Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний науковий центр

Інститут грунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського

ЛИЧУК Тарас Євгенійович

УДК 631.417.2

КІРКОУТВОРЕННЯ НА ГРУНТАХ ПІВНІЧНО-ЗАХІДНОГО РЕГІОНУ УКРАЇНИ ЯК ОДИН З ВИДІВ ЇХ ДЕГРАДАЦІЇ: ПРИЧИНИ, ПОПЕРЕДЖЕННЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор сільськогосподарських наук, професор Вознюк Степан Тихонович, Національний університет водного господарства та природокористування, професор кафедри агрохімії, грунтознавства та землеробства.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор, академік УААН Медведєв Віталій Володимирович, Національний науковий центр „Інститут грунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського”, головний науковий співробітник лабораторії геоекофізики грунтів;

кандидат сільськогосподарських наук, доцент Новосад Костянтин Богданович, Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва, доцент кафедри ґрунтознавства.

Провідна установа Національний аграрний університет, кафедра грунтознавства і охорони грунтів, Кабінет Міністрів України, м. Київ

Захист відбудеться “12” червня 2007 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 у Національному науковому центрі „Інститут грунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру „Інституту грунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4

Автореферат розісланий “11” травня 2007 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради О.Ф. Павленко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Запливання грунтів та утворення на їхній поверхні кірки спостерігається тією чи іншою мірою майже на всій території України. Зараз вони виділяються як окремий вид серед інших явищ деградації грунту. На території Північно-західного регіону України, де нами проводилися дослідження, кірка спричиняє значні втрати вологи і погіршує повітряний режим грунтів. Традиційно боротьба з грунтовою кіркою ведеться шляхом її механічного руйнування, на що господарства змушені виділяти додаткові засоби та пристрої, пальне, робочу силу. Завдаються значні збитки народному господарству внаслідок зменшення врожаїв сільськогосподарських культур. Отже, виникає необхідність у визначенні критеріїв та факторів, що відіграють вирішальну роль у формуванні кірки на полях, розробці методики та впровадженні заходів, які б дозволили зменшити гостроту проблеми запливання грунту та утворення кірки на його поверхні. Це питання досліджували такі вчені як А.Г. Каспіров, В.В. Медведєв, Т.М. Лактіонова, R. Lal, J. Blum, L. Bresson, T. Valentin. У зв'язку з цим, проведення досліджень та розробка заходів попередження запливання грунту є актуальним питанням, що вимагає додаткового розв'язання у конкретних умовах.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Науковий напрям досліджень пов'язаний з виконанням завдання 01.03 „Встановити географічні закономірності фізичних, фізико-хімічних, біологічних і інших властивостей грунтів України, їх впливу на формування екологічної ситуації, продуктивність культур” (№ДР 019UO12527) НТП „Родючість грунтів” 1996-2000 рр. і завдання 02.02 “Провести комплексний аналіз агроекологічного стану меліорованих земель Полісся і розробити технології їх ефективного та сталого функціонування” (№ДР 0101U006036) НТП „Родючість і охорона грунтів” 2000-2005 рр.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень було виявлення причин утворення кірки та запливання грунтів в умовах Полісся і Лісостепу Рівненщини, як частини Північно-західного регіону України, розробка заходів, які б дозволили зменшити негативний вплив на грунт від запливання і утворення кірки та підвищити врожаї сільськогосподарських культур.

Об'єкт дослідження - процеси запливання та кіркоутворення на поверхні грунтів в умовах Північно-західного регіону України.

Предмет дослідження - фактори, що зумовлюють процеси кіркоутворення, агроекологічні заходи, спрямовані на попередження утворення кірки на грунтовій поверхні та їх ефективність.

Методи дослідження - при виконанні дисертаційної роботи для визначення факторів, що спричиняють кіркоутворенню, застосовувались модельно-вегетаційні, порівняльно-географічні, порівняльно-аналітичні, картографічні методи досліджень.

Польові та модельно-вегетаційні досліди здійснювалися за загальноприйнятими, стандартизованими методиками. Результати досліджень оброблено методами варіаційного, кореляційного та дисперсійного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уперше в Північно-західному регіоні досліджено прояви процесів кіркоутворення, вивчено роль грунтозахисного обробітку з одночасним внесенням кальцієвмісних сполук як способу боротьби з грунтовою кіркою;

- вивчено роль катіонів Fe, Al, Ca, Mg, Na, у процесах утворення кірки та запливанні грунту і їх вплив на ці процеси в умовах західного Полісся і Лісостепу України;

- установлено і вивчено роль рухомих алюмінію та заліза як вирішальних чинників процесів запливання та кіркоутворення;

- обгрунтовано роль гумусу та органічної речовини грунту у процесах кіркоутворення та запливання;

- вивчено ефективність застосування досліджуваних заходів на ріст і розвиток сільськогосподарських культур;

- визначено ключові фактори, що зумовлюють процеси запливання та утворення кірки на поверхні грунтів Північно-західного регіону України та визначено критерії їхньої оцінки.

Практичне значення одержаних результатів. Установлено ефективні агроекологічні заходи для попередження процесу кіркоутворення та запливання. Встановлено фізичні показники кіркоутворення на досліджуваних грунтах. Складено прогноз щодо тенденції до запливання досліджуваних грунтів. Доведено агроекологічну перевагу використання розроблених заходів над використанням традиційних методів боротьби з грунтовою кіркою. Особистий внесок здобувача. Авторові належить постановка завдань, розробка теоретичних положень, здійснення польових, лабораторних і модельних досліджень, узагальнення їх результатів і статистична обробка, формулювання висновків і рекомендацій.

Апробація роботи. Результати досліджень, основні положення і висновки дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях РДТУ (1999-2000 рр.), м. Рівне; 8-й науково-технічній конференції УДУВГП (2002 р.), м. Рівне; VII з'їзді агрохіміків та грунтознавців України, (2002 р.), м. Умань; на науково-методичних семінарах за участю професорсько-викладацького складу УДУВГП у 1999, 2000, 2001, 2002 та 2003 рр., на Національному з'їзді Американського товариства агрохіміків та грунтознавців США у листопаді 2004 р; на науково-методичних семінарах за участю професорсько-викладацького складу Університету штату Меріленд, США у 2003-2004 рр., на XVIII всесвітньому конгресі грунтознавців у м. Філадельфія, США у липні 2006р.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 7 статей у фахових виданнях, визнаних ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 147 сторінках тексту і складається з вступу, 5 розділів, висновків, пропозицій виробництву, списку використаних джерел та 3 додатків, містить 35 таблиць, 37 рисунків. Загальний обсяг дисертації 186 сторінок. Список використаних джерел складається із 196 найменувань, з них 63 - іноземних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

гумус деградаційний мульчування грунт

У першому розділі „Стан вивчення проблеми кіркоутворення та запливання грунту як деградаційного процесу” в результаті проведеного аналітичного огляду літератури розглядаються види деградації грунтового покриву у Північно-західному регіоні України та кіркоутворення і запливання як окремі її види, причини та процес утворення грунтової кірки, поняття про грунтову кірку та її вплив на культурні рослини, стадії розвитку грунтових кірок та їх класифікація.

Питанням запливання та кіркоутворення грунту займались А.І. Каспіров, В.В. Медведєв, Т.М. Лактіонова, С.Т. Вознюк, А.Г. Язиков, Е. Амезкета, Р. Лал, Л. Бресон, Ф. Бавьє, Л. Нортон, Дж. Поезен, Д. Робінсон та ін. Відзначається, що деградаційні процеси - це процеси, що погіршують властивості грунтів та знижують їх родючість, а деградовані грунти (від латинського degradatio - знижую) - грунти, що втратили або істотно зменшили свою родючість, відчутно погіршили окремі властивості під впливом несприятливих природних або антропогенних чинників.

Проблема запливання грунту та подальше утворення кірки на його поверхні частково виділялася у загальну проблему фізичної деградації грунту, таку як ущільнення та деагрегація (злитість), але досить часто взагалі не вирізнялася як окрема проблема. Лише наприкінці 80-х років запливання та кіркоутворення вчені почали розглядати як окрему проблему, яка завдає значної шкоди землеробству та народному господарству і яка потребує негайного розв'язання. Грунтовою кіркою на полях та сільськогосподарських угіддях називають верхній шар грунту, що заплив після дощів та поливів і який покраяний тріщинами у різних напрямках при висиханні.

На сучасному етапі вирізняють наступні види грунтових кірок: структурні та просадочні, інфільтраційні, ситкові, ерозійні кірки та кірки-відкладення. Всі вони у тій чи іншій мірі зустрічаються на досліджуваних землеробських угіддях.

Висловлювались різні думки про причини виникнення грунтової кірки та запливання грунту і фактори, що впливають на ці процеси, а саме: гранулометричний та агрегатний склад грунту; вміст у грунті катіонів поглинутого кальцію, натрію; вміст гумусу у верхньому шарі грунту; вплив механічного обробітку; втрата грунтом структурності та її стійкості.

Викладені вище аспекти було проаналізовано і використано у даній роботі для виявлення ролі факторів, що впливають на запливання та кіркоутворення грунту в умовах Полісся і Лісостепу Рівненської області.

Також було розглянуто та досліджено цілком новий, на нашу думку, аспект проблеми запливання та кіркоутворення на об'єктах досліджень, якому досі вчені не приділяли достатньої уваги, - це вплив вмісту півтораоксидів заліза та алюмінію на структуру грунту та подальше утворення кірки, і такі аспекти як застосування методів грунтозахисного обробітку з одночасним внесенням кальцієвмісних сполук, визначення ролі концентрації рухомого алюмінію та заліза в окремих грунтових фракціях та агрегатах та їх вплив на ступінь запливання та кіркоутворення.

У другому розділі „Методика досліджень” викладено методику проведених досліджень та наведено характеристику об'єктів досліджень. Дослідження проводилися протягом 2000, 2001, 2002 рр. на шести основних типах грунтів, що задіяні у землеробстві на території регіону. Всі без винятку грунти регіону тією чи іншою мірою запливають та утворюють кірку на своїй поверхні.

Досліди і спостереження проводилися як у польових, так і в лабораторних умовах. На дослідних грунтах вивчалися фактори, що спричиняють запливання грунту та формування грунтової кірки, вивчалися заходи щодо усунення цих негативних процесів та попередження їх появи у майбутньому.

У дослідах, пов'язаних з визначенням ступеня схожості насіння залежно від ступеня утворення кірки, висівалася пшениця сорту Харківська-41 та ячмінь сорту Адамівський-1.

Досліди проводилися у 3-х кратній повторності. Розмір ділянок - 18 м2. Всі польові роботи з обробітку грунту, посіву сільськогосподарських культур і догляду за посівами виконувалися в оптимальні строки відповідно до агротехнічних вимог для зони Західного Лісостепу і Полісся України.

На дослідних ділянках проводилось відбирання зразків грунту для агрохімічних аналізів (за загальноприйнятою методикою з орного та підорного шарів), визначення щільності будови (методом різальних циліндрів за допомогою бура Н.А. Качинського) та вологості досліджуваного грунту. Одночасно проводились спостереження за водно-повітряним режимом. Уміст гумусу визначали за методом “мокрого” спалювання за методом І.В. Тюріна в модифікації В.Н. Сімакова. Індивідуальні зразки в межах варіанту змішувались, висушувались, перетирались, з цієї маси відбирався середньозважений зразок. Аналіз зразків виконували партіями, до кожної партії входили всі відібрані зразки грунту. Статистична обробка результатів виконана за методиками Б.О. Доспєхова.

Аналізи гранулометричного і мікроагрегатного складу виконано за методом Н.А. Качинського. Зразки для визначення агрегатного складу відбиралися з орного і підорного шарів і просівалися через систему сит за методом М.І. Савінова. Проба для просівання складала 1,0-1,5 кг повітряно-сухого грунту.

Оцінку структурного стану проводили за коефіцієнтом структурності, сумою агрономічно цінних агрегатів і сумою водостійких агрегатів за шкалою, запропонованою С.І. Долговим і П.У. Бахтіним. Коефіцієнт структурності визначали як відношення відсоткового вмісту агрономічно цінних агрегатів (0,25-10 мм) до суми агрегатів розміром менше 0,25 мм і більше 10 мм. Щільність грунтової кірки вимірювали за допомогою мікропенетрометра.

Щільність твердої фази визначали за допомогою пікнометра. Загальну шпаруватість і аерацію визначали розрахунковим шляхом. Максимальну гігроскопічну вологість визначали методом А.В. Ніколаєва. Визначення вологості здійснювалося термостатно-ваговим методом. Визначення рухомих з'єднань заліза та алюмінію проводилися у витяжці за Таммом.

У третьому розділі „Характеристика природних умов регіону досліджень” під кутом розгляду проблеми запливання та кіркоутворення наведено коротку кліматичну характеристику регіону досліджень і метеорологічні умови в роки досліджень та в попередні роки, геологічну будову території, природну і культурну рослинність, описано грунтовий покрив регіону досліджень. На основі проведеної характеристики складено схематизовану карту грунтів Рівненської області за податливістю до процесів запливання та кіркоутворення

У четвертому розділі „Результати досліджень” наводяться дані проведених лабораторних та польових досліджень. В лабораторних умовах були проведені дослідження впливу гранулометричного складу грунту на процеси утворення грунтової кірки. За важливістю впливу на процеси кіркоутворення, нами звернуто увагу, перш за все, на гранулометричний склад грунтів, які за цим показником є досить строкатими. Саме цей показник сприяє кіркоутворенню через інтенсивність втрат води грунтом з поверхні через осідання.

Зі збільшенням кількості дрібних часток у гранулометричному складі грунту збільшується питома поверхня, зростають поверхневі сили, внаслідок яких частки адсорбують воду, повітря та інші поверхнево-активні рідкі і газоподібні речовини. Невеликий відсоток колоїдних часток у гранулометричному складі грунту має питому поверхню більшу, ніж всі інші фракції, узяті разом. Отже, тонкі частки в гранулометричному складі грунту мають значення для багатьох його властивостей, у тому числі і для процесу утворення грунтової кірки.

Наші виміри показали зв'язок між випаровуванням води з грунту з об'ємним осіданням за різного гранулометричного складу. Зі збільшенням відсотка піску у грунті за випаровування вологи осідання закінчується значно раніше.

У дослідженнях ролі гумусу та органічної речовини у верхньому горизонті у процесах запливання та кіркоутворення було встановлено, що зі збільшенням вмісту органічної речовини вода з грунту випаровується повільніше, чим зменшується імовірність утворення кірки на поверхні грунту. Крім того, було встановлено, що органічна речовина впливає на динаміку вологості грунту при його висиханні, тобто утримує вологість грунту, зменшує об'ємне осідання, чим створюються несприятливі умови для утворення кірки та запливання грунту.

Установлено, що розпилені, слабооструктурені грунти (дерново-підзолистий, сірий лісовий на лесовидному суглинку), швидше запливають, дають велике осідання, грунтові агрегати менші 2 мм у діаметрі під дією води починають злипатися і після підсушування грунт посічений широкими тріщинами на всю товщину шару. Грунтові агрегати більше 2 мм у діаметрі мають менш виражені ознаки запливання і кірку утворюють в значно меншій мірі. Зі зменшенням діаметра агрегатів до 1 мм і менше, набрякання грунту при зволоженні, об'ємне осідання і ширина тріщин при висиханні, характерна для кірки, збільшуються.

Крім того, після внесення гною чи торфу щільність кірки на досліджуваних грунтах та запливання грунту зменшилися, а натомість утворилася більша кількість структурних грунтових агрегатів величиною від 1 до 2 мм.

У дослідженнях ролі увібраних катіонів грунту у процесі утворення грунтової кірки грунти, що утворюють кірку, донасичувалися катіонами солей Са, Мg, K, Na, Fe, Al. У зразках, донасичених різними катіонами, було вивчено і зіставлено вплив їх у окремих фракціях гранулометричного складу на деякі фізичні властивості грунту: зміни агрегатного складу, набрякання, об'ємне осідання, водопроникність і водопідіймальну здатність.

При донасиченні грунтів Na різко збільшився відсоток фракції часток дрібніших 0,01-0,001 мм. Збільшення фракцій дрібніших за 0,01 мм відбувається за рахунок руйнування більш крупних мікроагрегатів. У зразках, донасичених калієм, кількість мікроагрегатів дрібніших за 0,01 мм також збільшилася, але значно менше, ніж при донасиченні грунту Na. У зразках, донасичених катіонами Са, Mg, Fe та Аl, навпаки, збільшилася кількість мікроагрегатів від 0,25 мм до 2 мм внаслідок коагуляції більш тонких часток.

Капілярна вологоємність грунту різко збільшувалася у зразках досліджуваних грунтів, донасичених катіонами Na і К. За таких значень капілярної вологоємності на місцевості можливе підсилення процесів запливання грунту. Навпаки, значення показників капілярної вологоємності у зразках грунтів, донасичених катіонами Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, наблизилися до оптимальних, за яких спостерігається послаблення процесів запливання та кіркоутворення.

Поглинуті катіони вплинули на кінцеву величину осідання грунту. Катіони Са, Mg, Al та особливо Fe зменшували величину об'ємного осідання, в той час як катіони Na, К, навпаки, збільшували його величину.

Внесення до грунту катіонів Ca, Mg, Al, Fe збільшувало величину вологоємності та дещо зменшило величину коефіцієнта фільтрації досліджуваних грунтів, внаслідок чого грунти не втрачають вологи так швидко, як спостерігалось при проведенні дослідів з природними зразками, частки яких запливали та цементувалися сильніше до внесення у грунт названих вище катіонів.

У грунтів, де диспергація часток у результаті донасичення катіонами є більшою і в складі яких переважає більшість дрібних часточок, утворюють першу тріщину на поверхні за більш високого вмісту вологи. В той же час грунти, донасичені катіонами Ca, Fe та Al, утворюють першу тріщину на поверхні за меншого вмісту вологи. Дія поглинених катіонів на диспергацію та коагуляцію помітніше виявляється на грунтах, які мають високий відсоток тонких часток.

Крім того, при донасиченні грунту катіонами Са, Mg, Fe кількість тріщин і їх ширина зменшуються, кірка на поверхні грунту має меншу товщу.

У дослідженнях ролі розподілу вмісту алюмінію та заліза в окремих гранулометричних фракціях грунту і їх вплив на процеси запливання та кіркоутворення до грунтів вносили солі алюмінію та заліза Al2 (SO4)3 та Fe2 (SO4)3. Особливу увагу звертали на вміст цих елементів у фракціях 1-0,25 мм та тих, розмір яких менший ніж 0,002 мм, оскільки саме відсоткове співвідношення цих фракцій у грунті має вирішальний вплив на процеси кіркоутворення та запливання грунтової поверхні.

У випадку дерново-підзолистого, сірого лісового на лесовидному суглинковому грунті, та навіть чорнозему малогумусного, які більш піддатливі до запливання внаслідок слабої оструктуреності, вміст алюмінію та заліза помітно більший у фракціях 1-0,25 мм, порівняно з іншими досліджуваними грунтами, і помітно менший у фракціях 0,005-0,001 мм. Чітко проявляється поведінка цих елементів: тільки 5-17% алюмінію та 16-27% заліза пов'язано з колоїдною фракцією, більшість же відсоткового складу цих елементів пов'язана з фракціями розміру 1-0,25мм.

Агрегати грунту розміром 2-1 мм зв'язують 25-70% алюмінію, який є у грунті, а заліза - 80-90%, що є, на нашу думку, однією з головних причин дефіциту вмісту заліза та алюмінію у колоїдних фракціях і, відповідно, їх схильності до запливання та кіркоутворення. Так, частки розміру 1-0,05 мм містять дуже незначну кількість алюмінію та заліза за рахунок їх концентрацій у агрегатах більшого розміру на поверхні грунту. Відсотковий вміст дрібних фракцій у всіх грунтах, відповідно до наших досліджень є вирішальним у процесі кіркоутворення.

В результаті проведених дослідів стверджуємо, що Fe та Аl як і Са - Mg також сприяють коагуляції тонких часток у грунтові агрегати більших розмірів, відповідно, покращується структура грунту та його опір процесам запливання і кіркоутворення.

У дослідженнях впливу мульчування як засобу попередження утворення грунтової кірки на посівах вивчено різні мульчпокриви як засоби боротьби з грунтовою кіркою. Досліджувані посіви було вкрито різною мульчею (в перерахунку на 1 га): напівперепрілим гноєм - 200 ц, торфовою крихтою - 200 ц і піском - 200 ц). Визначали і вираховували вологість грунту, товщину грунтової кірки після дощів і вагу рослин пшениці Харківська 41.

Вологість орного шару грунту, покритого торфом і гноєм, була вищою від контролю. Грунтова кірка після проведення штучного поливу була найбільш розвинутою на контролі. На ділянках, покритих гноєм і торфовою крихтою, грунтової кірки майже не спостерігалося. Грунт, покритий піском, заплив після виходу ростків пшениці, але міцної кірки на посівах не було. На посівах, мульчованих гноєм, торфом, піском і іншими матеріалами, грунт не запливає і не утворює кірки. У регіоні найбільш вдало зарекомендував себе мульчматеріал з торфу, різаної соломи та гною.

У дослідженнях з утворення грунтової кірки при ущільненні грунту експерименти ставилися у лабораторних умовах на грунтах, різних за гранулометричним складом, з різною кількістю гумусу в орному шарі і з різним ступенем ущільнення.

За відносної розпиленості грунту та його сильного ущільнення збільшувалася товщина грунтової кірки, зменшувалася вага рослин та збільшувалася кількість води при випаровуванні. На нашу думку, прикочування та ущільнення частіше дає позитивні результати з грубогрудкуватою структурою, коли в грунт між грудками вільно проходить повітря, і на легких грунтах, багатих перегноєм. За нашими дослідженнями, навіть незначне ущільнення легких грунтів знижує аерацію, сповільнює аеробні біологічні процеси і зменшує дифузійне випаровування вологи з грунту. З ростом потужності грунтової кірки збільшуються втрати вологи з грунту.

У польових умовах були проведено досліди з виявлення впливу окремих видів обробітку грунту та внесення кальцієвмісних сполук у боротьбі з грунтовою кіркою. В досліді ми намагалися встановити вплив грунтозахисного обробітку на дерново-підзолистому грунті на сільськогосподарських угіддях КСП “Перемога” с. Болюховичі Володимирецького району Рівненської області, що комбінувався з внесенням гіпсу і вапна на величину ступеня кіркоутворення та запливання грунту, а також на ступінь схожості насіння пшениці та її врожайність. Схеми обробітку грунту під час досліду та речовини, що вносилися, подано у таблиці 1.

Таблиця 1

Схеми обробітку дерново-підзолистого грунту під час досліду