Сергій Хаблак, агроном, доктор біологічних наук
В Україні близько 41,9 млн. га с.-г. угідь, 7,5 млн. га сіножаті та пасовища, 33,3 млн. га орних земель, із яких 10 млн га грунтів мають підвищену кислотність і потребують вапнування, а 8,7 млн га грунтів – підвищену лужність і потребують гіпсування. Україна є країною з найбільш деградованими грунтами у Світі, урожайність на яких на 30-50% нижча. Деградовані землі через їх збитковість намагаються продати першими. Якщо порахувати 50% втрат через закислення грунтів та недоотримання 1,5 тони соняшнику при вартості 1 тони 15 тис грн на 10 млн га виходить 5 625 000 000 доларів при курсі 40 грн/1 долар. Це великий резерв на економію ресурсів і неефективне використання землі.
Грунт є продуктом декількох факторів: впливу клімату, рельєфу, організмів і материнської породи, які взаємодіють з плином часу. Він постійно піддається розвитку і зміні шляхом численних процесів. Навіть у самого родючого грунту при тривалому і інтенсивному використанні знижується його родючість, відбуваються зміни у складі грунтового вбирного комплексу (ГВК) катіонів. Без використання добрив і заходів по підвищенню родючості грунту (вапнування, гіпсування), він поступово стає непридатним для вирощування культур, так як не може забезпечити рослини вологою, киснем і елементами живлення.
У грунті повинен бути певний хімічний баланс елементів у складі ГВК катіонів з метою створення оптимальної реакції грунтового розчину, без якої погіршується поглинання речовин живлення рослинами (рухливість поживних речовин і їх доступність рослинами). Баланс поживних речовин у складі ГВК катіонів є основою для досягнення належної родючості та фізичних й фізико-хімічних властивостей грунту. Внесення розрахункової кількості добрив (азотних, фосфорних, калійних) у грунт у якості джерела поживних речовин для живлення рослин рано чи пізно призводить до небажаних змін у складі ГВК катіонів (заміна водню, алюмінію, заліза, мангану у кислих грунтах і натрію – в лужних грунтах на кальцій), що викликає порушення оптимальної реакції грунтового розчину, погіршення засвоєння елементів живлення з грунту і внесених добрив та утворення кислих і солонцових грунтів.
Грунт – це своєрідний “шлунок рослини”, де чисельні мікроорганізми (бактерії, актиноміцети, гриби, водорості), представники грунтової мікро- і мезофауни (найпростіші, комахи, червяки) і власно самі корені в процесі трансформації грунтової породи, решток різного походження утворюють для рослин поживні речовини. Для кожного виду рослин є сприятливий для росту і розвитку інтервал реакції грунтового середовища, який визначає найважливіші для життєдіяльності рослин і процесів грунтоутворення властивості грунту та залежить від наявних у грунтовому розчині вільних кислот і основ кислих та основних солей, а також складу, вмісту і співвідношення катіонів в ГВК. Реакція ґрунтового розчину і колоїдів грунту (рНКСІ; рНН2О) є одною з характеристик родючості ґрунту, яка суттєво впливають на його продуктивність. Для більшості рослин оптимальним є дуже слабокисла і нейтральна реакція грунтового середовища (рН сол. 5,6-7, рН вод. 6,1-7). При рН сол. більше 5,6 та рН вод. більше 6,1 грунт не має потреби у вапнуванні. Результати аналізу рН сол. витяжки нижчі рН вод. витяжки на пів одиниці, інколи – на одиницю-півтори.
Реакція грунтового середовища безпосередньо впливає на ріст і розвиток рослин, діяльність ґрунтових мікроорганізмів та перебіг у ґрунті хімічних і біологічних процесів. Засвоєння рослинами елементів живлення, інтенсивність мікробіологічної життєдіяльності, мінералізація органічних речовин, розкладання ґрунтових мінералів і розчинення різноманітних важкорозчинних сполук, коагуляція і пептизація колоїдів та інші фізико-хімічні процеси визначаються реакцією рН грунту.
Підвищена кислотність або надмірна лужність погіршує фізичні й фізико-хімічні властивості грунту, пригнічує діяльність грунтових мікроорганізмів (особливо нітрифікаторів, азотфіксаторів), знижує родючість грунту та засвоєння рослинами елементів живлення, погіршує ефективність використання добрив на 20-40%, зменшує урожайність культур на 20-30%, а то й на 50-60%. В рослинах вплив кислотності грунту проявляється в порушенні ферментативних процесів, вуглеводного та білкового обміну, синтезу хлорофілу, зміні в кислий бік реакції клітинного соку. Підвищена кислотність грунту зменшує ріст коренів, негативно вливає на фізико-хімічні властивості плазми клітин коренів, на їх проникність для поживних речовин.
Лужна реакція грунту несприятлива для вирощування більшості культур, знижує доступність для рослин фосфору, заліза, мангану й бору. Основною причиною загибелі рослин на засолених грунтах є високий осмотичний тиск грунтового розчину, який перевищує тиск їх клітинного соку, внаслідок чого зменшується надходження води в окремі тканини, збільшується транспірація, погіршується асиміляція, дихання та утворення цукрів, що призводить до висихання й загибелі рослин.
Застосування добрив та вапнування, гіпсування грунтів – це заходи, що доповнюють один одного. При порушенні хімічного балансу елементів (катіонів) у складі ГВК потрібно проводити вапнування або гіпсування та “лікувати і живити грунт” з метою створення оптимальної реакції грунтового середовища, без якої погіршується рухливість поживних речовин і їх доступність рослинам, а при нормалізації складу катіонів ГВК та оптимізації реакції рН грунту – “живити рослини” добривами. Через те, що в основу прийнятої в Україні концепції розрахунку доз добрив покладено економічно доцільний принцип – “удобрювати рослини, а не грунт” часто виходить так, що не звертаючи увагу в порушенні рН грунтового середовища та балансу поживних речовин у складі ГВК катіонів, шляхом внесення добрив у грунт “живлять рослини”. При цьому відбувається погіршення засвоєння елементів живлення, знижується ефективність використання добрив на 20-40% та зменшується урожайність культур на 20-30%. “Хворий грунт” з порушеним складом ГВК можна умовно порівняти з хворою людиною. Коли людина хворіє, то вона працює погано з низьким ефектом і їй потрібне лікування, але коли – здорова, то працює краще з вищою ефективністю. Розуміння питання балансу поживних речовин у складі ГВК катіонів грунту та пов’язану з цим реакцію рН грунту є резервом в оптимізації витрат добрив і ефективного використання у зв’язку з подорожчанням їх вартості та трендом на “економіє ресурсів”.
Кожний грунт складається з твердих частинок, різних за ступенем подрібнення. Мулиста частина грунту дуже подрібнена і містить найважливішу фракцію – колоїди. Колоїди – це частинки твердої фази грунту розміром від 0,1 до 0,001 мк. Вони складають одну із фракцій гранулометричних елементів грунту. Колоїди зазвичай утворюються при роздробленні великих частинок. Колоїди бувають органічного, мінерального і органо-мінерального походження. Органічні колоїди складаються переважно з гумусових речовин (гумінової і фульвокислот, лігніну, протеїну, клітковини, смол тощо), мінеральні – глинистих мінералів, а органо-мінеральні – із сполук гумусових речовин з глинистими та іншими вторинними мінералами. Колоїдна фракція у різних грунтів міститься від 2% – в легких до 30-50% – у важких.
Вбирна здатність грунту поглинати речовини з розчину залежить від вмісту у ньому колоїдних частинок, які утворюють ГВК. Чим більше колоїдних частинок, тим краща поглинальна здатність грунту. У різних ґрунтів вона не однакова. Найбільший вбирний комплекс у глинистих і суглинистих грунтах, які містять багато гумусу, а найменший – у піщаних, супіщаних грунтах з низьким вмістом гумусу. Пісок не має жодних поживних властивостей для рослин. В ньому не затримуються добрива, вода.
Грунтові колоїди негативно заряджені, а хімічні елементи, що утримуються в них, мають позитивний заряд. Негативно заряджені глинисті та гумусні колоїдні часточки притягують та утримують позитивно заряджені частини. Чим більше глинистих та гумусних колоїдів у грунті, тим більше є негативно заряджених частинок для притягування позитивно заряджених часточок за принципом магніту. Поглинання добрив залежить від грунтових колоїдів. Щоб утримуватись грунтовим колоїдом, добрива повинні бути позитивно зарядженими. Основні катіони кальцій, магній, натрій, водень і калій, що входять до складу ГВК, мають теж позитивний заряд.
Позитивно заряджені елементи утворюють катіони. Негативно заряджені, такі як азот (нітрати), фосфор і сірка, формують аніони. Мінеральні елементи засвоюються з ґрунту завдяки діяльності кореневої системи рослин у вигляді позитивно та негативно заряджених іонів – катіонів та аніонів. Наприклад, азот може засвоюватися рослинами у вигляді аніону NO3– та катіону NH4+, фосфор та сірка – у вигляді аніонів фосфорної та сірчаної кислот – Н2РО4–, НРО42–, РО43– і SO42-, калій, кальцій, магній, натрій та залізо – у вигляді катіонів з одним чи двома позитивними зарядами К+, Са2+, Mg2+, Fe2+, а мікроелементи – у вигляді відповідних катіонів чи аніонів. Негативні іони не притягуються до грунтового колоїду. Це пояснює високу рухливість у грунті нітратів (NO3-) та інших аніонів, які не адсорбуються його колоїдними частинками і легко вимиваються з грунту, якщо нітратні азотні добрива внести заздалегідь.
Колоїди грунту дуже малі (розмір від 0,1 до 0,001 мк) і виглядають як пил. Їх не можна побачити неозброєним оком. Грунтові колоїди притягують і утримують поживні речовини, але, водночас, вони й легко втрачаються із грунту. Грудочки ґрунту більше 1 мм є вітростійкими, а манше 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 грунту. Найродючіша частина грунту (колоїдні частинки) завжди втрачається найпершою під дією водної або вітрової ерозії. Чим довше триває ерозія, тим гіршим стає грунт.
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 грунту, що містять елементи живлення. Такі ділянки грунту поля мають гіршу родючість і менший вміст поживних речовин (рис. 1).
Рис. 1. Вищі ділянки поля з гіршою родючістю, де інтенсивно
видуваються та вимиваються колоїди грунту.
Нагромадження у ґрунті елементів живлення рослин пов’язане з поглинальною здатністю ґрунту. Серед різних видів поглинальної здатності грунту, фізико-хімічна (обмінна) вбирна здатність колоїдів має велике значення під час взаємодії добрив із грунтом та відіграє важливу роль у грунтових процесах, визначає фізичні та фізико-хімічні властивості грунту (структурний стан, реакції грунтового розчину, буферність). 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 грунту (вміст поживних речовин, кислотність і лужність грунтового середовища). Вбирання і обмін відбуваються тільки на поверхні колоїдних частинок. Чим більша поверхня, тобто більше колоїдів у грунті, тим більше увібраних катіонів. У зв’язку з цим у глинистих грунтах вбирний комплекс більший, а в піщаних – менший. В обмінному стані в ґрунтах зазвичай знаходяться: 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.
Загальна сума увібраних катіонів в ГВК, здатних до обміну, характеризує вбирну властивість ґрунту та утворює ємкість вбирання (ємність катіонного обміну ґрунтів, ЄКО, або сума вбирних основ). В англомовній літературі ємність катіонного обміну позначають СЕС (cation exchange capacity). Під основними обмінними катіонами мається на увазі кальцій, магній, калій, натрій і водень. Ємкість вбирання дає певне уявлення про величину вбирного комплексу грунту. Величина ємкості вбирання в різних грунтах неоднакова і коливається від 1,2 до 50 і більше мг-екв/100 г грунту залежно від механічного складу грунту, кількості колоїдів у ньому, вмісту гумусу, активної реакції середовища тощо. Найбільша ЄКО характерна для чорноземів типових високогумусних, де в складі обмінних катіонів переважають іони кальцію та магнію, що складає 50 мг-екв/100 г грунту і вище. Для дерново-підзолистих, сірих лісових ґрунтів, жовтоземів, червоноземів з кислою реакцією середовища ємність катіонного обміну низька і рівна 4,0 – 40,0 мг-екв/100 г ґрунту.
Якщо ємкість вбирання дорівнює 5, то очевидно, що це пісщаний грунт. У такому грунті не затримається багато добрив. У іншому грунті загальна сума увібраних катіонів в ГВК може бути 10. Даний грунт затримає вдвічі більше поживних речовин. Грунти з високим ЄКО утримують значно більшу кількість добрив і вологи, тому що містять більше глини і гумусу та мають високу буферність. Глинисті грунти мають високу обмінну здатність на рівні 40-50 мг-екв/100 г ґрунту та кращу можливість затримувати в ГВК елементи живлення. Щоб збалансувати грунт з високим ЄКО (50 мг-екв/100 г) у порівнянні з грунтом з низькою ємкість вбирання (5 мг-екв/100 г) потрібно в 10 разів більше добрив. Грунти із значенням ємкості вбирання нижче 10 погано утримують катіони.
Між значенням СЕС, органічною речовиною і текстурою грунту повинна спостерігатися кореляція. При низькому значенні органічної речовини і легкій структурі не повинно бути високих значень СЕС. Важкі глинисті грунти повинні мати високе значення органічної речовини і хороше значення СЕС.
На фізичні і фізико-хімічні властивості грунту впливають не тільки величина вбирного комплексу і кількість увібраних катіонів, а й їх склад. Різні типи грунтів містять неоднаковий склад увібраних катіонів в ГВК. Кожному типу грунту властиві певні катіони. Наприклад, у чорноземах і каштанових грунтів багато Са++ і Mg++, підзолистих – Н+ і Аl+++, засолених – Na+, у болотних – Fe+++. Грунти в природному стані містять найбільше таких катіонів, як кальцій, магній, натрій, водень, калій.
Показником складу катіонів в ГВК є насиченість основами. Насиченість основами (base saturation, BS) – параметр, що характеризує процентний вміст основних обмінних катіонів грунту (кальцій, магній, калій, натрій і водень) в ГВК. Ступінь насічення основами, % – відношення суми обмінних основ до ємкості вбирання. При високих значеннях BS (%) деяких катіонів можна зробити наступні висновки: Н більше 33% – велика проблема з кислотністю грунту, необхідно вапнувати, Na більше 5% – потрібно гіпсувати, Mg більше 33% – необхідно гіпсувати.
Окремі увібрані катіони в ГВК дуже помітно впливають на грунтоутворювальний процес, фізичні властивості і родючість грунту. Залежно від складу увібраних катіонів, всі грунти 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 з кальцієм і магнієм у вбирному комплексі є й катіони водню і алюмінію. Насичені кальцієм і магнієм ґрунти сприятливі для розвитку рослин, мають найкращі фізичні властивості і добре виражену структуру.
Грунти, в яких до складу увібраних основ входять катіони водню й алюмінію, вважаються ненасиченими основами (кислими). До ненасичених грунтів належать підзолисті та частково сірі опідзолені ґрунти Полісся і опідзолені чорноземи лісостепової зони. У підзолистих грунтах вміст увібраних катіонів водню коливається у великих межах і часто досягає 40-70%. Грунти з увібраними іонами водню і, алюмінію найбільш кислі, безструктурні, мають несприятливі фізичні властивості і легко запливають.
У природі досить поширені, особливо в зоні сухих степів, грунти, які у вбирному комплексі містять від 10 до 40, а інколи навіть і до 50% катіонів натрію. Грунти, які містять натрій у вбирному комплексі, мають лужку реакцію, безструктурні; в них, як і в підзолах, колоїди вимиті з верхніх горизонтів у нижчі і добре виражені елювіальний та ілювіальний горизонти. Фізичні властивості їх також несприятливі для рослин. Потреба у меліорації солончакових грунтів зростає (від слабкої до середньої і сильної) зі збільшенням частки натрію в ГВК з 5 до 20%. Тому гіпсування більше потребують солончакові грунти (містять 10-20% іонів Na) і солонці (містять більше як 20% іонів Na у ГВК). Отже, склад катіонів вбирного комплексу зумовлює важливі агрономічні властивості грунту (структура, фізико-хімічні властивості, механічний склад, вміст речовин тощо).
На основі багаторічних досліджень були запропоновані моделі грунту з оптимальним поєднанням поглинутих обмінних катіонів у складі СЕС. Для більшості типів грунтів правильні середні відсотки насиченості грунту увібраних катіонів повинні бути такими: кальцій – 60-70%, магній – 10-20%, калій – 2-5%, натрій – 0,5-3%, водень – 10-15%, інші основи – 2-4%. На легких піщаних грунтах оптимальні відсотки насиченості грунту основами мають бути наступними: 60 % – кальцію, 20 % – магнію, 2 до 5% – калію, 10-15 % – водню, 0,5-3% – натрій, 2-4% – інші основи. Відповідно на важких глинистих грунтах показники оптимальних відсотків насиченості грунту основами повинні бути такими: 70 % – кальцію, 10 % – магнію, 2 до 5% – калію, 10-15 % – водню, 0,5-3% – натрій, 2-4% – інші основи. По деяким даним ідеальні показники складу катіонів вбирного комплексу грунту мають бути в таких відсоткових інтервалах: кальцій – 65-80%, магній – 10-15%, калій – 1-5%, натрій – 0-1%, інші основи – до 5%. Є інші пропозиції типових діапазонів насичення грунту основами: кальцій – 60-75%, магній – 10-20%, калій – 2-7%, натрій – 0-10%, водень – 0-10%.
Для більшості частини агрономів кальцій і магній вважаються другорядними елементами живлення для рослин порівняно з азотом, фосфором і калієм, але, насправді, для грунту вони є першорядними елементами з точки зору їхньої кількості та біохімічної ролі. Кальцій є головним елементом родючості і агрономічних властивостей грунту через великий вміст масової частки обмінного Са у складі ГВК. Оптимальний відсоток насиченості грунту кальцієм повинен бути в діапазоні від 60-70%. На піщаних грунтах 60 % катіонів кальцію має бути приєднано до колоїдів ГВК. На глинистих грунтах 70 % обмінних катіонів кальцію повинно знаходитися у складі вбирного комплексу. Для досягнення максимального поглинання рослинами поживних речовин у грунті навколо кореневих волосків повинно бути насичення кальцієм на менше 60 %. При досягненні кальцієм у ГВК показання 85% насичення основами, залізо, магній, калій, бор, цинк і мідь блокується. При відсотку насиченості грунту основами Са більше 80 % вапнування проводити не потрібно, а при відсотку насиченості менше 50% – потреба в ньому висока.
Порівняно з кальцієм, уміст магнію в грунтах менший. Магній разом з кальцієм є дуже важливим катіоном для доступу повітря і води у грунт. Він допомагає утримувати часточки грунту разом. Магній займає друге місце після кальцію по вмісту насичення грунту основами. Катіони магнію у складі ГВК повинні бути в інтервалі від 10 до 20%. На важкому глинистому грунті оптимальним буде цей показник 10%, а на легкому піщаному грунті – 20%. Ідеальний сумарний вміст кальцію і магнію у складі ГВК повинен рівнятися 80%. На грунтах з високим вмістом глини він повинен становити Са+Mg = 70+10=80 %, тоді як на легкому піщаному грунті – Са+Mg = 60+20=80%.
Важкий глинистий грунт повинен мати більше кальцію, а легкий піщаний грунт – більше магнію. Чим вищий рівень кальцію у грунті, тим більше пористості він має і тим легше волога залишає грунт. Двовалентні катіони Са2+ викликають склеювання елементарних ґрунтових частинок у грудочки, внаслідок чого покращуються фізичні властивості ґрунту. Кальцій називають «вартовим грунтової родючості», оскільки він сприяє утворенню структури та зменшенню кислотності грунту. Магній ущільнює грунт. Збільшення вмісту магнію веде до збільшення кількості води, що утримується грунтом. Чим вище вміст магнію в глинистому грунті, тим більше в’язким та ліпким він буде коли мокро, і тім твердішим – коли сухо. Натрій робить грунт твердішим.
Підвищений вміст кальцію і магнію характерний для грунтів Степу (чорноземи звичайні, південні, темно-каштанові), середній – грунтів Лісостепу (чорноземи типові), низький – грунтів Полісся (дерново-підзолисті). Високий вміст кальцію і магнію мають глинисті грунти. Особливо бідні на кальцій і магній сильноопідзолені кислі грунти легкого гранулометричного складу. Найбільше кальцію і магнію втрачається з грунту внаслідок вимивання і виносу урожаєм. На різних за складом грунтах із грунту за рік може бути вимито від кількох десятків до 200-400 кг/га і більше кальцію. Щорічні витрати магнію можуть досягати 20-40 кг/га. Кальцій та магній в 1,5-2 і більше разів вимивається з легких за гранулометричним складом грунтів порівняно із важкими (рис. 2).
Рис. 2. Дерново-підзолисті грунти з легких за гранулометричним складом.
Кальцій і магній є найважливішими елементами у складі катіонів ГВК. Перше ніж починати будь-яку програму удобрення культур, слід встановити не вміст рН грунту, не кількість макро- і мікроелементів, а відсоток насичення грунту основами Са та Mg відносно повної обмінної ємкості. Для більшості типів грунтів оптимальний середній відсоток насиченості грунту кальцієм повинен бути 65%, а магнієм – 15%. При цьому не лише важливо усунути як дефіцит цих двох елементів у складі ГВК, так і їхній надлишок. Багато господарств через велику вартість фосфорних та калійних добрив вносять у грунт тільки азотні добрива. При цьому під впливом азоту грунт втрачає кальцій, що призводить до змін в оптимальному складі катіонів ГВК, погіршення родючості і важливих властивостей грунту. Кальцій витісняється з грунту надмірною кількістю азоту. Азот у вбирному комплексі грунту призводить до зменшення вмісту кальцію і зростання вмісту магнію. Це одна із причин, чому вважається, що азот з безводного аміаку підвищує щільність грунту. Насправді, надмірна кількість магнію через зменшення кількості кальцію і збільшення його вмісту ущільнює грунт. На кожен відсоток кальцію, втраченого під впливом азоту, на 1% зростає кількість магнію. Виведення із грунту 10% кальцію під дією азоту призводить до підвищення рівня магнію на 10%. Якщо вміст магнію або кальцію у грунті зависокий, рослини не можуть засвоїти достатньо калію. За підвищенням вмісту кальцію або магнію іони К+, Na+, H+ витісняються з вбирного комплексу і вимиваються з грунту. Кальцій і магній є антагонистами калію, водню і натрію в ГВК. Надмірне внесення кальцієвих або магнієвих добрив може спричинити нестачу не тільки катіонів Н, Na, але і калію у грунті. Тому надмірне внесення кальцію у грунт і досягнення рН грунтового середовища вище 6,5 потребує також внесення калію у грунт при його низького вмісту невеликими дозами добрив через можливість вимивання данного катіону із вбирного комплексу. У наслідок антагонізму кальцію і калію виникає потреба збільшення доз калійних добрив під час вапнування на грунтах з реакцією, близькою до нейтральної. Одночасно з поліпшенням калійного режиму грунту підвищується також ефективність вапнування.
Чорноземні грунти Лісостепу і Степу містять значну кількість доступного для рослин калію. Вони також багаті на необмінний калій, який активно переходить у рухомі форми, тому ефективність калійних добрив на цих грунтах незначна. Особливо чітко це простежується на грунтах важкого гранулометричного складу (рис. 3).
Рис. 3. Чорноземні грунти.
Є думка, що надмірне внесення калійних добрив може спричинити нестачу магнію. Потрапивши у грунтовий розчин, іони магнію сильно гідратуються, тому слабко поглинаються грунтом і, на відміну від калію, легко вимиваються атмосферними опадами. Через це у разі внесення калію хлористого збільшуються втрати магнію внаслідок вимивання. Проте катіони Mg2+ несуть подвійний позитивний заряд і є сильнішими по силі витіснення у порівнянні з катіонами К+ , які мають один позитивний заряд, і здатні в ГВК виштовхувати катіони з одним позитивним зарядом.
Надлишок катіонів магнію із грунту можна вивести за допомогою достатньої кількості кальцію під час вапнування, а також внесення у грунт сірки. У першому випадку внесене у грунт вапнякове добриво сприяє насиченню ГВК катіонами обмінного кальцію, який витісняє більш слабші катіони Mg, котрі поступово надходять у водний розчин з наступною їх інфільтрацією вниз по грунтовому профілю. У другому випадку негативно заряджені аніони сірки (SO42-) притягуються до позитивно заряджених катіонів магнію вбирного комплексу, і здатні їх рухати вниз з дренажними водами та вимивати в підземні води. Речовини, що мігрують в грунті (негативно заряджені аніони), здатні виводити надмірну кількість увібраних катіонів з ГВК. Азот в нітратній формі зазвичай здатен виводити із грунту катіони кальцію, а сірка – усі основні обмінні катіони ГВК (Са2+, Mg2+, Na+, H+, К+). Проте сірка в ущільненому грунту буде витісняти Са, а не зможе знизити вміст магнію або калію, натрію, водню до тих пір, поки кальцію не буде принаймні 60% насичення вбирного комплексу. Доки не буде досягнуто насичення грунту кальцієм 60%, азот і сірка сприятимуть втратам кальцію. Після коригування у вбирному комплексі вмісту кальцію, магнію, калію, натрію, водню, сірка буде знижувати необхідні рівні всіх увібраних катіонів. Тому важливо припинити внесення сірки за відсутності надлишку катіонів у складі насиченості грунту основами.
Водень у складі ГВК повинен дорівнюватися між 10-15% насичення грунту основами. В межах такого рівня рН грунту водень дає більше кислотності грунту, в результаті фосфати, калій ті інші поживні речовини стають більш доступними. Водень в данному інтервалі дещо підвищує кислотність, щоб рослини могли краще поглинати елементи живлення. Наприклад, фосфор зазвичай поглинається рослинами при рН сол. 5,6-7, рН вод. 6,1-7 у вигляді Н2РО4- та НРО42-. Коли рН ґрунту перевищує 7, фосфор фіксується у ґрунті за рахунок кальцію в нейтральних і карбонатних грунтах (чорноземи). При нижчих рівнях реакції грунтового середовища (рН сол. менше 5,6, рН вод. менше 6,1) фосфор зазвичай зв’язується з розчинним алюмінієм та залізом в кислих дерново-підзолистих грунтах.
Найсприятливіші умови для росту і розвитку більшості культурних рослин і засвоєння ними елементів складають за рН грунтового середовища та колоїдів грунту дуже слабокислого і нейтрального (рН сол. 5,6-7, рН вод. 6,1-7). Бактерії надають перевагу нейтральній і лужній реакції, а гриби – кислій. При рН сол. нижче 5,6 та рН вод. нижче 6,1 у грунті більше розростаються гриби, при високій рН сол. і вод. більше 7,1 починають з’являються бактерії. За рН сол. 5,6-7 і рН вод. 6,1-7 створюється грунтове середовище, в якому бактерії і гриби функціонують разом добре.
Коли у грунті рівень обмінної кислотності дорівнює 7 або вище, то вміст водню у складі ГВК буде нульовим. При спусканні нижче від рівня рН обмінної 7, вміст увібраних катіонів Н+ в грунті буде збільшуватися і обмінний водень почне зростати. Якщо рН обмінної буде в межах 7-6,9, то водень зросте до 1,5%. При рН 6,8 обмінний водень у складі вбирного комплексу збільшиться до 3%. На кожне зменшення рН на 0,1 нижче від рН 7 обмінний водень зростатиме на 1,5% до досягнення рівня рН 6. При 10,5 % насиченості грунту катіонами Н+ рівень обмінної кислотності буде складати 6,3, а при 15 % насиченості грунту увібраними катіонами водню рН грунтового середовища буде рівнятися 6.
Показник рН грунту немає слугувати індикатором щодо потреби внесення кальцієвих добрив і бути, як вважають більшість агрономів, однією з головних характеристик родючості грунту та його важливих властивостей, яка суттєво впливає на продуктивність. Оптимальний рівень рН грунтового середовища не гарантує правильного балансу увібраних катіонів у складі ГВК. Грунт з високим вмістом магнію і низьким вмістом кальцію може показати нормальний рН 6,5 та містити абсолютно недостатню кількість кальцію. Надлишок будь-якого з основних катіонів (кальцію, магнію, калію і натрію) може призвести до підвищення рН, а брак будь-якого з них – до зниження рівня грунтового розчину. Магній більше впливає на рН грунту, ніж кальцій. Як тільки магнію в грунті стає забагато, рівень рН різко зростає. Магній, якщо порівнювати його дію з однаковою кількістю кальцію, може підвищити рН в 1,67 разів вище, ніж кальцій. Калій може вплинути на рН навіть більше, ніж кальцій і магній. Надзвичайно високий вміст натрію веде до надзвичайно високого рівня рН грунтового середовища. На рівень рН грунту впливають усі чотири основних обмінних катіона: кальцій, магній, калій і натрій. Потрібна рівновага обмінних катіонів вбирного комплексу грунту, інакше рівень рН не матиме значення. Рівень грунтового середовища регулюється самостійно, коли кальцій, магній, калій і натрій перебувають у стані належної рівноваги. Рівновага рН в межах 6,2 або 6,3 для культур, в основі якої покладений баланс цих чотирьох елементів, сприятиме росту та належної врожайності відповідно до виду рослин та характеру грунту.
Показник увібраних катіонів калію в складі ГВК має бути від 2 до 5%, а натрію – 0,5-3%. Відповідно інші основи повинні складати від 2 до 4 %. Вони потрібні в грунті в дуже малих кількостях. Коли у грунті натрію більше, ніж калію, він буде викликати розширення клітинних стінок. При сумарному відсотку К і Na понад 10% рослина не зможе поглинати достатньо марганцю. Марганець дуже важливий для формування зерна.
Найбільше калію міститься в глинистих чорноземних грунтах з нейтральною реакцією грунтового се
редовища. У засолених його вміст значно вищий, тому досить часто немає потреби у застосуванні на них калійних добрив. У грунтах легкого гранулометричного складу (піщаних і супіщаних) з високою кислотністю вміст калію значно менший. Найбідніші на калій торф’яні грунти, де вміст цього елемента від 0,03 до 0,15%. Вміст у грунті рухомого калію, який є основною формою для живлення рослин, становить лише 0,5-2% валового (рис. 4).
Рис. 4. Грунтовий розріз грунту.
Вищенаведені параметри оптимальних відсотків насиченості грунту основами в агрохімічному аналізі грунту дають інформацію про відсутність або наявність проблем у складі увібраних катіонів ГВК, які викликають небажані зміни в реакції грунтового розчину, рухливості поживних речовин і їх доступності рослинам, фізичних й фізико-хімічних властивостях грунту, ефективності використання добрив. Грунт з дефіцитом певного катіону у складі вбирного комплексу обов’язково матиме забагато другого увібраного катіону. Потрібно розуміти, що, наприклад, насичуючи грунт калієм до 7,5% і маючи у складі ГВК 10 % магнію і 70% кальцію, якийсь катіон повинен витіснитись із вбирного комплексу і звільнити місце для нього. Це може бути водень, якщо рівень рН нижче 7. Із складу насиченості грунту основами катіони К+, Na+, H+ мають лише один позитивний заряд “+”, а катіони Са2+, Mg2+ несуть подвійний позитивний заряд “++”. Са2+, Mg2+ – сильні катіони, які здатні виштовхувати катіони з одним позитивним зарядом “+”. По силі витіснення із ГВК катіони від сильного до слабшого можно розташувати у такому порядку: Са2+, Mg2+, К+, Na+, H+. При рівні рН вище 6,5 у складі ГВК залишаються дуже мало колоїдів з негативним зарядом. При цьому катіони калію не зможуть виштовхнути достатню кількість водню і прикріпитися до грунтових колоїдів. Рідко можно спостерігати підвищення вмісту калію в грунті при рН вище 6,5. При рН грунтового середовища 6,5 рівень насиченості грунту катіонами H+ буде складати 7,5%. При рівні рН вище 6,5 потрібно розглядати програму підтримки вмісту К2О в грунті невеликими дозами добрив через його можливість вимивання із вбирного комплексу. Не потрібно працювати на підвищення рівня калія у складі ГВК до тих пір, поки не відбудеться зниження рН нижче 6,5. За рівня рН нижче 6,5 калій утримується в грунтовому колоїді. Це частково пояснює, чому калій не затримується в глинистому грунті, коли рівень рН вище 6,5.
Не можна вносити калійні добрива у великих дозах про запас в депозит на декілька років наперед також на піщаних і супіщаних кислих грунтах, з яких калій вимивається, а потрібно їх вносити невеликими нормами. На легких піщаних грунтах через вимивання катіонів Са2+, Mg2+, К+ в ГВК збільшується вміст водню, який підвищує кислотність. На піщаних грунтах, що потребують вапнування, за внесення калійних добрив посилюється нейтралізація грунтової кислотності, оскільки калій витісняє в розчин іони H+, Al3+ і Mn2+, що призводить до зменшення рН грунту. Ще більшого значення калійні добрива набувають після вапнування кислих грунтів. Значно легше за допомогою мінеральних добрив насичувати калієм хороший піщаний грунт, ніж важкий грунт. У середніх або важких за гранулометричним складом грунтах за умови застосування мінеральних добрив можна вносити калій тоді, коли в грунті достатньо простору для його утримування глинистими колоїдами при рН нижче 6,5.
Чорноземні ґрунти Лісостепу і Степу та каштанові грунти містять значну кількість доступного для рослин калію, але мають невеликий вміст доступного фосфора та близько до нейтральної рН грунту і кращі водно-фізичні та біологічні властивості через оптимальний вміст Са і Mg у складі ГВК. Дерново-підзолисті, сірі- і темно-сірі лісові грунти Полісся характеризуються високою кислотністю і незадовільними фізико-хімічними властивостями (порушеним складом увібраних катіонів Са, Mg, К, Н в ГВК), низьким умістом рухомих сполук калію та мають до середньої кількості доступного фосфору. Калій в кислих грунтах легкого гранулометричного складу значній кількості мігрує по профілю. У дерново-підзолистих грунтах рухомий фосфор більш доступний до рослин, ніж в чорноземних ґрунтах. В нейтральних і карбонатних грунтах (чорноземи) утворюються менш розчинні фосфати кальцію і магнію, а в кислих дерново-підзолисті грунтах формуються більш розчинні фосфати алюмінію та заліза.
Кожен тип грунту характеризується своїм гранулометричним складом, специфічним профільним розподілом фракцій і певним складом насиченості грунту основами. На основі моделей грунту з оптимальним поєднанням поглинутих обмінних катіонів у складі ГВК можна охарактеризувати різні типи грунтів, грунтоутворювальний процес, фізичні й фізично-хімічні властивості і їх родючість. Найбільш розповсюдженими грунтами в Поліссі є дерново-підзолисті. Основну частину становлять піщані та глинисто-піщані грунти. Дерново-підзолистим грунтам властива низька родючість, зумовлена невеликим вмістом гумусу (0,7-2%), середнім вмістом рухомово фосфора, низьким вмістом рухомого калію, незначним вмістом мікроелементів. Для всіх дерново-підзолистих грунтів характерна висока кислотність і незадовільні фізико-хімічні властивості. Величина рН сольової витяжки дерново-підзолистих грунтів коливається в межах 4.4-6,0. Розчинні форми макро- і мікроелементів вимиваються водою. У ГВК грунтів високий вміст водню та алюмінію, низький вміст кальція і магнія.
Регіони поширення кислих грунтів достатньо забезпечені вологою (ГТК більше 1) з переважанням промивного, застійно-промивного типу грунтоутворення. У південних регіонах, навпаки, переважає дефіцит вологи та непромивний тип грунтових процесів. Грунти Лісостепу займають проміжне положення – їм притаманний як промивний, так і непромивний типи грунтоутворення. Вони займають майже 35% загальної площі сільськогосподарських угідь і мають різну здатність протидіяти явищам підкислення або підлуження.
Основними грунтами Лісостепу є чорноземи типові. Головною рисою більшості грунтів зони Лісостепу є однорідність материнських порід (леси) та суглинковий грануолметричний склад. Грунти Лісостепу (чорноземи типові), на відміну від грунтів Полісся, містять більше гумусу (1,5-4,5%), поживних речовин (середній вміст рухомого фосфору, середній вміст рухомого калію), неглибоке залягання карбонатів, близько до нейтральної реакцію грунтового розчину, мають кращі водно-фізичні та біологічні властивості. Реакція грунтового розчину слабокисла або близька до нейтральної (рНсол 5,6-6,8). Грунти насичені основами кльцію і магнію. Ємність обмінних катіонів досить висока (26-35 мг-екв на 100 г грунту), ступінь насиченості основами 90-95%.
Серед грунтів Степу чорноземи звичайні, південні та темно-каштанові є найбільш розповсюдженими грунтами. Грунти утворилися внаслідок розкладання рослинних решток в умовах непромивного режиму. Гранулометричний склад чорноземів звичайних важкосуглинкові та легкосулинкові види. Сума вбирних основ становить від 20 до 50 мг-єкв/100 г грунту. Вміст гумусу в основних грунтах цієї зони становить від 2,3 до 4,5%, реакція грунтового розчину близька до нейтральної, насиченість основами висока. Грунти мають низький вміст рухомого фосфору, високий вміст рухомого калію. Поліська і лісостепова зони забезпечені рухомими фосфатами краще, ніж степова. Низький вміст рухомого фосфору у грунтах Степу залежить від складу катіонів у грунтовому вбирному комплексі і пов’язаний з зав’язуванням фосфат-іонів (Н2РО4-, НРО4- , РО4-) іонами Са, Мg, Fe і АI. У кислих дерново-підзолистих грунтах утворюються малорозчинні фосфати Fe і АI. В нейтральних і карбонатних грунтах (чорноземи, сіроземи) основними фіксаторами фосфору є кальцій і магній. Фосфор, зв’язаний з АI, в 1-6 разів доступніший для рослин, ніж фосфати Fe, а фосфати Fe в 8-18 разів доступніші, ніж фосфати Са. В темно-каштанових грунтах вміст обмінного натрію не перевищує 3-5%, однак у засолених грунтах він значно вищий. Чорноземи звичайні мають високу потенційну родючість, проте нестача опадів обмежує їх широке використання.
Фосфорні добрива найефективніше застосовувати в умовах недостатнього зволоження на чорноземах звичайних і південних та на каштанових грунтах. Калійні добрива найліпше діють на торф’яних, потім на дерново-підзолистих і сірих лісових грунтах. На легких за гранулометричним складом грунтах зазвичай ефективніші азотні, калійні та мікродобрива, на важких – фосфорні добрива.
Найбідніші на мікроелементи зональні грунти Полісся, а максимальний уміст валових і рухомих форм характерний для грунтів Степової зони. Вміст заліза, цинку, міді і кобальту знижується від грунтів легкого гранулометричного складу з підвищеним рівнем кислотності до грунтів важкосуглинкових і глинистих із нейтральною реакцією грунтового розчину, тоді як вміст мангану, бору і молібдену, навпаки, збільшується від грунтів малобуферних до грунтів високобуферних від Полісся до Лісостепу і Степу. Зменшення вмісту заліза, цинку, міді і кобальту на карбонатних грунтах Степу і Лісостепу пов’язано з фіксацією їх кальцієм. Дефіцит міді спостерігається на торф’яниках, молібдену – на кислих дерново-підзолистих і сірих лісових грунтах, бору і молібдену – на червоноземах, мангану, заліза і цинку – на карбонатних грунтах.