Трансформація родючості солонцевих ґрунтів лісостепу України під впливом меліорацій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аграрний університет

УДК 631.417:631.55/82:631.67

Трансформація родючості солонцевих ґрунтів лісостепу України під впливом меліорацій

06.01.03 - агрогрунтознавство і агрофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук

Єрмолаєв Микола Миколайович

Київ 2002

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті землеробства Української академії аграрних наук

Науковий консультант:

доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Мазур Генріх Адольфович, Інститут землеробства УААН, завідувач лабораторії агрогрунтознавства

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор

Шикула Микола Кіндратович, Національний аграрний університет, професор кафедри грунтознавства та охорони грунтів

доктор сільськогосподарських наук, професор Грінченко Тимур Олександрович, Харківський державний педагогічний університет, завідувач кафедри ботаніки

доктор сільськогосподарських наук, професор Полупан Микола Іванович, Інститут грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН, головний науковий співробітник лабораторії ґрунтового покриву і картографії грунтів

Провідна установа:

Харківський державний аграрний університет ім. В.В.Докучаєва Міністерства аграрної політики України, кафедра грунтознавства, м. Харків

Захист відбудеться 24 травня 2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.04 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к.41.

Автореферат розісланий 22 квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Балабайко В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розв'язання важливого завдання збільшення виходу продукції на одиницю загальних витрат в аграрному виробництві залежить, у першу чергу, від стану ґрунтового покриву як найважливішої ресурсної бази цього виробництва. Актуальність дослідження зумовлена гострою необхідністю теоретичного осмислення і практичної оцінки характеру і наслідків перманентного антропогенного впливу на орні ґрунти України, значним поширенням їх малопродуктивних категорій, зокрема, засолених і солонцюватих з низькою ефективною родючістю.

Внаслідок помітного ландшафтно-екологічного дисбалансу, зумовленого невиправдано високою розораністю ґрунтів, а також обєктивною обмеженістю можливостей інтенсифікації землеробства, подальший розвиток останнього стане можливим на основі застосування нових принципів використання земель, вдосконалення систем меліорації і скорочення площі ріллі, розширення сінокісно-пасовищних угідь.

Інтенсифікація природокористування вкрай загострила також проблему техногенної деградації ґрунтового покриву, зокрема, його нафтового забруднення і засолення мінералізованими пластовими водами. Негативний вплив нафтопродуктів і супутніх сольових розчинів на родючі шари чорноземних ґрунтів, значна трудомісткість і недостатня ефективність традиційних механічних методів рекультивації визначають актуальність проблеми дослідження і застосування загальноприйнятих меліоративних заходів - хімічної меліорації і раціонального удобрення цих ґрунтів. При цьому особливого значення набуває облік і прогнозування всієї сукупності прямих, побічних і віддалених у часі наслідків їх реалізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження виконано протягом 1981-2000рр. у відповідності з тематичними планами наукових досліджень Інституту землеробства УААН, галузевими науково-технічними програмами і договірною тематикою. Результати досліджень відображено у звітних матеріалах про науково-дослідну роботу Інституту землеробства. У них відображено тематику з основних проблем (по роках досліджень): “Розробити ефективні заходи відтворення родючості ґрунтів в інтенсивних системах землеробства Полісся і Лісостепу УРСР на основі комплексних хімічних меліорацій” (№/№01829066913/0187.0039273) (виконання розділу досліджень з розробки і впровадження системи меліорації та управління родючістю гідроморфних, солонцюватих і інших малопродуктивних ґрунтів Полісся і Лісостепу УРСР) (1981-1990рр.); “Встановити закономірності трансформації функціональних властивостей і речовинного складу ґрунтів Полісся і Лісостепу України в умовах дефіциту засобів хімізації та кризових явищ в економіці” (№/№UA 01002366/0196U018390) (розробка ресурсозберігаючої системи меліорації орних солонцевих земель, визначення ґрунтових і економічних умов ефективного використання засолених ґрунтів лівобережного Лісостепу України) (1991-2000рр.).

Мета і задачі досліджень. Перед проведенням досліджень ставилося за мету: виявити характер змін у різносолонцюватих чорноземно-лучних ґрунтах, розкрити механізми їх трансформації під впливом різних чинників комплексної меліорації; встановити основні закономірності і кількісні параметри розвитку ґрунтових процесів в агроценозах (за різних умов меліоративного впливу й інтенсифікації землеробства) і цілинних (перелогових) екосистемах; визначити особливості розвитку процесів техногенного галогенезу чорноземів типових малогумусних та розробити способи відновлення вихідних рівнів їх родючості; розробити принципи підвищення потенційної родючості солонцевих грунтів зони Лісостепу на основі ресурсних можливостей виробництва і необхідності оптимізації землекористування.

Для досягнення вказаного вирішувалися такі завдання:

- вивчення провінційних особливостей чорноземно-лучних солонцевих ґрунтів на обєктах багаторічних стаціонарних і експедиційних досліджень у зоні Лісостепу;

- проведення аналізу формування й оцінка стану родючості ґрунтів, визначення і

розробка сучасних принципів і методів оптимізації її основних параметрів;

- розробка теоретичних і методичних основ дослідження й оцінки впливу антропогенних чинників на процес гумусоутворення за умов солонцюватості та після її часткового і повного усунення;

- визначення особливостей природного варіювання вмісту гумусу в просторі та його якісних змін у часі в солонцевих агроценозах і природних екосистемах, ідентифікація можливості і характеру агрогенної трансформації гранулометричного складу і показників гумусового режиму в орних чорноземно-лучних солонцюватих ґрунтах;

- вивчення умов формування, зміни та кругообігу різних форм елементів живлення рослин під впливом хімічної меліорації (гіпсування, кислування), систем удобрення та способів основного обробітку солонцевих ґрунтів;

- визначення особливостей трансформації кислотно-основних властивостей содовозасолених солонцюватих ґрунтів і солонців содових (сульфатно-содових) під дією вказаних чинників меліоративного впливу;

- визначення закономірностей фазових перетворень чорноземних ґрунтів, засолених при нафтовидобутку; розробка, методів їх рекультивації;

- розрахунок економічної й енергетичної ефективності застосування досліджених засобів меліоративного впливу в кормових сівозмінах на засолених і осолонцьованих чорноземно-лучних (лучно-чорноземних) ґрунтах.

Об'єктом дослідження є процес зменшення потенційної родючості і перманентна деградація солонцевих ґрунтів зони Лісостепу в умовах малоефективних систем їх використання та об'єктивної обмеженості можливостей інтенсифікації землеробства в сучасний період його розвитку.

Предмет дослідження - характер і закономірності трансформації основних елементів і загального рівня родючості ґрунтів якісно відмінних типів засолення-осолонцювання за різної інтенсивності використання і техногенного навантаження.

Методологічною основою програмування і постановки досліджень є системний підхід до аналізу та оцінки можливостей відтворення родючості ґрунтів і розробки заходів з її підвищення. Для виконання поставлених завдань були використані методи: повномасштабного польового і мікропольового експериментування, лабораторного і комп'ютерного моделювання, бактеріологічний, різні порівняльно-аналітичні, фізичний, хімічної термодинаміки, варіаційної статистики, регресійний, інформаційно-логічного аналізу і математичного моделювання.

Наукова новизна результатів досліджень. Вперше розроблено теоретичні і методичні основи дослідження наслідків комплексного впливу антропогенних чинників на основні елементи та умови родючості солонцевих грунтів, визначено особливості їх просторової диференціації і трансформації в часі під впливом хімічної меліорації, системи удобрення й обробітку; експериментально виявлено основні закономірності кількісних змін гумусового фонду різних типів грунтів, показано роль продуктів взаємодії органічних і мінеральних компонентів у його формуванні; визначено умови виникнення і способи запобігання критичних рівнів вмісту і рухомості (активності) поживних елементів - фосфору і калію - на основі фізико-хімічних і термодинамічних властивостей содовозасолених солонцюватих грунтів чорноземного типу, встановлено оптимальні значення електрохімічних потенціалів вказаних елементів живлення рослин; встановлено структуру і моделі трансформації та кругообігу рухомих сполук фосфору і калію в чорноземно-лучних солонцевих ґрунтах у багаторічному і сезонному циклах функціонування, доведено можливість інактиваціі рухомих форм фосфатів при гіпсуванні, визначені умови її попередження і збільшення рухомості фосфору під впливом чизелювання й оптимального удобрення грунтів; встановлено роль активних гранулометричних фракцій у формуванні параметрів вмісту і зміни рухомості фосфору і калію в солонцевих ґрунтах чорноземного типу; розкрито загальні закономірності і регіональні особливості трансформації грунтів в умовах техногалогенезу, розроблено способи меліоративної рекультивації чорноземних грунтів, засолених високомінералізованими пластовими водами з нафтових свердловин; розроблено методики: 1) прискореного фракціонування ґрунту для визначення параметрів дисперсності та гумусового стану; 2) нормування витрати гіпсових матеріалів при хімічній меліорації солонцевих грунтів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

- встановленні закономірностей впливу тривалого застосування систем обробітку, хімічної меліорації і добрив у сівозмінах на гумусовий, фосфатно-калійний і кислотно-основний режими природно і техногенно засолених (осолонцьованих) чорноземних грунтів;

- розробці обєктивних критеріїв оцінки їх постмеліоративного стану, методичних основ проведення досліджень;

- розробці рекомендацій для виробництва з: а) вибору раціональних способів основного обробітку, б)оптимізації доз гіпсових матеріалів, органічних і мінеральних добрив, в)побудови і реалізації концепції підвищення стабільності землеробства в агроценозах і процесів функціонування продуктивних природних екосистем, г)оптимізації співвідношення основних категорій земельних угідь солонцевого типу.

У порядку реалізації результатів досліджень зазначені наукові положення знайшли відображення в рекомендаціях по вирощуванню проектних урожаїв с.-г. культур на зрошуваних землях у господарствах Київської області (1986р.), методиці розробки норм витрати гіпсовмісних матеріалів при хімічній меліорації солонцевих ґрунтів (1987р.), занесені в державний реєстр завершених наукових розробок (1992 і 1999рр.). Впровадження і використання результатів досліджень проводиться технологічним центром охорони родючості ґрунтів “Центрдержродючість” при плануванні та практичному здійсненні меліоративних заходів на території Київської, Полтавської і Чернігівської областей на площі 480 тис. га з економічним ефектом 190-260 грн./га.

Особистий внесок здобувача. Автор протягом тривалого часу є розробником і керівником тематики наукових досліджень з вдосконалення способів меліорації содовозасолених солонцевих грунтів у північному Лісостепу України. Всі положення дисертації запропоновано, обґрунтовано й реалізовано особисто автором. Йому належить ідея і постановка проблеми, розробка і пропозиція теоретичних положень, планування і проведення досліджень; виконання складної експериментальної роботи; розробка й апробація власної методики, вдосконалення деяких загальноприйнятих методів лабораторних досліджень; закладання і проведення польових і модельних дослідів. Частка участі у сумісних наукових працях становить 60-80%. На завершальній стадії автором проведено аналіз та узагальнення отриманих результатів, формулювання висновків і пропозицій виробництву. Впровадження розробок здійснювалось на основі запропонованих рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень представлено й опубліковано в матеріалах 8-го делегатського зїзду Всесоюзного товариства ґрунтознавців (Новосибірськ, 1989); 3-го (Львів, 1990), 4-го (Херсон, 1994) і 5-го (Рівне, 1998) зїздів Українського товариства ґрунтознавців і агрохіміків; 9-го міжнародного симпозіуму “Humus et planta” (Прага, 1988); республіканської науково-практичної конференції з підвищення ефективності використання добрив і родючості ґрунтів в Україні (Харків, 1985); всесоюзної науково-технічної наради “Пути повышения продуктивности солонцовых земель” (Новосибірськ, 1986); республіканської науково-практичної конференції з підвищення родючості ґрунтів (Житомир, 1987); регіональної науково-технічної конференції “Плодородие почвы в интенсивном земледелии” (Волгоград, 1988); засідання науково-методичної і координаційної ради з питань меліорації солонців “Применение биологических и химических методов мелиорациии солонцов при орошении” (Саратов, 1988); науково-організаційної конференції молодіжної секції ВТГ “Современные проблемы почвоведения и агрохимии” (Ташкент, 1990); науково-практичної конференції “Екологія Полісся: проблеми, сучасність, майбутнє” (Луцьк, 1993); наукової конференції викладачів і студентів Національного аграрного університету (Київ, 1994); 2-х міжнародних (Київ-Чабани 1996, 1999) і всеукраїнської (2000) науково-практичних конференцій); третій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми сільськогосподарської радіоекології - 15 років після аварії на ЧАЕС” (Житомир, 2001). Робота розглянута методичною комісією по землеробству (протокол №17 від 23 серпня 2000 р.), розглянута і рекомендована до захисту вченою радою Інституту землеробства УААН (протокол №1 від 29 січня 2002 р.).

Публікації. Результати досліджень за темою дисертації викладено в 55 опублікованих працях (статтях, тезах доповідей, депонованих матеріалах, науково-інформаційних і дайджест-бюлетенях, практичних і методичних рекомендаціях), з них 20 розміщено у фахових наукових збірниках і виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається із вступу і 8-ми розділів основної частини, а також висновків, рекомендацій для впровадження, списку літератури (447 найменувань вітчизняних і зарубіжних авторів, з них 42 - латиницею) і додатків (довідок про впровадження наукових розробок). Загальний обсяг дисертації: сторінок - 306, таблиць - 55, ілюстрацій - 12.

ґрунт солонцюватий меліорація галогенез

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Закономірності генезису і поширення солонцевих ґрунтів.

Викладено літературні відомості про місце ґрунту серед природних систем, про його специфіку як біологічної системи, вертикальну диференціацію функціонування, в основу якої покладено наукові погляди В.В. Докучаєва (1949), О.Н. Соколовського (1971), І.П.Герасимова (1976), P. Duchaufour (1982), Б.Г. Розанова (1983), Г.В. Добровольського (1990), І.А. Соколова (1993) та ін.

Важливим етапом у розвитку поглядів на природу солонцевого процесу виступають уявлення про його розвиток при засоленні ґрунту содовими ґрунтовими водами та ймовірне утворення соди у відновному середовищі в присутності органічної речовини внаслідок сульфат-редукуючої діяльності мікробіоти. Досліджено можливість утворення та акумуляції аморфної кремнекислоти в солонцевому горизонті, змодельовано цей процес з урахуванням характеру сольових розчинів (І.М. Антипов-Каратаєв,1953; Г.М. Самбур, І.А. Власюк,1964; М.І. Базилевич, 1965; М.П. Панов, Н.А. Гончарова,1971; В.В. Келлерман,1972).

У підсумку, враховуючи велику різноманітність солонцевих ґрунтів та умов їх формування, М.П. Панов (1972) (в “теорії полігенезису”), В.Д. Муха і співавт. (1984) та інші дійшли висновку про можливість утворення солонців внаслідок досить різноманітних ґрунтових явищ і процесів. Принципово важливим у цьому випадку є те, що в основі визначення солонцевого процесу знаходиться комплекс явищ, зумовлений як присутністю обмінного натрію в ГВК понад деяку критичну межу, так і характером його поєднанням із загальною концентрацією та складом водорозчинних солей.

Визначено критерії діагностики засолених ґрунтів: до засолених лужних ґрунтів, у назві яких відмічено наявність соди, запропоновано відносити ґрунти, бікарбонатна лужність яких перевищує 2.0 мг-екв на 100 г ґрунту (значення рН при цьому не обмежується). Провідну роль у створенні і прояві лужності ґрунтів відіграють карбонатні іони - СО₃^2- і НСО₃?. Вони присутні в усіх лужних ґрунтах і разом з боратами і сульфідами зумовлюють величину рН. Співвідношення вказаних аніонів у ґрунтових розчинах також залежить від парціального тиску диоксиду вуглецю в газових фазах відповідних ґрунтових систем.

Умови і методика проведення досліджень

Дослідження базуються на аналізі матеріалів Державних земельних кадастрів 1996 і 2000рр., результатах тривалих (стаціонарних, дрібно-ділянкових) і тимчасових польових дослідів, закладених протягом 1977-1992рр. на чорноземно-лучному поверхнево-солонцюватому содово-засоленому ґрунті і сульфатно-содовому солонці на опорному пункті Інституту землеробства УААН у господарстві “Любарці” Бориспільського району Київської області, яке відноситься до Північного лісостепового меліоративного району (А.В.Новикова, 1984). Відповідно до агрогрунтового районування (М.К. Крупський, М.І. Полупан, 1979) вказане господарство знаходиться в північній підпровінції (ЛСЗ₁) Лівобережжя низовинного зони Лісостепу України.

Для вивчення іонно-сольового складу, гідромеліоративного стану і впливу систем землеробства на засолені та солонцеві ґрунти інших регіонів протягом 1994-1996рр. були проведені експедиційні дослідження солончакуватих (коркових) солонців у польовому стаціонарі 1969-1977 років досліджень у Баришівському районі (с. Бзів), чорноземно-лучних і лучних солончакових ґрунтів у Переяслав-Хмельницькому районі Київської і Лубенському та Лохвицькому районах Полтавської областей.

Дослідження характеру й інтенсивності засолення та можливостей відновлення родючості чорноземів типових малогумусних, які зазнали впливу аварійного нафто-сольового забруднення, проведено в одному з регіонів промислової діяльності нафтовидобувного управління “Чернігівнафтогаз” у Прилуцькому районі Чернігівської області. Його територія розміщена на заході північно-західної (Сумської) підпровінції (ЛС4₁) Лівобережжя високого.

Для виконання програми досліджень використано методи: польового експерименту; мікропольовий; лабораторного і комп'ютерного моделювання й імітації; бактеріологічний; порівняльно-аналітичні: хімічні - гравіметричний і титриметричний; фізико-хімічні - оптичний, електрохімічний, спектроскопічний; фізичний - спектральний емісійний; хімічної термодинаміки; варіаційної статистики; регресійний; інформаційно-логічного аналізу і моделювання.

Розроблено експрес-варіант методики гранулометричного фракціонування різних типів ґрунтів. Дослідження гумусового стану виділених дрібнодисперсних фракцій дало змогу розкрити і деталізувати особливості їх агрогенної трансформації й уточнити деякі географічні закономірності зміни вмісту і складу органічної речовини верхніх шарів цих грунтів.

Значну частину досліджень виконано в польовому стаціонарному досліді 1 протягом 1977-1989рр. відповідно до загальноприйнятої методики на п'яти полях у просторі з чергуванням культур: 1 - кормові буряки, 2 - овес на зелений корм з підсівом люцерни, 3,4 - люцерна на зелений корм, 5 - озима пшениця. Схема досліду має вигляд: 1. Без меліорантів, без добрив. 2. Фосфогіпс, 10 т/га. 3. ₂₀₀Р₁₀₀. 4. Гній, 40 т/га. 5. Фосфогіпс, 10 т/га + ₂₀₀Р₁₀₀. 6. Фосфогіпс, 10 т/га + гній, 40 т/га. 7. Сірчана кислота, 6 т/га. 8. Сірчана кислота, 6 т/га + ₂₀₀Р₁₀₀. 9. Сірчана кислота, 6 т/га + гній, 40 т/га. Повторність варіантів в досліді 3-кратна, розмір посівної ділянки 160 м², облікової 108 м².

Після реконструкції досліду 1 протягом 1987-1989рр. у межах його 1-го, 2-го і 5-го полів було проведено стаціонарний дослід 2. У ньому вивчалася пряма дія і тривала післядія способів основного обробітку ґрунту (звичайної оранки плугом ПН-3-35 на глибину 20-22 см і чизельного обробітку плугом ПЧ-4.5 на 40 см), хімічної меліорації фосфогіпсом (3, 4,5, 6 і 9 т/га) та внесення органічних (50 т/га) і мінеральних (N₁₇₀P₁₀₀) добрив на фоні горизонтального гончарного дренажу (починаючи з 1983 р.).

При цьому основними ґрунтовими об'єктами виступають чорноземно-лучні солонцеві комплекси, які сформувалися в північній частині Лівобережжя низовинного зони Лісостепу України. На основі оцінки зміни основних показників режимів і властивостей, які складають елементи й умови родючості цих ґрунтів, досліджено функціональні можливості різних чинників агромеліоративного впливу на них. Дослідження проведено за існуючими методичними вказівками та інструкціями з використанням, крім традиційних, деяких нових загальних методів і конкретних методик, в тому числі й авторської, розробленої й оформленої в процесі виконання цієї роботи.

Порівняльно-аналітичні дослідження зразків ґрунту і рослин проведено в лабораторіях: агрогрунтознавства та агроекології й аналітичних досліджень Інституту землеробства УААН, Центральній геологічній Міністерства геології України, Київського обласного державного проектно-технологічного центру охорони родючості ґрунтів і якості продукції.

Фактори регулювання й оптимізації гумусового стану солонцевих ґрунтів чорноземного типу

У загальних рисах внаслідок проведених нами досліджень підтверджено основні положення щодо зміни елементів родючості з початком використання цілинних екосистем у землеробстві та ролі різноманітних продуктів органо-мінеральної взаємодії у формуванні й еволюції ґрунтів.

Сучасний етап розвитку теорії органо-мінеральної взаємодії в ґрунті пов'язаний з іменами О.Н. Соколовського, І.В. Тюріна, Л.Н. Александрової, В.В. Пономарьової, К.І. Трохименка, М.Ш. Шаймухаметова, Д.С. Орлова, М.О. Винокурова, В.Р. Волобуєва, М.І. Горбунова, Н.А. Титової, Л.С. Травникової та ін. Інтенсивні дослідження в цьому напрямку проведено в далекому зарубіжжі, а в Україні після О.Н. Соколовського вони були виконані Ю.Є. Кізяковим і співавт. (1974), продовжені нами (М.М. Єрмолаєв,1981,1983,1997,1998; Г.А. Мазур, М.М. Єрмолаєв,1981,1985,1987; G.A. Mazur, N.N. Yermolaev,1985,1987) і роботами А.Д. Балаєва (1986,1997). У процесі наших досліджень розроблено експрес-методику виділення гранулометричних фракцій 100-10, 10-1 і <1 мкм (М.М.Єрмолаєв, 1997), апробацію якої проведено на лужних чорноземно-лучних поверхнево-солонцюватих і кислих дерново-підзолистих ґрунтах.

Цілеспрямоване натурне експериментування забезпечило кількісну інформацію про вміст і груповий склад гумусу ґрунтів, сприяло уточненню уявлення про специфічність гумусу досліджених солонців, вирішенню проблеми, яка стосується поведінки його основних груп за несприятливих властивостей цих ґрунтів при їх систематичному розорюванні без добрив і меліорантів, а також проблеми оптимізації інших властивостей з урахуванням особливостей досліджених явищ і процесів.

У природній екосистемі на чорноземно-лучному солонцевому ґрунті гумус по аналогії з подібними до неї на будь-яких інших ґрунтах знаходиться в стаціонарному цілинному режимі і кількість Сорг. в активних гранулометричних фракціях 0.1 мм і в ґрунті взагалі (табл.3.1) умовно приймається за постійну величину. Характер природної трансформації гумусу на цілині визначається типом, кількістю і періодичністю поступання в грунт органічної маси, а також ризосферним впливом на цей процес.

Узагальнені дані втрат гумусу на різних підтипах чорноземів переконують у тому, що діапазон зниження вмісту гумусу в орних ґрунтах має межі 15-25% (Г.П. Гамзиков,М.М. Кулагіна,1992). Вищі втрати - 35-40% - вірогідніше відносити на рахунок екстремальних чинників, а зниження втрат до 4-12% пов'язане із застосуванням добрив.

Таблиця 3.1 Гумусованість фракцій 100 мкм та їх роль у забезпеченні вмісту гумусу і запасу енергії в орному шарі чорноземно-лучного солонцюватого ґрунту, дослід 2, 1995-1998рр

Примітка. 1 - від маси ґрунту, 2 - від вмісту гумусу в ґрунті, 3 - запас енергії гумусу мулу в млн. ккал/га

Результати наших досліджень чорноземно-лучних солонцевих ґрунтів показали відповідність їх перетворення загальному напрямку агрогенної трансформації ґрунтів в умовах інтенсивного землеробства. Виявлено, що порівняно з цілиною на всіх варіантах з обробітком відбувається зменшення вмісту фізичної глини (як суми фракцій 10 мкм) і найбільше - її мулистої частини, а також величини коефіцієнта Р (у %),який характеризує кількісний бік процесу оглинювання (табл.3.2).

Встановлено, що на фоні ґрунтових процесів і явищ, які сприяють збереженню і стабілізації вмісту дрібнодисперсних фракцій у цілинному

ґрунті, його систематичний механічний обробіток призводить до зниження кількості фракцій у шарі 0-20 см: 100-10 мкм, яка містить крупний пил (50-10 мкм) і частину фракції піску (за Качинським), - на 4.3-4.7%, 10-1 мкм (пил середній - 10-5 і дрібний - 5-1 мкм) - на 0.42-1.2 і 1 мкм (мул) - на 7.3-9.0% (залежно від способу основного обробітку - оранки або чизелювання).

Таблиця 3.2 Вплив обробітку, хімічної меліорації й удобрення чорноземно-лучного ґрунту на вміст і співвідношення фракцій, 1995-1998рр

Примітка. Чисельник - звичайна оранка, знаменник - чизелювання

Розмір фракцій у мкм

Результати дослідження гумусу як функції розміру гранулометричних фракцій показали, що помітне зменшення вмісту і запасів гумусу в чорноземно-лучному ґрунті під впливом його обробітку без добрив і меліорантів відбувається внаслідок різкого зниження гумусо-ваності фракцій 10-1 і 1мкм. При цьому змінюється і характер розподілу гумусу між фракціями, відповідно до якого вони оцінюються як джерело елементів мінерального живлення рослин. У зв'язку з цим однією з причин зниження гумусованості ґрунту в ріллі попри зменшення кількості фракцій є зростання потреби культурних рослин у поживних елементах і почасти їх непродуктивні втрати. Це робить неминучою мінералізацію гумусу, асоційованого з мулом і передмулистими фракціями. Швидкість мінералізації в цілому може бути значною, особливо при вирощуванні просапних та необхідності інтенсифікації обробітку ґрунту в розрахунку на максимальний врожай (та його відчуження) усіх культур сівозміни.

Застосування хімічної меліорації забезпечує підвищення вмісту гумусу в солонцюватому ґрунті. При оцінці значення гіпсування в наших умовах досить характерним є те, що на фоні чизельного обробітку без добрив і меліорантів відбувається формування більш сприятливого гумусового режиму мулистої фракції (внаслідок зростання рівня гумусованості), ніж при звичайній оранці. При поєднанні обробітку і хімічної меліорації з удобренням культур у сівозміні певної переваги набуває оранка звичайним плугом.

За цих умов об'єктивна перевага того чи іншого способу обробітку, визначена на основі оцінки зміни гранулометричного складу і вмісту гумусу в засоленому ґрунті, як видається, - і це підтверджено результатами наших досліджень, - залежить від розв'язання протиріччя, яке полягає в необхідності створення, з одного боку, сприятливих умов для видалення з орного шару надлишку мінеральних солей, а з іншого - так само сприятливого режиму для запобігання втрат органічної речовини ґрунту від низхідної міграції при видаленні цих солей.

Поживний режим солонцевих ґрунтів як об'єкт регулювання й оптимізації

Умови формування і трансформації фосфатного стану чорно-земно-лучних поверхнево-солонцюватих ґрунтів. Вивчено структуру фосфатного фонду чорноземно-лучних поверхнево-солонцюватих ґрунтів у тривалих дослідах на базових варіантах, перспективних з огляду на реальність трансферу й адаптації в конкретних грунтово-виробничих умовах.

Результати дослідження показали, що валовий вміст фосфору (у % від маси) в нефракціонованому чорноземно-лучному ґрунті становить 0.08-0.10%, у його пилувато-дрібнопіщаному (1-100 мкм) гранулометричному комплексі (фракція 1) - 0.02, в мулистій частині (фракція 2) - 0.22%. У відповідності з градацією Д.М.Прянишникова (1965) за вмістом валових сполук фосфору (0.05-0.10%) цей грунт відноситься до категорії середньо забезпечених фосфором. Але в цілому він має досить обмежені потенційні можливості в забезпеченні рослин вказаним елементом живлення.

Встановлено, що одним із чинників підвищення функціональних можливостей мулистої фракції щодо фосфору є інтенсифікація процесів обміну і комплексоутворення, зумовлена підвищенням вмісту в ній Са і Mg (в 4 і 5 разів) та Al i Fe (в 2 і 4 рази) порівняно з більш крупними фракціями. За такої умови відбувається рівномірне зростання ємності вбирання фосфору твердою фазою ґрунту, рівно як і її здатності за певних інших умов віддавати його в розчин. Цей факт цілковито відповідає різниці елементного складу й фізико-хімічних властивостей досліджених фракцій. Крім того, гумінові кислоти, адсорбуючись на поверхні оксидів металів і глинистих мінералів за посередництва іонів Al3+ i Fe3+, виконують роль інактиваторів енергонасичених адсорбційних позицій і обмежують можливість фіксації фосфат-іонів ґрунтовим вбирним комплексом, сприяють підвищенню їх рухомості.

Про виразний зв'язок вмісту рухомого фосфору (в 1%-вій вуглеамонійній витяжці з ґрунту) з основними чинниками сорбції фосфат-іонів - рівнем накопичення (РН,%), вмістом гумусу (ВГ,%) і фосфатною ємністю (ФЄ, мг/л) - в окремих гранулометричних фракціях свідчать дані табл. 4.1. Очевидно, що на відміну від мулистої фракції зміна рухомості фосфору у фракціях 100-10 і 10-1 мкм відзначається меншими абсолютними величинами і відповідними корелятивними зв'язками із зміною чинників сорбції.

З оцінки фосфатного стану солонцюватого ґрунту на варіантах досліду видно, що найпомітніших змін (у бік відчутного зменшення) зазнають показники вмісту рухомих сполук фосфору в мулистій фракції при переході від тривалого утримання ґрунту в цілинному стані до його систематичного розорювання. Хімічна меліорація (гіпсування) справляє малопомітний позитивний вплив на процес формування вмісту фосфору у фракції мулу, а в крупних фракціях (10-1 і 100-10 мкм) і в ґрунті в цілому деяке збільшення вмісту фосфору відбувається лише після проведення гіпсування на фоні чизельного способу основного обробітку.

Таблиця 4.1 Зміна параметрів вмісту рухомого фосфору в солонцюватому ґрунті під впливом способів обробітку і хімічної меліорації, дослід 2, 1995-1998 рр.

Видно також, що загальний вміст розчинних фосфатів більшою мірою регулюється процесами десорбції фосфору з ГВК (мулу) і меншою - процесами розчинення мінеральних сполук, які входять до складу фракцій 100-10 і 10-1 мкм. Разом з тим, можна припустити, що за розчинний фосфор активних гранулометричних фракцій і ґрунту в цілому відповідальними є як його органічна, так і мінеральна складові. Цей висновок ґрунтується на відсутності цілковитої прямої залежності між вмістом гумусу (ВГ) і розчинного фосфору (ФЄ) у кожному з об'єктів дослідження.

Більша частина органічного фосфору в 0-40-см шарі ґрунту цілком закономірно зосереджена у його верхній частині, де сконцентрована основна маса гумусових речовин і негуміфікована мікробіомаса. У сукупності вони складають основу фосфатного фонду досліджених ґрунтів. При цьому в шарі 0-20 см в абсолютному виразі його міститься 60,5-78,8 мг, в шарі 20-40 см - 38,0-65,4 мг/100 г ґрунту.

Найвищі показники вмісту мінеральних фосфатів встановлюються на варіантах, де вносяться добрива (гній, 50 т/га і N₁₇₀P₁₀₀) в поєднанні з фосфогіпсом у повній (6 т/га) і половинній (3 т/га) дозах. При високих дозах фосфогіпсу (9 т/га) і мінеральних добрив (1,5N1,5P) підвищення вмісту мінеральних фосфатів порівняно з повною і половинною дозами не відмічено. Більше того, на цих варіантах спостерігається зниження вмісту органічних форм фосфору. Пояснюється це тим, що під впливом високих доз мінеральних добрив і фосфогіпсу відбувається посилена мінералізація органофосфатів і збільшення рухомості (мобілізація) фосфоровмісних мінеральних речовин. Указані процеси є основними в ланцюгу перетворень фосфорних сполук у ґрунті і мають найбільше значення для його генезису і формування родючості.

Встановлено, що з мінеральних фосфатів найбільше значення в живленні рослин на содовозасолених солонцевих ґрунтах мають фосфати першої (Са-Р_І) та другої (Са-Р_ІІ) фракцій (табл. 4.2); вони зазнають найпомітніших кількісних змін під дією досліджених чинників хімічного впливу на грунт. При цьому найбільшою мірою під впливом органічних і мінеральних добрив та фосфогіпсу трансформуються параметри вмісту фосфатів фракції Са-РІ, репрезентованих одно- і двоосновними фосфатами Са та Мg і почасти одновалентних катіонів - Na, K, NH4.

Таблиця 4.2 Фракційний склад мінеральних фосфатів у шарі 0-20 см, мг Р₂О₅/100 г грунту

Результати дослідження термодинаміки фосфору вказують на значне поліпшення показників його інтенсивності (рухомості) в ґрунтовому середовищі під впливом добрив і хімічної меліорації за будь-якого з досліджених способів обробітку (табл. 4.3). В окремих випадках більш ефективним у забезпеченні розглянутих параметрів інтенсивності виявився чизельний обробіток солонцевих ґрунтів. Встановлено, що зміна фосфатного рівня чорноземно-лучних поверхнево-солонцюватих ґрунтів під впливом гіпсування і різних способів обробітку помітно позначається на вбиранні цього елемента рослинами і його накопиченні у врожаї культур сівозміни. При цьому поряд із закономірною інтенсифікацією процесу поглинання фосфору рослинами спостерігається уповільнення надходження до них азоту і калію. Це дає підставу стверджувати існування тісного зв'язку між дослідженими чинниками зовнішнього впливу на грунт і внутрішніми процесами обміну речовин у рослинах.

Найсприятливіші умови для росту і розвитку рослин за рахунок вбирання і виносу поживних речовин врожаєм створюються на варіантах з гіпсуванням і мінеральним удобренням у досліді 1 (вар. 5 - N200P100+ фосфогіпс,10 т/га) та гіпсуванням, мінеральним і органічним удобренням у досліді 2 (вар. 6 - гній, 50 т/га + N170P100 + фосфогіпс, 6 т/га). Вказані варіанти відзначаються оптимальними рівнями накопичення доступних для рослин поживних речовин і максимальною врожайною масою. При цьому витрата азоту на створення 1 т врожаю максимальна, а фосфору і калію, як правило, менша порівняно з обома суміжними варіантами впливу.

Таблиця 4.3 Вплив вмісту і рухомості (інтенсивності) фосфору в ґрунті на його накопичення в рослинах (середнє з 6-ти врожаїв за 1988-1995 рр.)

Калійний режим і динаміка його трансформації в чорноземно-лучних солонцевих ґрунтах. Досліджені варіанти розвитку ґрунтових процесів за участю різних форм калію відповідно до загальної схеми трансформації чорноземно-лучних солонцевих ґрунтів відображають специфіку та умови виникнення і способи подолання критичного стану їх калійного режиму. Конкретно, на варіанті “без добрив і меліорантів” поступовий, протягом чотирьох ротацій сівозміни, перехід цілинного ґрунту до систематично розорюваного стану супроводжується руйнуванням і помітною втратою мінеральної частини фракцій 100-10 і 1 мкм. Внаслідок цього відбувається зменшення стаціонарного вмісту рухомих (за Мачигіним) і водорозчинних форм калію в ґрунті, тобто зменшення його потенційної родючості за цим елементом..

У міру зменшення ступеня солонцюватості за рахунок гіпсування вміст легкорухомих водорозчинних і обмінних форм калію, як і тенденція до зменшення вмісту рухомого натрію, дещо зростає. Характерно, що в складі обмінних сполук у досліджених ґрунтах чітко переважають Mg²⁺ (10,10,19 мг-екв) і Са²⁺ (4,740,09 мг-екв на 100 г орного шару ґрунту). Домінування Mg²⁺ в ґрунтовому вбирному комплексі дає підставу відзначити його значну роль у формуванні профілю цих ґрунтів.

Як свідчать результати досліду 1, вивільнення калію з важко-обмінних позицій у глинистих мінералах під дією досліджених чинників впливу проходить досить повільно і далеко не в усіх випадках протягом двох ротацій сівозміни дістається певного оптимального стану. Деяке поліпшення показників вмісту К_рух і К_обм забезпечило сумісне внесення в грунт гною (40 т/га) і меліоранту фосфогіпсу (10 т/га), а в поєднанні з мінеральними NP-добривами і сама по собі хімічна меліорація фосфогіпсом належного позитивного впливу на швидкість і результа-тивність процесу мобілізації калію не справила. У першому випадку, вочевидь, через відсутність поповнення калію в ґрунті за рахунок мінеральних добрив, у другому - результат видався закономірним через недостатню кількість калію в обмінному комплексі, хоч і мало місце деяке посилення мобілізації необмінної форми К⁺, про що свідчить зменшення її вмісту на варіанті з одним фосфогіпсом.

У зв'язку з цим так само закономірно виглядає збільшення вмісту обмінних, а також інших, більш рухомих (за Мачигіним, у 0.002 М CaCl₂ - витяжці та водорозчинних) форм калію в ґрунті на варіантах досліду 3 з калійними добривами (табл. 4.4).

З порівняння відносного приросту продуктивності культур та виносу N, P₂O₅ і K₂O (кг/га) нами складена оцінка ефективності використання ґрунтових запасів цих елементів живлення рослин. Очевидно, за оптимальних умов збільшення засвоєння елементів має супроводжуватись інтенсифікацією продукційного процесу, збільшенням урожайності культур. Фактично ж підвищення виносу поживних речовин, як і зростання врожайності в цілому за рахунок удобрення і меліорації, відбувається за штучного підвищення азотно-фосфорного фону лише до певної межі. При підвищенні NP- і меліоративного фону до 1,5-ного рівня винос фосфору і калію майже не змінюється і продуктивність рослин також не зростає. Це свідчить про те, що на варіантах з підвищеним мінеральним фоном значна частина елементів живлення, і, передусім, фосфору, витрачається непродуктивно. У результаті його винос з ґрунту є непропорційним змінам продуктивності агрофітоценозу, що, на думку Б.С.Носка (1990), зумовлює створення певного надлишку елемента в урожайній масі. Внаслідок цього останній не утилізується повною мірою в процесі фотосинтезу для формування рослинної органічної речовини, підвищення врожайності.

Таблиця 4.4 Оцінка характеру формування Са, К - режиму за рівнем доступності елементів у ґрунті і накопиченням в урожаї коренеплодів (середнє з 3-х урожаїв кормових буряків у 1993-1995 рр.)

Зміна кислотно-основних властивостей солонцевих ґрунтів внаслідок меліорацій

Літературні дані до цього часу недостатньо презентовані матеріалами, які характеризують як вихідний, так і постмеліоративний стан чорноземно-лучних солонцево-солончакуватих комплексів та власне солонців сульфатно-содових. Вивчення провінційних і підпровінційних особливостей меліоративного режиму (за хімічної меліорації - в першу чергу, кислотно-основних властивостей і іонно-сольового стану цих ґрунтів) проведено нами з врахуванням грунтово-географічних умов досліджених територій на основі відомих принципів стаціонарних і експедиційних досліджень.

Поняття меліоративного режиму передбачає кислотно-основну рівновагу в ґрунті, яка характеризується статичними і динамічними параметрами. Внаслідок багаторічних спостережень за меліорованими ґрунтами в чорноземно-лучних солонцевих комплексах нами встановлено, що незалежно від характеру й інтенсивності меліорації вони неодноразово переносять стадії як розсолення, так і засолення. Причому кількість легкорозчинних солей за рецидивів засолення виявилась порівнянною, а інколи й значно переважаючою вихідну кількість солей. Зіставлення характеру багаторічної динаміки вмісту ґрунтових солей з фактичною кількістю атмосферних опадів у періоди спостережень показало, що зазначені характеристики тісно пов'язані між собою.

Встановлено, що важливим чинником формування неоднорідності властивостей ґрунтів виступає агротехнологічний вплив: різні види обробітку, внесення добрив, меліоративні заходи. Так, розорювання, справляючи на грунт, на перший погляд, нівелюючу дію, спрямовану на усунення неоднорідності, неминуче пов'язане з перемішуванням різних шарів і післяжнивних решток. На рівні орного і підорного шарів це створює ще більшу неоднорідність властивостей ґрунту порівняно до його цілинного або перелогового аналогу. Разом з тим зміна більшості досліджених параметрів іонно-сольового стану і величини рН під дією чинників впливу очікувалася значно суттєвішою за природну неоднорідність властивостей ґрунтів. Це спонукало нас до переконання в правомірності визначення сезонних річних і міжрічних факторних флуктуацій вказаних властивостей.

У зв'язку з цим видається важливою оцінка різних способів підвищення ефективності хімічної меліорації солонцевих ґрунтів. При цьому враховується швидкість виведення за межі кореневмісної зони ґрунтового профілю продуктів реакції між меліорантами і ґрунтом.

Встановлено, що глибокий чизельний обробіток, змінюючи морфологію і фізичні (водно-фізичні) властивості ґрунтів у солонцевому комплексі, зокрема, вертикальну і горизонтальну водопроникність, сприяє помітному їх розсоленню. Зони латеральної фільтрації речовин залежно від особливостей ґрунтів у комплексі (солонцюваті, солонці), як правило, відрізняються за формою і протяжністю в просторі, але в будь-якому випадку застосування вказаного способу обробітку з метою запобігання реставрації засолення є безперечно ефективним.

Крім того, проведено імітацію штучного зрошення сульфатно-содового солонцю з визначенням орієнтовної норми зрошення. Складено уяву про систему показників реакції ґрунту у відповідь на вплив різних меліорантів і штучного зрошення. За еталон взято післядію гіпсування і чизельного обробітку чорноземно-лучних солонцюватих ґрунтів у різних умовах атмосферного зволоження. Результати проведеного моделювання переконують у доцільності його застосування в системі методів дослідження меліорованих ґрунтів. У комплексі з результатами польових досліджень отримані експериментальні дані сприяють аргументації висновку, що однією з причин недостатньої ефективності засобів хімічної меліорації солонців і солонцювато-солончакуватих ґрунтів чорноземної зони в умовах періодичного дефіциту атмосферних опадів є посилення солеутворення і гальмування процесів активного роз солонцювання цих грунтів. У зв'язку з цим у вказаній зоні, як і в більш посушливих регіонах, що відрізняються чітко екстремальними умовами зволоження ґрунтів, безумовно необхідним є створення періодично промивного режиму шляхом штучного зрошення і відведення надлишку мінералізованих промивних і ґрунтових вод за допомогою дренажу.

Відновлення родючості техногенно засолених чорноземних грунтів

Розроблено методичний підхід, визначено критерії оцінки початкового поставарійного стану та способи відновлення ґрунтових екосистем після інтенсивного нафто-сольового забруднення. В основу дослідження цих питань покладено динамічні спостереження за ґрунтом на фіксованих площадках у межах окремих ареалів забруднення і в тимчасовому польовому та серії лабораторних дослідів з вивчення способів відновлення техногенно трансформованих ґрунтів. Вказані елементи методики визначали характер і напрямки багаторічних досліджень результатів аварійного нафто-сольового забруднення і способів відновлення чорноземних ґрунтів в одному з регіонів промислової діяльності нафтогазовидобувного управління “Чернігівнафтогаз” у Прилуцькому адміністративному районі Чернігівської області.

Територія району розміщена на заході північно-західної (Сумської) підпровінції Лівобережжя високого зони Лісостепу. Клімат його помірно теплий (середньорічна температура повітря 6.3⁰С) і достатньо вологий (565 мм опадів протягом року). Сума ефективних температур (понад 10⁰) - 2500-2650⁰. За цей період випадає 290-320 мм опадів, гідротермічний коефіцієнт становить 1,2. Морфологічною особливістю дослідженого чорнозему типового є досить значне проникнення гумусового забарвлення, його поступове зменшення з глибиною і слабо виражена диференціація профілю. Потужність гумусового горизонту (Н/) становить 38-43 см, у ньому 0-18(25) см - орний, порохувато- грудочкуватий, пухкий, має сірувато-чорне забарвлення; 19(26)- 38(43) см - підорний, неміцнозернисто-грудочкуватий, ущільнений, перехід поступовий; 39(44)-66 см - верхній перехідний (Нр) - темно-сірий, вологий, крупнопилувато-легкосуглинковий, неміцнозернисто-грудочку-ватий, порівняно пухкий; глибше - нижній перехідний (Р) - 67-130 см, слабкогомусована порода (Р()) - 131-193 см і власне порода - карбонатний лесовидний суглинок (Р) - 194-220 см.

Загальна мінералізація нафтопромислової води в умовах дослідженого родовища складає 200 г/л (табл. і рис. 6.1). Від загального вмісту іонів хлор становить 53.2%, натрій - 40.9%, частка інших катіонів і аніонів - менше 6%. При попаданні цієї води в грунт відбувається зростання загальної кількості солей (від 0,07 до 0,7%), іонної сили ґрунтового розчину (від 0,41·10^-2 до 1,6·10^-2 моль/л) і особливо вмісту Cl^? (від 0,01-1,18 до 11,0-23,8 мг-екв/100 г ґрунту) та Na⁺ - до 12,2-33,7...