Microbiological and biochemical indices of quality of soils under winter wheat grown in different tillage systems

No Thumbnail Available
Date
2015
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
Soil quality, due to its function in biosphere, affects the size and quality of harvested crop, quality of natural environment and its resources, and health of plants, animal and humans. Soil quality is extremely important in the sustainable management of natural resources and the sustainable development of agricultural sector. Changes in soil environment and changes in soil microbial populations, especially in agroecosystems are caused mainly by tillage system, fertilization, crop residues and crop rotation. The concept of soil biology includes the diverse, interrelated groups of soil microorganisms representing different trophic levels. However, the complexity and very important soil biodiversity are not entirely well understood. It seems reasonable to be that a stable and functionally diverse population of microorganisms in soil is an important concern in the study on soil quality. Soil colonizing bacteria can be used as a specific biological markers in the study on various disturbances of natural processes in the soil as, e.g. agricultural practice. Tillage affects directly and indirectly soil properties and an a wide environment as well. Therefore agronomic activities must take it into account and minimize the risk of adverse effects of tillage on soil, water and air. Due to relatively limited data obtained in the long-term field experiments and mostly fragmentary studies published in literature, research presented in this monograph on the effects of impact of different tillage systems on microbiological quality of typologically different soils under differentiated climatic conditions (temperature and precipitation) in five regions of Poland was undertaken as a trial of a broader view at the changes ongoing in soil environment. The research was based on the monitoring of changes of some indicators of soil microbiological and biochemical activity on the background of occurring at the same time changes of some physical and chemical properties of chosen soils. The aim of this study was to evaluate the quality of different soil types on the basis of changes of microbiological and biochemical parameters, such as: content of microbial biomass C and N, microbial respiration rate, activity of dehydrogenases, phosphatases, arylsulphatase, ?-glucosidase, FDA hydrolysis, number of ammonia-and nitrate-forming bacteria, microbial and metabolic quotients, POM content and HWEC and CWEC fractions content in soils under different tillage systems (traditional, reduced and direct sowing) in chosen regions of Poland differ in climatic conditions. The study was conducted in the years 2003–2010 on the long-term field experiments, located in various regions of Poland on different soil types: silt loam (Rogow, Lublin voivodeship), loamy sand (Baborowko, Poznan voivodeship), sandy loam (Laskowice, Wrocław voivodeship). For better assessment of changes in soil quality in 2003–2005 research was extended to the silty loam (Żelisławki, Gdansk voivodeship), and in 2006–2009 to the loamy sand (Grabow, masovian voivodeship). The obtained results showed that long-term use of conservation tillage (reduced and direct sowing) exerted positive effect on quality of soil environment, what was reflected in the values of determined parameters of biological activity in studied soils. In general, values of determined parameters of soil biological activity in all soils under conservation tillage were 5–55% higher, on average as compared to soils tilled traditionally with plow. The response of microorganisms associated with the impact of cultivation systems on different types of soil observed on the rate of CO2 release and activity of enzymes of microbial origin (dehydrogenases, phosphatases, arylsulphatase, ?-glucosidase, or lipases, proteases and esterases mesasured by intensity of FDA hydrolysis) confirmed the high sensitivity of microbial population on changes caused by soil tillage system used. Compared to the conventional tillage based on the plowing, less intensive tillage caused the higher rate of CO2 release and a higher enzymatic activity (dehydrogenases, phosphatases, arylsulphatase, ?-glucosidase, FDA hydrolysis) what indicated on high activity of microorganisms in soils under conservation tillage in transformation and mineralization processes of organic matter a main source of nutrients for microbes and plants. As regards the phosphatases, the highest activity of acid phosphatase was found in studied soils cultivated in a traditional way, while the highest activity of alkaline phosphatase was determined in soils under no- and/or reduced tillage systems. In general, the lowest level of activity of both phosphatases was measured in the same soils under traditional tillage system. Such an arrangement in activity of phosphatases most likely indicate on environmental effects of application of mineral fertilizers, especially high doses of nitrogen fertilizers in soils tilled traditionally. The changes in microbial activity depended also on the soil type. In general, the highest values of determined parameters of microbial activity were obtained in a silt loam soil from Rogow. The lowest values of the parameters were identified in a sandy loam soil. As compared to the silt loam soil determined parameters in sandy loam soil and loamy sand were 35–70% and 10–50% lower, on average, respectively. In all studied soils higher contents of labile fractions of organic matter as POM and fractions eluted with hot (HWEC) and cold water (CWEC) were determined under reduced and no-tillage systems, as compared to the content of labile fractions of organic matter measured in the same soils under traditional tillage system. Moreover, traditional tillage with plowing contributed to the reduction of studied labile fractions of soil organic matter. The quantities of labile fractions of organic matter varied with the soil type. The highest contents of labile fractions of organic matter (POM, HWEC, CWEC) were typical for silt loam soil. Sandy loam soil and loamy sand soil contained lower quantities of labile fractions of organic matter 5–30%, on average, as compared to silt loam soil. The changeability of values of measured parameters of soil biological activity was associated not only with the tillage system and/or the type of soil, but also with the differential weather conditions typical for each region, mainly temperature and precipitation, which was reflected in the water content in soils and consequently, in a diverse soil biological activity. The results showed the importance and the need of the long-term field studies which have allowed for broader, more objective and comprehensive observations of soil environment through a possibility of monitoring of changes of a wide range of parameters used for checking soil properties. Also, the results helped to better understand of the response of different soil types on tillage system applied and allowed for wider elaboration of this issue. Furthermore, the conducted research enhanced the opinion that the climatic conditions (temperature and precipitation level) of the different regions of Poland should be taken into consideration in selection procedure of an appropriate tillage system, which would ensure both the stability of soil environment (soil sustainability) and an appropriate level of soil productivity. In addition, the studies have demonstrated and confirmed the usefulness of chosen parameters of microbial and biochemical activity as a good indicators in an evaluation procedure of soil biological quality, and indicated that the use of simplifications in soil tillage (conservation systems) is currently the most effective way to improve status of biological activity in soil and prevent soil degradation and the progressive losses of organic matter resources in soils, which is a key factor of soil quality.
Jakość gleby, ze względu na jej funkcję w biosferze, wpływa na wielkość i jakość pozyskiwanych plonów, jakość środowiska przyrodniczego i jego zasobów oraz zdrowotność roślin, zwierząt i ludzi. Jakość gleby jest niezwykle ważna w zrównoważonym zarządzaniu zasobami naturalnymi oraz w zrównoważonym rozwoju sektora rolniczego. Zmiany środowiska glebowego oraz zmiany w populacji drobnoustrojów glebowych, szczególnie w agroekosystemach spowodowane są głównie stosowanym sposobem uprawy gleby, nawożeniem, pozostawianiem resztek pożniwnych i zmianowaniem roślin. Pod pojęciem aktywności biologicznej gleby rozumiemy różnorodne, powiązane ze sobą grupy drobnoustrojów glebowych reprezentujących różne poziomy troficzne. Jednak kompleksowość i niezwykle ważne znaczenie bioróżnorodności drobnoustrojów szczególnie w układzie gleba–roślina nie jest do końca wyjaśnione, dlatego ta funkcjonalnie zróżnicowana populacja drobnoustrojów w glebie nadal stanowi niezwykle ważny przedmiot rozważań w badaniach nad jakością gleby. Zasiedlające glebę drobnoustroje mogą być wykorzystane jako swoiste biologiczne markery w badaniach nad różnymi zakłóceniami naturalnych procesów w glebie, m.in. stosowaną agrotechniką. Poprzez uprawę kształtuje się bezpośrednio i pośrednio właściwości gleby, wpływając także na szerzej rozumiane środowisko naturalne. Działania agrotechniczne muszą zatem uwzględniać i minimalizować ryzyko ich niekorzystnego wpływu na glebę, wodę i powietrze. Badania przedstawione w niniejszej pracy dotyczą efektów oddziaływania różnych systemów uprawy roli (tradycyjnego, uproszczonego i siewu bezpośredniego) na różne typologicznie gleby w zróżnicowanych pod względem opadów i temperatury regionach Polski. Ze względu na to, że w literaturze jest wiele prac zawierających relatywnie ograniczone dane pozyskane w oparciu o długoterminowe doświadczenia polowe i raczej fragmentaryczne opracowania badania podjęto jako próbę szerszego spojrzenia na zmiany zachodzące w glebie pod wpływem uprawy roli na podstawie monitorowania zmian szeregu istotnych wskaźników aktywności mikrobiologicznej i biochemicznej na tle zachodzących w tym samym czasie zmian wybranych właściwości chemicznych i fizycznych gleb. Celem pracy była ocena jakości różnych typów gleb w różnych systemach uprawy roli i warunkach klimatycznych Polski na podstawie zmian parametrów mikrobiologicznych i biochemicznych, takich jak: zawartość C i N w biomasie drobnoustrojów, intensywność oddychania drobnoustrojów glebowych, aktywność dehydrogenaz, fosfataz, arylsulfatazy, ?-glukozydazy, ogólna aktywność enzymatyczna metodą hydrolizy FDA oraz liczebność amonifikatorów i nitryfikatorów w glebie, wskaźnik metaboliczny i mikrobiologiczny, zawartość drobnocząsteczkowej frakcji (POM), a także zawartość frakcji Corg. rozpuszczalnych w zimnej i gorącej wodzie. Badania przeprowadzono w latach 2003–2010 w oparciu o wieloletnie doświadczenia polowe rozmieszczone w różnych rejonach Polski i na różnych glebach: o składzie granulometrycznym pyłu ilastego (Rogów, woj. lubelskie), o składzie granulometrycznym piasku gliniastego (Baborówko, woj. wielkopolskie) oraz o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej (Laskowice, woj. dolnośląskie). Dla lepszej oceny zmian w jakości gleby w latach 2003–2005 badania rozszerzono o glebę o składzie granulometrycznym gliny lekkiej pylastej (Żelisławki, woj. pomorskie), a w latach 2006–2009 o glebę o składzie granulometrycznym piasku gliniastego mocnego (Grabów, woj. mazowieckie). Badania wykazały, że wieloletnie stosowanie uprawy konserwującej (uproszczonej i siewu bezpośredniego) wpływało pozytywnie na jakość środowiska glebowego. Znalazło to odzwierciedlenie w wartościach oznaczanych parametrów aktywności biologicznej, które we wszystkich badanych glebach uprawianych w tych systemach generalnie były wyższe średnio od 5 do 50% w porównaniu z wartościami oznaczanych parametrów uzyskanymi w tych samych glebach uprawianych w systemie tradycyjnym-płużnym. Reakcje drobnoustrojów zasiedlających wybrane gleby obserwowane na podstawie tempa uwalniania CO2 oraz aktywności enzymów pochodzenia drobnoustrojowego (dehydrogenazy, fosfatazy, arylsulfatazy, ?-glukozydazy czy lipazy, proteazy i esterazy mierzone intensywnością procesu hydrolizy FDA) potwierdziły wysoką wrażliwość populacji drobnoustrojów na zmiany w glebie wywołane przez zastosowany system uprawy. W porównaniu z systemem uprawy opartym na zabiegu orki mniej intensywna uprawa roli, jak uprawa uproszczona i siew bezpośredni, wpływała na szybsze tempo uwalniania CO2 i wyższą aktywność enzymatyczną w glebach, co świadczy o wyższej w tych systemach aktywności drobnoustrojów w przemianach i mineralizacji materii organicznej, która jest głównym źródłem składników pokarmowych dla uprawianych roślin. W przeprowadzonych badaniach najwyższą aktywność fosfatazy kwaśnej stwierdzono w glebach uprawianych w systemie tradycyjnym, a najniższą w siewie bezpośrednim, natomiast najwyższą aktywność fosfatazy zasadowej stwierdzono w glebach uprawianych w siewie bezpośrednim, a najniższą w glebach uprawianych w systemie tradycyjnym. Taki układ aktywności fosfataz wskazuje najprawdopodobniej na skutki środowiskowe stosowania nawożenia mineralnego w glebach uprawianych w systemie tradycyjnym, zwłaszcza wysokich dawek nawozów azotowych. Stopień aktywności drobnoustrojów podlegał także zmianom w zależności od rodzaju gleby. Generalnie największymi wartościami oznaczanych parametrów aktywności mikrobiologicznej charakteryzowała się gleba o składzie granulometrycznym pyłu ilastego pochodząca z pól doświadczalnych w Rogowie (woj. lubelskie). Najniższe wartości oznaczane parametry przyjmowały w glebie o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej (Laskowice, woj. dolnośląskie). Średnie wartości cechowały glebę o składzie granulometrycznym piasku gliniastego (Baborówko, woj. wielkopolskie). W porównaniu z glebą pylastą z Rogowa wartości oznaczanych parametrów aktywności drobnoustrojów w glebie o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej i glebie o składzie granulometrycznym piasku gliniastego były niższe średnio o 35–70 i 15–50%. We wszystkich glebach pod uprawą uproszczoną i siewem bezpośrednim oznaczano także większe pule labilnych frakcji materii organicznej zarówno drobnocząsteczkowej frakcji materii organicznej POM, jak i frakcji Corg. wymywanych gorącą (HWEC) i zimną wodą (CWEC), podczas gdy uprawa tradycyjna z zastosowaniem orki w tych samych glebach przyczyniała się do zmniejszenia puli frakcji POM oraz frakcji HWEC i CWEC. Zawartość oznaczanych frakcji materii organicznej (POM, HWEC, CWEC) zależała także od rodzaju gleby. Największymi zawartościami labilnych frakcji materii organicznej charakteryzowała się gleba o składzie granulometrycznym pyłu ilastego. Gleby o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej i piasku gliniastego zawierały znacznie niższe ilości labilnych frakcji materii organicznej w porównaniu z pyłem ilastym, średnio od 5 do 30%. Wartości mierzonych parametrów biologicznej aktywności gleby charakteryzowały się zmiennością, która związana była nie tylko z systemem uprawy roli czy typem gleby, ale także z przebiegiem warunków pogodowych w danym rejonie Polski, głównie zróżnicowaniem temperatury i opadów w danym rejonie, co znalazło odzwierciedlenie w zróżnicowanej zawartości wody w badanych glebach, a w konsekwencji w zróżnicowanej aktywności biologicznej gleb. Przeprowadzone badania wykazały wagę i potrzebę wieloletnich badań polowych. Pozwoliły też na uzyskanie szerszej, bardziej obiektywnej i kompleksowej obserwacji oraz oceny zmian środowiska glebowego poprzez szeroki zakres zastosowanych parametrów. Dzięki temu dały możliwość szerszego spojrzenia, prześledzenia i opracowania reakcji różnych typów gleb na rodzaj stosowanej uprawy, a także wykazały, jak ważny jest dobór odpowiedniego systemu uprawy zapewniającego stabilność środowiska glebowego oraz odpowiedni poziom produkcyjności gleby w danym regionie i panujących warunkach klimatycznych. Ponadto badania wykazały i potwierdziły przydatność zastosowanych parametrów aktywności mikrobiologicznej i biochemicznej jako dobrych wskaźników w ocenie statusu aktywności biologicznej gleb w zależności od stosowanej uprawy roli oraz że stosowanie uproszczeń w uprawie gleby (systemy konserwujące) to najskuteczniejszy obecnie sposób poprawy statusu aktywności biologicznej gleb oraz zapobiegania ich degradacji i postępującym stratom zasobów materii organicznej w glebach, która jest kluczowym czynnikiem decydującym o jakości gleby.
Keywords
soil microbial biomass C and N content, respiration activity, soil enzymatic activity, tillage systems, soil quality, zawartość C i N w biomasie drobnoustrojów, aktywność respiracyjna, aktywność enzymatyczna, systemy uprawy roli, jakość gleby
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 46, ss. 165