RO C ZN IK I G LEB O ZN A W CZE TOM LIX NR 2 WARSZAWA 2008: 9 8-103
DOROTA KALEMBASA, MARCIN BECHER
WĘGIEL I AZOT WE FRAKCJACH MATERII
ORGANICZNEJ GLEB TORFOWO-MURSZOWYCH
W DOLINIE GÓRNEGO LIWCA
CARBON A N D NITROGEN
IN ORGANIC MATTER FRACTIONS OF HISTOSOLS
LOCATED IN UPPER VALLEY OF LIWIEC RIVER
Katedra Gleboznawstwa i Chemii Rolnej, Akademia Podlaska
A b s tr a c t: O r g a n ie m a tte r o f H is t o s o ls c o m in g fro m th e u p p er v a lle y o f L iw ie c r iv e r ( S ie d lc e U p la n d ) h a s b e e n in v e s t ig a t e d . T h e c o n te n t (% ) o f c a r b o n a n d n itr o g e n in th e s o lu t io n a fte r d e c a lc it a t io n , th e c o n t e n t o f b itu m e n s , th e c o n te n t o f f u lv ic a n d h u m ic a c id s a n d e x tr a c tio n r e s id u e h a v e b e a n g iv e n . L o w e r c o n te n t o f o r g a n ic ca r b o n h a s b e e n fo u n d , a p p r o x im a te c o n tent o f total n itr o g e n an d s m a lle r С to N ratio, h ig h e r c o n te n t o f c a rb o n a fte r d e c a lc ita tio n , lo w e r c o n te n t o f b itu m e n ts , b ut h ig h e r c o n te n t o f h u m if ic a t e d o r g a n ic m a tte r a n d s m a lle r r a tio s o f h u m ic to f u lv ic a c id s , h a v e b e e n o b ta in e d for m u c k y s a m p le s c o m p a r in g to p e a t sa m p le s . T h e d iffe r e n tia te d c o n te n t o f n itr o g e n and th e d iffe r e n tia te d С to N ratio h a v e b e e n o b ta in e d in the in v e s t ig a t e d f r a c tio n s o f o r g a n ic m atter.
S ło w a k lu c z o w e: g le b y t o r fo w o - m u r s z o w e , g le b o w a m a te r ia o r g a n ic z n a , w ę g i e l , à z o t.
K e y w o r d s: H is t o s o ls , s o il o r g a n ic m atter, c a r b o n , n itr o g e n .
WSTĘP
Dolina górnego biegu Liwca - rzeki, która przepływa przez obszary wytopiskowe zlodowacenia środkowopolskiego warty i stanowi główny obszar torfowiskowy Wyso czyzny Siedleckiej - mezoregionu o niskim wskaźniku zatorfienia (ok. 3,1%) [Dembek i in. 2000]. Odwodnienie tego obszaru przerwało fazę akumulacji materii organicznej. Do zmiany reżimu wodnego (często do obniżenia poziomu wód gruntowych poniżej zalegania utworów organicznych) przyczyniła się także niekontrolowana (indywidualna i wyrywkowa) eksploatacja torfu, co w konsekwencji pogłębiło fazę decesji, nawet do degradacji gleb organicznych włącznie. Związany z intensywnymi przemianami materii organicznej proces murszenia, połączony z iluwiacją i wertylizacją, powoduje daleko posunięte zmiany właściwości fizycznych, fizykochemicznych i chemicznych pow stających warstw m urszu w porów naniu z torfow ym utw orem m acierzystym [Okołowicz 1999; Piaścik, Gotkiewicz 2004; Kalembasa i in. 2006]. Diageneza materii
organicznej gleb pobagiennych związana jest głównie z procesem murszenia i objawia się m ineralizacją zw iązków organicznych oraz intensyfikacją procesu humifikacji. Przemiany ilościowe i jakościowe dotyczą szczególnie połączeń węgla i azotu - pier wiastków integralnie związanych z materią organiczną gleby [Liwski i in. 1981; Drozd
1986; Maciak 1995; Piaścik, Gotkiewicz 2004; Kalembasa, Becher 2006].
Celem przeprowadzonych badań była charakterystyka materii organicznej odwad nianych gleb torfowo-murszowych, zlokalizowanych w dolinie górnego biegu rzeki Liwiec, na podstawie udziału węgla i azotu w wyekstrahowanych frakcjach.
M A T E R A Ł I M E T O D Y
Próbki glebowe pobrano z poziomów organicznych (Mt i Otni) średnio głębokich i silnie zmurszałych (Mt III) trzech gleb torfowo-murszowych, wytworzonych z dolino wych torfów olesowo-szuwarowych o soligeniczno-fluwiogenicznym typie zasilania wodą. Badano podstawowe właściwości gleb metodami zalecanymi dla gleb organicznych. Węgiel ogółem (C ) i azot ogółem (N ) oznaczono na autoanalizatorze Series II 2400, firmy Perkin Elmer, z detektorem przewodności cieplnej (TCD). Zawartość węgla związków organicznych (Cq ) uzyskano po odjęciu od Cq ilości węgla w połączeniach mineralnych (ustalonej na poclitawie zawartości węglanów oznaczonych metodą Scheiblera). Fosfor (P ) oznaczono na spektrofotometrze emisyjnym (ICP-AES) firmy Perkin Elmer w roztworze 20% HC1, po mineralizacji w piecu muflowym. Dla reprezentatywnych próbek z wyróżnionych 15 warstw organicznych przeprowadzono sekwencyjną ekstrakcję (w 3 powtórzeniach) związków węgla i azotu:
- Cdck, N dck - węgiel i azot w roztworze po dekalcytacji;
- Cbit, N bit - frakcję bituminów wydzielono azeotropową m ieszaniną benzenu i etanolu na autom atycznym ekstraktorze ekstrakcji rozpuszczalnikowej Soxtherm (firmy Gerhard).
~ ^kf+kh’ węgiel i azot substancji humusowych (w roztworze alkalicznym po ekstrakcji 0,1 mol NaOH • dm-3);
- Ckp N kf- węgiel i azot frakcji kwasów fiilwowych (w roztworze po strąceniu kwa sów hum inowych);
- C ^, N,^ - węgiel i azot frakcji kwasów huminowych obliczono według wzorów
С =C kh kf+kh ^kf> ^kh ^kh+kf A^kf »- С • N =N ' -N •
- Cpoz, N poz - ilość węgla i azotu pozostająca w materiale glebowym po ekstrakcjach. Węgiel organiczny w roztworach oznaczono metodą oksydacyjno-miareczkową, a azot m etodą Kjeldahla. Węgiel i azot frakcji bituminów oznaczono na autoanalizatorze. Wyniki wszystkich analiz laboratoryjnych odniesiono do absolutnie suchej próbki gleby (po oznaczeniu ilości wody higroskopijnej). Wyniki frakcjonowania przedstawiono jako procentowy udział węgla i azotu wyróżnionej frakcji w С i N . Obliczono współ czynniki korelacji prostej m iędzy zaw artością węgla w w yróżnionych frakcjach a wybranymi właściwościami gleb.
WYNIKI I DYSKUSJA
Z uwagi na obszerny materiał glebowy i szeroki zakres przeprowadzonych badań laboratoryjnych, z dużej liczby wyników przedstawiono wartości minimalne, m aksy malne i średnie dla warstw murszu (Mt) i torfu (Otni). Charakterystyczny dla etapu
100 D. Kalembasa, M. Becher
TABELA 1. Wybrane właściw ości badanych poziomów organicznych gleb torfowo-murszowych w dolinie górnego biegu rzeki Liwiec
TABLE 1. Some properties o f investigated organic horizons o f Histosols in upper valley o f Liwiec river Poziom Horizon Popiół - Ash C a C 0 3 PHkc, СОГЦ N«К P«В С org : Nog С org : Pog g • kg"' g ■ kg"1 Mt Sred. mean 373 27,8 265 24,5 1,55 11,5 241 min 286 21 ,0 5,10 313 16,6 0,44 10,1 96,8 max 501 47,1 6,12 369 36,6 2,20 12,8 488 Otni Śrcd. mean 139 9,40 442 29,0 0,51 15,4 844 min 103 5,40 5,11 40 0 24,5 0,3 13,4 698 max 223 17,6 6,24 484 34,1 0 ,64 19,8 1248
decesji proces murszenia przyczynił się do zróżnicowania w badanych glebach zawartości popiołu surowego, węgla organicznego, azotu i fosforu ogólnego oraz stosunku С : N i С : P (tab. 1). Próbki murszu zawierały znacznie mniejszą zawartość węgla organicznego, ale bardziej zróżnicowaną od azotu ogółem w porównaniu z zawartością w torfowych utworach macierzystych. Aerobowy charakter procesu murszenia intensyfikując mineralizację węgla z połączeń organicznych przyczynił się do ujemnego bilansu tego pierwiastka, ale zawartość azotu utrzymała się na podobnym poziomie wynikającym prawdopodobnie z wtórnej akumulacji azotu. Stwierdzili to także Maciak [1995] oraz Okołowicz [1999]. Zmiany ilościowe ogólnych zawartości węgla i azotu determinowały wartość stosunku С : N, który był wyraźnie niższy w murszu. Wartość omawianego ilorazu poniżej 20 wskazuje na dużą aktyw ność biologiczną w badanych utworach organicznych [Liwski i in. 1981]. Stwierdzona w murszu znacznie większa zawartość popiołu surowego potwierdza dodatni wpływ procesu murszenia na mineralizację materii organicznej badanych gleb torfowo- murszowych. W murszu doszło także do większej akumulacji fosforu i zawężenia stosunku С : P. Stosunek węgla do fosforu (podobnie jak С : N) ma duży wpływ na przemiany glebowej materii organicznej, a w przedziale stosunku С : P równym 200-300 : 1 przyczynia się do intensyfikacji procesu mineralizacji [Dziadowiec 1990].
Skład frakcyjny m aterii organicznej badanych gleb przedstaw iony został jako procentowy udział węgla wyróżnionej frakcji w całkowitej zawartości węgla organicz nego (tab. 2). W warstwach murszu stwierdzono (średnio) ponad dwukrotnie więcej węgla w roztworze po dekalcytacji próbek niż w torfie. Frakcja ta jest głównie
repre-TABELA 2. Udział węgla w e frakcjach materii organicznych poziom ów organicznych TABLE 2. The content o f carbon in the fractions o f organic matter from the investigated organic horizons
Poziom
Horizon ^dek Сы
С +С
kf kh C kf C kh Сpoz c • Сkh- kf
% С frakcji w С - % С o f the fraction
or li in Сorg
Mt S r e d .- mean 3,73 4,11 41,1 20,2 21,0 51,0 0,94
min 2,34 2,86 26,8 17,5 9,34 37,3 0,53
max 4,29 5,82 52,6 22,4 30,9 67,6 1,42
Otni Sred. - mean 1,63 6,67 26,9 8,07 18,8 64,8 2,37
min 0,96 4,72 14,8 4,49 10,3 53,2 1,78
TABELA 3. Wartości współczynnika korelacji dla składu frakcyjnego materii organicznej oraz wybranych właściw ości gleb torfowo-murszowych
TABLE 3. The value o f the correlation coefficient for fractional composition o f organic matter and chosen properties o f Histosols
c <k.k c bil c kr c kh C k.+ C kh Сpoz С kh: • • Сkf Cdck X - 0 , 5 6 0 * * X C kr 0 , 9 5 0 * * - 0 , 6 8 0 * * X Ckh 0 ,4 9 0 * 0 ,0 5 0 0 ,4 1 2 * X C H+ C kh 0 , 8 4 5 * * - 0 , 3 6 3 * 0 ,8 3 1 * * 0 , 8 5 5 * * X C n„,. - 0 , 8 3 4 * * 0 , 2 6 2 - 0 , 8 0 2 * * - 0 , 8 7 1 * - 0 , 9 9 6 * * X C J C , tkh kl - 0 , 7 3 4 * * 0 ,7 2 0 * * - 0 , 8 5 0 * * 0 ,0 9 0 - 0 , 4 5 0 * 0 ,3 9 3 * X Сorg - 0 , 7 4 1 * * 0 , 6 2 4 * * - 0 , 8 3 2 * * - 0 , 2 1 1 - 0 , 6 1 6 * * 0 , 5 7 9 * * 0 , 8 0 7 * * К o u - 0 , 5 9 9 * * 0 ,6 5 5 * * - 0 , 6 3 2 * * - 0 , 0 2 1 - 0 , 3 8 4 * 0 ,3 3 5 * 0 ,5 7 9 * * 4 , с u - 0 , 6 6 9 * * 0 ,6 4 0 * * - 0 , 8 1 4 * * - 0 , 2 2 3 - 0 , 5 8 6 * * 0 ,5 3 6 * * 0 ,8 4 9 * * pH - 0 , 4 1 8 * - 0 , 3 4 2 * - 0 , 2 6 1 - 0 , 2 1 4 - 0 , 2 8 1 0 , 3 5 9 * 0 , 2 3 5
*istotne przy a = 0,05; ** w ysoce istotne przy a = 0,01; *significant at a = 0.05; **very significant at a = 0.01
zentow ana przez prostsze zw iązki organiczne, niskocząsteczkow e, luźne i słabo związane z mineralnymi komponentami gleby, prawdopodobnie najbardziej labilne i w dużym stopniu podatne na mineralizację. Węgiel tej frakcji istotnie ujemnie korelował z С , С o , Ckh: Ckf oraz ilością węgla organicznego w glebie, stosunkiem CQr do N , CQrjPcfo P i wartością pH; dodatnio z Ckh i Ckf (tab. 3). Można przypuszczać, iż aktywność biologiczna badanych warstw oraz intensyfikacja procesów humifikacji dodatnio wpływały na udział węgla we frakcji po dekalcytacji.
Udział węgla bituminów w С j stwierdzono wyraźnie mniejszy w murszu niż w torfie (tab. 2), co jest charakterystyczne dla eutroficznych gleb organicznych [Ziegler, Zech 1988]. Może to być wynikiem dużej aktywności biologicznej w murszu połączonej z intensyfikacją mineralizacji materii organicznej, co przyczyniło się do zmniejszenia udziału węgla wydzielonego rozpuszczalnikam i organicznym i [Dziadowiec 1990]. Potwierdzają to wartości współczynnika korelacji (tab. 3). Przyczyną zróżnicowania ilości węgla bituminów mogły być także reakcje zmydlania kwasów tłuszczowych z występującymi w większych ilościach (na skutek procesu murszenia) kationami zasado wymi [Braids, Miller 1975].
Udział węgla substancji humusowych (CR + С ) w CQr badanych warstw wykazy wał zmienność w profilu związaną ze stopniem humifikacji materii organicznej gleb. Znacząca skuteczność ekstrakcji wodorotlenkiem sodu z próbek murszu może świad czyć o większym udziale substancji próchniczych w glebowej materii organicznej. Badane torfy wykazały cechy słabego zmumifikowania, a otrzymane wyniki wskazują na wpływ procesu murszenia na zwiększenie stopnia humifikacji materii organicznej. Różnice pomiędzy badanymi poziomami organicznymi stwierdzono w procentowym udziale węgla, zwłaszcza frakcji kwasów fulwowych (w murszu ponad dwukrotnie
102 D. Kalembasa, M. Becher
TABELA 4. Udział azotu oraz stosunek węgla do azotu w wydzielonych frakcjach materii organicznej badanych poziom ów gleb torfow o-m urszowych
TABLE 4. The content o f nitrogen and С to N ratio in extracted fractions o f organic matter from the investigated horizons o f Histosols
Poziom
Horizon dek N b*
N + N
kf kh N kf N bhkh Npoz С : N огц okw : - Сor«: N totin: % N frakcji w Nqi % N o f the fraction in N tot Ekstrak. alkaücz Alkalin. extract Frakcji kw. fühv. Humic acids Frakcji kw. hum Humin acids Poekstrak. pozostał. Extraction residue Mt Śred. mean 2,17 0,30 70,8 18,9 51,8 29,2 7,70 13,0 4,39 17,6 min 1,28 0,16 45,5 15,5 28,0 8,68 6,20 10,5 3,^4 12,6 max 3,39 0,48 91,3 25,1 69,9 '54,5 10,7 14,6 5,02 26,6 Otni Śred. mean 1,18 0,61 36,1 10,3 25,8 63,9 11,4 12,1 11,6 16,4 min 0,89 0,35 20,7 7,98 12,8 44,9 9,30 7,36 8,97 12,9 max 1,71 0,99 55,1 13,8 41,3 79,3 14,5 7,5 13,9 21,6
więcej niż kwasów huminowych). Można sądzić, iż w badanych glebach torfowo- m urszow ych w procesie hum ifikacji m aterii organicznej m urszenie spowodowało powstawanie głównie frakcji kwasów fulwowych. Frakcja ta jest najbardziej dyna miczna, o czym świadczą wysokie wartości współczynnika korelacji pomiędzy a pozostałymi frakcjami oraz niektórymi właściwościami gleb. Następstwem zmian udziału kwasów huminowych i fulwowych jest wartość stosunku węgla należącego do tych frakcji (Ckh: Ckf). W murszu stwierdzono średnio około 2,5-krotnie’m niejszą wartość tego stosunku, a największy wpływ na jego wartość miała dynamika frakcji kwasów fulwowych. Dziadowiec [1990] podaje, że początkowe etapy humifikacji charakteryzują się przew agą frakcji kwasów fulwowych nad huminowymi.
W glebach organicznych objętych w przeszłości w procesie bagiennym intensywną akum ulacją szczątków organicznych, węgiel w poekstrakcyjnej pozostałości należy zaliczyć przede wszystkim do niezhumifikowanej materii organicznej, a nie do humin. W glebach tych brak jest mineralnej frakcji ilastej, a więc czynnika „utrwalającego” substancje humusowe [Stevenson i in. 1994].
Zawartość azotu w wydzielonych frakcjach materii organicznej badanych poziomów gleb torfowo-murszowych (% N frakcji w N ) wykazała różnice pomiędzy tymi utworami organicznymi (tab. 4), ale zanotowano niewielki udział azotu we frakcji po dekalcytacji (znacznie większy w murszu). Przypuszczalnie, część azotu przechodząca do roztworu podczas dekalcytacji może stanowić mineralne zasoby azotu glebowego. Stwierdzono niewielką (<1%) zawartość azotu frakcji bituminów. Ekstrakcja azotu wodorotlenkiem sodu okazała się bardziej skuteczna niż węgla. Zanotowano średnio około dwukrotnie więcej azotu frakcji kwasów huminowych i fulwowych (razem i oddzielnie) w murszu niż w torfie. Drozd [1986] z gleb murszowych wydzielił 75,9-86,2% azotu glebowego, przy zróżnicowanym udziale tego pierwiastka we frakcji kwasów huminowych i fulwowych. Potwierdzeniem różnorodności badanych poziomów organicznych i wydzielonych frakcji były zmienne wartości stosunku С f: N . Niska jego wartość w ekstrakcie alkalicznym z m urszu sugeruje, iż wodorotfenkiem sodu wydzielono potencjalnie podatną na
mineralizację i dynamiczną część zasobów materii organicznej. Nieco szersze wartości tego stosunku we frakcji kwasów fiilwowych mogą świadczyć, iż fulwokwasy (w porównaniu z kwasami huminowymi) badanych poziomów były uboższe w azot. Szeroki stosunek C:N w poekstrakcyjnej pozostałości wskazuje z kolei na większą oporność na rozkład mikrobiologiczny związków organicznych należących do tej frakcji.
WNIOSKI
1. W badanych glebach torfowo-murszowych, położonych w dolinie rzeki Liwiec stwier dzono wpływ procesu murszenia na jakość glebowej materii organicznej; stwierdzo no mniejsze ilości węgla oraz węższy stosunek węgla do azotu i węgla do fosforu. 2. Z poziomów murszowych w porównaniu torfowymi wydzielono wodorotlenkiem
sodu około dwukrotnie więcej azotu frakcji kwasów fulwowych i huminowych, co również świadczy o węższym stosunku węgla do azotu w ekstrakcie alkalicznym oraz we frakcji kwasów huminowych.
LITERATURA
BR A ID S О. C., M ILLER R.H. 1975: Fats, W axes and R esins in Soil. W: Soil com ponents 1, Organic Components. G ieseking J.E. (red.) Springer Verlag, N e w York.
D EM BEK W., PIÓRKOW SKI H., RYCHARSKI M. 2000: Mokradła na tle regionalizacji fizyczn oge- ograficznej Polski. IM UZ, 97: 135 ss.
DR OZD J. 1986: Zm iany zawartości azotu w zw iązkach próchnicznych gleb m urszow ych w ytw orzo nych w różnych warunkach hydrologicznych. Rocz. G lebozn. 37: 195 -2 0 3 .
DZIADOW IEC H. 1990: Rozkład ściółek w wybranych ekosystem ach leśnych (m ineralizacja, uw alnia nie składników pokarm ow ych, humifikacja). R ozpraw y U M K w Toruniu.
K A L E M B A SA D ., BECH ER M. 2006: W ęgiel i azot w w ydzielon ych frakcjach materii organicznej leśnych gleb rdzawych i b ielicow ych N izin y Południow opodlaskiej. Rocz. G lebozn. 57, 3/4: 4 4 -5 4 . K A L E M B A SA D., BECH ER M ., PAKUŁA K., JAREM KA D. 2006: Wybrane w ła ściw o ści fizyk och e
m iczne i chem iczn e gleb torfow o-m urszow ych w dolinie rzeki L iw iec na W ysoczyźn ie Siedleckiej. W: W łaściw ości fizyczn e i chem iczne gleb organicznych. Brandyk T., Szajdak L., Szatyłow icz J. (red.) Wyd. SGGW, Warszawa: 2 5 -3 2 .
LIWSKI S., O KR U SZK O H., K A L IŃ SK A D. 1981: Zróżnicowanie zawartości składników chem icz nych w organicznych utworach gleb ow ych Bagien Biebrzańskich. Zesz. Nauk. AR w e W rocławiu 154: 9 7 -1 0 9 .
M ACIAK F. 1995: Ocena aktyw ności biologicznej m urszów i torfów na podstaw ie mineralizacji zw iąz ków w ęgla i azotu. Rocz. G lebozn. 46,3/4: 19-27.
OKOŁOW ICZ M. 1999: G leby organiczne torfowiska Pożary w P uszczy K am pinoskiej. Rocz. G le
bozn. 50, 4: 6 5 -8 0 .
PIAŚCIK H., GOTKIEW ICZ J. 2004: Przeobrażenia odw odnionych gleb torfow ych jako przyczyna ich degradacji. Rocz. G lebozn. 55 (2): 3 3 1 -3 3 8 .
ST E V E N SO N E.J. 1994: Humus Chemistry: genesis, com position, reactions. W iley, N e w York: 4 9 6 ss. ZIEGLER F., ZECH W. 1989: Distribution pattern o f total lipids fractions in forest humus. Z. P flan ze
nernähr Bodenk. 152: 2 8 7 -2 9 0 .
Prof. dr hab. Dorota Kalembasa
Akademia Podlaska, Katedra Gleboznawstwa i Chemii Rolniczej ul. Prusa 14, 08-110 Siedlce
