DUSÍK V PŮDĚ A JEHO PŘEMĚNY

Vaněk Václav, Pavlíková Daniela, Balík Jiří, Tlustoš Pavel

Pro pochopení složitosti problematiky použití dusíku v rostlinné výrobě a jeho působení v ekosystému je dobré si připomenout koloběh dusíku v přírodě (obr.1). Prvotním zdrojem dusíku je atmosféra, odkud se do půdy dostává fixací mikroorganismy, srážkami a spadem, dále posklizňovými zbytky, průmyslovými i organickými hnojivy.

O jednotlivých položkách vstupů a výstupů dusíku a jejich bilanci v půdě pojednává velké množství prací, které se většinou týkají obecnějších pohledů, a chybějí údaje pro konkrétní podmínky, které se mohou významně lišit nejen vlivem stanoviště, ale také způsobem hospodaření a využitím půdy. Je třeba poukázat na řadu skutečností, které u nás během posledních let výrazně zasáhly do celkové bilance dusíku v rostlinné výrobě. Značně se snížil přísun N do půdy hnojivy, hlavně průmyslovými, ale snížením stavů hospodářských zvířat i organickými. Nižší zastoupení jetelovin ve struktuře plodin působí také snížení imputu biologického N. Pokles výnosů většiny plodin, nebo snížení jejich ploch způsobil snížení odběru N rostlinami a lze také předpokládat snížení ztrát N z půdy. Výrazněji se nezměnilo (v řadě oblastí se zvýšilo) množství N, které se dostává do půdy dešťovými srážkami (okolo 15 kg a na silně zatížených lokalitách i přes 20 kg N na ha za rok). Jestliže uvážíme pravidelný přísun N srážkami a spadem během celého roku (spíše více v mimovegetačním období) na celé ploše našeho území, je pochopitelné, že větší část tohoto N nemůže být využita rostlinami ani na zemědělsky obhospodařované půdě, a tím zapojena do biologického koloběhu. Nepřekvapuje proto bujná vegetace na nezemědělských plochách (příkopy, parky, okraje cest a pod.). Obecně je nutné konstatovat skutečnost, že celková bilance N v půdě (porovnání vstupů a výstupů) není vyrovnaná - do půdy je přiváděno méně N, než je odčerpáváno. Mělo to do jisté míry pozitivní vliv na omezení ztrát a zlepšení využití N rostlinami, ale na druhé straně došlo k poklesu výnosů a většinou i snížení kvality produkce. Přitom je nutné podotknout to, že z půdy jsou odčerpávány kromě minerálního N i lehčeji hydrolyzovatelné organické sloučeniny N, čímž se postupně snižuje potenciální půdní úrodnost, jejíž obnova je velmi obtížná, nákladná a vyžaduje dlouhodobé úsilí.

Aby dusík z ovzduší mohl být využit rostlinami musí být redukován. Tato redukce N2 je energicky velmi náročná a lze ji vyjádřit takto :

N2 + 6 H+ + 6 e- = 2 NH3

Biologická redukce uskutečňovaná prostřednictvím mikroorganismů (u nás hlavně symbiotických) enzymem nitrogenázou vyžaduje většinou jen asi poloviční množství energie (okolo 30 MJ na l kg N), než průmyslová fixace, ale v každém případě je třeba počítat, že dusík představuje vysokou nákladovou položku.

Obr. 1 Koloběh dusíku v přírodě

Obr. 2 Nitrifikace v hnědozemi

Dusík v půdě podléhá různým přeměnám. Jsou to procesy mineralizační, kdy z organických látek (je v nich soustředěna převážná část půdního N) je uvolňován NH3 a ten je většinou dále oxidován na NO3-. Obě formy dusíku jsou zdrojem N pro rostliny. V našich klimatických podmínkách v biologicky činných půdách přijímají rostliny většinu N ve formě NO3-. V půdách probíhají současně i opačné procesy - imobilizace, kdy jsou minerální formy dusíku, především NH+4-N vázány mikroorganismy a zabudovány do organických sloučenin. Podmínky, kdy převažují hlavně mineralizační nebo zase imobilizační procesy, nejsou zatím dostatečně objasněny, a proto jsou velké potíže s možností usměrňování těchto pochodů, a tím i využití výsledků analýz půd na obsah minerálního N pro praktickou výživu rostlin dusíkem a omezení ztrát N z půd. Významným způsobem jsou tyto procesy ovlivňovány obsahem C a jeho formami v půdě, dále poměrem C : N, oxidačně-redukčními podmínkami, vlhkostními a teplotní poměry a řadou dalších podmínek a jejich vzájemnou kombinací. Je zřejmé, že dominantní je průběh hydrotermických podmínek.

Jednotlivé procesy přeměn N v půdách, především nitrifikace a denitrifikace, se značně podílejí a spolurozhodují o distribuci N v půdě, a tím i využití N rostlinami.

Nitrifikace je oxidační proces, kdy amonný dusík je postupně oxidován autotrofními mikroorganismy až na nitráty. Mikroorganismy využívají energii uvolňovanou během oxidace.

2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2 H2O + energie

2 HNO2 + O2 = 2 HNO3 + energie

Nitrifikace je proces velmi citlivý na vnější podmínky, je výrazně ovlivňován jako většina biologických procesů hydrotermickými podmínkami. Při teplotách pod 5 oC téměř ustává. Vyžaduje dostatek vzduchu v půdě a slabě kyselou až neutrální reakci půdy. Je také ovlivněn koncentrací solí v půdě a druhem hnojiva (obr. 2).

Denitrifikace je naopak redukční proces, kdy nitráty jsou za přítomnosti organických látek redukovány na oxidy dusíku až elementární dusík. V našich podmínkách převažuje denitrifikace působená fakultativně anaerobními mikroorganismy, které během rozkladu využívají kyslík nitrátů. Lze ji sumárně znázornit takto :

24 HNO3 + 5 C6H12O6 = 12 N2 + 30 CO2 + 42 H2O + energie

Podmínkou průběhu denitrifikace je nedostatek kyslíku v půdě, přítomnost nitrátů a dostatek lehce dostupných organických látek (oxidují se na oxid uhličitý a uvolňuje se energie) a samozřejmě řada dalších podmínek jako např. vyšší hodnoty pH, redox potenciál a pod. Jak je zřejmé z obr. 3, je rozhodujícím faktorem průběhu denitrifikace omezená aerobiosa, která je většinou působena vyšším obsahem vody v půdě.

Obr. 3 Ovlivnění denitrifikace pH, teplotou a vlhkostí půdy

Méně významná je tzv. chemická denitrifikace (redukce nitritů v kyselém prostředí za přítomnosti amidů a bez účasti mikroorganismů), protože nitrity se mohou v půdě vyskytovat jen ojediněle a krátkodobě.

Je pochopitelné, že denitrifikací mohou nastávat výrazné ztráty dusíku, mající za následek snížení efektivnosti hnojařských zásahů i negativní ovlivnění životního prostředí. Znalosti podmínek průběhu denitrifikace nám umožňují usměrnění hnojařských a dalších agrotechnických zásahů tak, aby tyto ztráty byly nízké (přiměřené) a větší část minerálních forem N byla využita rostlinami. Jedná se především o to, aby v půdách nebyl vysoký obsah nitrátů, zvláště koncem vegetace a v mimovegetačním období, kdy je také zvýšené nebezpečí vyššího obsahu vody v půdě, a tím omezený obsah O2. Vytvářejí se podmínky jednak pro denitrifikaci i možnost vyplavení N z půdního horizontu. Je proto žádoucí aplikovat dávky dusíku přiměřené potřebě pěstovaných plodin a vlastní hnojení dusíkatými hnojivy realizovat převážně na počátku a v průběhu vegetace. O těchto aspektech a souvislostech bude podrobněji pojednáno v dalších vystoupeních.

V posledních letech se upřesnila distribuce dusíku hnojiv v půdě a využití N hnojiv rostlinami. Přispěly k tomu studie pomocí hnojiv obohacených stabilním izotopem 15N. Z většiny prací vyplývá, že využití N hnojiv je značně ovlivněno stanovištními podmínkami, dobou aplikace, dávkou a formou N i plodinou. Rozsah distribuce N v půdě a v rostlině po hnojení N hnojivy udává tab.l (MACHET et al. 1987 ).

Tab. 1 Distribuce dusíku hnojiv po hnojení

Z uvedených údajů i dalších prací vyplývá, že využití N hnojiv podle analýz 15N se pohybuje okolo 50 % a velká část N je vázána v půdě. Vyšší využití N vykazují rostliny většinou po aplikaci hnojiv s nitrátovým N a je nižší jeho vazba v půdě a u amonné formy je tomu naopak. Celkově se ukazuje, že asi třetina aplikovaného dusíku je vázána v organické hmotě půdy. Je také zřejmé, že ztráty dusíku, hlavně denitrifikací mohou vykazovat vysoké hodnoty. Také naše výsledky s ozimou pšenicí (VANĚK et al. 1989) soustředěné v tab. 2. ukazují, že část aplikovaného N nebyla nalezena v produkci ani v analyzované vrstvě půdy ( 0 - 40 cm). I když můžeme uvažovat, že část dusíku použitými metodami nemohla být stanovena a také se může nacházet v hlubších vrstvách půdy, lze předpokládat, že převážnou část nezjištěného dusíku tvoří ztráty. Je také patrné, že při podzimní aplikaci vysoké dávky N je nižší využití dusíku zrnem i slámou. Ve vegetačním období je využití N téměř shodné, pouze pozdní tzv. kvalitativní přihnojení vykazuje nižší podíl v zrnu a větší ve slámě, což svědčí o tom, že rostliny nemohly později přijatý dusík v plné míře využít pro tvorbu zrna.

Tab. 2 Zjištěno z dusíku hnojiva (močovina) v zrnu a slámě pšenice ozimé a v půdě (% dodaného N podle 15N analýz) - průměr za 3 roky

Při hodnocení využití dusíku hnojiv pomocí analýz 15N v porovnání s klasickou bilanční metodou se jeví využití nižší. Je zde třeba zdůraznit, že po hnojení N hnojivy se mobilizuje půdní dusík a rostliny využívají takto “dodatečně uvolněný dusík půdy,” který v literatuře je označován jako “priming effect”. Rozdíly mezi oběma metodami využití N jsou působeny hlavně tímto efektem. Pro praktickou výživu rostlin není sice podstatné z jakého N se tvoří výnos a kvalita produkce, ale v rámci bilance N je třeba tyto skutečnosti brát v úvahu, protože při nerespektování množství N vázaného v půdě se při isotopickém hodnocení využití N hnojiv zdá být nízké. Jestliže bereme v úvahu přijaté množství N rostlinami spolu s N vázaným v půdě, vychází celkové množství nalezeného N hnojiv asi 75 - 85 %.

Analýzy 15N také ukázaly, že na výnose plodin se z větší části podílí N půdy, zvláště na úrodných stanovištích. Na obr. 4 jsou znázorněny odběry N ozimou pšenicí z hnojiva a půdy. Je patrno, že větší část (okolo 70 %) odebraného N pochází z půdy. Dosti značné rozdíly zjištěných hodnot v jednotlivých pokusných letech svědčí o značném vlivu povětrnosti, především hydrotermických podmínek. Výraznější rozdíly v odběru N jsou u N půdy a menší u N hnojiva.

Obr. 4 Odběr N z půdy a hnojiva ozimou pšenicí

I když se stále více začínají uplatňovat kapalná hnojiva, a tím do jisté míry i mimokořenová výživa rostlin, je třeba si uvědomit to, že převážnou část dusíku poskytuje rostlinám půda, zvláště na úrodných stanovištích. Proto je naprosto správné úsilí věnované problematice půdního dusíku. Je třeba v daleko větším rozsahu využívat všechny údaje, upřesňující naše znalosti o půdním dusíku a faktorech, které ovlivňují procesy přeměn půdního dusíku i dusíku hnojiv, a tím i výživu rostlin dusíkem. Z prezentovaných údajů je zřejmý značný vliv vnějších podmínek na dynamiku přeměn půdního N i využití N hnojiv. Je žádoucí, abychom se snažili určit a do jisté míry mohli i předpokládat, na kterém stanovišti se uvolňuje více či méně půdního dusíku, a tím mohli lépe optimalizovat hnojení dusíkem. Je to úkol obtížný, vyžadující dobré znalosti pěstebních podmínek i nutnost zvažování eventualit vývoje nejvýznamnějších faktorů a jejich vzájemné ovlivnění.

K těmto otázkám je zaměřeno i naše jednání. Jistě přinese nové pohledy a názory, jejichž uplatněním zajistíme potřebnou výši a kvalitu produkce, a tím i ekonomiku rostlinné výroby, udržení půdní úrodnosti a ochranu životního prostředí.