Інститут грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН
НАДТОЧІЙ Петро Петрович
УДК 631.582:631.8
АГРОЕКОЛОГІЧНИЙ СТАН ГРУНТІВ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ, ВДОСКОНАЛЕННЯ УПРАВЛІННЯ ЇХ РОДЮЧІСТЮ
І ПРОДУКТИВНІСТЮ АГРОЦЕНОЗІВ
06.01.03 – агрогрунтознавство і агрофізика
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеню
доктора сільськогосподарських наук
Харків – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному аграрному університеті, підпорядкованому Кабінету Міністрів України.
Науковий консультант:
доктор сільськогосподарських наук, професор
Городній Микола Михайлович, Національний аграрний університет, завідувач кафедрою агрохімії та якості
сільськогосподарської продукції
Офіційні опоненти:
1. Доктор сільськогосподарських наук, професор
Трускавецький Роман Степанович, Інститут
грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН,
головний науковий співробітник.
2. Доктор сільськогосподарських наук, професор
Вознюк Степан Тихонович, Українська державна
академія водного господарства, ректор.
3. Доктор біологічних наук, професор
Головко Ераст Анатолієвич,
Центральний ботанічний сад НАН України,
завідувач відділу алелопатії рослин.
Провідна установа: Інститут землеробства, лабораторія агрогрунтознавства, Українська академія аграрних наук, м.Київ.
Захист дисертації відбудеться “_16_”___04___ 1999 р. о __10__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН, 310024, Харків, вул.Чайковського, 4.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН, 310024, Харків, вул.Чайковського, 4.
Автореферат розісланий “_16__“________03________199_9_ р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, кандидат с.-г. наук Павленко О.Ф.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Науковими працями В.В.Докучаєва, К.А.Тімірязєва, Б.А.Костичева, В.Р.Вільямса, Л.М.Прасолова, Д.М.Прянішнікова, В.А.Ков-ди, В.В.Медвєдєва та інших започатковані фундаментальні напрями робіт щодо раціонального і екологічно збалансованого використання земельних ресурсів в агропромисловому виробництві.
В Лісостеповій грунтовій зоні України (20105,2 тис.га) довготривала дія антропогенного чинника, наслідком якої є високий ступінь розораності сільськогосподарських угідь (75-85%), недосконалість технологій вирощування сільськогосподарських культур, забруднення агроценозів важкими металами, пестицидами та нітратами, а також інші негативні процеси, призвела до значного погіршення агроекологічного стану і зниження родючості грунтів. Все частіше рівень урожайності почали обмежувати деформовані антропогенною діяльністю колоїдно-хімічні властивості грунту.
Наслідком негативної дії антропогенного впливу є погіршення багатьох функцій грунту в екосистемі: екологічної, фітосанітарної, буферної та інших. Зруйновано сформовану в продовж багатьох тисячоліть динамічну рівновагу між синтезом і розкладом органічної речовини – основи продуктивного використання земель і екологічно збалансованого обміну речовин і енергії в системі грунт-рослина-атмосфера (А.Д.Фокін, 1986, 1994, В.А.Ковда, 1991). Розвиваються процеси ущільнення та порушення водно-повітряного і поживного режимів (В.В.Медвєдєв, 1993).
Ситуація, що склалася, визначає актуальність даної проблеми. Виникла неохідність в проведенні детальної оцінки сучасного агроекологічного стану грунтів даного регіону, а також пошуку шляхів подальшого вдосконалення управління їх родючістю і продуктивністю агроценозів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планом наукових досліджень НАУ. Так, з 1973 по 1977 рр. вона була складовою частиною НДР по тематиці: ”Вивчити живлення сільськогосподарських кульур та розробити систему удобрення в сівозмінах Полісся та Лісостепу УРСР” (номер державної реєстрації 0.051.126), а в період з 1978-1995 рр. – по темі: “Розробити грунтозахисну систему землеробства для Лісостепу УРСР” (номер держаної реєстрації 81081583) та по проекту ДКНТ: “Вивчити умови живлення і розробити економічно обгрунтовану систему добрив культур зерново-бурякової сівозміни в умовах інтенсивного землеробства” (номер державної реєстрації 870011696).
Мета та задачі дослідження. Мета наших досліджень – встановити закономірності функціонування грунтових екосистем в різних умовах інтенсифікації землеробства Лісостепу України; виявити зміни агроекологічного стану основних типів грунтів та їх колоїдно-хімічних властивостей в залежності від різних варіантів довготривалого систематичного внесення добрив в сівозміні; обгрунтувати та запропонувати об’єктивні критерії агроекологічного стану грунтів, розробити концепцію управ-ління родючістю грунтів для сучасних екологічних умов, запропонувати виробництву конкретні заходи щодо підвищення родючості грунтів, підвищення стійкості функціонування агроценозів та їх продуктивності з врахування екологічних обмежень.
Виходячи з цього були поставлені такі завдання: вивчити режим органічної речовини в грунті (надходження рослинних решток, кінетику процесу їх розкладу, коефіціенти гуміфікації та мінералізації залежно від норм внесення добрив та глибини їх заробки); дослідити кількісні та якісні зміни в гумусовому стані та азотному фонді грунту; встановити коефіціенти використання рослинами сполук азоту з грунту та добрив, мічених 15N, залежно від різних способів обробітку і норм їх внесення та розрахувати баланс органічного вуглецю і азоту залежно від впливу довготривалого внесення добрив у сівозміні; розробити модель кругообігу вуглецю та визначити критерії стійкості функціонування системи агрофітоценоз – гумусові речовини грунту; вивчити фізико-хімічний стан грунтів та біоенергетику їх органічої речовини; детально вивчити буферні властивості різних за генезисом і властивостями грунтів та встановити іх зміни під впливом тривалої дії антропогенного чинника, розробити методики визначення, оцінки та складання картограм буферності, встановити об’єктивні, кількісні критерії оцінки фізико-хімічної деградації грунтів; дослідити еколого-економічну ефективність внесення добрив у сівозміні і вивчити вплив їх довготривалого використання на продуктивність сільськогосподарських культур; розробити концепцію подальшого удосконалення процесу управління родючістю грунтів і продуктивності агроценозів для сучасних екологічних умов та запропонувати конкретні агромеліоративні і агротехнічні заходи стосовно реалізаціі розробленої концепції.
Наукова новизна одержаних результатів. Проведені дослідження дозволили встановити ряд нових теоретичних та практичних положень стосовно функціонування грунтових єкосистем у різних умовах інтенсифікації землеробства Лісостепу України.
Доказано, що порушення продуційно-відтворюваної та санітарно-гігієнічної функцій грунту, що знаходиться в довготривалому використанні, а також його стійкості, обумовлені в першу чергу недостатнім надходженням до грунту фотосинтезованої органічної маси у вигляді післяжнивних решток та органічних добрив.
На основі проведення вегетаційно-польових дослідів з використанням ізотопів двох елементів – азоту (15N) та вуглецю (14С) виявлені закономірності трансформації органічної речовини та встановлена кінетика надходження продуктів її розкладу в гумінові кислоти та фульвокислоти. Визначена також фізіологічна та продуктивна ефективність різних норм добрив під цукрові буряки, озиму пшеницю та кукурудзу на силос. При цьому встановлені коефіціенти використання азоту рослинами із грунту та добрив в залежності від норм їх внесення та імітації способів обробітку грунту. Підтверджена перевага різноглибокого обробітку грунту в сівозміні перед мінімальним.
Для поглибленого аналізу якісного складу гумусу та вивчення впливу різних варіантів систем добрив на його зміни запропоновано використовувати відношення вуглецю до азоту (С:N) у складі детритної частини гумусу та у складі власне гумусових речовинах. Показано, що при довготривалому вирощуванні культур сівозміни в різно удобрених варіантах, в першу чергу, змінюється азотний фонд детритної частини гумусу.
Обгрунтована можливість використання параметрів кислотно-основної буферності грунту як об’єктивних критеріїв оцінки його якісного стану для цілей грунтово-екологічного моніторингу. Запропонована методика її визначення та оцінки, яка отримала широке визнання як в Україні так і за її межами. Використавши розроблену методику, проведено детальне вивчення буферних властивостей різних за генезисом та властивостями грунтів, встановлені закономірності впливу довготривалого систематичного використання добрив в сівозміні на зміну буферних властивостей чорнозему типового та лучно-чорноземного грунту. Розроблена методика складання картограми буферності грунту та шкала її оцінки. Пропонується суцільне обстеження грунтів на буферні властивості.
Для сучасних екологічних умов запропонована концепція і принципово інша модель управління родючістю грунтів та продуктивністю агроценозів. Найбільш важливим вихідним положенням концепції є положення щодо провідної ролі біологічного фактору у відтворенні та збереженні родючості грунтів регіону. Антропогенне втручання в процес функціонування грунтових екосистем покликано сприяти збереженню природнього різноманіття форм живої речовини та оптимізації умов її життєдіяльності. На основі теорії катастроф, як сучасного методу досліджень, розроблена модель кругообігу вуглецю та визначені критерії стійкості функціонування системи агрофітоценоз – гумусові речовини грунту. Запропоновані конкретні агротехнічні та меліоративні заходи щодо реалізації даної концепції.
Встановлена позитивна дія водного розчину метасілікату натрію щодо запобігання переводу внесеного з добривами Р205 в важко розчинну форму, а також підвищення виходу розчиненої форми Р205 із фосфоритів.
Теоретична цінність роботи викладена в науковому обгрунтуванні агроекологічного напряму відтворення родючості грунтів, підвищення рівня продуційного процесу та стійкості функціонування агроценозів.
Практичне значення дисертації полягає: у встановленні закономірностей впливу довготривалого застосування добрив у сівозміні на якісний склад і властивості гумусу та азотного фонду, енергетичний стан і буферні властивості грунту; в розробці методики визначення та оцінці кислотно-основної буферності грунту та методики складання картограм кислотно-основної буферності грунтів, які використовуються при оцінці родючості грунтів в сільськогосподарських вузах та науково-дослідних установах; у розробці об’єктивних критеріїв оцінки агроекологічного стану грунтів, які використовуються науковими установами; в застосуванні екзергічного підходу для еколого-економічної оцінки ефективності використання добрив у сівозміні; в розробці конкретних рекомендацій для виробництва по підвищенню родючості грунтів у сучасних умовах. Створена автором програма “Визначення буферної здатності грунту” є складовою частиною інформаційно-пошукової системи “Чорнобиль” Мінагропрому України. Вона використовується для розрахунку норм вапна в господарствах розташованих в зоні радіоактивного забруднення внаслідок аварії на ЧАЕС. Це дає змогу знижувати коефіціенти надходження радіоактивного стронцію в сільськогосподарську продукцію.
Особистий внесок здобувача. Зазначені положення дисертації висунуті, обгрунтовані і розроблені особисто автором. Йому належить постановка проблеми, розробка теоретичних положень щодо її вирішення, здійснення польових, вегетаційно-польових, лабораторних і модельних дослідів, узагальнення результатів досліджень, формування висновків і рекомендацій виробництву.
Апробація роботи. Результати досліджень, основні положення і висновки дисертації доповідались, обговорювались і надруковані в матеріалах: Х і XY Менделеєвський з’їзд по загальній і прикладній хімії (Алма-Ата, 1975 і Мінськ, 1993), Регіональна нарада учасників Географічної мережи дослідів з добривами в Українській та Молдавській РСР (Полтава, 1975), Наукова конференція ВАСГНІЛ (Краснодар, 1981), Нарада, присвячена сторіччю книги “Русский чернозем” (Харків, 1983), ІІ з’їзд грунтознавців та агрохіміків Української РСР (Харків, 1986), Наукова конференція по важким металам і навколишньому середовищу (Москва, 1982), ІІ наукова конференція “Актуальні проблеми родючості грунтів, біологізації землеробства та отримання екологічно високоякісної продукції (Москва, 1994), Міжнародна наукова конференція по реформуванню земельних відносин (Київ, 1996) та інш.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 8 розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку літератури, що включає 512 джерел (з них 24 – латиницею). Загальний обсяг основного матеріалу дисертації – 315 сторінок, є 54 таблиці та 13 малюнків. До дисертації додані довідки про впровадження наукових розробок.
Головний зміст роботи
1. Об’єкти і методика здійснення досліджень.
Об’єктами досліджень були чорноземи типові, чорноземи опідзолені, лучно-чорноземні і сірі лісові грунти, рослинна продукція агроценозів, а також органічні і мінеральні добрива. Основні польові дослідження виконані в трьох стаціонарних сівозмінах, п’яти тимчасових і одному вегетаційно-польовому дослідах. Додаткові дослідження проведені також в умовах природних ценозів та агроценозів на території Київської, Вінницької, Сумської, Рівненської та Чернігівської областей.
Стаціонарна десятипільна зерново-бурякова сівозміна (Агрономічна дослідна станція НАУ “Митниця”) була закладена на лучно-чорноземному грунті в 1960-1961 рр. з метою вивчення ефективності дії різних варіантів системи добрив на продуктивність культур і його родючість. Скориговані в 1989 р. варіанти системи добрив дають можливість вивчати ефективність дії таких норм добрив (в розрахунку на 1 га сівозмінної площі): гною – 13-15 т, азоту 80-116 кг, фосфору 85-131 кг, калію 88-131 кг.
Повторюваність досліду триразова. Сівозміна розгорнута в 10 полях у просторі. Чергування культур: конюшина, озима пшениця, цукрові буряки, кукурудза на силос, озима пшениця, горох, озима пшениця, цукрові буряки, кукурудза на зерно, ячмінь з підсіванням конюшини. Розмір облікової ділянки – 100 м2.
Стаціонарна десятипільна зерново-бурякова сівозміна (Експери-ментальна база Інституту фізіології рослин АН України). Дослід закладено у 1972р. на сірому лісному піщано-легкосуглинковому грунті.
Кількість внесених добрив залежно від досліджуваних варіантів становила (в розрахунку на 1 га сівозмінної площі): 18 т гною, 48-96 кг азоту, 58,5-117 кг фосфору, 58,5-117 кг калію, 0,5 кг молібдену. Чергування культур і площа облікових ділянок подібні до попередньої сівозміни. Повторюваність досліду – чотириразова. Сівозміна розгорнута в 10 полях у просторі.
51 сівозміна Миронівського інституту пшениці ім. В.Р.Ремесла. Досліди проведені з грунтовими зразками, які були відібрані з орного (0-20 см) та підорного (20-40 см) шарів чорнозему типового з таких варіантів: 1 – контрольна система удобрення, 2 – органічна максимальна, 3 – мінеральна максимальна, 4 – змішана органо-мінеральна, 5 – мінеральна нормальна система удобрення. Детальна характеристика сівозміни та грунтово-агрохімічні властивості грунту опубліковані в роботах Ю.К.Кудзіна, С.В.Сухобруса (1966), А.Є.Гетманця та інш. (1973).
Вегетаційно-польовий дослід з використанням стабільного ізотопу 15N і загально міченої 14С рослинної фітомаси. Мета досліджень – вивчення процесів трансформації рослинних решток в чорноземі типовому і використання азоту мінеральних добрив культурами сівозміни з різними варіантами системи удобрення та імітації способів обробітку грунту. Дослід проведений в учбовому господарстві НАУ “Великоснітинський” в 1985-1992 рр.
Для досліджень використовували металеві посудини без дна кубічної форми (0,5 х 0,5 х 0,5 м), які закопували в грунт без порушення природного зложення його профілю. Чергування культур за роками досліджень таке: цукрові буряки, кукурудза на силос, озима пшениця, кукурудза на зерно, горох, озима пшениця, багаторічні трави. Кількість внесених добрив в розрахунку на 1 га під цукрові буряки (1985/1986 рр.) залежно від досліджуваних варіантів становила: 4-12 т міченої 14С фітомаси ячменю, 15N75-195Р120-240К120-240 + CaCO3 5т (основне удобрення) +15N45 (підкормка).
Дози внесення добрив після 1986 р. по всіх варіантах досліду (крім контролю) були однакові і становили для кукурудзи на силос N60Р60К60(основне внесення); для озимої пшениці – N60Р60К60(основне внесення) + N30 (весняне підживлення); для кукурудзи на силос 20 т/га гною + N90Р120К120 (основне внесення восени) + N30 (весняне підживлення); для гороху – N30Р45К45 (основне внесення); для озимої пшениці N45Р60К60 (основне внесення) + N30 (весняне підживлення). Під багаторічні трави добрива не вносили.
На варіантах 4 та 8 у процесі закладання досліду (осінь 1985 р.) верхній 0-10 см шар грунту був переміщений на глибину 20-30 см, а шар з глибини 20-30 см – на поверхню. Імітування обробітку грунту і заробки добрив під інші культури по всіх варіантах досліду, за винятком другого варіанту, проводили на глибину 0-20 см. У другому варіанті протягом всього дослідження глибина обробітку грунту і внесення добрив не перевищувала 10 см. Азот у вигляді загальноміченої аміачної селітри вносили під цукрові буряки. Ступінь збагачення становила 47,91 атомного відсотку надлишку 15N. Повторюваність досліду – трикратна.
При закладанні та проведенні дослідів і лабораторних робіт керувалися загальноприйнятими методиками і методичними розробками, опублікованими в науковій літературі. Еколого-економічну ефективність використання добрив у сівозміні оцінювали за методикою, описаною В.Г. Мінєєвим та інш. (1993).
2. Культурний грунтотворний процес і гумусовий стан грунтів.
Культурний грунтотворний процес спричинив суттєві зміни в ході природних процесів продукування та деструкції органічної речовини: вплинув на процеси її нагромадження, трансформації, транспортування і мінералізації. Відбулося порушення біогеохімічного циклу вуглецю в екосистемах. Основним матеріалом для формування грунтової органічної речовини є рослинні рештки (надземна частина та коріння) культурних рослин і бур’янів, а також органічні добрива.
Встановлено, що в чорноземі типовому (переліг) залежно від ступеня еродованості загальна кількість органічного вуглецю в складі біомаси рослин коливається від 1,4 до 3,9 т/га, в лучно-чорноземному досягає 3,4 т/га. Цей показник в заповідному степу “Михайлівської цілини” сягає відмітки 8,4 т/га. Кількість вуглецю, що надходить щорічно в орний шар грунту з післяжнивно-кореневими рештками, залежно від виду культурних рослин, в агроценозах коливається в межах 0,56-3,3 т/га. При цьому найменша їх кількість виявлена під цукровими буряками, а найбільша – під конюшиною. Таким чином, жодна з культурних рослин не спроможна забезпечити надходження в грунт такої кількості органічного вуглецю з післяжнивно-кореневими рештками, як це є в природних ценозах “Михайлівської цілини”.
Вирішення проблеми ефективного управління родючістю грунтів, отримання необхідного рівня урожайності сільськогосподарських культур та продукції високої якості в умовах Лісостепу України пов’язано зі зміною гумусного стану грунтів. Його поліпшення досягається за рахунок пошуку додаткових джерел органічної речовини, шляхів її оптимальної трансформації, екологічно виважених норм мінеральних добрив.
Численні літературні дані про вплив добрив і способів обробітку на трансформацію органічної речовини, а також про використання азоту рослинами не однозначні і мають суперечливі характеристики. Виявити закономірності цих процесів, а також фізіологічну і продуктивну ефективність різних доз добрив можна лише завдяки проведенню досліджень з використанням ізотопів двох елементів – азоту та вуглецю.
Кінетика мінералізації вуглецю загально міченої 14С рослинної маси ячменю і його надходження в гумусові речовини наведена на мал.1 Після 7-річного періоду мінералізації, залежно від варіантів досліду і з урахуванням статистичної розбіжності даних, збереглося лише 15,5-21,2% 14С, що був внесений в грунт у вигляді міченої фітомаси ячменю. Причому 61,5-68,1% із зазначеної кількості була включена до складу гумінових кислот і фульвокислот. Найбільш інтенсивно процеси мінералізації відбувались у другому варіанті, де органічну речовину вносили на глибину 0-10 см.
Рік
Мал.1. Кінетика мінералізації меченої 14С фітомаси
ячменю і його надходження в гумінові кислоти та фульвокислоти
чорнозему типового
Позначення: 1,2 – криві мінералізації С рослинних решток у вар.2 (шар – 0-10 см) і вар.8 (20-30 см) відповідно; 3,4 – криві включення С рослинних решток в гумінові кислоти та фульвокислоти у вар.8 (шар 20-30 см) і вар. 2 (шар 0-10 см) відповідно.
Втрати органічного вуглецю із внесеної фітомаси в цьому варіанті становили 84,5 2,4%, в той час як при внесенні фітомаси в шар 0-20 см – 80,0 2,9 %. Вапнування грунту сприяло збільшенню надходження вуглецю з мінералізованих решток у гумусові речовини. Імітування способів обробітку грунту, за умови заробки добрив в шар 0-20 см, суттєво не вплинуло на ці показники.
Проведені спостереження свідчать, що на вміст водорозчинної органіки і варіабельність її в часі впливають варіанти системи добрив, кількість органічних решток, які надійшли в грунт, його фізико-хімічні властивості. Максимальним абсолютним вмістом водорозчинних речовин характеризуються чорноземи типові середньосуглинкові природних фітоценозів. В умовах заповідного степу “Михайлівська цілина” біхроматна активність в шарах 0-10 см та 10-20 см становила відповідно 8,1 х 1,10-2 та 6,2 х 1,10-2 % С до маси грунту (1,47 та 1,20 % до органічного С грунту). В орному шарі лучно-чорноземного грунту, залежно від варіантів системи добрив, кількість водорозчинної органічної речовини варіювала в межах 0,72-1,5% С від загального вмісту органічного вуглецю в грунті. Мінімальним значенням характеризувався контрольний варіант. Крім того, у варіанті мінеральної системи добрив кількість водорозчинного вуглецю вища, ніж у підорному шарі, що не характерно для інших варіантів.
У процесі функціонування грунтів під природною рослинністю з часом встановлюється квазіврівноважений стан між процесами продукування та деструкції органічної речовини. Формуванню такої ситуації сприяє, перш за все, збалансованість між надходженням та мінералізацією органічних речовин у межах стабільного біоценозу. При тривалому сільськогосподарському використанні грунтів постійно знижується запас гумусу. Проте, в сучасних умовах значення органічної речовини визначається не лише як джерело елементів живлення рослин. На передній план виступає її екологічна функція – забезпечення сприятливих колоїдно-хімічних властивостей грунту.
Довгострокові досліди з добривами дають можливість встановити швидкість і напрям кількісного та якісного перетворення органічної речовини, а також об’єктивно оцінити ефективність того чи іншого агрозаходу (варіанту досліду).
В період 1974-1994 рр. проведено вивчення впливу варіантів системи добрив на кількісні та якісні зміни органічної речовини в лучно-чорноземному грунті. Залежно від досліджуваних варіантів (табл.1), його кількість за 32 річний період в орному шарі в порівнянні з контролем збільшилася на 0,12-0,76%, а його запаси в 0-50 см шарі – на 6,93-33,94 т/га. В кількісному відношенні не вдалося вийти на позитивний баланс гумусу по відношенню до грунту, що знаходився під перелогом. Від’ємне сальдо балансу для 0-50 см шару досліджуваних варіантів досліду варіювало від 6,98 до 40,32 т/га. Найбільш суттєві зміни виявлено в перші 13 років проведення дослідів. Відносна різниця запасів гумусу по варіантах змінювалася в межах 2,3-7,6% в порівнянні з контролем. В наступні 10 років (1974-1975 рр.) збереглася раніше встановлена закономірність. Проте, подальші його втрати на контролі були скорочені до мінімуму. Збільшення кількості органічних добрив до 13 т/га на гектар сівозмінної площі сприятливо відобразилося на подальшому відносному підвищенні гумусу в 0-50 см шарі – з 6,4% в 1984 р. до 8,5% в 1994 р.
Встановлено, що залежно від кількості і регулярності надходження в грунт органічної маси у вигляді органічних решток та органічних добрив, а також від інтенсивності процесів їх мінералізації в чорноземних грунтах (чорноземи типові та лучно-чорноземні грунти) з часом встановлюється новий рівень відносно врівноваженого стану між вмістом гумусу і деструкцією органічних решток. Для півметрового шару при існуючих системах обробітку грунту та системі удобрення він становить 297-300 т/га.
1. Вплив довгострокового систематичного використання добрив у
сівозміні на вміст і запаси гумусу в лучно-чорноземному грунті
(Агростанція НАУ “Митниця”, 2-е поле стаціонарної сівозміни)
Глибина 1974р. 1984р. 1994р.
Варіант системи відбору % запаси % запаси % запаси
добрив зразків,см т/га т/га т/га
Контроль (без 0-25 4,63 137,7 4,60 136,7 4,52 135,6
добрив) 25-50 4,10 125,1 4,10 125,1 4,12 127,7
Органічна 0-25 4,93 145,4 4,95 146,0 5,02 148,0
25-50 4,32 131,8 4,38 133,6 4,46 137,1
Органо-мінеральна 0-25 5,04 148,7 5,08 149,9 5,17 155,1
(гній+ 1,0 NРК) 25-50 4,38 133,6 4,38 133,6 4,41 136,7
Органо-мінеральна 0-25 5,13 151,3 5,15 161,9 5,28 158,4
(гній+ 1,5 NРК) 25-50 4,31 131,4 4,36 132,9 4,46 138,3
Мінеральна 0-25 4,76 141,6 4,70 139,8 4,64 140,4
(1NРК) 25-50 4,17 127,2 4,17 127,2 4,16 129,9
Примітка. Розбіжність між показниками паралельних визначень вмісту гумусу не перевищувала 0,05%.
Тип гумусу в чорноземі типовому фульватно-гуматний, а в лучно- чорноземному – гуматний. Фракційний склад гумінових і фульвокислот не однорідний. В кількісному відношенні в складі гумінових кислот чорноземних грунтів переважає фракція 2 (гумінові кислоти, що переходять у витяжку 0,1н NаОН після декальціювання грунту). Її відносний вміст в орному шарі становить 30,2-32,7% С від загального вмісту органічного вуглецю у грунті.
Систематичне внесення як одного гною, так і гною разом з мінеральними добривами сприяє збільшенню груп як гумінових кислот, так і фульвокислот. Проте, абсолютне збільшення гумінових кислот більш виражене і відмічається в основному за рахунок рухомої фракції та фракції, що зв’язана з кальцієм.
В складі чорноземних грунтів переважає пасивна форма гумусу. Зменшення його вмісту і запасів у чорноземних грунтах, що знаходяться в сільськогосподарському використанні, зумовлене, в основному, відносним зниженням у складі гумусу детритної його частини. Грунти природних фітоценозів мають нижчий показник реакційної здатності гумусу ніж їх аналоги, що перебувають у сільськогосподарському використанні.
3. Азотний фонд чорноземів і дія добрив.
Чорноземи Лісостепу України характеризуються порівняно високим вмістом загального азоту (1805 – 2290 мг/кг грунту в орному шарі). Під час їх експлуатації вони функціонували так, що більшість сполук цього елементу надходило в рослини завдяки незворотному процесу минералізації гумусу.
Для азотного фонду вказаних грунтів характерний високий вміст сполук, які не піддаються гідролізу (57,0-66,8% від загального вмісту N у грунті) і які важко гідролізуються (28,5-34,4%). Чорноземи типові з нижчим абсолютним вмістом азоту (порівняно з лучно-чорноземними) містить відносно високою кількістю фракції, що піддається гідролізу. Із збільшенням глибини залягання шару грунту спостерігається як абсолютне, так і деяке відносне її зниження. Абсолютні запаси легкогідролізуємої форми знаходяться в прямій залежності від загального вмісту азоту, а відносний – не перевищує 1,86 %.
Систематичне використання добрив поряд зі зміною загальних запасів азоту в грунті призводить до суттєвого перерозподілу його форм (мал.2). Так, на удобрених варіантах досліду спостерігається суттєве збільшення мінеральних сполук азоту порівняно з контролем (в 1,2-1,5 раза). Відносний вміст сполук, що гідролізуються, в орному та підорному шарах не перевищує відповідно 33,6 % і 32,8 % .
Для практичної реалізації забезпечення оптимальних умов росту і розвитку рослин важливо створити в грунті оптимальне співвідношення між кількістю єнергії, що знаходиться в обігу протягом річного циклу, та елементами живлення. Одним із важливих агроекологічних показників оптимізації умов розвитку рослин, який регулює співвідношення між азотом та енергією, є відношення С:N у грунті. Дослідами встановлено, що С:N в чорноземних грунтах варіює в межах 10,314 : 1. Систематичне внесення добрив суттєво впливає на зміну цього показника до звуження.
Мал.2. Вплив довгострокового систематичного використання
добрив в сівозміні (1962-1993 рр.) на азотний фонд лучно-
чорноземного грунту, мг N/кг грунту (Агростанція НАУ “Митниця”)
Позначення. Р1 – мінеральна; Р2 – органічна; Р3 – важкогідролізуєма; Р4 – негідролізуєма форми азоту. 1,2 – контроль (без добрив); 3,4 – органічна; 5,6 -органо-мінеральна (гній + 1,0 NPK); 7,8 – органо-мінеральна (гній + 1,5 NPK); 9,10 – мінеральна (1,0 NPK); 11,12 – переліг (1,3,5,7,9,11 – шар 0-25 см; 2,4,6,8,10,12 – шар 25-50 см).
Проте, відношення С:N, як фундаментальна характеристика гумусового стану грунтів, не дає змоги в повній мірі робити висновки про форми азотовмісних його компонентів і не відображає належним чином ступеню їх гідролізованості та доступності органо-мінеральних сполук азоту рослинам.
Нами проведені дослідження трансформації азоту органічних та мінеральних добрив у гумусові речовини, а також впливу систематичного використання добрив у сівозміні на перерозподіл азоту по двох фракціях гумусу (детритній частині і власне гумусових речовин). Встановлено, що відношення С до N в складі власне гумусових речовин для орного шару лучно-чорноземного грунту, залежно від норм добрив, варіювало від 10,6 у варіанті змішаної системи добрив, до 12,7 на контролі. Варіювання цього показника в детритній частині гумусу було ширшим 13,530,4 : 1. Мінімальним значенням характеризувався варіант органо-мінеральної системи, де вносилася полуторна норма мінеральних доб-
рив. Таким чином, систематичне внесення добрив впливає у першу чергу на азотний фонд детритної частини гумусу. Відносно більше зниження азоту в детритній частині гумусу, ніж азоту власне гумусових речовин, під впливом культур сівозміни на контрольному варіанті, свідчить про інтенсивний розклад азотовмісних органічних речовин цієї частини гумусу. Переважна частина сполук азоту знаходиться в складі власне гумусових речовин, яким притаманна стійкість до мінералізації.
В грунті, поряд з активною мінералізацією різних груп гумусових речовин, є їх новоутворення за рахунок післяжнивно-кореневих решток, кореневих виділень та органічних добрив. Цілком ймовірно, що дійсна мінералізація гумусу, а разом з тим і органічного азоту в грунті значно більша, ніж зниження іх вмісту, що виявлено за допомогою аналізів.
Шляхом обліку основних складових надходження і використання азоту, а також на основі фактичного його вмісту в лучно-чорноземному грунті, проведений розрахунок сальдо балансу цього елементу за дві ротації сівозміни (1974-1984 рр. і 1984-1994 рр). З урахуванням відповідних допущень рівняння азотного балансу має такий вигляд:
Nмд + Nод + Nао + Nпм + Nс + Nнс + Nор = Nв + Nгв + Nіф, де
Nмд – азот мінеральних добрив; Nод – азот органічних добрив; Nао – азот атмосферних опадів; Nпм – азот посівного матеріалу; Nс – симбіотичний азот раслинних решток бобових культур; Nнс – азот не симбіотичної фіксації; Nор – азот органічних решток, що надходять у грунт; Nв – азот, що виноситься з урожаєм культур, Nгв – азот газоподібних втрат ; Nіф – азот, який втрачається під час процесу інфільтрації.
Розрахунки свідчать, що сальдо балансу загального азоту в 0-50 см шарі досліджуваних варіантів варіювало від -25 кг/га на контролі до 82 кг/га на варіанті одночасного застосування гною та одинарної дози мінеральних добрив. Решта варіантів займала проміжний стан. У наступний десятирічний період на контролі спостерігалося подальше зниження вмісту азоту в грунті (сальдо балансу становило – 79 кг/га). Скориговані дози внесення гною та мінеральних добрив сприяли суттєвому збільшенню вмісту азоту в грунті. На варіантах органічної та органічно-мінеральних систем добрив сальдо балансу азоту порівняно з контролем становило 116-136 кг/га.
4. Фізико-хімічний стан чорноземів і біоенергетика їх органічної речовини.
Фізико-хімічні дослідження грунтів вкрай необхідні при розробці способів підвищення ефективності системи добрив і обробітку грунту. Подібна інформація дає можливість глибше розкрити механізми взаємодії між грунтом, рослиною та добривами, а також розробити досконалі методи контролю та прогнозу змін родючості грунтів і охорони навколишнього середовища.
Встановлено, що довготривале сільськогосподарське використання чорноземів типових призвело до зниження рН сольової витяжки та збільшення гідролітичної кислотності. Найбільш сильний вплив на процеси фізико-хімічної деградації спричиняє внесення лише мінеральних добрив. По всіх удобрених варіантах досліду зміна фізико-хімічних характеристик рельєфніше виражена в орному шарі грунту. На відміну від чорнозему типового, в лучно-чорноземному грунті рН водної витяжки суттєво підвищується порівняно з перелогом.
Для чорноземів і лучно-чорноземних грунтів характерний відносно високий вміст у складі ГВК катіону кальцію (19,1-31,4 м-екв/100 г грунту), що становить 78-82% від ЕКО. Вміст обмінного катіону магнію становить 3,6-4,9 м-екв/100 г грунту. На долю обмінного натрію і калію припадає 0,3-0,4 м-екв/100 г грунту. Відношення Са2+ : Мg2+ в складі ГВК варіює в межах 4,55,5 : 1.
В умовах індустріалізації землеробства посилений антропогенний вплив, за окремими винятками, крім зміни фізико-хімічного стану грунтів, в цілому призводить до спрощення структури грунтової екосистеми, порушення її енергетично-урівноваженого рівня, необхідного для відтворення родючості грунтів. Стійкість функціонування агроценозів підтримується, таким чином, не лише кількісно-якісним складом елементів живлення протягом періоду вегетації рослин, а й і необхідним запасом енергії, доступної для життєдіяльності мікроорганізмів.
Вивчення енергетики гумусу проводилося в стаціонарному досліді Агростанції НАУ “Митниця”. Залежно від варіантів досліду запаси енергії в складі гумусу в лучно-чорноземному грунті (шар 0-50 см) коливаються в межах 2646 – 3222 млн.ккал/га. Встановлені закономірності відображають в основному зміни в складі гумусу. Найменшу кількість енергії виявлено у варіанті мінеральної системи добрив.
Варіанти одночасного використання органічних і мінеральних добрив займають проміжне положення між органічною і мінеральною системами. В підорному шарі мінеральної системи добрив і на контролі кількість енергії в складі гумусу вища, ніж в орному. Природна рослинність перелогів сприяє формуванню у півметровому шарі грунту детритно-гумусового комплексу із значно більшим вмістом доступної енергіі, ніж сільськогосподарські культури. Причому найбільша її кількість зосереджена в 0 -10 см шарі.
5. Кислотно-основна буферність – інтегральний показник агроекологічного стану грунтів.
Кислотно-основна буферність складається із здатності численної кількості мінеральних, органічних та органо-мінеральних компонентів, що входять як складові твердих, рідких та газоподібних сполук, протистояти зміні її кислотно-основного стану. В кінцевому результаті ефективна дія високобуферних грунтів на продуктивність агроценозів зумовлена, перш за все, здатністю грунтових систем гасити високу амплітуду активності протонів у реакціях, що відбуваються в грунтовому розчині за загальною схемою кислота луг протон.
Наявні методики визначення та оцінки кислотно-основної буферності не дають можливості вивчати механізми і закономірності буферних властивостей грунтів, мають недосконалу для практичного використання систему показників.
Нами опрацьована методика визначення кислотно-основної буферності грунтів (П.П.Надточій, 1993). Її основна принципова відміна від інших аналогів полягає у використанні нових характеристичних показників, що об’єктивно відображають значення кислотно-основної буферності грунтів. За нульову базисну лінію відрахунку (еталон з нульовою буферністю) була взята крива потенціометричної залежності кислоти і лугу, які використовували для аналізу.
Еталонами порівняння слугували також площі буферності умовних зразків, які проявляють повну буферну здатність у використовуваних інтервалах кислоти та лугу (0-0,05н), і які мають аналогічний досліджуваному зразку рН водної суспензії (еталон 1) і рН 7 (еталон 2). Лінією їх буферної здатності є відповідно прямі паралельні осі абсцис, що проходять на осі ординат графіка через точку, що відповідає рН водної суспензії досліджуваного зразка і рН 7 (мал.3).
За основний показник оцінки буферності брали наведений ступінь буферной здатності (СБЗ), який вираховували за такою формулою:
(Пдз – Пдз) • 100
СБЗ, % = ———————————–, де (1)
П2
Пдз – площа буферності досліджуваного зразка, см2; П2 – площа буферності еталона 2 см2; Пдз – частина площі буферності досліджуваного зразка, що знаходиться за межами буферної площі еталона 2, см2.
За допомогою масштабу буферності еталону 2 можна порівнювати буферні властивості досліджуваних зразків грунту і порід в суворо фіксованих діапазонах рН двох інтервалів: 1,3-7,0 у межах кислотного та 7,0-12,7 – в межах лужного інтервалів. Теоретично ступінь буферної здатності може змінюватися в межах від 0 до 100%.
Криві буферності досліджуваних зразків, рН водної суспензіі яких не відповідає нейтральній реакції, ордината графіка і лінія буферності
NaOH нормальність HСl
м-екв/100 г грунту
Мал.3. Кислотно-основна буферність чорнозему типового середньосуглинкового, шар 0-12 см
Позначення. 1 – крива залежності рН розчинів HСl і NaOH від зміни їх концентрації ( С); 2 – крива буферності; 3 – лінія буферності еталону 1; 4 – лінія буферності еталону 2.
еталона 2 ділить ії на 3 відрізки. Відрізок БС кривої буферності досліджуваного зразка, що знаходиться за межами площі буферності еталона 2 характеризували показником нейтралізації (ПН).
Показник нейтралізації відповідає кількості м-екв кислоти чи лугу, яку потрібно додати до 100 г досліджуваного зразка, щоб отримати нейтральну реакцію водної суспензії. Відрізки кривих буферності, що знаходяться в межах кислотного і лужного інтервалів, характеризували ступенем буферної здатності (CБЗк та СБЗл). Площі буферності кислотного та буферного інтервалів визначали за формулами 2 і 3.
h n
S1 = —– Ci f2(Xi) – f1(Xi) ; (2)
3 j=0
h n
S2 = —– Ci f1(Xi) – f2(Xi) , де (3)
3 j=0
S1 – площа буферності в області кислотного інтервалу, см2; S2 – площа буферності в області лужного інтервалу, см2; Ci= 1, 4,2,4,2, …, 4,1; n = 2v. v = 1, 2 , 3, 4, …; f1(Xi) – рН розчинів НС1 (NаОН), які використовувались для аналізу; f2(Xi) – рН грунтової суспензії в межах кислотного (лужного) інтервалу; h – значення кроку концентрації (нормальності) використовуваних розчинів кислоти і лугу.
При введенні в суспензію 12,5 м-екв кислоти і лугу на 100 г грунту площі буферності кислотного і лужного інтервалу еталона 2 є рівновеликими і в прийнятому масштабі досліджень (за ординатою 1 см = 1 од. рН, за абсцисою 1 см = 0,01 н) становлять 26,32 см2. Площі буферності кислотного і лужного інтервалів змінюються залежно від рН його водної суспензії, але в сумі не перевищують 52,64 см2.
В таблиці 2 наведено дані про буферні властивості деяких мінера-
лів, грунтотворних порід і грунтів. Різні типи грунтів в орному шарі характеризуються СБЗ для кислотного і лужного інтервалів від 6-8 до 85-90%, а в окремих випадках навіть і 100%. В свою чергу ПН, як правило, не перевищує 12,5 м-екв на 100 г грунту.
2.Буферні властивості деяких мінералів, грунтотвірних порід і грунтів
рН водний Показник нейтралізації, м-экв 100 г
1 : 2 Ступінь наведеної буферної здатності,%
1 : 2 СБЗк
———-
СБЗл
Високодисперсний кремнозем
3.70 – 4,5 1,56 90,01 0.02
Кварцевий пісок
5,96 – 0,1 5,65 7,86 0,72
Вермикуліт
8.62 12,5 – 100 60,93 1,64
Са-монтморилоніт
7,95 1,2 – 79,83 66,84 1,19
Моренні відкладення
5,40 – 0,5 7.42 9,48 0,76
Солонцюватий лес
8,65 9,15 – 94,11 15,43 6.01
Сірий лісовий легкосуглинковий грунт (10-20 см)
6,10 – 0,63 30,28 44,03 0,69
Чорнозем типовий середньосуглинковий (переліг, 10-20 см)
7,25 0,50 – 61,64 65,02 0,93
Лучно-чорноземний грунт (переліг, 10-20 см)
7,15 4,25 – 93,64 51,48 1,82
Примітка. 1 -кислотний: 2 – лужний інтервали.
Грунтотворні породи та мінерали характеризуються різними показниками буферності, але на відміну від верхніх сформованих на них верхніх шарів грунту мають, як правило, ширший розмах варіювання індексу кислотно-основної рівноваги (Кр = СБЗк : СБЗл). В процесі еволюційного перетворення породи в грунт проходила закономірна зміна фізико-хімічних характеристик верхніх його шарів. В чорноземі типовому є наближення рН водної суспензії до 7, Кр 1, а СБЗк + СБЗл 200%.
Доведено, що показник нейтралізації і ступінь наведеної буферної здатності грунту є об’єктивними критеріями оцінки його агроеколо- гічного стану, що дало можливість кількісно оцінити дію антропогенного чинника на буферні властивості грунтів. Так, в чорноземі типовому внесення добрив та культури сівозміни викликали зниження буферної здатності в межах кислотного інтервалу. Найбільш суттєво це явище проявилося на варіанті мінеральної системи добрив. В лучно-чорноземному грунті – навпаки, зазначені фактори спричинили в орному шарі значне зниження буферної здатності в межах лужного інтервалу.
Запропонована до впровадження методика складання картограми кислотно-основної буферності грунту (П.П.Надточій, 1994, Б.С.Прістер та інш., 1998) та шкала оцінки буферності (табл.3). Обгрунтована також можливість використання параметрів кислотно-основної буферності для розрахунку норм вапна як контрзаходу, що знижує коефіціенти надходження радіоактивного стронцію в сільськогосподарську продукцію на радіоактивно забруднених грунтах.
3. Шкала оцінки наведеної кислотно-основної буферності грунтів
Номер
Оцінка показника Рекомендований колір для контура на Ступінь буферної здатності (СБЗ), %
групи картограмі 1 2
І Гранично низька Червоний 10
ІІІ Низька Жовтий 21 – 40 11 – 30
ІY Середня Синій 41 – 60 31 – 50
Y Висока Світло-зелений 61 – 80 51 – 70
YI Дуже висока Зелений > 81 > 71
Примітка. 1 – кислотний; 2 – лужний інтервали.
6. Вдосконалення управління родючістю грунтів і продуктивністю агроценозів.
Практичній реалізації екологічно обгрунтованої системи управління родючістю грунтів передує створення моделі родючості, науково обгрунтованої концепції управління і відповідної моделі управління.
Запропонована модель управління (мал.4) базується на загальному принципі системної структури, що є в усіх складних динамічних системах.
Ландшафтно-регіональний рівень управління
Адаптивно-ландшафтна оптимизація структури сільськогосподарських і природних угідь
ь
Агроландшафтно-локальний рівень управління
Оптимизація структури посів-них площ в агроландшафтах Тваринницький блок (вироб-ництво органічних добрив)
Грунтово-екосистемний рівень управління
ВП ВП ВП
Стійкість грунту Продуційно-відтворювальна функція Санітарно-гігієнічна функція
1 2 3
Продуктивність агроценозів (біомаса, врожай)
Служба управління аграрним комплексом господарства
ВП
Режим органічної речовини Обробіток грунту
Водно-повітряний режим Система добрив
Поживний режим Система захисту рослин
Окислювально-відновний режим Сорти та гібриди
Тепловий режим Хімічна меліорація
Сольовий режим Фітомеліорація
Фізико-хімічні властивості Мікродобрива та біостимулятори
Хімічні властивості Зрошення
Біологічні властивості Осушення
Служба грунтово-екологічного
моніторингу
Мал. 4. Концептуальна модель управління родючістю грунтів.
Позначення: 1 – структурно-стаціонарна стійкість; 2 – функціонально-
динамічна стійкість; 3 – буферність; ВП – випадкові подразнення;
– вихідна величина; – управляюча дія; – – – - зворотний звязок;
– потоки інформації.
При формуванні структури моделі закладена ідея, що всі зміни в грунтово-екологічних системах зумовлені “ланцюгами зворотних зв’язків”, які представляють замкнуте кільце взаємодії, що поєднує вихідну дію з її результатом. Отриманий результат на “виході” є, таким чином, причиною зміни характеристик навколишнього середовища і слугує у системі “інформацією” для подальшого коригування дії випадкових подразнень (перебудови в системі управління) з метою її вдосконалення. Органічна речовина, що потрапляє в грунт, служить енергетичним джерелом функціонування грунтової екосистеми, а сам процес її трансформування тісно пов’язаний з родючістю. Він був взятий нами за основу моделі родючості.
Концепція управління родючістю грунту базується на ідеї оптимізації умов функціонування різноманіття форм живої речовини (біотичної частини екосистеми). Головною керуючою дією людини, яка забезпечує стійкість грунту, продуційно-відтворну і санітарно-гігієнічну функції є управління режимом органічної речовини, яке зводиться до регулювання її рівнів і потоків в екосистемі. Доведено, що в сучасних екологічних умовах управління родючістю повинно здійснюватися на регіональному, агроландшафтному і грунтово-екосистемному рівнях. Ландшафтно-регіональний рівень управління забезпечує оптимізацію структури (з урахуванням екологічних вимог) природних і сільськогосподарських угідь. В Лісостепу України є потреба в скороченні не менше як на 10% площ орних угідь і відтворення на цій основі спільноти природної фауни і флори, природних заповідників, опорних ділянок з природною рослинністю, лісових насаджень та ін. Управління на агроландшафтно-локальному рівні має забезпечити оптимізацію структури посівних площ у конкретному господарстві. Грунтово-екосистемний рівень дає змогу управляти родючістю грунту в межах окремого поля сівозміни, чи навіть цілої сівозміни.
На основі сучасних медодів дослідження, що використовується при оцінці процесу біфуркації, проведений аналіз стійкості функціонування динамічної природної системи фітоценоз – гумусові речовини грунту. Концептуальна модель системи (мал.5) – це потокова діаграма органічного вуглецю, що надходить у грунт у вигляді біомаси.
Схематична структура моделі являє собою чотири звичайні диференційні рівняння, що описують балансовий тип кругообігу вуглецю в системі:
dX2
——- = К32Х3 – К2Х2 + Сд; (4)
dt
dX3 Х2
—— = РоКо ———- – ( К3 + К31 + К32) Х3; (5)
dt Ад + Х2
d( X1 + X2)
————— = ( К31 + К32 ) Х3 – К1Х1 – К2Х2 + Сг; (6)
dt
dX3 (Х*1 + Х2)
—— = РоКо ———————— – ( К3 + К31 + К32) Х3 , де (7)
dt Аг + Х1 + Х2
Ад, Аг – константа Міхаеліса – параметри, чисельно рівні запасам вуглецю в детритній частині гумусу і в складі гумусу, при яких досягається 1/2 Ро (залежить від властивостей грунту); Сд, Сг – сума швидкостей абіотичного надходження (П) і відчуження (В) органічного С.
Завдяки виключенню перемінної Х3 система 4-7 була зведена до двох рівнянь другого порядку, за допомогою яких були розраховані критеріі стійкості функціонування системи фітоценоз – гумусові речовини грунту.
На основі розробленої моделі, а також наявних у літературі даних та результатів проведених досліджень, встановлено потоки органічної речовини, яка повинна надходити в орний шар грунту (чорнозем типовий) для підтримки бездефіцитного балансу гумусу. Її кількість, при відсутності абіотичних втрат із самого грунту, повинна становити не менше, ніж 62% від загальної маси вуглецю, яка міститься в органічній речовині, що синтезується природною автотрофною рослинністю в даних умовах протягом річного циклу. При наявності ерозійних процесів розрахункова кількість органічної речовини значно зростає. Доказано, що для відновлення оптимально матричного вмісту гумусу в чорноземі типовому легкосуглинковому в умовах діючої системи землеробства щорічно в грунт повинно надходити не менше 6,2 т/га органічного вуглецю.
Характерною ознакою дієздатності запропонованої моделі є співпадання розрахованих коефіцієнтів гуміфікації органічної речовини і мінералізації гумусу з літературними даними (А.Д.Фокін, 1987).
При здійсненні тимчасових польових, вегетаційно-польових та модельних лабораторних дослідів визначено можливості оптимізації азотного режиму живлення культурних рослин та встановлено коефіціенти використання азоту культурними рослинами з добрив.
Показано, що регулювання процесу нітрифікації можливе завдяки зміні співвідношення між вмістом органічного вуглецю і азоту, що знаходяться в складі органічних та мінеральних сполук, залучених у процес мінералізації. На інтенсивність накопичення N-N03 впливає внесення в грунт соломи. Максимальною ефективністю процесу нітрифікації і накопичення N-N03 за 40-денний термін характеризувався варіант одночасного внесення в грунт соломи і азоту. Характерною особливістю досліджень є низька нітрифікаційна здатність (0,14-0,22 мг N/кг грунту за добу) у зразках грунту, що відібрані з перелогів.
Примітка. Визначення символів показано на мал. 5.
Отримані дані свідчать, що внесений в грунт у вигляді добрив азот в значній мірі порушує хід мінералізаційно-іммобілізаційних процесів, спричиняє суттєві зміни вмісту рухомих і доступних форм цього елементу і в кінцевому рахунку значно впливає на продуктивність культур. Сумарний коефіцієнт використання азоту добрив (пряма дія + 2 роки післядії) залежно від доз іх внесення і глибини заробки в грунт варіював від 27,7 до 39,8%. Максимальні показники відмічено на варіанті, де імітувався змішаний різноглибинний обробіток грунту при одночасному внесенні фітомаси, мінеральних добрив та вапна. Цілком ймовірно, що рослинні рештки, внесені в грунт, є не лише джерелом поповнення гумусових речовин. Вони беруть активну участь також у зв’язуванні мінеральних азотних сполук, захищають їх від вимивання і непродуктивних втрат із верхнього шару грунту.
Неефективним виявився варіант, де мінеральні добрива разом з фітомасою зароблювалися на глибину до 10 см (табл.4). Частка азоту мічених добрив від дози під цукрові буряки в загальному виносі трьома культурами (цукровими буряками, кукурудзою на силос та озимою пшеницею) в цьому варіанті виявилася на 12,1% нижчою, ніж у варіанті одночасного внесення фітомаси і мінеральних добрив. Причини низького використання азоту, на наш погляд, пов’язані з біологічними особливостями культури, а також умовами перебігу процесу мінералізації органічних
Вуглець СО2 атмосфери і грунтового повітря
Відчужена частина первинної продук-
ції (господарський урожай), Ро(1 – Ко) Фотосинтез
Чиста первинна продукція агроценозів, Ро
Доля первинної продукції в складі орг. добрив,
Ку = (1 – Ко)Ро -Кт
Органична речовина, що надходить в грунт у вигляді
пожнивно-кореневих решток, опаду, кореневих виділень і орг. добрив , К = КоРо +КуРо
Мінералізація, К3Х3 Вуглець мортмаси, Х3
Мінералізація, К2Х2 Вуглець детритної частини гумусу, Х 2 Гуміфікація
(К32 + К31)Х3
Гуміфікація
Абіотичне надходження органічного вуглецю, П
Вуглець особисто-гумусових речовин, Х1
Мінералізація, К1Х1
Абіотичне відчудження органічного вуглецю, В
Рис.5. Концептуальна модель трансформування органічного вуглецю в системі
агроценоз – гумусові речовини грунту (пояснення в тексті)
речовин.
4. Вплив добрив і глибини їх заробки на урожайність культур
у вегетаційно-польовому досліді, г/судину
№ варі-анта Внесено добрив під цукрові буряки по варіантах досліду Цукрові буряки Кукурудза на силос* Озима пшениця
1 Контроль (без добрив) 900.8 806.5 80.7
2 14С фітомаса 4 т/га + 15N75P120K120 + 15N45 1141.2 808.1 80.7
3 14С фітомаса 8 т/га + 15N195P240K240 + 15N45 1298.2 900.4 90.3
4 14С фітомаса 12 т/га + 15N195P240K240 + 15N45 1340.8 929.0 90.8
5 Фітомаса 8 т/га 887.0 816.3 79.3
6 15 N195P240K240 + 15N45 1237.7 829.5 86.5
7 15 N195P240K240 + 15N45 + CaCO3 5 т/га 1324.1 883.6 88.0
8 14С фітомаса 12 т/га +15N195P240K240+ 15N45 + CaCO3 5 т/га 1417.0 938.1 90.7
HCP05, г/судину 80.2 61.3 9.8
Sx, % 2.21 4.09 2.77
Примітка. * Дози добрив для кукурудзи на силос і озимої пшениці були однаковими і становили відповідно N60P60K60 (основне внесення) і N60P60K60 (основне внесення) + N30 (весняне живлення).
У післядії варіювання частки міченого азоту добрив у загальному їх виносі було не значним. Для кукурудзи на силос і озимої пшениці вона становила відповідно 5,4-6,7 і 1,5-2,0%. Встановлено, що із сумарного трирічного використання азоту добрив, внесених безпосередньо під цукрові буряки, 82,0- 90,1% припадає на пряму дію.
В таблиці 4 наведено вплив добрив та глибини їх заробки на урожайність культур. Найбільш ефективним виявився варіант одночасного внесення під цукрові буряки 5 т/га СаСО3 в поєднанні з мінеральними і органічними добривами при імітації відвально-безполицевого обробітку грунту.
Регулювання фосфорного та азотного живлення рослин. Нині в Україні стан постачання фосфорних добрив сільському господарству не відповідає потребам. Зростає актуальність проблеми мобілізації грунтових фосфатів і регулювання доступних форм Р2О5.
Перспективним є пошук хімічних сполук, здатних прямо чи опосередковано впливати на процеси біологічної і хімічної трансформації цього важливого елементу живлення.
З метою отримання необхідної інформації про можливість збільшення рухливості фосфору в грунті і підвищення рівня засвоєння рослинами Р2О5, а також виявлення можливості запобігання переходу фосфатів, внесених з мінеральними добривами, у важкодоступні форми, була проведена серія відповідних лабораторних дослідів.
Встановлено, що внесення метасилікату натрію у вигляді водного розчину сприяє зростанню рухливості Р2О5 в лучно-чорноземному грунті і в чорноземі типовому. Виявлено також можливість запобігання переходу фосфатів фосфоровмісних добрив у важкорозчинну форму. При цьому найвищу ефективність мала концентрація метасилікату натрію в розрахунку 0,2-0,3 г/л SіО2 (20-30 мг SіО2 на 1 кг грунту). На наш погляд, дія метасилікату натрію зводиться не лише до витіснення адсорбованого фосфору, а й до утворення досить стійкого комплексу в розчині, що з одного боку – запобігає адсорбції фосфатів твердою фазою грунту, а з іншого – збільшує доступність фосфору рослинам.
В структурі орних угідь Лісостепу України найбільш значну питому вагу займають посіви озимої шениці. Для формування зерна з підвищеним вмістом білка рослини повинні бути забезпечені азотом не лише в ранні періоди онтогенезу, а й у пізніші фази вегетації. Використання листової діагностики дає можливість прогнозувати хімічний склад зерна злаків і, якщо необхідно, втручатись, таким чином, у процес формування якості продукції. Проведені дослідження свідчать, що найбільш тісно вміст білка в зерні корелює з вмістом азоту в листках 1-го та 2-го ярусів у період колосіння (r = 0,91-0,94). Отримана регресійна залежність (У = 9,82 + 1,01Х) для опосередкованих експериментальних величин (У1 (Х= 2,82) = 12,67% ; У2 (Х=4,67) = 14,54%) свідчить, що збільшенню білка на 1% відповідає підвищення загального азоту в листках (фаза колосіння) в середньому на 0,9-1,0%.
На практиці при проведенні позакореневого підживлення важливо завчасно знати про можливість отримання зерна, яке за білковістю можна було б віднести до розряду сильних пшениць. Дослідження свідчать, що позакореневе живлення в дозі 30-35 кг/га азоту сприяє підвищенню вмісту білка до 1,5%, а “сирої“ клейковини до 2%. На основі проведених досліджень розроблена відповідна шкала потреби посівів озимої пшениці в проведенні пізнього позакореневого підживлення.
Встановлена також позитивна дія внесення молібденових мікродобрив (0,5 кг/га Мо на 1 га сівозмінної площі) на сірих лісових грунтах на підвищення білковості зерна та вмісту в ньому клейковини.
7. Еколого-економічна ефективність використання добрив у сівозміні.
Спрямовані на підвищення родючості та продуктивності агроценозів заходи, в умовах сучасних ринкових відносин, крім екологічної обмеженості та обгрунтованості, повинні бути економічно вигідними і енергетично доцільними.
Еколого-економічна ефективність використання добрив під основні культури сівозміни (озиму пшеницю по різних попередниках, цукрові буряки та конюшину) розрахована за: окупністю використаних добрив одиницею урожаю відповідної культури, вмістом загальної енергії в урожаї основної продукції залежно від варіантів системи добрив, енергозатратами органічних і минеральних добрив на 0,1 т приросту урожаю та енергетичним коефіціентом корисної дії (ККД) використання добрив.
В табл.5 наведений розрахунок окупності добрив зерном озимої пшениці, яку вирощували по різних попередниках.
Вміст енергії в основній продукції озимої пшениці, цукрових буряків і конюшини залежно від варіантів системи добрив варіював у широких межах (МДж х 102/га) від 559,7 в конюшині (контрольний варіант) до 1346,6 в коренеплодах цукрових буряків (варіант гній + 1,5 NРК). Контрольні варіанти досліджуваних культур по відношенню накопичення енергії в основній продукції розподілені так: конюшина озима пшениця після багаторічних трав озима пшениця після кукурудзи на силос цукрові буряки. Попередники озимої пшениці суттєво не вплинули на нагромадження енергії в зерні в розрахунку на одиницю посівної площі.
Енергозатрати мінеральних та органічних добрив на 0,1 т приросту основної продукції (МДж) залежно від культур сівозміни і варіантів досліду варіювали в широкому діапазоні – від 122,5 (озима пшениця після конюшини, варіант 1,0 NРК) до 1113,7 (озима пшениця після кукурудзи на силос, варіант гній + 1,0 NРК).
5. Окупність добрив зерном озимої пшениці (зерново-бурякова сівозміна агростанції НАУ “Митниця”, кг зерна/кг діючої речовини мінеральних туків)
Середнє за 1985-1989 рр. Середнє за 1990-1994 рр.
Варіант досліду урожай, ц/га* окупність** урожай, ц/га окупність
Попередник – горох
Контроль(без добрив) 36,2 – 42,4 –
20 т/га гною – фон 46,3 50,5 58,1 77,0
Фон + N80Р80К80 48,5 5,1 59,4 7,1
Фон + N110Р120К120 47,6 3,3 65,2 9,1
N80Р80К80 51,0 6,2 58,9 6,9
Попередник – багаторічні трави
Контроль(без добрив) 35,1 – 34,4 –
20 т/га гною – фон 49,6 72,5 45,1 53,5
Фон + N60Р80К80 55,1 9,1 53,5 8,7
Фон + N75Р120К120 57,7 7,2 70,0 11,3
N60Р60К60 51,8 7,6 61,0 12,1
Попередник – кукурудза на силос
Контроль(без добрив) 37,5 – 42,4 –
Післядія гною – фон 45,1 не визн. 58,1 не визн.
Фон + N90Р80К80 52,3 5,9 59,4 4,8
Фон + N135Р120К120 53,2 4,2 65,2 4,2
N90Р80К80 52,7 6,3 58,9 6,4
Примітка. *НСР05 між варіантами досліду по роках досліджень не перевищувала 3,3 ц/га.
** Окупність у варіанті органічної системи добрив подана в кг зерна на 1 тонну гною.
Енергетичний ККД для зазначених культур і варіантів досліду характеризувався діапазоном від 1,48 до 13,43. Крайні екстремальні значення відмічені відповідно по озимій пшениці після кукурудзи на силос (варіант з гноєм + 1,5 NРК) і по озимій пшениці після багаторічних трав (варіант 1,0 NРК).
На основі проведених досліджень можна стверджувати, що вирощування озимої пшениці після кукурудзи на силос і цукрових буряків у варіантах органо-мінеральної системи з використанням 1,5 NРК не ефективне. Значення енергозатрат характеризувалося при цьому 1113,7 та 514,6 МДж. Отримані дані підтверджують екологічну доцільність внесення під цукрові буряки на чорноземі типовому одного гною в дозі З0 т/га, або такої ж кількості гною з помірними дозами мінеральних добрив ( N90Р120К140).
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Довгочасне інтенсивне використання сільськогосподарських угідь Лісостепу України призвело до звуження сфери та зниження інтенсивності біологічного кругообігу речовин та енергії в агроекосистемах. Надмірні антропогенні та техногенні навантаження на грунтові екосистеми порушили функціонування механізмів зворотних зв’язків, обумовили втрату динамічної рівноваги між процесами продукції та деструкції органічної речовини в напрямі значного зменшення вмісту гумусу в грунтах. Має місце прояв різних видів деградаційних процесів: фізичного, фізико-хімічного, ерозійного та антропогенно-дегуміфікаційного.
2. Показано, що однією із основних умов вирішення задачі підвищення продуктивності агроценозів в сучасних екологічних умовах є оптимізація режимів органічної речовини орних грунтів та азотного живлення рослин шляхом впровадження раціональної системи добрив культур сівозміни, яка включає обов’язкове внесення гною та інших форм органічних добрив.
3. Дослідженнями, проведеними в довготривалих дослідах, встановлено, що погіршення фізико-хімічних та агрохімічних показників орних грунтів обумовлене перед усім завищеним відчудженням органічної речовини за межі агрофітоценозів, яка фотосинтезується в їх річному циклі, недостатньою кількістю внесення органічних добрив, а також необгрунтовано надмірними нормами застосування мінеральних добрив.
4. Вивчено вміст, запаси та якісний склад гумусу, чорнозему типового та лучно-чорноземного грунту, їх зміни під впливом довгочасного застосування добрив у сівозміні. Вказано, що ці грунти характеризуються відповідно гуматно-фульватним і гуматним типом гумусу. Вже в перші 10-13 років інтенсивного використання лучно-чорноземного грунту відмічається суттєве зменшення гумусу в орному шарі. Залежно від норм систематичного застосування добрив у зерново-буряковій сівозміні після закінчення зазначеного періоду в кожному конкретному випадку встановлюється новий рівень відносно врівноваженого режиму органічної речовини. Формування грунтового профілю, наближеного за запасами гумусу в 0-50 см шарі до перелогів, досягається при внесенні за ротацію на гектар сівозмінної площі 13-15 т гною, 80-116 кг азоту, 80-130 кг фосфору, 90-130 кг калію. Оптимально-матричним вмістом гумусу в орному шарі лучно-чорноземного грунту сільськогосподарського використання слід вважати 4,9-5,2%.
5. Тривале сільськогосподарське використання грунтів призводить до зниження відношення С : N в складі гумусу, до підвищення реакційної його здатності. Систематичне застосування одного гною і гною в комплексі з одинарною дозою мінеральних добрив на лучно-чорноземному грунті спричинює відносне зниження активної частини гумусу. Внесення одних мінеральних добрив суттєво знижує співвідношення вуглецю гумінових кислот до вуглецю фульвокислот.
6. Встановлено, що на процеси розкладання і гуміфікації рослинних решток в чорноземі типовому, а також використання сільськогосподарськими культурами азоту мінеральних добрив впливає глибина їх заробки, кількість внесених мінеральних добрив та вапнування. Після семирічного періоду мінералізації (1985-1992 рр.) у грунті зберігається 15,5-21,2% вуглецю від внесеної його кількості в грунт у вигляді тотально міченої 14C фітомаси під цукрові буряки. Час повного їх розкладання, залежно від досліджуваних варіантів досліду, становить 9-11 років, а коефіцієнт гуміфікації – 15,5-19,5%.
7. Чорноземи типові і лучно-чорноземні грунти характеризуються високим відносним вмістом негідролізуємої та важкогідролізуємої форм азоту. Абсолютне збільшення вмісту загального азоту в лучно-чорноземному грунті під впливом систематичного використання добрив зумовлене за рахунок легко-, важко- і негідролізованих його форм. Внесення одних мінеральних добрив сприяє відносному збільшенню кількості гідролізованої фракції азоту і зниженню негідролізованих його сполучень.
8. Кількість енергії, наявної в складі гумусових речовин у шарі 0-50 см, залежно від способів використання лучно-чорноземного грунту, становить 2856-3607 млн. ккал/га. За ефективністю накопичення енергії в складі органічної речовини грунту тривалий переліг та дослідні варіанти системи добрив розташовуються у такий ряд: переліг > органічна система добрив > органо-мінеральна (гній + 1,0 NPK) > органо-мінеральна (гній + 1,5 NPK) > контроль (без внесення добрив) > мінеральна система добрив (1,0 NP).
9. Інтенсивність процесу нітрифікації в чорноземі типовому і лучно-чорноземних грунтах залежить від вихідного вмісту детритно-гумусових речовин, кількості внесених азотних добрив і пожнивно-кореневих залишків. Наявність достатньої кількості біоенергетичного матеріалу в грунті сприятливо впливає на накопичення нітратів при додатковому внесенні азотних добрив.
Встановлено, що сумарний коефіцієнт використання азоту добрив (пряма дія + 2 роки післядії) варіював від 27,7 до 39,8 %, з якого на пряму дію приходиться 82,0-90,1%.
10. Теоретично і експериментально обгрунтована необхідність масового обстеження грунтів на кислотно-основну буферність як критерія оцінки їх агроекологічного стану, складання картограм буферності та шкали оцінки буферної здатності грунтів. Показано, що кислотно-основна буферність є інтегральною функцією всіх хімічних компонентів грунту – однією із основних її функцій в агроекосистемах.
11. Розроблена більш досконала методика визначення і оцінки кислотно-основної буферності грунтів. Буферність пропонується оцінювати за об’єктивно-кількісними критеріями – показником нейтралізації (ПН) та ступенем буферної здатності (СБЗ) для кислотного та лужного інтервалів. Встановлено, що запропоновані параметри відповідають основним вимогам, які ставляться до критерія як до ознаки оцінки якісного стану грунтів і рекомендуються для цілей грунтового моніторингу, як критерії оцінки фізико-хімічної деградації грунту.
Розроблена методика складання картограми буферності і шкала оцінки буферних властивостей грунтів. По показниках буферності запропоновано визначати норму вапна як контрзахід, що знижує надходження радіоактивного стронцію в сільськогосподарські рослини на радіоактивно забруднених грунтах.
12. Вивчено вплив сівозміни і довгочасного систематичного використання добрив на буферні властивості чорноземних грунтів. Встановлено, що в орному шарі чорнозему типового, порівняно з перелоговими аналогами, буферна здатність погіршується у кислотному і лужному інтервалах. Багаторічне застосування добрив знизило буферну здатність у кислотному інтервалі при одночасному підвищенні її в лужному. Найбільш рельєфно зазначена закономірність виявилася у варіанті мінеральної системи удобрення. Вплив антропогенного фактора в орному і підорному шарах лучно-чорноземного грунту виявився на значному зниженні буферності в лужному інтервалі. За ефективністю негативної дії (в порядку зменшення) досліджувані варіанти системи удобрення розташовуються так: контроль (без добрив)
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
