Вплив мінеральних добрив на властивості ґрунту та ҐВК
Безкінечний процес: рослини формують урожай, поглинають поживні елементи із ґрунту, ми вносимо добрива, щоб поповнити запаси, бактерії працюють, перетворюючи одні форми цих елементів на інші. Здавалося б — незмінна круговерть. Однак насправді ці процеси не зовсім збалансовані. Тому врожаї хоч і ростуть, але ґрунти при цьому збіднюються. Сергій Хаблак, доктор біологічних наук, на основі багаторічних спостережень дослідив ці процеси і виклав своє бачення, як ними можна управляти. Публікуємо його статтю, це — перша частина.
Можливі негативні впливи на ґрунт азотних, фосфорних і калійних добрив
При використанні мінеральних добрив значно підвищується врожайність культурних сільськогосподарських рослин, але різко збільшується рухомість елементів живлення й обмінних форм кальцію та магнію в ґрунтах, порушуються ґрунтові процеси, зокрема підвищується кислотність, погіршуються фізичні, фізико-хімічні та мікробіологічні властивості. Внесення добрив (азотних, фосфорних, калійних) у ґрунт як джерела поживних речовин для живлення рослин рано чи пізно призводить до погіршення родючості, небажаних змін у складі ґрунтового вбирного комплексу катіонів (заміна водню, алюмінію, заліза, мангану в кислих ґрунтах і натрію — в лужних ґрунтах на кальцій). Через це порушується оптимальна реакція ґрунтового розчину, ускладнюється засвоєння елементів живлення з ґрунту і внесених добрив та утворюються кислі й солонцові ґрунти.
Якщо систематично, впродовж багатьох років, вносити у ґрунт у великих дозах мінеральні добрива у вигляді аміачної селітри, сірчанокислого амонію і хлористого калію, то кількість увібраного кальцію може знизитися настільки, що фізичні властивості ґрунту погіршаться і він буде схильний до запливання та утворення кірки. Інтенсивне застосування фізіологічно кислих мінеральних добрив істотно змінює родючість ґрунтів, насамперед легких за гранулометричним складом малобуферних дерново-підзолистих та ясно-сірих і сірих лісових ґрунтів.
Головна роль у системі удобрення відводиться азотним добривам. Ще Д.Прянішніков вважав, що епохи у розвитку землеробства та відповідні їм рівні врожайності культур визначаються кількістю доступного рослинам азоту у ґрунті. Проте азотні добрива мають шкідливий вплив на родючість та важливі властивості ґрунту.
З усіх видів мінеральних добрив азотні, крім калієвої, натрієвої і кальцієвої селітри, за дією на ґрунт є найагресивнішими. 1 кг азотних добрив зумовлює дію на ґрунт, яка рівнозначна дії 0,5-1,5 кг концентрованої сірчаної кислоти. Уже під час розчинення амонійних та амонійно-нітратних добрив у результаті їх гідролізу в ґрунт виділяється кислота. Виділена кислота та залишковий амоній добрив зумовлюють декальцинацію, дегуміфікацію і деструктуризацію та загальне погіршення агрофізичних властивостей ґрунту. 1 кг азоту добрив сприяє витісненню і переміщенню в нижні шари ґрунту від 1,5 до 3 кг кальцію або 0,3-0,6 кг магнію. Для нейтралізації кислотності азотних добрив необхідно на 100 кг фізичної маси добрива вносити від 50 до 150 кг карбонату кальцію. Азот добрив, активізуючи життєдіяльність мікроорганізмів, сприяє інтенсивній мінералізації гумусу ґрунту. 1 кг азоту мінеральних добрив сприяє мінералізації від 1 до 20 кг гумусу.
Особливо руйнівним для родючості ґрунту є внесення аміаку водного технічного і аміаку рідкого синтетичного, які останнім часом стали одними з популярних азотних добрив через меншу вартість у них 1 кг д.р. азоту порівняно з іншими добривами. У місцях підвищення концентрації аміаку створюються локальні осередки, рН ґрунтового розчину яких становить близько 9 і більше. В цих осередках гумус розчиняється і тече, гинуть мікро- та мезофауна і флора, відбувається декальцинація, дегуміфікація, деструктуризація, що призводить до погіршення агрофізичних та агробіологічних властивостей ґрунту. Для максимального можливого зменшення руйнівної дії аміаку водного технічного і аміаку рідкого синтетичного на ґрунт бажано їх вносити лише на високобуферних ґрунтах і в дозах не більше 120-150 кг/га азоту. Втім, ці добрива нерідко застосовують і на малобуферних ґрунтах, що призводить до більш швидкого руйнування їх родючості.
Калійні добрива також погіршують агрофізичні властивості ґрунту в результаті декальцинації, дегуміфікації, деструктуризації та засолення ґрунтів. Проте їхня дія значно слабша за дію азотних. Фосфорні добрива не мають істотного руйнівного впливу на родючість ґрунту. Як правило, негативну дію фосфорних добрив пов’язують із зв'язуванням аніонами фосфорної кислоти іонів цинку та міді в недоступний для рослин стан.
Роль кальцію у ґрунті
Величина врожаю сільськогосподарських культур часто визначається вмістом кальцію у ґрунті, що пов’язано з фізіологічною роллю його як елемента живлення. Він сприяє підвищенню активності фотосинтезу, поліпшенню вуглеводного, азотного та фосфорного обмінів рослин, особливо зернових культур із коротким періодом вегетації. Кальцій як елемент живлення має першочергове значення для кореневої системи рослин, розвиток якої перебуває у прямій залежності від умісту цього елементу в ґрунті. Катіони кальцію (а також магнію) виявляють захисну дію проти шкідливого переважання у ґрунтовому середовищі інших катіонів (марганцю, натрію, алюмінію, водню), запобігаючи надлишковому їх надходженню до рослин.
Більшість агрономів кальцій і магній вважають другорядними елементами живлення порівняно з азотом, фосфором і калієм. Але насправді для ґрунту вони є першорядними елементами з точки зору їх кількості та біохімічної ролі. Кальцій є головним елементом родючості й агрономічних властивостей ґрунту завдяки великому вмісту масової частки обмінного Са у складі ґрунтового вбирного комплексу (ҐВК).
Роль кальцію у ґрунті важко переоцінити. Вплив кальцію на ґрунтові процеси в кінцевому результаті настільки важливий, що його можна назвати вартовим родючості ґрунтів (ґрунтової структури та самого ґрунтового тіла). Без кальцію взагалі не було б ґрунтів як середовища для росту і розвитку рослин. Така оцінка не може виявитися перебільшеною через прямий і непрямий вплив кальцію на мікробіологічні процеси, на хімізм і фізичні властивості ґрунту, значення його у збереженні сталості самого складу ґрунту. Агрономічно найбільш цінна структура ґрунту утворюється в процесі коагуляції за умови, що в ньому беруть участь гумусові речовини і катіони кальцію та заліза. Структура ґрунту «це таке поєднання гумусу і глини, яке під впливом кальцію отримує здатність цементувати ґрунтові грудочки, причому кальцій, коагулюючи їх, водночас сприяє збереженню складу ґрунту».
Структурність ґрунту залежить передусім від гранулометричного складу та суми поглинутих основ: чим більша їх питома вага у структурі твердої фази ґрунту, тим більшу ємність має вбирний комплекс, тим ближчі до оптимальних фізичні властивості. Як правило, його характеризує ємність вбирання, або ємність катіонного обміну, яка коливається від 2,0-3,0 у піщаних і до 50-55 мг-екв./100 г ґрунту у важкосуглинкових чорноземних ґрунтах.
За інтенсивного землеробства внаслідок виносу кальцію і магнію з ґрунту змінюється іонна рівновага у ґрунтовому розчині, різко зростають актуальна і потенціальна кислотність, що призводить до дефіциту кальцію та магнію (особливо в ґрунтах легкого гранулометричного складу), зменшення ступеня насичення ґрунту основами, підвищення активізації рухомого алюмінію і, як наслідок, зниження родючості ґрунту, недобір урожайності. Тому дуже важливо знати, як швидко змінюється структура увібраних катіонів у ґрунтовому вбирному комплексі залежно від рівня удобрення та вапнування, який їх вплив на оптимізацію ґрунтових процесів, родючість ґрунту та продуктивність культур, щоб дати пропозиції щодо раціонального використання добрив у поєднанні з вапнуванням.
Як працює ґрунтово-вбирний комплекс
ҐВК — це сукупність мінеральних, органічних і органо-мінеральних компонентів твердої частини ґрунту (колоїди), які володіють іонообмінною здатністю. У ҐВК входять і здатні до обмінних реакцій катіони, які в еквівалентній кількості можуть обмінюватися на катіони ґрунтового розчину. Вбирна здатність ґрунту залежить від вмісту найдрібніших ґрунтових часток (колоїдів), які утворюють ґрунтовий вбирний комплекс. Колоїди — це частинки твердої фази ґрунту розміром від 0,1 до 0,001 мк. Вони складають одну із фракцій гранулометричних елементів ґрунту. Колоїдна фракція у різних ґрунтах міститься від 2% — в легких до 30-50% — у важких.
Ґрунтові колоїди негативно заряджені, а хімічні елементи, що утримуються в них, мають позитивний заряд. Негативно заряджені глинисті й гумусні колоїдні часточки притягують та утримують позитивно заряджені частинки. Чим більше глинистих та гумусних колоїдів у ґрунті, тим більше є негативно заряджених частинок для притягування позитивно заряджених частинок за принципом магніту. Поглинання добрив залежить від ґрунтових колоїдів. Щоб ґрунтовий колоїд їх утримував, добрива мають бути позитивно зарядженими.
Позитивно заряджені елементи утворюють катіони. Негативно заряджені, такі як азот (нітрати), фосфор і сірка, формують аніони. Негативні іони не притягуються до ґрунтового колоїду. Це пояснює високу рухливість у ґрунті нітратів (NO3-) та інших аніонів, які не адсорбуються його колоїдними частинками і легко вимиваються з ґрунту, якщо нітратні азотні добрива внести заздалегідь.
Ґрунтові колоїди легко втрачаються із ґрунту. Грудочки ґрунту більше 1 мм є вітростійкими, а менше 1 мм — ерозійнонебезпечними. Коли у верхньому шарі ґрунту часточок менше 1 мм стає понад 50%, то починається ерозія. Це поріг вітростійкості ґрунту. А саме під час оранки утворюється значна кількість часточок менше 1 мм в діаметрі. До того ж, з оборотом пласта стерня і рослинні рештки знищуються і ґрунт стає незахищеним. Якби можна було для аналізу зібрати пил, який розносить по полю вітер або змиває вода, то виявилося б, що в ньому найвищий вміст поживних речовин з-поміж усіх складових ґрунту. Найродючіша частина ґрунту (колоїдні частинки) завжди втрачається найпершою під дією водної або вітрової ерозії. Чим довше триває ерозія, тим гіршим стає ґрунт.
Низька ділянка поля практично завжди має найбагатший вміст поживних речовин, тому що там збирається більша частина легкого колоїдного пилу, який розносить по полю вітер або змиває вода. На буграх та вищих ділянках поля, незалежно від того, куди стікає вода або дує вітер, більш інтенсивно видуваються та вимиваються колоїди ґрунту, що містять елементи живлення. Такі ділянки ґрунту поля мають гіршу родючість і менший вміст поживних речовин.
Нагромадження у ґрунті елементів живлення рослин пов'язане з фізико-хімічною (обмінною) поглинальною здатністю ґрунту. Суть її полягає в тому, що увібрані катіони або аніони, закріплені колоїдною частинкою, можуть замінюватися іншими катіонами або аніонами з розчину. Від того, які саме катіони розміщені на поверхні колоїдної частинки і яка їх кількість, залежать агрономічні властивості та родючість ґрунту (вміст поживних речовин, кислотність і лужність ґрунтового середовища).
Вбирання й обмін відбуваються тільки на поверхні колоїдних частинок. Чим більша поверхня, тобто більше колоїдів у ґрунті, тим більше увібраних катіонів. У зв’язку з цим у глинистих ґрунтах вбирний комплекс більший, а в піщаних — менший. В обмінному стані в ґрунтах зазвичай перебувають: Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+, Н+, Al3+, Fe3+, Fe2+. За наявності у складі ґрунтового вбирного комплексу значної кількості Н+ і Al3+ колоїди легко руйнуються в результаті кислотного гідролізу, а ґрунти погано оструктурені. Якщо у складі обмінних катіонів значна частка належить Na+ (солонці, солонцюваті ґрунти), то колоїди легко пептизуються, ґрунти характеризуються лужною реакцією, погано оструктурені, мають несприятливі водно-фізичні властивості — підвищену щільність, погану водопроникність, слабку водовіддачу, низьку доступність ґрунтової вологи.
Узагальнюючим показником ГВК та вбирних властивостей ґрунту є ємність катіонного обміну (або сума вбирних основ). В англомовній літературі ємність катіонного обміну позначають СЕС (the cation exchange capacity). Ємність катіонного обміну ґрунтів (ЄКО ґрунтів) — це сумарна кількість позитивних зарядів обмінних катіонів, що нейтралізують негативний заряд ґрунтово-вбирного комплексу. Ємність катіонного обміну в ґрунтах залежить від гранулометричного, хімічного складу, вмісту та якості гумусу, кислотно-основних умов. Тому ємність поглинання в різних типах ґрунтів неоднакова. Найбільша ЄКО характерна для чорноземів типових високогумусованих, де у складі обмінних катіонів переважають іони кальцію та магнію, що становить 50 мг-екв./100 г ґрунту і вище. Для дерново-підзолистих, сірих лісових ґрунтів, жовтоземів, червоноземів з кислою реакцією середовища ємність катіонного обміну низька і дорівнює 4,0-40,0 мг-екв./100 г ґрунту.
Між значенням СЕС, органічною речовиною і текстурою ґрунту є певна кореляція. За низького значення органічної речовини і легкої структури не має бути високих значень СЕС. Важкі глинисті ґрунти повинні мати високе значення органічної речовини і хороше значення СЕС.
На фізичні і фізико-хімічні властивості ґрунту впливають не тільки величина вбирного комплексу і кількість увібраних катіонів, а й їх склад. Різні типи ґрунтів містять неоднаковий склад увібраних катіонів в ГВК. Кожному типу ґрунту властиві певні катіони. Наприклад, у чорноземах і каштанових ґрунтах багато Са++ і Mg++, у підзолистих — Н+ і Аl+++, засолених — Na+, у болотних — Fe+++. ґрунти в природному стані містять найбільше таких катіонів, як кальцій, магній, натрій, водень, калій.
Показником складу катіонів у ГВК є насиченість основами. Насиченість основами (base saturation, BS) — параметр, що характеризує процентний вміст основних обмінних катіонів ґрунту (кальцій, магній, калій, натрій і водень) у ГВК. Рівень насічення основами, % — відношення суми обмінних основ до ємкості вбирання. За високих значень BS (%) деяких катіонів можна зробити такі висновки:
- Н більше 33% — велика проблема з кислотністю ґрунту, необхідно вапнувати,
- Na більше 5% — потрібно гіпсувати,
- Mg більше 33% — необхідно гіпсувати.
Окремі увібрані катіони в ГВК дуже помітно впливають на процес ґрунтоутворення, фізичні властивості і родючість ґрунту. Залежно від складу увібраних катіонів, всі ґрунти можна поділити на насичені і не насичені основами. До першої групи належать ґрунти, у вбирному комплексі яких переважають катіони кальцію, магнію, натрію, а до другої — ті, в яких разом із кальцієм і магнієм у вбирному комплексі є також катіони водню й алюмінію. Насичені кальцієм і магнієм ґрунти сприятливі для розвитку рослин, мають найкращі фізичні властивості і добре виражену структуру.
Ґрунти з високим вмістом водню та алюмінію в ГВК утворюються там, де річна кількість опадів перевищує сумарне випаровування, тобто в умовах промивного (чи періодично промивного) водного режиму з підзолистим ґрунтоутворювальним процесом. Тоді як з великим вмістом кальцію — в умовах непромивного режиму з дерновим процесом гумусонакопичення. Зниження токсичної дії іонів водню та алюмінію на ґрунтах із промивним режимом, значною мірою можливе лише за рахунок додаткового введення у ґрунтовий розчин сполук лужноземельних металів (Са2+, Мg2+).
Вплив на властивості ґрунту його насичення кальцієм та магнієм
Провідне місце серед увібраних основ займає кальцій. В «ідеальному» ґрунті за ступенем насичення (95%) кальцій повинен становити 80–85% ємності вбирання. Такий ґрунт здатний повністю забезпечити стабільно високі врожаї сільськогосподарських культур. Насиченість основами до 75% є близькою до оптимальної в дерново-підзолистих піщаних ґрунтах, близько 85% у дерново-підзолистих супіщаних і піщано-легкосуглинкових, 95% є оптимальною для сірих лісових і чорноземних ґрунтів. Проте у природних умовах без проведення вапнування такого вмісту кальцію у сірих лісових ґрунтах досягти практично неможливо.
Загалом оптимальний відсоток насиченості ґрунту кальцієм має бути в діапазоні від 60-70%. На піщаних ґрунтах 60% катіонів кальцію має бути приєднано до колоїдів ГВК. На глинистих ґрунтах 70% обмінних катіонів кальцію мають міститись у складі вбирного комплексу. Для досягнення максимального поглинання рослинами поживних речовин у ґрунті навколо кореневих волосків має бути насичення кальцієм на менше 60%. Якщо кальцій у ГВК досягне показника 85% насичення основами, то залізо, магній, калій, бор, цинк і мідь блокуються. За рівня насиченості ґрунту основами Са більше 80% вапнування проводити не потрібно, а якщо цей показник менше 50% — потреба в ньому висока.
Порівняно з кальцієм, уміст магнію в ґрунтах менший. Магній разом з кальцієм є дуже важливим катіоном для доступу повітря і води у ґрунт. Він допомагає утримувати часточки ґрунту разом. Магній займає друге місце після кальцію за вмістом насичення ґрунту основами. Катіони магнію у складі ГВК мають міститись в інтервалі від 10 до 20%. На важкому глинистому ґрунті оптимальний показник 10%, а на легкому піщаному ґрунті — 20%. Ідеальний сумарний вміст кальцію і магнію у складі ГВК має дорівнювати 80%. На ґрунтах з високим вмістом глини він повинен становити Са+Mg = 70+10=80%, тоді як на легкому піщаному ґрунті — Са+Mg = 60+20=80%.
Важкий глинистий ґрунт має містити більше кальцію, а легкий піщаний ґрунт — більше магнію. Чим вищий рівень кальцію у ґрунті, тим більше пористості він має і тим легше волога залишає ґрунт. Двовалентні катіони Са2+ викликають склеювання елементарних ґрунтових частинок у грудочки, внаслідок чого поліпшуються фізичні властивості ґрунту. Кальцій називають «вартовим ґрунтової родючості», оскільки він сприяє утворенню структури та зменшенню кислотності ґрунту. Магній ущільнює ґрунт. Збільшення вмісту магнію веде до збільшення кількості води, що утримується ґрунтом. Чим вище вміст магнію в глинистому ґрунті, тим більш в'язким та липким він буде, коли мокро, і тім твердішим — коли сухо. Натрій робить ґрунт твердішим.
Кальцій входить до складу ультраосновних, основних середніх, кислих і осадових порід. Його середній вміст у літосфері становить 3,6%. Він входить до складу багатьох ґрунтових мінералів: анортиту, нефеліну, диопсиду, родоніту, валастониту, тремоліту, гросуляру, вермикуліту, кальциту, доломіту, фосфориту, полігаліту, апатиту, флюориту. Вміст кальцію у дерново-підзолистих ґрунтах коливається від 0,3 до 0,8%, збільшуючись від піщаних до суглинкових. У сірих лісових ґрунтах він зростає до 1,24%, а в вилуговуваних чорноземах – до 3,6%. За абсолютним вмістом у ґрунті кальцій включають у другу групу елементів, вміст яких змінюється від десятих часток до декількох цілих відсотків. Запаси обмінного кальцію у ґрунтах різко коливаються залежно від гранулометричного складу: бідні ним піщані ґрунти (150–300 кг/га СаО) в орному шарі, супіщані (450–600 кг/га СаО) і більш багаті важкосуглинкові (3600 кг/га СаО).
Продовження в наступній частині.
Сергій Хаблак, агроном, доктор біологічних наук
Думка редакції SuperAgronom.com може не збігатися з точкою зору автора. Редакція не несе відповідальності за достовірність і тлумачення наведеної інформації і виконує роль виключно носія.
