Talaj Növény rendszer szénforgalmának vizsgálata. Mezőgazdasági eredetű CO 2 kibocsájtás csökkentésének lehetőségei

Átírás

1 Talaj Növény rendszer szénforgalmának vizsgálata Mezőgazdasági eredetű CO 2 kibocsájtás csökkentésének lehetőségei 212

2 Szerkesztették Romhány László Cecilia Bănăţeanu Hudák Ildikó Gyetvai Miklós Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma Kutatóintézetek és Tangazdaság Nyíregyházi Kutatóintézet H 44 Nyíregyháza Westsik Vilmos út 4-6. Lektorálta Dr. Vágvölgyi Sándor Felelős kiadó Prof. Dr. Pepó Péter főigazgató Készült a A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása a talaj-növény rendszer szénforgalmában tartamkísérletekben c. HURO/82/92_AF számú projekt részeként, az Európai Regionális Fejlesztési alap és a két ország társfinanszírozásával, a Magyarország-Románia Határon Átnyúló Együttműködési Program keretében. ISBN Nyomdai munka: Milrol Kft

3 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... 3 Előszó A Westsik-féle vetésforgó tartamkísérlet... 8 A vetésforgó kísérletek leírása A Livadai meszezési és trágyázási tartamkísérletek Földrajzi fekvés Éghajlat... 2 Hőmérsékleti viszonyok... 2 Csapadék Talaj A kísérlet leírása A létrehozott közös kutatóbázis Kialakításának célja, szükségessége A beszerzett eszközök, műszerek Az elvégezhető vizsgálatok köre Terepi mérések, vizsgálatok Laboratóriumi mérések, vizsgálatok A közös kutatóbázis régiós jelentősége Tápanyag-utánpótlás hatása a mitigációra Bevezetés Anyag és módszer A Nyíregyházi Kutató Intézet eredményei... 5 Nitrát-tartalom... 5 Foszfor-tartalom Kálium-tartalom A talaj kémhatása A biomassza szerves széntartalma A talaj széndioxid kibocsátása Szerves szén a talajban A Livadai Kutató Intézet eredményei... 6 A talaj savanyúsága

4 Nitrát és nitrit tartalom A talaj felvehető káliumtartalma A talaj humusztartalma Talajlégzés Összefoglalás Mikrobiális aktivitás hatása a mitigációra Bevezetés Anyag és módszer... 8 Enzimaktivitás mérések... 8 A foszfolipid zsírsav tartalom mérése A kiértékeléshez felhasznált foszfolipid zsírsavak A talajlégzés mérése Az eredmények értékelése A Nyíregyházi Kutató Intézet eredményei A Livadai Kutató Intézet eredményei Összefoglalás Szénkészlet leltár számítás a Nyíregyházi Kutató Intézetben fenntartott Westsik-féle tartamkísérletre A talaj szénkészletének számítása az IPCC módszer szerint A szervesanyag-input szerinti besorolás A szénkészlet és változása a nyíregyházi tartamkísérletben Szénkészlet leltár számítás a Livadai Kutató Intézetben fenntartott trágyázási tartamkísérletre A talaj szénkészletének számítása az IPCC módszer szerint A szervesanyag-input szerinti besorolás A szénkészlet és változása a livadai tartamkísérletben A növények adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés A fotoszintézis szerepe a bioszférában A növények adaptációs képessége A C 3 és C 4 növények A tápanyagok szerepe a fotoszintézisben Tanulmányunk célja A burgonya adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés

5 Anyag és módszer Fotoszintetikus ráta és fluoreszcencia mérések burgonyánál a különböző vetésforgókban Eredmények és következtetés Fotoszintetikus ráta A különböző fenológiai fázisban lévő burgonya levelek fotoszintetikus rátája A klorofill fluoreszcencia eredmények A rozs adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés Eredmények Vetésforgó hatása A szakaszok hatása A csillagfürt adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés Eredmények A szója adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés Anyag és módszer Eredmények Az őszi búza adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés Anyag és módszer Eredmények A kukorica adaptációs képessége a változó környezethez Bevezetés Anyag és módszer Eredmények

6 Előszó Klímaváltozás és az arra adandó válaszok: napjaink fontos kérdései a kutatás, az ipari és mezőgazdasági termelés területein. A mezőgazdaság ugyan csak kisebb mértékben (mintegy 1-12%-kal) járul hozzá az üvegházhatású gázok kibocsátásához világviszonylatban, mégis, ennek az ágazatnak is mindent meg kell tennie saját üvegházgáz-kibocsátásának csökkentése érdekében. Ehhez alaposan meg kell ismerni az adott régió termelési feltételrendszereit. Ezek egyike a talaj, az egyik legjelentősebb, megújuló természeti erőforrásunk. A talaj minősége (típusa) nagyon sokféle, de egy-egy területre jellemző. A magyar-román határ két oldalán élő gazdálkodók hasonló, de mégis helyi sajátosságokkal jellemezhető feltételrendszerek (talaj, éghajlat, mikroklíma) között tevékenykednek. Mindkét régióban egy-egy kutatóintézet (Nyíregyháza és Livada) segíti a gazdálkodókat, hogy a helyi feltételrendszerben a lehető legeredményesebben tudjanak gazdálkodni. A kutatóintézetek tevékenysége most a helyben nemesített fajták és a hozzájuk kapcsolódó agrotechnika mellett a mitigációhoz kapcsolódó kísérletekkel bővült. Ez a HURO82/92_AF pályázat keretében kialakított közös kutatóbázisra épül. A kutatóbázis segítségével lehetőség nyílik a globális szénforgalomhoz kapcsolódó talaj és növényvizsgálatok elvégzésére olyan tartamkísérletekben, melyek mindkét országban egyedülállóak, jól reprezentálják a térség jellemző gazdálkodási rendszereit, és hosszú távú hatások kimutatására alkalmasak. A pályázat keretében megtörtént a két határ menti régióra vonatkozó szénkészlet leltár számítás, az alkalmazott tápanyag-utánpótlási módszerek és a talajok mikrobiális aktivitása hatásának vizsgálata a szénforgalomra, a főbb növényfajok adaptációs képességének jellemzése, valamint az adaptációban rejlő, a CO 2 -kibocsátás csökkentését eredményező lehetőségek vizsgálata. 6

7 A projekttel elkezdődött egy új együttműködés és egy új kutatási irány, mely a jövőben a gyakorlat számára is hasznosítható, a környezet védelme szempontjából fontos eredményeket hoz, valamint új kutatási projektek alapjait teremti meg. 7

8 1. A Westsik-féle vetésforgó tartamkísérlet Henzsel István A kísérletet 1929-ben állította be Westsik Vilmos. A kísérlet beállításának célja a talaj szervesanyag-tartalma növelésének és a különböző tápanyag-utánpótlási módoknak (szalma- és istállótrágyázás, fő- és másodvetésű zöldtrágyázás) a bemutatása. Vannak műtrágyás és műtrágya nélküli kezelések. A kísérlet vetésforgó rendszerűen lett kialakítva, ahol 15 vetésforgó található (1. ábra). Ebből 14 vetésforgó hároméves, és van egy, mely négyéves. 1. ábra. A Westsik-féle vetésforgó tartamkísérlet (légi felvétel) A vetésforgók szakaszai minden évben elvetésre kerülnek. A vetésforgók mindegyikében megtalálható a rozs és a burgonya növény (2-3. ábra). E két növényen kívül több vetésforgóban vannak pillangós virágú növények is. A bükköny zabbal vetve takarmánykeveréknek, a csillagfürt pedig magtermesztés céljából, zöldtakarmánynak vagy zöldtrágyának került 8

9 be a tartamkísérletbe. A kísérlet nettó területe 12,42 ha. Egy parcella mérete 27 m ábra. Rozs, burgonya, csillagfürt (III. vetésforgó) A vetésforgó kísérletek leírása I. 1. szakasz: Parlag 2. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) 3. szakasz: Burgonya (műtrágyázás nélkül) II. 1. szakasz: Csillagfürt (zöldtrágya P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Rozs (P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Burgonya (N műtrágyázással) 9

10 III. 1. szakasz: Csillagfürt (P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Rozs (P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Burgonya (N műtrágyázással) 3. ábra. Rozs, zabosbükköny, burgonya (XI. vetésforgó) IV. 1. szakasz: Rozs (előtte szalmatrágya, N, P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Burgonya (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) V. 1. szakasz: Rozs (előtte N műtrágyával erjesztett szalmatrágya, N, P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Burgonya (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) 1

11 VI. 1. szakasz: Rozs (előtte vízzel erjesztett szalmatrágya, N, P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Burgonya (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) VII. 1. szakasz: Rozs (előtte vízzel erjesztett szalmatrágya, műtrágyázás nélkül) 2. szakasz: Burgonya (műtrágyázás nélkül) 3. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) VIII. 1. szakasz: Csillagfürt (P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással, utána másodvetésű csillagfürt zöldtrágyának) 3. szakasz: Burgonya (P, K műtrágyázással) 4. szakasz: Rozs (N műtrágyázással) IX. 1. szakasz: Édes csillagfürt szálastakarmánynak (P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Burgonya (N műtrágyázással) X. 1. szakasz: Zabosbükköny (istállótrágyázással, műtrágya nélkül) 2. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) 3. szakasz: Burgonya (műtrágyázás nélkül) XI. 1. szakasz: Zabosbükköny (istállótrágyázással és P, K műtrágyázással) 2. szakasz: Rozs (P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Burgonya (N műtrágyázással) XII. 1. szakasz: Rozs zöldtakarmánynak (P, K műtrágyázással, utána csillagfürt 11

12 zöldtrágya) 2. szakasz: Rozs (P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Burgonya (N műtrágyázással) XIII. 1. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással, utána másodvetésű csillagfürt zöldtrágya tavaszi leszántással) 2. szakasz: Burgonya (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással) XIV. 1. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással, utána másodvetésű csillagfürt zöldtrágya őszi leszántással) 2. szakasz: Burgonya (N, P, K műtrágyázással) 3. szakasz: Rozs (N, P, K műtrágyázással) XV. 1. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül, utána másodvetésű csillagfürt zöldtrágya tavaszi leszántással) 2. szakasz: Burgonya (műtrágyázás nélkül) 3. szakasz: Rozs (műtrágyázás nélkül) Az I. vetésforgó kontrollnak tekinthető, ugyanis sem szerves, sem műtrágyázásban nem részesül. Az első évben a területet parlagon hagyjuk. A gyomnövényeket a virágzás előtt a talajba dolgozzuk. A parlag szakaszt követően rozs, majd burgonya termesztése történik. A II. és III. jelű vetésforgók modellezik a fővetésű csillagfürt zöld- és gyökértrágyás kezeléseket, ahol a szerves anyag utánpótlás a hároméves vetésforgó első évében fővetésű csillagfürt termesztésével történik. A II. vetésforgóban a csillagfürtöt zöldhüvelyes állapotban szántjuk le. A III. vetésforgóban betakarítjuk a csillagfürt magtermését. Ez a vetésforgó gyökértrágyás vetésforgónak lett elnevezve, mert a csillagfürt kedvező szén/nitrogén arányú, könnyen lebomló szár- és gyökérmaradványt hagy hátra, melynek 12

13 hatása hasonló, mint egy kisebb adagú istállótrágyának. A második évben rozs kerül, a harmadik évben burgonyát ültetünk. Ezután következnek a szalmatrágyás kezelések. A szalmatrágyát az első évben a rozs vetése előtt juttatjuk ki. A második évben burgonya következik, majd ismét rozs, de ez nem kap szalmatrágyát. A IV. vetésforgó trágyázása nyersszalmával (3,5 t/ha) történik. Az V. vetésforgóban nitrogén műtrágyával erjesztett szalmatrágyát (11,3 t/ha), a VI. és VII. vetésforgóban műtrágya nélkül, vízzel erjesztett szalmatrágyát (26,1 t/ha) juttatunk ki. A IV., V. és VI. vetésforgó a szalmatrágyán kívül kap műtrágyát is, a VII. vetésforgó a vízzel erjesztett szalmatrágyán kívül más tápanyagot nem kap. A VIII. az egyetlen négyszakaszos vetésforgó. Az első évben fővetésben van csillagfürt magnak, ezután rozs kerül. A rozs betakarítása után csillagfürtöt vetünk zöldtrágyának, vagyis ebben a vetésforgóban kétszer található meg a csillagfürt. A harmadik évben burgonyát ültetünk és a negyedik évben rozsot vetünk. A IX. vetésforgóban csillagfürt zöldtakarmány-termesztés folyik. A csillagfürtöt virágzástól kaszálhatjuk takarmányozás céljára. Ezután rozs, majd burgonya következik. A X. és a XI. vetésforgóban az istállótrágyázás hatását tanulmányozhatjuk. Itt háromévente 26,1 t/ha istállótrágyát juttatunk ki. A két kezelés között a különbség az, hogy az utóbbi műtrágya kiegészítésben is részesül. A második évben rozs vetésére kerül sor, majd burgonyát ültetünk. A XII. vetésforgó az őszi vetésű takarmánynövény termesztést modellezi. Az első évben rozs található, melyet május elejéig lehet kaszálni takarmányozás céljából. Ezt követően csillagfürt kerül elvetésre zöldtrágyának. Ebben a vetésforgóban a csillagfürt korábban van vetve, mint a többi másodvetésű zöldtrágyás vetésforgóban. A második évben rozs kerül elvetésre magtermesztés céljából, a harmadik évben burgonyát ültetünk. A XIII., XIV. és XV. jelzésű vetésforgók a másodvetésű csillagfürt zöldtrágya hatásának tanulmányozására lettek beállítva. Közöttük a különbség a zöldtrágya leszántás idejében, illetve a műtrágyázásban van. A XIII. vetésforgóban a másodvetésű csillagfürt leszántása tavasszal történik. A XIV. jelzésű vetésforgóban a másodvetésű csillagfürt leszántása ősszel valósul meg. A 13

14 XV. vetésforgó műtrágyázásban nem részesül. Mindhárom vetésforgóban második évben burgonya van ültetve, a harmadik évben rozs található, zöldtrágya nélkül. 1. táblázat. A Westsik-féle vetésforgó kísérlet műtrágya adagjai (kg/ha) Vetésforgó 1. szakasz 2. szakasz 3. szakasz 4. szakasz N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV A Westsik-féle vetésforgók közül négyben egyik szakaszban sem juttatunk ki semmilyen műtrágyát: I., VII., X., XV. (1. táblázat). A műtrágyázott vetésforgók mindegyike a 3 illetve 4 (VIII.) év alatt összesen 94 kg/ha P 2 O 5 és 84 kg/ha K 2 O hatóanyag műtrágyát kap. A nitrogén műtrágya dózisokban különbségek vannak a vetésforgók között. Kevesebbet kap a II., III., XI. és XII. vetésforgó kísérlet, ezek 43 kg/ha/3év hatóanyag N-t kapnak. Több nitrogént juttatunk ki a VIII., IX., XIII. és XIV. vetésforgóra: 86 kg/ha/3 ill. 4 év. A vetésforgók közül a legnagyobb 14

15 mennyiségű nitrogént kapják a szalmatrágyás vetésforgók, ezek a IV., V. és VI. vetésforgók, melyek 18 kg/ha/3év hatóanyag N műtrágyázásban részesülnek. A vetésforgók talaja laza homoktalaj. A talaj mechanikai összetételét tekintve durvahomok (,25-1, mm) 15,2%, közepes homok (,5-,25 mm) 72,44%, finomhomok (,2-,5 mm) 1,66%. Az iszap frakció (,1-,2 mm) aránya 2,21%, az agyagfrakcióé (,2 mm-nél kisebb) 8,66% (4. ábra).,72%,72%,7%,7%,79%,79% 1,66% 1,66% 8,66% 8,66% 72,44% 72,44% 15,2% 15,2% Durva homok Durva homok (,25-1, mm) Közepes (,25-1, homok mm) Közepes homok (,5-,25 mm) Finom (,5-,25 homok mm) Finom homok (,2-,5) Iszap (,2-,5) (,1-,2 Iszap (,1-,2 mm) Iszap mm) (,5- Iszap (,5-,1 mm) Iszap,1 (,2- mm) Iszap (,2-,5 mm) Agyag,5 (-,2 mm) Agyag (-,2 mm) mm) 4. ábra. A vetésforgók talajának mechanikai összetétele A projekt vizsgálataihoz azokat a kezeléseket választottuk ki, melyek összehasonlíthatók a román tartamkísérletben vizsgált kezelésekkel. A kiválasztott kezelésekben tanulmányozni tudjuk az istállótrágya és a szerves anyaghozzáadásával vagy anélkül alkalmazott műtrágya hatását a határ menti régió két különböző talajtípusán. Ennek megfelelően a projektben a következő vetésforgókat vizsgáljuk: I. trágyázás nélküli, III. műtrágyázott, szerves trágyázás nélküli, VI. és VII. szalmatrágyás, X. és XI. istállótrágyás, 15

16 valamint a XIII., XIV. és XV. másodvetésű zöldtrágyás vetésforgók. Ajánlott irodalom Henzsel, I. (27): A Westsik vetésforgó tartamkísérlet napjainkban. In: 8. évi jubileumi kiadvány. Szerk. Iszályné T. J., Debreceni Egyetem Agrár- és Műszaki Tudományok Centruma Kutató Központ, Nyíregyháza, p. Henzsel, I. (28): A klímaváltozás hatása a rozstermésre. In: A klímaváltozás és a növénynemesítés. Szerk. Iszályné T. J., Debreceni Egyetem Agrár- és Műszaki Tudományok Centruma Kutató Központ, Nyíregyháza, p. ISBN Henzsel, I. (21): Alternatív növények alternatív trágyázási lehetőségei. In: Az alternatív növények szerepe az Észak-alföldi Régióban. Szerk. Gondola, I. Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma Kutatóintézetek és Tangazdaság Nyíregyházi Kutatóintézet, Nyíregyháza, p. ISBN Henzsel, I. Györgyi Gy.-né (21): Környezetkímélő trágyázási módok egy tartamkísérlet eredményei alapján. In: Az Élhető Vidékért 21 Környezetgazdálkodási Konferencia. Szerk. Kovács, Gyula Gelencsér, Géza Centeri Csaba. Koppányvölgyi Vidékfejlesztési Közhasznú Egyesület, Törökkoppány p. ISBN Henzsel, I. (212): Növénytermesztés nyírségi homoktalajon a Westsikféle vetésforgó tartamkísérlet eredményei alapján. In: 85 éve a nyírségi növénynemesítés és növénytermesztés szolgálatában. Szerk. Romhány László. Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma Kutató Intézetek és Tangazdaság Nyíregyházi Kutató Intézet, Nyíregyháza p. ISBN

17 Lazanyi, J. (1994): Homokjavító vetésforgókkal végzett kísérletek eredményei. DATE Kutató Központ, Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1995): Alternatív tápanyaggazdálkodás a Westsik vetésforgó-kísérlet tapasztalatai alapján. Agrokémia és Talajtan, Lazanyi, J. (1995): Results of Sustainable Production in Westsik s Crop Rotation Experiment. Communication of the Scientific Body of the Hungarian Academy of Sciences. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1996): Results of Westsik s crop rotation experiment for sustainbale agriculture. Hungarian Agricultural Research, Lazanyi, J. (1997): Homoki gazdálkodás a Westsik-féle vetésforgó kísérlet tükrében. Homoktalajok hasznosításának időszerű kérdései a hazai homok-kutatások tükrében. Kecskemét, Lazanyi, J. (1998): Principles of Sustainable Agriculture in Nyírség Region. Lazanyi, J., (ed) Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1999): Nutrient management in Westsik s crop rotation experiment. Tiszántúli Mezőgazdasági Tudományos Napok, Debrecen, Lazanyi, J. (1999): Westsik s crop rotation experiment. In: Lazanyi, J.- Dobranszki, J. (ed.) Agricultural Research in Nyírség Region. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1999): Principles of sustainable agriculture in Nyírség region. In: Lazanyi, J.-Dobranszki, J. (ed.) Agricultural Research in Nyírség Region. Nyíregyháza, Lazányi, J. Loch, J. Henzsel, I. (26): A tápanyag-gazdálkodás fenntartható rendszere a Westsik vetésforgó kísérlet tapasztalatai alapján. In: A tápanyag-gazdálkodást segítő talajvizsgálati módszerek alkalmazása a Nyírség homoktalajain. Szerk. Loch J. Lazányi J., Westsik Vilmos Nyírségi Tájfejlesztési Alapítvány, Nyíregyháza, p. 17

18 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Márton, Á. (1969): Különböző adagú és arányú nitrogén műtrágyák hatásának vizsgálata nyírségi homoktalajon. Agrokémia és Talajtan. 18. köt. 2. sz p. Márton, Á. (1984): Gyengén savanyú homoktalaj termékenységének növelése tarlón visszamaradt szalmatrágyával. Agrokémia és Talajtan. 33. No p. Márton, Á. Hadházy, Á. (1993): A trágyázási módok hatása a rozs termésére a Westsik-féle vetésforgó kísérletben. Országos Gabonatermesztési Tanácskozás Budapest, szept Kalászos Gabonafélék termesztése. II. Technológia p. Westsik, V. (1931): Homokjavító vetésforgók! Nyírvidék. 52. évf. 26. sz. 9. Westsik, V. (1936): Szalmatrágyázás jelentősége homokon. Mezőgazdaság. 13. évf. 9. sz Westsik, V. (1937): Pillangósvirágú takarmányok jelentősége laza homokon. Hangya. 28. évf. 25. sz Westsik, V. (196): Az istálló- és zöldtrágya tudományos jellegű megvilágításban. Magyar Mezőgazdaság. 15. évf. 3. sz Westsik, V. (1962): A szerves és ásványi trágyázás összehangolása. Magyar Mezőgazdaság. 17. évf. 2. sz. 9. Westsik, V. (1965): Vetésforgó kísérletek homoktalajon. Akadémia Kiadó, Budapest. 18

19 2. A Livadai meszezési és trágyázási tartamkísérletek Kurtinecz Pál, Cecilia Bănăteanu, Papp Anita, Smit Gergely Az 1962 ben alapított Livadai Kutatóintézet fő célja az agyagbemosódásos és savanyú kémhatású talajok termőképességének javítása volt. Ezeken a talajokon a főbb talajdegradációs folyamatok a következők: elsavanyodás, a pangóviz, a humusztartalom csökkenése, amelyek együttesen talajmikrobiológiai degradációhoz vezettek (Asvadurov és Boeriu, 1983). Ezek a kedvezőtlen folyamatok veszélyeztetik a talaj funkcióit, amelynek különleges ökológiai relevanciája van. A felsorolt körülmények döntően hozzájárultak a kutatóintézet létrehozásától kezdődően a tartamkísérletek elhelyezéséhez, amelyek a jelenlegi ismereteink szerint a legmegfelelőbbek azon növekedési tényezők javításához, amelyek hátrányosan befolyásolják a nyereséges növénytermesztést. Jelenlegi agrokémiai ismereteink túlnyomóreszt a tartamkísérletekből származnak (Carlgren és Mattson, 21; Korschens, 1994; Korschens et al., 22; Merbach és Deubel, 27). Földrajzi fekvés A Livadai Tartamkísérletek a Szamosháton vannak elhelyezve, ami egy folyó menti síkság, tengerszint feletti magassága m közötti. Az alföld általános fekvése délkelet-északnyugat irányú. Az alapkőzet predominánsan szedimentáris eredetű. 19

20 Éghajlat Köppen szerint Erdély északnyugati részét besorolhatjuk a Cfbx éghajlati régióba, amelyet egy mérsékelt kontinentális éghajlat jellemez. A légköri áramlásokat, amelyek általában kihatással vannak az időjárásra, a következők befolyásolják: Azori-szigetek szubtropikus anticiklon, Izlandi ciklon, Grönlandi anticiklon, Földközi tenger körüli ciklonok és az északafrikai légtömegek (Asvadurov és Boeriu, 1983). Hőmérsékleti viszonyok A Sárközújlaki Kutatóintézetben az utóbbi 5 évben mért sokévi átlaghőmérséklet 9,7 C (1. ábra). Elemezve a sokévi havi átlaghőmérsékletek változását, megállapíthatjuk, hogy a leghidegebb hónap a január és a legmelegebb a július. 1. ábra. Havi átlaghőmérséklet, C (Livada, Románia) 2

21 Csapadék A vizsgált időszakban ( ) Sárközújlakon a csapadék éves átlaga az 5 éves megfigyelések alapján eléri a 742,2 mm-t, amely egyenetlen és szeszélyes eloszlásban hullik a vegetációs időszakban (2. ábra). A bemutatott adatok azt igazolják, hogy a legnagyobb mennyiségű csapadék júniusban hullik (92,9 mm), amit augusztus (78,8 mm) és szeptember (62 mm) követ. Az év legaszályosabb időszaka a tél, itt is a február hónap 4,3 mm csapadékkal. Az áprilisi és májusi csapadékmennyiség a legértékesebb a tavaszi mezőgazdasági munkálatok elvégzése szempontjából. A hosszantartó borús idő lehűléssel és túl nagy mennyiségű csapadékkal járhat, ez nagyon legyengíti a növényeket és hátrányosan befolyásolja ezek növekedését és fejlődését. 2. ábra. Havi csapadékátlag, mm (Livada, Románia) 21

22 Talaj HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 A tartamkísérletek a tájegységünkre jellemző két talajtípuson, barna erdőtalajon és agyagbemosódásos podzolon vannak elhelyezve. A barna erdőtalaj üledékes kőzeteken képződött, a talajvíz 4 6 méteres mélységben található, a felső művelt réteg humuszellátottsága és foszfortartalma alacsony, a kálium közepes mennyiségben van jelen, kémhatása enyhén savanyú (1. táblázat, 3. ábra). Ezen a típusú talajon a fő terméskorlátozó tényező a talaj savanyú kémhatása, valamint alacsony humuszellátottsága. Az agyagbemosódásos podzolt agrokémiai szempontból vizsgálva megállapíthatjuk, hogy a felső réteg humusz- és kálium-tartalma alacsony és közepes mennyiségű foszfort tartalmaz és erősen savanyú kémhatású (2. táblázat). A savanyú kémhatás, valamint az alacsony humusz és kálium ellátottság, illetve a talaj nem megfelelő vízháztartása komolyan korlátozza a növények termesztését. A kísérlet leírása A meszezési és trágyázási tartamkísérletek 1961-ben lettek beállítva, kéttényezős split-plot elhelyezésben, 5 ismétléssel (3. táblázat). Eredetileg a meszezés tényezőnek (A) három fokozata volt:, 5 és 1 t/ha mészkőpor az agyagbemosódásos podzolon és, 2,5 és 5 t/ha mészkőpor a barna erdőtalajon. Az ismétlések hosszanti három részre osztása lehetőséget nyújtott a meszezés tényező adag és időbeli fokozására, ismétlésére, azaz többszöri alkalmazására, amely hűen tükrözi a gyakorlatban található feltételeket. 22

23 Ö s s z p o r o z i t á s ( % v / v ) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása táblázat. A barna erdőtalaj fizikai és kémiai tulajdonságai (Livada, Románia) 1, 1 4 1, 4 6 1, 5 1, 5 4 1, 5 9 1, 6 1, 6 1 1, 5 9 Talajszint Ap E1 EB Bt1 Bt2 Bt3 Bt3 Bt3 Mélység (cm) Agyag (,2 mm) % 21, 2,4 25,1 39, 36, 33,7 33,7 27,8 Sűrűség (g/cm³) Levegőztetést biztositó porozitás (% v/v) Behatolási elleállás (N/cm²) Higroszkopikus együttható (H2O % m/m) 4,2 3,9 5,4 9,7 8,7 8,2 8,1 7,2 Szántóföldi vízkapacitás (%) 27,4 24,3 21,4 22,2 22,7 22,1 22, 22, A talaj nedvességtartalma (%) 21,1 18,5 13,3 7,7 9,7 9,8 9,8 1,8 Vízvezető képesség (cm/s) Mélység (cm) Humusz (%) 1,41,73,46, Összes N (%),16,12, C huminsav/c fulvosav,5,6, ph H2O 5,19 5,31 5,56 5,7 5,92 6,4 ph KCl 4,17 4,3 4,42 4,5 4,67 4,7 AL-P2O5 (mg/kg) AL-K2O (mg/kg) Kicserélhető Al (meé/1mg) 1,97 1,4 1,1,7,48,22 Kicserélhető kationok (meé/1mg) Ca ++ 4,17 4,78 9,37 1,63 1,64 9,25 Mg ++ 1,68 1,7 4,23 5,11 4,3 4,43 K +,56,55,53,58,48,4 Na +,8,6,11,17,19,18 H + 5,37 5,5 4,15 3,67 2,83 2,63 T-érték (meé/1 g) 11,86 12,14 18,39 2,16 18,44 16,89 Kicserélhető kationok (T%) Ca ++ 35,1 39,4 5,9 52,7 57,7 54,8 Mg ++ 14,2 14, 23, 25,3 23,3 26,2 K + 4,7 4,5 2,9 2,9 2,6 2,4 Na +,7,5,6,8 1, 1,1 V-érték (%) 54,7 58,4 77,4 81,7 84,6 84,5 23

24 Ö s s z p o r o z i t á s ( % v / v ) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása táblázat. Az agyagbemosódásos podzol fizikai és kémiai tulajdonságai (Livada, Románia),,,,,, Talajszint Ap Ea BEw Bt1w Bt2 Bt3 Mélység (cm) Agyag (,2 mm) % 19, 2,7 32,6 29,8 23,8 2, Sűrűség (g/cm³) Levegőztetést biztositó porozitás (% v/v) Higroszkopikus együttható (H2O % m/m) 3,4 4,1 6, 6, 5,8 5,8 Szántóföldi vízkapacitás (%) 24,6 2,4 23,4 23,4 23,7 23,7 A talaj nedvességtartalma (%) 19,1 14,2 14,4 14,4 15, 15, Humusz (%) 1,86,55,4,3 - - Összes N (%),24,17, C huminsav/c fulvosav,45,65, ph H2O 4,8 5,6 5,71 6,28 6,84 7,3 ph KCl 3,95 4,8 4,3 5,8 5,74 5,92 AL-P2O5 (mg/kg) AL-K2O (mg/kg) Kicserélhető Al (meé/1mg) 3,28 2,68 1,57,2 - - Kicserélhető kationok (meé/1mg) Ca ++ 2,82 3,26 7,68 12,6 12,6 12,45 Mg ++,88 1,15 3,97 4,51 5,52 4,56 K +,27,24,45,52,44,4 Na +,6,7,37,58,58,52 H + 7,2 6,16 5,17 2,8 1,6 1,5 T-érték (meé/1 g) 11,5 1,83 17,64 21,1 2,74 19,43 Kicserélhető kationok (T%) Ca ++ 25,5 3, 43,5 6, 6,7 64,1 Mg ++ 8, 1,6 22,5 21,5 26,6 23,5 K + 2,4 2,2 2,5 2,5 2,1 2, Na +,5,6 2,1 2,7 2,8 2,7 V-érték (%) 36,6 43,4 7,6 86,7 92,2 92,3 24

25 3. táblázat. A Livadai Tartamkísérletek tényezői 25

26 3. ábra. Barna erdőtalaj talajszelvénye (Livada, Románia) A trágyázás tényező tipikus hiánykísérleti (Mangelversuch) megközelítés, amely érvényes volt a kísérlet elhelyezése időszakában (3. táblázat). Sajnos, világviszonylatban kevés tartamkísérlet van, amelyben a meszezés tényező fokozatokkal rendelkezik (Körschens, 1997; Kádár, 1998; Csathó, 211). A trágyázás 1983-ig ammónium-nitráttal, szuperfoszfáttal, kálisóval és istállótrágyával történt, ettől kezdve tripleszuperfoszfát volt alkalmazva. 26

27 Az 5Px5N típusú trágyázási kísérletek 1967-ben lettek beállítva split-splot elhelyezésben, 5 ismétlésben. Ezekben a kísérletekben a foszforadagok ugyanazok voltak minden növénynél, a nitrogénadagok pedig növény szerint különböztek. Felhasznált irodalom Asvadurov, H., Boeriu, I. (1983): Solurile județului Satu Mare. Red. de propag. teh. agricolă.p 28-39; ; Carlgren, K., Mattsson, L. (21): Swedish soil fertility experiments. Acta Agric. Scand., Sect. B, Soil and Plant Sci., p Csathó P. (21): Összefüggés a talajsavanyúság mértéke és a mészhatások között a hazai szabadföldi kísérletek adatbázisán, A mészformák és a talajtulajdonságok szerepe a mészhatások megjelenésében. Agrokémia és Talajtan, 1-2, Kádár, I. (1998): Savanyú talajok meszezésének szükségessége teljeskörű állami támogatással. In: Talajsavanyodási helyzetkép és megoldások. Pannon Agrártudományi Egyetem Mosonmagyaróvár. p Körschens, M. (1994): Der Statische Dungungsversuch Bad Lauchstadt Nach 9 Jahren, B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart. Leipzig,p Körschens, M. (1997): The most important long-term field experiments of the world-overview-importance-results. Archivea of Agronomy and Soil Science, Harward Academic Publishers, p Körschens, M. et al. (22): 1 Jahre Statischer Dungungsversuch Bad Lauchstadt, Herausgegeben analasslich des Internationalen Symposiums vom5.bis 7., p. 54. Merbach, W., Deubel, A. (27): The long term fertilization trials in Halle (Saale)- A Survey, Martin Luther Universitat Halle-Wittenberg, Halle, Saale, p. 24, 3,

28 3. A létrehozott közös kutatóbázis Makádi Marianna, Demeter Ibolya, Dobránszki Judit, Cecilia Bănăteanu, Kurtinecz Pál Kialakításának célja, szükségessége A projekt keretében létrehozott kutatóbázis a Debreceni Egyetem AGTC KIT Nyíregyházi Kutató Intézetében kapott helyet, a már működő talajbiológiai laboratórium mellett, illetve azzal szorosan együttműködve. A kutatóbázis létrehozásával célunk a régióban végzett talajmikrobiológiai és növénytani kutatások magasabb technikai színvonalának biztosítása volt, hozzájárulva a mezőgazdaság által kibocsátott káros CO 2 emisszió csökkentési lehetőségeinek kutatásához. Ezzel lehetővé válik a térség agrárgazdasági értékeinek megőrzése és a régióban dolgozó kutatásfejlesztéssel foglalkozó szakemberek munkájához szükséges technikai háttér biztosítása. A kialakított kutatóbázisra, valamint a projektben részt vevő két kutatóintézet tartamkísérleteire és egyéb kutatási programjaira alapozva olyan alapkutatások indíthatók, melyek a tápanyag-utánpótlási módszerek szénforgalmat előtérbe helyező elemzésével hozzájárulnak a talaj szerves anyag tartalma csökkenésének megállítását eredményező agrotechnikák kidolgozásához a CO 2 légkörbe jutó mennyiségének csökkentésével, illetve a talajban tárolt szén növelésével. A térségben jelentős vidéki területek függnek a mezőgazdaságtól, mely a jelenlegi formájában nem kínál biztos megélhetést. A kialakított kutatóbázis lehetővé teszi a környezetvédelmi szempontokat is előtérbe helyező agrotechnikai módszerek folyamatos fejlesztését a határ mindkét oldalán. A későbbiekben a K+F központ továbbfejleszthető. Az eredmények a mezőgazdaság versenyképességét növelő és klímasérülékenységét csökkentő innovációkat generálhatnak, 28

29 hozzájárulva ahhoz, hogy a két ország a Kiotói Jegyzőkönyvvel kapcsolatos vállalásait teljesítse. A fejlesztés lehetővé teszi a graduális és posztgraduális képzésekben részt vevő hallgatók korszerű gyakorlati és elméleti képzését. A beszerzett eszközök, műszerek A beszerzett eszközök és műszerek alkalmasak 1. talaj és növényminták összetételének elemzésére, a mérésekhez szükséges mintaelőkészítések elvégzésére, 2. növényi fotoszintézis és fluoreszcencia, valamint a talajlégzés intenzitásának mérésére, 3. talajmikrobák vizsgálatára, 4. mintavételi és mérési pontok rögzítésére, 5. adatrögzítésre és adatértékelésre, 6. kisparcellás kísérletekben a vetés és betakarítás korrekt kivitelezésére. A műszereket és eszközöket európai uniós közbeszerzési eljárás keretében vásároltuk meg. Az elvégezhető vizsgálatok köre A beszerzett műszerekkel és eszközökkel új, korszerű laboratóriumi és terepi vizsgálatok és mérések végezhetők el, melyek segítségével az eredmények nemzetközi lapokban is publikálhatók, alkalmasak szakdolgozatok/diplomamunkák, PhD dolgozatok elkészítésére, valamint olyan alapkutatási eredményekhez segítik hozzá a kutatóintézeteket, melyek továbbfejlesztve a gyakorlat számára is hasznosíthatók. Terepi mérések, vizsgálatok A talajlégzés mérésére alkalmas hordozható készülék (1. ábra) segítségével a mezőgazdaság CO 2 kibocsátásának egy jelentős tényezőjét 29

30 jelentő talajlégzés intenzitásának mérése végezhető in situ, a talaj szerkezetének bolygatása nélkül. A magyar partner LCi-SD típusú készüléket (1.a ábra), a román partner LCpro-SD típusú készüléket (1.b ábra) szerzett be. a) b) 1. ábra. Hordozható CO 2 -mérő készülék a) LCi-SD típusú készülék b) LCpro-SD típusú készülék 3

31 A román partner a fotoszintézis intenzitásának méréséhez is ezt a készüléket használja, a mérőfej cseréjével. Szintén hordozható készülékkel végezhető a kísérleti parcellák tesztnövényei fiziológiai állapotának vizsgálata a felépítő folyamatok (fotoszintézis) intenzitásának mérésén, valamint a fotoszintetikus pigmentek aktivitásának mérésén (fluoreszcencia) keresztül (2. ábra). a) b) 2. ábra. Hordozható fotoszintetikus aktivitás mérő készülék a) LCpro-SD típusú készülék, valamint a hozzá csatlakoztatható klorofillfluoreszcencia-mérő készülék b) a román partner készüléke széleslevél kamrával 31

32 Mivel a fotoszintézis során a növények szenet építenek be saját szerves anyagaikba, ezért a fotoszintézis intenzitása a szénforgalom egyik fontos tényezője. A globális szénforgalom fontos részét képezik a növények. A kísérleti parcellák tesztnövényeinek elvetéséhez a román fél egy parcellavetőgépet (3.a ábra), a betakarításhoz mindkét fél 1-1 parcellakombájnt (3.b-c ábra) szerzett be. a) b) c) 3. ábra. Parcellavetőgép és parcellakombájnok a) Wintersteiger típusú parcellavetőgép (román partner). b) Zürn 13 SE típusú parcellakombájn (magyar partner). c) Wintersteiger típusú parcellakombájn (román partner). 32

33 Laboratóriumi mérések, vizsgálatok A laboratóriumi mérések a talajmikrobák és a talajban tárolt szerves és szervetlen szén vizsgálatára irányulnak. A talajok termékenysége szorosan összefügg a talaj mikrobaközösségének összetételével és tevékenységével, valamint a szervesanyag-tartalommal. A foszfolipid-zsírsavak mérésével (PLFA) megvalósítható a talajmikrobák közösségi szintű minőségi és mennyiségi vizsgálata. Segítségével információt kapunk a gombák és baktériumok arányáról, az egyes baktériumcsoportok (pl. Gram+, Gram-, actinomyceták) mennyiségéről. A foszfolipid-zsírsavak meghatározásának előnye, hogy csak az élő mikrobákat vizsgáljuk vele, mert a sejt elhalása után a zsírsavmolekulák gyorsan elbomlanak. A foszfolipid-zsírsavak kémiai vizsgálatához egy többlépcsős analitikai kémiai preparálás tartozik, majd az előkészített minták foszfolipid-zsírsavai GC-MS készülékkel mérhetők le. A foszfolipid zsírsavak preparálásához az alábbi készülékeket szereztük be: a) Büchi R-215 rotációs vákuumbepárló (4. ábra), mely a mintaelőkészítés során a vizsgálandó anyag koncentrálására, a szerves oldószer eltávolítására alkalmas. A környezet védelme érdekében a készülékhez egy recirkulációs vízhűtőt is vásároltunk, így az elpárolgó szerves oldószer visszahűtéséhez mindössze 6-8 liter desztillált vízre van szükség, nem kell folyamatosan az ivóvizet használni. b) Az EBA 21 típusú laboratóriumi centrifuga (5. ábra) a mintaelőkészítés során az egyes fázisok elválasztására alkalmas. c) A nitrogénáramú bepárló (OA-SYS/Ne-VAP 585) az oldószer elpárologtatásához, a minták töményítéséhez szükséges (6. ábra). Kis mennyiségű minták precíz bepárlására alkalmas készülék. 33

34 4. ábra. Büchi R-215 rotációs vákuumbepárló, recirkulációs vízhűtővel 5. ábra. EBA 21 típusú laboratóriumi centrifuga 34

35 6. ábra. OA-SYS/Ne-VAP 585 típusú nitrogénáramú bepárló d) A Macherey-Nagel gyártmányú vákuumkád (7. ábra) a mintaelőkészítés során a szilárd fázisú extrakcióhoz szükséges. 7. ábra. Macherey-Nagel vákuumkád, SPE oszlopokkal 35

36 e) Az előkészítés során a vizsgálni kívánt komponensek rázatással történő oldószeres kinyerése Unimax 21S típusú rázógéppel végezhető el (8. ábra). A készülék biztosítja a minták folyamatos, megfelelő erősségű keverését a szükséges fordulatszám beállításával. 8. ábra. Unimax 21S típusú rázógép A talajmikrobák vizsgálatára alkalmas kutatómikroszkóp (9. ábra) a sejtek megfigyelését és pontos dokumentációját teszi lehetővé, mivel a mikroszkóp egy CCD kamerán keresztül számítógéppel van összekötve. A mikrobiológiai minták előkészítése a Kojair Silver Line SL-17 típusú steril boxban, csíramentes körülmények között történik. A táptalajok előkészítéséhez a Steragar pbi 16 literes űrtaltalmú, táptalajadagolóval ellátott autoklávot használjuk, mely a steril táptalajok kiöntés közbeni fertőződésének lehetőségét csökkenti azáltal, hogy a táptalajadagoló pumpa előzetesen sterilizált csövét közvetlenül a boxba vezetjük be.(1. ábra). 36

37 9. ábra. Nikon Eclipse 8i kutatómikroszkóp Az elemanalizátorral (11. ábra) a talaj és a tesztnövények összes szén, nitrogén és kéntartalmának mérése végezhető el roncsolás nélkül, a mintákat magas (114 o C-ot is elérő) hőmérsékleten elégetve. A gép dokumentációs rendszere és a mérések pontossága megfelel a minőségbiztosítási szabványoknak is. Az L24/11 B18 típusú Nabertherm gyártmányú izzítókemence (12. ábra) a szervesanyag-tartalom meghatározásához szükséges. 37

38 1. ábra. Kojair Silver Line SL-17 típusú steril boksz és Steragar 16 Lt típusú, táptalajadagolóval ellátott autokláv 11. ábra. variomax CNS készülék 38

39 12. ábra. L24/11 B18 Nabertherm izzítókemence A vizsgálatok alapját a pontosan kivitelezett mintavétel jelenti. Ennek biztosítására szereztük be az Ejkelkamp talajmintavevő készletet (13. ábra), a mintavételi pontok rögzítéséhez, a mintavételek különböző időpontokban, azonos mintavételi helyen történő elvégzéséhez pedig a TRIMBLE NOMAD 9G típusú GPS készüléket (14. ábra). Az adatok rögzítése, tárolása és feldolgozása magyar részről 2 db DELL NB Latitude E552 15,6'' laptop (15. ábra) segítségével történik. A román partner 2 db LENOVO E 57 laptopot szerzett be (16. ábra). A laptopokkal lehetővé válik a terepi műszerekről az adatok mintavételi pontoknál történő letöltése, azonnali kezelése. 39

40 13. ábra. Ejkelkamp talajmintavevő készlet 14. ábra. TRIMBLE NOMAD 9G típusú GPS készülék 4

41 15. ábra. DELL NB Latitude E ábra. LENOVO E57 15,6'' laptop 41

42 Ezek az új vizsgálati lehetőségek kiegészítve a talajbiológiai laboratóriumban korábban végzett enzimaktivitás vizsgálatokat és lemezöntéses mikrobavizsgálatokat jelentős előrelépést és korszerű információkat jelentenek a talajtermékenység vizsgálatában. A közös kutatóbázis régiós jelentősége A román-magyar határmenti régióban jelenleg nincs másik ilyen színvonalon felszerelt talajbiológiai laboratórium. Jelentősége elsősorban a kutatás és oktatás területén van. A régió talajtani kutatásának szerves részét kell képezzék a talajmikrobiológiai vizsgálatok. Ezek eredményei beépíthetők új agrotechnikai módszerekbe, de felhasználhatók a hulladékok mezőgazdasági hasznosítását vizsgáló kísérleteknél is. Az új vizsgálati módszerek bevezetésével a publikációs tevékenység színvonala is növelhető, valamint lehetővé válik nemzetközi kutatási projektekhez való csatlakozás. A jövő agrárszakembereinek ismerniük kell az alapvető talajbiológiai folyamatokat, azok vizsgálati lehetőségeit, hogy a gazdálkodás során felmerülő technológiai-agrotechnikai problémákat szakszerűen tudják kezelni. Így a laboratórium részt kíván venni a régió agrárképzésében is. Emellett az általános és középiskolai korosztály környezetvédelmi nevelésébe is bekapcsolódhat a laboratórium a tanulók talajjal kapcsolatos ismereteinek bővítésével, de a tanulóknak lehetőségük nyílik egyes egyszerűbb laboratóriumi műveletek személyes elvégzésére is, kiegészítve azokkal a tanórai ismereteket. A kutatóbázis gazdasági jelentősége a két intézet helyi gazdálkodókkal fenntartott szoros kapcsolatán keresztül valósítható meg: a növényfajtákhoz kapcsolódó agrotechnikai módszerek átadásakor lehetőség van az új talajtani eredmények bevezetésére, gyakorlati hasznosítására ( (17. ábra). 42

43 A kutatóintézetek dolgozói megismerték az eszközök használatát, így lehetővé válik azok felhasználása saját kutatási területükön is. 17. ábra. Projekt honlapja hasznos információforrás az érdeklődők számára 43

44 4. Tápanyag-utánpótlás hatása a mitigációra Henzsel István, Aranyos Tibor, Tomócsik Attila, Papp Anita, Smit Gergely, Cecilia Bănăteanu, Kurtinecz Pál Bevezetés A napenergia egy részét a Föld visszasugározza. Ezek egy részének a légkörből történő távozását az üvegházhatású gázok megakadályozzák és visszaverik ismét a Föld felé. Ez a folyamat hosszú távon felmelegedést okoz, amely globális méretű. Az utóbbi két évszázadban a szén-dioxid- (CO 2 ) koncentráció jelentős mértékben növekedett az emberi tevékenységnek köszönhetően, így jelentős mértékben növelve a Föld átlaghőmérsékletét. Az üvegházhatású gázok mintegy 2 %-a származik a mezőgazdaságból: az antropogén eredetű metán 5-75 %-a és a szén-dioxid 5 %-a. A biomassza elégetése, az erdőirtások, a helytelen földhasználat további 14 %-kal járul hozzá a kibocsátáshoz (Gyuricza et al., 22). 197 és 199 között a közvetlenül mezőgazdasági eredetű CO 2 kibocsátás 27 %- kal nőtt (ICPP, 27). A klímaváltozás miatt a mezőgazdaságban is csökkenteni kell a CO 2 kibocsátást úgy, hogy az ágazat továbbra is megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszerrel tudja ellátni a Föld népességét. A mitigáció olyan természetkímélő gazdálkodás, a termőhelyi adottságokhoz és a növény igényeihez igazodó technológiák, a helyi viszonyokhoz alkalmazkodott növényfajok, fajták széleskörű alkalmazását jelenti, mely által csökkenthető az üvegházhatású gázok kibocsátása (Molnár, 211). Szűkebb értelemben a talaj szén-dioxid kibocsátásának csökkentését, a szén-dioxid talajban való tárolásának elősegítését jelenti. A talaj az üvegházhatású gázok (CO 2, CH 4 ) fő forrása és egyúttal 44

45 legfőbb rezervoárja is. Üvegházhatású gázok mind a felszín közeli, mind a mélyebb talajrétegekben keletkezhetnek. Az ásványi talajok felső 1 méterében globálisan Gt szén tározódik, mely mennyiség közel kétszer annyi, mint amennyi a szárazföldi ökoszisztémákban található (Neill et al., 1998). A Föld talajában kb. 158 x 1 18 g szerves kötésű szén található, amely 2-3-szor nagyobb a vegetáció széntartalmánál (Schlesinger, 1977). A talaj szén-dioxid kibocsátása a globális szénciklus második legfontosabb eleme, így fontos szerepet játszik a klímaváltozásban (Reich & Schlesinger, 1992). Várhatóan a globális felmelegedés hatással lesz a talaj szerves anyagainak bomlására, a talajlégzésre, és ezen keresztül a bioszféra globális szén-körforgalmára is (Kotroczó et al., 28). A melegedő klíma hatására a talajban a mikroorganizmusok és az általuk kibocsátott talajenzimek aktivitása növekszik, ezáltal a szerves anyag lebontás intenzitása fokozódik (Varga et al., 28). Ez pozitív visszacsatolásban tovább növelheti a légkör CO 2 tartalmát és a felmelegedést (Tóth et al., 27). A talajlégzés, vagyis a CO 2 talajból légkörbe áramlása a földi anyagforgalom egyik legfontosabb komponense, és elsősorban a talajban zajló mikrobiális lebontó folyamatok, valamint a növényi gyökerek respirációjának a következménye (Hanson et al., 2, Kuzyakov, 26). Ezekhez képest a talajlakó állatok (mezo- és makrofauna) CO 2 - kibocsátása az egész talajlégzésnek csak néhány százaléka (Ke et al., 25). A felsorolt biogén tényezőkön kívül abiotikus tényezők is hozzájárulhatnak a talaj CO 2 - kibocsátásához. A mész (CaCO 3 ) Ca 2+ vagy Ca(HCO 3 ) 2 formájában kilúgozódhat, ha az oldott formában található kalcium nem kristályosodik újra a biogén forrásokból származó CO 2 -dal (Nagy, 21). A talajlégzést elsősorban a talaj fizikai tulajdonságai, azon belül is elsősorban a talajok hőmérséklete és nedvességtartalma határozzák meg. A hőmérséklet emelkedésével nő a talajlégzés intenzitása, ezért a talajhőmérsékletet tekintik a legfontosabb környezeti tényezőnek (Fang & Moncrieff, 21). A hőmérséklet mellett a talaj nedvességtartalma is hatással van a CO 2 fluxusra, ugyanis a túl alacsony és a túl magas 45

46 talajnedvesség is limitáló lehet. A talaj fizikai tulajdonságai mellett a kémiai tulajdonságok (pl.: ph, a tápanyagok mennyisége) is hatással van a CO 2 emisszióra (Reth et al., 28). A talajlégzésből származó CO 2 mennyiségét az istállótrágyázás (Müller, 1991), a monokultúrás termesztés, a meszezés és a műtrágyázás növeli. Ezzel ellentétes folyamatot vált ki a műtrágyázás melletti meszezés (Kátai, 2), az öntözés, valamint monokultúrában a műtrágyázás (Kátai és Helmeczi, 1995), mely csökkentheti a talajból kiáramló szén-dioxid mennyiségét. Tóth et al. (25) a műtrágyázásnak a talajlégzésre gyakorolt hatását vizsgálta meszes csernozjom talajoknál, külön-külön mérve a gyökérlégzésből és a szerves anyag bomlásából származó fluxust. Tapasztalatai szerint a műtrágyázás, különösen a nitrogénműtrágya jelentősen növelte a talaj szén-dioxid kibocsátását különösen tavasszal, a vegetációs időszak kezdetén. Koós és Németh (27) is hasonló eredményre jutott egy műtrágyázási tartamkísérletben, ahol a műtrágyázás mintegy 25 %-kal növelte a gyökérlégzésből származó CO 2 emissziót a tenyészidőszak során. Több kanadai kísérlet szerint csökken a talaj C-tartalma egyéves növények monokultúrás termesztése során, összehasonlítva az évelő kultúrák termesztésével (Elustondo et al., 199; Carter et al., 1998). Az évelő növények beiktatása a vetésforgóba növeli a talaj széntartalmát, ellentétben a monokultúrás növénytermesztéssel. Például Angers et al. (1999) 1 éves kísérletük során azt tapasztalták, hogy megnövekedett a talaj szerves széntartalma burgonya termesztése esetén, ha évelőt iktattak be a vetésforgóba. Gregorich et al. (21) 35 éves tartamkísérletükben 2 mg/haral több szenet mértek a talajban hüvelyesek termesztése esetén, mint kukorica monokultúra talajában. A nitrogénműtrágyázás ugyancsak pozitív hatással van a talaj széntartalmára. A kanadai Ontarióban 32 éven át 13 kg N/ha műtrágya adaggal kezelt kötött talaj széntartalma 8 mg/ha-ral nőtt a kontroll terület talajának széntartalmához képest (Gregorich et al., 1996). Liang és Mackenzie (1992) hasonló eredményre jutott, hat éven át tartó 46

47 nitrogénműtrágyázás mintegy 18 %-kal növelte a homoktalaj C-tartalmát kukorica növénykultúra alatt. Azonban Bélanger et al. (1999) nem talált összefüggést a műtrágyázás és a talaj szerves széntartalma között. A szerves trágyázás szintén kedvező hatással van a talaj széntartalmára. A szerves trágyával kezelt talajok széntartalma mintegy %-kal emelkedett a kezeletlen területekhez képest, mely növekedés egyenes arányban volt a kijuttatott szerves trágya mennyiségével (Van den Bygaart et al., 23). Az előzőekből láthatjuk, hogy a talajművelésnek, a tápanyagutánpótlásnak milyen nagy hatása van a talaj széntartalmára, illetve a talajlégzésre. A dolgozatban bemutatjuk, hogy a különböző tápanyagutánpótlási módok hatására miként változik a felvehető tápelem-tartalom, hogyan alakul a talaj kémhatása, a különböző trágyaformákkal végzett tápanyag-utánpótlással hogyan lehet befolyásolni a biomasszával lekötött szerves szén tömegét, miként lehet növelni a talajban a tartósan lekötött szerves szén mennyiségét, hogyan alakul a talajlégzés. Vizsgáljuk, hogy a talajtulajdonságok és a talaj szén-dioxid kibocsátása között milyen összefüggés mutatható ki. A földhasználat és az eltérő talajgazdálkodási rendszerek CO 2 - kibocsátását bemutató vizsgálati eredmények gyakran ellentmondásosak (Gyuricza, 24), mely azt mutatja, hogy a talajlégzést befolyásoló folyamatok erősen talaj- és helyspecifikusak. A talajlégzést és a mikrobiális aktivitást befolyásoló tényezők összetettsége miatt a mérés időpontjának és a mérési körülményeknek (talajhőmérséklet és nedvességtartalom) változása a mérés során erősen befolyásolja a kapott eredményeket (Tóth et al., 29). Anyag és módszer A vizsgálatokat a Westsik-féle vetésforgó tartamkísérletben végeztük Nyíregyházán (Magyarország) és a Livadában (Románia) található, tápanyag-utánpótlást és meszezést vizsgáló tartamkísérletben. A talajlégzést 47

48 LCi-SD (ADC Ltd, UK) típusú hordozható készülékkel mértük, mely méri a talajfedőbe beáramló levegő CO 2 -tartalmát és ehhez viszonyítja a talaj felett áthaladó kiáramló levegő általában megnövekedett CO 2 -tartalmát. A kamrának levegőfelesleget biztosítunk, és egy túlnyomásszelep biztosítja a kamrában az egyenletes nyomást, mivel egy esetleges túlnyomás megzavarná a talaj/levegő határon történő gázcserét. A CO 2 mérése infravörös gázanalizátorral (IRGA), a páratartalom (H 2 O) mérése két nagy érzékenységű páratartalom-szenzor segítségével történik. A rendszer méri továbbá a talaj hőmérsékletét, a kamrában levő levegő hőmérsékletét, a PAR-t (fotoszintetikusan aktív radiáció), és a légnyomást. Ezeket a méréseket a talajkamrához hasonlóan a talaj-respiráció meghatározására használjuk. A talajkamrát egy gallér segítségével helyezzük légmentesen a talajra (1. ábra). 1. ábra. A talajra helyezett talajkamra 48

49 A talajkamrában a CO 2 egyensúlya kb. 5 perc alatt áll be. A készülék kb. 2 másodpercenként végez el egy-egy mérést, melynek eredményeit a gép memóriájában rögzítjük. A mérést az egyensúlyi állapot eléréséig és utána még 4-5 mérésig végezzük és a kiértékeléshez az egyensúlyi állapotban mért adatokat használjuk fel. A szén-dioxid-kibocsátás mérésének idejére a burgonya beérett, a rozs, csillagfürt és a zabosbükköny tarló meg volt tárcsázva, a zöldtrágyás vetésforgókban a másodvetésű csillagfürt el volt vetve. E parcellákban szántott területen mértünk, a csillagfürt a virágzás kezdete fenológiai fázisban volt. A talajban tárolt szerves szén mennyiségét a felső 2 cm-es talajrétegben vizsgáltuk. A vizsgálathoz 211 őszén, három ismétlésben szedtünk átlag talajmintát mindkét tartamkísérletből. Egy átlagmintát öt helyről szedett részminta összekeverésével készítettünk. A talajkémiai vizsgálatokat a közbeszerzési eljárást megnyert SGS Hungária Kft. végezte el a következő módszerek szerint: ph érték: MSZ : Oldható (NO 3 +NO 2 ) N tartalom meghatározása: MSZ 2135: AL-P 2 O 5 tartalom: MSZ2135: és 5.4. AL-K 2 O tartalom: MSZ 2135: és 5.2 A betakarítás a project támogatásával vásárolt ZÜRN 13 SE és Wintersteiger parcella kombájnnal történt. Az adatokat az MS Excel és az SPSS 13. programok segítségével dolgoztuk fel. A statisztikai értékeléshez egytényezős variancia analízist és lineáris korrelációszámítást végeztünk. 49

50 mg/kg mg/kg HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 A Nyíregyházi Kutató Intézet eredményei Nitrát-tartalom Az eltérő tápanyag-utánpótlású vetésforgók nitrát-tartalma a 2. ábrán látható I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV A vetésforgók jele A vetésforgók jele 2. ábra. Nitrát-tartalom a Westsik-tartamkísérlet vetésforgóiban A legnagyobb nitrát-tartalmat (15,17 mg/kg) ott mértük, ahol az istállótrágya mellett műtrágyát is kijuttatunk (XI.). A vetésforgókat összehasonlítva nagy volt a nitrát-tartalom a VI. (műtrágyázott + szalmatrágyás) vetésforgóban, amelyhez hasonló eredményt kaptak Németh és Buzás (1991), akik humuszos homoktalajon végeztek nitrogén-trágyázási kalibrációs kísérletet, mely során szignifikánsan nőtt a talaj NO 3 -Ntartalma. Szintén magas nitrát-tartalmat mértünk az I. kontroll és a műtrágya nélküli, X. istállótrágyás vetésforgókban (1,79-12,28 mg/kg). Nem volt különbség a műtrágyázásban is részesülő csillagfürt magtermesztéses (III.) és másodvetésű zöldtrágyás (XIII., XIV.) vetésforgók között (8,55-9,12 5

51 mg/kg). A talajban a legkevesebb nitrátot a műtrágya nélküli VII. szalma- és a XV. másodvetésű zöldtrágyás vetésforgókban mértük (5,86-6,4 mg/kg). Az előzőekben említett szalmatrágyás kísérlet eredményeihez hasonló következtetésekre jutott Szili-Kovács és Török (25), amikor szénforrás kiegészítő kísérleteikben (fűrészpor és cukor kezelést alkalmazva) azt tapasztalták, hogy a nitrát-n- és az ásványi-n-tartalom (NH 4 + -N + NO 3 -N) szignifikánsan kisebb lett a kezelt talajokban a kontrollhoz képest. Azokon a területeken, ahol istállótrágya mellett műtrágyát is kijuttatunk, folyamatosan, hosszú időn keresztül tudunk felvehető nitrogént biztosítani a termesztett növények számára. Szebeni és Buzás (1985) is hasonló eredményre jutottak humuszos homokon beállított tenyészedényes kísérletükben, ahol N-trágyázás hatását vizsgálták a talaj N-formáinak mennyiségére. Megállapították, hogy kísérlet során elsősorban a talaj nitrát- N-tartalma növekedett meg a kezelés hatására. Ahol istállótrágyázást alkalmazunk, kis nitrogén műtrágyaadag mellett is nagyobb a felvehető ásványi nitrogén mennyisége, mint a jóval nagyobb nitrogénműtrágya adagú szalmatrágyás vetésforgóban. Sarkadi (1994) csernozjom talajon végzett kísérletei során is a műtrágya mellett kijuttatott istállótrágya kedvező hatását mutatta ki. Azt tapasztalta, hogy míg a csak istállótrágyázott vagy csak műtrágyázott talajoknak negatív a N- mérlege, addig a kombinált (istálló-+műtrágya, ill. műtrágya+szármaradvány visszaforgatás) kezelés hatására NO 3 -Nfelhalmozódás történt a felső talajrétegben. Kincses et al. (28) emellett azt is kimutatták, hogy a műtrágyázás a tenyészidőszak kezdetén, a szerves trágyázás pedig a tenyészidőszak végén növeli a felvehető N-formák mennyiségét. Foszfor-tartalom A legtöbb felvehető foszfor a műtrágyázott, XI. istállótrágyás vetésforgó talajában található: 26,67 mg/kg (3. ábra). A talaj 51

52 mg/kg mg/kg HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 foszfortartalmában nem találtunk különbséget a műtrágyázott, VI. szalmatrágyás, a III. csillagfürt magtermesztéses és a műtrágya nélküli, X. istállótrágyás vetésforgók esetén (131,-136,67 mg/kg). Ezektől kisebb a talaj foszfortartalma a XIII. és XIV. vetésforgókban (14,7-18, mg/kg). A legkevesebb foszfort (33,97-4,97 mg/kg) a műtrágya nélküli vetésforgókban találtuk (I., VII., XV.). Az eredmények alapján megállapíthatjuk, hogy a műtrágyázás pozitív hatással van a talaj foszfortartalmára. Szintén erre a megállapításra jutott Hoffmann (29) istállótrágya, NPK műtrágyák, valamint kombinációjuk sokéves, a talaj termékenységére gyakorolt hatását vizsgáló kísérlete során, ahol a talaj AL- P 2 O 5 tartalmát az azonos műtrágya adagok jobban megnövelték, mint az istállótrágya. A Westsik-kísérletben legalább háromévente kijuttatott 26 t/ha istállótrágya adaggal tudunk olyan foszforellátottságot biztosítani a talajban, mint a három év alatt kijuttatott 94 kg/ha foszforműtrágya hatóanyaggal. Ezzel szemben Holló et al. (29) csernozjom barna erdőtalajon végzett vizsgálataik során azt tapasztalták, hogy az istállótrágya jobban gazdagította a talajt foszfor tápanyagban, mint az azonos hatóanyag dózisú műtrágyák, mely a trágya talajban történő lebomlásának sajátosságaival magyarázható I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV A vetésforgók jele A vetésforgók jele 3. ábra. AL-oldható foszfortartalom a Westsik-tartamkísérlet vetésforgóiban 52

53 mg/kg mg/kg HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Kálium-tartalom A legtöbb kálium (4. ábra) a két istállótrágyás vetésforgó talajában mérhető (21,-29,67 mg/kg). Kincses et al. (28) ugyancsak azt állapította meg, hogy a szerves trágya növeli a homoktalaj oldható káliumtartalmát, ami a szármaradványokkal kijuttatott káliumnak köszönhető. A legkevesebb felvehető káliumot a műtrágya nélküli vetésforgók talajában találtuk (75,33-92,5 mg/kg). A többi műtrágyás vetésforgó (III., VI., XIII., XIV.) talajának káliumtartalmában nincs különbség (15,7-19,33 mg/kg). A nyírlugosi meszezési és műtrágyázási tartamkísérletben is hasonló hatást tapasztaltak, mivel a talaj oldható káliumtartalma nem változott számottevően műtrágyázás hatására (Kádár, 29) I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV A vetésforgók jele A vetésforgók jele 4. ábra. AL-oldható káliumtartalom a Westsik-tartamkísérlet vetésforgóiban Egy kis agyagtartalmú homoktalajon a talaj káliumellátottságát a három év alatt kijuttatott 84 kg/ha hatóanyagú káliumműtrágyával nem lehet javítani. Egy ilyen homoktalajon a talaj káliumszolgáltató képességét növelni a vizsgált trágyázási módok közül istállótrágyázással lehet, függetlenül attól, hogy az istállótrágya mellett végzünk-e 53

54 káliumműtrágyázást vagy sem. A talaj kémhatása A kálium-kloridos szuszpenzióban mért ph értékek az 5. ábrán láthatók. A vetésforgók talaja savanyú vagy erősen savanyú kémhatású. A vetésforgókat összehasonlítva, kevésbé savanyú a talaj ott, ahol szalmavagy istállótrágyázás történik (VI., VII., X, XI.): ph (KCl) 4,3-5,51. Kincses et al. (28) mű-, szerves- és baktériumtrágyák hatását vizsgáló kísérletük eredményei szerint is a műtrágyázás savanyító hatású, ellenben a szerves trágyázás növelni képes a savanyú homoktalaj ph-ját. Hoffmann (29) szerves- és műtrágyázás talajtermékenységre gyakorolt hatását vizsgáló szántóföldi tartamkísérletében szintén azt állapította meg, hogy az istállótrágyázás, szemben a műtrágyázással, tendenciálisan emeli a kémhatást. Azokban a vetésforgókban, ahová mi kívülről nem juttatunk szerves anyagot (III., XIII., XIV., XV.), savanyúbb a talaj, 3,74-3,86 ph (KCl) értékek mérhetők. Az eredmények tehát egyértelműen a műtrágyázás savanyító, a szerves trágyázás ph növelő hatását igazolják, mely összhangban van a legtöbb hazai és külföldi szakirodalom eredményeivel. Példaként említhetjük Cserni (1984) Duna-Tisza közi homokhátságon végzett kísérletét, mely során az intenzív, savanyúan ható műtrágyák hatására a talaj ph-értéke 16 év alatt a semlegesről 4,-re csökkent. A nyírlugosi meszezési és műtrágyázási tartamkísérletben végzett vizsgálataik során hasonlóan erősen savanyú ph-értéket mértek kovárványos barna erdőtalajon a kontroll, valamint N, NP, NK, NPK kezelésekben (Kádár, 29). 54

55 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV A vetésforgók jele A vetésforgók jele 5. ábra. ph (KCl) értékek a Westsik-tartamkísérlet vetésforgóiban A biomassza szerves széntartalma A vetésforgókban termesztett növények által lekötött szerves szén, a kibocsátott szén-dioxid és a talajban tárolt szerves szén mennyiségét láthatjuk a 6. ábrán. A termésekkel, a szalma- és szármaradványokkal a termesztett növények a legtöbb szenet a XI. műtrágyázott, istállótrágyás vetésforgóban kötik meg (12, t/ha). Hasonló a növények szénmegkötése a műtrágyázásban is részesülő VI. szalmatrágyás és a XIII., XIV. másodvetésű zöldtrágyás vetésforgókban (8,1-8,5 t/ha). E vetésforgókat követi a X. műtrágya nélküli, istállótrágyás és a III. csillagfürt magtermesztéses vetésforgó (7,3-7,7 t/ha). A legkevesebb szenet (3,6-5, t/ha) a műtrágya nélküli vetésforgókban kötnek meg a növények: XV. másodvetésű zöldtrágyás, VII. szalmatrágyás és az I. kontroll vetésforgóban. A szervestrágyázási módokat összehasonlítva, az istállótrágyázás hatása kiemelkedő. Műtrágyázással kiegészítve, a legtöbb szenet itt kötik meg a növények. Az istállótrágyás vetésforgó szénmegkötése műtrágya 55

56 kg/ha kg/ha umol/s/m umol/s/m 2 2 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 nélkül is megközelíti azokat a szalmatrágyás és zöldtrágyás vetésforgókat, melyek műtrágyát is kapnak. Szalmatrágyázással is el lehet érni hasonló eredményt, mint zöldtrágyázással, igaz valamelyest nagyobb nitrogén műtrágya felhasználással. A talaj széndioxid kibocsátása A legtöbb kibocsátott szén-dioxidot a műtrágyázásban is részesülő XI. istállótrágyás (1,2 umol/s/m 2 ) és a XIV. őszi leszántású, másodvetésű zöldtrágyás (1,1 umol/s/m 2 ) vetésforgókban mértük (5. ábra). Dieng et al. (27) is hasonló eredményre jutott talajlégzés vizsgálatai során, ahol a szerves trágya, ill. szerves-+műtrágya kezelésekben mérték a legmagasabb CO 2 emissziót. A szerves trágyázás nem csak a talajlégzést, hanem a talaj szerves C-tartalmát és a talaj biológiai aktivitását is növeli (Rochette, 1998) I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV A vetésforgók jele A vetésforgók jele Fő- és melléktermékkel lekötött szerves szén Fő- és melléktermékkel lekötött szerves szén Talajban tárolt szerves szén Talajban tárolt szerves szén Szén-dioxid-kibocsátás Szén-dioxid-kibocsátás 1,2 1,2 1, 1,,8,8,6,6,4,4,2,2,, 6. ábra. A növények szénmegkötése, a talajban tárolt szerves szén és a vetésforgók szén-dioxid-kibocsátása (211) 56

57 Ezután következtek a műtrágya nélküli X. istállótrágyás (,97 umol/s/m 2 ) és a XIII. tavaszi leszántású, másodvetésű zöldtrágyás (,91 umol/s/m 2 ) vetésforgók. Ezektől kisebb volt a kibocsátott szén-dioxid mennyisége a műtrágya nélküli XV. másodvetésű zöldtrágyás (,8 umol/s/m 2 ) és a VI. műtrágyázott, szalmatrágyás (,82 umol/s/m 2 ) vetésforgókban. Legkisebb volt a szén-dioxid-kibocsátás a III. csillagfürt magtermesztéses, a műtrágya nélküli VII. szalmatrágyás és a trágyázás nélküli I. vetésforgókban (,42-,5 umol/s/m 2 ). A betakarítást követően, amikor a termesztett növények gyökérlégzése megszűnik, a kibocsátott szén-dioxid legnagyobb részt a mikrobák tevékenységének a következménye. Jól jelzi a mikroorganizmusok aktivitását. Egy ilyen alacsony humusztartalmú, laza homoktalajon, mint a kísérlet talaja, a műtrágya szerves trágya nélkül nem nagyon befolyásolja a mikrobák tevékenységét. Hasonló a talajlégzés a trágyázás nélküli I. és a III. vetésforgóban, amely műtrágyát kap, de szerves trágyát nem juttatunk ki. A nitrogén és foszfor műtrágyázás hatására csökkenő szén-dioxid emissziót tapasztalt Rien és Sylvia (1997) a kezeletlen területekhez viszonyítva. Számos külföldi szerző is arra a megállapításra jutott, hogy a nitrogén műtrágyázás negatív hatással van a talaj szén-dioxid emissziójára és a talajéletre (Luken és Billings, 1985; Bridgham és Richardson 1992; Amador és Jones, 1993). A szervestrágyázás mellett kiszórt kisadagú műtrágyák kedvező hatása leginkább a szalmatrágyás vetésforgók (VI. és VII.) esetén látható. Ez megfigyelhető a zöldtrágyás vetésforgóknál is (XIII., XIV. és XV.). A műtrágya nélküli szalmatrágyás (VII.), és másodvetésű zöldtrágyás (XV.) vetésforgókban kisebb a kibocsátott szén-dioxid mennyisége, mint az ugyanolyan trágyázásmódú, műtrágyás vetésforgókban (VI., XIII., XIV.). A zöldtrágyázás kedvezőbb a mikrobák számára, mint a szalmatrágyázás, azonban figyelembe kell venni azt, hogy a zöldtrágyás vetésforgók egy-egy szakaszában a másodvetésű csillagfürt ki volt kelve, vagyis itt a csillagfürt gyökérlégzése is hozzájárult a szén-dioxid kibocsátásához. A talaj tápanyag-szolgáltató képességét 57

58 leginkább befolyásoló mikroorganizmusok számára az istállótrágya kiemelkedően kedvező. A kibocsátott szén-dioxid nagyobb mikrobaaktivitást jelez műtrágya nélkül is az istállótrágyás vetésforgóban (X.), mint a szalmatrágyás (VII.) vagy zöldtrágyás (XV.) vetésforgók esetén. Szerves szén a talajban A felső 2 cm-es talajrétegben a legtöbb szerves szén a XI műtrágyázott, istállótrágyás vetésforgóban található (13, t/ha). Ding et al. (27) mérései alapján, szerves trágyázás hatására nagyobb mértékben emelkedett a talaj szerves szén-tartalma 13 év alatt, szemben a műtrágyás (NPK) kezeléssel. Nagy mennyiségű szerves szén található a VI. műtrágyázott, szalmatrágyás és az I. vetésforgók talajában is (12,3-12,4 t/ha). Ezeket követi a XIII. tavaszi leszántású, másodvetésű zöldtrágyás vetésforgó (11,4 t/ha), a műtrágya nélküli X. istállótrágyás (1,9 t/ha), a III. csillagfürt magtermesztéses (1,8 t/ha) és XIV. őszi leszántású, másodvetésű zöldtrágyás vetésforgó (1,2 t/ha). Tíz t/ha alatti szerves szén található a műtrágya nélküli, zöldtrágyás (XV.) és szalmatrágyás (VII.) vetésforgók talajában. A kontroll (I.) vetésforgóban található magas szerves széntartalom nem magyarázható a szerves anyag bevitellel, ugyanis itt nem történik sem szerves, sem műtrágyázás, kicsik a termések, kevés növényi maradvány kerül a talajba. Véleményünk szerint ennek az lehet az oka, hogy amikor a mikroorganizmusok lebontó tevékenysége valamilyen oknál fogva akadályozva van, időszakosan megnövekszik a talajban a szerves szén mennyisége. A mért talajkémiai tulajdonságok közötti összefüggést korrelációszámítással vizsgáltuk. A lineáris összefüggés korrelációs koefficiensei (r-értékek) az 1. táblázatban láthatók. 58

59 Pearsonféle korreláció 1. táblázat. A lineáris összefüggés korrelációs koefficiensei (r-értékek) NO 2 - NO 3 -N AL- P 2 O 5 AL- K 2 O ph (KCl) Fő- és melléktermékkel lekötött szerves C Talajban tárolt szerves C Fő- és melléktermékkel,743*,942**,732* -,24 -,62 lekötött szerves C Széndioxidkibocsátás,343,574,656 -,2,747*,195 Talajban tárolt szerves C,933**,587,447 -,98,62 - A szignifikancia szintet *=5%-on, **=1%-on jelöljük. A fő- és melléktermékkel lekötött szerves szén mennyisége a talaj nitrát-tartalmával és az AL-oldható kálium-tartalmával pozitív, szoros (r=,732-,743), az AL-oldaható foszfor-tartalmával pozitív, igen szoros (r=,942) összefüggést mutat. A növények több szenet kötnek meg ott, ahol jobb a talaj tápanyag-ellátottsága. A talaj szén-dioxid kibocsátása és a talaj nitrát-tartalma között pozitív, gyenge (r=,343), a felvehető foszfor- és káliumtartalom között pozitív, közepes (r=,574-,656) összefüggést találtunk. Ahol több a felvehető tápelem, nagyobb mértékű a talajlégzés is. Ez azonban statisztikai vizsgálattal nem bizonyítható. A talaj szén-dioxid kibocsátása és a növények által asszimilált szén mennyisége között szoros összefüggést találtunk (r=,747). Azokon a területeken, ahol a növények több szén-dioxidot tudnak 59

60 asszimilálni, a mikrobák is aktívabbak, intenzívebb a talajlégzés. A talajban tárolt szerves szén mennyisége leginkább a nitráttartalommal van kapcsolatban (r=,933). Pozitív, közepes összefüggést találtunk a foszfor- és káliumtartalommal (r=,447-,587). A talaj szerves széntartalma és a növények által megkötött szerves szén mennyisége között közepes összefüggést találtunk (r=,62), de megbízhatósága nem igazolt. A talaj szerves széntartalma nemcsak a növények szénmegkötésétől függ. A kálium-kloridos szuszpenzióban mért ph értékek és a vizsgált paraméterek között nem találtunk lineáris összefüggést. A Livadai Kutató Intézet eredményei A talaj savanyúsága Térségünkben a legerőteljesebb degradációs folyamat a talaj elsavanyodása, amely a mezőgazdaságilag használt terület 6-65 %-át érinti (Asvadurov és Boeriu, 1983). Ez a folyamat felerősödött az utóbbi 5 évben egyrészt az ipari fejlődés következtében (savas esők, savas légköri üledékek), másrészt a savanyú kémhatású műtrágyák széleskörű használata miatt. A romániai tartamkísérletek felmérései alapján a kilúgzás mértéke agyagbemosódásos talajokon a következő értékek között ingadozik:,55-,134 mgeé 1g/1kg N (Borlan és Hera, 1984). Térségünkben végzett eddigi kutatások igazolták az 5,8-as ph H2O érték fenntartásának szükségességét, amely felett az Al-ionok nem toxikusak a legtöbb növény számára. A szükséges mészadagok az említett ph-érték megtartására, barna erdőtalaj esetében,5 t mészkőpor/ha/év, az agyagbemosódásos podzolon pedig,7 t mészkőpor/ha/év (Kurtinecz, 22). A talaj kémhatását elemezve (ph KCL ) a Livadai tartamkísérletekben, megfigyelhető, hogy a legerőteljesebb elsavanyodást a hosszú távú és egyoldalú ammónium-nitrát használata idézte elő (2. táblázat). 6

61 2. táblázat. A tartós( ) meszezés és trágyázás hatása a talaj ph KCl értékére, agyagbemosódásos podzol, Livada 212 Meszezés (mészkő) t/ha Átlag (B tényező) O 3,68 4,74 5,3 6,38 6,61 5,29 N 3,6 4,37 4,92 6,17 6,52 5,12 NP 3,64 4,51 4,94 6,6 6,19 5,7 NPK 3,73 4,63 4,97 6,8 6,27 5,14 # 4,11 5,3 5,48 6,41 6,51 5,56 #+NPK 3,77 4,92 5,15 6,4 6,37 5,25 Átlag (A tényező) 3,75 4,75 5,8 6,19 6,41 Tényezők A B AxB SZD 5%,24,14,38 N=1kgN/ha; P=7kg/ha P 2 O 5 ; K=6kg K 2 O/ha; # =2t istállótrágya/ha/4 év; A tényező: meszezés; B tényező: tápanyag Az elsavanyodás ugyanolyan arányú maradt akkor is, ha a nitrogén a foszforral és káliummal együtt volt alkalmazva. A kémhatás savas, illetve gyengén savas tartományában erőteljesebb volt a talaj elsavanyodása NP és NPK kezelések mellett. A kálisó rendszeres alkalmazása nem változtatta meg a talaj ph KCl értékét. A hosszú távú szervestrágyázás lényegesen hozzájárult a nitrogén műtrágyák által okozott savanyúság pufferolásához. Az istállótrágya alkalmazása esetében a talaj savanyúság tompítása 61

62 erőteljesebb volt alacsonyabb ph értékeknél. A meszezés hatására markánsan növekedett a ph KCl érték, szélsőséges adagoknál meghaladva a semleges tartományt. Látható, hogy meszezéssel sikerült előállítani egy széles ph KCl érték intervallumot, 3,6-6,1 között, amely lehetőséget nyújtott, tekintettel a mitigációra, a talajlégzést befolyásoló tényezők különböző konjunktúrában való vizsgálatát. A nagy adagú meszezés lényegesen növelte a kalcium kimosódást a talajszelvényből, befolyásolva ezáltal a szénveszteséget illetve szénmérleget is (Borlan et al., 1994). Nitrát és nitrit tartalom Elemezve a nitrát és nitrit tartalom alakulását, különböző trágyázási kezeléseknél a legalacsonyabb értéket, amint az elvárható volt, a trágyázatlan kezelés mellett mértük. A műtrágyázás, illetve a szerves trágyázás szignifikánsan hozzájárult a nitrát és nitrit tartalom növekedéséhez, de a legmagasabb értékeket az istállótrágyázás+npk kezelés mellett mértük (3. táblázat). A meszezés semlegesítve a talaj káros savanyúságát, hozzájárult a talaj nitrát és nitrit tartalmának szignifikáns növekedéséhez, elsősorban a talaj mikrobiológiai aktivitásának elősegítése következtében. A talaj felvehető káliumtartalma Az agyagbemosódásos podzol gyenge kálium ellátottsága egyike azon tényezőknek, amely behatárolja az elérhető hozamok szintjét ezen a talajon. Elemezve a 3. táblázatban feltüntetett trágyázási kezeléseket megállapítottuk, hogy a káliummal nem kezelt parcellákban mértük a legalacsonyabb értékeket. 62

63 3. táblázat. A tartós ( ) meszezés és trágyázás hatása a talaj szántott rétegében mért nitrát és nitrit tartalomra (ppm), agyagbemosódásos podzol, Livada 212 Meszezés (mészkő) t/ha Átlag O N NP NPK # #+NPK Átlag Tényező A B AxB SZD 5% N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t istállótrágya/ha/4 év; A tényező: meszezés; B tényező: tápanyag A rendszeres kálium trágyázás lényegesen hozzájárult a talaj káliumellátottságának javulásához, körülbelül 8%-os növekedéssel, ez esetben a kálisóból származó K-felhalmozódás aránya 5 ppm felvehető K /1 kg K2O volt. Nagyságrendileg hasonló értékek jellemzőek Románia agyagbemosódásos talajaira. A szerves trágyázásban részesült kezelésekben regisztráltuk a legnagyobb K felhalmozódást: 1 t istállótrágya/ha/év kezelés 63

64 3,2 ppm felvehető K-ot eredményezett. Az elért eredmények alapján kijelenthetjük, hogy 1 tonna istállótrágya egyenértékű, mint hatás, a talaj felvehető K-tartalmára, 8-1 kg műtrágyából származó K2O-dal. Ha igényt tartunk az istállótrágya,5-,6 %-os K-tartalmára, akkor az említett felhalmozódási aránynak megfelelően a szántott rétegben megtaláljuk az alkalmazott K mennyiségnek az 5-6 %-át. Tehát az istállótrágyából származó kálium felhalmozódása 2,5-szer nagyobb, mint a kálisóból. Következésképpen, az istállótrágyából származó K-ot a talaj könnyebben felvehető formában köti meg, és ezáltal az istállótrágya egy jobb K- szolgáltató a növények részére, mint a kálisó. 3. táblázat. A tartós ( ) meszezés és trágyázás hatása a talaj felvehető K2O-AL tartalmára, á agyagbemosódásos podzol, Livada 212 Meszezés (mészkő) t/ha Átlag (B tényező) O N NP NPK # #+NPK Átlag (A tényező) Tényező A B AxB SZD 5% N=1kgN/ha; P=7kg/ha P 2 O 5 ; K=6kg K 2 O/ha; # =2t istállótrágya/ha/4 év; A tényező: meszezés; B tényező: tápanyag 64

65 A meszezés hatására csökkent a talaj K-tartalma, amely elsősorban a növények által sokkal nagyobb K-felvételnek tulajdonítható, megfelelően a lényegesen nagyobb terméseknek, a meszezetlen kezeléshez viszonyítva. A talaj felvehető foszfor tartalma a felvehető káliumhoz viszonyítva hasonló tendenciát mutatott, azonban alacsonyabb felhalmozódási arányok mellett, 3-4 ppm P/1 kg P 2 O 5 (Borlan és Hera, 1984). A talaj humusztartalma A humusztartalom az egyik legkonzervatívabb tulajdonsága a talajnak, ebben az értelemben változása a ritka események sorába tartozik, vagyis több évtized szükséges ahhoz, hogy az időbeli változások kimutathatók legyenek. Számos, humusszal kapcsolatos kutatás foglalkozik annak az ellentétnek a kedvező megoldásával, amely megnyilvánul a talaj humuszegyensúlyának megtartása és a talaj szervesanyag tartalom növelésének szükségessége között, amely a CO2 kibocsátás csökkenéséhez vezet egy modern mezőgazdaságban. Opris és Boeriunak (1973) 1 év tartamkísérletezés után nem sikerült kimutatniuk tényleges különbségeket a humusztartalmat illetően, meszezett és meszezetlen kezelések között. 5 év tartamkísérletezés után megállapítható a humusztartalom szignifikáns növekedése az NPK, istállótrágya és istállótrágya+npk kezelések mellett. A N-nel illetve NP-ral trágyázott kezeléseknél nem változott lényegesen a humusztartalom, amely tulajdonítható az alacsony szerves anyag felhalmozódást okozó gyenge K-ellátottságnak. A legnagyobb humuszfelhalmozódást a rendszeres istállótrágyázás illetve istállótrágya +NPK mellett észleltük. Az ismételt és tartós meszezés a humusz mennyiségi és minőségi csökkenéséhez vezetett. Ezt a jelenséget Thaer már ben jelezte 65

66 és így jellemezte: a meszezés gazdag szülőket és szegény gyermeket jelent. 4. táblázat. A tartós ( ) meszezés és trágyázás hatása a talaj humusztartalmára (%), agyagbemosódásos podzol, Livada 212 Meszezés (mészkő) t/ha Átlag (B tényező) O 1,46 1,42 1,31 1,4 N 1,5 1,49 1,25 1,41 NP 1,55 1,41 1,32 1,43 NPK 1,62 1,6 1,49 1,57 # 1,87 1,81 1,79 1,82 #+NPK 1,91 1,85 1,87 1,88 Átlag (A tényező) 1,65 1,6 1,51 Tényező A B AxB SZD 5%,38,8,4 N=1kg N/ha; P=7kg P 2 O 5 /ha ; K=6kg K 2 O/ha; # =2t istállótrágya/ha/4 év; A tényező: meszezés; B tényező: tápanyag Talajlégzés A növénytermesztésből származó CO 2- kibocsájtás elsődleges és lényeges részét a gyökér és a talaj mikrobiális légzése képezik. Korábbi kutatásokban hangsúlyozták elsősorban a talajnedvesség és a hőmérséklet, 66

67 valamint a humusztartalom szerepét a talajlégzésben, de ezek túlnyomó része különböző talajtípusok bevonásával végzett összehasonlító vizsgálatok eredménye. Ezek olyan kutatások, amelyek az eredetileg létező különbségeket mutatták ki elsősorban, kevésbé megközelítve az emberi beavatkozás hatását. A talajlégzést befolyásoló tényezők szétválasztása egy bonyolult módszertani megoldást feltételez. Ugyanazon talajtípus keretében viszonylag kevés felmérés van egyes tényezők hatását illetően, különös tekintettel a talaj kémhatására és szervesanyag tartalmára. Ebben az értelemben vizsgálataink helyzetfelmérő és számszerűsítő jellegűek. Tájegységünkben az eddigi kutatások csak közvetve utaltak a CO 2 kibocsátásra, műszeres háttér hiányában nem volt lehetőség a jelenség pontos, terepen való felméréséhez. Jelenlegi agrokémiai ismereteink túlnyomó része a tartamkísérletekből származik. A livadai savanyú kémhatású talajon végzett meszezési és trágyázási tartamkísérletek megfelelő kutatási hátteret biztosítottak a talajlégzés terepen való meghatározásához, ezáltal bizonyítván a tartamkísérletek fontosságát környezetvédelmi kutatásokban is. A közép-európai viszonylatban egyik legrégebbi meszezési tartamkísérletünk a meszezés tényező mennyiségi és időbeli fokozásával hűen tükrözi a mezőgazdasági gyakorlatban potenciálisan felmerülő helyzeteket. Az 5. táblázat bemutatja a tartós meszezés és trágyázás hatását a talajlégzésre. A műtrágyázás hatását elemezve, a legmagasabb talajlégzési értéket az istállótrágyás kezelésben mértük. Az ugyanehhez a szekvenciához tartozó kezelések értékei a kontrol parcella eredménye köré csoportosulnak. Kimutatható szignifikáns különbséget, a szerves- illetve szerves- és műtrágya kezelések (3,2-2,78 μmol CO 2 /m -2 s -1 ) esetében találtunk. Az ismételt meszezés a megnövekedett mikrobiális tevékenység következtében hozzájárult a szerves anyag erőteljesebb bomlásához és ezáltal a nagyobb CO 2 kibocsátáshoz. 67

68 5. Táblázat. A tartós ( ) meszezés és trágyázás hatása a talajlégzésre, agyagbemosódásos podzol, Livada 212 Meszezés (mészkő) t/ha Átlag (B tényező) O,91 2,56 2,77 2,8 N,67 1,92 3,47 2,2 NP,74 2,26 3,18 2,6 NPK,74 2,83 3,39 2,32 # 1,83 2,72 4,6 3,5 #+NPK 1,71 2,58 4,6 2,78 Átlag (A tényező) 1,1 2,48 3,8 Tényezők A B AxB SZD 5%,56,59 1,1 N=1kg N/ha; P=7kg/ha P 2 O 5 ; K=6kg K 2 O/ha; # =2t istállótrágya/ha/4; A tényező: meszezés; B tényező: tápanyag Elemezve a talaj kémhatása és a talaj légzése közötti összefüggést (7. ábra) megállapítottuk, hogy a ph érték növelésével fokozódik a talajlégzés; a 4 alatti ph értékeknél a talaj légzése 1 μmol CO 2 /m -2 s -1 körül van, amely ph 6 fölött elérve a 4-5 μmol CO 2 /m -2 s -1 értékeket, egy exponenciális jellegű növekedést mutat a 212. április 26-i mérés szerint november 8-án végzett felmérések szerint, a talajlégzés csak egy gyenge növekedési tendenciát mutatott a kémhatás függvényében, az értékek -1 μmol CO 2 /m - 2 s -1 között ingadoztak. 68

69 7. ábra. A talaj kémhatása és CO 2 kibocsájtása közötti összefüggés két mintavételi időpontban Mindkét időpontban végzett mérések viszonylag kihangsúlyozott szárazsági körülmények között történtek. A csapadékhiány a sokévi átlaghoz viszonyítva 13,8 mm volt az őszi ( ) megfigyeléseknél, és 41,1 mm a tavaszi ( ) megfigyeléseknél. A nagyságrendi különbségek, a két vizsgálati időpontnak megfelelően, túlnyomórészt a hőmérséklet hatásának tulajdoníthatók és bizonyítja e jelenség szezonális jellegét. Összefoglalás A legtöbb könnyen felvehető tápanyag a műtrágyázásban is részesülő, istállótrágyás vetésforgó talajában található. Egy savanyú kémhatású talajon a talaj ph értékét jobban lehet emelni istálló- és szalmatrágyázással, mint zöldtrágyázással. 69

70 A növények a legtöbb szenet ott kötik meg, ahol az istállótrágya mellett műtrágyát is kijuttatunk. Az istállótrágyázott területen nagy mennyiségű szerves szén található a talajban is. Nagy a talaj szén-dioxid kibocsátása, vagyis jelentős a mikrobák szervesanyag bontó tevékenysége, nagy mennyiségű tápelemet tárnak fel, nagy termésre számíthatunk. Szalmatrágyázással és hozzá megfelelő mennyiségű nitrogén műtrágya adagolással hasonló mennyiségű szerves szenet meg tudnak kötni a növények, mint a zöldtrágyázás esetén. Mindkét trágyázási módnál nagy mennyiségű szenet tárolnak a talajok, ez az érték a szalmatrágyázott területen még magasabb is lehet. Mindkét trágyázási módnál nagy a széndioxid-kibocsátás, nagy a mikrobiológiai aktivitás. Ez annak tulajdonítható, hogy a műtrágya kezelések hatására megnövekedett növényi melléktermékek bőséges táptalajt szolgáltattak a talajmikroorganizmusok számára, így fokozva a talajéletet. A megnövekedett szén-dioxid emisszió a szervestrágyázott parcellák esetében a talajba kijuttatott szerves szénnel magyarázható (Rochette, 1998). Azokon a területeken, ahol mi kevesebb tápanyagot viszünk be a talajba, kisebb a mikrobatevékenység, kisebb a szén-dioxid kibocsátás, kevesebb a felvehető tápelemek mennyisége, kisebb termés várható, kisebb lesz a növények szénmegkötése, kevesebb szenet tárol a talaj. Amikor istálló-, szalma- vagy zöldtrágyázást alkalmazunk, tudjuk javítani a talaj tápanyagszolgáltató-képességét, nagyobb lesz az előállított biomassza. Nagyobb termésátlag esetén nemcsak nagyobb mennyiségű élelmiszer alapanyagot, vagy éppen takarmányt tudunk előállítani, hanem nagyobb mennyiségű szerves szenet is megkötünk. Nagyobb mennyiségű gyökér, tarló és szármaradvány esetén több szerves anyag kerül a talajba, melyből több humusz keletkezik. Nő a talaj humusztartalma, ami azt jelenti, hogy nő a tartósan lekötött szerves szén mennyisége, vagyis az üvegházhatást okozó szén-dioxidból kevesebb kerül a légkörbe. A szerves trágyában lévő szerves anyag is lebomlik idővel, felszabadul a szén, és nagyobb részt szén-dioxid keletkezik belőle, azonban ami számunkra fontos, ez hosszú folyamat. A szerves trágya egy részéből 7

71 tartós humusz keletkezik, emellett nő is a talaj humusztartalma, ami azt eredményezi, hogy ezt a szenet évtizedekre lekötöttük. A szervestrágyázás kedvező hatással van a talajéletre is. Ahol van elegendő tápanyag és szén a talajlakó élőlények számára, valamint kedvezőek a körülmények, ott nő a talajban a mikroorganizmusok száma. Amikor mi a szerves trágyázással növelni tudjuk a mikrobaszámot, nő ugyan a talajlégzés is, azonban ezek a talajlakó élőlények testük felépítéséhez rengeteg szenet használnak fel, ami nem kerül a légkörbe. Másrészt, a nagydózisú, rendszeres meszezés fokozza a mikrobiális aktivitást, ezáltal elősegíti a szervesanyag bomlását, így megnövelve a talaj CO 2 emisszióját. Pillangósvirágú növények vetésváltásba illesztésével lehet csökkenteni az üvegházhatást okozó szén-dioxid kibocsátást is. Pillangósvirágú növények termesztésével kevesebb nitrogén műtrágyát kell felhasználni, kevesebbet kell előállítani, kevesebb mennyiséget kell szállítani, kijuttatni. Ha az előállításra, szállításra, kijuttatásra kevesebb energiát kell fordítani, akkor az ezekkel járó szén-dioxid kibocsátás is kisebb. A szántóföldi növénytermesztés során igazán akkor tudjuk csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását, ha nem növeljük a szántóterületet az erdők és gyepek rovására. Az erdő levágása után a fából előbb-utóbb felszabadul a szén (tüzelőanyagként elégetés, korhadás). Az erdő- és gyepterületek felszántását követően csökken azok talajában a humusztartalom, vagyis szén kerül a légkörbe. Figyelembe kell vennünk azt a tényt is, hogy a növekvő létszámú emberiségnek meg kell tudni termelni a szükséges élelmiszert. Ez változatlan szántóterület-nagyság mellett úgy valósítható meg, hogy növelni kell a termésátlagokat. A termésátlagok növelésének lehetősége, hogy olyan fajtákat nemesítünk, melyek többet tudnak teremni, jobban tudnak alkalmazkodni a kedvezőtlen termőhelyi adottságokhoz, nő a termésbiztonságuk. A másik lehetőség, hogy olyan termesztéstechnológiákat alkalmazunk, ahol a növények jobban ki tudják használni termőképességüket. A Nyíregyházi Kutató Intézet területén 71

72 található Westsik-féle vetésforgó tartamkísérlet több mint 8 éves eredményei, valamint a több mint 5 éves Livadai Tartamkísérlet bemutatják a különféle trágyázási módok és a meszezés alkalmazhatóságát gyenge termőhelyi adottságok mellett. A kísérletben alkalmazott szalma- és istállótrágyázással, fő- és másodvetésű zöldtrágyázással hosszú időn keresztül fenntartható a talaj termékenysége, vagy akár növelhető is az. Felhasznált irodalom Amador J. A., Jones R. D. (1993): Nutrient limitations on microbial respiration in peat soils with different phosphorus content. Soil Biology and Biochemistry 25, Angers, D.A., Edwards, L.M., Sanderson, J.B., Bissonnette, N. (1999): Soil organic matter quality and aggregate stability under eight potato cropping sequences in a fine sandy loam of Prince Edward Island. Canadian Journal of Soil Science 79, Asvadurov, H., Boeriu, I. (1983): Solurile județului Satu Mare. Red. de propag. teh. agricolă. p 179. Bélanger, G., Richards, J.E., Angers, D.A. (1999): Long-term fertilization effects on soil carbon under permanent swards. Canadian Journal of Soil Science 79, Borlan, Z., Hera, C. (1984): Optimizarea agrochimică a sistemului solplantă. Editura Acad. RSR. p.15. Borlan, Z., Hera, C., Dornescu, D., Kurtinecz, P., Rusu, M., Buzdugan, I., Tănase, Gh. (1994): Fertilitatea și fertilizarea solurilor. Ed. Ceres Bucuresti. p15. Bridgham S. D., Richardson C. J. (1992): Mechanisms controlling soil respiration (CO 2 and CH 4 in southern peatlands. Soil Biology and Biochemistry 24, Carter, M.R., Gregorich, E.G., Angers, D.A., Donald, R.G., Bolinder, M.A. (1998): Organic C and N storage, and organic fractions, in adjacent cultivated and forested soils of eastern Canada. Soil and 72

73 Tillage Research 47, Cserni, I. (1984): Duna-Tisza közi lepelhomok talajok P tápanyaggazdálkodása. Talajtani Társaság évi Vándorgyűlése Kecskemét. Agrokémia és Talajtan 33 (1-2), Ding, W., Meng, L., Yin, Y., Cai, Z., Zheng, X. (27): CO 2 emission in an intensively cultivated loam as affected by long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer. Soil Biology and Biochemistry 39, Elustondo, J., Angers, D.A., Laverdie`re, M.R., N dayegamiye, A. (199): Influence de la culture de mais et de la prairie sur l agregation et la matiere organique de sept sols de Quebec. Canadian Journal of. Soil Science 7, Fang C., Moncrieff J. B. (21): The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry 33, Gregorich, E.G., Drury, C.F., Baldock, J.A. (21): Changes in soil carbon under long-term maize in monoculture and legume-based rotation. Canadian Journal of Soil Science 81, Gregorich, E.G., Ellert, B.H., Drury, C.F., Liang, B.C. (1996): Fertilization effects on soil organic matter turnover and corn residue C storage. Soil Science Society of America Journal 6, Gyuricza Cs., Birkás M., Jóri J. I. (22): Művelési rendszerek hatása a talaj CO 2 kibocsátására. In: innováció, a tudomány és a gyakorlat egysége az ezredforduló agráriumában. 22 április (Szerk. Jávor A. és Pepó P.) SZI-DE ATC Kiadvány, Debrecen. Gyuricza, CS., (24): Relationship between land use and greenhouse effect based on measured data. In: Soil Management Tillage effects Soil water. (Eds.: Birkás, M. & Gyuricza, CS.) Szent István University, Gödöllő. Hanson, P.J., Edwards, N., Garten, C.T. & Andrews, J.A. (2): Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations. Biogeochemistry 48, Hoffmann S. (29): A talaj termékenységének változása szerves és műtrágyázás hatására egy 46 éves szántóföldi tartamkísérletben. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. 73

74 Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: Holló S., Pethes J., Ambrus A (29): A talaj könnyen oldható foszfortartalmának változása tartamkísérletekben, Kompolton. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: IPCC (27): Summary for Policymakers. In: Climate Change 27. Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment. Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Eds.: B. Metz, O.R. Davidson, P.R. Bosch, R. Dave, L.A. Meyer). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. pp:3-8 Kádár I. (29): A nyírlugosi tartamkísérlet tanulságai. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: Kátai J. (2): Összehasonlító talajmikrobiológiai vizsgálatok egy trágyázási kísérletben. IV. Nemzetközi Tudományos Szeminárium, Debrecen, pp Kátai J.-Helmeczi B. (1995): A műtrágyázás és a vetésváltás hatása a talaj mikrobiológiai folyamataira. DATE Tudományos Közlemények, XXXI Ke, X., Winter, K. & Filser, J. (25): Effects of soil mesofauna and farming management on decomposition of clover litter: a microcosm experiment. Soil Biology and Biochemistry Kincses S., Filep T., Kátai J. (28): Szerves-, mű- és baktériumtrágyázás hatása a talajok,1 M CaCl 2 oldható tápelemtartalmára. Talajvédelem különszám, Koós, S., Németh, T. (27): Relation between carbon dioxide uxes and nitrogen content of soil in a long-term fertilization experiment. Cereal Research Communications Kotroczó, Zs., Fekete, I., Tóth, J.A., Tóthmérész, B., Balázsy S. (28): Effect of leaf- and root litter manipulation for carbon-dioxide efflux in 74

75 forest soil. Cereal Research Communications 36 (S), Kurtinecz, P. (22): A talajsavanyúság alakulása a Sárközi meszezési tartamkísérletekben. In: Lazányi J. (szerk.) Tartamkísérletek, tájtermesztés, vidékfejlesztés. Debrecen, Liang, B.C., Mackenzie, A.F. (1992): Changes in soil organic carbon and nitrogen after six years of corn production. Soil Science 153, Luken J.., Billings W. D. (1985): The influence of microtopographic heterogeneity on CO 2 -efflux from a subarctic bog. Holarctic Ecology 8, Molnár S. (211): Hazai mitigációs lehetőségek egyes kérdései az üvegházgáz-kibocsátások terén. Klímaváltozás-Energiatudatosság- Energiahatékonyság konferencia. Matematikai és Informatikai Intézet Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar, Győr. Müller, G. (1991): Az agroökológia talajmikrobiológiai kérdései és az intenzív mezőgazdasági termelés. Agrokémia és Talajtan 4 (3-4), Nagy Z. (21): Füves ökoszisztémák CO 2 -forgalma. Doktori értekezés, Gödöllő. Neill C., Cerri C.C., Melillo J.M., Feigl B.J., Steudler P.A., Moraes J.F.L., Piccolo M.C. (1998): Stocks and dynamics of soil carbon following deforestation for pasture Rondonia. In: Soil processes and the carbon cycle. (Eds.: Lal R., Kimble J., Follet R.F., Stewart B.) CRC Press New York. Németh T.-Buzás I. (1991): Nitrogéntrágyázási tartamkísérlet humuszos homok és mészlepedéskes csernozjom talajon. Agrokémia és Talajtan 4, Opriș, L., Boeriu, I. (1973): Influența îndelungată a îngrășămintelor și amendamentelor asupra substanțelor humice dintr-un sol podzolic argilo-iluvial. Lucrările Conferinței Naționale de Știința solului, Satu Mare p Sarkadi J. (1994): Szerves- és műtrágyák hatása a búza és kukorica termésére erdőmaradványos csernozjomon. In: Trágyázási kutatások Szerk.: Debreczeni-Debreczeniné. Akadémia Kiadó, 75

76 Budapest Schlesinger, W.H. (1977): Carbon balance in terrestrial detritus. Annual Review of Ecology and Systematics Szebeni I.-Buzás I. (1985): The effect of nitrogen fertilizers and plant residues on the nitrogen forms of soil. In: Proc of 9th World Fert. Congress, Budapest. (Eds: Welte, E. and Szabolcs, I.) Vol Goltze-Druck. Goettingen. Szili-Kovács T., Török K. (25): Szénforráskezelés hatása a talaj mikrobiális aktivitására és biomasszájára felhagyott homoki szántókon. Agrokémia és Talajtan 54 (1 2), Reich J.W., & Schlesinger W.H. (1992): The global carbon-dioxide flux in soil respiration and its relationship to climate. Tellus 44 B, Reth S., Reichstein M., Falge E. (28): The effect of soil water content, soil temperature, soil ph-value and the root mass on soil CO 2 efflux a modified model. Plant and Soil 268, Rochette, P., Gregorich G. E. (1998): Dynamics of soil microbial biomass C, soluble organic C and CO 2 evolution after three years of manure application. Canadian Journal of Soil Science 78(2), Thaer, A. ( ): Grundsatze der rationellen Landwirtschaft.Berlin Trad. l. magh. p Tóth, E., Koós, S., Farkas, Cs. and Németh, T. (25): Carbon dioxide emission from calcareous chernozem soil. Cereal Research Communications 33, Tóth E., Farkas Cs., Koós S., Németh T. (29): A művelés hatása a talaj szén-dioxid kibocsátására I. Laboratóriumi módszertan tesztelése bolygatatlan talajoszlopokon. Agrokémia és Talajtan 58, Tóth, J.A., Lajtha, K., Kotroczó, Zs., Krakomperger, Caldwel, B., Bowden, R. D. & Papp, M. (27): The effect of climate change on soil organic matter decomposition. Acta Silvatica Lignaria Hungarica 3, Van den Bygaart, A.J., Gregorich, E.G., Angers, D.A. (23): Influence of agricultural management on soil organic carbon: A compendium and assessment of Canadian studies. Canadian Journal of Soil Science 83, 76

77 Varga, Cs., Fekete, I., Kotroczó, Zs., Krakomperger, Zs., Vincze, Gy. (28): The Effect of litter on soil organic matter turnover in Síkfőkút site. Cereal Research Communications 36 (S),

78 5. Mikrobiális aktivitás hatása a mitigációra Makádi Marianna, Orosz Viktória, Demeter Ibolya, Kurtinecz Pál, Cecilia Bănăteanu, Papp Anita, Smit Gergely Bevezetés A globális szénciklus egyik fontos eleme a talajlégzés, melynek két fő forrása a talaj szervesanyagának mikrobiális bontása valamint a növényi gyökerek légzése (Jensen et al., 1996). Kismértékben járul hozzá a talajlakó állatok légzése. A talajlégzés intenzitását befolyásolja a talajfelszín fölötti levegő CO 2 -koncentrációja (Raich és Schlesinger, 1992), a hőmérséklet (Lloyd és Taylor,1994), a talajnedvesség (Saiz et al., 27), a szerves anyag utánpótlás (Epstein és Kohnke, 1957), a gazdálkodási mód (Szöllősi et al., 29). A talaj mikrobaközösségének minősége és aktivitása tehát jelentősen befolyásolja a mezőgazdasági eredetű CO 2 -kibocsátás mértékét. A talaj mikrobiológiai közösségének vizsgálata egyedi és közösségi szinten történhet, mely a kezdetektől komoly kihívást jelent a talajbiológusok számára. Vizsgálhatjuk a talajmikroorganizmusok biodiverzitását (sokféleségét) mennyiségileg és minőségileg is, illetve a biológiai aktivitásuk változását is, amelyeket igen sok tényező befolyásolhat. A mikrobaközösségek vizsgálata történhet közvetlen vagy közvetett módszerekkel. A közvetlen módszerek a mikrobák vizsgálatára irányulnak (kitenyésztés, direkt számolás, PCR, PLFA), míg a közvetett vizsgálati módszerekkel (a talajok CO 2 -termelésének vagy a mikrobiális biomassza mennyiségének meghatározása, a talajenzimek aktivitásának mérése) a mikrobák által előidézett változásokból következtetnek azok mennyiségére és aktivitására. A talajbiológiai folyamatok intenzitásának egyik igen elterjedt mérési 78

79 módszere az enzimatikus aktivitás meghatározása, mivel a talajenzimek jelentős szerepet játszanak a talajokban zajló energiaáramlásban, a talajok minőségének alakításában, a termés mennyiségében (Dick, 1994; Tabatabai, 1994). Az enzimek aktivitása a talajban függ a fizikai és kémiai sajátosságoktól, például a tápanyagtartalom, ph, sótartalom stb. A talajok enzimtartalmának egy részét a magasabb rendű növények szintetizálják, és gyökérzetükön keresztül választják ki. Döntő része viszont mikrobiális eredetű, azaz a talajban tevékenykedő mikroszervezetek agyagcseréjének termékei (Szegi, 1979). A mikroba-közösségek közvetlen vizsgálatára a múlt század utolsó negyedéig csak tenyésztéses vizsgálatok vagy mikroszkópos megfigyelés révén volt lehetőség. Azonban mindkét módszernek komoly hibái vannak, például a tenyésztés során a talajban lakó mikroorganizmusoknak csupán töredéke (1-2 %) tenyészik ki (Schinner et al., 1996). Sem a tenyésztésen alapuló, sem a mikroszkópos vizsgálatok nem alkalmasak a talajban élő mikrobiális közösségek pontos minőségi és mennyiségi jellemzésére. Az áttörést az 198-as évek hozták meg, amikor a közösségek taxonómiai jellemzésének alapjául egy közvetett módszert, az örökítő anyag vizsgálatát kezdték el használni (Stahl et al., 1984, Stahl et al., 1985). A molekuláris módszerek viszonylag kis mintamennyiség esetén is alkalmazhatóak. A PCR technika nagy érzékenységéből következnek e megközelítés hátrányai is: a nagy érzékenység a minta esetleges kicsiny szennyeződéseit is felerősítheti, továbbá a ciklikus felerősítés során bekövetkező másolási hibák felszaporodhatnak (White, 1994). A mikrobiális összetételben rövid időn belül bekövetkező változások nyomon követéséhez viszonylag könnyen kinyerhető és pontosan mérhető biomarkerekre van szükség. Ilyen biomarkerek a sejtfal (murein, kitin), a sejtmembrán (zsírsavak, alkoholok), és a légzési lánc (kinonok) molekulái közül kerülnek ki. Ezek közül a legtöbb információt jelenleg a foszfolipidzsírsavak adják, melyek analízise módszertanilag az egyik legkifinomultabb vizsgálati módszer. A PLFA módszer alkalmazásával képet kaphatunk a mikrobiális biomassza minőségi és mennyiségi összetételéről egyaránt, 79

80 mivel egyes foszfolipid zsírsavak taxonspecifikusak, tehát csak egyes baktérium/gomba csoportokra jellemzőek. Az 1. táblázat a fenti karakterisztikát foglalja össze. A módszer további előnye, hogy a foszfolipid zsírsavak a sejtek elpusztulása után néhány órán belül lebomlanak, így vizsgálatukkal a valóban élő (bár nem biztos, hogy aktív) mikroorganizmusokról kapunk mennyiségi és minőségi információt (Halbritter et al., 26). Anyag és módszer Enzimaktivitás mérések A vizsgálatok során három talajenzim aktivitását mértük. A talaj dehidrogenáz-aktivitása jellemzi a talajmikroorganizmusok általános metabolikus aktivitását, ezen belül is elsősorban a lebontó folyamatok intenzitását. A talaj dehidrogenáz-aktivitása más agrokémiai és talajbiológiai paraméterekkel összevetve jól használható mutató a talajmikrobák anyagcseréjében különböző okokból (pl. szerves és műtrágyák, növényvédőszerek stb. alkalmazása) bekövetkezett változások vizsgálatára. A dehidrogenáz enzimaktivitást az MSZ /3-86 alapján, a TTC-vel (trifenil-tetrazólium-klorid) kezelt talajban képződő formazán mérésével végeztük. A kataláz a mikroszervezetek anyagcseréje során a hidrogén- és elektronátvitel terminális lépéseként keletkező, számukra toxikus hidrogénperoxid vízre és molekuláris oxigénre való lebontását katalizálja: Kataláz 2 H 2 O 2 H 2 O + O 2 8

81 1. táblázat: Az egyes mikrobacsoportokra jellemző foszfolipid zsírsavak (forrás: Zelles, 1999) Előfordulás, indikációs Jelölés Elnevezés lehetőség SATFA Telített észterkötésű zsírsavak Bacteria, Eucarya - Egyenesláncú Bacteria, Eucarya Gram-pozitív baktériumok; i, a, Me- elágazó láncú Cytophaga, Acetobacter, Flavobacterium -cy Ciklopropil Gram-negatívok, Clostridium, Bifidobacterium egyszeresen telítetlen észterkötésű MUFA zsírsavak 16-os lánchossz, 1 kettős kötés a 16:16 láncvégtől 6. helyen I-es típusú metanotrófok 18-as lánchossz, 1 kettős kötés a 18:18 láncvégtől 8. helyen II-es típusú metanotrófok többszörösen telítetlen észterkötésű PUFA zsírsavak Eucarya, cianobaktériumok észterkötésű hidroxi-szubsztituált PLOH zsírsavak -OH a karboxilcsoport melletti 1. Gram-negatívok, szénatomon Actinobacteria -OH a karboxilcsoport melletti 2. szénatomon Mycobacterium -OH a karboxilcsoporttól legtávolabbi szénatomon Gombák myl mikolsavak (-hidroxi, -elágazás) Actinobacteria UNSFA nem észterkötésű zsírsavak Anaerob baktériumok nem észterkötésű hidroxi-szubsztituált UNOH zsírsavak Anaerob baktériumok -OH a karboxilcsoport melletti 1. szénatomon Sphingomonas, Candida -OH a karboxilcsoport melletti 2. Bacteroides, Flavobacterium szénatomon myl mikolsavak (-hidroxi, -elágazás) Mycobacterium, Nocardia Az oxidoreduktázok osztályába tartozó kataláz az egyik leggyorsabban működő enzim. Specifitásából következően jól jellemzi az aerob talajmikróbák általános metabolikus aktivitását. Az élő szervezetekből 81

82 kikerülve a környezeti feltételektől függő mértékben akkumulálódni képes a talajban, hozzájárulva annak abiotikus biokémiai aktivitásához. A kataláz aktivitását a H 2 O 2 -dal kezelt talajból felszabaduló O 2 mérésével határoztuk meg az MSZ /4-86 szabvány szerint. Az invertáz enzim szorosan kapcsolódik a szénkörforgalomhoz. Aktivitásának mérését Mikanová et al. (21) módszere alapján végeztük a képződő glükóz mennyiségének meghatározásával. A foszfolipid zsírsav tartalom mérése A foszfolipid zsírsavak extrakcióját és elválasztását a módosított (White et al. 1979) egyfázisú Bligh-Dyer módszerrel (Bligh és Dyer, 1959) végeztük. Az előkészített mintákat -2 o C-on tároltuk a mérésig. Az előkészített minták foszfolipid-zsírsav tartalmát a közbeszerzési eljárásban nyertes külső szolgáltató (Nyíregyházi Főiskola) mérte le GC-MS (gázkromatográffal kapcsolt tömegspekrtométer) készülékkel. A méréshez 37 komponenst tartalmazó zsírsav standardot (Supelco 37 Component FAME Mix) használtak, a molekulák azonosítása és mennyiségük meghatározása Thermo Xcalibur program segítségével történt. A mérés során kapott kromatogramok egyikét az 1. ábrán szemléltetjük. A kiértékeléshez felhasznált foszfolipid zsírsavak Az adatok kiértékelése során az egyes mikrobacsoportokra jellemző marker zsírsavakat vesszük figyelembe, és ezek mennyisége, valamint egymáshoz viszonyított aránya alapján vonunk le következtetéseket a mikrobiális biomassza összetételéről (Zelles at al., 1992, 1995; Bossio et al., 1998, Ibekwe és Kennedy, 1998). A telített zsírsavakra (SATFA Saturated Fatty Acids) általánosan 82

83 Relative Abundance Relative Abundance HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 igaz, hogy a páratlan szénszámú egyenes és az elágazó láncúak a Grampozitív baktériumokra jellemzőek, míg a páros szénatomszámú egyenes és a ciklopropil-csoportot tartalmazók a Gram-negatív baktériumokra jellemzők. A metilcsoportot a 1. szénatomon tartalmazó zsírsavak (1Me C16:, 1Me C17:, 1Me C18:) a sugárgombákra jellemzőek (Kroppenstedt, 1992). C:\Xcalibur\...\12_1Tic_ /11/212 8:27:38 AM RT: NL: 4.41E6 TIC MS 12_1Tic_ Time (min) 12_1Tic_ #2984 RT: AV: 1 NL: 3.29E4 T: + c Full ms [5.-45.] m/z ábra. A PLFA vizsgálatok során nyert GC-MS kromatogram Az egyszeresen telített zsírsavak (MUFA Monounsaturated Fatty Acids) a mikroeukariótákat és a Gram-negatív baktériumokat jelző indikátorok, de megtalálhatók a szigorúan anaerob baktériumokban is (Ratledge és Wilkinson, 1988; Zelles et al., 1992). A többszörösen telített zsírsavakat (PUFA Polyunsaturated Fatty Acids), mint a C18:2n6, C18:3n6, C18:3n3, a gombák indikátoraként használhatjuk 83

84 (Federle, 1986). A hidroxi-szubsztituált foszfolipid zsírsavak (PLOH - Non-ester linked hydroxy substituted fatty acids) közül a β típusúak jellemzőek elsősorban a baktériumokra, a gombákban és a növényekben főleg az ω típusúak fordulnak elő (Zelles et al., 1995). Az eredmények kiértékeléséhez az alábbi foszfolipid zsírsavakat vettük figyelembe: SATFA: C12:, C14:, C15:, C16:, ic16:, C17:, C18:, C2:, 1Me C16:, 1Me C17:, cyc17: MUFA: C16:1, C18:1, C16:1n7, C18:1n7 PUFA: C18:2n6, C18:3n6, C18:3n3 PLOH: βoh C17:. A foszfolipid-zsírsavakból a következő számított indikátorokat használtuk fel a kezelések összehasonlítására: összes PLFA: kiértékeléshez használt foszfolipid zsírsavak összes mennyisége, nmol/g. gomba/baktérium arány: C18:2n6+C18:3n6+C18:3n3 / C12:+C14:+C15:+C16:+iC16:+C17:+C18:+C2:+ 1MeC16:+1MeC17:+cyC17:+C16:1+C18:1+C16:1n7+ C18:1n7+βOH C17: Gram-pozitív/Gram-negatív arány: C15:+ C17: / cyc17:+βoh C17:+ C16:1+C18:1 Actinomyceta/egyéb baktérium arány: 1Me C16:+1Me C17: / C12:+C14:+C15:+C16:+iC16:+C17:+C18:+C2:+ cyc17:+c16:1+c18:1+c16:1n7+c18:1n7+βoh C17: A talajlégzés mérése A terepi mérés én és én történt 84

85 Livadában és Nyíregyházán. Mindkét alkalommal napsütéses idő volt. A mérések során a kamrákat leárnyékoltuk a közvetlen napsütés elől, mert a mérés időtartama alatt a napsütés hatására a kamra levegője nagyon felmelegszik, és a talajból távozó nedvesség a műszert akadályozza a mérésben. A két mintavételi időpont egy őszi és egy tavaszi állapotot jellemez. A talajlégzés mérését LCPro-SD és LCi-SD (Bioscientific Ltd, GB) hordozható CO 2 -mérő készülékekkel végeztük. Egy-egy kezelésben három párhuzamos mérés történt. A készülék dinamikus mérőfejjel rendelkezik, így elkerülhető a CO 2 feldúsulása a kamrában. A készülék kb. 2 másodpercenként mér, a kiértékeléshez az utolsó 4-5 mért adatot használtuk fel, amikor a CO 2 kiáramlás már elérte az egyensúlyi állapotot. Az eredmények értékelése Az őszi mintavétel során a minták PLFA-ra történő mérése a módszer fejlesztése miatt elmaradt. A mintavételt 212. őszén ismételtük meg, így csak a tavaszi mintavétel eredményeit mutatjuk be, míg az enzimaktivitások és a talajlégzés eredményeiből a 211. évi őszi és a 212. évi tavaszi eredményeket is ismertetjük. A vizsgálati eredmények statisztikai kiértékelése MS Excell és SPSS 13. szoftvercsomag segítségével történt a DE AGTC KIT Nyíregyházi Kutatóintézetében és a Livadai Kutatóintézetben. A Nyíregyházi Kutató Intézet eredményei A mitigáció a CO 2 -kibocsátás csökkentését jelenti. A talaj esetében a talajlégzés során távozik CO 2 a légkörbe. A mitigáció egyik lehetséges módja tehát olyan agrotechnika ide értve a tápanyag-utánpótlási módot is megválasztása, ami a talajlégzést csökkenti. Ezért először megvizsgáljuk, hogy a Westsik-vetésforgóban hogyan alakul a talajlégzés mértéke egy őszi 85

86 és egy tavaszi időpontban, majd a talajlégzéshez nagymértékben hozzájáruló mikrobiális aktivitást és a mikrobaközösség jellemzőit elemezzük. A talajlégzés intenzitása jelentős évszakos különbséget mutat, mely a Westsik-kísérletben a tápanyag-utánpótlási módoktól függően kétháromszoros (2. ábra), értéke ősszel,42±,18 1,3±,26 µmol CO 2 /m 2 *s, tavasszal 1,3±,51 3,48±1,4 µmol CO 2 /m 2 *s értékek között változott. A tavaszi megnövekedett intenzitás a talajhőmérséklet növekedésével hozható összefüggésbe, mely az őszi mérések idején 1 o C, míg tavasszal 25 o C körül volt. Az őszi méréskor a vetésforgók közötti különbségek lényegesen kisebbek, mint tavasszal. A két mérési időpont közötti különbség alapvetően két okra vezethető vissza: 1. Alacsonyabb talajhőmérséklet mellett lecsökken a mikrobiális tevékenység és az egyes vetésforgók eltérő hasznosítható szervesanyag-készletéből, valamint az egyes mikrobaközösségek eltérő összetételéből eredő különböző CO 2 -kibocsátás (Schimel és Gulledge, 1998) hatása gyengébb. 2. A gyökérlégzés mértéke szezonálisan is változik. Pendall et al. (21) szerint télen a búza gyökérlégzése minimálisra csökken, míg az intenzív növekedés időszakában a teljes CO 2 -kibocsátás nagyobb részét eredményezi. Az egyes vetésforgók közötti különbség az eltérő tápanyag-utánpótlás következménye. A talajba kerülő szerves anyag (szervestrágya, növényi maradványok) egy részét a mikrobák rövid időn belül felhasználják anyagcseréjükhöz, és csak kis része alakul át stabil szerves anyaggá. Ugyanakkor a korrelációszámítással nem találtunk szoros kapcsolatot a talaj kémhatása, a humusztartalom, a könnyen felvehető tápanyagok és a talajlégzés intenzitása között. Hasonló eredményre jutott Ngao et al. (212) is erdei ökoszisztémában, akik a talajkémiai tulajdonságok közül a C/N aránnyal találták szoros összefüggésben a talajlégzést. Balogh et al. (211) hazai gyepterületek talajlégzését vizsgálva a talaj agyag és szerves széntartalmával találtak összefüggést. Ezeknek a paramétereknek a meghatározása a mi vizsgálatainkban jelenleg még folyamatban vannak. 86

87 umol/s*m 2 umol/s*m 2 CO2 CO2 4, 4, 3,5 3,5 3, 3, 2,5 2,5 2, 2, 1,5 1,5 1, 1,,5,5,, Talajlégzés a Westsik-vetésforgóban Talajlégzés a Westsik-vetésforgóban e e de de cd de de cd bc b bc b a a a a a a c e f d ef c e f d ef c c a b ab a b ab I. III. VI. VII. X. XI. XIII. XIV. XV. I. III. VI. VII. X. XI. XIII. XIV. XV. Vetésforgó száma Vetésforgó száma ábra. A talajlégzés intenzitása a Westsik vetésforgó kísérletben, két időpontban a- f indexek: a Tukey-féle szignifikancia csoportok jelölése (p<,5) A talajlégzés a parlagoltatásos vetésforgóban volt a legkisebb mértékű, ahol csak a növénymaradványok kerülnek vissza a talajba, szervesés műtrágyázás nincs. Szintén alacsony volt a kibocsátott CO 2 mennyisége a III (csillagfürt gyökértrágyás) és a VII (erjesztett szalmatrágyás) vetésforgókban. A VI (erjesztett szalmatrágyás+n) vetésforgóban az egyik legintenzívebb talajlégzést mértük. Itt a nehezen bontható szerves anyag mellé adott makrotápanyagok (N, P, K) kedvező feltételeket teremtettek a mikroorganizmusok lebontó tevékenységéhez. Intenzív talajlégzést mértünk még azokban a vetésforgókban, ahol istállótrágya (X, XI) és csillagfürt zöldtrágya (XIII, XVI, XV) kezelés történik. A talajlégzés intenzitását a talajművelés is befolyásolja (Zsembeli és Kovács, 27). Az általában alacsony talajlégzést mutató parlagoltatásos vetésforgóban a parlag tárcsázással történő mechanikai gyomirtása után jelentősen megnőtt a talajlégzés intenzitása a 212-es nyári időszakban (nem publikált). A tárcsázással megkevert talaj átszellőzöttsége megnőtt, ami intenzívebb mikrobiális tevékenységet eredményezett (Szabó, 28). A talaj nedvességtartalma mind a talajlégzést, mind a mikrobiális 87

88 m/m% m/m% HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 aktivitást befolyásolja (Fang and Moncrieff, 21). A 3. ábrán látható, hogy a talaj nedvességtartalma között statisztikailag is igazolható különbségek vannak az egyes vetésforgók között. A talaj 7-9%-os nedvességtartalma azonban olyan alacsony érték, hogy megítélésünk szerint a vetésforgók közötti mikrobiális aktivitást és mikrobaközösséget jellemző paraméterek között jelentkező különbségekre nincs hatással. A talaj a vizsgálati időpontokban, és gyakorlatilag a év vizsgált időszakában a szokottnál jóval szárazabb volt, ami a mikrobiális aktivitás általános csökkenését is valószínűleg maga után vonta. A talaj nedvességtartalma A talaj nedvességtartalma bc b bc ab bcab bc b abc bc ab ab bcab abc abc ab abc a a ab ab a a ab ab abc abc ab ab ab abc ab abc I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgók száma Vetésforgók száma ábra. A talaj nedvességtartalma a Westsik-féle tartamkísérletben a,b,c indexek: Tukey-teszttel elkülönített szignifikancia csoportokba tartozó kezelések (p<,5) A talajminták nedvességtartalmának meghatározása során, a két vizsgált időpontban a III. (csillagfürt magtermesztésre, majd leszántva) vetésforgóban állapítottuk meg a legalacsonyabb nedvességtartalmat ( ,3 m/m%; ,44 m/m%). A legmagasabb nedvességtartalommal 211 őszén a VI. vetésforgó (erjesztett szalmatrágya+nitrogén) (9,27 m/m%), 212 tavaszán az I. vetésforgó (parlagoltatás) (8,84 m/m%) rendelkezett. Az invertáz aktivitás (4. ábra) azokban a vetésforgókban volt a legmagasabb, ahol a bevitt szerves anyag viszonylag könnyebben bontható 88

89 glükóz mg/1g talaj glükóz mg/1g talaj HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 volt. Az is látszik, hogy a tavasszal alászántott csillagfürt zöldtrágyás vetésforgókban (XIII és XV) magasabb volt az invertáz aktivitása, mint az ősszel alászántott vetésforgóban. Az invertáz enzim aktivitás meghatározása során a kezelések között szignifikáns különbséget nem tudtunk kimutatni egyik mintavételi időpontban sem. A legmagasabb invertáz enzim aktivitást a X. istállótrágya kezelésben részesülő (211-4,9 mg glükóz/g/4h), valamint a VII. (212-5,11 mg glükóz/g/4h) erjesztett szalmatrágya tápanyag-utánpótlásban részesülő vetésforgókban találtuk. A legalacsonyabb enzimaktivitás mindkét évben a III. vetésforgó talajmintáiban ( mg glükóz/g/4h; 212-2,41 mg glükóz/g/4h) figyelhető meg. Eredményeink ellentmondanak Yang et al. (28) eredményeinek, akik összehasonlító vizsgálatot végeztek istállótrágya, valamint istállótrágya+különböző műtrágya hatóanyagok hatására bekövetkező talajmikrobiológiai változásokra. Vizsgálataik során az invertáz enzim aktivitása az NPK-val dúsított istállótrágya kezelés hatására mutatta a legmagasabb aktivitást. Invertáz enzim aktivitás Invertáz enzim aktivitás I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgók száma Vetésforgók száma ábra. A talaj invertáz enzim aktivitása a Westsik-féle tartamkísérletben 89

90 mg O2/1 g száraz talaj/1 h mg O2/1 g száraz talaj/1 h HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Kataláz enzim aktivitás Kataláz enzim aktivitás 3,5 3, ,5 2, ,5 1,5 1 1,5,5 ab ab c ab ab c b b b b ab b ab b ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab a a a ab a a a ab a a a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgók száma Vetésforgók száma ábra. A kataláz enzim aktivitása a Westsik-féle tartamkísérletben a,b,c indexek: Tukey-teszttel elkülönített szignifikancia csoportokba tartozó kezelések (p<,5) A kataláz enzim aktivitása (5. ábra) a két vizsgált időpontban hasonló volt. Mind a 211-es őszi (2,23 mg O 2 /1g száraz talaj/1 h), mind a 212-es tavaszi (2,5 mg O 2 /1g száraz talaj/1 h) minták esetében a VII. vetésforgó talaj mintáiban mértük a legmagasabb enzimaktivitást. A legalacsonyabb enzimaktivitást a XIII. (másodvetésű csillagfürt zöldtrágya tavasszal leszántva+műtrágya) vetésforgó talajmintáiban mutattuk ki (211. -,9 mg O 2 /1g száraz talaj/1 h; ,9 mg O 2 /1g száraz talaj/1 h). Garcia-Gil et al. (2) szarvasmarha trágyázás, ásványi műtrágyázás és két dózisban kijuttatott komposzt kezelés hatását vizsgálta a talajmikrobiológiai aktivitására. A kontrollhoz képest magasabb kataláz enzim aktivitást állapítottak meg az istállótrágyás kezelésben, hasonlóan az általunk kapott eredményekhez és alacsonyabbat az ásványi műtrágyázás kezelés hatására. Yang et al. (28) szintén azt állapították meg, hogy a kataláz enzim aktivitása az istállótrágya kezelés hatására a legmagasabb. A 211-es őszi minták vizsgálata során a legmagasabb dehidrogenáz enzimaktivitást az istállótrágyával kezelt vetésforgó (X.) (,2 mg formazán/1g talaj/24 óra) talajaiban mutattuk ki, míg a legalacsonyabb enzimaktivitást (,9 mg formazán/1g talaj/24 óra) a másodvetésű 9

91 mg formazán/1g talaj/1 nap mg formazán/1g talaj/1 nap HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 csillagfürt zöldtrágya tavasszal leszántva+műtrágya (XIII.) kezelés hatására mértünk (6. ábra). A 212-es tavaszi minták esetében a dehidrogenáz enzim aktivitása a kimutathatósági határérték alatt volt. Hasonló eredményekről olvashatunk Garcia-Gil et al. (2) tanulmányában, akik munkájuk során a szarvasmarhatrágyás kezelés hatására mutatták ki a legmagasabb dehidrogenáz aktivitását, míg a legalacsonyabb aktivitást a műtrágyás kezelés hatására mérték. Dehidrogenáz enzim aktivitás Dehidrogenáz enzim aktivitás,4,4,35,35,3,3,25,25,2,2,15,1,15,1,5,5 b b ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgók száma Vetésforgók száma 6. ábra. A talaj dehidrogenáz enzim aktivitása a Westsik-féle tartamkísérletben 211-ben a,b indexek: Tukey-teszttel elkülönített szignifikancia csoportokba tartozó kezelések (p<,5) A talaj enzimaktivitásának és a talaj fizikai-kémiai vizsgálati eredményeinek összefüggéseit a 2. és 3. táblázatban mutatjuk be. Összel az enzimaktivitások elsősorban a kémhatással és a mezoelemekkel (Mg, Co, Mn) álltak kapcsolatban. Eredményeinkhez hasonlósan Baligar et al. (1999) hat különböző talajtípus vizsgálata során pozitív korrelációt találtak a talaj dehidrogenáz aktivitása, valamint a talaj magnézium tartalma között. Pozitív korrelációt talált Garcia-Gil et al. (2) a talaj kataláz és dehidrogenáz aktivitása között. A talajkémiai tulajdonságok és az enzimaktivitások közötti kapcsolat 91

92 évszakos változást mutat a ph kivételével, amely egy nagyon stabil és fontos kémiai tulajdonságnak tűnik. 2. táblázat. Kémiai és mikrobiológiai paraméterek korrelációs együtthatói a Westsik-féle tartamkísérletben, 211. október Talajnedvesség Invertáz Dehidrogenáz Kataláz ph (KCl),428**,532**,555**,834** K A,453* Humusz,41* Foszfor -,426* Kálium -,4* Magnézium,41*,496**,722** Réz,397*,754** Mangán,55**,691** Cink -,438* Invertáz,395*,545** Dehidrogenáz,65** ** A korreláció szignifikéns p<,1 szinten (kétoldalú). * A korreláció szignifikéns p<,5 szinten (kétoldalú). 3. táblázat. Kémiai és mikrobiológiai paraméterek korrelációs együtthatói a Westsik-féle tartamkísérletben, 212. április Talajnedvesség Invertáz Kataláz ph (KCl) -,238* ph (H2O) -,245*,169* -,29* Y 1,458**,29* Talajhőmérséklet,282* Talajlégzés -,478* Invertáz,232* Kataláz,219* ** A korreláció szignifikáns p<,1 szinten (kétoldalú). * A korreláció szignifikáns p<,5 szinten (kétoldalú). A talajból kibocsátott CO 2 mennyisége jelentős mértékben mikrobiális eredetű, amely a talajban az adott pillanatban élő és működő mikrobák lebontó tevékenységéből származik. A foszfolipid zsírsavak a sejtek pusztulása után gyorsan lebomlanak, ezért az élő mikrobaközösség 92

93 jellemezhető általuk. A mikroorganizmusok talajlégzésben játszott jelentős szerepét támasztja alá, hogy a mikrobaközösség értékeléséhez felhasznált marker zsírsavak összes mennyisége (7. ábra) pozitív korrelációban (r=,41) van a talajlégzéssel. A korrelációt gyengítette, hogy a tavaszi mérés a növények intenzív fejlődésének kezdetén történt, amikor a gyökérlégzés jelentős mértékű hatásként jelentkezett. A foszfolipidek mennyisége különböző az eltérő tápanyag-utánpótlási rendszereket vizsgáló vetésforgó típusokban. A mikroorganizmusok mennyisége a külső szervesanyag-bevitellel nem rendelkező I. és III. vetésforgókban a legalacsonyabb (7. ábra). Az erjesztett szalmatrágya esetén a műtrágya kiegészítés (VI. vetésforgó) kicsivel magasabb mikrobaszámot eredményezett, mint a VII. műtrágya nélküli szalmatrágyás kezelés, valószínűleg a mikrobák számára kedvezőbb C/N arány biztosításával. A foszfolipidek legnagyobb mennyiségét a csillagfürt zöldtrágyás vetésforgókban mértük. A gombák és baktériumok aránya általában összefüggésben van a talaj kémhatásával (Szabó, 28). A Westsik tartamkísérletben a gombák aránya az I. parlagoltatásos vetésforgóban volt a legmagasabb, ahol a kémhatás a legalacsonyabb (8. ábra). A gomba/baktérium arány és a talaj kémhatása gyenge negatív korrelációban van (r=-,357). A gombák savanyúbb ph-n jobban fel tudják tárni a szubsztrátjaikat, mint a baktériumok, ezért számuk általában magasabb ilyen körülmények között (Davet, 24). A gomba/baktérium arány szintén gyenge negatív korrelációban van a talajlégzés intenzitásával (r=-,327), ami arra enged következtetni, hogy a talaj CO 2 -kibocsátásában a baktériumok nagyobb szerepet játszanak, mint a gombák. Az Actinomycetes-ek fontos szerepet játszanak a növényi maradványok lebontásában. A szárazságot általában jobban elviselik, mint a többi baktérium (Davet, 24). Az Aktinomycetesek mennyisége a 1Me C16: és 1Me C17: zsírsavak jelzik őket általában a külső szerves anyag bevitellel rendelkező 93

94 gomba PLFA/bagtérium PLFA gomba PLFA/bagtérium PLFA nmol/g nmol/g HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 vetésforgókban volt a legnagyobb (9. ábra), hasonlóan Bossio et al. (1998) eredményeihez. Az Actinomycetesek jellemzőek pl. a komposztálódás aktív szakaszára is, amikor a nagymolekulájú szervesanyagok lebontása történik (Davet, 24) Összes PLFA Összes PLFA d d cd bc cd bc abc abc abc abc abc abc ab a a ab a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgó Vetésforgó 7. ábra. A foszfolipid zsírsavak összes mennyisége a Westsik-tartamkísérlet egyes vetésforgóiban 212. áprilisában a-d indexek: Tukey-teszttel elkülönített szignifikancia csoportokba tartozó kezelések (p<,5),35,35,3,3,25,25,2,2,15,15,1,1,5,5,, A gombák és baktériumok arány a talajban A gombák és baktériumok arány a talajban,36,36,131,131,83,83,7,79,7,79,13,13,9,88,9,88,17,17 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgó Vetésforgó 8. ábra. A gombák és baktériumok aránya a Westsik vetésforgó tartamkísérletben, 212 áprilisában 94

95 Actinomycetes PLFA / összes baktérium PLFA Actinomycetes PLFA / összes baktérium PLFA HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212,7,7,6,6,5,5,4,4,3,3,2,2,1,1,, Az Actinomycetesek és az összes baktérium aránya Az Actinomycetesek és az összes baktérium aránya,65,65,39,39,32,32,22,17,14,18,19,22,17,14,18,19,7,7 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Vetésforgó Vetésforgó 9. ábra. Az Actinomycetesek és az összes baktérium aránya a Westsik vetésforgó tartamkísérletben A Livadai Kutató Intézet eredményei Mészkő alkalmazása mezőgazdasági területeken rendszerint jelentősen megnöveli a talaj ph értékét és javulás figyelhető meg a kémiai és biokémiai reakciókban, valamint a mikrobiológiai folyamatokban. A kezelések során változik számos kémiai vegyület oldhatósága, növeli ezek mennyiségét a növények gyökereinek környezetében ezáltal segítve fejlődésüket; nő a mikrobiális biomassza beleértve a mikrobiális dinamikát és diverzitást, így jelentős változások figyelhetőek meg a talajenzim aktivitásokban is (Acosta-Martinez és Tabatabai, 2). A Livadai Kutató Intézet tartamkísérletéből származó 212-es tavaszi talajmintavétel során gyűjtött minták mikrobiológiai eredményeit a 4-9. táblázatban mutatjuk be. Az invertáz enzim (4. táblázat) az 5 t/ha dózisban kijuttatott mészkővel, valamint istállótrágyával és NPK-val kezelt területen mutatta a legnagyobb aktivitást (3,57 mg glükóz/1g talaj/4h). A meszezés és különböző dózisú műtrágyák együttes alkalmazása is növeli az invertáz 95

96 aktivitását podzol talajon (Klebanovich és Moroz, 1997), azonban mindezeket istállótrágyával együtt alkalmazva a hatás tovább erősödik. Az eredményekből azonban látható, hogy a meszezésnek van egy optimális dózisa, ami fölött a kedvező hatás már csökken. Az istállótrágya szerves anyaga a mikroorganizmusok számára élőhelyet és tápanyagot is jelent, azáltal fokozva a talaj mikrobiális aktivitását. 4. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása az invertáz enzim aktivitására (mg glükóz/1g talaj/4h) agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø 7,47 1,55 15, 11,1 N 1,14 22,87 11,24 14,75 NP 8,7 28,46 17,79 18,32 x NPK 11,14 23,6 15,49 16,74 x # 19,3 27,1 22,16 22,85 x #+NPK 11,89 3,57 21,18 21,21 x Átlag 11,44 23,86 x 17,14 x N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2 t/ha/4év istállótrágya A (meszezés) B (tápanyag) AxB SZD 5% 3,18 6,25 11,84 96

97 5. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása a dehidrogenáz enzim aktivitására (mg formazán/1g talaj/24 óra) agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø,47,76,69,64 N,24,63,45,44 NP,34,62,47,48 NPK,55,13,19,89x #,163,2,151,171x #+NPK,11,192,135,146x Átlag,72,116 x,93 N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t/ha/4/év istállótrágya A (meszezés) B (tápanyag) AxB SZD 5%,34,26,53 Vizsgálataink során a legmagasabb dehidrogenáz enzim aktivitást (,2 mg formazán/1g talaj/24 óra) az istállótrágyás kezelésekben, ezeken belül is az 5 t/ha mészkő kezelésben részesülő parcellában figyeltük meg (5. táblázat). A 1 t/ha mész hatására az invertázhoz hasonlóan a dehidrogenáz aktivitása is csökkent. A talajmeszezés dehidrogenáz enzim aktivitást serkentő hatását figyelte meg Nazarkiewicz és Kaniuczak (28) is podzol talajon. 97

98 6. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása a kataláz enzim aktivitására (mg O 2 /1g száraz talaj/1h) agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø 1,26 3,32 4,5 2,88 N,6 2,78 3,95 2,44 NP,56 3,13 4,3 2,57 NPK,85 3,4 3,98 2,74 # 1,92 4,21 4,39 3,51 x #+NPK 1,69 4,3 4,52 3,41 x Átlag 1,15 3,48 x 4,15 x N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t/ha/4/év istállótrágya A (meszezés) B (tápanyag) AxB SZD 5%,34,26,53 A kataláz enzim aktivitása (6. táblázat) a vizsgált talajok közül legnagyobb aktivitással (4,52 mg O 2 /1g száraz talaj/1h) a 1 t/ha mész+istállótrágya+műtrágyával kezelt parcellákban mutatkozott. Lorenz et al. (21) szintén arról számolnak be, hogy meszezés hatására szignifikánsan nőtt a kataláz enzim aktivitása Podzol (spodic szintje van) és Luvisol (agyagfelhalmozódást mutat) talaj estében. A kataláz esetében tehát a meszezésnek nem tapasztaltunk gátló hatását és az istállótrágya talajba juttatása is fokozta az enzim aktivitását. 98

99 A meszezés a talajban sejten kívüli enzimként legtovább működő kataláz aktivitását nem csökkentette, illetve gátolta az alkalmazott mennyiségben, míg az élő sejtekkel szorosabb kapcsolatban lévő invertáz és dehidrogenáz aktivitását a nagy adagú meszezés csökkentette. 7. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása az összes zsírsav tartalomra (nmol/g) agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø 49,8 52,9 45,2 49,3 N 85,8 63,9 4,7 63,5 NP 11, 39,9 46,8 62,6 NPK 141,1 34,5 35,3 7,3 # 211,6 55,8 66,3 111,2 #+NPK 169,5 54,1 38,1 87,2 Átlag 126,5 5,2 45,4 N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t/ha/4/év istállótrágya Számos tanulmányban olvashatjuk, hogy mész alkalmazása közvetve vagy közvetlenül módosíthatja a talaj mikrobiális közösségének a szerkezetét (Xue et al., 21; Pawlett et al., 29). Ezekben a tanulmányokban a kutatók arról számolnak be, hogy meszezés hatására megnövekedett az összes zsírsav tartalom. Ezek ellentmondanak az általunk kapott eredményeknek, amelyekből azt állapíthatjuk meg, hogy a meszezés önmagában nem növelte az összes PLFA mennyiségét, sőt a meszezett 99

100 parcellákon a különböző tápanyag-utánpótlási módok hatása sem olyan erőteljes, mint a meszezetlen talajon. Az összes PLFA legnagyobb értékét (211,6 nmol/g) a meszezetlen, istállótrágyával kezelt parcellákban mértük (7. táblázat), ez mintegy négyszerese volt az istállótrágyázott és meszezett parcellákban mért értékeknek. Viszont az istállótrágya kezelés pozitív hatása megmutatkozik, hasonlóan Peacock et al. (21) eredményeihez, akik megállapították, hogy istállótrágya kezelés hatására növekedett a mikrobiális biomassza a kontroll kezeléshez képest. 8. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása a gombák/baktériumok arányára agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø,4,4,2,9 N,5,3,15,8 NP,5,7,11,4 NPK,4,4,12,7 #,4,4,1,6 #+NPK,3,4,12,6 Átlag,4,4,13 N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t/ha/4/év istállótrágya Pawlett et al. (29) munkájuk során megállapították, hogy 6 t/ha meszezés hatására barna erdőtalajon emelkedett a gomba/baktérium arány a felső talajszintben. Eredményeikhez hasonlóan, a legmagasabb 1

101 gomba/baktérium arányt a 1 t/ha mésszel kezelt kontroll talajon mértük, ellenben 5 t/ha mészkőadag még nem változtatott a gombák és baktériumok arányán (8. táblázat). A gombák és baktériumok arányában az egyes tápanyag-utánpótlási módok között különbség nem állapítható meg, hasonlóan a Westsik-kísérletben mért eredményekhez. A meszezés hatására történő gombaszám növekedés azonban ellentmond annak az alapvető megállapításnak, hogy a kémhatás növekedésével általában csökken a gombák száma. 9. táblázat. A tartós ( ) trágyázás és meszezés hatása az Actinomycetes-ek és az összes baktérium arányára agyagbemosódásos podzol talajon, Livada 212 Meszezés (mészkő t/ha) Átlag Ø,66,5,21,25 N,148,4,34,52 NP,173,4,4,6 NPK,126,7,5,46 #,44,6,4,18 #+NPK,95,59,5,35 Átlag,19,6,4 N=1kgN/ha; P=7kg/haP 2 O 5 ; K=6kgK 2 O/ha; #=2t/ha/4/év istállótrágya A nagymolekulájú szervesanyagok lebontásában részt vevő Actinomycetes-ek aránya a meszezetlen parcellák talajában volt a legmagasabb, ahol arányukat elsősorban a műtrágyázás növelte, az 11

102 istállótrágya kijuttatásának nem volt pozitív hatása (9. táblázat). A műtrágya adagolás hatása valószínűleg a C/N arány javításán keresztül érvényesült, de az ezt a feltételezést alátámasztó eredmények értékelése még folyamatban van. A meszezés az Actinomycetes-ek mennyiségét mindkét dózisban hasonlóan csökkentette, és az egyes tápanyag-utánpótlási módok hatását is elnyomta. Összefoglalás A talajok mikrobiális aktivitása a lebontó folyamatokon keresztül CO 2 -ot juttat a légkörbe. A mitigáció egyik lehetséges módja a talajból a légkörbe jutó CO 2 mennyiségének csökkentése. Ez a talaj művelésének csökkentésével (reduced tillage, non-tillage) érhető el, valamint mértékét befolyásolja a talajtípus, az alkalmazott tápanyag-utánpótlás, a meszezés mértéke. A kísérletekben a legmagasabb talajlégzést a külső szervesanyagbevitellel rendelkező és műtrágyázott kezelésekben mértünk. A talajba juttatott szerves anyag bármely formája a mikrobák számára különböző mértékben bontható tápanyagot jelent. Ennek ellenére az intenzíven használt mezőgazdasági talajok termékenységének hosszú távú megőrzéséhez a szerves anyag talajba juttatása elengedhetetlen. A szervesanyag-bevitel hatását a meszezés és a műtrágyázás egyaránt jelentősen képes módosítani. A nagyobb mikrobiológiai aktivitás megnöveli a talajból eltávozó CO 2 mennyiségét, de az intenzívebb talajlégzést mutató parcellákban a növényi biomasszába beépített szén mennyisége is nagyobb, valamint a talajba bejuttatott szerves anyag mennyisége is több. A mitigációt megvalósítását támogató agrotechnika csak több időpontban végzett vizsgálatok alapján adható meg, melynek az itt ismertetett eredmények csak egy részét képezik. A projekt további feladata az összes eredmény figyelembe vételével egy összetett elemzés elvégzése után a CO 2 kibocsátást csökkentő agrotechnikák lehetséges módjainak megadása. 12

103 Felhasznált irodalom Acosta-Martinez, V., Tabatabai, M.A. (2): Enzyme activities in a limed agriculture soil. Biology and Fertility of Soil 3, Baligar, V.C., Wright, R.J., Fageria, N.K and Pitta V.E. (1999): Enzyme activities in cerrado soils of brazil. Communication in Soil Science and Plant Analysis 3, Balogh, J., Pintér, K., Fóti, Sz., Cserhalmi, D., Papp, M., Nagy, Z. (211): Dependence of soil respiration on soil moisture, clay content, soil organic matter, and CO 2 uptake in dry grasslands. Soil Biology and Biochemistry 43, Bligh, E. G., Dyer, W. J. (1959): A rapid method of total lipid extraction and purification. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology 37, Bossio, D.A., Scrow, K.M., Gunapala, N., Graham, K.J. (1998). Determinants of soil microbial communities: effects of agricultural amnagement, seasons and soil type on phospholipid fatty acid profiles. Microbial Ecology 36, Davet, P. (24). Microbial ecology of the soil and plant growth. Science Publishers, Inc. Enfield, Usa, Plymuth, UK. Dick, R.P. (1994). Soil enzyme activities as indicators of soil quality. In: Doran, J.W., Colemann, D.C., Bezdicek, D.F., Stewart, B.A. (Eds.): Defining soil quality for a sustainable environment. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp Epstein E..- Kohnke, H. (1957): Soil aeration as affected by organic matter application. Soil Science Soc. Am. Proc. 21, Fang C., Moncrieff J. B. (21). The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry 33, Federle, T.W. (1986). Microbial distribution in soil new technics. In: Megusar, F., Banthar, M. (Eds.): Perspectives in microbial ecology. Slovene Society for Microbiology. Ljubljana, pp

104 Garcia-Gil, J.C., Plaza, C., Soler-Rovira, P., Polo, A. (2): Long-term effects of solid waste compost application on soil enzyme activities and microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry 32, Halbritter, A., Uzinger N. (25). A talaj-mikrobióta vizsgálata foszfolipidek alapján. I. Szükségesség és alkalmazási lehetőségek. Agrokémia és Talajtan 54, Ibekwe, A.M., Kennedy, A.C. (1998). Phospholipid fatty acid profiles and carbon utilization patterns for analysis of microbial community structure under field and greenhouse conditions. FEMS Microbiology Ecology 26, Jensen, L. S. - Mueller, T. - Tate, K. R. - Ross, D. J. - Magid, J. - Nielsen, N. E. (1996): Soil surface CO 2 flux as an index of soil respiration in situ: a comparison of two chamber methods. Soil Biology and Biochemistry 28, Klebanovich N.V. and Moroz G.V. (1997): The influence of liming on the micriflora and microbiological characteristics of Belarussian soddypodzolic soils. Eurasian Soil Science 3, Kiss I. (1958): Talajenzimek. In Csapó M. J.: Talajtan. Bukarest. pp Kroppenstedt, R.M. (1992). The genus Nocardiopsis. In: The Procaryotes 2 (Eds.: Balows, A. etal.) Springer, New York. Lloyd, J., Taylor, J.A. (1994): On the temperature dependence of soil respiration. Functional Ecology Lorenz, K., Preston, C.M., Feger, K-H. (21): Long-term effects of liming on microbial biomass and activity and soil organic matter quality ( 13 C CPMAS NMR) in organic horizons of Norway spure forest in Southern Germany. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 164, Mikanová, O., Kubát, J., Mikhailovskaya, Vörös I., Bíró B. (21). Influence of heavy metal pollution on some soil-biological parameters in the alluvium of the Litavka river. Rostlinná Vyroba 47, Nazarkiewicz M., Kaniuczak J. (28): Effect of liming and mineral fertilization on the enzymatic activity of grey-brown podzolic soils formed from loess. Polish Journal of Soil Science XLI/2,

105 Ngao, J., Epron, D., Delpierre, N., Bréda, N.,Granier, A., Longdoz, B. (212). Spatial variability of soil CO 2 efflux linked to soil parameters and ecosystem characteristics in a temperate beech forest. Agricultural and Forest Meteorology , Painkov, N.S. (1999). Understanding and predition of soil microbial community dynamics under global change. Applied Soil Ecology 11, Pawlett, M., Hopkins, D.W., Moffett, B.F., Harris, J.A. (29): The effect of eathworms and liming on soil microbial communities. Biology and Fertility of Soils 45, Peacock, A.D., Mullen, M.D., Ringelberg, D.B., Tyler, D.D., Hedrick, D.B., Gale, P.M., White, D.C. (21): Soil microbial community responses to dairy manure or ammonium nitrate applications. Soil Biology and Biochemistry 33, Raich, J.W., Schlesinger,W.H. (1992). The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate. Tellus 44B, Ratledge, C., Wilkinson, S.G. (1988). Microbial Lipids. Academic Press, London. Saiz, G., Black, K., Reidy, B., Lopez, S., Farrell, E.P. (27): Assessment of soil CO 2 efflux and its components using a processbased model in a young temperate forest site. Geoderma 139, Schinner, F., Kandeler, E., Öhlinger, R., Margesin, R. (eds) (1996): Methods in Soil Biology. Springer. Schimel, J.P., Gulledge, J. (1998): Microbial community structure and global trace gases. Global Change Biol. 4, Stahl, D. A., Lane, D.J., Olsen, G.J és Pace N. (1984): Analysis of hydrothermal vent-associated symbiont by ribosomal RNA sequences. Science 224, Stahl, D. A., Lane, D. J., Olsen, G. J. és Pace N. (1985): Characterization of a Yellowstone hot spring microbial community by 5S RNA sequences. Appl. Environ. Microbiol. 49, Szabó I. M. (28): Az általános talajtan biológiai alapjai. Mundus Magyar Egyetemi Kiadó, Budapest 15

106 Szegi J. (1979): Talajmikrobiológiai vizsgálati módszerek. Mezőgazdasági Könyvkiadó, Budapest Szöllősi, N., Zsembeli, J., Kovács, Gy., Juhász, Cs. (29). CO 2 emission and long-term prediction of carbon stock change of the soil in different soil tillage systems. Analele Universităţii din Oradea, Fascicula:Protecţia Mediului Vol. XIV, Tabatabai, M.A. (1994). Soil enzymes. In: Page, A.L., Miller, R.H., Keeney, D.R. (Eds.): Methods os soil analysis. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp White, D. C., Davis, W. M., Nickels, J. S., King, J. D., Bobbie, R. J. (1979): Determination of the sedimentary microbial biomass by extractible lipid phosphate. Oecologia 4, White, D. C. (1994) Is there anything else you need to understand about the microbiota that cannot be derived from analysis of nucleic acids? Microbial Ecology 28, Xue, D., Huang, X., Yao, H., Huang C. (21): Effect of lime application on microbial community in acidic tea orchard soils in comparison with those in wasteland and forest soils. Journal of Environmental Sciences 22, Yang, L., Li, T., Li, F., Lemcoff, J.H., Cohen, S. (28). Fertilization regulates soil enzymatic activity and fertility dynamics in a cucumber filed. Scientia Horticulturale 116, Zelles, L., Bai, Y.Q., Beck, T., Beese, F. (1992). Signature fatty acids in phospholipids and lipopolysaccharides as indicators of microbial biomass and community structure in agricultural soils. Soil Biology and Biochemistry 24, Zelles, L., Bai, Y.Q., Rackwitz, R., Chadwick, D., Beese, F. (1995). Determination of phospholipid- and lipopolysaccharide-derived fatty acids as an estimate of microbial biomass and community structures in soils. Biology and Fertility of Soils 19, Zelles, L. (1999). Fatty acid patterns of phospholipids and lipopolysaccharides in the characterisation of the microbial communities in soil: a review. Biology and Fertility of Soils 29,

107 Zsembeli J., Kovács Gy. (27): Dynamics of CO 2 -emission of the soil in conventional and reduced tillage systems. Cereal Research Communications 35,

108 6. Szénkészlet leltár számítás a Nyíregyházi Kutató Intézetben fenntartott Westsik-féle tartamkísérletre Zsembeli József 1. A talaj szénkészletének számítása az IPCC módszer szerint A talaj szénkészletének meghatározására vonatkozó számításainkhoz az IPCC Good Practice Guidance for Land Use, Land-Use Change and Forestry továbbiakban IPCC Útmutató - (kb. Helyes Gyakorlati Útmutató a Földhasználatra, a Földhasználat változására és az Erdészetre vonatkozóan) 23-as kiadásában leírt módszertant használjuk. Ez a kézikönyv segítséget nyújt a talaj földhasználattól függő CO 2 emissziója és elnyelése mértékének becsléséhez. Ez a metodika a talaj szénkészletét egységesen és egyezményesen a felső 3 cm-es rétegben veszi figyelembe, és nem kalkulál a felszínen esetlegesen felhalmozódó növényi maradványok széntartalmával vagy a szervetlen szén (pl. karbonát ásványok) változásával. Természetesen termőhelytől függően más mélységgel is lehet számolni, de akkor az eredmények kevésbé lehetnek összevethetők más területek eredményeivel, amelyekre az egyezményes 3 cm-es mélységre vonatkozó adatok állnak rendelkezésre. SOC = SOC CALC * F LU * F MG * F I * A ahol SOC = a talaj szénkészlete a vizsgálati évben, t C év -1 SOC CALC = számított szénkészlet a talaj humusztartalma alapján, t C ha -1 F LU = a talajhasználat típusától függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül F MG = a talajművelési rendszertől függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül F I = a szerves C-inputtól függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül A = a vizsgált terület nagysága, ha. 18

109 A növénytermesztéssel hasznosított területet a neki specifikusan megfelelő klíma-, talaj- és művelési rendszer kombinációjával jellemezzük. Természetesen a fenti egyenlet csak egy olyan terület szénkészletét írja le, ahol csak egy bizonyos talajtípus fordul elő, adott a talajhasználat típusa, a talajművelési rendszer és a szervesanyag-gazdálkodás intenzitása. Amennyiben tehát ezek az adatok a rendelkezésünkre állnak, az adott területnagyságra ki tudjuk számolni a talaj szénkészletét. Ennek megkönnyítésére az IPCC felkérésére a Colorado State University Natural Resource Ecology Laboratory (kb. Colorado Állami Egyetem Természeti Erőforrások Ökológiai Laboratóriuma) egy számítógépes programot (IPCC Soil Carbon Tool a továbbiakban SCT) fejlesztett ki. A program leírása szerint ez egy olyan eszköz, amely a szántó és gyepterületek talajának szénkészletében a talajhasználat változásának hatására bekövetkező változások becslésére szolgál az IPCC által meghatározott alapértelmezett értékek alapján. Az STC-ben a következő alapparamétereket kell beállítani: ország (country), éghajlat típus (climate region), talajtípus (native soil type). Az utóbbiak az IPCC saját kategóriái, de a WRB, vagy a USDA kategóriarendszerének felhasználásával az adott talajtípusok besorolhatóak ebbe a rendszerbe. Ezen alapparaméterek ismeretében a program becslést ad az adott talaj meglévő szénkészletének (existing carbon stock) nagyságáról MgC/ha dimenzióban (1. ábra). Pontosabb, helyspecifikusabb adatokat kaphatunk, amennyiben a talaj szénkészletét annak humusztartalma alapján határozzuk meg. Kidolgoztuk ennek módszerét, amely azon alapul, miszerint a talaj szerves anyagainak széntartalmát átlagosan 58%, a humusztartalom és a szerves szén mennyisége között pedig az alábbi összefüggés állapítható meg (FILEP, 1999): Hu% = szerves C x 1,72. Ezen összefüggésnek megfelelően 19

110 számíthatjuk ki a mért humusztartalom alapján a talaj szénkészletét. A számítás menete a következő: 1. kiszámítjuk 1 ha, azaz 1. m 2 területen a talaj 3 cm-es (,3 m) rétegének a térfogatát: 1. x,3 = 3. m 3, 2. kiszámítjuk 3. m 3 talaj tömegét, úgy hogy a térfogatot (m 3 ) megszorozzuk a talajtípusra jellemző átlagos térfogattömeggel (g cm -3 = t m -3 ): 3. m 2 x m tf (t m - ), 3. kiszámítjuk a talaj humusztartalmának a tömegét, úgy a talaj tömegét megszorozzuk a százalékos humusztartalommal: m tf x Hu%, 4. végül a humusz tömegének széntartalmát számoljuk ki: m tf x Hu% x,58. Ez a nyíregyházi talaj paramétereinek ismeretében az 1. táblázatban közölteknek megfelelően alakul. 1. táblázat. A nyíregyházi kísérlet parcelláinak humusztartalmuk alapján számított szerves szénkészlete Kezelés Humusztartalom (%) Térfogattömeg (g/cm 3 ) Szerves széntartalom (t/ha) I,76 1,495 19,77 III,85 1,495 22,11 VI,76 1,495 19,77 VII,58 1,495 15,9 X,67 1,495 17,43 XI,81 1,495 21,7 XIII,7 1,495 18,21 XIV,63 1,495 16,39 XV,61 1,495 15,87 11

111 1. ábra. A Westsik kísérlet talajának az IPCC SCT segítségével számított szerves szénkészlete 2. A szervesanyag-input szerinti besorolás Az IPCC metodika szerint az input faktorok a talajba bekerülő szervesanyag széntartalmának a talaj szénkészletének változására gyakorolt 111

112 hatását jellemzik annak függvényében, hogy pl. mennyi a területen maradó növényi maradvány, a fekete ugaroltatás gyakorisága, vagy az alkalmazott javítóanyagok és trágyaszerek mennyisége. Az IPCCC metodika szerint az input faktor kategóriák a következők: alacsony, közepes, magasszervestrágyázás nélkül és magas-szervestrágyázással. Alacsony: kevés növényi maradvány visszajuttatása köszönhetően a növényi maradványok eltávolításának (azok összegyűjtése vagy elégetése útján), a gyakori ugaroltatásnak vagy olyan növények termesztésének, amelyek kevés növényi maradványt produkálnak (pl. zöldség félék, dohány, gyapot). Közepes: közepes mennyiségű növénymaradvány jellemzi azokat a rendszereket, amelyekben általában gabonaféléket termesztenek és az összes növényi maradvány a területen marad. Ha a növényi maradványok mégis eltávolításra kerülnek, akkor egyéb anyagok (pl. szerves trágya) talajba jutatásával egészül ki a szerves anyag bevitel. Magas-szervestrágyázás nélkül: olyan vetésváltási rendszerek tartoznak ide, amelyekben a növényi maradvány input szervestrágyázás nélkül is lényegesen nagyobb a sok növényi maradványt produkáló növények termesztésének, a zöldtrágyázás-, köztesnövények alkalmazásának, a zöldugaroltatásnak, az évelő fűféléknek a vetésváltásban való gyakori használatának köszönhetően. Magas-szervestrágyázással: a fenti kategóriához hasonlóan magas növényi maradvány input, de rendszeres állati eredetű szerves trágyázással kiegészítve. Ennek alapján a nyíregyházi kísérlet kezeléseit a 2. táblázatban 112

113 közölteknek megfelelően lehet besorolni. 2. táblázat. A nyíregyházi kísérlet parcelláinak szervesanyag input szerinti besorolása Kezelés Bevitt szervesanyag mennyisége (t/ha) Input kategória tarlómaradvány szervestrágya I,6 - alacsony III 2,4 - közepes VI 1,4 26 magas szervestrágyázással VII,6 26 magas szervestrágyázással X 1,2 26 magas szervestrágyázással XI 2,7 26 magas szervestrágyázással XIII 3,2 - közepes XIV 3,3 - közepes XV 3, - közepes 3. A szénkészlet és változása a nyíregyházi tartamkísérletben A tényleges humusztartalom alapján számított szerves szénkészlet értékek jó egyezést mutatnak az IPCC metodika alapján számított 19 t/ha-os értékkel. A talaj típusát és az éghajlati jellemzőket figyelembe véve a vizsgált parcellák talajának szerves széntartalma átlagosnak tekinthető. A fent ismertetett metodika alapján előre jelezhető, hogy a kezelések talajának szénkészlete a vizsgálati évhez (SOC 212 ) képest hogyan változik meg 2 év múlva, amennyiben az adott talajművelési rendszert és annak elemeit fenntartják (3. táblázat). A szénkészlet változásokat elemezve egyértelmű, hogy a parcellák 113

114 két csoportba sorolhatók be. A rendszeresen szervestrágyázott parcellák talajában a szénkészlet növekedése várható (2. ábra), míg azokban a parcellákban, ahol alacsony és közepes mennyiségű a területen hagyott és beforgatott növényi maradvány mennyisége, a szánkészlet várhatóan csökkeni fog az elkövetkező 2 év során (3. ábra). A növekedés mértéke mintegy 1%, míg a csökkenésé majdnem 2%. Ez utóbbi különösen felhívja a figyelmet arra, hogy nem elégséges csak a termesztett növények tápanyagigényének kielégítése, de törekedni kell a talaj fenntartható tápanyagtőkéjének biztosításra is. Ennek eszközei a helyesen megválasztott talajművelési rendszer (lehetőleg forgatás nélküli), illetve a fokozott szervesanyag bevitel (növénymaradvány-gazdálkodás). Ez utóbbi azért is indokolt, mert napjaink mezőgazdaságának egyik legégetőbb problémája a műtrágyák árának folyamatos emelkedése. Az eredményes és hatékony gazdálkodáshoz ezért elengedhetetlen a tápanyag-visszapótlás alternatív módjainak alkalmazása és meghonosítása. Az egyik legkézenfekvőbb megoldás a tápanyagok egyszerű és olcsó visszapótlására a termelés során keletkező szalma felszecskázása és talajba dolgozása. Mivel a kísérleti területen a vetésváltásban szereplő növények adottak, további növényi maradvány bevitele nem reális. Javasolható azonban a redukált talajművelési rendszerre történő áttérés. Ebben az esetben kisebb mértékű a talaj bolygatása, kevesebb szerves anyag ég el, így növelhető a talaj tápanyagkészlete. A redukált művelés egyben nedvességmegőrzéssel is jár, így a kedvezőtlen vízforgalmú homok talajokon is különösen javasolt. A redukált művelésre való áttéréssel a 4. ábrán feltüntetett mértékben növelhető az adott parcellák szerves szénkészlete 2 év alatt. 114

115 3. táblázat. A szénkészlet és változása a nyíregyházi Westsik vetésforgó tartamkísérletben ( ) 115

116 2. ábra. A szénkészlet változása a rendszeresen szervestrágyázott parcellák talajában 3. ábra. A szénkészlet változása a szervestrágyázás nélküli parcellák talajában 116

117 4. ábra. A szénkészlet változása redukált talajművelésre való áttérés esetén Felhasznált irodalom BEARE, M.H. - HENDRIX, P.F. - COLEMAN, D.C.: Waterstable aggregates and organic matter fractions in conventional- and notillage soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 58: Biológiai Lexikon, 1975 BIRKÁS, M.: 22. Környezetkímélő és energiatakarékos talajművelés. Szent István Egyetem, Gödöllő. DORAN, J.W.: 198. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: European Environment Agency Soil Degradation, chapter 11, p ; chapter 2, climate change, p In: Europe s Environment: The Second Assesment, Elsevier Science Ltd., pp FILEP, GY Talajtani alapismeretek I

118 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 GYURICZA, CS. BIRKÁS, M. (24). Talajhasználat. Műveléshatás. Talajnedvesség Quality- press nyomda és Kiadó Kft. LAL, R., Kimble, J.M., Follett, R.F., Cole, C.V., The potential of U.S. cropland sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Sleeping Bear Press, 128. MARMO, L. (28). EU strategies and policies on soil and waste management to offset greenhouse gas emissions. /Waste Management/. 28: MARTH P., KARKALIK A., (24) A Talajvédelmi Információs és Monitoring rendszer módszertana, működése, informatikai rendszere REICOSKY, D. C Tillage and short-term CO 2 emissions from soils in the laboratory. Kézirat. MICHÉLI E, (1999) A FAO talaj világtérképe és osztályozási rendszere In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , QUEMADA, M. - CABRERA, M.L.: Carbon and nitrogen mineralized from leaves and stems of four cover crops. Soil Sci. Soc. Am. J. 59: STEFANOVITS (1999) A talaj humusztartalma In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , TAMÁS, J.: 21. Precíziós Mezőgazdaság. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest. TOMBÁCZ E. (23), Talajreleváns határfelületi és kolloid kölcsönhatások, MTA Doktori értekezés ZSEMBELI, J. - TUBA, G. KOVÁCS, GY. (26): Development and extension of CO 2 -emission measurements for different soil surfaces. Cereal Research Communications. Vol. 34. No h

119 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 kibocsatast/ h &id=1333&itemid= h h MINIMUM_kerdesek_211.pdf 119

120 7. Szénkészlet leltár számítás a Livadai Kutató Intézetben fenntartott trágyázási tartamkísérletre Zsembeli József 1. A talaj szénkészletének számítása az IPCC módszer szerint A talaj szénkészletének meghatározására vonatkozó számításainkhoz az IPCC Good Practice Guidance for Land Use, Land-Use Change and Forestry továbbiakban IPCC Útmutató - (kb. Helyes Gyakorlati Útmutató a Földhasználatra, a Földhasználat változására és az Erdészetre vonatkozóan) 23-as kiadásában leírt módszertant használjuk. Ez a kézikönyv segítséget nyújt a talaj földhasználattól függő CO 2 emissziója és elnyelése mértékének becsléséhez. Ez a metodika a talaj szénkészletét egységesen és egyezményesen a felső 3 cm-es rétegben veszi figyelembe, és nem kalkulál a felszínen esetlegesen felhalmozódó növényi maradványok széntartalmával vagy a szervetlen szén (pl. karbonát ásványok) változásával. Természetesen termőhelytől függően más mélységgel is lehet számolni, de akkor az eredmények kevésbé lehetnek összevethetők más területek eredményeivel, amelyekre az egyezményes 3 cm-es mélységre vonatkozó adatok állnak rendelkezésre. SOC = SOC CALC * F LU * F MG * F I * A ahol SOC = a talaj szénkészlete a vizsgálati évben, t C év -1 SOC CALC = számított szénkészlet a talaj humusztartalma alapján, t C ha -1 F LU = a talajhasználat típusától függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül F MG = a talajművelési rendszertől függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül F I = a szerves C-inputtól függő készletváltozási faktor, dimenzió nélkül A = a vizsgált terület nagysága, ha. 12

121 A növénytermesztéssel hasznosított területet a neki specifikusan megfelelő klíma-, talaj- és művelési rendszer kombinációjával jellemezzük. Természetesen a fenti egyenlet csak egy olyan terület szénkészletét írja le, ahol csak egy bizonyos talajtípus fordul elő, adott a talajhasználat típusa, a talajművelési rendszer és a szervesanyag-gazdálkodás intenzitása. Amennyiben tehát ezek az adatok a rendelkezésünkre állnak, az adott területnagyságra ki tudjuk számolni a talaj szénkészletét. Ennek megkönnyítésére az IPCC felkérésére a Colorado State University Natural Resource Ecology Laboratory (kb. Colorado Állami Egyetem Természeti Erőforrások Ökológiai Laboratóriuma) egy számítógépes programot (IPCC Soil Carbon Tool a továbbiakban SCT) fejlesztett ki. A program leírása szerint ez egy olyan eszköz, amely a szántó és gyepterületek talajának szénkészletében a talajhasználat változásának hatására bekövetkező változások becslésére szolgál az IPCC által meghatározott alapértelmezett értékek alapján. Az STC-ben a következő alapparamétereket kell beállítani: ország (country), éghajlat típus (climate region), talajtípus (native soil type). Az utóbbiak az IPCC saját kategóriái, de a WRB, vagy a USDA kategóriarendszerének felhasználásával az adott talajtípusok besorolhatóak ebbe a rendszerbe. Ezen alapparaméterek ismeretében a program becslést ad az adott talaj meglévő szénkészletének (existing carbon stock) nagyságáról MgC/ha dimenzióban (1. ábra). Pontosabb, helyspecifikusabb adatokat kaphatunk, amennyiben a talaj szénkészletét annak humusztartalma alapján határozzuk meg. Kidolgoztuk ennek módszerét, amely azon alapul, miszerint a talaj szerves anyagainak széntartalmát átlagosan 58%, a humusztartalom és a szerves szén mennyisége között pedig az alábbi összefüggés állapítható meg (FILEP, 1999): Hu% = szerves C x 1,72. Ezen összefüggésnek megfelelően 121

122 számíthatjuk ki a mért humusztartalom alapján a talaj szénkészletét. A számítás menete a következő: 1. kiszámítjuk 1 ha, azaz 1. m 2 területen a talaj 3 cm-es (,3 m) rétegének a térfogatát: 1. x,3 = 3. m 3, 2. kiszámítjuk 3. m 3 talaj tömegét, úgy hogy a térfogatot (m 3 ) megszorozzuk a talajtípusra jellemző átlagos térfogattömeggel (g cm -3 = t m -3 ): 3. m 2 x m tf (t m - ), 3. kiszámítjuk a talaj humusztartalmának a tömegét, úgy a talaj tömegét megszorozzuk a százalékos humusztartalommal: m tf x Hu%, 4. végül a humusz tömegének széntartalmát számoljuk ki: m tf x Hu% x,58. Ez a livadai talaj paramétereinek ismeretében az 1. táblázatban közölteknek megfelelően alakul. 1. táblázat. A livadai kísérlet parcelláinak humusztartalmuk alapján számított szerves szénkészlete Kezelés Humusztartalom (%) Térfogattömeg (g/cm 3 ) Szerves széntartalom (t/ha) 1 1,46 1,14 28,96 2 1,5 1,14 29,75 3 1,55 1,14 3,75 4 1,62 1,14 32,13 5 1,87 1,14 37,9 6 1,91 1,14 37,89 7 1,42 1,14 28,17 8 1,49 1,14 29,56 9 1,41 1,14 27,97 1 1,6 1,14 31, ,81 1,14 35,9 12 1,85 1,14 36,7 13 1,31 1,14 25, ,25 1,14 24,8 15 1,32 1,14 26, ,49 1,14 29, ,79 1,14 35, ,87 1,14 37,9 122

123 1. ábra. A livadai kísérlet talajának az IPCC SCT segítségével számított szerves szénkészlete 2. A szervesanyag-input szerinti besorolás Az IPCC metodika szerint az input faktorok a talajba bekerülő 123

124 szervesanyag széntartalmának a talaj szénkészletének változására gyakorolt hatását jellemzik annak függvényében, hogy pl. mennyi a területen maradó növényi maradvány, a fekete ugaroltatás gyakorisága, vagy az alkalmazott javítóanyagok és trágyaszerek mennyisége. Az IPCCC metodika szerint az input faktor kategóriák a következők: alacsony, közepes, magasszervestrágyázás nélkül és magas-szervestrágyázással. Alacsony: kevés növényi maradvány visszajuttatása köszönhetően a növényi maradványok eltávolításának (azok összegyűjtése vagy elégetése útján), a gyakori ugaroltatásnak vagy olyan növények termesztésének, amelyek kevés növényi maradványt produkálnak (pl. zöldség félék, dohány, gyapot). Közepes: közepes mennyiségű növénymaradvány jellemzi azokat a rendszereket, amelyekben általában gabonaféléket termesztenek és az összes növényi maradvány a területen marad. Ha a növényi maradványok mégis eltávolításra kerülnek, akkor egyéb anyagok (pl. szerves trágya) talajba jutatásával egészül ki a szerves anyag bevitel. Magas-szervestrágyázás nélkül: olyan vetésváltási rendszerek tartoznak ide, amelyekben a növényi maradvány input szervestrágyázás nélkül is lényegesen nagyobb a sok növényi maradványt produkáló növények termesztésének, a zöldtrágyázás-, köztesnövények alkalmazásának, a zöldugaroltatásnak, az évelő fűféléknek a vetésváltásban való gyakori használatának köszönhetően. Magas-szervestrágyázással: a fenti kategóriához hasonlóan magas növényi maradvány input, de rendszeres állati eredetű szerves trágyázással kiegészítve. Ennek alapján a livadai kísérlet kezeléseit a 2. táblázatban 124

125 közölteknek megfelelően lehet besorolni. 3. A szénkészlet és változása a livadai tartamkísérletben A tényleges humusztartalom alapján számított szerves szénkészlet értékek jó egyezést mutatnak az IPCC metodika alapján számított 38 t/ha-os értékkel. A talaj típusát és az éghajlati jellemzőket figyelembe véve a vizsgált parcellák talajának szerves széntartalma átlag alattinak, alacsonynak tekinthető. A fent ismertetett metodika alapján előre jelezhető, hogy a kezelések talajának szénkészlete a vizsgálati évhez (SOC 212 ) képest hogyan változik meg 2 év múlva, amennyiben az adott talajművelési rendszert és annak elemeit fenntartják (3. táblázat). Mivel a livadai kísérletben meszezést is alkalmaznak, annak a talaj szénkészletét módosító hatását is figyelembe kell venni (4. táblázat). Ennek a hatásnak a lényege, hogy az IPCC metodika a talajjavítási célzattal használt CaCO 3 -tartalmú meszezőanyagokat (mészkő, dolomit) CO 2 emissziós forrásnak tekinti. Ennek az a magyarázata, hogy amikor a meszezőanyag karbonátja a talajoldatba kerül, a talajkolloidokon a bázikus kationok (Ca ++, Mg ++ ) kicserélődnek a hidrogén ionokkal (H + ) bikarbonátot formálva (2HCO 3 ), amely további reakcióban széndioxiddá és vízzé alakul. Bár a meszezésnek általában több évre kiható hatása van, az IPCC metodika a meszezőanyag alkalmazásának évében az összes karbonát széndioxid formájában való emittálásával kalkulál. Ennek megfelelően az összes kijuttatott meszezőanyag mennyiségét egy emissziós faktorral beszorozva megkapjuk a talaj szénkészletének csökkenését. 125

126 2. táblázat. A livadai kísérlet parcelláinak szervesanyag input szerinti besorolása Kezelés Bevitt szervesanyag mennyisége (t/ha) tarlómaradvány szervestrágya Input kategória 1, - alacsony 2, - alacsony 3,19 - alacsony 4,39 - alacsony 5,83 2 magas szervestrágyázással 6,94 2 magas szervestrágyázással 7,37 - alacsony 8 1,2 - alacsony 9 1,38 - alacsony 1 1,74 - alacsony 11,77 2 magas szervestrágyázással 12 1,96 2 magas szervestrágyázással 13,39 - alacsony 14 1,2 - alacsony 15 1,3 - alacsony 16 1,66 - alacsony 17,9 2 magas szervestrágyázással 18 2,2 2 magas szervestrágyázással A livadai kísérlet parcelláinak talajában bekövetkező szénkészlet változásokat elemezve egyértelmű, hogy szervestrágyázás nélkül a parcellák talajában (2. ábra) drasztikus szerves szénkészlet veszteséggel számolhatnak, amennyiben az adott talajművelési, tápanyag-gazdálkodási és talajjavítási stratégiát alkalmazzák. A csökkenés fő oka a szervesanyag visszapótlás igen alacsony mivolta. Ezt a megállapítást az is alátámasztja, hogy rendszeresen szervestrágyázott parcellák talajában a szénkészlet növekedése várható (3. ábra). A jelenlegi szerves szénkészletet az éves viszonylatban kijuttatott 1-2 t/ha mészadag ugyan némileg csökkenti, de a jelentős mennyiségű szervesanyag visszapótlással (szervestrágyázás) nem csak fenntartható, de hosszabb távon növelhető is a talaj szénkészlete. 126

127 2. ábra. A szénkészlet változása a szervestrágyázás nélküli parcellák talajában Az eredmények felhívják a figyelmet arra, hogy nem elégséges csak a termesztett növények tápanyagigényének kielégítése, de törekedni kell a talaj fenntartható tápanyagtőkéjének biztosításra is. Ennek eszközei a helyesen megválasztott talajművelési rendszer (lehetőleg forgatás nélküli), illetve a fokozott szervesanyag bevitel (növénymaradvány-gazdálkodás). Ez utóbbi azért is indokolt, mert napjaink mezőgazdaságának egyik legégetőbb problémája a műtrágyák árának folyamatos emelkedése. Az eredményes és hatékony gazdálkodáshoz ezért elengedhetetlen a tápanyag-visszapótlás alternatív módjainak alkalmazása és meghonosítása. Az egyik legkézenfekvőbb megoldás a tápanyagok egyszerű és olcsó visszapótlására a termelés során keletkező szalma felszecskázása és talajba dolgozása. 127

128 3. táblázat. A szénkészlet és változása a livadai tartamkísérletben 128

129 4. táblázat. A meszezés szénkészletet módosító hatása a livadai tartamkísérletben A vizsgált terület talajának szerves szénkészletét feltétlenül meg kell őrizni, illetve növelni kell, hiszen a jelenlegi érték is alacsony. Javasolható a redukált talajművelési rendszerre történő áttérés, ami a növényi maradványok területen hagyásával további szerves anyag bevitellel is jár. Ezen kívül javasolható a mészadagok 2 t/ha dózisban történő maximalizálása. A redukált művelésre való áttéréssel, illetve a meszezés optimalizálásával a 4. ábrán feltüntetett mértékben növelhető az adott A A vizsgált terület talajának szerves szénkészletét feltétlenül meg kell őrizni, illetve növelni kell, hiszen a jelenlegi érték is alacsony. Javasolható a redukált talajművelési rendszerre történő áttérés, ami a növényi maradványok területen hagyásával további szerves anyag bevitellel is jár. Ezen kívül javasolható a mészadagok 2 t/ha dózisban történő maximalizálása. A redukált művelésre való áttéréssel, illetve a meszezés optimalizálásával a 4. ábrán feltüntetett mértékben növelhető az adott parcellák szerves szénkészlete a következő 2 év során. Így mind a szervestrágyázott, mind az anélkül művelt parcellák szénkészlete is 129

130 növekedni fog. 3. ábra. A szénkészlet változása a rendszeresen szervestrágyázott parcellák talajában 4. ábra. A szénkészlet változása redukált talajművelésre való áttérés esetén 13

131 Felhasznált irodalom BEARE, M.H. - HENDRIX, P.F. - COLEMAN, D.C.: Waterstable aggregates and organic matter fractions in conventional- and notillage soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 58: Biológiai Lexikon, 1975 BIRKÁS, M.: 22. Környezetkímélő és energiatakarékos talajművelés. Szent István Egyetem, Gödöllő. DORAN, J.W.: 198. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: European Environment Agency Soil Degradation, chapter 11, p ; chapter 2, climate change, p In: Europe s Environment: The Second Assesment, Elsevier Science Ltd., pp FILEP, GY Talajtani alapismeretek I. 79. GYURICZA, CS. BIRKÁS, M. (24). Talajhasználat. Műveléshatás. Talajnedvesség Quality- press nyomda és Kiadó Kft. LAL, R., Kimble, J.M., Follett, R.F., Cole, C.V., The potential of U.S. cropland sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Sleeping Bear Press, 128. MARMO, L. (28). EU strategies and policies on soil and waste management to offset greenhouse gas emissions. /Waste Management/. 28: MARTH P., KARKALIK A., (24) A Talajvédelmi Információs és Monitoring rendszer módszertana, működése, informatikai rendszere REICOSKY, D. C Tillage and short-term CO 2 emissions from soils in the laboratory. Kézirat. MICHÉLI E, (1999) A FAO talaj világtérképe és osztályozási rendszere In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , 131

132 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 QUEMADA, M. - CABRERA, M.L.: Carbon and nitrogen mineralized from leaves and stems of four cover crops. Soil Sci. Soc. Am. J. 59: STEFANOVITS (1999) A talaj humusztartalma In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , TAMÁS, J.: 21. Precíziós Mezőgazdaság. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest. TOMBÁCZ E. (23), Talajreleváns határfelületi és kolloid kölcsönhatások, MTA Doktori értekezés ZSEMBELI, J. - TUBA, G. KOVÁCS, GY. (26): Development and extension of CO 2 -emission measurements for different soil surfaces. Cereal Research Communications. Vol. 34. No h kibocsatast/ h &id=1333&itemid= h h MINIMUM_kerdesek_211.pdf 132

133 8. A növények adaptációs képessége a változó környezethez Mendlerné Drienyovszki Nóra, Magyarné Tábori Katalin, Hudák Ildikó, Dobránszki Judit Bevezetés A légkör széndioxid tartalmának koncentrációja évtizedről-évtizedre egyre gyorsabb ütemben növekszik ben a légköri széndioxid szintje 315 ppm volt, míg 212-ben elérte a 394,49 ppm koncentrációt (Hawai-i Mauna Loa megfigyelőállomás mérései szerint). A légkör megnövekedett CO 2 szintje, mely egyéb tényezők között vélhetően felelős a klímaváltozásért, közvetlen hatást gyakorol a növények növekedésére (pl. változások a növények növekedésében a megváltozott hőmérsékleti, csapadék és párologtatási viszonyok miatt, valamint a tenyészidőszak jellemzőinek változásai miatt). A közvetett hatásai az olyan egyéb tényezők változásainak eredménye, melyek szintén hatással vannak a növények növekedésére; és a megnövekedett CO 2 koncentráció globális hatásának eredményeképpen jönnek létre. A széndioxid koncentráció az egyik legfontosabb tényező, mely a fényintenzitással kölcsönhatásban, befolyásolja a növények fotoszintézisét. Egy adott növényállományban a CO 2 koncentrációt pedig befolyásolja többek között a talaj szerves anyag tartalma (talaj-légzés), a növény típusa, a levegőmozgás, stb. A szárazföldi ökoszisztéma és a légkör közötti, fotoszintézisen és légzésen keresztül megvalósuló szénforgalom kb. 12 Gt évente (Gonzalez- Meler et al., 24). 133

134 A fotoszintézis szerepe a bioszférában A fotoszintézis az a folyamat, mely során az élő szervezetek a napfényből szerzett energiát kémiai energiává alakítják a fiziológiai aktivitásuk energiaigényének fedezéséhez. A fotoszintézis a növények, algák és számos baktérium faj sajátossága. A fotoszintetizáló szervezeteket foto-autotrófoknak nevezzük, mivel ezek képesek maguknak megteremteni a saját szén-táplálékukat. Általában (a növényekben, algákban és a cianobaktériumokban) a fotoszintézis széndioxidot és vizet használ fel és melléktermékként oxigén szabadul fel a folyamat során (Whitmarsh és Govindjee, 1999). A fotoszintézist, mely során oxigén szabadul fel és elektrondonorként vizet használ fel oxigénikus- fotoszintézisnek nevezzük (Bryant és Frigaard, 26). Amellett, hogy a légköri oxigént normál szinten tartja, a fotoszintézis az energiaforrása szinte minden élő szervezetnek a földön, mind közvetlenül (az elsődleges terméken keresztül), mind közvetve (mint alap energiaforrás). A globálisan megkötött energia mértéke igen jelentős: megközelíti a 13 terawatt-ot, ami kb. 6-szorosa az emberi civilizáció energia fogyasztásának (Steger et al., 25). Átlagosan, petagram szenet konvertálnak a fotoszintetizáló szervezetek a biomasszába (Field et al., 1998). A gázcsere folyamatok befolyásolják továbbá a globális szén és víz körforgásokat, a változások visszahatnak a klímára, így a szénforgalom központi szerepet tölt be a globális felmelegedésben és a klímaváltozásban (Morison, 21). A növények adaptációs képessége A növényállomány egy nyitott ökológiai rendszer, mely 134

135 folyamatosan dinamikus kölcsönhatásban van az abiotikus és biotikus környezeti tényezőkkel. A fotoszintézis mértékét számos külső (környezeti) tényező befolyásolja, mint a fényintenzitás, a CO 2 koncentráció, a hőmérséklet, a víz és a tápanyagellátás, míg belső tényezők a növény kora és élettani állapota (különösen a leveleké). A különböző tényezők között igen jelentős kölcsönhatások érvényesülnek: a környezeti tényezők befolyásolják a növények növekedését és fejlődését, a levélfelület nagyságát és összetételét, a fotoszintetizáló apparátus működésének időtartamát, és a tenyészidőszak hosszát. A globális felmelegedés, mely valószínűleg az üvegházhatású gázok megnövekedett koncentrációja miatt alakult ki, a száraz területek arányának növekedéséhez vezetett. A becslések szerint a művelhető terület kb. 9%-a szenved egy vagy több környezeti stressztől, és az előrejelzések szerint a vízhiány lesz a fő abiotikus stressz tényező a közeljövőben (Dita et al., 26). A párologtatás során történő vízveszteség megakadályozására a sztómák (légcsere-nyílások) bezáródnak, ami gátolja a CO 2 gázcserét, így az asszimilációs tevékenység csökken (Bencze et al., 211). Az első fotoszintetizáló szervezetek kb. 3.5 millió évvel ezelőtt fejlődtek ki, az élet evolúciós történetének a legelején, amikor a földi élet minden formáját csupán a mikroorganizmusok jelentették, és a légkörben jóval nagyobb volt a széndioxid koncentráció, mint manapság. A növények fotoszintézise jól tud alkalmazkodni azokhoz változásokhoz, melyeket az időben és térben eltérő környezet eredményez. A fotoszintézis olyan környezetben fejlődött ki és működik mind a mai napig, melyre a fényviszonyok folyamatos időbeli változása jellemző. A fényintenzitás változik évszakonként, de a nap folyamán is, valamint gyors változásokat okoz pl. a felhők mozgása, a felső levelek árnyékoló hatása, vagy akár az óceánok hullázása. A változó fényviszonyokra történő válaszreakciók megfigyelhetők a kloroplasztisz szintjétől a szerveken keresztül a teljes növényig, azonban a 135

136 fotoszintézis adaptációját irányító mechanizmus még nem teljesen ismert (Nedbal et al., 27). A C 3 és C 4 növények A fotoszintézis tekintetében lényeges különbségek vannak a C 3 és C 4 típusú növények között. Az elnevezés a légköri CO 2 asszimilálásakor képződő első molekula szénatom számára utal. A C 3 -növényekben a CO 2 és a ribulóz-1,5-bifoszfát (RuBP) ribulóz- 1,5-bifoszfát-karboxiláz-oxigenáz (Rubisco) enzimmel katalizált reakciójából a háromszénatomos vázú foszfoglicerát jön létre, amelyből cukrok és összetett szénhidrátok szintetizálódnak (1. ábra). A C 4 -növények úgy asszimilálják a CO 2 -t, hogy a foszfoenolpiruvátkarboxiláz (PEPC) enzim segítségével a háromszénatomos foszfoenolpiruváthoz (PEP) kötik; akkor négyatomos oxál-acetát jön létre, amely átalakul négyatomos molekulává, pl. citráttá, maláttá, aszpartáttá. Ezek a négyes szénláncú molekulák a növényi fotoszintézis folyamán ismét szétesnek háromszénatomos vegyületté és széndioxiddá, amelyet a Rubiscoenzim használ fel. 1. ábra. A C 3 fotoszintézis útja Forrás: Furbank és Taylor (1995) 136

137 A C 4 növények nátriumot is igényelnek, mivel a nátrium jelen van a foszfoenol piruvát karboxilázban, ami a kulcsenzime a C 4 dikarbonsav útnak (2. ábra). 2. ábra. A C 4 fotoszintézis útja Forrás: Furbank és Taylor (1995) A CO 2 megkötés mechanizmusa nem ugyanaz a C 4 növényeknél. Az első a malátképző típus, amelynél a malát szállítódik a mezofillumból a nyalábhüvely sejtjeibe (pl. kukorica, cukornád). Más növényeknél ( aszpartátképzők ) a mezofillumban a CO2 fixálás során keletkező oxálecetsav transzaminálódik, a képződő aszparaginsav transzlokálódik a nyalábhüvely sejtbe. A C 3 és C 4 típusú levelek szöveti felépítésében is különbségek figyelhetők meg (3. és 4. ábra). A fotoszintézis a lomblevelekben történik. A kloroplasztisz nélküli epidermisz fedi a levéllemez két felszínét. Az asszimiláló szövet a két epidermisz között helyezkedik el. 137

138 3. ábra. A C 3 levél szöveti szerkezete Forrás: Dobránszki et al. (22) A C 3 növények fotoszintézise csak egy bizonyos fényerőig növekszik, míg a C 4 növényekben nagyobb fényintenzitáson tovább nő a fotoszintézis sebessége. A C 4 növények egységnyi levélfelületre vonatkoztatva több CO 2 t kötnek meg, a fotoszintézisük hatékonyabb, a napi szárazanyag gyarapodásuk is több, mint a C 3 növényeké. Ezen növények kevesebbet párologtatnak ezért vízgazdálkodásuk kevésbé labilis. A C4 növények fotoszintézisének optimális hőmérséklete magasabb (3-45 oc), ami jelzi, hogy e főként trópusi származású növények alkalmazkodtak a termőhely melegebb környezetéhez. A C4 növények az arid és a szemiarid régiók növénye; a legtermékenyebb fajok tartoznak ide olyanok, mint pl. a kukorica és a cukornád (Pethő, 199). Mivel a megnövekedett CO2 koncentráció mindkét típusú növény hozamát növelheti, az ún. CO2 trágyázás hatását vizsgálta Vanuytrecht et al. (211). Tanulmányaikban egy matematikai számítási eljárásokra épülő 138

139 általános termés-modellt (AquaCrop), mely egy elméleti előrejelzési vázra és a szántóföldi válaszreakciók meta-analízisére alapozott, hasonlították össze a szabadtéri CO2 gazdag környezetben szerzett kísérleti eredményekkel. 4. ábra. A C 4 levél szöveti szerkezete Forrás: A modell olyan mutatószámokat javasol mind a C 3 mind a C 4 növényekre, melyek jellemzik a növény válaszreakcióját a megnövekedett CO 2 koncentrációra Az AquaCrop adatbázisban jelenleg található információk a különböző növényekről jól felhasználhatók a jövőbeni mezőgazdasági termelés modellezésében. A tápanyagok szerepe a fotoszintézisben Annak ellenére, hogy különböző útjait ismerjük a fotoszintézisnek, számos közös jellemzőt találunk. A folyamat mindig azzal kezdődik, hogy a 139

140 pigment-fehérje komplexek (ún. fotoreceptorok) megkötik az energiát a fényből. A fotoszintézis rendszer két fotokémiai központot (PS-1 és PS-2) tartalmaz, melyeket egy elektronszállító lánc kapcsol össze egy funkcionális szervvé. Ezek mind szupra-molekuláris fehérje-komplexekben működnek, melyek nagy mennyiségben tartalmaznak klorofillt. A fotoszintézis rendszerében található magnézium (Mg), vas (Fe) és kén (S) jelentős szerepet játszanak a fotoszintézis folyamatában (Pethő, 1993). A magnézium (Mg), mely nélkülözhetetlen eleme a klorofillnak, köti a RuDP enzimet a CO 2 megkötő komponenshez, valamint meghatározza a fehérjeszintézis intenzitását. Magnézium hiányában a CO 2 szállítás csökken, a levelek szárazanyagtartalma nő (cukor és keményítő felhalmozódás), így megnő a levelek érzékenysége a betegségekre és kártevőkre, és a fotoszintézis termékeinek nagy része a levelekben marad (Pethő, 1993). A vas (Fe) vegyértékének változása miatt képes részt venni mind az oxidációs mind a redukciós folyamatokban. Pótolhatatlan élettani szerepe van az energia konzerválásában és az elektronszállításhoz kapcsolt asszimilációs folyamatokban. Fotoszintézis, légzés és nitrát hasznosítás sem létezhet vasat tartalmazó enzimek nélkül (Pethő, 199). A foszfor (P), mangán (Mn), kálcium (Ca), nitrogén (N), klór (Cl), és réz (Cu) specifikus szerepe szintén bizonyított. A nátrium (Na) szintén nélkülözhetetlen a C 4 típusú növényekben (mint pl. cukornád, kukorica, cirok stb.) (Pethő, 1993). Nem helyettesíthető fémion egy enzim-komplexben a mangán (Mn), mely felelős a víz bontásáért. Mangán hiányában a méregtelenítési folyamatok gátoltak, a fotoszintézis elektronszállító rendszer elektronadó oldala nem működik, mely végül a növény halálához vezethet. Következésképpen, a megfelelő tápanyagellátás nagyon fontos tényező lehet a növények fotoszintézisében. A tápanyag utánpótlásának módja szintén befolyásolhatja a 14

141 fotoszintézis mértékét, mivel befolyásolja mind a talajlégzést mind a növények növekedését. Tanulmányunk célja Kísérleteinkben különböző tápanyag utánpótlási módszerek hatását tanulmányoztuk különböző növényfajok (csillagfürt, rozs és burgonya) fotoszintézisére 212-ben. A megfigyelések helyszíne a 83 éves Westsik vetésforgó, mely ideális környezetet nyújt az ilyenfajta vizsgálatokhoz. A vetésforgó bemutatja a tápanyag utánpótlás különböző lehetőségeit: az istállótrágya mellett fő vagy másodvetésű zöldtrágyát, különböző módszerekkel erjesztett szalmatrágyát és műtrágyázási módszereket alkalmaznak évtizedek óta (Henzsel, 212). A fotoszintézis aktivitásának mérése kétféleképpen történt: egyrészt mértük az asszimilált CO 2 mennyiségét (5. ábra), másrészt mértük a fotokémiai hatékonyságot (fluoreszcencia aktivitás) (6. ábra). 5. ábra. Szántóföldi mérés az LCpro-SD műszerrel (Fotó: Romhány László) 141

142 Ez utóbbi módszer bizonyult az egyik leghatékonyabbnak a fotoszintézis hatékonyságának valamint a nem-fotokémiai energia veszteség mérésére (Nedbal et al., 27). Az első évben mért fotoszintézis adatok arra utalnak, hogy vannak mérhető különbségek a különböző vetésforgók parcellái között, azonban további- több tenyészidőszakot felölelő mérési sorozat szükséges ahhoz, hogy feltárjuk az összefüggéseket a tápanyag ellátási módszerek és talajlégzés valamint a növények fotoszintézise között. A kísérlet körülményeit valamint a fotoszintézis mérések - beleértve az asszimilált CO 2 és a fluoreszcencia mérések eredményeit - a következő fejezetekben részletezzük és tárgyaljuk meg. 6. ábra. Szántóföldi mérés az OS5p Pulse Modulated Chlorophyll Fluorometer Fotó: Romhány László 142

143 Felhasznált irodalom Bencze SZ., Bamberger ZS., Janda T., Balla K., Bedő Z. and Veis O. (211): Drought tolerance in cereals in terms of water retention, photosynthesis and antioxidant enzyme activities. Cent. Eur. J. Biol., 6(3): Bryant D.A. and Frigaard N.U. (26): Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated. Trends Microbiol., 14 (11): Dita M., Rispail N., Prats E., Rubiales D. and Singh K.B. (26): Biotechnology approaches to overcome biotic and abiotic stress constraints in legumes. Euphytica, 147: Dobránszki J., Magyar-Tábori K., Jámbor-Benczúr E., Kiss E., Lazányi J. and Bubán T. (22): Effects of conditioning of apple shoots with meta-topolin on the morphogenic activity of in vitro leaves. Acta Agronomica Hungarica, 5(2): Field C.B., Behrenfeld M.J., Randerson J.T. and Falkowski P. (1998): Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science, 281(5374): Furbank R.T. and Taylor W.C. (1995): Regulation of Photosynthesis in C 3 and C 4 Plants: A Molecular Approach. The Plant Cell., 7: Gonzalez-Meler M.A., Taneva L. and Trueman R.J. (24): Plant respiration and elevated atmospheric CO 2 concentration: cellular responses and global significance. Annals of Botany, 94: Henzsel I. (212): Növénytermesztés nyírségi homoktalajon a Westsikféle vetésforgó tartamkísérlet eredményei alapján. In: Romhány L. (ed.): 85 éve a nyírségi növénynemesítés és növénytermesztés szolgálatában. Nyíregyháza, 212, p Morison J.I.L. (21): Increasing atmospheric CO 2 and stomata. New Phytologist, 149: Nedbal L., Červený J., Rascher U. and Schmidt H. (27): E- photosynthesis: a comprehensive modeling approach to understand 143

144 chlorophyll fluorescence transients and other complex dynamic features of photosynthesis in fluctuating light. Photosynth Res., 93: Pethő M. (1993): Fotoszintézis. In: Pethő M. (szerk.) Mezőgazdasági növények élettana. Akadémiai Kiadó, Budapest, p Steger U., Achterberg W., Blok K, et al. (25): Sustainable development and innovation in the energy sector. Berlin: Springer, p. 32. Vanuytrechta E., Raesa D. and Willemsb P. (211): Considering sink strength to model crop production under elevated atmospheric CO 2. Agricultural and Forest Meteorology, 151:

145 9. A burgonya adaptációs képessége a változó környezethez Mendlerné Drienyovszki Nóra, Magyarné Tábori Katalin, Hudák Ildikó, Dobránszki Judit Bevezetés A burgonya (Solanum tuberosum L.) termőterületét tekintve a harmadik legjelentősebb termesztett növényfaj (CIP 211). Termesztése szintén nagy jelentőségű a Nyírség régióban, ahol nagy területen található homoktalaj, mely nagy mennyiségű és jó minőségű burgonya előállítását teszi lehetővé (1. ábra). Mivel a homoktalajok gyenge tápanyagszolgáltatási képességűek (nagyon kicsi szervesanyag tartalom), és a talajszerkezet sem a legmegfelelőbb az intenzív talajélet kialakulásához, a tápanyag ellátás helyes módszerének megválasztása kiemelkedő jelentőségű a hatékony gazdálkodásban. A burgonya jelentős szerepet kap a vetésforgóban: értékes előveteménye az őszi gabonáknak. A burgonyának adagolt tápanyagutánpótlás maradványait az utána következő kultúra hatékonyan tudja hasznosítani és a sorközművelések valamint a bakhát felhúzása jelentősen csökkenti a gyomosodás mértékét (Lazányi, 1998). A klímaváltozás és a légkör megnövekedett CO 2 tartalma a közeljövőben befolyásolni fogja a növények növekedését és terméshozamát. A tápanyagellátás befolyásolhatja növények válaszreakcióját a légkör CO 2 tartalmának növekedésére. 145

146 1 ábra. A Westsik vetésforgóban a Boró burgonya fajtát termesztik Fleischer et al. (212) végeztek egy kísérletet, melyben a Kennebec burgonya fajtát termesztették 4 és 8 µmol mol -1 CO 2 koncentráció, valamint 3 féle foszfor műtrágya ellátottság mellett, azért, hogy meghatározzák e két tényező hatását a levelek fotoszintézisére és légzésére. A levél fotoszintézis mértéke 58%-al csökkent a legalacsonyabb foszfor ellátottságon a legnagyobb foszfor ellátottságon fejlődő növényekhez képest. A két tanulmányozott tényező között kölcsönhatást nem tudtak kimutatni, így feltételezték, hogy a megnövekedett CO 2 tartalom hatása a burgonya növekedésére valószínűleg minden foszfor-kezelésen egyforma, azonban ezek a hatások összefüggést mutathatnak a növény nitrogén ellátottságával. A nitrogént a legtöbb növény nitrát (NO 3 - ) vagy ammónium NH 4 + formájában veszi fel. A növények válasza a folyamatos NH 4 + műtrágyázásra fajtól függően változik. Horchani et al. (211), tanulmányukban a paradicsom (Solanum 146

147 lycopersicum L cv. Rio Grande) nitrogén-forrásra (NO 3 - vagy NH 4 + ) adott válaszait hasonlították össze. A fejlődési kezdeti stádiumában a növény növekedését, a fotoszintézisét, valamint klorofill, szénhidrát és nitrogén tartalmát vizsgálták. A nitrogén anyagcserében résztvevő fő enzimek aktivitását szintén tanulmányozták. A növények növekedése jelentősen javult az ammónium műtrágyázással összehasonlítva a nitrátra alapozott műtrágyázással. Ezzel együtt a fotoszintézis aktivitása, a teljes klorofill mennyisége és a szénhidrát koncentráció jelentősen nőtt a külsőleg alkalmazott ammónium koncentráció növekedésével. Csaknem 5 nappal az ültetés után érte el maximumát a fotoszintézis mértéke a Denali és Norland burgonyafajtáknál (45 és 35 µmol CO 2 m -2 s -1 ). A magasabb értéket 865, míg a kisebb értéket 655 µmol m -2 s -1 PPF (fotoszintetikus foton flux) fényintenzitáson nevelt növények esetében kapták. A fotoszintézis mértéke, melyet különböző CO 2 szinten mértek klasszikus C 3 növényi választ mutatnak, egy telítődési ponttal kb. 12 µmol mol -1 CO 2 koncentrációnál és egy kompenzációs ponttal kb. 1 µmol mol -1 CO 2 szinten. Amikor a 12 órás megvilágítási periódust megváltoztatták folyamatos megvilágításra a nettó fotoszintézis mértéke 48 órán belül lecsökkent, végül a felső lomblevelek károsodtak (perzselődtek). Felvetve azt a lehetőséget, hogy a hirtelen változás stresszelte a növényt és/vagy vissza-csatoló hatást mutatott a fotoszintézisre (Wheeler et al., 28). A Shepody burgonyafajta emelt CO 2 koncentrációra történő reakcióját tanulmányozta Conn és Cochran (26) kísérleteikben. Eredményeik szerint a burgonya levelek megjelenése, valamint a lombozat kifejlődése nem különbözött a különböző CO 2 kezelésekben. A gumóiniciáció kezdetétől azonban a legnagyobb CO 2 koncentráción (normál légkör + 35 µmol CO 2 mol -1 ) fejlődő levelek nettó fotoszintézise 53%-al nagyobb volt (23.6 µmol CO 2 m -2 s -1 ), mint a normál légköri CO 2 töménységben fejlődő leveleké (17.4 µmol CO 2 m -2 s -1 ). Mivel ezen fejlődési stádium előtt nem tudtak különbségeket megfigyelni, ezért feltételezték, hogy az elégtelen szén-gyűjtő kapacitás ( sink ) a 147

148 fotoszintézis mértékének alulszabályozásához vezet. Watkinson et al. (26) három Solanum tuberosum ssp. Andigena begyűjtött genotípust analizált (VTSA1-3) szárazságtűrésre vagy érzékenységre, melyet az alapján ítéltek meg, hogy milyen volt a fotoszintézis regenerálódási képességük a vízhiányt követő vízháztartás helyreállítása után. A stressz egyetlen ciklusa után az összes növény elvesztette a fotoszintézisre való képességét, a fotoszintézis aktivitása szinte nullára lecsökkent. A VTSA1 genotípus jó adaptációs képességet mutatott, mivel az első stressz ciklus után a fotoszintézis tevékenység helyreállt és ezt a képességét megőrizte a később bekövetkező stressz hatás alatt is. A VTSA3 jó akklimatizációs képességet mutatott, azzal, hogy a második stressz ciklus után jó regenerációs képességet mutatott. A VTSA2 genotípus egy köztes fenotípusnak megfelelő tűrőképességgel rendelkezik: részben felépül az első ciklus után, a későbbi stressz hatások után azonban jó regenerációs képességet mutat. Fleisher et al. (26) a Kennebec burgonyafajta lombozatának levéleloszlását és annak szerepét vizsgálta a teljes lombozat fotoszintézis aktivitásában A lombozatot lombtalanították három horizontális szinten, és különböző fotoszintézis görbéket kaptak a megvilágítás függvényében. Eredményeik szerint a fő-és oldalhajtások leveleinek aránya nem bizonyult olyan jelentősnek, mint a megfelelő mennyiségű levélfelület. A burgonyát több, mint 3 vírus fertőzi, néhány közülük igen komoly termésveszteséget okoz. A növény-vírus kölcsönhatásokat tanulmányozva legtöbbször a fotoszintézis mértékének csökkenését, a fotoszintézist szabályozó gének alul-szabályozottságát, a fotoszintetikus pigmentek csökkenését, valamint a kloroplasztiszok szerkezeti változásait figyelték meg. Baebler et al. (211) tanulmányozták a burgonya Y vírussal (PVY) fertőzött és nem fertőzött, valamint a tüneteket mutató, illetve nem mutató burgonya fenotípusokat a Desiree és Igor burgonyafajták esetében. Kimutatták, hogy a tüneteket mutató, illetve nem mutató fenotípusok esetében a fotoszintézisben és a szénhidrát anyagcserében résztvevő gének 148

149 expressziójában jelentős különbségek van. A dimetoát a zöldségkultúrákban széles körben használt szervesfoszfors avészter hatóanyagú rövarölő szer, azonban kimutatták, hogy nagyobb koncentrációban való alkalmazás gátolja a zöld algák és cianobaktériumok növekedését, fotoszintézisét, valamint módosítja a PS-2 fluoreszcenciát. A Solanum melangena L. fajjal történő vizsgálatok során szintén azt tapasztalták, hogy 6 órával a normál (szántóföldi) koncentrációval történő permetezés után a nettó fotoszintézis mértéke jelentősen lecsökkent (16.85-ról 8.76 µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 -re) (Mohapatra et al., 21). Az utóbbi években a CCC-t (klór-kolin klorid) szintén széleskörben használják főleg Kínában a termés mennyiségének és minőségének növelésére. A CCC hatását tanulmányozták a Zhongshu 3 burgonyafajta fotoszintetikus jellemzőire a gumóiniciáció stádiumában. Úgy találták, hogy a kezelt növények nettó fotoszintézis mértéke jelentősen nagyobb volt, mint a kontrollé (Wang és Xiao, 29). A klorofill fluoreszcencia kinetika jellemzői fontos információt adhatnak a fotoszintetikus apparátus funkcionális állapotáról. Ez a módszer egy igen érzékeny indikátora a PS-2 és az oxigénfejlődési tevékenységnek, melyek a kedvezőtlen környezeti tényezőkre legérzékenyebben reagáló fotoszintézis folyamatokhoz tartoznak (Georgieva et al., 1996). A fluoreszcencia válaszok nagymértékű összefüggést mutatnak a fotoszintetikus szerkezet klorofill tartalmával, és nagyon változatosak a különböző stresszhatások alatt (pl. gyomírtószer, magas hőmérséklet) (Mohapatra et al., 21). Az alacsonyabb Fv és Fv/Fm arány jelzi az alacsonyabb fotokémiai hatékonyságot (Georgieva et al., 1996). Az Atlantic burgonyafajta PS-2 fotoszintetikus hatékonyságát becsülték meg az Fv/Fm arány segítségével különböző stresszhatásokban. Oxidatív stressz indukciót értek el úgy, hogy 3 mm metil viologént (MV) permeteztek vagy az egész növényre vagy csak levéllemezekre. Ezenkívül tesztelték a magas hőmérséklet (42ºC) hatását is. Az oxidatív stressz hatására 25%-kal (,8-ról,2-re), míg a hőstressz hatására 25%-kal (.8-ról 149

150 .5-re) csökkent az Fv/Fm értéke (Kim et al., 211). A fluoreszcencia görbe, amit a dimetoát rovarölőszer alkalmazása után különböző időpontokban mértek a Solanum melangena L. fajnál, minden fázisban különböző jelleget mutattak. A legnagyobb különbségeket az alkalmazás utáni első 6 órában mutatták ki. Ezen periódus alatt az F növekedést mutatott, de az F m érték csökkent. Az F érték a 6 óra eltelte után is szignifikánsan növekedett (35.5%-kal), ezzel egyidejűleg az F m érték csökkent (Mohapatra et al., 21). Négy burgonya genotípust (Spunta, Sieglinde, Daytona és Ninfa) figyeltek meg egy szicíliai kísérletben, melynek célja az volt, hogy leírják a fajtákat a klorofill fluoreszcencia (Chl) jellemzésével a növény öregedése során és vizsgálják a lehetséges összefüggéseket a Chl és a gumóhozam között. Úgy találták, hogy az F és az F v /F m arány értékei a legjobb paraméterek a genotípusok közötti különbségek meghatározására, míg a klorofill tartalom és az F m paraméterek a legjobbak a növényi öregedés előrejelzésére. A gumóhozam ezenkívül jó korrelációt mutatott a Chl tartalommal, az F és F m értékekkel (Ierna, 27). Ierna és Mauromicale (26) szintén megfigyelte, hogy az átlag fotoszintézis ráta szignifikánsan és pozitívan kapcsolt a talaj feletti biomassza (szárak+levél) tömegével, azonban nem találtak összefüggést a gumóhozammal. Anyag és módszer Fotoszintetikus ráta és fluoreszcencia mérések burgonyánál a különböző vetésforgókban A méréseket 212. július 12 és 13-án végeztük Boró fajtával az I, III, VI, VII, X, XI, XIII és a XIV vetésforgóban. Ez a térség kifejezetten aszályos volt ebben az évben. 15

151 A mérésekhez a növények felső levélzónájának teljesen kifejlett, épp leveleit választottuk ki, melyek nem voltak takarásban. A méréseket minimum négy ismétlésben végeztük el minden egyes kiválasztott vetésforgóban. Ráadásul néhány mérést elvégeztünk ugyanazon a levélen egészen az egyensúlyi állapotig és azt követően is. A különböző korú, fejlettségű és helyzetű levelek fotoszintetikus rátáját tanulmányoztuk: összehasonlítottuk az alsóbb levélzónában lévő, teljesen kifejlett fiatal és idős leveleket a csúcson lévő levelekkel. A fotoszintetikus rátát (A = µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) az LCpro- SD elnevezésű műszerrel mértük, míg a fluoreszcenciát a Multi-Mode Chlorophyll Fluorometer OS5p-vel. Mindkét műszer a HURO 82/92_AF pályázat keretében kerültek beszerzésre. A szántóföldi méréseket követően a fotoszintetikus adatokat Excel formátumba transzformáltuk át. Az adatok statisztikai kiértékelése ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel történt SPSS 13. Windows szoftver segítségével. Eredmények és következtetés Fotoszintetikus ráta Szignifikáns különbségeket tapasztaltunk a termesztett burgonya növények asszimilált CO 2 rátáját illetőleg a különböző vetésforgókban (Táblázat 1-2). Szignifikáns eltérések voltak a fotoszintetikus aktivitásban a két mérési napon. A tapasztalatok szerint a fotoszintetikus ráta alacsonyabb volt az első napon. Az ok az időjárásban keresendő, a vizsgálat eső után történt, az égbolt felhős volt aznap reggel. A második mérési napon viszont napos időnk volt. 151

152 2. ábra. Fotoszintetikus ráta és fluoreszcencia mérés ugyanazon a növényeken 1.táblázat. A burgonya növények július 12-én mért fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 534, ,351 12,97, Csoportokon belül 1338, ,311 Teljes 1872, táblázat. A burgonya növények július 13-án mért fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 1674, ,319 27,68, Csoportokon belül 1792, ,562 Teljes 3466,

153 A legmagasabb fotoszintetikus aktivitási rátát a III vetésforgóban mértünk (3. ábra), ahol a burgonya csillagfürt után lett ültetve és ez a vetésforgó nitrogén műtrágyát kapott. A ráta hasonló az I vetésforgóban mértekhez, ahol viszont sem műtrágyát, sem pedig szervestrágyát nem kapott a talaj, viszon a parcellák parlagoltatva vannak minden harmadik évben. Alacsonyabb rátát mértünk a VI és VII vetésforgóban, ami erjesztett szalmatrágyát kapott. A különbségek nem voltak szignifikánsan eltérőek a két vetésforgóban annak ellenére, hogy, a VII vetésforgóban termesztett burgonya nem kap műtrágyát, míg a VI vetésforgóban kijuttatnak még nitrogén, foszfor és kálium műtrágyát is. µmol CO2 m µmol CO2 m -2-2 s -1 s d 6.5 d 6.6 d 6.6 d 5.3 cd 5.3 cd 4.8 bcd 4.8 bcd 4.3 bc 4.3 bc 3.5 abc 3.1 a 3.5 abc 3.1 a 1.8 a 1.8 a I I III III VI VI VII VII X X XI XI XIII XIII XIV XIV Rotations Rotations 3.ábra. A burgonya (Boró fajta) növények július 12-én mért fotoszintetikus rátája (A= µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző vetésforgókban. A különböző kis betűk a szignifikánsan eltérő csoportokat jelölik (P <.5), a statisztikai analízist ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel végeztük a különböző vetésforgókban 153

154 A legkisebb értékeket a X vetésforgóban tapasztaltunk, ahol kizárólag csak szerves trágyát jutattak ki az egyes parcellákba. A fotoszintetikus ráta megnövekedett azokban a vetésforgókban, ahol nitrogén műtrágyát is kapott a burgonya a szervestrágyán felül (XI). Nem volt viszont szignifikáns eltérés azokban a vetésforgókban, ahol nitrogén, foszfor és kálium műtrágyát adagoltak, de az egyikben tavasszal kiszántott csillagfürt zöldtrágya után ültették a burgonyát (XIII), míg a másikban ősszel (XIV). A második mérési napon (4. ábra) a legmagasabb fotoszintetikus aktivitást az I. vetésforgóban mértük, ahol sem műtrágyát, sem szerves trágyát nem kapott a talaj, valamint a XIV. vetésforgóban, ahol foszfor és kálium műtrágyát adagoltak a növényekhez. µmol CO2 m µmol CO2 m -2-2 s -1 s e 1.8 e 11.8 e 1.8 e 7.5 d 7.5 d 6.2 bcd 6.6 cd 6.2 bcd 6.6 cd 5.3 abcd 5.3 abcd 4.1 ab 4.5 abc 4.1 ab 4.5 abc 3.9 a 3.9 a I I III III VI VI VII VII X X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Rotations Rotations 4. ábra. A burgonya (Boró fajta) növények július 13-án mért fotoszintetikus rátája (A= µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző vetésforgókban. A különböző kis betűk a szignifikánsan eltérő csoportokat jelölik (P <.5), a statisztikai analízist ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel végeztük a különböző vetésforgókban Alacsonyabb adatokat mértünk a III. ahol a burgonya nitrogén 154

155 műtrágyát kap -, VII. ahol nincs műtrágya kijuttatás -, XIII. ahol foszfor és kálium műtrágyát adagolnak a talajhoz -, és a XV. vetésforgóban, ahol sem műtrágyát, sem pedig szerves trágyát nem kapnak a növények. A legkisebb értékeket azokban a vetésforgókban mértük, ahol nitrogén műtrágyát is kapott a burgonya a szerves trágya mellett (XI), valamint a X vetésforgóban, ahol csak szerves trágyázás történt minden egyes parcellában. A fotoszintetikus ráta szintén alacsony volt a VI vetésforgóban, ahol erjesztett szalmatrágya kijuttatás történt. A különböző fenológiai fázisban lévő burgonya levelek fotoszintetikus rátája A fotoszintézis intenzitását szignifikánsan befolyásolja a levelek kora (Vos és Ojarzún, 1987). A növényen különböző fejlettségű levelek vannak, ezáltal a fotoszintetikus aktivitás is eltérő. Továbbá a fotoszintézis intenzitását néhány ökológiai tényező is befolyásolja. A terméshozamot növelhetjük a feltételek javításával, mert a termesztett növények ökológiai feltételei közül nem mind éri el az optimális fotoszintézishez szükséges szintet (Pethő, 1993). A mi kísérleteinkben is szignifikáns különbségeket tapasztaltunk a különböző levelek fotoszintetikus rátájában. (3. táblázat). A legmagasabb aktivitást a csúcson elhelyezkedő, teljesen kifejlett, fiatal burgonya levelekben mértünk. 3. táblázat. A különböző burgonya levelek fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 5598, ,152 6,426,1 Csoportokon belül 1489, ,386 Teljes 248,

156 A legkisebb értékeket a növény alsóbb részein elhelyezkedő leveleken mértük. Ezek a levelek árnyékban voltak és ezek voltak a legidősebbek. Szignifikáns különbségek adódtak a fotoszintetikus rátában az alacsonyabban elhelyezkedő levelek (idősebb), a kifejlett, a csúcsi helyzetben lévő és a fiatal levelek között. A különböző fejlettségű levelek fotoszintetikus rátáját az 5. ábra mutatja be. µmol CO2 m µmol CO2 m -2-2 s -1 s c 73.1 c 6.9 bc 6.9 bc 45.8 ab 45.8 ab 38.3 a 38.3 a old (lower) fully developed terminal young old (lower) fully developed terminal young Leaf developmental stage Leaf developmental stage 5. ábra. A különböző burgonya levelek (fajta Boró) fotoszintetikus rátája (A= µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző vetésforgókban. A különböző kis betűk a szignifikánsan eltérő csoportokat jelölik (P <.5), a statisztikai analízist ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel végeztük a különböző vetésforgókban Nem volt szignifikáns eltérés a fotoszintetikus aktivitásban a két teljesen kifejlett levél között, de külön elemezve a két értéket megállapíthatjuk, hogy ez a két adat teljesen szétvált (4. táblázat). 156

157 4. táblázat. A különböző fejlettségű burgonya levelek fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 977, ,299 3,898,5 Csoportokon belül 8774, ,76 Teljes 9752,9 36 Ezekből az eredményekből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a fotoszintézis intenzitását befolyásolja a fényintenzitás ugyanazon fejlettségű levélben. Nem volt szignifikáns eltérés a virágzó és a bimbózó burgonya növények fotoszintézis intenzitása között (5. táblázat). 5. táblázat. A különböző fenológiai fázisban lévő burgonya növények fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között,11,73 26, , Csoportokon belül 8958, ,951 Teljes 8984, A klorofill fluoreszcencia eredmények A fotokémiai hatékonyságot fluoreszcens paraméterekkel tudjuk mérni (F, F v és F m kezdeti, változó és maximum klorofill fluoreszcencia). Az Fv/Fm aránya szintén informatív lehet számunkra a hatékonyságot illetőleg. Kísérleteinkben nem tapasztaltunk szignifikáns különbséget a termesztett burgonya növények fluoreszcens paraméterei között az eltérő vetésforgókban (6. táblázat). Habár a fotoszintetikus aktivitásban volt szignifikáns különbség a vetésforgók között, a fluoreszcens paraméterekről ezt már nem mondhattuk 157

158 el. Ennek a jelenségnek az okai a növény és a környezeti faktorok közötti kölcsönhatás, valamint a mért paraméterek közötti különbségek lehetnek. A burgonya hűvös klímát igényel. Magyarországtól délebbre fekvő tájakon szenved a magas hőmérséklettől a meleg, nyári napokon. A burgonya fotoszintézisének optimális hőmérséklete 4ºC alatt van. Az PS-1 és PS-2 rendszer hőmérséklet érzékenysége eltérő: 4ºC felett az PS-2 rendszer fokozatosan inaktívvá válik, míg az PS-1 működésképtelen lesz. A szárazságnak igazoltan ugyanez a hatása (Pethő, 1993). Mivel a F v /F m hányados aránya megfelelően jelzi a fluoreszcencia hatékonyságát, ezért összehasonlítottuk az F v /F m hányados értékét a különböző vetésforgókban termesztett burgonya növényeknél (5. ábra). Szignifikáns különbségeket nem tapasztaltunk, a különbözőségek viszont mindenképpen figyelemre méltóak. Pospíšilová és munkatársai (2) a fotoszintetikus tuljdonságokat tanulmányozták in vitro dohány növényeken az akklimatizációjuk alatt. Szignifikáns különbségek csak a nettó fotoszintetikus rátában adódtak, míg a Chl a fluoreszcencia kinetikus tulajdonságaiban nem találtak szignifikáns eltéréseket. 6. táblázat. Burgonya növények fluoreszcens paraméterei F, F v és F m kezdeti, változó és maximum klorofill fluoreszcencia - a különböző vetésforgókban Vetésforgók F F v F m I III VI VII X XI XIII XIV XV

159 Fv/m,69 Fv/m, ,68, ,67.665, ,66,66.648,65.648,65,64, , ,63.62,62.62,62,61,61,6,6,59,59,58,58 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Rotations Rotations 5. ábra. Az Fv/Fm arány változékonysága a különböző vetésforgókban termesztett burgonya növényeken Ráadásul az F v /F m hányados értékét a mi fluoreszcens kinetikai paramétereinkből számoltuk ki, amit a Westsik vetésforgóban termesztett Boró burgonya fajtán mértünk. A kapott értékek alacsonyabbak (,62-,68 F v /F m ), mint Kim és munkatársai kísérleteiben (211) a kontroll növényeknél mért értékek (,8 F v /F m ), mégis a mi mért adataink magasabbak voltak, mint az ő kísérleteikben hő stressznek kitett növényeknél mért fluoreszencia hányados értékei (,2 F v /F m ). Különböző fluoreszcens paramétereket (F, F v és F m kezdeti, változó és maximum klorofill fluoreszcencia) láthatunk a fluoreszcencia görbéken (6-8. ábra). 159

160 ábra. I. vetésforgóban lévő burgonya fluoreszcencia görbéje ábra. III. vetésforgóban lévő burgonya fluoreszcencia görbéje 16

161 ábra. XIII. vetésforgóban lévő burgonya fluoreszcencia görbéje Felhasznált irodalom Badr A., Angers P. and Desjardins Y. (211): Metabolic profiling of photoautotrophic and photomixotrophic potato plantlets (Solanum tuberosum) provides new insights into acclimatization. Plant Cell Tiss Organ Cult., 17: Baebler Š., Stare K., Kovač M., Blejec A., Prezelj N., Stare T., Kogovšek P., Pompe-Novak M., Rosahl S., Ravnikar M. and Kristina Gruden K. (211): Dynamics of Responses in Compatible Potato Potato virus Y Interaction Are Modulated by Salicylic Acid. PLoS ONE, 6(12): CIP (211): Conn J.S. and Cochran V.L. (26): Response of potato (Solanum tuberosum L.) to elevated atmospheric CO 2 in the North American 161

162 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Subarctic. Agriculture, Ecosystems and Environment, 112: Fleisher D.H., Wang Q.G., Timlin D.J., Chun J.A. and Reddy V.R. (212): Response of Potato Gas Exchange and Productivity to Phosphorus Deficiency and Carbon Dioxide Enrichment. Crop Science, 52(4): Fleisher D.H., Timlin D.J. and Reddy V.R. (26): Temperature influence on potato leaf and branch distribution and on canopy photosynthetic rate. Agronomy Journal, 98(6): Georgieva K., Yordanov I. and Kroumova A. (1996): Photosynthetic characteristics of transformed tobacco plants grown in vitro after their transplantation in natural conditions. Bulg J. Plant Physiol., 22(3 4): Ierna A. (27): Characterization of potato genotypes by chlorophyll fluorescence during plant aging in a Mediterranean environment. Photosynthetica, 45(4): Ierna A. and Mauromicale G. (26): Physiological and growth response to moderate water deficit of off-season potatoes in a Mediterranean environment. Agricultural Water Management, 82: Kim M.D., Kim Y.H., Kwon S.Y., Jang B.Y., Lee S.Y., Yun D.J., Cho J.H., Kwak S.S. and Lee H.S. (211): Overexpression of 2-cysteine peroxiredoxin enhances tolerance to methyl viologen-mediated oxidative stress and high temperature in potato plants. Plant Physiology and Biochemistry, 49: Kubota C. and Kozai T. (1992): Growth and Net Photosynthetic Rate of Solanun tuberosum in Vitro under Forced and Natural Ventilation. HortScience, 27(12): Lazányi J. (1998): Ecological approach to crop rotation. In: Lazányi J. (ed): Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Mohapatra P.K., Khillar R., Hansdah B. and Mohanty R.C. (21): 162

163 Photosynthetic and fluorescence responses of Solanum melangena L. to field application of dimethoate. Ecotoxicology and Environmental Safety, 73: Pethő M. (1993): Fotoszintézis. In: Pethő M. (szerk.) Mezőgazdasági növények élettana. Akadémiai Kiadó, Budapest, p Pospíšilová J., Haisel D., Synková H., Čatský J., Wilhelmová N., Plzáková S., Procházková D. and Šrámek F. (2): Photosynthetic pigments and gas exchange during ex vitro acclimation of tobacco plants as affected by CO2 supply and abscisic acid. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 61: Vos J., Oyarzún P.J. (1987): Photosynthesis and stomatal conductance of potato leaves effects of leaf age, irridance, and leaf water potential. Photosynthesis Research, 11: Wang H. and Xiao L. (29): Effects of Chlorocholine Chloride on Phytohormones and Photosynthetic Characteristics in Potato (Solanum tuberosum L.). J Plant Growth Regul., 28: Watkinson J.I., Hendricks L., Sioson A.A, Vasquez-Robinet C., Stromberg V., Heath L.S., Schuler M., Bohnert H.J., Bonierbale M. and Grene R. (26): Accessions of Solanum tuberosum ssp. andigena show differences in photosynthetic recovery after drought stress as reflected in gene expression profiles. Plant Science, 171: Wheeler R.M., Stutte G.W., Mackowiak C.L., Yorio N.C., Sager J.C. and Knott W.M. (28): Gas exchange rates of potato stands for bioregenerative life support. Advances in Space Research, 41:

164 1. A rozs adaptációs képessége a változó környezethez Magyarné Tábori Katalin, Hudák Ildikó, Mendlerné Drienyovszki Nóra, Romhány László, Dobránszki Judit Bevezetés A gabonafélék közül a rozs (Secale cereale L.) a második legfontosabb kenyérgabonánk. Magyarországon a kedvezőtlen ökológiai viszonyokkal bíró homoktalajokon a rozs vetés területe nagyobb, mint az őszi búzáé. A Nyírségi régióban termesztik a legjobb minőségű rozsot (Lazányi és Kruppa, 1993). A gyenge minőségű homoktalajon figyelemreméltó igény van az őszi gabonákra (1. ábra). A gabonák közül a rozs bírja leginkább a monokultúrát, mivel kevés a kórokozója és alacsony a tápanygigénye. Ez az oka annak, hogy a rozs visszaszorult a szegényebb és könnyebb talajokra. A fenntartható mezőgazdaságban a rozsot gyakran termesztik csillagfürt-rozs bikultúrában, ahol trágyázásra ritkán van szükség. Ebben a technológiában a csillagfürtöt rögtön az elővetemény betakarítása után elvetik, majd felülvetik rozzsal, ebből a keverékből a csillagfürtöt a fagy kiöli a tél folyamán (Lazányi, 1998). Tény, hogy az alacsony hőmérsékleten való növekedés és fejlődés növeli a növények fotoszintetikus kapacitását, ami összefügg a hideg és a faggyal szembeni tolerancia kialakulásával. A rendelkezésre álló adatok azt mutatják, hogy az északi füvek hidegtűrése részben összefügg azon képességükkel, hogy alacsony hőmérsékleten néhány hónapig fenntartják a fotoszintézis aktivitást, annak ellenére, hogy más anyagcsere folyamatok ilyen körülmények között jelentősen gátoltak. 164

165 1. ábra. A Westsik vetésforgóban homoktalajon termesztett rozs Klimov és munkatársai (1999) tanulmányozták az őszi búza és rozs palánták bizonyos válaszait a hideghez való edzetésre, azért, hogy magyarázatot kapjanak, vajon van-e összefüggés a növények hidegtűrése és néhány a forrás-gyűjtőhely kapcsolatokat a növényi szerveződés különböző szintjein jellemző - tulajdonság között. Azt találták, hogy a fénytelített fotoszintézis mértékének aránya a sötét légzés mértékéhez képest kb. 2-3-szorosára nő edzetés után, míg a kezdeti különbség ezen tulajdonság értékében (4 %-kal volt magasabb a rozs palántákban, mint az őszi búza palántákban) fennállt. A fenti tulajdonságokban megfigyelt változások azt tükrözik, hogy kiegészítő asszimilátum gyűjtőhelyek fejlődtek a növényi szervezeti felépítés eltérő szintjein, azért, hogy megfelelő szinten tudja fenntartani a fotoszintézist az alacsony hőmérsékleten. A kapott adatok szerint, ilyen körülmények között a rozspalánták nagyobb gyűjtőhely kapacitást fejlesztettek ki, mint az őszi 165

166 búzapalánták, és valószínűleg ez az oka annak, hogy hatékonyabb a faggyal szembeni alkalmazkodás összehasonlítva a búzával. Voronin és munkatársai (1998) szintén azt találták, hogy az edzetett rozspalánták képessége a legfőbb karboxiláz szubsztrátumok felhalmozására a levelekben, tükrözi a fotoszintetikus adaptáció megnyilvánulását a hosszantartó alacsony (nulla fok feletti) hőmérséklethez. Gray és munkatársai (1996) bizonyították, hogy az alacsony hőmérséklet által indukált fotoinhibíciós tolerancia önmagában nem az alacsony hőmérsékleten való növekedés hatása, hanem tükrözi a megnövekedett fotoszintézis kapacitást, mely válasz a PS-2 megnövekedett gerjesztési nyomására, melyet módosíthat mind a hőmérséklet, mind a besugárzás. Búzát, rozsot és tritikálét neveltek nevelőhelységben folyékony táptalajon, különböző hosszúságú fény-sötét szakaszokon (12/12 h vagy 16/8 h), illetve fény/sötét hőmérsékleteken (2/15ºC vagy 2/8ºC). Az alkalmazott fotoszintetikus foton flux sűrűség meghatározta a nettó fotoszintetikus rátát. Nagyon szoros pozitív összefüggést találtak a teljes napi asszimilált nettó CO 2 mennyisége és a növény abszolút növekedési rátája (AGR) között. A nettó fotoszintetikus ráta növekedett a fény periódus lerövidítésével és csökkent a sötétben alkalmazott hőmérséklet csökkentésével (Maleszewski és munkatársai, 1993). Különbségeket tudtak kimutatnia a fajtákon belül a genotípusok között, figyelembe véve azokat a fotoszintetikus tulajdonságokat, melyek az alkalmazkodási képességgel kapcsoltak. A Poaceae családhoz tartozó egyéb fajokkal is hajtottak végre kísérleteket a fent említett összefüggések tisztázására. A nettó fotoszintetikus ráta a különböző árpa (Hordeum vulgare L.) genotípusok kontroll növényeiben 18.6 és 22.1 µmol CO 2 m -2 s -1 volt, ez jelentősen csökkent, amikor a növényeket 1 és 5 µmol kadmium (Cd) terhelésnek tették ki. A Zhenong 1 fajtánál gátlást csak egy korai fejlődési fázisában figyelhettek meg, de a Cd nem gyakorolt szignifikáns hatást a későbbi fázisban lezajló folyamatokra. Ezzel ellentétben a Wumaoliuling fajtánál jelentős csökkenést tapasztaltak a kadmiummal terhelt növények 166

167 fotoszintetikus rátájában az egész növekedési perióduson keresztük. Feltételezték, hogy a Zhenong 1 fajtánál a későbbi fejlődési fázisban tapasztalható, viszonylag kisebb mértékű fotoszintézis-érzékenység a kadmium-hatásra, valószínűleg az anyagcserében bekövetkező adaptív változás vagy az árpa növényekben létrejött nehézfém tolerancia mechanizmus következménye (Wu és munkatársai, 23). Arora és munkatársai (21) tanulmányozták a kapcsolatokat a fotoszintetikus ráta (P N ), a levelek nitrogén tartalma, valamint a vízhiány között néhány búza (Triticum aestivum) genotípusnál. Megállapították, hogy a nettó fotoszintetikus ráta csökkent a vízhiány mértékének növekedésével és a levél nitrogén tartalmának csökkenésével együtt az összes vizsgált genotípusban. A P N változékonyságát figyelték meg a kontroll növényekben: az értékek 15,91- től 3,63 µmol CO 2 m -2 s -1 ig terjedtek. Ráadásul különbségeket figyeltek meg az eltérő genotípusok fotoszintetikus rátájában, a törpésítő gének jelenlétével összefüggésben: az egyetlen kópiában jelenlévő törpésítő gént tartalmazó egyedek és a vad típusok mutattak magasabb P N értékeket és nagyobb levél N tartalmat, összehasonlítva más genotípusokkal. Wang és munkatársai (21) vizsgálták a búza növények szárazság és hő-stresszre adott válaszait. A kontroll növények nettó fotoszintetikus rátája magasabb volt, mint 12 µmol CO 2 m -2 s -1. A ráta 8 és 6 µmol CO 2 m -2 s -1 alá csökkent szárazság- és hő-stressznek kitett növényekben. Azt figyelték meg, hogy a szárazság és a hő kombinált alkalmazásakor a fotoszintézis gátlása jóval nagyobb mértékben nőtt (3 µmol CO 2 m -2 s -1 alá) mintha csak a szárazságot vagy a hő-stressz kezelést alkalmaztak önmagában. Bencze és munkatársai (211) szintén tanulmányozták három kenyérbúza (Mv Mambo, Mv Regiment, Lona), egy-egy árpa (Petra) és durum búza (Mv Makaroni) fajták nettó asszimilációs rátáját a vízelvonással összefüggésben. Az érzékeny fajták, Petra, Lona és Mv Makaroni gyors asszimilációs ráta csökkenéssel reagáltak a talaj vízhiányára (8, 1 és 8 µmol CO 2 m -2 s -1 -ról 1, 2, és 1 CO 2 m -2 s -1 -ra). A toleráns fajták Mv Mambo, Mv Regiment asszimilációs rátája is csökkent 7 és 6 CO 2 m -2 s

168 ról 3.5 és 2.8 CO 2 m -2 s -1 -ra. Feng és munkatársai (29) transzgénikus és vad típusú rizs (Oryza sativa L. ssp. japonica) növényeket neveltek különböző nitrogén tartalom mellett (,1; 1 vagy 1 mm NH 4 NO 3 ). A fotoszintetikus szénredukció aktivitás és a PS II rendszer potenciális hatékonyságát mérték CO 2 asszimilációval és a Fv/Fm arányával. A szedoheptulóz-1,7-bifoszfatáz (SBP-áz) enzim aktivitása, mely fontos szerepet játszik a Calvin ciklus szénmegkötésének szabályozásában, csökkent a transzgénikus növényekben. Azt figyelték meg, hogy alacsonyabb nitrogén szintnél erős hatások befolyásolják a fotoszintézist, amikor is a SBP-áz enzim lecsökkent a genetikai manipuláció miatt. Megállapíthatjuk, hogy az alacsony nitrogén szint 34%-kal csökkenti a SBP-áz aktivitást, ami elegendő ahhoz, hogy csökkentse a fotoszintézist és a biomassza produkciót. Yoshida és munkatársai (28) határon átnyúló kísérleteiben különböző rizs (Oryza sativa L.) genotípusokat vizsgáltak Ázsia nyolc területén széles éghajlati sávot érintve, öntözött körülmények között, megfelelő nitrogén adagolása mellett. A céljuk, hogy felállítsanak egy modellt, mely magyarázatot ad a genetikai és környezeti variabilitásra a föld feletti biomassza produkciójában, a fotoszintézisen és a légzési folyamatokon keresztül, széles éghajlati sávban termesztett különböző genotípusokra, és azonosítsák azokat a fiziológiai jellemvonásokat, melyek kapcsolhatók a genotípusos különbözőséghez a biomassza növekedésben, egy modell analízisre alapozva. Kifejlesztettek egy föld feletti biomassza növekedési modellt, mely integrálta az egyes levelek fotoszintézis folyamatait, mint a sztóma vezetőképessége, a levél nitrogén tartalma, a növekedés és légzés fenntartása, és a termés fejlődése. Silva és munkatársai (212) tanulmányozták az alumínium (Al) toxikus hatását a fotoszintézissel kapcsolatos paraméterekben Riodeva és Donkowsky Zlote rizsfajtákban. Az alumínium hatására csökkent a nettó fotoszintetikus ráta, de ez a hatás csak a kitevést követő három hét múlva jelentkezett. A nettó fotoszintetikus ráta értékek 18,5 és 16,7 µmol CO 2 m -2 s -1 közöttiek voltak a kontroll növényekben, míg 8,4 és 7,9 µmol CO 2 m -2 s

169 közöttiek az Al-stresszelt Riodova és D. Zlote növényekben. Arra következtettek, hogy a fotoszintetikus tulajdonságok jó eszköznek bizonyultak az alumínium érzékenység monitorozásában. Eredmények Vetésforgó hatása A rozs növények fotoszintetikus rátájában szignifikáns különbségeket találtunk a vetésforgók között (1. táblázat). 1. táblázat. A különböző vetésforgóban termesztett rozsnövények fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 28, ,94 48,529, Csoportokon belül 2368, ,36 Teljes 4449, Figyelembe véve az egyes vetésforgókat a szignifikánsan legmagasabb fotoszintetikus aktivitási rátát a III. vetésforgóban mértük (3.ábra), ahol a rozs csillagfürt után van elvetve. Istállótrágyát itt nem használtak, csak nitrogén és foszfor műtrágyát adagoltak a rozs mellé. Annak ellenére, hogy a különbségek szignifikánsak, a ráta magas az I. vetésforgóban, ahol, sem műtrágyát, sem szerves trágyát nem használtak, a parcellák parlagoltatva voltak minden harmadik évben. Alacsonyabb rátát kaptunk a VI. és VII. vetésforgóban, ahol erjesztett istállótrágyát jutattak ki. Az istállótrágya mellett műtrágyát is kapott a VI. vetésforgó, míg a VII. vetésforgóban sem szerves, sem műtrágyát nem használtak. Ebben az esetben a fotoszintetikus rátában jelentkező különbségek nem voltak szignifikánsok. A legkisebb értéket a XIV vetésforgóban mértük, ahol a talaj javítását 169

170 minden harmadik évben csillagfürt zöldtrágyával oldják meg. A A e d 23. e 21.2 d 19.6 c 19.7 c 2. cd c 19.7 c 17.6 b 2. cd b 17.1 ab 16. a 17.1 ab 15.9 a 16. a 15.9 a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Rotations Rotations 3. ábra. A rozsnövények fotoszintetikus rátája (A= µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző vetésforgókban. A különböző kis betűk a szignifikánsan eltérő csoportokat jelölik (P <.5), a statisztikai analízist ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel végeztük a különböző vetésforgókban Ugyanezeket az eredményeket tapasztaltuk a X. vetésforgóban, ahol kizárólag istállótrágyát kaptak az egyes parcellák. A fotoszintetikus ráta növekedett ott ahol az istállótrágya mellé foszfor és kálium műtrágyát is adagoltak a rozshoz. (XI.). Összehasonlítva a X, XI, XIV és XV. vetésforgókat szignifikánsan magasabb a fotoszintézis intenzitása a XIII. vetésforgóban, ahol csillagfürt zöld trágya mellé nitrogén, foszfor és kálium műtrágyát is kijutattak a rozshoz. Nem volt szignifikáns különbség a rozs fotoszintetikus rátájában a XIV. és XV. vetésforgó között, ahol csillagfürt zöldtrágyát kapott mindkét vetésforgó, de a csillagfürt talajba történő bedolgozásának az időpontja 17

171 eltért: a XIV. vetésforgóban tavasszal, míg a XV. vetésforgóban ősszel. A szakaszok hatása Mivel a rozsot két-két szakaszban termesztik a VI, VII, XIII, XIV és a XV vetésforgóban, ezért méréseket végeztünk minden egyes szakaszban. Az adatok megosztottuk a szakaszok szerint, statisztikailag ismét kiértékeltük őket és különbségeket találtunk a szakaszok között. (2.táblázat). 2. táblázat. A különböző vetésforgók szakaszaiban termesztett rozsnövények fotoszintetikus rátájának ANOVA táblázata SQ df MQ F Sig. Csoportok között 1976, ,72 39,236, Csoportokon belül 146, ,876 Teljes 3383, Általánosságban elmondható, hogy nem volt szignifikáns különbség ugyanazon vetésforgó különböző szakaszaiban termesztett rozs fotoszintetikus rátájában (4. ábra). Ez igaz volt a VI, XIII, XIV és XV. vetésforgóra. Szignifikáns különbségeket csak a VII. vetésforgóban mértünk, ahol a homoktalaj javítását erjesztett istállótrágyával oldják meg mindenféle műtrágya nélkül. Az 1 szakaszban az erjesztett istállótrágyát a talajba juttatják mielőtt elvetik a rozsot, míg a 2. szakaszban nincs istállótrágya adagolás. A VI. vetésforgóban hasonlóan oldják meg a talajjavítást, erjesztett szalmatrágyát és komplex műtrágyát (NPK) is kap a talaj az 1. szakaszban a rozs előtt, míg a 2. szakaszban istállótrágyát nem adnak a rozs mellé. Ennek a vetésforgónak a különböző szakaszaiban termesztett rozsnövények fotoszintetikus rátájában nem találtunk szignifikáns különbséget. Ebben az esetben a szignifikáns különbség hiánya az

172 szakaszban termesztett rozshoz adagolt műtrágya utóhatására vezethető vissza. Nem volt szignifikáns különbség a XIII, XIV. és XV. vetésforgó szakaszaiban termesztett rozs fotoszintetikus rátájában. A csekély különbségek a különböző szakaszok agrotechnológiájában keresendők A A f f 2.6 e 19.3 e 19.3 de cd de cd e e de de de de ab b 15.9 ab 16. bc b a bc ab a ab ab a ab a I III VI/1 VI/2 VII/1 VII/2 X XI XIII/1 XIII/2 XIV/1 XIV/2 XV/1 XV/2 I III VI/1 VI/2 VII/1 VII/2 X XI XIII/1 XIII/2 XIV/1 XIV/2 XV/1 XV/2 Rotations and sections Rotations and sections 4. ábra. A rozsnövények fotoszintetikus rátája (A= µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző vetésforgók egyes szakaszaiban. A különböző kis betűk a szignifikánsan eltérő csoportokat jelölik (P <.5), a statisztikai analízist ANOVA-val és azt követően Tukey teszttel végeztük a különböző vetésforgókban Az 1. szakaszban a csillagfürtöt kizárólag zöldtrágyának vetik el a rozs betakarítása után, de nem a 2. szakasz után és a szakaszok között burgonyát is termesztenek. Mi azt a következtetést tudjuk levonni az eredményeinkből, hogy a vetésforgók hosszútávú hatása fontosabb szerepet játszik a növények fotoszintetikus rátájának alakulásában, mint az adott szakasz hatása. 172

173 Felhasznált irodalom Arora A., Singh V.P. and Mohan J. (21): Effect of nitrogen and water stress on photosynthesis and nitrogen content in wheat. Biologia Plantarum, 44(1): Bencze SZ., Bamberger ZS., Janda T., Balla K., Bedő Z. and Veis O. (211): Drought tolerance in cereals in terms of water retention, photosynthesis and antioxidant enzyme activities. Cent. Eur. J. Biol., 6(3): Feng L., Li H., Jiao J., Li D., Zhou L., Wan J. and Li Y. (29): Reduction in SBPase Activity by Antisense RNA in Transgenic Rice Plants: Effect on Photosynthesis, Growth, and Biomass Allocation at Different Nitrogen Levels. J. Plant Biol., 52: Gray G.R., Savitch L.V., Ivanov, A.C. and Huner N.P.A. (1996): Photosystem II excitation pressure and development of resistance to photoinhibition.2. Adjustment of photosynthetic capacity in winter wheat and winter rye. Plant Physiology, 11(1): Klimov S.V., Astakhova N.V. and Trunova T. I. (1999): Changes in Photosynthesis, Dark Respiration Rates and Photosynthetic Carbon Partitioning in Winter Rye and Wheat Seedlings during Cold Hardening. J. Plant Physiol., 155: Lazányi J. (1998): Ecological approach to crop rotation. In: Lazányi J. (ed): Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Lazányi J. and Kruppa J. (1993): Rozs. In: Lazányi J. (ed.): A Debreceni Agrártudományi Egyetem kutatóhelyein nemesített és fenntartott növényfajták ismertetése. Debrecen, p.175. Maleszewski S., Tomczyk J., Kolacinska B. and Kozlowska B. (1993): Photosynthesis and growth of wheat, rye and triticale at various daylengths and night temperatures. Plant Physiology and Biochemistry, 31(5):

174 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Silva S., Pinto G., Dias M.C., Correia C.M., Moutinho-Pereira J., Pinto- Carnide O. and Santos C. (212): Aluminium long-term stress differently affects photosynthesis in rye genotypes. Plant Physiology and Biochemistry, 54: Voronin P.Y, Ivanova H.N., Keerberg O.F. and Parnik T.R. (1998): Temperature dependence of photosynthetic CO 2 exchange in the leaves of cold-acclimated winter rye plants. Russian Journal of Plant Physiology, 45(4): Wang G.P., Zhang X.Y., Li F., Luo Y. and Wang W. (21): Overaccumulation of glycine betaine enhances tolerance to drought and heat stress in wheat leaves in the protection of photosynthesis. Photosynthetica, 48(1): Wu F.B., Zhang G.P. and Yu J.S. (233): Genotypic Differences in Effect of Cd on Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence of Barley (Hordeum vulgare L). Bull. Environ. Contam. Toxicol., 71: Yoshida H., Horie T. and Shiraiwa T. (28): A model for explaining genotypic and environmental variation in vegetative biomass growth in rice based on observed LAI and leaf nitrogen content. Field Crops Research, 18:

175 11. A csillagfürt adaptációs képessége a változó környezethez Hudák Ildikó, Mendlerné Drienyovszki Nóra, Magyarné Tábori Katalin, Gyetvai Miklós, Judit Dobránszki Bevezetés A fehérvirágú csillagfürtöt (Lupinus albus) már az ókori Görögországban, Rómában és Egyiptomban is termesztették, mind emberi fogyasztásra, mind az állatok takarmányozására (Borbély, 22). A Westsik vetésforgó meghatározó fehérjenövénye a csillagfürt (1. ábra). Fővetésben (4-5 héttel virágzás után alászántva) és másodvetésben zöldtrágyának termesztik. Abban az esetben, ha csillagfürtöt magjáért termesztik, akkor a gyökér és szármaradványt a talajba bedolgozzák. A takarmányozási célra termesztett csillagfürtöt 2-3 héttel a virágzás után takarítják be (Lazányi, 1998). A hüvelyesekről régóta úgy tartják, hogy jelentős széndioxid asszimilációs tevékenységet folytat még C alatt is (Koryakina et al., 197). Kurets és munkatársai (23) tanulmányozták a levegő-talaj hőmérsékleti grádiens hatását a nettó fotoszintézisre különböző megvilágítási szinteken a keskenylevelű csillagfürt (Lupinus angustifolius L., cv. Siderat-38) növényeknél. Vizsgálataikat olyan növényeken végezték, melyek homok-talajjal töltött tenyészedényekben neveltek. Az eredményekből egy modellt készítettek és úgy találták, hogy a nettó fotoszintézis három levélemeletes korban a legnagyobb (Pn max: mg dm-2 h-1), akkor, ha a levegő 8ºC-os, a talaj pedig 11ºC-os. Megállapították, hogy a Siderat-38 egy fényigényes és hidegtűrő csillagfürtfajta, számára az optimális levegő hőmérséklet és 16ºC között van, míg az optimális talajhőmérséklet 6 és 2ºC közötti. 175

176 1. ábra. Virágzó csillagfürt a Westsik vetésforgóban Drozdov és munkatársai (28) hasonló talaj és levegő hőmérsékleteket találta optimálisnak a maximális nettó fotoszintézis ( mg dm -2 h -1 ) eléréséhez a keskenylevelű csillagfürtnél, azonban az ilyen jellegű levegő és talaj hőmérséklet kombináció (7 és 1 C) ritkán fordul elő a természetes környezetben. Véleményük szerint az elérhető legnagyobb nettó fotoszintézis érték a potenciális maximum érték 9%-a. A pillangósok (Fabacea) családjába tartozó egyéb növényfajokon (bab, szója, borsó stb.) is kiterjedten tanulmányozták a környezeti tényezők hatásait a fotoszintézis mértékére. A bab esetében (Phaseolus vulgaris) a nettó fotoszintézis értéke (Pn) kb µmol CO 2 m -2 s -1 volt a kontroll növényekben, míg a szárazságban szenvedő növényeké jelentősen lecsökkent (6-8 µmol CO 2 m -2 s -1 ) (Dias and Brüggemann, 21). A foszfor hiány azonban alig befolyásolta a bab Pn értékét (Mikulska et al., 1998). 176

177 A lekötött széndioxid mennyisége (P) kb. 72 µg CO 2 m -2 s -1 volt a borsó kontroll növények esetében (Pisum sativum L.), ezt az értéket a sóstressz jelentősen csökkentette (28 µg CO 2 m -2 s -1 ) (Velitchkova and Fedina, 1998). A lucerna nettó fotoszintézise (Medicago sativa L.) kb. 9-1 µmol CO 2 m -2 s -1 a kontroll növényekben, míg ez jelentősen és fokozatosan csökkent (2 µmol CO 2 m -2 s -1 alá) ahogy a víz-stressz folytatódott (Li et al., 27). Makoi és munkatársai (21) tanulmányozták különböző tehénborsó (Vigna unguiculata L. (Walp.)) genotípusok fotoszintetikus válaszait különböző növénysűrűségre. Úgy találták, hogy a legnagyobb A értékeket (kb. 2.4 μmol CO 2 m 2 s 1 ) a kontroll növényeken kapták ( növény hektáronként), míg a nagyobb növénysűrűség ( növény hektáronként) jelentősen csökkentette a fotoszintézis aktivitását (15.6 μmol CO 2 m 2 s 1 ). A fajon belül a különböző genotípusok között azonban nem találtak jelentős különbségeket. Mivel a csillagfürt hüvelyes növény, a Rhizobium baktériumok jelenléte szintén befolyásolhatja a fotoszintézis mértékét. Ismert tény, hogy a szimbiotikus nitrogén megkötés folyamata szorosan összefügg a fotoszintézissel (Kretovich, 1994). A fotoszintézis biztosítja az energiát a légköri nitrogén megkötéshez (Romanov et al., 1983). A különböző gümőbaktériumok hatékonysága azonban visszahat a fotoszintézis mértékére. Sytnikov és munkatársai (25) tanulmányozták a szója (Glycine max (L.) Merrill) fotoszintetikus aktivitását a virágzás időszakában olyan növények levelein, melyeket különböző ásványi nitrogén tartalmú táptalajokon tenyésztettek, és különböző aktivitású Rhizobium törzsekkel fertőztek meg, melyeket előzőleg pre-inkubáltak homológ lektinnel. Úgy találták, hogy a növény fotoszintézisének mértékét meghatározta a növények nitrogén ellátottsága a nitrogén eredetétől függetlenül. A hatékony szimbiotikus apparátus stimulálta a fotoszintézist, mivel növelte a gyökerek gyűjtőkapacitását. 177

178 Eredmények A különböző vetésforgókban fejődött csillagfürt növények fotoszintézise jelentős különbségeket mutattak (1. táblázat). 1. táblázat. ANOVA táblázat a különböző vetésforgókban termeztett csillagfürt fotoszintézisének mértékére SQ df MQ F Sig. Csoportok 57, ,983 11,621, között Csoportokon 1245, ,856 belül Teljes 1753, A III. és XII. forgóhoz hasnolítva a VIII. vetésforgóban jelentősen alacsonyabb fotoszintetikus aktivitást találtunk (2. ábra). A VIII. forgó az egyetlen négy éves vetésforgó, amelyben a csillagfürtöt a négy év alatt kétszer termesztik; az 1. szakaszban fővetésű csillagfürtként a magjáért, míg a 2. szakaszban másodvetésű zöldtrágyának termesztik rozs után és burgonya előtt. A III. és XII. forgókban mért fotoszintézis értékek között azonban nem találtunk szignifikáns különbségeket, a legnagyobb értékeket a XII. forgóban mértük, ahol a csillagfürtöt zöldtakarmányként termesztett rozs után májusban vetik. 178

179 2. ábra. A fotoszintézis mértékének (A= µmol CO 2 m -2 s -1 ) alakulása a különböző vetésforgókban. A különböző betűk a szignifikánsan (P <.5) eltérő értékeket jelölik, egytényezős ANOVA-val meghatározva, Tukey s teszt alkalmazásával. Felhasznált irodalom Borbély F. (22): Csillagfürt (Lupinus sp. L.). In: Lazányi J. (ed.): Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum Kutatóhelyein nemesített és fenntartott növényfajták ismertetése. Nyíregyháza, 22, Dias M.C. and Brüggemann W. (21): Limitations of photosynthesis in Phaseolus vulgaris under drought stress: gas exchange, chlorophyll fluorescence and Calvin cycle enzymes. Photosynthetica, 48(1): Drozdov S.N., Popov E.G., Kholoptseva E.S. and Titov A.F. (28): Change in Net Photosynthesis of Narrowleaf Lupine Plants under the Effect of Soil Temperature. Russian Agricultural Sciences, 34(2)

180 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Koryakina, V.F. and Smetannikova, A.I., (197):Physiology of Clover and Alfalfa Plants, Fiziologiya sel skokhozyaistvennykh rastenii, T. VI, Zernovye rasteniya, mnogoletnie travy, khlebnye zlaki (Crop Physiology, vol. 6. Cereals, Perennial Grasses), Turkova, N.S., Ed., Moscow: Mosk. Gos. Univ., 197, pp Kretovich V.L. (1994): Biokhimiya usvoeniya azota vozdukha rasteniyami (Biochemistry of Atmospheric Nitrogen Assimilation by Plants), Moscow: Nauka, Kurets V.K., Drosdov S.N., Popov E.G., Talanov A.V. and Dembo E.D. (23): The Temperature Gradient Air Soil as a Factor in the Optimization of Net Photosynthesis in Whole Plants. Russian Journal of Plant Physiology, 5(1): Lazányi J. (1998): Westsik s Crop Rotation Experiment. In: Lazányi J. (ed.): Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Debrecen, 1998, Li W., Zhang S. and Shan L. (27): Responsibility of non-stomatal limitations for the reduction of photosynthesis response of photosynthesis and antioxidant enzyme characteristics in alfalfa (Medicago sativa L.) seedlings to water stress and rehydration. Front. Agric. China, 1(3): Makoi J.H.J.R., Chimphango S.B.M. and Dakora F.D. (21): Photosynthesis, water-use efficiency and δ13c of five cowpea genotypes grown in mixed culture and at different densities with sorghum. Photosynthetica, 48(1): Mikulska M., Bomsel J.L. and Rychter A.M. (1998): The influence of phosphate deficiency on photosynthesis, respiration and nucleotide pool in bean leaves. Photosynthetica, 35(1): Romanov V.I. (1983): Relationships between Nitrogen Fixation and Photosynthesis in Legumes, Proceeding of VI All-Union Meet. Biological Fixation of Molecular Nitrogen, Kiev: Naukova Dumka, 1983, pp

181 Sytnikov D.M., Kots S.Y., Malichenko S.M. and Kirizii D.A. (26): Photosynthetic Rate and Lectin Activity of Soybean Leaves after Inoculation with Rhizobia together with Homologous Lectin. Russian Journal of Plant Physiology, 53(2): Velitchkova M. and Fedina I. (1998): Response of photosynthesis of Pisum sativum to salt stress as affected by methyl jasmonate. Photosynthetica, 35(1):

182 12. A szója adaptációs képessége a változó környezethez Cecilia Bănăţeanu, Magyarné Tábori Katalin, Papp Anita, Smit Gergely Bevezetés Az 18-as években a légkör CO 2 koncentrációja 28 µmol mol 1 volt, ami mára jelentősen megnövekedett: a jelenlegi szintje 392 µmol mol 1. Az előrejelzések szerint a század közepére a CO 2 koncentrációja eléri az 55 µmol mol 1 -t (Prentice et al., 21). A nagyobb CO 2 szint javítja a növények fotoszintézisének hatékonyságát, ami növeli a foto-asszimiláta ellátottságot, a szárazanyag tömeget és a terméshozamot (Drake et al., 1997; Long et al., 24). A nagyobb CO 2 szint növeli a Rubisco enzim karboxilációs rátáját, és kompetitívan gátolja a ribulóz-1,5-bifoszfát (RuBP) oxidációját (Drake et al. 1997), de ezek a változások növényfajonként, fajtánként és fejlődési stádiumonként eltérőek lehetnek. Hao és munkatársai (212) tanulmányozták a légköri CO 2 koncentráció növekedésének hatását a levél szerkezetre, a fotoszintézisre és a termésre két szója fajtánál (cv. Zhonghuang 13 és 35). Úgy találták, hogy a hosszú ideig emelt szintű CO 2 koncentrációnak kitett szója növényeknél megfigyelhető a fotoszintézis akklimatizációja, és genotípusonként valamint fejlődési stádiumonként változott. A fotoszintézis akklimatizáció a virágzás elejétől megfigyelhető volt mindkét fajtánál, de a magkötés elején csak a Zhonghuang 13 fajtára volt jellemző. A hüvelyes fenofázisban már egyik genotípus sem mutatott képességet az akklimatizációra. A fajták között észlelt különbözőség a megnövekedett CO 2 koncentrációra mutatott válaszreakciókban a magkötés időszakában a terméshozamban lévő különbségeknek megfelelő volt. A nagyobb CO 2 szint jelentősen megnövelte a Zhonghuang 35 fajta termését (26%-kal), úgy, hogy a 182

183 hüvelyek száma nőtt 31%-kal, ez nem volt igaz a Zhonghuang 13 fajtára, ahol nem változott a hüvelyek száma. A mezőgazdaságban a szárazság az egyik legfontosabb terméskorlátozó tényező, mely a növényi folyamatokat különböző szinteken gátolja, a fotoszintézist befolyásoló gének kifejeződési szintjétől a növekedés-fejlődésen keresztül a végső biomassza felhalmozódásig (Flexas et al. 26, Pinheiro és Chaves 211). A vízhiány hatását a fotoszintézisre kiterjedten tanulmányozták, és néhány válaszreakció mechanizmust már tisztáztak. Általában a vízhiány felborítja az egyensúlyt az energia felvétele és tárolása között. Enyhe vízhiány hatására a fotokémiai folyamatok alig változnak, míg a CO 2 megkötés biokémiája már jelentősen csökken. A biokémiai folyamatok csökkenéséért különböző tényezők felelősek, ilyenek a sztóma CO 2 áteresztő képességének csökkenése, a mezofillum vezetőképessége, a ribulóz-1,5-bifoszfát (RuBP) szintézis korlátozottsága, valamint a Calvinciklus enzimeinek a gátoltsága (Lawlor és Tezara 29). Bertolli és munkatársai (212) vizsgálta a különböző mértékű vízhiány hatását a szója levelek fotoszintézisére. A növényeket kétféle vízhiánynak tették ki: volt egy gyors indukció, mely során a leválasztott leveleket dehidratálták levegőn történő szárítással, szabályozott körülmények között. A másik módszer egy lassú indukció volt, mely során az öntözést korlátozták üvegházi körülmények között. Megfigyelték a levelek gázcseréjét, a klorofill fluoreszcenciát, valamint a relatív víztartalmat a vízhiány során. A növények érzékenységét az összes élettani paraméter meghatározta, amikor a gyors indukciónak voltak kitéve, és a nettó fotoszintézis rátája erősen lecsökkent a dehidratálás kezdeti stádiumában. A lassú kezelésnek kitett szója növényeknek csak a 1%-a volt képes a nettó fotoszintézis mértékének helyreállítására a stressz-hatás megszűnése után. A hüvelyes növények rhizóbium baktériumokkal élnek szimbiózisban, mely során a növény foto-asszimilátumot (szénforrást) szolgáltat a baktérium számára. A szimbiózis nagyon előnyös a hüvelyes 183

184 növények számára alacsony nitrogén tartalmú talajokon, azonban gyakran felvetődik, hogy a baktérium szénforrással való ellátása következtében csökken a hüvelyesek termőképessége (Kiers és Denison, 28). Számos tanulmányban foglakoztak azzal, hogy valószínűleg a hüvelyeseknek nagyobb árat kell fizetni a légköri nitrogén szimbiotikus úton történő megszerzéséért, mint a nitrátnak a közvetlenül a talajból történő felvételéért (Kaschuk et al., 29). Mindezen érvek ellenére nem sok bizonyíték van arra vonatkozóan, hogy a kisebb szén-ráfordítással megszerzett nitrogénforrás nagyobb termőképességet eredményezne. Tulajdonképpen a nagyobb szén-költség ellenére, azok a hüvelyes növények, melyeket hatékony rhizóbium törzsekkel fertőztek és alacsony nitrogén tartalmú talajon termesztettek nagyobb biomassza termést adtak, mint amelyeket csak folyékony nitrogén műtrágyával kezeltek (Kaschuk et al., 21). Kaschuk és munkatársai (212) olyan szója növények fotoszintézis kapacitását hasonlította össze, melyeket különböző Bradyrhizobium japonicum törzsekkel (CPAC 39 vagy CPAC 7) inokuláltak, melyek hatékonysága különböző volt a nitrogén megkötésében, kontrollként nitráttal műtrágyázott növényeket használtak. Úgy találták, hogy az inokulált növények 14-31%-kal nagyobb mértékű fotoszintézist mutattak, és kevesebb keményítőt halmoztak fel a levelekben, mint a műtrágyázott növények. Egyértelmű volt, hogy a B. japonicum CPAC 39 nagyobb szén-költséggel végezte a nitrogén megkötését, mint a CPAC 7 törzs, de a nagyobb szén-ráfordítást nagyobb mértékű fotoszintézis kísérte. A levél fotoszintézisének egy biokémiai modelljének alkalmazásával, mely magában foglalta a Rubisco aktivitás korlátait, az elektronszállítás mértékét, trióz-p hasznosítást, kimutatták, hogy a szója növények beállítják a fotoszintézisük kapacitását a nagyobb szén-gyűjtőhelyek igényének megfelelően. Az emberi tevékenységnek tulajdoníthatóan a halogén-szén vegyületek kibocsátása miatt a sztratoszféra ózonrétegének globális csökkenése következett be, ami azt eredményezte, hogy jelentősen megnőtt az ultraviola-b (UV-B) sugárzás ( nm) a föld felszínén (McKenzie 184

185 et al. 27). Az UV-B sugárzás megnövekedése hívta fel a figyelmet a sugárzás növényeket károsító hatására (Caldwell et al. 27). Li et al. (212) tanulmányozta az UV-B sugárzás és a kadmium (Cd) hatását a szója magoncokra, mind önmagukban, mind kombináltan alkalmazva. Megfigyelték, hogy az UV-B és a Cd magában jelentősen csökkentette a pigment tartalmat, a nettó fotoszintézis mértékét, valamint a sztóma vezetőképességet. Catuchi és munkatársai (212) vizsgálták a kálium műtrágyázás hatását a fiziológiai paraméterekre, különböző vízellátottság mellett. A kísérleteket két szója fajtával végezték, a BR-16 (toleráns) és az Embrapa 48 (érzékeny) bevonásával, 4 és 1% vízellátottság, valamint három kálium dózis alkalmazásával (, 9, and 18 mg dm -3 ). A fotoszintézis potenciált és a biomassza hozamot értékelték két héttel a víz-stressz kezdete után. Megfigyelték, hogy vízhiány alatt a kálium műtrágya nem befolyásolta jelentősen a növekedést és a fiziológiai paramétereket. A kálium műtrágyázás elősegítette a fiziológiai paraméterek nagyobb hatékonyságát, a vízhiány kontrollját mindkét fajtánál és a legfőbb változók, melyeket befolyásolt a tápellátás a következők voltak: sztóma vezetőképesség, maximális Rubisco karboxiláció, és maximum CO 2 asszimiláció. A kálium utánpótlás javítja a fotoszintézis helyreállítását a növények rehidratációját követően, különösen az Embrapa 48 fajtánál. Anyag és módszer A fotoszintézis aktivitásának méréseit szója növényeken Livadában végeztük, egy tartamkísérletben, melyben különböző foszfor műtrágya adagokat (; 4; 8; 12 and 16 kg/ha) kombináltunk különböző nitrogén műtrágya adagokkal (, 25; 5; 75 és 1 kg/ha). A méréseket 212. augusztus 6-7.-én végeztük. A tenyészidőszakra jellemző időjárási adatokat az 1. táblázat tartalmazza. 185

186 1. táblázat. A tenyészidőszakra vonatkozó időjárási adatok Hónap Csapadék (mm) Többéves Eltérés az átlagtól átlag Hőmérséklet (ºC) Többéves Eltérés az átlagtól átlag Szept. 24,4 62, -37,6 17,9 15,1 2,8 Okt. 19,9 52,5-32,6 8,7 9,8-1,1 Nov., 56,1-56,1 1,3 4,6-3,3 Dec. 69,7 6, 9,7 2,7 -,3 3, Jan. 32, 46,7-14,7 -,5-2,4 1,9 Feb. 41,5 4,3 1,2-5,8 -,2-5,6 Márc. 7,3 43,5-36,2 4,8 4,5,3 Ápr. 44,2 5,3-6,1 12,3 1,3 2, Máj. 74,7 74,1,6 16,9 15,8 1,1 Jún. 126,7 92,9 33,8 2,4 18,8 1,6 Júl. 35,1 85, -49,9 23,4 2,3 3,1 Aug. 18,8 78,8-6, 21,8 19,7 2,1 494,3 742,2-247,9 1,3 9,7,6 Eredmények Mindkét hatóanyagú műtrágya kezelés jelentősen meghatározta a szója növények fotoszintézisének aktivitását. A legkisebb értéket (11.38 µmol CO 2 m -2 s -1 ) a kontroll parcellában mértük (2. táblázat), ahol sem N sem P műtrágyát nem alkalmaztunk. A legnagyobb értéket (17.54 µmol CO 2 m -2 s -1 ) abban a parcellában kaptuk, amelyben mindkét műtrágyából a legnagyobb dózist alkalmaztuk: 1 kg/ha N és 16 kg/ha P. Az összes nitrogén kezelés átlagában kimutatható volt, hogy a foszfor műtrágya alkalmazása jelentősen növeli a fotoszintézis mértékét. A műtrágya adagok hatásában nem mutatható ki jelentős különbség 4 és 12 kg/ha között, azonban a legnagyobb dózis már jelentősen nagyobb értékeket eredményezett, mind a kontrollhoz, mind az alacsonyabb dózisokhoz hasonlítva (1. ábra). 186

187 A (µmol CO2 m-2 s-1) A (µmol CO2 m-2 s-1) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása táblázat. A fotoszintézis aktivitása (µmol asszimilált CO 2 m -2 s -1 ) a különböző tápanyagellátásban részesült parcellákon termesztett szójanövényekben Dózis (kg/ha) P P4 P8 P12 P16 N 11,38 1,96 1,63 1,49 11,53 N25 12,21 12,13 12,76 13,18 14,77 N5 14,89 16,14 16,16 16,27 16,25 N75 14,77 15,45 15,44 15,73 16,92 N1 12,55 15,91 15,84 15,81 17,54 LSD 5%=2, ,5 15, ,5 14, ,5 13, ,5 12, c 15.4 c 14.3 b b b b 14.3 b b a a P P P4 P4 P8 P8 P12 P12 P16 P16 Foszfor műtrágya adagok (kg/ha) Foszfor műtrágya adagok (kg/ha) 1. ábra. A foszfor műtrágya hatása a fotoszintézis mértékére Amennyiben a nitrogén műtrágya dózisok hatását vizsgáljuk az összes foszfor kezelés átlagában kimutatható a nitrogén stimuláló hatása a fotoszintézisre: az asszimilált szén-dioxid mennyisége jelentősen nő a nitrogén műtrágya adagok növelésével egészen 5, kg/ha kezelésig, 187

188 A (µmol CO2 m-2 s-1) A (µmol CO2 m-2 s-1) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 azonban nagyobb dózisoknál nem tapasztalható további növekedés (2. ábra) c c c c c c 13.1 b 13.1 b 11. a 11. a N N25 N5 N75 N1 N N25 N5 N75 N1 Nitrogén műtrágya adagok (kg/ha) Nitrogén műtrágya adagok (kg/ha) 2. ábra. A nitrogén műtrágya adagok hatása a fotoszintézisre A terméshozam és az asszimilált szén-dioxid mennyisége között nagyon erős korreláció mutatható ki (3. és 4. ábra) y = 1,834x - 9,468 y = 1,834x - 9,468 R 2 R 2 =,891 =, P P 8 8 P P P P P 16 P P P , , , , , , ábra. A szójanövények fotoszintézise és a terméshozam közötti 188

189 összefüggés különböző foszfor adagok mellett 4. ábra. A szójanövények fotoszintézise és a terméshozam közötti összefüggés különböző nitrogén adagok mellett Felhasznált irodalom Bertolli, S.C., Rapchan,G.L. and Souza G.M. (212): Photosynthetic limitations caused by different rates of water-deficit induction in Glycine max and Vigna unguiculata. Photosynthetica 5 (3): Caldwell MM, Bornman JF, Ballare CL, Flint SD, Kulandaivelu G (27): Terrestrial ecosystems, increased solar ultraviolet radiation and interactions with other climatic factors. Photochem Photobio Sci 6: Catuchi, TA; Guidorizzi, FVC; Guidorizi, KA; et al. (212): Physiological responses of soybean cultivars to potassium fertilization under different water regimes. Pesquisa Agropecuaria Brasileira, 47(4): 189

190 Drake, B.G., Gonzalez-Meler, M.A., Long, S.P. (1997): More efficient plants: a consequence of rising atmospheric CO 2? Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 48: Flexas, J., Bota, J., Galmés, J., Medrano, H., Ribas-Carbo, M. (26): Keeping positive carbon balance under adverse conditions: responses of photosynthesis and respiration to water stress. Physiol. Plant. 127: Hao, X.Y., Han X., Lam S.K., Wheeler T., et al.(212): Effects of fully open-air [CO2] elevation on leaf ultrastructure, photosynthesis, and yield of two soybean cultivars. Photosynthetica 5 (3): Kaschuk, G., Kuyper, T.W., Leffelaar, P.A., Hungria, M., Giller, K.E. (29): Are the rates of photosynthesis stimulated by the carbon sink strength of rhizobial and arbuscular mycorrhizal symbioses? Soil Biol. Biochem. 41, Kaschuk, G., Leffelaar, P.A., Giller, K.E., Alberton, O., Hungria, M., Kuyper, T.W. (21): Responses of legumes to rhizobia and arbuscular mycorrhizal fungi: a metaanalysis of potential photosynthate limitation of symbioses. Soil Biol. Biochem. 42, Kaschuka, G., Xinyou Y., Hungriae M., Leffelaar P.A., Giller K.E., Kuyperb, T.W. (212): Photosynthetic adaptation of soybean due to varying effectiveness of N2 fixation by two distinct Bradyrhizobium japonicum strains. Environmental and Experimental Botany 76: 1 6. Kiers, E.T., Denison, R.F. (28): Sanctions, cooperation, and the stability of plantrhizosphere mutualisms. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 39, Lawlor, D.W., Tezara, W. (29): Causes of decreased photosynthetic rate and metabolic capacity in water-deficient leaf cells: a critical evaluation of mechanisms and integration of processes. Ann. Bot. 13: Li X., Zhang L., Li Y. et al. (212): Changes in photosynthesis, 19

191 antioxidant enzymes and lipid peroxidation in soybean seedlings exposed to UV-B radiation and/or Cd. Plant Soil, 352: Long, S.P., Ainsworth, E.A., Rogers, A., Ort, D.R. (24): Rising atmospheric carbon dioxide: plants FACE the future. Annu. Rev. Plant Biol. 55: McKenzie RL, Aucamp PJ, Bais AF, Bjorn LO, Ilyas M (27): Changes in biologically-active ultraviolet radiation reaching the earth s surface. Photochem Photobio Sci 6: Pinheiro, C., Chaves, M.M. (211): Photosynthesis and drought: can we make metabolic connections from avaiable data? J. Exp. Bot. 62: Prentice, I.C., Farquahar, G.D., Fasham, M.J.R. (21): The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide. In: Houghton, J.T., Ding, Y., Griggs, D.J. et al. (ed.): Climate Change 21: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. pp Cambridge Univ. Press, Cambridge New York. 191

192 13. Az őszi búza adaptációs képessége a változó környezethez Cecilia Bănăţeanu, Magyarné Tábori Katalin, Papp Anita, Smit Gergely Bevezetés A globális felmelegedés miatt a szárazság egyre gyakrabban fordul elő (Salinger, 25), ezért nagyon fontos a növénynemesítés szempontjából a növényeknek a változó környezethez való adaptációs képességének a fejlesztése. A zölden-maradni tulajdonság, mely számos növényfajban megtalálható, egy olyan képesség, mellyel a virágzás utáni szárazságot a növények tolerálni tudják (Thomas és Howarth, 2). Tian et al. (212) összehasonlította a szárazságtűrési képességét egy őszi búza zölden-maradni mutánsnak (tasg1) és a vad típusnak. A szárazságot egyrészt az öntözés szabályozásával, másrészt ernyők használatával idézték elő. A mutáns öregedése lassúbb volt mind normál, mind száraz körülmények között, ezt a klorofill lassúbb lebomlása jellemezte. Megfigyelhető volt továbbá egy kisebb mértékű visszaesés a fotoszintézis mértékében, mindezek hozzájárultak a hatékonyabb fotoszintézishez és nagyobb terméshozamhoz, amit a mutáns mutatott száraz körülmények között. Huseynova (212) szintén a szárazság hatását tanulmányozta a fotoszintézis paramétereire. Különböző érzékenységű durum (Triticum durum L.) és kenyér búzákat hasonlított össze normál körülmények között, valamint súlyos vízhiány mellett. Az érzékeny fajták esetében a szárazság sokkal nagyobb mértékű gátlást eredményezett a fotoszintézisben, mint a toleráns fajtáknál. 192

193 A vízzel elöntött területek szintén problémát jelenthetnek bizonyos területeken. Hossain és munkatársai (211) Japánban végzett kísérleteket két fajtával (Daichinominori és Haruyutaka). A virágzás előtt és a virágzás után a magtelítődés időszakában árasztották el a parcellákat. Megfigyelték, hogy a virágzás után történő elárasztás esetén a levelek gyorsan elöregedtek, a fotoszintézis jelentősen lecsökkent, és ennek megfelelően a szárazanyag felhalmozódás is kevesebb volt. A nettó fotoszintézis mértéke a kontroll parcellákon mindkét fajtánál kb. 12 µmol CO 2 m 2 s 1 volt, a fotoszintézis mértékén csökkenését csak több, mint 12 nappal az elárasztás után tudták kimutatni. 17 nap elteltével azonban hirtelen visszaesett a kontroll értékek 35%-ra a Daichinominori fajtánál. A Haruyutak fajtánál a gyors csökkenés már a 11. nap után tapasztalták, ekkor a kontroll növények fotoszintézisének 15%-át teljesítették az elárasztott növények. Megállapították, hogy a kisebb maghozam a csökkent asszimilációnak tulajdonítható. Mandani és munkatársai (212) különböző öntözési rendszerek és a virágzás után alkalmazott nitrogén műtrágya (-4 kg/ha) terméskomponensekre gyakorolt hatását vizsgálták. Megállapították, hogy a szárazságnak kitett növények nettó asszimilációs rátája növekedett a nitrogén adagolás hatására a magtelítődés időszakában. Pérez és munkatársai (211) megfigyelte, hogy a hőmérséklet növekedése különbözőképpen befolyásolta a fotoszintézist, attól függően, hogy milyen volt a szén-dioxid koncentráció. A válaszreakciókból kiderült, hogy a növények fotoszintézise gátolt a túl nagy szén-dioxid koncentráció mellett, méghozzá a gátolt Rubisco aktivitás miatt. Számos tényező befolyásolta a fotoszintézis aktivitását: pl. alacsony sztóma vezető képesség, a meleg és száraz körülményekre jellemző nem megfelelő intercelluláris CO 2 koncentráció stb. Ennek megfelelően a nagyobb hőmérsékleten és nagy CO 2 szint mellett nevelt növényeknél tapasztalt kisebb mértékű fotoszintézis aktivitás csökkenés a Rubisco karboxiláció változásaira vezethető vissza. Eredményeik szerint a nagyobb CO 2 koncentráción történő növekedés növeli a fotoszintézis és Rubisco aktivitási választ a hőmérséklet változásaira. 193

194 Sinha és munkatársai (211) diploid, tetraploid és hexaploid búzafajták emelt (55 µl l -1 ) CO 2 koncentrációra történő válaszreakcióit vizsgálta, összehasonlítva a normál (375 µl l -1 ) CO 2 szinten növekedett növényekkel. Megfigyelték, hogy a nagyobb CO 2 koncentráció csökkenti mind a PS-I mind a PS-II fotokémiai centrumok működését minden tesztelt genotípusnál. A fotoszintézis alulszabályozása valószínűleg annak a visszacsatolás-gátlásnak tulajdonítható, melyet a levelekben és magokban nagy mennyiségben felhalmozódott keményítő és oldható cukor eredményezett. A növényekben tapasztalt fotoszintézis akklimatizáció ellenére betakarításkor mindhárom genotípus jelentősen nagyobb száraz súlyt ért el. A PS-I aktivitás legnagyobb mértékű csökkenését a Triticum dicoccoides esetében figyelték meg. A PS-I és a PS-II aktivitás csökkenés legkevésbé T. aestivum esetében volt kimutatható. A levélrozsda (Puccinia triticina) az egyik legfontosabb betegség, ami a búza terméshozamát jelentősen lecsökkentheti, a betegség ugyanis befolyásolja a fényenergia megkötésének és/vagy hasznosításának hatékonyságát. A napfény hasznosítás hatékonyságának csökkenése a fotoszintézis és a kapcsolódó folyamatok változásán keresztül valósul meg (pl. a sötét légzés mértéke, sztóma vezetőképesség vagy a fotoszintézis eseményei önmagukban). Carretero és munkatársai (211) tanulmányozták a levélrozsda hatását a búza levelek fotoszintézisére azért, hogy meghatározza a fotoszintézis mely folyamatai érintettek a kórokozóval történő fertőzéskor. Különböző mértékben fertőzött zászlós leveleken végeztek gázcsere méréseket különböző nitrogén ellátottság mellett. A levélrozsda csökkentette a nettó fotoszintézis mértékét a fénytelítődési ponton főleg a bruttó fotoszintézis csökkenésén keresztül (az átlagos csökkenés: 6.1 µmol CO 2 m 2 s 1 ) és kevésbé a sötétlégzés változásán keresztül (átlagos növekedés:.7 µmol µmol CO 2 m 2 s 1 ). A levél nitrogén tartalma azonban nem módosította a levélrozsda hatását a fotoszintézisre. Zhang és munkatársai (211) szerint az őszi búza azon zöld szervei, melyek nem levelek jelentős fotoszintétikus potenciállal rendelkezhetnek és 194

195 a terméshozam kialakításában szerepük van, különösen akkor, ha a növény stressz-hatásnak van kitéve a késői fejlődési stádiumban. Úgy találták, hogy a felső három levéllemez felülete csökkent a nem levél jellegű zöld felületek aránya a teljes zöld felület arányához képest pedig nőtt a virágzás idején a vízellátás csökkenésével. A zászlós levél nódusza feletti nem-levél jellegű zöld szervek fotoszintézis hozzájárulása a magterméshez növekedett a vízellátás csökkenésével és jelentősen nagyobb volt, mint a zászlós levél lemez fotoszintézisének aránya. A légszennyezés növekedése a földfelszínét érő napsugárzás mennyiségének jelentős csökkenéséhez vezetett. Zheng és munkatársai (211) vizsgálták az őszi búza (cv. Yangmai 13) adaptációs képességét az alacsony fényintenzitáshoz. A növényeket négyféle fényerőn nevelték (1%, 6%, 4%, és 2%-a a természetes napfénynek). Az alacsony fényerőn megfigyelték a klorofill és xantofill pigmentek jelentős növekedését, valamint a klorofill a/b és xantofill/klorofill arányok csökkenését. A fényreakció görbék nagyobb nettó fotoszintézist mutattak a teljes fénnyel megvilágított növényeknél, valamint nagyobb volt a fénykompenzációs pontjuk is. Az eredmények azt sugallják, hogy a Yangmai 13 őszi búzafajta képes fenntartani egy nagyobb fotoszintézis hatékonyságot alacsonyabb fényerőn is, és jól alkalmazkodik az árnyékos körülményekhez. Az őszi búza fotoszintézis és antioxidáns válaszai az alacsony fényerőre nagy jelentőségű a búza termesztésében és a produktivitásban. Anyag és módszer Az őszi búza fotoszintézis mérései Livadában, egy olyan tartamkísérletben történtek, melyben a parcellák különböző mészkő adagokat (; 5 és 1 t ha) kaptak (1961, 1966, 1971, 1977, 1986 és 1998). A meszezést különböző tápanyag utánpótlási kezelésekkel kombinálták: 1 kg/ha nitrogén műtrágya önmagában vagy 7 kg/ha 195

196 foszfor hatóanyaggal (P 2 O 5 ) kombinálva, illetve kombinálva 7 kg/ha P 2 O 5 hatóanyaggal és 6 kg/ha kálium hatóanyaggal (K 2 O) (komplex műtrágya adagolás). Az istállótrágyát 2 t/ha mennyiségben alkalmazták minden 4. évben vagy önmagában, vagy a komplex műtrágyás kezeléssel kombináltan. A mérések 212. április 12.-én történtek. Eredmények Nagyon alacsony értékeket (4.68 µmol CO 2 m 2 s 1 ) kaptunk az abszolút kontroll parcellákban, melyben sem mészkőadagolás sem tápanyag utánpótlás nem történt (1. táblázat). A legnagyobb értéket (2.48 µmol CO 2 m 2 s 1 ) abban a parcellában mértük, mely hektáronként 1 t meszet és komplex NPK műtrágya adagot kapott (1:7:6 kg /ha). 1. táblázat. A mészkő és a tápanyag utánpótlás hatása az őszi búza fotoszintézisére (µmol asszimilált CO 2 m 2 s 1 ) Tápanyag utánpótlás (kg/ha) Mészkő adagok (t/ha) 5 1 kontroll 4,68 8,9 12,93 N (1) 5,91 15,7 16,69 NP (1:7) 4,52 15,79 15,12 NPK (1:7:6) 4,94 16,66 2,48 # (2 t/ha) 17,41 17,79 16,83 18,6 16,46 16,97 #+NPK (2 t/ha+1:7:6 kg/ha) LSD 5% = 1.32 # istállótrágya Az összes tápanyag utánpótlási kezelés átlagában értékelve az eredményeket kimutatható, hogy a mészkő alkalmazása jelentősen stimulálta a fotoszintézist, a kezelt talajokon jóval nagyobb értékeket 196

197 A (µmol CO2 m 2 s 1) A (µmol CO2 m 2 s 1) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 kaptunk (1. ábra). A nagyobb dózisban (1 t/ha) alkalmazott mészkő jelentősen nagyobb mértékű fotoszintézist eredményezett, mint az alacsonyabb dózis (5 t/ha) c 15.8 b 16.5 c 15.8 b 9.34 a 9.34 a L L L5 L5 L1 L1 Mészkő adagok (kg/ha) Mészkő adagok (kg/ha) 1. ábra. A meszezés hatása az őszi búza fotoszintézisére A tápanyag utánpótlás jelentősen növeli az asszimilált CO 2 mennyiségét (2. ábra). Az ábrán bemutatott értékek az összes meszezési kezelés átlagában kapott értékek. Az istállótrágya használata magában és műtrágyával kombináltan eredményezte a legnagyobb fotoszintézis ráta értékeket. Amennyiben nitrogént önmagában adagoltunk a fotoszintézis mértéke jelentősen megnövekedett a kontrollhoz hasonlítva. A nitrogén további kombinált alkalmazása (+P 2 O 5 és + K 2 O) szintén jelentősen növelte az asszimilált CO 2 mennyiségét. 197

198 A (µmol CO2 m 2 s 1) A (µmol CO2 m 2 s 1) HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása c c c c b b 14.3 bc 14.3 bc 11.81b 11.81b 8.57 a 8.57 a Control Control N N NP NP NPK NPK # # NPK+# NPK+# Tápanyag utánpótlási kezelések Tápanyag utánpótlási kezelések 2. ábra. A különböző tápanyag utánpótlási módszerek hatása az őszi búza fotoszintézisére Az asszimilált CO 2 mennyisége összefüggést mutatott az őszi búza terméshozamával (3. ábra). 3. ábra. Összefüggés az őszi búza fotoszintézis intenzitása és a terméshozam között 198

199 Felhasznált irodalom Carretero R., Bancald, M. O., Mirallesa D.J. (211): Effect of leaf rust (Puccinia triticina) on photosynthesis and related processes of leaves in wheat crops grown at two contrasting sites and with different nitrogen levels. Europ. J. Agronomy, 35: Hossain, Md.A., Araki H., Takahashib T. (211): Poor grain filling induced by waterlogging is similar to that in abnormal early ripening in wheat in Western Japan. Field Crops Research 123, Huseynova I.M. (212): Photosynthetic characteristics and enzymatic antioxidant capacity of leaves from wheat cultivars exposed to drought. Biochimica et Biophysica Acta 1817, Madani, A., Makarem, A.H., Vazin, F., Joudi M. (212): The impact of post-anthesis nitrogen and water availability on yield formation of winter wheat. Plant Soil Environ., 58(1): Pérez P., Alonso A., Zita G., Morcuende R., Martínez-Carrasco R. (211): Down-regulation of Rubisco activity under combined increases of CO2 and temperature minimized by changes): in Rubisco kcat in wheat. Plant Growth Regul, 65: Salinger, M.J., Sivakumar, M., Motha, R. (25): Reducing vulnerability of agriculture and forestry to climate variability and change: workshop summary and recommendations. - Climatic Change 7: Sinha, P.G., Saradhi, P.P., Uprety D.C., Bhatnagar A.K. (211): Effect of elevated CO 2 concentration on photosynthesis and flowering in three wheat species belonging to different ploidies. Agriculture, Ecosystems and Environment, 142: Thomas, H., Howarth, C.J. (2): Five ways to stay green. Journal of Experimental Botany, 51: Tian, F.X., Gong, J.F., Wang, G.P., Wang, G.K., Fan, Z.Y., Wang, W. (212): Improved drought resistance in a wheat stay-green mutant tasg1 under field conditions. Biologia Plantarum 56 (3):

200 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Zhang, Y., Zhang Y., Wang Z., Wang Z. (211): Characteristics of canopy structure and contributions of non-leaf organs to yield in winter wheat under different irrigated conditions. Field Crops Research, 123: Zheng Y., Mai B., Wu R., Feng Y., A. Sofo A. et al. (211): Acclimation of winter wheat (Triticum aestivum, cv. Yangmai 13) to low levels of solar irradiance. Photosynthetica 49(3):

201 14. A kukorica adaptációs képessége a változó környezethez Cecilia Bănăţeanu, Hudák Ildikó, Papp Anita, Smit Gergely Bevezetés A legtöbb kutatást, melyet a megnövekedett CO 2 szintre adott válasszal kapcsolatosan hajtottak végre, a C 3 fajokkal végezték, ahol a fotoszintetikus aktivitást stimulálják a Rubisco karboxiláz kinetikai tulajdonságai. Ebben a témában kevesebb figyelmet kaptak a C 4 növények feltételezve, hogy az a belső CO 2 koncentráló mechanizmus, mely a C 4 növényekben van, teszi ezeket a növényeket érzékennyé a megemelkedett légköri CO 2 -ra (Reddy és mtsai. 21). Ugyanakkor számos jelentés arra utal, hogy a C 4 -es fotoszintézis is reagál a magas CO 2 szintre. A C 4 -es növények válasza a változó éghajlatra rendkívül fontos szerepet játszik, mivel ezek a globális primer termelékenység 25 és 3% -hoz járulnak hozzá (Defries és Townsend 1994). A globálisan legfontosabb C 4 -es szemes termény a kukorica (Zea mays), amelyet több mint 16 országban termesztenek. 29-ben világszerte a kukoricatermesztés (817 millió tonna) már meghaladta a búza (682 millió tonna) és a rizs (678 millió tonna) termesztését (Pingali, 21). Amellett, hogy C 4 fajok ökológiai és táplálkozási szempontból is fontosak, jelenleg a bioüzemanyag-növények legtöbbje is C 4 növény beleértve a cukornád (Saccharum officinarum), a kukorica (Zea mays), köles (Panicum virgatum) és a Miscanthus (Somerville et al., 21). Ezért fontos, hogy megértsük C 4 növények válaszait a globális környezeti változásokra, hogy előre lássuk a jövőbeli ökoszisztéma működését, az élelmiszerhiányokat és tervezni tudjuk az energiabiztonságunkat. Azonban a jelenlegi előrejelzések behatároltak 21

202 azáltal, hogy nem ismertek azok a kölcsönhatások a környezeti változók között, melyek növelhetik, illetve súlyosbíthatják a C 4 fotoszintetikus válaszokat az emelkedő légköri CO 2 koncentrációra (Ghannoum et al., 2; Sage és Kubien, 23; Leakey, 29). Duvick (25) szerint a nemesítők fokozatosan növelték a hibrid kukorica termőképességét az elmúlt 7 évben. Különböző jelentések azt mutatják, hogy számos élettani jellemzők járultak hozzá a megnövekedett kukorica termeléshez, beleértve a magasabb fotoszintetikus rátát is (Dinget al., 25). Mivel a hibrid kukorica termése nőtt, az új hibridek egyre toleránsabbak a stresszekkel szemben és ez a magasabb tőszámban nyilvánul meg. Ez azt tette lehetővé, hogy a magasabb tőszámmal magasabb terméshozam párosul területegységre vonatkozóan. A múltban a mezőgazdasági technika és a termények fejlesztése főleg arra koncentrált, hogy növeljük a biomassza és a szemtermés mennyiségét, de a gyökérzet fontosságát az élelmiszer-termelés szempontjából gyakran figyelmen kívül hagyták. Néhány C 4 növényeknek jelentősen emelkedett a fotoszintetikus rátája a megemelkedett CO 2 szintre, főként magasabb hőmérsékleten és alacsony vízellátottságnál (Cousin et al. 22, és Sage Kubien 23, Leakey et al. 29). Ghannoum és mtsai 2-ben arról számoltak be, hogy erős besugárzás alatt nevelt C 4 -s növények fokozott fotoszintézissel reagáltak az emelkedett CO 2 szintre. Úgy tűnik, hogy két fő mechanizmus van a C 4 -s növények növekedésében az emelkedett CO 2 szint alatt (Ghannoum et al. 2). Az első mechanizmus működése a megkötött CO 2 által kiváltott nettó fotoszintetikus arány növekedésében nyilvánul meg. Annak ellenére, hogy sokszor azt gondolták, hogy C 4 fajok enzimatikusan telítődnek szénnel a jelenlegi légköri CO 2 koncentráción, számos tanulmány kimutatta, hogy ez nem mindig igaz (Maroco et al. 1999, Ziska et al. 1999, Wand et al. 1999, Ghannoum mtsai. 2, Cousins et al. 22). A nettó fotoszintetikus arány a C 4 fajokban eredményezhet biomassza-növekedést az atmoszferikus CO 2 emelkedésénél. A második mechanizmus a sztóma vezetőképességének csökkenését okozza, ami 22

203 viszont azt eredményezi, hogy csökken a transpiráció okozta vízveszteség. Ezért megnövekedett CO 2 kitettség esetén fokozódik a talajnedvesség megőrzése, amely javíthatja az általános növény-víz kapcsolatot, valamint a nagyobb biomassza-termelést (Ghannoum et al. 2). Más szempontból a megnövekedett CO 2 megkötést fotokémiai szabályozásnak tartják. Az már kevésbé ismeretes, hogy fotokémiailag hogyan szabályozhatóak a különböző besugárzási rendszerek magas CO 2 koncentrációnál. A magas besugárzások megnövelik a potenciális fotoinhibíciót, ami lehet visszafordítható, de ugyanakkor okozhat visszafordíthatatlan súlyos károkat is a fotoszintetikus apparátusban (Alves et al. 22). A szakirodalmi adatokra alapozva a fényintenzitással változhat a növények fotoszintetikus apparátusának válasza a megnövekedett CO 2 szintre. Ha hosszú ideig tart a növekedés, a fotoszintézis alkalmazkodik a megnövekedett CO 2 szinthez. Steven J. Crafts-Brandner és mtsai (22) szerint a kukorica fotoszintetikus apparátusa összetevőinek érzékenységét meghatározza a magas hőmérséklet okozta stressz. A nettó fotoszintézis (Pn) gátlódik ha a levél hőmérséklete 38 C fölé megy és a gátlás sokkal nagyobb, ha az emelkedés gyorsan történik, nem fokozatosan. A légzési ráta fokozatosan nő a levél hőmérsékletével, jelezve, hogy a gátlás nem kapcsolható össze a sztóma záródással. A Rubisco enzim aktiválási állapota csökkent 32,5 C-t meghaladó hőmérsékletnél, a majdnem teljes inaktiválódása 45 C-nál következik be. A végkövetkeztetés az, hogy a kukorica levelek fotoszintetikus rátájának elsődleges kényszere a Rubisco inaktiválódása, ha a levelek hőmérséklete 3 C fölé emelkedett. Azt már régen felismerték, hogy a fotoszintézis tekintetében a C 4 növényfajok hőmérsékleti optimuma magasabb, mint a C 3 növényeké, mivel a CO 2 megkötő rendszer működését a Rubisco oxigenáz aktivitása szabályozza (Berry and Björkman, 198; Edwards and Walker, 1983). A C 3 növényekben a nettó fotoszintézis gátlása már kevésbé magas hőmérsékleten bekövetkezik, ami rendszerint annak tudható be, hogy megnő a Rubisco oxigenáz aránya. 23

204 Habár a C 4 növények hőmérsékleti optimuma magasabb, mint a C 3 növényeké, a fotoszintézis gátlódik, ha a levélhőmérséklet meghaladja a 38 C-t (Berry and Björkman, 198; Edwards and Walker, 1983). Mivel a C 4 fotoszintetikus rendszer sokkal komplexebb, mint a C 3 rendszer, a végső korlátozó tényező mindkét fotoszintetikus típusnál a CO 2 megkötésekor a Rubisco aktivitása (von Caemmerer et al., 1997; Edwards et al., 21). Hu és mtsai (212) C 3 növényeket transzformáltak C 4 génekkel, hogy javítsák a C 3 növények fotoszintetikus rátáját. Kísérletükben a foszfoenolpiruvát-karboxiláz gén teljes cdns-ét izolálták kukoricából PCRrel. A pepc gént búza (Triticum aestivum) növényekbe ültették be transzformációval. A fiziológiai vizsgálatok azt mutatták, hogy a foszfoenolpiruvát-karboxiláz aktivitás a transzgénikus növényekben 14 %- kal volt magasabb, mint a nem transzformáltakban. A legmagasabb fotoszintetikus ráta a transzgénikus növényekben volt 31,95 µmol CO 2 /m 2 /s, ami 26%-kal volt magasabb, mint a nem transzformált növényeké. A fénytelítettségi pont és a karboxiláz hatékonyság a transzgénikus búzában 2 és 22,57 %-kal volt magasabb, mint a nem transzformált búzában. A C 4 növények a természetben és a mezőgazdasági kultúrákban gyakran megélnek csökkentett vízellátottság és/vagy N-ellátottság mellett. Globálisan elmondható, hogy a vízellátottság egy kulcsfontosságú tényező a növények produktivitása és terméshozama szempontjából (Boyer, 1982; Churkina and Running, 1998; Nemani et al., 23; Gerten et al., 24). Anyag és módszer A kukorica fotoszintézis méréseit Livadában végeztük, egy olyan tartamkísérletben, ahol különböző mészkő dózisokat (; 5 és 1 t/ha) adagoltak a talajhoz 1961, 1966, 1971, 1977, 1986 és 1998-ban. Ezeket a kezeléseket különböző tápanyagokkal egészítették ki. A kontroll parcellához sem istállótrágyát, sem műtrágyát nem adtak. A nitrogén műtrágyát 1 kg/ha dózisban alkalmazták önmagában vagy kombinálva foszforral (7 24

205 kg/ha P 2 O 5 ) és káliummal (6 kg/ha K 2 O) (komplex műtrágyázási kísérlet). Istálló trágyát (2 t/ha minden 4. évben) szintén önmagában vagy complex műtrágyával együtt adagoltak a kezelésekben. A méréseket 212. július án végeztük. Eredmények Legkisebb fotoszintetikus rátát (6.19 µmol CO 2 /m 2 /s) az abszolút kontroll parcellában mértük. A legmagasabb aktivitást (17.42 µmol CO 2 /m 2 /s) pedig abban a parcellában tapasztaltuk, ahol 1 t/ha mészkő dózist adagoltak a komplex műtrágyához (1:7:6 kg/ha) (1. táblázat). 1. táblázat. A meszezés és a tápanyag utánpótlás hatása a fotoszintetikus rátára (µmol CO 2 m 2 s 1 ) kukorica növényekben Tápanyag utánpótlás (kg/ha) Mészkő dózisok (t/ha) 5 1 kontroll N (1) NP (1:7) NPK (1:7:6) # (2 t/ha) #+NPK (2 t/ha+1:7:6 kg/ha) LSD 5% = 1.32 # istálló trágya Az összes tápanyag utánpótlási kezelés átlagában nem találtunk szignifikáns különbséget a két mészkő dózis (5t/ha és 1 t/ha) között (1. ábra). A kontroll kezelésben ( t/ha) kaptuk a legkisebb eredményeket az asszimilált CO2-ra vonatkozólag összehasonlítva a magasabb mészkő 25

206 dózisos eredményekkel (5t/ha és 1 t/ha). 1.ábra. Meszezés hatása a fotoszintetikus rátára kukorica növényekben 2.ábra. A különböző tápanyag utánpótlások hatása a kukorica növények fotoszintetikus rátájára 26

207 A 2. ábrán azt figyelhetjük meg, hogy a tápanyag utánpótlás szignifikánsan növelte az asszimilált szén-dioxid mennyiségét. Az értékeket az összes meszezési kezelés átlagában adtuk meg. Az istálló trágyás kezelések adták a legmagasabb eredményeket, akár önmagukban, akár műtrágyával voltak kombinálva. Amikor nitrogén műtrágyát adagoltak önmagában a talajhoz, az szignifikánsan megnövelte a fotoszintetikus rátát a kontrollhoz képest. Ha a nitrogént kombináltuk foszforral és káliummal, az szintén serkentette a fotoszintetikus folyamatokat. A fotoszintézis mértéke összefüggést mutatott a kukorica terméshozamával (3.ábra). 3. ábra. Kukorica növények fotoszintetikus rátája és a terméshozam kapcsolata Felhasznált irodalom Reddy, A. R., Rasineni, G. K., Raghavendra A.S.: The impact of global elevated CO2 concentration on photosynthesis and plant productivity. Curr. Sci. 99: 46-57, 21. Defries, R.S., Townsend, J.R.G.: NDVI-derived land cover 27

208 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 classifications at a global-scale. Int. J. Rem. Sens. 15: , Pingali PL. 21. Meeting world maize needs: technological opportunities and priorities for the public sector World Maize Facts and Trends. Mexico City: CIMMYT. Somerville C, Youngs H, Taylor C, Davis SC, Long SP. 21. Feedstocks for lignocellulosic biofuels. Science 329, Ghannoum O, von Caemmerer S, Ziska LH, Conroy JP. 2. The growth response of C-4 plants to rising atmospheric CO2 partial pressure: a reassessment. Plant, Cell and Environment 23, Sage RF, Kubien DS. 23. Quo vadis C-4? An ecophysiological perspective on global change and the future of C4 plants. Photosynthesis Research 77, Leakey ADB. 29. Rising atmospheric carbon dioxide concentration and the future of C-4 crops for food and fuel. Proceedings of The Royal Society B-Biological Sciences 276, Duvick, D.N., 25. Contribution of breeding to yield advances in maize (Zea mays L.). Adv. Agron. 86, Ding, L., Wang, K.J., Jiang, G.M., Li, Y.G., Jiang, C.D., Liu, M.Z., Niu, S.L., Peng, Y., 25. Post-anthesis changes in photosynthetic traits of maize hybrids released in different years. Field Crops Res. 93, Cousins, A.B., Adam, N.R., Wall, G.W., Kimball, B.A., Pinter, P.J., Ottman, M.J, Leavitt, S.W, Webber, A.: Photosystem II energy use, non-photochemical quenching and the xanthophyll cycle in Sorghum bicolor grown under drought and free-air CO2 enrichment (FACE) conditions. Plant Cell Environ. 25: , 22. Sage, R.F., Kubien, D.S.: Quo vadis C4? An ecophysiological perspective on global change and the future of C4 plants. Photosynth. Res. 77: , 23. Maroco, J.P., Edwards, G.E., Ku, M.S.B.: Photosynthetic acclimation 28

209 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 of maize to growth under elevated levels of carbon dioxide. Planta 21: , Ziska, L.H., Sicher, R.C., Bunce, J.A.: The impact of elevated carbon dioxide in the growth and gas exchange of three C4 species differing in CO2 leak rates. Physiol. Plant. 15: 74-8, Wand, S.J.E., Midgley, G.F., Jones, M.H., Curtis, P.S.: Responses of wild C4 and C3 grass (Poaceae) species to elevated atmospheric CO2 concentration: a meta-analytic test of current theories and perceptions. Global Change Biol. 5: , Alves, P., Magalhães, A.C.N., Barja, P.R.: The Phenomenon of photoinhibition of photosynthesis and its importance in reforestation. Bot. Rev. 68: , 22. Steven J. Crafts-Brandner and Michael E. Salvucci: Sensitivity of photosynthesis in a C4 plant, maize, to heat stress. Plant Physiology 129(4): , 22. Berry JA, Björkman O (198) Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants. Annu Rev Plant Physiol 31: Edwards G, Walker D (1983) C3,C4: Mechanisms and Cellular and Environmental Regulation of Photosynthesis. (University of California Press, Berkeley). von Caemmerer S, Millgate A, Farquhar GD, Furbank RT (1997) Reduction of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase by antisense RNA in the C4 plant Flaveria bidentis leads to reduced assimilation rates and increased carbon isotope discrimination. Plant Physiol 113: Edwards GE, Furbank RT, Hatch MD, Osmond CB (21) What does it take to be C4? Lessons from the evolution of C4 photosynthesis. Plant Physiol 125: Hu, L., Li, Y., Xu, WG., Zhang, QC., Zhang, L., Qi, XL.:Improvement of the photosynthetic characteristics of transgenic wheat plants by transformation with the maize C4 phosphoenolpyruvate carboxylase 29

210 gene. Plant Breeding 131(3): Boyer JS Plant productivity and environment. Science 218, Churkina G, Running SW Contrasting climatic controls nt he estimated productivity of global terrestrial biomes. Ecosystems 1, Nemani RR, Keeling CD, Hashimoto H, Jolly WM, Piper SC, Tucker CJ, Myneni RB, Running SW. 23. Climate-driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to Science 3, Gerten D, Schaphoff S, Haberlandt U, Lucht W, Sitch S. 24. Terrestrial vegetation and water balance: hydrological evaluation of a dynamic global vegetation model. Journal of Hydrology 286,

211 Jelen kiadvány tartalma nem feltétlenül tükrözi az Európai Unió hivatalos álláspontját. 211

212 Study of the carbon cycle of the soil-plant system Possibilities for decreasing the CO 2 emission of the agriculture

213 Table of contents Table of contents Preface Westsik s Crop Rotation Experiment Treatments and total fertilization inputs in Westsik s crop rotation experiment: Liming and fertilization experiments in Livada Geological area Climate Temperature Soil Presentation of the experiment The established common research base The aim and successiveness of the establishment The procured equipments and instruments The new scientific investigations Field measurements and studies Laboratory measurements and studies Regional importance of the common research base Effect of nutrient supply on mitigation Introduction Materials and methods Results of Research Institute of Nyíregyháza Nitrate content of soil Phosphorus content of soil Potassium content of soil The ph of soil Organic carbon content of the biomass Carbon dioxide emission of the soil Organic carbon content of the soil Results of Research Institute of Livada Acidity of soil

214 Nitrate and nitrite content of soil The available potassium content of the soil The humus content of the soil Soil respiration Conclusion Effects of microbial activity on mitigation Introduction Materials and methods Measuring of enzyme activity Measuring of phospholipid fatty acids Phospholipid fatty acids used for data evaluation Measuring of soil respiration Data evaluation Results of Research Institute of Nyíregyháza Results of Research Institute of Livada Conclusions... 3 References Calculation of Soil Carbon Stocks for the Westsik Long-Term Experiment of the Nyíregyháza Research Institute Calculation of soil carbon stocks according to the IPCC methodology Ranging the soil into IPCC input categories Change of soil carbon stocks in the Westsik long-term experiment Calculation of Soil Carbon Stocks for the Long-Term Experiment of the Livada Research Institute by József Zsembeli Calculation of soil carbon stocks according to the IPCC methodology Ranging the soil into IPCC input categories Change of soil carbon stocks in the long-term experiment at Livada Adaptability of plants to the changing environment Introduction The role of photosynthesis in the biosphere Adaptability of plants The C 3 and C 4 plants

215 The role of nutrients in the photosynthesis The aim of this study Adaptability of potato to the changing environment Introduction Materials and methods Photosynthetic rate and fluorescence on potato in different rotations 344 Results and discussion The rate of photosynthesis Photosynthetic rate of potato leaves in different phenological phase 348 The chlorophyll fluorescence results Adaptability of rye to the changing environment Introduction Results Effect of rotations Effect of sections Adaptability of lupine to the changing environment Introduction Results Adaptability of soybean to the changing environment Introduction Materials and Methods Results Adaptability of winter wheat to the changing environment Introduction Materials and Methods Results Adaptability of corn to the changing environment Introduction Materials and Methods Results

216 Preface Climate change and the possible solutions for stopping it are important questions of research, industry and agriculture. Contribution of the agriculture to the climate change is not too high (1-12%) even so the decrease of the greenhouse gas emission of agriculture is very important. For this purpose, to get acquainted with the casemaps of regional agriculture is indispensable. An element of this casemaps is the soil, one of our most important, renewable natural resource. The quality of soils is very different, but it is typical of geographical regions. Farmers living in the cross-border region of Hungary and Rumania work in similar conditions (soil, climate, microclimate), but local nature is of great importance. Two research centres (Nyíregyháza and Livada) help to farmers to manage in the most productive way under local conditions. Beyond the plant breeding and improving the plant-connected agrotechnology, the activities of two research centres have been widened with mitigation experiments. This research work is based on the new common research base supported by the HURO82/92_AF project. The common research base allows soil and plant analysis connected to the carbon cycle in the long-term experiments of the research centres which represent the typical farming systems of each region, respectively and these experiments are appropriate for studying long-term effects of farming. Evolving the project calculation of soil carbon stocks, examination the effects of plant nutrition methods and soil microbial activity on carbon cycle, characterization of adaptation capacity of the main plant species and studying the possibilities of decreasing CO 2 -emission based on the adaptation of plants were studied. The HURO82/92_AF project has started a new cooperation and a new research trend which could result in new scientific results important for the practice and environmental protection and has created the bases of new scientific projects. 216

217 1. Westsik s Crop Rotation Experiment István Henzsel, Tibor Aranyos The crop rotation experiment was established by Vilmos Westsik in The treatments of Westsik s crop rotation experiment were planned with the aim to investigate the increasing possibilities of soil organic matter content and fertility by different organic matter amendments (straw, farmyard, main and second crop green manure). There are treatments with or without supplementary fertilization. There are 15 Rotations, from which 14 are three-years and one is four-years crop rotations (Fig. 1). Figure 1. Westsik s Crop Rotation Experiment 217

218 The experiment is set up with strict crop rotation where rye and potato are grown at least once in every 3 years (Fig. 2-3). Besides these two plants, legumes are grown in some crop rotations. Vetch mixed with oat is grown as feed mixtures and lupine is sown as main crop for seed production, green forage and green manure. The total area of the experiment is approximately 12.4 ha while the area of one plot is 2,7 m 2. Figure 2. Rye, potato, lupine (Rotation III.) Treatments and total fertilization inputs in Westsik s crop rotation experiment: Rotation I. Plot 1: Fallow Plot 2: Rye (no fertilization) Plot 3: Potato (no fertilization) Rotation II. Plot 1: Lupine (green manure P, K fertilization) Plot 2: Rye (P, K fertilization) Plot 3: Potato (N fertilization) 218

219 Rotation III. Plot 1: Lupine (P, K fertilization) Plot 2: Rye (P, K fertilization) Plot 3: Potato (N fertilization) Figure 3. Rye, oat-pea, potato (Rotation XI.) Rotation IV. Plot 1: Rye (mulch, N, P, K fertilization) Plot 2: Potato (N, P, K fertilization) Plot 3: Rye (no fertilization) Rotation V. Plot 1: Rye (straw manure, N, P, K fertilization) Plot 2: Potato (N, P, K fertilization) Plot 3: Rye (no fertilization) Rotation VI. Plot 1: Rye (straw manure, N, P, K fertilization) Plot 2: Potato (N, P, K fertilization) Plot 3: Rye (no fertilization) 219

220 Rotation VII. Plot 1: Rye (straw manure, no fertilization) Plot 2: Potato (no fertilization) Plot 3: Rye (no fertilization) Rotation VIII. Plot 1: Lupine (P, K fertilization) Plot 2: Rye (N, P, K fertilization, second crop lupine as green manure) Plot 3: Potato (P, K fertilization) 4. plot: Rye (N fertilization) Rotation IX. Plot 1: Sweet lupine as green forage (P, K fertilization) Plot 2: Rye (N, P, K fertilization) Plot 3: Potato (N fertilization) Rotation X. Plot 1: Oat with vetch (farmyard manure, no fertilization) Plot 2: Rye (no fertilization) Plot 4: Potato (no fertilization) Rotation XI. Plot 1: Oat with vetch (farmyard manure and P, K fertilization) Plot 2: Rye (P, K fertilization) Plot 3: Potato (N fertilization) Rotation XII. Plot 1: Rye (P, K fertilization, then lupine green manure) Plot 2: Rye (P, K fertilization) Plot 3: Potato (N fertilization) Rotation XIII. Plot 1: Rye (N, P, K fertilization, second crop lupine green manure ploughing in spring ) Plot 2: Potato (N, P, K fertilization) Plot 3: Rye (N, P, K fertilization) Rotation XIV. Plot 1: Rye (N, P, K fertilization, second crop lupine green manure ploughing in autumn) 22

221 Plot 2: Potato (N, P, K fertilization) Plot 3: Rye (N, P, K fertilization) Rotation XV. Plot 1: Rye (no fertilization, second crop lupine green manure ploughing in spring) Plot 2: Potato (no fertilization) Plot 3: Rye (no fertilization) The Rotation I., as a control, receives no fertilisers and organic material treatment. In the first year the fallow was a green one, the plant material produced in the vegetation period was ploughed into the soil before the flowering of weeds. After fallow, rye and potato are grown. The Rotations II-III. represent green and root manure treatments, where lupine was grown as a main crop and incorporated into the soil. In the second Rotation lupine in green pods state is ploughed into the soil. The Rotation III. represents lupine root manure treatment, where lupine was grown for grain. Lupine has a favourable C/N ratio, the stem and root residues decomposed easily, which effect is similar to the application of farmyard manure. In the second year rye is sown then potato is planted in the third year. Rotations IV-VII. represent straw manure treatments. Straw manure is applied in the first year before sowing of rye. Potato is planted in the second year, then rye is sown, but these are not applied with straw. In the Rotation IV. rye straw is applied as mulch (3.5 t ha -1 ). In Rotation V. straw manure is applied with nitrogen (11.3 ha -1 ), in Rotations VI. and VII., straw manure (26.1 t ha -1 ) is fermented without nitrogen. The Rotations IV-VI. are treated with straw and fertilizer, Rotation VII. is treated only with fermented straw. Rotation VIII. is the only rotation with 4 main crops, where lupine grows twice in 4 years; once as a main crop produced for grain and once as a second crop produced after rye and before potato, for green manure. In the Rotation IX., lupine is grown as a forage crop and harvested after flowering. After lupine, first rye, then potato are grown. Rotations X. and XI. represent farmyard manure treatments without 221

222 and with supplementary fertilisers, respectively. In both Rotations farmyard manure is applied at the rate of 26.1 t ha -1 every three years. In the second year rye is sown then potato is planted. Rotation XII. represents green forage crop. In the first year rye is grown, that can be cut by early May. Lupine is grown after that as green manure and sown in May. In this Rotation the lupine is sown earlier than in other second crop green manure treatments. In the second year rye is sown for grain then potato is planted in the third year. Rotations XIII., XIV., XV. represent green manure treatments, where lupine is grown as a second crop. The difference between Rotations XIII. and XIV. can be found in the time of the incorporation of green manure (in Rotation XIII. it is ploughed in spring and in autumn in Rotation XIV.). The Rotation XV. receives no supplementary fertilisers. In each of the three rotations potato is planted in the second year and rye is grown in the third year without green manure. Table 1. The amounts of amended nitrogen in Westsik s crop rotation experiment (kg ha -1 ) Rotations plot 1. plot 2. plot 3. plot 4. N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O N P 2 O 5 K 2 O I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV 222

223 The Rotations I., VII., X., and XV. receive no supplementary fertilisers (Table 1). The fertilized treatments are amended with 94 kg ha -1 P 2 O 5 and 84 kg ha -1 K 2 O for three or four years. The Rotations II., III., XI. and XII. receive less amount of nitrogen at the rate of 43 kg ha -1 3 years -1. The Rotations VIII., IX., XIII. and XIV. receive more amount of nitrogen at the rate of 86 kg ha -1 for 3 or 4 years. The straw manure crop rotations (IV., V. and VI.) receive the most nitrogen (18 kg ha -1 3 years -1 ). The soil of crop rotations is sandy soil. Mechanical composition of soil is the next: coarse sand ( mm) 15.2%, medium sand ( mm) 72.44%, fine sand (.2-.5 mm) 1.66%. The ratio of the silt fraction (,1-,2 mm) is 2.21%, the fraction of clay (<.2 mm) is 8.66% (Fig. 4).,72%,72%,7%,7%,79%,79% 1,66% 1,66% 8,66% 8,66% 72,44% 72,44% 15,2% 15,2% Coarse sand Coarse sand (,25-1, mm) Medium (,25-1, sand mm) Medium sand (,5-,25 mm) Fine (,5-,25 sand (,2- mm) Fine sand (,2-,5) Silt,5) (,1-,2 Silt (,1-,2 mm) Silt mm) (,5-,1 Silt (,5-,1 mm) Silt mm) (,2-,5 Silt (,2-,5 mm) Clay mm) (-,2 Clay (-,2 mm) mm) Figure 4. Soil mechanical composition of different crop rotations In the project, nine treatments were chosen for studying, which can be compared to the treatments from Rumanian crop rotation therefore we can study the effect of farmyard manure and artificial fertilizing with or without organic matter addition in two different soil types of the crossborder region. So the following crop rotations were examined from the Westsik s experiment: I. control; III. fertilised without manure; VI-VII. 223

224 straw manure; X-XI. farmyard manure; XIII., XIV., XV. second crop green manure. Proposed literature Henzsel, I. (27): A Westsik vetésforgó tartamkísérlet napjainkban. In: 8. évi jubileumi kiadvány. Szerk. Iszályné T. J., Debreceni Egyetem Agrár- és Műszaki Tudományok Centruma Kutató Központ, Nyíregyháza, p. Henzsel, I. (28): A klímaváltozás hatása a rozstermésre. In: A klímaváltozás és a növénynemesítés. Szerk. Iszályné T. J., Debreceni Egyetem Agrár- és Műszaki Tudományok Centruma Kutató Központ, Nyíregyháza, p. ISBN Henzsel, I. (21): Alternatív növények alternatív trágyázási lehetőségei. In: Az alternatív növények szerepe az Észak-alföldi Régióban. Szerk. Gondola, I. Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma Kutatóintézetek és Tangazdaság Nyíregyházi Kutatóintézet, Nyíregyháza, p. ISBN Henzsel, I. Györgyi Gy.-né (21): Környezetkímélő trágyázási módok egy tartamkísérlet eredményei alapján. In: Az Élhető Vidékért 21 Környezetgazdálkodási Konferencia. Szerk. Kovács, Gyula Gelencsér, Géza Centeri Csaba. Koppányvölgyi Vidékfejlesztési Közhasznú Egyesület, Törökkoppány p. ISBN Henzsel, I. (212): Növénytermesztés nyírségi homoktalajon a Westsikféle vetésforgó tartamkísérlet eredményei alapján. In: 85 éve a nyírségi növénynemesítés és növénytermesztés szolgálatában. Szerk. Romhány László. Debreceni Egyetem Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma Kutató Intézetek és Tangazdaság Nyíregyházi Kutató Intézet, Nyíregyháza p. ISBN

225 Lazanyi, J. (1994): Homokjavító vetésforgókkal végzett kísérletek eredményei. DATE Kutató Központ, Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1995): Alternatív tápanyaggazdálkodás a Westsik vetésforgó-kísérlet tapasztalatai alapján. Agrokémia és Talajtan, Lazanyi, J. (1995): Results of Sustainable Production in Westsik s Crop Rotation Experiment. Communication of the Scientific Body of the Hungarian Academy of Sciences. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1996): Results of Westsik s crop rotation experiment for sustainbale agriculture. Hungarian Agricultural Research, Lazanyi, J. (1997): Homoki gazdálkodás a Westsik-féle vetésforgó kísérlet tükrében. Homoktalajok hasznosításának időszerű kérdései a hazai homok-kutatások tükrében. Kecskemét, Lazanyi, J. (1998): Principles of Sustainable Agriculture in Nyírség Region. Lazanyi, J., (ed) Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1999): Nutrient management in Westsik s crop rotation experiment. Tiszántúli Mezőgazdasági Tudományos Napok, Debrecen, Lazanyi, J. (1999): Westsik s crop rotation experiment. In: Lazanyi, J.- Dobranszki, J. (ed.) Agricultural Research in Nyírség Region. Nyíregyháza, Lazanyi, J. (1999): Principles of sustainable agriculture in Nyírség region. In: Lazanyi, J.-Dobranszki, J. (ed.) Agricultural Research in Nyírség Region. Nyíregyháza, Lazányi, J. Loch, J. Henzsel, I. (26): A tápanyag-gazdálkodás fenntartható rendszere a Westsik vetésforgó kísérlet tapasztalatai alapján. In: A tápanyag-gazdálkodást segítő talajvizsgálati módszerek alkalmazása a Nyírség homoktalajain. Szerk. Loch J. Lazányi J., Westsik Vilmos Nyírségi Tájfejlesztési Alapítvány, Nyíregyháza, p. 225

226 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Márton, Á. (1969): Különböző adagú és arányú nitrogén műtrágyák hatásának vizsgálata nyírségi homoktalajon. Agrokémia és Talajtan. 18. köt. 2. sz p. Márton, Á. (1984): Gyengén savanyú homoktalaj termékenységének növelése tarlón visszamaradt szalmatrágyával. Agrokémia és Talajtan. 33. No p. Márton, Á. Hadházy, Á. (1993): A trágyázási módok hatása a rozs termésére a Westsik-féle vetésforgó kísérletben. Országos Gabonatermesztési Tanácskozás Budapest, szept Kalászos Gabonafélék termesztése. II. Technológia p. Westsik, V. (1931): Homokjavító vetésforgók! Nyírvidék. 52. évf. 26. sz. 9. Westsik, V. (1936): Szalmatrágyázás jelentősége homokon. Mezőgazdaság. 13. évf. 9. sz Westsik, V. (1937): Pillangósvirágú takarmányok jelentősége laza homokon. Hangya. 28. évf. 25. sz Westsik, V. (196): Az istálló- és zöldtrágya tudományos jellegű megvilágításban. Magyar Mezőgazdaság. 15. évf. 3. sz Westsik, V. (1962): A szerves és ásványi trágyázás összehangolása. Magyar Mezőgazdaság. 17. évf. 2. sz. 9. Westsik, V. (1965): Vetésforgó kísérletek homoktalajon. Akadémia Kiadó, Budapest. 226

227 2. Liming and fertilization experiments in Livada Paul Kurtinecz, Cecilia Bănăteanu, Anita Papp, Gergely Smit The Research Centre of Livada was established in 1962 for studying the possibilities of improving the fertility of cambic and acidic soils. The main degradation processes of these soils are acidification, stagnant water, decreasing of humus content which resulted in microbiological degradation (Asvadurov és Boeriu, 1983). These unfavourable processes are dangers to the functions of the soil which could induce ecological problems. These mentioned problems and processes were determined the location of the long-term experiments which are the most appropriate ones for studying the improvement of the factors influencing negatively the economic plant growing. Our knowledge comes especially from the long-term experiments (Carlgren és Mattson, 21; Korschens, 1994; Korschens et al., 22; Merbach és Deubel, 27). Geological area The Long-term Experiments of Livada are situated in the Szamoshát region which is a plain along a river. Its elevation is m. The location of this plain is southeast-northwest. The basic rock predominantly originated from sediments. Climate According to Köppen, the NE part of Transylvania belongs to the Cfbx climate region with moderate-continental climate. The following 227

228 atmospheric flows influence the climate of this region: subtropical anticyclone of Azori island, cyclone of Island, anticyclone of Groenland, cyclones around the Mediterranean Sea and the flows from N-Africa (Asvadurov és Boeriu, 1983). Temperature The mean temperature measured in the last 5 years at the Livada Research Centre is 9.7 o C (Fig. 1). Analysing the changes of monthly mean temperatures January seems to be the coldest while July the warmest month. Figure 1. Average monthly temperatures, ( C) (Livada, Rumania) In the studying period ( ) the yearly mean of the precipitation was mm in Sárközújlak which has capricious distribution in the vegetation period (Fig. 2). The highest quantity of precipitation is in June (92.9 mm) following by August (78.8 mm) and September (62 mm). In winter is a relative drought with 4.3 mm precipitation. The precipitation of April and May is the most valuable for the agriculture, but if this period is too cold for a long time and the precipitation is too high, it could cause 228

229 economic damage by weakening the plants. Figure 2. Average monthly precipitation (mm) (Livada, Rumania) Soil The soil types of the long-term experiments are Luvisol and Cambic Podzol. The basic rock of Luvisol is sedimentary with the ground water of 4-6 m in deep. The humus and phosphorus content of the plough layer are low, the potassium content is medium, its ph is slightly acidic (Table 1, Fig. 3). The main restricting factor of plant growing in this soil type is the acidic ph and the low humus content. 229

230 Table 1. Physical and chemical properties of the Luvisol (Livada, Rumania) Horizon Ap E1 EB Bt1 Bt2 Bt3 Bt3 Bt3 Deep (cm) Clay (,2 mm) % Bulk density (g cm - ³) Total porosity (% v/v) Aeration porosity (% v/v) Resistance to penetration (N cm - ²) Hygroscopic coefficient (H2O % m/m) Field capacity (%) Water-holding capacity (%) Hydraulic conductivity (cm s -1 ) Deep (cm) Humus (%) Total N (%) C humic acid/c fulvic acid ph H2O ph KCl AL-P2O5 (mg kg -1 ) AL-K2O (mg kg -1 ) Exchangeable Al (meé 1mg -1 ) Exchangeable cation (meé 1mg -1 ) Ca Mg K Na H T-value (meé 1 g -1 ) Exchangeable cation (T%) Ca Mg K Na V-value (%) The main agrochemical properties of the Cambic Podzol are the low humus and potassium content, medium phosphorus content and strongly 23

231 acidic ph of the plough soil layer (Table 2). These chemical properties and the bad water balance of soil are strong restricting factors for plant growing. Table 2. Physical and chemical properties of the Cambic Podzol (Livada, Rumania) Horizon Ap Ea BEw Bt1w Bt2 Bt3 Deep (cm) Clay (,2 mm) % Bulk density (g cm - ³) Total porosity (% v/v) Aeration porosity (% v/v) Hygroscopic coefficient (H2O % m/m) Field capacity (%) Water-holding capacity (%) Humus (%) Total N (%) C humic acid/c fulvic acid ph H2O ph KCl AL-P2O5 (mg kg -1 ) AL-K2O (mg kg -1 ) Exchangeable Al (meé 1mg -1 ) Exchangeable cation (meé 1mg -1 ) Ca Mg K Na H T-value (meé 1 g -1 ) Exchangeable cation (T%) Ca Mg K Na V-value (%) Presentation of the experiment The liming and fertilization experiments were started in 1961 as a two-factorial experiment in split-plot design with 5 repetition (Table 3). 231

232 Figure 3. Soil profile of Luvisol (Livada, Rumania) Originally, the liming factor (A) had three levels:, 5 and 1 t ha -1 lime on the Cambic Podzol while, 2.5 and 5 t ha -1 lime on Luvisol. Moreover, the repetitions were subdivided allowed to enhance the dose and frequency of liming treatment. In this way the experiments became more useful for practice. The fertilization factor (B) was a typical deficit-type (Mangelversuch) experiment at the start of the experiments (Table 3). 232

233 Unfortunately, there are a lot of experiments with different liming doses in the world ((Körschens, 1997; Kádár, 1998; Csathó, 211). Table 3. Factors of the Long-term Experiments of Livada Fertilization was done with ammonium nitrate, superphosphate, 233

234 potassium chloride and farmyard manure up From this year superphosphate was changed by triplesuperphosphate. The 5X5N type fertilization experiments were started in 1967 in split-plot designe with 5 repetition. In these experiments the doses of phosphorus were the same for all test plants while the doses of nitrogen were different for test plants. Literature Asvadurov, H., Boeriu, I. (1983): Solurile județului Satu Mare. Red. de propag. teh. agricolă.p 28-39; ; Carlgren, K., Mattsson, L. (21): Swedish soil fertility experiments. Acta Agric. Scand., Sect. B, Soil and Plant Sci., p Csathó P. (21): Összefüggés a talajsavanyúság mértéke és a mészhatások között a hazai szabadföldi kísérletek adatbázisán, A mészformák és a talajtulajdonságok szerepe a mészhatások megjelenésében. Agrokémia és Talajtan, 1-2, Kádár, I. (1998): Savanyú talajok meszezésének szükségessége teljeskörű állami támogatással. In: Talajsavanyodási helyzetkép és megoldások. Pannon Agrártudományi Egyetem Mosonmagyaróvár. p Körschens, M. (1994): Der Statische Dungungsversuch Bad Lauchstadt Nach 9 Jahren, B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart. Leipzig,p Körschens, M. (1997): The most important long-term field experiments of the world-overview-importance-results. Archivea of Agronomy and Soil Science, Harward Academic Publishers, p Körschens, M. et al. (22): 1 Jahre Statischer Dungungsversuch Bad Lauchstadt, Herausgegeben analasslich des Internationalen Symposiums vom5.bis 7., p. 54. Merbach, W., Deubel, A. (27): The long term fertilization trials in Halle (Saale)- A Survey, Martin Luther Universitat Halle-Wittenberg, Halle, Saale, p. 24, 3,

235 3. The established common research base Marianna Makádi, Ibolya Demeter, Judit Dobránszki, Cecilia Bănăteanu, Paul Kurtinecz, The aim and successiveness of the establishment The common research base is located at Research Institute of Nyíregyháza, Research Institutes and Study Farm, Centre for Agricultural and Applied Economic Sciences, University of Debrecen where it is in close connection with the Soil Biological Laboratory. The aim of the establishment of the common research base was to raise the technical level of the soil microbiological and phytological researches of the region to contribute to researches on decreasing the harmful CO2 emission originated from the agriculture. The development helps to preserve the agricultural values of this cross-border region and render the technical base of the research and development originated from this region. On the bases of the common research base, the long-term experiments and the other research programs of partner institutes, new basic research programs can be started which contribute to the development of new agrotechnical methods for decreasing the quantity of carbon-dioxide (CO 2 ) efflux from the soil to the atmosphere or for increasing the quantity of CO 2 stored in the soil. These researches were based on the analysis of carbon (C) cycle in different plant nutrition methods of long-term experiments. The agriculture has been high importance in this region but nowadays it could not render a safe job for people. The established research base could contribute to development of new agricultural methods on the bases of environmental protection in the cross-border region. The R&D centre could be improved further in the future. The scientific research could result in new innovations to increase the competitiveness of the agriculture and to decrease its sensitivity to climate change therefore it contribute to perform the pledges of two countries according to the Kyoto Report. 235

236 The laboratory development could contribute to the up-to-date theoretical and practical training of students. The procured equipments and instruments The procured equipments and instruments are suitable for 1. analysing the composition of soil and plant samples, preparing samples for measurements, 2. measuring the photosynthesis and chlorophyll fluorescence of plants, and the intensity of soil respiration, 3. studying the soil microbes, 4. fixing soil sampling and measuring points, 5. collecting and evaluating of data, 6. precise sawing and harvesting of test plants in small-plot experiments. The equipments and instruments were bought according to the public procurement procedure of European Union. The new scientific investigations The procured equipments and instruments are suitable for new, up-todate measurements in field and laboratory. New results could contribute to international publications, MSc, BSc or PhD theses. New methods could result in new basic research results which could be used for new practical methods. Field measurements and studies Soil respiration, as a significant part of the agricultural CO 2 emission, could be measured in situ with portable equipment. The type of the equipment bought by Hungarian Partner is LCi-SD (Fig. 1.a) while by Rumanian Partner is LCpro-SD (Fig. 1.b) Rumanian Partner uses the same equipment with changeable leaf chambers for measuring plant photosynthesis. The physiological state of test plants in the experiments could be studied by measuring the intensity of assimilation processes 236

237 (photosynthesis) and the activity of photosynthetic pigments (fluorescence) (Fig.2). a) b) Figure 1. Portable CO 2 measuring equipment a) LCi-SD type equipment. b) LCpro-SD type equipment. 237

238 a) b) Figure 2. Portable equipments for measuring photosynthetic intensity a) LCpro-SD type equipment connected with fluorescence measuring equipment b) equipment of the Rumanian Partner with broad leaf chamber 238

239 Plants build in carbon into their organic matters in the course of photosynthesis therefore this process is one of the main elements of the carbon-cycle. In this way, plants are important part of the global carboncycle. To estimate the quantity of test plants and their carbon content, Rumanian Partner procured a plot seeder for correct seeding of the test plants in the small-plot experiments (Fig. 3.a), while both partner procured 1-1 plot combine (Fig. 3.b) for exact harvesting of test plants. a) b) c) a) Wintersteiger plot seeder (Rumanian Partner) Figure 3. Plot seeder and plot combine b) Zürn 13 SE plot combine (Hungarian Partner) c) Wintersteiger plot combine (Rumanian Partner) 239

240 Laboratory measurements and studies The goals of laboratory measurements are to study soil microbes and the organic carbon content stored in the soil. The fertility of soils is closely related to the composition and activity of soil microbes and to the organic matter content. Phospholipid fatty acids (PLFA) are suitable for qualitative and quantitative study of soil microbe communities. PLFA inform us about e.g. the ratio of bacteria and fungi, the quantity of different groups of microbes (Gram+, Gram-, Actinomycetes, etc.). The advantage of PLFA method is that fatty acid molecules quickly disintegrate after cell death therefore this method is suitable for studying the living organisms. Soil samples go through different extraction and separation procedures and the prepared phospholipid fractions are measured by GC-MS (gas chromatograph coupled with mass spectrometer). The following equipments were procured for preparation PLFA-s: a) Büchi R-215 rotary evaporator (Fig. 4) is used for concentrating the sample and for evaporating of organic solvents. In the interest of the environmental protection a recirculating cooler was procured. In this way, the quantity of water needed for re-cooling of evaporated organic solvent is only 6-8 liters of destilled water. b) The EBA 21 small centrifuge (Fig. 5.) was bought for separation the different phases in the course of sample preparation. c) Analytical nitrogen evaporator (OA-SYS/Ne-VAP 585) is suitable for evaporating of organic solvents and for concentrating samples (Fig. 6). It is used for samples of small quantities. d) The SPE vacuum manifold by Macherey-Nagel (Fig. 7) is used for solid phase extraction of soil samples through SPE cartridges. 24

241 e) For shaking the samples to extract the studied components a Unimax 21S orbital platform shaker (Fig. 8) was procured. This equipment guarantees the continuous, appropriate speed of shaking by rpm adjustment. Figure 4. Büchi R-215 rotary evaporator with recirculating cooler Figure 5. EBA 21 small centrifuge 241

242 Figure 6. OA-SYS/Ne-VAP 585 nitrogen evaporator Figure 7. Macherey-Nagel vacuum manifold with SPE cartridges 242

243 Figure 7. Unimax 21S orbital platform shaker The procured Nikon Eclipse 8i research microscope (Fig. 9) is suitable for soil microbiological studies. It allows the observation and documentation of studied microorganisms. The microscope is connected to PC via a CCD camera. The preparation of soil microbiological samples and media is done in a Kojair Silver Line SL-17 microbiological safety cabinet. For media preparation the Steragar pbi autoclave is used which is connected to the microbiological safety cabinet via an agar dispensing connector (Fig. 1). In this way the infection of sterile media can be avoided. Elemental analysis (carbon, nitrogen and sulphur) of soil and plant samples can be done through quantitative high temperature decomposition (up to 114 o C) with the procured variomax CNS elemental analyser. The documentation system and the accuracy of measurements (.1% rel.) fit to the quality assurance rules (Fig. 11). 243

244 Figure 9. Nikon Eclipse 8i research microscope Figure 1. Kojair Silver Line SL-17 microbiological safety cabinet and Steragar 16 autoclave with feeder 244

245 Figure 11. variomax CNS elemental analyser The Nabertherm L24/11 B18 chamber furnace (Fig. 12) was procured for the determination of organic matter content of soil and plant samples. Figure 12. Nabertherm L24/11 B18 muffle furnace 245

246 Correct measurements are based on precise sampling processes. Therefore, an Ejkelkamp soil sampler kit (Fig. 13) and a TRIMBLE NOMAD 9G GPS (Fig. 14) were procured. The GPS guarantees the repetition of soil and plant sampling in different times at the same sample point. Figure 13. Ejkelkamp soil sampler kit Figure 14. TRIMBLE NOMAD 9G GPS For storage and preparing scientific data, Hungarian Partner procured two DELL NB Latitude E552 15,6'' laptop (Fig. 15) while the Rumanian 246

247 Partner uses 2 LENOVO E 57 laptop (Fig. 16) for the same procedures. Laptops make possible the data handling at sampling sites. Figure 15. DELL NB Latitude E552 Figure 16. LENOVO E57 laptop 15,6'' laptop These new scientific methods combined with other soil microbiological methods done in the Soil Biological Laboratory of Hungarian Partner denote a great leap forward and up-to-date methods and informations in the studies of soil fertility. Regional importance of the common research base There is no another high level equipped soil biological laboratory in the Rumanian-Hungarian border region. It is important especially for the research and education. Soil microbiological research has to be the important part of soil science in the region. The results of these researches could be utilized for development of new agrotechnical methods and for examining the possible utilization of different wastes and by-products in the agriculture. New laboratory methods could increase the level of scientific publications and make possible to connect the region to international projects. The agricultural professionals of the future have to know the basic 247

248 soil biological processes, their examining methods, and they have to solve the technological-agrotechnical problems arisen in the course of farming. Therefore, the laboratory wants to take part in the education of the crossborder region. As well as, it can contribute to the environmental education of the elementary and secondary schools to increase the knowledge of scholars about the soil science, and it can complement the education with simpler laboratory practices of students. The economical importance of the common research base comes into existence via close connection among the Hungarian and Rumanian research institutes and farmers: new results of soil science could be introduced to the agricultural practice as agrotechnical methods of different plant species of the two research institutes ( (Fig. 17.). Researchers of the two institutes are able to use the new equipments so they can utilize them also in their own research projects. Figure 17. Web page of the project. Useful sources of information 248

249 4. Effect of nutrient supply on mitigation István Henzsel, Tibor Aranyos, Attila Tomócsik, Anita Papp, Gergely Smit, Cecilia Bănăteanu, Paul Kurtinecz Introduction The Earth is reflecting a part of the solar energy back to the aerospace. The greenhouse gases prevent the escape of a part of the reflected energy from the atmosphere but reflect it back to the Earth. This process may cause a global warming in the long run. In the last two centuries the carbon dioxide (CO 2 ) concentration has increased significantly due to human activity, thus substantially increasing the average temperature of the Earth. About 2 % of the greenhouse gases come from agriculture which is 5-75% of the anthropogenic methane and 5% of carbon-dioxide. The biomass burning, the deforestation and the unsuitable land use contribute 14% to the emission (Gyuricza et al., 22). Between 197 and 199 the CO 2 emission of agricultural sources increased by 27% (ICPP 27). Due to the climate change the CO 2 emission should be reduced in agriculture nevertheless the sector should supply the world's population with food in good quantity and quality. The mitigation means such a nature saving farming, the application of technologies adapted to the site conditions and needs of plants, wide range of application of plant species adapted to the local conditions, which would also reduce the emission of greenhouse gases (Miller, 211). In brief, it means the reduction of soil respiration and the support of the storage of carbon dioxide in the soil. The soil is the main source and also the main reservoir of the greenhouse gases (CO 2, CH 4 ). These gases can form in the subsurface and the deeper soil layers, too. In the upper 1 m layer of the mineral soils from 13 to 15 Gt of carbon is stored globally, which amount is close to twice than in the terrestrial ecosystems (Neill et al., 1998). In the soil of the Earth around 158 x 1 18 g organic carbon is stored, which amount is twice-three- 249

250 times higher, than the stored carbon in the vegetation (Schlesinger, 1977). The carbon dioxide emission from soils is the second most important element in the global carbon cycle, thus it plays an important role in climate change (Reich & Schlesinger, 1992). It is expected that global warming will have an impact on the decomposition of soil organic matter, soil respiration and through that on the global carbon cycle of the biosphere (Kotroczó et al., 28). The warming climate increases the activity of micro-organisms and enzymes hereby the intensity of the decomposition of organic matter will be higher (Varga et al., 28). As a positive feedback, this may increase further the carbon dioxide content in the atmosphere and the global warming (Tóth et al., 27). The soil respiration (the flow of CO 2 into the atmosphere) is the major component of the matter circulation of the Earth. It is resulted from the microbial decomposition and respiration of the roots (Hanson et al., 2, Kuzyakov, 26). Compared with these the CO 2 emission of soil animals is only a few percent of the whole soil respiration (Ke et al., 25). Besides the biogenic factors the abiotic factors can contribute to the CO 2 emissions of soil. The lime (CaCO 3 ) can leach in the form of Ca 2+ or Ca(HCO 3 ) 2, if the dissolved calcium does not crystallize again with carbon dioxide from biogenic sources (Nagy, 21). Soil respiration is primarily determined by the physical properties of the soil, especially by the temperature and moisture content. The intensity of soil respiration is increasing with the higher temperature, therefore the temperature is considered to be the most important environmental factor (Fang & Moncrieff, 21). Besides the temperature the moisture content of the soil also affects the CO 2 flux, since the too low or too high soil moisture could be a limiting factor. Beside the physical properties, the chemical properties (eg, ph, the amount of nutrients) can affect CO 2 emission (Reth et al., 28). Soil respiration is increased by organic manuring, monoculture, liming and fertilization (Müller, 1991). However, others found that soil respiration was decreased by fertilization with liming (Kátai, 2), irrigation and fertilization in monoculture (Kátai és Helmeczi, 1995). Tóth et al. (25) examined the effect of fertilization on soil respiration in calcareous chernozem soil measuring separately the root respiration and 25

251 CO 2 flux from decomposition. According to his result, the soil respiration is increased by fertilizers, especially by nitrogen fertilizer applied in spring at the beginning of the growing season. Koós and Németh (27) also reported that fertilization increases the root respiration by 25% during the growing season. Few Canadian studies have assessed, that continuous monoculture with annual crops usually results lower soil C content than the perennial crops (Elustondo et al., 199; Carter et al., 1998). Rotations involving perennial crops can also result greater soil C content contrary to continuous annual cropping. For example, Angers et al. (1999) found at the end of a 1 years experiment, that potato rotations with perennial forages resulted greater soil C content than potato monoculture. Gregorich et al. (21) determined 2 mg ha -1 greater C content of the soil in a 35 years legumebased cropping system than in corn monoculture. Addition of nitrogen (N) fertilizer to soils can improve positively the soil C content. An Ontario clay loam soil treated with 13 kg N ha -1 year -1 for 32 years had 8 mg ha -1 more C content than that found in control (Gregorich et al., 1996). Nitrogen fertilization for 6 years resulted in an 18% increase of C content in a sandy soil under continuous corn (Liang and Mackenzie, 1992). However, Bélanger et al. (1999) could not found any relationship between soil organic C and N fertilization. Organic manure can also increase the soil C content. Soil C content was at 21-28% higher in soils receiving manure than those that did not receive and, the increase is linearly related to the quantity of manure added (VandenBygaart et al., 23). So, the soil tillage and fertilization have a strong impact on soil respiration. We present in this study how affects nutrition methods the available nutrient content, ph value, organic C content and respiration intensity of soil and the biomass C content. We examined the relationship between soil properties and carbon dioxide emission. There are some contradictions among the results of CO 2 emissions of different land use and soil management systems (Gyuricza, 24), which show that, soil respiration is strongly influenced by soil and site properties (Gyuricza, 24). Measurement conditions (soil temperature and moisture) have a strong impact on the results, because these are constantly changing 251

252 during the measurement (Tóth et al., 29). Materials and methods The experiments were carried out in Westsik s crop rotation, at the city of Nyíregyháza (Hungary) and the plant nutrition and liming examining long-term experiment at the city of Livada (Rumania). Soil respiration was measured by LCi-SD (ADC Ltd, UK) portable device, which measures the CO 2 content of the analysis air and compares it to the reference air. A pressure relief vent ensures that the hood is not pressurised as this would interfere with the gas exchange at the soil/air interface. The CO 2 concentration is measured by Infrared Gas Analyser (IRGA) while two laser-trimmed humidity sensors provide the reference and analysis humidity signals. The system also measures soil temperature, chamber air temperature, PAR (Photosynthetically Active Radiation), and atmospheric pressure. These measurements are used to determine the soil respiration. The collar should be inserted into the soil as far as is necessary to eliminate diffusion through the soil (Fig. 1). Figure 1. Soil chamber on the soil 252

253 About 5 minutes is required for reaching the equilibrium state. A complete analysis cycle taking about 2 seconds, the results are stored in the memory unit of the equipment. 4-5 measured data collected in the equilibrium stage of measurement are used for data evaluation. In the measurement time the potato was ripe, rye, lupine, and oat-vetch stubble were disced, the lupine for green manure was sown. In these plots we measured in ploughed soil while lupine was flowering at the time. Soil organic C content was measured in the upper -2 cm soil layer. Soil samples were collected in three replications in autumn, 211. An average soil sample was prepared by mixing five subsamples. Soil chemical properties were measured by SGS Hungária Kft. according to following methods: ph value: MSZ : soluble (NO 3 +NO 2 ) N content: MSZ 2135: AL-P 2 O 5 content: MSZ2135: and 5.4. AL-K 2 O content: MSZ 2135: and 5.2. The harvest was carried out by the project supported ZÜRN 13 SE plot combine. MS Excel and SPSS 13. programs were used for data evaluation. Statistical analysis of CO 2 emission was carried out using the one-way ANOVA test and linear correlation analysis. Results of Research Institute of Nyíregyháza Nitrate content of soil Nitrate content of the different fertilized crop rotations can be seen on Figure 2. The highest nitrate content (15.17 mg kg -1 ) was measured in the. crop rotation XI, where chemical fertilizers combined with manure were applied. Also high nitrate content were measured in crop rotation VI (straw-manure with fertilizer). Németh and Buzás (1991) obtained similar results in their nitrogen fertilization calibration experiment, where the NO 3 -N content of sandy soil significantly increased. The nitrate content was also high (

254 mg mg kg kg -1-1 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása mg kg -1 ) in the control, unfertilized (I.) and manured (X.) treatments. There was not difference between lupine (III.) and green manure (XIII., XIV.) crop rotations ( mg kg -1 ). There was the least amount of nitrate in the soil in the unfertilized straw (VII.) and, green manure (XV.) crop rotations ( mg kg -1 ). Szili-Kovács and Török (25) drew a similar conclusion, when it was found, that the nitrate-n and mineral N content (NH 4 + -N + NO 3 -N) were significantly lower in the treated soils (sawdust and sugar treatments) compared to the control II III III VI VI VII VII X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Number of of crop rotations Figure 2. Nitrate content in Westsik s crop rotation experiment Joint application of organic manure and chemical fertilizers results in high available nitrogen content of soil for a long time. Szebeni and Buzás (1985) also found similar results in a pot experiment on humus rich sandy soil, when they studied the effect of N-fertilization on the N-forms of soil. They found that the application of N-fertilizers increased especially the nitrate-n content of soil. Available N-content was higher if organic manure was applied only with a small doses of nitrogen fertilizer, compared to straw manure with higher doses of nitrogen applied. Favourable effect of organic manure application with fertilizers was found by Sarkadi, His results show 254

255 that application of manure or fertilizer caused a negative N-balance of the soil, but the combined treatment (manure+fertilizer or plant residues+fertilizer) resulted in an increase in NO3 -N content of the upper soil layer. Kincses et al. (28) also determined that available N content is increased by chemical fertilization at the beginning of growing season and by manure application at the end of growing season. Phosphorus content of soil The highest concentration of phosphorus (P) (26.67 mg kg -1 ) was measured in (fertilizer+manure) treatment XI. (Fig. 3). There was not difference in phosphorus content ( mg kg -1 ) of soils of fertilized, straw manured (VI.), lupine for root manured (III.) and unfertilized but manured (X.) crop rotations. Phosphorus content is lower ( mg kg -1 ) in the crop rotations XIII. and XIV. The lowest amount of phosphorus ( mg kg -1 ) was observed in the unfertilized plots (I., VII., XV.). The results show a positive effect of fertilization on soil phosphorus content. Hoffmann (29) also observed higher AL-P 2 O 5 content of soil after artificial fertilizing when he studied the effect of farmyard-manure, NPK fertilizers and their combinations in a longterm experiment. At least in every third years application of organic manure at the rate of 26 t ha -1 can provide similar phosphorus content of soil than artificial phosphorus fertilizer application at the rate of 94 kg ha -1 in three years period. Despite this conclusion, Holló et al. (29) found that phosphorus content was higher in chernozem soil after manure application, than in fertilized treatment with equal phosphorus content, which can be explained by specific degradation of manure in the soil. 255

256 mg mg kg kg -1-1 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása II III III VI VI VII VII X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Number of of crop rotations Figure 3. AL-P 2 O 5 content in Westsik s crop rotation experiment Potassium content of soil The highest concentration of potassium ( mg kg -1 ) was measured in two plots fertilized with manure (Fig. 4). Kincses et al. (28) also recognized that the available potassium content of sandy soil was higher after farmyard-manuring because of its plant residue content. The lowest concentrations of potassium ( mg kg -1 ) were measured in the unfertilized plots. There was not difference in potassium content ( mg kg -1 ) among the fertilized plots (III., VI., XIII. and XIV.). Kádár (29) also did not find significant change in available potassium content of soil amended with fertilizers. 256

257 mg mg kg kg -1-1 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása II III III VI VI VII VII X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Number of of crop rotations Figure 4. AL-soluble potassium content in Westsik crop rotation experiment The potassium content of sandy soil with low clay content can not be improved by potassium fertilization at the rate of 84 kg ha -1 for three years. The potassium content of soil could be risen only by application of organic manure regardless of using potassium fertilization or not. The ph of soil The values of ph (KCl) can be seen on Figure 5. The soils of crop rotations are acidic or strongly acidic. The ph values are not so low (ph (KCl) ) in the soil of crop rotations amended with straw or manure (VI., VII., X, XI.). Kincses et al. (28) also observed in their artificial, organic and bacterial manure studying experiment, that chemical fertilization decreases the ph values, but organic manure application could increase the ph of acidic sandy soil. Hoffmann (29) examined the effect of chemical and organic fertilization on soil fertility and found that the soil ph was increased after organic manure application and was decreased by chemical fertilization. The lowest ph values were measured in the crop rotations of III., XIII., XIV. and XV. without manure application. In accordance with 257

258 literature, the results indicated that manuring increases the ph, but artificial fertilization decreases it. For example, the ph of sandy soil reduced from neutral to ph 4 after amendment of soil with artificial fertilizers for 16 years (Cserni, 1984). For the investigation of mineral fertilization and liming a field experiment was set up in Nyirlugos on acidic banded brown forest soil, where the ph was strongly acidic in the treatments of control and N, NP, NK, NPK fertilizers (Kádár, 29) II III III VI VI VII VII X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Number of of crop rotations Figure 5. ph KCl values in Westsik s crop rotation experiment Organic carbon content of the biomass The organic carbon content of harvested biomass, the carbon dioxide emission rates and organic carbon content of soil can be seen on Figure 6. The most carbon (12 t ha -1 ) was stored in biomass (in harvests, straw and stem residues) in the treatments of XI. (fertilizer+manure). There were similar results ( t ha -1 ) in VI. (straw manure+fertilizer), XIII. and XIV. (lupine green manure) crop rotations t ha -1 C was measured in X. (manured without fertilization) and III. (lupine seed production) crop rotations. There was the lowest carbon content ( t ha -1 ) in crop rotations without artificial fertilization: XV. (second crop green manure), 258

259 kg kg ha ha -1-1 umol umol s -1-1 m HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 VII. (straw manure) and the control I. Comparing the manuring systems the effect of farmyard-manure is by far the best. Most carbon in biomass was measured in the treatment with farmyard-manure with artificial fertilizers. The carbon storage of the treatment with farmyard-manure is similar to the treatments with straw or green manured ones with artificial fertilizing. The carbon content of manure treatment is similar to the carbon content of straw and green manure treatment added fertilizers. By straw manure combined with higher doses of fertilizers, similar results can be achieved than green manure application. Carbon dioxide emission of the soil The highest CO 2 emissions were measured in XI. (manure+fertilizer) and XIV. (second sown green manure) crop rotations (Fig. 5). Dieng et al. (27) also found that organic manure and manure+fertilizer treatments rised the soil respiration. Application of organic manure increases not only the soil respiration, but organic carbon content and biological activity of soil, too (Rochette, 1998) II III III VI VI VII VII X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Number of of crop rotations Carbon content of of main crops and and by-products Organic carbon stored in in the the soil soil CO2 CO2 emission 1,2 1,2 1, 1,,8,8,6,6,4,4,2,2,, Figure 6. Carbon content of biomass, soil organic carbon content CO 2 emissions of soil were measured in crop rotation X.at the rate of.97 µmol s -1 m -2 and in crop rotation XIII. at the rate of.91 µmol s -1 m

260 These crop rotations were treated without artificial fertilizer. There were lower emission rates in second crop green manure crop rotation XV. without artificial fertilization (.8 µmol s -1 m -2 ) and in fertilized straw manure crop rotation VI. (.82 µmol s -1 m -2 ). There were the lowest emission rates in lupine seed growing III., straw manure with artificial fertilization VII. and in control (I.) crop rotations ( µmol s -1 m -2 ). After harvest, when the root respiration stopped, the emission of carbon dioxide comes from microbiological activity. It is a good indicator for microbial activity. Fertilization without organic manure does not influence the microbial activity on sandy soil with low humus content, such as our test soil. It can be observed in crop rotations I. and III. which are treated only with artificial fertilizers. Nitrogen and phosphorus fertilization decreased the CO 2 emission comparing to the control (Rien and Sylvia, 1997). In several cases, the addition of nitrogen fertilizers caused a decrease of CO 2 emission and had a negative impact on microbial activity of the soil (Luken and Billings, 1985; Bridgham and Richardson 1992; Amador and Jones, 1993). A positive effect of farmyard-manure with small doses of artificial fertilizers can be observed especially in the case of straw manured crop rotations VI. and VII. but, less intensely, in the green manure treated crop rotations XIII., XIV. and XV. CO 2 emission is lower in the crop rotations without artificial fertilizers (VII. and XV.) than in others treated with organic and artificial manures (VI., XIII. and XIV.). The green manure improved microbial activity in a higher rate, than straw manure, but it should be considered that the root respiration of lupine contributed to the CO 2 emissions in green manure crop rotations. There is a positive effect of farmyard-manure on microorganisms, which influence the nutrient supply of soil. The increased CO 2 emission indicated greater microbial activity without artificial fertilizing in (farmyard-manure) crop rotation X., than in (straw manure) VII. or (green manure) XV. crop rotations. 26

261 Organic carbon content of the soil Examined the upper 2 cm soil layer there was the highest organic carbon content (13 t ha -1 ) in organic manure with artificial fertilization crop rotation XI. Dieng et al. (27) measured higher soil organic carbon content in the soil amended with organic manure for 13 years than in soil treated with artificial fertilizer (NPK). There was a large amount of organic carbon ( t ha -1 ) in crop rotations VI. and I.. The following values of organic carbon were measured in the next crop rotations: 11.4 t ha -1 in XIII. (spring ploughed, second crop green manure); 1.9 t ha -1 in X. (farmyardmanure without artificial fertilization); 1.8 t ha -1 in III. (lupine seed growing); 1.2 t ha -1 in XIV. (autumn ploughed, second crop green manure). The organic carbon content were below 1 t ha -1 in XV. (green manure) and VII. (straw manure) crop rotations without artificial fertilization. The high organic carbon content of control (I.) can not be explained by organic matter input, as there was not fertilization either organic nor artificial amendments, the average crops were low and few plant residues were turned back into soil. In our opinion is that the blocked microbial activity could result in an increase of the organic carbon content of the soil. Correlation analysis was made to find the relations among the different examined soil chemical properties. The correlation coefficients of linear correlation (r-values) can be seen in Table 1. Organic carbon content stored in main and by-product of plants has a close positive correlation (r= ) with nitrate content and ALsoluble potassium content of soil, and a very strong correlation (r=.942) with AL-soluble phosphorus content of soil. Plants bound more carbon where the nutrient supply of soil is better. 261

262 Table 1. The correlation coefficients of linear correlation (r-values) Pearson s Correlation Organic carbon content of biomass Carbon dioxide emission Soil organic carbon content NO 2 - NO 3 -N AL- P 2 O 5 AL- K 2 O ph (KCl) Organic carbon content of biomass Soil organic carbon content.743*.942**.732* * ** ** Correlation is significant at the.1 level (2-tailed). * Correlation is significant at the.5 level (2-tailed). A week positive correlation (r=.343) was established between carbon dioxide emission and nitrate content of soil and a moderate positive correlation (r= ) was recognized between bioavailable phosphorous and potassium content of soil. More nutrients are in relation to the soil respiration however, it is statistically not significant. There was a strong significant correlation (r=.747) between soil respiration and the amount of carbon assimilated by plants. Where plants could assimilate more carbon dioxide, the microbial activity was greater; thereby soil respiration was more intensive. Soil organic carbon content was in a strong significant correlation (r=.933) with nitrate content of soil. It had a moderate positive correlation (r= ) with phosphorous and potassium content of soil. Moderate positive correlation (r=.62) was found between soil organic carbon content of soil and biomass but it was not significant. Soil organic carbon 262

263 content does not depend only on carbon absorbed by plants. There was not linear correlation among ph KCl and examined soil parameters. Results of Research Institute of Livada Acidity of soil The strongest soil degradation process in our region is the acidification of 6-65% of arable soils (Asvadurov és Boeriu, 1983). This process was intensified by industrial development (acid rain, acidic deposition) and growing utilisation of acidic artificial fertilizers in the last 5 years. On the bases of some Rumanian studies the rate of the leaching on the Luvisols is mgeé 1g -1 1kg -1 N (Borlan és Hera, 1984). Researches proved the necessity of maintain at least the ph H2O 5.8 to avoid the toxicity of Al-ions for plants. The doses of lime required to maintain this ph value are.5 t ha -1 y -1 on Luvisols and.7 t ha -1 y -1 on Cambic Podzol (Kurtinecz, 22). Evaluation of ph KCl data from the long-term experiment in Livada indicated that long-term and one-sided utilization of ammonium nitrate caused the stronger acidification (Table 2). Application of nitrogen (N) with phosphorus (P) and potassium (K) has not affected the rate of acidification. In the acidic and weakly acidic range of soil ph the acidification was stronger after NP and NPK treatments. Regular application of potassium chloride has not caused changing in ph KCl value. On the other hand, long-term application of farmyard manure decreased the acidification of soil caused by utilization of nitrogen fertilizers. The effect of farmyard manure was stronger in the range of lower ph values. Liming increased the values of ph KCl moreover, in case of extra lime doses ph increased above 7. So, the lime application resulted in a wide ph range (ph KCl ) of treated soils which allows of studying the soil properties effecting on soil respiration and mitigation, in different soil chemical conditions. 263

264 Table 2. Effects of long-term ( ) liming and fertilization on soil ph of Cambic Podzol, Livada, 212. Liming (t lime ha -1 ) Factors A B AXB SD 5%,24,14,38 N=1 kg N ha -1 ; P=7 kg P 2 O 5 ha -1 ; K=6 kg K 2 O ha -1 ; # =2 t farmyard manure ha -1 4 y -1 ; Factor A: liming; Factor B: nutrition Liming applied in high dose increased the calcium leaching from the soil profile therefore influenced the carbon loss and the carbon budget (Borlan et al., 1994) Mean (Factor B) Ø N NP NPK # #+NPK Mean (Factor A) Nitrate and nitrite content of soil The lowest concentrations of nitrate and nitrite were measured in the non-treated samples. Artificial fertilizers and farmyard manure increased their concentrations which were the highest in the samples treated with 264

265 farmyard manure + NPK (Table 3). Table 3. Effects of long-term ( ) liming and fertilization on nitrate and nitrite concentrations of Cambic Podzol, Livada, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean (Factor B) Ø N NP NPK # #+NPK Mean (Factor A) Factors A B A X B SD 5% N=1 kg N ha -1 ; P=7 kg P 2 O 5 ha -1 ; K=6 kg K 2 O ha -1 ; # =2 t farmyard manure ha -1 4 y -1 ; Factor A: liming; Factor B: nutrition Liming decreased the harmful acidity of soil and contributed to significant increase of nitrate and nitrite concentration of the soil through the increase of the microbiological activity of the soil. The available potassium content of the soil The low potassium content of Cambic Podzol is one of its unfavourable properties which limits the quantity of the yield in this soil 265

266 type. The lowest potassium concentrations were measured in the control samples (Table 4) Table 4. Effects of long-term ( ) liming and fertilization on available potassium (AL-K 2 O) content of Cambic Podzol, Livada, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean Factor B) Ø N NP NPK # #+NPK Mean (Factor A) Factors A B AXB SD 5% N=1 kg N ha -1 ; P=7 kg P 2 O 5 ha -1 ; K=6 kg K 2 O ha -1 ; # =2 t farmyard manure ha -1 4 y -1 ; Factor A: liming; Factor B: nutrition Regular application of K-fertilizer increased the K-supply of soil in the rate of 8%. In this case the accumulation rate of potassium from the potassium chloride is 5 ppm available K 1kg -1 K 2 O. This value is similar to other Luvisols in Rumania. The farmyard manure treatment resulted in the highest K-accumulation: 1 t ha -1 y -1 treatment resulted in 3.2 ppm available K in the soil. On the bases of our results we found that 1 tonne of farmyard manure has similar effect on the available K content of soil than the K 2 O content of 8-1 kg potassium fertilizer. When we want to utilize the 266

267 .5-.6% of K-content of the farmyard manure than the 5-6% of the applied K-content are found in the ploughed layer. So, the K-accumulation originated from farmyard manure is 2.5-times higher than from potassium chloride. Accordingly, the K content of farmyard manure is stored in the soil in available form therefore the farmyard manure is better K-source for plants than potassium chloride. Liming decreased the K-content of the soil because the higher plant yield demanded higher quantity of K, comparing to the non-limed treatment. The available phosphorus content of the soils were similar to the K- content but the accumulation rate was lower, 3-4 ppm available P 1 kg -1 P 2 O 5 (Borlan és Hera, 1984). The humus content of the soil The humus content is one of the main stable properties of the soil therefore its change belongs to the infrequent events: detecting its changes needs more decades. A lot of works deal with solving the problem of keeping of the humus equilibrium and enhancing the organic matter content of the soil to decrease the CO 2 emission of agriculture. Opris and Boeriu (1973) did not find differences in humus content of limed and non-limed soil samples. After 5 years the humus content of the soil increased significantly in the NPK, farmyard manure and farmyard manure+npk treatments (Table 5). The humus content of the N and NP treatments was not changed because of the low organic matter content caused by the low K-content. The highest humus accumulation was found in the farmyard manure and farmyard manure+npk treatments. The repeated, permanent liming decreased the quantity and the quality of the humus. This process was mentioned in the work of Thaer in as liming means reach parents and poor children. 267

268 Table 5. Effects of long-term ( ) liming and fertilization on humus content of Cambic Podzol, Livada, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean (Factors B) Ø N NP NPK # #+NPK Mean (Factor A) Factors A B AXB SD 5%,38,8,4 N=1 kg N ha -1 ; P=7 kg P 2 O 5 ha -1 ; K=6 kg K 2 O ha -1 ; # =2 t farmyard manure ha -1 4 y -1 ; Factor A: liming; Factor B: nutrition Soil respiration Respiration of plant roots and microbes result in the main part of the CO 2 emission of plant cultivation. Earlier studies emphasized the important role of water content, temperature and humus content in the soil respiration but main proportion of these examinations was done by comparing different soil types. These researches mainly dealt with the original differences of soil types and not with the effects of human activities. Separating the different 268

269 factors affecting the soil respiration is a difficult task. We have little information about the effects of different soil properties, such as ph and organic matter content, on the same soil type. In this way, our studies are appraising and descriptive works. Till now only indirect studies were done to appreciate the CO 2 emission of our region because of the lack of the equipments for direct measurements. Main art of our agrochemical knowledge is based on the long-term experiment in Livada. The liming and fertilization experiments done on the acidic soil guarantee stable background for field measurements of soil respiration and therefore, it also proved the importance of long-term experiments in the environmental studies. One of the oldest long-term, liming experiment in the Middle Europe with its quantitative and temporal range of liming models the practical possibilities of agriculture. The effect of long-term liming and fertilizing on the soil respiration can be seen in Table 6. The highest soil respiration was measured in the farmyard manure treated plots. Significant differences were found between organic or rather organic and artificial fertilizers ( μmol CO 2 m -2 s -1 ). The repeated liming resulted in increased microbial activity therefore it contribute to the enhance in the organic matter of the soil and to the increased CO 2 -emission. Analysing the relationship between the soil ph and respiration (Fig. 7), positive correlation was found: when ph<4 the soil respiration is about 1 μmol CO 2 m -2 s -1 while in the case of ph>6 4-5 μmol CO 2 m -2 s -1 were measured which is an exponential-type increase. This measurement was done on 26/4/212. On the other hand, the soil respiration was increased in a small rate by the increasing ph on 8/11/211. Measured values were -1 μmol CO 2 m -2 s -1 in that sampling time. 269

270 Table 6. Effects of long-term ( ) liming and fertilization on soil respiration of Cambic Podzol, Livada, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean (Factor B) Ø N NP NPK # #+NPK Mean (Factor A) Factors A B AXB SZD 5%,56,59 1,1 N=1 kg N ha -1 ; P=7 kg P 2 O 5 ha -1 ; K=6 kg K 2 O ha -1 ; # =2 t farmyard manure ha -1 4 y -1 ; Factor A: liming; Factor B: nutrition The measurements were done two relative dry sampling periods. The precipitation deficit comparing to the means of last period was 13.8 mm in autumn (1/8/211-1/11/211) and 41.1 mm in spring (1/2/212-1/5/212). The differences in the soil respirations measured in two different times was caused by the different soil temperature of sampling times which proves the seasonal dynamic of soil respiration. 27

271 Figure 7. Relationship between soil ph and CO 2 emission at different sampling times on Cambic Podzol, Livada, Conclusion There was the larger amount of plant available nutrients in the soil of farmyard-manure with artificial fertilizer treatment. The ph of an acidic soil can be increased more by application of farmyard or straw manure, than by application of green manure. The most amount of carbon was bound by plants in farmyard-manure with fertilizer crop rotation. When the soil is treated by farmyard-manure also the soil contains high quantity of organic carbon. In this case, the CO2 emission of soil is high thereby the decomposition of organic material by microbes are also intensive which results in high quantity of available nutrients for plants and therefore, good crop production. By application of straw manure combined with artificial fertilizers similar carbon quantity 271

272 could be assimilated by plants than green manure application. Large amount of carbon is stored in soil in both treatments which could be higher in the soil treated with straw manure. There are high soil respiration and high microbial activity in both nutrition methods. This is due to the increased quantity of plant residues getting into the soil and solve as a nutrient supply for microorganisms, thus increasing the soil life. The increased carbon dioxide emission can be explained by applied organic matter in farmyard manure treatments (Rochette, 1998). In the crop rotations, where less nutrients were applied, there are lower microbial activity, lower carbon dioxide emission of soil, limited the amount of available nutrients for plants, lower is the crop yield and, less carbon is stored in plants and soil. Amended the soil with farmyard, straw or green manure we can improve the nutrient supply of soil, thereby the amount of biomass will be larger. Not only the average yields increase, but most carbon can be stored in soil. From high amount of roots, stubble and straw residues can be formed more humus in soil, too. By increased humus content of soil, the amount of fixed organic carbon also rises, so green house effect can be reduced. The organic material in the manure is degraded over time and the carbon forms into carbon dioxide, but this is a long-term process. A part of organic manure transforms into humus, the humus content of soil increases, thereby the carbon will be stored in soil for several decades. Farmyardmanure has a positive effect on soil life, too. Where enough nutrients and carbon can be found for soil organisms, as well as the conditions are favourable, the number of microorganisms will rise in the soil. When the number of microorganisms is increased by organic manure treatment, the soil respiration also rises, but the soil organisms build lots of carbon into their bodies, which is not emitted into the atmosphere. The carbon dioxide emissions can be reduced by growing legume crops. Growing these plants decreases the quantity of nitrogen fertilizers applied for growing other crops. If less energy is used to production, transport and application, then we can reduce the CO2 emission. 272

273 On the other hand, the repeated high-dose liming resulted in increased microbial activity therefore it contributes to enhancing the organic matter of the soil and to the increased CO2-emission. We can really reduce the greenhouse gas emissions, if we do not increase the area of arable land at the expense of forests and grasslands. After cutting forests carbon is turn to the atmosphere by combustion or decomposition. By ploughing the area of forests and grasslands the humus content of soil decreased, so CO2 emission increased. It should be taken into consideration the fact that, for the increasing number of mankind must be able to produce the necessary food. Besides the same areas of field, this can be done by increasing the average fields. To raise the average crop yields, high productive species must be grown, which can adapt better to site conditions and their yield stability should be increased. The other possibility is using technologies, by which we can increase the production capacity of plant species. Results of the more than 8 years old Westsik s crop rotation experiment in the Research Center of Nyíregyháza and 5 years old liming and fertilizing long-term experiment at the Research Centre of Livada were intended to increase the soil fertility by different nutrient supply methods. The applied raw, farmyard and green manure treatments are appropriate for long-term maintenance or increase the soil fertility. References Amador J. A., Jones R. D. (1993): Nutrient limitations on microbial respiration in peat soils with different phosphorus content. Soil Biology and Biochemistry 25, Angers, D.A., Edwards, L.M., Sanderson, J.B., Bissonnette, N. (1999): Soil organic matter quality and aggregate stability under eight potato cropping sequences in a fine sandy loam of Prince Edward Island. Canadian Journal of Soil Science 79,

274 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Asvadurov, H., Boeriu, I. (1983): Solurile județului Satu Mare. Red. de propag. teh. agricolă. p 179. Bélanger, G., Richards, J.E., Angers, D.A. (1999): Long-term fertilization effects on soil carbon under permanent swards. Canadian Journal of Soil Science 79, Borlan, Z., Hera, C. (1984): Optimizarea agrochimică a sistemului solplantă. Editura Acad. RSR. p.15. Borlan, Z., Hera, C., Dornescu, D., Kurtinecz, P., Rusu, M., Buzdugan, I., Tănase, Gh. (1994): Fertilitatea și fertilizarea solurilor. Ed. Ceres Bucuresti. p15. Bridgham S. D., Richardson C. J. (1992): Mechanisms controlling soil respiration (CO 2 and CH 4 in southern peatlands. Soil Biology and Biochemistry 24, Carter, M.R., Gregorich, E.G., Angers, D.A., Donald, R.G., Bolinder, M.A. (1998): Organic C and N storage, and organic fractions, in adjacent cultivated and forested soils of eastern Canada. Soil and Tillage Research 47, Cserni, I. (1984): Duna-Tisza közi lepelhomok talajok P tápanyaggazdálkodása. Talajtani Társaság évi Vándorgyűlése Kecskemét. Agrokémia és Talajtan 33 (1-2), Ding, W., Meng, L., Yin, Y., Cai, Z., Zheng, X. (27): CO 2 emission in an intensively cultivated loam as affected by long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer. Soil Biology and Biochemistry 39, Elustondo, J., Angers, D.A., Laverdie`re, M.R., N dayegamiye, A. (199): Influence de la culture de mais et de la prairie sur l agregation et la matiere organique de sept sols de Quebec. Canadian Journal of. Soil Science 7, Fang C., Moncrieff J. B. (21): The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry 33, Gregorich, E.G., Drury, C.F., Baldock, J.A. (21): Changes in soil 274

275 carbon under long-term maize in monoculture and legume-based rotation. Canadian Journal of Soil Science 81, Gregorich, E.G., Ellert, B.H., Drury, C.F., Liang, B.C. (1996): Fertilization effects on soil organic matter turnover and corn residue C storage. Soil Science Society of America Journal 6, Gyuricza Cs., Birkás M., Jóri J. I. (22): Művelési rendszerek hatása a talaj CO 2 kibocsátására. In: innováció, a tudomány és a gyakorlat egysége az ezredforduló agráriumában. 22 április (Szerk. Jávor A. és Pepó P.) SZI-DE ATC Kiadvány, Debrecen. Gyuricza, CS., (24): Relationship between land use and greenhouse effect based on measured data. In: Soil Management Tillage effects Soil water. (Eds.: Birkás, M. & Gyuricza, CS.) Szent István University, Gödöllő. Hanson, P.J., Edwards, N., Garten, C.T. & Andrews, J.A. (2): Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations. Biogeochemistry 48, Hoffmann S. (29): A talaj termékenységének változása szerves és műtrágyázás hatására egy 46 éves szántóföldi tartamkísérletben. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: Holló S., Pethes J., Ambrus A (29): A talaj könnyen oldható foszfortartalmának változása tartamkísérletekben, Kompolton. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: IPCC (27): Summary for Policymakers. In: Climate Change 27. Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment. Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Eds.: B. Metz, O.R. Davidson, P.R. Bosch, R. Dave, L.A. Meyer). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New 275

276 York, NY, USA. pp:3-8 Kádár I. (29): A nyírlugosi tartamkísérlet tanulságai. Tartamkísérletek jelentősége a növénytermesztés fejlesztésében. Jubileumi tudományos konferencia kiadvány. Martonvásár, 29. október 15. p.: Kátai J. (2): Összehasonlító talajmikrobiológiai vizsgálatok egy trágyázási kísérletben. IV. Nemzetközi Tudományos Szeminárium, Debrecen, pp Kátai J.-Helmeczi B. (1995): A műtrágyázás és a vetésváltás hatása a talaj mikrobiológiai folyamataira. DATE Tudományos Közlemények, XXXI Ke, X., Winter, K. & Filser, J. (25): Effects of soil mesofauna and farming management on decomposition of clover litter: a microcosm experiment. Soil Biology and Biochemistry Kincses S., Filep T., Kátai J. (28): Szerves-, mű- és baktériumtrágyázás hatása a talajok,1 M CaCl 2 oldható tápelemtartalmára. Talajvédelem különszám, Koós, S., Németh, T. (27): Relation between carbon dioxide uxes and nitrogen content of soil in a long-term fertilization experiment. Cereal Research Communications Kotroczó, Zs., Fekete, I., Tóth, J.A., Tóthmérész, B., Balázsy S. (28): Effect of leaf- and root litter manipulation for carbon-dioxide efflux in forest soil. Cereal Research Communications 36 (S), Kurtinecz, P. (22): A talajsavanyúság alakulása a Sárközi meszezési tartamkísérletekben. In: Lazányi J. (szerk.) Tartamkísérletek, tájtermesztés, vidékfejlesztés. Debrecen, Liang, B.C., Mackenzie, A.F. (1992): Changes in soil organic carbon and nitrogen after six years of corn production. Soil Science 153, Luken J.., Billings W. D. (1985): The influence of microtopographic heterogeneity on CO 2 -efflux from a subarctic bog. Holarctic Ecology 8, 276

277 Molnár S. (211): Hazai mitigációs lehetőségek egyes kérdései az üvegházgáz-kibocsátások terén. Klímaváltozás-Energiatudatosság- Energiahatékonyság konferencia. Matematikai és Informatikai Intézet Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar, Győr. Müller, G. (1991): Az agroökológia talajmikrobiológiai kérdései és az intenzív mezőgazdasági termelés. Agrokémia és Talajtan 4 (3-4), Nagy Z. (21): Füves ökoszisztémák CO 2 -forgalma. Doktori értekezés, Gödöllő. Neill C., Cerri C.C., Melillo J.M., Feigl B.J., Steudler P.A., Moraes J.F.L., Piccolo M.C. (1998): Stocks and dynamics of soil carbon following deforestation for pasture Rondonia. In: Soil processes and the carbon cycle. (Eds.: Lal R., Kimble J., Follet R.F., Stewart B.) CRC Press New York. Németh T.-Buzás I. (1991): Nitrogéntrágyázási tartamkísérlet humuszos homok és mészlepedéskes csernozjom talajon. Agrokémia és Talajtan 4, Opriș, L., Boeriu, I. (1973): Influența îndelungată a îngrășămintelor și amendamentelor asupra substanțelor humice dintr-un sol podzolic argilo-iluvial. Lucrările Conferinței Naționale de Știința solului, Satu Mare p Sarkadi J. (1994): Szerves- és műtrágyák hatása a búza és kukorica termésére erdőmaradványos csernozjomon. In: Trágyázási kutatások Szerk.: Debreczeni-Debreczeniné. Akadémia Kiadó, Budapest Schlesinger, W.H. (1977): Carbon balance in terrestrial detritus. Annual Review of Ecology and Systematics Szebeni I.-Buzás I. (1985): The effect of nitrogen fertilizers and plant residues on the nitrogen forms of soil. In: Proc of 9th World Fert. Congress, Budapest. (Eds: Welte, E. and Szabolcs, I.) Vol

278 Goltze-Druck. Goettingen. Szili-Kovács T., Török K. (25): Szénforráskezelés hatása a talaj mikrobiális aktivitására és biomasszájára felhagyott homoki szántókon. Agrokémia és Talajtan 54 (1 2), Reich J.W., & Schlesinger W.H. (1992): The global carbon-dioxide flux in soil respiration and its relationship to climate. Tellus 44 B, Reth S., Reichstein M., Falge E. (28): The effect of soil water content, soil temperature, soil ph-value and the root mass on soil CO 2 efflux a modified model. Plant and Soil 268, Rochette, P., Gregorich G. E. (1998): Dynamics of soil microbial biomass C, soluble organic C and CO 2 evolution after three years of manure application. Canadian Journal of Soil Science 78(2), Thaer, A. ( ): Grundsatze der rationellen Landwirtschaft.Berlin Trad. l. magh. p Tóth, E., Koós, S., Farkas, Cs. and Németh, T. (25): Carbon dioxide emission from calcareous chernozem soil. Cereal Research Communications 33, Tóth E., Farkas Cs., Koós S., Németh T. (29): A művelés hatása a talaj szén-dioxid kibocsátására I. Laboratóriumi módszertan tesztelése bolygatatlan talajoszlopokon. Agrokémia és Talajtan 58, Tóth, J.A., Lajtha, K., Kotroczó, Zs., Krakomperger, Caldwel, B., Bowden, R. D. & Papp, M. (27): The effect of climate change on soil organic matter decomposition. Acta Silvatica Lignaria Hungarica 3, Van den Bygaart, A.J., Gregorich, E.G., Angers, D.A. (23): Influence of agricultural management on soil organic carbon: A compendium and assessment of Canadian studies. Canadian Journal of Soil Science 83, Varga, Cs., Fekete, I., Kotroczó, Zs., Krakomperger, Zs., Vincze, Gy. (28): The Effect of litter on soil organic matter turnover in Síkfőkút site. Cereal Research Communications 36 (S),

279 5. Effects of microbial activity on mitigation Marianna Makádi, Viktória Orosz, Ibolya Demeter, Pál Kurtinecz, Cecilia Bănăteanu, Anita Papp, Gergely Smit Introduction Soil respiration is an important component of global carbon cycle which has two main sources, microbial decomposition of soil organic matter and respiration of plant roots (Jensen et al., 1996). Resipiration of animals living in the soil has only small contribution. The intensity of soil respiration is determined by the CO 2 concentration of air above surface (Raich and Schlesinger, 1992) the temperature (Lloyd and Taylor, 1994), soil moisture content (Saizen et al.: 27), organic matter supply (Epstein and Kohnke, 1957) and farming methods (Szöllősi et al., 29). Quality and activity of soil microbial community affects significantly the level of CO 2 emissions from agricultural sources. Soil microbial community can be examined on individual and community level which has serious challenge of soil biologists from the start. The biodiversity of soil microorganisms can be studied quantitatively and qualitatively, as well as changes in biological activity, which may be affected by many factors. Microbial community can be examined in direct or indirect ways. Direct methods are applied for studying the microbes (culturing, direct counting, PCR, PLFA) while in the cases of indirect methods (determining the quantity of CO 2 production or the microbial biomass, measurement of soil enzyme activities, etc.), changes in the measured parameters are used for concluding the quantity and activity of soil microbes. Enzymatic activity is a widespread method for measuring the intensity of soil biological processes whereas soil enzymes play a major role in the flow of energy in soils, quality of soils and yield (Dick, 1994; Tabatabai, 1994). The enzyme activity in the soil depends on the physical and chemical characteristics of the soil, for example, nutrients, ph, salinity, 279

280 etc. A part of the soil enzymes is synthesized by higher plants and are excreted through the roots. However, most of soil enzymes have microbial origin, they are metabolic products of soil microorganisms (Szegi, 1979). Direct examination of microbial communities was possible only by culturing methods or microscopic observation in the last quarter of the nineteenth century. However, both methods have serious mistakes e.g. only a small percentage (1-2%) of microorganisms living in the soil grows up during the cultivation (Schinner et al., 1996). Neither culturing methods nor direct counting are not suitable for precise qualitative and quantitative characterization of soil microbial communities. The significant changes of methods took place in the years of 198 when an indirect method, the examination of genetic material started to be used for the taxonomic characterization of communities (Stahl et al., 1984, Stahl et al., 1985). Molecular methods can be used for relatively small sample volumes. The high sensitivity of PCR technic causes its disadvantage: it could intensify any small impurities of the sample and transcription errors could be increased during the cyclic amplification (White, 1994). To follow the short-term changes of microbial composition, easily and accurately measurable biomarkers are needed. Such biomarkers are selected from molecules of the cell wall (murein, chitin), the cell membrane (fatty acids, alcohols) and, the respiratory chain (quinones). The most information is given by the most precise preparing method from these molecules are phospholipid fatty acids (PLFA). The PLFA method can characterize both the qualitative and quantitative composition of microbial community, while some of them are taxon specific therefore specify only one or some bacterial/fungal groups. Table 1. summarizes the above characteristics. Another advantage of this method is that the fatty acids are decomposed within a few hours after the death of cells so quantitative and qualitative information could be obtained about truly living (although not necessarily active) microorganisms of soil (Halbritter et al., 26). 28

281 Table 1. Some phospholipid fatty acids and the organisms they indicator for (source: Halbritter et al., 25; Zelles et al., 1999) Abbreviation Type of phospholipid fatty acid SATFA Ester-linked saturated fatty acids Indicator for Bacteria, Eucarya - Straight-chain fatty acids Bacteria, Eucarya i, a, Me- Branched-chain fatty acids -cy MUFA 16:16 18:18 Fatty acids containing cyclopropyl ring Ester-linked monounsaturated fatty acids 16 carbon atoms; double bond on the 6 th C from the carboxyl end 18 carbon atoms; double bond on the 8 th C from the carboxyl end Gram positive; Gram negative: Cytophaga, Acetobacter, Flavobacterium Gram negative: Rhodospirillum, Cromatium; Gram positive Clostridium, Bifidobacterium Type I methanotrophs Type II methanotrophs PUFA Ester-linked polyunsaturated fatty acids Eucaryotes, cyanobacteria PLOH Ester-linked hydroxy substituted fatty acids Hydroxy substitution at position 2 nearest to carboxyl end Hydroxy substitution at position 3 nearest to carboxyl end Hydroxy substitution at position 3 nearest to aliphatic end UNSFA Non-ester linked unsubstituted fatty acids Non-ester linked hydroxy substituted UNOH fatty acids Hydroxy substitution at position 2 nearest to carboxyl end Hydroxy substitution at position 3 nearest to carboxyl end Gram negative, Actinomycetales Mycobacterium Fungi Anaerobs Anaerobs Sphingomonas, Candida Bacteroides, Flavobacterium myl Mycolic acid (-OH, -branched) Mycobacterium, Nocardia 281

282 Materials and methods Measuring of enzyme activity Three soil enzyme activities were measured in the project. Soil dehydrogenase activity characterizes the general metabolic activity of soil micro-organisms, especially the intensity of decomposition processes. Compared with other agro-chemical and biological soil parameters, it is useful indicator of changes in soil microbes metabolism for variety of reasons (e.g. organic and chemical fertilizers, pesticides etc.). The dehydrogenase activity was assessed according to the Hungarian Standard (MSZ /3-86) by measuring of the formazane production in TTC-amended soil samples. The catalase enzyme catalyzes the breakdown of the hydrogen peroxide, the toxic metabolic product of microorganisms to water and molecular oxygen: Catalase 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 Catalase is one of the fastest functioning enzymes of oxidoreductases. This enzyme characterizes the general metabolic activity of aerobic soil microbes. Outside the cells it can accumulate to the soil particles, contributing to the "abiotic" biochemical activity of soils. To estimate the activity of catalase enzymes, the O 2 release was measured from H 2 O 2 amended soil samples by using Hungarian standard method (MSZ /4-86). Invertase is close connection to the carbon cycle. Its activity was estimated on the bases of the glucose formation by the method of Mikanová et al. (21). Measuring of phospholipid fatty acids Phospholipid fatty acid extraction and separation was done according to the modified Bligh-Dyer method (Bligh and Dyer, 1959; White et al. 282

283 Relative Abundance Relative Abundance HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása ). Prepared samples were stored at -2 o C before measuring. Phospholipid fatty acid fractions were measured on GC-MS (gas chomatograph coupled with mass spectrometer) in the laboratory of the external supplier (College of Nyíregyháza) winning of public procurement. Supelco 37 Component FAME Mix standard was used for qualitative and quantitative determination of fatty acids by Thermo Xcalibur program. Chroramtograms used for data evaluation can be seen in Fig. 1. C:\Xcalibur\...\12_1Tic_ /11/212 8:27:38 AM RT: NL: 4.41E6 TIC MS 12_1Tic_ Time (min) 12_1Tic_ #2984 RT: AV: 1 NL: 3.29E4 T: + c Full ms [5.-45.] m/z Figure 1. GC-MS chromatogram of PLFA measurement Phospholipid fatty acids used for data evaluation For data evaluation the marker PLFA of different microbe groups are used. Their quantity and the ratio of different PLFAs characterise the microbial community. (Zelles at al., 1992, 1995; Bossio et al., 1998, Ibekwe and Kennedy, 1998). Generally, Saturated Fatty Acids (SATFA) with odd straight-chain 283

284 and branched-chain characterise Gram positives while even straight-chain and cyclopropyl fatty acids are common in some Gram negative bacteria. Methyl branching on the 1 th carbon atom in the molecule (1Me C16:, 1Me C17:, 1Me C18:) is specific for actinomycetes (Kroppenstedt, 1992). Monounsaturated Fatty Acids (MUFA) indicate microeucaryotes and Gram negatives but they can be found in some straight anaerob bacteria, too (Ratledge and Wilkinson, 1988; Zelles et al., 1992). Polyunsaturated Fatty Acids (PUFA) like C18:2n6, C18:3n6, C18:3n3 are the marker PLFAs of fungi (Federle, 1986). β-type of non-ester linked hydroxy substituted fatty acids (PLOH) are common in bacteria while ω-type PLOHs can be found especially in fungi and plants (Zelles et al., 1995). The following PLFAs were used for data evaluation: SATFA: C12:, C14:, C15:, C16:, ic16:, C17:, C18:, C2:, 1Me C16:, 1Me C17:, cyc17: MUFA: C16:1, C18:1, C16:1n7, C18:1n7 PUFA: C18:2n6, C18:3n6, C18:3n3 PLOH: βoh C17:. For comparing the treatments, the following ratios were used: total PLFA: total amount of PLFAs used for data evaluation, nmol g -1. fungi/bacteria ratio: C18:2n6+C18:3n6+C18:3n3 / C12:+C14:+C15:+C16:+iC16:+C17:+C18:+C2:+1Me C16:+1Me C17:+cyC17:+C16:1+C18:1+C16:1n7+C18:1n7+βOH C17: Gram positive/gram negative ratio: C15:+ C17: / cyc17:+βoh C17:+ C16:1+C18:1 Actinomycetes/other bacteria ratio: 1Me C16:+1Me C17: / C12:+C14:+C15:+C16:+iC16:+C17:+C18:+C2:+cyC17:+ C16:1+C18:1+C16:1n7+C18:1n7+βOH C17: 284

285 Measuring of soil respiration Field measurement was took place in Livada and in Nyíregyháza in and On both occasions the weather was sunny. During measurements, chambers were shaded against direct sunshine, because sunlight heats up the air in the chamber and evaporating soil moisture impedes the measurement. The two sampling dates are characterized an autumn and a spring conditions. Measurements of soil respiration were carried out with LCPro SD and LCi-SD (Bioscientific Ltd, GB) portable CO 2 meter. Three parallel measurements were done in each treatment. The device has a dynamic measuring head, so as to avoid the accumulation of CO 2 in the chamber. The device is measured approximately in every 2 seconds, for the evaluation the last 4-5 measured data were used in when the CO 2 efflux in the chamber had reached a steady state. Data evaluation Measuring of PLFAs of autumn 211 samples has been cancelled because of the improvement of preparation and measuring processes. Sampling has been repeated in autumn 212 therefore only the results of spring are presented here while the results of enzyme activities and soil respiration from autumn 211 and spring 212 are presented. Statistical evaluation of results was done with MS Excel and SPSS 13. software package in Research Institute of Nyíregyháza and in Research Institute of Livada. Results of Research Institute of Nyíregyháza Mitigation means reduction of CO 2 emission. In the case of soil, the CO 2 emission called soil respiration. One possibility of mitigation is to choose an agricultural technology - including fertilization system also which could reduces the soil respiration. Therefore first we examine how to develop soil respiration in Westsik s crop rotation in an autumn and a spring 285

286 sampling time then analyze the contribution of microbial activity and community structure to soil respiration. Intensity of soil respiration has significant seasonal difference. Measured data are two to three times higher in spring than in autumn, depending on fertilization (Fig. 2). Values varied between.42± ±.26 µmol CO 2 m -2 s -1 in autumn and 1.3± ±1.4 µmol CO 2 m -2 s -1 in spring. Increased intensity of respiration in spring is connected with soil temperature which was around 1 C in autumn and it was around 25 C in spring. Differences in soil respiration of the rotations are much smaller in autumn than in spring. The results of two measurements differ because of these two main reasons: 3. Lower soil temperature reduces the microbial activity therefore the different CO 2 -emissions of crop rotations caused by differences among the utilizable organic carbon content and structure of microbial communities (Schima and Gulledge, 1998) are smaller. 4. The root respiration rate also varies seasonally. According to Pendall et al. (21) winter wheat root respiration is minimized in winter while root respiration results in the greater part of total CO 2 emission in the period of intensive plant growth. umol s -1 m -2 umol s -1 m -2 CO2 CO2 4, 4, 3,5 3,5 3, 3, 2,5 2,5 2, 2, 1,5 1,5 1, 1,,5,5,, Soil respiration in Westsik's crop rotation Soil respiration in Westsik's crop rotation e e de de cd de de cd bc b bc b a a a a a c e f d ef a c e f c d ef c a b ab a b ab I. III. VI. VII. X. XI. XIII. XIV. XV. I. III. VI. VII. X. XI. XIII. XIV. XV. Number of crop rotation Number of crop rotation 26/9/211 26/9/211 27/4/212 27/4/212 Figure 2. Intensity of soil respiration in the Westsik s crop rotation experiment measured in two different dates a- f indexes mean significance groups according to the Tukey s test (p<.5). 286

287 Differences among the rotations are caused by different nutrient supply. A part of input organic matter (farmyard manure, crop residues) is quickly utilized by microbes and only a small portion of it is converted into stable organic material. However, we have not found close correlation among the soil ph, humus content, available nutrients and the soil respiration. Similar results have found Ngao et al. (212) in forest ecosystem who stated close relationship also between C/N ratio as a soil chemical property and the soil respiration. Balogh et al. (211) examined Hungarian grassland soil associations where soil respiration was correlated with clay and organic carbon content of soils. Measurements of these parameters are in progress in our experiment. Soil respiration rate was the lowest in fallow rotation where only the crop residues are returned to the soil without organic and mineral fertilization. CO 2 emission was also low in crop rotation III. (lupine root manure) and crop rotation VII (fermented straw manure). One of the highest soil respiration intensity was measured in crop rotation VI (fermented straw manure+n). The poorly degradable organic matter supplied with macronutrients (N, P, K) resulted in favorable conditions for the mineralization activity of microorganisms. It was measured intensive soil respiration even in those crop rotations where farmyard-manure (X, XI) and lupine green manure treatment was done. Intensity of soil respiration is also affected by tillage (Zsembeli and Kovács, 27). In fallow rotation where soil respiration is generally low, after mechanical weed control, the soil respiration was significantly increased in summer of 212 (unpublished result). The increased aeration of soil after discling resulted in more intensive microbial activity (Szabó, 28). Moisture content of the soil affects the soil respiration and the microbial activity, too (Fang and Moncrieff, 21). Differences among rotations can be seen in Fig. 3. However, 7-9% soil moisture content is very low, therefore, it has any significant effect on the microbial activity and characterizing parameters of microbes community in the rotations. Soil was much drier in sampling times and practically all the study period of years than generally used to be, which could reduce also the microbial activity. 287

288 mg glucose g -1 4h -1 mg glucose g -1 4h -1 w/w% w/w% HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Moisture content of soil Moisture content of soil bc b bc ab bcab bc b abc bc ab ab bcab abc abc ab abc a a ab ab a a ab ab abc abc ab ab ab abc ab abc I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 3. Moisture content of the soil in the Westsik s crop rotation experiment a,b,c, indexes mean significance groups according to the Tukey s test (p<.5) The lowest moisture content was determined in crop rotation III. (seed production of lupine then ploughing) in both examination dates ( w/w%; w/w%). The highest moisture content was found in crop rotation VI. (fermented straw manure + nitrogen) (9.27 w/w%) in 211 autumn and in crop rotation I. in 212 spring (fallow) (8.84 w/w%). Activity of inevertase enzyme Activity of inevertase enzyme I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 4. Activities of invertase enzyme in Westsik s crop rotation experiment 288

289 mg O2 g -1 dry soil h -1 mg O2 g -1 dry soil h -1 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 The invertase activity (Fig. 4.) was the highest in those crop rotations where the input organic matter was relatively more easily degradable. It is also clear that the invertase activity was higher in spring ploughed lupine green manure crop rotations (XIII and XV), than in the autumn ploughed rotation. There were not detected significant differences in the invertase enzyme activities among treatments in the two sampling times. The highest invertase enzyme activities were recorded in the crop rotation X. which was treated with farmyard-manure ( mg glucose g-1 4h-1), and crop rotation VII. (212 - mg glucose g-1 4h-1) treated with fermented straw manure. The lowest enzyme activities were found in crop rotation III. in both years ( mg glucose g-1 4h-1; mg glucose g-1 4h- 1. 1). Our results contradict to the results published by Yang et al. (28). They have examined the changes in soil microbiology in a comparative study of manure, farmyard-manure and farmyard-manure + different artificial fertilizers. In their studies the highest activity of the invertase enzyme was found in soil samples treated with manure enriched with NPK. Activity of catalase enzyme Activity of catalase enzyme 3,5 3, ,5 2, ,5 1,5 1 1,5,5 ab ab c ab ab c b b b b ab b ab b ab ab ab ab ab ab ab a ab a a a a a ab ab a ab a ab a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 5. Activities of catalase enzyme in Westsik s crop rotation experiment a,b,c, indexes mean significance groups according to the Tukey s test (p<.5) Catalase activity (Fig. 5.) were similar in the two sampling dates. The highest activity was measured in the crop rotation VII. The activities were 289

290 formazan mg 1g -1 soil 24h -1 formazan mg 1g -1 soil 24h -1 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása mg O 2 g-1 dry soil h-1 in autumn of 211 and 2.5 mg O 2 g-1 dry soil h-1 in spring of 212. The lowest enzyme activities ( mg O 2 g-1 dry soil h-1; mg O 2 g-1 dry soil h-1) were measured in crop rotation XIII. (secondary lupine green manure ploughed in spring + fertilizer). Garcia-Gil et al. (2) examined the effects of cow manure, mineral fertilizers and two compost doses treatments on soil microbial activity. They observed higher catalase activity compared to control in manure treatment and lower in mineral fertilization treatment. Yang et al. (28) also found that the catalase enzyme activity was the highest in the manure treated samples. Activity of dehydrogenase enzyme Activity of dehydrogenase enzyme,4,4,35,35,3,3,25,25,2,2,15,15,1,1,5,5 b b ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 6. Activitiy of dehydrogenase enzyme in Westsik s crop rotation experiment a,b, indexes mean significance groups according to the Tukey s test (p<.5) Highest dehydrogenase (Fig. 6.) activity were measured in the farmyard-manure treated crop rotation (X) (.2 mg formazan 1g-1 soil 24h-1) in autumn 211 while the lowest enzyme activity (.9 mg formazan 1g-1 soil 24h-1) were obtained in the crop rotation XIII (secondary lupine green manure ploughed in spring + fertilizer). The activity of dehyrdogenase enzyme was below the threshold of detection in the samples of spring 212. Similar results can be found in the study of Garcia-Gil et. al (2). They also detected the highest dehydrogenase activity in the treatment of cow manure and the lowest enzyme activity of 29

291 the mineral fertilized treatment. The relationship among the enzyme activities and the physicochemical parameters of soils are shown in Table 2. and 3. Table 2. Correlation of chemical and microbiological properties in Westsik s crop rotation experiment, October, 211 Soil moisture Invertase Dehydrogenase Catalase ph (KCl).428**.532**.555**.834** K A.453* Humus.41* Phosphorus -.426* Potassium -.4* Magnesium.41*.496**.722** Copper.397*.754** Manganese.55**.691** Zinc -.438* Invertase.395*.545** Dehydrogenase.65** ** Correlation is significant at the.1 level (2-tailed). * Correlation is significant at the.5 level (2-tailed). In autumn the enzyme activities correlated especially with the ph and the mesoelements (Mg, Co, Mn) content of soil. Similarly, Baligar et al. (1999) found positive correlation between soil dehydrogenase activity and the magnesium content of the soils when they analysed six different types of soils. Garcia-Gil et al. (2) detected positive correlation between the activity of catalase and dehydrogenase enzymes. Relationships of chemical properties and enzyme activities seem to be varied with seasons except for the ph which seemed to be the stable and important chemical property. Considerably quantity of CO 2 released from the soil has microbial origin, which is resulted from the decomposition activities of the actual living and active microbes of soil. Phospholipid fatty acids decompose rapidly after the death of cells therefore they can characterize the living community of microbes. Basic role of microorganisms in the soil respiration is proved by the positive correlation (r =.41) of soil respiration and the 291

292 total amount of the fatty acids used as a marker of the microbial community (Fig. 7). Measurements in spring, at the beginning of the intensive growth phase of plants weaken this correlation because of the significant effect of root respiration. Table 2. Correlation of chemical and microbiological properties in Westsik s crop rotation experiment, April, 212 Soil moisture Invertase Catalase ph (KCl) -.238* ph (H2O) -.245*.169* -.29* Y 1.458**.29* Soil temperature.282* Soil respiration -.478* Invertase.232* Catalase.219* ** Correlation is significant at the.1 level (2-tailed). * Correlation is significant at the.5 level (2-tailed). nmol g -1 nmol g Total PLFA Total PLFA d d cd bc cd bc abc abc abc abc abc abc ab a a ab a a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 7. Total amount of phospholipid fatty acids in Westsik s crop rotation experiment, 212 a,b,c,d indexes mean significance groups according to the Tukey s test (p<.5) Quantity of phospholipids is different in crop rotations with different 292

293 fungi PLFA/bacteria PLFA fungi PLFA/bacteria PLFA HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 nutritional types. The lowest amount of microorganisms is in crop rotations I. and III. which do not have external organic matter input (Fig. 7). In the crop rotations of fermented straw manure, the artificial fertilizer amendment (crop rotation VI) resulted in slightly higher number of microbes than found in the crop rotation VII., where fermented straw manure is added without artificial fertilizer. The artificial fertilizer amendment probably provides favorable C/N ratio for microbes. Largest amount of phospholipids were measured in the crop rotations of lupine green manure. Rate of fungi to bacteria are generally related to the soil ph (Szabó, 28). Highest rates of fungi were found in crop rotation I. (fallow) where soil ph is the lowest (Fig. 8). Fungi to bacteria ratio correlate negatively with ph (r = -.357). Fungi can digest better their substrates in acidic ph than bacteria, so their number is generally higher in those conditions (Davet, 24). Fungal/bacterial ratio has also a weak negative correlation with soil respiration intensity (r = -.327), suggesting that bacteria play more significant role in CO 2 emission of soil than that of fungi.,35,35,3,3,25,25,2,2,15,15,1,1,5,5,, Fungi to bacteria ratio Fungi to bacteria ratio,36,36,131,131,13,17,83,13,17,83,7,79,9,88,7,79,9,88 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 8. Fungi to bacteria ratio in Westsik s crop rotation experiment, 212 Actinomycetes plays an important role in litter decomposition. 293

294 Actinomycetes PLFA / bacteria PLFA Actinomycetes PLFA / bacteria PLFA HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Generally they better tolerate drought than other bacteria (Davet, 24).,7,7,6,6,5,5,4,4,3,3,2,2,1,1,, Actinomycetes to bacteria ratio Actinomycetes to bacteria ratio,65,65,39,39,32,32,17,14,17,14,7,7,18,18,19,19,22,22 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Number of crop rotation Number of crop rotation Figure 9. Actinomycetes to bacteria ratio in Westsik s crop rotation experiment, 212 Quantity of Aktinimycetes indicated by fatty acids - Me C16: and 1Me C17: - generally was greater in rotations with external input of organic matter (Fig. 9), similarly to the results of Bossio et al. (1998). Actinomyceta are typical in active phase of composting when degradation of high molecular weight of organic materials takes place (Davet, 24). Results of Research Institute of Livada Application of lime in agricultural soils normally leads to significant increases in ph and, thus, in the chemical and biochemical reactions and in microbiological processes. Such treatments results in changes in the solubility of many chemical compounds and improvement in the environment of plant roots and development, increasing soil microbial biomass, including microbial dynamic and diversity, and, therefore significant changes in enzyme activity (Acosta-Martinez and Tabatabai, 2). Results of microbial activity are presented in Tables 4-9 collected in term-experiments of Research Institute of Livada in the spring of

295 Table 4. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on activity of invertase enzyme (mg glucose g-1 4h-1) on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP x NPK x # x #+NPK x Mean x x N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha -1 - ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 A B AxB SD5% 3,18 6,25 11,84 The highest activity of invertase enzyme (3.57 mg glucose g-1 4h-1) was found in the treatment of 5 t ha-1 limestone+farmyard-manure+npk fertilizers (Table 4). Joint application of liming and different doses of artificial fertilizers also increases the invertase activity in Podzol (Klebanovich and Moroz, 1997) but using these amendments with farmyard-manure enhance their effect. However, our results show that liming has an optimal dose and using more than the optimum causes negative effects on the invertase activity. Microorganisms utilize farmyard- 295

296 manure as a habitat and a resource of organic material so its application increases the microbial activity of soil. Table 5. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on activity of dehydrogenase enzyme (mg formazan 1g-1 soil 24h-) on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP NPK x # x #+NPK x Mean x.93 N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha - -1 ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 A B AXxB SD5,34,26,53 The highest dehydrogenase activity (.2 mg formazan 1g-1 soil 24h-1) were observed in farmyard-manure combined with 5 t lime ha-1 treated soil (Table 5). Similar to the invertase activity the 1 t ha-1 liming reduced the dehydrogenase activity. Nazarkiewicz and Kuniuczak (28) also found increased dehydrogenase activity in Podzol soil after liming. 296

297 Table 6. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on activity of catalase enzyme (mg O 2 g-1 dry soil h-1) on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP NPK # x #+NPK x Mean x 4.15 x N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha - -1 ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 A B AxB SD 5%,34,26,53 Catalase reached its highest activity (4.52 mg O 2 g-1 dry soil h-1) in the plots treated with 1 t lime ha-1+farmxard-manure+npk fertilizers (Table 6). Lorenz et al. (21) also found that liming significantly increased catalase activity in Cambic Podzol and Dystric Luvisol. We have found that farmyard-manure treatment also increased the catalase activity. The studied doses of liming had any decreasing or inhibiting effects on the activity of catalase which could work for the longest time as an exoenzyme in the soil. However, the activities of invertase and 297

298 dehydrogenase were decreased by the higher dose of lime. Table 7. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on content of total fatty acid (nmol g -1 ) on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP NPK # #+NPK Mean N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha - -1 ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 Several studies indicated that lime application could directly or indirectly modify the soil microbial community structure (Xue et al., 21; Pawlett et al., 29). They reported the increase of the content of total fatty acid after liming treatment. These reports contradict our results because we found a decreasing effect of liming on total PLFA content and reduced effects of different nutrition methods on plots treated with lime. The highest content of total PLFA (211.6 nmol g-1) were measured in farmyard-manuretreated plots without lime Table 7) wich was about four-times higher than measured in the farmyard-manured plots with lime. However, the positive effect of farmyard-manure treatment is similar to the results of Peacock et 298

299 al., (21) who stated the increased microbial biomass after farmyardmanure treatment. Table 8. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on ratio of fungi/bacteria on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP NPK # #+NPK Mean N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha - -1 ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 Pawlett et al. (29) found that liming increased fungi/bacteria ratio in the litter layer. Similarly, the highest rates of fungi/bacteria were measured in 1 t lime ha-1 treated control plots however, fungi to bacteria ratio was not changed after 5 t lime ha -1 treatment. We have not found any effect of different nutrition methods on the fungi/bacteria ratio similarly to the results obtained in the Westsik s crop rotation experiment. However, the incresing number of fungi after liming contradicts to the fundamental statement that incresing ph causes decrasing in the number of fungi. 299

300 Table 9. Effects of long-term ( ) fertilization and liming on ratio of Actinomicetes/bacteria on Cambic Podzol, Livada, Aril, 212 Liming (t lime ha -1 ) Mean O N NP NPK # #+NPK Mean N: 1kg N ha -1 ; P: 7kg P 2 O 5 ha - -1 ; K=6kg K 2 O ha -1 ; #=2 manure t ha -1 4y -1 Actinomycetes decompose the high molecules of organic matter. Its ratio was the highest in the plots without liming where its rates were increased by artificial fertilizers. The farmyard-manure treatment has not been found positive effect (Table 9). Increasing effects of artificial fertilizing was probably caused by better C/N ratio but data are in processing. Liming decreased the ratio of Actinomycetes and also reduced the effect of nutrient supply. Conclusions Microbial activity of soil provides CO 2 to the atmosphere as a result 3

301 of decomposing organic matter. An opportunity for mitigation is to decrease the quantity of CO 2 flows from soil to atmosphere. It could be achieved by reduced tillage or non-tillage technics and its extent is affected by soil type, nutrient supply and liming, also. Soil respiration was higher in the plots treated with organic materials (farmyard, green or straw manure) and artificial fertilizers. Any forms of organic matter put into soil are more or less degradable by microorganisms. Even so, for preserving the fertility of intensively utilized soils in a long term, manuring is essentially. The effect of manuring could be modified by the liming and also by the artificial fertilizing. Our results indicate that the higher number of microbes in a crop rotation plot related to the higher intensity of soil respiration. On the other hand, the higher microbial activity generally results in more fertile soil with higher quantity of plant biomass therefore the higher quantity of stored carbon content in the plant tissue and in the soil. For evaluation of agrotechnical methods supported the mitigation needs regular measurements in different times. Our presented results could contribute to achieve this aim but these are only a part of the information needed. The final task of our project is to measure the missing data and on the bases of the final, complex data evaluation, determining the possible agrotechnical methods for decreasing the CO 2 emissions of soils. References Acosta-Martinez, V., Tabatabai, M.A. (2): Enzyme activities in a limed agriculture soil. Biology and Fertility of Soil 3, Baligar, V.C., Wright, R.J., Fageria, N.K and Pitta V.E. (1999): Enzyme activities in cerrado soils of brazil. Communication in Soil Science and Plant Analysis 3, Balogh, J., Pintér, K., Fóti, Sz., Cserhalmi, D., Papp, M., Nagy, Z. (211): Dependence of soil respiration on soil moisture, clay content, soil organic matter, and CO 2 uptake in dry grasslands. Soil Biology and Biochemistry 43, Bligh, E. G., Dyer, W. J. (1959): A rapid method of total lipid 31

302 extraction and purification. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology 37, Bossio, D.A., Scrow, K.M., Gunapala, N., Graham, K.J. (1998). Determinants of soil microbial communities: effects of agricultural amnagement, seasons and soil type on phospholipid fatty acid profiles. Microbial Ecology 36, Davet, P. (24). Microbial ecology of the soil and plant growth. Science Publishers, Inc. Enfield, Usa, Plymuth, UK. Dick, R.P. (1994). Soil enzyme activities as indicators of soil quality. In: Doran, J.W., Colemann, D.C., Bezdicek, D.F., Stewart, B.A. (Eds.): Defining soil quality for a sustainable environment. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp Epstein E..- Kohnke, H. (1957): Soil aeration as affected by organic matter application. Soil Science Soc. Am. Proc. 21, Fang C., Moncrieff J. B. (21). The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry 33, Federle, T.W. (1986). Microbial distribution in soil new technics. In: Megusar, F., Banthar, M. (Eds.): Perspectives in microbial ecology. Slovene Society for Microbiology. Ljubljana, pp Garcia-Gil, J.C., Plaza, C., Soler-Rovira, P., Polo, A. (2): Long-term effects of solid waste compost application on soil enzyme activities and microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry 32, Halbritter, A., Uzinger N. (25). A talaj-mikrobióta vizsgálata foszfolipidek alapján. I. Szükségesség és alkalmazási lehetőségek. Agrokémia és Talajtan 54, Ibekwe, A.M., Kennedy, A.C. (1998). Phospholipid fatty acid profiles and carbon utilization patterns for analysis of microbial community structure under field and greenhouse conditions. FEMS Microbiology Ecology 26, Jensen, L. S. - Mueller, T. - Tate, K. R. - Ross, D. J. - Magid, J. - Nielsen, N. E. (1996): Soil surface CO 2 flux as an index of soil 32

303 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 respiration in situ: a comparison of two chamber methods. Soil Biology and Biochemistry 28, Klebanovich N.V. and Moroz G.V. (1997): The influence of liming on the micriflora and microbiological characteristics of Belarussian soddypodzolic soils. Eurasian Soil Science 3, Kiss I. (1958): Talajenzimek. In Csapó M. J.: Talajtan. Bukarest. pp Kroppenstedt, R.M. (1992). The genus Nocardiopsis. In: The Procaryotes 2 (Eds.: Balows, A. etal.) Springer, New York. Lloyd, J., Taylor, J.A. (1994): On the temperature dependence of soil respiration. Functional Ecology Lorenz, K., Preston, C.M., Feger, K-H. (21): Long-term effects of liming on microbial biomass and activity and soil organic matter quality ( 13 C CPMAS NMR) in organic horizons of Norway spure forest in Southern Germany. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 164, Mikanová, O., Kubát, J., Mikhailovskaya, Vörös I., Bíró B. (21). Influence of heavy metal pollution on some soil-biological parameters in the alluvium of the Litavka river. Rostlinná Vyroba 47, Nazarkiewicz M., Kaniuczak J. (28): Effect of liming and mineral fertilization on the enzymatic activity of grey-brown podzolic soils formed from loess. Polish Journal of Soil Science XLI/2, Ngao, J., Epron, D., Delpierre, N., Bréda, N.,Granier, A., Longdoz, B. (212). Spatial variability of soil CO 2 efflux linked to soil parameters and ecosystem characteristics in a temperate beech forest. Agricultural and Forest Meteorology , Painkov, N.S. (1999). Understanding and predition of soil microbial community dynamics under global change. Applied Soil Ecology 11, Pawlett, M., Hopkins, D.W., Moffett, B.F., Harris, J.A. (29): The effect of eathworms and liming on soil microbial communities. Biology 33

304 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 and Fertility of Soils 45, Peacock, A.D., Mullen, M.D., Ringelberg, D.B., Tyler, D.D., Hedrick, D.B., Gale, P.M., White, D.C. (21): Soil microbial community responses to dairy manure or ammonium nitrate applications. Soil Biology and Biochemistry 33, Raich, J.W., Schlesinger,W.H. (1992). The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate. Tellus 44B, Ratledge, C., Wilkinson, S.G. (1988). Microbial Lipids. Academic Press, London. Saiz, G., Black, K., Reidy, B., Lopez, S., Farrell, E.P. (27): Assessment of soil CO 2 efflux and its components using a processbased model in a young temperate forest site. Geoderma 139, Schinner, F., Kandeler, E., Öhlinger, R., Margesin, R. (eds) (1996): Methods in Soil Biology. Springer. Schimel, J.P., Gulledge, J. (1998): Microbial community structure and global trace gases. Global Change Biol. 4, Stahl, D. A., Lane, D.J., Olsen, G.J és Pace N. (1984): Analysis of hydrothermal vent-associated symbiont by ribosomal RNA sequences. Science 224, Stahl, D. A., Lane, D. J., Olsen, G. J. és Pace N. (1985): Characterization of a Yellowstone hot spring microbial community by 5S RNA sequences. Appl. Environ. Microbiol. 49, Szabó I. M. (28): Az általános talajtan biológiai alapjai. Mundus Magyar Egyetemi Kiadó, Budapest Szegi J. (1979): Talajmikrobiológiai vizsgálati módszerek. Mezőgazdasági Könyvkiadó, Budapest Szöllősi, N., Zsembeli, J., Kovács, Gy., Juhász, Cs. (29). CO 2 emission and long-term prediction of carbon stock change of the soil in different soil tillage systems. Analele Universităţii din Oradea, Fascicula:Protecţia Mediului Vol. XIV,

305 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Tabatabai, M.A. (1994). Soil enzymes. In: Page, A.L., Miller, R.H., Keeney, D.R. (Eds.): Methods os soil analysis. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp White, D. C., Davis, W. M., Nickels, J. S., King, J. D., Bobbie, R. J. (1979): Determination of the sedimentary microbial biomass by extractible lipid phosphate. Oecologia 4, White, D. C. (1994) Is there anything else you need to understand about the microbiota that cannot be derived from analysis of nucleic acids? Microbial Ecology 28, Xue, D., Huang, X., Yao, H., Huang C. (21): Effect of lime application on microbial community in acidic tea orchard soils in comparison with those in wasteland and forest soils. Journal of Environmental Sciences 22, Yang, L., Li, T., Li, F., Lemcoff, J.H., Cohen, S. (28). Fertilization regulates soil enzymatic activity and fertility dynamics in a cucumber filed. Scientia Horticulturale 116, Zelles, L., Bai, Y.Q., Beck, T., Beese, F. (1992). Signature fatty acids in phospholipids and lipopolysaccharides as indicators of microbial biomass and community structure in agricultural soils. Soil Biology and Biochemistry 24, Zelles, L., Bai, Y.Q., Rackwitz, R., Chadwick, D., Beese, F. (1995). Determination of phospholipid- and lipopolysaccharide-derived fatty acids as an estimate of microbial biomass and community structures in soils. Biology and Fertility of Soils 19, Zelles, L. (1999). Fatty acid patterns of phospholipids and lipopolysaccharides in the characterisation of the microbial communities in soil: a review. Biology and Fertility of Soils 29, Zsembeli J., Kovács Gy. (27): Dynamics of CO 2 -emission of the soil in conventional and reduced tillage systems. Cereal Research Communications 35,

306 6. Calculation of Soil Carbon Stocks for the Westsik Long-Term Experiment of the Nyíregyháza Research Institute by József Zsembeli 1. Calculation of soil carbon stocks according to the IPCC methodology According to the IPCC methodology aiming to estimate carbon stock changes in mineral soils the following equation is used: where ΔC CC = [(SOC SOC ( T) )*A] / T SOC = SOC REF * F LU * F MG * F I ΔC CCMineral = annual change in carbon stocks in mineral soils, tonnes C yr -1 SOC = soil organic carbon stock in the inventory year, tonnes C ha -1 SOC (-T) = soil organic carbon stock T years prior to the inventory, tonnes C ha -1 T = inventory time period, yr (default is 2 yr) A = land area of each parcel, ha SOC REF = the reference carbon stock, tonnes C ha -1 F LU = stock change factor for land use or land-use change type, dimensionless F MG = stock change factor for management regime, dimensionless F I = stock change factor for input of organic matter, dimensionless The estimation method is based on changes in soil C stocks over a finite period following changes in management that impact soil C. Previous soil C stocks (SOC (-T) ) and soil C stocks in the inventory year (SOC ) for the area of a cropland system in the inventory are estimated from 36

307 reference carbon stocks and stock change factors applied for the respective time points. Here a cropland system refers to a specific climate, soil and management combination. Annual rates of emissions (source) or removals (sink) are calculated as the difference in stocks (over time) divided by the inventory time period. The default time period is 2 years. Naturally the above equation is valid only for areas where the soil is homogenous as well as the land use type, the soil tillage system and the intensity of organic matter (input) management. If all these data are available, the soil carbon stock of the area can be calculated. In order to make these calculations easier, for the request of the IPCC, a computer programme was elaborated by the Colorado State University Natural Resource Ecology Laboratory under the name of IPCC Soil Carbon Tool (SCT). According to the description of the programme it is such a tool that serves to help the calculation of the changes in soil carbon stocks of croplands and grasslands when there is a change in land use of a certain area. The programme uses default values for the calculations. In the SCT the following basic parameters must be set: country, climate region, native soil type. The soil type categories are the own categories of the IPCC, but applying the WRB or the USDA categorization systems any soil type can be easily fit into the IPCC system by means of a table. When all the basic parameters are set, the programme gives an estimation on the existing carbon stock of the given soil in the dimension of MgC/ha (Fig. 1). More precise, locally specific values can be gained if the soil carbon stocks are determined on the base of the humus content of the soil. We have elaborated the method of this calculation. The method is based on the well known fact that the average carbon content of the organic materials of a soil is 58%. Based on this fact, the following correlation can be established between the humus content and quantity of organic carbon in a soil (FILEP, 1999): 37

308 Hu% = organic C x 1.72 Fig. 1. Soil carbon stock value of the Westsik experiment calculated by the means of the IPCC SCT 38

309 The soil carbon stocks of the of the given soil type were calculated according to this correlation including the following steps: 1. calculation of the volume of the -3 cm deep layer of the soil of the area of 1 ha (1, m 2 ): 1, x.3 = 3, m 3, 2. calculation of the mass of this 3, m 3 soil multiplying the volume (m 3 ) with the average bulk density characteristic for a given soil type (g cm -3 = t m -3 ): 3, m 2 x m tf (t m -3 ), 3. calculation of the mass of the humus content of the soil multiplying the soil mass with the humus content percentage: m tf x Hu%, 4. calculation of the carbon content of the humus mass multiplying it with the.58 constant: m tf x Hu% x.58. The soil carbon stocks of the of the soil of the Westsik experiment at Nyíregyháza were as they are listed in Table 1. Table 1. Soil carbon stock values of the Westsik experiment calculated on the base of humus content Plot Humus content Bulk density Carbon stocks (%) (g/cm 3 ) (t/ha) I III VI VII X XI XIII XIV XV Ranging the soil into IPCC input categories The input factors represent the effect of changing carbon input to the soil, as a function of crop residue yield, bare-fallow frequency, cropping 39

310 intensity, or applying amendments. Input factors are categorized as low, medium, high, and high w/manure amendments. Low residue return is due to removal of residues (via collection or burning), frequent bare-fallowing or production of crops yielding low residues (e.g. vegetables, tobacco, cotton). Medium input cropping systems represent annual cropping with cereals where all crop residues are returned to the field. If residues are removed then supplemental organic matter (e.g. manure) is added. High input (without manure) rotations have significantly greater crop residue inputs due to production of high residue yielding crops, use of green manures, cover crops, improved vegetated fallows, frequent use of perennial grasses in annual crop rotations, but without manure applied. High input (with manure) rotations have high input of crop residues as in "high input without manure" (above), together with regular additions of animal manure. The soils of the plots of the Westsik experiment at Nyíregyháza can be ranged into the IPCC input categories as it is listed in Table 2. Table 2. Organic matter input categories of the Westsik plots Plot No. Organic matter input (t/ha) crop residue manure Input category I.6 - low III medium VI high with manure VII.6 26 high with manure X high with manure XI high with manure XIII medium XIV medium XV 3. - medium 31

311 3. Change of soil carbon stocks in the Westsik long-term experiment The soil carbon stock values calculated on the base of the humus content are in good agreement with the values calculated by means of the IPCC methodology (19 t/ha). Taking the soil type and the climatic conditions of the examined area into account, the calculated soil carbon stock can be considered average, characteristic to the given conditions. On the base of the above introduced IPCC methodology the changes in soil C stocks over a finite period can be quantified and predicted if the management that impacts soil C is maintained. Previous soil C stocks and soil C stocks in the inventory year (SOC 212 ) for the area of a cropland system in the inventory are estimated from carbon stocks determined from the humus content and stock change factors applied for the respective time points. For the Westsik plots the changes are quantified as they are listed in Table 3. After the assessment of the changes in soil carbon stock it is obvious that the plots can be ranged into two groups. Increase of the soil carbon stocks can be expected in the case of the plots getting organic manure regularly (Fig. 2), while in the soil of the plots where the amount of crop residues remaining on the soil surface (input) is low or medium, the soil carbon stocks are expected to be decreasing during the following 2 years (Fig. 3). The degree of increase is approximately 1%, while the decrease is about 2%. The latter value particularly calls the attention to the fact that the application of artificial fertilizers to cover the nutrient demands of crops is not satisfactory regarding the requirements of sustainable crop production, but we have to maintain the nutrient stocks of the soil too. In order to achieve this goal application of the proper soil cultivation system (preferably soil conservation methods) and an increased organic matter input (crop residue management) are the tools that can help us. The latter tool is particularly significant as nowadays the price of the artificial fertilizers is permanently increasing. Therefore the adaption and application 311

312 of the alternative ways of plant nutrition are essential elements of effective and economic management. One of the most obvious solutions is the utilization of the crops residues by chopping and turning them into soil. As the crops involved in the crop rotation of the investigated area are fixed, the further enhancement of the amount of organic input by crop residues is not realistic. Nevertheless as the conversion of the conventional tillage into a conservation system affects the carbon cycle of the soil, after the introduction of a reduced tillage system the increase of the soil carbon stocks can be expected. Reduced tillage also involves the more effective soil moisture preservation hence it is highly advised on sandy soils with unfavourable water regime. Fig. 4 shows the predicted changes of the soil carbon stocks by 232 in the case if the soil cultivation system of the investigated plots is changed into reduced tillage. Fig. 2. Change of carbon stocks in the soil of the plots with regular manure application 312

313 Table 3. Change of carbon stocks in the Westsik long-term experiment ( ) 313

314 Fig. 3. Change of carbon stocks in the soil of the plots with no manure application Fig. 4. Change of carbon stocks in the case of turning to reduced tillage 314

315 References BEARE, M.H. - HENDRIX, P.F. - COLEMAN, D.C.: Waterstable aggregates and organic matter fractions in conventional- and notillage soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 58: Biológiai Lexikon, 1975 BIRKÁS, M.: 22. Környezetkímélő és energiatakarékos talajművelés. Szent István Egyetem, Gödöllő. DORAN, J.W.: 198. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: European Environment Agency Soil Degradation, chapter 11, p ; chapter 2, climate change, p In: Europe s Environment: The Second Assesment, Elsevier Science Ltd., pp FILEP, GY Talajtani alapismeretek I. 79. GYURICZA, CS. BIRKÁS, M. (24). Talajhasználat. Műveléshatás. Talajnedvesség Quality- press nyomda és Kiadó Kft. LAL, R., Kimble, J.M., Follett, R.F., Cole, C.V., The potential of U.S. cropland sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Sleeping Bear Press, 128. MARMO, L. (28). EU strategies and policies on soil and waste management to offset greenhouse gas emissions. /Waste Management/. 28: MARTH P., KARKALIK A., (24) A Talajvédelmi Információs és Monitoring rendszer módszertana, működése, informatikai rendszere REICOSKY, D. C Tillage and short-term CO 2 emissions from soils in the laboratory. Kézirat. MICHÉLI E, (1999) A FAO talaj világtérképe és osztályozási rendszere In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , QUEMADA, M. - CABRERA, M.L.: Carbon and nitrogen mineralized from leaves and stems of four cover crops. Soil Sci. Soc. 315

316 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Am. J. 59: STEFANOVITS (1999) A talaj humusztartalma In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , TAMÁS, J.: 21. Precíziós Mezőgazdaság. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest. TOMBÁCZ E. (23), Talajreleváns határfelületi és kolloid kölcsönhatások, MTA Doktori értekezés ZSEMBELI, J. - TUBA, G. KOVÁCS, GY. (26): Development and extension of CO 2 -emission measurements for different soil surfaces. Cereal Research Communications. Vol. 34. No h kibocsatast/ h &id=1333&itemid= h h MINIMUM_kerdesek_211.pdf 316

317 7. Calculation of Soil Carbon Stocks for the Long-Term Experiment of the Livada Research Institute by József Zsembeli 1. Calculation of soil carbon stocks according to the IPCC methodology According to the IPCC methodology aiming to estimate carbon stock changes in mineral soils the following equation is used: where ΔC CC = [(SOC SOC ( T) )*A] / T SOC = SOC REF * F LU * F MG * F I ΔC CCMineral = annual change in carbon stocks in mineral soils, tonnes C yr -1 SOC = soil organic carbon stock in the inventory year, tonnes C ha -1 SOC (-T) = soil organic carbon stock T years prior to the inventory, tonnes C ha -1 T = inventory time period, yr (default is 2 yr) A = land area of each plot, ha SOC REF = the reference carbon stock, tonnes C ha -1 F LU = stock change factor for land use or land-use change type, dimensionless F MG = stock change factor for management regime, dimensionless F I = stock change factor for input of organic matter, dimensionless The estimation method is based on changes in soil C stocks over a finite period following changes in management that impact soil C. Previous soil C stocks (SOC (-T) ) and soil C stocks in the inventory year (SOC ) for the area of a cropland system in the inventory are estimated from reference carbon stocks and stock change factors applied for the respective time 317

318 points. Here a cropland system refers to a specific climate, soil and management combination. Annual rates of emissions (source) or removals (sink) are calculated as the difference in stocks (over time) divided by the inventory time period. The default time period is 2 years. Naturally the above equation is valid only for areas where the soil is homogenous as well as the land use type, the soil tillage system and the intensity of organic matter (input) management. If all these data are available, the soil carbon stock of the area can be calculated. In order to make these calculations easier, for the request of the IPCC, a computer programme was elaborated by the Colorado State University Natural Resource Ecology Laboratory under the name of IPCC Soil Carbon Tool (SCT). According to the description of the programme it is such a tool that serves to help the calculation of the changes in soil carbon stocks of croplands and grasslands when there is a change in land use of a certain area. The programme uses default values for the calculations. In the SCT the following basic parameters must be set: country, climate region, native soil type. The soil type categories are the own categories of the IPCC, but applying the WRB or the USDA categorization systems any soil type can be easily fit into the IPCC system by means of a table. When all the basic parameters are set, the programme gives an estimation on the existing carbon stock of the given soil in the dimension of MgC/ha (Fig. 1). More precise, locally specific values can be gained if the soil carbon stocks are determined on the base of the humus content of the soil. We have elaborated the method of this calculation. The method is based on the well known fact that the average carbon content of the organic materials of a soil is 58%. Based on this fact, the following correlation can be established between the humus content and quantity of organic carbon in a soil (FILEP, 1999): 318

319 Hu% = organic C x 1.72 Fig. 1. Soil carbon stock value of the Livada experiment calculated by the means of the IPCC SCT 319

320 The soil carbon stock of the given soil type were calculated according to this correlation including the following steps: 1. calculation of the volume of the -3 cm deep layer of the soil of the area of 1 ha (1, m 2 ): 1, x.3 = 3, m 3, 2. calculation of the mass of this 3, m 3 soil multiplying the volume (m 3 ) with the average bulk density characteristic for a given soil type (g cm -3 = t m -3 ): 3, m 2 x m tf (t m -3 ), 3. calculation of the mass of the humus content of the soil multiplying the soil mass with the humus content percentage: m tf x Hu%, 4. calculation of the carbon content of the humus mass multiplying it with the.58 constant: m tf x Hu% x.58. The soil carbon stocks of the soil of the long-term experiment at Livada were as they are listed in Table 1. Table 1. Soil carbon stock values of the Livada experiment calculated on the base of humus content Plot Humus content (%) Bulk density (g/cm 3 ) Carbon stocks (t/ha)

321 2. Ranging the soil into IPCC input categories The input factors represent the effect of changing carbon input to the soil, as a function of crop residue yield, bare-fallow frequency, cropping intensity, or applying amendments. Input factors are categorized as low, medium, high, and high with manure amendments. Low residue return is due to removal of residues (via collection or burning), frequent bare-fallowing or production of crops yielding low residues (e.g. vegetables, tobacco, cotton). Medium input cropping systems represent annual cropping with cereals where all crop residues are returned to the field. If residues are removed then supplemental organic matter (e.g. manure) is added. High input (without manure) rotations have significantly greater crop residue inputs due to production of high residue yielding crops, use of green manures, cover crops, improved vegetated fallows, frequent use of perennial grasses in annual crop rotations, but without manure applied. High input (with manure) rotations have high input of crop residues as in "high input without manure" (above), together with regular additions of animal manure. The soils of the plots of the long-term experiment at Livada can be ranged into the IPCC input categories as it is listed in Table Change of soil carbon stocks in the long-term experiment at Livada The soil carbon stock values calculated on the base of the humus content are in quite good agreement with the values calculated by means of the IPCC methodology (38 t/ha). Taking the soil type and the climatic conditions of the examined area into account, the calculated soil carbon stock can be considered low, below the average. On the base of the above introduced IPCC methodology the changes in soil C stocks over a finite period can be quantified and predicted if the management that impacts soil C is maintained. Previous soil C stocks and 321

322 soil C stocks in the inventory year (SOC 212 ) for the area of a cropland system in the inventory are estimated from carbon stocks determined from the humus content and stock change factors applied for the respective time points. For the Livada plots the changes are quantified as they are listed in Table 3. Table 2. Organic matter input categories of the Livada plots Plot No. Organic matter input (t/ha) crop residue manure Input category 1. - low 2. - low low low high with manure high with manure low low low low high with manure high with manure low low low low high with manure high with manure As lime is also applied as a chemical amendment at Livada, its impact on the soil carbon stocks had to be taken into account (Table 4). The IPCC Guidelines include application of carbonate containing lime (e.g. calcic limestone (CaCO 3 ), or dolomite (CaMg(CO 3 ) 2 ) to agricultural soils as a source of CO 2 emissions. A simplified explanation of the process is that 322

323 when carbonate lime is dissolved in soil, the base cations (Ca ++, Mg ++ ) exchange with hydrogen ions (H + ) on soil colloids (thereby reducing soil acidity) and the bicarbonate formed (2HCO 3 ) can react further to evolve CO 2 and water (H 2 O). Although the liming effect generally has the duration of a few years (after which lime is again added), depending on climate, soil and cropping practices, the IPCC Guidelines account for emission as CO 2 of all the added carbonate carbon in the year of application. Thus the basic methodology is simply the amount of agricultural lime applied times an emission factor that varies slightly depending on the composition of the material added. After the assessment of the changes in soil carbon stocks of the Livada experiment it is obvious that the plots without manure input will suffer a big loss of soil carbon (Fig. 2) if no changes in the soil management will take place. The main reason of the decrease is the low organic material input. This statement is also proven by the establishment that considerable increase of the soil carbon stocks can be expected in the case of the plots getting organic manure regularly (Fig. 3). Although the actual soil carbon stock is decreased by the application liming at the annual dose of 1-2 t/ha, but the significant amount of manure ensures not only the maintenance but the increase of the soil carbon stocks for a longer term. The results call the attention to the fact that the application of artificial fertilizers to cover the nutrient demands of crops is not satisfactory regarding the requirements of sustainable crop production, but we have to maintain the nutrient stocks of the soil, too. In order to achieve this goal application of the proper soil cultivation system (preferably soil conservation methods) and an increased organic matter input (crop residue management) are the tools that can help us. The latter tool is particularly significant as nowadays the price of the artificial fertilizers is permanently increasing. Therefore the adaption and application of the alternative ways of plant nutrition are essential elements of effective and economic management. One of the most obvious solutions is the utilization of the crops residues by chopping and turning them into soil. 323

324 Table 3. Change of carbon stocks in the Livada long-term experiment ( ) 324

325 The organic carbon stocks of the soil of the investigated plots must be preserved or even increased as the actual value is low. Further enhancement of the amount of organic input by crop residues is necessary through the introduction of reduced tillage system, hence the increase of the soil carbon stocks can be expected. Furthermore the maximisation of the dose of lime application at 2 t/ha is also reasonable. Table 4. Soil carbon stocks modifying effect of liming in the Livada longterm experiment Fig. 4 shows the predicted changes of the soil carbon stocks by 232 in the case of the change of the soil cultivation system of the investigated plots to reduced tillage and of the optimisation of lime application. This way the soil carbon stocks will increase even in the plots without manure application. 325

326 Fig. 2. Change of carbon stocks in the soil of the plots with no manure application Fig. 3. Change of carbon stocks in the soil of the plots with regular manure application 326

327 Fig. 4. Change of carbon stocks in the case of turning to reduced tillage References BEARE, M.H. - HENDRIX, P.F. - COLEMAN, D.C.: Waterstable aggregates and organic matter fractions in conventional- and notillage soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 58: Biológiai Lexikon, 1975 BIRKÁS, M.: 22. Környezetkímélő és energiatakarékos talajművelés. Szent István Egyetem, Gödöllő. DORAN, J.W.: 198. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: European Environment Agency Soil Degradation, chapter 11, p ; chapter 2, climate change, p In: Europe s Environment: The Second Assesment, Elsevier Science Ltd., pp FILEP, GY Talajtani alapismeretek I. 79. GYURICZA, CS. BIRKÁS, M. (24). Talajhasználat. Műveléshatás. 327

328 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Talajnedvesség Quality- press nyomda és Kiadó Kft. LAL, R., Kimble, J.M., Follett, R.F., Cole, C.V., The potential of U.S. cropland sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Sleeping Bear Press, 128. MARMO, L. (28). EU strategies and policies on soil and waste management to offset greenhouse gas emissions. /Waste Management/. 28: MARTH P., KARKALIK A., (24) A Talajvédelmi Információs és Monitoring rendszer módszertana, működése, informatikai rendszere REICOSKY, D. C Tillage and short-term CO 2 emissions from soils in the laboratory. Kézirat. MICHÉLI E, (1999) A FAO talaj világtérképe és osztályozási rendszere In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , QUEMADA, M. - CABRERA, M.L.: Carbon and nitrogen mineralized from leaves and stems of four cover crops. Soil Sci. Soc. Am. J. 59: STEFANOVITS (1999) A talaj humusztartalma In: Talajtan (szerk. Stefanovits, Filep, Füleky), Mezőgazda Kiadó, Budapest, ISBN , TAMÁS, J.: 21. Precíziós Mezőgazdaság. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest. TOMBÁCZ E. (23), Talajreleváns határfelületi és kolloid kölcsönhatások, MTA Doktori értekezés ZSEMBELI, J. - TUBA, G. KOVÁCS, GY. (26): Development and extension of CO 2 -emission measurements for different soil surfaces. Cereal Research Communications. Vol. 34. No h kibocsatast/ h 328

329 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása &id=1333&itemid= h h MINIMUM_kerdesek_211.pdf 329

330 8. Adaptability of plants to the changing environment Nóra Mendler-Drienyovszki, Katalin Magyar-Tábori, Ildikó Hudák, Judit Dobránszki Introduction The concentration of the carbon dioxide in the atmosphere has been increasing at an accelerating rate from decade to decade. The level of CO 2 was 315 ppm in 1957, while it reached the ppm in 212 (measured at the Mauna Loa observatory in Hawaii). The increased CO 2 level of atmosphere, presumably being responsible for climate change among other factors, has direct effects on plant growth, such as the change in plant growth with the levels of temperature, precipitation, evaporation and growing season at their present values. The indirect effects include the results of any changes in the other variables, which affect plant growth that come as a result of the effect of increased CO 2 on global climate. The carbon dioxide concentration is one of the most important factors affecting the rate of photosynthesis of plants in interaction with the light intensity, and the concentration of CO 2 at the level of plant-stand is affected by the organic matter content of soil (soil-respiration), the type of crops, and the wind-movement and so on. The rate of the terrestrial ecosystems exchange of carbon is about 12 Gt per year with the atmosphere, through photosynthesis and respiration (Gonzalez-Meler et al., 24). The role of photosynthesis in the biosphere Photosynthesis is the process by which the living organism converts the light energy captured from the sun into chemical energy to support their physiological activity. Photosynthesis occurs in plants, algae, and many species of bacteria. Photosynthetic organisms are called photo-autotrophs, since they can create their own carbon-food. In general (in plants, algae, and cyanobacteria) the photosynthesis 33

331 uses carbon dioxide and water, releasing oxygen as a waste product (Whitmarsh and Govindjee, 1999). Photosynthesis that uses water as the electron donor and leads to oxygen evolution is called oxygenic photosynthesis (Bryant and Frigaard, 26). Besides maintaining normal levels of oxygen in the atmosphere, photosynthesis is the source of energy for nearly all life on earth both directly (through primary production) and indirectly (as the basic source of energy in their food). The rate of energy capture by photosynthesis globally is immense, approximately 13 terawatts, which is about six times larger than power consumption of human civilization (Steger et al., 25). On the average, petagrams of carbon has been converted yearly into biomass by photosynthetic organisms (Field et al., 1998). Moreover, these gas exchange processes affect the global carbon and hydrological cycles, and therefore feedback on climate, so they are central to the concerns of global warming and climate change (Morison, 21). Adaptability of plants The plant-stand is an open ecological system, being in a persistent dynamical interaction with the abiotic and biotic environmental factors. The light intensity, the concentration of CO 2, the temperature, the water and nutrient supply are the exogenous (environmental) factors, while the age and physiological status of the plants, especially the leaves are the endogenous factors affecting the rate of photosynthesis. Interactions between factors are important, the environmental factors affect the growth and development of plants, the rate and structure of leaf area, duration of the activity of photosynthetic apparatus and the length of vegetation period. Moreover, the global warming due to increased level of glasshouseeffect-gases including CO 2, resulted in the increase of arid lands. According to estimations, about 9% of arable lands suffer from one or more environmental stresses, and the prediction is that water deficits will be the major abiotic factor (Dita et al., 26). Stomatal closure aimed at preventing water loss through transpiration may, however, result in the inhibition of CO 2 exchange, leading to reduced assimilation (Bencze et al., 211). The first photosynthetic organisms probably evolved about

332 million years ago, early in the evolutionary history of the life, when all forms of life on Earth were microorganisms and the atmosphere had much more carbon dioxide. Photosynthesis of plants is well adapted to fluctuations, caused by the temporarily and spatially heterogeneous environment. Photosynthesis has evolved and occurs in an environment in which light is continuously changing in time. Light intensity changes over seasons and days and rapid fluctuations also occur because of moving clouds, shading of upper leaves of the canopy or in ocean waves. Responses to fluctuating light could be observed at the level of chloroplasts up to organs and whole plants, however, the mechanism that regulate the adaptability of photosynthesis are yet not fully understood (Nedbal et al., 27). The C 3 and C 4 plants Two types of plants can be distinguished according to their photosynthetic pathways: C 3 and C 4 plants. These names (C 3 and C 4 ) refer to the first carbon atom during the CO 2 assimilation. In the C 3 pathway also called photosynthetic carbon reduction cycle phosphoglycerate which has 3 carbon atoms (hence the name C 3 ) issue from CO 2 and ribulose 1,5-biphosphatase catalyzed by Rubisco enzyme. Sugars and complex carbohydrates synthesized from the phosphoglycerate (Figure 1). Figure 1. C 3 photosynthetic pathway Source: Furbank and Taylor (1995) 332

333 The primary product of photosynthesis of C 4 plants is the oxaloacetate, which has 4 carbon atoms. The C 4 plants need the sodium (Na), because the presence of Na is necessary for activation of phosphoenol pyruvate carboxylase, which is the key enzyme of the C 4 dicarboxylic road (Figure 2). Figure 2. C 4 photosynthetic pathway Source: Furbank and Taylor (1995) The mechanism of CO 2 fixation is not the same in the C 4 plants. The first type is the malate formation : where malate transports from the mesophill to the bundle sheath chloroplasts. The second type is the aspartate formation : where the aspartate transports to the bundle sheath chloroplasts. There are differences between the tissue structures of C 3 and C 4 leaves (Figure 3, 4). The photosynthesis takes place in the foliage leaf. Epidermis without chloroplasts covers the two surfaces of the leaf blade. The assimilating basic tissue located between the two epidermises. 333

334 Figure 3. Tissue structure of C 3 leaf Source: Dobránszki et al. (22) Figure 4. Tissue structure of C 4 leaf Source: The photosynthesis of C 3 plants increase to certain illumination, 334

335 while the photosynthesis rate of C 4 plants will be increased by the effect of higher light intensity. The C 4 plants use more CO 2 refer to unit leaf surface area -, their photosynthesis are more efficient, the daily dry-matter growth is higher. These plants are evaporating less, so their water management is less unstable. The optimal temperature of photosynthesis of C 4 plants is higher (3-45 o C), which shows that their adaptability to the warmer weather is better than that of the C 3 plants. The C 4 plants grow in the arid and semi-arid regions; the most productive species are included like corn and sugar cane (Pethő, 1993). Because elevated CO 2 concentration can stimulate both type of crop production, the magnitude of this stimulatory effect ( CO 2 fertilization ) was the subject of the study of Vanuytrecht et al. (211), in which different calculation procedures of the generic crop model AquaCrop based on a foregoing theoretical framework and a meta-analysis of field responses, respectively, were evaluated against experimental data of free air CO 2 enrichment environments. Indicative values representing the crop responsiveness to elevated CO 2 concentration were proposed for both C 3 and C 4 plants. The crops currently available in the database of AquaCrop as a first step in reducing part of the uncertainty involved in modelling future agricultural production. The role of nutrients in the photosynthesis Although different ways of photosynthesis in plants have been known, there are several common features. The process always begins when energy from light is absorbed by pigment-protein complex called photoreceptors. The photosynthetic system also contains photochemical centers (PS-1 and PS-2), they are connected to a functionally organ by electron transporter complex. All they function in supra-molecular protein complexes that contain chlorophylls in a large quantity. The magnesium (Mg), iron (Fe) and sulphur (S) atoms located in the photosynthetic system play important role in the photosynthesis process (Pethő, 1993). The magnesium (Mg) is indispensable element of the chlorophylls; it binds the RuDP enzyme to that compound which binds the CO 2 during the 335

336 CO 2 reduction; it determines the intensity of protein synthesis. In the absence of Mg, the transport of CO 2 decreases; the dry matter weight of leaf increases (sugar and starch cumulating), so the sensitivity of leaves to diseases and pests increases, and the bigger part of the photosynthetic production remains in the leaves (Pethő, 1993). Iron (Fe) capable to the oxido/reduction through the changes of its valences. It has irreplaceable physiological role in the energy conversion and assimilation processes related to the electron transport. Photosynthesis, respiration and nitrate utilization cannot work without enzymes containing iron. Specific function of phosphorus (P), manganese (Mn), calcium (Ca), nitrogen (N), chlorine (Cl), and copper (Cu) elements also have been proven. Sodium (Na) is also required for the photosynthesis process in C 4 type crops such as sugarcane, corn, sorghum etc. (Pethő, 1993). Non replaceable metal ion of an enzyme complex is the manganese (Mn), which responsible for the water splitting. In the absence of Mn the detoxication processes are inhibited; the electron donor side of the photosynthetic electron transport system is not working, which causes the plant death. Consequently, the proper nutrient supply is a very important factor for efficient photosynthesis of crops. Moreover, the way of fertilization also can modify the rate of photosynthesis affecting both the soil-respiration and the growth of plants. The aim of this study In our experiments we investigated the effect of different methods of nutrient supply on the rate of photosynthesis of different crops (lupine, rye, potato in Hungary; wheat, corn, soya in Romania) in 212. The scene of the observation in Nyíregyháza is the 83 years-old Westsik crop-rotation, and the 5 years old crop rotation in Livada, which should serve an ideal environment for this kind of examination. The Westsik crop-rotation demonstrate the different way of the nutrient supply: beside animal manure, green manure seeded both as main and as second crops, straw manure 336

337 fermented by different methods and chemical fertilizer have been used for decades (Henzsel, 212). Measurements of photosynthesis were based on both the rate of CO 2 assimilation (Figure 5) and on photochemical effectiveness (fluorescence activity) (Figure 6). The latter method has proven to be one of the most powerful techniques to quantify photosynthetic efficiency and nonphotochemical energy dissipation (Nedbal et al., 27). Figure 5. Measurement in the field by LCpro-SD. Results of photosynthesis rate obtained from a one crop-year showed, that differences could be detected between parcels but further measurements (including more crop-years) are needed to reveal the relationships between nutrient supply methods and soil-respiration and plant photosynthesis. The conditions of experiments are detailed and results of photosynthesis activity based on the CO 2 assimilation and results of fluorescence experiments are reported in the following chapters. 337

338 Figure 5. Measurement in the field by OS5p Pulse Modulated Chlorophyll Fluorometer References Bencze SZ., Bamberger ZS., Janda T., Balla K., Bedő Z. and Veis O. (211): Drought tolerance in cereals in terms of water retention, photosynthesis and antioxidant enzyme activities. Cent. Eur. J. Biol., 6(3): Bryant D.A. and Frigaard N.U. (26): Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated. Trends Microbiol., 14 (11): Dita M., Rispail N., Prats E., Rubiales D. and Singh K.B. (26): Biotechnology approaches to overcome biotic and abiotic stress constraints in legumes. Euphytica, 147: Dobránszki J., Magyar-Tábori K., Jámbor-Benczúr E., Kiss E., Lazányi J. and Bubán T. (22): Effects of conditioning of apple shoots with meta-topolin on the morphogenic activity of in vitro leaves. Acta Agronomica Hungarica, 5(2): Field C.B., Behrenfeld M.J., Randerson J.T. and Falkowski P. (1998): 338

339 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science, 281(5374): Furbank R.T. and Taylor W.C. (1995): Regulation of Photosynthesis in C 3 and C 4 Plants: A Molecular Approach. The Plant Cell., 7: Gonzalez-Meler M.A., Taneva L. and Trueman R.J. (24): Plant respiration and elevated atmospheric CO 2 concentration: cellular responses and global significance. Annals of Botany, 94: Henzsel I. (212): Növénytermesztés nyírségi homoktalajon a Westsikféle vetésforgó tartamkísérlet eredményei alapján. In: Romhány L. (ed.): 85 éve a nyírségi növénynemesítés és növénytermesztés szolgálatában. Nyíregyháza, 212, p Morison J.I.L. (21): Increasing atmospheric CO 2 and stomata. New Phytologist, 149: Nedbal L., Červený J., Rascher U. and Schmidt H. (27): E- photosynthesis: a comprehensive modeling approach to understand chlorophyll fluorescence transients and other complex dynamic features of photosynthesis in fluctuating light. Photosynth Res., 93: Pethő M. (1993): Fotoszintézis. In: Pethő M. (szerk.) Mezőgazdasági növények élettana. Akadémiai Kiadó, Budapest, p Steger U., Achterberg W., Blok K, et al. (25): Sustainable development and innovation in the energy sector. Berlin: Springer, p. 32 Vanuytrechta E., Raesa D. and Willemsb P. (211): Considering sink strength to model crop production under elevated atmospheric CO 2. Agricultural and Forest Meteorology, 151:

340 9. Adaptability of potato to the changing environment Nóra Mendler-Drienyovszki, Katalin Magyar-Tábori, Ildikó Hudák, Judit Dobránszki Introduction The potato (Solanum tuberosum L.) is the third most important crop according to their production area (CIP 211). It is of a great importance in the Nyírség region, too where sandy soils are found on large area, making production of potato in good quality and large quantity possible (Figure 1). Because sandy soils can serve poor nutrient supply (very low organic matter content) and its strucure is not adequat for the proper soil-life the way of nutrient supply is very important for efficient farming. Potato also plays important role in the crop rotation being valuable preceding crop before winter cereals. Residual nutrients from manure applied to the potato crop can effectively be utilzed by the subsequent crop, and inter-row cultivation and ridging can effectively reduce the weed incidence (Lazányi, 1998). Figure 1. Potato cv. Boró planted in the Westsik crop rotation 34

341 Climatic changes and elevated atmospheric CO 2 concentrations will affect crop growth and production in the near future. The degree to which crops respond to atmospheric CO 2 enrichment may be influenced by nutrition. Fleischer et al. (212) conducted an experiment, in which cv. Kennebec were grown in outdoor soil-plant-atmosphere research chambers at two levels of CO 2 (4 or 8 µmol mol -1 ) and three levels of P fertilization, in order to determine the extent to which leaf photosynthesis, and transpiration are influenced by P and CO 2. Photosynthetic rate was reduced 58% between high and low P treatments. However, they could not find any interaction between factors studied thus they suggested that the effect of CO 2 enrichment on potato growth and assimilation is similar at each P-treatment level; however, such effects may also be correlated with plant N status. Nitrogen (N) is taken up by most plant species in the form of nitrate (NO (3) - ) or ammonium (NH (4) + ). Plant response to continuous NH (4) + nutrition is species-dependent. In the study of Horchani et al. (211), responses of tomato (Solanum lycopersicum L cv. Rio Grande) plants to nitogen source (NO 3 - or NH 4 + ) were compared. Early plant growth, photosynthesis, chlorophyll, carbohydrate, N-compound concentrations and the activities of main enzymes involved in N metabolism were analyzed. Early plant growth was remarkably ameliorated under NH 4 + in comparison to NO 3 - based nutrition. Concomitantly, photosynthetic activity, total chlorophyll, and carbohydrate concentrations were significantly increased with increasing external NH 4 + concentration. The photosynthetic rates of potato (cv. Denali and cv. Norland) reached the maximum about 5 days after planting (45 µmol CO 2 m -2 s -1 and 35 µmol CO 2 m -2 s -1 under 865 and 655 µmol m -2 s -1 PPF (average photosynthetic photon flux), respectively. The photosynthetic rates measured at different CO 2 levels showed a classic C 3 response, with saturation occurring near 12 µmol mol -1 CO 2 and compensation about 1 µmol mol -1 CO 2. When the photoperiod was changed from 12 h light/12 h dark to continuous light, this caused a decrease in net photosynthetic rates within 48 h and eventual damage (scorching) of upper canopy leaves, 341

342 suggesting the abrupt change stressed the plants and/or caused feedback effects on photosynthesis (Wheeler et al., 28). The response of potato cv. Shepody to elevated CO 2 was studied in Conn and Cochran s experiments (26). They reported that potato leaf appearance rate and canopy development did not differ between CO 2 treatments. However, after beginning of tuber initiation the net photosynthesis of leaves grown at the highest level of CO 2 (ambient CO 2 level + 35 µmol CO 2 mol -1 ) was 53% higher (23.6 µmol CO 2 m -2 s -1 ) than at ambient CO 2 (17.4 µmol CO 2 m -2 s -1 ). Differences could not be observed before this time may be due to the down-regulation of photosynthetic rates by insufficient carbon sink capacity. Watkinson et al. (26) have analyzed three accessions (VTSA1-3) of Solanum tuberosum ssp. Andigena for drought tolerance or susceptibility based on their ability to recover photosynthetic capability upon rewatering after water deficit. After one cycle of stress, all plants had lost photosynthetic capability with rates approaching zero. VTSA1 shows adaptation, recovering photosynthesis after a first cycle and maintaining this ability upon subsequent stress exposure. VTSA3 shows acclimation, recovering photosynthesis only after a second cycle of stress. VTSA2 shows an intermediate phenotype with partial recovery after one cycle and, later, improved recovery. Canopy leaf distribution of cv. Kennebec and its corresponding contribution to whole-canopy photosynthetic rates were studied by Fleisher et al. (26). Canopies were defoliated at three horizontal layers and response curves for photosynthetic rate vs. irradiance were obtained after defoliations. They results indicated that the relative proportion of main- or axillary-stem leaves were not as important for potato canopy modelling considerations as is the need to simulate the correct quantity of leaf area. There are more than 3 viral-like organisms which infect potato; some of them can cause serious yield losses. In most studies of plant-virus interaction, the reduction of the photosynthesis rate, the down-regulation of genes involved in photosynthesis, the reduction of photosynthetic pigments and structural changes of chloroplasts have been observed. The photosynthesis and carbohydrate metabolism gene expression differed between the symptomatic and asymptomatic phenotypes of potato cv. 342

343 Desiree and cv. Igor infected by Potato virus Y (PVY) (Baebler et al., 211). Dimethoate is a widely used organophosphorus insecticide in vegetable crops but inhibition of growth, photosynthesis and modification of PS II fluorescence of green algae and cyanobacteria have been reported by the insecticide at elevated concentrations. However, application of dimethoate at field concentration also caused significant reduction of net photosynthetic rate 6 h after spray application (from to 8.76 µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) in Solanum melangena L. (Mohapatra et al., 21). In recent years, chlorocholine chloride (CCC) has been widely used in potato production in China to increase yield and quality. Effects of CCC on photosynthetic characteristics of potato cv. Zhongshu 3, were studied by foliar CCC application at the tuber initiation stage. It was found that the net photosynthetic rate of treated leaves were superior to those of controls at the tuber bulking stage (Wang and Xiao). The characteristics of chlorophyll fluorescence kinetics can give important information about the functional state of photosynthetic apparatus. This method is a sensitive indicator characterizing the PS-2 and O 2 evolution activities, which are among the most susceptible links of the photosynthetic process to unfavourable factors (Georgieva et al., 1996), because the fluorescence responses are highly correlated with the chlorophyll content of the photosynthetic structure but it changes under different stresses (i.e. heat and herbicide) (Mohapatra et al., 21). The lower Fv, and Fv/Fm (variable/maximal chlorophyll fluorescence) ratio indicate the lower photochemical effectiveness (Georgieva et al., 1996). The PS-2 photosynthetic efficiency estimated using a chlorophyll fluorescence determination of photochemical yield (Fv/Fm) in potato plants cv. Atlantic were tested under oxidative stress induced by 3 mm methyl viologen (MV) sprayed onto the whole plants or onto leaf discs and under high temperature (42ºC). When 3 mm MV was sprayed onto whole plants, the photosynthetic activity of potato plants decreased by 75% (from.8 to.2 Fv/Fm), whereas that of heat stressed plants decreased by 25% (from.8 to.6 Fv/Fm) (Kim et al., 211). The fluorescence rise measured at different intervals after insecticide (Dimethoate) application showed characteristic difference at each phase. 343

344 Maximum difference was observed during first 6 h after treatment. During this period, there was an increase in F (initial chlorophyll fluorescence), but decrease in F m (maximal chlorophyll fluorescence). F increased significantly (by 35.5%) after 6 h with simultaneous reduction in F m in Solanum melangena L. (Mohapatra et al., 21). Four potato genotypes (Spunta, Sieglinde, Daytona, and Ninfa) were observed in experiments conducted in Sicily in order to characterize them by chlorophyll fluorescence (Chl) during plant aging and to analyse the possible relation between Chl parameters and tuber yield. They found that F and F v /F m were the most reliable parameters for the definition of genotypic differences while chlorophyll content and F m were the most reliable parameters to predict plant aging. Moreover, tuber yield was highly correlated with Chl content, T m, F, and F m (Ierna, 27). Similarly, Ierna and Mauromicale (26) also found that the mean photosynthetic rate was significantly and positively associated with the above-ground biomass (stems + leaves), but not with tuber yield. Materials and methods Photosynthetic rate and fluorescence on potato in different rotations Measurements were made on potato cv. Boró grown in the I, III, VI, VII, X, XI, XIII, and XIV rotations of Westsik crop rotation, on 13 and 14 of July 212. This year all crops suffered from drought in the region. The healthy, fully developed leaves of the upper region of plants and free of shading were selected for measurements, at least in four replication in each selected rotation. Moreover, several measurements were made in the same leaf until equilibration and after it. The rate of photosynthesis of leaves in different ages and developmental stages and position were also studied: fully-developed potato leaves, young leaves, old leaves from the lower part of the plant and leaf with terminal position were compared. The rate of photosynthesis (A = µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) were measured by LCpro-SD, while Multi-Mode Chlorophyll Fluorometer OS5p 344

345 was used for fluorescence measurements, both instruments were purchased in the frame of the project (HURO 82/92_AF). After field measurements of photosynthetic data were transformed to Excel format. Data were analysed statistically applying ANOVA followed by Tukey s test using the SPSS 13. for Windows software package. Figure 2. Measurements of the photosynthetic rate and fluorescence parameters were made on the same plants Results and discussion The rate of photosynthesis Significant differences could be detected in the rate of assimilated CO 2 between the potato plants planted in different crop rotations (Table 1, 2). There were signifact differences between the photosynthetic activity data in the two days of measurements. The photosynthetic rate was lower in the first day of the measurements. The reason was the weather: the measurements were made after rain on the first day; the weather was clody 345

346 in the morning. There were sunshine in the second day. Table 1. ANOVA table for the photosynthetic rate of potato plants on 12 th of July (first day) Sum of Squares df Mean Square F Sig. Between groups Within groups Total Table 2. ANOVA table for the photosynthetic rate of potato plants on 13 th of July (second day) Sum of Squares df Mean Square F Sig. Between groups Within groups Total The highest rate of photosynthetic activity was detected in the III rotation (Fig 3), where potato is grown after lupine and with addition of nitrogen fertilizer. Its rate was similar in the I rotation, where neither chemical nor organic manure was applied, but the parcels are left as fallow every third years. Lower rates were found in the rotations VI and VII, where fermented straw manure was applied. Even though differences were not proven to be significant, the photosynthetic rates were lower in rotation VII, where chemical fertilizer was not applied to potato, while nitrogen, phosphorous and potassium fertilizers were added in the rotation VI. 346

347 µmol CO2 m µmol CO2 m -2-2 s -1 s d 6.5 d 6.6 d 6.6 d 5.3 cd 5.3 cd 4.8 bcd 4.8 bcd 4.3 bc 4.3 bc 3.5 abc 3.1 a 3.5 abc 3.1 a 1.8 a 1.8 a I I III III VI VI VII VII X X XI XI XIII XIII XIV XIV Rotations Rotations Figure 3. The measured photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of potato cv. Boró in the different rotations in the Westsik crop rotation on 12 th of July. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations The least values were found in the rotation X, where only animal manure was applied in each parcel. The photosynthetic rates increased, where also nitrogen fertilizer was applied to potato (XI) beside animal manure. No significant differences could be detected, where nitrogen, phosphorous and potassium fertilizers were added to potato and it was grown after lupine green manure ploughed in spring (XIII) or in autumn (XIV). The highest rate of photosynthetic activity was detected in the I. where neither chemical nor organic manure was applied - and XIV. rotations where phosphorus and potassium fertilization (Fig 4) in the second day of the measurements. Lower rates were found in the rotations III. where potato with nitrogen fertilization -, VII. where was no fertilization -, XIII. where phosphorous and potassium fertilizers were added -, and XV. where neither chemical nor organic manure was applied. 347

348 µmol CO2 m µmol CO2 m -2-2 s -1 s e 1.8 e 11.8 e 1.8 e 7.5 d 7.5 d 6.2 bcd 6.6 cd 6.2 bcd 6.6 cd 5.3 abcd 5.3 abcd 4.1 ab 4.5 abc 4.1 ab 4.5 abc 3.9 a 3.9 a I I III III VI VI VII VII X X XI XI XIII XIII XIV XIV XV XV Rotations Rotations Figure 4. The measured photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of potato cv. Boró in the different rotations in the Westsik crop rotation on 13 th of July. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations The least values were found also in the rotation where also nitrogen fertilizer was applied to potato (XI) beside animal manure and in the rotation X, where only animal manure was applied in each parcel. The rate of photosynthesis was low in the rotation VI, where fermented straw manure was applied to potato. Photosynthetic rate of potato leaves in different phenological phase The intensity of photosynthesis is significantly influenced by age of plant leaves (Vos and Ojarzún, 1987). There are different by developed leaves on the same plant, so their photosynthetic activation is different. Furthermore the intensity of photosynthesis is affected by several ecological factors. The yield can be increased with the improvement of conditions, the 348

349 genetic potential of crops are increasingly approached (Pethő, 1993). In our experiments we also found significant differences in the photosynthetic rate of different leaves (Table 3). The highest rate of photosynthetic activity could be detected in the young leaves of potato and the fully developed terminal leaves. Table 3. ANOVA table for the photosynthetic rate of different potato leaves Sum of Squares df Mean Square F Sig. Between Groups Within Groups Total The least values were found in the leaves from the lower part of the plant. These leaves were in shadow and these leaves were the oldest. There are significant differences between the photosynthetic rate of lower leaves, the developed, terminal leaves and young leaves. The rates of photosynthesis in different developed leaves are shown the Figure 5. µmol CO2 m -2 µmol CO2 m -2 s -1 s c 73.1 c 6.9 bc 6.9 bc 45.8 ab 38.3 a 45.8 ab 38.3 a old (lower) fully developed terminal young old (lower) fully developed terminal young Leaf developmental stage Leaf developmental stage Figure 5. The measured photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of different potato leaves cv. Boró in the Westsik crop rotation. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations 349

350 There is no significant differences between the photosynthetic activities of the two fully developed leaves, but if we analyse these two datas separately significant differences can be detected (Table 4). Table 4. ANOVA table for the photosynthetic rate of developed potato leaves Sum of Squares df Mean Square F Sig. Between Groups Within Groups Total We can conclude from this result that the intensity of photosynthesis is affected by the light intensity with same age leaves. There are no significant differences between the photosynthetic rate of flowering and budding potato plants (Table 5). Table 5. ANOVA table for the photosynthetic rate of potato plants in different phenological phase Sum of Squares df Mean Square F Sig. Between Groups Within Groups Total The chlorophyll fluorescence results The photochemical effectiveness could be measured by fluorescence parameters (F, F v and F m initial, variable and maximal chlorophyll fluorescence). Also the values of Fv/Fm ratio can serve information about effectiveness. In our experiments, we could not detect any significant differences in fluorescence parameters of potato plants grown in different 35

351 rotations (Table 6). Although significant differences could be detected in photosynthetic rates between potato plants grown in different rotations, no significant variance could be found in their fluorescence parameters. Reasons for this phenomenon may be due to interactions between environment factors and plants, and to the differences in measured parameters. The potato is the crop of cool climate, the optimal temperature for its photosynthesis is under 4ºC, in regions located souther from Hungary it suffer from high temperature in hot, summer days. The temperature sensitivity of PS-1 and PS-2 is different: above 4ºC the PS-2 can be gradually inactivated, while PS-1 is not impaired. The same effect of drought also was proven (Pethő, 1993). Because the value of F v /F m ratio indicates properly the effectiveness of photosynthesis, we also compared the F v /F m values of potato plants grown in different rotations (Figure 5). Even though no significant differences could be detected, the variability in some degree could be observed. Pospíšilová et al. (2) studying photosynthetic characters of tobacco plantlets during acclimation also found significant differences only in the net photosynthetic rate, while differences in Chl-a fluorescence kinetic parameters were found to be not statistically significant. Table 6. Fluorescence parameters (F, F v and F m initial, variable and maximal chlorophyll fluorescence) of potato plants in different rotations Rotations F F v F m I III VI VII X XI XIII XIV XV

352 Moreover, the values of F v /F m ratio calculated from our fluorescence kinetic parameters measured on potato cv. Boró grown in Westsik crop rotation were slightly lower ( F v /F m ) than that of the control plants (.8 F v /F m ) in Kim et al. (211) experiments, while they were much more higher than the values of the heat stressed plants in their experiments (.2 F v /F m ). Fv/m,69 Fv/m, , , ,67.665, ,66,66.648,65.648,65,64, , ,63.62,62.62,62,61,61,6,6,59,59,58,58 I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI Rotations VII X XI XIII XIV XV Rotations Figure 5. The variability in Fv/Fm ratio in potato plants grown in different rotations Different fluorescence parameters (F, F v and F m initial, variable and maximal chlorophyll fluorescence) can be seen in the fluorescence curves (Figures 6-8.). 352

353 Figure 6. Fluorescence curve characterised the potato plants in rotation I Figure 7. Fluorescence curve characterised the potato plants in rotation III. 353

354 Figure 8. Fluorescence curve characterised the potato plants in rotation XIII. References Badr A., Angers P. and Desjardins Y. (211): Metabolic profiling of photoautotrophic and photomixotrophic potato plantlets (Solanum tuberosum) provides new insights into acclimatization. Plant Cell Tiss Organ Cult., 17: Baebler Š., Stare K., Kovač M., Blejec A., Prezelj N., Stare T., Kogovšek P., Pompe-Novak M., Rosahl S., Ravnikar M. and Kristina Gruden K. (211): Dynamics of Responses in Compatible Potato Potato virus Y Interaction Are Modulated by Salicylic Acid. PLoS ONE, 6(12): CIP (211): Conn J.S. and Cochran V.L. (26): Response of potato (Solanum tuberosum L.) to elevated atmospheric CO 2 in the North American Subarctic. Agriculture, Ecosystems and Environment, 112: Fleisher D.H., Wang Q.G., Timlin D.J., Chun J.A. and Reddy V.R. (212): Response of Potato Gas Exchange and Productivity to 354

355 Phosphorus Deficiency and Carbon Dioxide Enrichment. Crop Science, 52(4): Fleisher D.H., Timlin D.J. and Reddy V.R. (26): Temperature influence on potato leaf and branch distribution and on canopy photosynthetic rate. Agronomy Journal, 98(6): Georgieva K., Yordanov I. and Kroumova A. (1996): Photosynthetic characteristics of transformed tobacco plants grown in vitro after their transplantation in natural conditions. Bulg J. Plant Physiol., 22(3 4): Ierna A. (27): Characterization of potato genotypes by chlorophyll fluorescence during plant aging in a Mediterranean environment. Photosynthetica, 45(4): Ierna A. and Mauromicale G. (26): Physiological and growth response to moderate water deficit of off-season potatoes in a Mediterranean environment. Agricultural Water Management, 82: Kim M.D., Kim Y.H., Kwon S.Y., Jang B.Y., Lee S.Y., Yun D.J., Cho J.H., Kwak S.S. and Lee H.S. (211): Overexpression of 2-cysteine peroxiredoxin enhances tolerance to methyl viologen-mediated oxidative stress and high temperature in potato plants. Plant Physiology and Biochemistry, 49: Kubota C. and Kozai T. (1992): Growth and Net Photosynthetic Rate of Solanun tuberosum in Vitro under Forced and Natural Ventilation. HortScience, 27(12): Lazányi J. (1998): Ecological approach to crop rotation. In: Lazányi J. (ed): Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Mohapatra P.K., Khillar R., Hansdah B. and Mohanty R.C. (21): Photosynthetic and fluorescence responses of Solanum melangena L. to field application of dimethoate. Ecotoxicology and Environmental Safety, 73:

356 Pethő M. (1993): Fotoszintézis. In: Pethő M. (szerk.) Mezőgazdasági növények élettana. Akadémiai Kiadó, Budapest, p Pospíšilová J., Haisel D., Synková H., Čatský J., Wilhelmová N., Plzáková S., Procházková D. and Šrámek F. (2): Photosynthetic pigments and gas exchange during ex vitro acclimation of tobacco plants as affected by CO2 supply and abscisic acid. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 61: Vos J., Oyarzún P.J. (1987): Photosynthesis and stomatal conductance of potato leaves effects of leaf age, irridance, and leaf water potential. Photosynthesis Research, 11: Wang H. and Xiao L. (29): Effects of Chlorocholine Chloride on Phytohormones and Photosynthetic Characteristics in Potato (Solanum tuberosum L.). J Plant Growth Regul., 28: Watkinson J.I., Hendricks L., Sioson A.A, Vasquez-Robinet C., Stromberg V., Heath L.S., Schuler M., Bohnert H.J., Bonierbale M. and Grene R. (26): Accessions of Solanum tuberosum ssp. andigena show differences in photosynthetic recovery after drought stress as reflected in gene expression profiles. Plant Science, 171: Wheeler R.M., Stutte G.W., Mackowiak C.L., Yorio N.C., Sager J.C. and Knott W.M. (28): Gas exchange rates of potato stands for bioregenerative life support. Advances in Space Research, 41:

357 1. Adaptability of rye to the changing environment Katalin Magyar-Tábori, Ildikó Hudák, Nóra Mendler-Drienyovszki, László Romhány, Judit Dobránszki Introduction Rye (Secale cereale L.) is one of the most important bread-crops in Hungary (harvested area is 359 ha, FAO, 21). In Hungary, the seedarea of rye more than that of winter wheat on the sandy soils with adverse ecological conditions. The highest quality rye can be produced in the Nyírség region (Lazányi and Kruppa, 1993). There is considerable demand for winter cereal on low quality sandy soil (Figure 1). Rye is the most self-tolerant of the cereals, with few disease problems and only low requirements for nutrient. For this reason, it tends to be restricted to poorer, lighter soil. In sustainable agriculture, rye is often cultured in lupine-rye biculture, where manuring is seldom required. In this technology, lupines are sown immediately after the harvest of the previous crop and rye is overseeded into this mixture, in which the lupine is killed by frost during the winter (Lazányi, 1998). Figure 1. Rye grown on the sandy soil in the Westsik crop rotation 357

358 It is now established that the increase in the photosynthetic capacity of plants during growth and development at low temperatures is related to the induction of cold or freezing tolerance. The available data show that cold acclimation of boreal grasses is partially associated with their capacity to maintain active photosynthesis at low temperatures for several months in spite of that other metabolic processes are significantly inhibited under these conditions. Klimov et al. (1999) studied a number of certain responses of winter rye and wheat seedlings to cold hardening in order to elucidate whether there is any correlation between freezing tolerance of plants and some parameters characterizing their source-sink relations at different levels of plant structural organization. It has been found that the ratio of lightsaturated photosynthesis rate to dark respiration increased about 2-3-fold after hardening while the initial difference in the value of this parameter (it was higher by about 4 % in rye seedlings as compared with that in wheat seedlings) was kept. Their results suggest that the changes observed in the above parameters reflect the development of additional assimilate sinks at various levels of plant structural organization to maintain a sufficiently high rate of photosynthesis at low temperature. According to the data obtained, under these conditions rye seedlings develop a higher sink capacity than wheat seedlings and for this reason likely exhibit more effective frost adaptation as compared with that of the latter crop. Voronin et al. (1998) also found that the capacity to accumulate the major carboxylation substrate in the leaves of hardened rye plants seems to be a manifestation of photosynthesis adaptation to prolonged exposure to low, above-zero temperatures. Moreover, Gray et al. (1996) demonstrated that low-temperatureinduced tolerance to photoinhibition is not a low-temperature-growth effect per se but, instead, reflects increased photosynthetic capacity in response to elevated PSII excitation pressure, which may be modulated by either temperature or irradiance. Wheat, rye and triticale were cultivated in a growth chamber in a liquid nutrient solution, under different light-dark periods (12/12 h or 16/8 h) and light/dark temperatures (2/15ºC or 2/8ºC). The photosynthetic 358

359 photon flux density limiting the net photosynthetic rate was applied. Very close positive correlation was found between the total daily net amount of CO 2 assimilated and absolute growth rate (AGR) of plants. Net photosynthetic rate was found to be increased by shortening of the light period and it was decreased by lowering the temperature in the dark (Maleszewski et al., 1993). Differences could be observed within a species between genotypes considering their photosynthetic characters related to their adaptability. Several experiments were conducted to study the above mentioned relationships in different species, which also belong to the Poaceae family. The net photosynthetic rates of different barley (Hordeum vulgare L.) genotypes were between 18.6 and 22.1 µmol CO 2 m -2 s -1, and rates were decreased when plants were exposed to 1 and 5 µmol cadmium (Cd). Inhibition could be observed only at an early stage of cv. Zhenong 1, and did not exert any significant effect on that process at the later stages. In contrast, decreasing was observed in the photosynthetic rate of Cd-treated plants of cv. Wumaoliuling throughout the whole growth period. It was supposed, that the relatively slighter Cd effect on the the photosynthetic rate of cv. Zhenong 1 at later stage probably due to an adaptive change in metabolism or metal tolerance mechanism occurred in barley plants (Wu et al., 23). Arora et al. (21) studied the relationships between the rate of photosynthesis (P N ) and nitrogen content of leaf and water stress in several wheat (Triticum aestivum) genotypes. They reported that the net photosynthetic rate decreased with water stress and with reduced leaf N content in all genotypes tested. Variability in P N was observed in control plants: values ranged from to 3.63 µmol CO 2 m -2 s -1. Moreover, they observed differences in the net photosynthetic rates of genotypes differing in the presence of dwarfing genes: single dwarf and wild types showed higher P N and maintained higher leaf N content as compared to the other genotypes. Wang et al. (21) investigated the responses of wheat plants to drought and heat stress. The net photosynthetic rates of control plants were higher than 12 µmol CO 2 m -2 s -1. The rates were decreased below 8 and 6 µmol CO 2 m -2 s -1 in the drought and heat stressed plants, respectively. They 359

360 observed that subjection to a combination of drought and heat, the inhibition of photosynthesis was significantly increased (below 3 µmol CO 2 m -2 s -1 ) compared to that under drought or heat stress alone, and stresses was not simply the additive stress effect of separate heat- and drought treatments. Bencze et al. (211) also studied the net assimilation rates on three bread wheat (Mv Mambo, Mv Regiment, Lona), and one-one barley (Petra) and durum wheat (Mv Makaroni) varieties subjected to water withdrawal. The sensitive varieties, Petra, Lona and Mv Makaroni, reacted to soil water deficit with a rapid decline in the assimilation rate (from 8, 1 and 8 µmol CO 2 m -2 s -1 to 1, 2, and 1 CO 2 m -2 s -1, respectively). The assimilation rates of tolerant genotypes Mv Mambo, Mv Regiment were decreased from 7 and 6 CO 2 m -2 s -1 to 3.5 and 2.8 CO 2 m -2 s -1, respectively. The transgenic and wild-type rice (Oryza sativa L. ssp. japonica) plants were grown at different nitrogen levels (.1, 1, or 1 mm NH 4 NO 3 ) in Feng et al. (29) experiments. The photosynthetic carbon reduction activities and the potential efficiency of photosystem II were measured by CO 2 assimilation and Fv/Fm, respectively. The activity of enzyme sedoheptulose-1,7-bisphosphate (SBPase), which plays important role in regulating carbon flow in the Calvin cycle, was decreased in the transgenic plants. They observed that at low level of nitrogen, there were strong effects on photosynthesis when SBPase was reduced by genetic manipulation. It was concluded that low N in addition to a 34% decrease in SBPase activity is sufficient to diminish photosynthesis and limit biomass production. In their cross-locational experiments, Yoshida et al. (28) examined different rice (Oryza sativa L.) genotypes at eight locations in Asia covering a wide climate range under irrigated conditions with sufficient nitrogen application. Their aim was to propose a model for explaining the genotypic and environmental variation in above-ground biomass growth via photosynthesis and respiration processes for different genotypes grown under a wide range of environments, and to identify the physiological traits associated with genotypic difference in the biomass growth based on model analysis. An above-ground biomass growth model was developed by integrating processes of single leaf photosynthesis as a function of stomatal conductance and leaf nitrogen content, growth and maintenance respiration and crop development. 36

361 Silva et al. (212) studied the effect of aluminium (Al) toxicity on the photosynthesis related parameters of rye cv. Riodeva and cv. Donkowsky Zlote. Al toxicity induced a decrease in net photosynthetic rate only after three weeks of exposure. The values of net photosynthetic rate were 18.5 and 16.7 µmol CO 2 m -2 s -1 in control plants, while 8.4 and 7.9 µmol CO 2 m -2 s -1 in Al-stressed plants of cv. Riodova and D. Zlote, respectively. They concluded that the photosynthetic parameters proved to be a good tool to monitor Al-sensitivity. Results Effect of rotations Significant differences in photosynthetic rate of rye plants could be detected between rotations (Table). Table 2. ANOVA table for the photosynthetic rate of rye plants grown in different rotations Sum of squares df Mean square F Sig. Between groups Within groups Total Considering each rotation the significantly highest rate of photosynthetic activity was detected in the rotation III (Figure 3.), where rye is grown after lupine. Farming manure is not used in this rotation only nitrogen and phosphorous fertilizers are added to rye grown in this rotation. Even though, differences were proven to be significant, the rate was similary high in the rotation I, where neither chemical nor organic manure was applied but the parcels are left as fallow every third years. Lower rates were found in the rotations VI and VII, where fermented 361

362 straw manure is applied. Beside straw manure chemical fertilizer is added to the rotation VI, while neither manure nor fertilizer is used in the rotation VII. However, differences in the photosynthetic rates were not proven to be significant. The least values were found in the rotation XIV, where the soil improvement is based only on application of lupine green manure every third year. A A e d 23. e 21.2 d 19.6 c 19.7 c 2. cd c 19.7 c 17.6 b 2. cd b 17.1 ab 16. a 17.1 ab 15.9 a 16. a 15.9 a I III VI VII X XI XIII XIV XV I III VI VII X XI XIII XIV XV Rotations Rotations Figure 3. The photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of rye in the different rotations in the Westsik crop rotation. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations Almost the same results were obtained in the rotation X, where only animal manure is applied in each parcel. The photosynthetic rates increased, where beside animal manure phosphorous and potassium fertilizer is applied to rye (XI). Comparing to the rotations of X, XI, XIV and XV significantly higher rates were measured in the rotation XIII, where lupine green manure is applied and nitrogen, phosphorous and potassium fertilizer is applied to 362

363 rye, as well. No significant differences could be detected in the photosynthetic rates of rye between rotations XIV and XV. Lupine green manure are applied in both rotation but the time of incorporation of lupine to the soil is different, it is made in spring (XIV) or autumn (XV). Effect of sections Because the rye is grown in two-two sections in the rotations VI, VII, XIII, XIV and XV, and measurements were made in each section, the data were splitted according to the sections and were statistically analysed again to detect differences between sections (Table 3). Table 3. ANOVA table for the photosynthetic rate of rye plants grown in different sections of rotations Sum of Mean df F Sig. squares square Between groups Within groups Total In general, no significant differences in the photosynthetic rates could be detected between ryes, grown in the different section of the same rotation (Figure 4). This was true for the rotation VI, XIII, XIV and XV. Significant differences were only detected in the rotation VII, where the sandy soil improvement is based on the use of fermented straw manure without application of chemical fertilizer. The fermented straw manure is added to the soil before rye culture only in the section 1, while no kind of manure is applied in the section 2. Similarly, the soil improvement also based on the application of fermented straw manure supplemented with complex chemical fertilizer (NPK) in the rotation VI, where nutrient supplies are applied before rye in the section 1, while no kind of manure was added to the rye in the section 2. However, in this rotation no differences could be detected between the 363

364 photosynthetic rate of rye plants grown in the different sections. In this case, the lack of significant differences may be due to the posteffects of chemical fertilizer added to the rye grown in section 1. No significant differences were detected in the photosynthetic rates of rye grown in different section of rotation XIII, XIV and XV, maybe due to the slight differences in the rye agro-technology of different sections A A f f 2.6 e 19.3 e 19.3 de cd de cd e e de de de de ab b 15.9 ab 16. bc b a bc ab a ab ab a ab a I III VI/1 VI/2 VII/1 VII/2 X XI XIII/1 XIII/2 XIV/1 XIV/2 XV/1 XV/2 I III VI/1 VI/2 VII/1 VII/2 X XI XIII/1 XIII/2 XIV/1 XIV/2 XV/1 XV/2 Rotations and sections Rotations and sections Figure 4. The photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of rye in the different sections of rotations in the Westsik crop rotation. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations In the section 1 lupine is sown for green manure only after rye harvest, but not after section 2, and between sections potato is cultured. We can suppose from these results that the long-term effect of rotations play more important role in the photosytnthetic rate of rye plants than the effect of a given section. 364

365 References Arora A., Singh V.P. and Mohan J. (21): Effect of nitrogen and water stress on photosynthesis and nitrogen content in wheat. Biologia Plantarum, 44(1): Bencze SZ., Bamberger ZS., Janda T., Balla K., Bedő Z. and Veis O. (211): Drought tolerance in cereals in terms of water retention, photosynthesis and antioxidant enzyme activities. Cent. Eur. J. Biol., 6(3): Feng L., Li H., Jiao J., Li D., Zhou L., Wan J. and Li Y. (29): Reduction in SBPase Activity by Antisense RNA in Transgenic Rice Plants: Effect on Photosynthesis, Growth, and Biomass Allocation at Different Nitrogen Levels. J. Plant Biol., 52: Gray G.R., Savitch L.V., Ivanov, A.C. and Huner N.P.A. (1996): Photosystem II excitation pressure and development of resistance to photoinhibition.2. Adjustment of photosynthetic capacity in winter wheat and winter rye. Plant Physiology, 11(1): Klimov S.V., Astakhova N.V. and Trunova T. I. (1999): Changes in Photosynthesis, Dark Respiration Rates and Photosynthetic Carbon Partitioning in Winter Rye and Wheat Seedlings during Cold Hardening. J. Plant Physiol., 155: Lazányi J. (1998): Ecological approach to crop rotation. In: Lazányi J. (ed): Use of alternative crops for forage production and soil conservation. Nyíregyháza, Lazányi J. and Kruppa J. (1993): Rozs. In: Lazányi J. (ed.): A Debreceni Agrártudományi Egyetem kutatóhelyein nemesített és fenntartott növényfajták ismertetése. Debrecen, p.175. Maleszewski S., Tomczyk J., Kolacinska B. and Kozlowska B. (1993): Photosynthesis and growth of wheat, rye and triticale at various daylengths and night temperatures. Plant Physiology and Biochemistry, 31(5):

366 HURO/82/92_AF A klímaváltozás és tápanyag-ellátás hatása 212 Silva S., Pinto G., Dias M.C., Correia C.M., Moutinho-Pereira J., Pinto- Carnide O. and Santos C. (212): Aluminium long-term stress differently affects photosynthesis in rye genotypes. Plant Physiology and Biochemistry, 54: Voronin P.Y, Ivanova H.N., Keerberg O.F. and Parnik T.R. (1998): Temperature dependence of photosynthetic CO 2 exchange in the leaves of cold-acclimated winter rye plants. Russian Journal of Plant Physiology, 45(4): Wang G.P., Zhang X.Y., Li F., Luo Y. and Wang W. (21): Overaccumulation of glycine betaine enhances tolerance to drought and heat stress in wheat leaves in the protection of photosynthesis. Photosynthetica, 48(1): Wu F.B., Zhang G.P. and Yu J.S. (233): Genotypic Differences in Effect of Cd on Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence of Barley (Hordeum vulgare L). Bull. Environ. Contam. Toxicol., 71: Yoshida H., Horie T. and Shiraiwa T. (28): A model for explaining genotypic and environmental variation in vegetative biomass growth in rice based on observed LAI and leaf nitrogen content. Field Crops Research, 18:

367 11. Adaptability of lupine to the changing environment Ildikó Hudák, Nóra Mendler-Drienyovszki, Katalin Magyar-Tábori, Miklós Gyetvai, Judit Dobránszki Introduction The white lupine (Lupinus albus) was grown in the antique Greece, Rome and Egypt for both human consumption and animal feed. Nowadays, it plays also important role as green manure (Borbély, 22). In the Westsik crop rotation the lupine is grown for several utilizations (Figure 1). The lupine is grown as green manure both as main crop (ploughed into the soil 4-5 weeks after flowering) and as second crop. Moreover, there is a lupine root manure treatment, where lupine is grown for grain and the total organic matter, except for the grain, is incorporated into the soil. It is also grown as a forage crop and harvested 2-3 weeks after flowering (Lazányi, 1998). Figure1. Flowering lupine in the Westsik crop rotation Legumes have been known for a long time to have a high activity of 367

368 carbon dioxide assimilation even at temperatures below C (Koryakina et al., 197). Kurets et al. (23) studied the effect of the air soil temperature gradient on net photosynthesis at various irradiation levels in narrow-leaved lupine (Lupinus angustifolius L., cv. Siderat-38) plants. Their examinations were made in pots filled with sandy soil. They created a model from results and found the net photosynthesis to be the highest (Pn max: mg dm -2 h -1 ) at stage of three leaf stories when the temperatures of air and soil were 8 and 11 ºC, respectively. They concluded that lupine, cv. Siderat-38 is a light-requiring and cold-tolerant plant, an air temperature between and 16 C and soil temperature between 6 and 2 C were optimal for this cultivar. Drozdov et al. also (28) found similar soil and air temperature to be optimal for the maximum value of net photosynthesis of narrow-leaved lupine ( mg dm -2 h -1 ), however this kind of combination of air and soil temperature (7 and 1 C) rarely occurs under natural conditions. Thus, they supposed that value of net photosynthesis of 9% of the potential maximum can be achieved. The effects of environmental factors on the photosynthetic rate were studied expansively on the other members of Fabacea such as bean, soybean, pea etc. The values of net photosynthesis (Pn) in bean (Phaseolus vulgaris, a crop also belonging to the Fabaceae), were about 1-12 µmol CO 2 m -2 s -1 in control plants, while they were decreased in drought stressed plants (6-8 µmol CO 2 m -2 s -1 ) (Dias and Brüggemann, 21). However, the values of Pn in bean were only slightly affected by phosphate deficiency (Mikulska et al., 1998). The rate of fixed CO 2 (P) was about 72 µg CO 2 m -2 s -1 in the pea (Pisum sativum L.), and it was significantly decreased to 28 µg CO 2 m -2 s -1 by salt stress (Velitchkova and Fedina, 1998). Net photosynthetic rates of alfalfa (Medicago sativa L.) were about 9-1 µmol CO 2 m -2 s -1 in control plants, while it was significantly and gradually decreased to below 2 µmol CO 2 m -2 s -1 as water stress progressed (Li et al., 27). Makoi et al. (21) studied the photosynthetic responses of different cowpea Vigna unguiculata L. (Walp.) genotypes in different plant density and found that A values of control were about 2.4 μmol CO 2 m 2 s 1 ( plants ha -1 ) and they were significantly decreased (15.6 μmol CO 2 368

369 s 1 ) in the higher plant density ( plants ha -1 ). However, no marked differences in photosynthetic rates were found between the five cowpea Vigna unguiculata L. (Walp.) genotypes. Because lupine is a leguminous crop, the presence of Rhizobium sp. also can affect the rate of photosynthesis. It is known that the processes of symbiotic nitrogen fixation are tightly correlated with photosynthesis (Kretovich, 1994). The photosynthesis as a source of assimilates provides the energy for process of atmospheric nitrogen fixation (Romanov et al., 1983). In its turn, the effectiveness of various strains of nodule bacteria can affects the rate of photosynthesis. Sytnikov et al. (25) studied the photosynthetic rate of soybean (Glycine max (L.) Merrill) leaves grown on a nutrient medium with various contents of mineral nitrogen and inoculated with Rhizobium strains with different activity after their preincubation with a homologous lectin (flowering period). They found that the rate of photosynthesis was determined by the nitrogen supply of plants regardless of the origin of this nitrogen. However, activation of functioning of the symbiotic apparatus caused by the preincubation of rhizobia with lectin under the conditions of effective symbiosis additionally stimulated photosynthesis because of an increase in the sink capacity of roots. m 2 Results Significant differences in photosynthetic rate of lupin plants could be detected between rotations (Table 1). Table 1. ANOVA table for the photosynthetic rate of lupin plants grown in different rotations Sum of squares df Mean square F Sig. Between groups Within groups Total

370 In the rotation VIII we could detected significantly lower rate of photosynthetic activity than in the rotation III and XII (Figure 2.). The rotation VIII is the only 4-years crop rotation, where lupine are grown twice during 4-year-long crop rotation; in the section 1 as a main crop produced for grain and in the section 2 as a second crop produced after rye and before potato for green manure. However, differences in the photosynthetic rate were not proven to be significant between the rotations III and XII, the highest values were found in the rotation XII, where lupin is grown after a green forage crop and sown in May. Figure 2. The photosynthetic rates (A= µmol assimilated CO 2 m -2 s -1 ) of lupin in the different rotations in the Westsik crop rotation. Different letters indicate the significant difference (P <.5), determined by one-way ANOVA followed by Tukey s test, between different rotations References Borbély F. (22): Csillagfürt (Lupinus sp. L.). In: Lazányi J. (ed.): Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum Kutatóhelyein nemesített 37