ТЕМА 9. ДЕГУМІФІКАЦІЯ ОРНИХ ҐРУНТІВ.

1. Причини і наслідки дегуміфікації орних ґрунтів.

Гумус є постійним джерелом енергії для життєдіяльності ґрунтових мікроорганізмів і рослинності, визначає інтенсивність біохімічних процесів у ґрунті. У гумусі зосереджено 95-98% ґрунтового азоту, близько 80% сірки, до 60% фосфору, значна кількість кальцію, калію, магнію та інших елементів. У процесі трансформації гумусу (розпад-синтез) вони звільняються і стають доступними для рослин.

Завдяки наявності великої кількості функціональних груп, гумус має високу ємність катіонного обміну, обумовлюючи водоутримуючу здатність і буферність. Колоїдна природа гумусу значною мірою визначає фізичні властивості ґрунту, посилюючи здатність до агрегування ґрунтових частинок і тим самим, разом з кальцієм, створюючи водотривку структуру верхніх горизонтів, визначаючи щільність їх складання, водно-повітряний режим.

Використання ґрунтів в землеробстві спричинило заміну природної рослин- ності та щорічне відчуження більшої частини фітомаси агроценозів, різко змінило процеси гуміфікації, призвело, у більшості випадків, до зниження вмісту запасів гумусу. Навіть такі багаті і буферні ґрунти, як чорноземи типові потужні, під впливом глибокого обробітку й інтенсивного сільськогосподарського використання, схильні до дегуміфікації. При цьому в перші десятиліття збіднюється в основному орний шар, а в наступні роки − весь профіль ґрунту.

Стабільність родючості ґрунту і продуктивності земель залежить від динамічної рівноваги між процесами гуміфікація та мінералізації органічної речовини. При цілинному ґрунтоутворенні гуміфікації переважає над мінералізацією і відбувається поступове накопичення органічної речовини ґрунту, вміст якої за певних умов стабілізується. Інший напрям процесів гумусоутворення відмічається в орних землях.

З початком сільськогосподарського використання ґрунтів динамічна рівно- вага (гуміфікація ↔ мінералізація) зміщується у бік підсилення мінералізації, спостерігається зниження вмісту гумусу. Основними причинами даного явища є різке скорочення надходження рослинних решток у ґрунт, зміна їх якісного складу, підсилення мікробіологічної діяльності та перемішування поверхневого шару ґрунту з менш гумусова ним нижчезалягаючим шаром. Крім того, у випадку не надходження свіжої органічної речовини в ґрунт гетеротрофна мікрофлора для життєдіяльності починає використовувати як джерело енергії гумус, що обумовлює його дегуміфікацію. Даний процес триває доти, доки не сформується мікробіологічний комплекс, який відповідає новим ґрунтовим умовам. Після цього між процесами гуміфікації і мінералізації знову настає динамічна рівно- вага, гумусний стан ґрунту стабілізується на новому, нижчому рівні. Зазначимо, що точний час, необхідний для стабілізації, не встановлено.

Процес дегуміфікації ґрунтів набув загрозливих загальнопланетарних мас- штабів і зараз приділяється велика увага до причин і можливих наслідків цього процесу у зв’язку з загрозами парникового ефекту. Розорювання цілинних земель і зведення природної рослинності змінює колообіг біофільних елементів і гідротермічний режим в екосистемі, в тому числі змінюється біогеохімічний цикл вуглецю.

Встановлено кількісні параметри процесу дегуміфікації в розораних ґрунтах і вказані можливі наслідки цього процесу в історичній перспективі. До того як діяльність людини почала відігравати важливу роль в еволюції ґрунтів, сере- дня потужність гумусового шару становила 0,5 м, середня щільність ґрунту – 1,3 г/см³, середній вміст органічного вуглецю – 2%, середній запас органічної речовини - 13000 т/км², загальний запас вуглецю в гумусі планети – 1700 млрд. т. (1990 р.).

Наукові дані свідчать, що сучасна швидкість дегуміфікації ґрунтового по- криву планети за останні 50 років зросла майже в 25 разів у порівнянні з середньою багатовіковою. Численними дослідженнями показано 4-6-кратне перевищення швидкості розкладання ґрунтової органічної речовини в тропіках у порівнянні з помірними широтами. Це, зокрема, означає, що прогнозоване підви- щення глобальної температури на кілька градусів у зв’язку з парниковим ефектом призведе до різкого посилення дегуміфікації ґрунтів помірного поясу. Наслідком втрати гумусу є зниження запасів і доступності для рослин і мікроорганізмів елементів живлення, зниження активності мікроорганізмів, погіршення структури ґрунту, повітряного режиму та окисно-відновних умов.

Дегуміфікація може суттєво посилити парниковий ефект. Втрата гумусу ґрунтовим покривом супроводжується підвищенням концентрації діоксиду вуглецю в атмосфері. Ймовірна оцінка приросту СО₂ в атмосфері за рахунок мінералізації гумусу складе близько 1000 млрд. т, що поряд з іншими факторами посилить парниковий ефект. Таким чином відбудеться подальше потепління клімату, що, в свою чергу, спричинить подальшу дегуміфікацію ґрунтів.

До розорювання чорноземів типових Лівобережного Лісостепу України в їх верхньому шарі містилось 10-11 % гумусу. Свого часу В.В. Докучаєв називав чорноземом «царем ґрунтів», «арабським скакуном», зазначивши, що «він був і буде годувальником Росії». Нині залишилася у кращому випадку половина «скакуна», а нерідко лише його третина.

Найбільш різкі зміни щодо вмісту гумусу відбуваються в перші роки після розорювання цілини в орному шарі. А в подальшому зменшення запасів гумусу стає помітним по всьому профілю. Підтверджуючи цю закономірність, М. Кузнєцов (1987) зауважив, що в чорноземах типових, опідзолених і вилугуваних втрати гумусу після розорювання цілини дещо вищі, ніж у чорноземах звичайних і південних.

Вміст гумусу в староорних ґрунтах дуже залежить від характеру їх вико- ристання. Інтенсивний полицевий обробіток, надмірне насичення сівозмін просапними культурами, ерозія, дефляція, надмірне зрошення, недостатнє внесення органіки – все це може обумовити істотне зниження вмісту гумусу.

За останні десятиріччя в багатьох країнах світу вміст і запаси гумусу в ґрунтах, що використовуються під ріллю, зменшились на 15-25%, а в деяких випадках – на 50% попереднього вмісту (Жуков, 1988). Абсолютне зниження вмісту гумусу в ґрунті за 20-50 років його сільськогосподарського використання становило у середньому від 0,6 (дерново-підзолисті ґрунти) до 3,6 (чорноземи типові), тобто 18-36% початкового вмісту.

Значних розмірів досягли втрати гумусу в ґрунтах України. Дегуміфікацією охоплено 39 млн. га сільськогосподарських угідь. Співставлення гумусованості ґрунтів за часів Докучаєва (1882 р.) з сучасним станом свідчить, що відно- сні втрати гумусу за цей, майже 120-річний період, досягли 22 % в Лісостеповій, 19,5 – в Степовій і біля 19 % - у Поліській зонах України. За даними О. М. Грінченко та ін. (1984), на неполивних землях чорноземи типові західних областей лісостепової зони України за 100 років втратили 25%, в умовах зрошення – до 60% гумусу. В абсолютних величинах найбільших щорічних втрат (0,6-0,8 т/га) зазнали чорноземи типові.

Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва , яка проводилася в останні 50-60 років значно посилила техногенний вплив на природне середовище і найперше на основну його складову – ґрунтовий покрив. В землеробстві інтенсифікація забезпечувалася посиленим використанням важких машин і знарядь для обробки ґрунту, широким застосуванням мінеральних добрив і засобів захисту рослин, насичення сівозмін високо-інтенсивними та високопродуктивними культурами. Всі ці чинники сприяли прояву деградаційних процесів в ґрунтах, в тому числі їх дегуміфікації.

Найбільші втрати гумусу відбулися в період 60−80 рр. минулого сторіччя, що обумовлено інтенсифікацією сільськогосподарського виробництва за рахунок збільшення площ просапних культур, перш за все, цукрових буряків і кукурудзи. У цей період щорічні втрати гумусу сягали 0,55-0,60 т/га. На жаль, процеси дегуміфікації упродовж останніх 20 років не зупинилися, а продовжують протікати з достатньо високою інтенсивністю. За результатами агрохімічної паспортизації земель сільськогосподарського призначення протягом останніх 4-х турів (1986-2005 рр.) уміст гумусу в Україні зменшився на 0,5 % в абсолютних одиницях. Особливо значні втрати гумусу відбулись між 5 і 6 турами – 0,37 %, коли почали різко зменшуватися обсяги застосування органічних добрив, а формування врожаю відбувалося за рахунок потенційної родючості ґрунту. За да- ними Держкомстату України, у 2008 році норма внесення органічних добрив становила 0,6 т/га, тоді як у кінці 80-х років минулого століття – 8,6 т/га.

Якщо розглядати баланс гумусу в ґрунтах різних зон України, то за останні п’ять років 2006-2010 рр. він в зоні Полісся був позитивний і складав +0,21 т/га, в зоні Лісостепу також і дорівнював +0,15, а в Степовій зоні за рахунок наси- чення сівозмін соняшником спостерігався від’ємний баланс –0,23 т/га.

Прискорення темпів втрат гумусу за останні 25-30 років пояснюється багатьма причинами:

·                     недостатнім поверненням у ґрунт свіжої органічної речовини;

·                     посиленням мінералізації гумусу внаслідок підвищення інтенсивності обробітку ґрунту;

·                     внесенням незбалансованих за складом високих норм мінеральних до- брив і використанням біологічно-активних препаратів і пестицидів;

·                     порушенням оптимального співвідношення між внесеними органічними і мінеральними добривами 1:20-25 (1- органічних і 20-25кг діючої речовини мінеральних);

·                     насичення сівозмін високоінтенсивними культурами;

·                     посиленням процесів водної ерозії і дефляції.

Родючість ґрунту обумовлюється інтенсивністю кругообігу речовин і енергії в системі «ґрунт–рослина». Рівень інтенсивності потоків залежить від запасів речовин у профілі ґрунту, в першу чергу запасів органічної речовини, а також її трансформації впродовж вегетаційного періоду, коли за рахунок розкладу гу- мусу задовольняються потреби мікроорганізмів і рослин в речовинах і енергії. Відновлення запасів гумусу до початкового рівня в цілинних ґрунтах відбувається при відмиранні рослин шляхом гуміфікації рослинних решток.

У цілинних екосистемах з високою продуктивністю ценозів щорічно відмирає значна кількість біомаси. Для степових і лучно-степових асоціацій (ценозів) з урахуванням відмирання частини коренів щорічне надходження в ґрунт свіжої органічної речовини становить 15-25т, причому основна її частина надходить у верхній найбільш біологічно активний шар ґрунту, що зумовлює її швидку трансформацію і гуміфікацію. Співпадання зон надходження гумусоутворювачів і найвищої біологічної активності є запорукою збереження запасів гумусу ґрунту при одночасному інтенсивному кругообігу речовин і енергії. Накопичення значної кількості рослинної маси на поверхні і у верхньому шарі ґрунту є особливістю дернового процесу ґрунтоутворення.

Сільськогосподарське використання ґрунтів порушує ці особливості про- ходження дернового процесу і веде до зміщення рівноваги в сторону мінералізації органічної речовини ґрунту. При цьому в 2-5 разів знижується надходження в ґрунт свіжої органічної речовини, через відчуження значної її частини з урожаєм, а безперервне і стабільне її надходження змінюється на імпульсивне і незбалансоване.

2. Технології простого і розширеного відтворення гумусу.

Ще одним суттєвим заходом забезпечення бездефіцитного балансу є використання мінімізації обробітку ґрунту. За безполицевого мінімального обробітку норми органічних добрив в сівозміни для забезпечення бездефіцитного балансу гумусу знижуються на дві і більше тонни.

Зараз досить популярними у виробництві є короткоротаційні сівозміни з 4-5 культурами, серед яких поширенні озима пшениця і кукурудза на зерно. З таблиці 1 бачимо, що тільки залишення всієї маси соломи озимої пшениці і стебел кукурудзи в полі забезпечує в таких сівозмінах бездефіцитний баланс гумусу.

Щодо закону оптимуму, то умовою його виконання є кількість і правильне співвідношення мінеральних і органічних добрив. Мінеральне удобрення по- винно бути повним, збалансованим за елементами живлення і його кількість на одну тону органічних не повинна перевищувати 15-20 кг.

Застосування біопрепаратів, хелатів і стимуляторів росту також потрібно супроводжуватися внесенням повного удобрення. Потрібно також нормувати ви- користання пестицидів, особливо на високогумусних ґрунтах, здатних їх абсор- бувати на поверхні структурних агрегатів та поступово накопичувати в ґрунті.

Розробку протиерозійних заходів в господарстві потрібно починати з ви- значення структури посівних площ, виведення схилових і деградованих земель з орних угідь для проведення їх залуження та обліснення. На інших площах, рівнинних і пологих схилах, застосовувати ґрунтозахисні технології вирощування культур, що базуються на безполицевому обробітку. На схилах їх поєднують з щілюванням впоперек схилів на відстані 5-7 метрів і проводять інші протиерозійні заходи.

3. Альтернативні джерела поповнення органічної речовини ґрунту.

Органічна речовина є одним із найважливіших компонентів ґрунту, оскільки визначає його родючість, структурний стан, водоутримувальну здатність, біологічну активність та стійкість до деградаційних процесів. Традиційним джерелом її поповнення є гній та інші органічні добрива, однак сучасне землеробство потребує ширшого використання альтернативних джерел органічної речовини.

До таких джерел належать рослинні рештки, сидеральні культури, покривні культури, компости, органічні відходи агропромислового виробництва, біовугілля, осади стічних вод після відповідного очищення та контролю, а також органічні добрива нового покоління.

Рослинні рештки

Одним із найбільш доступних джерел органічної речовини є рослинні рештки, що залишаються після збирання врожаю: солома зернових культур, стебла кукурудзи, соняшнику, ріпаку, кореневі та післяжнивні рештки.

За умови їх залишення на поверхні або заробляння в ґрунт відбувається надходження органічного вуглецю, який використовується ґрунтовими мікроорганізмами. Частина органічної речовини швидко мінералізується і забезпечує рослини елементами живлення, а інша частина бере участь у формуванні стабільніших органічних сполук та гумусу.

Особливо важливим є повернення рослинних решток у ґрунт у системах мінімального та нульового обробітку, де вони одночасно захищають поверхню ґрунту від ерозії та сприяють накопиченню органічного вуглецю.

Сидеральні та покривні культури

Важливим альтернативним джерелом органічної речовини є сидерати — культури, які вирощують спеціально для подальшого використання їхньої біомаси в ґрунті. Для цього можуть використовуватися гірчиця, фацелія, редька олійна, люпин, вика, конюшина та інші культури.

Покривні культури вирощують у періоди, коли поле не зайняте основною культурою. Вони збільшують надходження рослинної біомаси, захищають ґрунт від водної та вітрової ерозії, зменшують вимивання поживних речовин і підтримують активність ґрунтової біоти.

Бобові покривні культури мають додаткову перевагу — завдяки симбіозу з бульбочковими бактеріями вони сприяють накопиченню біологічного азоту в агроекосистемі.

Компости

Компостування дозволяє перетворювати органічні відходи на стабільніший органічний матеріал, придатний для внесення в ґрунт. Сировиною для компосту можуть бути рослинні рештки, відходи тваринництва, харчові та інші органічні відходи.

Порівняно зі свіжою органічною масою компост містить значну частку вже стабілізованої органічної речовини. Його внесення може сприяти збільшенню вмісту органічного вуглецю, покращенню структури ґрунту, водного режиму та біологічної активності.

Водночас використання компостів потребує контролю якості та безпечності, оскільки сировина може містити важкі метали, патогенні мікроорганізми, залишки пестицидів або інші небезпечні компоненти.

Органічні відходи агропромислового виробництва

Перспективним напрямом є використання побічної продукції та відходів переробної промисловості: лушпиння, жому, макухи, виноградних вичавок, відходів овочево-фруктової переробки тощо.

Їх використання дозволяє одночасно утилізувати органічні відходи та повертати в ґрунт вуглець і поживні елементи. Однак перед застосуванням необхідно оцінювати їхній хімічний склад, співвідношення C:N, ступінь стабілізації та можливу наявність забруднювачів.

Біовугілля

Особливе місце серед сучасних альтернативних джерел займає біовугілля (biochar) — вуглецевий матеріал, отриманий шляхом термічної переробки біомаси за обмеженого доступу кисню.

На відміну від легко розкладних рослинних решток, вуглець біовугілля є значно стабільнішим. Тому його розглядають не лише як матеріал для поліпшення властивостей ґрунту, а й як інструмент довготривалого накопичення органічного вуглецю.

Біовугілля може покращувати структуру ґрунту, водоутримувальну здатність та умови для розвитку мікроорганізмів. Ефект залежить від властивостей самого біовугілля, типу ґрунту, кліматичних умов і способу застосування.

Осади стічних вод

За дотримання відповідних санітарних та екологічних вимог певні види стабілізованих осадів стічних вод можуть розглядатися як джерело органічної речовини та поживних елементів.

Однак цей ресурс є потенційно ризикованим, оскільки осади можуть накопичувати важкі метали, органічні забруднювачі, фармацевтичні речовини та мікропластик. Тому їх використання у ґрунтах має здійснюватися лише після відповідного аналізу та відповідно до встановлених нормативних вимог.

Органічні добрива нового покоління

Сучасні технології передбачають виробництво гранульованих органічних добрив, органо-мінеральних добрив, ферментованих органічних матеріалів та інших продуктів переробки біомаси.

Їхньою перевагою є можливість стандартизації складу, дозування та способу внесення. Окрему групу становлять мікробні препарати та біологічні інокулянти, які безпосередньо не є значним джерелом органічного вуглецю, але можуть активізувати процеси трансформації органічної речовини та кругообіг поживних елементів.