Rozložení agregátu, stabilita a uvolňování jílu dispergovatelného ve vodě u dvou subtropických oxisolů

PŮDY A VÝŽIVA ROSTLIN

Rozložení agregátu, 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.

ABSTRAKT

Chování půdy, pokud jde o rozptyl a agregaci jejích částic, je velmi důležité pro vývoj environmentálních a zemědělských funkcí půdy. Tato studie byla provedena s cílem zjistit, jak je distribuce a stabilita agregátů ovlivněna využitím půdy a jak souvisí uvolňování vodou dispergovatelného jílu (WDC) s disagregací v oxisolech ze subtropické Brazílie. Vzorky ze dvou oxisolů odebrané ve třech hloubkách z lokalit bez obdělávání půdy (NT), s konvenčním obděláváním půdy (CT) a s přirozenou vegetací (NV) byly protřepávány v plastových lahvích o objemu 250 ml po dobu až 27 hodin. Hmotnost agregátů byla měřena v pěti velikostních třídách od 53 do 2000 µm. Většina agregátů větších než 500 mm zmizela během prvních 7,5 hodiny třepání, současně se zvýšením uvolňování WDC a beze změny pH půdní suspenze a elektrické vodivosti, bez nárůstu menších agregátů. V těchto půdách tedy neexistuje hierarchie agregátů a uvolňování WDC bylo způsobeno rozbitím agregátů v rozmezí 500 až 2000 mm. Využití půdy ovlivňuje hmotnost agregátů v jednotlivých velikostních třídách, ale stabilita agregátů závisí na jejich velikosti, nikoli na využití půdy.

Klíčová slova: land use, disaggregation, soil tillage, soil management

RESUMO

Chování půdy ve vztahu k jejímu agregátnímu a disperznímu stavu má velký zemědělský a environmentální význam. Tato studie byla provedena s cílem zjistit, jak jsou distribuce a stabilita kameniva ovlivněny různými způsoby využití a jak se chová uvolňování vodou rozptýleného jílu (WDC) v souvislosti s disagregací v brazilských subtropických latosolech. Vzorky dvou latosolů odebrané ve třech hloubkách na lokalitách s bezorebnou (NT), konvenční (CT) a přirozenou vegetací (NV) byly míchány v plastových lahvích o objemu 250 ml po dobu až 27 hodin. Hmotnost kameniva byla měřena v pěti velikostních třídách od 53 do 2000 µm. Většina agregátů větších než 500 mm zmizela během prvních 7,5 hodiny míchání, souběžně s tím se zvýšilo uvolňování WDC beze změny hodnot pH a elektrické vodivosti suspenze a bez zvýšení hmotnosti menších agregátů. V těchto půdách tedy neexistuje hierarchie kameniva a uvolňování WDC bylo způsobeno rozpadem kameniva o velikosti v rozmezí 500 až 2000 mm. Typ použití ovlivnil hmotnost kameniva v každé velikostní třídě, ale stabilita kameniva závisí na jeho velikosti, nikoli na typu použití.

Klíčová slova: land use, disaggregation, soil preparation, soil management

ÚVOD

Protože jsou půdní agregáty dynamické a rychle reagují na změny prostředí, zájem o ně jako o indikátory kvality půdy roste (Caravaca et al., 2004; Boix-Fayos et al., 2001). Schopnost půdních částic chránit organickou hmotu před oxidací navíc umožňuje přistupovat k půdě jako k propadu uhlíku do atmosféry (Torn et al., 1997). Změna využití půdy způsobená těžbou stromů (Yanai et al., 2003) a/nebo změna z lesa na zemědělství má rozsáhlý vliv na agregaci (Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin et al., 2003) a dynamiku uhlíku v tropických kyselých půdách (Leite et al., 2004; Zinn et al., 2005). Absence hierarchie agregátů (Oades & Waters, 1991) a velké množství oxidů železa a hliníku způsobují, že stabilita a velikost agregátů ze zvětralých oxisolů vyžaduje specifické studie. V Brazílii mají tyto půdy tendenci mít velmi stabilní agregáty o průměru menším než 2 mm. V důsledku toho se jílovité Oxisoly chovají jako půdy se střední texturou, což umožňuje provádět zemědělské činnosti, jako je obdělávání půdy nebo sklizeň, brzy po dešti (Buol & Eswaran, 2000). Potenciál uvolňování jílu dispergovatelného ve vodě (WDC) v důsledku disagregace není u těchto půd dobře znám (Azevedo & Bonumá, 2004) a tyto znalosti mohou pomoci lépe hospodařit s těmito půdami při změnách ve využívání půdy a jsou důležité pro hodnocení mobility herbicidů, pesticidů a dalších xenobiotických látek používaných v zemědělství v životním prostředí (Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999).

Cílem této studie bylo vyhodnotit dlouhodobý vliv způsobů hospodaření na distribuci a stabilitu agregátů o průměru menším než 2 mm a uvolňování WDC během disagregace pro dva oxisoly z jižní Brazílie.

MATERIÁL A METODY

Dvě vybrané lokality se nacházely na náhorní plošině Sul Riograndense, geomorfní oblasti vyvinuté na lávových proudech formace Serra Geral (obr. 1). Půda na lokalitě Santo Ângelo byla typická haplorthox vyvinutá z čedičových hornin, zaujímá 7,26 % území státu Rio Grande do Sul a vyskytuje se v nadmořských výškách mezi 200 a 400 m n. m. (n. m.). Podnebí je podle Köppenova systému Cfa s průměrnou roční teplotou 19,5 °C a průměrným úhrnem srážek 1 850 mm.rok-1 (BRASIL, 1973). Vzorky z konvenčního (CT) a bezorebného (NT) systému byly odebrány v Santo Ângelo, stát Rio Grande do Sul (28º16′ j. š., 54º13′ z. d., přibližně 280 m n. m.). Pokus s obděláváním půdy byl založen v roce 1979 na poli, na kterém se od roku 1964 střídala pšenice se sójou (Dalla Rosa, 1981). Vzorky z nenarušené, zalesněné půdy byly odebrány z nejbližší chráněné oblasti původního lesního porostu (28º12′ j. š., 54º13′ z. d.) vzdálené asi 15 km od místa pokusu. Půda na lokalitě Passo Fundo byla typický haplohumox vyvinutý ze směsi čediče a pískovce a vyskytuje se v nadmořských výškách mezi 460 a 700 m n. m.. Podnebí je Cfa1 s průměrnou roční teplotou 18 °C a průměrným úhrnem srážek 1 750 mm.rok-1. Vzorky při konvenčním a bezorebném systému byly odebrány v Passo Fundo, stát Rio Grande do Sul (28º14′ j. š. a 52º24′ z. d.) v rámci pokusu založeného v roce 1983 (Kochham & Denardim, 1997). Vzorky půd pod původní vegetací byly odebírány v zalesněné rezervaci na pokusné stanici ve vzdálenosti 0,5 km od místa pokusu.

V každé z obou lokalit byly na pokusném poli náhodně odebrány tři vzorky ošetření NT a CT a tři vzorky z původní vegetace (NV) byly rovněž náhodně odebrányv lesích. Bylo dbáno na dodržení podobných vzdáleností mezi sběrnými místy na experimentálním poli a v lesích (5 až 10 m). V této studii byly NT, CT a NV označovány jako „land uses“. Vzorky z hloubky 0 až 5 a 10 až 15 cm byly odebírány z malých jamek o rozměrech cca 0,3 × 0,3 × 0,20 m a vzorky z hloubky 40-60 cm byly odebírány pomocí kbelíkového šneku. Na vzduchu vysušené vzorky byly jemně rozdrceny a prošly sítem o průměru 2 mm (jemná frakce zeminy). Tři polní opakování každého způsobu využití půdy z každé lokality byla spojena, důkladně promíchána a poté uložena do uzavřených plastových sáčků. Laboratorní analýzy byly proto provedeny na jednom směsném vzorku z každé ze tří hloubek, tří způsobů využití půdy a dvou půd, celkem tedy na osmnácti vzorcích.

Organický uhlík byl stanoven rozkladem v K2Cr2O7 a titrací Fe(NH4)2(SO4) 2,6H2O a distribuce velikosti částic byla stanovena pipetovou metodou po rozptýlení 6% NaOH (EMBRAPA, 1997). Obě analýzy byly provedeny dvakrát pro každý směsný vzorek.

Obě analýzy WDC a agregátní stability kompozitních vzorků byly provedeny třikrát (tři série) standardní metodou pro stanovení WDC (USDA, 1996). Krátce bylo odváženo pět 10 g alikvotů jemné zeminy a umístěno do 250 ml plastových lahví. Lahve byly naplněny 175 ml deionizované (DI) vody a protřepávány (120 výkmitů za minutu, horizontální posun 4 cm) po dobu 0, 3,75, 7,5, 15 a 27 hodin (jeden alikvot pro každé časové období). Suspenze byly poté přelity přes hnízdo pěti sít o velikosti 1000 µm, 500 µm, 250 µm, 106 µm a 53 µm. Disagregovaný jíl a bahno byly z půdy na sítech jemně promyty DI vodou a shromážděny do 1l válců pro stanovení WDC. Půdní materiál zachycený na sítech byl vysušen při teplotě 110 °C po dobu 24 hodin a zvážen. Půdní materiál, který prošel hnízdem sít, byl shromážděn do litrových válců a znovu suspendován pro měření WDC pipetovou metodou (USDA, 1996). Předpokládalo se, že srážení je zanedbatelné, protože vzorky podrobené pouze rychlému smáčení byly téměř zcela agregované (doba třepání 0 h na obr. 2 a 3, součet agregátů).

Hmotnost agregátů v každé velikostní třídě, Ai, byla vypočtena podle následujícího vzorce:

kde Bi je suchá hmotnost půdního materiálu ve velikostní třídě i, Ci je suchá hmotnost písku ve velikostní třídě i a D je počáteční sušená hmotnost půdy. Ci byl průměr tří předchozích stanovení obsahu písku v každém směsném vzorku. Písek byl odečten od čitatele rovnice, aby se zabránilo započítávání jednotlivých zrn písku jako agregátů. Pro stručnost používáme v následující diskusi termín „agregáty“ pro Ai, , a „vzorek“ pro směsný vzorek.

Rozložení agregátů bylo analyzováno jako rozdělený plot design se třemi ošetřeními (NT, CT, NV) se třemi bloky (každý ze tří běhů) opakovanými v čase. Údaje pro každý půdní typ, hloubku a velikostní třídu byly analyzovány samostatně. Doba protřepávání byla považována za celou jednotku a využití půdy za dílčí jednotku pokusu s rozdělenou plochou. U údajů o procentuální hmotnosti půdy byla před analýzou rozptylu provedena transformace na druhou odmocninu, aby bylo dosaženo homogenity rozptylu chyb. Chyba (a) byla sloučena s chybou (b), protože ve většině případů nebyla významná (P = 0,25). Efekty času a využití půdy versus čas byly rozděleny do ortogonálních polynomických kontrastů. Po regresi průměrů závislých proměnných v závislosti na využití půdy a času následovala analýza rozptylu (ANOVA) s regresním modelem určeným podle významných efektů ošetření a kontrastů. Srovnání mezi regresními modely rozčlenění z jednotlivých způsobů využití půdy (podél doby třepání) pomocí ANOVA je uvedeno v tabulce 2.

VÝSLEDKY A DISKUSE

Protože obsah písku byl odečten od hmotnosti půdního materiálu zadrženého v každé velikostní třídě (rovnice ), písčitější typický haplohumox (tabulka 1) měl méně půdních agregátů v každé velikostní třídě než typický haplorthox.

Před protřepáním (doba protřepávání 0 h; obr. 2 a 3) se v agregátech vyskytovalo 73 až 91 % Typic Haplorthox a 54 až 69 % Typic Haplohumox. Až na dvě výjimky se regresní modely disagregace lišily (P = 0,01) mezi třemi způsoby využití půdy pro hloubku odběru 0-5 a 5-10 cm, ale způsob využití půdy měl menší vliv na modely disagregace pro hloubku 40-60 cm (tabulka 2).

U obou půd bylo možné pozorovat určité společné chování (obr. 2 a 3): v hloubce 0-5 cm a 10-15 cm bylo v půdě pod původní vegetací velmi málo agregátů o velikosti 106-53 µm a 250-105 µm; agregáty o průměru větším než 500 mm převládaly jak v hloubce 0-5 cm, tak v hloubce 10-15 cm, ale v hloubce 40-60 cm byly nejméně zastoupeny agregáty o průměru 2000-1000 µm; a přestože se pořadí skládání křivek v jednom grafu měnilo v závislosti na velikostní třídě a hloubce, bylo zjištěno, že tvary křivek byly obecně podobné pro každou velikostní třídu.

Při počátečním smáčení (0h třepání) došlo u všech vzorků k malému uvolnění WDC, což podporuje předpoklad, že slackování nebylo za experimentálních podmínek významným procesem disagregace.

Největší agregáty (2000-1000 µm a 1000-500 µm) se během prvních 7,5 hodin třepání rychle rozpadly, ale hmotnost menších agregátů se současně nezvýšila, což ukazuje, že tyto agregáty se rozpadly především na primární půdní částice a nikoliv na malé agregáty (obr. 2 a 3). Tyto půdy tedy neměly hierarchii agregátů (Oades & Waters, 1991). Vzhledem k tomu, že WDC se zvyšoval s rozpadem agregátů větších než 500 µm, aniž by se měnilo pH suspenze, zdá se, že hlavním mechanismem tvorby WDC je disagregace.

Neexistence hierarchie agregátů umožňuje popis disagregace pomocí modelu procesu prvního řádu (Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963):

kde Ai,t je hmotnost agregátů ve velikostní třídě i v čase t, Ai,0 je hmotnost agregátů v čase 0 a k je parametr křivosti. Tento model nezohledňuje přírůstky kameniva v sítu i, které vznikají disagregací kameniva v sítu i+1 nad ním, a proto jej lze použít pouze v půdách bez hierarchie kameniva. Parametr zakřivení (k) byl předpokládán jako index míry disagregace a čím větší je jeho absolutní hodnota, tím menší je stabilita kameniva. Při uspořádání hodnot k podle využití půdy nebyl zjištěn žádný rozpoznatelný vzorec. Když však byl rozsah variací k vynesen do grafu podle velikostní třídy agregátu, objevil se poměrně zřetelný trend (obr. 4 a 5), který naznačuje, že hodnoty k se s rostoucí velikostní třídou shlukují kolem postupně větších hodnot. To naznačuje, že využití půdy mělo větší vliv na množství půdního materiálu v jednotlivých velikostních třídách (rozložení kameniva, obr. 2 a 3) než na stabilitu kameniva.

Vliv využití půdy na hodnoty k lze odvodit z rozptylu hodnot v každé hloubce a velikostní třídě (body podél každé linie na obrázcích 4 a 5). Ačkoli vliv využití půdy není dominantní, je největší (větší rozsah) ve velikostních třídách větších než 500 mm a v povrchových horizontech (obr. 4 a 5). To je v souladu s modelem agregace navrženým Oadesem & Watersem (1991), podle kterého jsou velké agregáty více závislé na houbových hyfách a jemných kořenech, a tedy na využití půdy, zatímco malé agregáty závisí více na koloidních vlastnostech a chemismu půdy.

Vzhledem k tomu, že uvolňování WDC úzce souviselo s rozpadem agregátů větších než 500 mm, že konvenční systém a systém bez obdělávání půdy podporovaly pokles množství velkých agregátů a že neexistuje žádná hierarchie agregátů, může potenciálně dojít ke ztrátě značného množství jílu při změně z lesního na zemědělské využití půdy. Ve všech případech je podle těchto výsledků zachování velkých agregátů nezbytné, aby se zabránilo zvýšení WDC. K tomu je třeba dodat, že komplexy jílových minerálů a organických koloidů, které zvyšují potenciál pro disperzi, by měly být větší v povrchových horizontech (Tombácz et al., 2004).

PODĚKOVÁNÍ

Za CAPES-Brazílie (BEX 1316-96/6), číslo článku v časopise Purdue Agricultural Research Programs 2006-17943, a A. Dallarosovi a J. Beckerovi z COTRISA; J. E. Denardinovi a R. A. Kochhamovi 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 (Srovnání metod měření vodostálých agregátů: důsledky pro stanovení vlivu prostředí na strukturu půdy). Geoderma, v.56, s.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, s.3350-3357, 1999.

BOIX-FAYOS, C.; CALVO-CASES, A.; IMESON, A.C.; SORIANO-SOTO, M. D. Influence of soil propetties on aggregation of some Mediterranean soils and the use of aggregate size and stability as land degradation indicators (Vliv půdních vlastností na agregaci některých středomořských půd a využití velikosti a stability agregátů jako indikátorů degradace půdy). 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, p.151-195, 2000.

CARAVACA, F.; LAX, A.; ALBALADEJO, J. Agregátní stabilita a uhlíkové charakteristiky částicových frakcí v kulturních a lesních půdách semiaridního Španělska. Soil and Tillage Research. v.78, s.83-90, 2004.

CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. Aggregate state and aggregate quality of Purple Latosols subjected to different management systems. Brazilian Journal of Soil Science , v.14, s.99-105, 1990.

DALLA ROSA, A. Mechanické a kulturní postupy při obnově fyzikálních vlastností půd degradovaných kultivací – půda Santo Ângelo (dystrofní Latossolo Roxo). Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (Magisterská disertační práce).

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

KOCHHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. Chování porostů pšenice, sóji a kukuřice při hnojení fosfáty v systémech bez zpracování půdy a konvenčním zpracování půdy. V: 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.. Simulování trendů v půdním organickém uhlíku v akrisolu při bezorebném zpracování půdy a systému diskového podmítání pomocí modelu Century. Geoderma, v.12, p.283-295, 2004.

OADES, J..M.; WATERS, A.G. Aggregate hierarchy in soils. 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 (Ukládání energie a rovnováha producentů a dekompozitorů v ekologických systémech). Ecology, v.44, p.322-331, 1963.

PARKIN, T.B.; ROBINSON, J.A. Analysis of log normal 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, p.665-674, 2003.

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

TOMBACZ, E.; LIBOR, Z.; ILLES, E.; MAJZIK, A.; KLUMPP, E.. Úloha reaktivních povrchových míst a komplexace huminovými kyselinami při interakci jílového minerálu a částic oxidu železa. 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, s.170-173, 1997.

USDA. Příručka laboratorních metod průzkumu půdy. 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, p.168-173, 2005.