3. Кислотна деградація (декальцинація) ґрунтів

Загальне поняття, причини та масштаби розвитку. Зростаюча кислотність ґрунтового покриву — одна з найгостріших проблем сучасності та найближчого майбутнього. Процес підкислення ґрунтів набуває глобальних масштабів, спричиняючи негативні агрогеохімічні наслідки.

Особливу тривогу викликає те, що явище підкислення ґрунтів має прихований і в багатьох випадках вторинний характер. Спочатку відбувається процес декальцинації, а потім, значно пізніше, спостерігається підкислення ґрунту. Нерідко вже провапновані ґрунти знов стають кислими. З'являються кислі ґрунти і в районах, де їх раніше не було.

Причин, що обумовлюють підкислення, багато. Найістотнішими з них є кислотні дощі, низький рівень удобрювання ґрунтів органікою, необґрунтовано інтенсивне застосування засобів хімізації в землеробстві. Отже, вторинне підкислення ґрунтів має переважно антропогенне походження.

За даними ЮНЕСКО, в атмосферу надходить 10⁹ т/рік кислотних агентів газового та аерозольного характеру. Це насамперед сполуки сірки, азоту, вуглецю і хлору. При їх окисненні та конденсації утворюються сірчана, соляна, вугільна й азотна кислоти, які випадають на ґрунти з дощовою водою.

Найбільше кислотних дощів випадає у країнах Скандинавського півострова. Нині добре відомо, що підкислення ґрунтів — це проблема східних районів США, Канади, Німеччини, Великої Британії, Бельгії, Польщі, України, Молдови, країн Прибалтики, низки областей Росії.

За останні 50-60 років спостерігається загально планетарне підвищення кислотності дощових опадів. Сильне зростання цього показника зареєстровано в багатьох індустріальних районах Швеції, Норвегії, США та Канади. У цих країнах рН дощової води знизився з 6-6,5 до 5-4,6, а в окремі періоди до 4-3,5. Зареєстровані випадки, коли у Підмосков'ї (Росія) спостерігались випадки зниження рівня рН дощової води до 3-2,6.

Особливо висока кислотність вод виникає під час весняного сніготанення. Реакція таких вод може досягати рН 4-3,5. Кислі талі та дощові води, потрапляючи у ґрунт, спричиняють підкислення всього профілю ґрунту, а нерідко підкислюють і підґрунтові води. Кислоти, потрапляючи в ґрунт, взаємодіють з його органічною та мінеральною частинами. При цьому відбуваються такі реакції:

[ГВК-]Са²⁺ + Н₂SО₄ = [ГВК-]2Н²⁺ + СаS0₄;

[ГВК-]Мg²⁺ + НNО₃ = [ГВК-]Н²⁺ + Мg(NОз)₂;

СаСО₃ + Н₂SО₄ = СаSО₄ + СО₂ + Н₂О;

СаСО₃ + Н₂СО₃= Са(НСО₃)₂.

Встановлено, що гідроліз і нітрифікація однієї грам-молекули NН₄НNО₃ дає в результаті дві грам-молекули НNО₃. При нітрифікації однієї грам-молекули (NН₄)₂ SО₄ утворюються дві грам-молекули азотної і одна молекула сірчаної кислоти. З однієї грам-молекули NН₄ОН за певних умов може утворитися одна грам-молекула азотної кислоти.

Тому темпи вапнування ґрунтів повинні перевищувати темпи внесення мінеральних добрив. Невиконання цього правила приведе до вторинного підкислення ґрунтів.

В Україні є понад 11 млн. га дерново-підзолистих, буроземних, сірих опідзолених ґрунтів і чорноземів опідзолених з підвищеною кислотністю, з яких 7,8 млн. га припадає на ріллю, понад 3 млн. га — на природні кормові угіддя.

В Україні внесення поживних елементів з мінеральними добривами зростало у середньому за рік у 1971-1975 і 1976-1980 рр. відповідно на 84 та 147 % порівняно з періодом 1966-1970 рр. Використання вапнякових матеріалів зросло всього на 30%. У цей період спостерігалось збільшення площ слабо- і середньо-кислих ґрунтів за рахунок зменшення площ ґрунтів з близькою до нейтральної реакції, особливо в районах бурякосіяння, де площа слабо-кислих ґрунтів збільшилась на 555, а середньо-кислих — на 196 тис. га.

Підсилювались процеси декальцинації і вторинного підкислення чорноземів вилугованих, типових і звичайних через широке впровадження у виробництво індустріальних та інтенсивних технологій вирощування сільськогосподарських культур з внесенням підвищених і високих норм мінеральних добрив.

У 90-х роках рівень внесення мінеральних добрив різко зменшився і 1998-1999 рр. становив лише 17-20 кг діючої речовини на 1 га. У той же час знизились і норми внесення органічних добрив та хімічних меліорантів. Тому ситуація щодо підкислення і декальцинації ґрунтів наприкінці 90-х років не змінилася. На підкислення і декальцинацію ґрунтів істотно впливають також кислотні дощі, викиди промислових підприємств, перенесення водою і вітром продуктів з териконів та відвалів розкривних робіт.

Встановлено, що внесення мінеральних добрив без вапнякових матеріалів спричиняє підкислення чорноземів типових, початкова реакція яких була близькою до нейтральної (а стала 5,4-5,2). При тривалому внесенні підвищених доз мінеральних добрив спостерігається зростання активної кислотності. Внесення азотних добрив ще більш підвищує активну кислотність ґрунту порівняно з внесенням фосфорно-калійних добрив. Найбільша активна кислотність відмічається при внесенні 157 кг/га азоту. Аналогічні зміни при внесенні мінеральних добрив відбуваються і з обмінною кислотністю, але найбільш істотно збільшується обмінна титрована та гідролітична кислотність. Перша зростає у 2-2,3 рази, друга — у 2,5-3,8 рази.

Під впливом підвищених норм мінеральних добрив змінюється також склад обмінних катіонів. Знижується сума увібраних основ. Ємність катіонного обміну чорнозему типового дещо зростає під впливом внесення добрив, але збільшення її відбувається за рахунок гідролітичної кислотності. До негативного впливу підвищених доз азотних добрив слід віднести і різке зниження буферної ємності ґрунту в кислій області з 1,96 мг-екв. рН на контролі до 0,99 мг-екв. рН при внесенні N₁₅₇Р₈₇К₈₃! Це означає, що опірність, або "імунітет", ґрунту до антропогенних чинників деградації зменшився удвічі всього за декілька років.

Наведені дані свідчать, що навіть на чорноземах типових за наявності високих норм мінеральних добрив потрібно вносити вапнякові матеріали. За існуючими рекомендаціями, на кожен центнер фізіологічно кислих туків слід вносити від 0,4 до 3 ц СаСО₃.

Дози СаСО₃ для нейтралізації фізіологічно кислих добрив, ц на 1 ц туків

Добриво	Доза СаСО3
Хлористий амоній	1,40
Сульфат амонію	1,20
Сульфат амонію-натрію	1,90
Аміачна селітра	0,75
Аміачна вода	0,40
Аміак безводний	2,9-3,0
Сечовина	0,80
Амофос	0,65

Істотний вплив на кислотність ґрунту можуть мати промислові викиди, що містять сульфіди та оксиди металів. У ґрунті вони утворюють сірчану кислоту, яка обумовлює підкислення. На освоєних болотних ґрунтах підкислення може бути спричинене окисненням сульфідів заліза та мангану. На цих ґрунтах дренажними водами виносяться сполуки кальцію, магнію та калію, тому для підвищення їх родючості слід проводити вапнування.

Прогноз декальцинації та підкислення ґрунтів. Динаміка (розвиток у часі) та кінетика (зміна під впливом якогось чинника постійної чи змінної інтенсивності) багатьох природних чи антропогенно спричинених процесів може бути достатньо точно описана простими диференціальними рівняннями першого порядку, яке добре описує розвиток у часі чи під впливом зростаючих доз мінеральних добрив процесів підкислення чорноземних ґрунтів. При цьому враховуються такі показники, як гідролітична кислотність ґрунту; час (кількість років спостережень); доза азоту на 1 га сівозміни, кг.

Рівняння радіоактивного розпаду добре описує розвиток у часі чи під впливом певного чинника процес декальцинації (зменшення вмісту в ґрунті обмінного кальцію) чи загального зниження суми увібраних основ: При цьому враховуються такі показники, як гідролітична кислотність ґрунту; час (кількість років спостережень); вміст у ґрунті обмінного кальцію на 1 га сівозміни, кг. Результати розрахунків, проведених за цими рівняннями, мають достатньо високу точність щодо моделювання процесу декальцинації. Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 0,45 %.

Результати застосування такого методу моделювання процесів декальцинації та підкислення дозволяють дати наступну загальну рекомендацію щодо подолання декальцинації і підкислення чорнозему типового малогумусного під впливом зростаючих доз азоту: кожен центнер аміачної селітри, що вноситься на 1 га сівозміни на чорноземі типовому малогумусному центрального і правобережного районів лісостепової зони України потребує внесення в ґрунт 0,5 ц вапна.

Таким чином, своєчасне виявлення, моделювання динаміки та прогнозування декальцинації і підкислення таких цінних за своєю продуктивністю ґрунтів, як чорноземи, має виключно важливе значення.