Влияние внесения биоугля на водопроницаемость и влагоемкость почв разного гранулометрического состава

Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №11 УДК 631.45:631.461

B. И. Кулагина, Б. Р. Григорьян, А. Н. Грачев,

C. С. Рязанов

ВЛИЯНИЕ ВНЕСЕНИЯ БИОУГЛЯ НА ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ВЛАГОЕМКОСТЬ ПОЧВ РАЗНОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Ключевые слова: биоуголь, почва, лабораторный опыт, водопроницаемость почв, влагоемкость.

Исследовано влияние внесения биоугля на водно-физические свойства почв разного гранулометрического состава. Показано, что внесение 5% биоугля вызывает достоверное уменьшение водопроницаемости песчаной почвы, но не приводит к достоверному изменению водопроницаемости легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почв. Влагоемкость песчаной почвы в результате внесения биоугля увеличивается приблизительно в два раза, что позволяет растениям дольше выживать в условиях засухи. Влагоемкость суглинистых почв при внесении биоугля достоверно не изменяется.

Keywords: biochar, soil, laboratory experiment, soil water permeability, soil water capacity.

The influence of biochar insertion on water-physical properties of soils with different particle size distribution was investigated. It is shown that 5% biochar insertion leads to significant decrease of water permeability of sandy soil, but does not influence the water permeability of light loamy and heavy loamy soils. Water-holding capacity of sandy soil after biochar insertion increased by about two times, which allows plants to live longer in drought conditions. The water capacity of loamy soils does not change significantly after the biochar insertion.

Введение

Применение биоугля в качестве улучшителя почв связано не только с влиянием его на агрохимические и микробиологические свойства почв [1], но и на водно-физические, от которых зависит обеспечение растений доступной влагой. К таким свойствам относятся в первую очередь водопроницаемость и влагоемкость.

Водопроницаемость почв - способность почв пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. От водопроницаемости почв зависит степень восприятия почвой атмосферных осадков или поливных вод, формирование поверхностного и внутрипочвенного стока, интенсивность процессов водной эрозии [2].

Влагоемкость - способность почвы удерживать в себе воду. Различают разные виды влагоемкости в зависимости от того, по отношению к какой форме воды рассматривается данное свойство [3].

Оба показателя зависят от гранулометрического состава, гумусированности, оструктуренности почвы и др. Однако не все почвы обладают оптимальными параметрами водопроницаемости и влагоем-кости. Например, песчаные почвы, как правило, обладают излишне высокой водопроницаемостью, но низкой влагоемкостью, то есть не способны удержать достаточный запас воды для растений. Тяжелые бесструктурные почвы, наоборот, могут удержать большой запас влаги, но обладают плохой водопроницаемостью, легко заплывают, отличаются большой плотностью. По этой причине и легкие песчаные, и тяжелые по гранулометрическому составу почвы неблагоприятны для роста растений [4]. Обычно в качестве меры для улучшения их свойств предлагают пескование или глинование, но эти процедуры настолько трудоемки, что для улучшения почв сельскохозяйственных угодий ее практически не используют [5]. Чаще совершаются попытки использовать другие компоненты в качестве улучши-телей водно-физических свойств почв, которые дей-

ствуют не по принципу изменения гранулометрического состава, а какому-то другому механизму, и которых требуется вносить в почву меньше. Одним из них может оказаться биоуголь.

Согласно данным А.В. Литвиновича с соавторами влагоемкость чистого биоугля сильно зависит от степени измельчения и колеблется от 198 до 285%. [6]. Она значительно больше наименьшей влагоем-кости почв разного гранулометрического состава, которая составляет (в % от веса абсолютно сухой почвы): для песчаных - 4-9%, супесчаных - 10-17%, легко- и среднесуглинистых - 18-30%, тяжелосуглинистых и глинистых - 23-40% [7].

Обычно как отечественные, так и зарубежные исследователи рассматривают положительное влияние внесения биоугля на легкие по гранулометрическому составу почвы, которые обладают маленькой влагоемкостью, то есть не способны обеспечить растениям хороший запас продуктивной влаги. Было показано, что внесение биоугля, соответствующее 4 т/га, в супесчаную дерново-подзолистую почву может увеличить ее водоудерживающую способность в среднем на 6-15% [8, 9], по другим данным внесение 3% биоугля способствовало увеличению полной влагоемкости в песчаных и супесчаных дерново-подзолистых почвах на 3-7% [10]. Некоторые авторы отмечали, что при утяжелении гранулометрического состава влияние биоугля на влагоем-кость почв становилось незначительным [11,12].

При этом возникает вопрос о том, на каких по гранулометрическому составу почвах целесообразно использование биоугля как улучшителя физических свойств.

Целью данной работы было определить влияние внесения биоугля на показатели водопроницаемости и наименьшую влагоемкость почв разного гранулометрического состава.

Экспериментальная часть

Лабораторные опыты проводились сотрудниками Института проблем экологии и недропользования АН РТ. Объектом исследования являлся биоуголь, который был получен на пилотной установке быстрого пиролиза компании ООО «ЭнергоЛес-Пром» [13,14]. В качестве сырья для производства биоугля использовалась щепа из спелой стволовой древесины березы влажностью 8+2 % . Средняя температура в реакторе пиролиза составляла 500+15°С. Затем биоуголь стабилизировался в герметичном тушильнике в течение двух суток. Полученный биоуголь обладал следующими свойствами: влажность - 2,75%, зольность - 1,44%, выход летучих веществ -19,29%, нелетучий углерод - 77,95%, высшая теплота сгорания 31601 КДж/кг.

Гранулометрический состав биоугля соответствовал закону нормального распределения с максимальным (79,52%) содержанием фракции 0,160,315 мм.

Исследования выполняли с образцами: дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, серой лесной тяжелосуглинистой почвы, песчаной аллювиальной дерновой примитивной почвы, а также с образцами тех же почв, к которым было добавлено 5% биоугля (по массе). Исследовались также водно-физические свойства биоугля в чистом виде. Исследования проводились в трех-четырех повторностях.

В образцах определяли: 1) водопроницаемость лабораторным методом по Домрачевой; 2) наименьшую влагоемкость лабораторным методом.

Дополнительно определялись биомасса и время гибели растений яровой пшеницы сорта Эскада на образцах песчаной почвы и этой же почвы с добавлением 5% биоугля. Опыт проводился в трехкратной повторности. Посев растений произвели проро-щенными семенами (по 10 шт.). Образцы почвы и почвы с добавлением 5% биоугля предварительно были насыщенны водой до наименьшей влагоемко-сти. Через 2 дня был произведен еще один полив также до состояния наименьшей влагоемкости, чтобы растения успели развиться. После этого полив не производили. Эксперимент завершили после полной гибели растений, после чего растения срезали и взвешивали в воздушно-сухом состоянии.

Определение водопроницаемости почвы по В.А. Домрачевой проводилось в прозрачных пластиковых трубках 3-4 см диаметром, наполненных до высоты 20 см изучаемой почвой или грунтом. Поддерживался постоянный напор воды в 4 см. Учет впитавшейся (профильтровавшейся) воды проводился в течение 1 часа через каждые 5-10 мин, затем через большие промежутки времени до установления постоянного расхода воды через трубку. Кроме того, фиксировалось время падения первой капли.

В процессе поступления воды в почву и ее дальнейшего передвижения выделяют два этапа: 1) впитывание воды сухой почвой, 2) фильтрацию воды сквозь толщу насыщенной водой почвы. [15].

Водопроницаемость почвы за каждый промежуток времени (за каждые 5, 10 минут и первый час наблюдений) рассчитывались по формуле

qw =

Q-10 ST

где qw - водопроницаемость (или скорость потока), мм/мин при данной температуре; Q - количество просачивающейся воды, см3; 10 - пересчет см3 в мм водного столба; S - площадь сечения трубки, см2; T - время, мин.

Скорость потока за первый час сравнивалась с оценочной шкалой Н.А. Качинского [5].

Затопление поверхности сравнительно сухой почвы приводит вначале к очень большой скорости впитывания вследствие больших градиентов капиллярно-сорбционного потенциала воды в тонком поверхностном слое. Скорость непрерывно снижается, так как с развитием профиля влажности уменьшается градиент потенциала на границе смоченного слоя, и со временем приобретает постоянную величину [2]. Это происходит тогда, когда почва уже насыщена водой. Полученные данные о величине скорости потока (водопроницаемости) после насыщения почвы водой далее использовались для расчета коэффициента фильтрации.

Обычно скорость потока после насыщения почвы водой считают коэффициентом фильтрации при единичном градиенте гидравлического напора [16]. Однако, поскольку мы поддерживали постоянный уровень воды 4 см - гидравлический градиент не равен единице.

Соотношение водопроницаемости и коэффициента фильтрации с учетом гидравлического градиента выражается следующей формулой [17]:

h +1

Qw = Кф-

l

где qw - водопроницаемость (скорость потока), мм/мин; Кф - коэффициент фильтрации, мм/мин; ^ - постоянно поддерживаемый слой воды на поверхности почвы, см; I - высота слоя почвы в трубке, см.

Тогда коэффициент фильтрации выражается формулой:

кф = qwhl—l •

/ + I

Поскольку с повышением температуры воды снижается вязкость и уменьшается плотность, то используется температурная поправка Хазена для приведения коэффициента фильтрации, полученного в лабораторных условиях к стандартной величине

к кt

к 10 =-,

10 0,7 + 0,03/

где ( - температура, °С; К10 - коэффициент фильтрации, приведенный к температуре +10°С, К - коэффициент фильтрации, найденный в опыте при температуре воды t°С.

Из температурной поправки Хазена следует, что изменение температуры воды в опыте на каждый градус влечет за собой изменение величины коэффициента фильтрации на 3% от его величины при +10°С [5]. Поскольку скорость потока измерялась в лабораторных условиях при +23°С, мы привели коэффициент фильтрации к стандартным условиям

при помощи поправки Хазена, чтобы можно было сравнить результаты с оценочной шкалой и результатами других авторов.

Также во всех изучаемых образцах определялась наименьшая, или, как ее еще иногда называют, общая или предельная полевая влагоемкость - это наибольшее количество подвешенной влаги, которое может быть удержано в однородной почвенно-грунтовой толще против силы тяжести. В целом соответствует воде капиллярно-подвешенной - то есть ее содержание позволяет судить о запасе продуктивной влаги для растений. Определение капиллярно-подвешенной влаги проводилось в тех же трубках через сутки после проведения эксперимента с водопроницаемостью.

Анализ полученных данных проводился с помощью программы Excel. Достоверность разницы определялась по параметрическим и непараметрическим показателям в зависимости от результатов проверки выборки на нормальность.

Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования показали, что выбранные для опыта природные почвы достоверно отличаются по показателям водопроницаемости. Коэффициент фильтрации, приведенный к стандартным условиям (+10°С и единичному коэффициенту напора), и рассчитанный по установившейся скорости фильтрации представлен на рис. 1.

Песчаная почва имеет самый большой коэффициент фильтрации, превышающий коэффициент фильтрации легкосуглинистой почвы примерно в 30 раз, а тяжелосуглинистой - в 55 раз. Коэффициент фильтрации для биоугля примерно в 10 раз меньше, чем для песчаной почвы, но в несколько раз больше, чем для легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почвы (рис.1).

Рис. 1 - Коэффициент фильтрации воды через исследуемые образцы, приведенный к температуре +10°С

Внесение 5% биоугля в песчаную почву привело к уменьшению коэффициента фильтрации в среднем более, чем в 2 раза. Эта разница достоверна.

Как уже говорилось выше, коэффициент фильтрации рассчитывается по установившейся скорости фильтрации. На рис. 2 для наглядности приведены графики изменения водопроницаемости песчаной

почвы без добавления и с добавлением биоугля при реальных условиях проведения опыта.

На графиках хорошо заметно, что при переходе от впитывания воды в сухую почву к фильтрации через насыщенную влагой почву водопроницаемость в целом уменьшается, и, наконец, после некоторых колебаний, держится далее на постоянном уровне. Именно по этой скорости потока воды рассчитывается коэффициент фильтрации путем приведения его к стандартным условиям (отсутствие напора и температура +10°С).

Для легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почвы внесение 5% биоугля не привело к достоверному изменению коэффициента фильтрации (рис.1).

Рис. 2 - Изменение во времени водопроницаемости образцов песчаной почвы без добавления и с добавлением 5% биоугля при напоре 4 см и температуре +23°С

Водопроницаемость (скорость потока влаги) за первый час опыта в исследуемых образцах подчиняется примерно тем же закономерностям, что и коэффициент фильтрации (рис.3). Песчаная почва достоверно отличается по этому показателю от легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почвы. Песчаная почва имеет излишне высокую водопроницаемость согласно оценочной шкале Н.А. Качинского [5]. При внесении 5% биоугля водопроницаемость песчаной почвы за первый час опыта уменьшается примерно вдвое. Эта разница является достоверной при Р=0,05. При этом водопроницаемость становится более благоприятной для полевых культур, и согласно оценочной шкале Н.А. Качинского относится к градации «наилучшая». Биоуголь в чистом виде имеет меньшую водопроницаемость за первый час, чем песчаная почва, но большую, чем легкосуглинистая и тяжелосуглинистая (рис.3).

Если рассматривать добавление биоугля в почву как чисто механический процесс, то есть просто как смешивание двух веществ с разной водопроницаемостью, то следовало бы ожидать, что водопроницаемость песчаной почвы уменьшится, а легкосуглинистой и тяжелосуглинистой - увеличится. Водопроницаемость песчаных почв действительно уменьшается, причем даже больше, чем можно было бы ожидать, учитывая пропорцию компонентов.

Внесение 5% биоугля в легкосуглинистую и тяжелосуглинистую почву не оказало существенного влияния на их водопроницаемость за первый час наблюдений. Водопроницаемость легкосуглинистой

почвы, как в чистом виде, так и с добавлением 5% биоугля, колеблется на границе между «хорошей» и «наилучшей». Средняя водопроницаемость тяжелосуглинистой почвы за первый час при внесении 5% биоугля также практически не изменилась и относится к «удовлетворительной». На отсутствие достоверных различий оказывает влияние сразу несколько факторов: способность почв и биоугля к набуханию, особенности порового пространства, а также разброс результатов единичных измерений связанный с неравномерностью уплотнения образца при заполнении трубок, а также неравномерностью смешивания. Опыт показывает, что биоуголь плохо смешивается с песком из-за разной плотности. Биоуголь очень легкий, а крупинки кварцевого песка отличаются достаточно большой плотностью, и при малейшем встряхивании тщательно перемешанного образца, он расслаивается на песок и уголь. Разделение на слои происходит и при заполнении трубок образцом, уплотнять который рекомендуется легким постукиванием трубки о мягкий предмет.

Рис. 3 - Водопроницаемость исследуемых образцов за первый час наблюдений, приведенная к +10°С

Это может создавать эффект многослойных тонкослойных экранов, препятствующих фильтрации воды, принцип работы которых изучался Н.А. Ка-чинским. Он писал, что «важно создать в экране, по возможности, резкую - качественно и количественно - смену порозности в отдельных прослойках. Подобный экран из 10 прослоек, толщиной по 1 см каждая, практически становится водонепроницаемым» [5].

Данное предположение было подтверждено проведением дополнительного опыта с искусственно созданными тонкими слоями биоугля в песке. Чередование 6 тонких слоев угля (около 1 см толщиной) и песка привело к резкому уменьшению водопроницаемости. Если время прохождения воды через трубку с песком (время падения первой капли) составляло 2 мин, через перемешанный с углем образец - от 3 до 5 минут, через трубку с биоуглем - 24 минуты, то через трубку с 6 тонкими прослойками угля вода прошла только через 34 минуты. При этом коэффициент фильтрации через насыщенный водой грунт с прослойками биоугля составил 0,15 мм/мин, а водопроницаемость за первый час 63,55 мм, что сопоставимо с показателями тяжелосуглинистой почвы.

Этот опыт частично объясняет не только резкое уменьшение водопроницаемости песчаной почвы, но и возможный разброс измерений, поскольку расслоение образца при постукивании происходит по-разному.

Проведенные исследования подтвердили, что наименьшая влагоемкость биоугля в несколько раз больше влагоемкости почв любого гранулометрического состава (рис.4). Полученные результаты согласуются с данными других авторов [6].

Наименьшая влагоемкость почв без биоугля вполне соответствует классическим представлениям и полученным ранее данным [2,5,7]. Самой низкой влагоемкостью, как и ожидалось, обладает песчаная почва. Влагоемкость легкосуглинистой почвы в 2-2,5 раза выше, чем песчаной, тяжелосуглинистой - примерно в 3 раза выше, чем песчаной (рис.4). Эта разница достоверна. Согласно градации Н.А. Качинского влагоемкость исследуемой тяжелосуглинистой почвы оценивается как хорошая [5], а песчаной - как непригодная для полевой культуры (менее 10%).

Для легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почв внесение 5% биоугля не оказало существенного воздействия на влагоемкость.

Рис. 4 - Наименьшая влагоемкость образцов

Оценка влагоемкости почв по гранулометрическому (механическому) составу впервые была приведена Н.А. Качинским в его статье «Оценка основных физических свойств почв в агрономических целях и природного плодородия по механическому составу» в журнале «Почвоведение», 1958, №5, а затем вошла в его классический учебник [5]. Неизменно включается она и в современные издания по физическим свойствам почв [17]. Градации для легких по гранулометрическому составу почв приведены в табл. 1.

Внесение 5% биоугля привело к увеличению влагоемкости песчаной почвы примерно в 2 раза, что согласно оценке Н.А. Качинского перевело ее в категорию почв, пригодных для полевого земледелия (табл.1).

Данные выводы подтверждены результатами опыта с растениями. Исследования показали, что гибель всходов растений вследствие потери влаги на испарение из насыщенных до общей влагоемкости почв в варианте с песчаной почвой происходила на 5 день после посева, а в варианте с добавлением 5% биоугля - на седьмой день, что согласуется с дан-

ными других авторов [6]. Биомасса растений, полученная в различных вариантах опыта, достоверно различалась. Воздушно-сухая масса в пересчете на одно растение при выращивании в песке составила -3,97 мг, в песке с добавлением биоугля - 9,57 мг.

Таблица 1 - Оценка общей влагоемкости почвы (легкие по механическому составу почвы) [5]

Влагоемкость, % веса сухой почвы Оценка

20-25 культурная песчаная почва, пахотный слой

не менее 10 пригодны для полевой культуры

не менее 3-5 пригодны для лесных культур

Таким образом, внесение биоугля в песчаные почвы увеличивает содержание доступной для растений влаги и способствует большей выживаемости растений в условиях отсутствия полива или длительного отсутствия осадков.

Выводы

1. Внесение биоугля в количестве 5 весовых процентов в песчаную почву привело к уменьшению коэффициента фильтрации и смещению показателей водопроницаемости и влагоемкости в сторону оптимальных значений.

2. Водопроницаемость и влагоемкость легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почв в результате внесения 5% биоугля достоверно не изменились.

3. Внесение биоугля в количестве 5 весовых процентов целесообразно на песчаных почвах, поскольку приводит к увеличению влагоемкости примерно в два раза и способствует лучшему выживанию растений в условиях засухи.

Литература

1. Б.Р. Григорьян, А.Н. Грачев, В.И. Кулагина, Л.М. Сун-гатуллина, Т.Г. Кольцова, С.С. Рязанов, Вестник технологического университета, 19, 11, 185-189 (2016).

2. А.Д. Воронин. Основы физики почв. МГУ, Москва, 1986. 244 с.

3. О.Г. Растворова. Физика почв: Практическое руководство. Ленинградский университет, Ленинград, 1983. 196 с.

4. Почвоведение /под ред. И.С. Кауричева. Агропромиздат, Москва, 1989. 719 с.

5. Н.А. Качинский. Физика почвы. Ч.2. Водно-физические свойства и режимы почв. Высшая школа, Москва, 1970. 358 с.

6. А.В. Литвинович, А.А.М. Хаммам, В.М. Буре, Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 45, 107-113 (2016).

7. Т. П. Марчик, А. Л. Ефремов, Почвоведение с основами растениеводства. Учреждение образования Гродненский государственный университет им. Я. Купалы, Гродно, 2006. 249 с.

8. Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина, И.М. Мухина, А.С. Белинец, Е.В. Балашов, Почвоведение, 2, 211-220 (2015).

9. Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина, И.М. Мухина, Е.В. Балашов, Перспективы и проблемы размещения отходов производства и потребления в агроэкосистемах. Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, 2014. С. 119-123.

10. Г.А. Соколик, С.В. Овсянникова, Т.Г. Иванова, М.В. Попеня, Е.В. Войникова, Весц Нацыянальнай акадэмп навукБеларуа. Серыя хжчных навук, 2, 87-94 (2015).

11. J. Major, J. Lehmann, M. Rondon, C. Goodale, Glob. Chang. Biol., 16, 1366-1379 (2010).

12. D. Woolf. Biochar as a soil amendment: a review of the environmental implications. Swansea University, School of the Environment and Society (2008). URL: http://orgprints.org/13268 (дата обращения 5.03.2017).

13. А.Н. Грачев, А.А. Макаров, С.А. Забелкин, В.Н. Баш-киров, Вестник технологического университета, 16, 21, 109-111 (2013).

14. Патент РФ №2395559. Способ термической переработки органосодержащего сырья (2009).

15. Почвоведение. Ч.1 Почва и почвообразование / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Высшая школа, Москва, 1988. 400 с.

16. А.В. Пузанов, С.В. Бабошкина, Т.А. Рождественская, С.Н. Балыкин, Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 7 (117), 48-55 (2014).

17. Е.В. Шеин. Курс физики почв. МГУ, Москва, 2005. 432 с.

© В. И. Кулагина - к.б.н., старший научный сотрудник Лаборатории биогеохимии Института проблем экологии и недропользования АН РТ, viksoil@mail.ru; Б. Р. Григорьян - к.б.н., зав. лаб. Экологии почв Института проблем экологии и недропользования АН PT,bobgrig2@yandex.ru; А. Н. Грачев - д.т.н., профессор кафедры Химической технологии древесины Казанского национального исследовательского технологического университета, energolesprom@gmail.com; С. С. Рязанов - научный сотрудник той же лаборатории, erydit@yandex.ru.

© V. I. Kulagina, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Laboratory of Biogeochemistry of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, viksoil@mail.ru; B. R. Grigoryan, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, bob-grig2@mail.ru; A. N. Grachev, Ph.D. in technical sciences professor of Chair of chemical technology of wood Kazan National Research Technological University, energolesprom@gmail.com; S. S. Ryazanov, Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, erydit@yandex.ru.