Діагностика і екологобезпечне спрямування трансформації ґрунтів при внесенні добрив - Автореферат

Інтенсивне використання їх наприкінці ХХ століття супроводжувалося інтенсивним механічним обробітком, зрошенням, осушенням, хемогенним і радіогенним забрудненням ґрунтів. Про актуальність проблеми екологобезпечного використання добрив свідчить і той факт, що вона окремим розділом висвітлюється в робочих програмах і підручниках з агрохімії, агроекології, системи застосування добрив (А.П. Не до кінця вивчено суть, механізми і закономірності безпосередньої взаємодії різних форм мінеральних добрив з ґрунтом. У 1996-2000 рр. дослідження проводилися відповідно до НТП УААН "Родючість ґрунтів", завдання "Розробити методи підвищення ефективності використання добрив і нетрадиційних сировинних ресурсів з урахуванням динаміки агрохімічних показників родючості ґрунтів" (№ ДР 0196U012539); у 2001-2005 рр. - відповідно до НТП УААН "Родючість і охорона ґрунтів", завдання 01.02 "Встановити закономірності сучасних процесів еволюції основних агрохімічних показників ґрунтів, вдосконалити теоретичні основи живлення рослин і розробити засоби підвищення ефективності застосування добрив" (№ ДР 0101U006052); у 2006-2009 рр. - відповідно до НТП УААН "Родючість, охорона і екологія ґрунтів", завдання 01.03.01-028 "Дати теоретичне обґрунтування стану і закономірностей динаміки показників основних агрохімічних властивостей ґрунтів, розробити заходи з раціонального використання мінеральних добрив і місцевих сировинних ресурсів та збереження родючості ґрунтів" (№ ДР 0106U04790). Запропоновано новий методичний підхід до вивчення трансформаційних змін ґрунтів при внесенні добрив, в основу якого покладені дослідження безпосередньої взаємодії добрив з ґрунтом як хімічних реагентів з використанням сучасних методів нанодіагностики.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. 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. Найбільш дослідженими є етапи хімічної і етап біологічної взаємодії добрив з ґрунтом, з якими повязано формування і зміни поживного режиму ґрунтів. Водночас дослідники визнають, що кінцевий результат впливу мінеральних добрив на ґрунти багато в чому залежить від початкових процесів взаємодії добрив з ґрунтом.У дисертації наведено теоретичне та експериментальне обґрунтування нового концептуального підходу до вивчення і спрямування трансформаційних змін ґрунтів під впливом добрив, суть якого полягає у визнанні різного безпосереднього впливу існуючих форм мінеральних добрив на органічну частину ґрунтів, в усвідомленні того, що цей вплив носить чітко виражений локальний характер, а обумовлені ним зміни поступово розвиваються і накопичуються у ґрунтовій масі. Усе це розкриває можливості втручання у процеси взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом, створює умови екологобезпечного їх використання, сприяє пошуковим роботам як з удосконалення властивостей самих добрив, так і з вивчення їх як одного з найефективніших засобів управління родючістю ґрунтів. Установлено, що: - процес взаємодії добрив з ґрунтом відбувається з певною швидкістю і носить чітко виражений локальний характер, про що переконливо свідчать дані X-Ray-томографії, іонометрії, мікро-і субмікроморфології; Найбільш високі значення активності іонів-пептизаторів (в осередках розміщення добрив) спостерігаються при внесенні NH4Cl на малобуферних дерново-підзолистих ґрунтах Чернігівського Полісся (ANH4 =31,5ММОЛЬ·л-1), дещо нижчі (5,01 ММОЛЬ·л-1) на бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Прикарпаття. Величина, на яку змінюється активність іонів амонію (?АNH4 ) і калію (?АК ), при внесенні гектарної дози добрив (120 кг д.р.) залежить від типу ґрунту, стану його удобрення і може бути використана для експрес-діагностики ПБЗNH4 і ПБЗК .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведено теоретичне та експериментальне обґрунтування нового концептуального підходу до вивчення і спрямування трансформаційних змін ґрунтів під впливом добрив, суть якого полягає у визнанні різного безпосереднього впливу існуючих форм мінеральних добрив на органічну частину ґрунтів, в усвідомленні того, що цей вплив носить чітко виражений локальний характер, а обумовлені ним зміни поступово розвиваються і накопичуються у ґрунтовій масі. Усе це розкриває можливості втручання у процеси взаємодії мінеральних добрив з ґрунтом, створює умови екологобезпечного їх використання, сприяє пошуковим роботам як з удосконалення властивостей самих добрив, так і з вивчення їх як одного з найефективніших засобів управління родючістю ґрунтів.

1. Показано, що в сучасному ґрунтознавстві і агрохімії сформувалися два підходи до вивчення впливу добрив на ґрунти. Перший - це дослідження еволюційних змін ґрунтів під впливом тривалого застосування добрив. Другий - це вивчення тих змін ґрунтової маси і біоти, які виникають безпосередньо при внесенні добрив і не завжди реєструються звичайними хімічними й фізико-хімічними методами.

2. Установлено, що: - процес взаємодії добрив з ґрунтом відбувається з певною швидкістю і носить чітко виражений локальний характер, про що переконливо свідчать дані X-Ray-томографії, іонометрії, мікро- і субмікроморфології;

- концентрація і активність іонів в осередках розміщення гранул може досягати екологічно небезпечних рівнів, що залежить від форми і способу внесення добрив;

3. Найбільш високі значення активності іонів-пептизаторів (в осередках розміщення добрив) спостерігаються при внесенні NH4Cl на малобуферних дерново-підзолистих ґрунтах Чернігівського Полісся (ANH4 =31,5ММОЛЬ·л-1), дещо нижчі (5,01 ММОЛЬ·л-1) на бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтах Прикарпаття. Мінімальне підвищення активності іонів NH4 і K при внесенні такої ж дози добрив зареєстроване на чорноземах типових важкосуглинкових Харківської області. (3,16 ММОЛЬ·л-1для NH4 і 0,3 ММОЛЬ·л-1 для K ).

Величина, на яку змінюється активність іонів амонію (?АNH4 ) і калію (?АК ), при внесенні гектарної дози добрив (120 кг д.р.) залежить від типу ґрунту, стану його удобрення і може бути використана для експрес-діагностики ПБЗNH4 і ПБЗК .

Проведені розрахунки й отримані експериментальні дані вказують на те, що за складною і добре обґрунтованою методикою визначення ПБЗК за Becket стоїть обробіток наважок ґрунту розчинами із зростаючою концентрацією KCL і спостереження за зміною АК . Визначення в основних типах ґрунтів ПБЗК за Beckett і власною спрощеною методикою при різних абсолютних величинах виявляє одну й ту ж закономірність і обумовлює одні й ті ж висновки.

Іонометричні дослідження свідчать, що внесення калійних добрив суттєво покращує азотне живлення рослин і, навпаки, внесення амонійних азотних добрив сприяє кращому живленню рослин калієм. Так, активність іонів амонію на контрольному варіанті (стаціонарний дослід № 1) становила 0,61 ММОЛЬ·л-1, на варіантах із внесенням калійних добрив 1,47 ММОЛЬ·л-1. Активність іонів калію на контрольному варіанті стаціонарного досліду № 3 становила 0,09 ММОЛЬ·л-1; на варіанті з локальним внесенням Naa і ВАС 0,16 ММОЛЬ·л-1 і відповідно 0,15 ММОЛЬ·л 1. Причина вказаного явища полягає у протіканні обмінних реакцій між ГВК і внесеними добривами.

4. Найменш вивченим і найбільш суперечливим є питання про вплив різних форм мінеральних добрив на органічну частину ґрунтів. Нами експериментально доведено, що - різні види й форми добрив по-різному впливають на органічну частину ґрунтів. Найбільш “агресивний” вплив здійснюють азотні, окремі калійні і комплексні добрива. В асортименті добрив, є такі, що 1) інтенсивно пептизують органічні колоїди (Ам. вода, K2CO3; (NH4)2CO3, (NH4)2HPO4); 2) суттєво посилюють їх рухомість (NH4H2PO4); 3) практично не впливають на стан ґрунтових колоїдів (KCL, NH4NO3, KNO3, NH4Cl);

- для прогнозу впливу того чи іншого добрива на органічну частину ґрунту слід визначати його пептизуючу здатність. Суть показника полягає в обробці наважки ґрунту розчином добрива тієї концентрації, яку створює досліджуване добриво у природних умовах і визначенні в отриманій витяжці вмісту органічної речовини. Чим більше органічних речовин переходить у витяжку добрива, тим більшою пептизуючою здатністю характеризується це добриво;

- пептизуюча здатність добрив у межах одного класу залежить від аніонної їх частини і по-різному проявляється на ґрунтах з різним генезисом і характером сільськогосподарського використання. Це дозволяє цілеспрямовано впливати на трансформацію ґрунтів шляхом внесення тих чи інших добрив;

5. Пептизуючу здатність добрива можна регулювати шляхом використання домішок (CACL2 1% від маси добрив) і приготування тукосумішей. Якщо 5-процентний розчин (NH4)2HPO4 вилучає з чорнозему 0,093 органічних речовин, то (NH4)2HPO4 CACL2 - тільки 0,017%. Суттєве зниження пептизуючої здатності простих добрив спостерігається під час внесення їх у складі тукосумішей. Так, на варіанті з внесенням аміачної селітри вміст рухомої органічної речовини, за М.А. Єгоровим, складав 0,12%, а на варіанті з внесенням тукосуміші (Naa, Рсг, Кх) - 0,08%.

6. Ідентифікація органічних речовин, на які безпосередньо впливають мінеральні добрива, з високою вірогідністю дозволяє стверджувати, що лужні і гідролітично лужні мінеральні добрива взаємодіють з ГК вільними і слабко повязаними з R2О3. Дія фізіологічно кислих мінеральних добрив скоріш за все спрямована на неспецифічні органічні речовини і кислоторозчинну фракцію гумусу. Внесення мінеральних добрив у прийнятих дозах посилює інтенсивність мінералізаційних процесів у всіх досліджуваних типах ґрунтів, що реєструється через підвищення загальної чисельності мікрофлори і водорозчинного гумусу. Різні форми мінеральних добрив створюють у ґрунті різні стартові умови для розвитку основних екологотрофічних груп мікроорганізмів.

7. Пептизуюча дія відносно ґрунтових колоїдів характерна і для деяких видів органічних добрив. До таких добрив відносяться стоки свинокомплексів, які містять від 200 до 700 мг/л амонійного азоту. Пептизуюча дія таких стоків чітко спостерігалася тільки на ґрунтах з кислим ґрунтоутворенням.

8. Мінеральні добрива здійснюють безпосередній вплив і на структурний стан ґрунтів, що проявляється в руйнації агрономічно цінних агрегатів. Лабораторні дослідження вказують на те, що ті добрива, які мають високу пептизуючу здатність, не завжди призводять до миттєвої руйнації агрегатів. Останнє спостерігається тільки за умов підтоплювання їх дистильованою водою. При підтоплюванні агрегатів розчинами лужних і гідролітично лужних добрив відбувається вилучення органічної речовини з поверхні агрегатів. Самі агрегати залишаються при цьому цілими. Підсушування таких агрегатів і повторне підтоплювання водою призводить до їх руйнації. Аналогічні процеси відбуваються в природних умовах. Підтвердженням є поява у перші роки внесення гідролітично лужних добрив брилистості ґрунтів, а у подальшому зростання вмісту агрегатів <0,25 мм.

9. Погіршення фізичних властивостей ґрунту під час внесення добрив можливе тільки в осередках розміщення гранул. За систематичного застосування підвищених доз добрив подальший розвиток подій може відбуватися за однією зі схем: - відновлення втрачених властивостей ґрунту;

- накопичення осередків ґрунту із втраченими вихідними властивостями;

- стабілізація процесів погіршення-відновлення вихідних властивостей ґрунту.

10. Внесення високих доз гідролітично лужних добрив на ґрунтах з невисоким умістом гумусу призводить до посилення трансформації мінералогічного складу їх мулистої частини. Зокрема, діамофос, внесений у дозі 900 кг д.р. по азоту сприяв суттєвим змінам мінералогічного складу мулистої частини бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів Прикарпаття, що проявлялося у зростанні вмісту змішано-шаруватої фази і дрібнодисперсного кварцу.

11. Дані тривалих стаціонарних дослідів свідчать, що використання гідролітично лужних добрив призводить до посилення рухомості органічної частини ґрунту, підвищення щільності ґрунту і погіршення його агрегатного складу. Систематичне внесення гідролітично кислих форм добрив практично не позначилося на структурному стані ґрунтів.

12. У всіх польових стаціонарних дослідах, де протягом 10-15 років вносили підвищені дози мінеральних добрив, не виявлено тенденцій до спаду врожайності сільськогосподарських культур. Коливання врожайності по роках обумовлене як погодними умовами, так і недотриманням технологій вирощування культур. Головні причини, які примушують серйозно ставитися до інтенсивного використання мінеральних добрив обумовлені економічним фактором, частковою деградацією агрофізичних властивостей ґрунтів (внаслідок посилення рухомості органічних колоїдів), погіршенням біологічної якості продукції, хемогенним забрудненням довкілля. Разом з тим внесення гідролітично-лужних добрив забезпечує більш високий приріст урожаю с.-г. культур і більш високу продуктивність рослин у порівнянні з гідролітично-нейтральними туками.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

1. Для екологобезпечного використання мінеральних добрив у певних ґрунтово-кліматичних умовах слід визначати й ураховувати їх пептизуючу здатність.

2. Лужні і гідролітично лужні (K2CO3; (NH4)2HPO4; (NH4)2CO3) мінеральні добрива використовувати на високобуферних ґрунтах із середнім і високим умістом гумусу. На ґрунтах з низьким умістом і високою рухомістю гумусу використовувати нейтральні (з хімічного погляду) форми мінеральних добрив.

3. На малобуферних ґрунтах з низьким умістом гумусу, до числа яких відносяться бурувато-підзолисті оглеєні ґрунти Прикарпаття, дерново-підзолисті супіщані ґрунти Чернігівського Полісся й сірі лісові ґрунти перехідної зони, мінеральні добрива використовувати у вигляді тукосумішей, що значно помякшує їх вплив на колоїдну частину вказаних ґрунтів. Увести у практику агрохімічного обслуговування господарств нову класифікацію мінеральних добрив, яка враховує їх вплив на органічну частину ґрунтів.

4. Для обєктивної експрес-оцінки змін агрофізичного стану чорноземних ґрунтів під впливом добрив використовувати X-Ray-томографію.

5. З метою зниження пептизуючої дії лужних і гідролітично лужних добрив використовувати коагулюючі домішки (1% CACL2 від фізичної ваги добрива).

6. За локального внесення добрив використовувати ті форми, що характеризуються низькою пептизуючою здатністю.

1. Бездітний П.П. Мінімалізація основного обробітку, властивості і продуктивність дерново-підзолистих ґрунтів Прикарпаття / П.П. Бездітний, В.І. Філон // Вісник с.-г. науки. 1985. № 8. С. 50-58 (експериментальна частина, написання статті).

2. Назаренко И.И. Некоторые аспекты проблемы улучшения гумусного состояния осушенных дерново-подзолистых почв Предкарпатья / И.И. Назаренко, В.И. Филон // Вестник с.-х. науки. 1985. № 9. С. 124-128 (експериментальна частина, написання статті).

3. Назаренко И.И. Изменение минералогического и химического составов дерново-подзолистых почв Предкарпатья при сельскохозяйственном использовании / И.И. Назаренко, М.Б. Куцыкович, В.И.Филон // Почвоведение. 1985. № 10. С. 116-125 (експериментальна частина, написання статті).

4. Филон В.И. Изменение содержания органического вещества в мелиорируемых дерново-подзолистых почвах Предкарпатья / В.И. Филон // Агрохимия и почвоведение. 1986. Вып. 49. С. 29-32.

5. Філон В.І. Вплив різних форм мінеральних добрив на органічну речовину основних типів ґрунтів В.І. Філон // Вісник аграрної науки. 1998. № 8. С. 5-9.

6. Філон В.І. Вплив калійних добрив на структурний і гумусовий стан чорноземів типових глибоких / В.І. Філон // Вісник аграрної науки. 2001. № 8. С. 6-9.

7. Філон В.І. Агрофізичний стан чорноземів типових за умов застосування тваринницьких стоків / В.І. Філон, І.С. Томан // Вісник аграрної науки. 2002. № 11. С. 53-56 (ідея, аналітична частина, написання статті).

8. Філон В.І. Оптичні характеристики та молекулярно-масовий розподіл гумусових речовин, що підлягають безпосередньому впливу мінеральних добрив / В.І. Філон // Вісник аграрної науки. 2003. № 12. С. 9-12.

9. Філон В.І. Можливості використання рентгенівської компютерної томографії для встановлення змін агрофізичного стану чорноземів під впливом добрив / В.І.Філон // Вісник аграрної науки. 2004. № 1. С. 8-15.

10. Філон В.І. Взаємодія мінеральних добрив із грунтом / В.І. Филон // Вісник аграрної науки. 2009. № 7. С. 19-20.

11. Филон В.И. Исследование природы гумусовых веществ, подверженных непосредственному воздействию минеральных удобрений / В.И. Филон // Агрохимия. 2004. № 8. С. 61-65.

12. Филон В.И. Изменение урожайности культур после прекращения внесения удобрений на черноземах типичных мощных Лесостепной части Украины // Вопросы интенсификации земледелия в условиях Северной степи и Лесостепи Украины: сб. науч. тр. Харьк. гос. аграр. ун-та. Харьков, 1992. С. 122-126.

13. Філон В.І. Дослідження взаємодії мінеральних добрив з органічною частиною ґрунтів / В.І. Філон // Вісник ХДАУ. 1997. № 3. С. 97-101.

14. Філон В.І. Про нормування агрохімічного навантаження на ґрунт / В.І. Філон // Вісник ХДАУ. 2000. № 1. С. 177-186.

15. Філон В.І. Концентрація ґрунтового розчину та активність іонів NH4 в осередках внесення добрив / В.І. Філон, О.М. Дубина // Вісник ХДАУ. 2001. № 4. С. 9-15 (ідея, аналітична частина, написання статті).

16. Філон В.І. Активність іонів NH4 і К при локальному внесенні азотних добрив В.І. Філон // Вісник ХНАУ. 2002. № 1 - С. 214-220.

17. Філон В.І Структура мікробіологічних угруповань чорнозему типового при локальному внесенні азотних добрив / В.І. Філон, К.Б. Новосад // Вісник ХНАУ. 2003. № 2. С. 72-74 (ідея, написання статті).

18. Філон В.І. Моніторинг безпосереднього впливу мінеральних добрив на структуру мікробіологічних угруповань чорнозему типового / В.І.Філон, Н.Є. Білецька // Вісник ХНАУ. 2006. № 6. С. 153-157.

19. Філон В.І. Фізична суть аналітичних операцій при визначенні калійної буферної здатності грунтів за Becket. / В.І. Філон // Вісник ХНАУ. 2008. № 1. С. 181-184.

20. Філон В.І. Теоретичні підстави для переходу на спрощене експрес-визначення калійної буферності грунту / В.І. Філон, Н.Є. Білецька // Вісник ХНАУ. 2008. № 4. С. 28-34 (ідея, аналітична частина, спільне написання статті).

21. Філон В.І. Мікро-і субмікроморфологічні дослідження процесів взаємодії лужних і гідролітично лужних добрив з грунтом / В.І. Філон // Вісник ХНАУ. 2009. № 1. С. 80-84.

22. Філон В.І. Електронна спектроскопія гумусових речовин, що підлягають безпосередньому впливу мінеральних добрив / В.І. Філон // Вісник ХНАУ. 2009. № 2. С. 88-93.

23. Філон В.І. Вплив локального внесення азотних добрив на рухомість органічної речовини чорнозему типового / В.І. Філон // Вісник ХНАУ. 2009. № 3. С. 47-50.

24. Филон В.И. Влияние различных форм минеральных удобрений на активность ионов в основных типах почв // Грунти України: екологія, еволюція, систематика, окультурення, оцінка, моніторинг, географія, використання: міжнар. конф.: тез. доп. Харків, 1996. С. 144.

25. Філон В.І. Мінеральні добрива та гумусовий стан ґрунтів:[Лекція]. Х.: Вид-во ХДАУ. 1997. 24 с.

26. Філон В.І. Вплив різних форм добрив на активність іонів у основних типах ґрунтів // Агрохімія і ґрунтознавство: - Спец. вип. до V зїзду УТГА. Харків, 1998. С. 123-124.

27. Філон В.І. Про існування і механізм калійно-амонійного звязку в ґрунтах чорноземного типу // Тез. доп. Всеукр. науково-практичної конф. К.: Центр екологічної освіти та інформації. 2001. 284 с.

28. Філон В.І. Про необхідність удосконалення існуючої класифікації мінеральних добрив // Агрохімія і ґрунтознавство. Спец. вип. до VI зїзду УТГА. Кн. 3. Х., 2002. С. 300.

29. Філон В.І Нові підходи до вивчення впливу мінеральних добрив на органічну частину ґрунтів // Агрохімія і ґрунтознавство: Спец випуск до VII зїзду УТГА, липень 2006 р., м. Київ). Харків. 2006. С. 138-140.

30.Білецька Н.Є. Оцінка безпосереднього впливу різних форм мінеральних добрив на структуру мікробіологічних угруповань чорнозему типового / Н.Є. Білецька, В.І. Філон // XII зїзд Товариства мікробіологів України ім. С.М. Виноградського: тези доповідей, 25-30 травня 2009 р. Ужгород: ВАТ «Патент», 2009. С. 285. (ідея експериментальна частина, написання статті).