1. Сутність фітомеліорації, її значення та механізми впливу рослин на якісні характеристики деградованих ґрунтів.

Ґрунт є складною природною системою, яка виконує цілу низку екологічних, біологічних та продукційних функцій. Він забезпечує рослини водою та поживними елементами, бере участь у кругообігу речовин, накопичує органічний вуглець, регулює водний режим території, підтримує біорізноманіття та значною мірою визначає продуктивність наземних екосистем.

Під впливом природних та антропогенних факторів властивості ґрунтів можуть погіршуватися. Такий процес називають деградацією ґрунтів.

До основних видів деградації належать:

• водна ерозія;
• вітрова ерозія;
• дегуміфікація;
• втрата органічного вуглецю;
• ущільнення;
• руйнування структури;
• зниження водопроникності;
• засолення;
• осолонцювання;
• підкислення;
• забруднення;
• деградація біологічної активності;
• зниження біорізноманіття;
• порушення ґрунтового профілю.

За таких умов необхідно не лише припинити дію деградаційного чинника, а й створити умови для відновлення ґрунтових функцій.

Одним із таких підходів є фітомеліорація.

Поняття про фітомеліорацію

Фітомеліорація — це система заходів із використанням рослин та рослинних угруповань для поліпшення властивостей ґрунту, регулювання його водного, поживного та біологічного режимів, захисту від деградації та відновлення порушених земель.

Термін походить від грецьких слів:

phyton — рослина

і

melioratio — поліпшення.

Отже, у широкому розумінні фітомеліорація — це поліпшення стану земель за допомогою рослин.

На відміну від суто механічних або хімічних способів меліорації, фітомеліорація використовує природні властивості рослин і пов'язаних із ними біологічних процесів.

Основним об'єктом впливу є не лише сама рослина, а система «рослина — ґрунт — мікроорганізми — вода — атмосфера».

Значення рослин у відновленні ґрунтів

Рослина одночасно впливає на ґрунт у декількох напрямках.

Коренева система:

• механічно розпушує ґрунт;
• створює систему біопор;
• сприяє агрегуванню;
• виділяє органічні сполуки;
• стимулює діяльність мікроорганізмів;
• поглинає воду та елементи живлення.

Надземна частина рослин:

• захищає поверхню від опадів;
• зменшує швидкість поверхневого стоку;
• знижує вітрове навантаження;
• регулює температуру поверхні;
• створює мікроклімат.

Після відмирання рослин:

листки + стебла + корені → рослинні рештки → органічна речовина → гуміфікація → відновлення ґрунтової родючості.

Таким чином, рослинність є одним із головних природних факторів формування ґрунту.

Вплив фітомеліорації на фізичні властивості ґрунту

Деградовані ґрунти часто характеризуються ущільненням та погіршенням структури.

Ущільнення призводить до:

• зменшення пористості;
• погіршення проникнення води;
• зменшення аерації;
• обмеження розвитку коренів;
• посилення поверхневого стоку;
• збільшення ерозійної небезпеки.

Коренева система рослин здатна частково компенсувати ці негативні процеси.

Корені створюють вертикальні та горизонтальні канали, які після їх відмирання залишаються у ґрунті як біопори.

Це сприяє:

збільшенню пористості → покращенню водопроникності → покращенню аерації → розвитку ґрунтової біоти.

Відновлення структури ґрунту

Структурний стан є одним із найважливіших показників якості ґрунту.

Стійкі агрегати:

• забезпечують оптимальне співвідношення пор;
• покращують водний режим;
• зменшують ерозію;
• сприяють розвитку коренів.

Фітомеліорація сприяє структуроутворенню через декілька механізмів.

По-перше, корені механічно об'єднують частинки ґрунту.

По-друге, кореневі виділення сприяють склеюванню мінеральних частинок.

По-третє, ґрунтові мікроорганізми продукують органічні сполуки, які беруть участь у формуванні агрегатів.

По-четверте, після відмирання рослинних решток у ґрунті збільшується кількість органічної речовини.

Вплив на органічну речовину та гумус

Одним із найбільш важливих результатів фітомеліорації є збільшення надходження органічної речовини до ґрунту.

Джерелами є:

• корені;
• кореневі виділення;
• опале листя;
• відмерлі стебла;
• мікробна біомаса;
• рослинні рештки.

У результаті формується ланцюг:

рослинна біомаса → органічні рештки → розкладання → гуміфікація → накопичення органічного вуглецю.

Підвищення вмісту органічного вуглецю може сприяти покращенню:

• структури;
• водоутримувальної здатності;
• ємності катіонного обміну;
• поживного режиму;
• біологічної активності.

Тому органічний вуглець є одним із ключових показників довготривалого ефекту фітомеліорації.

Вплив на водний режим

Рослинний покрив відіграє важливу роль у регулюванні водного режиму.

Рослини:

• перехоплюють опади;
• зменшують швидкість стоку;
• сприяють інфільтрації;
• поглинають воду;
• здійснюють транспірацію;
• сприяють формуванню ґрунтових пор.

У результаті зменшується ризик поверхневого стоку та ерозії.

Особливо важливе значення це має на схилах.

Протиерозійна функція

Фітомеліорація є одним із природних способів боротьби з ерозією.

Щільний рослинний покрив:

захищає поверхню ґрунту → зменшує енергію удару крапель дощу → зменшує руйнування агрегатів → зменшує поверхневий стік → зменшує винесення частинок ґрунту.

Корені додатково закріплюють ґрунтову масу.

Тому створення рослинного покриву є важливим елементом відновлення еродованих земель.

Вплив на поживний режим

Рослини поглинають із ґрунту азот, фосфор, калій, кальцій, магній та інші елементи.

Проте після відмирання частина цих елементів повертається до ґрунту з рослинними рештками.

Особливе значення мають бобові рослини, здатні вступати в симбіоз із азотфіксувальними бактеріями.

Тому включення бобових до фітомеліоративних сумішей може сприяти:

• накопиченню біологічного азоту;
• формуванню біомаси;
• поліпшенню азотного режиму;
• активізації ґрунтової біоти.

Вплив на біологічні властивості

Ґрунт є живою системою, у якій мікроорганізми відіграють ключову роль.

Рослини забезпечують мікроорганізми органічними субстратами через кореневі виділення.

У ризосфері активізуються:

• бактерії;
• гриби;
• актиноміцети;
• мікоризні організми;
• ґрунтова мезофауна.

У результаті посилюються процеси:

• мінералізації;
• гуміфікації;
• кругообігу азоту;
• трансформації фосфору;
• розкладання органічних решток.

2. Основні напрями фітомеліорації та технологічні підходи до покращення властивостей і відновлення функцій деградованих ґрунтів.

Фітомеліорація може використовуватися для різних типів деградованих земель. Вибір технології залежить від причини деградації, властивостей ґрунту, кліматичних умов і кінцевої мети відновлення.

До основних напрямів належать:

• протиерозійна фітомеліорація;
• відновлення органічної речовини;
• фіторемедіація забруднених ґрунтів;
• фітостабілізація;
• фітоекстракція;
• фітомеліорація засолених земель;
• фітомеліорація кислих або деградованих ґрунтів;
• відновлення порушених земель;
• створення фітомеліоративних агроценозів.

Протиерозійна фітомеліорація

Основною метою є захист ґрунту від:

• водної ерозії;
• вітрової ерозії;
• дефляції.

Для цього використовують:

• багаторічні трави;
• ґрунтопокривні культури;
• багаторічні бобові;
• злакові;
• лісові та чагарникові насадження.

Важливим є правильне розміщення рослинності з урахуванням рельєфу.

На схилах особливе значення має створення суцільного рослинного покриву, який зменшує швидкість стоку.

Фітомеліорація дегуміфікованих ґрунтів

Для деградованих ґрунтів із низьким умістом органічної речовини необхідно забезпечити постійне надходження рослинних решток.

Тут перевагу можуть мати:

• багаторічні трави;
• бобово-злакові суміші;
• сидеральні культури;
• культури з потужною кореневою системою.

Основна мета:

збільшити надходження органічної речовини → активізувати біологічні процеси → відновити структуру → підвищити функціональну якість ґрунту.

Фіторемедіація забруднених ґрунтів

Фіторемедіація є одним із напрямів фітомеліорації, який передбачає використання рослин для зменшення екологічної небезпеки забруднення.

Вона може включати:

• фітоекстракцію;
• фітостабілізацію;
• фітодеградацію;
• фільтрацію;
• інші рослинно-мікробні процеси.

Фітоекстракція

Рослини поглинають забруднювачі з ґрунту і накопичують їх у своїй біомасі.

Схема:

забруднений ґрунт → корені → надземна частина → вилучення рослинної маси.

Після цього забруднену біомасу необхідно утилізувати або переробляти відповідно до її складу.

Фітостабілізація

Мета полягає у зменшенні рухомості та біодоступності забруднювачів.

Це особливо важливо там, де повне вилучення забруднювача є економічно або технологічно недоцільним.

Вибір рослин для фітомеліорації

Універсальної «найкращої фітомеліоративної рослини» не існує.

Рослину необхідно підбирати відповідно до конкретного завдання.

При виборі враховують:

• адаптованість до місцевого клімату;
• толерантність до несприятливих умов;
• тип кореневої системи;
• швидкість росту;
• величину біомаси;
• здатність накопичувати органічну речовину;
• стійкість до посухи;
• стійкість до засолення;
• здатність накопичувати або стабілізувати забруднювачі;
• конкурентоспроможність;
• ризик інвазивності.

Фітомеліорація засолених ґрунтів

Засолення негативно впливає на рослини та ґрунтову біоту.

У таких умовах необхідно використовувати рослини, які характеризуються солестійкістю.

Рослини можуть сприяти:

• покращенню структури;
• збільшенню органічної речовини;
• регулюванню водного режиму;
• активізації біологічних процесів.

Проте фітомеліорація не замінює необхідних гідротехнічних заходів там, де проблема пов'язана з неправильним водним режимом і високим рівнем ґрунтових вод.

Фітомеліорація воєнно пошкоджених земель

Для України цей напрям набуває особливої актуальності.

Воєнні дії можуть призводити до:

механічного порушення + ущільнення + перемішування ґрунтових горизонтів + втрати рослинності + ерозії + хімічного забруднення.

У таких умовах фітомеліорація може стати одним із компонентів довготривалого відновлення.

Однак її застосування має починатися лише після:

обстеження території → оцінювання безпеки → визначення характеру деградації → оцінювання забруднення → визначення цільового використання.

Для потенційно забруднених територій особливо важливо не допускати потрапляння токсичних речовин у харчовий ланцюг.

Тому на першому етапі можуть використовуватися рослини нехарчового призначення, які виконують фітостабілізаційну або іншу меліоративну функцію.

Фітомеліорація як складова рекультивації

Фітомеліорацію необхідно розглядати не ізольовано, а як частину загальної системи відновлення земель.

Загальна схема:

порушення земель → оцінювання стану → технічна рекультивація → підготовка ґрунту → фітомеліорація → формування рослинного покриву → моніторинг → оцінювання ефективності.

Саме така послідовність дозволяє перейти від простого «озеленення» території до відновлення ґрунтових функцій.

Оцінювання ефективності фітомеліорації

Ефективність не можна оцінювати тільки за кількістю рослин.

Необхідно визначати:

Фізичні показники

• щільність;
• пористість;
• структурний стан;
• водопроникність;
• вологоємність.

Хімічні показники

• pH;
• органічний вуглець;
• гумус;
• азот;
• фосфор;
• калій;
• ємність катіонного обміну;
• вміст забруднювачів.

Біологічні показники

• мікробну біомасу;
• дихання ґрунту;
• ферментативну активність;
• біорізноманіття ґрунтових організмів.

Рослинні показники

• проективне покриття;
• біомасу;
• видовий склад;
• розвиток кореневої системи;
• продуктивність.

Тобто:

ефективність фітомеліорації = стан ґрунту + стан рослин + стан біоти + екологічна безпека.

Тривалість дії фітомеліорації

Відновлення деградованого ґрунту — це довготривалий процес.

Деякі зміни можуть проявитися протягом першого року:

• формування рослинного покриву;
• зменшення ерозії;
• активізація ризосферної біоти.

Інші потребують декількох років:

• накопичення органічного вуглецю;
• формування стабільної структури;
• відновлення біологічної активності;
• стабілізація водного режиму.

Тому фітомеліорація повинна супроводжуватися довготривалим моніторингом.

Практичний приклад

Припустимо, що земельна ділянка має ознаки деградації:

• низький уміст органічної речовини;
• ущільнення;
• низьку водопроникність;
• слабкий рослинний покрив;
• високу ерозійну небезпеку.

Для її відновлення створюється багаторічний бобово-злаковий агроценоз.

До початку фітомеліорації:

органічний вуглець — 1,2%;

щільність — 1,55 г/см³;

рослинне покриття — 30%.

Через три роки:

органічний вуглець — 1,8%;

щільність — 1,38 г/см³;

рослинне покриття — 85%.

Додатково встановлено збільшення водопроникності та біологічної активності.