A meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére két savanyú homoktalajon

AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 54 (2005) 1 2 139 148 A meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére két savanyú homoktalajon FILEP TIBOR és SZILI-KOVÁCS TIBOR MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet, Budapest A savanyú talajok javításának célja a talaj termőképességének javítása. A javítóanyagok alkalmazásával a kémhatásviszonyok megváltozásán keresztül jelentősen megváltozik a talaj számos fizikai, kémiai és biológiai jellemzője, ezáltal a talaj mikrobiális színtere nagymértékben átstrukturálódhat. Mindez maga után vonja a talaj C- és N-körforgalmának, valamint a mikrobiális biomassza mennyiségének és minőségének módosulását (NÉMETH, 1996). A talajok meszezésének a hatását a mikrobiális biomassza mennyiségére számos kutató vizsgálta. Igaz, a rendelkezésre álló irodalmi adatok elsősorban erdő, rét vagy legelő művelésű talajokra vonatkoznak. Észak-Európában gyakran műtrágyázzák és meszezik a fenyőültetvények talajait. Ennek során mikrobiális biomassza-növekedésről számoltak be (BÅÅTH & ANEBRANT, 1994; SMOLANDER et al., 1994; ANDERSON, 1998; CHAGNON et al., 2001). A rendszeres meszezés abbahagyása után viszont csökkent a mikrobiális biomassza egy vizsgált felföldi legelőn (BARDGETT & LEEMANS, 1995). FRITZE és munkatársai (1996) azt tapasztalták, hogy a nehézfém-szennyezéssel együtt csökkent a talaj mikrobiális biomasszája (három eltérő módszerrel mérve) és aktivitása egy fenyőerdő talajában, meszezés hatására viszont nagyobb respirációs (és biomassza) értékeket kaptak. Mezőgazdasági területeken folytatott kísérletekben is hasonló tendenciákat kaptak: a meszezés növelte a mikrobiális aktivitást és a biomassza tömegét (BEZDICEK et al., 2003; SOON & ARSHAD, 2005). NEALE és munkatársai (1997) laboratóriumi vizsgálatokban azt tapasztalták, hogy a meszezést követő 4. napig a mikrobiális biomassza tömege legalább a kétszeresére nőtt, majd ezt követően csökkent. Vizsgálatunkban a talaj szubsztrát indukált respirációját (SIR) mértük, amely az összes mikrobiális biomasszán belül az aktív biomassza jellemzésére használható, és mérése lehetőséget ad arra is, hogy kiszámíthassuk a talajok mikrobiális biomasszájának C-tartalmát (MBC). Vizsgálataink során arra a kérdésre kerestük a választ, hogy a meszezés milyen hatást gyakorol a mezőgazdasági talajok respirációjára, és ezen keresztül a mikrobiális biomassza tömegére. Postai cím: FILEP TIBOR, MTA Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet, 1022 Budapest, Herman Ottó út 15. E-mail: filept@rissac.hu

140 FILEP SZILI-KOVÁCS Anyag és módszer A kísérletekhez két kovárványos barna erdőtalajt, fizikai talajféleségét tekintve homokot (Kisvárda és Nyírlugos) választottunk ki. A talajok fontosabb fizikai és kémiai jellemzőit az 1. táblázat tartalmazza. (1) Talaj 1. táblázat A tenyészedény-kísérletekhez használt talajok fizikai és kémiai jellemzői ph (CaCl 2 ) y 1 (2) Homok (3) Iszap % (4) Agyag (5) Humusz T-érték (cmol kg -1 ) Kisvárda 4,4 12,6 86,7 6,6 6,7 0,7 2,7 7,8 Nyírlugos 4,2 8,1 84,5 5,2 10,3 0,6 8,6 8,9 C/N Tenyészedény-kísérlet. A tenyészedényekbe légszáraz, 2 mm-es szitán átszitált talajmintákat tettünk, majd az edényeket mozgatható kocsikon helyeztük el, nappal a szabadban, éjjel vagy eső esetén tető alatt tartottuk. A tenyészedényekbe vitt talajok nedvességtartalmát a szabadföldi vízkapacitás 75%-ára állítottuk be. Az edények súlyát naponta mértük, a párolgás és a vízfelvétel miatti súlyveszteséget ioncserélt vízzel szükség szerint pótoltuk. (1) Kezelés 2. táblázat A tenyészedény-kísérletben alkalmazott kezelések (2) Meszező anyag (g/11 kg) * (3) Meszező anyag (t/ha) a) Kontroll 0 g 0 M 1 11 g mészkő (= a számított adag fele) 1,4 M 2 22 g mészkő (= a számított adag) 2,8 M 3 33 g mészkő (= a számított adag másfélszerese) 4,1 * A javítóanyag-dózisok számítását az y 1 és a K A alapján végeztük (GYŐRI & RÉDLY, 1988) A kísérlet beállítása teljes faktoriális terv szerint történt, 4 kezeléssel 18 ismétlésben. Az alkalmazott kezeléseket a 2. táblázat tartalmazza. Kezelésenként azonos NPK-adagokat alkalmaztunk: 1 1 1 g N, P 2 O 5 és K 2 O/edény. 2000-ben a Kisvárdáról származó homoktalajjal, 2002-ben pedig a nyírlugosi talajjal állítottuk be kísérletünket. A talajból 11 kg-ot mértünk edényekbe és 2000-ben április 18-án, 2002-ben április 24-én edényenként 40 szem zabot (Avena sativa L.) vetettünk el. A tenyészidő alatt háromszor vettünk talajmintát. A mintavételhez, a különböző kezelésekből, minden esetben egy-egy ismétlést felszámoltunk. A mintavételek időpontjai a következők voltak: május 18., június 14. és július 21. (2000), ill. május 23., június 20. és július 18. (2002).

Meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére 141 A tenyészidő befejeztével (aratás után) a megmaradt edényeket (összesen 36 db edényt számoltunk fel a 72-ből) nem öntöztük tovább sem 2000-ben, sem 2002-ben. 2001-ben, ill. 2003-ban a fentebb leírtak szerint jártunk el, azzal a különbséggel, hogy mészkezelést nem adtunk, csak NPK-oldatot. 2001-ben április 10-én vetettük el a zabot, a mintavételek május 23-án, június 15-én és július 24-én voltak. 2003-ban a vetés időpontja április 24-e volt, a mintavételek június 4-én, június 18-án és július 23-án történtek. Vizsgálati módszerek. A talajmintákból mértük a vízoldható szerves anyag C- (WEOC) és N- (WEON) tartalmát, meghatároztuk a talaj CaCl 2 -os ph-ját, valamint a talaj szubsztrát indukált respirációját (SIR). A talajok CaCl 2 -os ph-ját 1:2,5 talaj:0,01 M CaCl 2 arányú szuszpenzióban mértük, 12 órai állás után a tiszta, felülúszó részből. A talaj vízoldható szerves-c- (WEOC), ill. N- (WEON) tartalmának mérését a következőképpen készítettük elő: 15 g előzőleg 2 mm-es szitán átszitált légszáraz talajt 150 cm³ 0,01 M CaCl 2 -dal 2 órán át rázattunk. A rázatás után először redős szűrőpapíron, majd a szűrletet 0,45 mikron pórusátmérőjű membránszűrőn szűrtük. A szűrletből mértük a talaj vízoldható szerves-n (WEON) mennyiségét. A fennmaradó szűrlet 20 cm³-éhez 1 cm³ 1 M HNO 3 -ot adtunk, a karbonátok oldatból való kiűzése érdekében és a szűrlet ezen részéből határoztuk meg a talaj vízoldható szerves-c (WEOC) mennyiségét. A SIR meghatározását ANDERSON és DOMSCH (1978) szerint végeztük, azzal a módosítással, hogy a glükózt nem szilárd formában, hanem oldatban adtuk a talajhoz. A talajmintákat 20 g légszáraz állapotnak megfelelő mennyiségben mértük be kb. 150 cm³ térfogatú szérumpalackokba. A szérumpalackok térfogatát pontosan egyedileg meghatároztuk. A talajokat előzőleg (7 nappal korábban) a vízkapacitás 50%-ára nedvesítettük és termosztátban 22 o C-on előinkubáltuk. A mérés napján 0,5 cm³ 100 mg/cm³ glükózoldatot adtunk a mintákhoz, és alaposan összekevertük, majd szérumsapkával lezártuk és 22 o C- os rázó-vízfürdőn inkubáltuk. 30 és 150 perc elteltével vettünk gázmintát (0,5 cm³) az edényekből és mértük a CO 2 -tartalmat. Analitikai és statisztikai módszerek. A talajok ph-ját üvegelektróddal mértük, a WEOC-tartalmat ICP-OES készülékkel határoztuk meg. A WEONtartalmak mérése contiflo készülékkel történt, úgy, hogy a talaj WEONtartalmát az összes-n és a szervetlen-n koncentrációk közötti különbségekből számítottuk. A CO 2 -koncentrációt gázkromatográffal határoztuk meg metán formájában, egy katalizátor oszlopon történő redukció után, lángionizációs detektorral. A talaj gázfázisával a talajoldatban lévő egyensúlyi CO 2 -ot és HCO 3 -t SPARLING és WEST (1990) szerint számítással meghatároztuk és figyelembe vettük a SIR meghatározásánál. A 30 és 150 perc között képződött CO 2 -ból számítottuk a SIR-t. A SIR-értékek biomassza-c-re való átszámításához 30-as szorzófaktort alkalmaztunk (KAISER et al., 1992).

142 FILEP SZILI-KOVÁCS Az eredmények statisztikai értékelését egytényezős varianciaanalízissel végeztük. Eredmények és értékelés A mészadagok növekedésével növekedett a talaj mikrobiális biomasszája, azonban a maximális adagoknál sok esetben tapasztaltuk az értékek stagnálását, valamint statisztikailag igazolható visszaesését is (3. táblázat). A jelenség oka az lehet, hogy a meszezés okozta ph-növekedés jelentősen megnövelte a mikrobiális biomassza tömegét is. A talaj azonban nem képes elegendő nitrogént szolgáltatni a mikroorganizmusok számára, mivel a talaj N- ellátottsága nem kielégítő annak következtében, hogy viszonylag kis mennyiségű könnyen mineralizálható szerves anyagot tartalmaz. Számos vizsgálatban kimutatták, hogy a meszezés növeli a mineralizáció sebességét (NYBORG & HOYT, 1978), valamint nő a mikrobiális biomassza N- tartalma is, bár a C/N arány változatlan maradt (ADAMS & ADAMS, 1983; CARTER, 1986). Kísérletünkben az egységnyi mikrobiális biomassza-tömeghez viszonyított szervetlen nitrogén (NO 3 - +NH 4 + ) aránya (N i /MBC) a mészkezelések hatására csökkent, majd a maximális kezeléseknél nőtt (3. táblázat). Mindez jelzi, hogy a kedvezőbb kémhatásviszonyok indikálta mikrobiális biomassza-növekedést a N-mineralizáció nem tudta követni, egyre kevesebb a felvehető nitrogén a talajban. Valószínűleg ez a relatív N-hiány okozta a mikrobiális biomassza növekedésének megtorpanását, ill. csökkenését: az M 2 - kezelések elérik a kritikus értéket ekkor már olyan kevés a felvehető nitrogén, hogy zavar áll be a mikroorganizmusok metabolizmusában és csökken a biomassza tömege is. Ezért a N i /MBC arány a maximális adagnál újra nőni kezd. A mikroorganizmusok elsődleges szubsztrátja a talaj vízoldható szerves anyaga (water extractable organic matter, WEOM), ezért tapasztalhattuk a WEOM N-tartalmának drasztikus csökkenését a ph 5,5 6,5 tartományban (1. ábra). A talaj könnyen oldható és ezáltal a mikroorganizmusok számára mineralizálható szerves anyagának C/N aránya (WEOC/WEON) az M 2 - és M 3 - kezelések ph-tartományában (ph 5,5 6,5) exponenciálisan nőtt, azaz ebben a ph-tartományban jelentősen csökkent a vízoldható szerves vegyületek N-tartalma. A kezdeti 10 20-as értékről a kezelések hatására egészen a 80 90-es értékekig emelkedik a WEOC/WEON arány, ami jelentős, ötszörös nyolcszoros N-elszegényedést jelent. Úgy tűnik, a talaj vízoldható szerves anyagának C/N aránya meglehetősen pontosan indikálja a talaj N-szolgáltató képességét, jelen esetben annak csökkenését, amelyet a mikrobiális biomassza csökkenése is jelez. Ezzel összhangban a WEOC/WEON arány növekedése kezdeti dinamikus mikrobiális biomassza-növekedést generál, majd a 30 50-es tartományban ez a növekedés megtorpan, stagnál és csökkenni kezd (2. ábra).

Meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére 143

144 FILEP SZILI-KOVÁCS 100 90 80 70 Kisvárda Nyírlugos WEOC/WEON 60 50 40 30 20 10 0 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 ph (CaCl 2 ) 1. ábra Összefüggés a talaj ph-ja és a vízoldható szerves-c és -N aránya (WEOC/WEON) között 140 120 100 MBC (mg/kg) 80 60 40 20 Kisvárda Nyírlugos 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 WEOC/WEON 2. ábra A talaj vízoldható szerves C- és N arányának (WEOC/WEON) és a mikrobiális biomassza C-tartalmának összefüggése

Meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére 145 Következtetések A meszezés a kialakuló kedvezőbb kémhatás következtében növeli a talaj respirációját és mikrobiális biomasszáját, azonban a növekedésnek gátat szabhat a talaj kimerülő N-készlete. Bebizonyosodott, hogy a mikrobiális biomassza mennyisége és a talaj könnyen oldható szerves anyagának C/N aránya között szoros az összefüggés: kísérleti körülményeink között a WEOC/WEON arány 30 fölé emelkedése a mikroorganizmusok N-ellátásának zavarát okozta, mivel ez azt jelenti, hogy a talaj könnyen mineralizálható szerves anyagának N- tartalma olyan alacsonnyá vált, hogy ez a mikroorganizmusok szaporodását gátolta. Mindebből az is következik, hogy a talaj vízoldható szerves anyaga (WEOM) fontos indikátora lehet a környezeti változásoknak, valamint jól jellemezheti a talaj rövid távú N-szolgáltató képességét. Összefoglalás Tenyészedény-kísérletben vizsgáltuk két savanyú homoktalaj (Kisvárda és Nyírlugos) szubsztrát indukált respirációját (SIR) és mikrobiális biomasszájának C-tartalmát (MBC) a mészkezelések függvényében. Jelzőnövényként zabot (Avena sativa L.) alkalmaztunk. A kezelések a következők voltak: kontroll, a számított mészadag fele, a számított mészadag, a számított mészadag másfélszerese. Összesen két tenyészidőn keresztül vizsgáltuk a kezeléshatásokat, úgy, hogy mindkét tenyészidőben 3 3 alkalommal talajmintát vettünk, és meghatároztuk a minták respirációját, majd ebből a mikrobiális biomassza-c értékeit. Megállapítottuk, hogy a meszezés növelte a talaj respirációját és ezzel a mikrobiális biomassza-c-t (MBC) is, azonban a maximális mészadagoknál sok esetben tapasztaltuk az értékek stagnálását, visszaesését. A jelenség oka az, hogy nagy mészadagoknál a mikroorganizmusok N-ellátottsága nem kielégítő annak következtében, hogy a talaj viszonylag kis mennyiségű gyorsan mineralizálható szerves anyagot tartalmaz. Kulcsszavak: meszezés, mikrobiális biomassza, vízoldható szerves anyag (WEOM) Irodalom ADAMS, T. M. M. & ADAMS, S. N., 1983. The effects of liming and soil ph on carbon and nitrogen contained in the soil biomass. J. Agric. Sci. 101. 553 558. ANDERSON, J. P. E. & DOMSCH, K. H., 1978. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils. Soil Biol. Biochem. 10. 215 221.

146 FILEP SZILI-KOVÁCS ANDERSON, T. H., 1998. The influence of acid irrigation and liming on the soil microbial biomass in a Norway Spruce (Picea-Abies (L.) K.) stand. Plant Soil. 199. 117 122. BÅÅTH, E. & ARNEBRANT, K., 1994. Growth rate and response of bacterial communities to ph in limed and ash treated forest soils. Soil Biol. Biochem. 26. 995 1001. BARDGETT, R. D. & LEEMANS, D. K., 1995. The short-term effects of cessation of fertilizer applications, liming, and grazing on microbial biomass and activity in a reseeded upland grassland soil. Biol. Fertil. Soils. 19. 148 154. BEZDICEK, D. F., BEAVER, T. & GRANATSTEIN, D., 2003. Subsoil ridge tillage and lime effects on soil microbial activity, soil ph, erosion, and wheat and pea yield in the Pacific Northwest, USA. Soil Till. Res. 74. 55 63. CARTER, M. R., 1986. Microbial biomass and mineralizable N in solonetz soils: influence of gypsum and lime amendments. Soil Biol. Biochem. 18. 531 537. CHAGNON, M. et al., 2001. Effects of experimental liming on Collembolan communities and soil microbial biomass in a southern Quebec sugar maple (Acer saccharum Marsh.) stand. Appl. Soil Ecol. 17. 81 90. FRITZE, H. et al., 1996. Vitality fertilization of Scots pine stands growing along a gradient of heavy metal pollution: Short-term effects on microbial biomass and respiration rate of the humus layer. Fres. J. Anal. Chem. 354. 750 755. GYŐRI D. & RÉDLY L.-NÉ, 1988. Talajjavító anyagok adagjának megállapítása. In: Talaj- és agrokémia vizsgálati módszerkönyv. (Szerk.: BUZÁS I.). 139. Mezőgazd. Kiadó. Budapest. KAISER, E. A. et al., 1992. Evaluation of methods to estimate the soil microbial biomass and the relationship with soil texture and organic matter. Soil Biol. Biochem. 24. 675 683. NEALE, S. P., SHAH, Z. & ADAMS, A., 1997. Changes in microbial biomass and nitrogen turnover in acidic organic soils following liming. Soil Biol. Biochem. 29. 1463 1474. NÉMETH T., 1996. Talajaink szervesanyag-tartalma és nitrogénforgalma. MTA TAKI. Budapest. NYBORG, M. & HOYT, P. B., 1978. Effects of soil acidity and liming on mineralization of soil N. Can. J. Soil Sci. 58. 331 338. SMOLANDER, A. et al., 1994. Microbial biomass C and N, and respiratory activity in soil of repeatedly limed and N- and P-fertilized Norway spruce stands. Soil Biol. Biochem. 26. 957 962. SOON, Y. K. & ARSHAD, M. A., 2005. Tillage and liming effects on crop and labile soil nitrogen in an acid soil. Soil Till. Res. 80. 23 33. SPARLING, G. P. & WEST, A. W., 1990. A comparison of gas chromatography and differential respirometer methods to measure soil respiration and to estimate the soil microbial biomass. Pedobiologia. 34. 103 112. Érkezett: 2005. február 14.

Meszezés hatása a talaj mikrobiális biomassza mennyiségére 147 Effect of Liming on the Microbial Biomass in Two Acidic Sandy Soils T. FILEP and T. SZILI-KOVÁCS Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry of the Hungarian Academy of Sciences, Budapest Summary The microbial biomass C content (MBC) of two acidic sandy soils (from Kisvárda and Nyírlugos) were investigated in a pot experiment as a function of lime treatments. Oats (Avena sativa L.) were sown as indicator plant. The treatments were as follows: control, half the calculated lime rate, the calculated lime rate, and one and a half times the calculated lime rate. Treatment effects were observed over two vegetation periods, taking three soil samples during each vegetation period and determining the respiration of the samples, from which the microbial biomass C values were calculated. Liming was found to increase soil respiration and consequently MBC, but at the maximum lime rate these values stagnated or declined in many cases. This can be attributed to the fact that at high lime rates the N supplies to microorganisms are insufficient due to the small quantity of rapidly mineralizable organic matter in the soil. In the present experiments the ratio of inorganic nitrogen (NO 3 + NH 4 + ) to unit microbial biomass (N i /MBC) decreased as the result of liming, but increased again at the maximum rate, indicating that N mineralization was unable to keep pace with the increase in microbial biomass induced by the more favourable ph, leading to a reduction in the quantity of available nitrogen in the soil. It was probably this relative N deficiency that caused the increase in microbial biomass to stagnate or decline: when the M 2 treatment reached a critical value, the biomass also decreased. For this reason the N i /MBC ratio began to rise again at the maximum rate. It was proved that the quantity of microbial biomass and the C/N ratio of the readily soluble organic matter in the soil were in close correlation. Under the given experimental conditions the WEOC/WEON ratio rose to above 30, causing disturbances in N supplies to microorganisms. The N content of the readily mineralizable organic matter in the soil became so low that it inhibited the reproduction of the microorganisms. It follows that the water-extractable organic matter (WEOM) could be an important indicator of environmental changes, and could be used to characterize the short-term N-supplying ability of the soil. Table 1. Physical and chemical properties of the soils in the pot experiment. (1) Site of origin. (2) Sand, %. (3) Silt, %. (4) Clay, %. (5) Humus, %. Table 2. Treatments applied in the pot experiment. (1) Treatment. a) Control. (2) Liming agent, g/11 kg. M 1 : half the calculated rate, M 2 : the calculated rate, M 3 : one and a half times the calculated rate. (3) Liming agent, t/ha. Note: Rates of ameliorant were calculated from y 1 and K A (GYŐRI & RÉDLY, 1988). Table 3. Effect of liming on the microbial biomass C content (A) and ratio of inorganic N to unit microbial biomass (N i /MBC) (B) in the soil. (Pot experiment, taking six samples from each soil over two vegetation periods.) (1) Treatment. a) Control.

148 FILEP SZILI-KOVÁCS (2) Soil from Kisvárda. (3) Soil from Nyírlugos. (4) Sampling date. Note: a c indicate significant differences within each column at the 5% level of probability according to Tukey s HSD test. For treatments: see Table 2. Fig. 1. Correlation between soil ph and the ratio of water-extractable organic C to N (WEOC/WEON). Fig. 2. Correlation between the ratio of water-extractable organic C to N (WEOC/WEON) and the microbial biomass C content in the soil.