Dystrybucja kruszywa, stabilność i uwalnianie gliny dyspergowanej w wodzie dla dwóch subtropikalnych Oxisols

GLEBY I NAWOŻENIE ROŚLIN

Agregate distribution, 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- Agronomy Dept., Lilly Hall of Life Sciences, 915 W. State Street, West Lafayette, IN 47907-2054, USA.

ABSTRACT

Zachowanie gleby dotyczące rozproszenia i agregacji jej cząstek jest bardzo ważne dla rozwoju funkcji środowiskowych i rolniczych gleby. Badania przeprowadzono w celu określenia, w jaki sposób użytkowanie terenu wpływa na rozmieszczenie i stabilność agregatów oraz w jaki sposób uwalnianie gliny ulegającej dyspersji w wodzie (WDC) wiąże się z dezagregacją w glebach oksydacyjnych z subtropikalnej Brazylii. Próbki z dwóch oksizoli, pobrane na trzech głębokościach z miejsc, gdzie stosowano uprawę zerową (NT), uprawę konwencjonalną (CT) i roślinność rodzimą (NV), wytrząsano w plastikowych butelkach o pojemności 250 mL w odstępach czasu do 27 godzin. Masę agregatów mierzono w pięciu klasach wielkości w zakresie od 53 do 2000 µm. Większość agregatów większych niż 500 mm zniknęła w ciągu pierwszych 7,5 godzin wytrząsania, przy jednoczesnym wzroście uwalniania WDC i bez zmian w pH i przewodności elektrycznej zawiesiny glebowej, bez wzrostu mniejszych agregatów. Oznacza to, że w glebach tych nie występuje hierarchia agregatów, a uwalnianie WDC nastąpiło w wyniku rozbicia agregatów w zakresie od 500 do 2000 mm. Użytkowanie terenu wpływa na masę kruszywa w każdej klasie wielkości, ale stabilność kruszywa zależy od jego wielkości, a nie od użytkowania terenu.

Słowa kluczowe: użytkowanie ziemi, dezagregacja, uprawa roli, gospodarka glebowa

RESUMO

Zachowanie się gleby w zależności od jej stanu skupienia i rozproszenia ma duże znaczenie rolnicze i środowiskowe. Badania przeprowadzono w celu określenia, w jaki sposób różne zastosowania wpływają na rozmieszczenie i stabilność agregatów oraz jak zachowuje się uwalnianie gliny rozproszonej w wodzie (WDC) w odniesieniu do dezagregacji w brazylijskich latosolach subtropikalnych. Próbki dwóch latosoli pobrane na trzech głębokościach w stanowiskach z uprawą zerową (NT), konwencjonalną (CT) i z roślinnością rodzimą (NV) mieszano w plastikowych butelkach o pojemności 250 mL przez okres do 27 godzin. Masę kruszywa mierzono w pięciu klasach wielkości od 53 do 2000 µm. Większość agregatów większych niż 500 mm zanikała w ciągu pierwszych 7,5 godzin mieszania, równolegle do wzrostu uwalniania WDC, przy braku zmian wartości pH i przewodności elektrycznej zawiesiny oraz braku wzrostu masy mniejszych agregatów. W związku z tym w glebach tych nie występuje hierarchia kruszyw, a uwalnianie WDC było spowodowane rozpadem kruszyw o wielkości w przedziale od 500 do 2000 mm. Rodzaj użytkowania miał wpływ na masę kruszywa w każdej klasie wielkości, ale stabilność kruszywa zależy od jego wielkości, a nie od rodzaju użytkowania.

Keywords: land use, disaggregation, soil preparation, soil management

INTRODUCTION

Because soil aggregates are dynamic and respond rapidly to environmental changes, interest on them as soil quality indicators is growing (Caravaca et al., 2004; Boix-Fayos et al., 2001). Ponadto, zdolność cząstek gleby do ochrony materii organicznej przed utlenianiem pozwala traktować glebę jako pochłaniacz węgla do atmosfery (Torn i in., 1997). Zmiana sposobu użytkowania terenu spowodowana wycinką drzew (Yanai i in., 2003) i/lub przejście z gospodarki leśnej na rolniczą ma duży wpływ na agregację (Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin i in., 2003) i dynamikę węgla w tropikalnych, kwaśnych glebach (Leite i in., 2004; Zinn i in., 2005). Brak hierarchii agregatów (Oades & Waters, 1991) oraz duża ilość tlenków żelaza i glinu sprawiają, że stabilność i wielkość agregatów ze zwietrzałych Oxisols wymaga szczegółowych badań. W Brazylii takie gleby mają zazwyczaj bardzo stabilne agregaty o średnicy mniejszej niż 2 mm. W rezultacie gliniaste gleby Oxisols zachowują się jak gleby o średniej strukturze, co pozwala na wykonywanie czynności rolniczych, takich jak uprawa roli lub zbiór, wkrótce po opadach deszczu (Buol & Eswaran, 2000). Potencjał uwalniania gliny dyspergującej wodę (WDC) w wyniku dezagregacji nie jest dobrze znany dla tych gleb (Azevedo & Bonumá, 2004), a taka wiedza może pomóc w lepszym zarządzaniu tymi glebami podczas zmian w użytkowaniu gruntów i jest ważna dla oceny mobilności środowiskowej herbicydów, pestycydów i innych związków ksenobiotycznych stosowanych w rolnictwie (Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999).

Celem tego badania była ocena długoterminowego wpływu praktyk gospodarowania na dystrybucję i stabilność agregatów o średnicy mniejszej niż 2 mm oraz uwalnianie WDC podczas dezagregacji dla dwóch Oxisols z południowej Brazylii.

MATERIAŁ I METODY

Dwa wybrane stanowiska znajdowały się na płaskowyżu Sul Riograndense, regionie geomorficznym powstałym na lawach formacji Serra Geral (rysunek 1). Gleba w miejscu Santo Ângelo to typowa gleba Haplorthox powstała ze skał bazaltowych, zajmująca 7,26 % powierzchni stanu Rio Grande do Sul i występująca na wysokościach od 200 do 400 m n.p.m. Klimat to Cfa w skali Köln. Klimat to Cfa w systemie Köppena, ze średnią roczną temperaturą 19,5ºC i średnimi opadami 1,850 mm/rok-1 (BRASIL, 1973). W Santo Ângelo w stanie Rio Grande do Sul (28º16′ S, 54º13′ W, ok. 280 m n.p.m.) zebrano próbki z upraw konwencjonalnych (CT) i bez orki (NT). Doświadczenie uprawowe założono w 1979 r. na polu, na którym od 1964 r. stosowano płodozmian pszenica-soja (Dalla Rosa, 1981). Próbki z niezakłóconej, zalesionej gleby pobrano z najbliższego chronionego obszaru pierwotnej roślinności leśnej (28º12′ S, 54º13′ W) oddalonego o około 15 km od miejsca prowadzenia doświadczenia. Gleba w Passo Fundo to typowa gleba Haplohumox powstała z mieszaniny bazaltu i piaskowca, występująca na wysokości od 460 do 700 m n.p.m.. Klimat to Cfa1, ze średnią roczną temperaturą 18ºC i średnimi opadami 1.750 mm/rok-1. Próbki w systemach uprawy konwencjonalnej i bez orki zebrano w Passo Fundo, stan Rio Grande do Sul (28º14′ S i 52º24′ W) w doświadczeniu założonym w 1983 roku (Kochham & Denardim, 1997). Próbki gleb pod roślinnością rodzimą pobierano w zalesionym rezerwacie na terenie stacji doświadczalnej w odległości 0,5 km od stanowiska doświadczalnego.

Węgiel organiczny oznaczono przez trawienie w K2Cr2O7 i miareczkowanie Fe(NH4)2(SO4) 2.6H2O, a rozkład wielkości cząstek określono metodą pipetową po rozproszeniu w 6% NaOH (EMBRAPA, 1997). Obie analizy przeprowadzono dwukrotnie dla każdej próbki złożonej.

Zarówno WDC jak i stabilność agregatową próbek kompozytowych wykonano trzykrotnie (trzy przebiegi) standardową metodą oznaczania WDC (USDA, 1996). Krótko mówiąc, pięć 10 g porcji drobnoziarnistej ziemi zostało zważonych i umieszczonych w plastikowych butelkach o pojemności 250 mL. Butelki napełniono 175 mL wody dejonizowanej (DI) i wytrząsano (120 ruchów na minutę, przemieszczenie poziome 4 cm) przez 0, 3,75, 7,5, 15 i 27 godzin (jedna podwielokrotność dla każdego okresu czasu). Następnie zawiesiny przesiewano przez gniazdo pięciu sit o wymiarach 1000 µm, 500 µm, 250 µm, 106 µm i 53 µm. Zdezagregowany ił i muł delikatnie przemywano z gleby na sitach wodą DI i zbierano do cylindrów o pojemności 1 L w celu oznaczenia WDC. Materiał glebowy zatrzymany na sitach suszono w temperaturze 110º przez 24 godziny i ważono. Materiał glebowy, który przeszedł przez gniazdo sit zebrano do litrowych butli i ponownie zawieszono do pomiaru WDC metodą pipetową (USDA, 1996). Przyjęto, że luzowanie jest pomijalne, ponieważ próbki poddane tylko szybkiemu zwilżaniu były prawie całkowicie zagregowane (czas wytrząsania 0 h na rys. 2 i 3, suma agregatów).

Masa agregatów w każdej klasie wielkości, Ai, została obliczona przez:

gdzie Bi to sucha masa materiału glebowego w klasie wielkości i, Ci to sucha masa piasku w klasie wielkości i, a D to początkowa masa gleby wysuszona w piecu. Ci była średnią z trzech poprzednich oznaczeń zawartości piasku w każdej próbce złożonej. Piasek odjęto od licznika równania, aby uniknąć liczenia pojedynczych ziaren piasku jako agregatów. Dla zwięzłości, w poniższej dyskusji używamy terminu „agregaty” w odniesieniu do Ai, , a „próbka” w odniesieniu do próbki złożonej.

Rozkład agregatów był analizowany jako projekt podzielonego poletka z trzema zabiegami (NT, CT, NV) z trzema blokami (każdy z trzech przebiegów) replikowanymi w czasie. Dane dla każdego typu gleby, głębokości i klasy wielkości analizowano oddzielnie. Czas wstrząsania uznano za całą jednostkę, a użytkowanie terenu za podjednostkę w eksperymencie z podzieloną powierzchnią. W przypadku danych dotyczących procentowej masy gleby, przed analizą wariancji dokonano przekształcenia pierwiastka kwadratowego w celu uzyskania jednorodności wariancji błędu. Błąd (a) został połączony z błędem (b), ponieważ w większości przypadków nie był on istotny (P = 0,25). Efekty czasu i użytkowania ziemi w stosunku do czasu zostały podzielone na ortogonalne kontrasty wielomianowe. Regresja średnich zmiennych zależnych w funkcji użytkowania ziemi i czasu była następnie poddawana analizie wariancji (ANOVA) z modelem regresji wyznaczonym przez istotne efekty leczenia i kontrasty. Porównanie między modelami regresji dezagregacji z każdego użytkowania ziemi (wzdłuż czasów wstrząsania) poprzez ANOVA przedstawiono w tabeli 2.

WYNIKI I DYSKUSJA

Ponieważ zawartość piasku została odjęta od masy materiału glebowego zatrzymanego w każdej klasie wielkości (równanie ), bardziej piaszczysty Typic Haplohumox (Tabela 1) miał mniej agregatów glebowych w każdej klasie wielkości niż Typic Haplorthox.

Przed wstrząsaniem (czas wstrząsania 0 h; ryc. 2 i 3), od 73 do 91% Typic Haplorthox i od 54 do 69% Typic Haplohumox występowało w agregatach. Z dwoma tylko wyjątkami, regresyjne modele dezagregacji różniły się (P = 0.01) wśród trzech sposobów użytkowania terenu dla głębokości próbkowania 0-5 i 5-10 cm, ale użytkowanie terenu miało mniejszy wpływ na modele dezagregacji dla głębokości 40-60 cm (Tabela 2).

W obu glebach można było zaobserwować pewne wspólne zachowania (rys. 2 i 3): w glebie pod roślinnością rodzimą na głębokościach 0-5 cm i 10-15 cm było bardzo mało agregatów 106-53 µm i 250-105 µm; agregaty o średnicy większej niż 500 mm dominowały zarówno na głębokości 0-5 cm, jak i 10-15 cm, ale na głębokości 40-60 cm agregaty o średnicy 2000 – 1000 µm były najmniej liczne; i chociaż kolejność układania krzywych na pojedynczym wykresie zmieniała się w zależności od klasy wielkości i głębokości, zauważono, że kształty krzywych były, ogólnie rzecz biorąc, podobne dla każdej klasy wielkości.

We wszystkich próbkach nastąpiło niewielkie uwolnienie WDC po początkowym zwilżeniu (0h wstrząsania), co potwierdza przypuszczenie, że luzowanie nie było znaczącym procesem dezagregacji w warunkach eksperymentalnych.

Największe agregaty (2000-1000 µm i 1000-500 µm) uległy szybkiemu rozpadowi w ciągu pierwszych 7,5 godzin wytrząsania, natomiast masa mniejszych agregatów nie zwiększała się równocześnie, co wskazuje, że agregaty te ulegały głównie rozpadowi na pierwotne cząstki gleby, a nie na małe agregaty (rys. 2 i 3). Gleby te nie miały zatem hierarchii agregatowej (Oades & Waters, 1991). Ponieważ WDC wzrastała w miarę dezagregacji agregatów większych niż 500 µm, bez zmiany pH zawiesiny, dezagregacja wydaje się być głównym mechanizmem produkcji WDC.

Brak hierarchii agregatów pozwala na opis dezagregacji za pomocą modelu procesu pierwszego rzędu (Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963):

gdzie Ai,t jest masą agregatów w klasie wielkości i w czasie t, Ai,0 jest masą agregatów w czasie 0, a k jest parametrem krzywizny. Model ten nie uwzględnia dodatków kruszywa na sicie i, powstałych w wyniku dezagregacji kruszywa na sicie i+1 znajdującym się nad nim, a zatem może być stosowany jedynie w glebach bez hierarchii kruszywa. Parametr krzywizny (k) przyjęto jako wskaźnik szybkości dezagregacji, a im większa jest jego wartość bezwzględna, tym mniejsza jest stabilność kruszywa. Nie stwierdzono wyraźnej prawidłowości przy porządkowaniu wartości k w zależności od sposobu użytkowania terenu. Jednakże, gdy zakres zmienności k został wykreślony w zależności od klasy wielkości agregatu, pojawiła się dość wyraźna tendencja (ryc. 4 i 5), wskazująca, że wartości k grupowały się wokół kolejno większych wartości wraz ze wzrostem klasy wielkości. Sugeruje to, że użytkowanie terenu miało większy wpływ na ilość materiału glebowego w poszczególnych klasach wielkości (rozkład agregatów, ryc. 2 i 3) niż na stabilność agregatów.

Wpływ zagospodarowania terenu na wartości k można wywnioskować z rozproszenia wartości na każdej głębokości i w każdej klasie wielkości (punkty wzdłuż każdej linii na ryc. 4 i 5). Choć nie jest on dominujący, wpływ użytkowania ziemi jest największy (większy zakres) w klasach wielkości większych niż 500 mm i w horyzontach powierzchniowych (Ryc. 4 i 5). Jest to zgodne z modelem agregacji zaproponowanym przez Oadesa & Watersa (1991), w którym duże agregaty są bardziej zależne od strzępek grzybowych i drobnych korzeni, a zatem od użytkowania ziemi, podczas gdy małe agregaty zależą bardziej od właściwości koloidalnych i chemii gleby.

Przypisy

Do CAPES-Brazil (BEX 1316-96/6), Purdue Agricultural Research Programs numer artykułu w czasopiśmie 2006-17943, oraz do A. Dallarosa i J. Becker, z COTRISA; J. E. Denardin i R. A. Kochham, z 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, p.87-104, 1993.

BERTSCH, P.M.; SEAMAN, J.C. Characterization of complex mineral assemblages: implications for contaminant transport and environmental remediation. 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. Influence of soil propetties on the aggregation of some Mediterranean soils and the use of aggregate size and stability as land degradation indicators. Catena, v.4, p.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. Aggregate stability and carbon characteristics of particle-size fractions in cultivated and forested soils of semiarid Spain. Soil and Tillage Research. v.78, s.83-90, 2004.

CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. Stan i jakość kruszywa w latosolach purpurowych poddanych różnym systemom zagospodarowania. Brazilian Journal of Soil Science , v.14, p.99-105, 1990.

DALLA ROSA, A. Mechanical and cultural practices in the recovery of physical characteristics of soils degraded by cultivation – Santo Ângelo soil (dystrophic Latossolo Roxo). Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (M.S. Dissertation).

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

KOCHHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. Behaviour of wheat, soybean and maize crops to phosphate fertilization in no-till and conventional tillage systems. W: CONGRESSO BRASILIERO DE CIÊNCIA DO SOLO, 26. r., 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.. Simulating trends in soil organic carbon of an Acrisol under no-tillage and disc-plow systems using the Century model. Geoderma, v.12, p.283-295, 2004.

OADES, J..M.; WATERS, A.G. Aggregate hierarchy in soils. Australian Journal of Soil Research, v.29, p.815-828, 1991.

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

PARKIN, T.B.; ROBINSON, J.A. Analysis of log normal data. 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.. The role of reactive surface sites and complexation by humic acids in the interaction of clay mineral and iron oxide particles. 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, v.389, p.170-173, 1997.

USDA. Soil survey laboratory methods manual. 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.