Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére a talajban

Átírás

1 AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 62 (213) Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére a talajban 1 HELTAI György, 2 ANTON Attila, 3 HOFFMANN Sándor, 2 SZILI-KOVÁCS Tibor, 3 BERECZ Katalin, 1 KAMPFL Györgyi, 1 KRISTÓF Krisztina, 1 MOLNÁR Erik, 1 HORVÁTH Márk és 1 BÁLINT Ágnes 1 Szent István Egyetem, Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar, Kémia és Biokémia Tanszék, Gödöllő, 2 MTA Agrártudományi Kutatóközpont Talajtani és Agrokémiai Intézet, Budapest és 3 Pannon Egyetem, Georgikon Kar, Növénytermesztéstani és Talajtani Tanszék, Keszthely A talaj növény légkör rendszerben lejátszódó, egymásba kapcsolódó szén- és nitrogénciklusok részletes feltérképezése közel 15 éve a mezőgazdasági kutatások egyik legfontosabb feladata. Eleinte a fő kérdés az optimális növényi tápanyagellátás módszereinek kidolgozása volt. A XX. század nyolcvanas éveitől kezdve azonban egyre nagyobb hangsúlyt kaptak a környezeti szempontok: az intenzív növénytermelési technológiák miatti nitrátkimosódás, illetve a biogén eredetű üvegházhatású gázok (N 2 O, CO 2 ) és a reaktív nitrogén-oxidok (NOx) kibocsátásának minimalizálása. E témakörben 1982-ben rendezték Rothamstedben az Első Nemzetközi Nitrogén Munkaértekezletet. 212-ben a 17. Nitrogén Munkaértekezlet (Wexford, Írország) fő témája volt, hogy a növekvő energia- és műtrágyaárak mellett hogyan lehet legjobban hasznosítani a nitrogén-transzformáció eddig ismert útjait a környezetet kímélő mezőgazdasági termelésben, s hogyan lehet a nitrogénveszteségeket csökkenteni a növekvő élelmiszertermelési igények kielégítése mellett. Ehhez kapcsolódva kiemelt jelentőségű kérdésként kezelték a környezetbe irányuló biogén eredetű reaktív nitrogénveszteségek csökkentésének problémáját is. Az üvegházhatás problémájának felismerése a hetvenes évektől kezdve ráirányította a figyelmet a mezőgazdasági talajok szerepére a CO 2 és N 2 O gázok kibocsátásában. Az első közlemény a talajok nitrogén-monoxid és az ebből származó magasabb oxidációfokú nitrogén-oxidok (közös jelölés szerint NOx) emissziójáról ban jelent meg (GALBALLY & ROY, 1978). Ettől kezdve e témakörben egyre nagyobb számban adtak közre újabb közleményeket globális, regionális és lokális vizsgálatokról és emissziós modellek kifejlesztéséről. E folyamatoknak további lökést adott az IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) szervezetének megalakulása 1988-ban és a GEIA (Global Emissions Initiative) hálózat létrehozása 199-ben. Ezek a szervezetek biztosították a globális együttműködés kereteit a klímaváltozás antropogén forrásainak kutatásában, s az 1995-ben kiadott 2 nd IPCC Postai cím: HELTAI GYÖRGY, Szent István Egyetem, MKK Kémia és Biokémia Tanszék, 213 Gödöllő, Páter K. u heltai.gyorgy@mkk.szie.hu

2 144 HELTAI et al. Assessment Report volt a kiindulópontja az 1997-es Kiotói Egyezménynek. Az Európai Közösség Közös Kutatóközpontjának Környezetvédelmi Intézete statisztikai jelentések és tudományos információk alapján 197 óta gyűjti az üvegházhatású gázok és légszennyezők emissziójára vonatkozó adatokat az EDGAR (Emissions Database for Global Atmospheric Research) adatbázisban. E globális adatbázisban 1 1 km felbontású térképeken 197-től gyűjtött és ábrázolt adatok lehetővé teszik a lokális, regionális és globális modellek alkalmazását ugyanazon adatsorokra, s figyelembe vehető az energiatermelő és egyéb ipari üzemek, az úthálózatok, a hajóutak, az emberi és állati populáció sűrűsége és a mezőgazdasági földhasználat hatása is. Ehhez kapcsolódott a Kiotói Egyezmény célkitűzéseinek verifikálását szolgáló, 21-ben zárult AFOLUDATA Információs Rendszer (GHG AFOLU: Greenhouse Gases in Agriculture, Forestry, and Other Land Uses) programja is. E program céljai között már szerepelt a CO 2, CH 4 és N 2 O emisszió mérések és a statisztikai jelentések összehasonlíthatóságának javítása, továbbá az üvegházgázmérlegre és a klímaváltozás hatására vonatkozó ismeretek elmélyítése a szárazföldi ökoszisztémákban. A kifejlesztett modellek és adatbázisok napjainkig növekedési trendet regisztrálnak a CO 2 és nitrogén-oxidok kibocsátásában (YANG et al., 211; ROWLINGS et al., 21) és az üvegházhatású gázok globális emissziójában mintegy 2%-ra becsülik a mezőgazdasági tevékenységből eredő hányadot (LOKUPITIYA & PAUSTIAN, 25). Az emissziós források statisztikai elemzése szerint ehhez jelentősen hozzájárul a talajok biogén eredetű gázemissziója. GANZEVELD és munkatársai (25) elemzése szerint a talajok nagyon jelentős forrásai a reaktív NO x gázemissziónak is a nitrogén-monoxid révén, amely nitrifikációs és denitrifikációs folyamatokban is keletkezhet. E folyamatokat jelentősen befolyásolják a talaj biogeokémiai és fizikai tulajdonságai (pl. mikroba-együttes, talaj fizikai féleség, talajnedvesség-állapot, ph, redoxipotenciál, tápanyag-ellátottság) (CONRAD, 1996). Ugyanakkor a földhasználat (művelés, öntözés, trágya- és műtrágyahasználat, talajtömörödés, növények vetése és betakarítása) is jelentősen hat a gázemisszióra (FROLKING et al., 1998), s az atmoszférába irányuló NO x fluxust jelentősen befolyásolja a növénytakaró föld feletti részével lezajló kölcsönhatás is (GANZEVELD et al., 22). A globális felmérések szerint a ritkán lakott és vidéki térségekben a talaj biogén NO-gáz emissziója határozza meg a légkörbe jutó NOx fluxust, míg az iparosodott területeken a fosszilis tüzelőanyagokból származik az évi 2 25 Tg N-re becsült NOx emisszió túlnyomó része (DELMAS et al., 1997). A talaj biogén eredetű NO-forrás becslések az évi 9,75 és 21 Tg N (POTTER et al., 1996; DAVIDSON & KINGERLEE, 1977) tartományba esnek, azonban azok a becslések, amelyek figyelembe veszik a lombkorona szinten történő megkötődést ennél 5%-kal kisebb értékeket adnak (YINGER & LEVY, 1995; GANZEVELD et al., 22). Ez az eltérés HUTCHINSON és munkatársai (1997) szerint elsősorban az eltérő trágyázás és az esőzések hatásának tulajdonítható. Részletesebb adatokat találhatunk szemiarid (275 mm év -1 ) területen a földhasználat jellege és az üvegházhatású gázok (CH 4, CO, N 2 O és NOx) emissziója közötti kapcsolatról és az emissziómérés módjáról GALBALLY és munkatársai (28) kutatási jelentésében. A gáz fluxusokat statikus kamra módszerrel mérték, 5, 15, ill. 5 perccel a zárás után. A CO 2 -ot infravörös fotometriás detektorral, a

3 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 145 NOx-koncentrációt kemilumineszcenciás módszerrel a helyszínen folyamatosan mérték. A CH 4 -, CO- és N 2 O-koncentrációt a kísérleti helyszínektől néhány kilométerre telepített mobil gázkromatográfiás laboratóriumban mérték a kamrákból vett és odaszállított gázmintákból megfelelő szárítás után. A közölt adatokból számított emissziók CO 2 esetében (-8)-75 μg (C) m -2 s -1 ; CH 4 esetében (-1)-5 ng (C) m -2 s -1 ; CO esetében (-6)-38 ng (C) m -2 s -1 ; N 2 O esetében (-,5)-5,5 ng (N) m -2 s -1 ; NOx esetében,5 1,7 ng (N) m -2 s -1 határok között változtak. (A negatív értékek értelemszerűen abszorpciót jelentenek.) Különösen fontos a hőmérséklet és a talajnedvesség figyelembevétele, amint azt STEWART és munkatársai (28) az AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis) program keretében végzett NOx emisszió kutatásai mutatják. A nedves, ill. száraz talajok felett,8 1,4, ill.,2 ppb NOx-szinteket mértek. MARTIN és munkatársai (1998) vizsgálatai szerint réteken az NOx emisszió becslések értéke,3 11 ng (N) m -2 s -1 között változott. Figyelembe véve a nedvesség, a vízzel telt pórustérfogat és a hőmérséklet hatását gyep ökoszisztémákra évi 1 Tg (N) NOx-N globális emissziót számoltak. YAN és munkatársai (25) úgy vélik, hogy az 5 Tg (N) év -1 -re becsült globális NOx-N emisszióban a talaj hozzájárulása nagyon bizonytalan, mivel a becslési modellek amelyek a leltározási módszeren, vagy a folyamatalapú, illetve az empirikus modelleken alapulnak nagymértékben különbözhetnek. Munkájukban egy új statisztikus modell kifejlesztését ismertették, amelyben figyelembe vették a talaj szervesanyag-tartalmát, a ph-t, a talajfedettség-típust, a klímát, s a nitrogén inputot. Az eddigiekből levonható az a következtetés, hogy a mezőgazdasági talajhasználat jelentősen hozzájárul a szén- és nitrogén-oxidok légköri emissziójához és abszorpciójához, s az eddigi globális leltárok és modellek a biogén eredetű emisszióban növekedési tendenciát mutatatnak, bár a becsléseknek rendkívül nagy a bizonytalansága. Mindezeket figyelembe véve jelen tanulmányunk legfőbb célja olyan kísérleti rendszer megvalósítása volt, amely a magyarországi ökológiai és klimatikus viszonyok között a talajban az üvegházhatású gázok képződése és emissziója, illetve a növényi tápanyagellátás közötti összefüggésekről kvantitatív adatokat szolgáltat. Korábban laboratóriumi mikrokozmosz kísérletekben vizsgáltuk a tápanyag-, a vízellátás, a hőmérséklet és nehézfémszennyezés hatását a talaj-mikrobiológiai folyamatok eredményeként bekövetkező NOx, N 2 O és CO 2 gázemisszióra, s a mikrokozmosz kísérleti rendszer fejlesztésével párhuzamosan kalibráltuk és validáltuk a gázprodukció értékeléséhez szükséges analitikai és kromatográfiás módszereket (KAMPFL et al., 27). Kísérleti rendszerünket a Keszthelyen 1963-ban beállított Szerves- és műtrágyák hatását összehasonlító tartamkísérletre építettük (HOFFMANN et al., 28). Nagyméretű tenyészedényekben mezokozmosz, továbbá bolygatatlan talajoszlop kísérletet állítottunk be. A tartam- és a tenyészedénykísérletben a kezelések hatását a terméskomponensekre és a CO 2 képződésésére HOFFMANN és munkatársai (213) közleményében ismertetjük. Jelen dolgozatunkban a tenyészedény- és a talajoszlop-kísérletben az ásványi és istállótrágyák, valamint a talajba bedolgozott növényi szerves anyag hatását mutatjuk be a talajlevegőben felhalmozódó CO 2 és N 2 O gázok képződésének dinamikájára a tenyészidő folyamán.

4 146 HELTAI et al. Anyag és módszer Tenyészedény-kísérlet A tenyészedény-kísérleteket az 1963-ban Keszthelyen beállított Szerves és ásványi trágyázási tartamkísérletből kiválasztott kezelések talajaival végeztük. A tartamkísérletben Ramann-féle barna erdőtalajon (Eutric Cambisol), A és B vetésforgóval, istállótrágya vagy ekvivalens hatóanyag-tartalmú NPK-műtrágya adagok, továbbá nagyadagú NPK-műtrágyázás szervesanyag-utánpótlással kombinált vagy anélküli kezeléseket alkalmaztak. A kísérlet részletesebb leírása HOFFMANN és munkatársai (28) munkájában olvasható. A beállításkor a legfontosabb talajjellemzők a következők voltak: humusz: 1,5 1,7%; ph KCl : 7,1 7,3; AL- (ammónium-laktát oldható) P 2 O 5 : 27 6 mg kg -1 ; AL- K 2 O: mg kg -1. A tenyészedényes modellkísérleteket 28-ban, 29-ben és 21-ben állítottuk be kukoricával (Zea mays L.) üvegházban. Nagyméretű (4 4 cm-es) edényeket töltöttünk meg a kiválasztott tápanyagkezelések I-III. ismétléseinek szántóföldi parcelláiról vett (abszolút száraz állapotra számolva) 45 kg talajjal (1. táblázat). A tenyészedényekbe 2 cm talajmélységben 1,8 dm³ össztérfogatú gázcsapdákat helyeztünk. 28-ban három kezelésben a felszínre helyezett gázcsapdákkal is (1F, 4F és 7F kezelés), 21-ben pedig ugyanezen három kezelésben jelzőnövény alkal- 1. táblázat A tenyészedény-kísérlethez kiválasztott szántóföldi tartamkísérleti tápanyagkezelések (1) Kezelés sorszáma (2) Istállótrágya (#) (3) Ekvivalens (ekv) NPKmennyiség (4) Kiegészítő ásványi trágyázás (N, P 2 O 5, K 2 O) (t ha -1 5 év -1 ) (5) Összes N, P 2 O 5, K 2 O (kg ha -1 év -1 ) (6) Szalmavagy szárleszántás #(2) 44, 38, #(2) 88, 76, #(2) 132, 114, ekv 44, 38, ekv 88, 76, ekv 132, 114, #(1) 64, 36, , 11, ekv 64, 36, , 11, ekv 64, 36, , 11, Megjegyzések: 1 #(2) = 35 t ha -1 istállótrágya 5 év alatt két részletben, az 1. és 3. évben kijuttatva; 1 #(1) = 35 t ha -1 istállótrágya 5 év alatt egy részletben, az 1. évben kijuttatva; 1ekv= 35 t ha -1 istállótrágyában levő ásványi NPK 5 év alatt, évente kijuttatva. 28-ban az 1., 4. és 7. kezelésekben a felszínre is elhelyeztünk gázcsapdákat, az ezekre vonatkozó adatokat a továbbiakban 1F, 4F és 7F jelöléssel ismertetjük. 21-ben az 1., 4. és 7. kezelésekben növény nélküli kontrollt is alkalmaztunk, az ezekre vonatkozó adatokat a továbbiakban 1A, 4A és 7A jelöléssel ismertetjük

5 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 147 mazása nélkül is (1A, 4A és 7A kezelés) elvégeztük a kísérletet. Edényenként négy növényt neveltünk fel a teljes érésig. A tenyészedény-kísérletet is véletlen blokk elrendezésben három ismétlésben állítottuk be. A növényeket öntöztük, fenntartva a talajok optimális nedvességtartalmát a teljes kísérleti időszak alatt. A gázcsapdákban felfogott talajlevegőből hetente-tíznaponta mintákat vettünk három ismétlésben, gáztömör Hamilton fecskendővel (1 cm³), majd a gázmintákat vákuumozott Exetainer csövekbe (Labco Ltd., UK) injektáltuk. A csöveket a mintavétel napján a Szent István Egyetem laboratóriumába szállítottuk, ahol 12 órán belül gázkromatográfiásan (HP 589, Porapak Q oszlop) meghatároztuk CO 2 - és N 2 O-tartalmukat (KAMPFL et al., 27). Bolygatatlan talajoszlop kísérlet Hat bolygatatlan talajoszlopot készítettünk PÁRTAY és munkatársai (1992) szerint a tartamkísérlet melletti szegélyterületből kiemelve 28 áprilisában. Az oszlopokat (magasság 9 cm, átmérő 4 cm) a MTA TAKI Őrbottyáni Kísérleti Telepén egy aknában helyeztük el, a kísérleteket 28 és 211 között végeztük. A kísérlet első szakaszában, 28-ban semmilyen kezelést nem alkalmaztunk, valamennyi oszlopba kukorica jelzőnövényt vetettünk. Ezt követően 28 őszétől három éven keresztül eltérő trágyázási kezeléseket állítottunk be, leegyszerűsítve: 1. Kontroll, 2. NPK-műtrágya kezelés, 3. Kukorica növény, 4. Kukorica és NPKtrágyázás, 5. Kukorica és istállótrágya, 6. Kukorica, NPK-műtrágya és istállótrágya (2. táblázat). A tápanyagkezelések tekintetében az 1. és. 3. oszlopok megfelelnek a tenyészedény-kísérlet 1. kezelésének, a 2. és 4. oszlopok a 7. kezelésnek, az 5. oszlop a 4. kezelésének, és a 6. oszlop a kezelés kombinációjának felel meg (1. táblázat). Az istállótrágya összetétele: szerves anyag: 33,65%, összes N:,883%, NO 3 -N: 456, NH 4 -N: 25,7, összes P: 4235, összes K: mg kg táblázat A bolygatatlan talajoszlopokon beállított trágyázási kezelések (1) (2) (3) (4) (5) Kezelés Növény Istállótrágya P-, K-műtrágya N-műtrágya sorszáma (kukorica) (28 és 21) (28 és 21) (29, 21, 211) g oszlop -1 g oszlop -1 g oszlop ,6 P; 1,6 K 5, ,6 P; 1,6 K 5, , ,6 25,6 P; 1,6 K 5,1 Megjegyzés: Az istállótrágya-adag 15 t ha -1 5 év alatt, 2 részletben történő kijuttatásának felel meg. A műtrágyaadagok 15 t ha -1 istállótrágyával ekvivalensek, a P- és K- 5 év alatt 2 részletben, míg a N-műtrágya évente, tavasszal lett kijuttatva, a P 18%-os szuperfoszfát, a K 6%-os KCl, a N 27%-os pétisó formájában

6 148 HELTAI et al. A kukoricamagokat május elején vetettük az oszlopokba, a kikelt növényekből oszloponként 3-3 egyedet hagytunk meg. Hatleveles stádiumukban a növények levágása után 1-1 egyedet hagytunk meg oszloponként. A csapadékviszonyok függvényében az oszlopokat vízzel öntöztük. Az öntözésnél figyelembe vettük a területen mért 3 éves átlagcsapadékot, és hozzávetőlegesen annak megfelelően pótoltuk a vizet. A talajlevegő mintavételéhez szilikoncsöveket (JACINTHE & DICK, 1996) helyeztünk el 2, 4 és 6 cm mélységben (SZILI-KOVÁCS et al., 29). A talajlevegő mintavételezését hetente, vagy kéthetente reggel végeztük, ahogy azt a tenyészedény-kísérletnél ismertettük. Tenyészedény-kísérlet Eredmények A CO 2 és N 2 O gáz koncentrációjának változását a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdákban a tenyészidő folyamán a vetéstől (indítástól) kezdve a 28, 29 és 21 kísérleti években a különböző trágyázási kezelésekben az 1. és 2. ábrák mutatják. Az ábrákon minden egyes mintavételi időpontban a tíz kezelést az egymás melletti oszlopok szemléltetik, s feltüntettük a 28-ban, illetve a 21-ben alkalmazott kiegészítő kezelések (1F, 4F, 7F, illetve 1A, 4A, 7A) eredményeit is. A CO 2 -koncentrációt grafikusan összehasonlítva a bolygatatlan talajoszlopban 2 cm mélységben mért értékekkel megállapítható, hogy 28-ban lényegesen kisebb, 29-ben és 21-ben viszont azonos mértékű volt a tenyészedényekben mért értékekkel. A N 2 O gáz koncentrációja, s így produkciója is a tenyészedényekben lényegesen kisebb volt, mint a talajoszlopokban 2 cm mélységben mért értékek, csak 211-ben a kísérlet indításának kezdeti időszakában érte el a bolygatatlan talajoszlopban kapott értékeket. A szabadföldi tartamkísérletben és a tenyészedény-kísérletben a tápanyagkezelések hatását a termésre, s ezzel összefüggésben a talajlevegő CO 2 -tartalmára HOFFMANN és munkatársai (213) jelen Agrokémia és Talajtan szám oldalán megjelenő közleményében részletesen értékeljük. E helyen csak a bolygatatlan talajoszloppal történő összehasonlítás szempontjai szerint ismertetjük az eredményeket. A tenyészedényekben a CO 2 és N 2 O képződésével kapcsolatban mindhárom évben általánosan megfigyelhetők voltak a következő hatások: A növény nélküli kezelésekben minden esetben szignifikánsan kisebb volt a CO 2 -produkció, mint az azonos növényes kezelésekben. A N 2 O-produkció a növényes kezelésekben is nagyobb volt, mint a megfelelő növény nélküli kezelésekben. Ezek a különbségek azonban nem voltak szignifikánsak. A trágyázási kezelések az esetek többségében szignifikánsan növelték a CO 2 - produkciót az [(istállótrágya)] < [ásványi(npk)] < [szerves anyag + ásványi(npk)] sorrendben. 28-ban és 29-ben csak az ásványi(npk) kezelésekben kaptunk egy-egy időpontban a kontrollnál szignifikánsan nagyobb N 2 O-produkciót. 21- ben, amikor a kísérlet kezdeti (2., 4., 6.) napján is vettünk gázmintákat, rövid idő-

7 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére ábra A CO 2 -koncentráció (mg L -1 ) változása a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdában 28 (A), 29 (B) és 21 (C) években. Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 1. táblázat

8 15 HELTAI et al. 2. ábra A N 2 O-koncentráció (μg L -1 ) változása a tenyészedényekben elhelyezett gázcsapdákban 28 (A), 29 (B) és 21 (C) években Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 1. táblázat

9 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 151 szakban szignifikánsan nagyobb volt a N 2 O-produkció a kontrollnál az [(istállótrágya)] < [ásványi(npk)] < [szerves anyag + ásványi(npk)] sorrendben. A tenyészidő folyamán kezdeti stagnálás után a CO 2 -produkció szignifikánsan növekedni kezdett, s egy, vagy két maximum elérése után a tenyészidő végére a CO 2 -koncentráció a kezdeti szintre csökkent. A tenyészidő folyamán szignifikáns N 2 O-produkció növekedés csak a kezdeti időszakban az 1 6. nap között volt mérhető. Ezt követően már nem látható az idő szerinti változásban tendencia. A talajfelszínre elhelyezett gázcsapdákban a CO 2 -koncentráció az esetek többségében szignifikánsan kisebb volt, mint a 2 cm mélységből vett mintákban mért értékek. Ezzel ellentétben a talajfelszínre elhelyezett gázcsapdákban a N 2 O- produkció az esetek többségében nagyobb volt, mint a 2 cm mélységből vett mintákban mért értékek. Ez a tendencia azonban statisztikailag nem volt igazolható egyértelműen. Talajoszlop-kísérlet A CO 2 és N 2 O gáz produkcióját a tenyészidő folyamán a vetéstől (indítástól) kezdve az egyes kísérleti években a különböző mélységekben a 3., 4., 5. és 6. ábrák mutatják. Az ábrákon az egyes időpontokban a hat kezelést az egymás melletti oszlopok szemléltetik. Az értékelésben a 28. évet külön kezeljük, mivel ebben az évben tulajdonképpen a hat talajoszlop kondicionálása történt és nem alkalmaztunk sem trágyázási kezelést, sem jelzőnövényt: 28-ban a CO 2 -koncentráció a tenyészidő folyamán mind a hat oszlopban először a 4. napig erősen növekedett, majd az 53. napon csökkent, ezután újra növekedett a 69. napig. Ezt követően a 12. napig erősen csökkent. Ezek az időbeli változások az esetek többségében szignifikánsak voltak. Az oszlopokban lefelé haladva 2 cm-től 4 cm-ig minden oszlopban és minden időpontban egyértelmű (szignifikáns) növekedés volt tapasztalható, 4 cm és 6 cm között még kisebb mértékű további növekedés mutatkozott, amely azonban már nem minden esetben volt szignifikáns. A hat oszlop között minden esetben jelentős és sok esetben szignifikáns különbség volt tapasztalható a CO 2 -képződésben. 28-ban a tenyészidő kezdeti szakaszában a 25. napig növekedett a N 2 O- koncentráció, ettől kezdve rohamosan csökkent, s a 69. naptól már alig változott. Az időbeli változások eddig az időpontig voltak szignifikánsak. Az oszlopokban lefelé haladva nem lehetett egyértelmű tendenciát megállapítani: növekedés és csökkenés egyaránt előfordult, s ez a változás az egyes oszlopok között a különböző időpontokban jelentősen különbözött, azaz a hat oszlopban a N 2 O-produkciók sok esetben jelentősen (szignifikánsan) különböztek. A 29., 21. és 211. évi kísérletben a hat oszlop már eltérő kezelést kapott. Mindhárom évben megfigyelhető, hogy a CO 2 - és N 2 O-koncentráció szintje az első kondicionáló évhez képest valamennyi oszlopban általánosan csökkent (több mint 5%-kal). Ennek feltehetően az lehetett az oka, hogy a frissen preparált oszlopokban jelenlévő gyökérmaradványok az első évben jelentősen hozzájárulhattak mind a CO 2 -, mind a N 2 O-képződéshez.

10 152 HELTAI et al A 2 cm B 2 cm A 4 cm B 4 cm A 6 cm B 6 cm ábra A CO 2 - (mg L -1 ) (A) és N 2 O-koncentráció (μg L -1 ) (B) változása a tenyészidő folyamán 2, 4 és 6 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 28-ban Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat A talajoszlopokban a CO 2 - és N 2 O-koncentráció változásával és képződésével kapcsolatban mindhárom évben általánosan megfigyelhetők a következő hatások: Növény jelenlétének hatására a növény nélküli kontrollhoz képest a CO 2 - produkció szignifikánsan növekedett, a N 2 O-produkcióban a kezdeti időszakban

11 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére ábra A CO 2 - (mg L -1 ) (A) és N 2 O-koncentráció (μg L -1 ) (B) változása a tenyészidő folyamán 2, 4 és 6 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 29-ben Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat 1. napig) szignifikáns növekedés, ezután viszont szignifikáns csökkenés volt megfigyelhető. A növény nélküli kontrollhoz képest az NPK-kezelés hatására minden esetben szignifikánsan kisebb lett a CO 2 -produkció és a N 2 O-produkció is.

12 154 HELTAI et al. 5. ábra A CO 2 - (mg L -1 ) (A) és N 2 O-koncentráció (μg L -1 ) (B) változása a tenyészidő folyamán 2, 4 és 6 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 21-ben Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat Az NPK-kezelés növény alkalmazása mellett is az esetek többségében csökkentette a CO 2 -produkciót, ez a csökkenés azonban kevésbé volt kifejezett, mint a növény nélküli esetben. Hasonló volt az istállótrágya- és az (NPK+istállótrágya)- kezelés hatása is a CO 2 -produkcióra, azonban a csökkenés a kontrollokhoz képest kevésbé volt kifejezett.

13 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 155 Az NPK-kezelés hatására az esetek többségében csökkent a N 2 O produkció is a növényes kontrollhoz képest. Az istállótrágya- és az (NPK+istállótrágya)-kezelésekben is a N 2 O-produkció többnyire csökkenő tendenciát mutatott, azonban ennek megítélése a nagy mérési bizonytalanság miatt nem egyértelmű. A tenyészidő folyamán a CO 2 -koncentráció kezdeti stagnálás után növekedni kezdett, s az esetek többségében egy vagy két maximum elérése után a tenyészidő végéhez közeledve erősen csökkent. Az egymást követő mintavételi időpontok kö A 2 cm A 4 cm A 6 cm

14 HELTAI et al B 2 cm B 4 cm B 6 cm ábra A CO 2 - (mg L -1 ) (A) és N 2 O-koncentráció (μg L -1 ) (B) változása a tenyészidő folyamán 2, 4 és 6 cm mélységben a bolygatatlan talajoszlopban 211-ben Vízszintes tengely: napok száma a vetéstől. Kezelések: lásd 2. táblázat zötti változások az esetek többségében szignifikánsak. A N 2 O-koncentráció időbeli változásának iránya nem egyértelmű. Az oszlopokban lefelé haladva ez esetben is egyértelműen megfigyelhető, hogy 2-tól 4 cm-ig szignifikánsan, utána 6 cm-ig kisebb mértékben és nem min-

15 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 157 den esetben nőtt szignifikánsan a CO 2 -koncentráció. Ugyanez a tendencia figyelhető meg a N 2 O produkciójában, bár a nagyobb mérési bizonytalanság miatt ez kevésbé egyértelműen mutatkozott. Következtetések A bolygatatlan talajoszlopban és a tenyészedényekben észlelt CO 2 gáz produkció a tenyészidő folyamán egyaránt kezdeti stagnálás után egy, vagy több maximum elérése után a kezdeti szintre csökkent. Ezek a változások mindkét esetben jó korrelációt mutattak a napi középhőmérséklet változásával (SZILI-KOVÁCS et al., 29; HOFFMANN et al., 213). A N 2 O-produkció időbeli változásának iránya a talajoszlopokban nem mutatott egyértelmű tendenciát, míg a tenyészedényekben jól mérhető növekedést csak a vetést követő 6. napig tapasztaltunk a CO 2 -koncentráció stagnálási periódusában. Ezt az időbeli eltolódást a két gáz képződésének dinamikájában korábbi mikrokozmosz kísérleteink is megerősítették (KAMPFL et al., 27). A bolygatatlan talajoszlopokban a felszíntől 4 cm mélységig a CO 2 - koncentráció szignifikánsan nőtt, s 4 6 cm között már nem változott számottevően. Ugyanez a tendencia mutatkozott a N 2 O-koncentrációnál is, de a nagyobb mérési bizonytalanság miatt kevésbé egyértelműen. A tenyészedényekben a felszínen és a 2 cm mélyen elhelyezett csapdák között ugyancsak növekedett a CO 2 - koncentráció, s az itt mért értékek nagyságrendileg megegyeztek a talajoszlopban 2 cm mélyen mért értékekkel. A N 2 O mélységi változása a tenyészedényekben nem volt igazolható. A talajoszlopból a felszínen kilépő emisszió mérése és a mélységi eloszlási profil összekapcsolása lehetőséget nyújt a CO 2 -diffúzió modellezésére, erre 211-ben és 212-ben további vizsgálatokat folytattunk. A trágyázatlan kezelésekben a növények jelenléte mind a talajoszlopban, mind a tenyészedényekben növelte a CO 2 - és N 2 O-produkciót. A trágyázási kezelések hatására a talajoszlopokban csökkent mindkét gáz produkciója. Szerves trágya alkalmazása és növény jelenlétében ez a csökkenés kisebb mértékű volt, mint ásványi trágya esetében. Ezzel ellentétben a trágyázási kezelések hatására a tenyészedényekben növények jelenlétében egyértelműen növekedett a CO 2 -produkció, és kevésbé egyértelműen a N 2 O-produkció is. A növekedés a trágyakezelések termésnövelő hatása sorrendjében (istállótrágya < ásványi trágya < istállótrágya+ásványi trágya) fokozódott (HOFFMANN et al., 213). Összegezve megállapítható, hogy a CO 2 és N 2 O gázképződés és a talajból történő kilépés feltételei a bolygatatlan és a művelt talajban eltérnek, s e folyamatra jelentős hatással van a növények jelenléte és anyagcseréje. Kísérleteink eredményeként létrehoztunk egy olyan adatbázist, amelyre alapozva megfelelő matematikai modellek alkalmazásával reálisan becsülhető a mezőgazdasági talajok CO 2 és N 2 O emissziója különböző tápanyagellátási és művelési módok esetén.

16 158 HELTAI et al. Összefoglalás A Keszthelyen 1963-ban beállított Szerves- és műtrágyák hatását összehasonlító tartamkísérlet kiválasztott kezeléseiből vett talajokkal beállított tenyészedénykísérletben és ezzel párhuzamosan a szegélyparcellákból kiemelt bolygatatlan talajoszlopokban vizsgáltuk az ásványi- és istállótrágyák, valamint a talajba bedolgozott növényi szerves anyag hatását a talajlevegőben a tenyészidő folyamán felhalmozódó CO 2 és N 2 O gázok képződésének dinamikájára. A CO 2 -koncentráció a tenyészidő folyamán a kezdeti stagnálás után egy, vagy több maximum elérése után a kezdeti szintre csökkent mindkét kísérleti rendszerben, s a változás jó korrelációt mutatott a napi középhőmérséklet változásával. A N 2 O képződésének időbeli változása a talajoszlopokban nem mutatott egyértelmű tendenciát, míg a tenyészedényekben csak a vetést követő 6. napig mértünk koncentrációnövekedést. A bolygatatlan talajoszlopokban a felszíntől 4 cm mélységig a CO 2 - koncentráció szignifikánsan növekedett, 4 6 cm között már nem változott számottevően. Ugyanez a tendencia mutatkozott a N 2 O-koncentráció mélység szerinti változásában, de a nagyobb mérési bizonytalanság miatt kevésbé egyértelműen. A tenyészedényekben a 2 cm mélyen elhelyezett csapdákban mért CO 2 -koncentráció értékek nagyságrendileg megegyeztek a talajoszlopban 2 cm mélyen mért értékekkel. A trágyázatlan kezelésekben a növények jelenléte mind a talajoszlopban, mind a tenyészedényekben növelte a CO 2 - és a N 2 O-produkciót. A trágyázási kezelések hatására a talajoszlopokban csökkent mindkét gáz produkciója. Szerves trágya alkalmazásakor növény jelenlétében ez a csökkenés kisebb mértékű volt, mint ásványi trágya esetében. A trágyázási kezelések hatására a tenyészedényekben növények jelenlétében növekedett a talajban a CO 2 és N 2 O produkciója. A növekedés a trágyakezelések termésnövelő hatása sorrendjében istállótrágya < ásványi trágya < (istállótrágya+ásványi trágya) fokozódott. Összegezve megállapítható, hogy a CO 2 és N 2 O gázképződés és a talajból történő kilépés feltételei a bolygatatlan és a művelt talajban eltérnek, s e folyamatra jelentős hatással van a növények jelenléte és anyagcseréje. Kísérleteink eredményeként létrehoztunk egy olyan adatbázist, amelyre alapozva megfelelő matematikai modellek alkalmazásával reálisan becsülhető a mezőgazdasági talajok CO 2 és N 2 O emissziója különböző tápanyagellátási és művelési módok esetén. A kutatómunkát az Országos Tudományos Kutatási Alap támogatta (OTKA konzorcium: K 72926, K 73326, K 73768). Kulcsszavak: szén-dioxid, dinitrogén-oxid, üvegházhatású gázok, talajoszlop, tenyészedény

17 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 159 Irodalom CONRAD, R., Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H 2, CO, CH 4, OCS, N 2 O and NO). Microbiological Reviews DAVIDSON, E. A. & KINGERLEE, W., Global inventory of emissions of nitric oxide from soils: A literature review. Nutrient Cycling in Agroecosystems DELMAS, R., SERCA, D. & JAMBERT, C., Global inventory of NOx sources. Nutr. Cycling Agroecosys EDGAR (Emissions Database for Global Atmospheric Research). europa.eu/data-portals.html/#dp25 FROLKING, S. E. et al., Comparison of N 2 O emissions from soils at three temperate agricultural sites: simulations of year-round measuremeats by four models. Nutr. Cycl. Agroecosyst GALBALLY, J. E. & ROY, C. R., Loss of fixed nitrogen by nitric oxide exhalation. Nature GALBALLY, I. E. et al., 28. Measurements of Soil-Atmosphere Exchange of CH 4, CO, N 2 O and NOx in the Semi-arid Mallee System in Southeastern Australia. Centre for Australian Weather and Climate Research. Technical Report No 2 (28) ISBN GANZEVELD, L., 25. Soil-biogenic NOx emissions: global scale inventories. GEA Review 2/28/5. GANZEVELD, L. et al., 22. The influence of soil biogenic NOx-emissions on the global distribution of reactive trace gases: the role of canopy processes. J. Geophys. Res GEIA (Global Emissions Initiative) GHG AFOLU: Action 242-Greenhouse Gases in Agriculture, Forestry, and Other Land Uses Action. HALL, S. J., HUBER, D. & GRIMM, N. B., 28. Soil N 2 O and NO emissions from arid and urban ecosystem. J. Geophys. Res G116. doi:1.129/27jg253. HOFFMANN, S. et al., 28. Yield response and N-utilization depending on crop sequence and organic or mineral fertilization. Cereal Res. Commun. Suppl HOFFMANN S. et al., 213. Ásványi és szervestrágyázás hatása a termésre és a CO 2 termelésre szántóföldi és tenyészedény-kísérletben. Agrokémia és Talajtan HUTCHINSON, G. L. et al., Coarse-scale soil atmosphere NOx modeling: status and limitations. Nutr. Cycling Agroecosys IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). JACINTHE, P. A. & DICK, W. A., Use of silicone tubing to sample nitrous oxide in the soil atmosphere. Soil Biology and Biochemistry KAMPFL, G. et al., 27. Examination of NOx and CO 2 production in agricultural soils. Microchemical Journal LOKUPITIYA, E. & PAUSTIAN, K., 25. Agricultural soil greenhouse gas emissions. Journal of Environmental Quality MARTIN, R. E. et al., Controls on annual emissions of nitric oxide from soils of the Colorado Shortgrass steppe. Global Biogeochemical Cycles

18 16 HELTAI et al. PÁRTAY G. et al., A gázfázis vizsgálata bolygatatlan szerkezetű talajoszlopban, kvadrupol tömegspektrométerrel. Agrokémia és Talajtan POTTER, C. S. et al., Process modeling of controls on nitrogen trace gas emissions from soils worldwide. J. Geophys. Res ROWLINGS, D. et al., 21. Quantifying N 2 O and CO 2 emissions from a subtropical pasture. In: 19 th World Congress of Soil Science, Soil Solutions for a Changing World, 1 6 August 21, Brisbane, Australia. (DVD) SCHINDLBACHER, A., ZECHMEISTER-BOLTENSTERN, S. & BUTTERBACH-BALL, K., 24. Effects of soil moisture and temperature on NO, NO 2 and N 2 O emissions from European forest soils. J. Geophys. Res. 19. D1732. STEWART, D. J. et al., 28. Biogenic nitrogen oxide emissions from soils: impact on NOx and ozone over West Africa during AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis): observational study. Atmos. Chem. Phys SZILI-KOVÁCS T. et al., 29. Szilikoncső alkalmazása talajlevegő mintavételhez bolygatatlan talajoszlopokban a CO 2 - és N 2 O-koncentráció meghatározáshoz. Agrokémia és Talajtan YAN, X., OHARA, T. & AKIMOTO, H., 25. Statistical modeling of global soil NOx emission. Global Biochemical Cycles. 19. GB 319. YANG, Z. P. et al., 211. Loss of nitrogen by ammonia volatilisation and denitrification after application of urea to maize in Shanxi Province, China. Soil Research YINGER, J. J. & LEVY, H., II. Global inventory of soil biogenic NOx emissions. J. Geophys. Res Érkezett: 213. április 8.

19 Ásványi- és szervestrágyázás hatása a CO 2 és N 2 O gázok képződésére 161 Influence of mineral and organic fertilization on the production of CO 2 and N 2 O gases in soil 1 G. HELTAI, 2 A. ANTON, 3 S. HOFFMANN, 2 T. SZILI-KOVÁCS, 3 K. BERECZ, 1 G. KAMPFL, 1 K. KRISTÓF, 1 E. MOLNÁR, 1 M. HORVÁTH and 1 Á. BÁLINT 1 Department of Chemistry and Biochemistry, Szent István University, Gödöllő (Hungary), 2 Institute for Soil Sciences and Agricultural Chemistry, Centre for Agricultural Research, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, 3 Institute of Crop Production and Soil Science, Georgikon Faculty, University of Pannonia, Keszthely (Hungary) Summary Soils from selected treatments in a long-term comparative experiment on the effect of organic and mineral fertilizers, set up in Keszthely in 1963, were used in pot experiments together with undisturbed soil columns taken from the border plots. The aim was to determine how mineral fertilizer, farmyard manure (FYM) and the ploughing in of plant residues influenced the dynamics of CO 2 and N 2 O gas production and their accumulation in the soil air during the vegetation period. Pot experiments of mesocosm size were conducted in 28, 29 and 21. For the soil from treated plots, gas traps were installed in the pots at a depth of 2 cm to collect soil air samples. In the case of the undisturbed soil columns, the production of CO 2 and N 2 O was studied at depths of 2, 4 and 6 cm. The CO 2 concentration stagnated at the start of the growing period, after which one or more peaks were observed before the concentration dropped to the original level in both experimental systems. These changes exhibited good correlation with changes in the mean daily temperature. Changes in N 2 O production exhibited no clear trend over time in the soil columns, while an increase in the concentration was only observed in the pots until the 6 th day after sowing. The CO 2 concentration in the undisturbed soil columns rose significantly up to a depth of 4 cm, while little further change was observed between 4 and 6 cm. A similar tendency was observed for the changes in N 2 O concentration with depth, but this was not as clear, since the measurements were less reliable. In the pots the CO 2 concentrations recorded in the gas traps at a depth of 2 cm were of the same order of magnitude as the values found at the same depth in the soil columns. In the unfertilized treatments the presence of plants increased the production of CO 2 and N 2 O both in the soil columns and in the pots. In response to fertilizer treatments the production of both gases decreased in the soil columns. In the presence of plants this reduction was less intense when organic manure was applied than in the case of mineral fertilizer. In the pot experiments the presence of plants caused an increase in the CO 2 and N 2 O production in the soil in the fertilized treatments. This increased in the same order as the yield-increasing effect of the treatments: FYM < mineral fertilizer < FYM + mineral fertilizer. In summary it can be concluded that the conditions influencing the production of CO 2 and N 2 O and their emission from the soil differ in undisturbed and cultivated soil, and that the presence of metabolising plants has a substantial effect on this process. The

20 162 HELTAI et al. database created from the experimental results will allow the CO 2 and N 2 O emission from agricultural soils in the case of diverse methods of fertilization and cultivation to be realistically estimated using mathematical models. Table 1. Nutrient supplies in the long-term field experiment treatments selected for the greenhouse pot experiment. (1) Treatment code. (2) FYM (#). (3) Equivalent NPK (ekv) quantity. (4) Supplementary NPK fertilization (t ha -1 5 years -1 ). (5) Total N, P 2 O 5, K 2 O (t ha -1 year -1 ). (6) Ploughing in of straw or stems. Note: 1 #(2) = 35 t ha- 1 FYM for 5 years, added in two splits, in the first and third years; 1 #(1) = 35 t ha- 1 FYM for 5 years, added in the first year; 1 ekv = mineral NPK equivalent to that of 35 t ha- 1 FYM added over 5 years in annual increments. In 28 gas traps were also placed on the soil surface in treatments 1, 4 and 7 (designated as 1F, 4F and 7F, respectively). In 21 a control treatment without plants was set up in treatments 1, 4 and 7 (designated as 1A, 4A, and 7A). Table 2. Fertilization treatments applied in the undisturbed soil columns. (1) Treatment code. (2) Plant (maize). (3) FYM (28 and 21), g column -1. (4) PK fertilizer (28 and 21), g column -1. (5) Mineral N fertilizer (28, 29 and 21), g column -1. Note: The FYM dose corresponds to 15 t ha -1 5 years -1, applied in two splits. The NPK fertilizer doses were the equivalent of 15 t ha -1 FYM; the P and K were added in two splits over 5 years, while mineral N was added each year in spring. P was applied as 18% superphosphate, K as 6% KCl and N as 27% calcium ammonium nitrate. Fig. 1. Changes in the CO 2 concentration of soil air samples taken from gas traps in the pot experiment in 28 (A), 29 (B) and 21 (C). Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 1. Fig. 2. Changes in the N 2 O concentration (μg L -1 ) of soil air samples taken from gas traps in the pot experiment in 28 (A), 29 (B) and 21 (C). Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 1. Fig. 3. Changes in the CO 2 (mg L -1 ) (A) and N 2 O concentrations (µg L -1 ) (B) in undisturbed soil columns at depths of 2, 4 and 6 cm in 28. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 4. Changes in the CO 2 (mg L -1 ) (A) and N 2 O concentrations (µg L -1 ) (B) in undisturbed soil columns at depths of 2, 4 and 6 cm in 29. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 5. Changes in the CO 2 (mg L -1 ) (A) and N 2 O concentrations (µg L -1 ) (B) in undisturbed soil columns at depths of 2, 4 and 6 cm in 21. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2. Fig. 6. Changes in the CO 2 (mg L -1 ) (A) and N 2 O concentrations (µg L -1 ) (B) in undisturbed soil columns at depths of 2, 4 and 6 cm in 211. Horizontal axis: Number of days from sowing. Treatments: see Table 2.