Komitet Redakcyjny – Editorial Board
Mariusz Fotyma (Redaktor Naczelny – Executive Editor ) Janusz Igras, Jan Łabętowicz
Monografia
Zrównoważona gospodarka fosforem w glebie i roślinie w warunkach intensywnej produkcji roślinnej
Sustainable management of phosphorus in soil and plants in condition of intensive plant production
Renata Gaj
Recenzenci
Prof. Dr hab. Wiesław Bednarek Prof. Dr hab. Stanisław Mercik
Projekt okładki Grażyna Hołubowicz-Kliza
Copyright by Polish Fertilizer Society – CIEC ISSN 1509-8095
Adres Redakcji
Zakład Żywienia Roślin i Nawożenia IUNG – PIB Czartoryskich 8, 24-100 Puławy
e-mail fot@iung.pulawy.pl
druk IUNG-PIB zam. 43/F/08 nakł. 200 egz. B-5
Nawozy i Nawożenie Fertilizers and Fertilization
2008 Nr 33 Spis treści
1. WStęP ...7
1.1. Aktualne zadania i cele prac badawczych nad fosforem...7
1.2. WykorzystaniefosforuznaWozóW ...9
1.3. formyfosforuWglebie ...11
1.4. Gospodarowaniefosforemwrolnictwiezrównoważonym ...13
2. MateRIały I MetoDy ...15
2.1. Opis doświadczeń polowych ...15
2.2. warunkiprowadzeniadoświadczeń ...15
2.2.1 Warunki glebowe ...18
2.3. Metody analityczne ...18
2.3.1 Analizy chemiczne podstawowych parametrów glebowych ...20
2.3.2 Oznaczenia i pomiary roślin ... 2.4. Plon ziarna i struktura plonu. ...23
2.5. wskaźnikpojemnościbuforowejGleby (pbc) ...26
2.6. WykorzystaniefosforuznaWozóW ...26
2.6.1. Metoda różnicowa ...26
2.6.2. Metoda bilansowa ...26
2.6.3.. Metoda różnicowa z uwzględnieniem przyrostu (ubytku) fosforu we frakcji PNaOH ...7
2.7. Bilans fosforu ...27
2.8. analizystatystyczne ...27
2.9. sposóbprzedstaWieniaWynikóW ...33
2.10. charakterystykaWarunkóWmeteorologicznych ...33
3. WyNIkI BaDań, cZęść aNalItycZNa ...39
3.1. Zawartość fosforu we frakcjach ...39
3.1.1. Aktywna PH2O i labilna PNaHCO3 frakcja fosforu glebowego ...40
3.1.2. P ekstrahowany NaOH (PNaOH) i P przyswajalny i P-ER...4
3.1.3. Zawartość fosforu zapasowego (Pz) i ogólnego (P tot.) ...44
3.2. Odczyn gleby ...45
3.3. plonyroślin ...46
3.3.1. Pszenica ...46
3.3.2. Elementy struktury plonu ...48
3.3.3. Rzepak ...53
3.3.4. Buraki cukrowe ...53
3.4. Jakość technologiczna roślin. ...56
3.4.1. Pszenica ...56
3.4.2. Rzepak ...59
3.4.3. Buraki cukrowe ...60
3.5. Zawartość fosforu w roślinach ...63
3.6. pobraniefosforuzplonemkońcowymroślin. ...67
3.6.1. Zboża ...67
3.6.2. Rzepak ...68
3.6.3 Burak cukrowy ...69
4. WyNIkI BaDań, cZęść SyNtetycZNa I DySkuSja WyNIkoW ...71
4.1. Ocena stanu odżywienia roślin ...7
4.2. Frakcje fosforu w glebie a stan odżywienia roślin ...80
4,3. Całkowite pobranie P przez rośliny a frakcje fosforu ...87
4.4. Analiza składowych głównych (Principal Component Analysis, PCA) ...92
4.5 Fosfor a jakość plonów ...99
4.6 Wykorzystanie fosforu z nawozów ...101
4.7. Bilans fosforu a zawartość składnika we frakcjach. ...108
4.8 Prognozowanie stanu wyczerpania fosforu w glebie ...112
5. WNIoSkI ...115
6 literatura ...117
7. aneks ...133
ZRÓWNoWaŻoNa GoSPoDaRka FoSFoReM W GleBIe I RoślINIe W WaRuNkacH INteNSyWNej PRoDukcjI RoślINNej SuStaINaBle MaNaGeMeNt oF PHoSPHoRuS IN SoIl aND
PlaNtS IN coNDItIoN oF INteNSIVe PlaNt PRoDuctIoN
Renata Gaj
abstrakt
Na podstawie wyników czteroletnich doświadczeń polowych przeprowad- zonych w latach 2002-2005 określono wpływ zróżnicowanych dawek fosforu na wielkość plonu, parametry jakościowe oraz stan odżywienia roślin w fazie krytycz- nej. W pracy określono także wpływ parametrów glebowych na dostępność wy- branych form fosforu, bilansu P oraz wyznaczono zależności pomiędzy zawartością P we frakcjach glebowych a stanem odżywienia roślin. Efektywność wykorzystania fosforu z nawozów określono za pomocą trzech metod: różnicowej, różnicowej z uwzględnieniem frakcji PNaOH oraz bilansowej.
Spośród roślin testowych (pszenica, rzepak, buraki cukrowe), tylko bu- rak cukrowy reagował wzrostem plonu korzeni i plonu cukru na zróżnicowane dawki nawozów fosforowych. Brak reakcji pozostałych roślin na nawożenie fo- sforem wskazuje na dobre odżywienie roślin z zasobów glebowych składnika.
W warunkach wysokiej zasobności gleb w fosfor, dawki P w zakresie 25-50% po- trzeb pokarmowych, zapewniały właściwe odżywienie fosforem i można je uznać za wystarczające do intensywnej produkcji i efektywnego gospodarowania P w dłuższym przedziale czasu. Bilans P sporządzony dla poszczególnych miejscowości wykazał dodatnie saldo bilansowe tylko dla obiektu 100% P i w skali roku jego wartości kształtowały się w przedziale od 5,3 do 10 kg P·ha-1.
Analiza porównawcza zawartości fosforu we frakcjach PH2O, PNaHCO3, PNaOH, a także w formie przyswajalnej P-ER i ogólnej (P-total) wykazała, że niezależnie od lokalizacji doświadczeń zanotowano spadek zawartości fosforu w analizowanych formach, co wskazuje na dynamikę całego układu P w glebie. Funkcje układu bu- forowego w analizowanych glebach pełniły frakcje PNaHCO3 i PNaOH. Uwzględniając zależność pomiędzy zawartością PH2O a saldem bilansowym P określono czas, w którym należy oczekiwać istotnej reakcji na nawożenie fosforem. Wyznaczony
zakres czasu wahał się w zależności od punktu doświadczalnego w przedziale od 11 do 15 lat.
Slowa kluczowe: zboża, burak cukrowy, rzepak ozimy, nawożenie fosforem, fo- sfor w glebie.
abstract
The influence of differentiated phosphorus rates on the yield size, its qualita- tive parameters as well as the nutritional status of plants at the critical growth stage has been investigated throughout a set of field trials carried out within the period 2002-2005. The influence of soil parameters in regulating the availability of selected forms of phosphorus and its balance was also investigated in the current work, as did the relationships between P content in fraction and nutritional status of plants. The efficiency of phosphorus utilization was assessed by applying three methods: differ- ential, differential with considering the PNaOH fraction, and balance.
It was found that sugar beets, among studied crops (wheat, oilseed rape, sugar beet), were the only plants, which responded to mineral phosphorus fertilization.
This response resulted in an increase of roots biomass and consequently sugar yield.
The weak response of tested crops to phosphorus implies that they were sufficiently fed with this element and the supply from the soil at the critical growth stages was satisfactory. The response of plants has shown unequivocally, that under conditions of high phosphorus soil fertility, rates in the range 25-50% of plant requirements covered properly the phosphorus nutritional status and they may be considered as sufficient for a long-term effective management, which enables a simultaneous ex- tension of the time needed for the exploitation of phosphorus reserves. Phosphorus balance elaborated for the localities showed a credit balance only for the treatment 100% P, and within one year, its values varied from 5.3 to 10 kg P·ha-1.
The comparative analysis of phosphorus content of the PH2O, PNaHCO3, PNaOH frac- tions as well as for the available (P-ER) and total (P-total) forms has indicated that, irrespective of the localization of field trials, a decrease in phosphorus content was observed, which implied a P dynamics of the whole system. The PNaHCO3 and PNaOH fractions controlled the buffering system of investigated soils. Taking into conside- ration the relationship for the pairs PH2O versus P balance, it was estimated a time needed for a significant response to the P fertilization. This period of time varied from 11 to 16 years, respectively with experimental sites (i.e., localities).
key words: cereals, sugar beet, oilseed rape, phosphorus fertilization, phosphorus in soil
1. WStęP
1.1. aktualne zadania i cele prac badawczych nad fosforem
Fosfor oprócz azotu jest jednym z najintensywniej badanych składników mine- ralnych ze względu na szczególną rolę, jaką spełnia w agroekosystemie. Jest pier- wiastkiem niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania każdej rośliny, gdyż de- cyduje o ilości i jakości plonu roślin uprawnych. Funkcje fizjologiczne fosforu są szeroko opisane w literaturze (Fink 1965, Marschner 1986, Mengel i Kirkby 1987, Mengel 1991, Reetz 1986, Summer, Farina 1986, Salisbury i Rossa 1992). Fosfor odgrywa istotną rolę w kształtowaniu żyzności i urodzajności gleb. Niska, naturalna zawartość pierwiastka w glebie jest podstawowym ogranicznikiem plonów w inten- sywnych systemach uprawy. Szacuje się, że pierwiastek ten limituje plony roślin na 30-40% gruntów ornych na świecie, a około 67% pól uprawnych charakteryzuje się niską i bardzo niską zawartością dostępnego fosforu (Batjes 1997, Runge-Metzger 1995). W Polsce sytuacja jest generalnie dobra, gdyż udział gleb o bardzo niskiej i niskiej zawartości przyswajalnych form fosforu stanowi 40%, a na gleby o bardzo wysokiej i wysokiej zawartości fosforu przypada 35% gleb (Lipiński 2000). Istotą problemów naukowych związanych z fosforem są z jednej strony ograniczone za- soby fosforytów, a z drugiej strony zagrożenie dla środowiska. Aktualne kierunki badań naukowych nad fosforem skoncentrowane są są głównie na:
1) wyznaczeniu optymalnego poziomu P w glebie, który gwarantowałby stabilny i wysoki plon,
2) zwiększeniu efektywności wykorzystania składnika,
3) opracowaniu metod pozyskiwania fosforu z innych, poza fosforytami źródeł, 4) wyznaczenie poziomu fosforu w glebie, który nie stanowi zagrożenia dla
środowiska.
Rezerwy złóż fosforytowych ulegają w dość szybkim tempie uszczupleniu (Steen 1998). Nawet optymistyczne prognozy wskazują, że okres korzystania ze złóż geologicznych nie przekroczy 200 lat. W literaturze dotyczącej fosforu coraz częściej pojawia się problem poszukiwania alternatywnych źródeł fosforu, ze wzglę- du na ograniczone zasoby skał fosforanowych. Fosforany pochodzenia naturalnego sa wykorzystywane w 80% do produkcji nawozów fosforowych. Poprzez racjonalne gospodarowanie fosforem można wydłużyć czas eksploatacji zasobów naturalnych.
Pesymistyczne scenariusze wielkości produkcji wskazują na możliwość wyczerpa- nia się rezerw łatwo dostępnych w okresie od 35 do 60 lat. Wydłużanie czasu eksplo- atacji zasobów naturalnych skał fosforanowych będzie zależeć od wielu czynników, a szczególnie od: bieżącego zużycia fosforu w rolnictwie i przemyśle, które trzeba odnieść do szybkości przyrostu liczby ludności świata, postępu biologicznego zwią- zanego z efektywnością pobierania fosforu przez rośliny oraz postępu technologicz- nego odniesionego do form i sposobu aplikacji nawozów fosforowych (Grzebisz,
Gassner 2003, Steen 1998). Obecnie eksploatowane złoża fosforytów są znacznie uboższe w związki fosforu i wymagają większego nakładu energii w procesie tech- nologicznym, któremu towarzyszy jednocześnie wytwarzanie większej ilości odpa- dów (Heffer i in. 2006).
Fosfor jest jednym z najważniejszych składników w produkcji roślinnej, które- mu w przyszłości zagraża niedobór w skali ogólnoświatowej. Powyższe rozważania skłaniają do upowszechniania rozwoju systemu gospodarowania fosforem, który pozwoli maksymalnie wykorzystać zastosowany składnik przy minimum wpływu na środowisko (Frossard i in. 2000). Johnston (2000) zwraca uwagę na zwiększe- nie efektywności wykorzystania fosforu nawozowego poprzez udoskonalenie metod aplikowania składnika oraz recykling P ze ścieków pochodzących z produkcji zwie- rzęcej i przemysłowej. Agronomiczne wykorzystanie składnika z nawozów zawsze było istotnym elementem produkcji roślinnej, ale w ostatniej dekadzie nabrało jesz- cze większego znaczenia ze względu na niskie wykorzystanie fosforu. Pierwiastek ten nie jest wykorzystany efektywnie, co wiąże się z potencjalnymi stratami z syste- mu roślina-gleba i zwiększonym ryzykiem niepożądanego wpływu na środowisko (Lewis, McGechan 2002, Johnston, Syers 2006).
Nadmierna akumulacja fosforu w glebie spowodować może określone ujem- ne skutki w środowisku naturalnym, do których w pierwszej kolejności zalicza się eutrofizację wód powierzchniowych i gruntowych (Gburek i in. 2000, Haygarth i in.1998, Jorgensen i Borggaard 1992, McDowell i in. 2002, Sharpley i in. 1993). Na- leży zaznaczyć, że opinie na temat związku pomiędzy zawartością fosforu w glebie a wymywaniem składnika nie są jednoznaczne. Sharpley i in. (1981) w wielu pracach wykazałi, że ilość wymywanego fosforu do wód powierzchniowych jest funkcją sy- stemu uprawy roślin oraz rodzaju gleby. Przy tej samej zawartości fosforu w glebie, znacznie mniej jest go wymywane z łąk i pastwisk niż z pól uprawnych. Generalnie źródła literaturowe podają, że wzrost zawartości fosforu w glebie ma bezpośredni związek z jego ilościa wymywa do wód (Torpey Morgan 1999, Tunney 2000).
Cele środowiskowe stawiane przez organizacje międzynarodowe takie jak Bal- tic 21 czy Komisja Ochrony Środowiska Morskiego Obszaru Morza Bałtyckiego (HELCOM, wymagają rewizji zasad praktyki rolniczej w zakresie nawożenia fosfo- rem celem zmniejszenia zanieczyszczenia i przywrócenia równowagi biologicznej środowiska morskiego. Polska jako strona Nowej Konwencji Helsińskiej zobowią- zana jest do zapobiegania i eliminowania zanieczyszczenia Bałtyku potęgowanym głównie przez gospodarkę komunalną, a także przez działalność rolniczą. Johnston i Dawson (2005) wskazują, że główną drogą przemieszczania fosforu w rolnictwie do wód powierzchniowych jest erozja gleb. Szczególne zagrożenie mogą stanowić gleby o wysokiej zawartości fosforu łatwo dostępnego fosforu.
1.2. Wykorzystanie fosforu z nawozów
Efektywność wykorzystania fosforu w gospodarstwie rolnym jest jedną z miar oceny jakości gospodarowania (Schnug i in. 2003). Nakłady ponoszone na nawo- żenie są znaczącym ogniwem w kosztach produkcji roślinnej, dlatego znajomość stopnia wykorzystania składników z nawozów ma duże znaczenie. Obok aspektu produkcyjnego i ekonomicznego, stopień wykorzystania składnika mineralnego z nawozu ma ogromne znaczenie ekologiczne. Z tych przyczyn dla praktyki rolniczej niezbędne jest rozpoznanie możliwości stopnia wykorzystania składnika przez ro- ślinę, szczególnie fosforu, który w przeszłości uległ nagromadzeniu Problemu efek- tywności wykorzystania fosforu z nawozów nie można ograniczyć do jednego roku, gdyż w przypadku tego składnika istotne jest następcze działanie fosforu z nawozów w kolejnych latach (Grzebisz, Gassner 2003).
Jednym ze sposobów zwiększania wykorzystania fosforu jest minimalizowanie akumulacji P w glebie w formach związków organicznych i mineralnych (Helyar 1998). Obecnie wiele badań nad fosforem, ukierunkowane jest na poszukiwanie dróg rozwiązań diagnostycznych i technologicznych, które prowadzą do wzrostu przyswajalności składnika w glebie zarówno na drodze hodowli i selekcji roślin, jak i rozwoju zrównoważonej strategii zarządzania fosforem w praktyce nawożenia (Kirkby, Romheld 2006).
Rośliny mogą być hodowane lub selekcjonowane dwukierunkowo tzn. w kie- runku zwiększenia zdolności pobierania P z gleby lub genetycznego zmniejszenia wymagań roślin względem P na wyprodukowanie jednostki suchej masy. Rośliny wykazują dużą różnorodność adaptacyjną w warunkach ograniczonej dostępności fosforu. Reakcja roślin na zawartość fosforu glebowego zależy od interakcji po- między glebą a rośliną (Greenwood i in. 2001, Johnston, Syers 2006, Raghothama 1999). Postęp biotechnologiczny i genetyczny skupiony jest głównie na ingerencję w architekturę systemu korzeniowego, poprawieniu metabolizmu P oraz zwiększeniu aktywności wydzielin korzeniowych (Heffer i in. 2006). Średnica i długość korzeni są istotnymi składowymi morfologicznymi bezpośrednio związanymi z pobieraniem fosforu (Atkinson 1991). Reakcja roślin na zawartość fosforu glebowego zależy od poziomu interakcji pomiędzy glebą a rośliną (Greenwood i in. 2001, Johnston, Syers 2006, Raghothama 1999). Poprzez właściwy dobór gatunków roślin możliwe jest zarówno utrzymanie żyzności gleby jak i ograniczenie strat składnika. Główna idea uprawy roślina nastawiona jest na zwiększenie udziału roślin motylkowatych w pro- ces efektywniejszego wykorzystania fosforu.
Podstawą efektywnego wykorzystania fosforu jest przestrzeganie zasad zrów- noważonego nawożenia, które zabezpieczają zarówno wielkość, jak i jakość plonów uprawianych roślin, a z drugiej strony nie prowadzą do zanieczyszczenia wód fosfo- rem. Wskaźnikiem oceny plonotwórczego działania nawozu jest współczynnik wy- korzystania składnika z nawozu. Poprawne wyznaczenie wskaźnika wykorzystania P
wymaga ścisłego zdefiniowania źródeł fosforu pobieranego przez roślinę. Całkowita ilość składnika pobranego przez roślinę jest bowiem sumą wartości cząstkowych, których źródłem jest fosfor pochodzący z zastosowanego nawozu, fosforu stoso- wany w nawozach w latach poprzednich, P zapasowy oraz P glebowy, który tylko umownie można określić jako naturalny. Prowadząc rozważania nad agronomiczną efektywnością nawozów fosforowych należy rozróżnić tzw. rzeczywiste i pozorne wykorzystanie składnika z nawozów. Schnug i in. (2003) zdefiniował wykorzystanie rzeczywiste jako współczynnik odniesiony do wykorzystania składnika z nawozu w roku zastosowania a pozorne jako współczynnik odniesiony do efektu kumulatyw- nego działania składnika z nawozów stosowanych w długim przedziale czasu.
Istnieją trzy metody oceny efektywności wykorzystania fosforu: bezpośrednia polega na wykorzystaniu izotopów (obecnie jest rzadko stosowana), różnicowa i bi- lansowa. W praktyce rolniczej najczęściej jest wykorzystywana metoda różnicowa (Crowther i in. 1951), którą przedstawia poniższe równanie .
% PR = (Pn – P0)/D PR – efektywność wykorzystania P (P recovery), Pn - pobranie P przez rośliny nawożone fosforem Po - pobranie P przez rośliny nie nawożone D – dawka P, kg· ha-1
Wskaźnik wykorzystania fosforu w pierwszym roku po zastosowaniu, obliczo- ny metodą różnicową kształtuje się do 20 % i zmniejsza się w kolejnych latach (Gre- enwood i in. 1980). Niskie wykorzystanie fosforu z nawozów oznacza, że pozostała część składnika pobranego przez rośliny pochodzi z rezerw fosforu zgromadzonych głównie w warstwie ornej gleby. Wyniki otrzymywane metodą różnicową charakte- ryzują się dużą zmiennością, która wynika z układu wielu nakładających się czyn- ników, wśród których najczęściej wymienia się różnice w plonach spowodowane warunkami pogodowymi, dostępnością innych składników, fizycznymi warunkami glebowymi, zasięgiem strefy wymieszania P z glebą, dawką stosowanego fosforu, aktywnością oddziaływania systemu korzeniowego (Johnston, Syers 2006).
Trzecia metoda określana terminem bilansowej, wyraża stosunek ilości skład- nika pobranego przez roślinę do dawki składnika wprowadzonego z nawozem.
Efektywność wykorzystania P obliczona metodą bilansową również zależy od wiel- kości plonu, pobrania składnika, dawki P. Dla obu metod wykorzystanie składnika zmniejsza się wraz ze wzrostem aplikowanej dawki P. Niższy stopień wykorzysta- nia fosforu z nawozów w roku zastosowania wskazuje, że rośliny pokrywają zapo- trzebowanie na fosfor w dużej mierze z rezerw glebowych. Prawie cały niepobrany przez rośliny fosfor pozostaje w glebie. Przemiany fosforu z nawozów osiągają w stosunkowo krótkim czasie równowagę, ale proces krystalizacji form amorficznych
X 100%
X 100%
stanowiących produkty przemian P przebiega powoli (Scharafat i Finck 1973). Stra- ty fosforu z gleby i uwstecznianie składnika powodują, że wieloletnie wykorzystanie nie jest pełne. Składniki pochodzące z nawozów, które obciążają środowisko i nie dają zwyżki plonów, przy aktualnych relacjach cen w rolnictwie mogą wskazywać na pewnego rodzaju niegospodarność.
1.3. Formy fosforu w glebie
Badania mineralnych frakcji fosforu dają możliwość określenia kierunku prze- mian związków fosforu w glebie, obrazują wpływ procesów glebotwórczych i glebo- wych na rozmieszczenie fosforu w profilu glebowym oraz pozwalają prognozować kierunek przemian w zależności od naturalnych warunków produkcji i przeprowa- dzanych zabiegów agrotechnicznych. W ostatnich 30 latach doświadczenia polowe prowadzone ze stosowaniem fosforu wodno-rozpuszczalnego, nie potwierdziły tezy mówiącej o nieodwracalnym wiązaniu składnika w glebie. Konsekwencją takiego zachowania P w glebie jest skupienie większej uwagi na badaniu bezpośredniej reak- cji roślin na fosfor dostarczany w nawozach (Johnston, Syers 2006). Ocena zawarto- ści fosforu związanego w glebie pozwala na lepsze zrozumienie dynamiki zmian w środowisku glebowym oraz udoskonalenie systemu nawożenia (Mengel 1997).
Z zawartością fosforu w glebie wiążą się dwa zagadnienia dotyczące określe- nia:
1) krytycznego poziomu składnika przyswajalnego w glebie gwarantującego opła- calną ekonomicznie produkcję roślinną,
2) strat składnika z gleb użytkowanych rolniczo (Sibbesen, Sharpley 1997).
Fosfor w fazie stałej gleby występuje w związkach o różnym składzie i rozpuszczal- ności (Simonis 1996, Heffer i in. 2006). Ogólna zawartość P w glebach jest zróżni- cowana i waha się od 0,02 do 0,5%, średnio przyjmuje się, że ilość fosforu ogólnego w warstwie ornej gleby wynosi ok. 1000 kg P·ha-1 (Barber 1995). W większości gleb od 50 do 75% fosforu ogólnego to fosfor występujący w związkach nieorganicznych (Sharpley 1995), które są trudno dostępne dla roślin. Fosfor całkowity tworzą różne połączenia, które Barber (1995) ujmuje w 4 grupy związków:
1) znajdujących się w roztworze glebowym,
2) zaadsorbowanych na powierzchni nieorganicznych związków gleby, 3) związanych w minerałach krystalicznych i amorficznych oraz 4) składnik glebowej materii organicznej.
Związki chemiczne fosforu odnoszone są do tzw. frakcji, których ekstrakcja związana jest z właściwościami gleby takimi jak: skład mineralogiczny, odczyn, zwartość materii organicznej, poziom nawożenia (Chang i Jackson 1957, Grzebisz i in. 1993, Bednarek, Lipiński 1994). Do identyfikacji frakcji fosforu najczęściej wykorzystywane są metody Changa i Jacksona (1957), Hedley,a (1982) lub ich mo- dyfikacje.
W warunkach ciągłej produkcji roślinnej, ilość fosforu wodno-rozpuszczalnego musi być uzupełniana dla utrzymania w miarę stałego poziomu składnika w gle- bie i podniesienia jego zasobności, szczególnie w glebach o niskiej zawartości P.
Zawartość P w roztworze glebowym jest niska, rzadko przekracza 0,01mg P· dm-3 (Sharpley 2000, Sibbesen i Sharpley 1997) i jest niewystarczająca do pokrycia po- trzeb szczególnie wysoko plonujących roślin, które pobierają rocznie od 10 do 30 kg P kg·ha-1. Wprowadzenie nawozów naturalnych bądź mineralnych do gleby jest podstawowym warunkiem zachowania potencjału plonowania gleb uprawnych w dłuższym przedziale czasu (Bednarek, Lipiński 1994, Grzebisz i in. 1993 ). W ska- li kraju należy jednak uwzględnić duże zróżnicowanie regionalne w ilości fosforu dostarczanego z obornikiem, gnojowicą, czy nawozami mineralnymi. Z danych sta- tystycznych wynika, że zróżnicowanie zużycia nawozów naturalnych jest pochod- ną zmienności obsady inwentarza żywego (Rocznik Statystyczny Rolnictwa, GUS 2002).
Dostępność fosforu glebowego jest determinowana przez dwie grupy czynni- ków tj. formę chemiczną oraz mobilność pierwiastka. Fosfor absorbowany jest przez korzenie roślin w formie anionów HPO4- (lub HPO42-), a następnie włączany w cykl metaboliczny (Barber 1980, Hinsinger i in. 2003). Ilość fosforu pobieranego przez rośliny jest uzależniona od równowagi pomiędzy wieloma związkami zawierającymi fosfor, a różną zdolnością roślin do modyfikowania ich środowiska rizosferowego (Fransson i Bergkvist 2000). Ruchliwość fosforu w glebie w porównaniu do innych składników mineralnych jest bardzo mała, gdyż związki P są silnie wiązane przez glebę (Barber 1995). Tempo uwalniania składnika do roztworu glebowego, który wcześniej uległ adsorpcji zależy od siły wiązania na powierzchni cząstek glebowych (Johnston 2000). Zawartość fosforu w roztworze glebowym jest kontrolowana przez dwie grupy procesów: adsorpcji-desorpcji oraz rozpuszczania-strącania (Fotyma i Kęsik 1984, Sample i in. 1980, Sharma i in. 1995).
W glebach żyznych uzupełnianie roztworu glebowego fosforem z fazy stałej gleby zachodzi z wystarczającą prędkością i nie stanowi czynnika ograniczającego możliwość pobierania fosforu przez korzenie roślin (Black 1992). Występowanie różnych form fosforu w glebie zależy od wielu czynników, takich jak: pH, aktyw- ność różnych jonów, rozpuszczalność fosforanów, stopień zwietrzenia składników gleby, ilość i stopień rozkładu materii organicznej, nawożenie i in. (Hedley i in 1995, Sharpley 1995). Chociaż przemiany fosforu wprowadzanego do gleby z nawozami nadal pozostają w części niewyjaśnione (Fey 1988), to przyjmuje się fakt, że po- nad 80% składnika ulega uwstecznieniu w glebie z powodu zachodzących procesów sorpcji i precypitacji (Sample i in. 1980), część jest pobierana przez mikroorganizmy glebowe, a część włączana w związki organiczne (McLaughlin 1988). Fosfor zwią- zany organicznie jest w pewnym zakresie mineralizowany, zwłaszcza formy związa- ne w biomasie mikroorganizmów i resztkach roślinnych. Podobnie jak w przypadku azotu, fosfor również może być wiązany biologicznie i proces ten zachodzi przy stosunku C:P powyżej 300, natomiast uruchamianie fosforu organicznego następuje
gdy C : P jest węższy niż 200:1. Po dłuższym czasie w zależności od sposobu gospo- darowania ustala się określony poziom fosforu związanego organicznie (Süncksen 1977, Fotyma i in. 1987). Część jonów fosforanowych wiązana jest przez iły i siła wiązania przez tę frakcję glebową jest tym silniejsza im niższe jest pH gleby. Sza- cuje się, że wykorzystanie P związanego w wymienionych formach wynosi 60%.
Natomiast stopień wykorzystania P zasorbowanego na powierzchni tlenków Fe, Al, Mn lub wodorotlenków ocenia się na 30-55% (Schachtschabel, 1960).
W rutynowych metodach oznaczania przyswajalnego P stosuje się szereg róż- nych metod analitycznych jak: metoda Egnera-Riehma, Olsena, Braya, Mehlicha i Morgana. W zależności od używanych metod ekstrakcji otrzymuje się różne ilości dostępnego P (Ansumana, Wang 1998, Hedley i in. 1982).
1.4. Gospodarowanie fosforem w rolnictwie zrównoważonym
Pojęcie „rolnictwo zrównoważone” jest powszechnie używane, ale jednocześ- nie różnie interpretowane. Koncepcja rolnictwa zrównoważonego łączy trzy podsta- wowe cele:
1) wieloletnią ciągłość produkcji rolnej,
2) pokrycie potrzeb żywnościowych wszystkich grup ludności regionu i kraju, 3) poprawa jakości środowiska naturalnego.
W praktyce rolnictwo zrównoważone winno realizować równocześnie i har- monijnie cele produkcyjne, ekonomiczne, ekologiczne i społeczne (Faber 2001).
Odpowiednikiem określenia „zrównoważony” w języku angielskim jest termin
„sustainable”, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza zachowawczy (Sapek 2001).
Podstawowym założeniem koncepcji rolnictwa zrównoważonego jest zachowanie żyzności gleby na wysokim poziomie, przy jednocześnie niskim zużyciu energii po- chodzącej ze źródeł kopalnych. Rolnictwo zrównoważone powinno być połączone z naturalnym cyklem biologicznym i optymalizacją składników wprowadzanych do gleby, ale także uwzględniać wzrost efektywności zastosowanych nawozów (Wallace 1994). Rolnictwo zrównoważone wymaga maksymalizacji wykorzystania składników z nawozów przez rośliny i minimalizację strat powodujących zakłócenie funkcjonowania środowiska naturalnego Vos (1996). Istotną cechą rozwoju zrówno- ważonego rolnictwa jest zapewnienie producentom opłacalności produkcji, na którą decydujący wpływ powinien mieć odpowiednio wysoki jej poziom oraz racjonalne wykorzystanie środków produkcji (Dubas 2007).
Wprowadzenie koncepcji rolnictwa zrównoważonego wymaga opracowania nowych strategii nawożenia fosforem, które będą uwzględniały zarówno potrzeby pokarmowe roślin rozważane w aspekcie całego zmianowania, jak i aspekt środo- wiskowy. Dawki fosforu wprowadzane do gleby powyżej potrzeb pokarmowych ro- ślin mogą być uzasadnione tylko w warunkach prowadzenia produkcji na glebach o niskiej zasobności, gdyż w przeciwnym razie powodują stopniowy, lecz środowi-
skowo niepożądany wzrost akumulacji P w glebie (Waskom 1994, Kuo i in. 2005).
Zwiększenie efektywności wykorzystania fosforu z nawozów wymaga wieloletnich badań skierowanych na opracowanie dawki i zasad ustalania, na tle czynników ogra- niczających wykorzystanie i pobranie P (Vos 1996). Tunney i in. (1997) podkreśla, że strategie zrównoważonego nawożenia P wymagają kwantyfikacji dawek fosforu dla zróżnicowanych poziomów zawartości w glebie, uwzględnieniu rodzaju gleby, klimatu i systemu uprawy. Ponadto Grzebisz in. (2006) zwracają uwagę na inne aspekty, które należy uwzględnić opracowując strategię nawożenia fosforem, takie jak: fazę krytyczną roślin na działanie fosforu, termin i rodzaj aplikowanego nawo- zu. O wartości rolniczej nawozu fosforowego decydować może nie tyle zdolność do pokrycia potrzeb pokarmowych roślin w sezonie wegetacyjnym, co dostarczenie odpowiedniej ilości składnika w terminie umożliwiającym pokrycie potrzeb w fazie maksymalnego zapotrzebowania. Takie podejście zakłada dywersyfikację terminu i dawek stosowania P w uprawie danej rośliny.
W systemie zrównoważonego nawożenia obowiązuje zasada prowadzenia właściwej gospodarki składnikami pokarmowymi w układzie gleba-roślina. Pole- ga ona na pokryciu potrzeb pokarmowych roślin na poziomie dostosowanym do oczekiwanych plonów o pożądanych cechach jakościowych (Tunney i in. 1990).
Dawka fosforu w systemie zrównoważonym wymaga wykonania bilansu, który uwzględnia zasobność gleby, wymagania pokarmowe roślin oraz straty składnika do środowiska (Vermeulen i in. 1998). Realizacja przyjętych założeń obarczona jest pewnym błędem zmienności gleby oraz dokładnością metody wykorzystywanej do określenia zasobności gleby w P i zapotrzebowania roślin na fosfor (Haneklaus, Schnug 2002). Nadal otwarta i niewyjaśniona pozostaje kwestia zdefiniowania od- powiedniego testu do wyznaczania minimalnego poziomu P dla optymalnej produk- cji, przy jednoczesnym ograniczeniu ryzyka dla środowiska.
Intensywne i regularne nawożenie mineralne i organiczne w wielu regionach Europy Zachodniej, a lokalnie również w Polsce doprowadziło do znacznej akumu- lacji fosforu w glebach powyżej poziomu wymaganego przez rośliny (Fotyma 2003, Parfitt 1979, Gartley, Sims 1994, Sibbesen, Runge-Metzger 1995). Wysoki poziom nawożenia w przeszłości spowodował zwiększenie zawartości fosforu w glebach użytkowanych rolniczo (Sapek 2001). W Polsce w latach 1950-1990 wniesiono z nawozami około 20 mln ton PO5, co odpowiada ilości fosforu powyżej 1t PO5 na- 1ha UR. Pomimo spadku zużycia nawozów fosforowych w ostatnim dziesięcioleciu nie zaobserwowano istotnych zmian w poziomie plonów. Duża zawartość związków azotu i fosforu w glebie obserwowana jest nadal w krajach z intensywną produkcją roślinną i zwierzęcą, szczególnie w Holandii i Belgii, gdzie poziom zużycia N i P pochodzących z nawozów mineralnych i naturalnych wynosi odpowiednio 364 kg i 302 kg·ha-1 (Csatho, Radimszky 2007).
Bilans fosforu dla Polski jest dodatni, a średnia nadwyżka wynosi ok. 3 kg P·ha-1 (Fotyma 2003, Kopiński i in. 2006). Zdaniem obu autorów ilość fosforu wprowadza- nego do gleby z nawozami mineralnymi w latach 1999 – 2003 poza 6 regionami była
wyższa niż wynoszona z plonem. Całkowity dopływ fosforu (24,8 kg PO5·ha-1), uwzględniający nawozy mineralne, naturalne, przyorane resztki roślinne wskazuje, że dopływ składnika przewyższa o 25% ilość fosforu pobieranego z plonami. Zda- niem Fotymy (2002) przyjmując koncepcję zrównoważonej gospodarki fosforem wystarczyłoby aktualnie w Polsce stosować ok. 14 kg PO5 ·ha-1. Zalecenie zredu- kowania dawki fosforu jest uzasadnione poziomem niskich plonów uzyskiwanych na tle krajów Europy Zachodniej, a co za tym idzie relatywnie małymi ilościami fo- sforu odprowadzanymi z plonami. W Polsce poziom zużycia nawozów fosforowych kształtuje się w dolnym zakresie w porównaniu do innych krajów europejskich i wy- nosi średnio 9-10 kg P·ha-1 (ok. 21 kg PO5 ·ha-1), natomiast ilość fosforu wnoszona z nawozami naturalnymi jest zróżnicowana regionalnie.
Na podstawie przeprowadzonej analizy literatury dotyczącej gospodarki fo- sforem w produkcji roślinnej można stwierdzić, że dotychczasowy stan wiedzy nie zawiera pełnej informacji dotyczącej systemu funkcjonowania zrównoważonego na- wożenia fosforem w intensywnej produkcji roślinnej.
W związku z powyższym sformułowano następującą hipotezę:
Kontrolowane zmniejszenie dawek fosforu w warunkach intensywnej produkcji nie zakłóci procesów wzrostu, plonowania i jakości produktów rolnych.
Weryfikacja powyższej hipotezy wymagała przeprowadzenia badań, których głównym celem było określenie zasad gospodarowania fosforem w intensywnych systemach uprawy zakładając:
1. utrzymanie optymalnego stanu odżywienia roślin w fazach krytycznych rozwoju 2. stabilizację plonu na wysokim poziomie,
3. efektywne wykorzystanie fosforu nawozowego,
4. efektywne wykorzystanie fosforu z rezerw składnika zakumulowanego w glebie Założone cele, realizowano w doświadczeniach polowych zlokalizowanych w 4 miejscowościach, w rotacji krótkich zmianowań obejmujących trzy podstawowe grupy roślin: zboża, rzepak, buraki cukrowe, w układzie 2 lub 3-letnich rotacji.
2. MateRIał I MetoDy 2.1. opis doświadczeń polowych
W latach 2002-2005 przeprowadzono serie ścisłych doświadczeń polowych ze zróżnicowanymi dawkami nawozów fosforowych. Doświadczenia zlokalizowa- no w 4 miejscowościach na terenie Wielkopolski i jej pograniczu (mapa 1). Do- świadczenia prowadzono w rotacji dwóch zmianowań:
- dwuczłonowego (pszenica ozima i buraki cukrowe) w trzech miejscowościach:
Wieszczyczyn, Bodzewo, Ziemięcin
- trzyczłonowego (rzepak - pszenica - pszenżyto) w jednej miejscowości Brody.
W sumie w okresie 4 lat przeprowadzono 36 doświadczeń polowych (Aneks, Tab. 1). W badaniach wykorzystano wariant skrajnie uproszczony, obejmujący zmia- nowanie dwuczłonowe oraz drugi rodzaj następstwa roślin powszechnie stosowane- go w Polsce (trzyczłonowe), z dominującą przewagą zbóż w strukturze zasiewów.
Nadrzędnym celem doboru roślin, był wybór gatunków o dużych wymaganiach względem fosforu. Badaniu poddano następujące rośliny uprawne: pszenicę ozimą (Triticum aestivum L., Zyta - odmiana jakościowa (A) oraz Kris – odmiana chlebowa (B), pszenżyto (Triticale L., Marko), buraki (Beta vulgaris L. Kassandra), rzepak ozimy (Barssica napus ssp. oleifera, Rasmus).
Doświadczenia założono w układzie niezależnym (losowym) w czterech po- wtórzeniach, jako trzyczynnikowe, w których dwa czynniki tj. lata i miejscowości przyjęto jako czynniki losowe, natomiast głównym czynnikiem doświadczalnym był zróżnicowany poziom mineralnego nawożenia fosforem. Wyjątek stanowiło do- świadczenie z rzepakiem, uprawianym w jednej miejscowości (Brody), w układzie dwuczynnikowym.
Czynniki doświadczenia:
1. Lokalizacja:
- Brody
- Wieszczyczyn - Bodzewo - Ziemięcin
2. Lata badań: 2002, 2003, 2004, 2005 3. Dawki fosforu: (tab.1)
Tabela 1. Schemat doświadczenia polowego Table 1. Field experimental scheme
Oznaczenie obiektów
Designation of treatments Charakterystyka obiektów Characteristic of treatments Kontrola absolutna „O”,
absolut control* Brak nawożenia mineralnego w latach prowadzenia doświadczenia
0 P Wariant bez nawożenia fosforem; optymalne nawożenie pozostałymi składnikami (azot, potas, magnez).
25 % P 25% zalecanej dawki P względem obiektu optymalnie nawożonego, fosfor stosowany w formie superfosfatu pojedynczego;
50 % P 50% zalecanej dawki P względem obiektu optymalnie nawożonego, fosfor stosowany w formie superfosfatu pojedynczego; pozostałe składniki w optimum
100 % P 100% zalecanej dawki P w formie superfosfatu pojedynczego, wariant optymalnie nawożony (RBF)
100 % P, P jako - PAPR**
100% P as PAPR 100% zalecanej dawki P w formie częściowo zakwaszonego fosforytu (PAPR), wariant optymalnie nawożony (RBF)
*oznaczenia 25, 50, 100 P opowiadają poziomowi nawożenia fosforem (P) zamieszczonemu w Tabeli 3
** PAPR (Partially Acidulated Phosphate Rock)- częściowo zakwaszony fosforyt
Uwzględniając zasobność gleby, pobranie jednostkowe i spodziewany plon ustalono zbilansowany poziom nawożenia mineralnego określony jako RBF (ang.
Recommended Balanced Fertilization), który odpowiadał dawce 100% P. Do okre- ślenia dawki wykorzystano program NawSald (IUNG, Puławy). W oparciu o wyzna- czony optymalny poziom nawożenia fosforem ustalono pozostałe dawki P, reduku- jąc odpowiednio poziom nawożenia P do 25% i 50% względem wariantu optymalnie zbilansowanego. W przypadku obiektu 100% P dodatkowo wprowadzono wariant z częściowo zakwaszonym fosforytem PAPR (ang. Partially Acidulated Phosphate Rock), traktując obiekt jako alternatywne źródło fosforu w praktyce nawożenia.
Mapa 1. Lokalizacja doświadczeń na terenie Wielkopolski Map 1. Experimental location in Wielkopolska region
Poznań
Bodzewo Wieszczyczyn
Ziemięcin Brody
2.2. Warunki prowadzenia doświadczeń 2.2.1. Warunki glebowe
Doświadczenia założono na glebach płowych, wytworzonych z utworów polo- dowcowych; piasku gliniastego zalegającego na glinach. Pod względem przydatno- ści rolniczej gleby należą do kompleksu żytniego bardzo dobrego. Skład granulome- tryczny oraz charakterystykę właściwości chemicznych gleb określono przed zało- żeniem doświadczeń i podano w tabeli 2. Analizowane gleby charakteryzowały się odczynem lekko kwaśnym (5,9 do 6,5), wysoką zasobnością w przyswajalny fosfor, średnią w potas i średnią w magnez. Zawartość węgla organicznego kształtowała się w przedziale od 0,73 do 1,22%.
Nawożenie fosforem, potasem i magnezem stosowano w jednej dawce po zbiorze rośliny przedplonowej, przed orką zimową. Fosfor zgodnie ze schema- tem doświadczenia stosowano w formie superfosfatu pojedynczego (8,7%P) oraz częściowo zakwaszonego fosforytu. W badaniach wykorzystano fosforyt o zawartości fosforu ogólnego 10,24% P(w tym wodno-rozpuszczalnego 2,5%) i zak- waszeniu 50% (tzn., że ilości kwasu siarkowego zużyta w procesie technologicznym do otrzymania produktu stanowiła 50% ilości koniecznej do produkcji superfosfatu pojedynczego). Potas stosowano w formie soli potasowej chlorkowej (60% KO), natomiast magnez w postaci kizerytu (27% MgO). Ilości fosforu w przeliczeniu na kg P·ha-1 zastosowane w poszczególnych latach badań zamieszczono w tabeli 3.
Azot mineralny w formie saletry amonowej stosowano w dawkach dzielonych w zależności od rośliny i jej potrzeb pokarmowych. W przypadku rzepaku oraz zbóż pierwszą dawkę azotu wprowadzono bezpośrednio po ruszeniu wegetacji wiosną.
Pozostałą część azotu pod rzepak zastosowano po dwóch tygodniach od aplikacji pierwszej. Kolejne dawki azotu pod zboża zastosowano po osiągnięciu przez rośliny fazy strzelania w źdźbło i tuż przed kłoszeniem roślin. Nawożenie buraków azotem również podzielono na dwie równe dawki, pierwszą zastosowano przed siewem ro- ślin, natomiast drugą przed zwarciem rzędów. Zabiegi agrotechniczne przeprowa- dzono zgodnie z zasadami dobrej praktyki rolniczej.
Tabela 2. Podstawowe wáaĞciwoĞci fizyczne i chemiczne badanych gleb Table 2. Basic physical and chemical properties of the studied soils MiejscowoĞci Localities P pr zys waja
lny g · k blem aila P av
-1 g
WáaĞciwoĞci glebowe, Soil property Piasek SandPyá Silt
Iá Clay
C organiczny Org ani c C
Zaw arto Ğü pró chni
cy humus Content of
pHGrupa granulometryczna Textural grup PWK CECHh**
Wys ycen ia KS kat ion am
i ns tio ca aline alk ed zasadowymi plac Dis
(1, 0-0 ,05 m m)
(0, 05- 0,0 02 mm )
(<0 ,00 2m m)
H2OKCl
Wg PN-R-04033 ord acc
ing to PN -R -04 033
wg FA
O; to ing ord acc
FA O
mm ol·k
-1 g mm ol ·
-1 kg
%% Brody 109 79147 0,961,655,975,87pg* Ls* 52,815,077,87 Bodzewo 108 81124 0,731,266,756,51pgLs49,87,5 86,91 Wieszczyczyn 8584106 1,162,0 6,636,50pgLs77,312,086,56 ZiemiĊcin 139 80146 1,222,1 6,966,48pgLs161,6 6,0 96,42 pg* piasek gliniasty; Ls* Loamy sand Hh – kwasowoĞü hydrolityczna, hydrolitic acidity
Tabela 3. Dawki fosforu stosowane w wariancie optymalnie zbilansowanym (100%
P), w latach badań 2002-2005, kg P·ha-1 · rok-1
Table 3. Rates of the phosphorus applied in the experiments in recommended treat- ment (100% P), kg P·ha-1
Miejscowości
Sites Zmianowanie
Crop Rotation Dawki fosforu, kg P · ha-1 Doses of phosphorus, kg P·ha-1
Ogólna dawka kg P·ha-1 w zmianowaniu w latach 2002-2005
Total P applied kg·ha-1, in rotation
in 2002-2005 Lata, Years
2002 2003 2004 2005
Brody *rz-psz-pż-rz
osr-ww-wt-osr 35 35 114
psz-pż-rz-psz w w - w t - o s r-
ww 26 17 91
pż-rz-psz-pż
wt-osr-ww-wt 26 35 105
Bodzewo psz-bc-psz-bc
ww-sb-ww-sb 26 26 26 100
bc-psz-bc-psz
sb-ww-sb-ww 26 17 26 26 95
Wieszczyczyn psz-bc-psz-bc
ww-sb-ww-sb 26 26 35 35 122
bc-psz-bc-psz
sb-ww-sb-ww 26 44 35 35 140
Ziemięcin psz-bc-psz-bc
ww-sb-ww-sb 26 26 96
bc-psz-bc-psz
sb-ww-sb-ww 26 26 26 100
* rzepak (rz), pszenica ozima (psz), pszenżyto (pż), buraki cukrowe (bc) oilseed rape (osr), winter wheat (ww), triticale (wt), sugar beet (sb)
2.3. Metody analityczne
2.3.1 .analizy chemiczne podstawowych parametrów glebowych Próbki gleby z warstwy 0-20 cm pobierano przed założeniem doświadczeń oraz po zakończeniu każdej 4- letniej rotacji badań. Wszystkie analizy chemiczne przeprowadzono w powietrznie suchych glebach, przesianych przez sita o średnicy oczek < 0,2mm.
W glebach oznaczono następujące parametry:
skład mechaniczny gleby metodą areometryczną Casagrande- Prószyński
węgiel organiczny metodą Tiurina, z miareczkowaniem solą Mohra, (Lityń- ski, Jurkowska 1976)
odczyn - potencjometrycznie w wodzie i 1M KCl (PN-ISO 10390)
kwasowość hydrolityczną – metoda Kappena,
pojemność wymienną kationów (PWK), Metson (1961)
fosfor rozpuszczalny w 10M HCl umownie określany w pracy jako "fosfor ogólny" (FAC 1989),
frakcje fosforu wg zmodyfikowanej metody Hedleya i in. (1982), (tab. 4).
Ponadto pobierano próbki gleby po zbiorze roślin i oznaczano w nich przyswajalne formy fosforu (P-ER) w glebie według standardowej metody Egnera-Riehma (Li- tyński i Jurgowska 1976) celem określenia poziomu nawożenia roślin następczych.
charakterystyka zastosowanej metody frakcjonowania
Wykorzystana w pracy zmodyfikowana metoda frakcjonowania fosforu wg Hedleya pozwoliła na wydzielenie 3 frakcji składnika:
- P-H2O (P aktywny) – zawiera najbardziej labilne formy fosforu dostępnego dla roślin w roztworze glebowym,
- P NaHCO3 (0,5M) ( P labilny) - obejmuje fosforany świeżo strącone oraz zaadsorbo- wane na powierzchni cząstek fazy stałej oraz związki organiczne fosfo- ru łatwo ulegające mineralizacji, frakcja ta pozostaje w szybko ustającej się równowadze z P aktywnym (PH2O),
- P -NaOH (0,1M) ekstrahuje związki fosforu występujące w połączeniach z hy- droksytlenkami żelaza i glinu oraz materii organicznej,
- P z różnicy – frakcja umownie określana w pracy jako fosfor zapasowy- obliczono z różnicy pomiędzy zawartością P oznaczonego w 10 mol HCl (FAC, 1989) a sumą frakcji (PH2O + PNaHCO3 + PNaOH). Frakcja zapasowa obejmu- je trudno rozpuszczalne związki fosforu.
Do analizy sekwencyjnej naważano 2 g gleby. Po każdej ekstrakcji, zawiesiny wirowano 10 min przy 4500 obrotach na minutę, sączono, a następnie osad dwu- krotnie przemywano 25 ml roztworu soli NaCl . „Fosfor ogólny” oznaczono spalając glebę w temp. 500oC, a następnie rozpuszczając w 10 mol kwasie HCl. Po odpa- rowaniu na łaźni zawartość przeniesiono do kolbek na 200 ml, fosfor oznaczono metodą kolorymetryczną (Murphy, Riley 1962). Kolorymetrycznie oznaczono także zawartość fosforu w otrzymanych frakcjach.
Tabela 4. Frakcjonowanie sekwencyjne fosforu wg zmodyfikowanej metody Hedleya (1982)
Table 4. Phosphorus squential extraction employed the modified Hedley methods (1982)
Nazwa
Name Ekstrahent Extractant
Stosunek gleba/roztwór Soil/solution ratio
Źródło literaturowe References
P –H2O HO 1: 20
1h wytrząsanie, dwukrotne przemywanie solą NaCl
modyfikacja metody Sissingh 1971
P-NaHCO3 0,5 M NaHCO3, pH 8,5
30 min wytrząsanie 1:20 dwukrotne przemywanie
solą NaCl
Hedley in. 1982
P-NaOH 0.1 M NaOH
1h wytrząsanie 1:10 dwukrotne przemywanie
solą NaCl
Hedley i in. 1982
P-total P total 5 g gleby spalanie w tem.
500oC (FAC, 1989) P zapasowy Ptot-(PH2O+PNaHCO3 +PNaOH)
2.3.2. oznaczenia i pomiary roślin
W okresie wegetacji roślin, każdego roku w ściśle określonych fazach roz- wojowych wg skali BBCH (tab. 5) pobrano próby roślin do analiz chemicznych i oceny biometrycznej wybranych cech. W przypadku zbóż i rzepaku próby pobrano z każdego poletka, z powierzchni 1 metra bieżącego (całą masę nadziemną). W fazie kwitnienia materiał roślinny rozdzielano odpowiednio na liście, źdźbła i kłosy nato- miast w przypadku rzepaku na liście i pędy. W fazie dojrzałości pełnej rośliny po- bierano z powierzchni 0,25 m celem określenia suchej masy, elementów struktury plonu oraz zawartości składników i całkowitego pobrania fosforu. Buraki cukrowe w fazie sześciu w pełni rozwiniętych liści pobrano losowo po 10 sztuk z każdego poletka. W fazie zbioru technologicznego w celu określenia plonu korzeni rośliny zebrano z powierzchni 10,8 m. Całkowita wielkość poletka brutto wynosiła 54 m. Po zbiorze rośliny suszono w temperaturze 60 oC, następnie ważono, mielono i ozna- czano zawartość fosforu oraz innych składników mineralnych. Azot określono me- todą Kjeldahla, natomiast zawartość pozostałych makroskładników (P, K, Ca, Mg) i mikroskładników (Zn, Cu, Mn, Fe) w materiale roślinnym oznaczono zgodnie z metodyką wg Page’a (1982).
Tabela 5. Terminy pobierania roślin wg skali faz rozwojowych roślin (BBCH ) Table 5 . Time of plant collection according to growth stage of plants (BBCH)
Roślina
Plant Źródło
References Fazy rozwojowe wg klasyfikacji (BBCH) Growth stages according to (BBCH)
Rzepak Oilseed rape
Weber Bleiholder 1990, Strauss i
in. 1994
BBCH 30 rozwinięta rozeta, BBCH 30 Rosette
stage
BBCH 63-65 faza kwitnienia, flowering stage
BBCH 89 Dojrzałość pelna
BBCH 89 Fully ripe
Pszenica ozima Winter
wheat
Witzenberger i in. 1989, Lancashire i
in. 1991
BBCH 31 początek strzelania w
źdźbło BBCH begining of stem
elongation
BBCH 65 pełnia kwitnienia
BBCH 65 full flowering
BBCH 89 dojrzałość pełna.
BBCH Fully ripe
Buraki cukrowe Sugar beet
Strauss i in.
1994
BBCH 16 faza 6-u rozwiniętych liści właściwych BBCH 16 – 6 leaves unfolded
BBCH 49 Zbiór korzeni
buraków BBCH 49–
Harvest beet root
Pszenicę i pszenżyto uprawiane w Brodach potraktowano jako jedną grupę roślin – zboża, gdyż analiza wariancji nie wykazała istotnych różnic w reakcji roślin na zróżnicowany poziom nawożenia fosforem.
2.4. Plon ziarna i struktura plonu.
Plon ziarna zbóż i rzepaku oceniono na podstawie plonów kombajnowych ze- branych z powierzchni 20,25 m, w czterech powtórzeniach.
Strukturę plonu określono analizując następujące cechy:
- liczbę źdźbeł kłosonośnych – liczono liczbę źdźbeł z kłosami z powierzchni 0,25 m
dla każdego powtórzenia,
- liczbę ziaren w kłosie – określono na podstawie średniej liczby ziaren z 30 loso- wo wybranych kłosów z każdego poletka,
- masę 1000 ziaren – odliczono i zważono 2x500 ziaren na elektronicznym liczni- ku nasion „Kopciuszek”
Do oceny elementów struktury plonu wykorzystano metodę analizy ścieżko- wej. Metoda ta polega na określeniu oddziaływania zmiennych przyczynowych i skutkowych, na podstawie którego określa się, w jaki sposób przyczyna determinuje skutek. Analiza oparta o współczynniki ścieżki znajduje zastosowanie w układach
o dużej złożoności tak pod względem liczebności zmiennych, jak i ich wzajemnych powiązań. Każdej ścieżce elementarnej, łączącej dwie zmienne w układzie przyczy- nowo-skutkowym można przyporządkować pewną liczbę, zwaną współczynnikiem ścieżki (ryc. 1.). Jest to wielkość niemianowana i może przyjmować dowolne wiel- kości rzeczywiste (Konys i Wiśniewski 1991). Współczynnik ścieżki (PYX) wyliczyć można z równania:
gdzie:
PYXi - współczynnik ścieżki od przyczyny Xi do skutku Y BY – odchylenie standardowe skutku Y
BY:Xi – część odchylenia standardowego skutku Y, którą wywołuje przyczyna Xi
Ryc. 1. Diagram ścieżkowy (Konys i Wiśniewski 1991) Fig. 1. Path diagrams (Konys i Wiśniewski 1991).
Jeżeli zależność korelacyjna między przyczyną X1 a skutkiem Y oznaczymy jako rYX1 (współczynnik korelacji), to jak wynika z poniższego równania, interakcja
P =
yXiB
y:XiB
y(i = 1,2...p)
między X1 a Y, będzie sumą wpływów bezpośrednich i pośrednich oraz będzie zale- żeć od ilości współdziałających czynników.
rX1Y = PX1Y + (rX1X2 · PX1X2 + rX1Xp · PXpY) Wpływy: bezpośredni pośredni
Plon względny obliczono dzieląc rzeczywiste wartości plonu otrzymane dla każdego wariantu doświadczalnego przez wartość średnią otrzymaną dla obiektu nie nawożonego fosforem (OP).
Pomiary jakości technologicznej ziarna obejmujące ocenę zawartości białka, glutenu, rozpływalność glutenu, wyrównanie ziarna i liczbę opadania wykonano w Przedsiębiorstwie Wielobranżowym „Lechpol” w Szubinie wg norm ARR. Zawar- tość tłuszczu i białka w nasionach rzepaku oznaczono aparatem Infra-analyser 500.
Natomiast pomiary jakości technologicznej buraków cukrowych po zbiorze roślin przeprowadzono na analizatorze jakościowym Venema, w laboratorium surowco- wym Cukrowni Środa Wlkp. Ocena jakościowa buraków obejmowała: zawartość cukru, azot α-aminowy, potas, sód. Do oznaczeń pobierano 20 sztuk losowo wybra- nych korzeni z każdego poletka.
W celu uzupełnienia uzyskanych wyników obliczono następujące parametry:
- Straty przerobowe cukru (SP) w % na buraki, (Buchholz 1995) SP = 0,12 (K + Na) + 0,24 N α-aminowy + 1,08 K – zawartość potasu w mmol·100g-1 buraków,
N – zawartość azotu α-aminowego w mmol·100g-1 buraków, Na – zawartość sodu w mmol·100g-1 buraków,
- Plon technologiczny cukru (PT) w t/ha, (Gutmański 1991) PT= P(ZC-SP)
gdzie:
P – plon korzeni (t/ha), ZC – zawartość cukru (%)
Ponadto dla wszystkich roślin obliczono jednostkowe pobranie fosforu PJ zgod- nie ze wzorem:
PJ = Pc/Pz [kg/t]
gdzie:
Pc – całkowite pobranie fosforu P
Pz - plon ziarna (lub w przypadku buraków korzeni)
a dla roślin uprawianych na ziarno (nasiona) również fosforowy indeks plonu PHI zgodnie ze wzorem (Takahaski, 2007) :
PHI = Pz/C gdzie :
Pz – pobranie P przez ziarno, Pc - całkowite pobranie P
2.5. Wskaźnik pojemności buforowej gleby (PBc)
Żyzność gleby względem fosforu zdefiniowano za pomocą trzech czynników (Whi- te, Beckett 1964):
1. Intensity P-I – określa ilość fosforu zawartego w roztworze glebowym, P-H2O PH2O mg P · kg-1 / 20 = P [mg P l-1] (relacja gleba roztwór 1:20)
2. Quantity P-Q - ilość fosforu, która potencjalnie może być pobrana przez roślinę, suma frakcji PH2O + PNaHCO3 [mg P · kg-1],
3. PBC – pojemność buforowa gleby względem fosforu PBC= Q / I.
2.6. Wykorzystanie fosforu z nawozów
Wskaźniki wykorzystania fosforu z nawozów (superfosfatu oraz częściowo zakwaszonego fosforytu) obliczono metodą różnicową, bilansową oraz różnicową z uwzględnieniem zmian w zawartości fosforu we frakcji PNaOH.
2.6.1. Metoda różnicowa W1= (Pn – Po)/D x 100 gdzie:
Pn – pobranie fosforu przez rośliny uprawiane na obiektach nawożonych, (kg P·ha-1)
Po – pobranie fosforu przez rośliny uprawiane na obiektach nie nawożonych, (kg P·ha-1)
D – dawka zastosowanego fosforu, (kg P ·ha-1)
2.6.2. Metoda bilansowa W = Pn/D x 100
2.6.3. Metoda różnicowa z uwzględnieniem przyrostu (ubytku) fosforu we frakcji PNaoH
W3 = (Pn ± a) – (P0± b) )/D x 100
Pn – pobranie fosforu (kg P·ha-1)przez rośliny uprawiane na obiektach nawożonych Po – pobranie fosforu (kg P·ha-1) przez rośliny uprawiane na obiektach nie nawożonych D – dawka zastosowanego fosforu, (kg P ·ha-1)
a = [100P NaOH – IPNaOH początkowa] · 3 ppm – przyrost zawartości fosforu we frak- cji PNaOH w okresie 2002-2005
b=[PNaOH 0P- IPNaOH początkowa]· 3ppm – ubytek zawartości P we frakcji PNaOH po 4 latach
2.7. Bilans fosforu
Bilans fosforu obliczono na podstawie różnicy pomiędzy dawką składnika zastosowanego w nawozach mineralnych a całkowitą ilością fosforu pobranego z plonem (główny + uboczny). Saldo bilansowe sporządzono dla całego układu doświadczalnego obejmującego wszystkie miejscowości łącznie oraz oddzielnie dla każdej miejscowości, zmianowania. Jako element składowy bilansu w obliczeniach uwzględniono także zawartość fosforu zakumulowanego we frakcji PNaOH po 4 latach badań.
W obliczeniach bilansu fosforu dla całego układu doświadczalnego wykorzy- stano następujące składowe:
1) średnią dawkę fosforu kg P·ha-1 zastosowaną w stanowisku optymalnie nawożo- nym (100% P) w okresie 4 lat prowadzenia badań.
2) średnie pobranie fosforu w wariancie optymalnie nawożonym (100% P) w okre- sie 4 lat.
3) akumulację fosforu we frakcji PNaOH w wariancie optymalnie nawożonym – ob- liczono z różnicy pomiędzy ilością P we frakcji NaOH po 4 latach w wariancie 100% P i OP.
∆PNaOH kg · ha-1 = (PNaOH 100P – PNaOH OP) · 3*
*1ppm odpowiada 3 kg P w warstwie gleby 0-20 cm 2.8. analizy statystyczne
Ocenę statystyczną uzyskanych wyników przeprowadzono z wykorzystaniem pakietu statystycznego SPSS, wersja 12 dla systemu WINDOWS. Do oceny wpływu czynników doświadczalnych wykorzystano wieloczynnikową analizę wariancji MA- NOVA. Istotność różnic oceniono testem T-Studenta na poziomie istotności 0,05.
Związki między analizowanymi parametrami roślinnymi i glebowymi zbadano stosując test korelacyjny Pearsona i wyliczając odpowiednie współczynniki korela- cji oraz przeprowadzając analizę regresji wielokrotnej. Oceniono także wzajemne zależności pomiędzy parametrami glebowymi a wyznaczonymi frakcjami fosforu w glebie oraz ich wzajemne oddziaływanie na stan odżywienia roślin w fazie kry- tycznej, plon i pobranie fosforu. Dodatkowo korelacje opisano za pomocą metody analizy głównych składowych (ang. Principal Components Analysis, PCA). Analiza głównych składowych służy do określenia zależności pomiędzy pierwotnymi para- metrami poprzez zbadanie zależności pomiędzy nimi a układem ich niezależnych kombinacji liniowych, które noszą nazwę głównych składowych. W przypadku wie- lu cech lepszą metodą wyjaśniającą większą zmienność cech, jest analiza zależności pomiędzy grupami zmiennych, czyli metoda czynników głównych. Metoda ta po- zwala na takie przekształcenie danego wzajemnie skorelowanego układu zmiennych, aby uzyskać nowy układ zmiennych (tzw. czynników wspólnych lub głównych skła- dowych), wzajemnie nieskorelowany, lecz porównywalny z układem wyjściowym (Cressie 1993, Webster i Oliver 1990, Venables i Ripley 1999, Schnug 1985).
Analizę zależności między plonem a pobraniem fosforu przeprowadzono z za- stosowaniem diagramu rozproszenia wg procedury graficznej Cate-Nelsona (Nelson i Anderson, 1977).
Do oceny stanu odżywienia roślin wykorzystano programy do interpretacji wy- ników (PIPPA) oraz InfoPlant.
charakterystyka programów PIPPa oraz InfoPlant
Do oceny stanu odżywienia roślin wykorzystano dwa programy PIPPA oraz Infoplant. PIPPA (ver.3.0) jest programem niemieckim, autorstwa Schnug i Hane- klaus (2008, w druku) opracowanym w Instytucie Nawożenia Roślin i Gleboznaw- stwa (FAL), Brunszwik. Natomiast Infoplant (versia 1.0) jest programem polskim, opracowanym przez Stanisławska-Glubiak i Gembarzewskiego (2001) w Instytucie Nawożenia i Gleboznawstwa (IUNG), Wrocław. Korzystając z programów wyzna- czono ranking makro i mikroskładników oznaczonych w fazie krytycznej roślin li- mitujących względny plon końcowy testowanych roślin. Programy przeznaczone są wyłącznie do oceny analiz materiału roślinnego.
Program InfoPlant służy do oceny potrzeb nawożenia w oparciu o analizę che- miczną części wskaźnikowych roślin. InfoPlant jest programem działającym na ba- zie arkusza kalkulacyjnego, który porównuje zawartość składników w próbie z war- tością krytyczną pochodzącą z danych prezentowanych przez Bergamnna (1986).
Wyniki przedstawiane są jako procentowa wartość względem liczb granicznych po- dawanych przez wymienionego autora. Program Infoplant wykorzystuje jedną war- tość krytyczną dla danej rośliny, która jest definiowana jako najniższa wymagana do otrzymania maksymalnego plonu. Z tego względu możliwa jest tylko identyfi-
kacja: czy niedobór danego składnika limitował plon (zawartość składnika w pró- bie poniżej wartości granicznej), bądź też dany składnik był w optimum (zawartość składnika powyżej wartości optymalnej). Program nie dostarcza informacji o wadze składnika w ograniczeniu plonowania roślin. Aby ocenić stan zaopatrzenia rośliny w makroelementy, należy pobrać średnią próbkę części wskaźnikowych rośliny w określonej fazie wzrostu. System graficzny pozwala w prosty sposób w oparciu o przyjęte kryteria z literatury znaleźć nie tylko składniki, których jest względnie naj- mniej względem potrzeb rośliny, ale także pokazać ich zawartość na tle optimum.
Graficzną prezentację wyników programu InfoPlant przedstawia ryc. 2. Wartości odpowiadające minimum normy dla pierwiastków znajdują się przed pierwszą pio- nową linią, zawartość optymalna składników kształtuje się między liniami, nato- miast zawartość odpowiadająca maksimum normy dla pierwiastków znajduje się poza drugą linią pionową.
Ryc. 2. Graficzna prezentacja wyników wg oceny programu InfoPlant Fig. 2. Graphic presentation of results according to evaluation
of InfoPlant programme
Wykorzystanie programu InfoPlant do oceny stanu odżywienia roślin może bu- dzić pewne zastrzeżenia i wątpliwości, ponieważ program uwzględnia tylko liniową zależność pomiędzy zawartością składnika a plonem roślin. Uzyskane wyniki z pro- gramu wyrażają rzeczywistą zawartość danego pierwiastka jako procentową wartość względem liczb granicznych podawanych przez Bergmanna. Ze względu na brak
liniowej zależności pomiędzy zawartością składników w roślinie a plonem - wartość krytyczna lub jego przedział nie jest wystarczającą podstawą do interpretacji danych pochodzących z analizy roślin.
Zasada działania niemieckiego programu PIPPA (professional interpretation program for plant analysis) opracowana została na podstawie 6000 zgromadzonych obserwacji materiału roślinnego w ciągu 30 lat. Dane pochodziły z różnych doświad- czeń polowych i wazonowych. Doświadczenia przeprowadzono w Instytucie Nawo- żenia Roślin i Gleboznawstwa w Kiel i Brunszwiku (Niemcy) oraz na Uniwersytecie w Kiel. Kolekcję pierwszych prób zbóż rozpoczęto w 1973, rzepaku w 1980 oraz buraków cukrowych w 1990. Zawartość składników określono dla każdej rośliny w jednym terminie, który w przypadku zbóż przypadał na fazę pierwszego kolanka (do analiz wykorzystywano całą masę nadziemną roślin, ściętych 1cm nad powierzchnią
Ryc. 3. Zależność pomiędzy względnym plonem buraków cukrowych a zawartością P w liściach
Fig. 3. Correlation between relative yield of sugar beet root and P content in leaves
0,35 0,45 Funkcja
„odpowiedzi” roślin w progr. InfoPlant
Krytyczna wartość %P określona przez PIPPA
Krytyczna wartość %P określona przez InfoPlant
Względny plon, Relative Yield
140
120
100
80
60
40
20
Linia graniczna
0,2 0,6 0,8
