Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Pôda

Spôsoby eliminácie strát dusíka v pôde

25-06-2020
prof. Ing. Ivan Michalík, DrSc. | ivmichalik@gmail.com
Nitra

V nadväznosti na  predchádzajúce informácie o biologických procesoch premeny dusíka v pôde, ktoré sú známe ako nitrifikácia a dentrifikácia predkladáme analýzu príčin, eventuálnych strát dusíka (vo forme NO3, N2O, NO alebo N2), ako aj opatrenia na zamedzenie strát pri pestovaní plodín.

Katalyticky systém pôdnych baktérii je zodpovedný za  intenzívnu premenu chemických foriem anorganického dusíka (NO3  a NH3), ktoré sa vyznačujú rozdielnymi chemickými vlastnosťami, predovšetkým mobilitou v pôdnom prostredí,  schopnosťou ich sorpcie na pôdny sorpčný komplex, ale aj príjmom a akumuláciou koreňmi rastlín(Obr. 1). Počas vegetácie plodín pozorujeme významné zmeny v obsahu prístupných foriem anorganického dusíka(Nan), ktoré sa pohybujú v rozmedzí 30-200 kg/ha. Predovšetkým pestovateľom je známe jarne maximum obsahu anorganického dusíka v rozsahu 40 – 60 kg N/ha, spôsobené biologickými procesmi amonizácie nitrifikácie, ktoré môže prevyšovať potreby nedostatočne vyvinutého porastu. Analogicky v jesennom období po zbere úrody dochádza ku nárastu obsahu mobilných zdrojov dusíka (Nan), známe ako jesenné maximum. Naproti tomu v letnom období maj - júl v dôsledku intenzívneho rastu a tvorby biomasy dochádza ku vysokému odberu dusíka porastom a najmä nedostatočná aktivita nitrifikácie a amonizácie spôsobená nepriaznivými hydrotermickými podmienkami je príčinou manifestovaného deficitu prístupného dusíka, ktorý je známy ako dusíkatá depresia.

Utilizácia amoniaku nitrogénnou mikroflórou (biologická sorpcia) v rozsahu okolo 2-3 % pôdneho dusíka a výmenná sorpcia, ale aj akumulácia  anorganického dusíka porastom významné znižuje straty dusíka z pôdneho prostredia. Predpokladá sa, že maximálne straty dusíka z dodaných  N – hnojív cez plynnú fázu denitrifikaciou  predstavujú okolo 30 % a sú ďaleko vyššie ako straty z kvapalnej fázy reprezentovane vyplavovaním dusičnanov. Vysoká mobilita dusičnanov  je  príčinou strát dusíka vyplavovaním a prienikom  NO3- do zdrojov pitnej vody. Analogicky ako amoniak i dusičnany, pokiaľ nie sú  akumulovane  porastom alebo imobilizované biologickou sorpciou, v anaeróbnych podmienkach katalytickou  aktivitou multienzýmového systému  nitrátreduktázy, podliehajú denitrifikácii za vzniku redukovaných foriem dusíka t.j.  N2O (pri pH 4,9-5,6) alebo  N2 (pri pH 7,3-7,9), ktoré vo forme plynných emisii kontaminujú atmosféru a spôsobujú značné straty pôdneho dusíka. Okrem toho sú známe aj straty amoniaku na pôde s neutrálnou a alkalickou pôdnou reakciou, ktoré dosahujú okolo 5-25 %. Tvorba plynného amoniaku (volatizácia) sa realizuje podľa reakcie:

NH4 +  OH-       H2O  + NH3

Tým, že v alkalickej pôde sorpčný komplex je nasýtený vápnikom (Ca2+), ktorý je antagonistom amoniaku (NH4+) bráni jeho sorpcii, v dôsledku toho molekula amoniaku v plynnej forme sa  uvoľňuje do atmosféry.

Príčiny strát dusíka z pôdneho prostredia:

  • paušálna aplikácia  nadlimitných dávok N - hnojív, ktoré presahujú reálne potreby  porastu spôsobuje jav luxusného príjmu a je príčinou zvýšenej koncentrácie  voľného anorganického dusíka v pôde,
  • intenzívna nitrifikácia je príčinou tvorby dusičnanov, ich vysoká pohyblivosť v pôde zvyšuje rizika strát N jeho vyplavovaním,
  • procesy denitrifikácie sú zodpovedné za redukciu dusičnanov  a tvorbu oxidov dusíka a najmä molekulového dusíka, ktorý umožňuje únik z pôdy do atmosféry(okolo 30 %),
  • zvýšená produkcia plynného amoniaku v podmienkach alkalickej reakcii pôdy je  príčinou strát amoniaku, ktoré  sú  známe ako jav volatizácie dusíka (5-25 %).

Spôsoby eliminácie strát dusíka pri pestovaní plodín:

Pestovateľ agrotechnickými postupmi, úpravou pôdnej reakcie a najmä racionalizáciou výživy a hnojenia porastov do značnej  miery môže obmedziť straty dusíka.

Medzi najúčinnejšie spôsoby eliminácie strát dusíka z pôdneho prostredia môžeme definovať nasledovne:

  • regulácia mikrobiálnych procesov nitrifikácie a denitrifikácie agrotechnickými postupmi(spôsoby aerácie alebo utláčania pôdy),
  •  úprava pH vápnením a aplikáciou fyziologicky kyslých alebo zásaditých priemyselných hnojív,
  • stimulácia  biologickej sorpcie, príjmu a akumulácii dusíka porastom pestovaných plodín, 
  • racionalizácia v aplikácii N-hnojív v dávke dusíka a v termíne,
  • aplikácia inhibítorov nitrifikácie(IN).

Cieľavedomá  pravidelná kultivácia pôdy, vytvára stav dobre  prevzdušnenej ornice, ktorá brzdí  biologické  procesy redukcie  dusičnanov na  molekulový dusík (denitrifikácia), čo sa  prejaví v znížení jeho strát. Naproti tomu podmienky zvýšenej koncentrácie obsahu kyslíka priaznivo vplývajú na stimuláciu  oxidácie amoniaku za vzniku dusičnanov(nitrifikácia). Minimalizované spôsoby obrábania pôdy pôsobia stimulačné na denitrifikáciu a naproti tomu inhibujú nitrifikáciu.

V podmienkach výskytu trvalých dažďov môže dochádzať ku stratám dusičnanov vyplavovaním, ktoré sú  reálne  predovšetkým v jesennom, zimnom a skoro jarnom období. Pestovateľ musí zohľadňovať podmienky pestovateľského prostredia  a predovšetkým do pôdy zapracovavať dávky N-hnojiva, ktoré v čase ich aplikácie môžu byť bezo zvyšku utilizované akumuláciou porastom, biologickou sorpciou mikroorganizmami a výmennou sorpciou amoniaku na SK. Za týchto podmienok oprávnené môžeme predpokladať minimalizáciu premeny NH3 na NO3-,čo prispieva ku minimalizácii denitrifikácie a strát N2. Straty dusíka môžeme čiastočne regulovať stimuláciou biologickej sorpcie N, čo sa v praxi realizuje zaorávaním do pôdy organickej hmoty (rastlinných zvyškov) zo širokým pomerom C:N. Pri pomere sacharidy: bielkoviny ako 5 : 1 anorganicky dusík je prednostne utilizovaný bakteriálnou kultúrou (biologická sorpcia), preto výrazné  klesá produkcia  molekulového dusíka.

Aplikácia syntetických chemických preparátov (IN) inhíbujúcich  nitrifikáciu

V minulosti bol rozšírený preparát pod názvom N-serve, ktorý predstavuje 2-chlor-6-trichlormetyl- pyridin, jeho rozkladom v pôde vznikajú kancerogénne produkty, preto v súčasnej dobe  sa už v praxi  nepoužíva. V ostatnej dobe sa presadzuje regulácia tvorby emisii N2 pri pestovaní plodín aplikácia inhibítorov nitrifikácie(IN).  Medzi rozšírené IN patri dikyandiamid(DCD) a 1,2,4 triazol(TZ), ktoré sú do amoniakálneho hnojiva a močoviny aplikované v pomere DCD : TZ ako 10:1. Využitie IN  pokladáme za jednu z viacerých možných  riešení problému obmedzenia strát dusíka v pôde. Okrem uvedeného je cela rada syntetických chemických látok,   spôsobujúcich inhibíciu, predovšetkým  k ním patria chlórované zlúčeniny z kategórie  pesticídov: hexachlórbutadien, hexachlór, chlórpikrin, oldrin, paration , ale aj   halogenizované fenoly, nitrofenoly, soli hydrazinu, orto-nitroaniliny meta-nitroaniliny, pyridiny, acetylen alkohol, dikyan amid a iné.

Je logické , že inhibícia nitrifikácie zvyšuje „pool“ amoniaku a naopak znižuje koncentráciu dusičnanov. Amoniak  sa môže prijímať porastom, utilizovať biologickou sorpciou, čo môže čiastočne znižovať účinnosť jeho premeny na dusičnan. Dusičnan za  mierne anaeróbnych podmienok, neutrálnej a alkalickej pôdnej reakcie  podlieha redukcii na  molekulový dusík.  V ostatnej dobe ako agrochemicka komunita, tak i  výroba priemyselných hnojív v snahe obmedziť straty dusíka vo forme  N2 (produkt denitrifikácie) sa striktne orientuje iba  na inhibíciu procesov spojených s oxidáciou amoniaku a tvorbou dusičnanu (nitrifikácia). Treba však konštatovať, že bezprostrednou príčinou tvorby N2 nie je nitrifikácia ale denitrifikácia. Enzymatické reakcie nitrifikácie síce  sprostredkované vytvárajú substrátové predpoklady (tvorba dusičnanov) pre ďalšiu kaskádu redukčných reakcii. Vychádzajúc z tejto premysi, v zaujme riešenia problému je žiaduce uplatniť inhibíciu predovšetkým reakcii zodpovedných za tvorbu molekulového dusíka tzn. denitrifikáciu a osobitne enzýmu nitrátreduktázy.

Poznatky o rozdielnom vplyve pH pôdy na príjem jednotlivých foriem dusíka znázornené na Obr.1 naznačujú na potrebu diferencovaného prístupu pri aplikácii amoniakálneho hnojiva obohateného o IN. Aplikácia  IN za podmienok kyslej pôdnej reakcie môže sa prejaviť v znížení úrody. Príčina tohto fenoménu je v tom, že prednostný prijem dusičnanov sa uskutočňuje v podmienkach kyslej pôdnej reakcie a naproti tomu príjem amoniaku v neutrálnej až alkalickej pH.

Obr. 1:  Vplyv pH živného roztoku na príjem amoniaku a dusičnanov

Obr. 1

Nepokladáme za relevantne aplikovať vysoké dávky amoniakálneho hnojiva s IN, ktoré presahujú  kapacitne možnosti porastu pre ich  prijem a sorpciu na SK. Za týchto podmienok vznikajú podmienky pre tzv. luxusný príjem a zároveň zvyšuje sa riziko amoniakálnej toxicity rastlín. Je mimoriadne aktuálne dodržiavať vhodne podmienky pre aplikáciu IN osobitne pri obmedzenom raste porastu, nízkej fotosyntetickej aktivity, pH slabo kyslej až alkalickej pôdnej reakcie, čo zodpovedá modelovým podmienkam regeneračného hnojenia ozimín. Vysoké dávky amoniakálneho dusíka pri súčasnej inhibícii premeny amoniaku na dusičnany za podmienok deficitu asimilátov a najmä organických oxo- a hydroxy - organických kyselín,  podieľajúcich sa  na asimilácii amoniaku (asimilácia amoniaku) pri tvorbe aminokyselín, znásobuje efekt amoniakálnej  toxicity (osobitne pri pH >6,5).

Treba si uvedomiť, že nitrifikácia je zároveň účinný a efektívny spôsob eliminácie patologicky vysokých koncentrácii amoniaku v živinovom prostredí. Problematika využitia inhibítora nitrifikácie na baze „DCD+TZ“ pre účely regulácie premeny amoniaku na dusičnany(nitrifikácia) boli podrobne analyzovane v príspevku zverejnenom v čas. Naše pole  č. 9/2014.  Na základe komplexného hodnotenia, odporúčame pestovateľom pri aplikácii amoniakálnych hnojív z inhibítorom nitrifikácie zohľadniť nasledovne okolnosti:

  • obmedziť alebo vylúčiť aplikáciu hnojiva s IN na pôdach s kyslou pôdnou reakciou(< 5 pH), predovšetkým v rámci regeneračného a produkčného hnojenia ozimín,
  • na pôdach s kyslou pôdnou reakciou, v dôsledku obmedzeného príjmu amoniaku, inhibícia tvorby dusičnanov  môže vyvolať čiastočný deficit N, čo sa prejaví v znížení úrody,
  • v dobe realizácie regeneračného hnojenia je v dôsledku nízkej teploty pôdy minimalizovaná mikrobiálna aktivita a preto i straty  dusíka spôsobené biologickými procesmi „nitrfikacia – denitrifikácia“ sú minimalizované, preto aplikácia IN nie je opodstatnená,
  • treba rátať s tým, že jednorazové aplikácia vysokých dávok amoniakálneho hnojiva s IN pre regeneračne hnojenie (> 60 kg N/ha) na pôdach s pH > 6,5 môže vyvolať amoniakálnu toxicitu.

Pestovateľ prioritnú pozornosť musí zamerať na ekonomicky efektívnu a biologicky racionálnu aplikáciu živín pri zohľadnení potrieb porastu na dávku a termín aplikácie hnojiva v záujme maximálnej produktivity rastlín. Ekonomické a ekologické požiadavky akcentujú potrebu modelovať a regulovať výživu predovšetkým dusíkom tak, aby jeho  produkčný účinok bol maximálny a straty boli minimalizované.

Návrh zjednodušeného výpočtu dávky dusíka   

Racionálna  intenzifikácia pestovania plodín umožňuje zabezpečiť programovanú úrodu pri minimalizovaných materiálových vstupov. Na základe toho môžeme formulovať  nasledovne základne paradigmy výživy a hnojenia plodín:

  1. v maximálnej miere zohľadniť reálne potreby porastu na úroveň programovanej úrody, osobitne je to významné pre dusík,
  2. dávku a chemickú formu dusíka korigovať z ohľadom na schopnosti porastu účinne prijať a efektívne využiť na tvorbu biomasy(pH pôdy, termohydrologické podmienky, rastová fáza  a kondícia porastu),
  3. dusík aplikovať v dobe najintenzívnejšieho rastu plodín(odnožovanie, klasenie, kvitnutie),
  4. zohľadniť reálne zdroje prístupného dusíka (obsah Nan  mg/kg pôdy) a jeho zásoby v kg/ha,
  5. zohľadniť obsah mobilizovaných zdrojov dusíka  vytvorených mineralizáciou počas vegetácie.

Racionalizovanú dávku dusíka vypočítame podľa nasledovnej zjednodušenej rovnice:

DN  =  ( X1 . k v ) - (X2 +  X3),

kde:
X1
- produkčne potreby porastu ( z rozpočtu 30 kg N/t/ha), X2 - momentálne zdroje prístupného dusíka v pôde v kg /ha, X3 - tvorba prístupných zdrojov N v procese mineralizácie počas vegetácie(z rozpočtu 0,4 kg/ha/deň).

kv - koeficient využiteľnosti prístupných zdrojov dusíka (kv = 60 %).

Aproximatívna  dávka dusíka  pre úrodu 5 ton zrna pšenice za podmienok: X1 =  150 kg N/ha ( 30. 5 ) a

X= pre pôdu  strednej zásoby Nan 10,1-20,0  mg N/kg, potom zásoba N  pri priemernej hodnote 15 mg Nan/kg je  okolo 70 kg N/ha,

X3 =  pri dĺžke vegetačného obdobia cca 180 dni  mineralizáciou sa vytvorí cca 70 kg N/ha (180. 0,4 ).

Dosadením nameraných hodnôt do rovnice vypočítame potrebnú dávku dusíka na úroveň programovanej úrody(DN):

DN = (150.1,67) - (70 + 70) = 250 - 14 = 110 kg N/ha

Vypočítanú dávku dusíka 110 kg N/ha odporúčame aplikovať v nasledovných termínov: regeneračne hnojenie - 30 kg N/ha,  prvé produkčne - 40 kg N/ha, druhé produkčne - 40 kg N/ha.

Na záver pokladám za potrebne zvýrazniť nasledovne okolnosti:

  • racionalizácia v aplikácii hnojív je účinný prostriedok  eliminácie strát dusíka vo forme N2, pritom pestovateľ ušetri finančne náklady na nadlimitne dávky hnojiva a preparát IN.
  • treba rátať s tým, že inhibícia nitrifikácie preparátmi „DCD+ TZ“ zároveň spôsobuje narušenie činnosti pôdnej mykorizy, predovšetkým mineralizačných procesov v pôde, ktoré podmieňujú tvorbu prístupných zdrojov živín. Pritom podiel prijateľných zdrojov dusíka (Nan) z celkového obsahu N v pôde predstavuje iba okolo 3-5 %, naproti tomu na organické zdroje N pripadá cca 95-98 % celkového N, potom si môžeme lepšie  uvedomiť dôležitosť vo výžive plodín mineralizačnych procesov na vytváraní potenciálnych pôdnych zdrojov prístupného dusíka a ďalších živín.
  • podiel prijateľneho dusíka(Nan) na tvorbe biomasy a úrody plodín vytvorený mineralizáciou môže byť väčší, ako je obsah N z aplikovaného hnojiva. V ojedinelých prípadoch podiel pôdnych zdrojov dusíka na tvorbe úrody  dosahuje okolo 60 % a viac %,
  • z uvedeného je opodstatnená požiadavka na racionalizáciu hnojenia porastu dusíkatými hnojivami, ktoré rešpektujú reálne potreby rastlín na úroveň programovanej úrody pri zohľadňovaní momentálnych zásob prístupných a prijateľných zdrojov dusíka, mobilizácie dusíka z organických zdrojov, ale aj kapacitne predpoklady pre transformáciu chemických foriem N v pôde. Straty dusíka riešiť predovšetkým  delenou výživou a uplatnením diagnostikačných metód a rešpektovaním princípov aplikácie hnojív v čase maximálnej potreby porastom.
  • aplikácia  vysokých dávok amoniakálnych hnojív s IN  je v rozpore zo „sedliackou“ logikou o neopodstatnenosti zvýšených nákladov na nadbytočne dávky živín v hnojive  a zároveň umocnene o náklady na preparát IN, ale aj obmedzenie vnášanie do pôdy cudzorodých látok.
  • analyzovane výsledky sú aktuálne ako z pohľadu produkčného (optimalizácia produkčného procesu), ekonomického (minimalizácia neefektívnych nákladov na priemyselne hnojiva), ale predstavuje aj významný ekologicky a environmentálny prínos. Vo všeobecnosti sa konštatuje, že vplyv redukovanej formy dusíka - N2O  na globálnych procesoch otepľovania v relácii s CO2 je 300 krát účinnejšia.