JAK WYKORZYSTAĆ ZAPASY FOSFORU W GLEBIE?

Szacowanie zawartości i metody ich uwalniania

Niewielkie zasoby surowców, załamanie łańcuchów dostaw spowodowane przez pandemie COVID-19, a w końcu dramatyczny wzrost nośników energii, poskutkowały tym, że ceny nawozów fosforowych w Polsce biją historyczne rekordy. Sytuacja ta stanowi niewątpliwie wyzwanie dla producentów rolnych, którzy muszą zapewnić odpowiednią ilość fosforu roślinom, aby utrzymać wysokie plonowanie i ekonomiczną opłacalność działania. Okazuje się, że na wielu polach istnieje szansa na znaczne ograniczenie nawożenia fosforem dzięki obecności w glebie mineralnych zapasów tego pierwiastka. Roślina nie może bezpośrednio pobrać fosforu z tych form, jednak dzięki działalności pożytecznych mikroorganizmów możliwe jest uruchomienie i udostępnienie tego pierwiastka z zapasów obecnych w glebie. Aby zweryfikować czy zastosowanie pożytecznych mikroorganizmów pozwoli ograniczyć stosowanie nawozów w pierwszej kolejności należy ocenić zasobność gleb w możliwe do udostępnienia przez mikroorganizmy związki fosforu. Próby określania ilości zapasowych, potencjalnie dostępnych dla roślin form tego pierwiastka w glebie rozpoczął Agro Smart Lab. Wyniki z kilkuset badań gleby wydają się być obiecujące.

FORMY FOSFORU W GLEBIE

Całkowita zawartość fosforu w glebach waha się od 50 do 3000 mg P/ kg.  Największa jego ilość znajduje się w przypowierzchniowych warstwach gleby, a zmniejsza się wraz z głębokością profilu glebowego. Fosfor występuje zarówno w związkach organicznych, jak i mineralnych. Organiczne związki fosforu znajdują się w próchnicy, fitynie, fosfolipidach i kwasach nukleinowych. Występują głównie w formie organicznych estrów kwasu fosforowego, a ich ilość, w zależności od rodzaju gleby, wynosi od 15 do 80% fosforu całkowitego. Aby fosfor w związkach organicznych mógł zostać pobrany przez roślinę konieczne jest jego przekształcenie w formę mineralną przy udziale mikroorganizmów glebowych. W reakcji hydrolizy z wykorzystaniem enzymu – fosfatazy, dochodzi do przekształcenia organicznych związków fosforu w takie formy mineralne, które roślina może pobrać. Proces ten zależny jest od wilgotności, temperatury, odczynu i rodzaju gleby, a także zawartości węgla organicznego i jego stosunku do ilości fosforu. Mikroorganizmy glebowe zaczynają przekształcać organiczne związki fosforu jedynie w przypadku, gdy w glebie brakuje mineralnych form tego pierwiastka.

Ze względu na przydatność dla roślin, wśród mineralnych (nieorganicznych) związków fosforu w glebie, wyróżnić możemy dwie podstawowe formy w jakich występuje:

• Dostępną, dzielącą się na aktywną i ruchomą,
• Zapasową.

FORMA DOSTĘPNA

Forma aktywna to jony kwasu fosforowego (V) występujące w roztworze glebowym, które pobierane są bezpośrednio przez korzenie. Do formy ruchomej należą nieorganiczne związki fosforu rozpuszczalne w wodzie i słabych kwasach, takie jak bezpostaciowe fosforany glinu i żelaza czy wodorofosforany wapnia i magnezu. Zawartość formy aktywnej i ruchomej stanowi pulę dostępnego fosforu, która może być bez problemu wykorzystana przez roślinę. Formę dostępną oznacza się podczas standardowych analiz wykonywanych w laboratoriach chemicznych. Zazwyczaj, dla metody ogrodniczej (uniwersalnej), prawidłowy przedział zawartości powinien wynosić pomiędzy 40 a 70 mg/dm³. Ilość tej formy zależy od odczynu gleby, największa biodostępność fosforu uwidacznia się w glebach o odczynie wahającym się od 6 do 7. Ponadto, dostępność fosforu zależy od występowania rozpuszczalnych form glinu, żelaza, manganu, magnezu i wapnia (ich wysoka zawartości obniżać będzie dostępność fosforu), a także od temperatury, wilgotności oraz działalności mikroorganizmów.

FORMA ZAPASOWA

Pomimo spadku użycia nawozów fosforowych w ostatnim dziesięcioleciu bilans fosforu w Polsce jest dodatni, a średnia roczna nadwyżka wynosi około 3 kg /ha. Oznacza to, że nadal wnosimy więcej fosforu niż roślina jest w stanie pobrać. Wniesiony i niewykorzystany fosfor ulega jednak bardzo ograniczonemu wymywaniu w głąb profilu glebowego, tak więc straty tego pierwiastka w glebie są niewielkie. Tworzą się związki chemiczne, które unieruchamiają fosfor w wierzchniej warstwie gleby, powodując jego odkładanie się w mineralnych, nieprzyswajalnych przez rośliny formach. Zjawisko przemiany dostępnych dla roślin mineralnych form fosforu w nieprzyswajalne związki zwane jest procesem starzenia lub uwsteczniania i powoduje powstanie zapasów mineralnych tego pierwiastka. Zjawisko uwsteczniania związków fosforu powoduje, że wniesiony do gleby wraz z nawozami fosfor w formie przyswajalnej dla roślin może bardzo szybko przejść do formy, której roślina nie jest w stanie pobrać. Taka sytuacja powoduje, że tylko część fosforu pochodząca z nawozów jest wykorzystywana przez roślinę. Proces ten zależny jest przede wszystkim od odczynu gleby, działalności mikroorganizmów, występowania rozpuszczalnych form innych pierwiastków, temperatury i wilgotności. W glebach kwaśnych, o znacznej zawartości przyswajalnego żelaza, glinu i manganu, dostępne formy fosforu mogą przekształcać się w fosforany żelaza, manganu i glinu, o różnej podatności na rozpuszczanie. W glebach o odczynie zasadowym obecność jonów wapnia oraz węglanu wapnia prowadzi do wytrącenia średnio i trudno rozpuszczalnych w wodzie fosforanów wapnia, a przy dalszym przekształceniu w praktycznie nierozpuszczalne związki fosforu i wapnia. Powstałe w procesie uwsteczniania związki fosforu charakteryzują się średnią, niską lub praktycznie zerową zdolnością do rozpuszczenia się w wodzie i kwasach produkowanych przez organizmy żyjące w glebie. Im dłużej dany związek jest uwsteczniany, tym trudniej go rozpuścić i tym trudniej pozyskać z niego dostępny dla roślin fosfor.

Ze względu na możliwą przydatność dla roślin, wśród mineralnych form zapasowych, wyróżnić możemy dwie grupy:

• potencjalnie dostępną, w skład której wchodzą związki fosforu średnio i trudno rozpuszczalne,
• praktycznie niedostępną, do której należą praktycznie nierozpuszczalne związki fosforu.

Głównym mechanizmem rozpuszczania nieorganicznych form zapasowych fosforu przez rośliny i mikroorganizmy glebowe jest zakwaszanie środowiska. Fosforany średnio i trudno rozpuszczalne stosunkowo łatwo ulegają dysocjacji (rozpuszczeniu) w obecności kwasów organicznych produkowanych przez drobnoustroje żyjące w glebie. Praktycznie niedostępne mineralne formy zapasowe występują jako nierozpuszczalne, silnie uwstecznione związki fosforu, z których powstają takie jak minerały jak hydroksyloapatyt czy fluoroapatyt. Udostępnienie fosforu z puli nierozpuszczalnych związków jest znacznie trudniejsze, ponieważ bardzo stabilne wiązania pomiędzy pierwiastkami budującymi silnie uwstecznione fosforany ograniczają rozpuszczanie tych związków przez większość kwasów produkowanych przez bakterie. Przy odpowiednich warunkach i udziale mikroorganizmów glebowych odpowiadających za rozpuszczanie mineralnych związków fosforu możliwe jest udostępnienie roślinom puli pierwiastków z zapasów, przede wszystkim z form potencjalnie dostępnych.

W JAKI SPOSÓB UDOSTĘPNIĆ FOSFOR Z ZAPASÓW?

Istnieje zatem szansa na znaczne ograniczenie nawożenia tym pierwiastkiem, nawet przy niskiej zasobności gleb w dostępne formy fosforu. Z pomocą przychodzą korzystne mikroorganizmy udostępniające ten pierwiastek z zapasowych, potencjalnie dostępnych form znajdujących się w glebie. Środowisko glebowe zasiedlone jest przez zróżnicowane gatunki mikroorganizmów, w przeliczeniu na 1g może znajdować się tam nawet miliard bakterii. Drobnoustroje glebowe odgrywają główną rolę w mineralizacji materii organicznej, powstawaniu humusu glebowego, ograniczeniu rozwoju patogenów i udostępnianiu roślinom składników odżywczych. Z punktu widzenia odżywiania roślin fosforem największą przydatność wykazują mikroorganizmy z grupy PSM (ang. Phosphate Solubilizing Microorganisms - Mikroorganizmy Rozpuszczające Fosforany), wśród których znajdują się bakterie, które najwydajniej uruchamiają fosfor z zapasów mineralnych. Określane są one skrótem PSB (ang. Phosphate Solubilizing Bacteria - Bakterie Rozpuszczające Fosforany). W glebach populacja tych bakterii jest bardzo zróżnicowana i zależy od czynników abiotycznych - środowiskowych (temperatura, wilgotność, nasłonecznienie, odczyn gleby, warunki redox, dostępność danej formy fosforu) i biotycznych - ekologicznych (m.in. zależności między mikroorganizmami, np. konkurencja lub symbioza). Bakterie z grupy PSB, podobnie jak rośliny, pobierają fosfor, gdyż bierze on udział we wszystkich ich procesach życiowych. W procesie mikrobiologicznych przemian fosfor uwalniany jest w ilościach przekraczających zapotrzebowanie na ten składnik przez bakterie, dlatego też znacząca jego część może być wykorzystana przez rośliny. Najczęściej izolowanymi bakteriami PSB są mikroorganizmy należące do rodzaju: Bacillus (najczęściej Bacillus Megaterium), Pseudomonas, Enterobacter, Arthrobacter, Aerobacter. Konsorcjum drobnoustrojów powinno być dobierane w ten sposób, aby mikroorganizmy były ze sobą kompatybilne i posiadały zdolność do rozpuszczania właściwych związków fosforu w glebie. Udostępnianie tego pierwiastka przez mikroorganizmy wymaga czasu, zwłaszcza gdy wprowadzimy je do gleby w miesiącach z niską średnią dobową temperaturą, ponieważ bakterie te zaczynają aktywnie rozkładać mineralne formy fosforu gdy temperatura przekroczy 5^oC.

KIEDY ZASTOSOWAĆ PREPARATY MIKROBIOLOGICZNE UWALNIAJĄCE FOSFOR Z ZAPASÓW?

Podstawową kwestią jest sprawdzenie zasobności gleby w dostępny dla roślin fosfor. Jeżeli wynik analizy wskazuje na prawidłową lub wysoką zawartość przyswajalnej formy tego składnika, to wnoszenie nawozów lub mikroorganizmów udostępniających fosfor z zapasów mineralnych nie ma uzasadnienia. Kolejnym ważnym czynnikiem weryfikacyjnym jest określenie ilości fosforu, która może być uwolniona przez odpowiednie mikroorganizmy. Zastosowanie mikrobiologii w sytuacji, gdy zapasy fosforu w glebie są niewielkie, nie ma uzasadnienia. Niestety, obecnie producenci rolni nie mają możliwości zweryfikowania zasobności gleb w zapasowe, potencjalnie dostępne formy fosforu. Z tego względu firma Agro Smart Lab rozpoczęła badania nad nową metodą diagnostyczną. Według założeń pozwoli ona określić pule zapasowego, potencjalnie dostępnego fosforu, która znajduje się w mineralnych związkach chemicznych niedostępnych dla roślin, lecz stosunkowo łatwo rozpuszczanych przez odpowiednie szczepy bakterii PSB. Metoda mogłaby wspomóc producentów podczas podejmowania decyzji o ograniczeniu nawożenia mineralnego na rzecz zastosowaniu dostępnych na rynku produktów mikrobiologicznych przeznaczonych do uruchamiania zapasów fosforu z gleby.

W tym celu wykonano badania gleb w trakcie których przeanalizowano próbki pochodzące z pól uprawnych znajdujących się w regionie podkrakowskim (208 prób), środkowej Polski (85 prób) i Bułgarii (22 próby). Aby odwzorować reakcje rozpuszczania fosforanów przez bakterie PSB dobrano odczynniki posiadające podobne właściwości jak kwasy produkowane przez drobnoustroje. Umożliwiło to określenie ilości potencjalnie dostępnych,  mineralnych zapasów fosforu - łatwo rozpuszczalnych przez bakterie PSB związków chemicznych tego pierwiastka. Klasy zasobności przyjęto zgodnie z wartościami podanymi w Tabeli 1.

Analiza 315 próbek wykazała, że zawartość analizowanych form fosforu w glebie mieściła się w przedziale od 8 mg/kg do aż 1902 mg/kg. Im wyższa zawartość, tym więcej fosforu można potencjalnie udostępnić z gleby za pomocą preparatów mikrobiologicznych. Bardzo szacunkowe dane, które w przyszłości zostaną zweryfikowane, wskazują, że możliwe jest uruchomienie od 3 do 15% fosforu z zapasów w trakcie sezonu wegetacyjnego. W przypadku bardzo niskiej zasobności gleb w zapasowe, potencjalnie dostępne formy fosforu, zastosowanie bakterii PSB nie ma większego uzasadnienia - szacunkowe ilości uwolnionego pierwiastka nie będą w znaczący sposób wpływać na odżywienie roślin. Przy niskiej klasie zasobności zasadność stosowania mikroorganizmów jest niewielka, choć ilość udostępnionego pierwiastka będzie nieco większa. W przypadku stwierdzenia średniej lub wysokiej klasy zasobności w zapasowe, potencjalnie dostępne formy fosforu, uzasadnione jest stosowania preparatów zawierających bakterie PSB.  Taką klasę zasobności stwierdzono w blisko 41% z 315 przebadanych próbek gleb. Wskazuje to na uzasadnioną możliwość wprowadzenie do gleby bakterii PSB, dzięki którym realnie podniesiemy zawartość dostępnego dla roślin fosforu bez konieczności stosowania drogich nawozów mineralnych. Pełny wykres z procentowym rozmieszczeniem próbek w poszczególnych klasach zasobności znajduje się na Wykresie 1. 

WYBÓR ODPOWIEDNICH BAKTERII PSB I ICH OCHRONA PRZED NIEKORZYSTNYMI WARUNKAMI ŚRODOWISKOWYMI

Po weryfikacji zasadności stosowania bakterii PSB należy zastanowić się nad wyborem odpowiednich szczepów oraz zwrócić uwagę na kwestię wrażliwości mikroorganizmów na czynniki środowiskowe. Na podstawie analizy gleby jesteśmy w stanie stwierdzić z jakim typem zapasowej, potencjalnie dostępnej formy fosforu mamy do czynienia. Przykładowo, gdy analiza wykazała wysoki odczyn pH oraz wysoką zawartość przyswajalnego wapnia założyć można, że mineralne zapasy fosforu w przeważającej części związane będą z tym pierwiastkiem. Powinniśmy wówczas zdecydować się na szczep, który „specjalizuje” się w rozpuszczaniu fosforanów wapnia.

Bakterie PSB to aeroby - organizmy wymagające tlenu do życia. Jego niedobór powoduje, że ich aktywność maleje, a długotrwały brak tlenu może prowadzić do ich wymierania. Na ten problem należy zwrócić uwagę szczególnie na glebach ciężkich, gdzie panować mogą niekorzystne stosunki wodno-powietrzne.  Kolejnym istotnym czynnikiem środowiska jest woda. Jej brak powoduje obniżenie aktywności mikroorganizmów. Natomiast obfite nawodnienie lub silne deszcze mogą spowodować, że część mikroorganizm ulegnie wymyciu poza obręb systemu korzeniowego i stanie się nieprzydatna. Problem może pojawiać się szczególnie na lekkich, przepuszczalnych glebach, które ubogie są w minerały ograniczające przepuszczalność. Niektórzy producenci stosują nośniki mineralne, które dzięki swoim właściwościom korzystnie wpływają na aktywność mikroorganizmów. Ciekawym rozwiązaniem wydaje się zaszczepienie drobnoustrojów na nośniku klinoptylolitowym przed ich aplikacją do gleby. Klinoptylololit to minerał z grupy zeolitów, charakteryzuje się bardzo dużą porowatością oraz ogromną powierzchnię właściwą, dlatego jest świetnym nośnikiem mikroorganizmów. Minerał posiada sieć kanałów i porów, w których bakterie odnajdują preferowane siedlisko i są częściowo chronione przed czynnikami środowiskowymi. W porach może gromadzić się woda, z której bakteria skorzysta w trakcie niedoborów. W przypadku nadmiernej ilości wody i deficytu tlenu bakterie mogą korzystać z pęcherzyków powietrza znajdujących się wewnątrz tego minerału.

W celu zweryfikowania czy wprowadzone przez nas bakterie PSB zaadoptowały się do życia w nowym środowisku należałoby wykonać specjalistyczne badania polegające na zliczeniu i rozpoznaniu ilości kolonii bakterii w danej jednostce gleby. Zamiast badań mikrobiologicznych można pośrednio szacować aktywność bakterii udostępniających fosfor z zapasów wykonując cykliczne analizy gleby pod kątem zawartości dostępnego fosforu. Alternatywą jest wykonanie analizy liści pod kątem zawartości pierwiastków i sprawdzenie czy roślina jest prawidłowo zaopatrzona w składniki pokarmowe.  

 

 

W tekście wykorzystano własne badania i informacje pochodzące z następujących źródeł:

 

1. 1. B. Kołwzan i inn., 2005: Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska
2. Bezak-Mazur E., Stoińska R., 2013: The importance of phosphorous in the environment- review article
3. Ciereszko I. Molekularne podstawy odpowiedzi roślin na niedobór fosforanu (?). Post Biol Kom 2003; 30: 647-665.
4. De Smedt C., 2016: Zeolites as potential plant protection agents. PhD Thesis. Ghent University, Belgium.
5. Gaj R., 2013: Efektywne wykorzystanie składników mineralnych z nawozów we współczesnym rolnictwie
6. Gałązka A., i inn., The effect of same (?) microbial products on basic biological activities of soil under cereals crop. Plant Soil Environment, 2017, 63 (3), 111-116
7. A. Gałązka I inn.: Liczebność drobnoustrojów rozpuszczających fosforany i aktywność fosfataz w glebie w kontekście stosowania preparatów mikrobiologicznych. Studia i Raporty IUNG- PIB
8. GUS, 2018: Rocznik Statystyczny Rolnictwa
9. Halliwell D.J., Mckelvie I.D., Hart B.T., Dunhill R. H. Hydrolysis of triphosphate from detergents in a rural waste water system. Wat. Res. 2001; 35:448-454
10. Koc J., Skwierawski A., Quantity indicators and conditions of phosphorus export from rural catchment basins to surface water. w: Chemia Związki fosforu w chemii, rolnictwie, medycynie i ochronie środowiska. Prace naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu 2008; 4:122-151
11. Łukaszuk E., Ciereszko I., 2011: Mechanizmy dostosowawcze roślin do warunków niedoboru fosforu. Zakład Fizjologii Roślin, Instytut Biologii, Uniwersytet w Białymstoku
12. Mocek A., 2015: Gleboznawstwo. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
13. Panhwar Q. A., I inn.: Biochemical and Molecular Characterization of Potential Phosphate-Solubilizing Bacteria in Acid Sulfate Soils and Their Benefical Effects on Rice Growth. 2014, PLoS ONE 9(10)

 

 

Autorzy:

Oskar Maziarka mgr inż. Nauk o Ziemi i Środowisku

Anna Kunecka mgr inż. Nauk o Ziemi i Środowisku