ZMĚNY OXIDACE METHANU PŮDOU PO APLIKACI DUSÍKATÝCH HNOJIV

27.11.1997 | Odborné konference

Tlustoš Pavel, Willison Toby

Methan je chemicky i radiačně aktivní atmosferický plyn, 30 krát agresivnější než oxid uhličitý. Jeho koncentrace v atmosféře roste nejrychleji ze všech aktivních plynů. Současná koncentrace činí přibližně 1,8 m l CH4.l-1 vzduchu a každoročně roste přibližně o 1 % jeho celkového množství (Blake a Rowland, 1987). Enormní nárůst koncentrace a značná reaktivita vytvářejí z methanu jeden z nejsledovanějších atmosferických plynů.

Methan vzniká řadou anaerobních procesů především v močálech, bažinách a dlouhodobě zatopených půdách (rýžoviště). Významné množství methanu vzniká v místech chovu hospodářských zvířat, a to jak v jejich zažívacím traktu, tak i při skladování produkovaných výkalů. Dalším jeho zdrojem je těžba fosilních paliv. Velké množství methanu vzniká i rozkladem organické hmoty na skládkách komunálních odpadů. Nejvýznamnějším oxidačním procesem atmosferického methanu je jeho reakce s OH radikály v atmosféře. Intenzita této reakce je rozhodující pro zmírnění nárůstu tohoto plynu v atmosféře. Pravděpodobné změny koncentrace OH radikálů a vyšší produkce methanu v tomto století jsou hlavními důvody jeho rostoucí atmosférické koncentrace a také důvody, proč se v současnosti změnám CH4 věnuje tak velká pozornost.

Zamokřená půda je sice největším zdrojem methanu, ale za aerobních podmínek jej může strukturní a aktivní půda mikrobiologicky likvidovat (Mosier et al., 1991, Hutsch et al., 1993). Born et al. (1990) předpokládali, že půdou může být za optimálních podmínek rozloženo až 15 % celkové roční produkce methanu. Schopnost půdy podílet se na oxidaci methanu byla potvrzena teprve nedávno, a proto mechanismy této oxidace a jednotlivé faktory ovlivňující tento proces nejsou dosud spolehlivě objasněny. Mezi faktory mající značný vliv na intenzitu oxidace CH4 patří pěstovaná kultura a hnojení dusíkem.

Cílem našich laboratorních experimentů bylo zjistit rozdíly v intenzitě oxidace CH4 ornou půdou a travním porostem a vliv druhu a dávky dusíkatého hnojiva na tento proces.

Metodika experimentů

K pokusům provedeným v laboratořích odboru pedologie IACR Rothamsted v Harpendenu byly použity dvě zeminy, odebrané z dlouhodobého experimetu pětihonného osevního postupu a z experimentu s trvalým travním porostem na variantách nehnojených více než stočtyřicet let žádným hnojivem. Tím byl splněn předpoklad, že aktivita půdních mikroorganismů je na obou stanovištích ovlivněna pouze kulturou a způsobem hospodaření a ne aplikací průmyslových nebo organických hnojiv.

Graf 1 Vliv formy N hnojiva na oxidaci methanu ornou půdou

Graf 2 Vliv formy N hnojiva na oxidaci methanu

půdou travního porostu

Čerstvá půda odebraná z orniční vrstvy byla přesáta přes 5 mm síto a preinkubována po promíchání s roztoky jednotlivých N hnojiv při optimálním nasycení vodou po dobu 7 dnů při teplotě 21oC. Byly testovány tři dávky hnojiv (1,2,3) odpovídající dávkám běžně používaným v dlouhodobých pokusech, které činily v přepočtu 48, 96 a 192 kg N na ha. V experimentu bylo ověřováno působení čtyř dusíkatých hnojiv, síranu amonného (SA), močoviny (MO) a čpavkové vody (A), jako nitrátová forma byl aplikován ledek draselný (LD). Vlastní inkubace probíhala 48 hodin a odběr vzorků plynu nad zeminou byl uskutečněn v intervalu 0, 3, 6, 24 a 48 hodin. Každá varianta byla čtyřikrát opakována. Vzorky byly okamžitě analyzovány na plynovém chromatografu s FID detektorem. Obsah změn minerálního dusíku a pH během inkubace byl stanoven na začátku a na konci experimentu.

Výsledky a diskuse

Získané výsledky jednoznačně prokázaly statisticky průkazný vliv kultury na oxidaci methanu ( grafy 1 a 2). Průměrná intenzita oxidace CH4 činila 0,017 m g CH4.kg-1 za hodinu na orné půdě. Oxidace půdou travního porostu byla přibližně o jeden řád vyšší. Tyto významné rozdíly ukazují, že dlouholeté pravidelné obdělávání půd vede pravděpodobně ke snížení celkového množství biomasy a aktivity citlivých methanotropních bakterií. Naopak v půdě trvalého travního porostu, kde nejsou půdní agregáty poškozovány pravidelným obděláváním a kde dochází k obohacování půdy o organickou hmotu, probíhá rozvoj mikroorganismů. Naše výsledky nekorespondují zcela s prací Hutsch et al. (1994), kteří také zjistili přibližně řádově vyšší intenzitu oxidace CH4 travním porostem, ale pouze na půdě neutrální nebo mírně kyselé, na půdě s obdobným pH oxidace ve stejném časovém období neprobíhala. Steudler et al. (1989) dospěli k podobným závěrům, jako jsou naše, a prokázali oxidaci methanu i v kyselé půdě.

Při sledování vlivu přídavku amonné i nitrátové formy N vidíme, že oxidace se zpomalila po přídavku síranu amonného na orné půdě (graf 1), naopak ledková forma mírně urychlila oxidaci na počátku inkubace. Na půdě travního porostu byla oxidace methanu redukována již od počátku inkubace oběma formami N (graf 2). Odlišné chování obou forem N na jednotlivých půdách ukazuje na možnost působení odlišných mechanismů oxidace (Bédard a Knowles, 1989).

Aplikace odlišných forem amonných hnojiv omezila oxidaci methanu na obou půdách (graf 3 a 4). Na orné půdě byly opět změny v prvních dvou odběrech velmi malé a teprve po 24 hodinách bylo možno prokázat statisticky průkaznou inhibici oxidace. Na půdě travního porostu byla inhibice všech forem patrná již od prvního odběru, od dalšího se statisticky významně diferencoval síran amonný. Při hodnocení obou půd je patrné, že nejvyrovnanější a i nejvyšší

Graf 3 Vliv druhu amonného N hnojiva na oxidaci methanu

ornou půdou

Graf 4 Vliv druhu amonného N hnojiva na oxidaci methanu

půdou travního porostu

inhibiční efekt prokázal SA. Podobný, ale méně vyrovnaný průběh byl zjištěn i po aplikaci močoviny a nejslaběji působil přídavek čpavku. Také Hutsch (1996) neprokázala odlišný inhibiční efekt močoviny a síranu amonného na orné půdě. Odlišné působení síranu amonného a čpavkové vody bylo pravděpodobně způsobeno odlišnou hodnotou pH obou roztoků, která především v kyselé půdě travního porostu mohla být příčinou rozdílné oxidace.

Rostoucí dávka aplikovaného N ve formě močoviny ovlivnila inzenzitu oxidace CH4 na obou sledovaných půdách (graf 5 a 6). Na orné půdě byly zjištěny první rozdílné koncentrace CH4 po 24 hodinách inkubace. Nejvyšší dávka N (MO3) jako jediná omezila oxidaci CH4. Po dalších 24 hodinách inkubace se rozdíly významně zvětšily a obě vyšší dávky statisticky významně omezily oxidaci v porovnání s kontrolní variantou. Shodné výsledky se zeminou z dlouhodobě rozdílně hnojených variant stanovila i Hutsch et al. (1993). Na zemině travního porostu se změny koncentrace methanu projevily již po třech hodinách inkubace, ale průkazný rozdíl byl stanoven až po 24 hodinách. Střední a vysoká dávka prokázaly nejvyšší inhibiční efekt, nízká se průkazně lišila od kontroly i od vyšších dávek N. Tento efekt se ukázal u obou nižších dávek N jako krátkodobý a při posledním měření byl CH4 stanoven pouze v atmosféře varianty ošetřené nejvyšší dávkou N.

Z provedených experimentů vyplynul dominantní vliv kultury na oxidaci methanu. Dostatečně strukturní půda s vysokým obsahem organické hmoty nepoškozená pravidelným obděláváním oxidovala CH4 o řád rychleji než orná půda. Druh ammoného N hnojiva neovlivnil významně koncentraci CH4, i když čpavková voda měla nižší inhibiční účinek než další dvě hnojiva. Rostoucí dávka močoviny omezovala oxidaci CH4, dlouhodobější efekt byl významný u nejvyšší dávky N na travním porostu a u obou vyšších dávek na orné půdě. Odlišné chování obou sledovaných forem N bylo závislé na použité zemině.