UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA
Ústav pro životní prostředí Studijní program: Ekologie a ochrana prostředí Studijní obor: Ochrana životního prostředí
Priming efekt a jeho vliv na akumulaci půdní organické hmoty během sukcese Priming effect and its role in soil organic matter accumulation during succession
Bakalářská práce
Zpracovatel: Renata Galertová Školitel: Doc. Ing. Mgr. Jan Frouz, CSc. Červen 2010
Prohlašuji tímto, ţe jsem zadanou bakalářskou práci vypracovala samostatně pod vedením Doc. Ing. Mgr. Jana Frouze, CSc. a ţe jsem v seznamu literatury uvedla veškerou pouţitou literaturu a další zdroje.
V Praze dne
.............. Podpis
2
Poděkování
Na tomto místě bych ráda poděkovala vedoucímu své bakalářské práce panu Doc. Ing. Mgr. Janu Frouzovi, CSc. za čas, trpělivost, odborné vedení a podnětné připomínky, čímţ vším přispěl k vypracování této bakalářské práce. Dále bych chtěla poděkovat zaměstnankyni Ústavu půdní biologie AV ČR Jitce Hubačové za provedení experimentu, jehoţ výsledky jsem ve své práci také pouţila. Můj dík patří také mé rodině a přátelům, kteří mě při studiu podporovali.
3
Abstrakt: Priming efekty jsou rychlé krátkodobé změny v obratu půdní organické hmoty. Podle zdroje uvolněného CO2 jsou děleny na skutečné (rozklad půdní organické hmoty je ovlivněn) a zdánlivé (nárůst uvolňování CO2 je výsledkem zvýšeného mikrobiálního obratu). Mechanismy a příčiny vzniku priming efektů nejsou doposud přesně prozkoumány, ale existuje mnoţství hypotéz, které se pokoušejí zvýšené uvolňování CO2 vysvětlit. Můţe zde hrát roli mikrobiální kompetice o ţiviny, limitace dusíkem, mikrobiální diverzita, činnost ţivých kořenů i další faktory. Ve své práci popisuji výskyt priming efektů v různě starých půdách výsypek, které byly ovlivněny přídavkem různě komplexních substrátů. V experimentech s přídavkem 0,2 ml 1,75 % roztoku glukózy, celulózy a škrobu bylo v půdách pozorováno pouze jediné statisticky významné zvýšení mnoţství uvolněného CO2. Po aplikaci 0,8 ml 1,75% roztoku glukózy, celulózy a škrobu se statisticky významné změny v mnoţství uvolňovaného CO2 objevily u tří z pěti půd. Příčinou těchto změn, kdy respirace přesáhla mnoţství dodaného uhlíku, mohou být zdánlivé priming efekty (zvýšený mikrobiální obrat), skutečné priming efekty (rozklad půdní organické hmoty v důsledku spolu metabolismu nebo limitace dusíkem) či kombinaci obou. V půdách, kde se organická hmota hromadí na povrchu a není například ţíţalami vmíchávána do půdy, mohou priming efekty vysvětlovat větší ztráty uhlíku a menší sekvestraci oproti půdám s organikou vpravenou do větších hloubek.
Abstract: Priming effects are fast short-term changes in the turnover of soil organic matter (SOM). Depending on sources of released CO2, priming effects are classified as real (acceleration of mineralization SOM) or apparent (release of CO2 due to accelerated microbial biomass turnover). Mechanisms causing priming effects remain poorly understood. Microbial competition, nitrogen limitation, microbial diversity changes, effect of living roots are the most often mentioned among mechanisms that cause priming effect. In my thesis I have studied intensity of priming effects in soil from post mining heap that vary in age and SOM content. These soils were affected by addition of substrates with different complexity (glucose, starch and cellulose) in two levels. Addition of 0.2 ml 1.75 % glucose, starch and cellulose solution resulted in statistically significant increase in CO2 release only in one soil. Addition of 0.8 ml 1.75 % glucose, starch and cellulose solution cause significant increase in released CO2 in 3 from 5 soils. Causes of these changes are not clear however in some cases it exceed level of added C could mean real priming effects connected to release already stored C. In soils where organic matter was accumulated on the soil surface and is not mixed into soil was observed the most strong priming effects on the other hand small priming effect was observed in soil where organic matter was mixed into soil. This may imply that soil mixing e.g. by bioturbation reduce priming effect and promote carbon storage.
4
OBSAH: 1.Úvod ........................................................................................................................................ 6 2. Literární přehled ..................................................................................................................... 8 2.1. Cyklus uhlíku v půdě a půdní organická hmota .............................................................. 8 2.1.1. Cyklus uhlíku v půdě................................................................................................ 8 2.1.2. Půdní organická hmota ............................................................................................. 8 2.2. Rozklad půdní organické hmoty ................................................................................... 10 2.2.1. Dekompozitoři ........................................................................................................ 11 2.3 Priming efekty ................................................................................................................ 12 2.3.1. Definice .................................................................................................................. 13 2.3.2. Zdroje látek uvolněných při priming efektech ....................................................... 14 2.3.3. Mechanismy PE...................................................................................................... 15 Mikrobiální kompetice o ţiviny (Činnost r-stratégů a K-stratégů?) ................................ 15 Limitace ţivinami ............................................................................................................. 17 Aktivace mikrobiálních společenství ............................................................................... 18 Mikrobiální diverzita a priming efekty ............................................................................ 19 Mnoţství přidaného substrátu .......................................................................................... 20 Priming efekty v rizosféře ................................................................................................ 20 3. Metodika............................................................................................................................... 22 3.1. Materiál ......................................................................................................................... 22 3.1.1. Sledované území .................................................................................................... 22 3.1.2. Sledované plochy a vzorky .................................................................................... 22 3.2. Uspořádání pokusu ........................................................................................................ 23 3.3. Analýzy .................................................................... Chyba! Záložka není definována. 3.3.1. Stanovení bazální respirace půdy ........................................................................... 23 3.3.2. Zpracování dat ........................................................................................................ 25 4. Výsledky............................................................................................................................... 23 5. Diskuze ................................................................................................................................. 29 6. Závěr..................................................................................................................................... 31 6.1. Závěry literární rešerše ................................................................................................. 31 6. 2. Závěry vlastní práce ..................................................................................................... 31 7. Pouţitá literatura .................................................................................................................. 33
5
1.Úvod Uhlík (C) je základním stavebním kamenem ţivých organismů. Pro jeho cyklus na Zemi je charakteristický významný přenos uhlíku mezi suchozemskými ekosystémy a oceánem na jedné straně a atmosférou na straně druhé (Šimek, 2008). Mezi hlavní zásobárny uhlíku patří horniny, oceány, oceánské sedimenty a nelze opomenout ani uhlík v minulosti uloţený do fosilních paliv. V suchozemských ekosystémech je uhlík nahromaděn v opadu, ve zbytcích rostlin a ţivočichů, v biomase mikroorganizmů a v půdě (Šimek, 2008). Jelikoţ půdy jsou obrovskou a dynamickou zásobárnou uhlíku, která obsahuje více jak trojnásobek uhlíku obsaţeného v atmosféře (Johnston a kol., 2004), má půdní uhlík velký význam pro globální cyklus tohoto prvku.
Obr.1. Cyklus uhlíku podle GLOBE 2007.
6
Uhlík ovlivňuje půdní vlastnosti, takţe podle obsahu organického uhlíku je moţné hodnotit úrodnost půd. Organická sloţka půdy zajišťuje dobré strukturální vlastnosti půdy, neboť se váţe na anorganické látky a tím vznikají velice stabilní organo-minerální komplexy (půdní agregáty)(Šantrůčková, 2001). Agregáty jsou důleţité pro pronikání kořenů a vody do půdy a přítomnost organické hmoty také zajišťuje dobré vlhkostní podmínky, protoţe organika v půdě zadrţuje vodu a chrání půdu před erozí (Šantrůčková, 2001). Mnoţství organického uhlíku v půdě závisí na bilanci přísunu a dekompozice. Určující jsou tedy primární producenti organické hmoty i dekompoziční společenstva v půdě. Dekompozici půdní organické hmoty výrazně ovlivňují podmínky (vlhkost, teplota, půdní biota atd.) (Šantrůčková, 2001). Například půdy tundry a boreálního lesa obsahují velká mnoţství půdního uhlíku, protoţe nízké teploty zpomalují rozklad (Schlesinger, 1984). Vegetace ovlivňuje rozklad organické hmoty tím, ţe určuje mnoţství organických látek, které vstupuje do půdy, kvalitu a sloţení těchto látek, a nakonec i časové a prostorové rozloţení vstupu organických látek do půdy (Šantrůčková, 2001). Dekompozice závisí také na kvalitě organické hmoty. Obecně se lépe rozkládá půda s menším poměrem C:N a poměrem lignin:N (Šantrůčková, 2001). Průběh dekompozice půdní organické hmoty můţe být změněn vstupem snadno dostupných organických substrátů do půdy. Ty mohou indukovat zvýšený rozklad půdní organické hmoty, takţe mnoţství emitovaného CO2 převyšuje mnoţství uhlíku, který do půdy vstoupil. Tento fenomén byl nazván priming efekt a probudil vlnu zájmu následovanou vlnou experimentálních výzkumů (Kuzyakov, 2000). Protoţe emise CO2 z půd jsou jedním z největších zdrojů v globálním koloběhu uhlíku, malé změny ve velikosti půdní respirace by mohly mít velký účinek na koncentraci CO2 v atmosféře (Schlesinger a Andrews, 2000). Pro představu: Raich a Schlesinger (1992) odhadují roční průměrný globální tok CO2 z půd na 68+/- 4 Pg C za rok. V době, kdy je globální oteplování jedním z nejskloňovanějších současných environmentálních problémů, má poznání mechanismů a příčin priming efektů veliký význam. Cílem mé práce je nashromáţdit literární údaje o příčinách a mechanismech priming efektů a také popsat výskyt priming efektů v různě starých půdách výsypek, které byly ovlivněny přídavkem různě komplexních substrátů.
7
2. Literární přehled 2.1. Cyklus uhlíku v půdě a půdní organická hmota
2.1.1. Cyklus uhlíku v půdě Půdy obsahují celkově obrovské mnoţství organického uhlíku (1100–2400 Pg) i uhlíku vázaného v anorganických látkách, zejména v uhličitanech (zhruba 700 Pg) (Šimek, 2008). Schlesinger (1984) odhaduje mnoţství uhlíku v půdním zásobníku na asi 1515 x 1015g. Většina uhlíku je imobilizována v oceánských sedimentech, horninách a fosilních palivech (ropa, uhlí, zemní plyn). V cyklu je aktivní uhlík z rostlinných a ţivočišných organizmů, půdní organické hmoty a uhlík z vod a atmosféry (Šimek, 2008). Klíčovou roli v koloběhu uhlíku v půdách hraje asimilace vzdušného oxidu uhličitého. Lapený CO2 je prostřednictvím fotosyntézy zabudován do rostlinných těl a dříve či později se, ať uţ jako opad či odumřelý kořenový systém, dostává ve formě organického uhlíku do půdy. Tyto rostlinné zbytky jsou tvořeny převáţně celulózou, hemicelulózami a ligninem, ale obsahují také další sacharidy, aminokyseliny, bílkoviny a minerální látky (Šantrůčková, 2001). V půdě jsou vyuţívány půdními organismy, které energii uvolněnou z chemických vazeb vyuţijí pro své ţivotní pochody nebo části této organické hmoty zabudují do vlastních těl, případně ji vyloučí ve formě metabolických odpadů. Při těchto dekompozičních procesech dochází k uvolnění původně organicky vázaných ţivin, které se tímto stávají opět dostupné pro rostliny. Organizmy vyuţitý uhlík se uvolňuje ve formě CO2 (respirace), čímţ se cyklus uzavírá (Šantrůčková, 2001).
2.1.2. Půdní organická hmota Půdní organická hmota (SOM) je termínem, který má ve studiích různých autorů různou šíři. Ačkoli většinou se pod pojmem SOM rozumí veškeré organické komponenty v půdě- ţivé i neţivé- některé studie chápou SOM v uţším slova smyslu, jen jako neţivé organické sloţky v různém stupni rozkladu. Je pravdou, ţe mrtvá organická hmota je v půdě v drtivé převaze (Šantrůčková, 2001). Půdní organická hmota představuje největší světovou zásobu uhlíku a energie v suchozemských ekosystémech (Šantrůčková, 2001). Organická frakce půdy pochází z několika zdrojů. Mezi hlavní dodavatele organického uhlíku patří rostliny, jejichţ rezidua a
8
kořeny či kořenové exsudáty vstupují do dekompozičních procesů. Dalším zdrojem organiky v půdě jsou organická hnojiva jako je kejda, močůvka či kompost. Organický podíl půdy tvoří v průměru 6% hmotnosti půdy, ale obsah organické hmoty se v půdě pohybuje v širokém
rozmezí
od
1%
v chudých
písčitých
nebo
intenzivně
zemědělsky
obhospodařovaných půdách aţ po 80% v rašelinných půdách (Šantrůčková, 2001). Procesem humifikace vznikají v půdě sekundární humínové látky. Jejich původ není zcela osvětlen. Jedna skupina teorií předpokládá, ţe jde o nerozloţené zbytky rostlin, jiné, v současnosti preferované, teorie uvádí, ţe jde o repolymerizované sloučeniny, které vznikly z rozštěpených aromatických jader a alifatických uhlovodíků z rostlinných zbytků (Stevenson 1982, Šantrůčková, 2001). Kvalita půdní organické hmoty závisí na podmínkách humifikace a na materiálu, který do humifikačního procesu vstupuje. Technicky dělíme humusové látky na humin, který nelze z půdy vyextrahovat alkalickými rozpouštědly a na humusové kyseliny které z půdy alkalickými rozpouštědly vyextrahovat lze. Tuto frakci pak můţeme dělit na humusové kyseliny, které se sráţí v kyselinách, a na fulvokyseliny které se v kyselinách nesráţí (Stevenson, 1982). To, jak kvalitní je humus v půdě, udává poměr huminových kyselin a fulvokyselin (HK:FK). Čím větší je obsah huminových kyselin, tím je kvalita humusu větší. Na ose směrem od fulvokyselin k huminovým kyselinám vzrůstá nejen stupeň polymerizace, ale také molekulová hmotnost a mnoţství uhlíku. Rozpustnost ve stejném směru klesá (Stevenson 1982). U humusu se také stanovuje poměr C:N, přičemţ čím více toto číslo vzrůstá nad hodnotu 10, tím menší je kvalita daného humusu. Obecně se dá ke kvalitě humusu říci, ţe čím je půda tmavší, tím kvalitnější humus obsahuje (Stevenson 1982). Kromě výše uvedených skupin humusových látek rozlišujeme tzv. formy nadloţního humusu. Při jejich vzniku hrají roli klimatické podmínky, vegetační pokryv a další faktory, které dávají vzniknout třem hlavním formám humusu: moru, moderu a mulu. Ačkoli morfologie humusů neposkytuje kompletní celkový pohled na systém dekompozice potřebný pro pochopení půdních procesů, můţe poskytovat uţitečnou informaci o dynamickém stavu půdních destruentů (rozmanitost a funkce)(Chauvat, 2004). Mor- vzniká rozkladem rostlinného opadu v kyselém prostředí ve velmi nepříznivých podmínkách, za vzniku organických kyselin, které kyselost prostředí ještě zvyšují. Fauna a mikrobiální populace jsou dost chudé (nízká četnost a diverzita), coţ způsobuje velmi nízkou rychlost humifikace (Chauvat, 2004). Zatímco bakterie a aktinomycety jsou tímto prostředím potlačeny, u hub dochází k rozvoji a můţeme spatřit viditelná vlákna porůstající humusovou
9
vrstvu. S tímto typem humusu se setkáme například v jehličnatých lesích. Je provázen nedostatkem dusíku. Mul- vlhké, neutrální půdy s mnoţstvím půdních ţivočichů (ţíţaly) i mikroorganismů a dostatkem dusíku, dávají vzniknout tomuto typu humusu. Půdní organismy a příznivé klima zajišťují dokonalé promísení a rychlé zpracování vstoupivšího organického materiálu. Charakteristický typ humusu pro luční porosty. (Šantrůčková, 2001) Moder- prostředí, ve kterém vzniká tento typ humusu, je středem mezi oběma výše uvedenými extrémy. Půdní biota je rozmanitější neţ u moru, ale obsahuje méně druhů neţ u mulu. Zdrojem organiky jsou exkrementy a rostlinné zbytky, prostředím smíšený les (Šantrůčková, 2001).
2.2. Rozklad půdní organické hmoty Dekompozice SOM je neoddělitelnou součástí koloběhu uhlíku a dusíku v půdě. Jejím prostřednictvím se v organické hmotě fixované ţiviny stávají opět dostupnými pro nové syntetické procesy. Dochází tak k postupnému uvolňování uhlíku, dusíku a dalších ţivin, které jsou základními sloţkami těl organizmů. Zatímco uhlík se uvolňuje převáţně jako CO2 a uniká do atmosféry, N, P a další minerální ţiviny se mohou uvolňovat do půdy, odkud mohou být přijaty kořeny rostlin (Šantrůčková, 2001). Organická frakce je v půdě vystavena mnoha vlivům. Je mechanicky drcena na menší fragmenty, chemicky rozkládána na anorganické sloţky a zbavována nestabilních komponent protékající vodou (louţení). Rozrušování na menší úlomky působí fyzikální mechanismy (mrznutí / tání či smáčení /sušení) i mechanismy biologické (činnost půdní bioty)(Wetterstedt, 2010). Rozklad SOM je komplikován fyzikálními, chemickými i strukturálními mechanismy, které organickou hmotu chrání. Například umístění organické hmoty ve středu půdního agregátu můţe být značnou obranou před přístupem extracelulárních enzymů i kyslíku. Organická hmota můţe také být chráněna chemicky adsorpcí na minerální povrchy (Wetterstedt, 2010). I samotné uspořádání organických makromolekul můţe ovlivnit rozkladné procesy, protoţe zatímco pravidelná struktura zajišťuje vhodný přístup rozkladných enzymů k molekule, komplikovaná molekula podléhá ataku dekompozice hůře. Mineralizace půdní organické hmoty je prováděna destruenty lokalizovanými hlavně ve vrchních půdních horizontech (Chauvat, 2004). Pro rozrušení makromolekul na úlomky 10
dost malé na to, aby je byli schopni přijmout, produkují destruenti enzymy uvolňované do prostředí, které se prostřednictvím vodních filmů dostanou k substrátu (Wetterstedt, 2010). Voda má také význam pro dopravu ţivin zpátky k destruentům a jejím prostřednictvím se šíří rovněţ kyslík. Proto má na rozkladné procesy vliv teplota. Čím více klesá teplota, tím menší je rozpustnost kyslíku i rychlost difúze, která zajišťuje pohyb ţivin ve vodě. Zmrznutím vody přestává být tento systém funkční. Také efektivita vyuţití uhlíku dekompozitory s teplotou klesá (Wetterstedt, 2010).
2.2.1. Dekompozitoři Činnost rozkladných společenstev v půdě je sloţitá a navzájem provázaná. Protoţe velikostní vztahy hrají důleţitou roli v biologických interakcích v půdě, člení se půdní biota obvykle do velikostních tříd: makrofauna měřicí víc neţ 2 mm v průměru; mezofauna měřicí mezi 100 µm a 2 mm v průměru; a mikroflóra a mikrofauna měřicí neţ 200 µm v průměru (Chauvat, 2004). Makrofauna: zahrnuje největší organismy ze všech těchto tří oddělení. Ţijí převáţně ve vrchních vrstvách půdního horizontu a podle pozice v potravním řetězci je můţeme dělit i na predátory (např. stonoţky, pavouci, mravenci), detritovory (Isopoda, Diplopoda, larvy Diptera a měkkýši), parazity (Diptera) a mikrofágy (larvy Diptera) (Chauvat, 2004). Funkcí této velikostní frakce destruentů je hlavně mechanické rozmělnění organického materiálu, coţ ho činí přístupnějším pro další rozkradače. Stejně tak průchod trávicím traktem zvířete napomáhá pozdějšímu rozkladu (Šantrůčková, 2001, Chauvat, 2004). Mezofauna: tito dekompozitoři osidlují půdní póry a ţiví se převáţně houbami, ale téţ rostlinnými zbytky a minerálními částečkami (Chauvat, 2004). I v této velikostní skupině najdeme
predátory
(roztoči),
detritovory
a
mikrofágy
(Collembola,
Uropodinae,
Enchytraeidae) a také tyto organismy začínají mechanicky a konzumací rozklad organického materiálu (Chauvat, 2004). Díky své preferenci hub mohou ovlivnit růst a strukturu houbových společenství. Mikroflóra a mikrofauna: hlavními zástupci jsou prvoci a hlístice, coţ jsou sice organizmy relativně malé, zato ale extrémně hojné (nad 1.106 jedinců na čtvereční metr)
(Chauvat, 2004). Zatímco makro a mezofauna je důleţitá při před přípravě materiálu, mikrofauna má význam pro svou schopnost ovlivňovat mnoţství populací hub a bakterií. Mikroflóra (archea, bakterie, houby) zase ovládá biochemické procesy jako je enzymatické
11
štěpení molekul dlouhých polysacharidů (Chauvat, 2004). Po mechanické úpravě většími organismy dochází tedy k biochemickému dokončení dekompozice. Ačkoli bakterie a houby jsou přítomny v kaţdém kroku procesu rozkládání, a 90% dekompozice je uskutečněno mikroflórou (Chauvat, 2004), půdní fauna můţe významným způsobem ovlivnit rychlost dekompozice tím ţe mění podmínky pro činnost půdní mikroflóry (Šantrůčková, 2001, Frouz, Šimek, 2009). Výkonnost populace dekompozitorů v půdě je ovlivněna vlastnostmi půdy, které určují mnoţství a skladbu destruentů. Pro přeměny všech prvků platí, ţe rychlost procesů a jejich vzájemná rovnováha závisí na podmínkách prostředí, především na teplotě, vlhkosti, pH, aeraci, na vegetačním krytu, aktivitě půdních mikroorganismů a v případě zemědělských půd i na způsobu obhospodařování (Šantrůčková, 2001). Tomu odpovídá, ţe například v tropech jsou vysoké rychlosti produkce organické hmoty doprovázené vysokými rychlostmi rozkladu (Schlesinger, 1984).
12
2.3 Priming efekty
2.3.1. Definice Po přidání nejrůznějších sloučenin k půdám se můţeme setkat s jevem, který Löhnis objevil jiţ v roce 1926. Tehdy ve svých výzkumech zjistil, ţe přídavek čerstvé organické hmoty k půdám vyvolal zvýšenou mineralizaci humusu a Bingemann a kol. (1953) tento jev nazvali priming efekt. Mnoho dalších výzkumů ukázalo, ţe proces mineralizace látek přidaných k půdě můţe být provázen zvýšeným uvolňováním dusíku (jako NO3 či NH4) a uhlíku (ve formě CO2) ve srovnání s kontrolními vzorky, které přídavkem substrátů ovlivněny nebyly. Toto zvýšení je výsledkem interakcí mezi přeměnou přidaných látek a přirozenými půdními cykly obou základních prvků (Kuzyakov, 2000). Jelikoţ priming efekty jsou velice komplikované a závisí na mnoha proměnných, výsledky provedených studií přinesly rozmanité údaje, které si mnohdy protiřečí. Mnoţství extra uvolněného CO2 je však natolik významné, ţe se studiem tohoto fenoménu zabývá stále více odborných prací. Jako definice termínu pro extra uvolněný uhlík se nejčastěji uţívá následující popis od Kuzayakova: priming efekty jsou silné krátkodobé změny v obratu půdní organické hmoty způsobené poměrně malými zásahy do půdy (Kuzyakov a kol., 2000). Pod zásahy do půdy se rozumí například přidání nízkomolekulárních látek jako je glukóza, fruktóza a aminokyseliny, aplikace vysokomolekulárních látek jako jsou rezidua rostlin (kořeny, listy), exsudáty kořenů, téţ vstup exkrementů půdní fauny a hnojení minerálními hnojivy. Spadá sem i mechanické ošetření půdy, které má na mineralizační procesy také vliv. Co se týče dusíku, tak zde se priming efektu přisuzuje vztah především k rostlinám. Podle Jenkinsona a kol. (1985) je priming efekt půdní dusík, který je navíc přijat rostlinami po přidání minerálního dusíkatého hnojiva, ve srovnání s rostlinami, které dusíkem hnojeny nebyly. Priming efekty byly nalezeny i pro další látky- například pro síru, fosfor, ale i další prvky. Já se ve své práci zabývám priming efektem uhlíku.
Rozdělení priming efektů Základním problémem, který se při studiu priming efektů vyskytuje, je zjištění zdroje uvolněného CO2. Jelikoţ podle definice se priming efekt týká změn v obratu půdní organické hmoty, bylo nutné oddělit efekty, které se také projevují zvýšenou produkcí CO2, ale které obrat půdní organické hmoty nemění. Proto byly zavedeny pojmy ´zdánlivý´ a ´skutečný´
13
priming efekt. Zvětšené uvolňování CO2 v odpověď na aktivaci mikrobiálního metabolismu a vyšší obrat mikrobiální biomasy nesouvisí s obratem půdní organické hmoty a v tomto případě máme zdánlivý priming efekt (Blagodatskaya, 2008). U skutečných priming efektů dochází k ovlivnění mineralizace SOM a to směrem jak ke kladným, tak k záporným hodnotám. Tento fakt dal vzniknout dalšímu členění a to sice na priming efekty kladné a záporné, popisující vyšší nebo naopak niţší mineralizaci půdní organické hmoty neţ odpovídá přirozenému průběhu v neovlivněných půdách. V nedávných pracích na téma priming efektů se vyskytuje termín „spouštění“ či „spouštěcí efekt“. Ten je definován jako zrychlení vnitřního mikrobiálního metabolismu s rychlým zvýšením respirační aktivity podpořené stopovým mnoţstvím substrátu (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). V těchto případech je mnoţství přidaného uhlíku velmi malé, ale můţe působit na signalizační systém půdního mikrobiálního společenství a ovlivnit tak chování celé skupiny organismů. I tento efekt patří ke zdánlivým priming efektům. Velikost a typ (skutečný či zdánlivý) priming efektů určuje dostupnost, sloţení, a mnoţství substrátu (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008).
2.3.2. Zdroje látek uvolněných při priming efektech Uhlík uvolněný při priming efektech můţe pocházet v principu ze dvou zdrojů: z rozkladu stávající půdní organické hmoty a z mikroorganismů jako takových. Při hodnocení extra uvolněných ţivin při priming efektech se nejčastěji soudí, ţe jejich zdrojem
je
půdní
organická
hmota,
která
je
dekomponována
činností
půdních
mikroorganizmů. Dynamiky růstu a aktivit mikroorganismů (zvláště bakterií) a uvolněné ţiviny signalizují blízký vztah mezi mikrobiální biomasou a skutečnými priming efekty (Kuzyakov a kol., 2000). Extra uvolněný uhlík a dusík mohou také pocházet z těl půdní bioty. Dostatek potravy zrychlí mikrobiální obrat, který má za následek uvolnění prorespirovaného CO2. V případě mechanických úprav půdy, které mají za následek odumření části edafonu, pochází uvolněné látky z jejich těl. Po odumření půdních mikroorganismů se organická sloţka opět dostává do koloběhu v půdě a část uhlíku či dusíku je uvolněna ve formě CO2 či NH4 (Kuzyakov a kol., 2000).
14
2.3.3. Mechanismy PE Abiotičtí činitelé jako teplota, půdní vlhkost a pH jsou hlavními faktory, které ovládají obrat C v půdě. Působí nepřímo- hlavně ovlivněním mikrobiální aktivity, jeţ řídí mineralizaci půdní organické hmoty a rostlinných zbytků (Blagodatskaya, 2008). Protoţe priming efekty nebyly dosud pozorovány za sterilních podmínek (Jansson, 1958), je role půdních mikroorganismů v priming efektech zřejmá a to jak u priming efektů skutečných, tak u priming efektů zdánlivých. Nicméně mechanismy, které k priming efektům vedou, zůstávají stále prozkoumány jen nedokonale (Kuzyakov a kol., 2000). Hypotéz o jejich vzniku existuje několik.
Mikrobiální kompetice o ţiviny Fontain a kol. (2003) přijímají teorii o mikrobiální kompetici o ţiviny. Pracují s myšlenkou, ţe vstup čerstvé organické hmoty k půdě zapůsobí na celé mikrobiální společenství. Po přídavku substrátu probíhá soutěţ o ţiviny mezi mikroorganismy ţivícími se nepoddajnou SOM a mikroorganismy specializovanými na čerstvou organickou hmotu. Hlavní charakteristika půdních mikrobiálních populací je specifičnost jejich enzymů pro degradaci substrátu ( Fontain a kol., 2003). Během rozkladu organických látek v půdě se degradace postupně zúčastní řada mikrobiálních druhů. Ty se uplatňují v závislosti na změnách, ke kterým v čase dochází tak, jak se mění degradovaný substrát. Většina mikroorganismů vyskytujících se v půdě je v neaktivním stavu, protoţe schopnost vyuţívat kontinuálně dostupnou půdní organickou hmotu má jen specifická část mikroorganismů (Fontain a kol., 2003). Vstup snadno dostupného substrátu tedy působí jako impulz pro činnost dosud neaktivních druhů, které začnou rychle růst a vyuţívat přidané substráty. Stenström a kol. (2001) udávají, ţe biomasa, která reaguje na glukózu, sestává z mikroorganismů ve dvou hlavních fyziologických stavech: r-stratégů, kteří- pokud mají zajištěny vysoké koncentrace glukózy a nezbytných ţivin- jsou schopni okamţitého exponenciálního růstu a K-stratégů, kteří se rozvíjí následkem nedostatku snadno dostupného uhlíku a nerostou
při vysokých koncentracích glukózy. Pro posledně jmenované je
charakteristické, ţe rostou pomalu, energii investují i do obrany proti predaci a jsou tou sloţkou mikrobiálního osídlení, která je schopna vyuţívat polymerní SOM.
15
Dostupnost substrátu tudíţ můţe určovat poměr biomasy mezi r-stratégy a K-stratégy a zdá se, ţe přechody mezi těmito dvěma skupinami se mohou uskutečňovat reverzibilně (Stenström a kol., 2001). Prudkým nárůstem r-stratégů dojde ke změně struktury společenstva: pouţití metody SIR (z anglického substrate-induced respiration) přináší často zjištění, ţe r-stratégové představují menšinu biomasy v orných půdách (Stenström a kol., 2001). Nárůst je ihned po vyčerpání ţivin vystřídán propadem, kdyţ organismy uhynou nebo přejdou zpět do neaktivního stavu. Tuto křivku nárůstu a poklesu mikroorganismů sleduje samozřejmě i produkce rozkladných enzymů těchto druhů. Energeticky nejbohatší sloučeniny čerstvé organické hmoty jsou tedy vyuţívány r-stratégy, kteří rozkládají pouze čerstvou organickou hmotu. K- stratégové se vyskytnou aţ v posledním stupni rozkladu, kdyţ uţ jsou energeticky bohaté sloučeniny vyčerpány a zůstanou jen sloučeniny polymerní (Fontaine a kol. 2003). K- stratégové by také byli schopni čerstvou organickou hmotu vyuţít, ale jejich pomalý růst je vůči r-stratégům znevýhodňuje. Aby mikroorganismy ze stabilní organické hmoty získaly potřebné ţiviny v dostupné formě, uvolňují do půdy extracelulární enzymy. Předpokládá se, ţe zvětšená dostupnost mikrobiálního substrátu navozuje produkci enzymů či zvýšení aktivity enzymů, coţ vede k spolu metabolickému rozkládání půdní organické hmoty (Kuzyakov a kol., 2000). To znamená, ţe enzymy určené primárně pro rozklad čerstvé organické hmoty rozkládají i SOM. Fontaine a kol. (2003) na základě tohoto předpokladu navrhly 2 mechanismy potenciálně vedoucí k priming efektu. Podle toho prvního z nich enzymy vyprodukované r-stratégy svou působnost neomezují pouze na čerstvou organickou hmotu, ale pomáhají rozkládat i SOM.
Intenzita tohoto mechanismu závisí na biochemické podobnosti mezi
čerstvou organickou hmotou a SOM. (Fontaine a kol., 2003). Druhý mechanismus zachází s dostupností čerstvé organické hmoty pro r-stratégy (Fontaine a kol., 2003). Pokud je do půdy přidán snadno dostupný substrát, je degradován jiţ výše zmíněnými r-stratégy. Komplexnější substráty, díky delší době jejich rozkladu, mohou jako zdroj ţivin a energie vyuţít i K-stratégové. Za těchto podmínek populace K- stratégů rostou a zvyšují mnoţství enzymů uvolněných do půdy, které rozkládají SOM (Fontaine a kol., 2003). Substráty, které jsou velice snadno dostupné by podle výše uvedeného mohly být pro skutečné priming efekty nepříznivé, protoţe jsou ihned vyuţity r-stratégy, u nichţ je spolu metabolismus SOM méně pravděpodobný. Sloţitější substráty, které jsou dostupné i pro pomalé K-stratégy by tedy naopak mohly priming efekty povzbuzovat. Toto by mohlo být vysvětlení, proč při pouţití sloţitějších substrátů, které jsou parketou pro K-stratégy, vznikají
16
skutečné priming efekty a při pouţití glukózy, kterou vyuţijí rychlejší
r-stratégové, se
mineralizace SOM nemění (Fontain a kol., 2003). Těchto růstových strategií by mohly vyuţívat také rostliny, pro které je výhodnější bakteriální společenství s převahou K-stratégů, kteří rozkladem SOM zajišťují přísun ţivin v dostupné formě nejen sobě, ale téţ rostlinám. Produkce malého mnoţství kořenových exsuádátů rostlinami udrţuje obsah ţivin v rizosféře na nízké úrovni, coţ brání populačnímu boomu r-stratégů a zároveň poskytuje K-stratégům energii pro mineralizaci půdní organické hmoty. Například kořenové výměšky z vzrostlého jílku (Lolium perenne) zvýšily mikrobiální aktivitu a vedly k extra rozkládání půdní organické hmoty dosahující přibliţně 60 kg C ha -1d-1 (Kuzyakov a kol., 2000)
.
Kaţdé půdní prostředí a charakteristika čerstvé organické hmoty zpoţďující růst r-stratégů by měly být pozitivní pro K-stratégy a následně pro velikost
priming efektu
(Fontain a kol., 2003).
Limitace ţivinami Rychlost růstu mikroorganismů je řízena dostupností ţivin, které se mohou nalézat v organické hmotě a půdním roztoku (Fontaine, 2000). Pokud je ţivin v půdě nedostatek, mají K-stratégové moţnost vyuţít jako zdroj ţivin půdní organickou hmotu. Tato zvýšená potřeba rozkládat půdní organickou hmotu za účelem získání chybějících ţivin by mohla být příčinou skutečných priming efektů: v případě vstupu uhlíkem bohatých substrátů bez přidání dusíku, jsou půdní mikroorganismy pobídnuty k tomu, aby rozkládaly SOM za účelem získání dusíku, coţ produkuje skutečný priming efekt (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). To naznačuje, ţe limitace ţivinami by měla být pro skutečné priming efekty příznivá. Fontaine (2002) tvrdí, ţe je pravděpodobné, ţe na ţiviny chudé půdy jsou častěji vystaveny priming efektům neţ půdy na ţiviny bohaté. V chudých půdách by mohla dodávka snadno dostupného materiálu indukovat priming efekt také z toho důvodu, ţe produkce extracelulárních enzymů půdními mikroorganismy můţe být omezená ţivinami či energií a ustání této limitace a následná produkce enzymů můţe způsobit skutečný priming efekt díky spolu metabolizování SOM (Blagodatskaya a kol., 2007).
17
Aktivace mikrobiálních společenství Zdánlivé priming efekty Přidávání čerstvé organické hmoty ve formě jednoduchých substrátů k půdě podporuje jiţ výše zmíněný rozvoj r-strategických druhů v půdě. Tento jev je pravděpodobnou příčinou vzniku
zdánlivých
priming
efektů,
jak
se
zvýšený mikrobiální
obrat
označuje
(Blagodatskaya, 2008). Významné zvýšení mikrobiálních specifických temp růstu v půdě upravené nízkým mnoţstvím glukózy v porovnání s kontrolní půdou je důkaz o dominanci r-stratégů v mikrobiálním společenství glukózou upravené půdy (Blagodatskaya a kol., 2007). V tomto pokusu přidání malého mnoţství glukózy nepřivodilo nárůst mikrobiálního společenství, ale pouze aktivovalo doposud spící druhy (r-stratégové), jejichţ nároky na energii měly za následek zvýšené uvolňování CO2, ale bez zásahu do obratu půdní organické hmoty. Tyto výsledky (Blagodatskaya a kol., 2007) podporují hypotézu Fontainea a kol. (2003), ţe při nízké úrovni přidaného dostupného substrátu, zásoba rozpustného a rychle pouţitelného uhlíku nemá ţádný účinek na aktuální mineralizaci půdní organické hmoty. Skutečné záporné priming efekty Blagodatskaya a kol. (2007) zkoumali priming efekty přidáním velkého mnoţství glukózy k půdě. Tento vstup snadno dostupného organického substrátu neměl v prvních dnech ţádný vliv na mikrobiální růst. Příčinou tohoto jevu by mohla být limitace dusíkem. K-stratégové, jejichţ schopnost konkurence je lepší neţ ta r-stratégů, mají příleţitost svým pomalým způsobem profitovat z dostupné glukózy, ale tempa jejich růstu nejsou nijak výrazná. Proto se nárůst biomasy projeví aţ po delším čase. Experimenty s vysokým mnoţstvím přidané glukózy doplněné zároveň dostatkem dusíku přinesly priming efekty téměř nulové či dokonce záporné (Blagodatskaya a kol., 2007). Cheng a Kuzyakov (2005) tento mechanismus označují jako preferenční vyuţití substrátu. R- stratégové i K-stratégové díky dostupnosti uhlíku i dusíku svorně vyuţívají prostřený stůl oplývající potravou a K- stratégové nemají důvod vkládat energii do degradace nepoddajné půdní organické hmoty.
18
Mikrobiální diverzita a priming efekty Sloţení společenství degradujícího organické komponenty v půdách by také mohlo tvořit dílek v koláči skládajícím komplikovanost priming efektů. Hamer a Marschner (2005) představili hypotézu, ţe rozdílnost výsledků experimentů prováděných při studiu priming efektů by mohla být způsobena odlišnou mikrobiální diverzitou různých půd. Různé mikrobiální druhy mohou být- v závislosti na kvalitě a mnoţství přidaného substrátu- aktivovány a tato změna struktury mikrobiálního společenství by mohla přivodit priming efekt. I u hypotézy, ţe priming efekty mohou být indukovány změnou zastoupení druhů ve společenství, hraje hlavní roli mnoţství a hlavně druh přidaného substrátu. Dá se předpokládat, ţe po přidání malých mnoţství (mnohem menších neţ mnoţství uhlíku mikrobiální biomasy) snadno dostupného substrátu jako například glukózy se nemusí vyskytnout ţádné změny v mikrobiální diverzitě (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). Můţe být aktivována jiţ přítomná r-strategická sloţka mikroorganismů, ale díky všeobecné schopnosti půdní bioty vyuţít glukózu, nejsou rozvinuty ţádné specializované druhy. Proto priming efekt po nízkém vstupu glukózy vzniká díky aktivitě nespecifické mikroflóry, fyziologicky aktivní v okamţiku dodatku substrátu (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). V případě, ţe se do půdy dostávají substráty, které jsou běţně jen málo dostupné, mohou zaktivovat a zajistit dominanci druhů, které v půdách existují v klidovém stádiu. Tyto druhy jsou schopné pro ostatní organismy nevyuţitelný materiál zpracovat a díky produkci extracelulárních enzymů spolu metabolizovat i půdní organickou hmotu. Jestliţe je mnoţství aplikovaného komplexního substrátu dostačující k tomu, aby přivodilo mikrobiální růst, výsledná posloupnost v mikrobiální populaci můţe způsobit různé druhy priming efektů (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). Nejrychlejší odpověď vyvolají dostupné sloučeniny u rychle rostoucích druhů, které jsou schopny je vyuţívat (Blagodatskaya a kol., 2007), můţe následovat růst méně obvyklých druhů vyvolaný speciálními substráty a nakonec aktivace pomalu rostoucích K-stratégů rozkládajících půdní organickou hmotu (Fontaine a kol., 2003). Nadměrné uvolňování CO2 vyvolá i vstup dostupného uhlíku k dlouhodobě nehnojeným půdám. Blagodatskaya a Kuzyakov (2008) soudí, ţe dlouhodobá absence vstupu čerstvého C do takovýchto půd podporuje vývoj oligotrofního mikrobiálního společenství, které je charakterizováno vysokou rozmanitostí metabolických cest. Proto přidaný dostupný C (kořenové výměšky, rostlinné zbytky a nízkomolekulární organické substance) můţe aktivovat rozmanité mikrobiální skupiny, které byly během dlouhé nepřítomnosti čerstvého C
19
neaktivní a které syntetizují širokou paletu enzymů, coţ zvyšuje šanci na současné rozkládání půdní organické hmoty.
Mnoţství přidaného substrátu Jak bylo pokusy zjištěno, zásadní vliv na velikost i druh priming efektů má mnoţství přidaného uhlíku. Pro snadnější kvantifikaci a vyjádření různého osídlení různých půd mikroorganismy pouţívá Blagodatskaya (2008) postup, při kterém popisuje mnoţství přidaného substrátového uhlíku jako procento uhlíku mikrobiální biomasy. Na základě přidání tří různých mnoţství substrátového uhlíku nachází Blagodatskaya (2008) tři efekty, které můţe uhlík vyvolat: 1) Kdyţ mnoţství přidaného substrátového uhlíku převyšuje obsah uhlíku mikrobiální biomasy z půdy, můţe takto dodaný uhlík indukovat nárůst a druhové změny mikrobiálního společenství. 2) ve druhém případě se hovoří o takovém mnoţství substrátového uhlíku, které je stejné či jen mírně menší neţ mnoţství uhlíku mikrobiální biomasy z půdy. Přidaný uhlík můţe způsobit změny v aktivitě mikroorganismů, ale není ho dostatečné mnoţství na to, aby ovlivnil růst společenství. 3) Nakonec, jestliţe mnoţství přidaného uhlíku zdaleka nedosahuje obsahu uhlíku mikrobiální biomasy z půdy a nedochází k přímému ovlivnění mikroorganismů. Můţeme se zde setkat se spouštěcími efekty, k jejichţ vyvolání stačí stopové mnoţství substrátu (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008).
Priming efekty v rizosféře Jak jiţ bylo zmíněno, rostliny jsou nejdůleţitějšími primárními producenty organické hmoty. Vstup rostlinných substrátů probíhá nejen jako začlenění odumřelých částí rostlin, ale asi 15% aţ 25% z celkového asimilovaného uhlíku uvolní rostliny do půdy prostřednictvím ţivých kořenů ve formě kořenných exsudátů. (Kuzyakov, 2002). Exsudáty uvolněné kořeny jsou běţně dostupné pro rizosférické mikroorganismy (Cheng a Kuzyakov, 2005). Zpracování těchto uhlíkem bohatých organických exsudátů mikroorganismy zajišťuje rychlý obrat uhlíku v rizosféře. Rizosférické mikroorganismy vyuţívají tyto látky jako snadno dostupné zdroje energie a C pro rychlý růst a reprodukci (Kuzyakov, 2002). Díky dostupnosti uhlíku v okolí kořenů, je v rizosféře mnohem vyšší počet mikroorganismů neţ v půdách bez kořenů. Zatímco uhlík limitován není, to samé se nedá říci o ostatních ţivinách, hlavně dusíku.
20
Rizodepozice je charakterizována vysokým poměrem C:N. Navíc, příjem ţivin kořeny a intenzivní mikrobiální růst díky snadno dostupným zdrojům uhlíku vedou k nedostatku všech přístupných ţivin, které jsou vyčerpány a imobilizovány v tělech rostlin a mikrobiálních buněk (Kuzyakov, 2002). Okolí kořenů je tedy kvůli nadbytku uhlíku i nedostatku ostatních ţivin velmi specifické prostředí, které můţe vykazovat kladné i záporné priming efekty. Pro jejich výskyt v těsném sousedství kořenů se nazývají RPE (podle anglického rhizosphere priming effect) (Kuzyakov, 2002). Mechanismů vzniku RPE bylo navrţeno sedm (Kuzyakov, 2002).: 1) Efekt vysoušení: Příjem vody kořeny způsobuje vysoušení půdy, coţ by mohlo mít za následek omezení dekompozice půdní organické hmoty. 2) Účinky rozrušování půdních agregátů: rostoucí kořeny mohou zpřístupnit dekompozitorům SOM, která byla dosud chráněna uvnitř půdních agregátů 3) Příjem rozpuštěných organických látek kořeny: pokud rostliny přijmou velké mnoţství organických ţivin, populace mikroorganismů mohou poklesnout v důsledku prohraného souboje o ţiviny. Pokles rozkladačů přivodí sníţení mineralizace půdní organické hmoty. 4) Predace:
Fauna ţivící se mikroorganismy můţe způsobit uvolnění CO2 z těl
odumřelých ţivočichů. Jedná se tedy o zdánlivý priming efekt. 5) Kompetice o dusík mezi kořeny a rizosférickými organismy: limitace dusíkem způsobí v případě, ţe rostliny spotřebují dostupný dusík, zvýšenou kompetici a sníţený metabolismus mikroorganismů, který se projeví i na rozkládání půdní organické hmoty. 6) Preferenční vyuţití substrátu: pokud je v půdě přidán snadno dostupný substrát, mikroorganismy ho přednostně vyuţijí, protoţe jeho zpracování je méně náročné na energii neţ rozklad stabilní půdní organické hmoty. 7) Aktivace mikroorganismů: dostupný substrát můţe stimulačně působit na aktivitu mikroorganismů, coţ má za následek zvýšený rozklad půdní organické hmoty. Toto zvýšení nastává v důsledku získávání dusíku při jeho nedostatku anebo nezáměrném spolu rozkladu, který způsobují enzymy uvolněné primárně pro degradaci čerstvého substrátu ( Kuzyakov, 2002). Ať uţ je mechanismus vzniku priming efektů v těsném sousedství kořenů jakýkoliv, výzkumy ukazují, ţe rozklad půdní organické hmoty je rychlejší v půdách s kořeny ve srovnání s půdami, které kořeny postrádají (Kuzyakov, 2002). Velmi důleţitým faktorem pro časový průběh a velikost priming efektů v rizosféře je kvalita kořenových exsudátů (Cheng a Kuzyakov, 2005).
21
3. Metodika 3.1. Materiál 3.1.1. Sledované území Jako materiál pro experimenty jsem pouţila 15, aţ 50 let staré půdy z výsypek povrchových hnědouhelných dolů u Sokolova na severu Čech. Průměrná nadmořská výška území je 500-700 m.n.m.; průměrné roční sráţky jsou 650 mm a průměrná roční teplota je 6,8 °C. Výsypky tvoří hlavně cyprisové jíly, které byly v povrchových lomech odtěţeny jako nadloţí uhelných slojí (Šourková a kol., 2005). Odtěţený substrát obsahuje neznámá mnoţství fosilního C (Šourková a kol., 2005), má pH 7-9 a jako převaţující minerály se vyskytují kaolinit, illit, vápenec a křemen (Baldrián a kol., 2008).
3.1.2. Sledované plochy a vzorky 15 – nerekultivovaná plocha stará cca 15 let, leţí na Velké podkrušnohorské výsypce v části Pastviny, s výraznějšími výškovými rozdíly mezi vrcholy a depresemi (aţ 3 m), je asi z poloviny pokrytá bylinnou vegetací, která je soustředěna hlavně v depresích,
s řídkým
náletem vrb (Salix sp.) a bříz (Betula sp.), vzorky byly odebírány z vrcholů vln. 25 - nerekultivovaná plocha stará 25 let, leţí na výsypce Pastviny, s výraznějšími výškovými rozdíly mezi vrcholy a depresemi (aţ 3 m), deprese se silnou vrstvou organické hmoty rostlinného původu (aţ 10-15 cm) v různém stádiu rozkladu, málo krytá bylinnou vegetací, s hustým náletem vrb; vzorky byly odebírány z vrcholů vln, na téţe ploše byly odebrány téţ vzorky organického horizontu akumulovaného v depresích, které jsou dále označované jako 25F. 50 - nerekultivovaná plocha stará 50 let, leţí na patě Smolnické výsypky, s výraznějšími výškovými rozdíly mezi vrcholy a depresemi (aţ 3 m), celkově hustě krytá bylinnou vegetací s vzrostlým březovým a osikovým lesem. 40A – rekultivovaná plocha 40 let stará, leţí na výsypce Rízl, je osázená dvěma druhy olší (Alnus glutinosa, Alnus incana). Na všech mikrostanovištích na jednotlivých plochách byly vzorky odebírány z hloubky 0-5 cm pod vrstvou opadu.
22
označení půdy 15 25 50 25F 40A
stáří půdy[let] 15 25 50 25 40
pH 7 6,6 6,20 6,1 5,8
C [%] 16 19,1 26,4 45,2 20
N [%] 0,15 0,33 0,52 1,08 1,45
Tab. 1. Stáří ploch, pH a obsah celkového uhlíku a dusíku v jednotlivých sledovaných půdách podle Šourkové a kol. (2005) a Baldriána a kol. (2008).
3.2. Uspořádání pokusu Do 100 ml lahviček jsem rozváţila po deseti gramech proseté půdy. Na povrch půdy v kaţdé lahvičce jsem umístila plastový kalíšek s 2 ml 0,5 M NaOH a lahvičky byly poté vzduchotěsně uzavřeny. NaOH byl exponován i ve třech prázdných lahvičkách bez půdy pro korekci CO2 lapeného při manipulaci a ze vzduchu uzavřeného v lahvičce. Po třech dnech jsem stanovila půdní respiraci (viz níţe). Poté byl do půdy z kaţdé lokality aplikován roztok glukózy, celulózy a škrobu. Přidání substrátu se provádělo vţdy ve třech opakováních u kaţdého druhu substrátu a to ke kaţdé z různě starých půd a tři vzorky u kaţdé půdy bylo ponechány bez přídavku pro kontrolu. Experiment byl proveden ve dvou vlnách. V první vlně bylo přidáno 0,2ml a ve druhé 0,8 ml 1,75% roztoku glukózy, celulózy a škrobu. Tyto dvě koncentrace jsou dále v textu nazývány nízká a vysoká koncentrace přidané látky. Osobně jsem provedla experiment s nízkou koncentrací přidané látky, titrace a ošetření experimentu s vysokou koncentrací přidané látky bylo provedeno technickými pracovníky Ústavu půdní biologie BC AVČR.
3.3. Analýzy 3.3.1. Stanovení bazální respirace půdy Pro zjištění, kolik oxidu uhličitého se uvolnilo z půdy, jsem pouţila titrační metodu dle Bornemanna (1920) v modifikaci Schinner a kol. (1996). Ta funguje na principu reakce oxidu uhličitého s hydroxidem sodným, přičemţ NaOH je pouţit v nadbytku a následnou titrací zjistíme, jaké mnoţství z aplikovaného hydroxidu se reakce nezúčastnilo.
23
Titraci hydroxidu jsem prováděla v pěti opakování ve zhruba třídenních intervalech 0,05M kyselinou chlorovodíkovou. Do kádinky jsem vylila obsah kalíšku a důkladně ho vypláchla destilovanou vodou, poté následovalo přidání 1 ml 12,5 % roztoku chloridu barnatého a několika kapek fenolftaleinu. Titrace jsem prováděla do doby, neţ se fialová barva změnila přes růţovou na průhlednou. Protoţe přesná koncentrace kyseliny chlorovodíkové, která se k titraci pouţívá, není známa je nutné ji zjistit titrací. Ke stanovení se pouţívá tetraboritan sodný: Na2B4O7 + 2 HCl + 5 H2O 2 NaCl + 4 H3BO4. Ke 4.25 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové jsem přidala 0,2 g teraboritanu sodného a doplnila vodou na objem 20 ml. K obarvení jsem pouţila metyloranţ a titraci prováděla do oranţové barvy. Výpočet: R= (A-B)*cHCl*6005/ (naváţka* sušina*doba inkubace) [μg C-CO2 / g půdy * hod. ] A…………..spotřeba HCl na titraci kontroly v ml B…………. spotřeba HCl na titraci vzorku v ml cHCl………..přesná koncentrace roztoku HCl v mol. l-1 6005………přepočtový koeficient
3.3.1. Stanovení mikrobiální respirace půdy Obsah mikrobiální biomasy byl stanoven fumigačně-extrakční metodou podle Vance a kol. (1987). Po provedení respiračního pokusu byla zemina v kaţdé skleničce rozdělena do dvou skupin sklenic po 5 g. Jedna skupina byla třepána 30 min v 40ml 0,5M K2SO4. Druhá polovina opakování byla nejprve fumigována v exikátoru parami chloroformu po dobu 48 h a poté byl pro ně pouţit stejný postup jako pro nefumigované vzorky. Ve výluzích byl rozkladem ve směsi 0,4N K2Cr2O7 a H2SO4 s H3PO4 a následnou titrací přebytku K2Cr2O7 Mohrovou solí ((NH4)2Fe(SO4)2.6H2O) stanoven obsah uhlíku. (Vance a kol., 1987).
24
3.3.2. Zpracování dat Naměřené hodnoty byly přepsány do tabulkového procesoru Excel, kde byly provedeny výpočty respirace a biomasy. Excel byl téţ pouţit k výpočtu průměru a směrodatných odchylek jakoţ i k testu porovnávajícímu respiraci jednotlivých variant s a bez přídavku substrátu. K porovnání vlivu přídavku u stejných půd byla pouţita jednocestná ANOVA, ta byla spoutána v programu Statistica 10.0.
25
4. Výsledky Při nízké koncentraci substrátu nedošlo u půd 15, 25, 50, a 25 F k ţádnému statisticky významnému zvýšení respirace. U půdy 50 vyvolal přídavek substrátu dokonce sníţení respirace- mírné u glukózy, celulóza indukovala jen zhruba poloviční respiraci, jaká byla změřena u kontroly a škrobem ošetřené vzorky uvolnily CO2 nejméně. Nicméně ani tyto rozdíly nejsou statisticky významné. Půda 40A reagovala na přídavek substrátů zvýšením respirace. Přírůstek respirace vyvolaly všechny substráty: nejméně glukóza, více pak škrob a
respirace v ug C-CO2 g-1d-1
celulóza (obr. 2).
160 140 120 100 80 60 40 20 0
a b
respirace v ug C-CO2 g-1d-1
15
25
160 140 120 100 80 60 40 20 0
50
b b
40A
25F a a
b ab
a ab b ab a b ab ab
15
25 kontrola
50 glukóza
40 A škrob
25F
celulóza
Obr. 2. Průměr a směrodatná odchylka mnoţství uvolněného CO2 z jednotlivých půd bez přídavku substrátu (kontrola) a s přídavkem různých substrátů v nízké (horní graf) a vysoké (dolní graf) koncentraci. Statisticky homogenní skupiny různých přídavků u téţe půdy jsou označeny stejnými písmeny (ANOVA, LSD post hoc test p<0.05).
Při vysoké koncentraci substrátu půdy 15 a 25 nevykázaly zvýšení respirace, které by bylo statisticky významné. Půda 50 produkovala nejvíce CO2 u glukózy, nejméně u kontroly a stejné hodnoty- o trochu vyšší neţ u kontroly- vidíme u škrobu a celulózy. Půdy 40A vykazují
26
nejvyšší respiraci pro škrob, menších hodnot dosahují půdy s aplikovanou glukózou, ještě menších ty s celulózou a nejméně CO2 se uvolnilo z kontroly. Půda 25F emitovala nejvíce CO2 ze všech vzorků. Tak jako u předešlých půd, i zde vidíme nejniţší respiraci u kontrolního vzorku. Respirace dále stoupá ve směru glukóza, celulóza, škrob. Přičemţ celulóza a škrob vykazují o dost vyšší hodnoty respirace oproti kontrole (obr. 2).
Obr. 3. Změny mikrobiální respirace po přídavku nízké (horní graf) a vysoké (dolní graf) koncentrace různých substrátů u jednotlivých půd. Šipka značí přídavek uhlíku při jednotlivých koncentracích. Hvězdičkou jsou označeny statisticky významné změny.
Změna respirace oproti vzorku bez přídavku substrátu (kontrola), přesáhla mnoţství přidaného uhlíku při nízké koncentraci substrátu půda 40A u vzorků ošetřených škrobem a celulózou. U půdy 25F překročil tuto hodnotu vzorek s aplikovanou glukózou, nešlo však o statisticky významnou změnu. Také ostatní půdy (15, 25, 50) nedosáhly respirace statisticky významné a navíc v mnoţství uvolněného CO2 zdaleka nedosahovaly hodnot dodaného uhlíku (Obr. 3).
27
Při vysoké koncentraci substrátu překročila změřená respirace mnoţství dodaného uhlíku ze tří půd se statisticky významnými změnami (50, 40A, 25F) pouze půda 25F a to u vzorků
biomass mg Cmic g -1
s aplikovanou celulózou a škrobem (Obr. 3). 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 15
25
control
50
glucosa
40A
starch
25F
cellulosa
biomass mg Cmic g -1
12 10 8 6 4 2 0 15
25
control
50
glucosa
40A
starch
25F
cellulosa
Obr. 4. Mnoţství mikrobiální biomasy po přídavku nízké (horní graf) a vysoké (dolní graf) koncentrace různých substrátů u jednotlivých půd.
Co se týče mikrobiální biomasy, nebyly změny v jejím mnoţství statisticky významné. Při nízké koncentraci substrátu najdeme u půd 15 a 25 největší biomasu u kontrolních vzorků. Směrodatné odchylky nám však v těchto grafech nedovolují verdikt o převaze mikroorganismů při různých ošetřeních a vlastně ani u kontroly. U půd 50 byla největší biomasa zjištěna po aplikaci celulózy, shodné- o trochu menší hodnoty- najdeme pro škrob a glukózu a nejméně mikroorganismů z těchto vzorků sídlilo v půdách bez ošetření. Půda 40A neukazuje významné rozdíly v osídlení jednotlivých vzorků a půdy 25F vykázaly největší počet mikroorganismů v kontrolních vzorcích a ve vzorcích s glukózou (Obr. 4). Při vysoké koncentraci substrátu ukazuje půda 15 propad v mnoţství mikrobiální biomasy ve vzorcích ošetřených glukózou. Nejvíce mikroorganismů bylo nalezeno ve vzorcích se škrobem, potom následují vzorky kontroly a ty s aplikovanou celulózou. Menší mnoţství mikroorganismů neţ u ostatních vzorků najdeme po ošetření glukózou také u půdy 50. U půdy 40A směrodatné odchylky opět neumoţňují jasný výklad. Půda 25F vykazuje nejmenší mikrobiální osídlení u kontroly a ošetření celulózou (Obr. 4).
28
5. Diskuze Protoţe přidaný substrát můţe urychlit mikrobiální obrat i rozkládání nepoddajné půdní organické hmoty, pozorovaný priming efekt můţe být kombinací skutečného a zdánlivého priming efektu (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). Oddělit tyto dva efekty od sebe je tedy obtíţné, ne-li nemoţné. V experimentech se ukázalo být stěţejním mnoţství přidaného substrátu. Nízká koncentrace přidaných substrátů nevyvolala téměř ţádné statisticky významné změny v půdní respiraci. Jediná větší reakce byla zaznamenána u půdy 40A, coţ by mohlo souviset se spouštěcím efektem, při kterém stopové mnoţství substrátu stimuluje vnitřní mikrobiální metabolismus (Blagodatskaya a Kuzyakov, 2008). Tato půda také překonala mnoţstvím uvolněného CO2 mnoţství uhlíku, které do ní bylo přidáno, tento PE je však nejspíše kvůli výše uvedenému zdánlivý. Půda 25F ošetřená glukózou také emitovala mnoţství CO2, které překročilo hodnoty uhlíku aplikovaného. Je moţné, ţe tento CO2 pochází z mrtvé biomasy, čemuţ by nasvědčovalo výrazně menší mnoţství mikroorganismů v této glukózou ošetřené půdě ve srovnání s kontrolním vzorkem. Organismy totiţ po vyčerpání snadno dostupné glukózy přestanou být aktivní nebo uhynou (Fontain a kol., 2003). Mohlo by se tedy jednat o priming efekt zdánlivý, který na rozklad půdní organické hmoty nemá vliv. V experimentu s vysokou koncentrací přidaných substrátů, uţ se statisticky významně projevily tři z pěti půd. U půdy 25F došlo k uvolnění CO2 v mnoţství převyšujícím dodaný uhlík. Mikrobiální osídlení této půdy s přídavkem škrobu je významně větší oproti kontrole. Po aplikaci škrobu by mohli K-stratégové vyuţívající jako zdroj ţivin a energie škrob produkovat enzymy, které kromě čerstvé organické hmoty rozkládají i stabilní půdní organickou hmotu. O tomto „spolu metabolismu“ hovoří Kuzyakov a kol. (2000). Emitovaný CO2 by tedy mohl být výsledkem skutečného priming efektu. Dodatek substrátu by ovšem mohl také indukovat vyšší mikrobiální obrat a uvolněný CO2 by mohl mít původ v půdní biotě ( Blagodatskaya, 2008). Také po ošetření glukózou vykazuje tato půda poměrně bohaté mikrobiální osídlení. Produkce CO2 v tomto případě však mnoţství dodaného uhlíku nejen nepřekračuje ale dokonce ani zdaleka nedosahuje. Důvodem by mohli být glukózou aktivovaní r-stratégové, kteří mohou dodaný substrát vyuţívat pro syntézu svých těl a tím uhlík imobilizovat.
29
Za povšimnutí jistě stojí, ţe nejvíce uvolněného CO2 (které překračuje mnoţství přidaného uhlíku) bylo v experimentech s nízkou i vysokou koncentrací substrátu naměřeno u půdy 25F. Jde o organický horizont tvořený rezidui rostlin v různém stádiu rozkladu, takţe se dá předpokládat bohaté mikrobiální osídlení profitující z bohatství ţivin. To potvrzuje stěţejní roli mikrobiálního osídlení pro priming efekty. K-stratégové vyuţívající stále dostupnou půdní organickou hmotu by mohly dodanou celulózu a škrob vyuţít jako zdroj energie a to by se mohlo projevit i na zvýšeném rozkladu půdní organické hmoty. Snadno dostupné substráty mohou vyvolat přednostní vyuţití substrátu (Cheng a Kuzyakov, 2005), čemuţ by odpovídalo výrazně menší uvolnění CO2 u této půdy ošetřené glukózou, které na rozdíl od respirace po aplikaci škrobu a celulózy ani zdaleka nepřesahuje mnoţství dodaného uhlíku. Toto pozorování můţe mít značný praktický dopad z hlediska sekvestrace uhlíku v půdě, ukáţe-li se jeho širší platnost. Znamenalo by to, ţe v půdách, kde se organická hmota hromadí na povrchu půdy a není zapravována do půdy a uzavřena do půdních agregátů, můţe potenciálně docházet k větším ztrátám uhlíku a menší sekvestraci. Tento předpoklad potvrzují i výsledky Frouze a kol. (2009), které ukazují největší sekvestraci uhlíku na plochách, kde dochází k intenzivnímu promíchávání půdy ţíţalami a naopak nejniţší tam, kde se organický opad hromadí na povrchu půdy. Jak jiţ bylo několikrát zmíněno výše, priming efekty jsou velice komplexním a sloţitým procesem. Jejich zhodnocení v sobě nese řadu překáţek a moţností výkladu. A tak ţádné studie doposud k úplné spokojenosti nevysvětlují příčiny, mechanismy a zdroje mimořádné mobilizace C a N v priming efektech ( Kuzyakov, 2000).
30
6. Závěr 6.1. Závěry literární rešerše
Priming efekty jsou rychlé krátkodobé změny v obratu půdní organické hmoty. Podle zdroje uvolněného CO2 jsou děleny na skutečné (rozklad půdní organické hmoty je ovlivněn) a zdánlivé (nárůst uvolňování CO2 je výsledkem zvýšeného mikrobiálního obratu).
Soupeření r-stratégů a K-stratégů o ţiviny v půdě můţe být jedním z mechanismů priming efektů. Zatímco r-stratégové zřejmě emitují uhlík v důsledku zvýšeného mikrobiálního růstu při vyuţití jednoduchých substrátů, K-stratégové by mohl díky spolu metabolismu ovlivňovat rozklad půdní organické hmoty.
Limitace ţivinami můţe být dalším faktorem zasahujícím do těchto efektů. Nedostatek dusíku za současného nadbytku uhlíku motivuje mikroorganismy k rozkladu půdní organické hmoty, která je zdrojem chybějících ţivin.
Mikrobiální diverzita můţe ovlivnit rozklad půdní organické hmoty, pokud do půdy vstoupí specifické substráty, jeţ jsou schopny rozkládat pouze specializované mikroorganismy. Jimi produkované extracelulární enzymy mohou být účinné i pro rozklad půdní organické hmoty
Rizosférické exudáty, jakoţto zdroje snadno dostupných organických sloučenin, indukují vysoký mikrobiální růst v okolí kořenů a tedy časté priming efekty.
6. 2. Závěry vlastní práce
Provedené experimenty ukázaly, jak významné je mnoţství dodaného substrátu. V případě přídavku 0,2ml 1,75% roztoku glukózy, celulózy a škrobu došlo u půd pouze k jedinému statisticky významnému zvýšení v uvolňování CO2. Po aplikaci 0,8 ml 1,75 % roztoku glukózy, celulózy a škrobu se statisticky významné změny v mnoţství uvolňovaného CO2 objevily u tří z pěti půd.
Příčinou těchto změn, kdy respirace přesáhla mnoţství dodaného uhlíku, můţe být u nízkého přidání substrátů spouštěcí efekt, vyvolaný malým mnoţstvím glukózy. U půd s vysokou koncentrací dodaných substrátů můţeme překonání mnoţství aplikovaného uhlíku přisuzovat zdánlivým priming efektům (zvýšený mikrobiální 31
obrat), skutečným priming efektům (rozklad půdní organické hmoty v důsledku spolu metabolismu nebo limitace dusíkem) či kombinaci obou.
V půdách, kde se organická hmota hromadí na povrchu a není zapravována do půdy a uzavřena do půdních agregátů, můţe potenciálně docházet k větším ztrátám uhlíku v důsledku priming efektu a tím i k menší sekvestraci.
32
7. Použitá literatura
BALDRIAN, P., TRÖGL, J., FROUZ, J., ŠNAJDR, J., VALÁŠKOVÁ, V., MERHAUTOVÁ, V., CAJTHAML, T., HERINKOVÁ, J. (2008): Enzyme activities and microbial biomass in topsoil layer during spontaneus succession in spoil heaps after brown coal mining, Soil Biology & Biochemistry 40: 2107- 2115.
BINGEMANN, C.W., VARNER, J.E., MARTIN, W.P. (1953): The effect of the addition of organic materials on the decomposition of an organic soil, Soil Science Society of America Proceedings 17: 34-38. BLAGODATSKAY E, V., BLAGODATSKY, S.A., ANDERSON, T.H., KUZYAKOV, Y. (2007): Priming effects in Chernozem induced by glucose and N in relation to microbial growth strategie, Applied soil ecology 37 : 95 – 105. BLAGODATSKAY E, V., E., KUZYAKOV, Y. (2008): Mechanisms of real and apparent priming effects and their dependence on soil microbial biomass and community structure: critical review, Biol Fertil Soils 45:115–131.
BORNEMANN, (1920): Kohlensaure und Pflanzenwachstum. Mitt. Dtsch. Landwirtsch.-Ges. 35:363. FONTAINE, S., MARIOTTI, A., ABBADIE, L. (2003): The priming effect of organic matter: a question of microbial competition?, Soil Biology & Biochemistry 35: 837– 843. FROUZ, J., PIZL, V., CIENCIALA, E., KALŘÍK, J.(2009): Carbon storage in postmining forest soil, the role of tree biomass and soil bioturbation Biogeochemistry 94: 111-121. FROUZ, J., SIMEK, M. (2009): Short term and long term effects of bibionid (Diptera: Bibionidae) larvae feeding on microbial respiration and alder litter decomposition European Journal of soil biology 45: 192-197. GLOBE 2007 http://classic.globe.gov/fsl/html/templ.cgi?carboncycleDia (dostupná 26.5.2010) HAMER, U., MARSCHNER, B. (2005): Priming effects in different soil types induced by fructose, alanine, oxalic acid and catechol additions, Soil Biology & Biochemistry 37: 445–454 CHAUVAT, M. (2004): Soil biota during forest rotation: Successional changes and implications for ecosystem performance, Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades, Justus-Liebig-Universität, Gießen,
33
JANSSON, S.L. (1958): Tracer studies on nitrogen transformations in soil with special attention to mineralisation immobilisation relationship, Annals of the Royal Agricultural College of Sweden 24: 101-361. JENKINSON, D.S., FOX, R.H., RAYNER, J.H. (1985): Interactions between fertilizer nitrogen and soil nitrogen- the so-called `priming' effect. Journal of Soil Science 36: 425-444. JOHNSTON, C.A., GROFFMAN, P., BRESHEARS, D.D., CARDON, Z.G., CURRIE, W., EMANUEL, W., GAUDINSKI, J., JACKSON, R.B., LAJTHA, K., NADELHOFFER, K., NELSON D., MAC POST, W., RETALLACK, G., WIELOPOLSKI, L.:(2004) Carbon Cycling in Soil Source, Frontiers in Ecology and the Environment 10: 522-528. KUZYAKOV, Y.(2002): Review: Factors affecting rhizosphere priming effects, J. Plant Nutr. Soil Sci. 165: 382- 396. KUZYAKOV, Y., FRIEDEL, J. K., STAHR, K.(2000): Review: Review of mechanisms and quantification of priming effects, Soil Biology & Biochemistry 32: 1485-1498. KUZYAKOV, Y., CHENG, W. (2005): Root Effects on Soil Organic Matter Decomposition, Agronomy Monograph 48: 119- 143. LÖHNIS, F. (1926): Nitrogen availability of green manures. Soil Science 22: 253-290. RAICH, J. W., SCHLESINGER, W. H. (1992): The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate, Tellur 44B: 81- 99. SCHINNER, F., OHLINGER, R., KANDELER, E., MARGESIN, R. (1996): Methods in soil biology, Berlin, Vienna Springer Verlag. SCHLESINGER, W. H. (1984): Soil Organic Matter: a source of Atmospheric CO2 in G. M. Woodwell (ed) The Role of Terrestrial Vegetation in the Global Carbon Cycle: Measurement by Remote Sensing NewYork, John Wiley & Sons Ltd. SCHLESINGER, W. H., ANDREWS, J. A. (2000): Soil respiration and the global carbon cycle, Biogeochemistry 48: 7–20. STENSTRÖM, J., SVENSSON, K., JOHANSSON, M. (2001): Reversible transition between active and dormant microbial states in soil, FEMS Microbiology Ecology 36: 93-104. STEVENSON, F. J. (1982): Humus Chemistry, New York. Wiley, & Sons Ltd
34
ŠANTRŮČKOVÁ, H. (2001): Ekologie půdy, Biologická fakulta JU v Českých Budějovicích, Ústav půdní biologie AV ČR. ŠIMEK, Š. (2008): Skleníkové plyny v půdě: Uhlíkaté plyny- oxid uhličitý a metan, Vesmír 87: 674- 678. ŠOURKOVÁ, M., FROUZ, J., ŠANTRŮČKOVÁ, H. (2005): Accumulation of carbon, nitrogen and phosphorus during soil formation on alder spoil heaps after brown-coal mining, near Sokolov (Czech Republic), Geoderma 124: 203- 214. VANCE, E.D., BROOKES, P.C., JENKINSON D.S. (1987): An extraction method for measuring microbial biomass C. Soil Biol. Biochem., 19: 703-707 WETTERSTEDT, M. (2010): Decomposition of Soil Organic Matter: Experimental and Modelling Studies of the Importace of Temperature and Duality, Doctoral Thesis Swedish University of Agricultural Sciences. Uppsala.
35
