|
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)
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 10,3÷14 : 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 13,5÷30,4 : 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 4,5÷5,5 : 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 - ΔПдз) • 100
СБЗ, % = -----------------------------------, де (1)
П2
Пдз - площа буферності досліджуваного зразка, см2; П2 - площа буферності еталона 2 см2; ΔПдз - частина площі буферності досліджуваного зразка, що знаходиться за межами буферної площі еталона 2, см2.
| 
