Лекція 5. Хімічні показники якості ґрунту

1. Показники для контролю і прогнозування процесів деградації родючості ґрунту

https://www.youtube.com/watch?v=j6XaYcH53KQ

Основні фактори і несприятливі ґрунтові процеси, що зумовлюють зниження ґрунтової родючості:

1) водна і вітрова ерозія;

2) дегуміфікація;

3) агрофізична деградація ґрунтів;

4) трансформація лужних і кислих ґрунтів;

5) процеси засолення й осолонцювання зрошуваних ґрунтів;

6) негативні явища в ґрунтоутворенні на осушених землях;

7) процеси техногенного забруднення ґрунтів.

Незважаючи на сучасне екстенсивне ведення землеробства, деградаційні процеси ґрунтового покриву України продовжують зростати у зв’язку з невизначеністю у співвідношенні між сільськогосподарськими угіддями, незбалансованістю біогеохімічних речовин і енергії в агроландшафтах, недосконалістю протиерозійних систем охорони ґрунтів та відсутністю агроґрунтового моніторингу.

2. Індивідуальні показники

1) рН водної і сольової витяжки, форми потенційної кислотності, окисно-відновний потенціал;

2) загальний вміст гумусу і його якісний склад;

3) ємність вбирання і склад обмінних катіонів;

4) активність іонів у системі ґрунт – ґрунтовий розчин;

5) ступінь нагромадження в ґрунтах важких металів як стосовно загального їх вмісту, так і форм сполук;

6) щільність складення в урівноваженому стані;

7) структурно-агрегатний склад ґрунту й водотривкість агрегатів;

8) водопроникність і польова вологість ґрунту;

9) вміст рухомих форм макро- та мікроелементів тощо.

Дотримуючись такого набору, можна адекватно оцінювати сучасний стан ґрунтів, діагностувати всі види їх деградації і прогнозувати зміни на ближчу або навіть на віддалену перспективу. Проте такий значний масив показників, отриманий різними організаціями, нерідко, без дотримання єдиних стандартизованих (сертифікованих) методик, а до того ж не в акредитованих лабораторіях, не може забезпечити цілісну картину якості земель у різних регіонах зокрема і країні в цілому.

3. Гумус

https://www.youtube.com/watch?v=hG2h2BD1dZA

Одним з головних показників для оцінки родючості ґрунту є вміст у ньому гумусу.

Гумусом називають складний динамічний комплекс органічних високомолекулярних сполук кислотної природи, які утворилися внаслідок процесів розкладу та гуміфікації органічних решток і вступили у тісний взаємозв'язок з мі­неральними компонентами ґрунту. У загальній масі органічної речовини ґрунту він складає 80-90 %.

Уміст гумусу в ґрунтах України визначається зональністю і їх гранулометричним складом, ефективністю запобігання водній ерозії і дефляції. Найменшою гумусованістю характеризуються дерново-підзолисті ґрунти Полісся (0,7-2,0 %), в ґрунтах Лісостепу вміст гу­мусу поступово зростає від світло-сірих лісових (1,0-2,5 %) до чорноземів типових (4,0-6,0 %), в чорноземах Степу у напрямку з півночі на південь вміст гумусу зменшується від 6,0 до 1,5 %. Аналогічним чином змінюються й запаси гумусу в різних ґрунтах (рис.1).

Рис.1. Середньорічні параметри дегумусування в орних грунтах України (дані інституту грунтознавства ім. Соколовського).

 Різноманітність умов ґрунтоутворення в різних зонах нашої країни відображується і на розподілі гумусу по ґрунтовому профілю. Більше всього гумусу знаходиться в орному шарі, де його кількість коливається від 2 до 5-6 %. На глибині 120-140 см  вміст гумусу знижується до 0-1,3 %.

На змитих ґрунтах у верхньому горизонті вміст гумусу знижується на 30-40 % у порівнянні з незмитими аналогами.

Значно впливає на вміст гумусу в ґрунтах господарська діяльність людини. Збільшення аерації при обробітку ґрунту призводить до втрат гумусу, а внесення органічних добрив і наявність рослинних решток у ґрунті – до його нагромадження. За високої агротехніки вирощування сільськогосподарських культур мінеральні добрива сприяють нагромадженню кореневих залишків і збільшенню вмісту гумусу  в ґрунті. Однак систематичне внесення одних мінеральних добрив активізує мінералізаційні процеси і призводить до втрати гумусу.

Роль гумусу багатогранна: з вмістом гумусу тісно пов’язані практично всі найважливіші властивості ґрунтів. У гумусі зосереджено 95-98 % запасів азоту в ґрунті, до 80 % сірки, від 40 до 60 % фосфору, значна кількість кальцію, магнію, калію та інших макро- і мікроелементів, які в процесі мінералізації гумусу вивільняються і стають доступними для рослин. Колоїдна природа гумусу і насамперед його гумінова складова частина у значній мірі визначають фізичні властивості ґрунту, підсилюючи здатність до агрегатування механічних часток, і тим самим разом з кальцієм створюють водотривку структуру верхніх шарів, визначають щільність їх складення та водно-повітряний режим ґрунту. Тому між умістом у ґрунті гумусу та врожайністю сільськогосподарських культур, як правило, спостерігається пряма залежність, але вона має певні особливості та обмеження. По-перше, величина врожаю прямо залежить від вмісту гумусу в ґрунті до певної величини останнього. По-друге, рівна продуктивність агроценозу може бути одержана за різного вмісту гумусу в ґрунтах різних ґрунтово-кліматичних зон. Це пояснюється як властивостями самого гумусу, так і супутніми факторами: зволоженням, кількістю і рухомістю поживних речовин, фізикою ґрунту, метеорологічними умовами тощо.

Гумус є  своєрідним акумулятором сонячної енергії, як і нафта, кам’яне вугілля, торф. Але на відміну від останніх, що віддають свою енергію після їх видобутку з місця залягання, гумус постійно служить джерелом енергії для життєдіяльності мікроорганізмів та рослинності, тобто в теплі періоди року постійно визначає інтенсивність біохімічних процесів у ґрунті. Завдяки наявності в хімічній будові гумусу великої кількості функціональних груп, йому притаманна висока ємність катіонного обміну (350-500 мг-екв на 100 г), яка перевищує у два-три рази ємність найбільш високоємного ґрунтового матеріалу – монтморилоніту. У зв’язку із цим гумус характеризується великою водоутримуючою здатністю та буферністю, що надзвичайно важливо для легких ґрунтів. 

4. Оцінка гумусного стану земель

https://www.youtube.com/watch?v=b8Z7-b9AOE8

Гумусний стан ґрунтів оцінюють на основі показників, розроблених Л.О. Гришиною та Д.С. Орловим, які представлені в табл. 1.

Таблиця 1. Показники гумусного стану ґрунтів  (Л.О. Гришина, Д.С. Орлов, 1996)

Під впливом сільськогосподарської діяльності людини порушується природний процес гумусоутворення, зменшується кількість і змінюється якість органічної маси решток рослин, інтенсивність і спрямованість процесів гуміфікації. За 100 років (1882-1981р.) вміст гумусу в ґрунтах України знизився на 0,97 %, при цьому майже половину його (0,44 %) втрачено за 1960-1970 рр., що збігається з початком інтенсифікації землеробства. Фактичні витрати гумусу в староорних чорноземах України складають 20-30 % початкового його запасу (табл. 2).

Таблиця 2. Фактичний і оптимальний вміст гумусу в грунтах.

На сучасному етапі розвитку землеробства втрати гумусу обумовлюються, як правило, двома причинами – ерозією ґрунтів, і переважанням процесів мінералізації та використання гумусу над процесами його відтворення. У слабоеродованих ґрунтах у метровому шарі вміст гумусу знижується в порівнянні з повнопрофільними на 10-20 %, середньоеродованих – на 20-30, а в сильноеродованих – на 30-80 %. Відповідно знижується продуктивність майже всіх культур .

Районування ґрунтів України за інтенсивністю втрати ними гумусу проведено на основі аналізу динаміки вмісту гумусу за 30 років (табл. 62). Середньорічні втрати гумусу в період з 1961 по 1990 рік у ґрунтах Полісся становили 0,1, Лісостепу – 0,8, Степу – 0,4 т/га.

5. Агрохімічні параметри родючості земель

https://www.youtube.com/watch?v=qb1lIoPLWzc

Поживний режим ґрунтів також у значній мірі залежить від системи ведення землеробства та антропогенного навантаження. У табл.68 подано середньозважені агрохімічні показники ґрунтів України за даними п'ятого туру обстежень. За вмістом рухомого фосфору ґрунти України завдяки систематичному застосуванню добрив протягом 60-80 років минулого століття зрівнялись і навіть у Поліссі його вміст перевищував вміст у ґрунтах Степу і Лісостепу (відповідно 11,8; 9,8; 10,6 мг/ 100 г ґрунту). Проте треба підкреслити, що означені величини характеризуються як середні і значно відстають від оптимальних (15-18 мг/ 100 г), а також тих, що досягнуті на окультурених ґрунтах (окремі господарства України і майже суцільно у ґрунтах Західної і Центральної Європи). Відносно рухомого калію диференціація його вмісту за ґрунтово-кліматичними зонами більш помітна. Найбільш забезпечені калієм важкі за гранулометричним складом ґрунти Степу, але його вміст не досягає оптимальних величин (20-25 мг/100 г ґрунту).

Ураховуючи, що в останні роки мінеральні добрива залишалися поза увагою господарників, значно посилився дефіцит балансу поживних речовин і наведені дані не зовсім об'єктивно відображають реальний вміст поживних елементів у ґрунтах. Те саме треба віднести й до кислотності ґрунтів, параметри якої імовірно погіршилися, особливо в Поліссі, що загалом потребує, як мінімум, відновлення досягнутих у 80-х роках рівнів застосування добрив і меліорантів.

Не зважаючи на те, що ґрунтовий покрив України представлений на 67,7 % чорноземами, які вважаються достатньо родючими, в дійсності вони не забезпечують високих і стійких урожаїв сільськогосподарських культур. Лімітуючим фактором залишається низька їх забезпеченість рухомими поживними речовинами. За даними суцільного агрохімічного обстеження земель сільськогосподарського призначення, ґрунти характеризуються середнім вмістом рухомих форм азоту. Для покращання азотного режиму ґрунтів потрібно щорічно вносити з добривами в середньому 70 кг азоту на 1 га орної землі, що забезпечить рівнозначний кругообіг азоту в агроценозі. Азотні добрива забезпечують найвищі прирости врожаїв усіх культур у різних ґрунтово-кліматичних зонах при умові достатнього зволоження ґрунту. Фактично під урожай 2001 р. було внесено з мінеральними добривами 15 кг/га азоту. Забезпеченість ґрунтів фосфором значно гірша, ніж азотом. За даними агрохімічної паспортизації полів, площі орних земель з низьким та середнім вмістом рухомого фосфору складають понад 50 %.

Дефіцит його у ґрунтах знижує продуктивність землеробства. Для покращання фосфатного режиму ґрунтів потрібно вносити, щорічно з добривами 30 кг Р₂О₅ на 1 га орної землі, що забезпечить рівнозначний баланс його в агроценозі та ведення стійкого і високопродуктивного землеробства. Фактично під урожай 2001 р. внесено 2,4 кг/га Р₂О₅. Забезпеченість ґрунтів калієм значно краща, ніж азотом і фосфором. Площі орних земель з низьким та середнім вмістом обмінного калію складають 31 %. Переважно ґрунти Полісся мають низьку забезпеченість калієм, особливо піщаного і супіщаного гранулометричного складу. Ґрунти Степу та південна частина Лісостепу характеризуються підвищеним та високим його вмістом. Для поліпшення калійного режиму опідзолених та дерново-підзолистих ґрунтів потрібно застосовувати калійні добрива в середньому у дозі 45 кг К₂О на 1 га орної землі.

Ураховуючи, що рівень застосування мінеральних добрив на сучасному етапі дуже низький, а врожай формується переважно за рахунок природної родючості ґрунтів, то відбуваються деградаційні процеси – збіднення їх на рухомі поживні речовини.

Таблиця 1. Середньозважені агрохімічні показники ґрунтів України за даними п’ятого туру обстеження

Діагностичні критерії ступеня агрохімічної деградації ґрунтів наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Діагностичні критерії ступеня агрохімічної деградації ґрунтів.

 Низький рівень застосування органічних і мінеральних добрив обумовлює від’ємний баланс поживних речовин у землеробстві. Якщо баланс поживних речовин за період 1986-1990 рр. був позитивний відносно фосфору (24,9 кг/га) і майже рівноважний щодо азоту і калію, то в 1996-2000 рр. уже від’ємний за усіма елементами живлення – 76,7 кг/га (табл. 3). При високій урожайності від’ємний баланс буде зростати. Так, у 2001 р. він склав - 114 кг/га NPK.

 Таблиця 3.  Баланс поживних речовин у землеробстві України

Для збереження родючості ґрунтів потрібно щорічно вносити з органічними та мінеральними добривами 4 млн. т поживних речовин.

Ґрунти України значно диференціюються за вмістом мікроелементів. Чорноземи недостатньо містять рухомого цинку (0,2 мг/кг ґрунту), що знижує врожайність і якість кукурудзи, цукрових та кормових буряків. Мало забезпечені міддю торфо-болотні, дерново-підзолисті та дерново-карбонатні ґрунти. Майже 8,2 млн га орних земель мають низький вміст рухомого кобальту. Насамперед це кислі ґрунти Полісся, опідзолені ґрунти Лісостепу, а також буроземно-підзолисті та гірсько-лучні ґрунти Карпат. Дефіцит молібдену спостерігається в чорноземах, дернових, дерново-підзолистих і сірих лісових ґрунтах. У сумі вони складають майже 15 млн га. Слабо забезпечені рухомими формами бору дерново-підзолисті та ясно-сірі і сірі лісові ґрунти Полісся та Лісостепу. Для підвищення вмісту у ґрунтах мікроелементів потрібно налагодити виробництво мікродобрив та відновити виробництво складних добрив з домішками мікроелементів.

Одним з найважливіших напрямків поліпшення поживного режиму ґрунтів є широке застосування місцевих мінеральних добрив, особливо фосфоритів. На кислих ґрунтах фосфоритне борошно не поступається суперфосфату.

6. Показники оцінки агрофізичного стану орних земель

https://www.youtube.com/watch?v=T9QdQgrBfuI

Фізичні властивості орних ґрунтів – це один з найважливіших факторів їх родючості. Контроль змін фізичних параметрів, які відображають зміни фізичних процесів ґрунту, є необхідним елементом моніторингу з метою оцінки стану земель і визначення найбільш ефективних прийомів їх збереження і підвищення родючості. Якщо агрохімічна характеристика ґрунтів є однією з найважливіших складових частин теоретичного обґрунтування ефективного застосування добрив та хімічних меліорантів, то агрофізична характеристика є такою ж важливою складовою частиною теоретичного обґрунтування всіх основних заходів землеробства (системи обробітку ґрунту, системи сівозмін і взагалі системи землеробства) і меліорації, основними завданнями яких є в першу чергу покращення ґрунтово-фізичних умов відповідно до вимог сільськогосподарських рослин. Значення фізичних властивостей ґрунту для його родючості особливо посилюється за умов інтенсивного використання сільськогосподарських земель. Застосування сільськогосподарської техніки підвищеної енергоємності і маси, поширення площі зрошення, застосування рідких органічних добрив – це ті фактори, які можуть призвести до погіршення фізичного стану орних земель, їх деградації.

До показників, що характеризують структурний стан ґрунту відносять такі: процентний вміст структурних фракцій різного розміру від 10 до 0,25 мм та процентний вміст водотривких агрегатів за розміром >1 мм і >0,25 мм (табл.1.. Серед перелічених показників найбільш стабільним вважається вміст водотривких агрегатів. Цей показник найменше схильний до динаміки як в межах одного сезону, так і по роках. Параметри водотривкості ґрунту слабо піддаються впливу агрофону чи таких  випадкових факторів, як несвоєчасно проведений обробіток ґрунту, ущільнення механізмами тощо. Зміна параметрів водотривкості відображає, як правило, зміни в процесі агрегатоутворення даного ґрунту, який пов'язаний з глибинними ґрунтовими процесами. При цьому найбільш чутливим є показник вмісту водотривких агрегатів >1 мм, за допомогою якого, наприклад, завжди вдається показати позитивну дію на ґрунт гною, багаторічних трав або інших засобів для покращання структури ґрунту, навіть у той час, коли показник вмісту водотривких агрегатів >0,25 мм ще „не працює”.

Серед показників, які визначають складення ґрунту, інтегральним є щільність або об'ємна маса, під якою розуміють масу абсолютно сухого ґрунту певного об'єму внепорушеному стані. Об'ємна маса залежить від гранулометричного складу, кількості органічних речовин і структурного стану ґрунту. Але в свою чергу об'ємна маса впливає майже на всі фізичні характеристики ґрунту – водопроникність, вологоємність, теплопровідність, повітряну забезпеченість тощо. Крім того, щільність ґрунту має тісний обернений зв'язок з урожайністю рослин, що найбільш помітно в посушливих умовах.

При оцінці рівноважної щільності складення (визначеної перед початком весняних польових робіт, або через один-два місяці після останнього обробітку) слід виходити з того, що для ґрунтів середнього та важкого гранулометричного складу оптимальні показники знаходяться в межах 1,1-1,3 г/см³. Для супіщаних і піщаних ґрунтів відповідні параметри становлять 1,3-1,5 г/см³. Якщо рівноважна щільність перевищує вказані параметри, то це свідчить, що ґрунт знаходиться в деградованому стані і потребує відповідного втручання (внесення підвищених норм гною, засто­сування полегшеної техніки чи глибокого обробітку).

Одним з найважливіших показників оцінки вологозабезпеченості рослин є здатність певного ґрунту пропускати воду – водопроникність (визначається за допомогою приладу ПВН). Цей процес складається з двох фаз – вбирання і фільтрації. Потрібно також систематично контролювати польову вологість ґрунту. Для одержання даної інформації бажано використовувати дистанційні методи, щоб оперативно приймати ті чи інші рішення.