Національний науковий центр

“Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” УААН

ГАМКАЛО Зенон Григорович

УДК 631.416/417+631.427.1: 631.81(477.83)

ЯКІСТЬ СІРИХ ЛІСОВИХ ҐРУНТІВ ГЕМЕРОБНИХ ЕКОСИСТЕМ ТА ЇЇ ІНДИКАЦІЯ (БІОГЕОЦЕНОТИЧНИЙ ПІДХІД)

03.00.18 – ґрунтознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському національному інституті ім. Івана Франка, Міністерство освіти і науки України та Інституті землеробства і тваринництва західного регіону Української академії аграрних наук.

Науковий консультант – | доктор географічних наук, професор

Позняк Степан Павлович, Львівський національний університет ім. Івана Франка, завідувач кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів

Офіційні опоненти:

доктор біологічних наук, професор Медведєв Віталій Володимирович, Національний науковий центр “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” Української академії аграрних наук, головний науковий співробітник лабораторії геоекофізики ґрунтів

доктор біологічних наук, професор Білова Наталія Анатоліївна, Академія митної служби України, начальник кафедри товарознавства та митної експертизи

доктор біологічних наук, професор Топольний Федір Пилипович, Кіровоградський державний технічний університет, професор кафедри екології і навколишнього середовища

Провідна установа:

Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, кафедра ґрунтознавства і землевпорядкування, Міністерство освіти і науки України, м. Чернівці

Захист відбудеться “14” лютого 2006 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.354.01 у Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” Української академії аграрних наук за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” Української академії аграрних наук за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий “14” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павленко О.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. останніми десятиліттями розвинуті країни світу інтенсивно розробляють теоретичні та методологічні засади якості ґрунту як стабілізуючого чинника функціонування природних і гемеробних (окультурених) екосистем, засобу збереження та покращення якості повітря і вод, забезпечення комфортних умов існування та розвитку для рослин, тварин і людей, гарантії їхнього здоров'я. Таке жваве суспільне і наукове зацікавлення проблемою екологічної якості ґрунтів є небезпідставним, оскільки сучасний середньорічний темп втрати родючих ґрунтів сягнув катастрофічної межі – 6 млн га, що перевищує історичний тренд понад 30 разів [Б.Г. Розанов і ін., 1989].

У 1998 р. Міжнародною спілкою ґрунтознавців прийнято принципово нову концепцію якості ґрунту, яка базується на його здатності до реалізації численних екологічних функцій. В Україні залишається панівним застаріле поняття якості ґрунту, головно пов’язане з його родючістю, тобто агрономічним аспектом якості [В.В.Медведєв, 2002], що є наслідком недостатньо вичерпного та правильного уявлення про ґрунт. Однак окреслюється чітка тенденція екологізації ґрунтознавства у працях відомих українських вчених Р.С Трускавецького, В.І.Кисіля, С.А.Балюка, А.П.Травлєєва, Д.С.Тихоненка, Т.О.Грінченка, М.О.Горіна.

Проблема якості сірих лісових ґрунтів є особливо актуальною передусім у західному регіоні України, оскільки ці ґрунти за едафічним комфортом не відповідають потребам основних сільськогосподарських культур. У зв’язку з цим, оптимізацією їхньої агрономічної якості протягом тривалого часу займалися О.Д.Хоменко, Є.І.Козак, А.І.Гуменюк, В.І.Дука, З.М.Томашівський, М.Х.Чорнобай, І.О.Коцюба, Л.В. Дука, К.І.Просович, А.В.Погорецький, В.В.Сорочинський, В.С. Бульо, В.М.Петрунів, І.І. Петрунів, А.О.Дубицька, Г.Й. Сеньків, М.Д.Волощук. Сьогодні у таких дослідженнях вивчають окремі аспекти буферних властивостей сірих лісових ґрунтів, що є важливим поступом у пізнанні їхнього екологічного потенціалу.

Однак ширше практичне втілення біосфероцентричної концепції якості ґрунту можливе за умов удосконалення існуючих і розробки нових теоретичних та методологічних засад, а також методичного забезпечення цієї проблеми. Зрозуміло, що об’єктивна оцінка широкого спектра екологічних функцій ґрунту є надзвичайно складною, тому першочерговим вважаємо пошук індикаторів, які визначатимуть його стан (“здоровґя” ґрунту) як біокосного тіла за умов гемеробії, а також ступінь впливу на суміжні сфери – атмосферу й гідросферу. Це даватиме змогу не тільки екологізувати сучасні схеми застосування засобів агроменеджменту і вирішити існуючі проблеми теорії та практики використання сірих лісових ґрунтів, але й пізнати глибинні механізми функціонування ґрунту як симбіотрофного комплексу ґрунт-рослина – важливої структурної ланки організації біосфери.

Зв’язок роботи з науковими програмами. У дисертаційній роботі викладено результати власних досліджень, виконаних за період 1985-1997 рр. в Інституті землеробства і тваринництва західного регіону України за тематичними планами НДР відповідно до проекту “Агроекологічний моніторинг” МНТП 0.12. “Високоефективні процеси виробництва продовольства” (відповідальний виконавець), завдання 06: “Провести дослідження в системі ґрунт-рослина-тварина-с.г.продукція в умовах західного регіону України з метою створення екологічно-збалансованих агроландшафтів при їх інтенсивному використанні” НТП 01 Ф ”Фундаментальні дослідження” (відповідальний виконавець), проблеми “Агроекологія”, за проектом 03.03.04/038-92 “Розробити теоретичне обґрунтування, єдине методичне забезпечення і організувати проведення агроекологічного моніторингу з метою створення екологічно збалансованих агроценозів” ДНТП 03.03. “Система засобів захисту і підвищення продуктивності ґрунтів” (№ держреєстрації 0196U012531), проекту “Встановити екологічний оптимум азотового режиму у системі ґрунт-рослина при застосуванні засобів хімізації, проміжних культур та рослинних решток” (відповідальний виконавець) і тематикою кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів ЛНУ імені Івана Франка “Проблеми генези, географії і класифікації ґрунтів Західного регіону України” 1997-2004 рр. (Вс-77 Б, № держреєстрації 1010U001424).

Мета і завдання дослідження полягають у розвитку теорії якості ґрунту, розробки нових теоретичних і методологічних засад індикації якості сірих лісових ґрунтів гемеробних систем з врахуванням їхньої здатності до реалізації екологічних функцій. Для цього передбачено виконання таких завдань:

- удосконалити термінологічний апарат і методологію проблеми якості ґрунту;

- встановити інформативність існуючої елементарно-аналітичної оцінки якості сірого лісового ґрунту гемеробних екосистем і шляхи її покращення (за даними літературних джерел і власних досліджень);

- розвинути теорію внутрішньоґрунтового циклу Нітрогену з урахуванням кометаболізму біофільних елементів N, P, K, S як нового інструменту пізнання якості органічної речовини ґрунту;

- обґрунтувати роль активної фази органічної речовини (АФОР) ґрунту як його енергопластичного буфера та розробити метод диференціальних азотограм (МДА) для оцінки якісно-кількісних змін лабільної органічної речовини ґрунту;

- виконати комплексні режимні дослідження сірого лісового ґрунту із застосуванням МДА для обґрунтування екологічної ефективності різних систем органічного та органо-мінерального удобрення, індикації набутої якості ґрунту;

- встановити особливості змін фонду Калію і рухомого Фосфору в зв'язку з управлінням якістю сірого лісового ґрунту в гемеробній екосистемі;

- дослідити в режимі моніторингу зміни біотичної активності, кислотно-основної та окисно-відновної рівноваг, йонізації ґрунтового розчину та вмісту АФОР сірих лісових ґрунтів з метою визначення динамічних параметрів їхньої набутої якості як індикаторів;

- оцінити стан кислотно-основних буферних систем сірого лісового ґрунту за різного агрогенного впливу, а також можливість його використання для індикації екологічної якості ґрунту;

- дослідити динаміку якісних і кількісних змін біопродукційної здатності системи ґрунт-рослина за різного агрохемогенного навантаження та її інформативність в індикації якості сірих лісових ґрунтів;

- визначити якісне і кількісне надходження хімічних компонентів до ґрунту за даними моніторингу атмосферних опадів в районі гемеробних екосистем;

- вивчити екотоксикологічний стан сірих лісових ґрунтів за умов тривалого агрохемогенного впливу;

- розробити критерії індикації набутої якості ґрунту (здоров'я ґрунту) з використанням мінімального набору індикаторів.

Об’єкт дослідження - якість сірих лісових ґрунтів гемеробних екосистем західного Лісостепу України.

Предмет дослідження - властивості й функціональні процеси, пов’язані з формуванням екологічної якості сірих лісових ґрунтів; хімічні, фізичні та біологічні індикатори якості ґрунту.

Методи дослідження. Методологічною основою досліджень є елементарно-аналітичний і системний підходи до ґрунту як біокосного тіла. Техніка збору інформації – полігонний моніторинг, а також стаціонарно-польовий, порівняльний еколого-географічний, біогеохімічний і лабораторно-аналітичний методи із застосуванням модельних експериментів та комп’ютерної обробки даних.

Наукова новизна результатів:

- розроблено теоретичне обґрунтування агроекологічного моніторингу щодо системи ґрунт-рослина-сільськогосподарська продукція в умовах західного Лісостепу України як інструменту дослідження динаміки якості сірих лісових ґрунтів;

- удосконалено термінологічний апарат існуючих концепцій якості ґрунту: виокремлено екологічну (характеризує ефективність реалізації екологічних функцій) і агрономічну (пов’язану з функцією родючості) якості ґрунту;

- вперше застосовано теоретичні, методологічні і методичні підходи до оцінки якості сірих лісових ґрунтів як його здатності до реалізації екологічних функцій у системах ґрунт-рослина, ґрунт-атмосфера, ґрунт-природні води;

- доопрацьовано теорію внутрішньоґрунтового циклу Нітрогену з врахуванням кометаболізму біофільних елементів, зокрема, показано роль АФОР як енергопластичного буфера ґрунту, що захищає конститутивну фазу – гумус – від мікробної деструкції;

- розроблено теоретичні основи прогнозування процесів денітрифікації та оцінки якості ґрунту на базі “фронту окиснення” – нижньої, екологічно критичної, межі окисних процесів у ґрунті;

- розроблено теоретичні основи індикації якості ґрунту з урахуванням ефекту модуляції коливань функціональних процесів у гемеробній системі ґрунт-рослина.

Практичне значення отриманих результатів:

Результати досліджень використовують Львівський обласний державний проектно-технологічний центр охорони родючості ґрунтів і якості продукції та Асоціація фермерів та приватних землевласників Львівської області з метою:

- якісно-кількісної індикації лабільного фонду Нітрогену ґрунту гемеробних екосистем;

- індикації функціональної адекватності органічної речовини ґрунту у разі пошуку ефективних замінників стійлового гною чи інших засобів і систем удобрення;

- індикації натуральної і набутої якостей ґрунту за допомогою вимірювання електропровідності його водної суспензії;

- прогнозування денітрифікаційних процесів у ґрунтах агроекосистем.

Теоретичні і методологічні засади оцінки якості ґрунту запроваджено в навчальний процес кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів Львівського національного університету імені Івана Франка і Прикарпатського інституту імені М.Грушевського Міжрегіональної Академії управління персоналом. Наукові розробки з питань якості ґрунтів гемеробних екосистем використано під час складання навчальних планів і методичного забезпечення навчального процесу за новою спеціалізацією “Екологія землекористування та агробізнес”, а також у навчальних курсах “Загальна екологія” та “Біосферологія”.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні базових положень та ідей, що становлять наукову новизну дисертації, у розробці концепції і методики організації та проведення агроекологічного моніторингу у західному регіоні України, а також впровадження його полігонного варіанта для досліджень набутої якості сірих лісових ґрунтів. Експериментальний матеріал одержано особисто дисертантом або під його керівництвом співробітниками відділу екології ІЗТЗР і за участю співробітників кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів Львівського національного університету імені Івана Франка. Постійно брав участь в апробації результатів досліджень, особисто написав і оформив текст дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень представлено на наукових конференціях, симпозіумах, з’їздах, нарадах в Україні (Львів, Канів, Київ, Рівне, Умань, Харків, Яремче) та за кордоном (Варшава, Люблін, Пулави, Москва), викладено на щорічних наукових конференціях ЛНУ імені Івана Франка.

Публікації. Результати дисертації відображено у 46-ти публікаціях, з них - 25 одноосібних статей опубліковано після захисту кандидатської дисертації у виданнях, що відповідають вимогам ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, одинадцяти розділів, підрозділів, висновків, пропозицій виробництву, списку літератури з 352-х найменувань. Обсяг роботи - 417 с., у тім числі 131 рисунок, 11 таблиць і додатки.

Подяки. Автор щиро вдячний науковому консультантові роботи – професору С.П. Позняку, а також професорам, академіку УААН В.В. Медвєдєву, членам-кореспондентам УААН В.І.Кисілю й Р.С.Трускавецькому, д.с.-г. н., професору А.І. Фатєєву за слушні поради й допомогу в процесі виконання й написання цієї роботи, д.с.-г. н., професору М.Т. Ярмолюку, старшим науковим співробітникам, кандидатам сільськогосподарських наук В.В. Сорочинському і В.С. Бульо та співробітникам відділу екології ІЗТЗР та кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів ЛНУ імені Івана Франка за сприяння у виконанні експериментальних досліджень.

Основний зміст роботи

Теоретичні і методологічні засади якості

сірих лісових ґрунтів гемеробних екосистем та

Інформативність її Елементарно-аналітичної оцінки

Детально розглянуто хронологію формування новітньої концепції якості ґрунту, як “здатності певного типу ґрунту до функціонування у межах природних і штучних екосистем, забезпечення продуктивності рослин і тварин, збереження або покращення якості води і повітря, підтримки здоров'я людей та їхньої життєдіяльності” [Дж. Доран і Т.Паркін, 1994; Б.Варкентін, 1995; Д. Карлен та ін.,1997-2003]. Вважають, що терміни “якість” і “здоровґя” грунту є синонімами [Д. Ектон і Л.Грегоріч, 1981]. Оскільки в Україні, як і в світі, відсутнє єдине розуміння якості ґрунту, нами виокремлено екологічну – у біосферо-ценотичному контексті, і агрономічну, як чинник родючості, якості ґрунтів.

Зазначено, що внаслідок змін здатності ґрунтів до функціонування розглядають [Р. Гроссман і ін., 2001] два взаємозв’язані аспекти якості ґрунту – природну або натуральну (inherent) і динамічну (dynamic) або набуту (авт.). Наведено також головні чинники впливу на якість ґрунту [М. Голубець і ін., 1994; N.Chizhikova,1998]. Охарактеризовано фізичні, хімічні і біологічні індикатори якості ґрунту та системи її контролю в польових і лабораторних умовах [Дж.Доран і Т.Паркін, 1994; Д. Карлен і ін.,1998; В.Ларсон і Ф.Пірс, 1991; М. Сарантоніо і ін., 1996; С. Шенгольц і ін., 2000; В. Парізі і ін., 2003]. З метою оцінки якості ґрунту у польових умовах розроблено спеціальні тест-набори (The Soil Quality Test Kit), які дають змогу in situ оцінювати 11 параметрів (дихання ґрунту, інфільтрацію, щільність будови, електропровідність, рН, вміст нітратів, стійкість агрегатів, кількість черв’яків тощо) [С. Андрю й ін., 2003].

Показано, що застосування традиційного елементарно-аналітичного підходу для оцінки якості сірих лісових ґрунтів (визначення вмісту гумусу та його групового і фракційного складів, рН, гідролітичної кислотності, рухомого алюмінію і фосфору, азоту, що гідролізується, обмінного калію, структурно-агрегатного і гранулометричного складів) є недостатнім, оскільки він головно спрямований на характеристику функції родючості й не характеризує інших екологічних функцій.

Розробка ефективних індикаторів екологічної якості ґрунту вимагає переходу від існуючих елементарно-аналітичних до системних досліджень у режимі моніторингу з урахуванням внутрішньоґрунтових перетворень сполук Нітрогену, Калію, Фосфору та їхнього зв’язку з активною фазою органічної речовини, застосуванням інтегральних показників едафічного комфорту як біотичної активності, окисно-відновного потенціалу, електропровідності, буферності до кислотних навантажень та фітоіндикації.

Методика досліджень

Дослідження виконано у стаціонарних дослідах та серії модельних експериментів. Під керівництвом автора вперше розроблено методичні та організаційні основи проведення агроекологічного моніторингу у західному регіоні України на базі стаціонарних дослідів Географічної мережі.

Об’єктом для організації полігонного агроекологічного моніторингу (АЕМ) став стаціонарний дослід, закладений 1965р. на ясно-сірому опідзоленому легкосуглинковому ґрунті відділення “Оброшине” ІЗТЗР (АЕМ-1).

Агрохімічні показники орного шару ґрунту до закладки досліду: вміст гумусу – 1,44%, рНKCl – 4.2, Нг– 4,5 мМоль (+)/100 г та Ноб – 0,5 мМоль(+)/100 г. Сівозміна семипільна з таким чергуванням культур: картопля-ячмінь з підсівом конюшини - конюшина лучна - озима пшениця - цукрові буряки- кукурудза - озима пшениця.

№ варіанта

№ вар. | Норма СаСО3

за г.к. | на 1 га сівозмінної площі

Гній, т | Мінеральні добрива, кг

1 | - | - | -

2 | 1,0 | - | -

3 | - | 10 | -

6 | 0.5 | 10 | N41P77K90

7 | 1.0 | 10 | N41P77K90

13 | 1.5 | 20 | N122P116K135

15 | - | - | N163P154K180

16 | 1.0 | - | N163P154K180

18 | 1.5 | - | N122P116K135

Дослідження екологічної якості ґрунту розпочато 1986 р. з завершенням третьої ротації сівозміни на агроекологічно найінформативніших варіантах досліду (табл.1). Важливо, що на час досліджень вже було охарактеризовано зміни агрономічної якості досліджуваного ґрунту відповідно до ступеня гемеробії, зокрема визначено продуктивність ланок сівозміни за ротацію.

Другий (АЕМ-2) – стаціонарний дослід з вивчення ефективності післяжнивних сидератів родини капустяних і соломи на зміну гумусного стану сірого лісового поверхнево-оглеєного ґрунту та продуктивність сівозміни. Дія сидератів, а також сидератів, доповнених NPK до рівня їхнього вмісту у гноєві, порівнювались з стійловим гноєм у нормі 15 т·га-1 сівозмінної площі (табл.2).

№ варіанта | Варіант досліду

1 | Контроль (без добрив)

2 | Гній, 15 т·га-1 сівозмінної площі

3 | Гній, 15 т·га-1 + N90P75K90

4 | N90P75K90 - фон

7 | Фон + редька олійна

8 | Фон + редька олійна + солома, 2 т·га-1

9 | Фон + солома, 2 т·га-1

Вихідні показники орного шару ґрунту: рНКСІ – 4,70; Нг–3,23 мМоль(+) /100 г; сума ввібраних основ – 6,73 мМоль(+) /100г; N заг. – 0,10%; вміст доступного Фосфору і обмінного Калію (за Кірсановим) – відповідно 17,5 і 13,8 мг/100 г-1 ґрунту, вміст гумусу (за Тюріним) – 1,56%. Середньорічне внесення добрив на фонових варіантах – N90P75K90. Мінеральні добрива, передбачені під картоплю, вносили для вигонки зеленої маси під сидерати, які їй передують. Розмір посівних ділянок 135 м2, облікових – 75 м2, повторність досліду триразова.

Третій об’єкт (АЕМ-3) – старосіяні травостої, створені шляхом перезалуження у 1980 р. Ґрунт – темно-сірий опідзолений легкосуглинковий. Вибрані агроекологічно найінформативніші варіанти: перший (0) – без удобрення, другий (РК) – Р90К120, третій (N1PK) – Р90К120 N240 (60+60+60+60) і четвертий (N2PK) – Р90К120 N240 (0+30+90+120). Мінеральні добрива вносили у формі суперфосфату, калійної солі і амонійної селітри. Зразки ґрунту відбирали із верстви 0-20, 20-40, 40-60, 60-80 і 80-100 см.

Для характеристики якості ґрунту використано регламентовані ГОСТ і ДСТУ методики: рН КСІ і рН Н2О; гідролітична (за Каппеном) й обмінна кислотність та вміст рухомого Al (за Соколовим); обмінних основ Ca і Mg (комплексонометрично); гумусу (за Тюріним в модифікації Сімакова); загального азоту (за Кьєльдалем); сполук Нітрогену, що легко гідролізуються (за Корнфілдом); NO3 – йонселективний методом; NH4 – з реактивом Несслера; доступного Фосфору (за Кірсановим); обмінного Калію (за Кірсановим); гранулометричний склад (за Качинським) із підготовкою пірофосфатним методом (за Долговим і Лічмановою).

Фонд Калію у ґрунті оцінювали водорозчинною (за Алєксандровим), обмінною (за Кірсановим), необмінно-гідролізованою (за Пчьолкіним, 2н НСl), необмінно-міцнофіксованою (за Гедройцом, 10% НСl) формами.

Кислотно-основну буферність ґрунту визначали модифікованим методом Арреніуса, а обробку результатів - за допомогою програмного забезпечення “Buff-pH”, розробленого в ННЦ ІГА ім. О.Н.Соколовського під керівництвом член-кореспондента УААН, професора Р.С. Трускавецького. Інтенсивність буферності (мМоль 100г-1 рН-1 ґрунту) – за формулою b = С/ рН, де С – кількість доданої кислоти чи лугу, а рН – зміни рН від хімічного навантаження. Для графіка, який відображає b=f (рН), нами запропоновано назву “рН-буферограма”.

Реєстрацію ОВП здійснювали безпосередньо у свіжовідібраних зразках ґрунту. Електропровідність ґрунтових водних суспензій визначали кондуктометричним методом, а вміст вологи у ґрунті – гравіметричним.

Активність ферментів (каталази, поліфенолоксидази, пероксидази, інвертази, фосфатази, уреази) визначали за Хазієвим, чисельність ґрунтових мікроорганізмів: азотобактера – методом обростання грудочок ґрунту; олігонітрофілів – на середовищі Ешбі; целюлозорозкладаючих за Пушкіною і клостридій – методом РСС. Целюлозорозкладаючу активність за Востровою і Петровою, а сумарну протеолітичну активність – за Вавуло, нітрифікаційну здатність – за Ваксманом.

Залишковий вміст пестицидів у ґрунті - методом газо-рідинної хроматографії. Вміст рухомих форм мікроелементів на ААS-4 у витяжці 1 н HNO3.

Якісно-кількісну характеристику АФОР ґрунту здійснено шляхом градієнтного гідролізу (0,25-8н NaOH) нітрогеновмісних сполук за Щербаковим і Кіслих. Пул лужногідролізованих сполук Нітрогену диференційовано на групи сполук легкогідролізованих (ЛГ) і важкогідролізованих (ВГ). Отримані результати подано у стереографічному зображенні, названого нами азотограмою.

Аналіз хімічного складу трави (вмісту протеїну, жиру, клітковини, золи, Кальцію, Фосфору, Калію і Натрію) виконано за загальноприйнятими методами в центрі ”Облдержродючість” (Оброшино).

Статистичну обробку результатів дослідження та їхнє графічне оформлення виконано за допомогою пакетів програм “Statistica 5.0” і “Microsoft Excel 2000”.

активна фаза органічної речовини сірих лісових ґрунтів

як індикатор їхньої якості

Показано роль органічної речовини в забезпеченні якості ґрунту. Виходячи з положень теорії внутрішньоґрунтового циклу Нітрогену (теорії Янсона) про активну та пасивну фази органічної частини ґрунту (ОЧГ), в роботі особливу увагу звернуто на активну фазу органічної речовини (АФОР) – головний субстрат процесу мінералізації і забезпечення системи ґрунт-рослина енергопластичним ресурсом.

Системна діагностика активної фази органічної речовини ґрунту. Для характеристики N-фонду ґрунту, з яким тісно пов’язана якість ґрунту, важливо оцінити ту частину сполук Нітрогену, яка формує АФОР. За результатами експериментальних досліджень встановлено високу інформативність лужного гідролізу сполук Нітрогену в ґрунті щодо контролю лабільної частини органічної речовини. Зокрема, це видно з особливостей кінетики лужного гідролізу сполук Нітрогену сірого лісового і темно-сірого опідзоленого ґрунтів, що описано нижче.

Діагностика лабільного фонду Нітрогену темно-сірого опідзоленого ґрунту старосіяних травостоїв. Як бачимо з рис.1, за однакових умов гідролізу з темно-сірого опідзоленого ґрунту виділяється різна кількість Нітрогену, залежно від вегетаційного періоду та мінерального удобрення, що дає змогу ефективно діагностувати зміни вмісту активної фази органічної речовини.

Рис. 1. Криві ефективності лужного гідролізу сполук Нітрогену

темно-сірого ґрунту (0-20 см) травостою залежно від мінерального удобрення

( градієнт концентрацій 0,25-8 М NaOH, час гідролізу 144 год.)

Дослідження з застосуванням широкого діапазону концентрації лугу (0,25-8н NaOH) і експозиції гідролізу (6-144 год.) засвідчили, що найкраще зміни АФОР простежуються за максимальної концентрації екстрагента - 8М NaOH і експозиції – 144 год. На підставі чисельних модельних експериментів з сірими лісовими ґрунтами встановлено, що саме за цих умов лужного гідролізу найадекватніше оцінюється вміст АФОР. Для якісно-кількісної оцінки АФОР, за результатами градієнтного поліваріантного лужного гідролізу, будували стереографічні зображення – піраміди екстрагування (за Щербаковим і Кіслих) або азотограми.

У роботі детально охарактеризовано зміни азотограм ясно-сірого лісового ґрунту за різного агрохемогенного навантаження та оцінено вміст АФОР за цих умов. Встановлено також, що за низького вмісту АФОР інформативність азотограм є порівняно низькою, що вимагало модифікації існуючого методу. У зв’язку з цим, нами розроблено метод диференціальних азотограм (МДА), який полягає в оцінці інтенсивності гідролізу сполук Нітрогену залежно від концентрації лугу та експозиції. За допомогою МДА досліджені зміни мінералізаційно-іммобілізаційних перетворень АФОР за різних систем удобрення (органічної, мінеральної, органо-мінеральної) і охарактеризовано їхні оптимальні варіанти щодо ресинтезу лабільної фази органічної частини ґрунту – важливого чинника екологічної якості ґрунту.

Рис. 2. Динаміка диференціальних азотограм сірого лісового ґрунту протягом вегетаційного періоду залежно від удобрення

а – 17 червня, б – 17 липня, в – 8 серпня

лівий ряд – гній, правий - сидерат

Про високу інформативність МДА при оцінці якості органічної речовини ґрунту засвідчують особливості динаміки азотограм протягом вегетаційного періоду, а також порівняння їхніх змін і широко застосовуваного показника - азоту, що легко гідролізується – його виокремлено чорним квадратиком (див.рис.2).

Архітектоніка азотограм та їхні зміни протягом вегетації переконливо свідчать про неадекватність впливу на якісно-кількісні параметри органічної частини ґрунту стійлового гною і зеленої маси редьки олійної як органічних добрив. Це особливо важливо, оскільки за вмістом гумусу обидва варіанти практично не відрізнялися, що унеможливлювало об’єктивну оцінку якості органічної речовини ґрунту.

Встановлено характерні зміни вмісту лабільної органічної речовини в сірих лісових і темно-сірих опідзолених ґрунтах гемеробних екосистем. Наприклад, для темно-сірого ґрунту травостоїв, залежно від удобрення і періоду вегетації, вміст АФОР коливається у межах (мг·кг-1): 921 (початок вегетації) – 402 (кінець вегетації); в орному сірому лісовому ґрунті (контроль) – 276-245; за умов угноєння (стійловий гній) – 600-455. Застосування сидерату редьки олійної+N90P75К90 зменшує цей показник до 270-250, а солом’яної різки+N90P75К90 – до 375-312. Отримані дані характеризують вплив удобрення на співвідношення мінералізаційно-іммобілізаційних процесів у сірих лісових ґрунтах, що впливає на їхню якість.

Аналіз якісно-кількісних змін АФОР засвідчує, що лабільна частина органічної речовини є головним субстратом процесу мінералізації і внутрішньоґрунтового циклу сполук Нітрогену і виконує роль енергопластичного буфера, який захищає гумусові речовини від мікробної деструкції у процесі, коли змінюються енергетичні потреби гетеротрофної біоти унаслідок змін вмісту мінеральних форм біофільних елементів (рис.3).

Рис.3. Схема енергопластичного буфера ґрунту

Отже, кількісні зміни органічної речовини за рахунок АФОР не варто трактувати як дегуміфікацію чи збільшення вмісту гумусу, оскільки вони відображають природні циклічні процеси трансформації органічної речовини, зазвичай, посилені в гемеробних екосистемах. Лише у випадку дефіциту АФОР відбувається дегуміфікація ґрунту і втрата ним якості.

Сполуки Калію як індикатор якості ґрунту

Якість сірого лісового ґрунту гемеробних екосистем залежить від ефективного управління системою сполук Калію (подібно до системи сполук Нітрогену), зокрема забезпечення динамічної рівноваги його форм на рівні біологічних потреб рослин і ґрунтових мікроорганізмів з урахуванням внутрішньоґрунтового циклу цього елемента. У зв’язку з цим, нами детально розглянуті хімічні форми калієвих сполук (водорозчинна, обмінна, необмінно-гідролізована і необмінно-міцнофіксована) та процеси їхньої трансформації за природних умов і агрохемогенного навантаження, а також концептуальні підходи щодо оптимізації вмісту і біологічної доступності сполук Калію у системі ґрунт-рослина. Особливої уваги приділено процесові мобілізації елемента із АФОР ґрунту, оскільки внаслідок цього вивільняється омплекс біофільних елементів (N,P,K,S) найадекватніший потребам ґрунтової біоти і рослин.

Тривале удобрення темно-сірих лісових ґрунтів старосіяних травостоїв Р90К120 і N240Р90К120 не підвищувало вмісту водорозчинних та обмінних форм Калію, а лише посилювало його фіксацію у необмінно-гідролізовану і необмінно-міцнофіксовану форми головно у позакореневій зоні, що є агроекологічно важливим, оскільки зменшує можливість вимивання елемента у природні води.

Найкращим засобом оптимізації вмісту водорозчинних і обмінних форм Калію в сірому лісовому ґрунті на фоні NPK є стійловий гній, менш ефективні - сидерат редьки олійної та солом’яна різка (рис. 4).

Рис.4. Зміни вмісту водорозчинної та обмінної форм Калію

в сірому лісовому ґрунті залежно від удобрення

Для оцінювання механізму вказаних вище змін біологічно доступних форм Калію важливо, що їхня архітектоніка подібна до коливань вмісту АФОР у ґрунті (рис. 5), тобто з збільшенням вмісту лабільної органічної речовини збільшується вміст водорозчинного (r=0,80) і обмінного (r=0,83) Калію. Це засвідчує провідну роль у забезпеченні біологічно доступних форм Калію процесів мобілізації та іммобілізації поживних речовин як регуляторів їхньої доступності.

Рис.5. Зміни вмісту АФОР у сірому лісовому ґрунті залежно від удобрення

У разі сумісного застосування сидерату і солом’яної різки підвищується вміст водорозчинного Калію на глибинах 60-80 і 80-100 см, оскільки за цих умов послаблюється іммобілізація Калію в АФОР, що є екологічно небажаним і спричиняє вимивання цього елемента за межі кореневої зони.

На якість ґрунту гемеробних екосистем суттєвий вплив може мати накопичення залишкового Калію у ґрунті внаслідок додаткової мобілізації із ґрунтового резерву “екстра-калію” (за аналогією з екстра-азотом), зокрема з АФОР і біологічно недоступних форм обмінного Калію. Накопичення у педосфері залишкового Калію є екологічно небажаним, оскільки змінює йонний статус ґрунту, його бар’єрні функції, зменшує протонозв'язувальну здатність ГВК, а також сприяє процесам евтрофікації природного середовища.

Рухомий Фосфор як індикатор якості ґрунту

За умов антропогенного підвищення вмісту рухомих форм Фосфору у біосфері обов’язковим є контроль за біогеохімічними потоками цього елемента (зокрема, у ґрунті) з метою уникнення евтрофікації природних вод. Надходження фосфорних добрив впливає також на якість ґрунту шляхом зміни ємності фосфатних буферних систем [І.Ангінозні, С.Барбер,1980]. Це також змінює співвідношення різних сполук Фосфору у ґрунті та їхню хімічну рівновагу, від чого залежить біологічна доступність цього елемента.

Розглянуто ефективність існуючих методичних підходів до оцінки біологічної доступності фосфатів у кислих ґрунтах. Показано, що метод Кірсанова є досить чутливим до змін вмісту рухомого фосфору за профілем темно-сірого ґрунту протягом вегетації, що важливо для оцінки його якості, зокрема контролю процесу міграції Фосфору за межі ризосфери. Зазначено, що на вміст біологічно доступних форм Фосфору впливає співвідношення процесів іммобілізації та мінералізації елемента в ґрунті, і лише з кореневої мортмаси трав (шар ґрунту 0-20 см) у процесі мінералізації АФОР надходить до 10-17 кг/га Р2О5. Фітодіагностикою підтверджено, що мінеральне удобрення Р90К120 і N240Р90К120 старосіяних травостоїв на темно-сірому опідзоленому ґрунті забезпечує оптимальні потреби жуйних тварин у Фосфорі, що є важливим індикатором якості ґрунту.

Визначено зміни вмісту рухомого фосфору за профілем сірого лісового ґрунту залежно від різного органічного удобрення (рис.6).

Рис.6. Вплив удобрення на вміст доступних фосфатів

у сірому лісовому ґрунті (кінець 2 ротації сівозміни)

Менший вміст рухомого Фосфору у ґрунті, де застосовували зелене добриво і солом’яну різку, пов’язаний з послабленням процесів іммобілізації біофільних елементів (у тім числі Фосфору в АФОР), що видно з рис.5. Зауважимо, що збільшення вмісту рухомого Фосфору в орній і підорній верствах сірого лісового ґрунту супроводжується його зменшенням у нижній частині ґрунтового профілю.

Встановлено, що характер змін вмісту доступних сполук Фосфору в ґрунті орної верстви подібний до змін вмісту обмінного Калію (r=0,65) і АФОР (r=0,75).

Довготривале (понад 35 років) застосування засобів мінерального удобрення і хімічної меліорації зумовило пропорційно до норм фосфорних добрив накопичення біологічно доступних сполук Фосфору у ясно-сірому лісовому ґрунті (як і обмінного Калію) до глибини 40-60 см, що порушило природну динамічну рівновагу фосфорних сполук. Ми припускаємо, що головною причиною накопичення Фосфору в товщі 0-60 см ясно-сірого лісового ґрунту є переважне засвоєння рослинами і ґрунтовою біотою елемента, що надходить у процесі мінералізації АФОР і фіксування еквівалентної кількості Фосфору мінеральних добрив. Хоча збільшення вмісту рухомого Фосфору у кислому сірому лісовому ґрунті з 6 до 25 мг/100 г покращує його родючість, однак такий надлишок рухомих форм у позавегетаційний період за умов гумідного клімату може посилювати їхнє вимивання у природні води.

БІОЛОГІЧНА АКТИВНІСТЬ як індикатор едафічного комфорту

Едафічний комфорт (ЕК) - сукупність ґрунтових умов (фізичних, фізико-хімічних, кліматичних тощо), які сприяють життєдіяльності мікроорганізмів, росту і розвитку рослин, тобто є важливою складовою як натуральної, так і набутої якостей ґрунту. Важливим критерієм ЕК є біологічна активність ґрунту.

Для характеристики ЕК сірих лісових ґрунтів гемеробних екосистем досліджено еколого-трофні угруповання мікроорганізмів темно-сірого ґрунту старосіяних травостоїв і сірого лісового ґрунту (зокрема, флуктуації чисельності целюлозорозкладаючих мікроорганізмів, клостридій, олігонітрофілів за різного агрохемогенного навантаження), а також актуальну біологічну активність ґрунту за польових умов (деструкцію целюлози, протеоліз). Для оцінки активності мікробіоти запропоновано індекс мікробіологічної активності, який характеризує інтенсивність (питому активність) розкладу субстрату однією тисячою мікроорганізмів, що містяться в одному грамі ґрунту. Встановлено, що питома целюлозорозкладаюча активність мікроорганізмів змінюється обернено пропорційно до їхньої чисельності. Виконано широкий спектр досліджень потенційної біологічної активності за лабораторних умов (активність уреази, фосфатази, інвертази, оксидоредуктаз: каталази і пероксидази, азотфіксації).

Для оцінки едафічного комфорту сірого лісового ґрунту досліджено також особливості нітрифікаційних процесів, амоніфікацію сечовини та загальний вміст сполук Нітрогену. Встановлено, що мінеральне удобрення головно виконує функцію регулятора інтенсивності природних коливань біотичних процесів за принципом амплітудної модуляції.

Оптимальні умови розвитку целюлозорозкладаючих мікроорганізмів у темно-сірому опідзоленому ґрунті травостоїв створюються у разі удобрення N240P90K120, а клостридій та оліготрофів – P90К120. За умов едафічного комфорту чисельність целюлозолітиків не повинна бути меншою за 5000-6000 кл·г-1, олігонітрофілів – 500-700 та клостридій – 80-90 тис·г-1 сухого ґрунту.

Потенційна азотфіксувальна здатність ґрунту ризосфери травостоїв посилюється влітку, залежно від мінерального удобрення, у 9-20 разів. Інгібувальна дія мінеральних добрив зростала в ряді: N240 (60+60+60+60)P90K120, N240 (0+30+90+120)P90K120 і P90К120. Це засвідчує значну потенційну здатність мікробіоти темно-сірого опідзоленого ґрунту до фіксації атмосферного азоту та її високу чутливість до зміни едафічних умов.

Оптимальні умови для целюлозолітиків, клостридій та олігонітрофілів у сірому лісовому ґрунті створюються у разі удобрення стійловим гноєм (15т·га-1) і гноєм+NPK (рис 7), тобто за умов максимального ресинтезу АФОР як енерго-пластичного субстрату едафотопу. Зокрема, кореляційний зв’язок між вмістом АФОР у ясно-сірому лісовому ґрунті і чисельністю целюлозорозкладаючих мікроорганізмів становить 0,84.

Рис.7. Зміни чисельності целюлозорозкладаючих мікроорганізмів сірого лісового ґрунту залежно від удобрення і періоду вегетації

1-контроль; 2-гній, 15 т/га; 3-гній+NPK; 4-NPK; 7-сидерат+NPK;

8-сидерат+солом’яна різка+NPK; 9- солом’яна різка+NPK

За умов едафічного комфорту чисельність целюлозолітиків не повинна бути меншою за 2500-3500 кл·г-1, олігонітрофілів – 600-700 та клостридій – 120-150 тис·г-1 сухого сірого лісового ґрунту. Застосування лише NPK, а також сидерату редьки олійної і солом’яної різки на фоні NPK не зуовило розмноження ґрунтової мікрофлори. Вплив сидерату редьки олійної за окремі проміжки вегетаційного періоду спияв різкому збільшенню кількості клостридій, що свідчить про анаеробіозис ґрунту і посилення денітрифікаційних процесів. За сидерації зменшувалась також кількість олігонітрофілів, що пояснюється накопиченням у ґрунті нітратів. Контрастний мікробний пейзаж ґрунту на варіантах із гноєм і сидератами засвідчує їхню неоднозначність як органічних добрив у забезпеченні якості ґрунту.

Кислотно-основна рівновага сірих лісових ґрунтів гемеробних екосистем

Розглянуто роль кислотності ґрунту в реалізації його екологічних функцій, оскільки від їхньої ефективності залежить якість ґрунту. Запропоновано в рамках природного процесу підкислення виокремити трофічне підкислення, пов’язане із катіонним живленням рослин і ґрунтової біоти.

Ми вважаємо, що сорбція протонів твердою фазою ґрунту (т.з.обмінна кислотність) є важливим еволюційним механізмом захисту ґрунтового середовища від надмірного підкислення, тобто фізико-хімічним Н+- статом, поряд з хімічними Н+- буферними системами. В зв’язку з цим, протоннейтралізуюча здатність за участю ґрунтового вбирного комплексу розглядається нами як актуальна Н+- буферність (АКБ) ґрунту. Кількісно АКБ характеризується концентрацією йонів Гідрогену, сорбованих ГВК, які здатні десорбуватися внаслідок процесів індукованого йонообміну у лужному середовищі in vitro. Максимальна величина АКБ сумірна з гідролітичною кислотністю ґрунту.

Засвідчує АКБ посилене вбирання йонів Гідрогену, передусім у ґрунті верстви 0-20 см, у разі мінерального удобрення травостоїв (табл.3).

Таблиця 3

Концентрація активних (Н+) й увібраних (ПОГ) йонів Гідрогену (х 10-7 моль) за профілем темно-сірого ґрунту залежно від мінерального удобрення травостоїв

Показники | H+ | ПОГ | ПОГ/H+ | H+ | ПОГ | ПОГ/H+ | H+ | ПОГ | ПОГ/H+

Верства ґрунту, см | Контроль
(без удобрення) |

Р90 К120 | N240Р90 К120

0-20 | 30,2 | 135,8 | 4,5 | 39,8 | 200,0 | 5,0 | 52,5 | 345,6 | 6,6

20-40 | 17,7 | 51,8 | 3,0 | 12,0 | 55,5 | 4,6 | 21,9 | 61,3 | 2,8

40-60 | 8,3 | 31,5 | 3,8 | 7,6 | 38,3 | 5,0 | 6,3 | 46,2 | 7,3

60-80 | 2,9 | 23,4 | 8,1 | 2,6 | 15,7 | 6,0 | 3,6 | 17,8 | 4,9

80-100 | 2,8 | 22,6 | 8,1 | 2,4 | 14,9 | 6,2 | 2,1 | 18,8 | 9,0

Встановлені особливості взаємозв’язків між змінами активної кислотності та пулом обмінного Гідрогену (ПОГ) за умов тривалого функціонування системи ґрунт-рослина (рис. 8), що засвідчує лабільність системи регулювання кислотно-основної рівноваги ґрунту протягом вегетаційного періоду та синхронність процесів підкислення ґрунтового середовища й обмінного зв’язування йонів Гідрогену, що впливає на якість ґрунту та її стабільність. За певних обставин простежується різке ідкислення рідкої фази ґрунту (і, як засвідчують дані рис. 8, це не пов’язано із сезонними умовами), що вказує на низьку кислотну буферність темно-сірого опідзоленого ґрунту і можливість впливу цього чинника на стабільність його екологічної якості.

Рис.8. Динаміка концентрацій йонів Гідрогену у рідкій (суцільна лінія) та твердій фазах ґрунту неудобрюваного травостою

Про низьку кислотну буферність сірого лісового ґрунту засвідчують зміни його актуальної та обмінної кислотностей залежно від застосування різних органічних добрив (рис.9). Як було показано раніше, застосування зеленої маси редьки олійної як сидерату зменшує вміст АФОР - субстрату внутрішньоґрунтового циклу Нітрогену і, відповідно, надходження протонів у процесі її мінералізації.

Рис. 9. Зміни ступеня активної кислотності (рН вод.) і обмінного Гідрогену (рН сол.) сірого лісового ґрунту (0-20 см) залежно від органічних добрив

Сидеральне добриво сповільнює також процеси нітрифікації, які є донорами протонів, ймовірно, за дефіциту кисню, що виникає внаслідок перевантаження ґрунтового середовища “незрілою” органічною речовиною, яка не сприяє розвитку сапротрофного блоку ґрунтових мікроорганізмів. Детальніше про це йтиметься у розділі “Окисно-відновний потенціал як експрес-індикатор якості едафотопу”.

Важливим аспектом якості сірих лісових ґрунтів є їхня буферність, яка забезпечує кислотно-основну рівновагу і стабільність едафотопу. Традиційно визначають буферну ємність ґрунту (Р.С.Трускавецький, 2002), проте для індикації

окремих буферних систем необхідно оцінювати інтенсивність буферних реакцій у порівняно вузьких діапазонах рН (наприклад, 0,25 од.) кислотного і лужного крила. Це особливо важливо при вивченні механізмів регулювання кислотно-основної рівноваги ґрунту та причин природного й антропогенного підкислення педосфери, у випадку пошуку ефективних меліорантів, які суттєво впливають на якість ґрунту. В зв’язку з вищенаведеним, вперше вивчено інтенсивність кислотно-основної буферності ясно-сірого лісового ґрунту й ідентифіковано головні буферні реакції у кислотному та лужному крилі рН (рис.10).

Рис.10. Інтенсивність зон кислотно-основної буферності ясно-сірого лісового ґрунту

Зони Н+-буферності: <2,0-3,0-розчинення прошарків гідроксиду алюмінію мулистої фракції та нейтралізація перманентних зарядів на поверхні колоїдів; 3,0-3,5-реакції заміщення алюмінію на СООН-групах гумусових кислот та реакції розкладу Fe- та Al-органічних комплексів; 3,0-4,0- процеси розчинення солей сильних основ органічних кислот; 3,5-4,0-реакції заміщення обмінних основ; 4,5-5,5- процеси катіонного обміну за участю функціональних груп специфічних органічних кислот, протонування СОО- -груп фульвокислот та аніонів неспецифічних низькомолекулярних органічних кислот.

Зони ОН--буферності: 3.0-4.0 - депротонування сильнокислотних СООН – групп неспецифічних