MINERÁLNÍ A ORGANICKÝ DUSÍK V PŮDĚ

Černý Jindřich, Balík Jiří, Tlustoš Pavel, Němeček Radek

Celkový obsah dusíku (Nt) v orniční vrstvě půd České republiky se pohybuje většinou v rozmezí hodnot 0,1-0,2 %, může však kolísat ve značném rozmezí (0,03% - 0,5 %). Lze vypočítat, že v orniční vrstvě je asi 3000 - 9000 kg N/ha. Z tohoto množství jsou jen 1 až 2 % rostlinám dostupné ve formách NH4+, NO3-. Celkové množství minerálního dusíku v orniční vrstvě může být 5-10 %, je to však převážně nevýměnně sorbovaný NH4+ iont, fixovaný v jílových minerálech. Hlavní podíl je v organických dusíkatých sloučeninách, jejichž dusík je až na výjimky rostlinám nedostupný. Ke zdrojům organického dusíku v půdě patří biomasa mikrobů, metabolity organismů žijících v půdě, rostlinné a živočišné zbytky, aj. Pro hlubší studium dusíku a jeho sloučenin v půdě se kromě frakcionace humusu využívá i frakcionace dusíku organických dusíkatých sloučenin. Metod a jejich modifikací je více, reakce probíhají v kyselém nebo zásaditém prostředí s využitím různých chemikálií.

Graf 1 Frakcionace organického půdního dusíku (Allen et al., 1973)

a huminových kyselin (Schmitzer, 1985); průměrné hodnoty;

(in Haider, 1996)

Na základě současných poznatků se uvádí, že z celkového dusíku v organických sloučeninách je 20-40 % N v aminokyselinách, 5-10 % v aminocukrech a 1-7 % v dusíkatých bázích nukleových kyselin (purín a pyrimidin). Khan a Sowden (in Haider, 1996) zjistili, že hydrolýzou ornice vroucí 6 M HCl je rozloženo 50-70 % organického dusíku. Z dusíku v hydrolyzátu činí 28-35% aminokyseliny, 1-8 % aminocukry a 15-20 % amoniak. Zbytek dusíku je v méně známých vazbách. Z izolovaných huminových kyselin a fulvokyselin je možno hydrolizovat 80-90 % N (Sowden et al., 1976). Také zde zůstává asi 20-50 % N v nedefinovaných vazbách ( graf 1).

Obsah celkového N v půdě se často uvádí ve spojení s obsahem humusu v půdě nebo s obsahem oxidovatelného uhlíku (Cox.) jako poměr C:N. Podle Sirového a Facka (1967) lze jako dostatečné zásobování půdy dusíkem uvažovat poměr C/N do 15-18. Nejužší poměr C/N=10 mají půdy s vysokou biologickou aktivitou (např. černozemě, rendziny). V O-horizontu podzolů je poměr 30-40 a nejvyšší je u zamokřených rašelinných půd 50-60. Obsah dusíku v půdě je ovlivněn především rostlinným pokryvem, tj. způsobem využívání. Vysoký obsah dusíku je pod travními porosty. V grafu 2a je znázorněn pokles obsahu N při přechodu stepní půdy v ornici a v grafu 2b zvýšení obsahu N v půdě, která je opět přeměněna na travní porost.

Relativní změny obsahu N v ornici po přeměně stepi v ornou půdu (Jenny, 1933 in Haider, 1996) - graf 2a

Změny obsahu N v půdě při převedení orné půdy na trvalý travní porost (Richardson, 1938 in Haider, 1996) - graf 2b

Vysoká intenzita rozkladu organických sloučenin při přeměně trvalých travních porostů v ornou půdu nastává zejména na lehkých půdách. Např. Strebel et al. (1985) uvádějí snížení dusíku v průběhu 4 let v A-horizontu o cca 5000 kg N/ha.

Celkový obsah dusíku v orné půdě je dále ovlivněn skladbou pěstovaných plodin (např. podílem víceletých pícnin), intenzitou hnojení průmyslovými a organickými hnojivy i způsobem obdělávání půdy. Právě extrémní dávky organických hnojiv (kejdy) jsou příčinou zvýšeného obsahu N v půdách některých regionů SRN. Podle Niedera a Richtera (1986) došlo v orných půdách Dolního Saska k prohloubení ornice z 25 cm na 33 cm. Poměr C/N v ornici se změnil z původních 9,6 na 10,6. Přitom dlouhodobě byly dávky N ve hnojivech cca o 80 kg N/ha/rok vyšší než činil odběr. Také Cramer (1993) informuje o zvýšení N-Poolu půd o 1800 - 2500 kg N/ha, neboť se změnil poměr C/N. Obdobně jako v SRN byla dlouhodobě přebytečná bilance dusíku také v České republice. Lze proto předpokládat určité zvýšení celkového množství dusíku také v půdách ČR. Tento potenciál může pak částečně kompenzovat celkově negativní bilanci dusíku (od roku 1990) v rostlinné produkci.

V pokusech prováděných KAVR na pokusné stanici AF v Čer. Újezdě při pěstování kukuřice jako monokultury po dobu 5 let byl v ornici na nehnojené kontrole C/N = 13,2; na var. s DAM 390 C/N = 12,1 a na var. s chlévským hnojem C/N = 10,2. Na kontrole činila za 5 let pěstování negativní bilance -653 kg N/ha , u var. DAM -183 kg N/ha a u var. chlévský hnůj byla pozitivní +592 kg N/ha. Na kontrolní variantě se dále snížil obsah fixovaného amonného dusíku.

Poměr C/N v minerálních půdách neodpovídá často poměru v půdní organické hmotě, neboť při kjeldalizaci dochází také ke stanovení části fixovaného amonného iontu (Scheffer a Schachtschabel, 1992). Toto je významné zejména na půdách s malým podílem organických látek a s vysokým obsahem jílu. Po odečtení fixovaného NH4+ u hnědozemí na spraši a černozemí v Ap - horizontu se změní poměr C/N z 10 na 11 a v uhlíkem chudém podorničí z 6 na 12. Zřejmě v literárních pramenech, kde jsou uváděny nízké hodnoty pro B a C - horizont, nebyl odpočten fixovaný NH4+.

Jako mineralizace N je označován mikrobiální rozklad organicky vázaného dusíku na NH4+. Přitom se tvoří nejdříve NH3, který ve vodném prostředí přijímá proton a přechází na NH4+. Na tomto procesu se účastní řada fyziologicky velmi odlišných heterotrofních mikroorganismů.

Ke stanovení Netto-mineralizace půd se kromě jiných metod používají inkubační testy. Krátkodobé inkubace jsou určeny ke stanovení množství lehce mineralizovatelného N (pro korekce hnojení), dlouhodobé k určení celkového mineralizovatelného potenciálu půd. Na grafu 3 je znázorněn časový průběh mineralizace u 5 různých zemin (hnědozem na spraši - horizont A). Je zřejmé, že v prvních týdnech inkubace se mineralizují lehce rozložitelné zbytky rostlin (především kořeny) a mrtvé organismy. Postupně se rozkladný proces zpomaluje. V této fázi dochází k rozkladu rezistentních organických sloučenin, jejichž mineralizovatelnost je závislá na druhu huminových látek a jejich vazbě na organominerální komplex. Je zřejmé, že část dusíku v půdě nemohou mikroorganismy rozložit a pro zásobování rostlin má tento dusík malý význam. Keeney a Bremner (1966) udávají, že po 12 měsících inkubace (při 30 oC) bylo zmineralizováno 20 % z celkové zásoby dusíku. Z výsledků dlouhodobých inkubačních pokusů vyplývá, že celkové mineralizované množství N je v těsné korelaci především s celkovým obsahem dusíku v půdě a není výrazněji závislé na poměru C:N. Při dlouhodobých inkubačních pokusech dochází k částečnému zkreslení výsledků, neboť část NH4+ iontu může být fixována v mřížkách jílových minerálů. Stanovené množství Nmin. potom neodpovídá zmineralizovanému dusíku organických sloučenin.

Graf 3 Mineralizovatelné množství N v závislosti na obsahu Nt; hnědozem na spraši (ornice); inkubační pokusy (35oC); obsahy byly přepočteny na hloubku ornice 30 cm - 100 kg N.ha-1 = 2,2 mg N.kg-1 půdy

(Nuske a Richter, 1981)

Na mineralizaci má značný vliv obsah vody a teplota půdy. Zvyšuje se, když se střídá období sucha a vlhka, což lze vysvětlit:

- odumřelou mikrobiální biomasou,

- novými povrchy org. látek, které jsou uvolňovány od pevných půdních agregátů v důsledku jejich smršťování,

- tvorbou nízkomolekulárních sloučenin.

Mineralizace je velmi malá při nízkých teplotách (kolem 0 oC). S rostoucí teplotou se výrazně zvyšuje, především v oblasti 30-40 oC. Zvýšení teploty o 10 oC zrychlí průběh mineralizace 2-3 x. Vliv půdní reakce v rozmezí pH 5-8 na mineralizaci je velmi malý.

Při sledování vlivu poměru C/N na mineralizaci je nutno rozlišovat mezi lehce rozložitelnými organickými zbytky (zbytky rostlin, sláma, odumřelá mikrobiální biomasa atd.) a huminovými látkami, které již prodělaly dlouhodobý rozkladný proces. Jak je zřejmé z grafu 4, rozkládají se velmi rychle zbytky leguminóz (C/N = 15-25) a relativně pomalu pšeničná sláma (C/N = 50-100).

Graf 4 Intenzita mineralizace různých organických látek v závislosti na poměru C/N; inkubační pokusy 25 dní, 40oC (Scheffel a Schachtschabel, 1992)

Z tab.1 je zřejmý poměrně rychlý rozklad zeleného hnojení a slámy a naopak pomalý u rašeliny.

Tab.1 Rozklad některých organických látek v půdě

(van Dijk, 1980)

Stanovením obsahu minerálního dusíku v půdě bylo ve vyspělých zemích dosaženo lepší účinnosti hnojení a snížení ztrát dusíku. Od doby svého vzniku (Scharpf a Wehrmann 1975) byla tato metoda značně zpřesněna. Většinou počítá s obsahem minerálního dusíku do 90 cm a rozděluje stanovení po vrstvách 0-30 cm, 30-60 cm, 60-90 cm. Přitom poslední vrstva 60-90 cm není vždy stanovena přímo a často se pouze dopočítává na základě matematických modelů. Obsah minerálního dusíku v půdě se stal v současnosti dobrým kritériem pro optimalizaci hnojení. Množství Nmin. se stanovuje na počátku popř. v průběhu vegetace. Hloubka a termín odběru jsou závislé na plodině. V západní Evropě se většinou počítá s profilem až do 90 cm (obilniny, řepka, kukuřice, cukrovka), v doporučeních v rámci České republiky pouze do 60 cm (s výjimkou cukrovky). U některých zelenin je dostatečná již ornice (salát, hrách), případně podorničí ( zelí, květák, brokolice, jarní špenát, celer, fazole, cibule).

Tab.2 Obsah minerálního dusíku v půdě (mg N/kg) u porostů ozimé řepky v České republice (SVŘ)

* v roce 1993 a 1994 - výluh 1M KCl; v roce 1995 a 1997 - výluh 0,01M CaCl2

Pro určení podzimní dávky pro ozimé obilniny a oz. řepku stačí pouze obsah Nmin. v ornici. Při jarních odběrech je nutno počítat i s podorničím, neboť obsah ve vrstvě 30-60 cm může činit 65-90% z množství v ornici (tab.2). Dávka dusíku v minerálních hnojivech se snižuje o množství Nmin. v půdě. Přitom z analytického hlediska a následných přepočtů na mocnost profilu do 90 cm je nutno počítat s chybou cca 10 -15 kg N/ha (Richter et al., 1984).

Ačkoliv metoda Nmin. byla původně vyvinuta pouze z hlediska optimalizace hnojení, je v zahraničí využívána také ke kontrole předpisů o hnojení. Po sklizni obilnin je poměrně nízký obsah Nmin. v půdě. K výraznějšímu nárůstu dochází v případech, kdy intenzita hnojení přesáhne celkový odběr rostlinami o 20-40 kg N/ha (graf 5).

Graf 5 Obsah Nmin. v půdě (kg N/ha - do 90 cm) v závislosti na bilanci N u ozimé pšenice (Knittel a Sturm, 1986)

Proto při vyrovnané bilanci zdrojů a výstupů je většinou zbytečné provádět stanovení Nmin. pro ozimy, které následují po obilninách. Všeobecně vysoký obsah minerálního dusíku je stanovován po sklizni zelenin, kde je navíc značné množství posklizňových zbytků.

Zavedení metody Nmin. sice zpřesnilo hnojení dusíkem, ale stále je třeba detailněji kvantifikovat jednotlivé složky :

- určit limit potřeby N (tzv. Sollwert”) - tj. množství, od kterého je odpočítáván Nmin.,

- stanovit podíl mineralizovatelného dusíku organických sloučenin.