Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha - Ruzyně
Jaromír Kubát, Dana Cerhanová, Olga Mikanová, Tomáš Šimon
Metodika hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty v orných půdách Metodika pro praxi Praha 2008
Jaromír Kubát, Dana Cerhanová, Olga Mikanová, Tomáš Šimon
Metodika hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty v orných půdách
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha 2008 ISBN: 978-80-87011-65-2
Tato metodika vznikla v rámci řešení výzkumného záměru MZe 0002700601, „Principy vytváření, kalibrace a validace trvale udržitelných a produktivních systémů hospodaření na půdě“.
Obsah
Strana
1. Cíl metodiky 2. Vlastní popis metodiky 2.1. Význam půdní organické hmoty 2.2. Změny v hospodaření na půdě v uplynulých létech. 2.3. Množství půdní organické hmoty v orných půdách České republiky 2.3.1. Definice půdní organické hmoty 2.3.2. Množství organického C, N a S ve vrchní vrstvě orných půd (0 – 20 cm) 2.3.3. Obsah půdní organické hmoty podle půdních a klimatických podmínek 2.3.3.1. Obsah půdní organické hmoty podle typu půdy 2.3.3.2. Obsah půdní organické hmoty podle druhu půdy 2.3.3.3. Obsah půdní organické hmoty podle nadmořské výšky 2.3.4. Vliv systémů organického a minerálního hnojení na obsah půdní organické hmoty 2.3.4.1. Dynamika půdní organické hmoty a význam dlouhodobých polních pokusů 2.3.4.2. Vliv organického a minerálního hnojení na hladinu půdní organické hmoty 2.4. Kvalita půdní organické hmoty 2.4.1. Kvalita půdní organické hmoty podle obsahu humusových látek, podílu huminových kyselin a fulvokyselin, barevný koeficient Q4:6 . 2.4.2. Kvalita půdní organické hmoty podle IR spekter, alifatická C-H infračervená pásma, index hydrofobnosti 2.4.2.1. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle půdních typů 2.4.2.2. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle půdních druhů 2.4.2.3. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle nadmořské výšky 2.4.2.4. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti ve dlouhodobých polních pokusech podle organického a minerálního hnojení 2.4.2.4. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti ve dlouhodobých polních pokusech podle organického a minerálního hnojení 2.4.2.5. Vztah mezi plochami alifatických pásem IR spekter a indexy hydrofobnosti. 2.4.3. Koncept rozložitelné a inertní části půdní organické hmoty a jeho agronomický význam 2.4.3.1 Rozložitelná část půdní organické hmoty jako diference mezi obsahem C ve hnojených a nehnojených variantách dlouhodobých polních pokusů 2.4.3.2 Rozložitelná část půdní organické hmoty odvozena ze vztahu mezi podílem jemných částic a obsahu celkového organického C 2.4.3.3. Rozložitelná část půdní organické hmoty odvozená z obsahu horkou vodou extrahovatelného C 2.5. Optimální hladina půdní organické hmoty 2.6. Shrnutí 3. Srovnání „novosti postupů“ 4. Popis uplatnění metodiky 5. Seznam použité související literatury 6. Seznam publikací, které předcházely metodice
3 3 3 3 4 4 4 8 8 10 10 11 11 12 16 16 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 30 31 31 32 33 33 34
2
1. Cíl metodiky Cílem metodiky je poskytnout základní informace pro hodnocení množství a kvality organické hmoty v orných půdách v České republice. Je zpracována na základě výsledků sledování množství a kvality půdní organické hmoty ve dlouhodobých polních pokusech prováděných v různých půdních a klimatických podmínkách a také na provozních plochách, běžně obhospodařovaných a zařazených do Basálního monitoringu zemědělských půd, resp. monitorovaných v rámci hodnocení bilance organické hmoty v oblasti Ústí nad Orlicí. 2. Vlastní popis metodiky 2.1. Význam půdní organické hmoty Význam půdní organické hmoty pro půdní úrodnost a obecně pro kvalitu půdy je dlouhodobě známý a dlouhodobě oceňovaný. Není pochyb o tom, že půdní organická hmota příznivě ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti půdy, je základním faktorem půdní úrodnosti a v převážné míře je podmínkou existence velmi bohaté a diversifikované půdní bioty (funkce biotopu). V odborné literatuře lze najít mnoho dokladů o příznivém účinku půdní organické hmoty na produktivitu půdy, tj. výnosy pěstovaných plodin (hlavního produktu nebo hlavního a vedlejšího produktu), přičemž míra a účinnost tohoto příznivého působení se podstatně liší v závislosti na půdních a klimatických podmínkách, v závislosti na pěstovaných plodinách (osevním postupu) a v závislosti na systému zpracování půdy a hnojení. Stejně významná je také role půdní organické hmoty pro stabilitu výnosů. Půdy dobře zásobené organickou hmotou mají vyšší schopnost vyrovnávat výkyvy počasí, nebo jiných biotických a abiotických faktorů. Vedle agronomického významu půdní organické hmoty se v poslední době zvlášť oceňuje její význam pro životní prostředí, a to zejména z hlediska akumulace organického C a jeho sekvestrace do půdy a dále také z hlediska zachování ekologických funkcí půdy. Požadavek na udržování vhodné (místně specifické) hladiny půdní organické hmoty se postupně stává součástí legislativy v sousedních zemích (např. německý zákon o ochraně půdy) a také v Evropské Unii. Předmět „Organická hmota v půdě“ a cíl „udržení obsahu organické hmoty v půdě“ je součástí požadavků „správné zemědělské praxe“ podle Nařízení Rady ES 1782/2003 (článek 5 a příloha IV) i Nařízení Komise ES 2199/2003, určeného pro nově přistupující státy. Organický C, jeho akumulace v půdě a tok ekosystémem byl zařazen mezi „Agro-environmentální indikátory“ v rámci přípravy politických dokumentů JWP (Joint Working Party) OECD. Tento vývoj probíhá a bude se dále uplatňovat také v České republice, kde navíc, ve srovnání se zeměmi západní Evropy, probíhají mnohem hlubší a intenzivnější změny hospodaření na zemědělské půdě. 2.2. Změny v hospodaření na půdě v uplynulých létech. Změny hospodaření na zemědělské a zvláště na orné půdě mají mnoho příčin, zejména ekonomických a majetkoprávních. Projevují se mimo jiné v následujících oblastech, které mají bezprostřední vliv na množství a kvalitu půdní organické hmoty: Struktura pěstovaných plodin a osevní postupy jsou méně příznivé z hlediska reprodukce půdní organické hmoty (snížení podílu víceletých pícnin ve prospěch tržních plodin, změny osevních postupů podle ekonomických a méně již agronomických potřeb).
3
Pokles spotřeby minerálních hnojiv, s tím související stagnace nebo pokles primární produkce pěstovaných rostlin a snížený vstup organických látek do půdy. Pokles stavů hospodářských zvířat, zejména skotu a v důsledku toho snížená produkce statkových hnojiv. Další diferenciace v hustotě chovu dobytka mezi jednotlivými okresy nebo regiony, rozsáhlé plochy orné půdy bez živočišné výroby. Všechny tyto vlivy představují rizika pro vývoj půdní úrodnosti a kvalitu půdy z hlediska agronomického. Kromě toho ale mohou také ovlivnit další ekologické funkce půdy, jako např. funkci transformační, pufrační a filtrační, které jsou významné pro kvalitu podzemních a povrchových vod. Právě v ochraně vod nastaly v uplynulém období velmi radikální změny, které se samozřejmě dotýkají i kvality půdy a půdní organické hmoty 2.3. Množství půdní organické hmoty v orných půdách České republiky 2.3.1. Definice půdní organické hmoty Organická hmota v půdách je neobyčejně heterogenní. V odborné literatuře lze najít velké množství různých definic půdní organické hmoty a jejího vymezení vedle pojmu humus, který je mnohem starší a obecně rozšířenější. Baldok a Nelson (2000) definují půdní organickou hmotu jako „sumu všech přírodních a termálně změněných látek biologického původu, které se nacházejí v půdě nebo na půdním povrchu, jakéhokoli původu, živých nebo odumřelých organismů v jakékoli fázi rozkladu, s výjimkou nadzemních částí živých rostlin“. Definice tedy zahrnuje živé organismy, jako kořeny rostlin, mikroorganismy, odumřelé mikro a makroorganismy a jejich části, rozpustné organické látky, humus, včetně nehumusových biopolymerů (identifikovatelné organické struktury), hlavně však humusové látky jako huminové kyseliny, fulvokyseliny, humin a konečně zuhelnatělé organické látky. Tato v podstatě univerzální definice půdní organické hmoty má tu výhodu, že neomezuje objekt studia (veškeré organické látky v půdě) a vyhovuje nejčastěji používaným metodám stanovení množství půdní organické hmoty, tj. stanovení celkového organického C, N nebo S. Obsah celkového organického C, N nebo S v půdě jsou nejčastěji používaná kritéria množství půdní organické hmoty. V následujícím textu jsou používána jako synonyma. 2.3.2. Množství organického C, N a S ve vrchní vrstvě orných půd (0 – 20 cm) V uplynulých létech jsme sledovali množství organického C a N ve vrchní vrstvě orných půd (0-20 cm) ve vybraných variantách dlouhodobých polních pokusů VÚRV, v.v.i., ve stacionárních pokusech ÚKZÚZu, na vybraných lokalitách Basálního monitoringu zemědělských půd (ÚKZÚZ) a na vybraných lokalitách v oblasti Ústí nad Orlicí. Půdní vzorky z polních pokusů byly odebírány a analyzovány opakovaně, takže máme k dispozici časové řady, delší u pokusů VÚRV, v.v.i. (až 42 let), kratší u pokusů ÚKZÚZ (3 roky) a lokalit Basálního monitoringu zemědělských půd (6 roků). Dále budeme používat průměrné hodnoty z těchto časových řad. Půdní vzorky z jednoletých stanovišť v oblasti Ústí nad Orlicí byly odebírány a analyzovány jednorázově. Pro zpracování této metodiky máme tedy relativně velmi obsáhlý soubor dat týkajících se obsahu a kvality půdní organické hmoty, získaných na cíleně vybraných 601 lokalitách dlouhodobých polních pokusů i běžně obhospodařovaných orných půd. Následující obrázky (Obr. 1 – 3) ukazují, že výběr hodnocených lokalit je representativní pro orné půdy v České republice. Množství organického C v půdě se v souboru našich údajů pohybuje v širokém intervalu od 0,60 % C do 3,23 % C. Velká většina z nich (téměř 85%) se však nachází v intervalu od 1 % 4
C do 2 % C (Obr. 1a). Soubor dat tedy zahrnuje prakticky celé spektrum orných půd ČR z hlediska jejich obsahu organického C ve vrchní vrstvě (0-20cm), přičemž četnost zjištěných hodnot přibližně odpovídá normálnímu rozdělení (Obr. 1b). Obr. 1a: Obsah organického C v orných půdách ČR (% C, n=601) 3,50
Obsah organického C (%C)
3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0
100
200
300
400
500
600
700
Obr. 1b: Obsah organického C v orných půdách ČR. Četnost podle intervalů (% C, n=601)
100
Četnost
80
60
40
20
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Obsah organického C (%C)
Podobně je tomu také u celkového obsahu organického N, který se pohybuje od 0,067 % N do 0,362 % N a více než více než 85 % hodnot se nachází v intervalu od 0,1 % N do 0,2 % N (Obr. 2a). Rovněž poměr C/N se pohybuje v širokém intervalu od 6,4 do 13,1. Většina údajů (více než 83 %) se nachází v intervalu od 8,5 do 10,5 (Obr. 2b).
5
Obr. 2a: Obsah organického N v orných půdách ČR (% C, n=601)
Celkový obsah N (%N)
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000 0
100
200
300
400
500
600
700
Obr. 2b: Poměr C/N v orných půdách ČR (% C, n=601)
14,0
Poměr C/N
12,0
10,0
8,0
6,0 0
100
200
300
400
500
600
700
Celkový obsah S v půdních vzorcích a poměr C/S je znázorněn na Obr. 3a,b. Podobně jako celkový obsah C a N, také obsah S se pohybuje v širokém intervalu od 50 mgS/kg do 764 mgS/kg, téměř 90 % vzorků se však nachází v intervalu od 100 mgS/kg do 300 mgS/kg. Poměr C/S u téměř 90% půdních vzorků spadá do intervalu 50 až 150 (Obr. 3b).
6
Obr. 3a: Obsah organického S v orných půdách ČR (% C, n=600)
Celkový obsah S (mgS/kg)
800,0
600,0
400,0
200,0
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
Obr. 3b: Poměr C/S v orných půdách ČR (% C, n=600) 350,0 300,0
Poměr C/S
250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 0
100
200
300
400
500
600
700
Celkový obsah organického C, N nebo S v půdě tedy vykazuje podobné rozpětí hodnot a relativně úzký interval poměrů C/N, resp. C/S. Také vzájemné vztahy mezi těmito půdními vlastnostmi potvrzují, že mohou být všechny nebo každá z nich považovány za měřítko obsahu půdní organické hmoty. Vyplývá to z vypočtených hodnot regresních přímek a korelačních koeficientů, které jsou uvedeny na Obr. 4 a v Tab. 1. Hodnoty korelačních koeficientů jsou statisticky vysoce významné (P=0,01). V následujících částech této metodiky proto používáme pouze celkový obsah organického C jako měřítko množství půdní organické hmoty.
7
Obr. 4: Vztahy mezi celkovými obsahy C, N a S v půdních vzorcích (% C, N a S, n=600)
0,400
Organický N, resp. S (%)
y = 0,0984x + 0,014 2
R = 0,8978
0,300
Vario Nt Vario S
0,200
y = 0,0091x + 0,0073 2 R = 0,2181
0,100
0,000 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
Organický C (%)
Tab. 1: Hodnoty korelačních koeficientů mezi obsahem organického C, N a S (n=600). Organický S Organický N
Organický C 0,467 0,948
Organický N 0,557
2.3.3. Obsah půdní organické hmoty podle půdních a klimatických podmínek Obsah organické hmoty v půdě je výsledkem jejího dlouhodobého vývoje, především působení půdotvorných faktorů, ale také činnosti člověka, způsobu využití půdy a systému hospodaření. Vzhledem k tomu, že výsledkem působení půdotvorných faktorů i lidské činnosti je také půdní typ a půdní druh, lze si položit otázku, zda jednotlivé kategorie těchto půdních vlastností budou mít určitou specifickou hladinu půdní organické hmoty; zda existují typické hodnoty, resp. intervaly hodnot, obsahu půdní organické hmoty pro jednotlivé půdní kategorie. Vedle půdního typu a půdního druhu posoudíme také dělení podle nadmořské výšky, jako určité charakteristiky klimatických podmínek daného stanoviště. 2.3.3.1. Obsah půdní organické hmoty podle typu půdy Spektrum půd v České republice využívaných jako orné půdy je velmi pestré. Pro účely posouzení jejich obsahu půdní organické hmoty jsme použili zjednodušenou kategorizaci, ve které se rozlišuje jen 11 hlavních půdních typů (Tab. 2). Získané údaje o obsahu organického C v půdě jsme pak přiřadili k těmto jednotlivým kategoriím (Tab. 3).
8
Tabulka 2: Plocha a procentický podíl půdních typů v rámci orných půd ČR
Půdní typ
Zkratka
Černozemě CM Černice CA Fluvizemě FM Hnědozemě HM Luvizemě LM Pseudogleje PG Gleysoly GL Kambizemě KM Rendziny RA Regozemě RG Podzoly PZ Celkem Zdroj: Novák P., VÚMOP, 2002
Plocha orné půdy (tis. ha)
Procentické zastoupení půdních typů (%)
348 55 182 391 157 206 136 1387 114 37 48 3062
11,3 1,8 5,9 12,7 5,1 6,7 4,4 45,0 3,7 1,2 1,6 99,4
Jak je patrné z porovnání tabulky 2 a 3, počty sledovaných lokalit v jednotlivých kategoriích půdních typů přibližně odpovídají podílu půdních typů v rámci orných půd ČR. Podstatně vyšší podíl lokalit je jen na Hnědozemi, což odpovídá tomu, že Hnědozemě patří k nejúrodnějším půdám, převážně využívaným k intenzivní rostlinné produkci. Jejich kvalita je většinou vysoká a současně je relativně vysoká míra jejich antropogenního ovlivnění (pozitivního i negativního). Tabulka 3: Hodnoty obsahu organického C ve vrchní vrstvě 0-20 cm podle půdních typů (% C, n=601). Půdní typ
Zkratka
Černozemě Černice Šedozemě Fluvizemě Hnědozemě Luvizemě Pseudogleje Gleysoly Kambizemě Rendziny Regozemě
CM CA SM FM HM LM PG GL KM RA RG
Počet lokalit 51 3 12 12 210 14 5 6 279 7 2
Průměrný Minimum Maximum obsah C Medián v kategorii v kategorii (% C) (% C) (% C) (% C) 1,55 1,52 0,87 2,14 2,62 2,77 1,96 3,12 1,00 1,01 0,89 1,11 1,66 1,65 1,25 2,10 1,27 1,24 0,69 2,27 1,41 1,38 1,03 2,27 1,66 1,56 1,40 2,30 1,60 1,62 1,25 1,92 1,35 1,31 0,60 3,00 1,62 1,25 1,00 3,23 0,95 0,95 0,72 1,18
Rozpětí hodnot obsahu organického C v jednotlivých půdních typech (minimum a maximum, Tab. 3) je poměrně široké. U většiny půdních typů přesahuje 1 % C, u Kambizemí a Rendzin
9
přesahuje 2 % C. Průměrné hodnoty obsahu C se však u jednotlivých typů půd liší mnohem méně. Porovnáme-li průměrný obsah organického C u Hnědozemí a Kambizemí, rozdíl činí jen 0,08 % C. I když je tento rozdíl statisticky vysoce významný (P=0,01), je relativně malý s ohledem na šíři intervalů v obou půdních typech a tedy není jednoznačným rozlišovacím kritériem mezi obsahem půdní organické hmoty. 2.3.3.2. Obsah půdní organické hmoty podle druhu půdy Hodnoty obsahu organického C v půdě podle půdních druhů jsou uvedeny v Tab. 4. Tabulka 4: Hodnoty obsahu organického C ve vrchní vrstvě 0-20 cm podle půdních druhů (% C, n=598). Půdní druh Hlinitojílovitá Jílovitohlinítá Hlinitá Písčitohlinitá Hlinitopísčitá
Zkratka hj jh h ph hp
Počet lokalit 3 72 286 185 52
Průměrný Minimum Maximum obsah C Medián v kategorii v kategorii (% C) (% C) (% C) (% C) 1,61 1,39 1,03 2,42 1,35 1,24 0,78 3,12 1,43 1,38 0,73 3,23 1,24 1,19 0,60 2,56 1,28 1,27 0,72 2,65
Průměrný obsah organického C je vyšší v těžkých půdách než v lehčích půdách. Rozdíl je patrný mezi kategoriemi půd hlinitých a písčitohlinitých a činí cca 0,2 % C a také mezi kategoriemi jílovitohlinitá a hlinitojílovitá, téměř 0,3 % C. Tyto rozdíly jsou statisticky vysoce průkazné (P=0,01) v případě hlinitých a písčitohlinitých půd, zatímco u hlinitojílovitých půd máme jen 3 lokality, a tak statistické potvrzení tohoto rozdílu není možné. Přesto ale rozpětí zjištěných hodnot obsahu organického C se z převážné části překrývá, podobně jako tomu je mezi kategoriemi půdních typů. 2.3.3.3. Obsah půdní organické hmoty podle nadmořské výšky Hodnoty obsahu organického C v půdě podle půdních druhů jsou uvedeny v Tab. 5. Také při členění půd podle jejich nadmořské výšky jsme nezískali výrazně diferencované rozdíly v obsahu organického C mezi jednotlivými kategoriemi. Tabulka 5: Hodnoty obsahu organického C ve vrchní vrstvě 0-20 cm podle nadmořské výšky (% C, n=598). Nadmořská výška < 300 m 300 - 400 m 400 - 500 m 500 - 600 m > 600 m
Počet lokalit 139 180 170 73 36
Průměrný obsah C (% C) 1,29 1,37 1,39 1,43 1,15
Medián (% C) 1,18 1,31 1,32 1,42 1,01
Minimum v kategorii (% C) 0,69 0,89 0,76 0,76 0,60
Maximum v kategorii (% C) 3,12 3,23 2,45 2,56 2,65
10
Závěr kapitoly 2.3.3. Z výše uvedených výsledků vyplývá, že obsah půdní organické hmoty (organického C v půdě) není výrazně specifický pro jednotlivé půdní kategorie podle půdního typu ani podle půdního druhu. Stejně tak tomu je v případě členění sledovaných lokalit podle jejich nadmořské výšky. Neznamená to, že by vliv půdních a klimatických podmínek na utváření a stabilizaci organických látek v půdě byl nevýznamný. Naopak, široké rozpětí mezi minimálními a maximálními hodnotami ukazuje na vysokou diversitu těchto půdních a klimatických podmínek a jejich působení, které nelze velmi zjednodušeně kategorizovat do půdních druhů, půdních typů nebo podle nadmořské výšky. Je zřejmé, že obsah půdní organické hmoty v dané lokalitě ovlivňuje složitý komplex faktorů, který řídí procesy transformace organických látek v půdě. 2.3.4. Vliv systémů organického a minerálního hnojení na obsah půdní organické hmoty Systémy organického a minerálního hnojení jsou vedle půdních a klimatických podmínek druhým hlavním faktorem, který působí na množství a kvalitu půdní organické hmoty. Především organické hnojení, ale zprostředkovaně také minerální hnojení, zvyšují vstup organické hmoty do půdy a posouvají tak bilanci organických látek k rovnovážným hodnotám nebo i dále směrem k akumulaci organických látek v půdě. Změny v obsahu půdní organické hmoty však probíhají pozvolna, v řádu několika desetiletí (20 až 40 let, podle druhu půdy) a směřují vždy k určité hladině půdní organické hmoty, kterou lze považovat za rovnovážnou v daných půdních a klimatických podmínkách a při daném způsobu hospodaření, včetně systému organického a minerálního hnojení. 2.3.4.1. Dynamika půdní organické hmoty a význam dlouhodobých polních pokusů Vliv systémů hospodaření a také systémů organického a minerálního hnojení na obsah půdní organické hmoty lze nejlépe studovat ve dlouhodobých polních pokusech. Z nich převážně pocházejí naše poznatky o transformaci organických látek a rostlinných živin v půdě, o působení organických a minerálních hnojiv na pěstované plodiny a zejména o následném působení organických a minerálních hnojiv, o vlivu osevních postupů a zpracování půdy na pěstované plodiny a na kvalitu půdy. Je dokumentována celá řada příkladů, kdy změny půdních vlastností mohou probíhat v krátkodobých cyklech (v důsledku průběhu počasí nebo jiných vlivů), avšak tyto změny bývají součástí dlouhodobých změn půdní kvality a funkce ekosystému. Dlouhodobé polní pokusy umožňují oddělit vliv krátkodobých, epizodických faktorů od dlouhodobých trendů a tyto trendy správně analyzovat. Z dlouhodobých polních pokusů byl také odvozen koncept „dynamické rovnováhy“ půdní organické hmoty, který doplnil a částečně nahradil dřívější bilanční princip v praktických aplikacích. Koncept dynamické rovnováhy znamená, že změna způsobu obhospodařování (organického a minerálního hnojení, osevního postupu, agrotechniky) nastartuje změny v obsahu půdní organické hmoty, které probíhají několik desetiletí. Pokud tento systém hospodaření trvá dostatečně dlouhou dobu beze změn, vytvoří se nová dynamická rovnováha, při níž je vstup organické hmoty do půdy a její rozklad a mineralizace vyrovnaný. Takováto dynamická rovnováha pak trvá do té doby, než nastane další záměrná nebo bezděčná změna vnějších podmínek (např. změna atmosférické deposice dusíku, která byla zaznamenaná ve dlouhodobých pokusech v Bad Lauchstädt v Německu, v 60. a 70. létech po vybudování a uvedení do provozu velkých chemických továren poblíž polních pokusů).
11
Vnější vlivy na půdní systém přetrvávají dlouhou dobu, až několik desetiletí. Ekosystém má dlouhodobou „paměť“, která mohla být objevena a může být sledována pouze ve dlouhodobých polních pokusech. Příkladem může být polní pokus v Halle, v Německu, založený v roce 1878 a nazvaný „Věčné pěstování žita“ (Ewiger Roggenbau). V roce 1953 byla část parcely hnojené hnojem od počátku pokusu oddělena a na této oddělené části parcely nebyla nadále aplikována žádná hnojiva, ani organická, ani minerální. Výnosy žita pozvolna klesaly, avšak i po 40 létech zůstávaly na úrovni o 20 % vyšší než na kontrolní parcele, nehnojené od počátku pokusu. Velmi významná je v této souvislosti ale i ta skutečnost, že odběry půdních vzorků, jejich zpracování a analýzy jsou vždy zatíženy určitou chybou, která je obvykle vyšší než změna obsahu organického C v půdě během jednoho roku. Z toho důvodu lze spolehlivě vyhodnotit vliv určitého systému hnojení, osevního postupu, způsobu zpracování půdy, případně dalších faktorů na změny obsahu půdní organické hmoty pouze na základě dlouhodobého sledování, delších časových řad a statistického zpracování dat. 2.3.4.2. Vliv organického a minerálního hnojení na hladinu půdní organické hmoty Ve VÚRV, v.v.i. jsou vedeny dlouhodobé polní pokusy přímo v Ruzyni a také na pokusných stanicích v různých půdních a klimatických podmínkách. V tabulce 6 je uveden přehled dlouhodobých polních pokusů, ve kterých sledujeme změny v množství a kvalitě půdní organické hmoty. Všechny pokusy probíhají již více než 20 let, některé více než 50 let. Kromě toho ale jsou lokalizovány tak, že tvoří téměř plynulou klima a pedosekvenci, představující celou škálu orných půd v České republice. Je to zřejmé z nadmořské výšky, která sahá od 225 m v Ivanovicích na Hané až po Vysoké nad Jizerou, v nadmořské výšce 670 m, tj. v přibližně hraniční nadmořské výšce orných půd. Je to zřejmé také z porovnání škály půdních typů a půdních druhů, na nichž jsou pokusy prováděny a zastoupení půdních typů v ČR (Tab. 2). Je to zřejmé i z průměrných ročních teplot a sumy srážek. Takováto paleta dlouhodobých polních pokusů je unikátní nejen v rámci České republiky, ale i v evropském měřítku. Vybrali jsme 4 varianty hnojení, a to vedle nehnojené kontroly (Kontrola) variantu hnojenou jen minerálně (NPK), variantu hnojenou jen hnojem (Hn) a variantu hnojenou kombinovaně, organicky i minerálně (Hn+NPK). V pokusech VOP varianta jen minerálně hnojená chybí. Sledované parcely jsme vybírali tak, aby dávky hnoje i minerálních hnojiv byly pokud možno podobné. Kombinovaná varianta je hnojena stejnými dávkami organických a minerálních živin jako varianty hnojené jen hnojem a jen minerálně (dávka živin je součtem obou) a představuje přibližně optimální systém hnojení z hlediska produkce.
12
Tabulka 6: Dlouhodobé polní pokusy a základní charakteristiky stanoviště Rok založení
Nadmořs ká výška (m)
1956
225
1984
225
Čáslav VOP
1956
240
Hněvčeves PF
1979
265
Kostelec PF
1979
290
Ruzyně B
1955
340
Ruzyně III
1955
340
Ruzyně IV
1955
340
Trutnov
1966
427
Humpolec PF
1979
525
Pernolec PF
1979
530
Lukavec VOP
1956
610
Lukavec IOSDV
1984
610
Vysoké PF
1979
670
Stanice/Pokusy Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV
Půdní typ Černozem modální Černozem modální Šedozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Kambizem modální Kambizem modální slabě oglejená Kambizem oglejená Kambizem oglejená Kambizem oglejená Kambizem dystrická pseudoglejová
Půdní druh
Průměrná Průměrná roční roční suma teplota srážek o ( C) (mm)
Hlinitá
8,8
549
Hlinitá
8,8
549
Hlínitá
8,9
555
8,2
573
7,6
681
7,9
472
7,9
472
7,9
472
7,5
750
6,5
667
7,1
559
6,8
667
6,8
667
6,5
995
Jílovito - hlinitá Písčitohlinitá Jílovito - hlinitá Jílovito - hlinitá Jílovito - hlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Hlinitopísčitá
Poznámka: zkratky za jménem stanice představují typy pokusů a jejich názvy: VOP je série výživářských pokusů, IOSDV jsou mezinárodní pokusy zaměřené na organický N v půdě a hnojení, PF jsou polyfaktoriální pokusy, B a římské číslice v Praze Ruzyni byly původně založeny podle stejného schéma, od roku 1965 byl na honu B změněn osevní postup a intenzita hnojení.
Obsah C v půdních vzorcích z vybraných pokusů a variant je uveden v tabulce 7. Pohybuje se v relativně širokém intervalu od 0,95 % C do 2,06 % C a je diferencován jednak podle lokalit (půdní a klimatické podmínky dané lokality), jednak podle systému hnojení. Obsah organického C v jednotlivých variantách hnojení v daném pokusu lze v pokusech, které trvají cca 30 let a více, považovat za stabilizovaný, ve stavu dynamické rovnováhy mezi vstupem organických látek a jejich rozkladem a mineralizací. U později založených pokusů lze předpokládat, že se k této hladině přibližuje.
13
Tabulka 7: Průměrný obsah organického C v půdních vzorcích z vybraných pokusů a variant Pokusy/Varianty Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV Čáslav VOP Hněvčeves PF Kostelec PF Ruzyně B Ruzyně III Ruzyně IV Trutnov Humpolec PF Pernolec PF Lukavec VOP Lukavec IOSDV Vysoké PF
Kontrola 1,80 1,48 1,24 1,08 0,95 1,20 1,22 1,26 1,06 1,43 0,99 1,33 1,26 1,67
NPK 1,43 1,12 0,99 1,28 1,27 1,34 1,19 1,51 1,01 1,29 1,55
Hn 1,99 1,72 1,39 1,13 1,03 1,46 1,33 1,41 1,25 1,58 1,09 1,44 1,46 1,73
Hn+NPK 2,06 1,79 1,48 1,13 1,05 1,47 1,37 1,47 1,31 1,56 1,12 1,50 1,57 1,79
Rozdíly v obsahu C mezi stejnými variantami v různých pokusech (lokalitách) tak vyjadřují skutečnost, že obsah C v půdě je převážně určen místními půdními a klimatickými podmínkami. V nehnojených variantách se obsah C pohyboval mezi 0,95 % C a 1,80 % C, tj. téměř dvojnásobek obsahu C v Ivanovicích VOP než v Kostelci. Rozdíly v obsahu C mezi variantami hnojení v jednotlivých pokusech představují účinek dlouhodobého systému organického a minerálního hnojení na množství C v půdě. Tyto rozdíly se pohybovaly mezi 0,06 % C v Hnědozemi v Hněvčevsi a 0,32 % C v Kambizemi v Lukavci. Relativně, vzhledem k obsahu C v nehnojených variantách, činily tyto rozdíly cca 5 až 25 %. ´ Působení organického hnojení hnojem na změnu obsahu C v půdě je ve všech případech pozitivní, pohybuje se kolem 0,1 % C až 0,2 % C, a je vyšší v Kambizemích a v Černozemi než v Hnědozemích. Působení minerálního hnojení na změnu obsahu organického C v půdě je pozitivní v Hnědozemích a v modálních a oglejených Kambizemích. Pohybuje se mezi 0,02 až 0,12 % C. V Černozemi a v dystrické Kambizemi je však vliv minerálního hnojení na obsah organického C v půdě mírně negativní, tj. minerální hnojení v těchto půdách zvýšilo intenzitu rozkladu a mineralizace půdní organické hmoty více, než produkci primárních organických látek vstupujících do půdy (posklizňové zbytky, nadzemní a kořenový opad, kořenové exudáty). Vliv kombinovaného organického a minerálního hnojení v přibližně optimálních dávkách se projevuje aditivně, tj. přírůstek obsahu organického C v půdě ve variantách Hn+NPK je ve většině pokusů přibližně roven přírůstku obsahu organického C v příslušné minerálně hnojené variantě plus přírůstku obsahu organického C v příslušné variantě hnojené hnojem. Změny obsahu organického C v půdě v důsledku organického a minerálního hnojení ve dlouhodobých pokusech VÚRV, v.v.i. jsou uvedeny v tabulce 8. Závěr kapitoly 2.3.4. Množství půdní organické hmoty (organického C) je místně specifické. Rozdíly v obsahu organického C mezi dlouhodobě nehnojenými parcelami jednotlivých pokusů jsou relativně velké, od 0,95 % C do 1,80 % C, zatímco vliv přibližně optimálního kombinovaného organického a minerálního hnojení se v jednotlivých pokusech pohybuje jen od 0,06 % C do 0,32 % C. 14
Pro posouzení hladiny půdní organické hmoty je tedy rozhodující vliv lokality, zatímco vliv hnojení se pohybuje na úrovni 5 až 25 % zvýšení obsahu organického C oproti příslušným dlouhodobě nehnojeným variantám. Jak ukázaly údaje na Obr. 1 a v Tab. 3 až 5, obsah organického C v půdě se ve většině orných půd pohybuje v intervalu 1 % C až 2 % C a přechod mezi těmito hodnotami je plynulý. Totéž platí při kategorizaci půd podle půdního typu, podle půdního druhu i podle nadmořské výšky, takže samotné stanovení celkového obsahu organické hmoty v půdě (tj. obsahu organického C, N nebo S) nestačí pro posouzení, zda půda v této lokalitě má optimální, nízkou nebo vysokou zásobu organické hmoty. K tomu účelu je nutno znát další vlastnosti půdy a půdní organické hmoty, které lze souhrnně označit za kvalitativní znaky půdní organické hmoty, zkráceně její kvalitu. Tabulka 8: Změna obsahu organického C v půdě v důsledku organického a minerálního hnojení ve dlouhodobých polních pokusech VÚRV, v.v.i. (rozdíl oproti nehnojené kontrole, průměrné hodnoty, % C). Pokusy/Varianty Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV Čáslav VOP Hněvčeves PF Kostelec PF Ruzyně B Ruzyně III Ruzyně IV Trutnov Humpolec PF Pernolec PF Lukavec VOP Lukavec IOSDV Vysoké PF Průměr
Půdní typ Černozem modální Černozem modální Šedozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Hnědozem modální Kambizem modální Kambizem modální slabě oglejená Kambizem oglejená Kambizem oglejená Kambizem oglejená Kambizem dystrická pseudoglejová
Půdní druh
NPK
Hn
Hn+NPK
0,19
0,26
0,23
0,31
0,15
0,24
0,05
0,06
0,06
0,04
0,08
0,10
0,09
0,26
0,27
0,05
0,11
0,15
0,08
0,15
0,21
0,12
0,18
0,25
0,08
0,15
0,13
0,02
0,10
0,13
0,11
0,18
0,03
0,20
0,32
-0,12
0,06
0,11
0,035
0,145
0,193
Hlinitá Hlinitá
-0,05
Hlinitá Jílovitohlinitá Písčitohlinitá Jílovitohlinitá Jílovitohlinitá Jílovitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Písčitohlinitá Hlinitopísčitá
15
2.4. Kvalita půdní organické hmoty Hodnocení kvality půdní organické hmoty má velmi dlouhou historii. Bylo tradičně založeno na její extrakci, frakcionaci a charakteristice jednotlivých frakcí s využitím všech dostupných chemických postupů. První práce na toto téma pocházejí již z konce 18. století. Waksmann (1936) zmiňuje práci Acharda z roku 1786, ve které autor popsal extrakci humusu alkalickým roztokem. Pojem huminové kyseliny se v odborné literatuře vyskytuje od počátku 19. století dodnes, i když jeho význam se vyvíjel. Ve více než dvousetleté historii výzkumu humusu vzniklo obrovské množství prací převážně chemického charakteru, jejichž cílem bylo poznat podstatu humusu, jeho vznik a jeho význam v půdě, především pro půdní úrodnost a pro kvalitu půdy. Je to pochopitelné, protože půdní úrodnost limitovala produkci potravin v prakticky celé historii vývoje lidské společnosti. Potřeba potravin byla vždycky prioritou, srovnatelnou snad jen s humánní medicínou a potřebou zbraní a vojenské techniky. Dodnes se ale nepodařilo najít chemické struktury extrahovaných humusových látek, které by bylo možno považovat za jednoznačné znaky kvality půdní organické hmoty z hlediska půdní úrodnosti. Větší praktické využití v hodnocení kvality půdní organické hmoty z hlediska půdní úrodnosti doznaly pouze poměr obsahu huminových kyselin a fulvokyselin a také barevný koeficient Q4:6. Obě tyto charakteristiky indikují podíl látek s vysokou molekulovou hmotností (převážně huminových kyselin) v extraktu alkalickými činidly. 2.4.1. Kvalita půdní organické hmoty podle obsahu humusových látek, podílu huminových kyselin a fulvokyselin, barevný koeficient Q4:6 . Pro posouzení kvality půdní organické hmoty podle složení humusových látek máme k dispozici výsledky frakcionace humusových látek půdních vzorků z vybraných 81 parcel dlouhodobých polních pokusů. V tabulce 8 jsou uvedeny průměrné hodnoty získaných výsledků, jednak za celý soubor, jednak v členění na Hnědozemě a Kambizemě. V tabulce 9 jsou procentické podíly jednotlivých frakcí C humusových látek z celkového obsahu organického C, a to opět za celý soubor a v členění na Hnědozemě a na Kambizemě. Extrahovatelné humusové látky (zde extrakce alkalickým pyrofosfátem sodným) představují zhruba 40 % - 50 % celkového obsahu C v půdních vzorcích a neextrahovatelný zbytek je považován za humin. Podíl extrahovatelných humusových látek je poněkud vyšší v Kambizemích než v Hnědozemích. Ještě výrazněji se ale odlišuje podíl huminových kyselin a fulvokyselin v půdních vzorcích. V Hnědozemích je podíl huminových kyselin vyšší než fulvokyselin, zatímco v Kambizemích je tomu naopak. Poměr obsahu C huminových kyselin a fulvokyselin je v Hnědozemích roven 1,69 , zatímco v Kambizemích je jen 0,83. Výrazně se také odlišují hodnoty koeficientu Q4:6 v Hnědozemích a v Kambizemích. V Kambizemích se pohybují kolem 5,15, zatímco v Hnědozemích jsou v průměru 4,31, což také odpovídá předpokladu, že podíl nízkomolekulárních humusových látek (fulvokyselin) je v Kambizemích vyšší. Tuto skutečnost podporuje i statisticky vysoce významná korelace mezi oběma vlastnostmi humusových látek (r=0,630). Různé půdní typy, zde Hnědozemě a Kambizem se liší v zastoupení frakcí huminových kyselin a fulvokyselin a také v barevném koeficientu. Zajímalo nás, zda také různé organické a/nebo minerální hnojení ovlivní složení a vlastnosti humusových látek. Rozdělení souboru dat podle variant hnojení, které je uvedeno v tabulkách 10 a 11 však nepřineslo žádné výrazné rozdíly ve sledovaných vlastnostech humusových látek v důsledku organického a/nebo minerálního hnojení.
16
Tabulka 8: Průměrný obsah celkového organického C, C alkalického výluhu, huminových kyselin, fulvokyselin, poměr HK/FK a barevný koeficient Q4:6 v půdních vzorcích z vybraných parcel dlouhodobých pokusů a členění na Hnědozemě a Kambizemě (% C, n=81).
Průměr Medián Průměr Medián Průměr Medián
Obsah C Obsah C Průměrný Obsah C Obsah C v alkalickém huminových obsah C fulvokyselin v huminu výluhu kyselin (% C) (%C) (%C) (%C) (%C) Celý soubor 1,103 0,451 0,245 0,206 0,651 1,030 0,424 0,236 0,172 0,599 Hnědozemě 1,026 0,405 0,244 0,161 0,621 0,966 0,399 0,232 0,152 0,571 Kambizemě 1,295 0,568 0,248 0,321 0,727 1,249 0,518 0,237 0,295 0,706
Q4:6 Poměr HK HK/FK 4,59 4,43
1,44 1,32
4,31 4,31
1,69 1,69
5,16 5,20
0,83 0,78
Tabulka 9: Procentický podíl frakcí humusových látek na celkovém obsahu C v půdních vzorcích z vybraných parcel dlouhodobých pokusů a členění na Hnědozemě a Kambizemě (průměrné hodnoty, %, n=81). Alkalický výluh Průměr Median
41,15 42,07
Průměr Median
39,91 41,04
Průměr Median
44,28 44,39
Huminové kyseliny Fulvokyseliny Celý soubor 22,88 18,27 22,54 17,06 Hnědozemě 24,21 15,70 24,21 15,74 Kambizemě 19,53 24,76 19,49 24,42
Humin 58,85 57,93 60,09 58,96 55,72 55,61
17
Tabulka 10: Průměrný obsah celkového organického C, C alkalického výluhu, huminových kyselin, fulvokyselin, poměr HK/FK a barevný koeficient Q4:6 v půdních vzorcích z vybraných parcel dlouhodobých pokusů v členění podle organického a minerálního hnojení (% C, n=81).
Průměr Medián Průměr Median Průměr Median Průměr Median Průměr Median Průměr Median
Obsah C Obsah C Průměrný Obsah C Obsah C v alkalickém huminových obsah C fulvokyselin v huminu výluhu kyselin (% C) (%C) (%C) (%C) (%C) Nehnojená kontrola 1,103 0,451 0,245 0,206 0,651 1,030 0,424 0,236 0,172 0,599 Hnůj + PK 1,059 0,446 0,241 0,205 0,613 0,944 0,425 0,225 0,172 0,528 Minerální hnojení NPK 0,989 0,437 0,242 0,195 0,552 0,920 0,403 0,223 0,164 0,542 Hnůj+NPK 1,111 0,466 0,250 0,217 0,644 1,026 0,439 0,231 0,176 0,601 2Hnůj+NPK 1,136 0,458 0,261 0,197 0,677 1,094 0,414 0,245 0,167 0,672 Hnůj+2NPK 1,092 0,452 0,260 0,192 0,640 0,984 0,416 0,260 0,154 0,618
Q4:6 Poměr HK HK/FK 4,59 4,43
1,442 1,324
4,602 1,404 4,360 1,328 4,544 1,432 4,405 1,249 4,521 1,449 4,470 1,282 4,733 1,463 4,525 1,516 4,579 1,664 4,430 1,733
18
Tabulka 11: Procentický podíl frakcí humusových látek na celkovém obsahu C v půdních vzorcích z vybraných parcel dlouhodobých pokusů v členění podle organického a minerálního hnojení (průměrné hodnoty, %, n=81).
Průměr Median Průměr Median Průměr Median Průměr Median Průměr Median Průměr Median
Alkalický Huminové výluh kyseliny Fulvokyseliny Nehnojená kontrola 41,15 22,88 18,27 42,07 22,54 17,06 Hnůj + PK 42,29 23,52 18,77 44,54 23,18 19,43 Minerální hnojení NPK 43,71 24,61 19,11 43,44 24,33 19,12 Hnůj+NPK 42,02 23,19 18,83 42,82 23,12 17,80 2Hnůj+NPK 40,20 23,04 17,16 40,52 22,14 15,74 Hnůj+2NPK 41,52 24,30 17,22 43,85 23,25 16,04
Humin 58,85 57,93 57,71 55,46 56,29 56,56 57,98 57,18 59,80 59,48 58,48 56,15
Závěr kapitoly 2.4.1. Frakcionace humusových látek prokázala výrazné rozdíly mezi podílem C huminových a C fulvokyselin, v poměru HK/FK a také v barevném koeficientu huminových kyselin Q4:6 na jednotlivých lokalitách. Hnědozemě mají poměr HK/FK přibližně 1,6, zatímco Kambizemě jen asi 0,8. Podobně výrazný rozdíl se projevil v barevném koeficienti Q4:6; v Hnědozemích se pohyboval kolem 4,3 a v Kambizemích kolem 5,2. Rozdíly v organickém a minerálním hnojení se na kvalitě humusových látek výrazně neprojevily. 2.4.2. Kvalita půdní organické hmoty podle IR spekter, alifatická C-H infračervená pásma, index hydrofobnosti Metody stanovení kvality půdní organické hmoty založené na extrakci půdy různými činidly mají tu nevýhodu, že především v důsledku vazby půdní organické hmoty na minerální částice je jejich extrakce neúplná. Podle různých druhů použitých vyluhovadel lze extrahovat větší či menší část půdní organické hmoty, přičemž je ale nutno počítat s tím, že dochází k větším či menším změnám její chemické struktury již v průběhu extrakce. Jako perspektivní metody hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty se v poslední době jeví nedestruktivní spektroskopické metody, zejména reflexní spektroskopie v infračervené (DRIFT) a blízké infračervené oblasti (NIRS). Transmisní IR spektroskopie je používána ve velkém měřítku pro charakterizaci komplexů organických molekul, včetně humusových látek extrahovaných z půdy a jejich nejrůznějších frakcích. Pro neporušené půdní vzorky lze použít difusní reflexe, běžně známé jako DRIFT (diffuse reflectance infrared fourier transform spectroscopy) za použití FTIR (Fourier transform infrared) spektrometru. Tato metoda je úspěšně používána ke kvalitativním a 19
kvantitavním analýzám různých typů pevných vzorků jako jsou např. rašelina a komposty, uhlí a z něho odvozené deriváty, cukry, minerály apod. Capriel et al. (1995) aplikovali tuto metodu na půdní vzorky za účelem stanovení hydrofobicity organické hmoty v široké škále orných půd s odlišnou texturou a obsahem organického C. Hydrofobnost půdní organické hmoty je především způsobena alifatickými C-H jednotkami přítomnými v methylových, methylenových a methinových skupinách a je definována jako plocha alifatických C-H infračervených pásem v oblasti 2800-3000 cm-1 na jednotku celkového obsahu organického C. U nás se touto problematikou zabývá Šimon, který publikoval řadu prací ve vědeckých časopisech (Šimon 2005, 2007a, 2007b). Plocha alifatických C-H infračervených pásem se v našem souboru půdních vzorků pohybuje od 0,081 do 4,613 a hodnoty koeficientů hydrofobnosti od 0,11 do 3,19. Většina naměřených hodnot (80 %) se pohybuje od 1,07 do 2,46 u alifatických pásem a od 0,78 do 1,71 u indexu hydrofobnosti. Podobně jako u celkového obsahu organického C jsme také v tomto případě rozdělili soubor podle půdních typů a půdních druhů a také podle nadmořské výšky odběrových míst. Výsledky jsou uvedeny v tabulkách 12 až 19 a na Obr. 5. 2.4.2.1. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle půdních typů Hodnoty alifatických pásem infračervených spekter půdních vzorků v dělení podle půdních typů jsou uvedeny v tabulce 12. V tabulce 13 jsou hodnoty indexů hydrofobnosti stejných půdních vzorků. Přestože se rozsahy jak alifatických pásem, tak indexů hydrofobnosti v jednotlivých půdních typech překrývají, jsou zřetelné rozdíly mezi kategoriemi. Alifatická pásma v Hnědozemích a v Šedozemích se pohybují kolem 1,3 až 1,4, zatímco v Kambizemích je průměrná hodnota 1,88 (medián 1,77). V Černozemích jsou průměrné hodnoty alifatických pásem poněkud vyšší než u Hnědozemí, rozdíl je ale malý. Méně vyvinuté půdy jako Rendziny, Pseudogleje a Gleysoly mají vysoké hodnoty alifatických pásem v infračervených spektrech. Tabulka 12: Průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle půdních typů (n=601).
Půdní typ
Zkratka
Černozemě Černice Šedozemě Fluvizemě Hnědozemě Luvizemě Pseudogleje Gleysoly Kambizemě Rendziny Regozemě Celkem
CM CA SM FM HM LM PG GL KM RA RG
Alifatické Alifatické Počet Minimum Maximum látky látky lokalit v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 51 3 12 12 210 14 5 6 279 7 2 601
1,53 2,30 1,28 1,89 1,44 1,82 2,49 2,29 1,88 2,11 1,63
1,36 2,08 1,25 1,15 1,43 1,85 2,08 2,39 1,77 1,71 1,63
0,89 1,86 0,96 1,30 0,08 1,07 1,66 1,79 0,87 1,51 1,30
4,61 3,36 1,96 2,65 3,72 2,30 4,37 2,72 4,58 3,31 1,96
20
Hodnoty indexu hydrofobnosti ukazují podobné relace, rozdíly však jsou méně výrazné. Rozdíl mezi dvěma hlavními představiteli orných půd, Hnědozeměmi a Kambizeměmi v průměrných hodnotách indexu hydrofobnosti je 0,27, což zhruba odpovídá 20 % rozsahu v intervalu 80 % naměřených hodnot. Oproti alifatickým pásmům IR spekter se setřel rozdíl mezi méně vyvinutými půdami (Rendziny, Pseudogleje a Gleysoly) a Kambizeměmi. Tabulka 13: Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti HI půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle půdních typů (n=601).
Půdní typ
Zkratka
Černozemě Černice Šedozemě Fluvizemě Hnědozemě Luvizemě Pseudogleje Gleysoly Kambizemě Rendziny Regozemě Celkem
CM CA SM FM HM LM PG GL KM RA RG
Počet lokalit 51 3 12 12 210 14 5 6 279 7 2 601
Index Index hydrofobnosti hydrofobnosti (průměr) (medián)
Minimum v kategorii
Maximum v kategorii
1,02 1,25 1,29 1,15 1,14 1,32 1,45 1,43 1,41 1,38 1,73
0,61 0,67 1,08 0,97 0,11 0,76 1,08 1,27 0,61 0,92 1,65
3,19 1,20 1,80 1,44 2,35 1,67 1,90 1,62 2,33 2,11 1,80
0,89 1,10 1,22 1,13 1,21 1,40 1,47 1,45 1,37 1,37 1,73
2.4.2.2. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle půdních druhů Hodnoty alifatických pásem infračervených spekter půdních vzorků v dělení podle půdních druhů jsou uvedeny v tabulce 14. V tabulce 15 jsou hodnoty indexů hydrofobnosti stejných půdních vzorků. Podobně jako při dělení podle půdního typu se rozsahy naměřených hodnot alifatických pásem i indexů hydrofobnosti podle jednotlivých kategorií překrývají. V souboru nejvíce zastoupené středně těžké půdy (hlinitá a písčitohlinitá) vykazují podobné hodnoty alifatických IR pásem, a to 1,75, resp. 1,71. V jílovitohlinitých půdách je průměrná hodnota alifatických pásem nižší (1,24) a v hlinitopísčitých půdách vyšší (1,90). V kategorii hlinitojílovitých půd máme pouze 3 lokality, což neumožňuje tuto kategorii hodnotit.
21
Tabulka 14: Průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle půdních druhů (n=600). Půdní druh Hlinitojílovitá Jílovitohlinitá Hlinitá Písčitohlinitá Hlinitopísčitá
Zkratka hj jh h ph hp
Celkem
Počet lokalit 3 72 286 187 52 600
Alifatické Alifatické Minimum Maximum látky látky v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 2,37 1,83 1,55 3,73 1,28 1,30 0,44 3,36 1,75 1,71 0,08 4,61 1,71 1,60 0,87 4,58 1,90 1,71 1,11 3,80
Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti naproti tomu jasně rozlišují jednotlivé kategorie půdních druhů. Pomineme-li opět 3 lokality v kategorii hlinitojílovitých půd, dostaneme vzestupnou škálu průměrných hodnot indexu hydrofobnosti v kategoriích podle zrnitosti od těžkých k lehkým půdám (Tab. 15). Tabulka 15: Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti HI půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle půdních druhů (n=600).
Půdní druh Hlinitojílovitá Jílovitohlinitá Hlinitá písčitohlinitá hlinitopísčitá Celkem
Index Index Počet Minimum Maximum Zkratka hydrofobnosti hydrofobnosti lokalit v kategorii v kategorii (průměr) (medián) hj jh h ph hp
3 72 286 187 52 600
1,45 0,96 1,23 1,40 1,51
1,50 1,07 1,25 1,35 1,43
1,32 0,38 0,11 0,73 0,98
1,54 1,66 3,19 2,24 2,33
2.4.2.3. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti půdních vzorků podle nadmořské výšky Dělení lokalit podle nadmořské výšky jsme použili proto, že nadmořská výška nepochybně charakterizuje půdotvorné faktory včetně klimatických podmínek i způsoby zemědělského využívání půdy. Bližší definice vztahů mezi nadmořskou výškou a půdními a klimatickými podmínkami (případně i systémů hospodaření) by si vyžádala obsáhlé rozbory a mnoho těžko dostupných údajů. Velmi podstatné však je, že údaje o nadmořské výšce jsou běžně k dispozici a použitelné pro praktické účely. Průměrné hodnoty alifatických pásem infračervených spekter a indexů hydrofobnosti půdních vzorků v členění podle nadmořské výšky jsou uvedeny v Tabulkách 16 a 17. Rozpětí hodnot alifatických pásem i indexu hydrofobnosti v jednotlivých kategoriích podle nadmořské výšky je opět velké a vzájemně se překrývá. Průměrné hodnoty alifatických pásem ale jasně ukazují vrcholovou závislost (zejména medián) s maximálními hodnotami v kategorii 400 až 500 m (cca 1,88) a klesajícími hodnotami v okolních kategoriích. Nejnižší
22
průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter i indexu byly zjištěny v půdních vzorcích z lokalit v nadmořské výšce pod 300 m. Tabulka 16: Průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle nadmořské výšky (n=597). Nadmořská výška
Počet lokalit
< 300 m 300 - 400 m 400 - 500 m 500 - 600 m > 600 m Celkem
139 180 169 73 36 597
Alifatické Alifatické Minimum Maximum látky látky v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 1,44 1,35 0,08 3,36 1,62 1,63 0,44 3,31 1,88 1,86 0,39 4,37 1,85 1,70 1,04 4,58 1,80 1,61 1,09 3,80
Tabulka 17: Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti HI půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle nadmořské výšky (n=597). Nadmořská výška < 300 m 300 - 400 m 400 - 500 m 500 - 600 m > 600 m Celkem
Index Index Počet Minimum Maximum hydrofobnosti hydrofobnosti lokalit v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 139 180 169 73 36 597
1,17 1,19 1,34 1,29 1,68
1,17 1,25 1,36 1,27 1,68
0,11 0,38 0,36 0,73 0,98
2,11 2,74 2,33 1,95 2,24
2.4.2.4. Alifatická pásma IR spekter a indexy hydrofobnosti ve dlouhodobých polních pokusech podle organického a minerálního hnojení Pro posouzení vlivu organického a minerálního hnojení na kvalitu půdní organické hmoty podle velikosti alifatických pásem IR spekter a indexu hydrofobnosti jsme využili data z dlouhodobých polních pokusů. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 18 a 19. I když je rozpětí hodnot v jednotlivých kategorií opět vysoké, průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter půdních vzorků v různých variantách organického a minerálního hnojení jsou jednoznačně diferencovány (Tab. 18). Všechny hnojené varianty vykazují výrazně vyšší hodnoty alifatických pásem než nehnojené kontroly. Účinek organického hnojení je vyšší než minerálního hnojení a v kombinovaných variantách hnojených hnojem i minerálně se účinek obou sečítá.
23
Tabulka 18: Průměrné hodnoty alifatických pásem IR spekter půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm vybraných variant dlouhodobých polních pokusů podle organického a minerálního hnojení (n=194). Počet lokalit
Alifatické látky Nehnojená kontrola Hnůj + PK Minerální hnojení NPK Hnůj+NPK 2Hnůj+NPK Hnůj+2NPK Celkem
41 45 29 45 17 17 194
Alifatické Alifatické Minimum Maximum látky látky v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 1,16 1,14 0,44 2,27 1,37 1,33 0,76 2,13 1,30 1,36 0,58 2,19 1,52 1,53 0,79 2,16 1,59 1,57 1,34 1,93 1,54 1,45 1,28 2,07
Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti rovněž jasně odlišily hnojené varianty od nehnojených, s výjimkou variant hnojených jen minerálně, kde průměrná hodnota indexu hydrofobnosti je na úrovní nehnojené varianty (Tab. 19). V kombinovaně hnojených variantách je ale účinek minerálního hnojení patrný (hodnoty indexu hydrofobnosti jsou vyšší než ve variantách hnojených jen organicky). Tabulka 19: Průměrné hodnoty indexu hydrofobnosti půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm vybraných variant dlouhodobých polních pokusů podle organického a minerálního hnojení (n=194). Index hydrofobnosti Nehnojená kontrola Hnůj + PK Minerální hnojení NPK Hnůj+NPK 2Hnůj+NPK Hnůj+2NPK Celkem
Počet lokalit 41 45 29 45 17 17 194
Index Index Minimum Maximum hydrofobnosti hydrofobnosti v kategorii v kategorii (průměr) (medián) 1,15 1,18 0,38 2,24 1,24 1,22 0,56 2,10 1,14 1,32 1,35 1,33
1,20 1,31 1,32 1,33
0,48 0,60 0,98 1,00
2,01 2,18 1,82 1,73
2.4.2.5. Vztah mezi plochami alifatických pásem IR spekter a indexy hydrofobnosti (n=601). Plochy alifatických pásem IR spekter i index hydrofobnosti jsou kvalitativní znaky, které vycházejí ze stejného principu měření, nejsou ale identické. Ukazuje to obrázek 5, na kterém je uveden vztah mezi oběma vlastnostmi půdních vzorků v celém souboru dat. Z obrázku je patrné, že v oblasti nižších hodnot je vztah téměř plně lineární, zatímco v oblasti vyšších hodnot nastává mnohem vyšší variabilita. Hodnota korelačního koeficientu je r=0,6366, tedy statisticky vysoce významná korelace, přesto je třeba vzít v úvahu, že přímý vztah mezi hodnotami alifatických pásem a indexem hydrofobnosti platí v oblasti nižších hodnot těchto vlastností, v oblasti jejich vyšších hodnot je ale volnější a méně spolehlivý.
24
Obr. 5: Vztah mezi plochami alifatických pásem IR spekter a indexy hydrofobnosti v půdních vzorcích (n=601)
Index hydrofobnosti (HI)
3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
1
2
3
4
5
Alifatická pásma IR spekter
Závěr kapitoly 2.4.2. Stanovení plochy alifatických pásem infračervených spekter (DRIFT) půdních vzorků i index hydrofobnosti prokázaly rozlišovací schopnosti těchto půdních vlastností podle půdních typů, půdních druhů i podle nadmořské výšky. Rozdíly mezi průměrnými hodnotami v jednotlivých kategoriích se pohybovaly až kolem 20%. Obě charakteristiky také reflektovaly působení organického a minerálního hnojení ve vybraných parcelách dlouhodobých polních pokusů. Výše uvedené výsledky ukázaly, že jak plocha alifatického pásma infračervených spekter, tak také index hydrofobnosti jsou použitelné kvalitativní znaky půdní organické hmoty, podobně nebo ještě více citlivé než klasické znaky, poměr huminových kyselin a fulvokyselin nebo barevný koeficient Q4:6. Jejich velkou předností je ale podstatně nižší pracovní náročnost. Zatímco frakcionace humusových látek trvá několik dní, IR spektra lze stanovit v řádu minut. 2.4.3. Koncept rozložitelné a stabilní části půdní organické hmoty a jeho agronomický význam Výše zmíněný ryze chemický přístup k hodnocení kvality půdní organické hmoty však není jediný možný. Z hlediska možností praktické aplikace pro hodnocení vývoje půdní úrodnosti se zdá být mnohem nadějnější postup, který kombinuje empirická data z dlouhodobých polních pokusů a jednoduché, snadno a rychle měřitelné (pokud možno nedestruktivním způsobem zjistitelné) vlastnosti půdních vzorků. V podstatě jde o to, že většina půdní organické hmoty je stabilní, prakticky téměř inertní. Ukázaly to mimo jiné radiokarbonové studie, podle nichž se poločas rozkladu huminových kyselin pohyboval řádově v tisíciletích. Stabilní část půdní organické hmoty příznivě působí na zejména fyzikální a fyzikálně chemické vlastnosti půdy, prakticky se ale neúčastní přeměn organických látek v půdě, jejich 25
rozkladu a mineralizace a tedy uvolňování rostlinných živin. Tuto roli hraje část půdní organické hmoty, kterou lze považovat za rozložitelnou, která sice tvoří jen relativně malou část půdní organické hmoty, zato je ale regulovatelná systémy hospodaření. Pro hodnocení kvality půdní organické hmoty v orných půdách je tedy rozhodující podíl její stabilní a rozložitelné části a možnost jeho stanovení. Tuto možnost nabízí databáze dlouhodobých polních pokusů, ve kterých lze předpokládat dosažení dynamické rovnováhy půdní organické hmoty v jednotlivých variantách. Ve variantách nehnojených zůstává pouze minimální hladina organického C, kterou lze považovat za stabilní. Ve hnojených variantách a především v kombinovaně organicky a minerálně hnojených (přibližně optimálně hnojených) variantách se vytváří typická hladina organického C, kterou lze považovat pro dané stanoviště za optimální. Rozdíl mezi obsahem C v kombinované a kontrolní variantě představuje rozložitelnou část půdní organické hmoty v jejím optimálním množství na daném stanovišti. V dlouhodobých polních pokusech tak jednoduše zjistíme, jaká je optimální hladina půdní organické hmoty na daném stanovišti. Díky tomu, že máme dlouhodobé polní pokusy v různých půdních a klimatických podmínkách (jejich nadmořská výška tvoří plynulou pedoa klimasekvenci, viz. v Tab. 8), můžeme interpolací získat určitou představu o tom, jaká by měla být optimální hladina půdní organické hmoty na libovolném stanovišti s určitými půdními a klimatickými parametry. Vzhledem ke značné heterogenitě půd může ale interpolace výsledků ze 14 dlouhodobých polních pokusů poskytnout jen velmi přibližné vodítko. Proto je potřebný další krok, jímž je metoda nebo metody stanovení nějaké vhodné vlastnosti půdního vzorku. Tato metoda (metody) musí být pracovně a časově nenáročná, aby umožňovala analýzu většího množství vzorků a statistické vyhodnocení výsledků (nemůže to tedy být rozsáhlá analýza chemické struktury humusových látek), musí mít vysokou vypovídací schopnost vzhledem ke kvalitě půdní organické hmoty, musí být citlivá a reprodukovatelná. Je zřejmé, že vyhovět všem těmto do značné míry protichůdným nárokům není jednoduché. Velkou výhodou je existence dat ze dlouhodobých polních pokusů, na nichž lze tyto metody ověřovat. Ve VÚRV, v.v.i. jsme v uplynulých létech ověřovali dvě principielně různé metody stanovení stabilní a rozložitelné části půdní organické hmoty: podle vztahu mezi podílem jemných částic a celkového obsahu organického C a podle obsahu horkou vodou extrahovatelného C a získané výsledky jsme porovnávali s údaji obsahu organického C ve dlouhodobých polních pokusech v různých půdních a klimatických podmínkách a v jejich variantách organického a minerálního hnojení. 2.4.3.1. Rozložitelná část půdní organické hmoty jako diference mezi obsahem C ve hnojených a nehnojených variantách dlouhodobých polních pokusů. Hladina půdní organické hmoty ve vybraných variantách je vzhledem k době jejich trvání stabilizovaná (pokusy starší než 50 let) nebo se ke stabilizované hladině blíží (nejpozději založené pokusy jsou mezinárodní pokusy IOSDV, které byly založeny v roce 1984, viz Tab. 6). Rozdíl obsahu C mezi kombinovaně hnojenými variantami (které lze považovat za optimální z hlediska produkce) a kontrolními variantami, které od počátku pokusu nebyly hnojeny ani organicky ani minerálně je možné považovat za optimální hladinu rozložitelného C v daných půdních podmínkách. Jak je vidět z Tab. 19, pohybuje se toto množství v jednotlivých pokusech od 0,06 % C do 0,32 % C, což představuje zvýšení oproti kontrole o 5,32 % do 25,2 %. Relatině vyšší podíl rozložitelného C je v Černozemích a v Kambizemích, menší v Hnědozemích.
26
Z těchto výsledků plyne závěr, že optimální hladina C v orných půdách se od minimálního množství půdní organické hmoty ve variantách dlouhodobě nehnojených liší jen v rozsahu do 0,3 až 0,4 % C. Tabulka 19: Průměrný obsah organického C v půdních vzorcích z vybraných variant dlouhodobých polních pokusů. Podíl C akumulovaného v důsledku organického a minerálního hnojení (n=194).
Dlouhodbé polní pokusy Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV Čáslav VOP Hněvčeves PF Kostelec PF Ruzyně B Ruzyně III Ruzyně IV Trutnov Humpolec PF Pernolec PF Lukavec VOP Lukavec IOSDV Vysoké PF
Obsah organického C ve variantách hnojení (% C) Kontrola NPK Hn Hn+NPK 1,80 1,99 2,06
Rozdíl obsahu C (% C) 0,26
Přírůstek C v% kontroly 14,46
1,48
1,43
1,72
1,79
0,31
20,80
1,24 1,08 0,95 1,20 1,22 1,26 1,06 1,43 0,99 1,33
1,12 0,99 1,28 1,27 1,34 1,19 1,51 1,01
1,39 1,13 1,03 1,46 1,33 1,41 1,25 1,58 1,09 1,44
1,48 1,13 1,05 1,47 1,37 1,47 1,31 1,56 1,12 1,50
0,24 0,06 0,10 0,27 0,15 0,21 0,25 0,13 0,13 0,18
19,56 5,34 10,50 22,73 12,03 16,57 23,03 9,11 13,38 13,18
1,26
1,29
1,46
1,57
0,32
25,20
1,67
1,55
1,73
1,79
0,11
6,77
2.4.3.2. Rozložitelná část půdní organické hmoty odvozena ze vztahu mezi podílem jemných částic a obsahu celkového organického C Je známo, že jedním z významných mechanismů stabilizace organické hmoty v půdě je její vazba na minerální částice a tvorba organicko-minerálního komplexu. Na tomto principu je založena metoda stanovení stabilní části půdní organické hmoty, kterou vypracoval Körschens (1997). S využitím údajů z dlouhodobých polních pokusů v Německu vypočetl regresní přímku vztahu mezi obsahem jemných částic pod 6,3 µm a obsahem celkového C v nehnojených variantách. Směrnice této přímky je 0,04 (podobně lze také použít vztah mezi podílem jílových částic (< 2 µm) a celkového obsahu C). Tato přímka vymezuje hladinu stabilního C v půdách s daným obsahem jemných částic (resp. jílových částic). Hodnoty nad touto hranicí jsou považovány za rozložitelný podíl půdní organické hmoty. V tabulce 20 jsou porovnány výsledky stanovení rozložitelné části půdní organické hmoty ve vybraných variantách z dlouhodobých polních pokusů jednak jako rozdíl průměrného obsahu C v kombinovaně hnojených variantách a v příslušných nehnojených kontrolách, jednak podle výše zmíněné regresní přímky, podle obsahu organického C v kombinovaně hnojených variantách a obsahu jemných částic. Je zřejmé, že metoda stanovení rozložitelné části půdní organické hmoty podle obsahu organického C a podílu jemných částic oproti diferenční metodě (rozdíl obsahu C ve hnojených variantách a v nehnojených kontrolách) nadhodnocuje množství organického C v Černozemi a v Kambizemích a podhodnocuje ho v Hnědozemích. 27
Lokalita v Praze Ruzyni je z tohoto hlediska výjimečná díky vysokému obsahu jílových minerálů typu kaolinitu. Tabulka 20: Obsah organického C v půdních vzorcích z kombinovaně hnojených a nehnojených variant, obsah jemných částic a obsah rozložitelného C ve dlouhodobých polních pokusech (n=194).
Dlouhodbé polní pokusy Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV Čáslav VOP Hněvčeves PF Kostelec PF Ruzyně B Ruzyně III Ruzyně IV Trutnov Humpolec PF Pernolec PF Lukavec VOP Lukavec IOSDV Vysoké PF
Obsah organického C ve variantách hnojení
Podíl jemných Rozdíl částic Kontrola Hn+NPK (rozložite (%) lný C)) 1,80 1,48 1,24 1,08 0,95 1,20 1,22 1,26 1,06 1,43 0,99 1,33 1,26 1,67
2,06 1,79 1,48 1,13 1,05 1,47 1,37 1,47 1,31 1,56 1,12 1,50 1,57 1,79
0,26 0,31 0,24 0,06 0,10 0,27 0,15 0,21 0,25 0,13 0,13 0,18 0,32 0,11
32,0 32,0 31,3 29,8 27,3 45,5 42,4 42,4 28,3 30,0 26,5 26,8 27,0 28,0
Rozložitelný C podle obsahu jemných částic (% C)
Porovnání (% C)
0,78 0,51 0,23 -0,06 -0,04 -0,35 -0,33 -0,23 0,18 0,36 0,06 0,43 0,49 0,67
0,52 0,20 -0,01 -0,12 -0,14 -0,62 -0,47 -0,44 -0,07 0,23 -0,07 0,26 0,18 0,55
Vezmeme-li v úvahu výsledky sledování nejen z dlouhodobých polních pokusů, ale také z ploch monitoringu a jednoletých stanovišť (celkem 446 lokalit), zjistíme, že metoda stanovení rozložitelné části půdní organické hmoty podle podílu jemných částic a celkového obsahu organického C v půdě podhodnocuje podíl rozložitelného C v půdách s nižším obsahem půdní organické hmoty a nadhodnocuje ho v půdách s vyšším obsahem půdní organické hmoty. Je to patrné z obrázku 6. V souboru dat (n=446) se v oblasti 0,1 až 0,6 % C nachází 252 lokalit, tj. zhruba polovina testovaných. Hodnoty nižší i vyšší než tento interval jsou zhruba stejné na obou stranách spektra. Podstatný je lineární vztah mezi celkovým obsahem C a jeho rozložitelnou částí (Obr. 6). Hodnota korelačního koeficientu je vysoce významná (r=0,756).
28
Obr. 6: Vztah mezi obsahem organického C a vypočtenými hodnotami obsahu rozložitelného C v půdních vorcích (n=446).
Rozložitelný C (% C)
3,00 y = 0,794x - 0,8936 2 R = 0,5715
2,00
1,00
0,00 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
-1,00
Organický C (% C)
2.4.3.3 Rozložitelná část půdní organické hmoty odvozená z obsahu horkou vodou extrahovatelného C Další možností, která by mohla mít širší praktické využití v zemědělství je stanovení horkou vodou extrahovatelného C (Chwl, Schulz, 1997). V tabulce 21 jsou uvedeny průměrné hodnoty obsahu horkou vodou extrahovatelného C v půdních vzorcích z vybraných variant dlouhodobých polních pokusů. Tabulka 21: Průměrné hodnoty obsahu horkou vodou extrahovatelného C (Chwl), v půdních vzorcích z vybraných variant dlouhodobých polních pokusů (mgC/g, n=194). Dlouhodbé polní pokusy Ivanovice VOP Ivanovice IOSDV Čáslav VOP Hněvčeves PF Kostelec PF Ruzyně B Ruzyně III Ruzyně IV Trutnov Humpolec PF Pernolec PF Lukavec VOP Lukavec IOSDV Vysoké PF
Obsah horkou vodou extrahovatelného C (Chwl, mgC/g) Kontrola 0,283 0,425 0,257 0,308 0,280 0,283 0,278 0,258 0,322 0,415 0,332 0,213 0,438 0,291
NPK 0,418 0,338 0,299 0,299 0,290 0,274 0,342 0,509 0,383 0,450 0,289
Hn 0,307 0,589 0,300 0,331 0,294 0,381 0,315 0,309 0,397 0,481 0,361 0,241 0,500 0,314
Hn+NPK 2Hn+NPK Hn+2NPK 0,341 0,556 0,321 0,347 0,373 0,346 0,313 0,356 0,335 0,381 0,315 0,331 0,435 0,523 0,560 0,562 0,403 0,433 0,391 0,262 0,570 0,339 0,337 0,336
29
Horkou vodou se z půdních vzorků extrahuje cca 1 – 4 % celkového množství půdní organické hmoty. Zhruba polovinu organických látek extrahovaných horkou vodou tvoří biomasa půdní mikroflóry a druhá přibližně polovina tohoto množství je snadno rozložitelná (aktivní) organická hmota. Naše dřívější práce ukázaly, že podíl půdní organické hmoty extrahovatelný horkou vodou odpovídá množství půdní organické hmoty, které se mineralizuje během jedné vegetační sezóny a lze s ním tedy kalkulovat jako se zdrojem rostlinných živin uvolněných mineralizací půdní organické hmoty. Z hodnot uvedených v tabulce 21 je vidět, že organické hnojení a kombinované organické a minerální hnojení zvyšuje obsah horkou vodou extrahovatelného C v půdě oproti nehnojené kontrole. Vliv minerálních hnojiv na obsah horkou vodou extrahovatelného C je ve většině lokalit také pozitivní, avšak menší než organického hnojení. Obsah horkou vodou extrahovatelného C (Chwl) se pohybuje v širokém intervalu od 0,199 mgC/g do 1,008 mg/Cg (Tab.22). Průměrné hodnoty obsahu Chwl podle půdních typů se však podstatněji liší mezi méně častými půdními typy. V Hnědozemích a v Kambizemích se liší méně, i když je zřejmé, že vyšší hodnoty Chwl se nacházejí u méně vyvinutých půd. Nejnižší průměrné hodnoty Chwl byly zjištěny v Šedozemích. Tabulka 22: Průměrné hodnoty obsahu horkou vodou extrahovatelného C (Chwl) pásem půdních vzorků z vrchní vrstvy 0-20 cm podle půdních typů (mgC/g, n=601). Půdní typ Černozemě Černice Šedozemě Fluvizemě Hnědozemě Luvizemě Pseudogleje Gleysoly Kambizemě Rendziny Regozemě Celkem
Zkratka CM CA SM FM HM LM PG GL KM RA RG
Počet Chwl Chwl Minimum Maximum lokalit (průměr) (medián) v kategorii v kategorii 51 3 12 12 210 14 5 6 279 7 2 601
0,414 0,645 0,292 0,562 0,404 0,461 0,637 0,599 0,458 0,544 0,361
0,422 0,575 0,286 0,550 0,391 0,471 0,597 0,615 0,433 0,478 0,361
0,203 0,502 0,244 0,436 0,218 0,326 0,506 0,480 0,199 0,413 0,291
0,622 0,859 0,353 0,789 0,775 0,586 0,911 0,682 1,008 0,848 0,431
Závěr kapitoly 2.4.3. Z hlediska hospodaření na orné půdě je závažný podíl stabilní a rozložitelné části půdní organické hmoty. Tento podíl lze odhadovat na základě rozdílů mezi obsahem C v půdě ve hnojených a nehnojených variantách dlouhodobých polních pokusů, nebo s využitím vztahu mezi celkovým obsahem C v půdě a podílem jemných částic (< 6,3µm), resp. jílových částic, nebo podle obsahu horkou vodou extrahovatelného C. Žádná z těchto charakteristik neposkytuje jednoznačné rozdíly mezi kategoriemi půd podle půdního typu nebo druhu, resp. podle nadmořské výšky. Rovněž vzájemná shoda mezi těmito charakteristikami je jen volná (z hlediska statistického hodnocení). Hodnoty uvedené v tabulkách jsou proto jen orientační.
30
2.5. Optimální hladina půdní organické hmoty Součástí správného hospodaření na orné půdě je dosáhnout a udržovat optimální hladinu půdní organické hmoty a vysokou kvalitu půdní organické hmoty. K tomu je nezbytné mít spolehlivé postupy, jak optimální hladinu půdní organické hmoty stanovit a jaká kritéria kvality půdní organické hmoty mají být sledována. Z dosavadních znalostí této problematiky vyplývá, že nejspolehlivějším vodítkem pro odhad optimálního množství a kvality půdní organické hmoty mohou být dlouhodobé polní pokusy prováděné v různých půdních a klimatických podmínkách. Většina těchto pokusů obsahuje faktory variantního organického a minerálního hnojení a některé také osevní postupy. Přibývají pokusy s variantními postupy zpracování půdy. Z těchto dlouhodobých polních pokusů lze odvodit, jaká kombinace faktorů dává nejvyšší výnosy, zabezpečuje stabilitu výnosů a nejlepší kvalitu produkce a také, jaké jsou v delších časových řadách parametry kvantitativních i kvalitativních vlastností půdní organické hmoty. V porovnání se stejnými parametry získanými v kontrolních variantách můžeme odhadovat parametry optimální hladiny půdní organické hmoty v dané lokalitě. V dalším postupu, stejně jako doposud bude pokračovat vývoj nových metod stanovení množství a kvality půdní organické hmoty, které však nemohou být kalibrovány a validovány jinde než opět ve dlouhodobých polních pokusech. 2.6. Shrnutí Obsah půdní organické hmoty (organického C v půdě) není výrazně specifický pro jednotlivé půdní kategorie podle půdního typu ani podle půdního druhu. Stejně tak tomu je v případě členění sledovaných lokalit podle jejich nadmořské výšky. Neznamená to, že by vliv půdních a klimatických podmínek na utváření a stabilizaci organických látek v půdě byl nevýznamný. Naopak, široké rozpětí mezi minimálními a maximálními hodnotami ukazuje na vysokou diversitu těchto půdních a klimatických podmínek a jejich působení, které nelze velmi zjednodušeně kategorizovat do půdních druhů, půdních typů nebo podle nadmořské výšky. Je zřejmé, že obsah půdní organické hmoty v dané lokalitě ovlivňuje složitý komplex faktorů, který řídí procesy transformace organických látek v půdě. Množství půdní organické hmoty (organického C) je místně specifické. Rozdíly v obsahu organického C mezi dlouhodobě nehnojenými parcelami jednotlivých pokusů jsou relativně velké, od 0,95 % C do 1,80 % C, zatímco vliv přibližně optimálního kombinovaného organického a minerálního hnojení se v jednotlivých pokusech pohybuje jen od 0,06 % C do 0,32 % C. Pro posouzení hladiny půdní organické hmoty je rozhodující vliv lokality, zatímco vliv hnojení se pohybuje na úrovni 5 až 25 % zvýšení obsahu organického C oproti příslušným dlouhodobě nehnojeným variantám. Obsah organického C v půdě se ve většině orných půd pohybuje v intervalu 1 % C až 2 % C a přechod mezi těmito hodnotami je plynulý. Totéž platí při kategorizaci půd podle půdního typu, podle půdního druhu i podle nadmořské výšky, takže samotné stanovení celkového obsahu organické hmoty v půdě (tj. obsahu organického C, N nebo S) nestačí pro posouzení, zda půda v této lokalitě má optimální, nízkou nebo vysokou zásobu organické hmoty. K tomu účelu je nutno znát další vlastnosti půdy a půdní organické hmoty, které lze souhrnně označit za kvalitativní znaky půdní organické hmoty, zkráceně její kvalitu.
31
Frakcionace humusových látek prokázala výrazný rozdíl mezi podílem C huminových a C fulvokyselin, v poměru HK/FK a také v barevném koeficientu huminových kyselin Q4:6. Hnědozemě mají poměr HK/FK přibližně 1,6, zatímco Kambizemě jen asi 0,8. Podobně výrazný rozdíl se projevil v barevném koeficientu Q4:6; v Hnědozemích se pohyboval kolem 4,3 a v Kambizemích kolem 5,2. Rozdíly v organickém a minerálním hnojení se na kvalitě humusových látek výrazně neprojevily. Stanovení plochy alifatických pásem infračervených spekter (DRIFT) půdních vzorků i index hydrofobnosti prokázaly rozlišovací schopnosti těchto půdních vlastností podle půdních typů, půdních druhů i podle nadmořské výšky. Rozdíly mezi jednotlivými kategoriemi se pohybovaly až kolem 20%. Obě charakteristiky také reflektovaly působení organického a minerálního hnojení ve vybraných parcelách dlouhodobých polních pokusů. Výše uvedené výsledky ukázaly, že jak plocha alifatického pásma infračervených spekter, tak také index hydrofobnosti jsou použitelné kvalitativní znaky půdní organické hmoty, podobně nebo ještě více citlivé než klasické znaky, poměr huminových kyselin a fulvokyselin nebo barevný koeficient Q4:6. Jejich velkou předností je ale podstatně nižší pracovní náročnost. Zatímco frakcionace humusových látek trvá několik dní, IR spektra lze stanovit v řádu minut. Z hlediska hospodaření na orné půdě je závažný podíl stabilní a rozložitelné části půdní organické hmoty. Tento podíl lze odhadovat na základě rozdílů mezi obsahem C v půdě ve hnojených a nehnojených variantách dlouhodobých polních pokusů, nebo s využitím vztahu mezi celkovým obsahem C v půdě a podílem jemných částic (< 6,3µm), resp. jílových částic, nebo podle obsahu horkou vodou extrahovatelného C. Žádná z těchto charakteristik neposkytuje jednoznačné rozdíly mezi kategoriemi půd podle půdního typu nebo druhu, resp. podle nadmořské výšky. Rovněž vzájemná shoda mezi těmito charakteristikami je jen volná (z hlediska statistického hodnocení). Pro hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty v orných půdách není jedno universálně použitelné kritérium; je třeba posoudit současně parametry několika půdních vlastností, pokud možno těch, které byly zmíněny v této metodice. 3. Srovnání „novosti postupů“ Hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty v orných půdách je doposud málo rozšířené v praxi. Je tomu tak především z důvodů pracovní náročnosti dosud používaných metod. Hlavním vodítkem pro hospodaření s půdní organickou hmotou jsou dosud bilanční metody, tj. stanovení bilancí organických látek v osevním postupu. Nedostatek analytických dat a některé nedostatky bilančních metod vyvolávají potřebu hledat další, nové, analyticky nenáročné a pokud možno komplementární vlastnosti půdní organické hmoty, které by doplnily dosavadní znalosti. Již dříve jsme ověřovali možnosti stanovení rozložitelné části půdní organické hmoty metodami podle diferencí v obsahu organického C mezi hnojenými a nehnojenými variantami, podle vztahu mezi podílem jemných částic (resp. jílových částic) a celkovým obsahem C i podle výsledků stanovení obsahu horkou vodou extrahovatelného C v půdních vzorcích. Současná metodika je ale založena na mnohem širší paletě půd a na mnohem obsáhlejším souboru naměřených údajů. Nově jsou v této metodice popsány možnosti využití infračervené spektroskopie pro hodnocení kvality organické hmoty v nedestruovaných půdních vzorcích.
32
4. Popis uplatnění metodiky Metodika poskytuje současné znalosti o dynamice půdní organické hmoty a o možnostech hodnocení množství a kvality organických látek v půdě. Vychází z obsáhlé databáze relevantních údajů z dlouhodobých polních pokusů prováděných v různých půdních a klimatických podmínkách, z monitorovacích lokalit basálního monitoringu zemědělských půd a souboru dat ze sledovaných lokalit v oblasti Ústí nad Orlicí. Bylo cílem, aby byla napsána jednoduše srozumitelným způsobem přijatelným pro praktické zemědělce i zájemce z jiných oborů. Metodika bude prostřednictvím Českého svazu chovatelů masného skotu nabídnuta k využití svým členům a dále bude nabídnuta širší odborné veřejnosti. 5. Seznam použité související literatury Capriel P., Beck T., Borchert H., Gronholz J., Zachmann G., 1995. Hydrophobicity of the organic matter in arable soils. Soil Biology and Biochemistry, 27:1453-1458 Ghani A., Dexter M., Perrott K.W., 2003. Hot-water extractable carbon in soils: a sensitive measurement for determining impacts of fertilisation, grazing and cultivation. Soil Biology and Biochemistry. 35:1231–1243 Kolář L., Kužel S., Klimeš F., 2007. The study of soil organic matter stability (In Czech). In: Proc. Int. Conference “Plant nutrition and its prospects”. Mendel University of Agriculture and Forestry Brno, pp. 141-145 Körschens M., 1997. Abhängigkeit der organischen Bodensubstanz (OBS) von Standort und Bewirtschaftung sowie ihr Einfluss auf Ertrag und Bodeneigenschaften. Archives of Agronomy and Soil Science, 41:435–463. Kubát J. 1999. Udržování vyrovnané bilance organické hmoty v půdě. ÚZPI, Metodiky pro zemědělskou praxi, Praha, 30s. Kubát J., Klír J., Pova D., 2003. Dry matter yields, nitrogen uptake, and the efficacy of nitrogen fertilisation in long-term field experiments in Pratur. Plant Soil and Environment, 49: 337-345 Kubát J., Cerhanová D., Nováková J., Klement V., Čermák P., Dostál J., 2004. Total organic C and its decomposable part in arable soils in the Czech Republic. Archives of Agronomy and Soil Science, 50:21-32 Kubát J., Mikanová O., 2005. Relationships between productivity and sustainability of the farming systems in the long-term field experiments in Prague, Počvovedenie i agrochimia, 34:34-37 Kubát J., Cermanová D., Nováková J., Lipavský J., 2006. Total organic carbon and its composition in long-term field experiments in the Czech Republic. Archives of Agronomy and Soil Science, 52:495-505 Kubát J., Lipavský J., 2006. Differentiation of the soil organic carbon content as a result of organic and mineral fertilisation, Bibliotheca Fragmenta Agronomica 11 - part I (Book of Proceedings of the "IX ESA Congress", 4-7 September 2006, Warszawa, Poland), pp. 397-398 Kubát J., Lipavský J., 2006. Steady state of the soil organic matter in the long-term field experiments, Plant Soil and Environment, 52:9-14 Kubát J., Mikanová O., Cermanová D., Nováková J., 2006. Soil organic matter and its inert and decomposable part in arable soils in the Czech Republic, Počvovedenie i agrochimija, 36:40-49 Richter R., Kubát J., 2003. Organická hnojiva, jejich výroba a použití. ÚZPI, Praha, 56 s.
33
Schulz E., 1997. Charakterisierung der organischen Bodensubstanz (OBS) nach dem Grad ihrer Umsetzbarkeit und ihre Bedeutung für Transformationsprozesse für Nähr- und Schadstoffe. Archives of Agronomy and Soil Science, 41:465–483. Schulz, E., 2004. Influence of site conditions and management on different soil organic matter (SOM) pools. Archives of Agronomy and Soil Science, 50:33-47. Šimon T., 2007a. Quantitative and qualitative characterization of soil organic matter in the long-term fallow experiment with different fertilisation and tillage. Archives of Agronomy and Soil Science, 53:241-251 Šimon T., 2007b. Characterization of soil organic matter in long-term fallow experiment with respect to the soil hydrophobicity and wettability. Soil and Water Research, 2:96-103 Šimon T., 2005. Aliphatic compounds, organic C and N and microbial biomass and its activity in long-term field experiments. Plant Soil and Environment, 51:276-282. 6. Seznam publikací, které předcházely metodice Kubát J. 1999. Udržování vyrovnané bilance organické hmoty v půdě. ÚZPI, Metodiky pro zemědělskou praxi, Praha, 30s. Kubát J., Klír J., Pova D., 2003. Dry matter yields, nitrogen uptake, and the efficacy of nitrogen fertilisation in long-term field experiments in Pratur. Plant Soil and Environment, 49: 337-345 Kubát J., Cerhanová D., Nováková J., Klement V., Čermák P., Dostál J., 2004. Total organic C and its decomposable part in arable soils in the Czech Republic. Archives of Agronomy and Soil Science, 50:21-32 Kubát J., Mikanová O., 2005. Relationships between productivity and sustainability of the farming systems in the long-term field experiments in Prague, Počvovedenie i agrochimia, 34:34-37 Kubát J., Cermanová D., Nováková J., Lipavský J., 2006. Total organic carbon and its composition in long-term field experiments in the Czech Republic. Archives of Agronomy and Soil Science, 52:495-505 Kubát J., Lipavský J., 2006. Differentiation of the soil organic carbon content as a result of organic and mineral fertilisation, Bibliotheca Fragmenta Agronomica 11 - part I (Book of Proceedings of the "IX ESA Congress", 4-7 September 2006, Warszawa, Poland), pp. 397-398 Kubát J., Lipavský J., 2006. Steady state of the soil organic matter in the long-term field experiments, Plant Soil and Environment, 52:9-14 Kubát J., Mikanová O., Cermanová D., Nováková J., 2006. Soil organic matter and its inert and decomposable part in arable soils in the Czech Republic, Počvovedenie i agrochimija, 36:40-49 Richter R., Kubát J., 2003. Organická hnojiva, jejich výroba a použití. ÚZPI, Praha, 56 s. Šimon T., 2007a. Quantitative and qualitative characterization of soil organic matter in the long-term fallow experiment with different fertilisation and tillage. Archives of Agronomy and Soil Science, 53:241-251 Šimon T., 2007b. Characterization of soil organic matter in long-term fallow experiment with respect to the soil hydrophobicity and wettability. Soil and Water Research, 2:96-103 Šimon T., 2005. Aliphatic compounds, organic C and N and microbial biomass and its activity in long-term field experiments. Plant Soil and Environment, 51:276-282.
34
Autorský kolektiv: Název:
Vyšlo v roce:
Jaromír Kubát, Dana Cerhanová, Olga Mikanová, Tomáš Šimon Metodika hodnocení množství a kvality půdní organické hmoty v orných půdách Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Drnovská 507, 161 06 Praha 6 - Ruzyně 2008
Kontakt na autora:
[email protected]
Vydal:
© Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha 2008 ISBN: 978-80-87011-65-2
