The influence of biochar and potassium humate on the properties of soddy podzolic soil in a model experiment
The influence of biochar and potassium humate on the properties of soddy podzolic soil in a model experiment
Abstract
In a model experiment, the effect of two types of biochar (from green manure and coffee peel) separately and in combination with potassium humate on the chemical properties and labile pool of organic matter in soddy podzolic soil was studied. The impact on the properties of organic soil matter, the content of moving forms of plant nutrients, and the growth of test crops was analysed. It was shown that all soil improvers increase soil pH from 6.6 to 7.0–7.8; the content of moving forms of potassium increases 6–10 times. The total C content increased by 0.4–0.8% in accordance with the amount of organic ameliorants applied, but the size of the moving C pool in both aqueous and alkaline extracts did not change under the influence of both biochar substances. Under the conditions of this experiment, the organic matter of biochar did not transform and remained in the non-hydrolysable part of humus. Potassium humate, both separately and in mixture with biochar, increases the proportion of moving SOM fractions from 10 to 20–30%. In the phytotest on T. aestivum seedlings, no significant increase in the biomass of the test culture was detected; in both humate biochar combinations, the biomass decreased to 62% of the control. The potential of biochar as a soil ameliorants, both separately and in mixture with humate, requires further research.
1. Введение
Биологическим углем (биоуголь или биочар) называют материал, получаемый из древесины и органических отходов путем пиролиза при температуре 300–800°C без доступа кислорода. В литературе активно обсуждается перспективность его применения для повышения плодородия почвы, улучшения ее способности удерживать воду и в качестве удобрения и почвоулучшителя , , , . Предпосылками для этого являются высокое содержание углерода (60–80%) и высокая сорбционная емкость при значительной площади поверхности (около 30 м2/см3) за счет пористой структуры, что позволяет рассматривать биоуголь (БУ) как средство для увеличения гумусированности почв, оптимизации их водно-физических почв и для связывания тяжелых металлов и иных поллютантов в почвах.
В литературе описан целый ряд положительных эффектов БУ на свойства почв: повышение рН; увеличение катионо-обменной и сорбционной емкости, пористости и аэрации, влагоудерживающей способности и др. Ряд работ , , , демонстрирует, что БУ оказывает влияние на ее поглотительную способность почвы, смачиваемость, кислотно-основную буферность и, как следствие, на миграционную способность катионов и анионов, а также органических молекул в почвах , . В большинстве случаев отмечено увеличение урожайности культур, особенно при использовании на бедных почвах; предотвращение вымывания минеральных удобрений и тем самым увеличение пролонгированности их действия и снижение норм внесения; выраженное последействие в течение нескольких лет. В то же время описаны и случаи отсутствия положительного отклика растений и проявления токсичности по отношению к живым организмам , , .
Гуминовые вещества (ГВ) известны широким спектром положительных воздействий на химические и биологические свойства почв. В том числе показано, что они способны снижать токсичность высоких доз БУ. Исследований о совместном влиянии БУ и ГВ на агроэкологическую систему недостаточно. Предположительно, БУ в сочетании с гуматами могут оказать более выраженное оптимизирующее воздействие на свойства почвы: содержание гумуса, пулы питательных веществ, сорбцию и снижение токсичности поллютантов. Целью данной работы явилось изучение влияния двух видов БУ по отдельности и в сочетании с промышленным гуминовым препаратом гумата калия на химические свойства дерново-подзолистой почвы в серии модельных экспериментов и выявление их потенциала в качестве почвенных мелиорантов.
2. Методы и принципы исследования
В данном исследовании использовали два вида БУ: из сидератов (БУС) и из кофейной шелухи (БУШ, отход кофейного производства), а также промышленный гумат калия «Сахалинский». Образцы БУ получены методом медленного пиролиза в температурном диапазоне 360-380оС на базе кафедры почвоведения ДВФУ. Гумат Сахалинский (СГ) производится методом щелочной экстракции из окисленного бурого угля (леонардита) группой компаний «Сахалинские гуматы»; представлен на рынке как органоминеральное удобрение и биостимулятор. Базовые свойства тестируемых мелиорантов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные свойства органических мелиорантов
Препарат | рН | С общ % | N общ % | C/N | К общ, % | Р общ, % |
БУС | 9,79 | 59,88 | 2,03 | 29,45 | 5,76 | 0,47 |
БУШ | 9,69 | 64,78 | 2,29 | 28,32 | 6,67 | 0,20 |
СГ | 9,45 | 38,03 | 1,25 | 30,34 | 10,11 | 0,20 |
Исследования проводили в условиях модельного опыта с использованием пахотного горизонта дерново-среднеподзолистой супесчаной почвы (Московская область, N 56º2ʹ30,611ʺ E 37º10ʹ29,993ʺ) со следующими характеристиками: рН 6,6; С общ 1,42%; N общ 0,13%, песок 52%, пыль 39% и ил 9%. Образцы почвы высушивали, растирали и просеивали через сито с размером ячеек 2 мм. Навески по 200г воздушно-сухой почвы помещали в пластиковые контейнеры, добавляли сухие растертые БУ, СГ или их смесь (1:1) в дозе 1% по сухому веществу и тщательно перемешивали. Схема опыта включала варианты с внесением БУ из сидератов (БУС), БУ из кофейной шелухи (БУШ), гумата калия «Сахалинский (СГ), а также смесей БУ с гуматом в соотношении 1:1 (БУС+СГ и БУШ+СГ, по 0,5г/100г). Смеси увлажняли дистиллированной водой до 50% от полной влагоемкости и инкубировали 6 недель при комнатной температуре, поддерживая влажность в течение экспозиции. Повторность опыта 3-кратная.
После окончания инкубации в почвах опыта определяли рН, общее содержание С и N на элементном анализаторе CHN-analyzer ECS 8020 (NC Technologies, Italy), содержание подвижных фосфора и калия по Кирсанову, а также содержание углерода и азота в водной и 0,1н NaOH-вытяжках на анализаторе TOC-L-CPN (Shimadzu, Япония). Влияние препаратов на рост растений оценивали в аппликатном фитотесте на тест-культуре Triticum aestivum (пшеница озимая сорт «Ухторчанка»): семена пшеницы высевали в сосуды с почвами вариантов опыта, увлажняли до 60% ПВ и проращивали в климатокамере Binder при 230 С в режиме день/ночь; учет биомассы проростков проводили через 15 суток. Для всех экспериментов достоверность различий оценивали однофакторным дисперсионным анализом по критерию НСР по Фишеру, уровень значимости p ≤0,05.
3. Основные результаты и обсуждение
Оба образца БУ получены из растительного сырья, и их базовые свойства сходны между собой: рН 9,7; 60–65% общего углерода, 2% общего азота, C/N 29, около 6% общего калия и менее 1% общего фосфора (Табл.1). Гумат калия отличается несколько пониженным содержанием общего углерода и азота (38 и 1% соответственно), но повышенным — калия, что обусловлено технологией его производства с использованием калийной щелочи.
Внесение всех мелиорантов в почву привело к подщелачиванию среды на 0,2–1,2 единиц рН (Табл. 2). Такой эффект обычно и наблюдается при внесении БУ, что позволяет рассматривать его как средство снижения кислотности кислых почв . Гумат калия, будучи водорастворимым веществом с высоким значением рН, также повысил реакцию почвенного раствора. Степень выраженности этого эффекта была сравнима для всех мелиорантов, хотя максимальное повышение реакции среды до рН 7,8 наблюдали при добавлении БУ из кофейной шелухи.
Таблица 2 - Влияние мелиорантов на рН, содержание общего углерода и азота и подвижных калия и фосфора в почвах опыта
Вариант | рН | С общ | N общ | К2О | P2O5 |
% | мг/100г | ||||
Контроль | 6,6a | 1,42a | 0,13±0,01 | 21a | 44а |
БУС | 7,0b | 2,02bc | 0,15±0,01 | 145b | 47а |
БУШ | 7,8c | 2,22b | 0,17±0,03 | 149b | 46а |
СГ | 7,2b | 1,80c | 0,14±0,01 | 201c | 59b |
СГ+БУС | 7,0b | 1,90c | 0,15±0,02 | 172d | 40c |
СГ+БУШ | 7,3b | 1,85c | 0,14±0,01 | 166d | 41c |
Примечание: буквами указана принадлежность средних значений к гомогенной группе на основании величины НСР по Фишеру, уровень значимости p ≤0,05
В отношении влияния мелиорантов на содержание подвижных форм элементов минерального питания растений выявлено незначительное влияние на содержание фосфора и весьма существенное — калия (Табл.2). Так, для фосфора значимое накопление обнаружено только в варианте с гуматом. Однако при совместном применении БУ и СГ содержание подвижного фосфора достоверно снижалось до 40–41 мг P2O5/100 г против 44 мг P2O5/100 г на контроле. Это может указывать на связывание фосфора в труднодоступные формы вследствие сорбции на поверхности биоугля . В отношении калия показано кратное увеличение его концентрации по сравнению с контролем (21 мг K2O/100г) при внесении всех органических добавок. Наиболее высокие значения зафиксированы в варианте с гуматом, что обусловлено высоким содержанием калия в самом «Сахалинском гумате» (около 10%). БУС и БУШ также способствовали увеличению содержания калия примерно до 150 K2O/100г, что может быть связано с высоким содержанием калия в биоуглях (6–7%, табл.1). Совместное применение гумата с биоуглями привело к промежуточным результатам: в вариантах СГ+БУС и СГ+БУШ содержание калия составило 172 и 166 мг/кг K2O/100г соответственно. Это свидетельствует о возможном сорбционном взаимодействии между компонентами смеси и более равномерном поступлении калия в почвенный раствор.
Под воздействием органических добавок содержание общего углерода увеличилось в соответствии с внесенным количеством С и возросло от 1,4% на контроле до 1,8–2,2% (Табл.2). При добавлении смесей БУ и СГ содержание общего углерода также возросло, хотя и менее существенно, и при этом между собой смеси статистически значимо не отличались. В отношении содержания общего азота статистически значимого увеличения Nобщ не выявлено.
Факт увеличения содержания общего углерода под воздействием БУ показан в многочисленных публикациях , , . Но при этом важно оценивать влияние БУ не только на общее содержание органического вещества почв (ПОВ), но и состав и соотношение лабильных и стабильных пулов ПОВ. Такую информацию позволяет получить анализ содержания подвижных фракций гумуса, переходящих в водную и щелочную вытяжки. На рис.1. представлено абсолютное содержание водорастворимого и щелочно-растворимого С в почвах вариантов опыта, а в табл.3 — относительное содержание С и N в процентах к общему содержанию углерода и азота.
Рисунок 1 - Влияние мелиорантов на содержание подвижного пула С:
в водной вытяжке (А) и щелочной вытяжке (Б)
Примечание: буквами указана принадлежность средних значений к гомогенной группе на основании величины НСР по Фишеру, уровень значимости p ≤0,05
Значимое увеличение лабильного пула С выявлено только в вариантах, содержащих гумат (рис.1 А и Б и табл.3). Последний обладает высокой подвижностью и обогащает почву лабильными гуминовыми веществами как в составе водной, так и щелочной вытяжек. Совместное внесение СГ с биоуглями привело к снижению концентрации углерода в обеих вытяжках по сравнению с использованием одного только гумата, что подтверждает вывод о том, что гуминовые вещества содержит только гумат калия, а органическое вещество БУ представлено неразлагаемым материалом. Сходные результаты получены в работе , где наибольшее накопление С в почве при внесении БУ обнаружено в виде лигнина.
Таблица 3 - Содержание углерода и азота в водном и щелочном экстрактах из почв
Вариант | Водный экстракт | NaOH- экстракт | ||
С-H2O, % к Собщ | N-H2O, % к Nобщ | С-NaOH, % к Собщ | N-NaOH, % к Nобщ | |
Контроль | 1,31 | 3,73 | 9,05 | 11,73 |
БУС | 0,90 | 2,94 | 6,22 | 9,69 |
БУШ | 1,06 | 2,86 | 5,33 | 7,85 |
СГ | 2,11 | 4,01 | 21,70 | 19,89 |
СГ+БУС | 1,44 | 3,29 | 13,45 | 15,13 |
СГ+БУШ | 1,66 | 3,92 | 13,54 | 15,34 |
Таблица 4 - Влияние мелиорантов на рост проростков T. aestivum в аппликатном фитотесте
Вариант | Энергия прорастания | Биомасса | |
% | мг /сосуд | % к контр | |
Контроль | 78±10 | 102±17 | 100a |
БУС | 56±19 | 76±28 | 75ab |
БУШ | 56±10 | 106±13 | 104a |
СГ | 83±29 | 111±15 | 109a |
СГ+БУС | 39±10 | 63±15 | 62b |
СГ+БУШ | 61±42 | 63±27 | 62b |
Примечание: буквами указана принадлежность средних значений к гомогенной группе на основании величины НСР по Фишеру, уровень значимости p ≤0,05
Влияние мелиорантов на рост растений оценивали в аппликатном фитотесте, результаты которого представлены в табл. 4. Положительное воздействие на рост проростков оказал только гумат, увеличивая энергию прорастания и биомассу растений, хотя различия статистически недостоверны. Внесенные отдельно, оба БУ несколько снижали энергию прорастания, но по-разному воздействовали на биомассу: вариант с БУС снижал биомассу до 75% к контролю, а БУШ — увеличивал до 105%. Иными словами, СГ и БУШ стимулирует рост проростков, а БУС, наоборот, ингибирует. В вариантах с обеими комбинациями гумат-БУ не только не наблюдали дополнительного стимулирующего эффекта, но, наоборот, зафиксировано угнетение проростков и снижение биомассы до 62% к контролю.
4. Заключение
В условиях данного модельного эксперимента все мелиоранты увеличивали pH почвы от 6,6 до 7,0–7,8; содержание подвижных форм калия — в 6–10 раз, но не влияли на содержание подвижных форм фосфора.
Общее содержание углерода увеличилось на 0,4–0,8% в соответствии с внесенным количеством органических мелиорантов, но на размер подвижного пула С как в водной, так и в щелочной вытяжках оба БУ не влияли. Тогда как СГ отдельно и в смеси с БУ увеличивал долю подвижных фракций почвенного органического вещества от 10 до 20–30% к Собщ. Таким образом, в условиях этого эксперимента органическое вещество БУ не трансформировалось и осталось в составе негидролизуемой части гумуса.
В фитотесте на проростках пшеницы прирост биомассы тест-культуры выявлен только в вариантах в БУШ и СГ составил 4–9% к контролю, хотя различия статистически недостоверны. При внесении БУС и обеих комбинаций гумата с БУ выявлено снижение биомассы до 62–75% к контролю.
По совокупности полученных данных можно заключить, что влияние БУ на свойства почвы различно в зависимости от состава сырья: БУШ оказывает более положительное воздействие по комплексу показателей по сравнению с БУС. Можно предположить, что различия во влиянии на почвенные свойства обусловлены различной удельной поверхностью, наличием функциональных групп на поверхности БУ или другими характеристиками, требующими дальнейшего изучения. Их потенциал в качестве почвенных мелиорантов как по отдельности, так и в смеси с гуматом требует дальнейшего изучения.