Stanovení obsahu a kvality půdní organické hmoty pomocí blízké infračervené spektroskopie na příkladu provozních pokusů v oblasti Boskovické brázdy

Menšík L.¹, Nerušil P. ¹, Pospíšilová L.², Plisková J.^1,2, Kunzová E.¹, Madaras M.¹

¹Národní centrum zemědělského a potravinářského výzkumu, v. v. i. (CARC), Odbor systémů hospodaření na půdě, Drnovská 507/73, 161 00 Praha – Ruzyně, Česká republika, ²Mendelova univerzita v Brně, Ústav agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výživy rostlin, Zemědělská 1, 61200 Brno

Úvod

Zdravá půda je základním kamenem pro dosažení potravinové bezpečnosti a podporu environmentální udržitelnosti v současném zemědělství. V současném precizním zemědělství, ale i konvenčním zemědělství je úrodnost půdy důležitým faktorem ovlivňujícím růst. Úrodnost půdy by měla být neustále monitorována v reálném čase stanovením jejích vlastností, jako jsou mikro a makro-živiny, půdní reakce, obsah a kvalita půdní organické hmoty, rizikové prvky apod. Moderním směrem výzkumu v oblasti stanovení obsahu uhlíku a jeho frakcí v půdě je využití spektroskopie v blízké infračervené oblasti (NIRS). Ve srovnání s konvenčními laboratorními metodami je NIRS levná rychlá nedestruktivní, neprodukuje žádné chemické látky a vyžaduje minimální přípravu vzorku, což ji činí velmi atraktivní. Cílem příspěvku je představit nejnovější postupy stanovení kvalitativních parametrů půdní organické hmoty /SOM/ (půdní organický uhlík /SOC/, humusové látky /HL/, huminové kyseliny /HK/, fulvokyseliny /FK/, barevný index /kvocient/ - Q_4/6) v usušených a přesátých vzorcích půd pomocí NIRS (blízké infračervené spektroskopie) na příkladu na příkladu provozních pokusů v oblasti Boskovické brázdy.

Materiál a metody

Podkladem pro zpracování kalibračních rovnic ke stanovení (predikci) parametrů kvality půdy (SOC, HL, HK, FK a poměr Q_4/6) a jejich nezávislé validaci byly usušené a přesáté vzorky půdy (jemnozem – velikost částic <2 mm) z experimentálních polí modelového zemědělského podniku AGROSPOL, a.d. Knínice s různým způsobem využití /orná půda, travní prosty, sady apod./ a s různými typy půd /černozem /CE/, hnědozem /HM/, kambizem /KA/ apod. v oblasti Boskovické brázdy a Drahanské vrchoviny. Půdní vzorky byly odebírány z horizontu Ap (0–30 cm) v období 2018–2022. Celkem bylo odebráno a změřeno cca 144 vzorků (kalibrační soubor byl tvořen 130 vzorky a validační soubor obsahoval 14 vzorků půdy). 

Obsah SOC, frakcionace humusových látek (HL, HK, FK) a Q_4/6 byl stanoven standardními laboratorními postupy. Identické vzorky půdy byly proměřeny na disperzním spektrometru FOSS NIRSystems 6500 instrument (Company NIRSystems, Inc., Silver Spring, USA). Měření vzorků bylo provedeno v malých kruhových kyvetách (small ring cups) ve dvou paralelních opakováních. Skenování vzorku bylo nastaveno v režimu reflektance pro oblast 400–2500 nm, tj. ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra (Vis-NIR), krok snímání 2 nm. Pro vývoj kalibračních rovnic a ověření validačních rovnic včetně grafických výstupů v byl využit software WinISI II (Infrasoft International, Inc., USA), verze 1.50. Byly použity metody vícerozměrných regresních kalibrací: (1) regrese hlavních komponent PCR (anglicky Principal Component Regression /PCR/), (2) regrese částečných nejmenších čtverců PLS (anglicky Partial Least Squares /PLSR/) a (3) modifikovaná PLS /MPLSR/.

Výsledky

Dosažené výsledky přesnosti predikcí obsahu SOC, HL, HK, FK, Q_4/6 v půdě na experimentálních polích zemědělského družstva AGROSPOL, a.d. Knínice ověřené na nezávislém validačním souboru vzorků shodného charakteru (n = 14) potvrzují předpoklad vysoké míry shody klasické laboratorní metody se stanovením NIRS metodou regrese MPLSR a PLSR /kalibrace: R² = 0,89 až 0,97 viz tab. 1. Validace vyvinutých kalibračních rovnic měla parametry koeficientu determinace (R² = 0,79 až 0,92). Směrnice přímky se blíží hodnotě 1,0 (od 0,9 /Q_4/6/ do 1,2 /FK/). Metoda PCR má nižší vypovídací hodnotu oproti metodám MPLSR a PLSR. Uvedené regresní parametry kalibračního dle dosaženého koeficientu determinace jsou u všech hodnocených parametrů excelentní (R² = 0,90 a více) a tedy použitelné pro běžnou zemědělskou praxi, resp. sledování kvality přírodního prostředí.

Tabulka 1. Kalibrace a predikce parametrů kvality půdy pomocí techniky NIRS v oblasti Boskovické brázdy a Drahanské vrchoviny.

Závěr

Hodnoty koeficientů determinace (R²) kalibračního souboru pro parametry kvality SOM (obsah SOM, HL, HK, FK a Q_4/6) se pohybují od 0,89 do 0,96. Hodnoty R² validačního souboru se pohybují u parametrů kvality půdy od 0,79 do 0,92. Velmi významný vliv má počet vzorků (čím více vzorků stanovení, tím lepší parametry kalibrace) a dále heterogenní podmínky (druh půdy, klimatické podmínky apod.). Pro analýzu NIRS je potřebné malé množství vzorku půdy (cca 5–10 g). Výhodou je bezpečnost práce a ekologická nezávadnost měření (není spotřebováván žádný materiál a nevznikají žádné chemické odpady). Měření je dostatečně rychlé (cca 2−5 minut, podle nastavení přístroje), přesné, pracovně bezpečné, nemá negativní vliv na životní prostředí a je velmi levné.

Obrázek 1. Statisticky průkazná závislost kalibračního modelu pro obsah SOC v půdě v oblasti Boskovické brázdy a Drahanské vrchoviny.

Tabulka 2. Validace parametrů kvality půdy pomocí techniky NIRS v oblasti Boskovické brázdy a Drahanské vrchoviny

Poděkování

Příspěvek byl zpracován v rámci finanční podpory MZe ČR a je výstupem projektu NAZV: QK21010124 (70 %) a dále i řešením institucionální podpory MZE-RO0425 (30 %).  

Kontaktní adresa

Ladislav Menšík, Ing., Ph.D.

Národní centrum zemědělského a potravinářského výzkumu, v.v.i., Odbor systémů hospodaření na půdě, VS Jevíčko

Drnovská 507/73, 161 00 Praha – Ruzyně, Česká republika

ladislav.mensik@carc.cz, +420 461 327 814