A vízben diszpergálható agyag aggregátumeloszlása, stabilitása és felszabadulása két szubtrópusi oxiszol esetében

TALAJOK ÉS NÖVÉNYTÁPLÁLKOZÁS

Az aggregátumeloszlás, stability and release of water dispersible clay for two subtropical 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- Agronómiai Tanszék, Lilly Hall of Life Sciences, 915 W. State Street, West Lafayette, IN 47907-2054, USA.

ABSZTRAKT

A talaj viselkedése a részecskék diszperzióját és aggregációját illetően nagyon fontos a környezeti és mezőgazdasági talajfunkciók fejlődése szempontjából. Ezt a tanulmányt annak meghatározására végeztük, hogy az aggregátumok eloszlását és stabilitását hogyan befolyásolják a földhasználatok, és hogy a vízben diszpergálható agyag (WDC) felszabadulása hogyan függ össze a dezaggregációval a szubtrópusi Brazíliából származó Oxisolokban. Két Oxisolból származó mintákat, amelyeket három mélységben gyűjtöttünk a talajművelés nélküli (NT), a hagyományos talajművelés (CT) és az őshonos növényzet (NV) földhasználat alatt álló területekről, 250 ml-es műanyag palackokban 27 órán keresztül ráztattunk. Az aggregátumok tömegét öt méretosztályban, 53 és 2000 µm között mértük. A legtöbb 500 mm-nél nagyobb aggregátum eltűnt a rázás első 7,5 órájában, a WDC felszabadulás növekedésével egyidejűleg, a talajszuszpenzió pH-értékének és elektromos vezetőképességének változása nélkül, a kisebb aggregátumok növekedése nélkül. Ezért ezekben a talajokban nincs aggregátumok hierarchiája, és a WDC felszabadulását az 500 és 2000 mm közötti aggregátumok törése okozta. A földhasználat befolyásolja az aggregátumok tömegét az egyes méretosztályokban, de az aggregátum stabilitása a méretétől függ, nem pedig a földhasználattól.

Kulcsszavak: földhasználat, tagoltság, talajművelés, talajgazdálkodás

Összefoglalás

A talaj viselkedése az aggregált és diszpergált állapotával összefüggésben nagy mezőgazdasági és környezeti jelentőséggel bír. Ezt a tanulmányt annak meghatározására végeztük, hogy a különböző felhasználások hogyan befolyásolják az aggregátumok eloszlását és stabilitását, és hogyan viselkedik a vízzel diszpergált agyag (WDC) felszabadulása a brazil szubtrópusi latoszolokban a dezaggregációval összefüggésben. Két latoszolból három mélységben gyűjtött mintákat, amelyeket a talajművelés nélküli (NT), a hagyományos (CT) és az őshonos növényzetű (NV) területeken gyűjtöttek, 250 ml-es műanyag palackokban 27 órán keresztül kevertették. Az aggregátum tömegét öt méretosztályban mértük 53 és 2000 µm között. A legtöbb 500 mm-nél nagyobb aggregátum eltűnt a keverés első 7,5 órájában, párhuzamosan a WDC felszabadulásának növekedésével, a szuszpenzió pH-értékének és elektromos vezetőképességének változatlanul hagyásával, és a kisebb aggregátumok tömegének növekedése nélkül. Ezért ezekben a talajokban nincs aggregátumok hierarchiája, és a WDC-kibocsátást az 500 és 2000 mm közötti méretű aggregátumok lebomlása okozta. A felhasználás típusa befolyásolta az egyes méretosztályokba tartozó aggregátumok tömegét, de az aggregátumok stabilitása a méretüktől függ, nem pedig a felhasználás típusától.

Kulcsszavak: földhasználat, dezaggregáció, talajelőkészítés, talajgazdálkodás

BEVEZETÉS

Mivel a talaj aggregátumai dinamikusak és gyorsan reagálnak a környezeti változásokra, egyre nagyobb az érdeklődés irántuk, mint talajminőségi mutatók iránt (Caravaca et al., 2004; Boix-Fayos et al., 2001). Ezenkívül a talajrészecskék azon képessége, hogy megvédik a szerves anyagot az oxidációtól, lehetővé teszi, hogy a talajt a légkör felé szénelnyelőként közelítsük meg (Torn et al., 1997). A fakitermelés (Yanai et al., 2003) és/vagy az erdőről a mezőgazdaságra való áttérés által okozott földhasználati változások nagymértékben befolyásolják az aggregációt (Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin et al., 2003) és a trópusi, savanyú talajok széndinamikáját (Leite et al., 2004; Zinn et al., 2005). Az aggregátumok hierarchiájának hiánya (Oades & Waters, 1991) és a vas- és alumínium-oxidok nagy mennyisége miatt az időjárásból származó Oxisolok aggregátumainak stabilitása és mérete speciális vizsgálatokat igényel. Brazíliában az ilyen talajok általában nagyon stabil, 2 mm-nél kisebb átmérőjű aggregátumokkal rendelkeznek. Ennek eredményeként az agyagos Oxisolok úgy viselkednek, mint a közepes szerkezetű talajok, ami lehetővé teszi, hogy az olyan mezőgazdasági tevékenységek, mint a talajművelés vagy a betakarítás, hamarosan az esőzés után történjenek (Buol & Eswaran, 2000). A vízben diszpergálódó agyag (WDC) dezaggregáció miatti felszabadulási potenciálja nem jól ismert ezeknél a talajoknál (Azevedo & Bonumá, 2004), és ez a tudás segíthet e talajok jobb kezelésében a földhasználat változásai során, és fontos a mezőgazdaságban használt herbicidek, peszticidek és más xenobiotikus vegyületek környezeti mobilitásának értékeléséhez (Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999).

Ez a vizsgálat célja az volt, hogy két dél-brazíliai Oxisol esetében értékelje a gazdálkodási gyakorlatok hosszú távú hatását a 2 mm-nél kisebb átmérőjű aggregátumok eloszlására és stabilitására, valamint a WDC felszabadulására a dezaggregáció során.

MATERIAL ÉS MÓDSZEREK

A két kiválasztott helyszín a Sul Riograndense fennsíkon helyezkedett el, amely a Serra Geral formáció lávafolyásain kialakult geomorfológiai régió (1. ábra). A Santo Ângelo helyszínen a talaj bazaltos kőzetekből kialakult tipikus haplorthox volt, Rio Grande do Sul állam 7,26%-át foglalja el, és 200 és 400 m tengerszint feletti magasságban fordul elő. Az éghajlat a Köppen-rendszerben Cfa, az évi középhőmérséklet 19,5 ºC, az átlagos csapadékmennyiség 1 850 mm/év (BRASIL, 1973). A hagyományos (CT) és a talajművelés nélküli (NT) rendszerekből származó mintákat Santo Ângelóban, Rio Grande do Sul államban (28º16′ S, 54º13′ W, kb. 280 m tengerszint feletti magasság) gyűjtötték. A talajművelési kísérletet 1979-ben hozták létre egy olyan szántóföldön, amely 1964 óta búza-szója vetésforgóban állt (Dalla Rosa, 1981). Az eredeti erdei növényzet legközelebbi védett területéről (28º12′ S, 54º13′ W), a kísérleti területtől kb. 15 km-re lévő, zavartalan, erdős talajból gyűjtöttek mintákat. A Passo Fundo helyszínén a talaj bazalt és homokkő keverékéből kialakult tipikus haplohumox volt, amely 460 és 700 m tengerszint feletti magasság között fordul elő. Az éghajlat Cfa1, az évi középhőmérséklet 18 ºC, a csapadék évi átlaga 1750 mm. A hagyományos és a talajművelés nélküli rendszerben a Rio Grande do Sul államban, Passo Fundóban (28º14′ S és 52º24′ W) gyűjtöttek mintákat egy 1983-ban létrehozott kísérletben (Kochham & Denardim, 1997). Az őshonos növényzet alatt lévő talajokat a kísérleti állomáson egy erdős rezervátumban vették mintát a kísérleti helyszíntől 0,5 km-es körzetben.

Mindkét helyszínen véletlenszerűen gyűjtöttünk három mintát az NT és CT kezelésből a kísérleti területen, és a három mintát az őshonos vegetációból (NV) szintén véletlenszerűen gyűjtöttük az erdőkben. Ügyeltek arra, hogy a kísérleti területen és az erdőkben a gyűjtőpontok között hasonló távolságot tartsanak (5-10 m). Ebben a tanulmányban az NT, CT és NV “földhasználat” néven szerepel. A 0-5 és 10-15 cm mélységű mintákat 0,3 × 0,3 × 0,20 m mélységű kis gödrökből gyűjtötték, a 40-60 cm mélységű mintákat pedig vödörcsigával gyűjtötték. A levegőn szárított mintákat óvatosan összetörték és 2 mm-es szitán átszitálták (finomföld frakció). Az egyes helyszínekről származó három terepi ismétlést minden egyes földhasználatból egyesítették, alaposan összekeverték, majd lezárt műanyag zacskókban tárolták. Ezért a laboratóriumi elemzéseket a három mélységből, három földhasználatból és két talajból származó egy-egy összetett mintán végeztük el, így összesen tizennyolc mintát kaptunk.

A szerves szenet K2Cr2O7-ben történő feltárással és Fe(NH4)2(SO4) 2,6H2O-val történő titrálással, a szemcseméret-eloszlást pedig 6%-os NaOH-val történő diszpergálás után pipettás módszerrel határoztuk meg (EMBRAPA, 1997). Mindkét elemzést kétszer végeztük el minden egyes összetett mintán.

A kompozit minták WDC és aggregátumstabilitása egyaránt háromszor (három futtatás) történt a WDC meghatározására szolgáló szabványos módszerrel (USDA, 1996). Röviden öt darab 10 g-os aliquot finomföldet mértünk le és helyeztünk 250 ml-es műanyag palackokba. A palackokat 175 ml ionmentesített (DI) vízzel töltöttük fel, és 0, 3,75, 7,5, 15 és 27 órán keresztül ráztattuk (percenként 120 kitérés, 4 cm vízszintes elmozdulás) (minden időtartamra egy aliquot). A szuszpenziókat ezután átöntöttük egy öt darab 1000 µm-es, 500 µm-es, 250 µm-es, 106 µm-es és 53 µm-es szitán. A szétesett agyagot és iszapot a szitákon lévő talajból DI-vízzel óvatosan kimostuk, és 1 literes hengerekbe gyűjtöttük a WDC meghatározásához. A szitákon visszamaradt talajanyagot 24 órán keresztül 110º-on szárítottuk és megmértük. A szitafészken áthaladó talajanyagot egyliteres hengerekbe gyűjtöttük, és újra felszuszpendáltuk a WDC méréséhez a pipettás módszerrel (USDA, 1996). A lazítást elhanyagolhatónak feltételeztük, mivel a csak gyors nedvesítésnek alávetett minták szinte teljesen aggregáltak voltak (0 órás rázási idő a 2. és 3. ábrán, aggregátumok összege).

Az egyes méretosztályokba tartozó aggregátumok tömegét, Ai, a következőképpen számoltuk ki:

ahol Bi az i méretosztályba tartozó talajanyag száraz tömege, Ci az i méretosztályba tartozó homok száraz tömege és D a talaj kezdeti kemenceszáraz tömege. Ci az egyes összetett minták homoktartalmának három korábbi meghatározásának átlaga volt. A homokot kivontuk az egyenlet számlálójából, hogy az egyes homokszemcséket ne számítsuk aggregátumnak. A rövidség kedvéért az alábbiakban az “aggregátumok” kifejezést használjuk az Ai, , és a “minta” kifejezést az összetett mintára.

Az aggregátumok eloszlását osztott parcellás elrendezésben elemeztük, három kezeléssel (NT, CT, NV), három blokkkal (a három futás mindegyike), időben megismételve. Az egyes talajtípusokra, mélységekre és méretosztályokra vonatkozó adatokat külön-külön elemeztük. A rázási időt az egész egységnek, a földhasználatot pedig az osztott parcellás kísérlet alegységének tekintettük. A százalékos talajtömeg-adatok esetében a varianciaelemzés előtt négyzetgyök-transzformációt végeztünk a hibavariáció homogenitásának elérése érdekében. Az (a) hibát összevontuk a (b) hibával, mivel az esetek többségében nem volt szignifikáns (P = 0,25). Az idő és a földhasználat és az idő közötti hatásokat ortogonális polinomiális kontrasztokra osztottuk fel. A függő változók átlagainak regresszióját a földhasználat és az idő függvényében a varianciaanalízis (ANOVA) követte, a regressziós modellt a szignifikáns kezelési hatások és kontrasztok határozták meg. A regressziós modellek közötti összehasonlítást az egyes földhasználatok (a rázási idők mentén) ANOVA-n keresztül történő szétválasztása alapján a 2. táblázat mutatja.

EREDMÉNYEK ÉS MEGJEGYZÉSEK

Mivel a homoktartalmat kivontuk az egyes méretosztályokban megtartott talajanyag tömegéből (egyenlet ), a homokosabb tipikus Haplohumox (1. táblázat) minden méretosztályban kevesebb talajaggregátumot tartalmazott, mint a tipikus Haplorthox.

Rázás előtt (0 óra rázási idő; 2. és 3. ábra) a Typic Haplorthox 73-91%-a és a Typic Haplohumox 54-69%-a aggregátumokban fordult elő. Csak két kivételtől eltekintve a regresszált dezaggregációs modellek a három földhasználat között a 0-5 és 5-10 cm-es mintavételi mélységben különböztek (P = 0,01), de a 40-60 cm-es mélységben a földhasználatnak kisebb hatása volt a dezaggregációs modellekre (2. táblázat).

Mindkét talajban megfigyelhető volt néhány közös viselkedés (2. és 3. ábra): nagyon kevés 106-53 µm és 250-105 µm méretű aggregátum volt az őshonos növényzet alatti talajban 0-5 cm és 10-15 cm mélységben; az 500 mm-nél nagyobb átmérőjű aggregátumok domináltak mind a 0-5 cm, mind a 10-15 cm mélységben, de 40-60 cm mélységben a 2000-1000 µm átmérőjű aggregátumok voltak a legkevesebbek; és bár a görbék egymásra helyezési sorrendje egy grafikonon belül változott a méretosztály és a mélység függvényében, megfigyelhető volt, hogy a görbék alakja általában hasonló volt minden méretosztály esetében.

A kezdeti nedvesítéskor (0 órás rázás) minden mintában kis mennyiségű WDC szabadult fel, ami alátámasztja azt a feltételezést, hogy a lazulás nem volt jelentős dezaggregációs folyamat a kísérleti körülmények között.

A legnagyobb aggregátumok (2000-1000 µm és 1000-500 µm) a rázás első 7,5 órájában gyorsan bomlottak, de a kisebb aggregátumok tömege ezzel párhuzamosan nem nőtt, ami azt mutatja, hogy az ilyen aggregátumok elsősorban elsődleges talajrészecskékre bomlottak, nem pedig kis aggregátumokra (2. és 3. ábra). Ezért ezek a talajok nem rendelkeztek aggregátumok hierarchiájával (Oades & Waters, 1991). Mivel a WDC az 500 µm-nél nagyobb aggregátumok szétesésével nőtt, a pH-szuszpenzió változása nélkül, úgy tűnik, hogy a szétesés a WDC-termelés fő mechanizmusa.

Az aggregátumok hierarchiájának hiánya lehetővé teszi a dezaggregáció leírását elsőrendű folyamatmodellel (Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963):

melyben Ai,t az i méretosztályba tartozó aggregátumok tömege t időpontban, Ai,0 az aggregátumok tömege 0 időpontban, és k egy görbületi paraméter. Ez a modell nem veszi figyelembe az i szitában lévő aggregátumok hozzáadását, amely a felette lévő i+1 szitában lévő aggregátumok szétesése által keletkezik, ezért csak olyan talajok esetében használható, amelyekben nincs aggregátumok hierarchiája. A görbületi paramétert (k) a dezaggregációs sebesség indexének tekintettük, és minél nagyobb az abszolút értéke, annál kisebb az aggregátum stabilitása. A k értékek földhasználat szerinti rendezésekor nem találtunk felismerhető mintázatot. Amikor azonban a k variációs tartományát az aggregátum méretosztálya szerint ábrázoltuk, egy viszonylag egyértelmű tendencia jelent meg (4. és 5. ábra), ami azt jelzi, hogy a k értékek a méretosztály növekedésével egyre nagyobb értékek köré csoportosulnak. Ez arra utal, hogy a földhasználat nagyobb hatással volt az egyes méretosztályokba tartozó talajanyag mennyiségére (aggregátumeloszlás, 2. és 3. ábra), mint az aggregátum stabilitására.

A földhasználatnak a k értékekre gyakorolt hatására az egyes mélységekben és méretosztályokban mért értékek szórásából lehet következtetni (pontok az egyes vonalak mentén a 4. és 5. ábrán). Bár nem domináns, a földhasználat hatása az 500 mm-nél nagyobb méretosztályokban és a felszíni horizontokban a legnagyobb (nagyobb szórás) (4. és 5. ábra). Ez összhangban van az Oades & Waters (1991) által javasolt aggregációs modellel, amelyben a nagy aggregátumok jobban függenek a gombahifáktól és a finom gyökerektől, és így a földhasználattól, míg a kis aggregátumok inkább a talaj kolloid tulajdonságaitól és kémiájától.

Figyelembe véve, hogy a WDC felszabadulása szorosan összefüggött az 500 mm-nél nagyobb aggregátumok szétesésével, hogy a hagyományos és a talajművelés nélküli rendszer elősegítette a nagy aggregátumok mennyiségének csökkenését, és hogy nincs aggregátumok hierarchiája, az erdőgazdálkodásról a mezőgazdasági földhasználatra való áttérés során potenciálisan jelentős mennyiségű agyag veszhet el. Ezen eredmények szerint a nagy aggregátumok fenntartása minden esetben elengedhetetlen a WDC növekedésének elkerülése érdekében. Hozzátéve, hogy az agyagásványok és szerves kolloidok komplexeinek, amelyek növelik a diszperziós potenciált, nagyobbnak kell lenniük a felszíni horizontokban (Tombácz et al., 2004).

FELHÍVÁSOK

A CAPES-Brazil (BEX 1316-96/6), Purdue Agricultural Research Programs folyóirat 2006-17943 számú cikke, valamint A. Dallarosa és J. Becker, a COTRISA-tól; J. E. Denardin és R. A. Kochham, az EMBRAPA-tól.

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 vízstabil aggregátumok mérési módszereinek összehasonlítása: következmények a talajszerkezetre gyakorolt környezeti hatások meghatározására. Geoderma, v.56, p.87-104, 1993.

BERTSCH, P.M.; SEAMAN, J.C. Komplex ásványegyüttesek jellemzése: következmények a szennyezőanyagok szállítására és a környezeti kármentesítésre. 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. A talajtulajdonságok hatása néhány mediterrán talaj aggregációjára és az aggregátum méretének és stabilitásának használata a talajromlás indikátoraként. Catena, 4. évf. 47-67. o., 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. Oxisolok. Advances in Agronomy, v.68, p.151-195, 2000.

CARAVACA, F.; LAX, A.; ALBALADEJO, J. A szemcseméret-frakciók aggregátumstabilitása és szénjellemzői Spanyolország félsivatagos területeinek termesztett és erdősített talajaiban. Soil and Tillage Research. 78. évfolyam, 83-90. o., 2004.

CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. A különböző kezelési rendszereknek alávetett lila latoszolok aggregátumállapota és aggregátumminősége. Brazilian Journal of Soil Science , 14. évfolyam, 99-105. o., 1990.

DALLA ROSA, A. Mechanikai és kulturális gyakorlatok a művelés által leromlott talajok fizikai jellemzőinek helyreállításában – Santo Ângelo talaj (dystrophikus Latossolo Roxo). Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (doktori disszertáció).

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

KOCHHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. A búza, a szója és a kukorica viselkedése a foszfáttrágyázással szemben no-till és hagyományos talajművelési rendszerekben. In: 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.. Egy akrisol talaj szerves szén-dioxid-tartalmának alakulásának szimulálása talajművelés nélküli és tárcsás szántórendszerek mellett a Century modell segítségével. Geoderma, 12. évfolyam, 283-295. o., 2004.

OADES, J..M.; WATERS, A.G. Aggregátumok hierarchiája a talajokban. Australian Journal of Soil Research, v.29, p.815-828, 1991.

OLSON, J.S. Energiatárolás és a termelők és lebontók egyensúlya az ökológiai rendszerekben. Ecology, v.44, p.322-331, 1963.

PARKIN, T.B.; ROBINSON, J.A. Lognormális adatok elemzése. Advances in Soil Science, v.20, p.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, p.665-674, 2003.

SETA, A.K.; KARATHANASIS, A.D. Water dispersible colloids and factors influencing their dispersibility from soil aggregates. Geoderma, v. 74, p.255-266, 1996.

TOMBACZ, E.; LIBOR, Z.; ILLES, E.; MAJZIK, A.; KLUMPP, E.. A reaktív felületi helyek és a huminsavak általi komplexképződés szerepe az agyagásvány és a vasoxid részecskék kölcsönhatásában. Organic Geochemistry. v.35, p.257-267, 2004.

TORN, M.S.; TRUMBORE, S.E.; CHADWICK, O.A.; VITOUSEK, P.M.; HENDRICKS, D..M. Mineral control of soil organic carbon storage and turnover. Nature, 389. évfolyam, 170-173. o., 1997.

USDA. Talajvizsgálati laboratóriumi módszerek kézikönyve. 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, p.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, p.168-173, 2005.