ДІАГНОСТУВАННЯ КИСЛОТНООСНОВНОГО СТАНУ ТА ПОЖИВНОГО РЕЖИМУ ҐРУНТІВ

Альтернативою традиційним показникам, що використовуються для оцінки агроекологічного стану і якісної оцінки ґрунтів (вміст гумусу, рН, вміст поживних елементів NPK, вміст важких металів та ін.), є показники кислотно-основної, фосфатної і калійної буферності ґрунтів.

Буферні характеристики ґрунтів дозволяють виявити закономірності змін хімічної рівноваги ґрунту та наслідки змін за умов внесення хімічних меліорантів та мінеральних добрив.

У порівнянні із вмістом рухомих форм фосфору та обмінного калію, більша сталість показників фосфат та калій буферної здатності ґрунтів обумовлена загальною буферною ємністю, яка складається із суми позитивного та негативного крил буферності (рис. 11.1).

Рис.11.1 Динамічна модельрН-буферності кислого ґрунту

Умовні позначення. ABC і ADE – площа, що характеризує відповідно лужну і кислотну стандартні буферні ємності (SЛст і SКст); А'ВG – площа, що характеризує лужну буферну ємність (БЄЛ) умовного ґрунту; A'DH – площа, що характеризує кислотну буферну ємність (БЄК) умовного ґрунту; (ВТ) – точка перетину кривої буферності ґрунту з віссю ординат, відображувальна точка кислотно-основного стану (вихідне значення актуальної кислотності ґрунту); А' – точка перетину кривої буферності ґрунту з кривою «нуль» буферності – характеризує урівноважений стан кислотно-основної реакції умовного ґрунту.

Показники агроекологічного стану ґрунтів характеризують не лише загальну кількість поживних речовин у ґрунті, а й здатність його забезпечити ними у достатній кількості і доступній формі сільськогосподарські культури.

Проведення подібної діагностики можливе завдяки використання динамічних моделей буферності ґрунтів, тоді як запаси рухомих форм поживних речовин у ґрунті свідчать лише про його потенційні можливості щодо поживного режиму в певний, порівняно не тривалий, або навпаки, доволі тривалий проміжок часу. Ця особливість різних за генетичною природою ґрунтів також не враховуються сучасною методикою якісної оцінки ґрунтів.

Характеристика буферності ґрунтів

Використання показників кислотно-основної буферності ґрунтів для діагностування їх агроекологічного стану, поряд з показником рН ґрунтового розчину, теж є достатньо обґрунтованим. Кислотність або лужність ґрунту за динамічним показником рН не потребує великих матеріальних витрат та часу при застосуванні меліорантів з метою зміщення кислотно-основної рівноваги, що актуально для більшості ґрунтів. Проте, не менш важливо знати наскільки тривалим є рівень рН ґрунту, що знаходиться в межах оптимуму після припинення впливу зовнішніх хімічних навантажень, зокрема внесення фізіологічно кислих мінеральних добрив.

Іншими словами, є потреба визначити наскільки ґрунт здатен протидіяти зовнішнім впливам під час внесення фізіологічно кислих добрив, при вапнуванні, гіпсуванні та інших видах кислотних та лужних навантажень.

Використання означених показників буферності у якості критеріїв оцінки агроекологічного стану ґрунтів дозволяє більш об’єктивно оцінювати зміни, які відбуваються у ґрунтах, визначати можливий напрямок їх розвитку ефективно запобігати погіршенню його стану.

Динамічні моделі фосфат- і калій-буферності розробляють для еталонних (неудобрених) різновидів ґрунтів. Побудова цих моделей, як і моделей рН-буферності, та розрахунки здійснюються в автоматизованому режимі з використанням комп’ютерної програми «Buffer», яка розроблена ННЦ ІГА ім. О.Н. Соколовського (м. Харків).

Фосфат- і калій-буферна здатність ґрунтів оцінюється за показниками буферних ємностей в позитивному і від’ємному інтервалах за коефіцієнтом асиметрії та показником загальної оцінки буферності (ПЗОБ).

ПЗОБ визначається за такою формулою:

,

де БЄ_П і БЄ_Н – буферна ємність у позитивному й негативному крилах, бал.

Оціночні показники окремих ґрунтових відмін, які розраховані за динамічними моделями фосфат- і калій-буферності, наведені в табл. 11.1 .

Діагностування агроекологічного стану ґрунтів за динамічними моделями буферності

Динамічні моделі буферності створюють за атестованими методиками:

− кислотно-основних функцій ґрунтів (модель рН-буферності);

− фосфатних функцій (модель рР-буферності); − калійних функцій (модель рК-буферності). Стан кислотно-основної рівноваги ґрунтів оцінюють за рівнем актуальної кислотності (рН водного) за кривою кислотно-основної буферної здатності (рис.11.2).

Рис. 11.2 Фрагмент динамічної моделі рН-буферності

дерново-підзолистого супіщаного ґрунту.

Оптимізація кислотно-основної рівноваги здійснюється шляхом застосування хімічних меліорантів, органічних і мінеральних добрив. Нормативи вапнування розраховують за відрізком кривої буферності, який знаходиться між початковою величиною рН і заданою, яку необхідно досягти шляхом хімічної меліорації. Динамічна модель рН-буферності ґрунту дозволяє: проводити діагностику кислотно-лужної рівноваги; значно точніше у порівнянні з існуючими методами визначати норми вапняних меліорантів; робити прогноз зміни рН ґрунтового розчину на певний проміжок часу.

Таблиця 11.1

Показники фосфат- та калій - буферної здатності окремих видів ґрунтів

Наприклад, за графіком рН-буферності дерново-підзолистого супіщаного ґрунту, де на осі ординат відкладені показники рН_ВОДН, а на осі абсцис величина гідроокисного кальцієвого навантаження на ґрунт.

Діагностика кислотно-лужного стану ґрунту з використанням динамічної моделі рН-буферності проводять за місцезнаходженням точки на осі ординат графіка з нульовим навантаженням – рН = 5,4.

Залежно від ґрунтової відміни рН може бути:

− вище верхньої межі оптимальної зони рН. Припустимо, якщо ґрунт лужний з рН 7,8. В цьому випадку має місце зайве переважання у ґрунтовому розчині іонів гідроксилу (ОН-) над іонами (Н+). Оптимізувати кислотно-основну рівновагу такого ґрунту можна шляхом додавання кислих меліорантів (гіпсу, фосфогіпсу, кислот тощо).

− в межах оптимальної зони – це свідчить про сприятливий кислотно-лужний стан ґрунту для зростання рослин;

− нижче нижньої межі рН, як у наведеному прикладі, де рН дорівнює 5,4, треба нейтралізувати зайву кислотність, що традиційно роблять шляхом внесення вапняних меліорантів.

Оптимізація кислотно-лужної рівноваги конкретного ґрунту здійснюють шляхом:

− визначення оптимального рівня рН ґрунтового розчину для сільськогосподарських культур;

− побудови динамічного графіку рН-буферності для конкретного ґрунту з відокремленням оптимальних зон рН;

− визначення оптимального рівня рН ґрунту в межах конкретної сівозміни, з метою досягнення цього рівня із вирахуванням дози меліоранту;

− розрахунок і внесення відповідної дози меліоранту в ґрунт з метою досягнення заданого рівня.

Розрахунки оптимального рівня рН та нормативне прогнозування за динамічною моделлю проводимо у наступній послідовності. За визначеним рН кислотно-лужної рівноваги (рН = 5,4), за табл. для озимої пшениці нижня межа оптимуму рН дорівнює 7,5, а верхня 6,3. Якщо на графіку провести від цих значень рН лінії, які паралельні осі абсцис до перетинання їх з кривою рН-буферності ґрунту, то відрізок кривої буферності АС буде відповідати оптимуму рН ґрунту для озимої пшениці.

Наприклад, щоб визначити дозу вапна для досягнення в дерново-підзолистому супіщаному ґрунті рН 6,8 (при зміщенні ВТ у точку В), що дорівнює середньому значенню для озимої пшениці, з точки В опускаємо перпендикуляр на ось абсцис і фіксуємо значення, в даному випадку це значення дорівнює 1,4 мг-екв Са(ОН)₂ на 100г ґрунту. Проекція ВТ на вісь абсцис дорівнює нулю. Отже кількісна різниця параметрів проекцій між вихідним і заданим рН на вісь абсцис дорівнює 1,4 мг-екв Са(ОН)₂ на 100г ґрунту ( рис. 11.2).

Таблиця 11.2

Оптимальна реакція ґрунтового розчину

для сільськогосподарських рослин

Для перерахунку потреби вапна СаСО₃ на 1га ріллі необхідно визначитись, який спосіб внесення вапна передбачається: розкидний під оранку або культивацію, чи локальний – за технологією локального окультурення.

Таблиця 11,3

Матрична таблиця розрахунків норм внесення СаСО₃ за динамічною моделлю рН-буферності ґрунтів за різних технологій їх окультурення

За матричною таблицею визначаємо, що за традиційною (звичайною) технологією хімічної меліорації кислих ґрунтів внесене вапно перемішується приблизно з 3000 т ґрунту на кожному гектарі, тому потреба у вапні для досягнення середньої межі оптимуму рН при вирощуванні озимої пшениці за таких умов становить 2100 кг/га.

Під культивацію потреба у вапні зменшується вдвічі, тобто близько 1050 кг/га, а застосування технології локального окультурення дозволяє значно скоротити норми вапнякових матеріалів, тому що при цьому внесене вапно перемішується тільки зі 180 тонами ґрунту, а потреба в ньому значно знижується і становить лише 126 кг/га СаСО₃.

Використання ресурсозбережувальної технології меліорації кислих ґрунтів дозволяє зменшити дози вапна до 15 разів.

Нормативне прогнозування темпів підкислення ґрунтів

Нормативне прогнозування темпів підкислення ґрунту за графічною моделлю рН-буферності здійснюють методом зворотного зв’язку.

Для прикладу візьмемо графічну модель рН-буферності дерново-підзолистого супіщаного ґрунту (див. рис. 11.1), який провапновано за звичайною технологією. Припустимо, що рН ґрунту (водний), або актуальна кислотність на момент вимірів дорівнює 6,8. Від цього значення на осі ординат проводимо перпендикуляр до перетину з кривою буферності (точка В на графіку), а вже звідти опускаємо перпендикуляр на вісь і фіксуємо цей показник, який дорівнює 1,4 мг-екв Са(ОН)₂ на 100г ґрунту. За матричною таблицею розрахунків норм внесення СаСО₃ (табл. 11,3) встановлюємо, що 1,4 мг-екв на 100г ґрунту Са(ОН)₂ відповідає вмісту 2100кг СаСО₃ на 1 га. Зважаючи на те, що кислотність – генетично притаманна властивість даного ґрунту, можна зробити прогноз, за який термін його розчин набуде рН нижчий за оптимальне значення. В наведеному прикладі це проекція точки А на вісь абсцис, яка дорівнює 0,6 мг-екв на 100г ґрунту, що за матричною таблицею відповідає вмісту 900кг /га СаСО₃. Різниця між вихідним вмістом СаСО₃ та нижньою межею оптимуму складає (2100 – 900 = 1200 кг/га СаСО₃).

Відомо, що сільськогосподарські культури в польовій зерново-цукровій сівозміні в середньому щорічно виносять близько 50кг з кожного гектара, а щорічні втрати цієї речовини за рахунок вимивання становлять близько 250кг з гектара, тобто сумарні витрати складуть 300 кг/га. Можна підрахувати, що рН даного ґрунту знизиться до нижньої межі оптимуму за 4 роки: 1200 кг/га поділимо на щорічний виніс вапна і отримаємо 4 роки.

Таким чином, якщо не вносити вапно, то можна гарантовано спрогнозувати, що через 4 роки слід очікувати зниження врожаїв сільськогосподарських культур через низьке значення рН.

Діагностика, оптимізація й нормативне прогнозування фосфатного стану ґрунтів

Динамічні моделі фосфат-буферності дозволяють здійснювати діагностику і прогноз фосфатного стану досліджує мого ґрунту, визначати дози фосфатних добрив у відповідності до оптимальних параметрів кожного конкретного ґрунту та потреб у фосфорі сільськогосподарських культур.

Для прикладу візьмемо графік фосфат-буферності ясно-сірого опідзоленого оглеєного ґрунту (рис. 11.3 ), де на осі ординат відкладено показники рР, а осі абсцис фосфатні навантаження у молях на 100г ґрунту.

Відокремлюємо відрізок оптимальних меж рР на графіку фосфат-буферності (відрізок АС). Визначаємо рР в ясно-сірому оглеєному ґрунті або параметри відображувальної точки. Діагностику фосфатного стану проводимо за місцезнаходженням відображувальної точки.

Існує три основні випадки місцезнаходження рР:

− рР знаходиться нижче нижньої межі експериментально установленої оптимальної зони «фактору інтенсивності». В цьому випадку йдеться про дефіцит концентрації (активності) іонів фосфору і калію в ґрунтовому розчині, тобто про їх нестачу в ґрунті;

− рР знаходиться в межах оптимальної зони – це свідчить про достатню забезпеченість ґрунту фосфором і калієм;

− рР знаходиться вище верхньої межі оптимальної зони, що свідчить про надлишкову концентрацію у ґрунтовому розчині іонів фосфору чи калію, про тимчасову відсутність потреби застосування мінеральних добрив.

Розрахунки оптимальних параметрів фосфатного стану ґрунту та нормативне прогнозування рівня забезпеченості ґрунту рухомим фосфором за графічною моделлю фосфат-буферності проводимо у такій послідовності.

У нашому випадку рР дорівнює 5,5. Отже, для того, щоб досягти нижньої межі оптимуму рухомого фосфору необхідно зменшити рР на 1,3 одиниці (різниця координат точок рР та нижньої межі оптимуму) або збільшити концентрацію фосфатних іонів у ґрунтовому розчині, тобто перевести рР з 5,5 до 4,2. На осі абсцис визначаємо кількісну різницю параметрів проекцій відображувальної точки і оптимального значення забезпеченості ґрунту фосфором, яка, наприклад, дорівнює нижній межі оптимального забезпечення фосфором. Проекція ВТ дорівнює нулю, а проекція нижньої межі оптимуму 2*10⁴ моль/100г ґрунту. Отже, різниця проекцій цих значень на осі абсцис складає 2*10⁴ моль/100г ґрунту.

За матричною таблицею переводимо цю величину у кількість діючої речовини Р₂О₅, які необхідно внести на гектар. Відповідно для досягнення нижньої межі оптимуму вмісту фосфору в ясно-сірому опідзоленому оглеєному

Таблиця 11.4

Фосфатні навантаження на ґрунт в залежності від технологій внесення добрив

ґрунті необхідно внести в ґрунт під звичайну оранку 428 кг/га, під культивацію – 214 кг/га, а за технологією локального окультурення всього 25,7 кг/га фосфорних добрив у перерахунку на Р₂О₅.

Інше завдання, наприклад, ВТ становить 5,0 а необхідно довести рР до середнього рівня забезпеченості рухомим фосфором (точка В на графіку), що на осі абсцис, тобто кількість рухомого фосфору, що вже є в ґрунті дорівнює 1,0*10^-4 моль/100 г ґрунту. Різниця проекцій цих параметрів на осі навантажень дорівнює 4,0-1,0 = 3*10^-4 моль на 100г ґрунту. За таблицею визначаємо, що за звичайними технологіями для цього потрібно: звичайна оранка – 642кг, культивація – 321кг, а за умов локальної меліорації – 38,5кг Р₂О₅ на 1га.

Нормативне прогнозування темпів виснаження ґрунтів на рухомий фосфор

Нормативний прогноз темпів виснаження ґрунтів на рухомий фосфор за графічною моделлю фосфат-буферності, на відміну від нормативного прогнозування його забезпечення цим елементом, здійснюємо у зворотному порядку.

Для прикладу візьмемо удобрений за звичайною технологією ясно-сірий опідзолений ґрунт, в якому відображу вальна точка знаходиться в точці В на кривій буферності (рис.___). За графіком фосфат-буферності діагностуємо, що даний ґрунт забезпечений рухомим фосфором у межах оптимального інтервалу. Для встановлення конкретного значення рівня забезпеченості з точки В опускаємо перпендикуляр на вісь абсцис. Це значення відповідає 4 10^-4 моль/100 г ґрунту. За таблицею знаходимо, що в перерахунку на Р2О5 забезпеченість фосфором ґрунту складає 856 кг/га. Відомо, що сільськогосподарські культури зернової сівозміни виносять щорічно у середньому з кожного гектару близько 25кг _Р2О5. Тобто, в середньому за 6-пільну сівозміну буде винесено 6^х25 кг = 150 кг/га.

Таким чином, можна спрогнозувати, що якщо за 6 років в ґрунт не будуть надходити фосфорні добрива, то його рухомі запаси понизяться з 856 до 706 кг/га (856 – 150 = 706 кг/га). Тобто, його запаси у молях на 100г ґрунту будуть складати вже 3,3 10^-4 моль, але ж ця величина знаходиться в межах оптимальної зони. На підставі цього прогнозу можна зазначити, що за цих умов ліміту рухомого фосфору ще не буде вичерпано.