DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS
Készítette:
KOÓS Sándor
Keszthely
2012
S
ZEZONDINAMIKAI ÉS ÖSSZEFÜGGÉS VIZSGÁLATOK EGY30
ÉVES TARTAMKÍSÉRLET GYEP SZAKASZÁBANÉrtekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében a Pannon Egyetem Georgikon Kar
Növénytermesztési és Kertészeti Tudományok Doktori Iskola tartozóan.
Írta:
Koós Sándor
Témavezető: Prof. Dr. Németh Tamás, az MTA rendes tagja, DSc.
Dr. Tóth Zoltán, egyetemi docens, PhD.
Elfogadásra javaslom (igen / nem)
……….
Prof. Dr. Németh Tamás
A jelölt a doktori szigorlaton ... %-ot ért el.
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: ………. igen /nem
………..………
aláírás Bíráló neve: ………. igen /nem
………..………
aláírás A jelölt az értekezés nyilvános vitáján ... %-ot ért el.
Budapest,
……….
a Bíráló Bizottság elnöke
A doktori (PhD) oklevél minősítése: ...
……….
az EDHT elnöke
TARTALOMJEGYZÉK
Kivonat ... 6
Szezondinamikai és összefüggés vizsgálatok egy 30 éves tartamkísérletben ... 6
Abstract ... 7
Seasonal dynamic and relation investigations in a 30-years old long term experiment .... 7
Zusammenfassung ... 8
Saisonale Dynamik und Korrelationsstudien eine 30-jährige Langzeit-Experiment ... 8
1. Bevezetés és célkitűzés ... 9
2 Irodalmi áttekintés ... 12
2.1 A talaj, mint természeti környezeti elem ... 12
2.1.1 A művelt talaj sajátosságai ... 14
2.2 A talajok tápanyagforgalma... 17
2.2.1 A talajok nitrogén-forgalma ... 19
2.2.2 A talajok foszfor-forgalma ... 22
2.2.3 A talajok kálium-forgalma ... 25
2.3 A talajok CO2-kibocsátása ... 27
2.3.1 A talajok CO2-kibocsátásának mérési módszerei ... 30
2.3.2 A talajok víz- és tápanyagforgalma illetve CO2-kibocsátása közötti összefüggés 32 2.4 A tartamkísérletek fontossága ... 34
2.5 A gyep tápanyagforgalma ... 36
3. Anyag és módszer ... 40
3.1 A nagyhörcsöki kísérleti terület jellemzése ... 40
3.2 A műtrágyázási tartamkísérlet (1.84 kísérlet) rövid jellemzése ... 42
3.3 Talajmintavételi és talajvizsgálati módszerek ... 44
3.4 A CO2 mérésének módszere ... 45
3.4.1 Az ’A’ hengerben történő CO2-kibocsátás mérése ... 47
3.4.2 A ’B’ hengerben történő CO2-kibocsátás mérése ... 47
3.4.3 A mért adatok értékelése ... 48
4. Vizsgálati eredmények és megvitatásuk ... 49
4.1 A talaj N-tartalmának vizsgálati eredményei ... 49
4.1.1 A talaj NO3-N tartalmának vizsgálati eredményei ... 49
4.1.2 A talaj NH4-N tartalmának vizsgálati eredményei ... 52
4.1.3 A talaj összes-N tartalmának vizsgálati eredményei ... 55
4.2 A talaj AL-P2O5 tartalmának vizsgálati eredményei ... 58
4.3 A talaj AL-K2O tartalmának vizsgálati eredményei ... 61
4.4 A talaj nedvesség-tartalmának vizsgálati eredményei ... 64
4.5 A talaj hőmérsékletének vizsgálati eredményei ... 68
4.6 A talaj CO2-kibocsátásának vizsgálati eredményei ... 69
4.6.1 A talaj CO2-kibocsátásának vizsgálati eredményei az ’A’ hengerben ... 69
4.6.2 A talaj CO2-kibocsátásának vizsgálati eredményei a ’B’ hengerben ... 71
4.6.3 A mikrobiális és a gyökérlégzés megítélése, az ’A’ és a ’B’ hengerekben mért CO2-kibocsátási értékek alapján ... 74
4.7 Összefüggés vizsgálatok eredményei ... 75
4.7.1 A talaj N-tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 76
4.7.1.1 A talaj NO3-N tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 76
4.7.1.2 A talaj NH4-N tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 77
4.7.1.3 A talaj összes-N tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati
eredményei ... 78
4.7.2 A talaj AL-P2O5 tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 79
4.7.3 A talaj AL-K2O tartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 79
4.7.4 A talaj nedvességtartalma és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 80
4.7.5 A talaj hőmérséklete és CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálati eredményei ... 81
5. Összefoglalás ... 84
6. Felhasznált irodalom jegyzéke ... 87
7. Új tudományos eredmények ... 98
8. Mellékletek ... 99
9. Köszönetnyilvánítás ... 110
KIVONAT
Szezondinamikai és összefüggés vizsgálatok egy 30 éves tartamkísérletben
Egy 1973-ban beállított NPK műtrágyázási tartamkísérletben (MTA TAKI Nagyhörcsöki kísérleti telep) szezondinamikai és összefüggés vizsgálatokra irányuló méréssorozatot indított a szerző 2003-ban, azzal a céllal, hogy összefüggést keressen a talaj NPK tápanyagtartalma, talajnedvesség állapota és hőmérséklete valamint a talaj CO2- kibocsátássa között. A vizsgálat során 19 alkalommal, átlagmintákból (0–20, 20–40 és a 40–60 cm rétegekből) különböző dózisú NPK trágyázás mellett mérte a talaj NO3-N, NH4- N, összes-N, AL-P2O5, AL-K2O tartalmát, nedvességi állapotát, valamint az 5-7,5 cm mély talajréteg hőmérsékletét. Mindemellett in-situ méréseket végzett a talaj CO2-kibocsátására vonatkozóan kamrás (chamber)p mérési eljárással.
A talaj NO3-N és AL-P2O5 tartalmát nagyban befolyásolta az alkalmazott műtrágyadózis, míg a NH4-N és AL-K2O tartalom esetében a növekedés csak kis mértékű volt. A szezonális fluktuáció a talaj NO3-N és az AL-P2O5 tartalma esetében erőteljes, míg a NH4-N, összes-N és AL-K2O tartalmak esetében minimális volt.
A talajnedvesség és talajhőmérséklet adatok, illetve azok ingadozásai jól tükrözik a 2003-as extrém száraz évet.
A talaj CO2 kibocsátásában szignifikáns eltérés volt kimutatható a kezelések között, ugyanakkor a statisztikai elemzés szerint a szezonális ingadozás jóval erősebben befolyásolta a CO2 kibocsátást, mint a tápanyag-visszapótlás növelése. A mikrobiális tevékenységből származó CO2-kibocsátás nagyobb százalékos arányban vett részt a talajlégzésben, mint a gyökérlégzésből származó CO2-kibocsátás.
Az egyes tápelemek mennyisége és a talajlégzés között csak igen alacsony mértékű összefüggések voltak kimutathatók. A legmagasabb korrelációs koefficiens a talaj NH4-N tartalma és a talajlégzés között, a legalacsonyabb pedig a talaj AL-K2O tartalma és a talaj CO2-kibocsátása között volt számolható. A talajnedvesség illetve a talajhőmérséklet, és a talaj CO2-kibocsátása között az irodalmi adatokkal ellentétben csupán csekély korrelációt lehetett kimutatni. A legszorosabb összefüggéseket a kontroll parcellában lehetett kimutatni.
ABSTRACT
Seasonal dynamic and relation investigations in a 30-years old long term experiment
The nitrate-, ammonium-, total-nitrogen, the phosphate and potassium content of soil, additionally the soil moisture and temperature were investigated in a 30-years old long term experiment. Soil CO2 emission was measured with a simple method with which the plant root respiration and the microbial decomposition of soil organic matter can be separated (in two different types of cylinders, by ANAGAS CD98). The control, medium, adequate and excessive fertilizer treatments were sampled 19 times.
The seasonal fluctuations of nitrate-N, phosphate and soil CO2 emission were dynamic, while in case of ammonium-N and potassium only slight changes were observed.
The soil moisture and temperature dynamics well represent the extremely dry year of 2003.
The correlations between soil nutrients, soil moisture, temperature and CO2 emission were weak.
ZUSAMMENFASSUNG
Saisonale Dynamik und Korrelationsstudien eine 30-jährige Langzeit-Experiment
Das Nitrat-, Ammonium-, Gesamt-Stickstoff, Phosphat und Kalium-Gehalt des Bodens, zusätzlich die Bodenfeuchtigkeit und Temperatur waren in einem 30-Jahre dauernden Experiment untersucht. CO2-Ausstoß des Bodens wurde mit eine einfache Methode gemusst, wo wir Pflanzenwurzeln Atmung und mikrobielle Zersetzung von organischen Substanzen im Boden (in zwei verschiedenen Arten von Zylindern, von ANAGAS CD98) trennen können. 19 Mal waren Proben in der Kontrollgruppe genommen, mittel, ausreichend, übermäßige Behandlungen.
Die saisonalen Schwankungen der Nitrat-N, Phosphat-und CO2-Emission des Bodens- waren dynamisch, während sie im Fall von Ammonium-N und Kalium waren gering. Die Dynamik der Bodenfeuchtigkeit und Bodentemperatur spiegelt sich in extrem trocken 2003 Jahr. Die Korrelation zwischen den Nährstoffen im Boden, Bodenfeuchtigkeit, Temperatur-und CO2-Emissionen waren schwach.
1.BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS
Az emberi élelmezés biztosítása (megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszer előállítása) egyre nehezebb feladat, mely egyrészt az intenzív mezőgazdasági termelés hatására bekövetkező környezeti kockázatok növekedésével, valamint a termelésbe vonható termőföldek véges voltával, másrészt pedig az ezzel párhuzamosan jelenlévő politikai és gazdasági hajtóerőkkel, érdekellentétekkel magyarázható. A probléma nem új keletű, csupán a népesség számának nagymértékű növekedésével ugrásszerűen megugrott a probléma súlyossága. Az élelmezési probléma csak fokozódni fog, melyet a globális klímaváltozás nehezen előre jelezhető módon, de nagyban befolyásol – mint azt már most, napjainkban is jól érzékelhetjük. LÁNG (2005) felhívja a figyelmet arra, hogy az időjárás, a klíma, valamint a hatásaikkal foglakozó klímapolitika egyre inkább az általános biztonságpolitika részévé válik. A növekvő népesség növekvő értékeket – infrastrukturális építmények, közlekedési eszközök, vagy pl. a mezőgazdasági termények, termések – vonz magával, melyekben az egyre szélsőségesebbé váló időjárás (pl. az árvizek, a belvizek, a szélviharok, a jégesők, a nyári hőségek vagy éppen az elhúzódó téli fagyos időszakok) egyre nagyobb károkat tehet, illetve tesz is. LOBEL és FIELD (2007) rámutat arra, hogy a mezőgazdasági termelékenység az elmúlt két évtizedben csökkent, s kutatásaikban egyértelmű kapcsolatot állapítanak meg a felmelegedés és a gabonafélék hozama között, minden fél fokos átlaghőmérséklet emelkedés 3-5 százalékos terméshozam csökkenést von maga után.
RASTOGI és munkatársai (2002) szerint a klímaváltozás egyik kiváltó oka a légkör CO2-tartalmának növekedése. A légköri CO2-tartalom és a globális felmelegedés közötti ok-okozati összefüggéssel kapcsolatban mind a mai napig viták folynak. Mindenesetre az tény, hogy az ipari forradalmat követően egyharmaddal megemelkedett a légkör CO2- tartalma és ezzel párhuzamosan a Föld felszínének átlaghőmérséklete (csak a XX.
században) 0,6–0,7 °C-kal növekedett (LAL és mtsai.1998, LAL 2004, LÁNG 2005, CO2NET
2005, IPCC 2007, FARAGÓ és mtsai. 2009).
A fent említett problémák figyelembevételével a jövő szempontjából kiemelt fontossággal bír a hazai mezőgazdaság fenntartható fejlődésének biztosítása, vagyis olyan mezőgazdasági, és élelmiszeripari rendszerek kialakítása, melyek gazdaságosak, kielégítik a társadalom korszerű táplálkozással kapcsolatos igényeit, és megőrzik a környezet minőségét, a világ természeti erőforrásait a jövő generációi számára(O’CONNEL, 1991).
A veszélyeztetett szférák – elsősorban a mezőgazdasági termelésre gondolva – középpontjában szinte minden esetben a talaj áll, mely termékenységén keresztül a növények termőhelyéül szolgál, vagyis a kellő időben és a szükséges mennyiségben képes ellátni a rajta élő növényzetet vízzel és tápanyagokkal, így lehetővé teszi az elsődleges biomassza megtermelését (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A gazdaságos, termelékeny és a környezettel harmóniában lévő gazdálkodás kialakításához éppen ezért olyan kísérletekre van szükség, amelyek a talaj tulajdonságait vizsgálják. A talajtermékenységet kialakító tényezők megismerése, mind minőségi, mind mennyiségi megközelítésben alapvető fontosságú a terméseredmények fokozásához (GYŐRI, 1984). Az egyik legfontosabb tényező a talaj tápanyagtartalma, ezért a tápanyag- szolgáltató képesség megőrzésére, illetve fokozására irányuló kutatások nélkülözhetetlenek.
DEBRECENI (1991) megfogalmazása szerint a szántóföldi körülmények között végzett szerves- és műtrágyázási kísérletek, ezen belül is legfőképpen a több éven át tartó tartamkísérletek nemzeti értéket képviselnek. A trágyázási tartamkísérletek a legalkalmasabbak az optimális tápanyag-ellátottság megállapítására, ugyanakkor alkalmat adnak a gazdaságosság vizsgálatára is.
Mindezen felül, vizsgálható a különböző műtrágya dózisok hatása a talajok CO2- kibocsátásának változásaira is, melynek segítségével nyomon követhető, hogy a légkör CO2-tartalmának növekedésében milyen szerepet játszanak a mezőgazdasági termelékenységre irányuló természetbe való beavatkozások (nem feltétlenül csak a műtrágyázásra gondolva, hanem pl. a talajművelési eljárásokra stb.).
Mindezen talajtani paraméterek (NO3-N és NH4-N tartalom, a CO2-kibocsátás, talajnedvesség és -hőmérséklet) mérésével, valamint a köztük fennálló összefüggés vizsgálatával a mezőgazdasági döntéshozók pontosabban és megbízhatóbban tudnak tervezni az adott mezőgazdasági ökoszisztémában, figyelembe véve a fenntartható mezőgazdasághoz szükséges irányelveket.
Dolgozatom témájául a talaj nitrogén, foszfor, kálium tartalma és nedvességtartalma, illetve a talaj hőmérséklete valamint a CO2-kibocsátása közötti összefüggés vizsgálatát választottam egy műtrágyázási tartamkísérletben, hiszen az átgondolt műtrágya felhasználás segítségével a terméseredményeket szinten tarthatjuk, vagy éppen növelhetjük anélkül, hogy a környezetünket károsítanánk, növelnénk a globális felmelegedéssel járó katasztrófák számát – a környezetkímélő gazdálkodás egyben a fenntartható jövőt is jelenti.
Arra kerestem a választ, hogy
Van-e szezonális fluktuáció az egyes talaj-tápanyagok, a talajnedvesség és hőmérséklet, illetve a talaj CO2-kibocsátása esetében?
Amennyiben van, van-e összefüggés az alkalmazott NPK műtrágya dózisok és a szezonális ingadozás között, illetve milyen mértékű az adott fluktuáció?
A különböző dózisokban alkalmazott NPK műtrágyaadagok növelik-e a talaj CO2-kibocsátását?
A talaj nedvességtartalma és hőmérséklete befolyásolja-e a talaj CO2- kibocsátását és ha igen milyen irányba?
Milyen arányban oszlik meg a gyökérlégzésből és a mikrobiális tevékenységből származó talaj CO2-kibocsátás?
2IRODALMI ÁTTEKINTÉS
2.1 A talaj, mint természeti környezeti elem
Tudomásul kell vennünk, hogy a Föld szárazföldi területének csupán 11%-a (a Föld teljes területének csupán 3,2%-a) vonható különböző korlátozó hatásoktól (aszály, csekély termőréteg, túlzott csapadék stb.) mentesen művelés alá (VÁRALLYAY 2002). Ennek okán a Föld lakosságának robbanásszerű növekedése mellett (a harmadik évezred küszöbén már hat és fél milliárdnál több a becsült lélekszám) egyre inkább gondot jelent a megfelelő mennyiségű és minőségű élelmiszer előállítása (RAVESTEIN 1990,ARROW és mtsai. 1995, BONGAARTS 1995, COHEN 1995, JOHN és mtsai. 1998).
Az emberiség növekedéséből fakadó fokozott fogyasztás (ez alatt nem csak az élelmiszert értve) magával vonzza a környezet adta természeti erőforrások egyre nagyobb mértékű kihasználását. Mindemellett a mezőgazdálkodásból élők aránya drasztikusan csökken, s az emberek egyre nagyobb százaléka él, vagy akar élni városban (CONSTANZA
és mtsai. 1997, BALZEREK és mtsai. 2003, JACOBSON 2010, LARMER 2010).
Az igazi probléma az ésszerűtlen talajhasználatban rejlik (okszerűtlen termesztéstechnológia, talajeróziós problémák, zöldmezős beruházások stb.) s félő, hogy elfogy a termőföld (BORGSTROM 1969, TINBERGEN 1979, BAI 2004, KÁDÁR 2008, THE
LANCET 2008), mely nem más, mint a földi élet alapját adó feltételesen megújuló természeti erőforrás. RICHTER és MARKEWITZ (2001) megfogalmazása szerint az emberi lét, így a földi környezet minősége még soha olyan mértékben nem függött a talajjal való bánásmódunktól, mint napjainkban. Nem is kell messzire mennünk, hogy ezt élőben láthassuk. Székesfehérvár M7 autópálya melletti ipari parkja a rendszerváltás után jelentős fejlődésnek indult, amivel csupán az a probléma, hogy a területen az egyik legtermékenyebb talajtípus fordul elő, a csernozjom.
A fenntartatható fejlődés szempontjából – a számos tényező közül – központi jelentősége van a talajnak, mely a Föld legkülső, mállott szilárd kérge. A talaj a talajképződés tényezőinek (kőzet, éghajlat, élővilág, idő, emberi tevékenység) együttes hatására végbemenő anyag- és energiaforgalmi folyamatok eredményeképpen jön létre, az őt körülvevő szférák (litoszféra, atmoszféra, hidroszféra és bioszféra) kölcsönhatásainak középpontjában. Jelentős szerepet tölt be az ökoszisztémák anyag- és energiaforgalmának szabályozásában, melyet multi funkcionalitásának (vízelnyelés, vízelvezetés, víz- és tápanyag-raktározás, tápanyagszintézis helye, hozzájárul az atmoszféra összetételének kialakításához, hőháztartásának szabályozásához, élettér, szűrőképesség-pufferelőhatás
stb.) köszönhet (SZÉKY 1979, SZENDREI 1998). Számos természeti erőforrás (napenergia, felszíni és felszín alatti vízkészletek, geológiai képződmények, biológiai erőforrások) együttes hatását ötvözi és transzformálja, ily módon a talaj egy biológiai reaktornak tekinthető (VÁRALLYAY 1999). Az ökoszférában betöltött központi szerepe és multi funkcionalitása miatt, a feltételesen megújuló (megújítható) természeti erőforrásunkat képező talajkészleteink ésszerű hasznosítása, minőségének megóvása és sokoldalú funkcióképességének fenntartása a mezőgazdaság és a környezetvédelem egyik legfontosabb feladata (VÁRALLYAY 2000).
A talaj az intenzív mezőgazdasági művelések, az erdőgazdasági kezelések és az egyéb emberi beavatkozások hatásai miatt, szinte már csak elvétve található természetes vagy természet közeli állapotában (KERÉNYI 2003). Az antropogén hatás már szinte mindenhol érezteti hatását, függetlenül attól, hogy természetes vagy kultúr ökoszisztémáról beszélünk. Például, a műtrágya nem megfelelő mennyiségben való alkalmazása, nem csak az adott táblán érezteti hatását, hanem a lemosódás következtében távoli helyeken is megjelenhet, a talajvízbe történő bemosódása során még távolabbi helyekre is eljuthat, ahol komoly problémákat okozhat, illetve okoz (pl. nitrátosodás, eutrofizáció). A talajt érő degradációs hatások alapvetően fizikai és kémiai hatásokra oszthatók (1. táblázat).
1. táblázat. A fontosabb talajdegradációs folyamatok által érintett területek Európában (OLDEMAN és mtsai. 1991 nyomán, módosítva)
Fizikai hatások Kémiai hatások
millió ha % millió ha %
vízerózió 115 12 savasodás 85 9
szélerózió 42 4 növényvédő szerek 180 19
talajtömörödés 33 3,5 nitrát és foszfát 170 18
vízhatás 0,8 0,1 szervesanyag-veszteség 3,2 0,3
másodlagos szikesedés 3,8 0,4
Forrás: KERÉNYI 2003
Mindenképpen meg kell jegyezni, hogy e két csoportba tartozó hatások nem mindig különíthetők el (komplex rendszerről lévén szó) és, hogy szinte minden esetben talajbiológiai következményekkel is számolni kell, mivel azok módosítják a talajflóra, illetve fauna életterét. Ennek következtében egyensúlyzavarok lépnek fel, s így a talaj természetes termékenysége csökken (KERÉNYI 2003). NÉMETH (1996) megfogalmazása szerint a talaj termékenysége nem vonatkoztatható el a talajban zajló biológiai és biokémiai folyamatoktól, hanem azok a talaj fizikai és kémiai tulajdonságaival együtt alakítják ki a
talaj termékenységét.
Műtrágya-felhasználás alkalmával legnagyobb mennyiségben nitrogén- illetve foszfor és kálium-tartalmú vegyületeket juttatnak ki, hiszen ezen elemek nélkülözhetetlenek a növények számára, egy tenyészidő alatt igen nagy mennyiségben használnak fel belőlük. A túlzott műtrágyázás vagy az egyenetlen kijuttatás anyagcserezavarokat idézhet elő a termesztett növénynél, de a talaj biológiai aktivitását is megváltoztathatja, mely rövid ideig pozitív hatással lehet a környezetre (megfelelő körülmények között a fokozott mikrobiális tevékenység miatt szervesanyag felhalmozódás), de hosszú távon mindenképpen káros, hiszen gondoljunk csak a megnövekedő CO2-kibocsátásra, mely éppen a lebontó folyamatok következménye, vagy a talajuntság kialakulásának lehetőségére (NÉMETH 1996, KERÉNYI 2003).
2.1.1 A művelt talaj sajátosságai
A növekvő mezőgazdasági termelés miatt az 1950 és 1980 közötti időszakban több területet vontak művelés alá, mint az 1700 és az 1850 közötti 150 éves időszakban (RASHID és mtsai. 2005, KÁDÁR 2008). Természetesen a művelésbe vont területek növekedése régionként változó, mert pl. amíg Afrikában 1992 és 2003 között 20%-kal, Dél-Amerikában 8%-kal, Ázsiában 4%-kal nőt, addig Európában ugyanezen időszakban közel 6%-kal, Észak-Amerikában majd 4,5%-kal csökkent a művelt területek aránya.
Érdemes kiemelni az 1961 és 2003 közötti idő intervallumot is, amikor Dél-Amerikában 76%-os, míg Afrikában 51%-os volt a termőterület növekedés a FAO (2006) statisztikája szerint.
NYÍRI (1993) szerint földművelési rendszerek alatt azokat a komplex és egymással szorosan összefüggő termesztéstechnológiai, meliorációs és logisztikai eljárásokat kell érteni, melyek egyrészt a talajhasznosítás intenzitását, másrészt a talajtermékenység fenntartását és fokozását teszik lehetővé. A napjainkra kialakult földművelési rendszerek mindegyikének megvan azonban az a sajátos tulajdonsága, hogy a minél nagyobb és jobb minőségű terméseredmények eléréséhez olyan agro-ökoszisztémákat alakítanak ki, melyeket egyféle és egykorú növényekkel hasznosítunk, vagyis monokultúrákat hozunk létre, melyeknek a biodiverzitása igen alacsony fokú (2. táblázat) (VIDA 2001).
Ugyanakkor a talaj heterogenitása (így tápanyag szolgáltató képessége, stb.), a domborzati
A közölt adatok azért csak ezen időszakra lettek számolva, mert Európára és Ázsiára csak ezen
adottságok, az előre megjósolhatatlan időjárási elemek, így a kiszámíthatatlan tenyészidőszak, a kórokozók és kártevők, stb. sok esetben nem teszi lehetővé az egységes kezelést és művelést (SCHEPERS és FRANCIS 1998, SRINIVASAN 2006, NÉMETH és mtsai.
2007).
2. táblázat. A természetes és az agro ökoszisztémák közötti legfontosabb különbségek
Tulajdonság Természetes
ökoszisztémák
Ember által fenntartott agro ökoszisztémák
Fajdiverzitás magas alacsony (monokultúra)
Géndiverzitás magas alacsony (genetikailag
homogén)
Biomassza magas alacsony
Elemek körforgása kiegyensúlyozott felborult
Változó környezetben
alkalmazkodás természetes szelekció faj vagy fajtaváltás, nemesítés
Működőképesség 400.000.000 év cc. 4.000 év
Globális trend csökkenés (kiszorulás) növekedés
Következmény a
bioszféra működésére fenntarthatóság globális melegedés, instabilitás globális emberi felelősség Forrás: VIDA 2001
Mindemellett gondolnunk kell arra is, hogy a monokultúrákban pont azon fajok (gyomok, kórokozók és kártevők) egyedszámbeli növekedését segítjük elő, melyeknek ezen ökoszisztémák nyújtják az ökológiai optimumot, melyek távoltartása szintén nagy anyag és energia befektetést igényel. A fotoszintézissel megszerzett energiának csak csekély részét fordíthatja például egy vad gabonaféle a kalász szemtermésének létrehozására. Rengeteg energiát kell szánni a víz és a benne oldott tápanyagok elérésére, felszívására, a károsító élőlényekkel szembeni ellenálló képességet növelő struktúrák vagy kémiai anyagok előállítására, szélsőséges természeti viszonyok túlélésére stb. Az ember mindezt megkönnyíti fellazított földdel, trágyázással, öntözéssel, gyomirtással és peszticidekkel, így jórészt feleslegessé teszi a korábbi szükségletek ellátását biztosító géneket is. Az energia átcsoportosíthatóvá válik az emberi igényeknek (szemtermés mérete, száma, összetétele stb.) megfelelően (VIDA 2001).
A növények tápanyagfelvételét a felvehető tápanyagok mennyisége, a talaj oxigéntartalma és a környezet hőmérséklete nagymértékben befolyásolja, melyet tovább fokoz az aktív gyökérfelület, a gyökerek kicserélő kapacitása és feltáró képessége. A
gyomnövények ilyen képessége általában jobb, mint a kultúrnövényeké (SZALAI 1994).
Amíg egy természetes (műveletlen) ökoszisztéma esetében a talaj önfenntartó jellegű, vagyis a talajlakó állatok (melyek a lebontásban, visszaforgatásban, átalakításban játszanak nélkülözhetetlen szerepet) összhangban élnek a talajban gyökerező, de a talaj felszíne felett fotószintetizáló növényekkel (melyek a primer biomassza megtermeléséért felelősek), addig egy művelt talaj nem képes önszabályozásra. A learatott terméssel az ember nagy mennyiségű szerves és szervetlen anyagot, és ezzel sok energiát hord el a talajról. A lebontó szervezetek az ott maradt kevés növényi maradványból nem tudják teljes mértékben pótolni a növények által felvett tápanyagokat. Az anyagkörforgásban hiányosság léphetne fel, ha az ember nem gondoskodna az elhordott anyag és energia utánpótlásáról. Amennyire fontos a szerves vagy a műtrágyázás, illetve azok megfelelő időben, megfelelő helyre és megfelelő arányban illetve mennyiségben való kijuttatása, annyira fontos a talaj élővilágának figyelembevétele is (SZÉKY 1979).
A természetes ökoszisztémák átalakítása jelentősen hozzájárul klímánk megváltozásához is. A mezőgazdasági területek európai térhódítása idején ennek hatása elsősorban albedo növekedést, s ezzel regionális lehűlést eredményezhetett, míg ugyanez globális méretekben (a XVIII–XIX. század óta) inkább az előbb tárgyalt élő anyag különbségből fakadó CO2-növekedést, s ezzel az üvegházhatást fokozta. Ugyanezt eredményezi a talaj szervesanyag tartalmának eloxidálódása is a talajművelés következtében.
WACKERNAGEL és munkatársai (1999) számos országra kiszámolták, hogy egy adott ország lakói fogyasztási javaikat mekkora területen tudnák megtermelni oly módon, hogy az valóban fenntartható legyen és a természeti erőforrások változatlanul maradjanak. Az így kapott 1 főre eső területet ökológiai lábnyomnak nevezték el. Ezt összevetve az 1 főre jutó ökológiailag produktív területtel azt találták, hogy Földünk legtöbb országában a lábnyom nagyobb, mint a produktív terület. Magyarország ökológiai lábnyoma 3,1 ha/fő, de a rendelkezésre álló élőhely alapján csak 2,1 ha/fő-re lenne lehetőségünk (az 1997-es népességi adatokkal kalkulálva). Mindez csak folyamatosan csökken, hiszen a KSH (2010) adatai alapján Magyarország szántóterülete az 1931-es 60,1%-ról 2009-ban 48,4%-ra csökkent, míg a művelés alól kivett területek aránya 6,6%-ról 16,4% nőtt.
2.2 A talajok tápanyagforgalma
Magyarország egyik legfontosabb természeti erőforrása a talaj, mely egyes becslések szerint a nemzeti vagyon akár 22–23%-a is lehet (NÉMETH 2005). A talaj jelentősége szerteágazó funkcióiban rejlik, melyek közül az egyik kiemelkedő tulajdonsága, hogy a primer növényi biomassza termelés alapvető közege, a bioszféra primer tápanyagforrása, ily módon a mezőgazdaság legfontosabb termelőeszköze. Egyik legfontosabb jellemzője a termékenység, vagyis megfelelő mennyiségben és időben képes vizet, levegőt és a növények számára felvehető tápanyagokat szolgáltatni, így képes a mikroorganizmusok és a növények talajökológiai feltételeit kielégíteni. Ennek egyik előfeltétele, hogy hő, víz és növényi tápanyagok raktározására képes, mely raktárkészletből akár visszapótlás nélkül (aszály, illetve szerves- és/vagy műtrágyázás mellőzése esetén) képes a növények számára hosszabb-rövidebb ideig biztosítani a számukra megfelelő tápanyagokat és a vizet (VILJAMSZ 1950, VÁRALLYAY 2002, VÁRALLYAY 2004). Azt nem szabad elfelejtenünk azonban, hogy a talaj termékenysége egy viszonylagos fogalom, fenntartása, adott esetben fokozása lényegében a mezőgazdasági termelési technikák és technológiák függvénye (VIETS 1977).
Az élőlények számára nélkülözhetetlen biogén elemek száma körülbelül 80, a növények hamujában nagyjából 40 elemet sikerült eddig kimutatni. Elsődleges biogén elemek (a sejtek tömegének nagyjából 99 %-át építik fel), vagy makro elemek: szén (C), hidrogén (H), oxigén (O), nitrogén (N), kén (S) és a foszfor (P). Nyomelemek (nagyjából 1-0,005 %-ban vannak jelen a sejtekben): kálium (K), kalcium (Ca), magnézium (Mg), vas (Fe), nátrium (Na) és a klór (Cl). A mikroelemek rendkívül kis mennyiségben vannak jelen a növényekben, de a zavartalan anyagcseréjükhöz nélkülözhetetlenek: réz (Cu), kobalt (Co), mangán (Mn), cink (Zn), bór (B), jód (I), molibdén (Mo) és a szelén (Se). A növényi test átlagos elem összetétele a következő: 47% C, 44% O, 7% H, 0,5–2% N (HARGITAI
1986, LOCH és NOSTICZIUS 1992).
THAER elmélete szerint a növényi élet fenntartásában a szerves humusz játszik alapvető szerepet. LIEBIG viszont rájött, hogy a növények közvetlenül az ásványi anyagokat és sókat hasznosítják a talajból, így a humusz-elméletet teljes egészében hibásnak gondolta. Ma már tudjuk, hogy a talaj tápanyag-szolgáltató képességében, mind a humuszanyagok, mind a szervetlen ásványi anyagok nélkülözhetetlenek, és a kettő szorosan összefügg (HARGITAI 1985, BUZÁS 1987, KÁDÁR 2007). Az, hogy valamely elem elegendő vagy sem a növény számára az relatív. LIEBIG „relatív minimum törvénye”
szerint a termés mennyisége egyenesen arányos a minimumban lévő tápanyag vagy egyéb tényező (víz, fény, hőmérséklet, stb.) mennyiségével, vagyis a minimumban lévő erőforrás határozza meg a maximális termésmennyiséget. Amennyiben minden optimális mértékben áll rendelkezésre a növény számára, akkor a MITSCHERLICH-törvény érvényesül, vagyis pl.
a trágya adagjának növelésével egyre kisebb mértékben nő a termés mennyisége. A termés mennyiségét a tápanyagok együttes mennyisége és aránya mellett számos egyéb tényező is befolyásolja (BUZÁS 1987, LOCH és NOSTICZIUS 1992, BARBER 1995,KÁDÁR ésCSATHÓ
2002).
A talajban lévő tápanyagokat a növények gyökereiken keresztül veszik fel, passzív (energia-befektetés nélkül: diffúzió, ioncsere) vagy aktív folyamatok révén. Aktív tápanyagfelvétel esetén speciális szállító anyagok segítségével kerülnek a tápanyagok a sejtmembránon keresztül a sejt plazmájába, így lehetővé válik, hogy a növény a koncentrációkülönbség ellenére is képes legyen ionokat felvenni (LOCH és NOSTICZIUS
1992). A tápanyagfelvételt számos tényező határozza meg, így a talajban lévő tápanyagok kémiai kötési formái és azok egyensúlya, a talaj kémhatása és oxidációs-redukciós viszonyai, a talaj hőmérséklete és nedvességviszonya, a talajoldat ionarányai, a tápanyagok mozgása, a talajkolloidok mennyisége és minősége, térbeli tényezők, a talaj-növény kölcsönhatások, a különböző tápanyagok és a talaj szerves szén aránya (HARGITAI 1985, LOCH és NOSTICZIUS 1992, BARBER 1995).
A talajban található ásványi nitrogénformák kimosódása függ a csapadék mennyiségétől, megoszlásától, intenzitásától, a talaj fizikai féleségétől, a talaj adszorpciós képességétől, a vízgazdálkodási tulajdonságaitól és a nitrogénformák koncentrációjától (NÉMETH 1996). Éppen ezért fontos, hogy a tápanyagveszteségek elkerülése érdekében megfelelő mennyiségű szervesanyag legyen a talajban, hogy a mineralizáció és az immobilzáció megfelelő arányban legyenek (STEFANOVITS 1975).
A Broadbalk-i (Rothamsted) „örökbúza” kísérletben bebizonyították, hogy a talaj szerves-C és -N tartalmának változása között szoros összefüggés van. A kísérleti talaj felső 23 cm-es rétegének szerves-C tartalma a műtrágyázás hatására nem változott a közel 80 év alatt, míg a szerves trágyával kezelt talaj humusztartalma több mint a duplájára növekedett, majd napjainkig ezen a szinten maradt (JENKINSON és mtsai. 1994). A mérsékelt égöv talajainak szervesanyag tartalma csak lassan változik. A szántóföldi termesztésbe vont talajon telepített gyep esetében 100 év alatt tudott megtriplázódni a talaj összes-N tartalma, beállva ezzel a rét-legelőkre jellemző értékre (JOHNSTON,1991).
Az intenzívvé váló mezőgazdaság következtében a talajok természetes tápanyag-
szolgáltató képessége már nem tudja fedezni a növényi igényeket, így szükségessé vált a szerves- és műtrágyákkal történő ásványianyag-visszapótlás (NÉMETH 2003).
CSATHÓ és RADIMSZKY (2005) mind a műtrágya, mind a szerves trágya használatban Magyarországon bekövetkezett változásokra hívják fel a figyelmet. Az 1960-as évektől meredeken emelkedett a NPK műtrágyák felhasználása, amikor is ún. talajgazdagító trágyázási gyakorlatot folytatták, 250–300 kg/ha NPK hatóanyag felhasználással. Az 1990- es évek elején a Szovjetunió összeomlása következtében, valamint a műtrágya árak világpiaci trendekhez való igazodása miatt, a műtrágya-felhasználás drasztikusan visszaesett: a N-műtrágya felhasználása 60-75 %-al, míg a P- és K-műtrágyák közel 95 %- al csökkentek (NÉMETH 1996). Ugyanakkor az Európai Unióhoz való csatlakozással egy fokozódó piaci verseny kezd kialakulni, melynek következménye egy növekvő műtrágya felhasználás. A növekedés igen lassú, a gazdaságokat érintő támogatások közel nem érik el a rendszerváltozás előtti értékeket. A 2002-es Mezőgazdasági Statisztikai Évkönyv (2003)
„már” 293 ezer t műtrágyaellátásról számol be, a 2002-es évre vonatkozóan. A KSH (2010) legújabb adatai szerint is a felhasználás tendenciája az elmúlt években fokozatosan nőt, adatai szerint 2007-ben már 87 kg/ha volt az NPK műtrágya felhasználás a mezőgazdasági területeken.
A műtrágyák alacsony ára miatt a szerves trágya felhasználás (mezőgazdasági területre kijuttatott mennyisége) az 1970-es évektől kezdve csökkenni kezdett, és 2005-re csaknem 50%-kal csökkent. Mindehhez hozzájárult az is, hogy 1985-től egy erős állatállomány csökkenés figyelhető meg (KOVÁCS és CSATHÓ 2005).
2.2.1 A talajok nitrogén-forgalma
A nitrogén a leggyakoribb elemek egyike, melynek nagyon fontos szerepe van a különböző szerves vegyületek felépítésében, valamint bonyolult biológiai folyamatokban (CHANG
1991,NÉMETH 1996).
A nitrogén jelentősége a földi élet megjelenése után felértékelődött. A mai ökológiai rendszerekben (a Föld teljes egészére vonatkozóan) az élő szervezetek részt vesznek a nitrogén újraelosztásában, felhasználják, beépítik, tárolják, átalakítják, vagy éppen szállítják azt. Mindezen folyamatokban lényegesen nagyobb szerepe van a növényeknek, mint az állatoknak vagy a gombáknak, hiszen a növények számára – bár nem kizárólagosan – a nitrogén esszenciális elem, igen nagy mennyiségben építik be szervezetükbe egyedfejlődésük során (NÉMETH 1996, NOVOA és LOOMIS 1981). A nitrogén
az aminosavak és a nukleotidok, valamint a klorofill alkotóeleme. Esszenciális tulajdonságát csak növeli, hogy az enzimek alkotórészeként nélkülözhetetlen az anyagcsere folyamatokban (NYÍRI 1993).
Ebből látható, hogy a termés mennyiségét a talaj nitrogén ellátottsága nagymértékben befolyásolja. A művelt réteg nitrogén-tartalmának több mint 95 %-a szerves kötésben van jelen, ugyanakkor a növények számára felvehető, illetve hasznosítható szervetlen nitrogénformák, így a nitrát-nitrogén (NO3-N) és ammónium- nitrogén (NH4-N) csupán csekély részét képezik a talaj összes nitrogén-tartalmának (a fennmaradó 3–4%) (NYÍRI 1993). A nitrogénnek mindössze 0,02–0,4%-a található ásványi formában a talajban, ezért csak néhány kg N/ha a növények számára felvehető mennyiség, míg akár 600 kg/ha is lehet a különböző vegyületekben és formákban jelen lévő nitrogén (LOCH és NOSTICZIUS 1992, STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A művelt talajok esetében a nitrogén tartalom a növénytermesztés során jelentősen csökkenhet egy-egy vegetációs periódus, vagy tenyészidőszak alatt, ezért a terméssel elhordott nitrogén mennyiségét pótolni kell szerves- és műtrágyákkal. Ehhez járul még az is, hogy a nitrogén a szilárd fázison kívül, illékony és vízoldható vegyületek formájában is előfordulhat a talajban, ezért bio-geokémiai körforgalma rendkívül gyors.
Mint az eddigiekből láthattuk a bioszféra szempontjából nélkülözhetetlen elem a nitrogén, melynek következménye, hogy a nitrogén-körforgalom egy igen bonyolult kapcsolatrendszer (1. ábra), melyben a talajnak kiemelkedő szerepe van (NÉMETH 1996, MOISER és mtsai. 2004). A lebontás során az elhalt növényi és állati maradványokban lévő nitrogént és egyéb elemeket a talajban élő lebontó mikroorganizmusok testükbe beépítik. A mineralizáció – vagyis a lebontás során az ammonifikáló mikrobák segítségével szerves nitrogén vegyületek keletkeznek – első lépésében a szerves anyagból aminosavak és aminok keletkeznek (amminizáció), majd második lépcsőként ezek a vegyületek ammóniummá alakulnak át (ammonifikáció). Az így keletkezett ammónium egy részét a növények közvetlenül felveszik, míg a fennmaradó részt a mikrobák ismét beépítik testükbe, vagyis immobilizálják, vagy az ammónia nitritté, majd nitráttá oxidálódik (nitrifikáció) (NÉMETH, 1996).
1. ábra. A nitrogén-körforgalom elemei és folyamatai (Forrás: NÉMETH 1996)
Az előbbiekben említett ammonifikáció egy olyan enzimatikus folyamat, melyben a szerves anyagok nitrogénje ammónia formában felszabadul. A folyamatban aerob és anaerob mikroorganizmusok egyaránt részt vesznek, de csak az aerob baktériumok oxidálják az ammónium iont nitritté, majd nitráttá. Ebből következik, hogy a kötöttebb talajokban a NH4-N halmozódhat fel, míg a jól szellőzött, művelt talajokban a NO3-N a meghatározó felvehető nitrogénforma (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A nitrifikáció során az ammónia – nitriten keresztül – nitráttá alakul. Amíg az ammonifikációt számos mikroba képes elvégezni, a nitrifikációban főként Nitrosomonas spp. és Nitrobacter spp. baktériumfajok játszanak szerepet. A nitrát egy része szintén a növények és a mikroorganizmusok nitrogén forrása, de a nitrát esetében az erózió, a felszíni elfolyások, illetve a kimosódás számottevő veszteségeket okozhat a talaj számára. A denitrifikációs folyamatok következtében (pl. Nitrococcus spp. és Thiobacillus spp. fajok közreműködésével) végérvényesen távozik a nitrogén a talajból (N2 és N2O formájában), de mivel e veszteség csak rosszul szellőző (anaerob körülmények között), illetve tömörödött talajokban fordul elő, így nem számottevő (MULDER 1977, KNOWLES 1982, NÉMETH 1996).
Természetes körülmények között a növények tápanyag igénye egy időben jelentkezik a megnövekedett mineralizációs aktivitással, így a mineralizációs tápanyag-szolgáltatás igazodik a növények igényéhez. Az ásványi nitrogénformák veszteségeit előidéző nitrifikációs, denitrifikációs és kimosódási folyamatok kevésbé érvényesülnek ez által
(TIMÁR 1984). A művelt talajok esetében a művelés hatására bizonyos idő elteltével a talaj szerves anyag tartalma (így a nitrogénformák is) egy újabb egyensúlyi állapotba kerül, amennyiben a művelés ugyanazon időszak alatt egységes (SMITH és ELLIOT 1990).
A talajművelés nagy szén (41–53%) és nitrogén (31–56%) veszteségeket okoz a talajban (40 év kísérletezés tapasztalataként). Kimutatható, hogy a mineralizálható nitrogén a természetes talajokban 2–2,8-szor több mint a művelt talajokban, valamint, hogy a művelés hatására azok csökkenése a csernozjom talajokban magasabb mértékű, mint a barna erdőtalajokban (CAMPBELL és SOUSTER 1982).
A talajban található ásványi nitrogénformák kimosódása függ a csapadék mennyiségétől, megoszlásától, intenzitásától, a talaj fizikai féleségétől, a talaj adszorpciós képességétől, a vízgazdálkodási tulajdonságaitól és a nitrogénformák koncentrációjától (NÉMETH 1996).
2.2.2 A talajok foszfor-forgalma
A foszfor a nitrogénhez hasonlóan létfontosságú elem a sejtekben. A nukleoproteidek és a foszfolipidek alapvető építőeleme, melyek szerepe jelentős, hiszen részt vesznek az örökítésben (DNS és RNS), az energia háztartásban (ATP és ADP), a fotoszintézisben, a glikolízisben, a szénhidrát-szintézisben, valamint a citromsavciklusban. Ebből következik, hogy a foszforhiány relatíve nehezen ismerhető fel, hiszen a generatív szervek felépítésére és fejlődésére hat, melyekben 3–6-szor több a foszfor, mint a vegetatív szervekben. A növényekben ortofoszfát és pirofoszfát kötésben van jelen, igen nagy mennyiségben raktározhatja a növény pl. a magvakban. Foszforhiány esetében csökken a szemtermés mennyisége és minősége, illetve virágzási és terméskötődési problémák léphetnek fel, a levelek kékeszöldre, halvány-zöldre vagy vöröses árnyalatúra színeződnek. A relatív foszfor bőség vas (Fe), mangán (Mn), cink (Zn) és réz (Cu) ellátási zavarokat okozhat, ezért pl. a gyümölcsök ízét és eltarthatóságát rontja (HARGITAI 1986, CHANG 1991, LOCH
és NOSTICZIUS 1992, NYÍRI 1993).
A növények a H2PO4¯ és a HPO42¯ -ionokat képesek hasznosítani. A talajok összes foszfor tartalma nagyjából 0,02–0,3% között van (450–1800 kg P/ha a szántott rétegben), melynek 30–40%-a szerves kötésben van, míg a 60–70%-a szervetlen kötésben van. A szerves kötésű forma legnagyobb része (60%) fitin formában, 30%-a huminsavakhoz és fulvosavakhoz van kötve, a fennmaradó 10% pedig egyéb szerves savak, lipidek és proteidek formájában van jelen. A szerves P-tartalom mineralizációja igen lassú folyamat.
A növények számára felvehető, könnyen oldható foszfor aránya az összes foszforhoz képest erősen talajtípus függő (mechanikai összetétel, humusztartalom), de ritkán több mint 3–5% (LOCH és NOSTICZIUS 1992, NYÍRI 1993). A feltalaj foszfortartalma általában nagyobb, mint a lentebbi rétegeké, mely a nem művelt területeken a nagy mennyiségű növényi maradvány feldúsulásából származik. A művelt talajokban a műtrágyázás járul hozzá az erőteljes feldúsuláshoz (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A szervetlen kötésű foszfor nagyobb részét az apatitok és kalcium-foszfátok adják, illetve a kijuttatott műtrágyák, kisebb részét a vas- és alumínium-foszfátok adják, de ezek a kötési formák csak a savanyú talajokban fordulnak elő. A kicsapott vegyületek kis oldhatóságuk ellenére könnyen hozzáférhetőek a növények számára, hiszen finom eloszlásúak. Oldhatóságuk nagyban függ a talaj pH-jától. Növekvő pH hatására a Ca- foszfátok oldhatósága csökken, míg a Fe- és az Al-foszfátok oldhatósága nő. Az apatitok kevésbé odahatóak. A szerves anyag bomlásakor keletkező CO2 hatására a foszfor mobilitása növekszik, így felvehetősége is megnő. A nagy agyagtartalmú talajokban a foszfor erősen megkötődik (HARGITAI 1986, LOCH és NOSTICZIUS 1992, NYÍRI 1993).
A nitrogénhez hasonlóan, foszforból is jelentős mennyiséget tartalmaznak a mikrobiális szervezetek, így a talaj szervesanyag tartalmában a foszfor a második legnagyobb mennyiségben előforduló elem. Ebből látható, hogy a foszfor körforgásában igen jelentős szerepet játszanak a mikrobiális szervezetek, mivel rajtuk keresztül történik az immobilizáció-mineralizáció, melynek során oldható foszfátvegyületeket visznek szerves kötésbe, illetve a szerves kötésből ismét oldhatókká alakítják azokat (2. ábra). A szerves kötésű foszfor mineralizációja enzimatikus úton történik, a foszfatáz enzim segítségével (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A lebomlásban lévő szerves maradványok foszfor tartalma nagymértékben befolyásolja a talajban lévő oldható foszfor mennyiségének alakulását. A nettó foszfor immobilizáció akkor következik be, ha a C/szerves-P aránya 300 vagy annál nagyobb, nettó mineralizáció, pedig akkor, ha ez az arány 200 vagy annál kisebb. A szerves anyag maradványok gyors lebomlását, így a foszfor mineralizációját a talaj jó levegőzöttsége és nedvességállapota, valamint a 30–45 ºC-os hőmérséklet elősegíti (STEFANOVITS és mtsai.
1999).
2. ábra. A foszfor-körforgalma a talajban (Forrás: STEFANOVITS és mtsai. 1999)
A foszfor nagy része a termények betakarításával kikerül a talajból, illetve a helyi foszfor ciklusból, így utánpótlása fontos. A tarló-, illetve gyökérrészek és zöldtrágyák közvetlenül nem növelik a felvehető foszfor mennyiségét, ugyanakkor a szervestrágyázás elősegíti a talajfoszfátok feltáródását. Ennek oka, hogy a szerves anyag lebontásakor képződő CO2, illetve szénsav (H2CO3) oldó hatást fejt ki az apatit típusú ásványokra. Az istállótrágyával kijuttatott foszfor kisebb mértékben adszorbeálódik a talajban (a benne lévő szeres anyagok védőhatása miatt), mint a foszfor műtrágya vízoldható foszforvegyületei. Ennek következtében az istállótrágya foszfor tartalma (átlagosan 0,25–
0,3% P2O5) az első évben, nagyobb arányban (kb. 40%-ban) érvényesül, mint a műtrágya hatóanyaga (NYÍRI 1993).
A foszfor csak kis mértékben képes kimosódni a gyökérzónából. Egyes kutatások szerint agyagos talajon, a foszforvándorlás réten illetve legelőn csupán 38 cm mélységig terjed (110 éven keresztül vizsgálva), míg szántóterületen is csupán 50 cm-ig terjed. A nagyjából 0,3 kg P/ha/év-es foszforkimosódás nagyobb mértékű is lehet, pl. homoktalajon (kicsi adszorbeáló képesség), amennyiben nagy mennyiségű víz szivárog keresztül rajta (öntözés vagy hígtrágyázás következtében). A legnagyobb foszfor veszteséget a mezőgazdasági talajok számára az erózió okozza, mely akár 0,2–0,8 kg P/ha/év is lehet (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
2.2.3 A talajok kálium-forgalma
A kálium a nitrogéntől és a foszfortól eltérően, nem a növényi test felépítésében játszik nélkülözhetetlen szerepet, hanem specifikus feladatokat lát el. A szerves vegyületekbe nem épül be, hanem a plazmafehérjékhez lazán kötődve, illetve szabad ion formájában van jelen a sejtnedvben, és fejti ki szabályozó funkcióját. Legnagyobb mennyiségben, a fiatal szövetekben található meg. Az enzimekre szerkezetstabilizáló hatást fejt ki, és több mint 40 féle enzimreakciót aktiválhat. Jelentős szerepe van a fehérjeszintézisben, valamint a szénhidrátok és a foszfátok képződésében. Jelenléte fokozza a fotoszintetikus aktivitást. A szénhidrát termelés fokozásának következményeként növeli a növények fagyállóságát.
Nagy hidrát burka és vízmegkötő képessége miatt jelentős szerepe van a növény vízforgalmának szabályozásában, így az aszályérzékenység, a szárszilárdság, a mechanikai stressz hatásokkal szembeni ellenálló képesség kialakításában. Fontos szerepe van – összefüggésben az előbbiekkel – a kórokozókkal és kártevőkkel szembeni ellenálló képesség kialakításában is (HARGITAI 1986, CHANG 1991, LOCH és NOSTICZIUS 1992, STEFANOVITS és mtsai. 1999).
Nagyobbrészt (80–90%-ban) a vegetatív növényi részekben (gyökér, szár, szalma) halmozódik fel, így a termés lekerülése után nem kerül ki a terület kálium körforgásából, ezért káliumhiány ritkábban fordul elő egy-egy termőterületen. Hiánya esetén a termés mennyisége és minősége (pl. íz és zamatanyag), illetve a betegségekkel szembeni ellenálló képesség romlik, zömök, rövid ízközű növények fejlődnek. Tünetei az apró nekrotikus rozsdafoltok, melyek főként a levél szélén jelentkeznek. Kálium bőséggel ritkán kell számolni, mert a szabad ionokat a talaj negatív töltésű kolloidjai megkötik, illetve a növények általában igen nagy mennyiségű káliumot képesek gond nélkül felvenni. Kálium többlet esetében relatív magnéziumhiány léphet fel (HARGITAI 1986, NYÍRI 1993).
A talaj összes kálium-tartalma 0,2–3,3% körül van, melynek közel 99%-a szervetlen kötésben található, a talajoldat 1–100 mg/l káliumot tartalmaz. Mivel a Föld szilárd kérgének közel 57%-át a földpátok adják, így a talajok legnagyobb része kálimmal jól ellátott. Kiemelkedő fontosságú a káli földpátok (ortoklász), az agyagásványok (illit, vermikulit és szmektit) és a csillámok (muszkovit, biotit), melyekből lassú mállási folyamat révén, hidrolízissel válik szabaddá a kálium. A mikroorganizmusok által megkötött kálium mennyisége csekély (25–30 kg/ha), de biomassza tömegük révén kb.
3000 kg/ha káliumot raktároznak (HARGITAI 1986, NYÍRI 1993, STEFANOVITS és mtsai.
1999).
3. ábra. A kálium-körforgalom elemei és folyamata (Forrás: STEFANOVITS és mtsai. 1999)
A nagy agyagtartalmú talajok nagyobb mennyiségű káliumot képesek raktározni, a nagyobb agyagásvány tartalmuk miatt. A homok és vályog fizikai féleségű talajok, valamint a tőzegek kevesebb káliumot képesek raktározni. A növények számára könnyen felvehető (vízoldható) káliumformák egyszerű sók (kálium-klorid, kálium-szulfát, kálium- nitrát, kálium-hidrogén-karbonát), melyek aránya 0,1–0,2%-t tesz ki. A kolloidok felületén adszorbeálódott kicserélhető, az agyagásványok rétegrácsaiban megkötött és a nem kicserélhető kálium aránya 1–10%. Az ásványok (földpátok, csillámok, agyagásványok) kálium tartalma több mint 90%-ot tesz ki, mely csak nagyon lassan és nehezen táródhat fel, mállás révén (HARGITAI 1986, NYÍRI 1993, STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A kálium feltáródása függ a talajban lévő egyéb kicserélhető ionoktól (pl.
ammónium) is. Az agyagásványok rétegrácsaiban (illitekben) és a szerves anyagok negatív töltésein megkötődő kálium hidratált formában van jelen, melynek mérete azonos az ammónium ionokéval, így az helyettesítheti a kálium ionokat (izomorf helyettesítés). Ezért számolnunk kell azzal, hogy a rétegrácsokban megkötött kálium nehezen hozzáférhető a növények számára. A tenyészidőszak alatti több csapadék növeli a talaj felvehető kálium tartalmát, hiszen a talajnedvesség gyorsítja a kationok mozgását. Egyes kutatások azt bizonyították be, hogy a váltakozó kiszáradás és visszanedvesedés, illetve a hőmérséklet ingadozás növeli a talaj felvehető kálium tartalmát. A nagy humusztartalom és a magasabb talaj pH erősebb kálium megkötést eredményez. A rendszeres kálium műtrágyázás
csökkenti a megkötődést (HARGITAI 1986, NYÍRI 1993, STEFANOVITS és mtsai. 1999).
A kálium kimosódás a gyökérzónából erősen függ a műtrágyázás mértékétől, a talajok fizikai féleségétől, szervesanyag-tartalmától és az átszivárgó víz mennyiségétől, dinamikájától. A homoktalajok esetében a kevés adszorpciós felület révén a kimosódás erőteljes lehet, mely akár a 20–25 kg/ha/éves mennyiséget is elérheti. Az erózió során a felszínre kerülő alsóbb talajrétegek káliumban gazdagabbak lehetnek, így a talaj kálium- szolgáltató képessége alapvetően nem változik. Ugyanakkor a talaj kálium-készlete csökken, akár évi 650 kg/ha-al is (STEFANOVITS és mtsai. 1999).
2.3 A talajok CO2-kibocsátása
A légkör CO2-tartalmának növekedését egyértelműen a klímaváltozás egyik kiváltó okaként említik. A légkör átlagos CO2-koncentrációja 1850-ben 280 ppm volt, míg 1996- ban már 365 ppm, mely 0,5% növekedést jelent évente. Amennyiben ez a tendencia folytatódik, a XXI. század végére az átlagos CO2-koncentráció elérheti a 600 ppm-t is, ezzel párhuzamosan 0,6–0,7 °C-kal nő a Föld felszínének átlaghőmérséklete. A Föld légköri felmelegedésével és a légkör CO2-koncentrációjának növekedésével párhuzamosan, a lehetséges CO2-források kutatása egyre inkább a figyelem középpontjába kerül (LAL és mtsai. 1998, RASTOGI és mtsai. 2002, FLESSA és mtsai. 2002, LAL 2004, LÁNG 2005, CO2NET 2005, IPCC 2007, FARAGÓ és mtsai. 2009).
A talaj pórusterének egy részét levegő tölti ki, mely kedvező esetben 30%-a a teljes hézagtérfogatnak, a fennmaradó részben víz, illetve talajoldat található. A talajlevegőnek fontos szerepe van a mikroorganizmusok és a növények oxigénellátásában, a biológiai és egyes kémiai folyamatok kimenetelében (pl. az aerob vagy az anaerob körülmények kialakításában) (HARGITAI 1985).
A talajlevegő fő alkotóelemei a nitrogén (N2), az oxigén (O2), a szén-dioxid (CO2) és a vízgőz (3. táblázat). Az O2 és a CO2 mennyiségét a pórustérben lejátszódó biológiai folyamatok határozzák meg. A gyökerek és a talajlakó élő szervezetek O2-t használnak fel a légzéshez, melynek során CO2 szabadul fel. Az O2-felhasználás annál nagyobb, minél intenzívebb a gyökérnövekedés és a mikrobiális élettevékenység (STEFANOVITS és mtsai.
1999).
3. táblázat. A légkör és a talajlevegő átlagos N2, O2 és CO2-tartalma
N2 O2 CO2
%
légkör 79,01 20,96 0,03
talajlevegő 79,2 20,6 0,3–0,7
Forrás: STEFANOVITS és mtsai. 1999
O2 kizárólag a légkörből jut a talajba (talajlevegőbe), mely folyamat igen lassú, ezért egy idő után az O2-tartalom kisebb, míg a CO2-tartalom nagyobb lesz a talajban, mint a légkörben. A kialakuló különbség annál nagyobb minél nagyobb a talaj biológiai aktivitása, és minél lassabb a talaj és a légkör közötti gázcsere (STEFANOVITS és mtsai.
1999).
A talajban évente átlagosan 4000 m3 CO2 keletkezik hektáronként. KUZYAKOV
(2006) öt CO2-forrást különböztet meg: 1. gyökérlégzés; 2. rhizomikrobiális légzés; 3.
növényi maradványok lebontása; 4. növényi maradványok vagy gyökér exudátumok indukálta mikrobiális szervesanyag-lebontás (SOM); 5. talaj szervesanyag (SOM) mikrobiális lebontása növényi maradványoktól illetve gyökér exudátumoktól mentes talajban. Ennek 2/3 része a talajélőlények (legnagyobb arányban a mikroorganizmusok, mindössze néhány százaléknyira tehető a talaj makro- és mezo-faunájának CO2- kibocsátása) tevékenységéből, míg 1/3-a a gyökérlégzésből származik. A képződő mennyiséget nagymértékben módosíthatja a talaj nedvességtartalma, hőmérséklete és a lebontható szerves anyag mennyisége (STEFANOVITS és mtsai. 1999, HANSON és mtsai.
2000, KE és mtsai. 2005, KUZYAKOV 2006).
Ugyanakkor a gyökérlégzésből és a mikrobiális lebontásból származó CO2- kibocsátás elkülönítése nehéz feladat (HANSON és mtsai. 2000, KELTING és mtsai. 1998).
Szükségszerűségét ugyanakkor az magyarázza, hogy amikor a talaj CO2-kibocsátását mérjük, számos különböző tér- es időléptékű folyamat együttes eredményét mérjük. Ezek a folyamatok a környezet változásaira különböző módon válaszolhatnak, pl. az olyan abiotikus tényezőkre, mint a hőmérséklet vagy a talajnedvesség, a gyökérzet élettani folyamatai eltérően reagálhatnak, mint a mikrobáké (BOONE és mtsai. 1998), így nehéz ezekre a folyamatokra, illetve a közös eredőjükre pontos megállapításokat tenni.
Az egész világra vetítve a mezőgazdasági szektor 25,6 %-kal járul hozzá a világ összes üvegházhatású gáz kibocsátáshoz (4. táblázat) (REILLY és BUCKLIN, 1989). Egyes
amerikai felmérések szerint az üvegházhatás éves növekedését előidéző gázok mintegy 77%-a az ipari tevékenységből, míg a maradék 23% a mezőgazdasági szektorból származik. A mezőgazdasági tevékenységből az antropogén eredetű metán kibocsátás 50–
75%-a, valamint a CO2 5%-a származik. Az erdőirtások, a biomassza elégetése és a földhasználatban előidézett egyéb változások további 14 %-ot tesznek ki (GYURICZA és mtsai. 2002, LÁNG 2003, GYURICZA 2004). A Föld egészére vetítve a mezőgazdaságilag művelt talajokból mintegy 2,5 Gt C áramlik a légkörbe, mely nem csak a globális felmelegedés szempontjából jelentős, hanem a hosszútávon fenntartható mezőgazdaság, a talaj termékenységének szemszögéből is tetemes (BLOODWORTH és URI 2002).
4. táblázat. A mezőgazdaság hozzájárulása a globális felmelegedéshez az 1990-es években
műtrágyák, talajművelés, biomassza égése 2,60%
kérődzők, rizsföldek, biomassza égése 13%
földhasználat változása 10%
A mezőgazdaság összes hozzájárulása 25,60%
Forrás: SWAMINATHON 1991
A szárazföldi bioszféra és a légkör közötti szénforgalmat a természetes ingadozások mintegy ±2–5 Gt C/évvel módosíthatják (KINDERMANN és mtsai. 1996), azaz a szárazföldi bioszféra esetenként teljesen kompenzálhatja, de akár meg is duplázhatja az emberi kibocsátás 3,3 Gt C/évre becsült (SCHIEMEL és mtsai. 1996) légköri hatását.
DUXBURY és munkatársai (1993) is beszámoltak a mezőgazdaság hozzájárulásáról a globális üvegházhatású gáz kibocsátások összértékéhez. Az üvegházhatású gázok közül a dinitrogén-oxid (N2O) kibocsátása a legmagasabb (92%), ezt követi az ammónia (NH3) (65%), míg a mezőgazdasági CO2-kibocsátás csupán az összes kibocsátás 1/3-át adja.
Jó mezőgazdasági gyakorlattal a fentebb említett probléma mérsékelhető. Az intenzív és a „no tillage” mezőgazdasági termelő rendszerek között kell megtalálnunk az optimumot, annak érdekében, hogy a talaj szén, illetve szervesanyag-veszteségeit csökkentsük (NÉMETH és mtsai. 1998,NÉMETH 2004).
Az élővilágban tárolt C több, mint 99%-a a szárazföldi élőlények testében halmozódott fel, s ennek csaknem 3/4-e az erdőkben van lekötve. A szárazföldi biomassza C-tartalmának közel négyszeresét tárolják a talajok (FARAGÓ és KERÉNYI, 2003). A talajban lakó élőlények tevékenységének eredménye a szerves anyag lebomlása,
átalakulása (4. ábra). Ezen bontási folyamatokban jutnak hozzá a mikroszervezetek az élettevékenységükhöz szükséges tápanyagokhoz és energiához, miközben nagy mennyiségű CO2 szabadul fel.
A szerves anyagok lebomlásában a lényeges mikrobiológiai folyamatok közül a C- és a N-vegyületek átalakulása a legfontosabb. Amennyiben elegendő oxigén áll a lebontásért felelős mikroorganizmusok rendelkezésére aerob (korhadás) folyamatok mennek végbe, de ha nincs elegendő oxigén a mikrobák számára anaerob (rothadás) folyamatok játszódnak le. Aerob körülmények között a talajban annyi CO2 molekula képződik, ahány molekula O2
fogy el a légzéshez (C6H12O6 + 6O2 ↔ 6CO2 + 6H2O), vagyis a respirációs hányados 1, míg anaerob körülmények között ez a hányados nagyobb, mint 1 (SZALAI 1994).
4. ábra. A talajélőlények szerepe a szervesanyag-lebontás folyamatában (Forrás: STEFANOVITS és mtsai. 1999)
2.3.1 A talajok CO2-kibocsátásának mérési módszerei
Alapvetően két megoldás kínálkozik a kibocsátott gázok kvantitatív meghatározására. Az egyik az emisszió meghatározása műszaki számításokkal, melyek a méréseknél egyszerűbbek, de sokkal pontatlanabbak. A másik, egy sokkal pontosabb eljárás, a gázemisszió mérése valamilyen gázelemző rendszerrel, melyek működési elvük szerint lehetnek: hővezetéses, paramágneses, infravörös, elektrokémiai elven működő, valamint ultraibolya sugárzás, illetve villamos vezetőképesség elvén működő gáz analizátorok. Ezen rendszerek lehetnek fix telepítésűek, vagy mobil rendszerek (BARÓTFI 2000).
Az általam használt készülék (Anagas CD98) az infravörös elven működő gáz
analizátorok csoportjába tartozik, ezért a továbbiakban csak ezt a működési elvet ismertetem.
Az infravörös elven működő eljárás azt a jelenséget használja ki, miszerint a különböző atomokból álló (hetero atomos) gázok – az adott gázra jellemzően – az infravörös sugárzást jellegzetes sávokban nyelik el (5. ábra). A gázok a fénysugarakat legnagyobbrészt áteresztik. Az infravörös sugarak elnyelése függ az infravörös sugarak hullámhosszától, a gázok fajtájától, illetve a gázréteg vastagságától.
5. ábra. A gázemisszió infravörös elven történő mérésének vázlata. Az elektromágneses sugárzási tartomány, a CH4, C2H4, CO és CO2 elnyelési sávjaival az infravörös
tartományban. (Forrás: BARÓTFI 1991)
A maximális elnyelési értékek minden gáz esetében (azonos vastagságú gázrétegre vonatkoztatva) más helyen vannak, így nincs két, egymástól különböző összetételű gáz, amelynek áteresztési görbéi azonosak lennének. Az elemi gázoknak nincsenek abszorpciós tulajdonságaik, ezért az infravörös sugarakat mindenütt átengedik. A mérés során sugárforrásul két egyforma, meghatározott fűtésű infravörös sugárzó szolgál, melyek sugárzását egy motorikus hajtású blendekerék azonos fázisban modulálja. Az egyik sugárzó modulált sugara az analizáló kamrán keresztül az egyik érzékelő kamrába jut, a másik sugárzó modulált sugara pedig az N2-töltésű összehasonlító kamrán keresztül az előzővel azonos kiképzésű másik érzékelő kamrába jut. Minden rész infravörös sugarakat átbocsátó ablakocskákkal van lezárva. Az érzékelő kamrák, amelyeket egy membránkondenzátor választ le egymástól, mindenkor azzal a gázzal vannak töltve, amelynek a koncentrációját mérni akarjuk, tehát infravörös sugárzást csak a mérendő
