Zawartość siarki siarczanowej (VI) oraz aktywność arylosulfatazy w glebie spod uprawy jęczmienia jarego

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LXII NR 1 WARSZAWA 2011: 152-157

ANETTA SIWTK-ZIOMEK, JAN KOPER

ZAWARTOŚĆ SIARKI SIARCZANOWEJ(VI)

ORAZ AKTYWNOŚĆ ARYLOSULFATAZY W GLEBIE

SPOD UPRAWY JĘCZMIENIA JAREGO

SULPHATE SULPHUR(VI) CONTENT

AND ARYLSULPHATASE ACTIVITY IN SOIL

UNDER SPRING BARLEY

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. J. Śniadeckich w Bydgoszczy A bstract: The aim o f the w ork was testing the influence o f diversified doses o f m anure ( 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 and 80

t-ha"1) and mineral nitrogen (0 ,4 5 ,9 0 ,1 3 5 kg N- ha-1) on arylsulphatase activity and content o f sulphate sulphur (VI) in soil under spring barley. Sulphate sulphur content ranged within 9.20-10.75 g-kg-1. Increased doses o f manure influenced the increase o f the content o f plant-available sulphur. The study soil had medium sulphur abundance and should be enriched in this element. Arylsulphatase activity ranged w ithin 0.005 and 0.035 pNP-g-1-h_1. The highest dose o f am m onium nitrate caused the lowest aiylsulphatase activity.

S ło w a k lu c zo w e : siark a siarczan o w a( V I), ary lo su lfataza, gleba, ję c z m ie ń jary. K ey words: su lp h ate su lp h u r(V I), arylsulphatase, soil, sp rin g barley.

WSTĘP

Siarka jest niezbędnym pierwiastkiem dla organizmów żywych. Najaktywniejszą formą siarki jest siarka siarczanowa, która jest przyswajalna dla roślin. Oprócz siarki glebowej źródłem tego pierwiastka są także nawozy naturalne, mineralne oraz opady atmosferyczne. Krążenie siarki w przyrodzie odbywa się dzięki procesom chemicznym, jednak główną rolę odgrywają w nim procesy biochemiczne [Siuta, Rejman-Czajkowska 1980]. Arylosulfataza hydrolizuje aromatyczne estry siarczanowe (R -0 -S 0 32~) do fenoli (R-OH) i nieorganicznych siarczanów (S 0 42-). Enzym ten powszechnie występuje w glebie i przyczynia się w procesach utleniania siarki do udostępniania jej roślinom [Elsgaard, Vinther 2004]. Od lat 90. ubiegłego wieku, w Europie ograniczono emisję siarki stanowiącej przyczynę skażeń środowiska glebowego [Scherer 2009]. W wyniku tych działań ekologicznych oraz zmian asortymentu stosowanych nawozów obserwuje się deficyt siarki w glebach [Grzebisz, Przygocka-Cyna 2003]. Dlatego celowym jest badanie zasobności gleb w siarczany(VT) w przypadku upraw roślin jednoliściennych, u których niedobory siarki nie uwidaczniają się w sposób wizualny.

Zawartość siarki siarczanowej(VI) oraz aktywność arylosulfatazy w glebie

...

Celem pracy było zbadanie wpływu zróżnicowanych dawek obornika (0, 20, 40, 60 i 80 t*ha_1) i azotu mineralnego (0,40, 80,120 kg N*ha_1) na zawartość siarki siarczanowej (VI) oraz aktywność arylosulfatazy w glebie w trakcie uprawy jęczmienia jarego.

MATERIAŁ I METODYKA

Do badań wykorzystano próbki gleby pobrane z w ieloletniego, statycznego doświadczenia polowego prowadzonego od 1980 roku przez Instytut Uprawy i Nawożenia i Gleboznawstwa w Puławach na terenie RZD w Grabowie nad Wisłą, woj. mazowieckie (51°2r8"N, 21°40'8"E). Gleby, na których jest usytuowany RZD w Grabowie, to gleby płowe typowe zaliczane do klasy IVa użytków rolnych i kompleksu żytniego bardzo dobrego. Doświadczenie założono jako dwuczynnikowe, metodą split-plot: pierwszym czynnikiem było nawożenie obornikiem bydlęcym w dawkach: 0, 20, 40, 60 i 80 t-ha"1, drugim - nawożenie azotem w postaci saletry amonowej (34% N) w dawkach: NQ - 0, N 1 - 40, N 2 - 80 i N - 120 kg N*ha_1. Nawożenie fosforem (superfosfat potrójny granulowany - 46% P2Os) i potasem (60% sól potasowa) na wszystkich obiektach doświadczalnych było jednakowe i wynosiło 24 kg P-ha"1 oraz 132 kg K*ha_1. Próbki glebowe do analiz pobrano trzykrotnie w trakcie sezonu wegetacyjnego (21.03., 16.07., 17.09.2003) jęczmienia jarego odm. Stratus, uprawianego w zmianowaniu: ziemniaki, pszenica ozima, jęczmień jary i kukurydza.

Aktywność arylosulfatazy oznaczono wg metody Tabatabai i Bremnera [1970], a siarkę siarczanową zgodnie z metodąBardsleya-Lancastera w modyfikacji COMN-IUNG [1960]. Pozostałe parametry gleby oznaczono metodami powszechnie stosowanymi [Lityński i in. 1976]. Dla wyników zawartości siarki siarczanowej oraz aktywności enzymu wykonano analizę wariancji z użyciem półprzedziałów ufności Tukeya (p=0,05).

WYNIKI BA DA Ń

Zawartość węgla organicznego w badanej glebie mieściła się w zakresie 5,06-8,24 g-kg"1 i zależała od nawożenia obornikiem i nawozem azotowym. Największy przyrost zawartości tego składnika w glebie stwierdzono w próbkach glebowych pobranych z obiektów nawożonych największą dawką obornika (80 t*ha_1). Podobne wyniki uzyskali Maćkowiak i Żebrowski [1999].

Zawartość azotu ogółem zawierała się w przedziale 0,55-0,80 g*kg_1 ze średnią 0,72 g*kg_1, dla dawek obornika i azotu mineralnego (tab. 1). Zwiększanie ilości substancji organicznej i saletry amonowej powodowało wzrost zawartości azotu materii organicznej w badanej glebie. Stwierdzono małe zróżnicowanie wartości stosunku C:N w badanej glebie. Najszerszy (11) wystąpił w próbkach glebowych pobranych z poletek nawożonych obornikiem w dawce 40 t-ha"1 oraz azotem w dawkach 30, 60 i 90 kg*ha_1 oraz obiektów nawożonych obornikiem w ilości 80 t*ha_1 i azotem w dawce 60 kg-ha_1 (tab. 1). Wartość C:N świadczy o przewadze procesów mineralizacji nad immobilizacją azotu w glebie.

Wartości pH mierzone w lmol KCl-dm-3 mieściły się w zakresie 5,6-5,9 (tab. 1), co wskazuje, że odczyn analizowanej gleby był nieco bardziej kwaśny od optymalnych warunków dla aktywności arylosulfatazy, które według Klose i in. [1999] zawierają się w przedziale pH w KC1 od 5,8 do 8,2.

TA B ELA 1. Z aw arto ść w ęgla organicznego, a z o tu ogółem , w a rto ść sto su n k u C :N o ra z z a w a rto ść siark i s ia rcz an o w ej, ak ty w n o ść arylosulfatazy i p H w b a d an e j glebie

TA B LE 1. The c o n te n t o f to ta l organie c arb o n , to ta l nitrogen, value o f C :N ra tio , c o n te n t o f su lp h ate su lp h u r(V I), activity o f ary lsu lp h atase and p H in soil u n d er study

Obornik (I czynnik) Nawożenie azotowe (II czynnik) - Nitrogen fertilization (II factor) - Dawki - Doses N - N [kg N-ha'1] FYM (I factor) [t-ha"1]_{N n N, N, N„ śred.}

Ni N śred. N o ! C [g -k g 1] N [g-kg'1] C:N 0 5,060 5,527 5,597 6.800 5,746 0,553 0,637 0,623 0,697 0,627 9 9 9 10 20 6,847 6,922 7,153 7,085 7,002 0,70 0,704 0,711 0,753 0,717 10 10 10 9 40 6,844 7,707 7,893 7,850 7,493 0,697 0,725 0,725 0,728 0,718 10 11 11 11 60 7,230 7,325 8,238 7,820 7,653 0,763 0,770 0,788 0,781 10,775 9 10 10 10 80 7,732 7,797 8,215 7,938 7,921 0,760 0,774 0,777 0,802 0,778 10 10 11 10 Średnia - Mean 6,742 7.055 7,419 7,435 7,163 0,694 0,722 0,725 0,752 |0,723 - - - -N IR o , s - LSDo.os I - 0,414 II - 0,233 I - 0,033 11: - 0,017

II/I - 0,708 I/II - 0,602 II/I - 0,023 I/II - 0,036 S 0 42- [mg-kg-1] Aktywność arylosulfatazy Arylsulphatase activity [wM pNP-g-'-lr1] pH w - in mol KCl-dm"3 0 10,03 9,199 9,724 9,595 9,637 0,007 0,007 0,017 0,008 |0,010 5,6 5,6 5,7 5,8 20 10,42 10,55 10,28 10,76 10,50 0,012 0,012 0,008 0,008 |0,010 5,7 5,7 5,9 5,6 40 9,773 9,790 10,02 10,24 9,955 0,017 0,011 0,009 0,005 |0,010 5,7 5,8 5,6 5,7 60 9,776 10,03 10,15 10,22 10,04 0,015 0,017 0,022 0,035 [o,022 5,7 5,6 5,7 5,8 80 10,52 10,22 10,75 11,08 10,64 0,006 0,010 0,013 0,007 0,009 5,9 5,9 5,9 5,9 Średnia - Mean 10,10 9,958 10,18 10,38 10,16 0,011 0,011 0,014 0,009 !(),() 12 - - - -n i r 0 05 - l s d0#5 I - 0,382 II -- 0,286 I - 0,001 11 - 0,001 II/I - 0,639 I/II -- 0,670 II/I - 0,002 I/II - 0,002

Zawartość siarki siarczanowej(VI) oraz aktywność arylosulfatazy w glebie ... 155

Stwierdzono wpływ nawożenia obornikiem i saletrą amonową na zmiany ilości siarki siarczanowej oraz aktywność arylosulfatazy w badanej glebie. Zawartość siarki siarczanowej w glebie w okresie wegetacyjnym jęczmienia jarego mieściła się w przedziale 9,20-10,75 mg-kg_1, średnio dla wszystkich obiektów nawozowych 10,16 mg SO^ -kg ^tab. l).Taka ilość siarczanów klasyfikuje badaną glebę do klasy o średniej zasobności w ten składnik. Według Lipińskiego i in. [2003] w przypadku uprawy zbóż gleba powinna być wzbogacona w ten składnik w dawce 10 kg-ha , a w razie kolejnej w zmianowaniu uprawy kukurydzy wytwarzającej dużą ilość zielonej masy - 55 kg-ha'1. Potwierdza to wyniki badań prowadzonych w ciągu ostatnich lat [Kaczor, Zuzańska 2009], które przemawiają za koniecznością uwzględnienia siarki w nawożeniu nie tylko roślin krzyżowych, mających duże wymagania w stosunku do tego pierwiastka, ale także i zbóż. Niedobór siarki w glebie uniemożliwia roślinom wykształcenie odpowiedniego plonu biomasy, a równocześnie pogarsza wartość biologiczną plonu [Marska, Wróbel 2000]. Niedobory siarki w glebach Polski będą narastać na skutek ograniczenia przemysłowej emisji S 0 2 oraz zmniejszenia zużycia nawozów naturalnych i mineralnych zawierających siarkę [Grzebisz, Przygocka-Cyna 2003]. Niedostatek siarki w produkcji roślinnej stał się problemem współczesnego rolnictwa, w tym zwłaszcza północnoeuropejskiego [Eriksen i in. 2004; Scherer 2009]. Poza nawozami mineralnymi pewnych ilości siarki dostarczają nawozy naturalne [Kaczor, Zuzańska 2009]. Obornik zawiera jej od 0,9 do 1,2 kg-ha_1 i ocenia się, że przeciętnie 20% siarki całkowitej występuje w postaci siarczków przyswajalnych dla roślin, 40% stanowią połączenia organiczne, a kolejne 40% to organiczne i nieorganiczne siarczany. W badaniach własnych wykazano, że zwiększające się dawki obornika powodowały wzrost koncentracji frakcji siarki przyswajalnej dla roślin. Największą zawartość siarki siarczanowej stwierdzono w próbkach glebowych pobranych z obiektów nawożonych największą dawką obornika wynoszącą 80 t-ha_1.

Aktywność arylosulfatazy mieściła się w przedziale 0,005 do 0,035 |aM pNP-g_1-h_I. Największą aktywność arylosulfatazy (średnio 0,022 |iM pNP-g-1 -h'1) stwierdzono w próbkach gleby nawożonych obornikiem w ilości 60 kg-ha-1. Badania Knauff i in. [2003] oraz Kotkowej i in. [2008] potw ierdzają wpływ w ieloletniego nawożenia nawozami organicznymi na wzrost aktywności arylosulfatazy w glebie. Zastosowanie nawozu azotowego także wpłynęło na aktywność badanego enzymu. Największą aktywność arylosulfatazy w glebie stwierdzono przy zastosowaniu saletry amonowej w dawce 80 kg N-ha_1. Największa dawka nawozu azotowego spowodowała zmniejszenie się aktywności enzymu o 36% w porównaniu z niższą dawką saletry amonowej. Takie wyniki wskazują na hamujące działanie saletry amonowej na aktywność arylosulfatazy. Negatywny wpływ jonów ( N 0 3_, N 0 2“, P 0 43-, S 0 42-, Cl-) na aktyw ność enzym atyczną gleby był obserwowany w innych badaniach [Ganeshamurthy, Nielsen 1990; Germida i in 1992].

Aktywność arylosulfatazy i zawartość siarki siarczanowej(VI) w glebie zmieniały się w sezonie wegetacyjnym jęczmienia jarego. Największą zawartość siarki siarczanowej oznaczono w próbkach glebowych pobranych w fazie strzelania w źdźbło jęczmienia jarego i następnie obserwowano zmniejszanie jej zawartości (rys. 1). Największą aktywność arylosulfatazy w sezonie wegetacyjnym oznaczono natomiast po zbiorze uprawianego zboża. Uważa się, że aktywność arylosulfatazy może być kontrolowana przez sprzężenie zwrotne zawartości jonów S-S042". Akumulacja jonów siarczanowych przyczynia się do obniżenia aktywności sulfataz w glebie [Dodgoson i in. 1982; Germida i in. 1992].

y

R Y S U N E K 1. Z aw artość siarki siarczanow ej i aktyw ność arylosulfatazy w glebie sp o d u praw y jęc zm ien ia jarego

F IG U R E 1. S ulphate su lp h u r c o n te n t and ary lsu lp h atase activity in soil u n d e r sp rin g barley

WNIOSKI

1. Badana gleba płowa wykazywała średnią zasobność w siarkę i powinna być wzboga­ cona w ten składnik, aby umożliwić roślinom wydanie plonu odpowiedniej jakości i wielkości.

2. Największą aktywność arylosulfatazy stwierdzono przy nawożeniu obornikiem na poziomie 60 t-ha-1.

3. Zmniejszenie aktywności arylosulfatazy przy wzrastających dawkach saletry amono­ wej wskazuje na inaktywujący wpływ jonów azotanowych na aktywność tego enzy­ mu w badanej glebie.

LITERATURA

BARDSLEY C.E., LANCASTER J.D. 1960: Determination of reserve sulphur and soluble sulfates in soil. Soil

Soc. Am. Proc. 24: 265-268.

DODGSON K.S., WHITE G.F., FITZGERALD J.W. 1982: Sulfatases of microbial origin. Vols I i II, CRC Press, Boca Raton, Florida: 115-128.

ELSGAARD L., VINTHER F. 2004: Modeling o f the temperature response o f arylsulfatase activity. J. Plant

Nutr. Soil. Sci. 167: 196-201.

ERIKSEN J., THORUP-CIIRISTENSEN K , ASKEGARD M. 2004: Plant availability o f catch crop sulphur following spring incorporation. J. Plant Nutr. Soil Sci. 167: 609-615.

GANESHAMURTHY A.N., NIELSEN N.E. 1990: Arylsulphatase and the biochemical mineralization o f soil organic sulphur. Soil Biol. Biochem. 22, 8: 1163-1165.

GERM IDA J.J., WAINWRIGHT M., GUPTA V.V.S.R. 1992: Biochem istry o f sulphur cycling in soil. Soil

Biochem. 7: 1-53.

GRZEBISZ W., PRZYGOCKA-CYNA K. 2003: Aktualne problemy gospodarow ania siarką w rolnictwie polskim. Nawozy i Nawożenie 4: 64—75.

KACZOR A., ZUZAŃSKA J. 2009: Znaczenie siarki w rolnictwie. Chemia Dydaktyka Ekologia Meteorologia 14, 1-2: 69-78.

KLOSE S., MOORE J.M., TABATABAI M.A. 1999: Arylsulfatase activity o f microbial biomass in soils as affected by cropping systems. Biol. Fertil. Soils 29: 46-54.

KNAUFF U., SCHULZ M., SCHERER H.W. 2003: Arylsulfatase activity in the rhizosphere and roots of different crop species. Eur. J. Agron. 19: 215-223.

KOTKOVA B., BALIK J„ CERNY J„ KULKANEK M „ BAZALOVA M. 2008: Crop influence on mobile sulphur content and arylsulphatase activity in the plant rhizosphere. Plant Soil Environ. 54: 100-107 LITYŃSKI T., JURKOWSKA H., GORLACH E. 1976: Analiza chemiczno-rolnicza. PWN Warszawa' 149 ss LIPIŃ SK I W., TERELAK H „ M O TO W ICK A -TERELA K T. 2003: Propozycja liczb W a“ ch siarki

siarczanowej w glebach mineralnych. Rocz. Glebozn. 54, 3: 79-84.

MAĆKOWIAK C., ŻEBROWSKI J. 1999: Wpływ nawożenia obornikiem i doboru roślin w zmianowaniu na zawartość w glebie węgla organicznego i azotu ogółem. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 465: 341-351 M ARSKA E., W RÓBEL J. 2000: Z naczenie siarki dla roślin uprawnych. Folia Univ A g ric Stetin 204

Agricultura 81: 69-76.

SCHERER H.W. 2009: Sulphur in soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 172: 326-335. SIUTA J., REJMAN-CZAJKOWSKA M. 1980: Siarka w biosferze. PWRiL, Warszawa.

TABATABAI M.A., BREMNER J.M. 1970: Factor affecting soil arylsulphatase activity. Soil Sci Soc Amer.

Proc. 34: 427-429.

Zawartość siarki siarczanowej(VI) oraz aktywność arylosulfatazy w glebie ... 157

Dr inż. Anetta Siwik-Ziomek

Katedra Biochemii, Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy,

85-129 Bydgoszcz, ul Bernardyńska 6, e-mail: ziomek@utp.edu.pl