Aggregatfordeling, stabilitet og frigivelse af vanddispergerbart ler for to subtropiske oxisoler

JORD OG PLANTENÆRING

Aggregatfordeling, stabilitet og frigivelse af vanddispergerbart ler for to subtropiske Oxisols

Distribuição de agregados, estabilidade e liberação de argila dispersa em água para dois Latossolos subtropicais

Antonio Carlos de AzevedoI, *; Darrel Gene SchulzeII

I UFSM – Depto. de Solos, Prédio 42 – 97105-900 – Santa Maria, RS – Brasil
IIPURDUE UNIVERSITY- Agronomy Dept, Lilly Hall of Life Sciences, 915 W. State Street, West Lafayette, IN 47907-2054, USA.

ABSTRACT

En jords opførsel med hensyn til partiklernes spredning og aggregering er meget vigtig for udviklingen af jordens miljømæssige og landbrugsmæssige funktioner. Denne undersøgelse blev udført for at fastslå, hvordan aggregatfordeling og stabilitet påvirkes af arealanvendelse, og hvordan frigivelsen af vanddispergerbart ler (WDC) relaterer til disaggregering i oxisoler fra subtropisk Brasilien. Prøver fra to oxisoler, der blev indsamlet i tre dybder fra steder med ingen jordbearbejdning (NT), konventionel jordbearbejdning (CT) og indfødt vegetation (NV), blev rystet i 250 mL plastflasker i intervaller på op til 27 timer. Massen af aggregater blev målt i fem størrelsesklasser fra 53 til 2000 µm. De fleste aggregater større end 500 mm forsvandt i løbet af de første 7,5 timers rystning, samtidig med en stigning i WDC-frigivelsen og uden ændring i jordsuspensionens pH-værdi og elektriske ledningsevne, uden at der skete en stigning i mindre aggregater. Der er derfor ikke noget aggregathierarki i disse jordtyper, og frigivelsen af WDC blev forårsaget af nedbrydning af aggregater i intervallet 500 til 2000 mm. Arealanvendelsen påvirker massen af aggregater i hver størrelsesklasse, men aggregatstabiliteten afhænger af størrelsen og ikke af arealanvendelsen.

Nøgleord: arealanvendelse, disaggregering, jordbearbejdning, jordforvaltning

RESUMÉ

Opførsel af jordbunden i forhold til dens aggregat- og spredningstilstand er af stor landbrugs- og miljørelevant betydning. Denne undersøgelse blev gennemført for at fastslå, hvordan aggregatfordeling og stabilitet påvirkes af forskellige anvendelser, og hvordan frigivelse af vanddispergeret ler (WDC) opfører sig i forhold til disaggregering i brasilianske subtropiske latosoler. Prøver af to latosoler indsamlet i tre dybder på steder med ingen jordbearbejdning (NT), konventionel jordbearbejdning (CT) og naturlig vegetation (NV) blev omrørt i 250 mL plastflasker i op til 27 timer. Aggregatmassen blev målt i fem størrelsesklasser fra 53 til 2000 µm. De fleste aggregater større end 500 mm forsvandt i løbet af de første 7,5 timers omrøring, parallelt med en stigning i WDC-frigivelsen uden ændring i suspensionens pH- og elektriske konduktivitetsværdier og uden nogen stigning i massen af mindre aggregater. Der er derfor ikke noget aggregathierarki i disse jordtyper, og WDC-frigivelsen skyldes nedbrydning af aggregater med en størrelse på mellem 500 og 2000 mm. Anvendelsesformen påvirkede massen af aggregater i hver størrelsesklasse, men stabiliteten af aggregater afhænger af deres størrelse og ikke af anvendelsesformen.

Nøgleord: arealanvendelse, disaggregering, jordforberedelse, jordforvaltning

INDLEDNING

Da jordaggregater er dynamiske og reagerer hurtigt på miljøændringer, er der stigende interesse for dem som indikatorer for jordkvalitet (Caravaca et al., 2004; Boix-Fayos et al., 2001). Desuden gør jordpartiklernes evne til at beskytte organisk materiale mod oxidation det muligt at betragte jorden som et kulstoflager til atmosfæren (Torn et al., 1997). Ændret arealanvendelse forårsaget af træhøst (Yanai et al., 2003) og/eller ændring fra skov til landbrug har en omfattende indvirkning på aggregeringen (Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin et al., 2003) og kulstofdynamikken i tropiske, sure jorde (Leite et al., 2004; Zinn et al., 2005). Manglen på aggregathierarki (Oades & Waters, 1991) og den store mængde jern- og aluminiumoxider gør, at stabiliteten og størrelsen af aggregater fra forvitrede Oxisols kræver specifikke undersøgelser. I Brasilien har sådanne jorde en tendens til at have meget stabile aggregater med en diameter på mindre end 2 mm. Som følge heraf opfører lerholdige oxisoler sig som jord med medium tekstur, hvilket gør det muligt at udføre landbrugsaktiviteter såsom jordbearbejdning eller høst kort efter regnvejr (Buol & Eswaran, 2000). Potentialet for at frigive vanddispergerbart ler (WDC) som følge af disaggregering er ikke velkendt for disse jorde (Azevedo & Bonumá, 2004), og en sådan viden kan bidrage til en bedre forvaltning af disse jorde under ændringer i arealanvendelsen og er vigtig for vurderingen af den miljømæssige mobilitet af herbicider, pesticider og andre xenobiotiske forbindelser, der anvendes i landbruget (Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999).

Målet med denne undersøgelse var at evaluere den langsigtede virkning af forvaltningspraksis på fordelingen og stabiliteten af aggregater med en diameter på mindre end 2 mm og frigivelsen af WDC under disaggregering for to Oxisols fra det sydlige Brasilien.

MATERIALE OG METODER

De to udvalgte steder var placeret på Sul Riograndense-plateauet, et geomorfisk område, der er udviklet på lavastrømme fra Serra Geral-formationen (figur 1). Jordbunden på Santo Ângelo-stedet var en typisk Haplorthox udviklet af basaltiske klipper, der optager 7,26 % af staten Rio Grande do Sul og forekommer i højder mellem 200 og 400 m over havets overflade (a.s.l.). Klimaet er Cfa i Köppen-systemet med en gennemsnitlig årlig temperatur på 19,5 ºC og en gennemsnitlig nedbørsmængde på 1 850 mm år-1 (BRASIL, 1973). Prøver fra konventionelle systemer (CT) og systemer uden jordbearbejdning (NT) blev indsamlet i Santo Ângelo, staten Rio Grande do Sul (28º16′ S, 54º13′ V, ca. 280 m over havets overflade). Jordbearbejdningsforsøget blev etableret i 1979 på en mark, der havde været i et hvede-sojabønnerotation siden 1964 (Dalla Rosa, 1981). Prøver fra uforstyrret, skovbevokset jord blev indsamlet fra det nærmeste beskyttede område med oprindelig skovvegetation (28º12′ S, 54º13′ V) ca. 15 km fra forsøgsstedet. Jorden på Passo Fundo-området var en typisk Haplohumox-jord, der er udviklet af en blanding af basalt og sandsten og forekommer i højder mellem 460 og 700 m over havets overflade. Klimaet er Cfa1 med en gennemsnitlig årlig temperatur på 18ºC og en gennemsnitlig nedbørsmængde på 1 750 mm år-1. Der blev indsamlet prøver med og uden jordbearbejdning i Passo Fundo i staten Rio Grande do Sul (28º14′ S og 52º24′ V) i et forsøg, der blev etableret i 1983 (Kochham & Denardim, 1997). Der blev udtaget prøver af jord under naturlig vegetation i et skovreservat på forsøgsstationen inden for 0,5 km fra forsøgsstedet.

På hvert af de to steder blev der tilfældigt indsamlet tre prøver af behandling NT og CT i forsøgsmarken, og de tre prøver fra den oprindelige vegetation (NV) blev også tilfældigt indsamlet i skove. Der blev sørget for at holde samme afstand mellem indsamlingspunkterne i forsøgsmarken og i skovene (5 til 10 m). I denne undersøgelse blev NT, CT og NV omtalt som “arealanvendelse”. Prøver fra 0 til 5 og fra 10 til 15 cm dybde blev indsamlet fra små gruber på ca. 0,3 × 0,3 × 0,20 m dybde, og prøver fra 40-60 cm dybde blev indsamlet ved hjælp af en spandboremaskine. De lufttørrede prøver blev forsigtigt knust og passeret gennem en 2 mm sigte (fin jordfraktion). De tre feltgennemgange af hver arealanvendelse fra hvert sted blev kombineret, grundigt blandet og derefter opbevaret i forseglede plastposer. Laboratorieanalyserne blev derfor udført på en sammensat prøve fra hver af de tre dybder, tre arealanvendelser og to jordtyper, hvilket giver i alt 18 prøver.

Organisk kulstof blev bestemt ved opbrydning i K2Cr2O7 og titrering med Fe(NH4)2(SO4) 2.6H2O, og partikelstørrelsesfordelingen blev bestemt ved pipettemetoden efter dispersion med 6 % NaOH (EMBRAPA, 1997). Begge analyser blev udført to gange for hver sammensat prøve.

Både WDC og aggregatstabilitet for kompositprøverne blev foretaget tre gange (tre kørsler) ved hjælp af standardmetoden til bestemmelse af WDC (USDA, 1996). Kortvarigt blev fem alikvater på 10 g finjord vejet og anbragt i 250 mL plastflasker. Flaskerne blev fyldt med 175 mL deioniseret vand (DI) og rystet (120 udflugter pr. minut, 4 cm horisontal forskydning) i 0, 3,75, 7,5, 15 og 27 timer (en alikvot for hver periode). Suspensionerne blev derefter hældt gennem en række af fem sigter på 1000 µm, 500 µm, 250 µm, 106 µm og 53 µm. Disaggregeret ler og silt blev forsigtigt skyllet fra jorden på sivene med DI-vand og opsamlet i 1 L flasker med henblik på WDC-bestemmelse. Det jordmateriale, der blev tilbageholdt på sivene, blev tørret ved 110º i 24 timer og vejet. Det jordmateriale, der passerede gennem sienesnestet, blev opsamlet i 1 liters flasker og opslæmmet igen med henblik på WDC-måling ved hjælp af pipettemetoden (USDA, 1996). Det blev antaget, at slamning var ubetydelig, da prøver, der kun blev underkastet hurtig befugtning, næsten udelukkende var aggregeret (0 timers rystningstid på figur 2 og 3, summen af aggregater).

Massen af aggregater i hver størrelsesklasse, Ai, blev beregnet ved at:

hvor Bi er den tørre masse af jordmateriale i størrelsesklasse i, Ci er den tørre masse af sand i størrelsesklasse i, og D er den oprindelige ovntørre masse af jord. Ci var gennemsnittet af tre tidligere bestemmelser af sandindholdet i hver sammensat prøve. Sand blev fratrukket tælleren i ligningen for at undgå at tælle individuelle sandkorn med som aggregater. For at gøre det kortfattet bruger vi udtrykket “aggregater” til at henvise til Ai, og “prøve” til den sammensatte prøve i den følgende diskussion.

Fordelingen af aggregater blev analyseret som et split plot design med tre behandlinger (NT, CT, NV) med tre blokke (hver af de tre kørsler) replikeret over tid. Data for hver jordtype, dybde og størrelsesklasse blev analyseret separat. Rystningstiden blev betragtet som en hel enhed og arealanvendelsen som en underenhed i forsøget med delt plot. For dataene om den procentvise jordmasse blev der foretaget en kvadratrodstransformation før variansanalysen for at opnå homogenitet i fejlvariansen. Fejl (a) blev lagt sammen med fejl (b), fordi den ikke var signifikant (P = 0,25) i de fleste tilfælde. Effekter af tid og arealanvendelse versus tid blev opdelt i ortogonale polynomiske kontraster. Regressioner af middelværdierne for de afhængige variabler som funktion af arealanvendelse og tid blev efterfulgt af variansanalyse (ANOVA) med regressionsmodellen bestemt af de signifikante behandlingseffekter og kontraster. Sammenligning mellem regressionsmodellerne for opsplitning fra hver arealanvendelse (langs rystningstidspunkter) ved hjælp af ANOVA er vist i tabel 2.

RESULTATER OG DISKUSSION

Da sandindholdet blev fratrukket fra massen af jordmateriale, der blev tilbageholdt i hver størrelsesklasse (ligning ), havde den mere sandede Typic Haplohumox (tabel 1) færre jordaggregater i hver størrelsesklasse end Typic Haplorthox.

Før rystning (0 timers rystningstid; figur 2 og 3) fandtes fra 73 til 91 % af Typic Haplorthox og fra 54 til 69 % af Typic Haplohumox i aggregater. Med kun to undtagelser var de regresserede disaggregeringsmodeller forskellige (P = 0,01) mellem de tre arealanvendelser for prøvetagningsdybderne 0-5 og 5-10 cm, men arealanvendelsen havde mindre indflydelse på disaggregeringsmodellerne for 40-60 cm dybde (tabel 2).

Der kunne iagttages en vis fælles adfærd i begge jordtyper (figur 2 og 3): Der var meget få 106-53 µm og 250-105 µm aggregater i jorden under indfødt vegetation i 0-5 cm og 10-15 cm dybde; aggregater med en diameter på over 500 mm dominerede både i 0-5 cm og 10-15 cm dybde, men i 40-60 cm dybde var aggregater med en diameter på 2.000-1.000 µm de mindst forekommende; og selv om rækkefølgen af kurver i en enkelt graf ændrede sig afhængigt af størrelsesklasse og dybde, blev det bemærket, at kurveformerne generelt var ens for hver størrelsesklasse.

Der var en lille frigivelse af WDC ved den indledende vådning (0h rystning) i alle prøver, hvilket understøtter antagelsen om, at slacking ikke var en væsentlig disaggregeringsproces under de eksperimentelle betingelser.

De største aggregater (2000-1000 µm og 1000-500 µm) blev hurtigt nedbrudt inden for de første 7,5 timers rystning, men massen af mindre aggregater steg ikke samtidig, hvilket viste, at sådanne aggregater hovedsageligt blev nedbrudt til primære jordpartikler og ikke til små aggregater (figur 2 og 3). Derfor havde disse jordtyper ikke aggregathierarki (Oades & Waters, 1991). Da WDC steg i takt med, at aggregater større end 500 µm blev disaggregeret uden ændring i pH-suspensioner, synes disaggregering at være den vigtigste mekanisme for WDC-produktion.

Den manglende aggregathierarki gør det muligt at beskrive disaggregeringen ved hjælp af en procesmodel af første orden (Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963):

hvor Ai,t er massen af aggregater i størrelsesklasse i på tidspunktet t, Ai,0 er massen af aggregater på tidspunktet 0, og k er en krumningsparameter. Denne model tager ikke højde for tilførsler af aggregater til sigte i, som opstår ved disaggregering af aggregater i sigte i+1 over det, og kan derfor kun anvendes i jordtyper uden aggregathierarki. Krumningsparameteren (k) blev antaget at være et indeks for disaggregeringshastigheden, og jo større dens absolutte værdi er, jo mindre er aggregatstabiliteten. Der blev ikke fundet noget genkendeligt mønster ved at organisere k-værdierne i forhold til arealanvendelse. Når variationsområdet for k blev plottet efter aggregatstørrelsesklasse, viste der sig imidlertid en rimelig klar tendens (figur 4 og 5), som viste, at k-værdierne var grupperet omkring successivt større værdier, efterhånden som størrelsesklassen steg. Dette tyder på, at arealanvendelsen havde større indflydelse på mængden af jordmateriale i hver størrelsesklasse (aggregatfordeling, figur 2 og 3) end på aggregatstabiliteten.

Den virkning, som arealanvendelsen har haft på k-værdierne, kan udledes af spredningen af værdierne i hver dybde og størrelsesklasse (punkter langs hver linje på figur 4 og 5). Selv om den ikke er dominerende, er virkningen af arealanvendelsen størst (større spændvidde) i størrelsesklasser større end 500 mm og i overfladehorisonter (figur 4 og 5). Dette er i overensstemmelse med den aggregationsmodel, der er foreslået af Oades & Waters (1991), hvor store aggregater er mere afhængige af svampehyfer og fine rødder og dermed af arealanvendelsen, mens de små aggregater er mere afhængige af jordens kolloide egenskaber og kemi.

I betragtning af at frigivelsen af WDC var tæt forbundet med disaggregering af aggregater større end 500 mm, at de konventionelle systemer og systemer uden jordbearbejdning fremmede et fald i mængden af store aggregater, og at der ikke findes noget aggregathierarki, kan der potentielt gå en betydelig mængde ler tabt under ændringen fra skov- til landbrugsjordbrug. I alle tilfælde er det ifølge disse resultater vigtigt at bevare store aggregater for at undgå en stigning i WDC. Hertil kommer, at komplekser af lermineraler og organiske kolloider, som øger potentialet for dispersion, bør være større i overfladehorisonterne (Tombácz et al., 2004).

Til CAPES-Brasilien (BEX 1316-96/6), Purdue Agricultural Research Programs journalartikel nummer 2006-17943, og til A. Dallarosa og J. Becker, fra COTRISA; J. E. Denardin og R. A. Kochham, fra EMBRAPA.

AZEVEDO, A.C.; BONUMÁ, A.S. Partículas coloidais, dispersão e agregação em Latossolos. Ciência Rural, v.34, p.609-617, 2004.

BEARE, M.H.; BRUCE, R.R. A comparison of methods for measuring water-stable aggregates: implications for determining environmental effects on soil structure. Geoderma, v.56, s.87-104, 1993.

BERTSCH, P.M.; SEAMAN, J.C. Karakterisering af komplekse mineralsammensætninger: konsekvenser for transport af forurenende stoffer og miljøsanering. Proceedings of National Academy of Science USA, v.96, p.3350-3357, 1999.

BOIX-FAYOS, C.; CALVO-CASES, A.; IMESON, A.C.; SORIANO-SOTO, M. D. Indflydelse af jordbundsegenskaber på aggregationen af nogle middelhavsjorde og anvendelse af aggregatstørrelse og -stabilitet som indikatorer for jordforringelse. Catena, v.4, s.47-67, 2001.

BRASIL. Levantamento de reconhecimento dos solos do Estado do Rio Grande do Sul. Brasília: Ministério da Agricultura, SNLCS, 1973. 431p.

BUOL, S.W.; ESWARAN, H. Oxisols. Advances in Agronomy, v.68, s.151-195, 2000.

CARAVACA, F.; LAX, A.; ALBALADEJO, J. Aggregatstabilitet og kulstofkarakteristika for partikelstørrelsesfraktioner i dyrkede og skovbevoksede jorde i det semiaride Spanien. Soil and Tillage Research. v.78, s.83-90, 2004.

CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. Aggregattilstand og aggregatkvalitet af lilla latosoler, der er underkastet forskellige forvaltningssystemer. Brazilian Journal of Soil Science , v.14, s.99-105, 1990.

DALLA ROSA, A. Mekaniske og kulturelle metoder til genopretning af fysiske egenskaber i jord, der er nedbrudt af dyrkning – Santo Ângelo-jord (dystrofisk Latossolo Roxo). Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (M. S. Afhandling).

EMBRAPA. Manual de métodos de análise de solos. 2. Rio de Janeiro: EMBRAPA, 1997. 212 sider.

KOCHHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. Adfærd hos hvede-, soja- og majsafgrøder efter fosfatgødskning i systemer med jordbearbejdning uden jordbearbejdning og konventionel jordbearbejdning. I: CONGRESSO BRASILIERO DE CIÊNCIA DO SOLO, 26., Rio de Janeiro, 1997. SBCS, 1997.

LEITE, L.F.C.; MENDONÇA, E.S.; MACHADO, P.L.O.A.; FERNANDES FILHO, I.E.;NEVES, J.C.L.. Simulering af tendenserne i jordens organiske kulstof i en akrisol under systemer uden jordbearbejdning og med skiveplov ved hjælp af Century-modellen. Geoderma, v.12, s.283-295, 2004.

OADES, J..M.; WATERS, A.G. Aggregathierarki i jordbunden. Australian Journal of Soil Research, v.29, s.815-828, 1991.

OLSON, J.S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology, v.44, s.322-331, 1963.

PARKIN, T.B.; ROBINSON, J.A. Analyse af lognormale data. Advances in Soil Science, v.20, s.193-235, 1992.

PERIN, E.; CERETTA, C.A.; KLAMT, E. Tempo de uso agrícola e propriedades químicas de dois Latossolos do Planalto Médio do Rio Grande do Sul. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.27, s.665-674, 2003.

SETA, A.K.; KARATHANASIS, A.D. Vanddispergerbare kolloider og faktorer, der har indflydelse på deres dispergerbarhed fra jordaggregater. Geoderma, v. 74, s.255-266, 1996.

TOMBACZ, E.; LIBOR, Z.; ILLES, E.; MAJZIK, A.; KLUMPP, E.. Den rolle, som reaktive overfladesteder og kompleksering af humussyrer spiller i interaktionen mellem lermineral- og jernoxidpartikler. Organic Geochemistry. v.35, p.257-267, 2004.

TORN, M.S.; TRUMBORE, S.E.; CHADWICK, O.A.; VITOUSEK, P.M.; HENDRICKS, D..M. Mineralsk kontrol med lagring og omsætning af organisk kulstof i jorden. Nature, v.389, p.170-173, 1997.

USDA. Håndbog om laboratoriemetoder til jordbundsundersøgelser. 3.0. Washington: NRCS, NSSC. 1996. 693p.

YANAI, R.D.; CURRIE, W.S.; GOODALE, C.L. Soil Carbon Dynamics after Forest Harvest: An Ecosystem Paradigm Reconsidered. Ecosystems, v.6, s.197-212, 2003.

ZINN, Y.; LAL, R.; RESCK, D.V.S. Texture and organic carbon relations described by a profile pedotrasnfer function for Brazilian Cerrado soils. Geoderma, v.127, s.168-173, 2005.