Влияние биоугля на рост растений, микробиологические и физико-химические показатели мало гумусированной почвы в условиях вегетационного опыта

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №11 УДК 631.45:631.461

Б. Р. Григорьян, А. Н. Грачев, В. И. Кулагина, Л. М. Сунгатуллина, Т. Г.Кольцова, С. С. Рязанов

ВЛИЯНИЕ БИОУГЛЯ НА РОСТ РАСТЕНИЙ, МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАЛО ГУМУСИРОВАННОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ВЕГЕТАЦИОННОГО ОПЫТА

Ключевые слова: биоуголь, вегетационный опыт, фитомасса, почва, почвенные микроорганизмы.

Исследовано влияние различных доз березового биоугля на развитие пшеницы и гороха, а также на микробиологические и физико-химические свойства мало гумусированной дерново-подзолистой почвы. Показано, что исследованный биоуголь не оказывает отрицательного воздействия на растения. Внесение березового биоугля в почву приводит к увеличению содержания обменного калия, но не вызывает значимых изменений в реакции среды, емкости катионного обмена, содержании подвижного фосфора и валового азота. Общее количество микроорганизмов, количество актиномицетов, микромицетов изменяются неравнозначно при внесении биоугля в почву под пшеницей и горохом.

Keywords: biochar, vegetative experiment, biomass, soil, soil microorganisms.

Influence of various doses of birch biochar on growth of wheat and peas, and on microbiological and physic- chemical properties of cespitose and podsolic soils with low humus content was investigated. It is shown that the biochar had no negative impact on plants. Adding of birch biochar into the soil leads to increase in content of exchangeable potassium, but doesn't cause significant changes in actual acidity, capacity of a cation exchange, content of mobile phosphorus and total nitrogen. Adding biochar into the soil with wheat and peas crops did not lead to the equivalent change of the total number of microorganisms, actinomycetes, and micromycetes.

Введение

Повышение плодородия мало гумусированных почв является актуальной проблемой для многих регионов мира, в том числе для средней полосы России, где широко распространены бедные дерново-подзолистые почвы. Согласно «Классификации и диагностике почв России» 2004 г. к мало гумусирован-ным почвам относятся почвы с содержанием гумуса в верхнем горизонте менее 3% [1]. Пахотные дерново-подзолистые почвы обычно содержат 1,5-2,5% гумуса, редко больше [2]. Мало гумусированные почвы, как правило, обладают плохой структурой и неблагоприятными водно-физическими свойствами, в том числе обладают низкой влагоемкостью, они содержат небольшое количество питательных веществ, в результате чего данные почвы обладают низким плодородием.

Одним из предлагаемых путей решения данной проблемы является внесение в почву биоугля. Биоуголь - это конденсированный коксовый остаток с достаточно высоким содержанием углерода, который образуется в результате термического разложения биомассы в отсутствии окислительной среды в диапазоне температур от 450°С до 900°С. В качестве сырья для получения биоугля может использоваться различное органосодержащее сырьё, являющееся отходами агропромышленного и лесного комплексов, это низкотоварная древесина, навоз, листья, солома, гречневая шелуха и т.п. [3,4]. Всплеск интереса к применению биоугля в качестве улучшителя почв вызвало изучение искусственных почв Бразилии - Terra Preta -обладающих очень высоким плодородием [5], а также поиск способов долговременного изъятия СО2 из атмосферы [6].

Исследования по технологии получения биоугля, исследования свойств биоугля, полученного при раз-

ных режимах обжига, а также использования его для повышения плодородия почв, проводятся как за рубежом, так и в нашей стране. Тем не менее, в изучении биоугля имеется немало белых пятен. Например, Joseph с соавторами [5] подчеркивает, что текущее понимание влияния на почву высокозольных видов биоугля все же ограничено, поскольку мы сталкиваемся с отсутствием доступных данных по их долгосрочному эффекту на свойства почвы.

Трудности изучения биоугля и его влияния на почву также связаны с тем, что биоуголь может обладать очень разными свойствами в зависимости от используемого сырья и режима термической обработки [7].

Из-за неоднородности свойств биоугля не все исследователи отмечают однозначно положительные результаты от внесения его в почву [8,9]. Ри-жия Е.Я. с соавторами также отмечают противоречивость имеющихся данных о его влиянии на свойства почв [10]. В таком случае, наилучшей характеристикой вносимого в почву чужеродного компонента было бы отсутствие токсического влияния на растения. Токсическое воздействие на растения и микроорганизмы могут оказывать как низкомолекулярные органические вещества, адсорбированные на поверхности биоугля (альдегиды, фенолы), так и полиароматические углеводороды, которые при определенных условиях могут образовываться в результате рекомбинации и уплотнения мономеров лигнина в процессе термического разложения лигноцеллюлозного сырья.

Целью данной работы было: выявить в лабораторном вегетационном опыте влияние внесения различных доз биоугля в почву на рост и развитие

растений, агрохимические и микробиологические показатели почвы.

Экспериментальная часть

Вегетационный опыт проводился сотрудниками Института проблем экологии и недропользования АН РТ. Объектом исследования являлся биоуголь, который был получен на пилотной установке быстрого пиролиза компании ООО «ЭнергоЛесПром» [11,12] из измельченных березовых отходов фанерного предприятия. Средняя температура в реакторе составляла 500+15°С. Полученный биоуголь обладает 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 0,16-0,315 мм. Реакция среды водной вытяжки из угля 5,4.

Почва, в которую вносился биоуголь - дерново-подзолистая супесчаная. Для опыта использовался пахотный горизонт с содержанием гумуса 1,8%, валового азота 0,11%, подвижного фосфора по Чирикову 14,3 мг/100 г (высокая обеспеченность), обменного калия по Чирикову 10,5% (повышенная обеспеченность), емкость катионного обмена по Бобко-Аскинази в модификации ЦИНАО - 6 мг-экв/100 г (низкая), реакция среды нейтральная рНвод =6,6.

Опыты проводились в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22030-2009 [13]. В качестве тест-объектов использованы два вида сельскохозяйственных растений: однодольное растение - пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта «Эскада-97» и двудольное растение -горох посевной (Pisum sativum L.) сорта «Варис». Выбор данных культур обусловлен высокой экономической значимостью данных культур для Республики Татарстан.

Семена были высажены в вегетационные сосуды (горшочки), в каждом из которых находилось по 400 г почвы с различной концентрацией биоугля - 1%, 2%, 5%. В качестве контроля использовалась почва без внесения биоугля. Опыт проводился в 4 повторно-стях. В каждый вегетационный сосуд высевали по 10 семян. Сосуды помещали в вегетационную камеру с контролируемой температурой и освещением. В ходе эксперимента в сосудах поддерживалась оптимальная влажность в 60% от полной влагоемкости.

После прорастания семян прореживали растения, оставив по 8 растений. Через две недели часть растений (4) срезали для определения их биомассы. Еще через четыре недели собрали остальные растения для определения биомассы. Также определялась длина надземного побега

По истечении 42 дней вегетационного периода, определили pH почвы, содержание общего азота и подвижных форм фосфора и калия в почве, а также произвели микробиологический посев для определения общего микробного числа, определения количества актиномицетов, микромицетов и микроорганизмов, потребляющих аммиачные формы азота.

Анализ полученных данных проводился с помощью пакета статистической обработки R [14]. Достоверность разницы определялась по параметрическим

и непараметрическим показателям в зависимости от результатов проверки выборки на нормальность.

Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования показали, что внесение биоугля в почву не оказало токсического действия на рост и развитие растений пшеницы и гороха. Более того, если рассматривать только средние значения биомассы и длины надземного побега, то прослеживается стимулирующее действие биоугля, наиболее эффективное для пшеницы при концентрации 2% угля в почве, для гороха -5% (табл. 1). Однако статистическая обработка результатов показала, что разница по биомассе растений пшеницы между вариантами опыта с внесением угля и контролем недостоверна.

Внесение березового биоугля в дерново-подзолистую малогумусную почву не вызвало достоверного изменения актуальной кислотности по сравнению с контролем, что можно считать хорошим результатом, не наносящим вреда почве.

Таблица 1 - Накопление сухой биомассы растений пшеницы и гороха на 14 и 42 день опыта при разной концентрации биоугля в дерново-подзолистой почве

Концентрация Сухая биомасса, г

биоугля, % 14 день 42 день

пшеница

0 0,06 0,20

1 0,07 0,21

2 0,08 0,23

5 0,06 0,21

горох

0 0,24 0,40

1 0,28 0,44

2 0,29 0,49

5 0,24 0,51

Многие исследователи, в том числе Соколик с соавторами [8] отмечали эффект подщелачивания почв при внесении биоугля. Однако, хотя Соколик с соавторами тоже проводили лабораторные опыты с дерново-подзолистыми почвами, но использовали другой биоуголь, с более щелочной реакцией среды - рНвод =8,8 [8]. Используемый нами биоуголь имел кислую реакцию среды (рНвод=5,4). Это еще раз подтверждает, что состав и свойства биоуглей могут очень сильно отличаться в зависимости от сырья и условий пиролиза. Те же авторы [8] отмечали, что эффект подщелачива-ния полезен на кислых почвах, но может оказаться вредным для почв, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Для нашей изначально нейтральной почвы биоуголь с кислой реакцией среды оказался безвреден.

Внесение березового биоугля не вызвало значимого изменения в содержании подвижного фосфора, емкости катионного обмена на всех вариантах опыта. По-видимому, фосфор в биоугле находится в основном в трудно растворимой форме

или переходит в нее при взаимодеиствии с нейтральной почвой. Увеличение емкости катионного обмена при внесении биоугля в почву - ожидаемый результат, но, по-видимому, для заметного эффекта требуется большая доза, чем 1-5%.

Статистическая обработка результатов также не показала достоверной разницы по содержанию валового азота между вариантами опыта и контролем. Возможно, это обусловлено многофакторным влиянием микробиологической деятельности, поглощением растениями.

Проведенные исследования показали, что содержание обменного калия при внесении биоугля достоверно увеличилось (рис 1), что согласуется с данными других авторов. Соколик с соавторами [8], изучавший влияние внесения биоугля в дерново-подзолистые почвы Республики Беларусь, отмечал увеличение содержания подвижного калия на 19% по сравнению с контролем при внесении 1% угля в почву и на 87% при внесении 5% угля.

Рис. 1 - Содержание обменного калия в почве под пшеницей и горохом при разной концентрации биоугля

В наших исследованиях содержание подвижного калия увеличилось на 22-57% по сравнению с контролем при внесении 1% угля в почву, и на 72-98% при внесении 5% биоугля в почву. То есть в целом наши результаты согласуются с ранее полученными данными. Коэффициент корреляции между дозой биоугля и содержанием обменного калия в почве по нашим данным составляет 0,79 для опыта с горохом и 0,99 для опыта с пшеницей. То есть, наблюдается прямая корреляционная зависимость между увеличением содержания обменного калия в почве и количеством внесенного биоугля. Следовательно, растворимые соединения калия вносятся с биоуглем в достаточно больших количествах. Согласно ГОСТ 7657-84 «Уголь древесный» массовая доля золы в древесном угле составляет 2,5-4,0% [15]. По-видимому, легкорастворимые соединения калия вносятся в составе угля, но это требует дополнительных исследований.

Из всех изучаемых показателей самыми быстро реагирующими на изменение условий в почве являются микробиологические.

Общее микробное число, по которому судят о биологической активности почвы, сильно отличается даже просто после выращивания пшеницы и гороха в течение 42 дней без внесения угля (рис.2).

Количество микроорганизмов на контроле под пшеницей примерно в пять раз больше, чем на контроле под горохом, что объясняется особенностями корневых выделений данных растений. Внесение биоугля в почву под данные культуры вызвало противоположную реакцию микроорганизмов. Под пшеницей с увеличением концентрации биоугля общее количество микроорганизмов достоверно уменьшается. Коэффициент корреляции равен -0,90, что свидетельствует о тесной обратной связи между этими показателями.

При выращивании гороха внесение угля в почву приводит к достоверному увеличению микробиологической активности. Причем, наибольшая биостимуляция наблюдается при концентрации биоугля 2% - общее микробное число увеличивается по сравнению с контролем в 8,5 раз.

Рис. 2 - Общее микробное число в почве под пшеницей и горохом при разной концентрации биоугля

Численность микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота (посев на КАА - крахмал-аммиачном агаре), без внесения биоугля под пшеницей и горохом отличалась незначительно. Следовательно, без внесения биоугля содержание минеральных форм азота под обеими культурами было примерно одинаковым. А вот при внесении угля результаты оказались разными (рис. 3).

Рис. 3 - Количество микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота (КАА) , в том числе актиномицетов при разной концентрации биоугля

В варианте с горохом с увеличением концентрации угля количество микроорганизмов, потреб-

ляющих минеральные формы азота, последовательно возрастало: при 1% - в 2,7 раза по сравнению с контролем, при 2% - в 3,6 раза, при 5% - в 6,2 раза (рис.3).

Следовательно, именно под бобовой культурой в почве при внесении биоугля увеличилось содержание минеральных форм азота.

Количество актиномицетов, посеянных на том же КАА, но подсчитанных отдельно, под горохом увеличилось по сравнению с контролем, но максимальным было при концентрации биоугля 2%. При этом, как хорошо видно на рис.3, под горохом с увеличением концентрации биоугля актиномицеты составляли все меньшую долю от микроорганизмов, потребляющих минеральный азот.

В варианте с пшеницей и общее количество микроорганизмов, потребляющих минеральный азот, и отдельно актиномицетов, было максимальным при концентрации биоугля в 2%. Интересно, что это совпадает с максимальной биомассой пшеницы, хотя и не подтвержденной статистически.

Микромицеты активно участвуют в разложении органических остатков, синтезе и минерализации гумуса, освобождении элементов корневого питания растений, в круговороте азота, образовании структуры почвы, стимуляции или угнетении роста растений, синтезе ферментов, аминокислот и других биологически активных соединений. Метаболиты, выделенные ими, могут быть причиной "почвоутомления". Некоторые представители микромицетов являются возбудителями болезней растений [16]. Согласно результатам исследований Шляужене в ризосфере бобовых и злаковых культур преобладают разные виды микро-мицетов [16]. В дерново-глееватой почве опытного севооборота численность грибов была большей под бобовыми травами (люцерной и клевером), чем под ячменем и тимофеевкой.

В наших исследованиях количество микромицетов (плесневых грибов) на контроле без внесения биоугля под пшеницей и горохом отличалось приблизительно вдвое. При внесении угля реакция микромицетов под разными культурами также была разной.

В варианте с горохом количество микромицетов последовательно возрастало с увеличением концентрации угля в почве (рис.4).

Рис. 4 - Количество микромицетов в почве под пшеницей и горохом при разной концентрации биоугля

Под пшеницей количество микромицетов достоверно не отличалось от контроля в большинстве вари-

антов (рис.4). По-видимому, это связано как раз с разным видовым составом микромицетов в ризосфере гороха и пшеницы, и, соответственно, разной их реакцией на внесение биоугля.

Выводы

1. Внесение березового биоугля, полученного при температуре 500+15°С, в дерново-подзолистую почву в количестве 1-5% не оказало токсического действия на растения и не оказало отрицательного воздействия на такие физико-химические свойства почвы как: реакция среды, емкость катионного обмена, содержание подвижного фосфора и валового азота

2. Количество обменного калия в почве достоверно увеличивается в прямой зависимости от дозы вносимого биоугля, что говорит об его удобрительном действии.

3. Поведение разных групп микроорганизмов при внесении биоугля в почву сильно отличается при выращивании гороха и пшеницы, что, по-видимому, объясняется как разницей состава корневых выделений, так и видового состава микроорганизмов.

4. В целом при выращивании гороха на почве с внесением биоугля наблюдается большая биостимуляция микробиологической деятельности, чем при выращивании пшеницы.

5. В целом при применении биоугля получен положительный результат, который желательно проверить в полевом опыте.

Литература

1. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, Ойкумена, 2004. 342 с.

2. Классификация и диагностика почв СССР. Москва, Колос, 1977. 223 с.

3. В.М. Павлов, Р.Р. Саубанов, И.Х. Исрафилов. Влияние биоугля на качественное восстановление почворе-сурса в Республике Татарстан // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация, 61, 1, 41-46 (2012).

4. Е.Ю. Разумов, Ф.В. Назипова. Биоуголь: современное представление// Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 220-222

5. J. Hunt, M. DuPonte, D. Sato, A. Kawabata. Soil and Crop Management Dec. SCM-30.Р.1-2 (2010).

6. А. Сулейменова Биочар вместо парниковых газов// Экология и жизнь,10, 57 (2011).

7. G.K. Gashikovich, S.E. Vasilyevna, G.B. Rubenovich, A.A. Valeeva. The possibility of use research methods of soil organic matter for assess the biochar properties //Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 6, 4, 194-201 (2015).

8. Г.А. Соколик, С.В. Овсянникова, Т.Г. Иванова, М.В. Попеня, Е.В. Войникова. Харакеристики дерново-подзолистых почв после внесения биоугля // Весц На-цыянальнай акадэмп навук Беларуа. Серыя хжчных навук, 2, 87-94 (2015).

9. J.E. Amonette, S. Jospeh, Charecteristics of Biochar: Microchemical Properties. In: J. Lehmann, Joseph, S. (Editor), Biochar for Environmental Management Science and Technology. Earthscan, London, Р. 241-250. (2009).

10. Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина, И.М. Мухина, А.С. Бели-нец, Е.В. Балашов Влияние биоугля на свойства образцов дерново-подзолистой супесчаной почвы с раз-

ной степенью окультуренности (лабораторный эксперимент) // Почвоведение, 2, 211-220 (2015).

11. А.Н. Грачев, А. А. Макаров, С. А. Забелкин, В.Н. Башки-ров. Термохимическая переработка лигноцеллюлозного сырья в биотопливо и химические продукты// Вестник технологического университета, 16, 21, 109-111 (2013).

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

13. ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. С. 3-4.

14. R CoreTeam . A language and environment for statistical computing. Foundation for Statistical Computing,Vienna,

Austria (2016). URL: https://www.R-project.org/ (дата обращения 11.01.2016).

15. ГОСТ 7657-84 Уголь древесный. Технические условия. 8 с.

16. Д.Ю. Шляужене. Микромицеты в почвах, занятых бобовыми травами и кормовыми злаковыми культурами /Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук, Институт Ботаники АН Литовской ССР, Вильнюс, 1983, 134 с.

© Б. Р. Григорьян - к.б.н., зав. лаб. Экологии почв Института проблем экологии и недропользования АН РТ, bobgrig2@mail.ru; А. Н. Грачев - д.т.н., профессор кафедры Химической технологии древесины Казанского национального исследовательского технологического университета, energolesprom@gmail.com; В. И. Кулагина - к.б.н., старший научный сотрудник Лаборатории биогеохимии Института проблем экологии и недропользования АН РТ, viksoil@mail.ru; Л. М. Сун-гатуллина - старший научный сотрудник лаб. Экологии почв Института проблем экологии и недропользования АН РТ, sunlyc@yandex.ru; Т. Г. Кольцова - к.б.н., старший научный сотрудник той же лаборатории, t@shmain.ru; С. С. Рязанов -научный сотрудник той же лаборатории, erydit@yandex.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, bobgrig2@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; 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; L. M. Sungatullina, Senior Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, sunlyc@yandex.ru; T. G. Koltsova, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, t@shmain.ru; 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.