Aggregatfördelning, stabilitet och frisättning av vattendispergerbar lera för två subtropiska oxisoler

JORDAR OCH VÄXTNÄRING

Aggregatfördelning, stabilitet och frisättning av vattendispergerbar lera för två subtropiska oxisoler

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 beteende när det gäller spridningen och aggregeringen av dess partiklar är mycket viktigt för utvecklingen av markens miljö- och jordbruksfunktioner. Den här studien genomfördes för att fastställa hur aggregatfördelning och stabilitet påverkas av markanvändning och hur frigörandet av vattendispergerbar lera (WDC) förhåller sig till disaggregering i oxisoler från subtropiska Brasilien. Prover från två oxisoler, som samlades in på tre djup från platser med markanvändning utan jordbearbetning (NT), konventionell jordbearbetning (CT) och inhemsk vegetation (NV), skakades i 250 mL plastflaskor med intervaller på upp till 27 timmar. Massan av aggregat mättes i fem storleksklasser från 53 till 2000 µm. De flesta aggregat som var större än 500 mm försvann under de första 7,5 timmarna av skakningen, samtidigt som WDC-frisättningen ökade, utan att pH-värdet och den elektriska ledningsförmågan i jordsuspensionen förändrades, utan att de mindre aggregaten ökade. Därför finns det ingen hierarki av aggregat i dessa jordar och frisättningen av WDC orsakades av att aggregat inom intervallet 500-2000 mm krossades. Markanvändningen påverkar massan av aggregat i varje storleksklass, men aggregatstabiliteten beror på storleken och inte på markanvändningen.

Nyckelord: markanvändning, disaggregering, jordbearbetning, markförvaltning

RESUMÉ

Bodenbeteende i förhållande till dess aggregat- och spridningstillstånd är av stor betydelse för jordbruk och miljö. Den här studien genomfördes för att fastställa hur aggregatfördelningen och stabiliteten påverkas av olika användningsområden och hur vattendispergerad lera (WDC) frigörs i förhållande till disaggregering i brasilianska subtropiska latosoler. Prover av två latosoler som samlats in på tre djup på platser med odling utan jordbearbetning (NT), konventionell odling (CT) och med inhemsk vegetation (NV) rördes om i 250 mL plastflaskor i upp till 27 timmar. Aggregatmassan mättes i fem storleksklasser från 53 till 2000 µm. De flesta aggregat som var större än 500 mm försvann under de första 7,5 timmarna av omrörning, parallellt med en ökning av WDC-frisättningen utan någon förändring av pH- och elektriska konduktivitetsvärdena i suspensionen och utan någon ökning av massan av mindre aggregat. Därför finns det ingen hierarki av aggregat i dessa jordar och WDC-avgivningen orsakades av nedbrytning av aggregat med en storlek på mellan 500 och 2000 mm. Typen av användning påverkade massan av aggregat i varje storleksklass, men stabiliteten hos aggregaten beror på deras storlek, inte på typen av användning.

Nyckelord: markanvändning, disaggregering, markberedning, markförvaltning

INLEDNING

Då markaggregat är dynamiska och reagerar snabbt på miljöförändringar ökar intresset för dem som indikatorer på markkvalitet (Caravaca et al., 2004; Boix-Fayos et al., 2001). Dessutom gör markpartiklarnas förmåga att skydda organiskt material från oxidation det möjligt att betrakta marken som en kolsänka till atmosfären (Torn et al., 1997). Förändrad markanvändning som orsakas av trädfällning (Yanai et al., 2003) och/eller övergång från skog till jordbruk har en omfattande inverkan på aggregationen (Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin et al., 2003) och koldynamiken i tropiska, sura jordar (Leite et al., 2004; Zinn et al., 2005). Bristen på aggregathierarki (Oades & Waters, 1991) och den stora mängden järn- och aluminiumoxider gör att stabiliteten och storleken på aggregaten från vittrade oxisoler kräver särskilda studier. I Brasilien tenderar sådana jordar att ha mycket stabila aggregat med en diameter på mindre än 2 mm. Som ett resultat av detta beter sig leriga oxisoler som jordar med medelhög textur, vilket gör det möjligt att bedriva jordbruksverksamhet, t.ex. jordbearbetning eller skörd, strax efter regn (Buol & Eswaran, 2000). Potentialen att frigöra vattenspridbar lera (WDC) på grund av disaggregering är inte välkänd för dessa jordar (Azevedo & Bonumá, 2004) och sådan kunskap kan hjälpa till att bättre förvalta dessa jordar under förändringar i markanvändningen, och är viktig för att utvärdera den miljömässiga rörligheten för herbicider, bekämpningsmedel och andra xenobiotiska föreningar som används i jordbruket (Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999).

Syftet med den här studien var att utvärdera den långsiktiga effekten av skötselmetoder på fördelningen och stabiliteten av aggregat med en diameter på mindre än 2 mm och frisättningen av WDC under disaggregering för två oxisoler från södra Brasilien.

MATERIAL OCH METODER

De två utvalda platserna var belägna på Sul Riograndense-plattan, en geomorfisk region som utvecklats på lavaflöden från Serra Geral-formationen (figur 1). Jordmånen på platsen Santo Ângelo var en typisk Haplorthox som utvecklats från basaltiska bergarter, upptar 7,26 % av delstaten Rio Grande do Sul och förekommer på höjder mellan 200 och 400 m över havet (a.s.l.). Klimatet är Cfa enligt Köppens system, med en årsmedeltemperatur på 19,5 ºC och en genomsnittlig nederbörd på 1 850 mm år-1 (BRASIL, 1973). Prover från konventionella system (CT) och system utan jordbearbetning (NT) samlades in i Santo Ângelo, delstaten Rio Grande do Sul (28º16′ S, 54º13′ W, ca 280 m ö.h.). Jordbearbetningsförsöket etablerades 1979 på ett fält som hade haft en rotation av vete och sojabönor sedan 1964 (Dalla Rosa, 1981). Prover från en ostörd, skogbevuxen jord samlades in från det närmaste skyddade området med ursprunglig skogsvegetation (28º12′ S, 54º13′ W) cirka 15 kilometer från försöksplatsen. Jorden vid Passo Fundo var en typisk Haplohumox som utvecklats av en blandning av basalt och sandsten och förekommer på höjder mellan 460 och 700 m över havet. Klimatet är Cfa1, med en årsmedeltemperatur på 18ºC och en genomsnittlig nederbörd på 1 750 mm år-1. Prover med konventionellt och utan jordbearbetningssystem samlades in i Passo Fundo, delstaten Rio Grande do Sul (28º14′ S och 52º24′ V) i ett försök som inleddes 1983 (Kochham & Denardim, 1997). Jordar under inhemsk vegetation provtogs i ett skogsreservat på försöksstationen inom 0,5 km från försöksplatsen.

På var och en av de båda platserna samlades tre prover av behandlingarna NT och CT slumpmässigt in på försöksfältet, och de tre proverna från inhemsk vegetation (NV) samlades också slumpmässigt in i skogen. Man var noga med att hålla liknande avstånd mellan insamlingspunkterna på försöksfältet och i skogarna (5-10 m). I denna undersökning kallas NT, CT och NV för ”markanvändning”. Prover från 0 till 5 och från 10 till 15 cm djup samlades in från små gropar på ca 0,3 × 0,3 × 0,20 m djup och prover från 40-60 cm djup samlades in med hjälp av en skopskruv. Lufttorkade prover krossades försiktigt och passerade genom en 2 mm sikt (fin jordfraktion). De tre fältreplikationerna av varje markanvändning från varje plats kombinerades, blandades noggrant och förvarades sedan i förseglade plastpåsar. Laboratorieanalyser utfördes därför på ett sammansatt prov från vart och ett av de tre djupen, tre markanvändningar och två jordarter, vilket ger sammanlagt arton prover.

Organiskt kol bestämdes genom nedbrytning i K2Cr2O7 och titrering med Fe(NH4)2(SO4) 2.6H2O och partikelstorleksfördelningen bestämdes med hjälp av pipettmetoden efter dispersion med 6 % NaOH (EMBRAPA, 1997). Båda analyserna utfördes två gånger för varje sammansatt prov.

Både WDC och aggregatstabilitet för kompositproverna gjordes tre gånger (tre körningar) med standardmetoden för WDC-bestämning (USDA, 1996). Kortfattat vägdes fem alikvenser av 10 g finjord och placerades i 250 ml plastflaskor. Flaskorna fylldes med 175 mL avjoniserat (DI) vatten och skakades (120 utflykter per minut, 4 cm horisontell förskjutning) i 0, 3,75, 7,5, 15 och 27 timmar (en alikvot för varje tidsperiod). Suspensionerna hälldes sedan genom ett nät av fem silar på 1000 µm, 500 µm, 250 µm, 106 µm och 53 µm. Disaggregerad lera och silt sköljdes försiktigt från jorden på silarna med DI-vatten och samlades upp i 1 L flaskor för bestämning av WDC. Det jordmaterial som återstod på silarna torkades vid 110º i 24 timmar och vägdes. Det jordmaterial som passerade genom silarna samlades upp i enlitersflaskor och återuppslammades för WDC-mätning med hjälp av pipettmetoden (USDA, 1996). Slacking antogs vara försumbar, eftersom prover som endast utsattes för snabb vätning var nästan helt aggregerade (0 timmars skakningstid i figurerna 2 och 3, summan av aggregat).

Massan av aggregat i varje storleksklass, Ai, beräknades genom:

där Bi är torrmassan av jordmaterial i storleksklass i, Ci är torrmassan av sand i storleksklass i och D är den ursprungliga ugnstorkade massan av jord. Ci var genomsnittet av tre tidigare bestämningar av sandinnehållet i varje sammansatt prov. Sand subtraherades från täljaren i ekvationen för att undvika att enskilda sandkorn räknas som aggregat. För att göra det kortfattat använder vi termen ”aggregat” för att hänvisa till Ai, och ”prov” för samlingsprovet i den följande diskussionen.

Fördelningen av aggregat analyserades som en split plot design med tre behandlingar (NT, CT, NV) med tre block (var och en av de tre körningarna) replikerade över tiden. Data för varje jordart, djup och storleksklass analyserades separat. Skakningstiden betraktades som en hel enhet och markanvändningen som en underenhet i försöket med delad planlösning. För uppgifterna om den procentuella jordmassan gjordes en kvadratrottransformation före variansanalysen för att uppnå homogenitet i felvariansen. Fel (a) slogs samman med fel (b) eftersom det inte var signifikant (P = 0,25) i de flesta fall. Effekter av tid och markanvändning kontra tid delades upp i ortogonala polynomkontraster. Regressioner av medelvärdena för de beroende variablerna som en funktion av markanvändning och tid följdes av variansanalys (ANOVA) där regressionsmodellen bestämdes av de signifikanta behandlingseffekterna och kontrasterna. Jämförelse mellan regressionsmodellerna för uppdelning från varje markanvändning (längs skakningstiderna) genom ANOVA visas i tabell 2.

RESULTAT OCH DISKUSSION

Då sandinnehållet subtraherades från massan av jordmaterial som bibehålls i varje storleksklass (ekvation ), hade den sandigare typiska Haplohumoxen (tabell 1) färre jordaggregat i varje storleksklass än den typiska Haplortoxen.

Före skakning (0 timmars skakningstid; figurerna 2 och 3) förekom 73-91 % av Typic Haplorthox och 54-69 % av Typic Haplohumox i aggregat. Med endast två undantag var de regresserade uppdelningsmodellerna olika (P = 0,01) mellan de tre markanvändningarna för provtagningsdjupen 0-5 och 5-10 cm, men markanvändningen hade mindre effekt på uppdelningsmodellerna för djupet 40-60 cm (tabell 2).

Vissa gemensamma beteenden kunde observeras i båda jordarterna (figurerna 2 och 3): Det fanns mycket få 106-53 µm och 250-105 µm aggregat i jorden under inhemsk vegetation på 0-5 cm och 10-15 cm djup; aggregat med en diameter större än 500 mm dominerade både på 0-5 cm och 10-15 cm djup, men på 40-60 cm djup var aggregat med en diameter på 2 000-1 000 µm de minst förekommande; och även om staplingsordningen för kurvorna i en enskild graf förändrades beroende på storleksklass och djup, noterades att kurvorna i allmänhet hade samma form för varje storleksklass.

Det fanns en liten frisättning av WDC vid inledande vätning (0h skakning) i alla prover, vilket stödjer antagandet att slackering inte var en betydande disaggregeringsprocess under de experimentella förhållandena.

De största aggregaten (2000-1000 µm och 1000-500 µm) bröts snabbt ner under de första 7,5 timmarna av skakning, men massan av mindre aggregat ökade inte samtidigt, vilket visade att sådana aggregat huvudsakligen bröts ner till primära jordpartiklar och inte till små aggregat (figurerna 2 och 3). Därför hade dessa jordar inte någon aggregathierarki (Oades & Waters, 1991). Eftersom WDC ökade i takt med att aggregat större än 500 µm sönderdelades, utan att pH-suspensionerna förändrades, tycks sönderdelning vara den huvudsakliga mekanismen för WDC-produktion.

Den bristande hierarkin i aggregaten gör det möjligt att beskriva disaggregeringen med en processmodell av första ordningen (Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963):

där Ai,t är massan av aggregat i storleksklass i vid tidpunkt t, Ai,0 är massan av aggregat vid tidpunkt 0 och k är en krökningsparameter. Denna modell tar inte hänsyn till tillägg av aggregat till sikt i, som produceras genom sönderdelning av aggregat i sikt i+1 ovanför det, och kan därför endast användas i jordar som inte har någon aggregathierarki. Krökningsparametern (k) antogs vara ett index för sönderdelningshastigheten, och ju större dess absoluta värde är, desto mindre är aggregatstabiliteten. Inget igenkännbart mönster hittades när man organiserade k-värdena efter markanvändning. När variationsområdet för k plottades enligt aggregatstorleksklass framträdde dock en ganska tydlig trend (figurerna 4 och 5), vilket tyder på att k-värdena var grupperade kring successivt större värden när storleksklassen ökar. Detta tyder på att markanvändningen hade större inverkan på mängden jordmaterial i varje storleksklass (aggregatfördelning, figurerna 2 och 3) än på aggregatstabiliteten.

Den inverkan som markanvändningen har på k-värdena kan härledas från spridningen av värdena på varje djup och storleksklass (punkter längs varje linje i figurerna 4 och 5). Även om den inte är dominerande är markanvändningens effekt störst (större spridning) i storleksklasser större än 500 mm och i ytliga horisonter (figurerna 4 och 5). Detta stämmer överens med den aggregationsmodell som föreslagits av Oades & Waters (1991), där stora aggregat är mer beroende av svamphyfer och fina rötter, och därmed av markanvändning, medan de små aggregaten är mer beroende av jordens kolloidala egenskaper och kemi.

Med tanke på att frigörandet av WDC var nära kopplat till sönderdelning av aggregat som var större än 500 mm, att konventionell och plöjningsfri jordbearbetning främjade en minskning av mängden stora aggregat och att det inte finns någon aggregathierarki, kan en avsevärd mängd lera potentiellt gå förlorad under övergången från skogs- till jordbruksmarkanvändning. Enligt dessa resultat är det i alla fall viktigt att behålla stora aggregat för att undvika en ökning av WDC. Dessutom bör komplex av lermineraler och organiska kolloider, som ökar spridningsförmågan, vara större i ythorisonterna (Tombácz et al., 2004).

ÅTERKÄNNANDE

Till CAPES-Brasilien (BEX 1316-96/6), Purdue Agricultural Research Programs journalartikel nummer 2006-17943, och till A. Dallarosa och J. Becker, från COTRISA; J. E. Denardin och R. A. Kochham, från EMBRAPA.

AZEVEDO, A.C.; BONUMÁ, A.S. Partículas coloidais, dispersão e agregação em Latossolos. Ciência Rural, v.34, s.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. 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. Markegenskapernas inverkan på aggregeringen av vissa Medelhavsjordar och användningen av aggregeringsstorlek och stabilitet som indikatorer på markförstöring. 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 och kolegenskaper hos partikelstorleksfraktioner i odlade och skogbevuxna jordar i semiarida Spanien. Soil and Tillage Research. v.78, s.83-90, 2004.

CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. Aggregatstatus och aggregatkvalitet i lila latosoler som utsätts för olika hanteringssystem. Brazilian Journal of Soil Science , v.14, s.99-105, 1990.

DALLA ROSA, A. Mekaniska och kulturella metoder för att återställa de fysiska egenskaperna hos jordar som försämrats av odling – Santo Ângelo-jord (dystrofisk Latossolo Roxo). Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (avhandling för magisterexamen).

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

KOCHHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. Beteendet hos grödor av vete, soja och majs vid fosfatgödsling i system med plöjningsfri och konventionell jordbearbetning. 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 av trender i markens organiska kol i en akrisol under system med plöjningsfri odling och skivplöjning med hjälp av Century-modellen. Geoderma, v.12, s.283-295, 2004.

OADES, J..M.; WATERS, A.G. Aggregathierarki i jordar. 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. Analys av lognormala 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. Vattendispergerbara kolloider och faktorer som påverkar deras dispergerbarhet från jordaggregat. Geoderma, v. 74, s.255-266, 1996.

TOMBACZ, E.; LIBOR, Z.; ILLES, E.; MAJZIK, A.; KLUMPP, E.. Rollen av reaktiva ytplatser och komplexering av humussyror i interaktionen mellan lermineral och järnoxidpartiklar. Organic Geochemistry. v.35, s.257-267, 2004.

TORN, M.S.; TRUMBORE, S.E.; CHADWICK, O.A.; VITOUSEK, P.M.; HENDRICKS, D..M. Mineralisk kontroll av lagring och omsättning av organiskt kol i marken. Nature, v.389, s.170-173, 1997.

USDA. Manual för laboratoriemetoder för markundersökningar. 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. Relationer mellan textur och organiskt kol som beskrivs av en pedotrasnferfunktion för brasilianska Cerradojordar. Geoderma, v.127, s.168-173, 2005.