció időbeli változásának iránya nem egyértelmű. – Az oszlopokban lefelé haladva ez esetben is egyértelműen megfigyelhető, hogy 20-tól 40 cm-ig szignifikánsan, utána 60 cm-ig kisebb mértékben és nem min-


157

den esetben nőtt szignifikánsan a CO2-koncentráció. Ugyanez a tendencia figyelhető meg a N2O produkciójában, bár a nagyobb mérési bizonytalanság miatt ez kevésbé egyértelműen mutatkozott. Következtetések A bolygatatlan talajoszlopban és a tenyészedényekben észlelt CO2 gáz produkció a tenyészidő folyamán egyaránt kezdeti stagnálás után egy, vagy több maximum elérése után a kezdeti szintre csökkent. Ezek a változások mindkét esetben jó korrelációt mutattak a napi középhőmérséklet változásával (SZILI-KOVÁCS et al., 2009; HOFFMANN et al., 2013). A N2O-produkció időbeli változásának iránya a talajoszlopokban nem mutatott egyértelmű tendenciát, míg a tenyészedényekben jól mérhető növekedést csak a vetést követő 6. napig tapasztaltunk a CO2-koncentráció stagnálási periódusában. Ezt az időbeli eltolódást a két gáz képződésének dinamikájában korábbi mikrokozmosz kísérleteink is megerősítették (KAMPFL et al., 2007). A bolygatatlan talajoszlopokban a felszíntől 40 cm mélységig a CO2koncentráció szignifikánsan nőtt, s 40–60 cm között már nem változott számottevően. Ugyanez a tendencia mutatkozott a N2O-koncentrációnál is, de a nagyobb mérési bizonytalanság miatt kevésbé egyértelműen. A tenyészedényekben a felszínen és a 20 cm mélyen elhelyezett csapdák között ugyancsak növekedett a CO2koncentráció, s az itt mért értékek nagyságrendileg megegyeztek a talajoszlopban 20 cm mélyen mért értékekkel. A N2O mélységi változása a tenyészedényekben nem volt igazolható. A talajoszlopból a felszínen kilépő emisszió mérése és a mélységi eloszlási profil összekapcsolása lehetőséget nyújt a CO2-diffúzió modellezésére, erre 2011-ben és 2012-ben további vizsgálatokat folytattunk. A trágyázatlan kezelésekben a növények jelenléte mind a talajoszlopban, mind a tenyészedényekben növelte a CO2- és N2O-produkciót. A trágyázási kezelések hatására a talajoszlopokban csökkent mindkét gáz produkciója. Szerves trágya alkalmazása és növény jelenlétében ez a csökkenés kisebb mértékű volt, mint ásványi trágya esetében. Ezzel ellentétben a trágyázási kezelések hatására a tenyészedényekben növények jelenlétében egyértelműen növekedett a CO2-produkció, és kevésbé egyértelműen a N2O-produkció is. A növekedés a trágyakezelések termésnövelő hatása sorrendjében (istállótrágya < ásványi trágya < istállótrágya+ásványi trágya) fokozódott (HOFFMANN et al., 2013). Összegezve megállapítható, hogy a CO2 és N2O gázképződés és a talajból történő kilépés feltételei a bolygatatlan és a művelt talajban eltérnek, s e folyamatra jelentős hatással van a növények jelenléte és anyagcseréje. Kísérleteink eredményeként létrehoztunk egy olyan adatbázist, amelyre alapozva megfelelő matematikai modellek alkalmazásával reálisan becsülhető a mezőgazdasági talajok CO2 és N2O emissziója különböző tápanyagellátási és művelési módok esetén.

HELTAI et al.

158

Összefoglalás A Keszthelyen 1963-ban beállított „Szerves- és műtrágyák hatását összehasonlító tartamkísérlet” kiválasztott kezeléseiből vett talajokkal beállított tenyészedénykísérletben és ezzel párhuzamosan a szegélyparcellákból kiemelt bolygatatlan talajoszlopokban vizsgáltuk az ásványi- és istállótrágyák, valamint a talajba bedolgozott növényi szerves anyag hatását a talajlevegőben a tenyészidő folyamán felhalmozódó CO2 és N2O gázok képződésének dinamikájára. A CO2-koncentráció a tenyészidő folyamán a kezdeti stagnálás után egy, vagy több maximum elérése után a kezdeti szintre csökkent mindkét kísérleti rendszerben, s a változás jó korrelációt mutatott a napi középhőmérséklet változásával. A N2O képződésének időbeli változása a talajoszlopokban nem mutatott egyértelmű tendenciát, míg a tenyészedényekben csak a vetést követő 6. napig mértünk koncentrációnövekedést. A bolygatatlan talajoszlopokban a felszíntől 40 cm mélységig a CO2koncentráció szignifikánsan növekedett, 40–60 cm között már nem változott számottevően. Ugyanez a tendencia mutatkozott a N2O-koncentráció mélység szerinti változásában, de a nagyobb mérési bizonytalanság miatt kevésbé egyértelműen. A tenyészedényekben a 20 cm mélyen elhelyezett csapdákban mért CO2-koncentráció értékek nagyságrendileg megegyeztek a talajoszlopban 20 cm mélyen mért értékekkel. A trágyázatlan kezelésekben a növények jelenléte mind a talajoszlopban, mind a tenyészedényekben növelte a CO2- és a N2O-produkciót. A trágyázási kezelések hatására a talajoszlopokban csökkent mindkét gáz produkciója. Szerves trágya alkalmazásakor növény jelenlétében ez a csökkenés kisebb mértékű volt, mint ásványi trágya esetében. A trágyázási kezelések hatására a tenyészedényekben növények jelenlétében növekedett a talajban a CO2 és N2O produkciója. A növekedés a trágyakezelések termésnövelő hatása sorrendjében istállótrágya < ásványi trágya < (istállótrágya+ásványi trágya) fokozódott. Összegezve megállapítható, hogy a CO2 és N2O gázképződés és a talajból történő kilépés feltételei a bolygatatlan és a művelt talajban eltérnek, s e folyamatra jelentős hatással van a növények jelenléte és anyagcseréje. Kísérleteink eredményeként létrehoztunk egy olyan adatbázist, amelyre alapozva megfelelő matematikai modellek alkalmazásával reálisan becsülhető a mezőgazdasági talajok CO2 és N2O emissziója különböző tápanyagellátási és művelési módok esetén. A kutatómunkát az Országos Tudományos Kutatási Alap támogatta (OTKA konzorcium: K 72926, K 73326, K 73768). Kulcsszavak: szén-dioxid, dinitrogén-oxid, üvegházhatású gázok, talajoszlop, tenyészedény


159

Irodalom CONRAD, R., 1996. Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O and NO). Microbiological Reviews. 60. 609–640. DAVIDSON, E. A. & KINGERLEE, W., 1997. Global inventory of emissions of nitric oxide from soils: A literature review. Nutrient Cycling in Agroecosystems. 48. 37– 50. DELMAS, R., SERCA, D. & JAMBERT, C., 1997. Global inventory of NOx sources. Nutr. Cycling Agroecosys. 48. 51–60. EDGAR (Emissions Database for Global Atmospheric Research). http://ies.jrc.ec. europa.eu/data-portals.html/#dp25 FROLKING, S. E. et al., 1998. Comparison of N2O emissions from soils at three temperate agricultural sites: simulations of year-round measuremeats by four models. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 52. 77–105. GALBALLY, J. E. & ROY, C. R., 1978. Loss of fixed nitrogen by nitric oxide exhalation. Nature. 275. 734–735. GALBALLY, I. E. et al., 2008. Measurements of Soil-Atmosphere Exchange of CH4, CO, N2O and NOx in the Semi-arid Mallee System in Southeastern Australia. Centre for Australian Weather and Climate Research. Technical Report No 002 (2008) ISBN 978 192 142 4588. GANZEVELD, L., 2005. Soil-biogenic NOx emissions: global scale inventories. GEA Review 02/28/05. http://www.geiacenter.org/ GANZEVELD, L. et al., 2002. The influence of soil biogenic NOx-emissions on the global distribution of reactive trace gases: the role of canopy processes. J. Geophys. Res. 107. 1029–1289. GEIA (Global Emissions Initiative) http://www.geiacenter.org/ GHG AFOLU: Action 24002-Greenhouse Gases in Agriculture, Forestry, and Other Land Uses Action. http://ies.jrc.ec.europa.eu/index.php?page=63. HALL, S. J., HUBER, D. & GRIMM, N. B., 2008. Soil N2O and NO emissions from arid and urban ecosystem. J. Geophys. Res. 113. G01016. doi:10.1029/2007JG000253. HOFFMANN, S. et al., 2008. Yield response and N-utilization depending on crop sequence and organic or mineral fertilization. Cereal Res. Commun. Suppl. 36. 1631–1634. HOFFMANN S. et al., 2013. Ásványi és szervestrágyázás hatása a termésre és a CO2 termelésre szántóföldi és tenyészedény-kísérletben. Agrokémia és Talajtan. 62. 163– 172. HUTCHINSON, G. L. et al., 1997. Coarse-scale soil atmosphere NOx modeling: status and limitations. Nutr. Cycling Agroecosys. 48. 25–35. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). http://www.ipcc.ch/index.htm JACINTHE, P. A. & DICK, W. A., 1996. Use of silicone tubing to sample nitrous oxide in the soil atmosphere. Soil Biology and Biochemistry. 28. 721–726. KAMPFL, G. et al., 2007. Examination of NOx and CO2 production in agricultural soils. Microchemical Journal. 85. 31–38. LOKUPITIYA, E. & PAUSTIAN, K., 2005. Agricultural soil greenhouse gas emissions. Journal of Environmental Quality. 35. 1413–1417. MARTIN, R. E. et al., 1998. Controls on annual emissions of nitric oxide from soils of the Colorado Shortgrass steppe. Global Biogeochemical Cycles. 12. 81–91.

160

HELTAI et al.

PÁRTAY G. et al., 1992. A gázfázis vizsgálata bolygatatlan szerkezetű talajoszlopban, kvadrupol tömegspektrométerrel. Agrokémia és Talajtan. 41. 299–321. POTTER, C. S. et al., 1996. Process modeling of controls on nitrogen trace gas emissions from soils worldwide. J. Geophys. Res. 101. 1361–1377. ROWLINGS, D. et al., 2010. Quantifying N2O and CO2 emissions from a subtropical pasture. In: 19th World Congress of Soil Science, Soil Solutions for a Changing World, 1 – 6 August 2010, Brisbane, Australia. (DVD) SCHINDLBACHER, A., ZECHMEISTER-BOLTENSTERN, S. & BUTTERBACH-BALL, K., 2004. Effects of soil moisture and temperature on NO, NO2 and N2O emissions from European forest soils. J. Geophys. Res. 109. D17302. STEWART, D. J. et al., 2008. Biogenic nitrogen oxide emissions from soils: impact on NOx and ozone over West Africa during AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis): observational study. Atmos. Chem. Phys. 8. 2285–2297. SZILI-KOVÁCS T. et al., 2009. Szilikoncső alkalmazása talajlevegő mintavételhez bolygatatlan talajoszlopokban a CO2- és N2O-koncentráció meghatározáshoz. Agrokémia és Talajtan. 58. 359–368. YAN, X., OHARA, T. & AKIMOTO, H., 2005. Statistical modeling of global soil NOx emission. Global Biochemical Cycles. 19. GB 3019. YANG, Z. P. et al., 2011. Loss of nitrogen by ammonia volatilisation and denitrification after application of urea to maize in Shanxi Province, China. Soil Research. 49. 462–469. YINGER, J. J. & LEVY, H., 1995. II. Global inventory of soil biogenic NOx emissions. J. Geophys. Res. 100. 11447–11464. Érkezett: 2013. április 8.


161

Influence of mineral and organic fertilization on the production of CO2 and N2O gases in soil 1

G. HELTAI, 2A. ANTON, 3S. HOFFMANN, 2T. SZILI-KOVÁCS, 3 K. BERECZ , 1G. KAMPFL, 1 K. KRISTÓF, 1E. MOLNÁR, 1M. HORVÁTH and 1Á. BÁLINT

1

Department of Chemistry and Biochemistry, Szent István University, Gödöllő (Hungary), Institute for Soil Sciences and Agricultural Chemistry, Centre for Agricultural Research, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, 3Institute of Crop Production and Soil Science, Georgikon Faculty, University of Pannonia, Keszthely (Hungary) 2

S um ma ry Soils from selected treatments in a long-term comparative experiment on the effect of organic and mineral fertilizers, set up in Keszthely in 1963, were used in pot experiments together with undisturbed soil columns taken from the border plots. The aim was to determine how mineral fertilizer, farmyard manure (FYM) and the ploughing in of plant residues influenced the dynamics of CO2 and N2O gas production and their accumulation in the soil air during the vegetation period. Pot experiments of mesocosm size were conducted in 2008, 2009 and 2010. For the soil from treated plots, gas traps were installed in the pots at a depth of 20 cm to collect soil air samples. In the case of the undisturbed soil columns, the production of CO2 and N2O was studied at depths of 20, 40 and 60 cm. The CO2 concentration stagnated at the start of the growing period, after which one or more peaks were observed before the concentration dropped to the original level in both experimental systems. These changes exhibited good correlation with changes in the mean daily temperature. Changes in N2O production exhibited no clear trend over time in the soil columns, while an increase in the concentration was only observed in the pots until the 6th day after sowing. The CO2 concentration in the undisturbed soil columns rose significantly up to a depth of 40 cm, while little further change was observed between 40 and 60 cm. A similar tendency was observed for the changes in N2O concentration with depth, but this was not as clear, since the measurements were less reliable. In the pots the CO2 concentrations recorded in the gas traps at a depth of 20 cm were of the same order of magnitude as the values found at the same depth in the soil columns. In the unfertilized treatments the presence of plants increased the production of CO2 and N2O both in the soil columns and in the pots. In response to fertilizer treatments the production of both gases decreased in the soil columns. In the presence of plants this reduction was less intense when organic manure was applied than in the case of mineral fertilizer. In the pot experiments the presence of plants caused an increase in the CO2 and N2O production in the soil in the fertilized treatments. This increased in the same order as the yield-increasing effect of the treatments: FYM < mineral fertilizer < FYM + mineral fertilizer. In summary it can be concluded that the conditions influencing the production of CO2 and N2O and their emission from the soil differ in undisturbed and cultivated soil, and that the presence of metabolising plants has a substantial effect on this process. The

162

HELTAI et al.

database created from the experimental results will allow the CO2 and N2O emission from agricultural soils in the case of diverse methods of fertilization and cultivation to be realistically estimated using mathematical models. Table 1. Nutrient supplies in the long-term field experiment treatments selected for the greenhouse pot experiment. (1) Treatment code. (2) FYM (#). (3) Equivalent NPK (ekv) quantity. (4) Supplementary NPK fertilization (t·ha-1·5 years-1). (5) Total N, P2O5, K2O (t·ha-1·year-1). (6) Ploughing in of straw or stems. Note: 1 #(2) = 35 t·ha-1 FYM for 5 years, added in two splits, in the first and third years; 1 #(1) = 35 t·ha-1 FYM for 5 years, added in the first year; 1 ekv = mineral NPK equivalent to that of 35 t·ha-1 FYM added over 5 years in annual increments. In 2008 gas traps were also placed on the soil surface in treatments 1, 4 and 7 (designated as 1F, 4F and 7F, respectively). In 2010 a control treatment without plants was set up in treatments 1, 4 and 7 (designated as 1A, 4A, and 7A). Table 2. Fertilization treatments applied in the undisturbed soil columns. (1) Treatment code. (2) Plant (maize). (3) FYM (2008 and 2010), g·column-1. (4) PK fertilizer (2008 and 2010), g·column-1. (5) Mineral N fertilizer (2008, 2009 and 2010), g· column-1. Note: The FYM dose corresponds to 105 t·ha-1·5 years-1, applied in two splits. The NPK fertilizer doses were the equivalent of 105 t·ha-1 FYM; the P and K were added in two splits over 5 years, while mineral N was added each year in spring. P was applied as 18% superphosphate, K as 60% KCl and N as 27% calcium ammonium nitrate. Fig. 1. Changes in the CO2 concentration of soil air samples taken from gas traps in the pot experiment in 2008 (A), 2009 (B) and 2010 (C). Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 1. Fig. 2. Changes in the N2O concentration (μg·L-1) of soil air samples taken from gas traps in the pot experiment in 2008 (A), 2009 (B) and 2010 (C). Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 1. Fig. 3. Changes in the CO2 (mg·L-1) (A) and N2O concentrations (µg·L-1) (B) in undisturbed soil columns at depths of 20, 40 and 60 cm in 2008. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 4. Changes in the CO2 (mg·L-1) (A) and N2O concentrations (µg·L-1) (B) in undisturbed soil columns at depths of 20, 40 and 60 cm in 2009. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 5. Changes in the CO2 (mg·L-1) (A) and N2O concentrations (µg·L-1) (B) in undisturbed soil columns at depths of 20, 40 and 60 cm in 2010. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 6. Changes in the CO2 (mg·L-1) (A) and N2O concentrations (µg·L-1) (B) in undisturbed soil columns at depths of 20, 40 and 60 cm in 2011. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2.

Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére a talajban

Recommend Documents