Роль буферних механізмів ґрунту в саморегуляції його родючості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль буферних механізмів ґрунту в саморегуляції його родючості

Трускавецький Р.С., д. с.-г. н., професор, Цапко Ю.Л., к. с.-г. н.,

Соколова Н.Ю., аспірант (Національний науковий центр „Інститут

ґрунтознавства і агрохімії ім. А.Н.Соколовського” Української академії

аграрних наук)

Завдяки пізнанню закономірностей функціонування буферних ґрунтових механізмів визначають адаптивний потенціал ґрунту щодо зміни характеру і об'єму зовнішніх навантажень. За умов удосконалення „конструкції” буферних ґрунтових механізмів і інтенсифікації буферних реакцій досягається висока ефективність процесів саморегуляції продуктивних функцій ґрунту, екологічна безпека і стала родючість

Due to improvement of soil buffer mechanisms construction and buffer reactions intensification one could achieve high efficiency of self-regulation of soil production functions, ecological safety and sustainable fertility

Зовнішні навантаження на ґрунтовий покрив, як природного, так і агротехнологічного характеру, постійно зростають. Істотно змінюється сама природа і характер цих навантажень. За цих умов нерідко інтенсифікується розвиток негативних явищ в сучасному ґрунтоутворенні, погіршуються продуктивні та екологічні функції ґрунту, втрачається їхня родючість. Тому вивчення внутрішньоґрунтових чинників, які здатні в максимальній мірі ослабляти (знешкоджувати) негативну дію зовнішній навантажень на ґрунтово-рослинний покрив, слід розглядати як актуальне завдання сучасної землеробської культури. До таких чинників відносяться, перш за все, буферні ґрунтові механізми, покращення яких, або ж досягнення їхньої доцільної „конструктивності” та високої ефективності функціонування, підвищить адаптивний потенціал ґрунту відносно все зростаючих зовнішніх впливів і діянь, що набувають глобального характеру.

Закономірності взаємодії і міцності зв'язків між всіма елементами ґрунтової системи, здатність цієї системи зберегти свою цілісність і основні функції в останні десятиріччя привертали увагу багатьох вчених [1, 2, 3, 4 і інш.]. З функціонально-методичного підходу в цитованих роботах ґрунтова система розглядається як перетворювач зовнішніх впливів в стан виходу (урожай, аеротоп, інфільтраційні води тощо). Вона може вважатись вивченою, якщо заздалегідь будуть прогнозовані результати внутрішньоґрунтових перетворень. Процеси таких перетворень виражають у виді різноманітних математичних моделей, що розкривають функціональну залежність між входом в ґрунтову систему і виходом із неї. Розбіжності, що виникають між ними, обумовлені внутрішньо ґрунтовими процесами завдяки функціонуванню буферних ґрунтових механізмів [4, 5, 6, 7 і інш.]. Основна функція цих механізмів направлена на автоматичне збереження параметрів того чи іншого елемента родючості, що генетично притаманні конкретній ґрунтовій системі. Як засвідчує ціла низка наукових праць з проблем термодинаміки ґрунтових процесів [2, 4, 5, 7 і інш.], пізнання ролі буферних механізмів в саморегуляції родючості є актуальним завданням з огляду на необхідність:

- удосконалити ґрунтовий моніторинг і бонітетну оцінку ґрунтів, істотно підвищити якість земельно-оціночних робіт;

- розробити надійні і об'єктивні методи прогнозування загального напряму в розвитку сучасних процесів ґрунтоутворення та родючості ґрунтів за різних умов зовнішніх навантажень на грунтово-рослинний покрив;

- вирішити проблему кількісної екологічної оцінки безпечності чи небезпечності застосування тих чи інших меліоративних і агротехнологічних заходів з відтворення родючості ґрунтів.

Виходячи з вищевикладеного, в останні роки в лабораторії родючості гідроморфних і кислих ґрунтів ННЦ ІГА ведуться системні дослідження з пізнання закономірностей функціонування буферних механізмів та їх ролі в саморегуляції ґрунтової родючості.

Приступаючи до вивчення функціональної стійкості гідроморфних і кислих ґрунтів, в нашому розпорядженні існувала надто обмежена методична база, яка не могла вирішити нагальні проблеми - діагностування процесів саморегуляції, прогнозування та нормування зовнішніх навантажень на ґрунтовий покрив. Тому на всіх етапах досліджень головним завданням було удосконалення існуючих і розробка нових методів з вивчення різних видів буферної здатності ґрунтів. Водночас виникла необхідність створення загальної теорії буферности ґрунтів. Результатом цих досліджень є те, що в даний час експериментальне ґрунтознавство доповнилось апробованими, удосконаленими і новими методами лабораторних досліджень з визначення кислотно-основної, фосфатної, калійної і вологістної буферних здатностей ґрунту [4, 8]. На черзі актуальними є розробка методів з визначення азот-буферної здатності, а також буферности ґрунту відносно мікроелементів і важких металів, водорозчинних солей, пестицидів тощо.

В якості прототипу при розробці методики визначення фосфат- і калій-буферної здатності ґрунту нами використані методи зарубіжних авторів [9, 10]. При цьому алгоритм аналітичних операцій збережений, проте внесено суттєві зміни в характер формалізації і визначення оціночних критеріїв буферної здатності ґрунтів. Ці зміни детально викладені в монографії і наукових працях [4, 7, 8 і інш.]. Побудова графічний моделей буферности, розрахунок оціночних критеріїв, оптимальних нормативів агронавантажень і прогнозування післядії цих навантажень здійснюється в автоматизованому режиму за допомогою спеціально розроблених нами комп'ютерних програм. Досліджено характер функціонування буферних механізмів кислих і гідроморфних ґрунтів Полісся і Лісостепу України в режимах кислотних, лужних, фосфатних та калійних все зростаючих навантажень. За допомогою графічних моделей буферности (рис.1 і 2) оцінено рівень саморегуляції кислотно-основної, фосфатної і калійної функцій ґрунтів, агроекологічний стан цих функцій та шляхи їх покращання.

Буферні механізми ґрунту функціонують в двох протилежних напрямах залежно від характеру зовнішніх впливів - в напрямі депонування елемента родючості в ґрунті і в напрямі його активізації (мобілізації), тобто переходу в доступну для рослин форму. Для кожного конкретного ґрунту характерна генетично притаманна йому крива буферности, яку отримують під впливом все зростаючих доз добрив, меліорантів, кислотних і лужних добавок тощо. Ці криві відображені на графічних моделях буферности (див. рис. 1 і 2).

буферність ґрунт якість саморегулюючий

А - торфовий евтрофний ґрунт; Б - торфовий алкалытрофний ґрунт

Рис.1. Графічні моделі рН-буферності: ABC и ADE - площі, що характеризують стандартні буферні ємності (100 балів); A'BG и A'DH - площі, що характеризують БЄщ и БЄк ґрунту; ВТ - відображальна точка

Відхилення кривої буферности ґрунту від т.н. кривої „нуль-буферності” (крива зміни параметра елемента родючості в безбуферному субстраті - в нашому випадку кварцовому піску) визначає буферну ємність (БЄ). Її визначають в іммобілізаційному (позитивному, БЄп) і мобілізаційному (негативному, БЄн) інтервалах кривих буферности. За співвідношеннях названих ємностей вираховують коефіцієнт буферної асиметрії (КБА). Загальну оцінку (в балах) режиму функціонування буферних ґрунтових механізмів дають за оціночним показником буферности (ЗОБ) відносно того чи іншого елемента родючості, який вираховують за формулою:

ЗОБ = БЄх (1-КБА) (1)

Даний показник характеризує функціональну стійкість (рівень саморегуляції процесу) і слугує в якості одного з важливих критеріїв оцінки агроекологічного стану ґрунту відносно того чи іншого елемента родючості (в нашому випадку кислотно-основної, фосфатної і калійної функцій). Другим критерієм є величина „фактора інтенсивности” - найбільш доступної для рослини форми елемента родючості (на рис. 1 і 2 - вихідна точка ВТ).

ГД - оптимальний интервал рР або рК

Рис.2. Загальний вигляд графічної моделі фосфат- і калій буферності ґрунту

За названими двома критеріями визначають бонітетний бал агроекологічного стану ґрунту(А) щодо здатності його виконувати ту чи іншу функцію. Наприклад, бонітетну оцінку кислотно-основної функції ґрунту вираховують за такою формулою:

А= (2)

Результати досліджень. Нами вивчено кислотно-основні, фосфатні і калійні буферні властивості основних типів ґрунтів Полісся і Лісостепу України. Для ілюстрації наводимо результати досліджень шести найбільш контрастних між собою різновидів ґрунтів (див. табл.1). Як і слід було очікувати найбільш висока буферна ємність в кислотному інтервалі навантажень притаманна карбонатним ґрунтам (торфовий алкалітрофний) і ґрунтам, колоїдний комплекс яких насичений кальцієм (мулувато-торфовий). Проте останній за КБА наближається до нуля. Це значить, що він більш якісний, бо він ефективніше ніж перший регулює і утримує генетично притаманний йому рівень актуальної кислотності як в кислотному так і лужному інтервалах навантажень. Алкалітрофний торф, навпаки, слабко стійкий до лужних добавок і швидко підлуговується. Його КБА надто високий, що засвідчує про однобічне функціонування буферних механізмів. Звідси і більш високий, порівняно з алкалітрофним торфовим ґрунтом, бонітет мулувато-торфового ґрунту за кислотно-основною функцією, тобто останній ефективніше протидіє як лужним так і кислотним навантаженням. Аналогічна закономірність простежується і відносно калійної функції, яка є більш високою і стабільною в мулувато-торфовому, аніж в алкалітрофному і евтрофному ґрунтах (табл. 1).

Таблиця 1. Оціночні параметри кислотно-основної, фосфатної та калійної функцій торфових грунтів

Дерново-підзолистий супіщаний ґрунт характеризується низькими показниками буферної ємності і рівнем саморегуляції. Тому зовнішні хімічні навантаження тут повинні строго дозуватись, в противному разі кислотно-основна рівновага буде зрушеною, а родючість зниженою. Буферні криві дозволяють визначати максимально і мінімально допустимі навантаження на різні за своєю природою ґрунти. З табл. 1 видно, що висока буферна ємність в лужному крилі характерна для слабкокислого евтрофного торфового ґрунту. Для нейтралізації кислотності потребуються надто великі норми вапна. Цього не слід робити, бо переважна більшість с.-г. культур тут добре зростає, а вапнування великими нормами може спричинити інтенсивну мінералізацію торфу і емісію СО2 із ґрунту в аеротоп, надмірне накопичення і вимивання нітратів, погіршення фосфатної функції ґрунту тощо. Водночас заслуговує уваги внесення вапна в невеликих дозах як добрива для покращання кальцієвого живлення рослин.

Дослідження фосфат-буферної здатності показало, що всі, без виключення, ґрунти характеризуються високим значенням КБА. Це пов'язано з низькою розчинністю фосфорних сполук і високим рівнем поглинання фосфатних іонів твердою фазою ґрунту. Серед досліджених нами ґрунтів виділяється торфовий евтрофний ґрунт, який за якістю фосфатної функції може слугувати своєрідним еталоном. Його фосфат-буферні механізми функціонують найефективніше, про що засвідчують показники буферної ємності, буферної асиметрії та ЗОБ (див. табл. 1). Найгірша фосфатна функція властива дерново-підзолистому супіщаному та торфовому алкалітрофному грунтам. Для першого це пов'язано з низькими значеннями буферних ємностей, для другого - через високий КБЗ, який наближається до одиниці, тобто повної асиметрії. Однак в порівняні з дерново-підзолистим ґрунтом, алкалітрофний торф виконує свою фосфатну функцію помітно краще. Це обумовлено з переважанням в ньому органічних форм фосфатів. Чим їх більше, тим ефективніше працюють фосфат-буферні ґрунтові механізми і тим вища саморегулююча здатність ґрунту. В результаті вивчення характеру функціонування фосфат- і калій-буферних механізмів установлена дуже важлива агроекологічно значима закономірність: чим вище значення позитивної буферної ємності, тим менший поріг нижньої допустимої концентрації названих елементів в ґрунтовому розчині. Водночас за високої буферної ємності в позитивному крилі, небезпека фітофізіологічної переконцентрації фосфатних і калійних іонів в ґрунтовому середовищі майже відсутня. Незалежно від генетичної природи ґрунту верхні допустимі рівні концентрації іонів у ґрунтовому розчині однакові. Проте цей рівень у ґрунтах з низькою буферною ємністю в позитивному крилі (за умов зростаючих навантажень) можна досягнути значно швидше, аніж у високо буферних. Таким чином агроекологічна оцінка кислотно-основної і трофних функцій ґрунтів за буферними показниками оцінюється не заяложено „більше-менше”, а об'єктивніше з урахуванням динамічності процесу. За умов знаходження „фактору інтенсивності” елемента родючості в оптимальних для рослин параметрах високий рівень буферної ємності є бажаним, бо в цьому випадку саморегулююча здатність функціонує надійніше і ґрунт стабільно утримує цей оптимальний рівень. Водночас, за умов істотного відхилення „фактору інтенсивності” від оптимуму, високий рівень буферної ємності вимагатиме значних зусиль для переводу цього фактору в оптимальну зону. Тому середнім значенням буферних ємностей в даному разі слід надати перевагу.

На фосфат-буферні параметри істотно впливають органічні добрива (позитивно), хімічні меліоранти (часто в негативному напрямі), мінеральні добрива, система обробітку ґрунту тощо. Після осушення в багатьох гідроморфних ґрунтах має місце інтенсивний процес озалізнення. Акумуляція заліза приурочена і збігається із зоною коливання капілярної кайми підгрунтових вод. Нерідко на глибині 35-55 см формується новий сильно ущільнений рудяковий горизонт, який негативно впливає на продуктивні і екологічні функції осушеного ґрунту. Дослідження показують, що в осушених ґрунтах, які живляться водами з підвищеним вмістом закисних форм заліза, частина його накопичується і у верхніх гумусових горизонтах. Виходячи з цього, нами вивчена зміна параметрів фосфат-буферності лучно-болотного ґрунту за умов його озалізнення. Результати досліджень наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Вплив озалізнення на показники фосфат-буферності лучного заплавного середньосуглинкового ґрунту

Вони засвідчили, що БЄ в позитивному крилі помітно збільшилась, тобто депонування фосфатних іонів інтенсифікується і, по всій вірогідності, доступність та ефективність використання фосфорних добрив у ґрунтах, що зазнають озалізнення зменшується. Погіршення фосфатної функції осушених ґрунтів під впливом їх озалізнення вимагає внесення істотних корективів в доцільність меліорації і сільськогосподарського використання земель, ґрунтовий покрив яких піддатливий інтенсивному озалізненню в післямеліоративний період. З іншого боку, ґрунти, в яких міститься високий відсоток вільних форм залізистих сполук, аналогічно карбонатним ґрунтам, розкидний спосіб внесення фосфорних добрив є недоцільним через його низьку ефективність.

Вивчення калій-буферних властивостей показало, що за виключенням дерново-підзолистих супіщаних і ясно-сірих лісових легкосуглинкових ґрунтів, досліджені нами ґрунти задовільно виконують свої калійні функції. - прекрасно депонують у своєму тілі калійні іони і забезпечують сприятливі умови для калійного живлення рослин. Найбільш якісно і ефективно, як засвідчують дані таблиці 1, калійні функції виконують мулувато-торфовий перегнійний і лучний суглинковий ґрунти. Значення ЗОБ в зазначених ґрунтах найбільш високі завдяки позитивній буферній ємності і задовільному коефіцієнту асиметрії. Це обумовлено значним вмістом в даних ґрунтах мулистої мінеральної фракції. В евтрофному середньо зольному ґрунті, який бідний на мінеральний мул і, незважаючи на багатий органічний, калій-буферна ємність в негативному крилі виявилась високою. Це значить, що калій добрив в цих ґрунтах ефективно використовується рослинами, проте існує небезпека непродуктивних втрат його з промивними атмосферними водами, хоча й істотно менша, ніж, наприклад, на дерново-підзолистих супіщаних і ясно-сірих лісових легкосуглинкових поверхнево оглеєних ґрунтах. Таким чином, за своєю калійною функцією мулувато-торфовий ґрунт є набагато якіснішим, ніж торфовий евтрофний і алкалітрофний (табл. 1, див. ЗОБ відповідно 9.24, 4.35 і 3,36).

Буферні характеристики ґрунту можна істотно змінити шляхом проведення структурних і хімічних меліорацій, вони змінюють свої параметри в процесі сучасного ґрунтоутворення, інтенсивність якого залежить від культури землеробства, напряму використання земель, зміни природно-кліматичних умов тощо. Проте існуючі, заяложені та частково модифіковані системи землеробства, не здатні докорінно покращити буферні властивості ґрунтів. Враховуючи тенденцію до різкого потепління клімату, особливого значення слід надати гідробуферній здатності. Якщо і можна докорінно змінити параметри буферних характеристик з метою підвищення здатності ґрунту саморегулювати родючість, то ці заходи вимагатимуть невиправдано потужних капітальних витрат. На основі теоретичних і експериментальних досліджень ми прийшли до висновку про необхідність і перспективність оптимізації режимів функціонування ґрунтів шляхом їх локального внутрішньогрунтового окультурювання. Цей напрям дозволить створити високоефективні буферні механізми, хоча й в обмеженому, проте достатньому об'ємі ґрунту, зекономити значні енергетичні і матеріальні ресурси і забезпечити надійну екологічну безпеку.

Саморегуляція ґрунтової родючості здійснюється завдяки функціонуванню буферних ґрунтових механізмів. Вони діють в двох протилежних напрямах у залежності від характеру зовнішніх навантажень: в депонуючому (іммобілізаційному) і мобілізаційному напрямах. Співвідношення цих напрямів визначає коефіцієнт асиметрії, з підвищенням якої і наближенням до одиниці знижується якість буферних ґрунтових механізмів і ефект саморегуляції. На прикладі шість контрастних за генетичною природою різновидів ґрунтів Полісся і Лісостепу показана надійність, об'єктивність і перспективність використання показників буферности в якості критеріїв оцінки їх якості, саморегулюючої здатності та нормативного прогнозування зміни агроекологічного стану ґрунтів.

Література

1.Гродзинський М.Д. Стійкість геосистем до антропогенних навантажень // Київ: «Лікей», 1995. -234 с.

2. Зборищук Ю.Н. Структурно-системный анализ процесса почвообразования История и методология естественных наук. -Вып. ХХ1Y. М.: МГУ, 1980. -С. 72-78.

3. Карпачевский Л.О. Почва - компонент разных природных систем . Методологические вопросы// История и методология естественных наук. -Вып. ХХ1Y. - М.: МГУ, 1980. - С. 55-61.

4. Трускавецький Р.С. Буферна здатність ґрунтів та їх основні функції // Харків: ППВ „Нове слово”, 2003. -224 с.

5. Зайцева Т.Ф. Буферность почв и вопросы диагностики // Изв. СОРАН СССР. Сер. Биология.- 1987, №14/2.- С.69-80.

6. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам // ж. Агрохимия, №10, 1995. -С. 109-113.

7. Трускавецький Р.С., Цапко Ю.Л., Чешко Н.Ф. Буферні механізми ґрунту: актуальність, стан і перспективи досліджень // Вісн. аграрної науки, спецвипуск, 04. 2006.- С. 27-33.

8. Методики визначення складу та властивостей ґрунтів // Книга 2.-Харків:ННЦ ІГА, 2005. - 220 с.

9. Beckett P.H.T. Studies on soil potassium. Part II: The “immediate” Q|I Relations of labile potassium in the soil //Soil Sci. -1964/- Y.15.-№1.- P. 9-23.

10. Beckett P.H.T, White R.E. Studies of the phosphate potentials of soils. Part III: The pool of labile inorganic phosphate// Pland and Soil.-1964.-Y. 21.- n. 2-3.-P. 253-282.

Размещено на Allbest.ru