THE INFLUENCE OF LONG-TERM ORGANIC FERTILIZERS APPLICATION ON SULFUR CONTENT AND ARYLSULFATASE ACTIVITY IN RAPE RHIZOSPHERE

Transkript

1 THE INFLUENCE OF LONG-TERM ORGANIC FERTILIZERS APPLICATION ON SULFUR CONTENT AND ARYLSULFATASE ACTIVITY IN RAPE RHIZOSPHERE VLIV DLOUHODOBÉ APLIKACE ORGANICKÝCH HNOJIV NA OBSAH SÍRY A AKTIVITU ARYLSULFATASY V RHIZOSFÉŘE ŘEPKY Kotková B., Balík J., Nedvěd V., Černý J. Katedra agrochemie a výživy rostlin, Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů, Česká zemědělská univerzita v Praze Kamýcká 957 1, Praha 6 - Suchdol, Česká republika. kotkova@af.czu.cz, balik@af.czu.cz, ABSTRACT The effect of different fertilization systems on S forms and arylsulfatase activity in rhizosphere of winter rape (Brassica napus L.) was investigated in rhizobox experiment provided in a special design rhizoboxes (Wenzel et al., 2001) allowing sampling of soil rhizosphere profile according to thickness of 1 mm per one layer. The soil from the long-term stationary experiment (Cambisol and Chernozem) with different fertilization systems (unfertilized treatment, manure treatment, sewage sludge treatment) was used. Increase of sulfur content in rhizosphere of rape compared to bulk soil on both monitored soils was found. The sulfur content and arylsulfatase activity were higher in organically fertilized treatments compared to control. The water extractable sulfur content in Cambisol was determined three times higher in contrast to Chernozem. Key words: rape, rhizosphere, sulfur, sewage sludge, manure, arylsulfatase activity

2 ABSTRAKT Cílem této práce bylo sledovat vliv různých systémů organického hnojení na rozdělení obsahu síry a aktivitu arylsulfatasy v rhizosféře řepky ozimé (Brassica napus L.). Byly použity zeminy z dlouhodobých výživářských pokusů ze stanoviště Lukavec (kambizem) a Suchdol (černozem). Použity byly tři varianty hnojení: nehnojená kontrola, hnojeno čistírenskými kaly a chlévským hnojem. Pokusy byly uskutečněny v klimaboxu za stalých podmínek a bylo použito techniky s rhizoboxy. Při ukončení experimentu byl rhizosferní oddíl odstraněn a byla provedena separace půdních vrstev po 1 mm (Wenzel et al., 2001). Na obou sledovaných zeminách jsme nalezli více extrahovatelné síry v rhizosféře řepky v porovnání s bulk soil. V porovnání s kontrolou je obsah síry a aktivita arylsulfatasy vyšší na variantách hnojených organickými hnojivy. Obsahy celkové extrahovatelné síry jsou 3x vyšší na kambizemi než na černozemi. Klíčové slova: řepka, rhizosféra, síra, čistírenský kal, chlévský hnůj, aktivita arylsulfatasy ÚVOD Rhizosféra je klíčová zóna z hlediska příjmu živin rostlinami. Fyzikálně chemické procesy ve vztahu půda kořeny se vzájemně podstatně liší od procesů mimo rhizosféru (Darrah, 1993). Dynamika změn živin v rhizosféře byla intenzivně studována pro fosfor (Gahoonia a Nielsen, 1992; Zoyza et al., 1997), dusík, draslík, vápník, a hořčík (Moritsuka et al., 2000). Omezené údaje jsou však pro účinek a rozdělení různých frakcí S v rhizosféře na růst rostlin (Han a Yoshida, 1982; Hu a Shen, 1997, Hu et al., 2003). Rhizosféra je díky vzájemnému vztahu rostlin a mikroorganismů metabolicky velmi aktivní oblastí, v níž může probíhat mnoho klíčových reakcí. Přístupnost živin a jejich příjem rostlinami je určována zejména půdními podmínkami v oblasti rhizosféry. Důležitou úlohu zde hrají kořenové exudáty, které jsou tvořeny směsí organických kyselin, chelátů, cukrů, vitamínů, aminokyselin, purinů, nukleosidů, anorganických iontů (HCO 3 -, OH -, H + ), molekul plynů (CO 2, H 2 ) a enzymů (Dakora a Phillips, 2002). Půdní enzymy jsou potenciální indikátory kvality půdy, protože mají vztah k půdní biologii, poměrně snadno se stanovuje jejich aktivita a reagují na změny v hospodaření na půdě (Bandick a Dick, 1999; Trasar-Cepada et al., 2000). Takovéto indikátory spojují chemické, fyzikální a biologické charakteristiky a mohou být užívány pro monitorování účinků dlouhodobého hospodaření na úrodnost půdy. Enzymy katalyzují biochemické reakce a jsou nedílnou součástí koloběhu živin v půdě. Hrají hlavní roli při koloběhu živin a při rozkladu komplexu organických látek v půdě (Sinsabauch, 1994). Podílí se na rozkladu organických sloučenin v půdě a tím uvolňují minerální formy živin (Chròst, 1991). Některé enzymy jsou těsně spojeny s mikroorganismy, zatímco jiné enzymy jsou plně extracelulární. Sulfatasy jsou těsně zapojeny do biochemické mineralizace organické S. V širokém rozsahu půd byla nalezena hlavně arylsulfatasa (Tabatabai a Bremner, 1971; Gupta et al.,

3 1993) a její aktivita může být užívána jako indikátor potenciálu pro biochemickou mineralizaci organických estersulfátů v půdě. Dosud však schází detailní informace o faktorech, které mohou ovlivnit aktivitu a kinetiku (aryl)sulfatasy v půdách. Sulfatasy se v půdě vyskytují také jako exoenzymy a mají úzký vztah k organické hmotě. Arylsulfatasa má důležitou roli v koloběhu síry, protože zpřístupňuje S-SO 4 rostlinám (Tabatabai a Bremner, 1970; Farrell et. al, 1994). Výzkumy ukázaly, že organická hnojiva jako kompost a chlévský hnůj jsou prostředkem zlepšujícím dostupnost půdní organické S (Saranthchandra a Perrott, 1981; Knauff a Scherer, 1998). Cílem této práce bylo sledovat změny obsahu síry a aktivitu arylsulfatasy (ARS) v rhizosféře řepky ozimé v závislosti na použitém druhu organického hnojiva. MATERIÁL A METODIKA Jako testovací plodina byla použita řepka ozimá. V pokusu v rhizoboxech byly použity zeminy z dlouhodobých výživářských pokusů s aplikací čistírenských kalů a chlévského hnoje. Pro tento pokus byla použita zemina ze stanoviště Lukavec (kambizem) a Suchdol (černozem). Délka jednoho pokusného období byla 12 týdnů. Bylo použito frakce zeminy < 2 mm (vysušená při pokojové teplotě). Nejdříve byl založen kořenný oddíl, kde byly zasety rostliny (8 semen řepky). Po zakořenění rostlin (asi 7 dní) byl založen rhizosférní oddíl a rostliny byly pěstovány 12 týdnů za stálých podmínek (den 24 C a vlhkost 95%; noc 16 C a vlhkost 60%). Rostliny byly zalévány jen demineralizovanou vodou. Po skončení pokusu byla provedena sklizeň rostlin a separace rhizosféry po 1mm. Pro stanovení aktivity arylsulfatasy byla použita modifikovaná metoda Tabatabai a Bremner (1970). Metodika je tato: po přidání p-nitrofenylsulfátu do půdy (1g) a jednohodinové inkubaci při 37 C se uvolní aktivitou arylsulfatasy nitrofenol, který se extrahuje, zbarví se přidáním NaOH a stanoví fotometricky. Přepočtem zjistíme aktivitu arylsulfatasy v µg p-nitrofenolu g -1 h -1. Obsah celkové a minerální síry v půdě byl stanoven ve vodném výluhu (v poměru 1:10). Analýza celkového množství extrahovatelné síry byla provedena na přístroji ICP-OES, Varian Vista Pro a obsah minerální S-SO 4 na přístroji Skalar SAN plus SYSTEM. Síra organická byla stanovena z rozdílu celkového množství extrahovatelné síry a minerální S- SO 4.

4 VÝSLEDKY A DISKUZE Změny celkové extrahovatelné síry (S ex ), minerální síry (S-SO 4 ), extrahovatelné organické síry (S org ) a aktivita arylsulfatasy (ARS) byly zkoumány v rhizosféře řepky. Tyto parametry jsme zkoumali na zeminách ze stanoviště Lukavec (kambizem) a Suchdol (černozem) se třemi způsoby hnojení: kontrola - nehnojeno, kal 1 - hnojeno čistírenským kalem a hnůj - hnojeno chlévským hnojem. Při pěstování na kambizemi byl stanoven nejvyšší obsah S ex ve vodném výluhu ve vzdálenosti 1 mm od kořene a nejnižší v bulk soil (graf 1). Obsahy byly v rozmezí 4-18 ppm. Rostlina vylučuje jednoduché organické látky, které obsahují síru, a tím lze vysvětlit, že se zvyšuje obsah extrahovatelné síry poblíž kořenů. Více S ex bylo na nehnojené variantě oproti variantám hnojeným čistírenským kalem a chlévským hnojem. Stejný průběh mají hodnoty S-SO 4, ale jsou zde obsahy v rozmezí 2-7 ppm, které jsou poloviční než obsahy S ex. Obsahy S org mají stejný průběh a jsou v hodnotách 1-10 ppm (graf 2). Nejvyšší obsah S ex (graf 1) a S org (graf 2) ve vzdálenosti 1 mm od kořene je na variantě hnojené čistírenskými kaly a na kontrolní variantě a nejméně na variantě hnojené chlévským hnojem. Ve vzdálenosti 4 mm od kořene je nejvyšší obsah S ex a S org na nehnojené kontrole, který je statisticky rozdílný od varianty s chlévským hnojem a čistírenským kalem. Hu et al. (2003) také našli více organické S v rhizosféře než mimo rhizosféru řepky. Obsahy S ex a S org v bulk soil nejsou na všech variantách hnojení statisticky rozdílné. Obsah minerální S-SO 4 (graf 1) v jednotlivých vzdálenostech od kořene podle variant hnojení nemá statisticky průkazné rozdíly. Naše výsledky korelují s Barber (1995) a Hu et al. (2003), kteří našli více celkové S a anorganické S-SO 4 v rhizosféře než mimo rhizosféru řepky. Graf 1: Množství extrahovatelné (S ex ) a minerální (S-SO 4 ) síry ve vodném výluhu na kambizemi mg S/kg BS vzdálenost od kořene (mm) kontrola Sex. kal Sex. hnůj Sex. kontrola S-SO 4 kal S-SO 4 hnůj S-SO 4 BS= bulk soil

5 Graf 2: Obsah organické síry (Sorg) a aktivita arylsulfatasy (ARS) na kambizemi ARS µg pnp/g/h BS vzdálenost od kořene (mm) mg S/kg kontrola ARS kal ARS hnůj ARS kontrola Sorg. kal Sorg. hnůj Sorg. BS= bulk soil Na grafu 2 je ukázáno, že nejvyšší aktivita arylsulfatasy při pěstování řepky na kambizemi je na variantách hnojených organickými hnojivy (čistírenský kal a chlévský hnůj) než na nehnojené kontrolní variantě. Je zde zpřístupněna asi polovina z celkového množství S ex. Podobné výsledky prezentují Knauff et al. (2003), kteří tvrdí, že při porovnání půd s aplikací minerálních hnojiv, kompostu a chlévského hnoje byla stanovena nejvyšší aktivita arylsulfatasy na půdě s aplikací kompostu. My jsme stanovili nejvyšší aktivitu arylsulfatsy na variantě hnojené chlévským hnojem. Zde činil obsah minerální síry 2/3 z celkové extrahovatelné síry. Jak je dále zřejmé z grafu 2, nebyl stanoven průkazný vztah mezi aktivitou arylsulfatasy a vzdáleností od kořenů. Též z práce Knauff et al. (2003) vyplývá, že vzdálenost od kořenů rostlin nemá vliv na aktivitu arylsulfatasy. Autoři nalezli jen významné zvýšení aktivity arylsulfatasy u Sinapis album ve vzdálenosti 0.25 mm od kořene. Při pěstování na černozemi byl též nalezen vyšší obsah S ex a S-SO 4 v rhizosféře řepky, ale nebyl tak výrazný jako na kambizemi. Toto je ukázáno na grafu 3. Obsahy S ex (3,5-6 ppm) jsou na černozemi 3x nižší než na kambizemi. Množství S-SO 4 (3-4,5 ppm) na černozemi je poloviční než na kambizemi. Dle variant je nejvíce S ex a S-SO 4 na variantě hnojené chlévským hnojem. Morche et al. (2007) se zabývali distribucí síry v rhizosféře řepky a našli též více S-SO 4 ve vodném výluhu v rhizosféře obou rostlin než v bulk soil. Také našli více S-SO 4 na variantě hnojené kompostem v porovnání a variantou hnojenou minerálními hnojivy.

6 Graf 3: Množství extrahovatelné (S ex ) a minerální (S-SO 4 ) síry ve vodném výluhu na černozemi 5.0 mg S/kg BS vzdálenost od kořene (mm) kontrola Sex. kal Sex. hnůj Sex. kontrola S-SO 4 kal S-SO 4 hnůj S-SO 4 BS= bulk soil Dále v grafu 4 je znázorněna aktivita ARS v porovnání s obsahem Sorg na černozemi. Aktivita na černozemi je mírně nižší než na kambizemi. Stejně tak jako na kambizemi ani na černozemi nebyl stanoven statisticky rozdílný vztah mezi aktivitou ARS a vzdáleností od kořenů. Na černozemi byla aktivita ARS nepatrně vyšší na variantách hnojených organickými hnojivy. Obsah Sorg (0-0,5 ppm) byl nejvyšší na variantě hnojené čistírenskými kaly. Saranthchandra a Perrott (1981) a Knauff a Scherer (1998) nalezli těsnou korelaci mezi obsahem humusu v půdách a aktivitou arylsulfatasy. Proto můžeme předpokládat, že dlouhodobá aplikace organických hnojiv zlepšuje některé vlastnosti půdy, nejen zvýšení organické hmoty a celkového obsahu S v půdě, ale také aktivitu sulfatasy. Podle našich výsledků toto tvrzení platí na chudší půdě na organickou hmotu, což je u nás kambizem a neplatí na půdě bohaté na organickou hmotu černozemi.

7 Graf 4: Obsah organické síry (S org ) a aktivita arylsulfatasy (ARS) na černozemi ARS µg pnp/g/h BS vzdálenost od kořene (mm) mg S/kg kontrola ARS kal ARS hnůj ARS kontrola Sorg. kal Sorg. hnůj Sorg. BS= bulk soil ZÁVĚR Obsah celkové extrahovatelné síry je vyšší v rhizosféře ozimé řepky než v bulk soil. Totéž platí i pro obsah minerální síry. Obsahy Sex jsou na černozemi 3x nižší než na kambizemi. Množství S-SO4 na černozemi je poloviční než na kambizemi. Dle variant bylo stanoveno nejvíce celkové Sex a S-SO4 na variantách hnojených organickými hnojivy. Jak na kammbizemi tak i na černozemi nebyly nalezeny statistické rozdíly mezi aktivitou ARS a vzdáleností od kořene. Aktivita ARS na obou sledovaných zeminách byla nepatrně vyšší na variantách hnojených organickými hnojivy oproti kontrole. Příspěvek byl zpracován v rámci grantu NAZV QF4160.

8 LITERATURA Bandick A. K., Dick R. P. (1999): Field management effects on soil enzyme activities. Soil Biol. Biochem. 31, Barber S. A. (1995): Sulfur. In Soil Nutrient Bioavailability, 2nd Ed.; Barber, S. A., Ed.; John Wiley & Sons, Inc.: New York; Dakora F. D., Philips D. A. (2002): Root exudates as mediators of mineral acquisition in lownutrient environments. Plant Soil 245, Darrah P. R. (1993): The rhizosphere and plant nutrition: a quantitative approach. Plant Soil 155/156, Farrell R. E., R. Gupta V. V. S., Germida J. J. (1994): Effects of cultivation on the aktivity and kinetics of arylsulfatase in Saskatchewan soils. Soil Biol. Biochem. 8, Gahoonia T. S., Nielsen N. E. (1992): The effect of root-induced ph changes on the depletion of inorganic and organic phosphorus in the rhizosphere. Plant Soil, 143, Gupta V. V. S. R., Farrell R. E. and Germida J. J. (1993): Activity of arylsulfatase in Saskatchewan soils. Canadian Journal of Soil Science 73, Han K. W., Yoshida T. (1982): Sulfur mineralization in rhizosphere of lowland rice. Soil Sci. Plant Nutr., 28, Hu Z. Y., Shen H. (1997): Study on the bioavailability of soil organic S fractions. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), Special Issue in Chinese 33, Hu Z., Haneklaus S., Wang S., Xu Ch., Cao Z., a Schnug E. (2003): Comparison of Mineralization and Distribution of Soil Sulfur Fractions in the Rhizosphere of Oilseed Rape and Rice. Communations in soil science and plant analysis, 34 (15 & 16), Chròst R. J. (1991): Environmental control of the synthesis and activity of aquatic microbial ectoenzymes. In: Chròst, R. J. (Ed.), Microbial Enzymes in Aquatic Environments. Springer- Verlag, New York, Knauff U., Scherer H. W. (1998): Arylsulfatase-Aktivität im Kontaktraum Boden/Wurzeln bei verschiedenen landwirtschaftlichen Kulturpflanzen. In: Pflanzenernährung, Wurzelleistung und Exudation, Merbach, W. (Hrsg.). Täubner Verlagsgesellschaft Stuttgart, Leipzig, Knauff U., Schulz M., Scherer H. W. (2003): Arylsufatase activity in the rhizosphere and roots of different crop species. Europ. J. Agronomy 19, Morche L., Scherer H. W., Welp G. (2007): Behaviour of different sulphur-fractions in the rhizosphere of Brassica napus and Lolium multiflorum. Sborník z mezinárodní konference Výživa rostlin a její perspektivy, MZLU v Brně, Moritsuka N. J., Yanai J., Kosaki T. (2000): Effect of plant growth on the distribution and forms of soil nutrients in the rhizosphere. Soil Sci. Plant Nutr. 46,

9 Saranthchandra S. U., Perrott K. W. (1981): Determination of phosphatase and arylsulfatase activities in soils. Soil Biol. Biochem. 13, Sinsabauch R. S. (1994): Enzymatic analysis of microbial pattern and process. Biol. Fert. Soils 17, Tabatabai M. A. a Bremner J. M. (1970): Factors affecting soil arylsulfatase activity. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 34, Tabatabai M. A. a Bremner J. M. (1971): Michaelis constants of soil enzymes. Soil Biology & Biochemistry 3, Trasar-Cepada C., Leirós M. C., Seone S., Gil-Sotres F. (2000): Limitations of soil enzymes as indicators of soil pollution. Soil Biol. Biochem. 32, Wenzel W. W., Wieshammer G., Fitz W. J., Puschjenreiter M. (2001): Novel rhizobox design to assess rhizosphere characteristics at high spatial resolution, Plant and Soil, 237 (1): Zoyza A. K. N., Loganathan P., Hedney M. J. (1997): A technique for studying rhizosphere processes in tree crops: soil phosphorus depletion around camellia (Camellia Japonica L.) roots. Plant Soil 190,