Øvelsesvejledning til gymnasiebesøget: "Mad til Milliarder Tæt på økologi og jordbrug

Transkript

1 Øvelsesvejledning til gymnasiebesøget: "Mad til Milliarder Tæt på økologi og jordbrug Når I kommer på besøg på SCIENCE Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet hos Institut for Plante- og Miljøvidenskab, skal I tilbringe 3 timer sammen med et par planteforskere. I skal høre nogle oplæg og lave praktiske øvelser i laboratoriet. Du sidder nu med øvelsesvejledningen i hånden, som vi skal bruge til de praktiske øvelser. 1. øvelse: Kvælstof et vigtigt plantenæringsstof Introduktion Denne øvelse skal illustrere nødvendigheden af for væksten hos to forskellige typer af afgrøder: 1) Byg (Hordeum vulgare), som er en af de vigtigste landbrugsafgrøder i Danmark og 2) Ært (Pisum sativum), der er en bælgplante, som kan indgå i symbiose med jordbakterien Rhizobium. Bakterierne får rødderne til at danne rodknolde, som omdanner atmosfærisk nitrogen (N 2 ) til en form planten kan optage og bruge til opbygning af bl.a. klorofyl og protein. Vi skal kigge på indholdet af klorofyl i planternes blade ved hjælp af UV-visuel spektroskopi og undersøge bælgplanternes særlige rodknolde under stereolup. Faktaboks: Kvælstof, afgrøder og jordbrug Kvælstof i jordbruget Kvælstof (N) er et af de plantenæringsstoffer, der de seneste årtier har tiltrukket sig mest opmærksomhed. Medierne bringer ofte historier om iltsvind i de indre danske farvande, som i høj grad er forårsaget af udvaskning af. Danske landmænd tilfører deres marker i store mængder, desværre med efterfølgende risiko for udvaskning. Kvælstof Et centralt plantenæringsstof Kvælstof indgår i mange molekyler i planter og dyr. Eksempelvis bruges til at opbygge aminosyrer, der er byggestenene for proteiner. Hos planter har tilmed en anden vigtig funktion: Kvælstof er hovedkomponent i planternes grønne klorofylmolekyle. Får planten ikke nok, falder mængden af klorofyl. Klorofyl er plantens lys-høstende molekyle, som omdanner solenergi til kemisk energi, der i fotosyntesen udnyttes til at producere biomasse. Tilfører man ikke tilstrækkelige mængder til markens afgrøder, vil det nedsætte afgrødernes vækst og dermed mængden af dannede kerner, som betyder at landmanden høster et mindre udbytte. Passende mængder er altså ekstremt vigtigt for optimal plantevækst. Jordens pulje Ser man på planters optag, så er de vigtigste forbindelser nitrat (NO - 3 ) og ammonium (NH + 4 ). Er indholdet af i jorden ikke tilstrækkeligt, vælger landmanden at tilføre sine marker gødning, der indeholder N. Det kan både være i form af kunstgødning, husdyrgødning eller grøngødning (grøngødning er rige planterester typisk fra bælgplanter). Jordens pulje består af levende og dødt materiale, såsom mikroorganismer, humus og planterester. Planter kan ikke optage på organisk form, dvs. bundet til organisk materiale eller mikroorganismer, - men kun optage de uorganiske forbindelser; NO 3 og NH + 4. Derfor er det nødvendigt, at de organiske forbindelser nedbrydes af mikroorganismer i jorden, så planterne kan optage fet. Tilførsel af til afgrøderne For at tilfredsstille afgrødernes behov, og dermed sikre et højt udbytte, gøder landmanden markerne med kunstgødning produceret på en fabrik eller husdyrgødning fra f.eks. en gård med grise eller køer (husdyr). I det økologiske landbrug må man ikke bruge kunstgødning, men kun husdyrgødning - og helst fra økologiske 1

2 husdyr. Hvis ikke den økologiske landmand kan få fat i tilstrækkelige mængder husdyrgødning, kan han vælge at dyrke bælgplanter (grøngødning). Af bælgplanter kan f.eks. nævnes ært, kløver, bønne, lupin og vikke. Disse planter kan fiksere direkte fra luften - på den måde øges indholdet af i jorden til gavn for afgrøderne. Bælgplanter dyrkes ofte sammen med andre ikke-fikserende afgrøder, f.eks. græs, hvede eller byg, hvor bælgplanterne `hjælper` landmanden med at tilføre N i dyrkningssystemet. Når de organiske gødninger nedbrydes af mikroorganismerne i jorden frigives der ammonium til jorden. Man taler om en mineralisering af fet. Dette ammonium kan planterne optage. Hvis landmanden nedpløjer halm fra korn eller andet materiale med meget lidt i, bliver det også nedbrudt af mikroorganismerne, som vokser på halmen. Men så mangler mikroorganismerne til deres vækst, og derfor optager de det fra jordens uorganiske pulje. Man taler om at mikroorganismerne immobiliserer. På den måde kan nedbrydning af halm konkurrere med planterne om fet. Først når halmen er helt nedbrudt og mikroorganismerne begynder at dø, vil fet blive frigivet igen. Kvælstoffiksering fra luften via mikroorganismer Atmosfærisk luft består af 78 % frit (N 2 ). Årsagen til at bælgplanter kan fiksere dette frie er, at de kan indgå et symbiotisk forhold med bakterien Rhizobium. Planten forsyner bakterien med sukkerforbindelser - altså kulhydrater, til gengæld leverer bakterien forbindelser til planten. Et klassisk symbiotisk forhold der foregår i særlige rodknolde på bælgplantens rødder. Øvelsesvejledning Dyrkningen af de planter, I nu sal kigge på, blev startet 4 uger før jeres besøg. Vi har sået byg i potter bestående af vermiculit (vulkansk lerskiffer, der er god til at absorbere vand og sidenhen afgive det løbende). Ydermere har vi sået ærter i potter, både i ren vermiculit og i vermiculit iblandet jord. Planterne får tilført forskellige kilder Disse planter bliver nu opdelt i to grupper. Den ene gruppe (både byg og ærteplanter) fik tilført 5 ml 1M NH 4 NO 3 den kalder vi for +N behandlingen. Den anden gruppe fik ikke tilført NH 4 NO 3, den kalder vi for N behandlingen. Vi har også dyrket byg i jord, hvor der er iblandet organisk materiale: I den ene behandling er der iblandet kløver. Kløver er en fikserende plante, så den indeholder meget - den kalder vi for grøngødning-behandlingen. I den anden behandling er der blandet halm i jorden. Halm indeholder meget lidt - den kalder vi for halm-behandlingen. Derudover har vi en kontrolbehandling hvor byggen er sået i ren jord. Herunder er en oversigt over behandlingerne: Ærter ( N - jord): Ærter dyrket uden gødning og i ren vermiculit Ærter ( N + jord): Ærter dyrket uden gødning i vermiculit iblandet jord Ærter (+N + jord): Ærter dyrket med gødning i vermiculit iblandet jord Byg ( N): Byg dyrket uden gødning Byg (+N): Byg dyrket med gødning Byg (grøngødning): Byg dyrket i jord hvor der er iblandet kløver Byg (halm): Byg dyrket i jord hvor der er iblandet halm Byg (jord): Byg dyrket i ren jord Vi skal nu se effekten af de forskellige behandlinger, og hvad det har medført for henholdsvis byg og ært. 2

3 I. Klorofyl Mængden af klorofyl i bladene kan konstateres kvalitativt ved at se på prøven og rent visuelt bestemme intensiteten af det grønne pigment. Klorofylmængden kan også blive bestemt kvantitativt ved at måle absorbansen i et spektrofotometer. Vi skal først ekstrahere klorofyl ved hjælp af acetone (brug udsugning og gummihandsker) cm 2 blad vejer 0,025 g, som ekstraheres i 1 ml vand i en morter med fint sand 2. Der udtages heraf 0,3 ml vandigt ekstrakt til eppendorfrør 3. Der tilsættes yderligere 1,2 ml acetone 4. Ekstraktet centrifugeres i 60 sekunder 5. Supernatanten overføres til en kvartskuvette 6. Absorbans måles i det visuelle spektrum fra nm i spektrofotometeret, og absorbansen for 645 og 663 nm noteres. Kan der ses en forskel på behandlingerne? (udfyld skemaet tilhørende øvelse 1) Beregn mængden af klorofyl ved hjælp af Lambert-Beers lov: Total klorofyl (µg/ml) = 20.2 (A 645 ) (A 663 ) (indsæt værdier i skemaet) II. Rodknolde For at se forskel i behandlingen af ærterne, skal vi kigge på rødderne. 1. Tag en ærteplante og rens forsigtigt rødderne med vand, så de er fri for jord. 2. Sammenlign herefter rødderne. Er der forskel på behandlingerne? (noter hvad I ser i skemaet tilhørende øvelse 1) 3. Skær forsigtigt rodknoldene midt over med skalpellen og se om der er en forskel. Hvis der er, hvad er forskellen? (Skriv ned hvad I ser i skemaet tilhørende øvelse 1) 3

4 SKEMA til øvelse 1: Kvælstoføvelsen Udfyld skemaet med dine observationer, samt absorbansværdierne fra målingen. Grøn farve på bladene. Visuel bedømmelse på en skala fra 1-5 Uden (-N) Med (+N) Byg Halm Grøngødning Ren jord Uden (-N) Ært Med (+N) Uden ; uden jord Spektrofotometer måling: Total klorofyl (µg/g friskvægt) Antal rodknolde (ca) Er der forskel på rodknoldene? Spørgsmål: a) Hvordan får de planter, der ikke er gødet med næringsopløsning, dækket deres behov? b) Hvad sker der, hvis en plante ikke får nok? c) Hvilke muligheder har landmanden for at give sine afgrøder på marken mere? d) Forklar sammenhængen mellem behandlingerne og de målte absorbansspektra? e) Hvorfor er planterne grønne og ikke blå? 4

5 2. Øvelse: Jordfrugtbarhed og fosfor-binding Introduktion Nu er jordens kvalitet (frugtbarhed) omdrejningspunkt. Vi vil vise, hvor stor betydning jordens kvalitet har på tilgængeligheden af to meget vigtige næringsstoffer: Fosfat (PO 4 3- ) og nitrat (NO 3 - ). For at vise dette udfører vi et eksperiment, hvor vi tager en dansk frugtbar landbrugsjord og sammenligner med en meget næringsfattig jord fra vores forsøgsgårde i Tåstrup. Denne jord minder om de næringsfattige tropiske jorde. Øvelsen illustrerer at fosfat og nitrat reagerer meget forskelligt ved kontakt med en frugtbar og en udpint jord. Faktaboks: Frugtbarhed, fosfor og jordbrug Fosfor (P) er ligesom livsnødvendigt for planter. Fosfor indgår i en række vigtige komponenter hos planter (og dyr) eksempelvis i ATP, som er cellernes energitransportører, som en del af nukleinsyrerne i DNA og RNA og i fosforlipider i cellemembranerne. Derudover spiller fosfor en vigtig rolle for en række processer der regulerer enzymers aktivitet f.eks. fosforylering. Fosfor i det danske jordbrug I Danmark er det ca. 40 % af den mængde fosfor landmanden årligt tilfører markerne, som planterne optager. Det skyldes, at uorganisk fosfor (fosfat) binder meget stærkt til jordens mineralske partikler, og at planterne ikke kan optage det organiske fosfor, som er bundet i f.eks. jordens humus. Uorganisk fosfor bindes stærkt til jordens partikler, hvorfor plantens rødder har vanskeligt ved at få fat i det. Derfor tilfører landmanden årligt så meget fosfor til markerne, at der over en periode på nogle få måneder bliver et overskud af fosfor i jorden, der er tilgængeligt for planterne. De grundstoffer og mineraler i jorden, som fosfat binder sig stærkt til er calciumioner (Ca 2+ ) på neutrale og svagt basiske jorde og mineraler der indeholder aluminiumhydroxid (Al(OH) 3 ) og jernhydroxid (Fe(OH) 3 ) på sure jorde. En jords evne til at binde fosfor er derfor afhængig af dens indhold af Ca 2+, Al(OH) 3 og Fe(OH) 3, jordens såkaldte fosforbindingskapacitet. I Danmark er der de sidste 100 år blevet tilført et overskud af fosfor, hvilket betyder, at jorden i dag er mættet med fosfor - den har svært ved at binde mere til jordens mineraler. Jo mere fosfor der er tilført, jo mere er der tilgængeligt for planternes rødder. Det har medført tab af fosfor til den omgivende natur og eutrofiering af eks. vandmiljøet. Tropisk jord og kostbar gødning Mange tropiske jorde f.eks. i Afrika har et højt indhold af jern- og aluminiumshydroxider (der bl.a. ses på jordens røde farve). Rødfarvningen skyldes primært oxiderede jernhydroxider (Fe(OH) 3 ). Farven indikerer, at fosforbindingskapaciteten er meget høj og at tilførslen af fosfor skal være meget stor for at have en effekt på plantevæksten. Hvis ikke den tropiske jord får tilført rigelige mængder fosfor, vil det binde sig til jorden og ikke være tilgængelig for plantens rødder. Fosforgødning er dyr og derfor bruger den afrikanske bonde det sjældent. Det betyder, at fosfor er en væsentlig begrænsende faktor for planteproduktionen i Afrika. Plantens optag af fosfor Fosfor bevæger sig meget langsomt ved diffusion i jord ca. 1 mm på en sommer. Planters evne til at optage fosfor, er derfor i høj grad afhængig af deres evne til at udvikle et stort rodnet. Et stort rodnet øger plantens chance for at optage det tilgængelige fosfor, fordi rødderne dermed dækker et større volumen. Heldigvis får planterne hjælp til fosforjagten fra en række svampe (mychorriza), der lever i symbiose med planterne. Svampenes hyfer fungerer som røddernes forlængede arm og øger fosforoptaget betragteligt. Som tilbagebetaling for fosforen, giver planten svampene en masse sukkerstoffer, som planten danner i fotosyntesen. Udvaskning fra landbrugsjord til omgivende miljø Udvaskning af fosfor (og ) fra landbrugsarealer til søer, åer og indre farvande, kan medføre 5

6 algeopblomstring, der forårsager iltsvind og potentielt fiskedød. Udvaskning af Årsagen til at fosfor og bliver udvasket er vidt forskellig. Langt størstedelen af jordens lermineraler er negativt ladet på overfladen, hvorfor nitrat-ionen (NO 3 - ) ikke bliver tiltrukket af mineralerne (ammonium (NH4+) binder derimod til mineralerne). Det kaldes jorden kations-ombytningsevne (CEC). Nitrat vil derfor være frit i jordvæsken, hvor planternes rødder kan optage det. Hvis der mere nitrat i jorden end planterne kan optage, og en nedadgående strøm i jordvæsken mod grundvandet, vil det medføre udvaskning af. Jo mere N der er i jordvæsken, jo mere vand der bevæger sig nedad, jo mere N vil udvaskes. Udvaskning af fosfor Anderledes forholder det sig med fosfat (H 2 PO 4 - ). Selvom fosfat-ionen også er negativt ladet (en anion), vil fosfat binde sig til jordens calcium-ioner og aluminium- og jernhydroxider, og kun en lille del vil opholde sig i jordvæsken. Hvordan udvaskes fosfat så? Når vandbevægelsen i jorden er nedadgående, er det ikke kun de forskellige ioner, der transporteres med ned. Opløste organiske forbindelser og jordens lermineraler er så små, at de faktisk kan blive vasket ud med jordvæsken via sprækker i jorden, regnormegange og markdræn til omkringliggende vådområder. Udvaskningen af fosfor er proportional med, hvor meget fosfor der sidder på de udvaskede lermineraler og i det organiske materiale. Udvaskning af fosfat er altså afhængig af, at fosfat sidder fast på en partikel, der flyttes rent fysisk med en vandstrøm. Når jorden efter længere tids gødning bliver mættet med fosfat, vil en større og større del være i jordvæsken. Efterhånden udvasker fosfor direkte fra jordvæsken. Øvelsesvejledning Her vil vi vise, at forskellige jorde kan have meget forskellig fosforbindingskapacitet og at plantenæringsstoffer bindes med meget forskellig styrke i jorden. Dette gøres ved at hælde henholdsvis og fosfor igennem to jordsøjler. Søjlerne indeholder hver sin type jord og under søjlen er der placeret et reagens, der udvikler en farve hvis enten nitrat eller fosfat er til stede. Reagenset vil give en rød eller blå farvereaktion, når man tilsætter henholdsvis eller fosfor. Den røde farve opstår, når nitrat reduceres til nitrit, som reagerer med sulfanilamid (C 6 H 8 N 2 O 2 S). Den blå farve udvikles, når ammonium molybdat ((NH 4 ) 2 Mo 4 O 13 ) reagerer med fosfat. Vi bruger to typer jord til denne øvelse Dansk landbrugsjord: En typisk frugtbar dansk landbrugsjord, som har været gødet med fosfor gennem mange år. Udpiningsjord: Jorden har ikke fået tilført fosfor eller andre næringsstoffer i 30 år, hvorfor jorden har en høj fosforbindingskapacitet. Faktisk minder denne jord på nogle måder om en tropisk jord. Tropiske jorde er ofte udpinte, fordi de er millioner år gamle og stærkt forvitrede. De har derfor mistet mange næringsstoffer og er ufrugtbare. Hvis bonden tilmed ikke tilfører gødning, når han dyrker marken, bliver næringsstofniveauet ekstremt lavt. (Udpiningsjorden stammer fra en mark der ligger ved vores forsøgsgårde i Tåstrup, hvor vi hvert år dyrker afgrøder - ligesom på almindelig landbrugsjord men denne mark har overhovedet ikke fået tilført gødning dvs. næringsstoffer de sidste 30 år. Da afgrøderne hele tiden bruger jordens næringsstoffer og afgrøderne fjernes fra marken ved høst, ja så bliver marken gradvist mere og mere udpint for hvert år der går). 6

7 1. I får udleveret fire jordsøjler: 2 søjler med udpiningsjord og 2 søjler med frugtbar landbrugsjord. Under hver søjle er et glas med et farvereagens i. 2. Tag nu de to falconrør mærket N, som indeholder og dryp med engangspipette over de to jordsøjler mærket med N. 3. Tag derefter de to falconrør mærket P og dryp det med engangspipette igennem jordsøjlerne mærket P. Vær opmærksom på at jorden hele tiden skal suge væsken, der må ikke samle sig overskydende væske ovenpå jordsøjlen. Der kan gå nogle minutter før væsken er løbet helt igennem, så hav tålmodighed. 4. Hæld til sidst ionbyttet vand igennem alle fire søjler. Stop vandtilførslen på P-søjlerne når de har afgivet 20 dryp. Udfyld skemaet til øvelse 2. SKEMA til øvelse 2: Fosforøvelsen Udfyld skemaet med dine observationer Hvilken farve kom under søjle N? Udpiningsjord Dansk landbrugsjord Hvilken farve kom under søjle P? Spørgsmål: a) Hvorfor sker der en farvning af reagenserne i glasset? Forklar hvad der sker i jordsøjlerne, hvis reagenset ikke opnår farve. b) Nitrat og fosfat er begge anioner, hvorfor bindes fosfat til mineralerne i jorden, når nitrat ikke gør? c) Hvorfor er der forskel på hvor meget P der kan bindes i en frugtbar jord og en jord der er udpint? d) Hvilke strategier kan man anvende for at øge fosfortilgængeligheden for planterne i jorden? 7