Філон В.І. Діагностика і екологобезпечне спрямування трансформації грунтів при внесенні добрив

Короткий зміст

ТРАНСФОРМАЦІЯ ҐРУНТІВ В УМОВАХ ІНТЕНСИВНОГО ВИКОРИСТАННЯ ДОБРИВ (аналітичний огляд)

Стан проблеми. Узагальнено літературу з впливу мінеральних добрив на родючість ґрунтів і врожайність культур. Показано, що у переважній більшості публікацій перших років хімізації землеробства висвітлювався тільки позитивний вплив добрив. Поява повідомлень про побічні ефекти пов’язані з їх використанням була б тоді несвоєчасною й необ’єктивною. Мінеральні добрива в ті роки вносили на фоні сприятливої екологічної обстановки, а дози їх під окремі культури ще не перевищували 40-60 кг д.р. Перехід до використання високих доз мінеральних добрив відбувався на фоні всебічної інтенсифікації землеробства. Вірогідно, що це і стало однією з причин прояву негативного впливу високих доз мінеральних добрив на ґрунти. У будь-якому випадку подібні повідомлення все частіше знаходять місце на сторінках спеціальних видань.

Так, під час проведення досліджень на чорноземах вилугованих В.Г. Мінєєв та ін. (1991) прийшли до висновку, що систематичне внесення високих доз мінеральних добрив значно покращувало поживний режим ґрунту, однак "погіршувало деякі агрохімічні властивості ґрунту – зростала кислотність, знижувався вміст гумусу". Дослідженнями Б.С. Носка (1987) на чорноземах типових Харківської області доведено, що високі разові дози мінеральних добрив (N₁₂₀₀P₁₂₀₀K₁₂₀₀) обумовлюють високі щорічні втрати гумусу, призводять до збіднення його азотом і звуження співвідношення С_ГК:С_ФК.

На думку В.В. Медведєва (1992), підвищення доз азотних добрив понад 100 кг "сприяє посиленню руйнування структури, диспергації ґрунту і заповненню ґрунтових пор тонкодисперсною частиною, що врешті зумовлює підвищення щільності ґрунту".

За даними Г.В. Добровольського (1983), "минеральные удобрения даже в небольших дозах приводят к распылению структуры, снижают прочность агрегатов, уменьшают видимую порозность и увеличивают глыбистость". Питання про негативний вплив високих доз мінеральних добрив на властивості ґрунтів і екологічний стан територій продовжує порушуватися і в сучасних публікаціях Е.Г. Дегодюк, 2001; М.О. Горін, 2002; А.П. Лісовал, В.М. Макаренко, С.Н. Кравченко, 2002), що засвідчує невирішеність ряду питань з агрохімічного окультурювання ґрунтів.

Узагальнюючи накопичений близький до теми дисертації експериментальний матеріал, можна зробити висновок, що внесені у ґрунт добрива перш за все змінюють його хімічний стан, а саме: рН, ОВП, концентрацію і активність іонів ґрунтового розчину, склад увібраних катіонів, буферну здатність та інші показники. При цьому змінюється еколого-трофічний склад мікроорганізмів, посилюється трансформація органічних речовин і мінерального скелету ґрунту. (А.М. Грінченко та ін., 1964; А.П. Лісовал, 1969; В.А. Ковда, 1973; Т.О. Грінченко та ін, 1982; М.В. Лісовий, 1998; Д.Г. Тихоненко, В.І. Канівець, 1970). Причому у ряді випадків ці зміни не є позитивними із агрономічного погляду. Оскільки інтенсивне землеробство неможливе без використання мінеральних добрив, а останнє може призвести до небажаних трансформаційних змін ґрунтів, виробникам залишається використовувати їх так, щоб указані зміни були передбаченими і керованими. Останнє можливе тільки на основі глибокого вивчення процесів і механізмів взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом.

Новий підхід до вивчення механізму взаємодії добрив з ґрунтом започаткував М.Б. Мінкін (1982), який показав, що взаємодія солі (добрива) з ґрунтом іде з кінцевою швидкістю. Визнання того факту, що внесені добрива потрапляють не у гомогенізоване середовище і що взаємодія добрив з ґрунтом відбувається не миттєво, особливо у ґрунтах з низькою вологістю, дозволила вченим дійти до висновку про поетапну взаємодію добрив з ґрунтом (Д.С. Орлов, 1990). Незважаючи на таке визнання, історично склалося так, що вивчення початкового етапу взаємодії добрив з ґрунтом залишилося поза увагою дослідників. У зв’язку з цим вирішення поставлених завдань розпочато з діагностики й дослідження первинних процесів взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом.

МЕТОДИЧНІ ПІДХОДИ ДО ВИВЧЕННЯ ТРАНСФОРМАЦІЙНИХ
ЗМІН ҐРУНТІВ ПІД ВПЛИВОМ ДОБРИВ

Методологія досліджень. Запропоновано новий підхід до вивчення агрогенної трансформації ґрунтів при внесенні добрив. Він базується на гіпотезах, що знайшли експериментальне підтвердження, а саме: причина неоднозначності низки висновків з проблеми використання підвищених доз добрив полягає не в низькій якості виконаних аналізів, а в можливості розвитку трансформаційних змін ґрунтів під впливом одних і тих самих форм добрив у різних напрямах. Сама наявність цього факту свідчить про можливість втручання у процеси взаємодії добрив з ґрунтом. Негативні зміни властивостей ґрунтів виникають уже на першому етапі взаємодії їх із ґрунтом і обумовлені впливом добрив як хімічних реагентів. У зв’язку з останнім вивчення "прямого" впливу мінеральних добрив на ґрунтову масу є актуальним і вкрай необхідним. Сьогодні серед чисельних досліджень, присвячених впливу мінеральних добрив на властивості ґрунтів, чітко простежуються два методичних напрями до вирішення проблеми. Перший – це проведення тривалих стаціонарних дослідів і реєстрація еволюційних змін ґрунтів під впливом добрив. Другий – це дослідження процесів безпосередньої взаємодії добрив з ґрунтом. При цьому другий напрям є менш витратним і більш перспективним, оскільки дозволяє не тільки швидко оцінювати влив добрив, але й цілеспрямовано керувати ним. Прямий вплив мінеральних добрив (як хімічних реагентів) на ґрунти був відомий ще до початку інтенсивного їх використання. Так, у працях ВІДА (1935 р.) знаходимо статтю С.Г. Ридкого, назва якої як найбільш точно характеризує вплив мінеральних добрив на ґрунт "Коагулирующее и пептизирующее действие минеральных удобрений". У цьому зв’язку доречно згадати й досліди М.К. Крупського, які О.Н. Соколовський наводить у своєму підручнику з ґрунтознавства. Це досліди з вивчення коагулюючої дії солей. Серед досліджуваних ними солей були і добрива, які явно викликали пептизацію ґрунтової маси. На жаль, ні М.К. Крупський, ні О.Н. Соколовський ніяких висновків відносно мінеральних добрив не роблять.

Із подібною ситуацією стикаємося ми і під час знайомства з відомою монографією С.А. Ваксмана "Гумус". У ній автор неодноразово вказує на використання сечовини для вилучення з ґрунту гумусових речовин. Але сечовина в цьому випадку розглядається ним не як добриво, а як хімічний реагент. Отже, усі попередні дослідження дозволили нам визначитися з підходами до вивчення трансформації ґрунтів під впливом добрив. Ключовим моментом стало визнання таких фактів, як прямий і опосередкований вплив мінеральних добрив; наявність в існуючому асортименті мінеральних добрив з різноплановим, часом протилежним впливом на агрономічні властивості ґрунтів; відсутність теоретичного обґрунтування використання різних форм мінеральних добрив як основних важелів екологобезпечного управління ефективною родючістю ґрунтів.

Умови і методика проведення досліджень Дослідження виконано в умовах тривалих стаціонарних дослідів на найбільш поширених представниках ґрунтового покриву України: бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах у дослідах Коломийської дослідної станції Івано-Франківського інституту АПВ; дерново-підзолистому супіщаному ґрунті стаціонарного досліду Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН; сірому лісовому ґрунті у польовому досліді ННЦ "Інститут землеробства УААН", чорноземі типовому середньосуглинковому в досліді Веселоподільської дослідної селекційної станції Інституту цукрових буряків УААН; чорноземі типовому важкосуглинковому у стаціонарних дослідах кафедр агрохімії і землеробства ХНАУ ім. В.В. Докучаєва, а також Граківського дослідного поля ННЦ "Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського". Характеристика вказаних об’єктів включала детальний опис ґрунтових профілів; умов ґрунтотворення і основні властивості ґрунтів. У зразках ґрунту, що відібрані на польових стаціонарних дослідах, визначали загальноприйняті фізичні, хімічні і фізико-хімічні показники за стандартизованими методиками. Аналітичну частину роботи виконували на кафедрах агрохімії і ґрунтознавства Харківського НАУ, у ННЦ "ІГА імені О.Н. Соколовського", на кафедрі географії ґрунтів МДУ ім. М.В. Ломоносова (м. Москва). Експериментальні дані математично оброблені на ПК за програмою Маthcad. Результати принципово важливих досліджень зберігаються в архівних файлах приладів.

ЗМІНИ ҐРУНТОВОЇ МАСИ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ ЇЇ З ДОБРИВАМИ

Закономірності і характер взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом. Проведені нами іонометричні, мікро- і субмікроморфологічні дослідженя показали, що взаємодія мінеральних добрив з ґрунтом відбувається не миттєво, а розгортається у просторі і часі. Так, після внесення NH₄Cl у ґрунт активність іонів амонію спочатку зростає, потім стабілізується на певному рівні (1,26 Ммоль·л^-1). Така картина взаємодії добрива з ґрунтовою масою характерна передусім для добре оструктурених ґрунтів. Мікроморфологічні дослідження чорноземів свідчать, що окремі агрегати примикають один до одного невеликою площею і, що дифузійне переміщення іонів від одного мікроагрегату до іншого потребує часу. При нестачі вологи перенос хімічних речовин сповільнюється і вони концентруються в місцях їх внесення. Так застосування растрової електронної мікроскопії виявляє осередки з підвищеним умістом солей. У ряді випадків діагностуються нерозчинні кристали внесених добрив. При вологості ґрунту достатній для розчинення добрива відбувається новоутворення солей на поверхні глинистих агрегатів, як результат протікання обмінних реакцій між добривами і ГВК. Виділення солей свідчить про те, що закінчився фізичний і фізико-хімічний етап взаємодії добрив з ґрунтом. Таке завершення є відносним. За певних умов може відбутися процес розчинення новоутворених солей, у тому числі й добрив, якщо вони не встигли прореагувати з ґрунтом. На нашу думку, складний процес взаємодії добрив з ґрунтом включає чотири основні етапи: фізичний (адсорбція, розчинення, зовнішня і внутрішня дифузія); фізико-хімічний (обмін катіонів); хімічний (утворення важкорозчинних сполук) і біологічної трансформації добрива. Найбільш дослідженими є етапи хімічної і етап біологічної взаємодії добрив з ґрунтом, з якими пов’язано формування і зміни поживного режиму ґрунтів. Першим етапам взаємодії добрив з ґрунтом приділяється невиправдано мала увага. Водночас дослідники визнають, що кінцевий результат впливу мінеральних добрив на ґрунти багато в чому залежить від початкових процесів взаємодії добрив з ґрунтом. Відомо, що природні фактори і недосконалість туковисіваючої техніки спричиняють строкатість ґрунтового покриву за вмістом поживних речовин. Вказане питання вивчали з метою обґрунтування локального характеру взаємодії добрив з ґрунтом. Результати іонометричних досліджень свідчать про суттєве посилення варіабельності аNH₄⁺ у чорноземі типовому після рівномірного внесення аміачної селітри. Статистичні параметри варіабельності аNH₄⁺ (Ммоль·л^-1 ) при n=60 до внесення NH₄NO₃ становили:=1,05; =0,188; S²=0,035; Min=0,63; Max=1,41; V=18%, після внесення NH₄NO₃ – =1,49; =0,785; S²=0,616; Min=0,63; Max=5,01; V=53%.

Локальний характер взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом на мікроморфологічному рівні діагностується через локальне ущільнення ґрунтової маси, локальну втрату агрегатів вищих порядків, нерівномірність прокрашення глинистої плазми гумусом. На субмікрорівні локальність взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом проявляється в локальній перебудові глинисто-гумусової плазми і локальному виділенні новоутворених солей.

Концентрація й активність іонів при внесенні різних форм мінеральних добрив. З локальним характером дії мінеральних добрив пов’язаний такий важливий процес, як штучне створення осередків з підвищеною концентрацією ґрунтового розчину. Це може призводити до хімічних стресів рослин, пригнічення корисної мікрофлори, погіршення фізичного та фізико-хімічного стану ґрунтів. Сьогодні це питання постало у зв'язку з виробничою необхідністю переходу господарств на локальне внесення добрив. Визначення концентрації поживних речовин у стрічках з внесенням добрив раніше виконувалося традиційними методами. Останні не дозволяють проводити прямі дослідження ґрунтового розчину, а звідси й умовність отриманих раніше даних. Удосконалення іонселективних електродів дозволяє вимірювати концентрацію й активність іонів в осередках внесення мінеральних добрив за допомогою in situ-метрії без порушень будови та функціонування ґрунту. Крім того, з'явилася можливість проведення іонометричних досліджень з різними в тому числі й перспективними формами добрив.

Результати таких досліджень свідчать, що нітратні форми добрив здатні створювати в зоні гранули концентрацію ґрунтового розчину близько 5%. Зона підвищеної концентрації нітратів діагностується у радіусі 3-5 см. Із віддаленням від центру осередку концентрація нітратів поступово зменшувалася. Помітно менша концентрація ґрунтового розчину створювалася амонійними формами азотних добрив. Осередок високого вмісту NH₄⁺ мав радіус не більше 1-2 см. Калійні добрива повільно розчинювалися у вологому ґрунті. Висока концентрація калію створювалася тільки безпосередньо під гранулою хлористого калію. Підвищення концентрації ґрунтового розчину практично не реєструвалося вже на відстані 2 см від гранули. Присутність фосфатного і калійного компонентів у гранулах нітрофоски гальмує процес її розчинення. Швидкість розчинення і міграції цього добрива є такі, що не сприяють створенню високої концентрації ґрунтового розчину в осередках внесення добрива. Досліди підтвердили, що різні форми мінеральних добрив здатні створювати у ґрунті різні за концентрацією ґрунтового розчину і розміром осередки, а разом з тим, і різну активність іонів-пептизаторів, передусім амонію. Найбільші значення аNH₄⁺ спостерігалися на варіантах із внесенням NH₄Cl і (NH₄)₂SO₄. Значно нижчою аNH₄⁺ була на варіантах з аміачною селітрою і водним аміаком. Поява NH₄⁺ при внесенні натрієвої і кальцієвої селітри, на нашу думку, є наслідком обмінних реакцій між добривами, з одного боку, і ГВК, з іншого.