Почвоведение, 2023, № 3, стр. 405-414

ВВЕДЕНИЕ

Фосфор является одним из основных необходимых для растений макроэлементов, он входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов и ферментов. Поскольку фосфор участвует в энергетическом обмене клеток, его дефицит приводит к снижению активности дыхания, фотосинтеза, и синтеза хлорофилла, особенно на начальной стадии развития растений. Концентрация фосфора в почвах зависит от генезиса почвообразующих пород, их химического и минералогического состава. Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0.12%, а в почвах колеблется от сотых до десятых долей процента [10]. Несмотря на то, что валовые запасы фосфора в почвах довольно значительны, он находится в основном в мало доступной для растений форме и большинство почв мира испытывают дефицит фосфатов. В России почвы с недостаточным содержанием подвижного фосфора составляют до 80% пахотного фонда [15].

Запасы почвенного фосфора пополняются в основном за счет внесения органических и минеральных удобрений. Регулярное применение фосфорных удобрений ведет к накоплению как общего, так и доступного фосфора, но наибольший сдвиг наблюдается в группе минеральных соединений алюминия, железа и кальция [8]. Фосфаты включаются в разнообразные химические, физико-химические и биологические почвенные процессы. Считается, что всего 5–30% от внесенного количества удобрений поглощается растениями из-за процессов осаждения, сорбции и микробной иммобилизации [34]. Фосфорные удобрения, по сравнению с азотными и калийными, имеют значительное негативное влияние на экосистемы. В природном фосфатном сырье, а также полученных из него удобрениях, содержатся токсичные примеси и тяжелые металлы [11]. Несмотря на то, что миграция фосфатов по профилю считается слабой, соединения фосфора могут обладать значительной подвижностью вследствие насыщения анионной емкости и являются основной причиной эвтрофикации водоемов [5, 7].

Внесение органических материалов и регулирование кислотности почв с помощью известкования традиционно используется для повышения эффективности удобрений и биодоступности фосфора [4, 6]. С целью поддержания устойчивого сельскохозяйственного производства, продуктивного использования запасов почвенного фосфора и уменьшения его потерь в агроэкосистемах можно применять новые подходы и материалы. В последние годы активно исследуется биоуголь как эффективный мелиорант и удобрение для почвы. Биоуголь производится из органической биомассы (древесина, пожнивные остатки, осадок сточных вод) путем пиролиза без доступа кислорода при относительно низких температурах (до 700°C). Влияние биоугля на почвенные свойства многообразно благодаря высокой емкости обмена, большой удельной поверхности, значительному содержанию углерода и различных минеральных элементов [38]. Использование биоугля может оказывать прямое и косвенное влияние на фосфатный режим почв [24]. Применение биоугля изменяет физико-химический состав почвы (pH, емкость катионного обмена, водоудерживающую способность, стабильность агрегатов) и влияет на окислительно-восстановительные реакции, комплексообразование, адсорбцию и осаждение, которые определяют доступность фосфора [17, 18, 36]. Прямое внесение фосфатов возможно с биоуглями с высоким содержанием обменного фосфора и его растворимых солей. Биоуголь может сорбировать соединения фосфора и снижать его доступность и выщелачивание [32, 39]. Изменения в почвенной среде, опосредованные биоуглем, влияют на структуру микробного сообщества и активность некоторых почвенных ферментов [24, 31, 37]. Биоугли имеют широкий диапазон физических и химических свойств и условий пиролиза, что в сочетании с различными типами почв может приводить к контрастным эффектам влияния на почвенный цикл фосфора [21, 25].

Почвы зоны дерново-подзолистых почв обладают повышенной кислотностью, что неблагоприятно сказывается на их фосфатном режиме и является одним из главных факторов низкой продуктивности растениеводства, следовательно использование биоугля в данных почвах может рассматриваться как перспективная технология.

Цель работы – изучение влияния биоугля на содержание подвижного и общего фосфора, фракционный состав фосфатов, фосфатазную активность почв, а также эффект раздельного и совместного применения биоугля и удобрения на содержание подвижного фосфора.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для закладки лабораторных опытов использовали почвы с участков, вовлеченных в сельскохозяйственное использование (средняя тайга Карелии), различающиеся по гранулометрическому составу и плодородию. Почвы отбирали из верхнего пахотного горизонта 0–20 см, высушивали до воздушно-сухого состояния, растирали и просеивали через сито 2 мм. Агрозем альфегумусовый иллювиально-железистый песчаный (Umbric Podzol) отбирали на Корзинском научном стационаре ФИЦ КарНЦ РАН. Почва содержит 4.1% частиц <0.01 мм, рН_KCl – 4.5, С_орг – 1.5%, N_общ – 0.12%, N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ – 8 мг/кг, N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – 24 мг/кг, P₂O₅ (по Кирсанову) – 144 мг/кг, К₂О (по Кирсанову) – 20 мг/кг, сумма обменных оснований (S) – 2.0 смоль(экв)/кг. Агрозем текстурно-дифференцированный типичный тяжелосуглинистый (Umbric Retisol) отобран на Агробиологической станции ФИЦ КарНЦ РАН. Почва содержит 42.6% частиц <0.01 мм, рН_KCl – 5.1, С_орг – 2.5%, N_общ – 0.19%, N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ – 12 мг/кг, N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – 29 мг/кг, P₂O₅ (по Кирсанову) – 317 мг/кг, К₂О (по Кирсанову) – 55 мг/кг, S – 7.8 смоль(экв)/кг. В опытах применяли уголь древесный (БУ) (ГОСТ 7657–84, марка А) двух фракций – 3–5 и ≤2 мм. Биоуголь имеет плотность 0.37 г/см³, ${\text{р}}{{{\text{Н}}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ – 9.3, рН_KCl – 7.9, содержит в воздушно-сухой навеске золы – 2.8%, С – 81%, N – 0.35%, K – 0.24%, Р – 0.026%, Са – 0.83%, Mg – 0.20%.

Опыт 1. Воздушно-сухие навески почв массой 500 г помещали в литровые сосуды и добавляли уголь разных фракций в количестве 10 г (2% от массы почвы) и 25 г (5% от массы почвы). Контролем служили образцы почв без добавления угля. Образцы увлажняли дистиллированной водой до полного водонасыщения и тщательно перемешивали. Сосуды оставляли открытыми до полного высыхания, смачивание и перемешивание повторяли 5 циклов. Продолжительность компостирования составляла 100 дней при температуре 20°C. Повторность опыта и аналитических исследований трехкратная. После завершения эксперимента сухие почвенные образцы просеивали через сито 1 мм и выполняли следующие анализы: рН_KCl потенциометрически с использованием ион-селективного электрода на иономере АНИОН 4100 “Инфраспак-Аналит”; содержание подвижного фосфора (P₂O₅) по Кирсанову (0.2 M HCl) при использовании в качестве восстановителя аскорбиновой кислоты; содержание валового фосфора (P₂O_{5 общ}) методом сплавления в муфеле и фракционный состав минеральных фосфатов методом Чанга–Джексона в варианте Аскинази–Гинзбург–Лебедевой при использовании в качестве восстановителя SnCl₂. Для всех определений фосфора окончание спектрофотометрическое на спектрофотометре UV-1800 Shimadzu [13].

Опыт 2. Схема аналогична опыту 1, но навески почвы с биоуглем помещали в кюветы, смачивали дистиллированной водой и поддерживали влажность 60% ППВ при температуре 25°C. На 7 и 30 сут отбирали образцы и определяли общую фосфатазную активность почв по методу Геллер и Гинзбург со спектрофотометрическим окончанием при использовании в качестве восстановителя SnCl₂ [14].

Опыт 3. Вегетационный опыт с ячменем яровым (Hordeum vulgare L.) проводили по следующей схеме. Навеску почвы 500 г помещали в вегетационные сосуды объемом 1 л, в варианты с биоуглем вносили уголь в количествах аналогичных опыту 1, смачивали, перемешивали и оставляли на 1 неделю. Через неделю в варианты с удобрением вносили удобрение в жидком виде. Использовали азофоску (АЗФК) марки NPK 16 : 16 : 16 (ГОСТ 19691-84) в количестве 50 мг удобрения на сосуд. Через 2 сут высевали пророщенные семена ячменя по 15 шт./сосуд. Опыт проводили при естественном освещении и температуре воздуха 22–23°C в трехкратной повторности. Для каждой почвы применяли следующую схему опыта: 1) Контроль; 2) АЗФК; 3) БУ ≤ 2 мм 2%; 4) БУ ≤ 2 мм 5%; 5) БУ 3–5 мм 2%; 6) БУ 3–5 мм 5%; 7) БУ ≤ 2 мм 2% + АЗФК; 8) БУ ≤ 2 мм 5% + АЗФК; 9) БУ 3–5 мм 2% + АЗФК; 10) БУ 3–5 мм 5% + АЗФК. Через 40 сут после посева в фазе выхода в трубку в почве определяли содержание подвижного фосфора (P₂O₅) по Кирсанову.

Для обработки данных использовали однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) с апостериорным анализом по критерию Тьюки при уровне значимости p ≤ 0.05, корреляционно-регрессионный анализ, а также двухфакторный дисперсионный анализ (Factorial ANOVA). В таблицах и диаграммах приведены средние значения ± ошибка среднего, статистически значимые различия обозначены разными буквами. В работе использовали пакеты анализа PAST Statistics и Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе 100-дневного эксперимента установлено, что внесение биоугля оказывало существенное влияние на показатели рН солевого в обеих почвах (табл. 1). Значения рН возрастали во всех вариантах опыта (различия статистически значимы) по сравнению с контролем. Наибольший эффект оказывала мелкая фракция биоугля в 5%-ной дозировке в обеих почвах. Содержание подвижного фосфора при применении биоугля в агроземе альфегумусовом увеличивалось значительно и достоверно на 20–40% во всех вариантах. В агроземе текстурно-дифференцированном увеличение содержания P₂O₅ происходило на 2–6%, разница с контролем была достоверна не для всех вариантов. Содержание валового фосфора в опыте при внесении биоугля значимо не изменялось для обеих почв.

Внесение биоугля по-разному воздействовало на фракционный состав фосфатов в исследованных почвах (табл. 2). В агроземе альфегумусовом на 20–30% возрастало содержание фракции рыхлосвязанных фосфатов в вариантах с 5% дозировкой, а также происходило увеличение фракции алюмофосфатов на 5–10% во всех вариантах с биоуглем, различия статистически достоверны. Увеличение содержания Ca-фосфатов наблюдалось во всех вариантах с биоуглем, наиболее значительный рост (на 58%) отмечен в варианте с мелким углем в 5% дозировке. Содержание железофосфатов, напротив, уменьшалось примерно на 30% в вариантах с биоуглем. Суммарное содержание минеральных фосфатов незначительно возрастало на 3–6% в некоторых вариантах с биоуглем. В агроземе текстурно-дифференцированном значительное увеличение содержания рыхлосвязанных фосфатов (на 58%) наблюдалось лишь в варианте с 5% дозировкой мелкого угля. Достоверно уменьшалось содержание алюмофосфатов на 3–9% по сравнению с контрольным вариантом, и железофосфатов в варианте с мелким углем в 5% дозировке на 14%. Содержание Ca-фосфатов возрастало на 13–60% во всех вариантах с биоуглем. Сумма минеральных фосфатов имела тенденцию к увеличению в вариантах с 5% дозировкой биоугля в пределах статистической погрешности.

Исследованная в опыте 2 общая фосфатазная активность имела различную динамику и направленность в зависимости от типа почвы (рис. 1). В контрольных вариантах активность фосфатазы имела сопоставимые уровни в обеих почвах и составляла на 7 сут эксперимента 176–207 мг P₂O₅/(кг почвы 2 ч), а на 30 сут снижалась до 125–145 мг P₂O₅/(кг почвы 2 ч). В агроземе альфегумусовом в вариантах с 2%-ным содержанием биоугля на 7 сут эксперимента активность фосфатазы достоверно снижалась на 21–28%, и напротив, в вариантах с 5% дозировкой угля возрастала на 10–37%. Через 30 сут активность фермента в вариантах с содержанием биоугля 2% увеличилась на 142–162% по сравнению с контролем, а варианты с 5%-ным содержанием угля показали снижение активности фосфатазы на 23–46% по сравнению с предыдущим измерением. В агроземе текстурно-дифференцированном через 7 сут опыта измерение показало уменьшение активности фермента на 5–33% (достоверно не для всех вариантов). На 30 сут эксперимента показатели активности еще несколько снизились и мало отличались от контроля во всех вариантах, за исключением варианта с 5%-ной дозировкой мелкого угля, где активность фосфатазы заметно увеличилась и соответствовала уровню начала эксперимента.

Рис. 1.

Активность фосфатазы (мг P₂O₅/кг почвы за 2 ч) в опыте 2: a – агрозем альфегумусовый; b – агрозем текстурно-дифференцированный. Варианты: 1 – контроль; 2 – БУ ≤ 2 мм 2%; 3 – БУ ≤ 2 мм 5%; 4 – БУ 3–5 мм 2%; 5 – БУ 3–5 мм 5%.

В вегетационном опыте с ячменем в агроземе альфегумусовом содержание подвижного фосфора в вариантах с биоуглем возрастало на 8–12% по сравнению с контролем, различия статистически достоверны лишь в вариантах с 5% дозировкой угля (рис. 2). При совместном применении биоугля и удобрения содержание P₂O₅ во всех вариантах больше, чем в вариантах с углем. Между собой варианты различаются незначительно, достоверное увеличение содержания подвижного фосфора на 29% отмечено лишь в варианте с мелким углем в 5%-ной дозировке с АЗФК. В агроземе текстурно-дифференцированном содержание P₂O₅ увеличивалось незначительно на 2–5% практически во всех вариантах, за исключением совместного применения мелкого биоугля и удобрения, где прирост составляет 11–14% и статистически достоверен. Согласно двухфакторному дисперсионному анализу (табл. 3), в обеих почвах с высоким уровнем статистической достоверности при низком уровне случайных отклонений биоуголь и удобрение оказывают влияние на уровень содержания подвижного фосфора. В целом по опыту доля влияния удобрения примерно в 2 раза больше, чем биоугля, при этом в агроземе альфегумусовом отмечено достоверное взаимное влияние факторов биоугля и удобрения.

Рис. 2.

Содержание подвижного фосфора (по Кирсанову) в опыте 3: a – агрозем альфегумусовый; b – агрозем текстурно-дифференцированный. Варианты: 1 – контроль; 2 – БУ ≤ 2 мм 2%; 3 – БУ ≤ 2 мм 5%; 4 – БУ 3–5 мм 2%; 5 – БУ 3–5 мм 5%; 6 – АЗФК; 7 – БУ ≤ 2 мм 2% + АЗФК; 8 – БУ ≤ 2 мм 5% + АЗФК; 9 – БУ 3–5 мм 2% + АЗФК; 10 – БУ 3–5 мм 5% + АЗФК.

ОБСУЖДЕНИЕ

Исследуемые почвы можно охарактеризовать как средне и хорошо обеспеченные фосфором, при этом агрозем текстурно-дифференцированный содержит примерно в 2 раза больше подвижного и валового фосфора по сравнению с агроземом альфегумусовым, что обусловлено его минералогическим и гранулометрическим составом. В результате применения биоугля в опыте 1 произошло достоверное увеличение рН во всех вариантах независимо от типа почвы, фракции и дозировки угля. Биоуголь повышает рН среды и снижает кислотность почвы, поскольку имеет высокую обменную емкость, щелочную реакцию и содержит значительное количество обменных катионов (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺). Данный эффект описан рядом авторов [1, 19, 30] и наиболее проявлен на кислых почвах. Как известно, активность ионов, способных к осаждению фосфора, зависит от реакции среды. По мере повышения pH почвы анионы ОН^– могут замещать РО^4– из аморфных фосфатов железа и алюминия, переводя их в растворимую форму. Максимальная концентрация фосфат-ионов в почвенном растворе наблюдается при pH почвенного раствора 5.4–6.0 [10]. Закономерным следствием является увеличение доступности фосфатов при применении биоугля в кислых почвах [20, 26]. В опыте 1 содержание подвижного P₂O₅ увеличивается значительно, особенно в агроземе альфегумусовом, где также отмечено заметное увеличение рН среды. В предыдущей работе [1] показано, что катионы Ca²⁺, содержащиеся в биоугле, насыщают почвенно-поглощающий комплекс почв, что наиболее заметно в агроземе альфегумусовом, изначально ненасыщенном основаниями. При этом использование биоугля не ведет к увеличению валового фосфора в исследованных почвах, поскольку валовое содержание фосфора в древесном биоугле невелико. Данную закономерность отмечали и другие исследователи, считая, что увеличение размера пула доступного Р в почве при добавлении биоуголя связано с активацией эндогенного фосфора, а не с высвобождением фосфатов из угля [39].

Около 75% минерального фосфора в исследованных почвах представлено фракцией фосфатов алюминия, на фосфаты железа приходится 16%, на рыхлосвязанные фосфаты и Ca-фосфаты приходится всего 9%, данное соотношение характерно для кислых таежных почв [10]. Как показывают исследования, биоуголь оказывает разнонаправленное влияние на неорганические соединения почвенных фосфатов. Биоуголь может как повышать содержание фосфора, связанного с кальцием [36], так и не влиять на него, напротив увеличивая фракцию Al-фосфатов [37]. Данные опыта 1 показывают, что влияние биоугля на фракционный состав минеральных фосфатов в основном проявилось в увеличении фракций рыхлосвязанных фосфатов и Ca-фосфатов, сдвиг особенно заметен при 5%-ной дозировке угля и в агроземе альфегумусовом. Зависимость содержания доступных фосфатов, рыхлосвязанных фосфатов и фосфатов, связанных с кальцием от уровня рН почвы, характеризуется линейным приближением с коэффициентами детерминации (R²) в пределах 0.51–0.85 (рис. 3). Величина коэффициента корреляции (r) между рН почвы и представленными фракциями фосфатов >0.7, что характеризует силу связи между переменными как высокую. Следовательно, фактор кислотности почвы описывает более 50% дисперсии исследованных фракций фосфатов. Добавление биоугля увеличивает индуцированную кальцием адсорбцию фосфора, что аналогично эффекту известкования, когда происходит увеличение доступного P₂O₅ и изменение соотношения фракций минерального фосфора в сторону Ca-фосфатов и рыхлосвязанных фосфатов [6, 9, 12].

Рис. 3.

Зависимость содержания фосфатов от уровня рН в вариантах опыта 1. a – агрозем альфегумусовый; b – агрозем текстурно-дифференцированный: 1 – подвижный фосфор P₂O₅ (по Кирсанову); 2 – Ca-фосфаты; 3 – рыхлосвязанные фосфаты.

Активность биохимических процессов мобилизации органического фосфора почвы характеризуется фосфогидролитическими ферментами. Фосфатаза является одним из ферментов, катализирующих гидролиз разнообразных фосфорорганических соединений почвы, переводя их в доступное для растений состояние. Исследования, касающиеся влияния биоугля на почвенную фосфатазу немногочисленны, но большинство из них показывают, что биоуголь оказывает положительное влияние на активность ферментов [24, 39]. Известно, что благодаря пористой структуре, способности адсорбировать органические вещества и снижать кислотность, применение биоугля обеспечивает благоприятную среду обитания для микроорганизмов и увеличивают микробную популяцию почв [23, 28]. В опыте 2 зафиксировано увеличение активности фосфатазы в агроземе альфегумусовом, при этом повышенная 5% дозировка биоугля оказывает быстрый эффект на 7 сут эксперимента. Через месяц большая активность отмечена в вариантах с 2% дозировкой и в вариантах с крупной фракцией, поскольку агрегаты биоугля могут увеличивать удельную площадь поверхности и усиливать адсорбцию фосфатазы в почвах [22]. Иногда добавление биоугля может негативно влиять на активность почвенной фосфатазы или не иметь существенного эффекта, как в опыте с агроземом текстурно-дифференцированным. Подавление микробиологической активности может быть связано с тяжелым гранулометрическим составом почв либо их нейтральной реакцией [40, 41]. Замечено, что высокая обеспеченность почвы подвижным фосфором, необходимым для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, приводит к снижению фосфатазной активности [3]. Исследования генов phoD регулирующих синтез фосфатазы у бактерий показали, что их экспрессия тесно взаимосвязана с содержанием подвижного фосфора и возрастает в почвах с более низким содержанием P₂O₅. Если подвижного фосфора в почве достаточно (как в случае с агроземом текстурно-дифференцированным), то экспрессия генов phoD ограничена [35].

Для повышения продуктивности почв и увеличения урожайности культур широко изучается применение как непосредственно биоугля, так и его совместное использование с удобрениями [16, 27]. Из-за высокой стоимости и дефицита фосфорных удобрений данные исследования особенно актуальны в отношении фосфатов. Не все биоугли сами по себе имеют значительную удобрительную ценность, так, уголь из лигноцеллюлозного сырья характеризуется высокой ароматичностью и содержит небольшое количество зольных элементов. Древесный уголь используется в основном в составе различных компостов, либо совместно с минеральными удобрениями [33]. Определение подвижного фосфора в вегетационном опыте с агроземом альфегумусовым выявило, что более высокое содержание P₂O₅ по сравнению с контролем имели варианты как с биоуглем ≤2 мм, так и с удобрением. Однако наибольший эффект оказывало совместное применение биоугля с удобрением. В агроземе текстурно-дифференцированном достоверное влияние оказывает лишь сочетание биоугля мелкой фракции и АЗФК. Похожий синергетический эффект биоугля и удобрения на содержание подвижного фосфора наблюдал ряд авторов [29, 31]. В обзоре [16] отмечается, что наибольший прирост урожайности различных культур наблюдался, когда биоуголь применялся одновременно с неорганическими и органическими удобрениями. В опыте 3 двухфакторный дисперсионный анализ показал, что доля влияния АЗФК в целом по опыту выше, чем биоугля, но биоуголь оказывает дополнительное влияние на содержание подвижного фосфора. Данный эффект достигается благодаря мобилизации фосфатов за счет изменения рН среды и усиления микробиологической активности [2, 28, 36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В серии модельных экспериментов выявили, что наиболее заметный эффект практически на все исследованные показатели оказывала мелкая фракция биоугля в 5%-ной дозировке. Применение биоугля не оказывало статистически значимого влияния на увеличение содержания валового фосфора в обеих почвах, поскольку содержание Р в биоугле незначительно. При этом использование биоугля приводило к статистически значимому увеличению значений рН_KCl по сравнению с контролем во всех вариантах агрозема альфегумусового и агрозема текстурно-дифференцированного. Фактор сдвига кислотности определял изменения в составе доступных фосфатов, рыхлосвязанных фосфатов и фосфатов, связанных с кальцием. В агроземе альфегумусовом биоуголь достоверно повышал содержание подвижного фосфора на 20–40%, а также усиливал активность фосфатазы. В агроземе текстурно-дифференцированном биоуголь незначительно увеличивал содержание подвижного фосфора на 2–6%, и не оказывал существенного влияния на активность фосфатазы. Выявлено, что в вегетационном опыте доля влияния удобрения на содержание подвижного фосфора в 2 раза больше, чем биоугля, но биоуголь оказывал дополнительное воздействие благодаря мобилизации фосфатов за счет изменения рН среды и усиления микробиологической активности. В целом биоуголь оказывал более заметный эффект на фосфатный режим почвы легкого гранулометрического состава, которая характеризуется низкими значениями рН и меньшим содержанием подвижного и валового фосфора.