НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПАНАСЕНКО ВІКТОРІЯ МИХАЙЛІВНА
УДК 631.43:631.445.2/.4:631.95(477.41)
ВПЛИВ ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА СТРУКТУРНІ РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ ТЕМНО-СІРОГО ОПІДЗОЛЕНОГО І ЛУЧНО-ЧОРНОЗЕМНОГО ҐРУНТІВ ЛІВОБЕРЕЖНОГО ЛІСОСТЕПУ
06.01.03 – агроґрунтознавство і агрофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Національному аграрному університеті
Кабінету Міністрів України
Науковий керівник – | доктор сільськогосподарських наук,
професор, членкор УААН
Булигін Сергій Юрійович,
Харківський національний аграрний
університет ім. В.В. Докучаєва,
ректор
Офіційні опоненти: |
доктор сільськогосподарських наук,
старший науковий співробітник
Єрмолаєв Микола Миколайович,
Національний науковий центр
„Інститут землеробства УААН”,
завідувач лабораторії сівозмін
кандидат сільськогосподарських наук,
доцент
Кудрик Анатолій Порфирович,
Державний вищий навчальний заклад „Державний агроекологічний університет”, доцент кафедри таксації лісу
та лісовпорядкування
Захист відбудеться „12” червня 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.04 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: м. Київ, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28
Автореферат розісланий „8” травня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради І.В. Присташ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність. Важливість питання впливу сільськогосподарського виробництва на стан ґрунтів України, зокрема їх фізичних властивостей, з кожним роком зростає, з огляду на значне поширення деградаційних процесів. Вивченням фізичної деградації ґрунту займалися: В.В. Медведєв, А.Г. Бондарев, И.В.Кузнецова, В.И. Данилова, П.М. Сапожніков та ін. Проте зміни фізичних, фізико-хімічних та біологічних показників темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів під впливом різного за інтенсивністю технологічного навантаження вивчено недостатньо. Також незначна кількість даних з проблеми дослідження їх зміни на рівні елементарних ґрунтових часток (ЕҐЧ). Зовсім мало напрацювань у напрямку нормування технологічного навантаження на ґрунти.
За таких умов особливо актуальним є вивчення змін темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів за умов різного за інтенсивністю технологічного навантаження та розробка алгоритму його нормування. Актуальність даної теми підтверджується в пункті 1.3. переліку „Пріоритетні завдання аграрної науки України” (УААН, 2008 р.), а саме: розроблення нових екологічних нормативів, правил, регламентів та вимог, спрямованих на здійснення превентивних заходів з охорони ґрунтів і раціонального їх використання; розроблення нормативних документів щодо охорони та раціонального використання ґрунтів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках науково-дослідної роботи за темою: “Розробка системи оцінки та прогнозу якості земель” (2003-2007 рр., № держреєстрації 0103U005377).
Мета і завдання дослідження. Вивчити й оцінити на агрегатному та елементарному структурних рівнях організації темно-сірий опідзолений та лучно-чорноземний ґрунти за різного технологічного навантаження для подальшого його нормування та діагностування негативних змін.
Для досягнення мети визначено наступні завдання:
– провести енергетичну оцінку технологічного навантаження на ґрунти;
– вивчити вплив різного за інтенсивністю технологічного навантаження на структурно-агрегатний склад ґрунтів та їх водостійкість;
– дослідити зміни стану ґрунтів на рівні елементарних ґрунтових часток, їх целюлозолітичну активність та гумусний стан залежно від рівня технологічного навантаження;
– оцінити вплив технологічного навантаження на врожайність сільськогосподарських культур;
– розробити алгоритм нормування технологічного навантаження на ґрунти в агрофізичному аспекті.
Об’єкт дослідження: зміни фізичних, фізико-хімічних та біологічних процесів у темно-сірому опідзоленому та лучно-чорноземному ґрунтах в умовах різного за інтенсивністю технологічного навантаження.
Предмет дослідження: структурно-агрегатний склад, водостійкість, вміст неагрегованих елементарних ґрунтових часток, вміст гумусу, целюлозолітична активність темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів за різної інтенсивності технологічного навантаження.
Методи дослідження: польовий, лабораторно-аналітичний, математико-статистичний і метод енергетичної оцінки.
Наукова новизна одержаних результатів. Вивчено зміни темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів на рівні елементарних ґрунтових часток за різного по інтенсивності технологічного навантаження. Вперше на досліджених ґрунтах було встановлено, що вміст у фракціях неагрегованих ЕҐЧ із зростанням інтенсивності технологічного навантаження збільшувався, що підтверджується позитивними кореляційними зв’язками. Для автоматизації підрахунку їх вмісту в ґрунті запропоновано використання цифрової фотокамери та кластерного аналізу. Встановлено доцільність використання енергетичного підходу для оцінки впливу технологічного навантаження на ґрунти. Проведено нормування технологічного навантаження на темно-сірий опідзолений та лучно-чорноземний ґрунти.
Практичне значення одержаних результатів. Удосконалено систему показників контролю агрофізичного стану ґрунту. Модифіковано метод визначення вмісту неагрегованих ґрунтових часток шляхом автоматизації їх підрахунку. Запропоновано алгоритм нормування технологічного навантаження на ґрунт. Результати досліджень були використані при розробленні “Положення про економічне стимулювання екологічних заходів у землекористуванні”.
Удосконалений метод визначення вмісту в ґрунтах неагрегованих елементарних ґрунтових часток з метою моніторингу їх агрофізичного стану впроваджено на базі Київського обласного державного проектно-технологічного центру охорони родючості грунтів і якості продукції на площі 208,6 тис. га.
Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та завдань досліджень, розробленні методики досліджень, плануванні та проведенні польових і лабораторних досліджень, проведенні аналітичних робіт, в аналізі наукової літератури з питань, що стосуються предмету дослідженя, узагальненні, аналізі та статистико-математичному обробленні отриманих результатів. Здобувач є співавтором удосконалення методу визначення кількості неагрегованих елементарних часток у ґрунтових об’єктах.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені на міжнародній науково-виробничій конференції, присвяченій 80-річчю на дня народження і 50-річчю наукової діяльності доктора с.-г. наук, професора М.К. Шикули (м. Київ, 25-28 січня 2005 р.); конференції науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів за підсумками науково-дослідних робіт 2004 р. (м. Київ, 5 лютого 2005 р.); VII міжнародному з’їзді ґрунтознавців та агрохіміків (м. Київ, 24-28 липня 2006 р.); міжнародній науковій конференції «Екологічна мікроморфологія – перспективний напрямок дослідження ґрунтів як підсумкового компоненту біогеоценозу» (м. Дніпро-петровськ, 2-5 жовтня 2007 р.).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 6 наукових праць, з яких 4 статті у фахових виданнях та 2 у збірниках матеріалів конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 140 сторінках основного тексту. Робота складається зі вступу, семи розділів основної частини, висновків, рекомендацій виробництву, включає 27 таблиць, 28 рисунків та 4 додатки. Список літератури включає 220 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ЗМІНИ ҐРУНТІВ ПІД ВПЛИВОМ ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ (огляд літератури)
За даними аналізу результатів досліджень вітчизняних та іноземних авторів щодо впливу технологічного навантаження на ґрунт відзначено значне протиріччя в поглядах науковців. Показана відсутність даних щодо зміни вмісту в ґрунтах неагрегованих ЕҐЧ за різного по інтенсивності технологічного навантаження. Висвітлено важливість та перспективність використання енергетичного підходу в оцінці технологічного навантаження та доведено необхідність розроблення нормативних вимог для його контролю.
На основі аналітичного огляду наукової літератури обґрунтовано необхідність та перспективність проведення досліджень за темою дисертації.
ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
Дослідження впливу технологічного навантаження на стан ґрунтів проводили протягом 2004-2006 років на базі господарства ТОВ „Біотех ЛТД” в с. Городище Бориспільського району Київської області, розташованому в зоні Лівобережного Лісостепу. Ґрунти дослідних ділянок – темно-сірий опідзолений (піщано-крупнопилувато-легкосуглинковий на лесі) та лучно-чорноземний (піщано-крупнопилувато-легкосуглинковий на лесі). Критерієм для вибору варіантів досліджень стала різна інтенсивність технологічного навантаження на ці ґрунти. На темно-сірому опідзоленому ґрунті дослідження проводили за наступною схемою: 1. Переліг (контроль); 2. Поле з польовою сівозміною; 3. Поле з польовою сівозміною; 4. Поле з овочевою сівозміною. На лучно-чорноземному ґрунті: 1. Переліг (контроль); 2. Поле з польовою сівозміною.
Відбір зразків проводили тричі на рік (весна, літо, осінь) з верхнього шару ґрунту (0-20 см) за схемою шестипроменевої розетки, відстань між точками відбору – 30 м. Аналізи ґрунтів проводили згідно загальноприйнятих методик. Відповідно до мети й завдань дослідження у ґрунтових зразках визначали: рН водний (ГОСТ 26423-85), загальний вміст гумусу – за методом Тюріна в модифікації Сімакова (Практикум по почвоведению / Под. ред. И.С.Кауричева, 1986), груповий склад гумусу – за методом І.В. Тюріна у модифікації М.М.Кононової і Н.П. Бельчікової (МВВ-31-497058-006-2002), гранулометричний склад – за методом Качинського (ГОСТ 12536-79), структурно-агрегатний склад – за методом Савінова (А.Ф. Вадюніна, З.А. Корчагіна, ), водостійкість – методом качання сит (А.Ф. Вадюніна, З.А. Корчагіна, ), вміст неагрегованих елементарних ґрунтових часток (ЕҐЧ) – за методом С.Ю. Булигіна і М.Ф. Лісецького, ступінь розкладання целюлози – за методом Л.Д. Тихомирової. Крім того, визначали щільність складення (ДСТУ ISO 11272-2001), щільність твердої фази – пікнометрично, ISO 11580-84 (ГОСТ 5280-84), вміст вологи (ГОСТ 5180-84).
Орний шар ґрунтів, що досліджувалися, характеризувався наступними показниками (табл. 1).
Для оцінки технологічного навантаження на ґрунти дослідних полів був використаний також енергетичний підхід за єдиної одиниці виміру – джоуль. Порівняння варіантів дослідів проведено за показником привнесеної антропогенної енергії окремо за роками та протягом усього періоду досліджень, розрахованим на основі методики Ю.О. Тараріко, О.Є. Несмашної, Л.Д. Глущенко (2001). Основою для розрахунку кількості енергії були технологічні карти, складені по кожній культурі за 2004-2006 рр.
Таблиця 1
Характеристика ґрунтів, що досліджувалися, 2004 р.
Ґрунт | Варіант досліду | Загальний гумус, % | Фізична глина, % | Щільність твердої фази, г/см3 | Загальна пористість, %
темно-сірий опідзолений | 1 (контроль) | 3,01 | 27,9 | 2,58 | 50,0
2 | 1,93 | 23,6 | 2,66 | 46,4
3 | 1,80 | 23,3 | 2,60 | 48,0
4 | 2,35 | 23,9 | 2,67 | 48,2
лучно-чорноземний | 1 (контроль) | 3,62 | 22,7 | 2,53 | 54,1
2 | 2,08 | 22,2 | 2,60 | 45,9
Визначення вмісту у фракціях неагрегованих ЕҐЧ проводили за запропонованою нами формулою:
, (1)
де ЕҐЧф – середній вміст неагрегованих ЕҐЧ у фракціях від 0,25 до 0,05 мм, %; а – вміст неагрегованих ЕҐЧ у i-тій фракції, %; n – кількість фракцій.
Для оцінки урожайності сільськогосподарських культур був використаний інтегральний показник (т/га зернових одиниць).
При розробленні алгоритму нормування технологічного навантаження була використана формула Колкова (1990 р.): , (2)
де Сmin – рівень мінімально можливого вмісту неагрегованих ЕҐЧ, що визначається генезисом ґрунту;
Сmax – рівень максимально допустимого вмісту неагрегованих ЕҐЧ.
Статистичну обробку даних здійснювали за допомогою пакета прикладних програм Statistica.
ЕНЕРГЕТИЧНА ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Під технологічним навантаженням розуміється сумарна кількість прямого навантаження на ґрунт у процесі його сільськогосподарського використання (обробіток ґрунту, добрива, засоби захисту рослин, зрошення). Виходячи з мети роботи, формули обрахування антропогенної енергії були дещо скореговані, а саме виключені статті побічних її витрат (що не привноситься безпосередньо в ґрунт). На основі технологічних карт нами розраховано кількість антропогенної енергії, яка вносилася в ґрунт, як за технологіями вирощування (табл. 2), так і за окремими статтями: агротехніка, добрива і засоби захисту рослин, зрошення.
Таблиця 2
Рівні технологічного навантаження на ґрунти
Варіант досліду | Напрям використання | Тип рослинного покриву та рівень технологічного навантаження, МДж/га
2004 р | 2005 р | 2006 р
Темно-сірий опідзолений ґрунт
1 (контроль) | переліг | яблуневий сад
0
2 | польова сівозміна + зрошення | картопля | пшениця озима | кукурудза
22549 | 17136 | 8758
3 | польова сівозміна + зрошення | пшениця яра | ріпак | картопля
8534 | 7239 | 22549
4 | овочева сівозміна | капуста | картопля | сидерати
16858 | 20549 | 1148
Лучно-чорноземний ґрунт
1 (контроль) | пасовище | лучне різнотрав ’я
0
2 | польова сівозміна | пшениця яра | ріпак | картопля
8534 | 7239 | 20574
Таким чином, найбільша кількість антропогенної енергії привносилася в ґрунт при вирощуванні картоплі, а найменша – ярої пшениці та ріпаку. За енергетичним показником найбільшу частку в технології вирощування мають добрива та засоби захисту рослин, дещо меншу – енергія сільськогосподарської техніки й останнє місце – енергія зрошення.
ЗМІНИ СТАНУ ҐРУНТІВ ПІД ВПЛИВОМ ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Трансформація структурно-агрегатного складу і водостійкості ґрунту. Установлено, що вміст повітряно-сухих агрономічно цінних агрегатів у темно-сірому опідзоленому та лучно-чорноземному ґрунтах характеризувався як оптимальний (згідно ДСТУ 4362). Разом із тим структурно-агрегатний склад досліджених ґрунтів за їх сільськогосподарського використання змінювався в напрямі погіршення структурованості та зниження відносної кількості агрегатів агрономічно цінних фракцій.
Криві перерозподілу сухих агрегатів за фракціями у варіантах з обробітком ґрунту схожі між собою, але істотно відрізняються від контролю. Як приклад, на рис. 1 наведено розподіл агрегатів за фракціями, що були
Весна
Літо
Осінь
Рис. 1. Структурно-агрегатний склад темно-сірого опідзоленого ґрунту (2004 р.): варіант 1 (контроль), варіант 2, варіант 3, варіант 4.
встановлені у 2004 р. в темно-сірому опідзоленому ґрунті. Аналогічна тенденція спостерігалася і в інші роки на обох ґрунтах. Характерними фракціями для темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів за якими різниця між перелогом і варіантами з технологічним навантаженням є найчіткішою встановлено брилисті >10 мм і агрономічно найбільш цінні 3-5 мм. Установлено, що протягом року вміст брилистої фракції помітно змінювався, при цьому значення у контролі й варіантах технологічного впливу іноді вирівнювалося. Відмінність за вмістом агрегатів 3-5 мм зберігалася впродовж усього періоду досліджень на обох типах ґрунтів. Вміст цієї фракції на перелозі впродовж зазначеного терміну коливався у межах 19-22У варіантах із технологічним навантаженням він був значно нижчим і знаходився між 9,6 і 16,3
Математичним аналізом встановлено помітний і тісний кореляційні зв’язки між сумарним значенням антропогенної енергії, яка привноситься у ґрунтову систему через агротехнічні заходи, та залежним від нього вмістом окремих фракцій, які характеризують структуру ґрунту. Із збільшенням кількості антропогенної енергії збільшувався вміст брилистої фракції (темно-сірий опідзолений ґрунт характеризується r ,67, лучно-чорноземний – r ,99) і зменшувався вміст агрономічно цінних фракцій 2-3 мм (r – ,69 та r – ,92 відповідно) і 3-5 мм (r – ,68 та r – ,88 відповідно). Серед видів антропогенного навантаження найбільший вплив на структурно-агрегатний склад має дія техніки: для брилистої фракції темно-сірого опідзоленого ґрунту r ,67, лучно-чорноземного – 0,92, для фракцій 2-3 мм – r = – ,76 і – ,92 відповідно, для фракцій 3-5 мм – r – ,74 і – ,96.
За результатами досліджень водостійкості встановлено також негативний вплив сільськогосподарського виробництва на водостійкість досліджуваних ґрунтів. За технологічного навантаження вміст водостійких агрегатів > ,25 мм на темно-сірому опідзоленому ґрунті на 30-45був менший проти контролю, а на лучно-чорноземному ґрунті – на 15 % менший.
За результатами спряженого аналізу перерозподілу агрегатів за мокрого і сухого просіювання встановлено, що за технологічного навантаження 80-90сухих агрегатів розміром > мм під дією води руйнувалися і переходили в агрегати нижчих порядків, тоді як на перелозі руйнувалися лише на 30-50(рис. 2).
Агрегати розміром від 1 до 7 мм у варіантах з обробітком також частково руйнувалися і переходили в агрегати 0,25-1 мм. У контрольних ділянках їх вміст або не змінювався (темно-сірий ґрунт), або навіть дещо збільшувався за рахунок руйнування агрегатів > мм (лучно-чорноземний ґрунт).
Статистичний аналіз даних показав залежність вмісту водостійких агрегатів від кількості антропогенної енергії, яка привносилася в ґрунт упродовж року (табл. 3). Встановлено, що при її збільшенні вміст водостійких агрегатів розміром > ,25 мм зменшувався, тоді як агрегатів 0,25-1 мм – збільшувався, причому, в основному, за рахунок фракції 0,25-0,5 мм; вміст агрегатів > мм у свою чергу зменшувався. Найтісніший кореляційний зв’язок з перерозподілом водостійких агрегатів мала дія техніки, крім фракції 0,5-1 мм для темно-сірого опідзоленого ґрунту, де істотнішим виявився вплив добрив та засобів захисту рослин.
Темно-сірий опідзолений ґрунт
Варіант 1 Варіант 2
Варіант 3 Варіант 4
Лучно-чорноземний ґрунт
Варіант 1 Варіант 2
Рис. 2. Розподіл сухих та водостійких агрегатів у шарі ґрунту 0-20 см
(у середньому за 2004-2006 рр.): сухе просіювання, мокре просіювання.
Дослідження динаміки водостійкості ґрунтів показали, що в усіх варіантах із технологічним навантаженням улітку порівняно з весною відбувається деяке підвищення вмісту водостійких агрегатів > ,25 мм. На нашу думку, це спричинено збільшенням вмісту агрономічно менш цінних слабко зволожуваних агрегатів, що підтверджується роботами В.В. Медведєва та ін.
Таблиця 3
Зв’язок перерозподілу водостійких агрегатів дослідних ґрунтів із антропогенною енергією (середнє за 2004-2006 рр.)
Вид антропогенної енергії | Коефіцієнт кореляції вмісту водостійких агрегатів
з антропогенною енергією
Розмір агрегатів, мм
> | 5-7 | 3-5 | 1-3 | 0,5-1 | 0,25-0,5 | > ,25
Темно-сірий опідзолений ґрунт, p<0,05
техніка– | ,88*– | ,85*– | ,83*– | ,79* | 0,64* | 0,87*– | ,79*
добрива та засоби захисту рослин– | ,73*– | ,68*– | ,66*– | ,62* | 0,74* | 0,66*– | ,58
сумарна – | ,78*– | ,74*– | ,71*– | ,67* | 0,73* | 0,72*– | ,64*
Лучно-чорноземний ґрунт, p<0,05
техніка– | ,96*– | ,96*– | ,96* | 0,22 | 0,99* | 0,99*– | ,84*
добрива та засоби захисту рослин– | ,86*– | ,85*– | ,85* | 0,13 | 0,82* | 0,93*– | ,78
сумарна – | ,92*– | ,92*– | ,91* | 0,16 | 0,90* | 0,97*– | ,82*
Примітка. * – значення, статистично достовірні на 95% рівні ймовірності.
Вміст у ґрунті мікроагрегатів та неагрегованих елементарних ґрунтових часток. Елементарні ґрунтові частки (ЕҐЧ), які в досліджених фракціях показані в основному кварцем, входять як до складу мікроагрегатів, так і знаходяться у вільній неагрегованій формі. Збільшення кількості неагрегованого матеріалу є негативним явищем, особливо для ґрунтів легкого гранулометричного складу. Це виражається у збільшенні щільності грунту, а також у розширенні співвідношення між- і внутрішньоагрегатної шпаруватостей. Загальний вміст елементарних ґрунтових часток у ґрунті залежить від особливостей ґрунтоутворюючої породи і типу ґрунтоутворення та виражається через гранулометричний склад.
За результатами досліджень на обох типах ґрунтів неагреговані ЕҐЧ містяться у всіх фракціях мікроагрегатів від 0,05 до 0,25 мм, у фракції макроагрегатів 0,5-0,25 мм та фракції < 0,05 мм. Неагреговані ЕҐЧ у фракції 0,5-1 мм зустрічаються в ґрунтах варіантів, що перебувають в обробітку, на відміну від перелогів, де вони майже відсутні.
У результаті досліджень встановлено морфологічні та кількісні відміни мікрофракцій ґрунтів перелогів та тих, які перебувають в обробітку. Морфологічна відмінна полягає у зменшенні товщини шару агрегуючого матеріалу на поверхні неагрегованих ЕҐЧ, збільшенні кількості оголених елементарних ґрунтових часток нижчих порядків на поверхні мікроагрегатів, що в сукупності виражається в освітленні забарвлення фракцій. Неагреговані ЕҐЧ варіантів із технологічним навантаженням у більшості випадків укриті тонким шаром високодисперсних часток, тоді як у контрольних ділянках вони переважали без такого нашарування. Крім того, ґрунт варіантів під обробітком містить мікроагрегати та ЕҐЧ у перехідній формі, тобто поверхня ЕҐЧ частково вкрита агрегуючим матеріалом. У ґрунтах перелогу такі форми зустрічаються рідко. На нашу думку, такі „перехідні” агрегати доцільно виділити в окрему групу. Саме їхній вміст у ґрунті може стати індикатором змін у хімічних та фізико-хімічних взаємозв’язках між елементарними ґрунтовими частками та агрегуючим матеріалом. Також вміст „перехідних” ЕҐЧ може бути використаний як показник деградації ґрунту.
За кількісними змінами встановлено, що вміст неагрегованих ЕҐЧ у ґрунтах варіантів з технологічним навантаженням більший, ніж на перелозі, що свідчить про негативний вплив сільськогосподарської діяльності. Встановлено, що зі зростанням енергоємності технології вирощування сільськогосподарських культур відбулося збільшення вмісту в ґрунті неагрегованих ЕҐЧ. По-перше, за рахунок руйнування макроагрегатів і, відповідно, збільшення частки в ґрунті фракцій, які містять неагреговані ЕҐЧ. Особливо це характерно для обробітку ґрунту влітку, коли вміст у ньому цих фракцій збільшувався. Сумарний вміст неагрегованих ЕҐЧ (С,в обох ґрунтах у варіантах з технологічним навантаженням в 1,5-3 рази вищий, ніж на перелозі, а коефіцієнт агрегованості (Ка) відповідно менший на 5-30Крім того, спостерігалася їх динаміка протягом року в залежності від інтенсивності технологічного навантаження.
По-друге, вміст неагрегованих ЕҐЧ під впливом сільськогосподарської діяльності зростає за рахунок зміни співвідношення у самій фракції мікроагрегатів та неагрегованого матеріалу (рис. 3).
а) б)
Рис. 3. Мікроагрегати та елементарні ґрунтові частки темно-сірого опідзоленого ґрунту розміром 0,2-0,25 мм: а) переліг (контроль); б) ґрунт в обробітку.
Середнє значення ЕҐЧф у варіантах із технологічним навантаженням більше від контролю на 19-24на темно-сірому опідзоленому і на 23 % – на лучно-чорноземному ґрунті. Загальновідомо, що вміст гумусу відіграє важливу роль у структуроутворенні ґрунту. За результатами досліджень в межах типу ґрунту (спільна вибірка для перелогу і варіантів із технологічним навантаженням) встановлена залежність між вмістом гумусу і неагрегованих ЕҐЧ, що підтверджується від’ємним кореляційним зв’язком (рис. 4). Так, на темно-сірому опідзоленому ґрунті статистично достовірний коефіцієнт кореляції складає – ,67, а на лучно-чорноземному – ,71. Досліджуючи цю залежність в межах варіантів встановлено, що під впливом технологічного навантаження цей зв'язок не спостерігається (рис. 5). Це свідчить про те, що сільськогосподарська діяльність має потужніший вплив на процеси структуроутворення, ніж вміст гумусу і спричиняє негативні зміни. Підтвердженням цього також є те, що загальний вміст гумусу впродовж року не змінюється, а частка мікроагрегатів і неагрегованих ЕҐЧ у фракціях 0,25-0,05 мм за технологічного навантаження коливається як за сезонами, так і за роками.
Встановлено, що зі збільшенням надходженя в ґрунт антропогенної енергії у фракції 0,25-0,05 мм підвищувався вміст неагрегованих часток та їх „перехідних” форм відносно мікроагрегатів, що підтверджується сильним (r = 0,90 – темно-сірий опідзолений ґрунт) та дуже сильним (r = 0,93 – лучно-чорноземний ґрунт) кореляційними зв’язками. Серед видів антропогенної
а) б)
Рис. 4. Залежність вмісту неагрегованих ЕҐЧ від вмісту гумусу в межах типу ґрунту.
а) б)
Рис. 5. Залежність вмісту неагрегованих ЕҐЧ від вмісту гумусу в межах варіантів: а) темно-сірий опідзолений ґрунт; б) лучно-чорноземний ґрунт; варіант 1 (контроль); варіант 2; варіант 3; варіант 4.
енергії найбільший вплив на ці показники мала дія сільськогосподарської техніки (темно-сірий опідзолений ґрунт – r ,89; лучно-чорноземний – r 0,99). Також встановлено вплив антропогенної енергії і за окремими фракціями мікроструктурного складу. Найчутливішою до дії техніки виявилася фракція 0,2-0,16 мм (r = ,87), а до дії добрив – фракція 0,25-0,2 мм (r = 0,93).
Отже, встановлено, що під впливом технологічного навантаження у фракції мікроагрегатів відбуваються негативні зміни, які виражаються у морфологічних змінах та підвищенні вмісту неагрегованих ЕҐЧ, особливо їх „перехідних” форм. Основним рушійним чинником деградаційних процесів мікроструктури є дія сільськогосподарської техніки.
Модифікація методу визначення вмісту неагрегованих елементарних ґрунтових часток. У ході наших досліджень був модифікований метод визначення вмісту в ґрунті неагрегованих ЕҐЧ, який дозволяє підвищити оперативність отримання даних, зменшити трудомісткість методу, підвищити його точність. Модифікація полягає у наступному: 1) зміні напрямку подачі світла, що підвищує достовірність розрізнення неагрегованих ЕҐЧ серед мікро агрегатів, 2) використанні цифрової фотокамери для отримання зображення робочого поля мікроскопа, 3) автоматизаціїї підрахунку неагрегованих ЕҐЧ з використанням кластерного аналізу цифрових зображень за допомогою ЕОМ, кінцевим результатом якого є визначення процентного вмісту неагрегованих ЕҐЧ у фракції.
ГУМУСНИЙ СТАН ТА ЦЕЛЮЛОЗОЛІТИЧНА АКТИВНІСТЬ ҐРУНТІВ ЗА ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Показники гумусного стану ґрунту. За результатами досліджень, у варіантах з обробітком вміст гумусу менший порівняно з контролем на 0,66-1,21 % (темно-сірий опідзолений ґрунт) і на 1,54(лучно-чорноземний ґрунт). Упродовж трьох років досліджень за технологічного навантаження спостерігалася певна тенденція до зменшення вмісту гумусу. В обох досліджених ґрунтах у випадку їх розорювання порівняно з контролем зменшився вміст як гумінових, так і фульвокислот, але зменшення гумінових кислот є істотнішим: на темно-сірому опідзоленому ґрунті – на 0,17-0,26тоді як фульвокислот – на 0,12-0,15; на лучно-чорноземному вміст гумінових зменшився на 0,18а фульвокислот – на 0,11Непропорційне зменшення гумінових та фульвокислот відповідно зумовило звуження їх співвідношення. Зокрема, у темно-сірому ґрунті значення Сг.к./Сф.к. порівняно з контролем зменшилося на 0,16-0,25 (крім варіанту 4-го), а на лучно-чорноземному – на 0,13.
Целюлозолітична активність ґрунту. Аналізуючи результати досліджень целюлозолітичної активності ґрунту, можна зробити висновок, що це дуже динамічний показник, який змінюється як у межах сезонів, так і років. У контрольних варіантах, де відсутній технологічний вплив, основним чинником, який зумовлював зміни целюлозолітичної активності мікроорганізмів, виявилися погодні умови. Саме вони сприяли тому, що впродовж року динаміка целюлозолітичної активності мікроорганізмів на перелогах обох ґрунтів була однаковою, відрізнялася дещо кількісно, що зумовлено різними типами ґрунту та рослинністю. Влітку порівняно з весняним періодом упродовж двох років було встановлено зростання целюлозолітичної активності ґрунту, що зумовлено підвищенням температури повітря від 15 (2 декада травня) до 21оС (2 декада липня) і, відповідно, кращим прогріванням ґрунту. Восени у 2-й і 3-й декадах жовтня за зниження середньої та мінімальної температур спостерігалося зменшення активності целюлозолітичних мікроорганізмів.
На відміну від перелогів у варіантах під обробітком такої динаміки не відзначено. Зокрема, у другому варіанті темно-сірого опідзоленого ґрунту у 2005 р. за вирощування озимої пшениці встановлено підвищення за весняно-літній період целюлозолітичної активності. У 2006 році в цьому ж варіанті під кукурудзою целюлозолітична активність навпаки знижувалася. Така ж різниця між роками спостерігається і на лучно-чорноземному ґрунті. Отже, погодні умови за сільськогосподарського використання не відіграли важливої ролі в динаміці целюлозолітичної активності ґрунту.
У контролі виявлено залежність рівня целюлозолітичної активності від глибини горизонту: у нижніх шарах зменшується інтенсивність розкладання мікроорганізмами целюлози. За технологічного навантаження такої залежності не виявлено. Целюлозолітична активність змінювалася по глибині 0-30 см як за сезонами, так і за роками.
Отже, під впливом технологічного навантаження спостерігається погіршення гумусного стану темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів та порушення закономірності в динаміці целюлозолітичної активності, яка виражається у зниженні стійкості целюлозолітичних мікроорганізмів до змін метеорологічних умов та втраті органічної речовини, призводячи до погіршення структурно-агрегатного складу ґрунту та інших пов’язаних із життєдіяльністю мікроорганізмів властивостей.
УРОЖАЙНІСТЬ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР ЗА РІЗНОЇ ІНТЕНСИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
За результатами статистичного аналізу була встановлена залежність урожайності від кількості привнесеної у ґрунт антропогенної енергії (рис. 6). Вона зростає зі збільшенням інтенсивності технологічного навантаження, що підтверджується позитивними кореляційними зв’язками. Зокрема, кореляційний зв’язок урожайності з механічною енергією становить r ,78, з хімічною енергією – r = 0,82, а з сумарною антропогенною енергією, яку було привнесено в ґрунт упродовж року, кореляційний зв’язок виявися найтісніший – r = 0,89.
Зростання урожайності на дослідних полях зі збільшенням енергетичних витрат при виробництві сільськогосподарської продукції свідчить про те, що на цьому етапі еволюції ґрунту інтенсифікація технологій вирощування ще є ефективною. Вона зумовлює зростання трансформації енергії потенційної родючості в ефективну, що виражалося в отриманні високих урожаїв. Але надалі підвищення антропогенного навантаження на ґрунт може спричинити погіршення стану ґрунтової системи, зокрема за її агрофізичними показниками, що відповідно вплине і на врожайність сільськогосподарських культур.
Рис. 6. Вплив привнесеної у ґрунт антропогенної енергії на урожайність сільськогосподарських культур (2004-2006 р.).
Фізичні, фізико-хімічні та біологічні властивості ґрунту, які вивчалися в даній роботі, відіграють важливу роль у формуванні врожаю. За технологічного навантаження спостерігається їх погіршення, що було показано вище. Тим не менше урожайність досліджених культур зі збільшенням кількості привнесеної у ґрунт антропогенної енергії зростає, що зумовлено тим, що показники ґрунту змінювалися в допустимих межах і не лімітували її. При цьому встановлено, що застосування одних лише мінеральних добрив без органічних не поповнює достатньою мірою зменшення потенційної родючості, а інтенсивний обробіток ґрунту, зрошення, застосування засобів захисту рослин сприяють переходу потенційної родючості в ефективну, що в сукупності забезпечує високі врожаї культур, але призводить до погіршення стану ґрунту.
НОРМУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ЕЛЕМЕНТАРНОМУ РІВНІ
В умовах регульованого потоку енергії слід визначити норми її навантаження на агроландшафт або величини, які не порушують їх функції.
За основу нормування технологічного навантаження ми пропонуємо використовувати вміст у ґрунті неагрегованих ЕҐЧ (С,
Першим етапом нормування технологічного навантаження є енергетична оцінка агротехнічного заходу чи в цілому технології вирощування сільськогосподарської культури.
Другий етап – визначення фактичного вмісту неагрегованих ЕҐЧ (Сфакт,у ґрунті після застосування технології чи агротехнічного заходу з використанням модифікованого способу визначення неагрегованих ЕҐЧ.
Третім етапом є визначення вмісту неагрегованих ЕҐЧ у ґрунті цілинного аналога для встановлення мінімального їх вмісту, притаманного для того чи іншого типу ґрунту (Сmin,За відсутності цілинних ґрунтів за мінімально допустиме значення неагрегованих ЕҐЧ приймається їх вміст в аналогічному різновиді ґрунту, який не менше 4-х років знаходився під багаторічними травами. Відбір зразків ґрунту проводиться паралельно з відбором на орних ґрунтах, на яких проводиться нормування.
Четвертий етап – розрахунок максимально допустимого вмісту неагрегованих ЕҐЧ у досліджуваному ґрунті за формулою (Колков, 1991).
П’ятим етапом є власне оцінка допустимості агротехнічного заходу чи технології вирощування сільськогосподарських культур щодо збереження родючості ґрунту на основі максимально та фактичного значення вмісту неагрегованих ЕҐЧ. Перевищення фактичного вмісту неагрегованих ЕҐЧ значення Сmax, свідчить про те, що рівень навантаження на ґрунт перевищує допустимі межі й агротехнологічні заходи не є екологічно безпечними з точки зору стабільності ґрунтової системи.
На основі даного алгоритму було проведено нормування технологічного навантаження на темно-сірий опідзолений та лучно-чорноземний ґрунти протягом 2004-2006 рр. За середньорічними даними на обох ґрунтах перевищень Сmax встановлено не було. Разом з тим восени 2005 р. під пшеницею озимою та картоплею їх вміст перевищував максимально допустиме значення на 3,3 та 3,0відповідно, що є підставою вважати внесену в ґрунт кількість антропогенної енергії (17136 і 20549 МДж/га) критичною.
ВИСНОВКИ
У дисертації викладені результати досліджень впливу технологічного навантаження на сруктурні рівні організації темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного грунтів. Теоретично обгрунтовано й визначено напрями покращення оцінки й моніторингу ґрунтів, а також деякі аспекти нормування технологічного навантаження, які сформульовані у наступних висновках:
1. На агрегатному рівні під впливом технологічного навантаження встановлено погіршення структурно-агрегатного складу темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів. Зі зростанням його інтенсивності вміст агрономічно найбільш цінних агрегатів 2-3 і 3-5 мм зменшувався, а брилистих фракцій >10 мм збільшувався. Найбільший вплив на перерозподіл сухих агрегатів мала дія техніки: кореляційний зв’язок антропогенної енергії техніки з агрегатами 2-3, 3-5 і > мм темно-сірого опідзоленого ґрунту відповідно становить r– ,76; – ,74 і 0,67, а лучно-чорноземного ґрунту – r= – ,92; – ,96 і 0,92.
2. Збільшення інтенсивності технологічного навантаження зумовлювало погіршення водостійкості ґрунтів. Зі збільшенням кількості антропогенної енергії, яка привноситься в ґрунт, зменшувався вміст водостійких агрегатів > ,25; 1-3; 3-5; 5-7 і > мм та збільшувався вміст 0,25-0,5 та 0,5-1 мм. Найістотніший вплив на водостійкість ґрунту мала енергія техніки, про що свідчать тісні та дуже тісні кореляційні зв’язки. Крім того, вплив техніки зумовлював появу менш цінних слабко зволожуваних агрегатів, які влітку спричиняли певне підвищення водостійкості, що спостерігалося у всіх варіантах з технологічним навантаженням протягом 2004-2006 рр.
3. На рівні елементарних ґрунтових часток під впливом технологічного навантаження встановлені морфологічні зміни, які полягають у зменшенні товщини шару агрегуючого матеріалу на поверхні неагрегованих ЕҐЧ, збільшенні кількості на поверхні мікроагрегатів оголених елементарних ґрунтових часток нижчих порядків, що в сукупності виражалося в освітленні забарвлення досліджуваних фракцій. На варіантах із технологічним навантаженням порівняно з контролем була встановлена поява „перехідних” ЕҐЧ, які тільки частково вкриті агрегуючим матеріалом.
4. Дія технологічного навантаження на темно-сірі опідзолені та лучно-чорноземні ґрунти спричиняла збільшення вмісту неагрегованих елементарних ґрунтових часток, яке відбувалося двома шляхами: за рахунок збільшення в ґрунті фракції < мм (ці зміни характеризують показники С і Ка) та внаслідок зміни співвідношення у фракціях мікроагрегатів і неагрегованих ЕҐЧ у бік збільшення останніх (показник – ЕҐЧф).
5. У межах двох досліджуваних типів ґрунтів встановлений взаємозв’язок між значенням ЕҐЧф у фракції 0,25-0,05 мм та вмістом гумусу, що підтверджується від’ємними коефіцієнтами кореляції: r = – ,67 – темно-сірий опідзолений і r – ,71 – лучно-чорноземний ґрунти. За технологічного навантаженням цей зв’язок не спостерігається, а значення ЕҐЧф змінюється, головним чином, під дією технологічного навантаження.
6. Зі зростанням привнесення в ґрунтову систему кількості антропогенної енергії у фракції мікроагрегатів збільшувалася частка неагрегованих ЕҐЧ (ЕҐЧф), що підтверджується статистичним аналізом (темно-сірий опідзолений ґрунт r ,90; лучно-чорноземний r ,93). Серед видів енергії найтісніший зв’язок із показником ЕҐЧф мала енергія техніки (r ,89; r ,99 відповідно).
7. За технологічного навантаження встановлено порушення закономірностей динаміки целюлозолітичної активності ґрунту, яка притаманна цим ґрунтам у природних ценозах. Це виражалося в значних коливаннях інтенсивності трансформації целюлози протягом року, а також по глибині 0-30 см. Внаслідок погіршення структурно-агрегатного складу ґрунту, збільшення щільності, зменшення вмісту гумусу, що спричинено сільськогосподарським виробництвом, відбувалося зменшення стійкості целюлозолітичних мікроорганізмів до змін погодних умов.
8. Використання запропонованого нами алгоритму нормування технологічного навантаження за вмістом у ґрунтах неагрегованих ЕҐЧ дозволило встановити, що використання технологій із сумарним привнесенням антропогенної енергії протягом року не більше 17130 МДж/га є прийнятним, оскільки не призводить до перевищення максимально допустимого значення. В той же час привнесення в ґрунт більшої кількості антропогенної енергії від зазначеної є критичним (гранично допустимим), оскільки призводить до оберненого виходу мікроагрегатного стану ґрунту за допустимі межі.
9. За сприятливих погодних умов зі збільшенням енергоємності технології вирощування сільськогосподарських культур формувалася вища урожайність (2,0-9,7 т/га з. од.), що підтверджується позитивним кореляційним зв’язком (r ,87). При цьому було встановлено погіршення показників ґрунту. Тому врожайність сільськогосподарських культур не може бути єдиним об’єктивним показником якісного стану ґрунту.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ
1. Для збереження родючості ґрунтів і запобігання розвитку деградаційних процесів рекомендується використовувати запропонований нами алгоритм нормування технологічного навантаження на основі використання показника вмісту в ґрунті неагрегованих ЕҐЧ.
2. Для попередження процесу фізичної деградації ґрунтів за сільськогосподарського виробництва та отримання врожайності сільськогосподарських культур до 9,7 т/га зернових одиниць на темно-сірому опідзоленому та 6,0 т/га – на лучно-чорноземному ґрунтах рекомендуємо застосовувати технології з сумарним привнесенням антропогенної енергії не більше, ніж 17130 МДж/га за рік.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Панасенко В.М., Бідолах Д.І. До питання нормування техногенного навантаження на ґрунтові ресурси з використанням сучасних технологій // Науковий вісник НАУ. – 2005. – Вип. 85. – С. 180-185 (висвітлення стану сучасної методичної бази моніторингу ґрунтів та шляхи її вдосконалення, аналітичні роботи, написання статті).
2. Панасенко В.М., Ачасова А.О. Деякі підходи до оцінки впливу технологічного навантаження на структурний стан ґрунту // Науковий вісник НАУ. – 2006. – Вип. 102. – С. 224-230 (проведення експериментальних досліджень, узагальнення і аналіз результатів).
3. Панасенко В.М. Оцінка структури ґрунтів як індикатора їх екологічного стану // Агроекологічний журнал. – 2007. – № 4. – С. 46-51.
4. Панасенко В.М. Вплив гумусованості та інтенсивності антропогенного навантаження на мікроструктурність ґрунтів // Наукові доповіді НАУ. – 2008. – № 1 (9). – http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Nd/2008-1/08pvmosm.pdf.
5. Панасенко В.М. Оцінка мікроагрегованості ґрунтів за різних рівнів антропогенного навантаження з використанням модифікованого способу підрахунку ЕҐЧ // Ґрунтознавство: Матеріали Міжнародної наукової конференції. Дніпропетровськ, 2-5 жовтня 2007 р. – Дніпропетровськ, 2007. – Т. 8. – № 1-2. – С. 142-144.
6. Панасенко В.М. Деякі підходи до оцінки впливу технологічного навантаження на ґрунти // Агрохімія і ґрунтознавство: Спец. вип. – Харків, 2006. – Кн. 3. – С. 271-273.
Панасенко В.М. Вплив технологічного навантаження на структурні рівні організації темно-сірого опідзоленого та лучно-чорноземного ґрунтів Лівобережного Лісостепу. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук за спеціальністю 06.01.03 – агрогрунтознавство та агрофізика. – Національний аграрний університет, м. Київ – 2008.
У дисертації викладено результати дослідження впливу технологічного навантаження на темно-сірий опідзолений та лучно-чорноземний ґрунти. Вивчались зміни, які відбуваються на агрегатному та елементарному структурних рівнях організації ґрунту за технологічного навантаження. Встановлено кількісні залежності вмісту сухих та водостійких агрегатів, вмісту у фракціях неагрегованих елементарних ґрунтових часток від кількості антропогенної енергії, яку привносили в ґрунт. Розроблена модифікація методу визначення вмісту в ґрунті неагрегованих елементарних ґрунтових часток.
Розглядається вплив технологічного навантаження на кількісні та якісні зміни гумусу, а також целюлозолітичної активності ґрунтів. Розглянуто роль антропогенної енергії у формуванні врожаю та інформативність останнього як показника родючості ґрунту. Запропоновано алгоритм нормування технологічного навантаження на ґрунти в агрофізичному аспекті.
Ключові слова: ґрунти, технологічне навантаження, антропогенна енергія, агрегати, неагреговані елементарні ґрунтові часточки, гумус, целюлозолітична активність.
Панасенко В.М. Влияние технологической нагрузки на структурные уровни организации темно-серой оподзоленой и лучно-черноземной почв Левобережной Лесостепи. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.03 – агропочвоведение и агрофизика. – Национальный аграрный университет, Киев – 2008.
Диссертация посвящена изучению влияния технологической нагрузки, выраженного в энергетической единице, на темно-серую опозоленую и лучно-черноземную почвы на их агрегатном и элементарном уровнях.
На агрегатном уровне показано ухудшение структурного состояния при увеличении антропогенной нагрузки на почву. Установлена зависимость содержания фракций сухих агрегатов от количества антропогенной энергии, которая вносится в почву, что подтверждается корреляционными связями. При увеличении технологической нагрузки содержание агрономически ценных агрегатов уменьшается, а менее ценных – увеличивается. При интенсификации технологии производства ухудшается
