UWALNIANIE AZOTU I FOSFORU
Z MATERII ORGANICZNEJ
GLEBY
Barbara Sapek
Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach
Uwalnianie azotu i fosforu
z materii organicznej gleby
" z
ródłem dostępnych składników
pokarmowych roślin,
" jednÄ… z przyczyn rozpraszania
tych pierwiastków w środowisku.
Zagadnienia
Zagadnienia
" Materia organiczna gleby, jej rodzaje
i funkcja
" Mineralizacja materii organicznej w glebie, jej
przyczyny i skutki
" Dynamika i wydajność mineralizacji
organicznych związków azotu i fosforu w różnych
warunkach użytkowania gleby
" Skutki uwalniania azotu i fosforu z materii
organicznej gleby w środowisku przyrodniczym
Materia organiczna w glebie
Materia organiczna w glebie
Materia organiczna (MO) stanowi, w głównej mierze, o
fizycznych, chemicznych oraz biologicznych
właściwościach gleby i o jej kluczowej funkcji
w środowisku.
Organiczna część gleby (MO); składa się z resztek
roślinnych i zwierzęcych w różnych stadiach
mineralizacji i humifikacji oraz z organicznych
produktów działalności życiowej organizmów
glebowych; występuje częściowo w stanie wolnym, a
częściowo w postaci kompleksów mineralno-
organicznych. Niektórzy gleboznawcy pojęciem
glebowej materii organicznej obejmują także żywe
organizmy bytujÄ…ce w glebie
[wg. Prusińkiewicza, 1999].
Czas trwałości różnego rodzaju materii
Czas trwałości różnego rodzaju materii
organicznej w glebie
organicznej w glebie
(wg Reports of the Technical Working Groups...2004)
Rodzaj materii organicznej Czas trwałości
Rodzaj materii organicznej Czas trwałości
(lata)
(lata)
Biomasa mikroorganizmów
Biomasa mikroorganizmów
0,1-0,4
0,1-0,4
Ściółka lub resztki pożniwne
Ściółka lub resztki pożniwne
0,5-2
0,5-2
Biomasa makroorganizmów
Biomasa makroorganizmów
1-8
1-8
Frakcja lekka humusu
Frakcja lekka humusu
1-15
1-15
Stabilny humus
Stabilny humus
20-1000
20-1000
Przybliżony udział azotu, fosforu
Przybliżony udział azotu, fosforu
i potasu w mineralnej i organicznej frakcji gleby
i potasu w mineralnej i organicznej frakcji gleby
[wg Lityńskiego]
Całkowita ilość zawartego
Frakcja mineralna
gleby
w 0-10 cm warstwie
gleby mineralnej
½ P
na powierzchni 1 hektara
cały K
wynosi średnio:
½ P
" azotu - 3,2 ton,
cały N
Frakcja organiczna
" fosforu  0,97 ton
gleby
Mineralizacja materii organicznej gleby
Mineralizacja materii organicznej gleby
" Proces rozkładu materii organicznej
w glebie do końcowych, prostych
związków mineralnych, takich jak:
CO2, H2O, NH3, SO42-, PO43- itd.;
CO2, H2O, NH3, SO42-, PO43- itd
w naturze przemiany te mogÄ…
przebiegać w warunkach tlenowych
(butwienie) i beztlenowych (gnicie)
z udziałem wyspecjalizowanych grup
drobnoustrojów.
[wg Z. Prusińkiewicza:  Środowisko i gleby w
definicjach ]
Przebieg i wydajność mineralizacji materii
Przebieg i wydajność mineralizacji materii
organicznej oraz organicznych związków
organicznej oraz organicznych związków
azotu i fosforu kształtują:
azotu i fosforu kształtują:
" temperatura
" wilgotność,
" odczyn,
" rodzaj gleby
" zawartość węgla organicznego.
Proces, w określonych warunkach, może przebiegać z nadmierną
wydajnością i w sposób niekontrolowany, co jest jedną z przyczyn strat
tych składników z rolnictwa i ich rozproszenia w środowisku
przyrodniczym.
Główne przyczyny nadmiernego i niekontrolowanego uwalniania
azotu i fosforu w glebach trwałych użytków zielonych:
Zmiana warunków red-ox
" odwodnienie (drenowanie),
" renowacja
" zmiana użytkowania (zaoranie)
Mineralizacja organicznych związków azotu
Mineralizacja organicznych związków azotu
AMON - NH4+ ; AZOTANY - NO3-
R-NH2 Ò! NH4+ Ò! NO2- Ò! NO3-
Mineralizacja - [amonifikacja Ò! nitryfikacja]
" Ò! utlenienie
NH4+ + 2O2 Ò! NO3- + H2O + 2H+
Utlenienie - zakwaszenie
NO3- Ò! NO2- Ò! NO Ò! N2O Ò! N2
Denitryfikacja - redukcja (odkwaszenie)
Mineralizacja organicznych związków fosforu
Mineralizacja organicznych związków fosforu
OH
D
R- O - P P% O + H2O R - OH + H3PO4
\
OH
Organiczny ester kwasu fosforowego hydroliza (fosfataza) H3PO4
(reakcja katalityczna)
Organiczne związki fosforu to głównie:
" fityny i ich pochodne,
" kwasy nukleinowe,
" fosfolipidy.
Dynamika i wydajności mineralizacji
organicznych związków
azotu i fosforu w glebie
Doświadczenia łąkowe, założone na czarnej ziemi zdegradowanej
w latach 1981-1982 i w 1987r. w Zakładzie Chemii Gleby i Wody IMUZ,
wykonywane w Zakładzie Doświadczalnym MUZ w Falentach
w celu badania następczego wpływu wapnowania łąki trwałej oraz w
roku 1987 nad wymywaniem związków azotu na tle zróżnicowanej
dawki i postaci nawozu azotowego,
z biegiem lat stały się obiektami badań procesu
z biegiem lat stały się obiektami badań procesu
mineralizacji organicznych związków azotu i fosforu
mineralizacji organicznych związków azotu i fosforu
w mineralnej glebie Å‚Ä…kowej
w mineralnej glebie Å‚Ä…kowej
W badaniach stosowano metodÄ™
inkubacji gleby  in situ ,
szczególnie przydatną w tym celu, bowiem pozwala na
badanie procesu mineralizacji w warunkach zbliżonych
do naturalnych.
Zawartość mineralnych form
azotu N-NO3 i N-NH4 oraz fosforu P-PO4
oznaczano w próbkach gleby
(pobieranych w czterech terminach, I-IV)
po inkubacji in situ (R)
oraz w próbkach pobranych spod roślinności (T),
w wyciÄ…gu z gleby 1% roztworem K2SO4
Rurka- próbnik do badania mineralizacji metoda
inkubacji  in situ
Zmiany i zależność ilości uwolnionego w ciągu roku
azotu mineralnego, N- NH4 i N-NO3
od wielkości opadu na doświadczeniach łąkowych
od wielkości opadu na doświadczeniach łąkowych
w Jankach i Laszczkach (1995-2003)
r = - 0,491* (opad x N-NO3);
r = - 0,270 (opad x N-NH4)
500 600
N-NH4 N-NO3
450
Opad
500
400
R
350
400
300
250 300
200
200
150
100
100
50
0 0
a)
Lata , doświadczenia
Janki, Corg = 19 g.kg-1 Laszczki, Corg = 38 g.kg-1
mineralizacja związków azotu w warunkach inkubacji gleby  in situ (R)
N, kg.ha-1
Opad, mm
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Janki
Laszczki
Średnia zawartość uwolnionego w ciągu roku
fosforu (P-PO4)
w 0-10 cm warstwie gleby w warunkach inkubacji  in situ ;
współzależność zmian zawartości P-PO4 w glebie
współzależność zmian zawartości P-PO4 w glebie
i wielkości opadu
i wielkości opadu
c)
2,5 450
P-PO4
Opad, mm
400
2,0
350
300
1,5
250
r = - 0,595
200
1,0
150
100
0,5
50
0,0 0
1998 1999 2000 20012002 2003 2004 2005
Lata
Obiekt niewapnowany, nawożony saletrą amonową ANCa0, dośw. Laszczki
Opad, mm
P-PO4, mg.dm-3
Zmiany i zależność uwolnionego w glebie w ciągu roku
azotu mineralnego, N-NH4 i N-NO3
od temperatury otoczenia na doświadczeniach łąkowych
od temperatury otoczenia na doświadczeniach łąkowych
w Jankach i Laszczkach (1995-2003).
r = 0,157 (temperatura x N-NH4);
r = 0,624*(temperatura x N-NO3)
500 17
N-NH4
450
T
N-NO3
400
Temperatura
16
350
300
250 15
200
150
14
100
50
0 13
e)
Lata, doświadczenia
gleba pod roślinnością (T)
N, kg.ha-1
Temperatura, 0C
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Janki
Laszczki
Współzależność zmian średniej rocznej zawartości N-NO3
i uwilgotnienia gleby
i uwilgotnienia gleby
w warunkach inkubacji  in situ
d)
120 40
N-NO3
35
uw ilg. % obj.
100
30
80
25
60 20
r = - 0,743**
15
40
10
20
5
0 0
Lata
obiekt niewapnowany, nawożony saletrą amonową ANCa0, dośw. Laszczki
N-NO3, mg.dm-3 gleby
Uwilgotnienie, % objęt.
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Średnia ilość uwolnionego w ciągu roku fosforu (P-PO4)
w 0-10 cm warstwie gleby
w warunkach inkubacji  in situ ;
współzależność zmian zawartości P-PO4 i uwilgotnienia gleby
współzależność zmian zawartości P-PO4 i uwilgotnienia gleby
P-PO4
2,5 35
Uwilgot, %obj.
30
2
25
1,5
20
r = - 0,841**
15
1
10
0,5
5
0 0
Lata
Obiekt niewapnowany, nawożony saletrą amonową ANCa0, dośw. Laszczki
P-PO4, mg.dm-3
Uwilgotnienie , % obj.
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Średnia wydajność mineralizacji azotu w warstwie gleby 0-10 cm
w warunkach inkubacji in situ
w funkcji pH gleby
w funkcji pH gleby
nawożonej saletra amonową;
niewapnowanej (Ca0) i wapnowanej (Ca2), (lata 1991-1993).
[B. Sapek 1995]
Forma Średnia roczna ilość azotu,
Forma Średnia roczna ilość azotu,
azotu kg.ha-1
azotu kg.ha-1
Janki Laszczki
Janki Laszczki
(C-org = 19 g.kg-1, p.g.m) (C-org = 38 g.kg-1, g.l.p)
(C-org = 19 g.kg-1, p.g.m) (C-org = 38 g.kg-1, g.l.p)
Ca0, Ca2 Ca0 Ca2
pH 3,7 pH 7,1 pH 4,2 pH 7,1
153 57 107 31
N-NH4 153 57 107 31
N-NH4
131 241 181 289
N-NO3 131 241 181 289
N-NO3
284 298 288 320
N-min 284 298 288 320
N-min
Średnia roczna zawartość azotu mineralnego (N-NO3 i N-NH4)
i fosforu (P-PO4) w glebie w warunkach inkubacji  in situ
w latach użytkowania rolniczego łąki (2u)
w latach użytkowania rolniczego łąki (2u)
i po zaniechaniu zbioru skoszonej runi Å‚Ä…kowej (2z)
i po zaniechaniu zbioru skoszonej runi Å‚Ä…kowej (2z)
2,5
120
c)
N-NO3 N-NH4
2u 2z
100
2
80
1,5
60
1
40
0,5
20
0
0
Obiekty nawozowe
Obiekty nawozowe
Obiekty niewapnowane (Ca0) i wapnowane (Ca2),
nawożone saletrą amonową (AN) i wapniową (CN )
P-PO4, mg.dm-3
N-min, mg .d m-3
2z
2z
2z
2z
2u
2u
2u
2u
ANCa0
ANCa2
CNCa0
CNCa2
ANCa0
ANCa2
CNCa0
CNCa2
Średnia ilość uwolnionego fosforu mineralnego (P-PO4)
w warstwie 0-10 cm gleby Å‚Ä…kowej
nawożonej i nienawożonej fosforem
nawożonej i nienawożonej fosforem
w warunkach inkubacji  in situ
7,0
N-240
6,0
NPo-240
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Lata
NP0  zaniechane nawożenie fosforem;
NP0  zaniechane nawożenie fosforem;
doświadczenie w Falentach
doświadczenie w Falentach
mg P-PO4 dm-3
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Współzależność zawartości fosforu (P-PO4)
Współzależność zawartości fosforu (P-PO4)
i rozpuszczalnego węgla organicznego (RWO)
i rozpuszczalnego węgla organicznego (RWO)
i w warstwie gleby 0-25 cm
[wg B.Sapek, I. Burzyńska ]
8
P-CaCL2
7
Liniowy (P-CaCL2)
6
5
4
r = 0,481***
3
a)
2
1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Zawartość RWO, mg.kg-1 sm. gleby
Doświadczenie łąkowe  Janki (2004, 2007), wyciąg CaCl2,
nawożenie CN- saletra wapniowa,
gleby
Zawartosc P, mg.kg-1 sm.
Skutki uwalniania azotu i fosforu
z materii organicznej gleby
w środowisku przyrodniczym;
dostępność składników pokarmowych roślin
wymywanie do wód gruntowych
emisje do atmosfery
Średnia roczna zawartość azotu mineralnego i fosforu
w warstwie gleby 0-10 cm,
w warunkach inkubacji  in situ (R) i spod roślinności (T);
w latach użytkowania łąki i po zaniechaniu zbioru skoszonej runi,
Obiekty
1998-2001 2004-2007
nawozowe
(użytkowanie)
(zaniechanie zbioru skoszonej runi)
N-min, mg.dm-3 śm. gleby
N-min, mg.dm-3 śm. gleby
R R
R T R T
Ca0AN
41,2 49,6
45,3 71,9
45,3 71,9
Ca0CN
36,8 47,6
46,1 83,0
46,1 83,0
P-PO4, mg.dm-3 śm.gleby
P-PO4, mg.dm-3 śm.gleby
R R
R T R T
Ca0AN
0,85 1,37
1,01 1,93
1,01 1,93
Ca0CN
0,95 0,83
1,06 0,98
1,06 0,98
DDoświadczenie w Laszczkach; obiekty uprzednio niewapnowane (Ca0 ),
nawożone saletrą amonową (AN) i wapniową (CN).
Wydajność mineralizacji azotu (N-NO3, kg.ha-1) i fosforu (P-min, kg.ha-1)
Wydajność mineralizacji azotu (N-NO3, kg.ha-1) i fosforu (P-min, kg.ha-1)
w warunkach inkubacji gleby in situ,
w warunkach inkubacji gleby in situ,
(termin II po 1-szym pokosie)
(termin II po 1-szym pokosie)
oraz zawartość azotu (N-og, g.kg-1) i fosforu (P-rośl, g.kg-1)
oraz zawartość azotu (N-og, g.kg-1) i fosforu (P-rośl, g.kg-1)
w roślinności 1-go pokosu; doświadczenie Janki- ANCa0
w roślinności 1-go pokosu; doświadczenie Janki- ANCa0
nawożenie fosforem zaniechane od 2000 r.
nawożenie fosforem zaniechane od 2000 r.
P-rosl P-min (II termin)
Liniowy (P-min (II termin)) Liniowy (P-rosl)
40 200
5 3,5
3
30 150
ANCa
4
2,5
20 100
3
2
1,5
10 50
2
1
0 0
1
0,5
1995 1996 1997 1998 1999 20002001 2002 2003 2004 2005 2006
0 0
Lata
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
N-og N-NO3 (II) Liniowy (N-NO3 (II)) Liniowy (N-og)
Lata
r1 = -0,42*, r2 = 0,74** r1 = -0,72*, r2 = 0,15 ni. (P-min)
Ilo ść
g.kg- 1
Ilo ść
g.kg- 1
kg.ha- 1
ro Å› lin n o Å› ci N-og,
fosforu w
Zawartość
Zawartosć azotu w
z m in e ra liz o w a n e g o
azotu,N- NO 3. kg.ha- 1
ro Å› lin n o Å› ci - P,
ego fosforu-P;
zm
ineralizow an
Åšredni poziom wody gruntowej (p.w.g.) pod lasem
Åšredni poziom wody gruntowej (p.w.g.) pod lasem
brzozowym i Å‚Ä…kÄ… na glebach torfowych
brzozowym i Å‚Ä…kÄ… na glebach torfowych
oraz stężenie rozpuszczalnego węgla organicznego (RWO),
azotanów(NO3) i fosforanów (PO4) w wodzie gruntowej
(wg Jaszczyński i in.).
Użytko- pwg., Stężenie składnika, mg.dm-3
Użytko- pwg., Stężenie składnika, mg.dm-3
wanie cm
wanie cm
RWO NO3 PO4
RWO NO3 PO4
Las
Las
70 106,3 255,1 3,82
70 106,3 255,1 3,82
brzozowy
brzozowy
A
Ä…ka I
A
Ä…ka I
43 64,9 43,6 2,34
43 64,9 43,6 2,34
LÄ…ka II
LÄ…ka II
39 70,5 30,2 2,15
39 70,5 30,2 2,15
Średnie stężenie fosforu i amonu (P-PO4, N-NH4)
w wodzie gruntowej spod doświadczeń łąkowych
w wodzie gruntowej spod doświadczeń łąkowych
od 2000 r. zaniechano nawożenia fosforem
Laszczki od 2004 r. - zaniechanie zbioru skoszonej runi
1,00
P-PO4
N-NH4
0,80
Liniowy (P-PO4)
Liniowy (N-NH4)
0,60
0,40
0,20
0,00
2001 2002 2003 2004 2005 2006
b)
Lata
Laszczki
mg.dm-3
Stężenie P-PO4 i N-NH4,
Zjawisko emisji tlenków NO i NO2 z gleby
Zjawisko emisji tlenków NO i NO2 z gleby
rozpoznano dopiero 30 lat temu, a mimo to oszacowano ich globalnÄ…
emisję oraz wyznaczono rolę głównych czynników ją kształtującą.
Globalna emisja NOx z gleby i ze spalania biomasy osiąga około 20
milionów ton N-NOx rocznie, co odpowiada nagłośnionej emisji ze spalania
kopalnych zasobów energetycznych
[A. Sapek. ].
Globalne z
ródła troposferycznego NO i Nox
miliony ton N na rok
y
ródła Średnio
Spalanie surowców 21
Spalanie biomasy 5
Procesy glebowe 8
Wyładowania 8
Utlenienie amoniaku 3
Razem 45
Wpływ pH gleby na emisje tlenków azotu z gleby
Wpływ pH gleby na emisje tlenków azotu z gleby
doświadczenia łąkowego w Jankach
Kampania polowa w projekcie COGANOG maj 1999
[wg, S. Yamulki i in. 2000, P. Merino i in. 2000]
Obiekt
Strumień tlenków, g.ha-1. dzień-1
nawoz-
owy
N2ONO
(pH)
Dni
12341 234
Ca0(4.4)
5.2 14.7 4.3 2.7 8.5 15.4 16.3 15.9
Ca2(5.8)
18.7 31.3 19.2 14.1 7.8 11.1 19.1 11.1
**
** ** **
PODSUMOWANIE
PODSUMOWANIE
" Okresy suszy i podwyższonych temperatur, oraz odczyn
gleby bliski obojętnemu sprzyjają zwiększeniu wydajności
mineralizacji organicznych związków azotu i fosforu, zwłaszcza
w glebach zasobnych w węgiel organiczny.
" Kwaśny odczyn gleby oraz nawożenie saletrą amonową
sprzyja nagromadzaniu amonowej formy azotu w glebie
trwałego użytku zielonego, także uwalnianiu w niej mineralnego
fosforu, natomiast zmniejszenie kwasowości gleby i nawożenie
saletrą wapniową sprzyja uwalnianiu azotanów.
" Zaniechaniu nawożenia oraz pozostawianiu na pokosie
15 cm runi łąkowej na długoletnio użytkowanej łące kośnej na
glebie mineralnej towarzyszy zwiększenie intensywności
mineralizacji związków azotu i fosforu i jednocześnie
wzbogacenie gleby w mineralne, rozpuszczalne formy tych
składników.
PODSUMOWANIE cd
PODSUMOWANIE cd
" Uwalnianiu azotu i fosforu z materii organicznej gleby,
zwłaszcza zasobnej w węgiel organiczny, towarzyszy
wymywanie rozpuszczalnych form tych składników do wody
gruntowej, co w warunkach dużej wydajności mineralizacji i
niewykorzystania przez roślinność, prowadzi do jej
zanieczyszczenia zwiÄ…zkami azotu i fosforu
" Mineralizacja materii organicznej jest z
ródłem emisji
gazowych związków węgla (CO2), której towarzyszą emisje
tlenków azotu (NOx, N2O). Wydajność i rodzaj emitowanych
gazów zależą, od warunków red-ox panujących w glebie,
zależnych od właściwości fizyczno-wodnych, w tym od
odczynu gleby oraz zasobności gleby w węgiel organiczny.
" Mimo nawożenia azotem i stwierdzonego w wieloleciu
zwiększenia wydajności mineralizacji azotu w glebie łąkowej,
zawartość tego składnika w roślinności zmniejszała się, co
wskazuje na jego rozproszenie w środowisku.
" Zaniechanie nawożenia fosforem skutkuje istotnym
zmniejszeniem jego zawartości w roślinności łąkowej, chociaż
zawartość uwalnianego fosforu mineralnego w glebie wykazuje
pewną stabilność, a nawet tendencję wzrostową.
 Wykazywany w ostatnich latach
wzrost intensywności mineralizacji
związków azotu, także fosforu
w glebach Å‚Ä…kowych,
stwierdzany również przez innych
autorów w różnych warunkach
produkcyjnych i glebowych,
może wskazywać wpływ
obserwowanych obecnie globalnych
zmian klimatycznych na ten proces
Dziękuję za uwagę !