ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА
ДРОНЬ ЮРІЙ СІЛЬВЕСТРОВИЧ
УДК 631.41.5
ЕКОЛОГІЧНІ ЧИННИКИ ФОРМУВАННЯ
ВІДНОВНИХ УМОВ ТА ЇХ РОЛЬ У ГЕНЕЗИСІ
БУРУВАТО-ПІДЗОЛИСТИХ ОГЛЕЄНИХ
ҐРУНТІВ ПЕРЕДКАРПАТТЯ
03.00.16 – екологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Чернівці - 2007
Дисертацією є рукопис. Робота виконана у Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор сільськогосподарських наук, професор Назаренко Іван Іванович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, кафедра ґрунтознавства та землевпорядкування, професор.
Офіційні опоненти:
доктор біологічних наук, професор Білова Наталія Анатоліївна, Академія митної служби України, кафедра товарознавства та митної експертизи, начальник;
доктор біологічних наук Мальцева Ірина Андріївна, Мелітопольський державний педагогічний університет, кафедра ботаніки, доцент.
Провідна установа: Інститут екології Карпат НАН України.
Захист відбудеться „ 20 ” червня 2007 року о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.05 у Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м.Чернівці, вул. Лесі Українки, 25.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.
Автореферат розісланий „ 18” травня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук, доцент Копильчук Г.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Окисно-відновні умови ґрунтів, суттєво впливаючи на проходження біологічного і геологічного колообігів речовин та процеси їх взаємодії, виступають потужним фактором внутрішньої впорядкованості екосистем і їх злагодженості. З іншого боку, рівень окисно-відновної рівноваги в едафотопах формується під впливом великої кількості біогенних та абіогенних чинників, багато з яких мають надекосистемний характер. Тому часто зовнішній вплив змінює в першу чергу окисно-відновний режим ґрунтів, а вже потім ці зміни певним чином впливають на окремі компоненти біогеоценозу. З огляду на це є підстави стверджувати, що окисно-відновні умови ґрунтів виконують роль своєрідного механізму еволюції екосистем, через який сприймаються зовніші та внутрішні впливи, трансформується структура і функції окремих складових компонентів та узгоджується їх робота у відповідності з новою обстановкою.
Закономірності функціонування такого механізму найкраще прослідковуються в едафотопах з різкоконтрастним окисно-відновним режимом. Так, за даними І.І. Назаренка та інш. (1994) у бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Передкарпаття загалом переважають окисні процеси, проте відновні умови, які перманентно розвиваються в них, чинять величезний вплив на морфологію, властивості та екологічні функції цих едафотопів (В.І.Канівець, 1987, 2001), а отже й визначають їх еволюцію та трансформацію структури існуючих біогеоценозів. Тому важливого значення набувають дослідження екологічних чинників формування відновних умов і їх ролі у генезисі бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття, які дозволяють виявити загальні механізми внутрішньої регуляції екосистем та їх еволюції.
Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертація є частиною планової роботи і виконувалася в межах наукових тем кафедри ґрунтознавства та землевпорядкування біологічного факультету Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича „Встановити особливості біогеохімії і розробити систему охорони і оптимізації екологічного стану ґрунтів Карпатсько-Придністровського регіону” (№ держреєстрації 0196U012536 (1996 – 2000 рр.) та „Розробити генетичні, біогеохімічні та агроекологічні основи управління родючістю і картографування ґрунтів Передкарпаття та прилеглих територій” (№ держреєстрації 0101U004205 (2001 – 2005 рр.).
Мета і завдання дослідження. Дослідження проводились з метою встановити значення окремих екологічних чинників у розвитку відновних умов і визначити роль останніх у генезисі й формуванні властивостей та екологічного стану бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття. Відповідно до мети були поставлені наступні завдання дослідженя:
1) дати теоретичне обґрунтування ролі окисно-відновних умов у ґрунтоутворенні, способам їх діагностики та оцінки;
2) установити екологічну роль біогенних (мікробоценозу, рослинності, зооценозу) та абіотичних (органічного субстрату, температури, твердої фази, вологи, аерації тощо) чинників при розвитку відновних умов в едафотопах;
3) прослідкувати вплив окисно-відновних процесів на формування морфологічних, фізико-хімічних, хімічних властивостей та екологічного стану бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття;
4) вивчити закономірності поширення, властивості та діагностичне значення конкрецій у бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Передкарпаття;
5) визначити умови формування та розробити теоретичну модель конкрецієутворення;
6) з’ясувати вплив режиму перезволоження та процесів відновлення на мікробоценоз досліджуваного ґрунту.
Об’єкт дослідження – окисно-відновні умови едафотопів.
Предмет – екологічні чинники і процеси формування відновних умов та їх роль у генезисі бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття.
Методи досліджень. Для виконання поставлених завдань широко використовувались літературні дані, а також результати польових (морфологічних) і лабораторно-аналітичних досліджень. Лабораторне моделювання проводилось за апробованими та особисто розробленими методиками. В моделях та в природному ґрунті визначали ряд показників стандартними фізико-хімічними, фізичними та хімічними методами. Мікроорганізми вивчали шляхом посіву на поживних середовищах та з допомогою світлової мікроскопії.
Наукова новизна. Проаналізовано наявні підходи до трактування поняття “відновні умови” та запропоновано нове його означення; розмежовано роль окремих чинників розвитку процесів відновлення, зокрема вперше встановлено функції твердої фази ґрунту та розроблено схему окисно-відновної рівноваги едафотопу.
Досліджено причини розвитку відновних умов у бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Передкарпаття та їх вплив на формування властивостей та екологічного стану цих едафотопів. Вперше прослідковано щоденну динаміку вмісту загального та відновленого заліза у ґрунтовому розчині моделей при розвитку процесів відновлення та зміни чисельності основних трофічних груп мікроорганізмів бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття під впливом різних режимів перезволоження.
У лабораторних умовах відтворено формування ортштейнів та вперше створено теоретичну модель цього процесу. Вперше досліджено закономірності поширення і розподілу в однорідному ареалі бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття різних фракцій ортштейнів та вмісту в них кислоторозчинних форм заліза та марганцю.
Практична цінність роботи. Запропоновані підходи до оцінки та розроблене означення поняття “відновні умови” дозволяють достовірно діагностувати умови відносно будь-якої окисно-відновної системи в ґрунтах та передбачати її поведінку. Розмежування ролі окремих чинників формування відновних умов дає змогу раціонально розробляти методи регулювання окисно-відновного режиму едафотопів та прогнозувати його зміни при використанні ґрунтів. Доведено необ’єктивність кількісної оцінки ступеня заболоченості бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття за розподілом ортштейнів різного розміру та вмісту в них кислоторозчинних форм заліза і марганцю, а проведене лабораторне моделювання та створена теоретична модель ортштейноутворення дозволяє розробити більш достовірні критерії кількісної оцінки ґрунтових режимів. Запропоновано спосіб оптимізації фосфорного живлення сільськогосподарських культур, який дозволяє підвищити коефіцієнт використання внесених фосфорних добрив та їх ефективність.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто опрацьовано літературу і розроблено теоретичні та практичні положення дисертації. При проведенні експериментальної та польової частини роботи залучалися студенти кафедри. Оформлення остаточного варіанту дисертації здійснене спільно з науковим керівником.
Апробація роботи. Положення дисертаційної роботи доповідались на шести наукових конференціях, зокрема на Всеросійській конференції „Гидроморфные почвы – генезис, мелиорация и использование” (Москва, 2002), на Х міжнародній конференції „Ломоносов - 2003” (Москва, 2003), на І та ІІ Міжнародній науково-теоретичній конференції молодих вчених „Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності” (Чернівці, 2003, 2005), на Міжнародній конференції „Біологічні науки і проблеми рослинництва” (Умань, 2003), на Міжнародній конференції „Сучасні проблеми і тенденції розвитку ґрунтознавства” (Чернівці, 2005).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано дев’ять наукових праць, з них п’ять статей, дві з яких одноосібні, у фахових виданнях, що включені до переліку ВАК України.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, восьми висновків, списку використаної літератури (291 джерело, в тому числі 33 іншомовних) та 6 додатків. Робота викладена на 126 сторінках друкованого тексту і містить 13 таблиць та 15 рисунків. Додатки займають 16 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Розділ 1. Огляд літератури. У розділі висвітлено основні етапи вивчення і сучасні уявлення про закономірності розвитку та роль відновних умов у педогенезі. Наведено поширені підходи до визначення та оцінки окисно-відновного стану едафотопів і трактування механізмів його формування. Описано закономірності трансформації багатьох мінеральних сполук елементів змінної валентності, в першу чергу заліза та марганцю, органічних речовин і елементів мінерального живлення рослин при різних окисно-відновних режимах. Детально аналізується вплив цих процесів, а також чинників, що їх спричиняють, на екологічний стан, продуктивність екосистем, їх біогеохімічні особливості та шляхи подальшої еволюції.
Розділ 2. Об’єкт, умови та методика досліджень. Обґрунтовано можливість і доцільність вивчення закономірностей формування та педогенетичного значення відновних умов на прикладі бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття. Аналіз фізико-географічних умов поширення та основних властивостей цих едафотопів дав змогу оцінити причини виникнення, інтенсивність розвитку і вплив процесів відновлення на їх генезис у природних умовах.
У лабораторних умовах зі зразками цього ґрунту було проведено модельні дослідження. Зокрема, у першому модельному досліді було створено ряд закритих лабораторних моделей, кожна з яких відрізнялася різноманітним поєднанням трьох досліджуваних факторів у таких градаціях.
Фактор І –
мікробоценоз | Фактор ІІ –
поживне середовище | Фактор ІІІ –
тверда фаза
А – природній мікробоценоз горизонтів бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття;
Б – без мікроорганізмів (стерилізований);
В – Clostridium pasteurianum. | а – дистильована вода;
б - глюкоза, 20 г/л;
в – гумат натрію, 10 г/л. | 1 – горизонт Hegl;
2 – горизонт Ehgl;
3 – горизонт Eigl;
4 – горизонт Igl;
5 – горизонт Pgl;
6 – піщана маса.
При побудові моделей у склянні літрові банки засипали один кілограм повітряно-сухої маси відповідних горизонтів бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття або піщаної маси (фактор ІІІ), які містять природний мікробоценоз, стерилізовані, або після стерилізації інокульовані накопичувальною культурою Сlostridium pasteurianum (відповідно серії А, Б та В фактору І) та, залежно від градації фактору ІІ, заливали 450 мл дистильованої води (серія а), розчину глюкози концентрацією 20 г/л (серія б), або розчину гумату натрію концентрацією 10 г/л (серія в). Щільно закриті капроновими кришками банки протягом 30 – 50 діб витримували при кімнатній температурі (20 єС), щоденно з допомогою потенціометра та електродної пари (стандартні хлор-срібний і платиновий електроди) визначаючи в них значення окисно-відновного потенціалу. Принцип єдиної відміни, покладений в основу цього багатофакторного досліду, дозволив вичленити роль мікробоценозу, органіки та твердої фази ґрунту при розвитку процесів відновлення.
Другий модельний дослід, в якому аналогічні моделі (щільнозакриті капроновою кришкою літрові банки, що містять 1 кг елювіально-ілювіального горизонту бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття, залитого 450 мл розчину глюкози концентрацією 20 г/л) інкубувалися при температурах 5, 9, 18 та 28 0С, проводився з метою визначення впливу температури. При цьому роль дифузії в процесах відновлення встановлювали шляхом порівняння динаміки змін ОВП в моделях зі щоденним ретельним збовтуванням та без нього. Кожного дня з моделей відбирали дві проби по 1 мл надосадової рідини, в яких визначали вміст відновленого та загального заліза з б-бґ-дипіріділом.
Третій модельний дослід мав на меті змоделювати процес конкрецієутворення в лабораторії та визначити оптимальні для його проходження умови. Для цього у пет-пляшку було засипано просіяну через сито з отворами діаметром 0,25 мм однорідну суміш промитого піску та свіжого зразка елювіально-ілювіального горизонту бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття. Протягом трьох років перманентно, з частотою один раз у два місяці на поверхню моделі доливали до визначеного рівня розчин, що містить 2 % глюкози та 2 мг/л заліза у складі різних сполук (FeCl3, FeSO4, сіль Мора).
Четвертий модельний дослід був проведений для дослідження змін, які відбуваються у мікробоценозі бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття під впливом надмірного зволоження різного характеру та спричиненого ним відновлення. У пет-пляшках зі збереженням співвідношень між горизонтами були створені зменшені у 5 разів моделі профілю даного ґрунту масою по 1769 г, які 2 роки знаходилися в умовах постійного перезволоження на рівні повної вологоємності (ПВ), або в умовах чергування двотижневих періодів надмірного зволоження (рівень ПВ) та періодів вільного стоку води такої ж тривалості. Дренаж моделей відбувався через шар битого скла та отвори в дні пет-пляшок. Моделювання проводили в лабораторії за кімнатної температури (20 єС) та без внесення органіки ззовні.
Після дворічного терміну експозиції в природному ґрунті та моделях погоризонтно визначали загальну кількість мікроорганізмів методом прямого мікроскопування за Виноградським та груповий склад мікробоценозу шляхом висіву ґрунтової суспензії на поживні середовища: м’ясо-пептонний агар (МПА) та Чапека – для бактерій і голодний агар та Чапека-Докса – для грибів. Чисельність представників виду Сlostridium pasteurianum та видів роду Bacillus встановлювали на елективних середовищах Ємцева та Герхарда відповідно. Основні фізико-хімічні та хімічні показники визначали за типовими методиками.
При натурних дослідженнях залізо-марганцевих новоутворень бурувато-підзолистих оглеєних едафотопів Передкарпаття в однорідному масиві широколистяного лісу (південно-східні околиці села Іспас Вижницького району Чернівецької області) рівномірно з допомогою бура було закладено 15 розрізів, з яких пошарово через 20 см до глибини 1 м відібралися зразки масою від 132,7 до 600,7 г. З відібраних зразків на ситах під проточною водою було відмито новоутворення та визначено їх валовий вміст і розподіл по фракціях розміром 0,25– 1 мм, 1–3 мм та більше 3 мм. Кожна виділена фракція ортштейнів окремо досліджувалася на вміст рухомого заліза та марганцю відповідно сульфосаліциловим та персульфатним методами.
Розділ 3. Моделювання розвитку відновних умов. Обґрунтовано доцільність вивчення закономірностей формування відновних умов з використанням лабораторного моделювання на основі закритих лабораторних моделей, які дозволяють повністю виключити вплив нерівномірної аерації.
Встановлено, що незалежно від способів стерилізації та інших умов повне знищення ґрунтової мікрофлори зумовлює припинення відновних процесів. Це доводить, що саме мікроорганізми забезпечують розвиток відновних умов у ґрунті. При цьому збільшення біогенності зазвичай підвищує інтенсивність відновлення, хоча значення має не лише кількість мікроорганізмів, але й пристосованість їх до умов життєдіяльності. Зокрема, важливим є здатність ґрунтового мікробоценозу споживати органіку різного ступеня стійкості та наявність останньої у ґрунті. Результати дослідження свідчать, що нестача придатної до трансформації органічної речовини є одним з чинників, що обмежує розвиток відновних умов у бурувато-підзолистих оглеєних едафотопах Передкарпаття, а помітне відновлення за рахунок окиснення гумусових речовин може відбуватися лише у верхніх горизонтах цих ґрунтів. Тому наявність органічного субстрату є необхідною умовою розвитку відновних процесів у ґрунті, причому інтенсивність останніх визначається пристосованістю мікробоценозу до його трансформації.
Різна динаміка змін ОВП в моделях, які містили однаковий мікробоценоз (культура Сlostridium pasteurianum) та однакову органічну речовину в однакових кількостях була зумовлена лише впливом різної твердої фази. При цьому зростання окисно-відновної буферності твердої маси моделей спричиняло закономірне зменшення інтенсивності процесів відновлення в них. Тобто, тверда фаза за рахунок наявності окисно-відновних буферних систем протистоїть змінам окисно-відновного стану ґрунту, в тому числі й при розвитку відновних умов.
Вагомим чинником формування окисно-відновного режиму едафотопів виступає температура, оскільки вона визначає інтенсивність функціонування мікроорганізмів. Так при 28 0С різкий анаеробіоз було відмічено вже на 4 – 5 день моделювання, а при зниженні температур культивування розвиток відновлення закономірно сповільнювався. При 4 0С і нижче у бурувато-підзолистому оглеєному ґрунті відновні умови не розвивались. Отже, зростання температури пришвидшує розвиток відновлення, а періоди анаеробіозису мають чіткі сезонні закономірності перебігу, що визначаються температурним режимом едафотопів.
Дослідження впливу дифузії показало, що при перемішуванні моделей розвиток відновних умов у них значно сповільнюється, що зумовлено повнішим залученням окисно-відновних буферних систем твердої фази. Без перемішування через обмеження дифузії між окремими зонами в моделях спостерігається швидший розвиток анаеробіозису та його тривалий застій.
Зменшення ступеня відновленості ґрунтів відбувається завдяки їх аерації, яка залежить від повітряно-фізичних властивостей ґрунтової маси та умов зовнішнього середовища. Вміст вільного кисню в складі газоподібної фази едафотопу невисокий, але постійне надходження його з повітря зазвичай перевищує інтенсивність поглинання, що і зумовлює загалом високі значення ОВП всієї ґрунтової системи. При цьому чинники, які порушують співвідношення між поглинанням кисню в ґрунті та його надходженням з атмосфери, впливають на окисно-відновний режим ґрунтів. Ґрунтові тварини, наприклад, гетеротрофи, хоча й споживають кисень, проте завдяки розпушуючій та риючій діяльності посилюють аерацію. Рослини є продуцентами кисню, хоча загальновідомо, що корені вищих рослин теж дихають, споживаючи кисень з ґрунту. Проте, поглинання кисню коренями відбувається за умови високої його концентрації у ґрунті, і навіть вологолюбний рис при ОВП нижче 400 мВ вже призупиняє ґрунтове дихання. Тому дихання кореневих систем рослин не зумовлює розвитку анаеробіозису у ґрунті. Значно вагомішим є опосередкований вплив автотрофів, як джерела органічного субстрату, що окиснюється мікроорганізмами. В цілому, спрощено схему окисно-відновної рівноваги у ґрунті можна представити так: |
орг.субстрат | рихлення | осушення | дихання коренів рослин | дихання гетеротрофних організмів |
< |
температура |
> | дифузія О2 з атмосфери і СО2 з ґрунту | О2 і СО2 ґрунтових вод і опадів | збільшення кількості СО2
зменшення кількості О2 | збільшення кількості О2
зменшення кількості СО2 | окисно-відновні буферні системи | анаеробіоз | =======+======== | аеробіоз | гетерогенність
ґрунту | Розділ 4. Роль процесів відновлення у генезисі бурувато-підзолитих оглеєних ґрунтів Передкарпаття. У ґрунтах існує величезна кількість окисно-відновних систем і будь-які умови одночасно є окисними для одних окисно-відновних пар та відновними для інших. Тому, відмічаючи, що умови є відновними, обов’язково необхідно вказувати, відносно якої окисно-відновної системи проводиться оцінка.
Окисно-відновні перетворення в ґрунтах зазнають впливу великої кількості мінливих факторів, таких, як кислотність середовища, іонна сила ґрунтового розчину, його склад і склад твердої фази, дія каталізаторів, органіки та ферментів живих організмів, розчинність окисненої та відновленої форми, температура тощо. Тому нормальні потенціали окремих окисно-відновних систем у ґрунтах непостійні і навіть наближено не відповідають їх табличним значенням. Крім того, у таких складних багатокомпонентних гетерогенних системах, як ґрунт для окремих окисно-відновних пар встановити точкове значення нормального потенціалу неможливо, а визначають лише перехідний діапазон значень ОВП, в якому одночасно існують і окиснена і відновлена форми без змін. З огляду на це відновними умовами в ґрунті слід вважати умови, які сприяють утворенню відновленої форми окисно-відновної пари. Так, для феррі / ферро системи окисними є умови з Еh ? 400 мВ, відновними – з Eh ? 300 мВ, а діапазон з Еh в межах 300 - 400 мВ, в якому не відбувається значних процесів окиснення – відновлення заліза, доцільно визначити як перехідний.
За даними І.П.Сердобольського (1940) для пари NO3 / NO2 відновними є умови з Eh нижче 340 мВ. Кліматичні умови Передкарпаття та водно-фізичні властивості бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів сприяють перманентній появі подібних умов, тому незалежно від угідь, способів використання чи удобрення ці едафотопи завжди характеризуються низьким вмістом сполук мінерального азоту, особливо нітратного, що суттєво погіршує азотне живлення рослин та продуктивність екосистем.
При відновленні зростає розчинність у ґрунтових водах та інтенсифікується вимивання з біогеоценозів ряду речовин, що, поряд з посиленою мінералізацією органіки, зумовлює значне оглеєння та опідзолення профілю, низьку ємність поглинання (до 20 мг-екв / 100 г ґрунту), високу гідролітичну кислотність (до 10 мг-екв / 100 г ґрунту), незначний вміст гумусу (до 3 %), обмінного кальцію (до 3,1 мг-екв / 100 г ґрунту). Значно підвищується мобільність заліза, марганцю та алюмінію, вміст рухомих форм яких у природних умовах може сягати 30 – 35 мг на 100 г ґрунту. Як свідчать результати другого лабораторного досліду, при відновленні вміст водорозчинних сполук заліза різко зростає і за добу може змінюватися у 7 – 8 раз, проте прямопропорційної залежності між рівнем ОВП моделей та концентрацією відновлених чи валових форм заліза в їх розчині не встановлено.
Відновлені сполуки заліза та марганцю, а також алюміній активно взаємодіють з фосфатами ґрунтів, зумовлюючи їх ретроградацію, тобто перехід у нерозчинні та недоступні рослинам форми. Так за даними І.І.Назаренка (1980) у бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Передкарпаття більшість мінеральних фосфатів представлено нерозчинними солями заліза (50%) та алюмінію (30%). Тому нестача доступного фосфору, незважаючи на достатньо високий валовий вміст цього елементу, є одним з факторів, що лімітують продуктивність цих едафотопів. При цьому радикально покращити фосфорне живлення рослин не вдається навіть шляхом внесення значних кількостей фосфорних добрив, оскільки вони теж зазнають ретроградації.
На основі аналізу сезонних закономірностей відновних процесів та динаміки рухомих форм заліза, марганцю, алюмінію і різних груп фосфатів у бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Передкарпаття нами теоретично обґрунтовано спосіб оптимізації фосфорного забезпеченя сільськогосподарських рослин, який передбачає локальне внесення у прикориневу зону незначних доз фосфорних добрив при посіві. В такому випадку зменшується тривалість перебування фосфорних добрив у ґрунті, особливо в періоди розвитку відновлення, що поряд зі зменшеним їх контактом з ґрунтовою масою всього орного шару та залізом і алюмінієм, що містяться в ньому, дозволяє суттєво зменшити інтенсивність ретроградації внесених фосфатів.
Висока мобільність заліза та марганцю суттєво впливає також на морфологічну будову бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття, зокрема на їх колір і новоутворення. Так до 12 – 15їх ґрунтової маси може бути зосереджено у темно-бурих дрібних залізо-марганцевих конкреціях, які згідно з класифікацією Ф.Р.Зайдельмана та А.С.Нікіфорової (2001), визначені нами як ортштейни. У межах однорідного масиву цього ґрунту достовірних взаємозв’зків між загальною кількістю, фракційним складом, розмірами, глибиною розміщення цих новоутворень і вмістом в їх складі розчинних у 1н сірчаній кислоті форм заліза та марганцю не встановлено (табл.1).
Таблиця 1
Середня кількість ортштейнів
та вміст у їх складі заліза і марганцю
Глибина залягання, | Середній вміст, | Розмір фракції, | Середній вміст, | Вміст заліза | Вміст марганцю
см% | мм | % | мг/100 г
0 20 |
6,61 | 0,25 1 | 2,43 | 1777 | 16,07
1 3 | 4,07 | 1663 | 13,65
> 3 | 0,11 | 2413 | 28,4
20 40 |
6,07 | 0,25 1 | 2,74 | 1884 | 11,55
1 3 | 3,14 | 1794 | 11,86
> 3 | 0,19 | 1644 | 13,7
40 60 |
2,30 | 0,25 1 | 1,15 | 1460 | 11,59
1 3 | 1,04 | 1655 | 11,85
> 3 | 0,11 | 1186 | 15,42
60 80 |
1,49 | 0,25 1 | 0,80 | 968 | 10,93
1 3 | 0,55 | 1256 | 14,67
> 3 | 0,14 | 1368 | 13,00
80 100 |
1,09 | 0,25 1 | 0,66 | 977 | 10,00
1 3 | 0,35 | 1124 | 13,13
> 3 | 0,08 | 767 | 12,65
Співвідношення між вмістом в ортштейнах однорідного масиву кислоторозчинних форм заліза і марганцю у нашому дослідженні варіювало у широкому діапазоні від 7,6 до 426,6, тому використовувати його у якості кількісної характеристики ступеню заболоченості та гідроморфності бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття, як пропонує Ф.Р.Зайдельман та інші (1971, 2001), недоцільно.
Для встановлення закономірностей формуваня ортшейнів ми спробували відтворити процес їх утворення у лабораторних умовах (третій модельний дослід). Для цього у пет-пляшку було засипано просіяну крізь сито з діаметром отворів 0,25 мм однорідну суміш промитого річкового піску (4 частини) та свіжого зразку елювіально-ілювіального горизонту бурувато-підзолистого ґрунту (1 частина). Така маса має крупні капіляри, вода в яких суттєво не піднімається, тому верхній рівень гравіцаційної води в моделі майже відповідає межі між перезволоженою та неперезволоженою її частинами. Протягом трьох років моделювання перманентно, один раз у два місяці, ми доводили рівень води в моделі до визначеної мітки розчином, що містить 2 % глюкози та 2 мг/л заліза у складі різних сполук (FeCl3, FeSO4, сіль Мора тощо). При дослідженні моделі встановлено, що отрштейни інтенсивно сформувалися лише в зоні, яка періодично перезволожувалася при поливі та просушувалась у міжполивний період. Без перезволоження, або при значній його тривалості утворення конкрецій не відбувається. Тобто ортштейни утворюються лише в контрастних окисно-відновних умовах, які створюються при періодичних чергуваннях періодів аерації та перезволоження.
На основі результатів наших досліджень і літературних даних розроблено теорію, яка розглядає процес утворення ортштейнів як функцію життєдіяльності специфічних хемотрофних залізо- та марганецьокислюючих мікроорганізмів та низки інших фізико-хімічних процесів, повністю залежних від динаміки окисно-відновних умов у ґрунті. Адже ортштейноутворення являє собою в першу чергу процеси переміщення і накопичення у певних точках ґрунтової товщі елементів змінної валентності, зокрема, заліза та марганцю, міграційна здатність яких напряму визначається окисно-відновним станом системи. Достатньо інтенсивне переміщення цих елементів у ґрунтовому розчині або разом з ним можливе лише у відновлених формах, розчинність яких на порядки вище розчинності окиснених сполук. Утворення відновлених форм, згідно визначення, відбувається лише у відновних умовах, тобто при зниженні ОВП нижче 450 мВ для марганцю і нижче 300 мВ для заліза.
Встановлено, що періодично у бурувато-підзолистому оглеєному ґрунті Передкарпаття вміст відновленого заліза може зростати до 145 – 550 мг FeO на 100 г ґрунту. Максимальна його концентрація за умови тривалого та глибокого відновлення створюється в місцях локального накопичення окисненого заліза, тобто в ортштейнах. Через різний вміст відновленого заліза між конкрецією і оточуючою ґрунтовою масою виникає ґрадієнт концентрації, який зумовлює відтік заліза від ортштейну, тобто його розчинення.
Дифузія відновленого заліза згідно ґрадієнту концентрацій від ортштейну в принципі повинна продовжуватися і при поступовому покращенні аерованості та підвищенні Eh до значень 300 – 400 мВ, тобто в перехідному діапазоні по системі феррі / ферро, який характеризується відсутністю інтенсивних процесів окиснення чи відновлення залізовмісних сполук хімічним шляхом. Проте під впливом хемотрофних мікроорганізмів процес окиснення заліза може відбуватися і в менш окисних умовах, орієнтовно вже при Eh близько 350 мВ. Точні значення діапазонів окисно-відновних умов життєдіяльності залізоокислюючих бактерій на сьогодні ще не встановлено, хоча очевидно, що вони теж суттєво залежать як від виду організму, так і від ґрунтових умов. Нижчі значення потенціалу при мікробіологічному окисненні пояснюються зниженням енергії активації цього процесу за участю ферментативних систем хемотрофів.
Таким чином, коли ОВП знаходиться в межах 350 – 400 мВ, складаються сприятливі умови для життєдіяльності залізобактерій, колонії яких є центром утворення ортштейнів. З метою отримання енергії вони окиснюють відновлені сполуки заліза, знижуючи їх концентрацію біля конкрецій до рівня 0,02 – 0,005 мг/л FeO. Це зумовлює зворотній градієнт концентрації відновлених речовин і їх переміщення до ортштейнів, тобто ріст останніх.
При ОВП більше 400 мВ закисне залізо окиснюється хімічним шляхом у всій ґрунтовій масі. Подальше підвищення аерації і зниження вологості ґрунту зумовлює дегідратацію та кристалізацію новоутворених гідрооксидів заліза, у тому числі й у ортштейнах. Завдяки цьому конкреційні новоутворення набувають характерних морфологічних рис, твердості та стійкості.
Отже, накопичення заліза в ортштейнах відбувається лише при періодичному розвитку відновлення до Eh < 300 мВ, та за умови, що тривалість періоду розчинення з Eh < 300 мВ менше тривалості періоду сегрегації з Eh 350 – 400 мВ.
Накопичення елементів змінної валентності в ортштейнах зменшує інтенсивність їх вимивання з едафотопів та зумовлює значну диференціацію ґрунтової маси за напруженістю окисно-відновних процесів, зокрема локально вирівнює динаміку ОВП. Тому конкрецієутворення можна розглядати як внутрішній механізм захисту екосистеми від деструктивного впливу процесів відновлення та деградації шляхом оглеєння й опідзоленя, яке, проте, зумовлює загальне погіршення водно-фізичних властивостей ґрунту та зниження його ерозійної стійкості.
Для встановлення впливу відновних умов на мікробоценоз едафотопу в четвертому лабораторному досліді зменшені моделі профілю бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття протягом двох років перебували в умовах постійного (глеєутворення) та періодичного (глеєелювіальний ЕГП) перезволоження. Чисельності окремих трофічних груп мікроорганізмів у природному ґрунті та після моделювання, встановлені прямим мікроскопуванням та шляхом висіву на поживні середовища, представлені на рис.1.
Рис. 1. Загальна чисельність і груповий склад мікрофлори
у природному ґрунті (А) та при моделюванні
глеєелювіювання (В) та глеєутворення (С)
Загальна чисельність та чисельність окремих трофічних груп мікроорганізмів у горизонтах природного бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття розподіляється за чітким елювіально-ілювіальним типом. Після дворічної експозиції такий тип розподілу в моделях виявлено лише при підрахунках загальної чисельності мікроорганізмів прямим мікроскопуванням за Виноградським, що загалом свідчить про консервуючий вплив перезволоження. Проте чисельності активних форм представників різних трофічних груп, які проросли на середовищах різного складу під впливом перезволоження та відновних умов зазнали суттєвих змін. Зокрема, змінився профільний розподіл грибів, основна маса яких зосередилася у верхніх більш аерованих горизонтах. Особливо чутливим виявився рід Penicillium, відносно стійкішими роди Aspergillus та Mucor.
У горизонтах з високою активністю грибів відмічено найбільш інтенсивне окислення органіки та найменші кількості бактерій, що проросли на різних середовищах, особливо на середовищі Чапека. І в лісовому ґрунті і в моделях домінуючими серед бактерій є рід Васіllus. Закономірностей профільного розподілу в природному ґрунті та моделях облігатного анаероба Clostridium pasteurianum не виявлено.
При посівах зразків з горизонтів моделей на бактеріальних та грибних середовищах різного складу проростали дрібні рожеві псевдомонади. Ці мікроорганізми утворюють маленькі точкові випуклі колонії рожевого кольору правильної округлої форми. При мікроскопуванні препаратів з колоній виявлені дрібні часто рухливі подовжені клітини. Можливо, вони ініціюють розвиток відновних умов за рахунок зброджування гумусових речовин.
Отже, під впливом тривалого перезволоження та розвитку відновлення значних змін зазнає мікробоценоз ґрунтів, зокрема вміст і профільний розподіл грибів. Нетривалі зниження ОВП не є критичними для мікроорганізмів і значного впливу на мікробіоту едафотопів не мають.
В И С Н О В К И
У дисертації узагальнено відомі дані та наведено розширені уявлення про відновні умови у ґрунтах, чинники їх формування та екосистемну роль. Оскільки в основі більшості процесів ґрунтоутворення лежать окисно-відновніОВ) реакції, генезис ґрунтів, а також їх властивості та екологічні функції у біогеоценозі залежать, в першу чергу, від ОВ умов, які визначають можливість проходження та інтенсивність окремих хімічних та біохімічних перетворень.
1. Доведено, що оцінювати ОВ умови ґрунтів можливо лише відносно окремих ОВ систем. При цьому відновними умовами для будь-якої ОВ системи слід вважати такий її стан, який сприяє утворенню її відновленої форми.
2. Установлено, що надмірне зволоження на фоні підвищених температур, несприятливі водно-фізичні та повітряні властивості бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття зумовлюють перманентний розвиток інтенсивних процесів відновлення, наслідком яких є значний ступінь оглеєності та опідзоленості профілю, низька ємність поглинання (до 20 мг-екв / 100 г ґрунту), висока гідролітична кислотність (до 10 мг-екв / 100 г ґрунту), низький вміст гумусу (до 3 %), обмінного кальцію (до 3,1 мг-екв / 100 г ґрунту), елементів живлення, особливо азоту і фосфору, а також накопичення рухомих форм заліза та алюмінію, вміст яких може сягати 35 та 30 мг на 100 г ґрунту відповідно.
3. Встановлено, що основним чинником розвитку процесів відновлення в ґрунті є діяльність його мікробоценозу. При цьому рівень ОВ рівноваги в едафотопі визначається в основному співвідношенням інтенсивності надходження кисню ззовні та швидкості його споживання ґрунтовими мікроорганізмами при трансформації органіки на фоні гетерогенності та буферної дії ґрунтової маси.
4. Доведено, що при 4єС і нижче у досліджуваних ґрунтах розвиток відновлення не спостерігається. Тому періоди анаеробіозису та спричинені ними процеси ґрунтоутворення мають чіткі сезонні закономірності проходження згідно температурного режиму.
5. Обґрунтовано спосіб оптимізації фосфорного забезпеченя сільськогосподарських культур на кислих гідроморфних ґрунтах шляхом локального внесення невисоких доз фосфорних добрив при посіві, що дозволяє зменшити ретроградацію та підвищити коефіцієнт використання внесених добрив.
6. Розроблено теоретичну модель формування залізо-марганцевих ортштейнів, яка враховує вплив окремих чинників (хемотрофних і неспецифічних гетеротрофних мікроорганізмів, твердої фази, марганець- та залізовмісних мінералів), умови та параметри основних процесів мікробіологічного окиснення і відновлення сполук елементів змінної валентності та їх переміщення. Установлено, що збільшення ортштейнів, зокрема накопичення в них заліза, відбувається лише при періодичному розвитку відновлення до рівня Eh нижче 300 мВ та за умови меншої тривалості такого періоду порівняно з періодом сегрегації з Eh 350 – 400 мВ.
7. Виявлено, що розмір та глибина розміщення ортштейнів не впливають на вміст в них кислоторозчинних форм заліза і марганцю, та на їх співвідношення, яке в межах однорідного ареалу змінюється у широкому діапазоні від 7,6 до 426,6, що унеможливлює використання цього показника для кількісної оцінки ступеня гідроморфності досліджуваних ґрунтів.
8. Установлено, що під впливом тривалого перезволоження та розвитку відновлення значних змін зазнає мікробоценоз досліджуваних ґрунтів, зокрема вміст і профільний розподіл грибів, що може бути основою якісної діагностики цих процесів. Особливо чутливим виявився рід Penicillium, відносно стійкішими роди Aspergillus та Mucor. Серед бактерій домінував рід Bacillus, також відмічено значне зростання кількості представників роду Pseudomonas, які при посівах на середовищах різного складу формували маленькі точкові колонії рожевого кольору округлої форми з випуклою поверхнею. Нетривалі зниження величини ОВП не є критичними для мікроорганізмів і значного впливу на мікробіологічні параметри едафотопів не мають.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Дронь Ю.С. Реакція мікробоценозу бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття на перезволоження // Агрохімія і ґрунтознавство. Вип. 63. – Харків, 2002. – С. 60 – 64.
2. Назаренко І.І., Бербець М.А., Дронь Ю.С., Чорневич Т.М. Ортштейни бурувато – підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття та моделювання їх утворення // Науковий вісник Чернівецького національного університету: Збірник наукових праць. Вип. 252: Біологія. – Чернівці: Рута, 2005. – С.167 – 174. (Співавтори брали участь при зборі даних та їх обробітку, теоретична частина та оформлення статті виконані здобувачем особисто).
3. Дронь Ю.С. Створення функціональної моделі розвитку відновних умов у грунті // Науковий вісник Чернівецького університету. Вип. 193. Сер. Біологія. – Чернівці: Рута, 2004. – С.154 – 159.
4. Нікорич В.А., Польчина С.М., Смага І.С., Том’юк Б.П., Дронь Ю.С. Трансформація форм мінеральних фосфатів бурувато-підзолистих оглеєних грунтів Передкарпаття у зв’язку зі зміною мікробіологічної та ферментативної активності // Науковий вісник Чернівецького університету. Вип. 38: Біологія. – Чернівці: ЧДУ, 1998. – С. 72 – 82. (Здобувач брав участь при визначенні мікробіологічної та ферментативної активності ґрунтів).
5. Назаренко І.І., Смага І.С., Нікорич В.А., Беспалько Р.І., Дронь Ю.С. Комплексна діагностика ґрунтоутворення в Передкарпатті // Вісник Львівського університету. Вип. 25. -1999.– С. 74 – 75. (Здобувач брав участь у розробці частини теоретичного матеріалу та написанні статті).
6. Нікорич В.А., Дронь Ю.С., Цвик Т.І. Шляхи оптимізації фосфорного забезпечення сільськогосподарських культур на перезволожених кислих ґрунтах // Збірник наукових праць Уманського державного аграрного університету. Біологічні науки і проблеми рослинництва. – Умань, 2003. – С. 831 – 834. (Розробку теорії та написання статті виконав здобувач особисто).
7. Дронь Ю.С. Изменения микробоценоза бурувато-подзолистой почвы Предкарпатья при моделировании переувлажнения // Тезисы докладов Х международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам “Ломоносов – 2003”. Секция Почвоведение. (17 апреля 2003 г., Москва). – М: МГУ, факультет почвоведения, 2003. – С. 36 – 37.
8. Назаренко И.И., Дронь Ю.С. Процессы восстановления в бурувато - подзолистой оглееной почве Предкарпатья // Тезисы Всероссийской научно-практической конференции “Гидро-морфные почвы – генезис, мелиорация и использование”. (8 – 12 июля 2002 г., Москва). – М.: МГУ, 2002. – С. 78 – 79.
9. Дронь Ю.С. Мікрофлора елювіально-глеєвого та глеєвого процесів ґрунтоутворення бурувато-підзолистого оглеєного ґрунту Передкарпаття // Матеріали студентської наукової конференції Чернівецького держуніверситету. Книга 2. Природничі науки. – Чернівці, 1999. – С. 22 – 23.
АНОТАЦІЯ
Дронь Ю.С. Екологічні чинники формування відновних умов та їх роль у генезисі бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття . – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 – екологія. Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича. – Чернівці, 2007.
Дисертація присвячена вивченню закономірностей формування відновних умов та їх впливу на генезис бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття.
Встановлено роль окремих екологічних чинників при розвитку відновних умов. Дано визначення терміну „відновні умови” та досліджено їх вплив на ґрунтоутворення, зокрема на формування морфологічних, водно-фізичних, мікробіологічних, хімічних властивостей бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Передкарпаття, їх екологічний статус і продуктивність.
Обґрунтовано спосіб оптимізації фосфорного забезпеченя рослин на кислих гідроморфних ґрунтах шляхом локального внесення невисоких доз фосфорних добрив при посіві.
Відтворено процес конкрецієутворення у лабораторних умовах та запропоновано модель, що пояснює його. Вивчено закономірності поширення ортштейнів та вмісту в них кислоторозчинних форм заліза та марганцю в межах однорідного ареалу досліджуваного ґрунту.
Ключові слова: відновні
