Спосіб прогнозування родючості ґрунтів за їхнім макроелементним станом

Реферат: Спосіб прогнозування родючості ґрунтів за їхнім макроелементним станом включає відбір зразків, визначання теплотворної здатності гумусу, за якою визначають потенційну родючість ґрунтів. При цьому додатково визначають загальний вміст гумусу за методом Тюріна, фракційно-груповий склад гумусу за методом Пономарьової-Плотникової, запаси енергії ґрунту в шарі до 20 см за формулою Орлова та встановленими залежностями на основі математикостатистичної обробки отриманих даних визначають за регресійним рівнянням (1), загальний вмісту макроелемента азоту, зокрема для чорнозему типового: CN загальний = 0,12-0,7662*x+0,4166*y (1), де CN загальний - прогнозований (розрахунковий) загальний вміст азоту у ґрунті, %; x - теплотворна здатність гумусу ґрунту, МДж/кг; 3 у - запаси енергії в шарі ґрунту до 20 cм, 10 МДж/га за формулою Орлова та визначають потенційну родючість ґрунту за встановленими чотирма градаціями його забезпечення - низька, середня, підвищена, висока відповідно до 0,3 у відсотках. UA 120082 U (54) СПОСІБ ПРОГНОЗУВАННЯ РОДЮЧОСТІ ҐРУНТІВ ЗА ЇХНІМ МАКРОЕЛЕМЕНТНИМ СТАНОМ UA 120082 U UA 120082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів прогнозування рівнів вмісту хімічних елементів (ХЕ) макроелементів, зокрема азоту, в ґрунтах різних типів за фонових умов, впливу технологічного навантаження та ризику і наявності техногенного забруднення важкими металами (ВМ). Спосіб може знайти застосування в оцінюванні та екологічному нормуванні якості ґрунтів за вмістом ХЕ, нормуванні навантажень (техногенних, технологічних) на ґрунтову систему, агроекології за вирішення питань моніторингу родючості ґрунтів, паспортизації земель різного призначення та використання; органічного землеробства, біоенергетики і енергетики ґрунтоутворення; діагностики, оцінювання, визначення якості гумусу і стану ХЕ; екологічного менеджменту ґрунтів як за фонових умов, так і за різних антропогенних впливів та у науководослідній практиці за дослідження біогеохімії та біогенних макроелементів ґрунтів. Відомо спосіб визначення стану азотних систем ґрунту за визначення його азот-буферних властивостей (Трускавецький Р.С. Буферна здатність ґрунтів та їх основні функції. - Харків: ППВ "Нове слово", 2003. - 225 с., С. 45-46). Спосіб включає систему лабораторних досліджень процесів мобілізації та іммобілізації (депонування) мінеральних форм азоту ґрунту і добрив із охопленням діапазону їх можливих перетворень за серії компостувань неудобреного ґрунту та внесення доз азотнокислого амонію, з подальшим визначенням іонів нітратів і амонію та їх активностей - рNО3, pNH4. За результатами аналізу розраховують кількість іммобілізованого (депонованого) ґрунтом азоту. Відношення величин внесеного азоту добрив та вмісту його рухомих форм (мінерального азоту) в ґрунтовому розчині характеризує іммобілізаційну азотбуферну здатність ґрунту, що діагностується шляхом визначення потенційно можливого накопичення мінеральних форм азоту за рахунок багаторазового циклічного компостування одного і того ж зразку ґрунту до максимальної втрати ним здатності утворювати ці форми за рахунок мінералізаційних процесів (визначається за відсутністю подальшого накопичення нітратів). Відношення величин вилучених із ґрунту мінеральних форм азоту та їх зменшення після кожного циклу лабораторного компостування приймається за показник азот-буферної здатності в мобілізаційному (негативному) крилі буферності. Проте, недоліками способу слід вважати: 1) трудомісткість та часовитратність способу, що унеможливлює його використання для масових аналізів; 2) зниження функціональних можливостей його реалізації і відповідно ефективності його використання внаслідок низького рівня адекватності поведінці азоту в натурних (польових) умовах використання ґрунтів. Інший відомий спосіб прогнозування відтворення родючості ґрунту (Пат. SU № 1481681 Способ прогнозирования воспроизводства плодородия почвы), заснований на встановленні енергопотенціалу ґрунту та біомаси рослин методом калориметрії, що передбачає розрахунок за формулою показнику відтворення родючості ґрунту (γ) з урахуванням енергопотенціалу ґрунтів, що вкриті рослинам та без них, за період вегетації рослин. За величиною запропонованого показника прогнозують розширене (γ>1), просте (γ=1) відтворення родючості ґрунту або його деградацію (γ 0,3 у відсотках, за отриманими точними значеннями загального вмісту азоту з подальшим поширенням алгоритму способу на ґрунти різних типів певної природно-кліматичної зони за умов техногенного забруднення і технологічного навантаження. 2 UA 120082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Визначенням закономірних зв'язків між показниками макроелементного та енергетичного статусу, зокрема загальним вмістом азоту у ґрунтах різного генезису та показниками їх енергоємності (базові показники властивостей, що визначають генетичну належність ґрунту), реалізується можливість оперативного переходу від одних інформативних показників до інших із одночасним Спряженим кількісним діагностуванням і оцінюванням інтенсивності ґрунтових процесів, тим самим можливістю прогнозувати стан родючості ґрунтів. Для зручності користувача за відомою формулою та отриманими даними було визначено загальні запаси ; азоту в шарі ґрунту до 20 см. Відомо, що функціонування азотних систем ґрунтів є біологічно обумовленим, у зв'язку з чим важко піддається діагностуванню (Башкин В.Н., 1987; Трускавецький Р.С., 2003). Основним механізмом азотного режиму ґрунту є спряжене функціонування ґрунтового мікробіоценозу, кореневої системи рослин як живої фази ґрунту і колоїдного комплексу ґрунту. Отже, для діагностування азотного режиму ґрунтів доцільно використовувати співвідношення процесів мобілізації - іммобілізації форм азоту ґрунту. За результатами проведених нами досліджень щодо селективного використання показників стану азотних, вуглецевих та енергетичних систем ґрунтів встановлено підвищення ефективності прогнозування родючості ґрунтів використанням показнику вмісту загального азоту ґрунту, що відображає потенційний рівень родючості ґрунту на рівні типу, та його забезпеченість відповідно до градації вмісту азоту в ґрунті (табл. 2). Використання показників енергоємності ґрунтів різного генезису для визначення макроелементного статусу ґрунтів обумовлено їхньою високою інформативністю та прогностичністю внаслідок тісного взаємозв'язку біогеохімії вуглецю та азоту у ґрунтах різного генезису (Ковда В.Α., 1985; Башкин В.Н., 2008), можливістю об'єднання різних показників інтенсивності біологічних процесів ґрунту (мікробіологічна і біохімічна активність; розкладання, синтез органічних сполук тощо) у єдиних узагальнених показниках його енергетичного стану для коректного визначання спрямованості перетворень речовин і енергії в ґрунтах різного генезису. Узагальненням проведених багаторічних польових досліджень та аналізуванням отриманих даних щодо вмісту азоту у ґрунтах різного генезису різних природно-кліматичних зон України (Носко Б.С., Юнакова Т.А., 1993; Носко Б.С., Меркулова Ε.Л., Бабич Е.В., 2000; Носко Б.С, 2013; Христенко А.О., Гладкіх Є.Ю, Юнакова Т.А., 2013) було встановлено пряму залежність між вмістом у ґрунтах загального азоту і гумусу (коефіцієнт кореляції (r)=0,92). Збільшення загального гумусу у ґрунті на 1 % зумовлює підвищення вмісту валового азоту на 0,045 %. За умов впливу поліелементного забруднення чорноземних ґрунтів ВМ порушуються процеси азотного режиму ґрунтів, що призводить до значного ускладнення визначення рівнів вмісту азоту забрудненого ґрунту існуючими способами, що знижує точність отриманих даних (Fateev A.I., Samokhvalova V.L., 1999; Самохвалова В.Л., Фатеев А.И. 2001). Спосіб, що пропонується, дає можливість отримувати достовірні величини загального вмісту азоту у ґрунті та прогнозувати родючість ґрунтів. Отже, узагальненням отриманих даних щодо вмісту загального азоту ґрунту, показників енергоємності ґрунтів різних типів доведено доцільність їхнього використання, як інформативних критеріїв для прогнозування родючості ґрунтів за їхнім макроелементним станом, чим забезпечується його технічний результат - підвищення точності та експресності визначення загального вмісту азоту, як біогенного елементу ґрунтів різних типів, у тому числі під впливом антропогенних навантажень. Приклад здійснення способу. У відібраних зразках із орного (0-20 см) шару ґрунтів різного генезису (чорноземи типові, дерново-підзолисті ґрунти тощо) за лабораторно-аналітичних досліджень згідно з чинними ДСТУ та методичною базою визначено: 1) загальний вміст гумусу за методом Тюріна; 2) фракційно-груповий склад гумусу - за методом ПономарьовоїПлотникової; 3) препаративне виділення гумусових речовин ґрунту (ДСТУ 7606:2014) та визначення питомої енергоємності ґрунтів і препаратів ГК - за показником питомої теплоти згоранні зразків використовуючи калориметричну установку В-08 МА ПУ 1.470.000 (ДСТУ 7866:2015); 4) загальний вміст азоту - за модифікованим методом ННЦ ІГА імені О.Н. Соколовського (ДСТУ 4726:2007) для проведення співставлення отриманих даних. За результатом чого отримуємо числові дані азотного, гумусового та енергетичного стану ґрунту. Всі отримані результати та відомі довідкові дані показників властивостей ґрунту певного типу вносимо у базову таблицю 1. Далі розраховуємо показник загальних запасів енергії, що акумульовані гумусом ґрунту, як індикатору його енергетичного стану, за відомою формулою Орлова, що враховує якісний склад гумусу і теплоємність основних його фракцій; 3 UA 120082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Q = (19,96 ГК + 9,16 ФК+ 17,86Γ3)*Η*d* 10/100 (2) 6 3 де Q - запаси енергії, акумульовані гумусом ґрунту, 10 кДж/га (або 10 МДж/га); 19,96 - теплота згорання гумінових кислот, кДж/г; 9,16 - теплота згорання фульвокислот, кДж/г; 17,86 - теплота згорання гуміну, кДж/г; ГК - вміст гумінових кислот, г; ФК - вміст фульвокислот, г ГЗ - вміст гуміну, г; Η - шар ґрунту, м; 3 d - щільність будови ґрунту, г/см ; 6 10 - коефіцієнт переведення в 10 кДж/га. 100 - перерахування одиниць виміру показників вмісту ГК, ФК та ГЗ у відсотках. Отримані результати розрахунку показника енергоємності ґрунту за формулою також вносимо у таблицю 1 та використовуємо як базову для подальших розрахунків вмісту загального азоту в залежності від показників гумусового стану та енергоємності ґрунтів (теплотворна здатність гумусу, запаси енергії ґрунту у шарі до 20 см) за фонових умов, технологічного навантаження і техногенного забруднення ВМ, після статистичної обробки даних (кореляційний, дисперсійний, регресійний аналіз) одержуємо відповідні регресійні рівняння з подальшою візуалізацією результатів на діаграмах (фіг. 1, а-б). На основі отриманих регресійних рівнянь, зокрема для чорнозему типового, визначаємо прогнозовані значення вмісту загального азоту: 1. CN загальний = 0,12-0,7662*x+0,41 66*у С N загальний чорнозем типовий = 0,12-0,7662*0,91+0,4166*2,25=0,36; C N загальний фактичний =0,36, Де CN загальний - розрахунковий загальний вміст азоту у ґрунті, %; x - теплотворна здатність гумусу ґрунту, МДж / кг; 3 у - запаси енергії в шарі до 20 см ґрунту певного типу, 10 МДж /га. з одночасним визначенням точності отриманих числових значень вмісту азоту у ґрунті за розрахунку стандартної похибки оцінки, яка для показника CN загальний становила 0,037, що підтверджує високу точність розрахункових значень вмісту азоту у чорноземі типовому. Окрім цього для підтвердження достовірності отриманих розрахункових даних було додатково на тих самих ґрунтах проведено визначення фактичного вмісту азоту, згідно з чинними нормативними та методичними документами. Результати співставлення отриманих розрахункових даних з даними фактичного вмісту азоту у ґрунтах свідчать про високу їхню відповідність та точність (табл. 3). Поширюючи алгоритм способу на інші типи ґрунтів, аналогічно за регресійними рівняннями розраховуємо прогнозований загальний вміст азоту у ґрунтах різного генезису за умов технологічного навантаження та техногенного забруднення ВМ з одержанням відповідних рівнянь залежностей та внесенням результатів розрахунків у таблицю 3. Таким чином на основі встановлених закономірних зв'язків, доведено взаємозалежність рівня енергоємності ґрунту та загального вмісту азоту, і доцільність їхнього використання за фонових умов, впливу технологічного і техногенного навантажень. Отримані прогнозовані дані щодо загального вмісту азоту у найбільш поширених в Україні ґрунтах різних типів та підтипів (табл. 3) свідчать про універсальність встановлених рівнянь та ефективність їхнього використання для точного прогнозування родючості ґрунті ч різного генезису, що об'єднані в ряди за ознакою переважання ґрунтового процесу, наприклад ґрунти опідзоленого ряду (процес опідзолення) - дерновопідзолисті, ясно-сірі, сірі опідзолені та темно-сірі тощо; акумулятивного ряду (дерновий процес) - чорноземи типові, звичайні і південні тощо. Зокрема розрахункові величини загального вмісту азоту у ґрунтах опідзоленого ряду за фонових умов становлять 0,13-0,15 %; за технологічного навантаження - 0,16 %; за техногенного забруднення - 0,06 %. Таким чином отримуємо дані щодо стану азотних систем ґрунтів різного генезису за урахування їхньої енергоємності. Діагностичну ефективність прогнозування вмісту азоту та спрямованості процесів мобілізації та іммобілізації (депонування) азоту у ґрунтах підтверджено, зокрема для ґрунтів опідзоленого ряду, відповідними математичними рівняннями (фіг. 1, фіг.2). Одночасно забезпечується можливість визначення родючості ґрунтів за вирішення зворотної задачі розрахунку кількісних параметрів одного показника на підставі кореляційно пов'язаних з ним відомих інших (фіг. 1, фіг. 2). Тобто запропоноване рішення розширює та полегшує можливості користувача у визначенні загального вмісту азоту у ґрунті без тривалих хіміко-аналітичних досліджень за рахунок вибору відповідних математичних рівнянь отриманих на основі наявних даних. 4 UA 120082 U 5 10 15 Відмінними рисами та перевагами запропонованого технічного рішення, у порівнянні з відомими способами та підходами, є такі: - експресність отримання точних прогнозованих рівнів загального вмісту азоту, як біогенного елементу, у ґрунті з підвищенням точності ґрунтової діагностики за рахунок встановлення взаємозалежних діагностично придатних показників функціонування систем гумусових речовин та азотних систем ґрунтів, спрямованості процесів мобілізації та іммобілізації біогенних елементів (С, N), гуміфікації-мінералізації та енергоємності ґрунтів, у тому числі за негативних впливів антропогенних навантажень та прояву деградаційних процесів; - забезпечення можливості отримання більшої результативності прогнозованих даних щодо функціонування азотних систем ґрунтів різного генезису, еколого-енергетичного стану ґрунтів та рівня їхньої потенційної родючості за фонових умов, застосування різних систем удобрення та ризику і наявності забруднення ВМ за одночасної мінімізації витрат матеріальних ресурсів; - розширення можливостей користувача у визначенні загального вмісту азоту у ґрунті без тривалих хіміко-аналітичних досліджень за рахунок вибору регресійних рівнянь, отриманих на основі використання базових показників властивостей ґрунтів певного типу та підтипу, згідно з наявною інформацією; - універсальність завдяки придатності встановлених залежностей запропонованого способу для ґрунтів всіх типів і підтипів та природно-кліматичних зон і забруднювачів. Таблиця 1 Гумусний стан Азотний стан Енергоємність ґрунту Запаси Q, Показники Родючість Nв Запаси d, Фактичний Теплотворна родючості ґрунтів Сзаг, СГК, СФК, ГЗ, шарі енергії в 3 (потенційна) г/см загальний здатність різного генезису % ґрунту % % % ґрунту шарі до вміст N, % гумусу, МДж до 20 20 cm, /кг 3 см, т/га 10 МДж/га 1. За відсутності навантажень (фонові умови) Дерново0,9 0,17 0,2 0,53 1,5 низька 0,07 2,1 0,106 0,44 підзолистий Чорнозем 2,44 1,0 0,31 1,13 1,2 підвищена 0,21 5,04 0,820 1,03 опідзолений Чорнозем 3,9 1,25 0,7 1,95 1,1 підвищена 0,24 5,28 0,900 1,46 звичайний Чорнозем 4.8 1,75 0,6 2,45 1,2 висока 0,36 8,64 1,200 2,02 типовий 2. За впливу техногенного навантаження (забруднення ВМ) Чорнозем опідзолений 1,9 0,2 0,4 1,3 1,21 підвищена 0,20 4,84 0,650 0,74 забруднений Чорнозем звичайний 2,08 0,38 0,5 1,2 1,22 підвищена 0,23 5,61 0,790 0.82 забруднений 3. За впливу (застосування систем технологічного удобрення) навантаження Чорнозем опідзолений (мінеральна 2,38 0,93 0,29 1,16 1,2 підвищена 0,22 5,28 0,800 1,00 система удобрення) Чорнозем опідзолений (органо2,46 0,99 0,30 1,17 1,2 підвищена 0,24 5,76 0,980 1,04 мінеральна система удобрення) 5 UA 120082 U Таблиця 2 Градації вмісту азоту у ґрунті 1 2 3 4 Загальний вміст азоту, % 0,3 Забезпеченість ґрунту азотом низька середня підвищена висока Таблиця 3 Розрахунковий / фактичний* вміст форм азоту у ґрунтах опідзоленого опідзоленого акумулятивного ряду опідзоленого ряду акумулятивного ряду ряду ряду Групови Ясно- Темно- Чорнозем Чорнозем Темно- Чорнозем ДерновоЧорнозем Чорнозем й склад сірий сірий типовий звичайний сірий опідзолений підзолистий типовий звичайний сполук N За впливу систем ґрунту За відсутності навантажень на ґрунт удобрення За впливу забруднення ВМ (фонові умови) (технологічне (техногенне навантаження) навантаження) CN 0,13/ 0,15/ 0,36 / 0,36* 0,24 / 0,24* 0,16/0,17* 0,22/0,23* 0,06 /0,06* 0,20 /0,20* 0,21 /0,23* загальний, 0,14* 0,15* % Примітка: * - фактичний вміст CN загальний 5 10 15 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб прогнозування родючості ґрунтів за їхнім макроелементним станом, який включає відбір зразків, визначання теплотворної здатності гумусу, за якою визначають потенційну родючість ґрунтів, який відрізняється тим, що додатково визначають загальний вміст гумусу за методом Тюріна, фракційно-груповий склад гумусу за методом Пономарьової-Плотникової, запаси енергії ґрунту в шарі до 20 см за формулою Орлова та встановленими залежностями на основі математико-статистичної обробки отриманих даних визначають за регресійним рівнянням (1), загальний вмісту макроелемента азоту, зокрема для чорнозему типового: CN загальний = 0,12-0,7662*x+0,4166*y (1), де CN загальний - прогнозований (розрахунковий) загальний вміст азоту у ґрунті, %; x - теплотворна здатність гумусу ґрунту, МДж/кг; 3 у - запаси енергії в шарі ґрунту до 20 cм, 10 МДж/га за формулою Орлова та визначають потенційну родючість ґрунту за встановленими чотирма градаціями його забезпечення - низька, середня, підвищена, висока відповідно до 0,3 у відсотках, за отриманими точними значеннями загального вмісту азоту з подальшим поширенням алгоритму способу на ґрунти різних типів певної природно-кліматичної зони за умов техногенного забруднення і технологічного навантаження. 6 UA 120082 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7