Nitratudvaskning i landbrugsafgrøder

Transkript

1

2 Om forsøget I forsøget skal I analysere jordvand taget op fra jorden under forskellige afgrøder i sædskiftet hos Forsker for en dag. Gennem såkaldte sugeceller, som ligger permanent nedgravet under afgrødernes rodnet, kan man trække jordvandet op. Jordvandet skal analyseres i laboratoriet for nitrat. Nitrat er et plantenæringsstof, som findes opløst i jordvandet, og har derfor stor tendens til udvaskning. Sugeceller For at kunne tage prøver af jordvæsken er der lagt et system af slanger og såkaldte sugeceller ud i marken under afgrødernes rodnet. Ved at sætte sugecellerne under vakuum, kan man trække vand ud af jorden. Alle slangerne ender i et tappeskab, hvorfra vandprøverne kan tappes. Vandprøverne indeholder den væske, som er sivet fra overfladen og ned gennem rodzonen. Når vandprøverne er tappet på flasker, kan de analyseres for indholdet af forskellige næringsioner, i dette forsøg nitrat. I hver af sædskiftets 6 marker er der nedgravet 6 sugeceller, dvs. 36 sugeceller i hele sædskiftet. Sædskiftet Sædskiftet har traditionelt været landmandens måde at undgå udpining af jorden på. Ikke alle afgrøder udnytter jordens indhold af næringsstoffer ens, og nogle afgrøder tilfører jorden mere organisk materiale end andre. Ved at dyrke skiftende afgrøder, heriblandt bælgplanter, som er i stand til at fiksere kvælstof fra luften, kan jordens frugtbarhed opretholdes. Side 2 af 12

3 Kvælstoffiksering i rodknolde. Kvælstof omdannes i bælgplanters rødder ved en symbiose med kvælstoffikserende bakterier (Foto: Laïla Tirichine). Sædskiftet hos Forsker for en dag er et lille demonstrationssædskifte. De seks marker ligger ved siden af hinanden, og dyrkes fortrinsvist økologisk. Marken længst væk fra Agro Business Park kaldes mark 1, dernæst ligger mark 2 osv. Hver mark er opdelt i to mindre parceller, 1-1, 1-2 osv. Mark 1 Mark 2 N Mark 3 Mark 4 Mark 5 Mark I sædskiftet flyttes afgrøderne én mark frem hvert år. I nedenstående tabel (se næste side) ses placeringen af afgrøderne på marken i år 213. I år 213 er det vårbyg, der er hovedafgrøden på mark 1, i 214 skal der være vårbyg på mark 2, osv. Bemærk, at markens afgrøder skifter mellem hovedafgrøder og efterafgrøder, og der er derfor ikke den samme afgrøde på marken året rundt. Hvilke afgrøder, der er på markerne på et givent tidspunkt, afhænger af årstiden samt høst- og såtidspunkt. De marker, som har brug for gødning, får ikke handelsgødning ( kunstgødning ), men gylle. Mængden af gylle er tilpasset afgrødens behov og evne til kvælstoffiksering. Der gødes i to forskellige niveauer, og de kvælstoffikserende afgrøder gødes ikke. Side 3 af 12

4 Parcel Hovedafgrøde Efterafgrøde Gødningsniveau (kg NH 4 -N/ha) 1-1 Vårbyg Lucerne (udlæg) 1-2 Vårbyg Lucerne (udlæg) Lucerne 1 år Lucerne + hvidkløver + rajgræs 2-2 Lucerne 1 år Lucerne + hvidkløver + rajgræs 3-1 Lucerne 2 år Lucerne + hvidkløver + rajgræs 3-2 Lucerne 2 år Lucerne + hvidkløver + rajgræs 4-1 Vårhvede Rajgræs + cikorie + rød- og hvidkløver Vårhvede Rajgræs + cikorie + rød- og hvidkløver Ært/byg Rajgræs + cikorie + rød- og hvidkløver 5-2 Ært/byg Rajgræs + cikorie + rød- og hvidkløver 6-1 Kartofler Vinterrug + vintervikke + vinterraps Kartofler Vinterrug + vintervikke + vinterraps 1 Mere om sædskiftets princip Ved at veksle mellem forskellige afgrøder i et sædskifte forsøger man at udnytte fordelene af de forskellige afgrøder over en årrække. Sædskiftet tilpasses jordbunds- og klimaforhold, ukrudtsbestand og skadedyrsstatus i den enkelte mark. For eksempel finder produktion af græs- og kløverfrø primært sted i den østlige del af Danmark, hvor der overvejende er lerjord og et forholdsvist tørt klima. I Vest- og Midtjylland, hvor jorden er mere sandet og klimaet mere fugtigt end i resten af Danmark, dyrkes der mere rug, græs og kartofler. På kvægbedrifter dyrkes der sædvanligvis en stor del grovfoder (f.eks. græs/kløvergræs eller majs), mens der på svinebedrifter ofte indgår forskellige salgsafgrøder (f.eks. raps, ærter eller kartofler) i et ellers korndomineret sædskifte. Næringsstof: Ved at veksle mellem kvælstofforbrugende og kvælstoffikserende afgrøder kan man mindske behovet for at tilføre kvælstofholdig gødning til afgrøderne. Generelt er kornarterne meget næringsstofkrævende afgrøder. Året før der dyrkes vårhvede, bliver der derfor dyrket kvælstoffikserende afgrøder (ærter). Side 4 af 12

5 Skadedyr: Ved at skifte mellem forskellige afgrøder, som ikke er beslægtede, kan man mindske risikoen for sædskiftesygdomme, dvs. overførsel af f.eks. svampesygdomme fra en afgrøde til den næste. Ligeledes kan man undgå angreb af visse jordlevende skadedyr (f.eks. kartoffelål) som kan opformeres, hvis den samme afgrøde dyrkes på den samme mark flere år efter hinanden. Ukrudt: Der er forskellige metoder til ukrudtsbekæmpelse i et sædskifte. Over for rodukrudt (f.eks. tidsler og kvikgræs) fungerer et skifte med kløvergræs som en effektiv konkurrent. Samtidig vil jordens pulje af ukrudtsfrø reduceres ved gentagne slåninger af kløveren gennem sæsonen, dels fordi slåning forhindrer, at der produceres nye frø, og dels fordi en del af de eksisterende frø mister spireevnen. Ulempe: Ulempen ved et sædskifte er, at man er nødt til at skifte afgrøder, selvom det måske ikke er økonomisk fordelagtigt, dvs. at man måske bliver nødt til at dyrke en afgrøde, som giver mindre økonomisk udbytte. For eksempel fungerer kløvergræs på kvægløse økologiske landbrug ofte blot som en kvælstoffikserende afgrøde, der kan frigive kvælstof til de efterfølgende afgrøder. Side 5 af 12

6 Metode Til bestemmelse af nitrat i jordvandet anvender vi en spektrofotometrisk metode baseret på en simpel nitrat-test og Lambert-Beers Lov. Nitrat-testen Der skal bruges to reagenser til at bestemme nitratindholdet i vandprøverne fra sædskiftet: Reagens 1 indeholder svovlsyre og fosforsyre. Reagens 2 indeholder 2,6-dimetylphenol. I en sur opløsning vil nitraten (NO - 3 ) reagere med 2,6-dimetylphenol og danne et lyserødt farvestof 4-nitro-2,6-dimetylphenol. Jo mere 4-nitro-2,6-dimetylphenol der dannes, desto mere lyserød bliver væsken. Dvs. jo mere nitrat vandprøven indeholder, desto mere lyserød vil blandingen blive. Vi skal bruge denne farveændring til at bestemme helt præcist, hvor meget 4-nitro-2,6-dimetylphenol og dermed nitrat vandprøverne indeholder. NO OH - Nitrat + 2,6-dimetylphenol 4-nitro-2,6-dimetylphenol + Hydroxid (farveløs) (lyserød) Den spektrofotometriske metode Ved hjælp af et spektrofotometer skal vi bestemme mængden af 4-nitro-2,6-dimetylphenol. I spektrofotometret sidder en lyskilde, som udsender lys med en given bølgelængde (her 338 nm). Vi anbringer væskeblandingen i en firkantet beholder i spektrofotometret og sender lys igennem den. Den del af lyset som optages (absorberes) i væsken måles som absorbans. Side 6 af 12

7 Når lys kastes mod en væske, vil en del af det optages (absorberes) i væsken, en del kastes tilbage (reflekteres) og en del af det gå igennem (transmitteres). Hvor stor en del af lyset, der henholdsvis absorberes, reflekteres og transmitteres, bestemmes af væskens sammensætning og lyskildens bølgelængde. Refleksion Refleksion Transmission På den anden side af lyskilden sidder en detektor, som måler hvor meget lys der slipper igennem væsken. Ved en bølgelængde på 338 nm gælder for 4-nitro-2,6-dimetylphenol at stort set alt lys absorberes i molekylet, dvs. kun en lille del af lyset transmitteres eller reflekteres af molekylet. Monokromatisk lys (lys med given λ, her 338 nm) Absorption Kuvette Detektor Kalibrering Vi er kun interesseret i den absorbans, som skyldes forekomsten af 4-nitro-2,6- dimetylphenol, ikke den absorbans som sker i kuvettens overflade eller den som de andre molekyler i væsken forårsager. Derfor starter vi med at måle absorbansen på en såkaldt blindprøve : Blindprøven indeholder de helt samme reagenser som de øvrige prøver, men er lavet på demineraliseret vand i stedet for sugecellevand. Den eneste forskel på blindprøven og de øvrige prøver er derfor forekomsten af 4-nitro-2,6-dimetylphenol. Når vi måler absorbansen på blindprøven, måler vi udelukkende absorbans forårsaget af de ting vi ikke er interesseret i. Ved at nulstille spektrofotometret med blindprøven i tager vi højde for den fejl, som absorbans i de tilsatte reagenser og kuvettens overflade medfører. For at minimere størrelsen af denne fejl anvender vi desuden en bølgelængde (338 nm), hvor 4-nitro-2,6-dimetylphenol har en stor absorption, dvs. absorberer hovedparten af lyset. Efter kalibrering vil den absorbans, som måles ved 338 nm, derfor udelukkende skyldes tilstedeværelsen af 4-nitro-2,6-dimetylphenol. Side 7 af 12

8 Standardkurve og standardligning Vi har nu et tal for absorbans, og skal finde ud af hvilken koncentration af nitrat det svarer til. Det kræver lidt baggrundsviden: Når man måler absorbansen på en række opløsninger med forskellig nitratkoncentration finder man ud af at sammenhængen er lineær, og kan beskrives ved følgende sammenhæng: y = (18,816x +,978)*FF*4,43 hvor x er den målte absorbans og y er koncentration i mg NO 3. FF er fortyndingsfaktoren. Dvs. hvis man kender absorbansen for et stof af ukendt koncentration, kan koncentrationen beregnes. Dette udtrykkes også med Lambert-Beers Lov, som siger at der er proportionalitet mellem en væskes koncentration og dens absorbans, dvs. jo flere molekyler der er i væsken, desto mere lys vil absorberes. Side 8 af 12

9 Øvelsesvejledning Øvelsesvejledningen Vi starter i marken med at tappe vand fra sugecellerne i markens parceller. Herefter skal vi be-stemme vandets nitratkoncentration ved hjælp af en farvereaktion og en absorbansmåling. 1. Materialer og udstyr Vandprøver fra sugeceller Reagensglas og låg Nitratstrips Demineraliseret vand (fra grøn vandhane) Nitrattest: reagens 1 og reagens 2 Kuvetter Finn-pipetter og -spidser Spektrofotometer 2. Forberedelser i laboratoriet Der er gravet 36 sugeceller ned i sædskiftet, herfra skal vi lave 12 vandprøver, som klassen tilsammen skal analysere i små hold. Fordel de 36 flasker mellem holdene. Vandet fra sugecelle 1-3, 4-6 osv. hældes sammen i forholdet 1:1:1 (se resultatskemaet). Det giver 12 prøver. Kontroller nitrat-indholdet med nitratstrips. Skal være < 25, mg/l NO 3 -N. Nitratstrips giver kun en vejledning om koncentrationen af nitrat ved hjælp af en farveindikator. Indholdet skal være < 25, mg/l NO 3 -N, for at det stof som nitrat skal reagere med (2,6- dimetylphenol) i testen er i overskud. Indikatorbånd for nitrat Indikatorbånd for nitrit Hvis nitrat-indholdet > 25, mg/l NO 3 -N, så skal prøverne fortyndes. Brug demineraliseret vand. Husk at notere fortyndingsfaktoren i resultatskemaet (næste side)! Side 9 af 12

10 Øvelsesvejledning 3. Nitrattest BRUG HANDSKER!!! Når prøverne har et nitrat-indhold < 25, mg/l NO3-N (enten fra starten eller efter fortynding) går I i gang med nitrattesten: Nummerer et reagensglas pr. prøve (1-1, 1-2, osv.). Hæld 4, ml REAGENS 1 i reagensglassene. Brug plastpipette. Tilsæt,5 ml af vandprøven. Brug Finn-pipetten. Bland dem ikke! Tilsæt,5 ml af REAGENS 2. Brug Finn-pipetten. Sæt låg på. Ryst dem godt og lad dem stå 1 min. Blandingen bliver varm hvorfor? Brug de 1 min på oprydning, evt. kort pause! 4. Kalibrering og målinger på spektrofotometer Lav en blindprøve til fælles brug: Mærk et reagensglas (f.eks. 'Blind'). Til blindprøven tilsættes,5 ml demineraliseret vand i stedet for væske fra sugecellerne. Blindprøven indeholder derfor ikke nitrat. Indstil bølgelængden på spektrofotometret til λ = 338 nm. Blindprøves hældes i en kuvette, sæt kuvetten i spektrofotometret - tryk 'autozero' (hermed kalibreret!) Mål absorbansen på de 12 prøver - en ad gangen. De målte resultater skrives ind i resultatskemaet (næste side). Side 1 af 12

11 Øvelsesvejledning hvor y er koncentration [mg/l] og x er den målte absorbans. Husk at gange op med fortyndingsfaktoren (FF), hvis I har fortyndet prøverne undervejs. Sørg for at få samlet hele klassens resultater i samme skema. Resultatskema. Her kan I skrive jeres resultater ind: 5. Resultater og beregninger Brug nitrats standardligning til at omregne absorbansen i jeres prøver til nitratkoncentration: Delmark Hoved-afgrøde Efterafgrøde y = (18,816x +,978)*FF*4,43 Gødningsniveau (kg NH 4 - N/ha) Nitratkonc. (mg/l) (Nitratstrips) Fortyndingsfaktor Målt absorbans NO 3- koncentration (mg/l) 1-1 Vårbyg Lucerne (udlæg) 1-2 Vårbyg 2-1 Lucerne 1. år 2-2 Lucerne 1. år 3-1 Lucerne 2. år 3-2 Lucerne 2. år 4-1 Vårhvede 4-2 Vårhvede 5-1 Ært/byg 5-2 Ært/byg 6-1 Kartofler 6-2 Kartofler Lucerne (udløg) Lucerne + hvidkløver + rajgræs Lucerne + hvidkløver + rajgræs Lucerne + hvidkløver + rajgræs Lucerne + hvidkløver + rajgræs Rajgræs Cikorie Rød/hvidkløver Rajgræs Cikorie Rød/hvidkløver Rajgræs Cikorie Rød/hvidkløver Rajgræs Cikorie Rød/hvidkløver Vinterrug + vintervikke + vinterraps Vinterrug + vintervikke + vinterraps D Drikkevand - Side 11 af 12

12 Ordforklaring Ordforklaringer Afstrømning: Den vandmængde som løber igennem jorden i 1 meters dybde. I denne dybde ligger sugecellerne Blindprøve: Prøve som i stedet for vand fra sugecellerne er tilsat demineraliseret vand. Dyreenhed: Da forskellige dyr ikke producerer samme mængde gødning, påvirker de heller ikke miljøet lige meget. En dyreenhed (DE) er et fælles udtryk for miljøpåvirkningen for de forskellige husdyr. Hvor mange dyr, der går på en dyreenhed afhænger af dyrets gødningsproduktion. 1 DE = 1 kg produceret kvælstof pr. år. Efterafgrøde: Afgrøde som enten sås sammen med den egentlige afgrøde eller efter høst. Efterafgrøden skal forbruge overskydende næringsstoffer og mindske udvaskning. Kvælstoffiksering: Symbiotisk proces mellem rodbakterier og planter. Bakterierne kan optage frit kvælstof fra luften og omdanne det til proteiner, som planten nyder godt af, og i modydelse får bakterierne glukose fra planten. Sugecelle: Porøs, keramisk beholder hvori jordens porevand suges ind ved hjælp af undertryk. Sugecellen er forbundet med et overjordisk skab via en slange, hvorfra vandet kan tappes ved at sætte systemet under tryk. Udlæg: Afgrøder som sås samtidig med den egentlige afgrøde, f.eks. kløver. Høstes umiddelbart før såning det følgende år. Mere information om emnet Fremskridt i forskningen om symbiose mellem bælgplanter og Rhizobium-bakterier Af Inga Bach, Planteforskning.dk og Niels Sandal, Aarhus Universitet. Artiklen handler om bælgplanters evne til at kvælstoffiksere og om deres symbiose med Rhizobium-bakterier. Find også artiklen her: Etablering af efterafgrøder Seniorforsker Elly Møller Hansen, Aarhus Universitet, skriver om etablering af forskellige efterafgrøder. En teknisk og faglig artikel for særligt interesserede. DJF Markbrug nr. 331, jan. 29. Vandmiljøplan III Udgivet af Miljøministeriet og Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri. Her kan du læse om arbejdet med VMPIII - Vandmiljøplan III. VPMIII følger op på vandmiljøplan II og fokus er nu bl.a. rettet mod fosfor- og kvælstofudledningen til vandmiljøet. INTERESSERET I JORDBRUG, FØDEVARER OG MILJØ? Tag en fremtidssikret uddannelse på Aarhus Universitet og bliv klogere. Læs mere om uddannelserne på studieguide.au.dk Side 12 af 12