Włączenie azotu 15N do organicznej substancji gleb nawozowych doświadczeń statycznych

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XLU, NR 3/4, WARSZAWA 1991:45-51

HEINZ PESCHKE, SA B IN E K RETSCH M AN N

SUKZESSIVE SUBSTITUTION VON 15N-MARKIERTEM STICKSTOFF IN DIE ORGANISCHE SUBSTANZ VON LANGJÄHRIG EXTREM

GEDÜNGTEN DAUERVERSUCHSBÖDEN Sektion Pflanzenproduktion der Humboldt-Universität zu Berlin

Ы К LEITUNG

Die Auswirkungen differenzierter Bewirtschaftungsmaßnahmen lassen sich nur m langzeitlichen Dauerversuchen erfassen. Sie sind somit von unschätzbarem Wert für die Bodenfruchtbarkeitsforschung. Neben den unmittelbaren Erkenntniszuwachs aus den akkumulierten ackerbaulichen Eigenschaftstrends gestatten spezielle Experi­ ments in den Dauerfeldversuchen oder mit Bodensubstraten aus solchen Versuchen weitergehende Untersuchungen als Tiefenprüfungen mit gezielter Ausrichtung. Für die vorliegende Aufgabenstellung wurde die letztgenannte Möglichkeit gewählt.

Die Kenntnis des Umsetzungsverhaltens, der C- und N-Dynamik der organischen Substanz des Bodens läßt Rückschlüsse über die Humusreproduktion zu. Unter die­ ser Zielstellung soll die Auf-, Um- und Abbaudynamik der Humusbestandteile über den maximalen Einbau des N-Isotops in die organische Substanz von Extremva­ riantenpaare von drei unterschiedlichen Oberbodensubstraten aus Dauerversuchen verfolgt werden [6]. Es werden die Ergebnisse der 15N-Akkumulation in den Hu­ musfraktionen mitgeteilt. Parallel dazu wurde auch die 15N-Anreicherung in organi­ schen N-Verbindungen geprüft [4]. Die Anschlußuntersuchungen zur gezielten 15N-Abreicherung haben begonnen.

M ATERIAL U N D M ETHODEN

Kriterium für die Auswahl der drei Dauerversuche war der abgestufte Humusge­ halt. Die jeweils beiden Extremvarianten sind die langjährige Behandlung „ohne (N)- Düngung” und „hochgedüngt” und daraus folgend durch „niedrigen” und „hohen” Kohlenstoffgehalt gekennzeichnet. Weitere Bodenunterschiede, wie Textur, Tonmi­ neralbestand, die Humusfraktionen und Fraktionen der organischen N-Verbindungen u.a., sind publiziert [7, 5]. Es wurde Oberbod^nrr^tprial nacu tehend aufgeführter Prüfglieder dieser Dauerfeldversuche verwendet:

46 Heinz Peschke, Sabine Kretschmann

1) Bodenfruchtbarkeitsversuch Thyrow Variante 2 „РКСа (1938 -1974 ungedüngt)”

Variante 5 „NPKCa und 3jährig 600 dt/ha Stallmist”, Versuchsdauer 48 Jahre 2) Fruchtfolgedüngungsversuch Seehausen

Variante a l (bl, c l) „100% Getreide, PK”

Variante a5 (b5, c2) „Hackfrucht-Getreide-Luzerne-Fruchtfolge, NPK + Stall­ mist/Güllefeststoff (100 kg N/ha • a)”, Versuchsdauer 28 Jahre

3) Statischer Versuch Lauchstädt Variante 18 „ohne Düngung”

Variante 1 „NPK und 2jährig 300 dt/ha Stallmist”, Versuchsdauer 84 Jahre Das dreijährige Experiment wurde als Modellversuch in einer ungeheizten Vege­ tationshalle durchgeführt. Zum Anbau gelangte ein Gemisch von Einjähringem und Welschem Weidelgras. Die einzelnen Grasschnitte wurden jeweils am Jahresende in den Boden zurückgeführt. Die Stickstoffdüngung erfolgte in jährlich mehreren Ga­ ben in der Gesamtdosis von 41.67 mg N/100 g Boden als Ammoniumsulfat, das mit 95 at-% 15N markiert war.

Der Q-Gehalt wurde nach Tjurin und der Nt-Gehalt nach Kjeldahl festgestellt. Der Bodenhumus wurde in Anlehnung an die von Kononova/Belcikova vorgeschla­ gene Methods fraktioniert. Um eine weitere Differenzierung zu erreichen, wurde eine Vorfraktionierung zur Extraktion der labilen Humusstoffe (Fulvosäure I, Huminsäure I) nach Djakonova durchgeführt. Von den Fraktionen der Fulvosäuren (FSi, и), der Huminsäuren (HSi, и) und der nicht extrahierbaren Substanz (NeS) wurde der C-, N- und 15N-Gehalt bestimmt. Die relative 15N-Häufigkeit wurde emissionsspektrometri- sch mit dem Isonitromat 5200 bzw. NOI 6e ermittelt.

ERGEBNISSE U N D D ISK U SSIO N

Die jahrzehnte lange differenziert normierte Düngung auf den in der Textur unterschiedlichen Standorten hat zu voneinander abweichenden Humusgehalten, über die gezielte Auswahl der Dauerversuche zu abgestuften Gehalten in der organischen Bodensubstanz, geführt. Zumindest durch die lange Versuchszeit in Lauchstädt und Thyrow kann theoretisch unterstellt werden, daß in den ungedüngten Prüfgliedem nur noch inerte organische Bodensubstanz vorliegt. Durch sonstige N-Quellen, vor allem infolge N-Immissionen, ist aber auch auf den ungedüngten Parzellen Stick­ stoffzufuhr in die Bilanz einzuberechnen. Trotzdem unterscheiden sich die 2 x 3 Va­ rianten nach Quantität und Qualität des Bodenhumus erheblich [7, 5]. Diese Divergenzen lassen deshalb auch abweichende Reaktionen auf einen hohen N-In- put erwarten.

Die C- und N-Analysen der Humusfraktionen der Ausgangssubstrate ergeben höhere relative Anteile des С und noch mehr des N in den Fulvosäuren des Sandbo­ dens Thyrow und größere Relativwerte des С und N in den Huminsäuren des Schwarzerdelöß von Lauchstädt (Tabelle 1). Die gleiche Verhältnisabstufung besteht zwischen der ungedüngten, С-armen Variante und der hochgedüngten, C-reichen Va­ riante, der drei Versuche.

Der hochgedüngte, optimal mit Wasser versorgte Grasanbau erhöht über die Stoppel- und Wurzelrückstände sowie mit dem rückgeführten Emtemassen in der

T a b e l l e 1 Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt der Humusfraktionen (mg/100 g Boden)

Variante Jahre Kohlenstoffgehalt Stickstoffgehalt c , C FS С HS C NcS Nt n fs Nhs N NcS Thyrow 2 1986 284 82,7 70,3 131,0 30,4 24,4 4,6 — 1989 240 72,2 79,3 154,3 48,1 23,9 6,2 9,1 Thyrow 5 1986 544 120,0 163,3 260,7 59,3 31,2 15,3 8,8 1989 636 140,6 201,2 297,0 78,0 30,4 14,4 19,2 Seehausen al 1986 717 163,5 187,5 366,0 62,1 26,7 17,0 11,5 1989 850 183,1 240,6 417,0 126,5 37,1 15,3 32,5 Seehausen a5 1986 890 174,0 231,0 485,0 73,8 27,8 19,0 17,4 1989 1038 183,9 224,6 447,0 147,6 38,5 19,1 40,3 Lauchstädt 18 1986 1367 228,0 528,0 611,0 110,2 37,4 32,0 26,8 J 1989 1578 238,1 522,9 618,0 189,3 41,3 34,9 58,8 Lauchstädt 1 1986 2109 282,0 750,0 1077,0 167,6 45,8 51,0 53,6 1989 2262 287,1 704,6 898,0 225,8 40,1 47,2 88,5

15N-Akkumulation in den Humusfraktionen

T a b e l l e 2

I Variante Jahre

FS, FS„ HS, h s„ NeS

mg/lOOgB %Npsi mg/lOOgB _{* N ren} mg/lOOgB %NHSi mg/lOOgB _{% N HSII} mg/lOOgB %nNcS

Thyrow 2 1987 5,44 32,8 0,42 4,0 0,04 4,5 0,04 3,1 — — 1988 22,50 43,4 0,64 5,3 0,14 5,6 0,18 5,6 — — 1989 8,04 45,9 0,78 12,1 0,44 14,9 0,52 16,1 1,68 18,5 1987 2,59 18,4 0,41 3,0 0,09 3,3 0,30 3,4 0,28 1,7 Thyrow 5 1988 18,30 35,3 0,68 4,0 0,29 5,2 0,41 4,0 — — 1989 7,29 37,6 1,02 9,3 0,71 11,7 0,99 11,8 2,27 11,8 1987 0,62 4,8 0,35 2,6 0,04 2,7 0,20 2,4 0,50 1,9 1 Seehausen a l 1988 2,85 16,0 0,84 5,6 0,53 4,4 1,14 9,4 1,90 7,3 1989 10,70 47,8 2,62 17,8 0,87 15,5 1,97 20,4 6,56 20,1 1987 0,31 3,0 0,42 2,8 0,05 2,2 0,22 1,9 0,89 1,2 1 Seehausen a5 1988 2,48 15,7 0,93 5,9 0,55 4,4 1,68 7,5 1,93 6,2 1989 12,10 48,4 2,37 17,4 1,00 13,8 2,68 22,5 6,20 15,4 1987 0,30 2,3 0,26 1,4 0,23 1,6 0,30 1,9 0,72 1,7 I Lauchstädt 18 1988 3,14 15,9 1,40 7,3 0,48 3,9 1,53 7,0 3,97 6,7 1989 9,25 45,3 4,80 23,0 2,42 16,7 4,09 20,0 11,20 19,0 1987 0,34 2,1 0,44 1,8 0,44 2,4 0,56 2,0 0,86 1,2 Lauchstädt 1 1988 0,69 4,9 1,19 4,8 0,46 2,8 1,88 5,8 4,76 4,6 1989 3,55 19,3 3,44 15,8 2,66 14,4 5,23 18,2 12,90 14,6

Sukzessive Substitution von 15N-markiertem Stickstoff in die organische Substanz ₄₉

dreijährigen Folge den Gehalt an organischer Substanz in den Versuchsböden. Damit steigt in der Regel der absolute Gehalt der einzelnen Fraktionen der organischen Sub­ stanz an. Besondere deutlich wird das im C- und N-Gehalt der nichtextrahierbaren Substanz ausgewiesen.

Die 15N-Addition über stabilisotopmarkierten N-Mineraldünger und in der Folge gleichzeitig mittels 15N-angereicherter Primärsubstanz (Erntemasse-Rückführung) ermöglicht die 15N-Substitution in der organischen Bodensubstanz (Tabelle 2). Der Einbau des Dünger-15N erfolgte mengenmäßig am stärksten in die Fulvosäure-Frak- tion und dabei größtenteils in die labile Fraktion. Damit wird über diesen experimen­ tellen Weg die Annahme bestätigt, daß Düngerstickstoff in erster Linie in Fulvosäuren festgelegt wird [3] bzw. daß kurzfristige Umsetzungsvorgänge sich in labilen Humusfraktionen abspielen [2]. Andererseits kann methodisch bedingt nicht ausgeschlossen werden, daß bei der Fulvosäure-Fraktionierung Humusbegleitstoffe nicht ausreichend separiert werden können [1]. In der Fraktion I kann auch der Nan- Gehalt eine Rolle spielen. So ist es im Boden Thyrow 1988 durch den minimalen pflanzlichen Entzug zu einer stärkeren NH4-N-Akkumulation gekommen.

Die relative 15N-Einlagerung in die Fraktion Fulvosäure I zeigt in den schwere­ ren Böden einen zeitlichen Verzug. Bei den Huminsäuren ist die Differenzierung zwischen den zwei Extraktionsansätzen wesentlich geringer. Allein die Tatsache, daß innerhalb von drei Jahren, mit besonderer Wichtung des letzten Versuchsabschnittes, zwischen 12 und 22% des Huminsäurestickstoffs 1 N-isotopmarkiert werden konnte, deutet die auch in dieser Fraktion vorhandene Dynamik an. Zu erklären ist dieser Be­ fund über die Regenerationsfähigkeit vorhandener Huminsäuren, die über die relative Stabilität ihrer zentralen Molekülbestandteile hinausreichen [8].

Die Fraktion der nichtextrahierbaren Substanz ist keine einheitliche Stoffgruppe. Es kann vermutet werden, daß 15N über die mikrobielle Assimilation eingeführt wur­ de; dies vorrangig im Sandboden Thyrow. Dagegen ist bei den hohen Huminsäure­ werten (HS П) im Lauchstädter Boden eine forcierte Humifizierung nicht auszuschließen.

Der gegensätzliche Trend des prozentualen Einbaus des Dünger-N in Fulvosäuren einerseits und Huminsäuren/nichtextrahierbare Substanzen andererseits (Tabelle 3) unterstreicht diese Annahme. Die summarische Verwertung des vorge­ legten 15N zwischen 25.5 und 34% bestätigt darüberhinaus die große Dynamik im Mineralisations-Immobilisations-Tumover.

Tabelle 3 Einbindung des (I5N-) Düngerstickstoffes nach drei Versuchsjahren (in % des eingesetzten Dünge-N)

Variante Fulvosäure-N Huminsäure-N N eS-N

J

Thyrow 2 24,6 2,7 4,7

I

I

I

I

12’°

I

14,6

I

50 H. Peschke, S. Kretschmann

SCHLUSSFOLGERUNGEN

1. Das Arbeitsschema ist die konsequent fortgesetzte Methodik von kurzfristigen Ansätzen anderer Versuchsansteller.

2. Innerhalb kurzer Zeit ist eine beachtliche Substitution von 15N in der organi­ schen Bodensubstanz möglich und in Humusfraktionen, ebenso wie in organischen N-Verbindungen definiert nachweisbar.

3. Die Vorfraktionierung gestattet gegenüber klassischen Fraktionierungen wei­ tere Einblicke in die C- und N-dynamischen Vorgänge im Boden.

4. Unterschiedliche Humusmenge und -Zusammensetzung in den Ausgangsböden variieren die Resultate.

5. 15N-isotopmarkiertes Bodenmaterial ist für sich anschließende 15N-Abreiche- rungsversuche geeignet.

LITERATUR

[1] D a n n e b e r g O. , U l l a h S . M. Chromatographische Unterscheidung von Huminstoffen und Nichthuminstoffen aus Schwarzerdehumus. Z. Pflanzenernähr, u. Bodenkd. 1982,145: 526-538. [2] F r e y t a g H . - E . Ermittlung von Schwellenwerten für die Versorgung der Böden mit organischer

Substanz bei konzentriertem Getreidebau. Forschungsbericht, Forschungszentrum für Bodenfrucht­ barkeit, Müncheberg 1976.

[3] K o r e n ko V D. A. Der Einsatz stabiler Isotope in der Landwirtschaft (russ.). IAEA Concil for Mu­ tual Economic Assistance. Techn. Committee Meeting on Modern Trends in the Biological Applica­ tion on the Stable Isotopes. Leipzig 1977 (abstracts).

[4] K r e t s c h m a n n S. 15N-Anreicherung der organischen Substanz langjährig differenziert gedüngter Dauerversuchsböden. Dissertation A, Humboldt-Universität, Berlin 1990.

[5] K r e t s c h m a n n S . , P e s c h k e H. , Mü l l e r С . Stickstoff-und kohlenstoffcharakteristische B o­ denkennwerte divergierender Prüfgliedpaare von drei statischen Dauerversuchen der DDR. 2. Mitt. Kohlenstoff-Auswertung. Arch. Acker- und Pflanzenbau u. Bodenkd. 1990, 34.

[6] P e s c h k e H. Verfahren zur Herstellung von 15N-isotopmarkierter organischer Bodensubstanz. (In:) Stickstoff und Phosphor im System Boden - Dünger - Pflanze. Wiss. Jahrestagung der Sektion Pflanzenproduktion der Humboldt-Universität, Tagungsbericht, Berlin 1988.

[7] P e s c h k e H. , K r e t s c h m a n n S . , O p f e r m a n n S . Stickstoff-und kohlenstoffcharakteristische Bodenkennwerte divergierender Prüfgliedpaare von drei statischen Dauerversuchen der DDR. - 1. Mitt. Stickstoff-Auswertung. Arch. Acker- u. Pflanzenbau u. Bodenkd. 1990, 34.

[8] S i e w e r t C. Erarbeitung einer Methode zur Quantifizierung und Charakterisierung der Umsetzbar­ keit der organischen Substanz des Bodens. Dissertation A, Bad Lauchstädt/Moskau 1988.

Г. ПЕШКЕ, C. КРЕТЧМАНН ВКЛЮЧЕНИЕ АЗОТА 15N В ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ В СТАТИЧЕСКИХ УДОБРИТЕЛЬНЫХ ОПЫТАХ Секция растениеводства Университета им. Гумбольдта в Берлине Р езю м е Почву взятую из пахотного слоя исследуемую в рамках трех статических опытов удобряли в модельном опыте сульфатом аммония с меченым азотом 15N и обсеивали на протяжении трех л ет плевелом. Растительную массу содержащую 15N вводили каждый год в почву.

Sukzessive Substitution von 15N-markiertem Stickstoff in die organische Substanz ₅₁

Самое большое участие 15N установлено во фракции лабильных фульвокислот. Это осо­ бенно касается песчаных почв. В суглинистых же почвах высшие количества меченого азота на­ ходились во фракции гуминовых кислот и негидролизирующей фракции.

H. PESCHKE, S. KRETSCHMANN

WŁĄCZENIE AZOTU 15N DO ORGANICZNEJ SUBSTANCJI GLEB NAWOZOWYCH DOŚWIADCZEŃ STATYCZNYCH

Sekcja Produkcji Roślinnej Uniwersytetu im. Humboldta w Berlinie S t r e s z c z e n i e

Glebę z warstwy ornej trzech statycznych doświadczeń nawożono w modelowym doświadczeniu siarczanem amonu ze znakowanym 15N i obsiewano przez 3 lata życicą. Masę roślinną zawierającą 15N wprowadzano każdorazowo z końcen roku do gleby.

Największy udział 15N stwierdzono we frakcji labilnych kwasów fulwowych. Szczególnie dotyczy to gleb piaskowych. Natomiast w glebach gliniastych więcej znaczonego azotu znajdowano w e frakcji kwasów huminowych i frakcji niehydrolizującej.

Prof. dr sc. H. Peschke Praca wpłynęła do redakcji w marcu 1991 r

Sektion Pflanzenproduktion der Humboldt- Universität zu Berlin 1040 Berlin, Invalidenstrasse 42