1. Введение
Биочар относится к устойчивым углеродсодержащим материалам, которые получают при термическом разложении органического сырья в условиях ограниченного доступа кислорода. Перспективность применения биочара в почвах связано с его высокой сорбционной емкостью, влагоудерживающей способностью, а также влиянием на кислотно-основные условия в почве и доступность элементов минерального питания
[1][2][2][3]
Дерново-подзолистые почвы широко распространены в зоне достаточного увлажнения и часто характеризуются кислой реакцией среды, ограниченной биологической активностью и высокой чувствительностью к системе удобрения. Внесение биочара в такие почвы может сопровождаться изменением pH, содержания подвижных форм фосфора и калия, а также трансформации минеральных соединений азота
[3][4][5][1][3][6][7][8]
Азотное питание является одним из основных факторов продукционного процесса зерновых культур. Аммиачная селитра содержит аммонийную и нитратную формы азота, поэтому ее внесение влияет на соотношение доступных минеральных форм и на направление протекания микробиологических процессов
[9][1][2][5][5][10][11]
Ферментативная активность отражает состояние биологического звена почвенного плодородия и может использоваться для оценки реакции почвы на внесение мелиорантов и удобрений
[10][11][12][10][13][14][11][14]
Целью работы была оценка влияния различных доз биочара и аммиачной селитры на агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы и активность уреазы в условиях вегетационного опыта с яровой пшеницей сорта Злата.
2. Методы и принципы исследования
Вегетационный опыт проводили в условиях вегетационного домика РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Объектом служила окультуренная дерново-неглубокоподзолистая профильноглееватая глубокопахатная среднесуглинистая почва, привезенная с полевой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Исходно почва имела следующие агрохимические показатели: pH водной вытяжки 6,1, содержание подвижного фосфора по Кирсанову 289 мг/кг (VI класс по Кирсанову) и содержание подвижного калия по Кирсанову 319 мг/кг (VI класс по Кирсанову). В качестве тест-культуры использовали яровую пшеницу сорта Злата.
Растения выращивали в сосудах Митчерлиха вместимостью 5,2 кг почвы. Посев проводили по 30 семян на сосуд на глубину 3 см. Опыт включал четыре повторности. Отбор почвенных образцов был проведен после окончания вегетационного периода и сбора урожая.
Опыт был заложен по двухфакторной схеме: фактор BC отражал дозу биочара — 0, 10 и 30 г/сосуд, что соответствовало 0 т/га, 5,8 т/га и 17,3 т/га, фактор N — дозу аммиачной селитры — 0, 100 и 300 мг N/кг почвы. Схема включала девять вариантов: BC0–N0, BC0–N1, BC0–N2, BC1–N0, BC1–N1, BC1–N2, BC2–N0, BC2–N1, BC2–N2. Контролем служил вариант BC0–N0 без внесения биочара и аммиачной селитры; остальные варианты позволяли оценить раздельное и совместное действие изучаемых факторов.
В работе был использован коммерческий образец биочара марки «Березняк» (ООО «Вятская Угольная Компания», Россия). Биочар был получен из березовых опилок при температуре пиролиза 500–700 °C. Применяли фракцию 1–5 мм. Биочар характеризовался высоким содержанием углерода (92,5%) и щелочной реакцией среды (pH = 9), что позволяло рассматривать его как потенциальный фактор изменения кислотно-основного состояния почвы.
pH солевой вытяжки почвы определяли потенциометрическим методом по ГОСТ 26483-85. Содержание аммонийного азота определяли фотометрическим методом по ЦИНАО в соответствии с ГОСТ 26489-85. Содержание нитратного азота определяли методом УФ-спектрофотометрии по методике В.М. Лапушкина
[14][12][13]
Статистическая обработка данных была выполнена по общепринятым методикам.
3. Основные результаты
Изменение pH солевой вытяжки представлено на рисунке 1. Значения pHKClMissing Mark : sub изменялись от 5,91 до 6,86. Минимальный показатель получен в варианте BC0-N2, где биочар не вносили, а аммиачную селитру применяли в высокой дозе. Максимальное значение отмечено в варианте BC2-N2 при совместном внесении высокой дозы биочара и высокой дозы аммиачной селитры.
Изменение pH солевой вытяжки по вариантам опыта
По данным дисперсионного анализа отдельное действие биочара и отдельное действие аммиачной селитры на pH были недостоверными (p > 0,05). Достоверным оказалось взаимодействие факторов BC × N (p <0,01). Это означает, что реакция почвенной среды зависела не от одного фактора, а от конкретного сочетания доз биочара и азотного удобрения.
Содержание подвижного фосфора по вариантам опыта представлено на рисунке 2. Значения P₂O₅ находились в диапазоне от 248 до 326 мг/кг. Максимальное содержание подвижного фосфора отмечено в варианте BC1-N0 — 326 мг/кг. Минимальное значение получено в варианте BC2-N1 — 248 мг/кг.
Содержание подвижного фосфора в почве при различных дозах биочара и аммиачной селитры
В вариантах без биочара содержание P₂O₅ оставалось высоким: 313 мг/кг в BC0-N0, 323 мг/кг в BC0-N1 и 322 мг/кг в BC0-N2. Умеренная доза биочара также не снижала обеспеченность почвы подвижным фосфором: при дозе BC1 значения составляли 326, 319 и 315 мг/кг соответственно для N0, N1 и N2. Внесение высокой дозы биочара, напротив, сопровождалась снижением показателя: 277 мг/кг в BC2-N0, 248 мг/кг в BC2-N1 и 284 мг/кг в BC2-N2.
Статистически значимым было действие дозы биочара (p <0,01), а также взаимодействие BC × N (p <0,05). Отдельное действие аммиачной селитры на содержание подвижного фосфора не подтверждено (p> 0,05). Высокая доза берёзового биочара не увеличивала содержание подвижного фосфора, а в ряде вариантов достоверно снижала его относительно вариантов BC0 и BC1.
Содержание обменного калия показано на рисунке 3. Значения K₂O изменялись от 217 до 398 мг/кг. Минимальное содержание отмечено в варианте BC0-N1, максимальное — в варианте BC2-N0. Разница между ними составила 181 мг/кг и превышала НСР05Missing Mark : sub = 58 мг/кг.
Содержание подвижного калия в почве при различных дозах биочара и аммиачной селитры
На фоне отсутствия аммиачной селитры повышение дозы биочара сопровождалось ростом содержания обменного калия: 289 мг/кг в BC0-N0, 322 мг/кг в BC1-N0 и 398 мг/кг в BC2-N0. Разница между BC2-N0 и контролем составила 109 мг/кг и превышала НСР0,05, поэтому высокая доза биочара без азотного удобрения достоверно увеличивала содержание K₂O. На фоне N1 значения K₂O составляли 217 мг/кг в BC0-N1, 221 мг/кг в BC1-N1 и 280 мг/кг в BC2-N1. На фоне N2 содержание обменного калия составляло 222 мг/кг без биочара, 283 мг/кг при BC1 и 286 мг/кг при BC2.
Таким образом, при внесении аммиачной селитры в дозах N1 и N2 биочар повышал средние значения K₂O, но эффект был слабее, чем при отсутствии азотного удобрения. Это может быть связано с более активным использованием калия растениями на фоне азотного питания. Содержание обменного калия достоверно зависело как от дозы биочара (p <0,01), так и от дозы аммиачной селитры (p <0,01). Взаимодействие BC × N было недостоверным (p> 0,05).
Содержание нитратного азота по вариантам опыта приведено на рисунке 4. Этот показатель изменялся наиболее резко: от 31 до 269 мг/кг. Минимальное значение получено в контрольном варианте BC0-N0, где не вносили ни биочар, ни аммиачную селитру. Максимальное значение отмечено в варианте BC0-N2 при высокой дозе аммиачной селитры без биочара. Разница между этими вариантами составила 280 мг/кг и значительно превышала НСР05Missing Mark : sub = 64,7 мг/кг.
Содержание нитратного азота в почве при различных дозах биочара и аммиачной селитры
В вариантах без азотного удобрения содержание NO₃⁻-N оставалось низким: 31 мг/кг в BC0-N0, 38 мг/кг в BC1-N0 и 57 мг/кг в BC2-N0. На фоне N1 значения возрастали до 90 мг/кг в BC0-N1, 88 мг/кг в BC1-N1 и 117 мг/кг в BC2-N1. На фоне N2 содержание нитратного азота достигало 269 мг/кг без биочара и снижалось до 201 мг/кг при внесении биочара.
Основным фактором, определявшим содержание нитратного азота, была доза аммиачной селитры: действие N было достоверным (p <0,01). Действие биочара и взаимодействие BC × N статистически не подтверждены (p> 0,05), поэтому снижение среднего содержания NO₃⁻-N с 269 мг/кг в BC0-N2 до 201 мг/кг в вариантах BC1-N2 и BC2-N2, что является выраженной тенденцией к снижению нитратного азота на высоком азотном фоне при внесении биочара.
Полученные данные показывают, что в основном аммиачная селитра формировала уровень нитратного азота в почве. Биочар мог регулировать его остаточное содержание, однако в пределах данного опыта этот эффект не был подтверждён как самостоятельный статистически значимый фактор.
Содержание аммонийного азота представлено на рисунке 5. Значения NH₄⁺-N изменялись от 20 до 43 мг/кг. Минимальное значение отмечено в варианте BC0-N1, максимальное — в варианте BC2-N0. Разница между ними составила 22 мг/кг и превышала НСР05Missing Mark : sub = 11,6 мг/кг.
Содержание аммонийного азота в почве при различных дозах биочара и аммиачной селитры
Дисперсионный анализ показал достоверное действие дозы биочара (p <0,01)
Активность уреазы по вариантам опыта представлена на рисунке 6. Значения изменялись от 48,81 до 78,30 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹. Минимальная активность была получена в варианте BC2-N1, максимальная — в варианте BC2-N2. Разница между ними составила 29,49 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ и превышала НСР0,05 = 12,22, поэтому различие является статистически значимым.
Активность уреазы в почве при различных дозах биочара и аммиачной селитры
В вариантах без биочара активность уреазы составляла 63,84 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC0-N0, 73,88 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC0-N1 и 53,80 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC0-N2. При умеренной дозе биочара значения были близкими: 66,58 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC1-N0, 72,21 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC1-N1 и 56,93 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC1-N2. При высокой дозе биочара: 63,04 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC2-N0, 48,81 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC2-N1 и 78,30 мг N-NH₄⁺ кг⁻¹ ч⁻¹ в BC2-N2.
Отдельное действие биочара и отдельное действие аммиачной селитры на активность уреазы были недостоверными (p> 0,05). При этом взаимодействие BC × N было достоверным (p <0,01). Это означает, что уреазная активность определялась не самой дозой биочара или азотного удобрения по отдельности, а их сочетанием. Высокая доза биочара могла как снижать активность уреазы на фоне N1, так и повышать её на фоне N2.
Максимальная активность уреазы в варианте BC2-N2 сочеталась с наиболее высоким pH (6,86) и повышенным содержанием аммонийного азота (49 мг/кг). Это позволяет рассматривать данный вариант как пример согласованного изменения кислотно-основных условий, аммонийной формы азота и ферментативной активности. Однако причинную связь между этими показателями следует формулировать осторожно: по имеющимся данным можно установить совместное изменение, но нельзя полностью разделить вклад pH, азотного фона, микробной активности и сорбционных свойств биочара.
4. Обсуждение
Сопоставление всех шести показателей свидетельствует о комплексности действия биочара. Для pH и активности уреазы решающим оказалось взаимодействие факторов дозы биочара и аммиачной селитры; для подвижного фосфора — дозы биочара и взаимодействие факторов; для обменного калия — самостоятельное действие биочара и аммиачной селитры; для нитратного азота — дозы аммиачной селитры; для аммонийного азота — дозы биочара.
Влияние биочара на рН почвы сильно зависело от дозы внесения аммиачной селитры. При отсутствии селитры биочар практически не изменял рН почвы. Подщелачивающий эффект биочара наблюдался только в случае внесения высокой дозы аммиачной селитры и высокой дозы биочара. Этот эффект широко описан в литературе и объясняется наличием карбонатов в составе биочара
[15][16][17][18][19][20][4]
Что касается влияния биочара на содержание подвижного фосфора, то низкая доза биочара не оказывала значительного влияния на содержание подвижного фосфора, а высокая доза биочара его снижала. Полученные результаты соответствуют данным К.О. Пономарева и соавторов
[7][21][22][23]
Наиболее устойчивый эффект биочара проявлялся в изменении калийного режима. Высокая доза биочара повышала содержание подвижного калия как при внесении аммиачной селитры, так и без нее. Полученные результаты согласуются с литературными данными. В ряде работ было показано существенное увеличение содержания подвижного калия при использовании биочаров различного происхождения
[3][24][25][26]
Внесение биочара по-разному повлияло на содержание нитратной и аммонийной форм азота. Содержание аммонийного азота повышалось с увеличением дозы биочара и вместе с тем не зависело явным образом от примененной дозы аммиачной селитры. В то же время нитратный азот умеренно повышался при внесении биочара на фоне средней дозы аммиачной селитры или ее отсутствия, а при внесении высокой дозы аммиачной селитры содержание NO₃⁻-N, напротив, падало при внесении высокой дозы биочара. Таким образом, при внесении высоких доз аммиачной селитры и биочара происходило смещение распределения форм азота в сторону менее подвижной аммонийной формы.
Возможным объяснением повышения содержания как нитратной, так и аммонийной форм азота при внесении биочара в вариантах без внесения аммиачной селитры является прайминг-эффект, при котором внесение биочара стимулирует активность почвенного микробного сообщества и минерализацию органического вещества почвы, увеличивая образование минерального азота
[27]
Повышение содержания аммонийного азота при внесении биочара связано с высокой ёмкостью катионного обмена этого материала. Благодаря развитой поверхности и наличию отрицательно заряженных функциональных групп биочар способен эффективно сорбировать и удерживать ионы NH₄⁺, снижая их потери из почвенного раствора. Напротив, нитратный азот удерживается биочаром значительно слабее, поскольку анионы NO₃⁻ практически не сорбируются отрицательно заряженной поверхностью материала
[28][29][30][19][31][32]
Анализ активности уреазы подтвердил, что биологический отклик почвы зависит от сочетания биочара и азотного удобрения. Максимальное значение уреазной активности было получено не при отдельном внесении биочара, а при его сочетании с высокой дозой аммиачной селитры. При внесении низкой дозы биочара уреазная активность значимо не изменялась вне зависимости от дозы аммиачной селитры. При внесении высокой дозы биочара уреазная активность снижалась при внесении средней дозы азота и, напротив, повышалась при внесении высокой дозы азота. В целом же, аммиачная селитра незначительно повышала активность уреазы при внесении средней дозы, однако подавляла ее при внесении высокой дозы. Кроме того, не наблюдалось значимой корреляции между содержанием аммонийного (r = -0,17) и нитратного (r = -0,14) азота в почве и уреазной активностью. Полученные результаты согласуются с данными работы Yang с соавт., которые также показали, что максимальная активность уреазы достигается только при определённом сочетании доз биочара и азотного удобрения
[33][34][35][36]
Необходимо отметить, что в большинстве случаев только высокая доза биочара (0,6%) давала выраженный эффект, в то время как низкая доза биочара (0,2%) либо занимала промежуточное положение между контролем и высокой дозой, либо вовсе не обеспечивала статистически значимого изменения большинства изученных показателей. Кроме того, действие низкой дозы биочара зачастую зависело от дозы внесения аммиачной селитры, что может свидетельствовать о конкуренции между различными ионами за центры связывания на поверхности биочара. Подобные наблюдения согласуются с современными представлениями о дозозависимом действии биочара, в соответствии с которыми выраженность изменений физико-химических свойств почвы определяется количеством внесённого биочара, поскольку с увеличением дозы возрастают площадь реакционно-активной поверхности, ёмкость катионного обмена и вклад щелочных минеральных компонентов
[1][16]
5. Заключение
Вегетационный опыт показал, что эффект берёзового биочара на агрохимические и биохимические свойства почвы зависит от дозы и от взаимодействия с аммиачной селитрой: значимого влияния отдельных факторов не выявлено, достоверным оказалось их взаимодействие (BC × N). При сочетании высокой дозы биочара (0,6%) и высокой дозы азота (BC2-N2) pHKClMissing Mark : sub повысился до 6,86 против 5,91 в варианте без биочара (BC0-N2). При внесении высокой дозы биочара наблюдалось накопление NH₄⁺‑N (39–43 мг/кг vs 20–28 мг/кг без биочара) и повышение содержания подвижного калия (до 398 мг/кг в BC2‑N0), тогда как подвижный фосфор снижался (248–284 мг/кг против 313–326 мг/кг в BC0/BC1). На фоне высокой дозы азота внесение биочара уменьшало содержание NO₃⁻‑N (с 269 до 201 мг/кг) и одновременно повышало NH₄⁺‑N, что указывает на перераспределение минерального азота в сторону менее подвижной формы. Активность уреазы коррелировала с величиной pHKClMissing Mark : sub: максимум 78,30 мг N‑NH₄⁺·кг⁻¹·ч⁻¹ в BC2‑N2, минимум 48,81 в BC2-N1, различия определялись взаимодействием факторов (BC × N).