Агрохимия, 2022, № 7, стр. 14-23

ВВЕДЕНИЕ

Биоуголь используют в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта, который обладает рядом положительных свойств. В частности, уменьшает потери азота из почвы в результате эмиссии и потери неорганического азота со стоком. Например, в полевых исследованиях применение древесного биоугля (400°C при 2-х и 4% от массы почвы) вместе с компостом из зеленых отходов сократило потери неорганического азота со стоком на 41.8, объем стока – на 16.8 и потерю почвы – на 25% [1]. Уменьшение непродуктивных потерь азота способствовало повышению эффективности использования удобрений, увеличению урожайности [2]. Биоуголь широко используют для улучшения физико-химических свойств почв, создания и поддержания органического пула почвы [2], улучшения биологических свойств почвы [3].

Внесение биоугля в почву также влияет на цикл азота в почве [4, 5]. Применение биоугля увеличивает скорость нитрификации, а природные пулы органического азота играют значительную роль в дополнительной чистой минерализации азота [5]. Тем не менее, трехлетнее исследование возделывания кукурузы с добавлением бамбукового биоугля (600°C) в дозе 7 т/га с минеральными удобрениями и биогумусом не показало значительного влияния на концентрации растворенных NH$_{4}^{ + }$ и NO$_{3}^{ - }$ в стоке в первые 2 года по сравнению с обработками, в которых применяли только минеральные удобрения или биогумус [6].

Биоуголь, полученный из древесного сырья, имеет бóльшую площадь поверхности по сравнению с биоуглем, полученным из травянистого сырья [7]. В работе [8] исследовали влияние типов сырья и температур пиролиза на различные свойства биоугля, полученного из 12-ти видов сырья, включая навоз животных, древесные отходы, растительные остатки при температуре от 200 до 650°C. Обнаружили, что общий углерод, емкость катионного обмена, способность связывания углерода, в большей степени зависели от типа сырья. Тем не менее, такие показатели, как содержание ароматического С, летучих веществ, зольность, рН, устойчивость к внешнему воздействию, были более чувствительными к температуре пиролиза. В то же время, площадь поверхности, объем пор и средний размер пор зависели как от температуры производства, так и от типа сырья. Влияние различных доз биоугля, его качественного состава на основные агрохимические свойства почв, такие как кислотность, емкость катионного обмена, содержание минеральных форм азота, рассмотрено рядом исследователей. В работах [9, 10] показано увеличение рН песчаной и супесчаной почв, в опыте [11] – увеличение емкости катионного обмена данных почв. Внесение древесного угля с добавлением шелухи зерна ячменя (1 : 1) в дозе 6 т/га в темно-серую тяжелосуглинистую почву (Haplic Luvisol) привело к увеличению содержания аммонийной и нитратной форм азота [12]. Воздействие биоугля на почву, в которую он внесен в качестве мелиоранта, остается до конца не изученным вопросом.

Цель работы – оценка временных изменений кислотности почв, их емкости катионного обмена и содержания минеральных форм азота при внесении в них биоугля.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевые исследования проведены с середины мая по конец сентября 2019–2021 гг. на территории экспериментальной опытной станции АФИ (МОС-АФИ) (п. Меньково, Гатчинский р-н, Ленинградская обл.).

Вегетационно-полевой эксперимент заложен на Агрофизическом стационаре МОС-АФИ. Почвы стационара представлены дерново-подзолистыми супесчаными разновидностями [13], различающимися по степени окультуренности и качеству – среднеокультуренная (СОК) и высокоокультуренная (ВОК). В 2003–2005 гг. в среднеокультуренную почву был внесен навоз крупного рогатого скота 220 т/га, в высокоокультуренную почву – 540 т/га.

На начало вегетационных периодов 2019–2021 гг. почва участков СОК и ВОК характеризовалась агрохимическими показателями, представленными в табл. 1. Динамика изученных параметров почвы за 2019–2020 гг. представлена авторами ранее в работах [14–16].

В качестве биоугля использовали древесный уголь из березы сорта “Премиум” (береза 1-го класса), фракция с размером частиц угля 0–5 см. Произведен быстрым пиролизом при температуре 600°C на предприятии ООО “Файервуд” (Ленинградская обл., Тосненский р-н, д. Коркино). Химическая характеристика биоугля представлена в табл. 2.

Перед внесением в почву биоуголь просеивали через сито с размером ячейки 2 см. Биоуголь в дозе 20 т/га (или 2 кг/м²) вносили в верхний 10-см слой почвы вручную.

На делянках в течение вегетационного периода 2019 г. в качестве тест-объекта возделывали викоовсяную смесь (вика посевная яровая сорта Льговский (Vicia sativa L.) и овес яровой сорта Боррус (Avéna satíva L.) в соотношении 30 : 70 соответственно) из расчета 200 кг/га (или 85 г семян/4 м²). Посев состоялся 21 мая. В 2020 г. возделывали люпин белый сорта Дега (Lupinus albus L.) как сидерат под озимую пшеницу, дата посева – 15 мая, посевная норма – 200 кг/га, дата запашки – 16 августа. В 2021 г. возделывали озимую пшеницу сорта Немчиновская 85. Норма высева составила 320 семян/м². Дата посева – 03 сентября 2020 г.,  дата уборки – 05 августа 2021 г. Далее проводили лущение на глубину, культивацию на 10 см, в сентябре был высажен озимый рапс на сидерат.

Отбор почвенных образцов из вариантов опыта проводили по стандартной методике [17] из слоя 0–10 см. Объединенную пробу каждого варианта составляли из индивидуальных проб, отобранных равномерно со всей площади участка. Периодичность отбора образцов в 2019–2020 гг. – каждые 10–12 сут, в 2021 г. – 1 раз в месяц.

Метеорологические данные в течение вегетационных периодов 2019–2021 гг. фиксировали на метеостанции, находящейся в 200 м от Агрофизического стационара.

Сравнивая вегетационные периоды изученных годов (2019–2021 гг.) можно отметить следующие особенности гидрометеорологических показателей. Май исследованных годов характеризовался как холодный месяц с высоким количеством выпадающих осадков – до 80 мм в 2019 и 2020 гг. и до 245 мм в 2021 г. Июнь был всегда засушливым и жарким. Июль в течение первых 2-х лет был теплым и влажным, в 2021 г. – жарким и сухим. В августе начиналось снижение среднесуточной температуры воздуха и увеличение количества выпадающих осадков до 180 мм за месяц. Сентябрь – холодный и умеренно-влажный.

Средняя температура воздуха за вегетационные периоды (май–сентябрь) 2019–2021 гг. составила 14.2, 14.5 и 15.7°С соответственно, что характеризует их как умеренно-холодные периоды, а количество выпавших осадков – 451, 517 и 536 мм – как умеренно влажные периоды.

Кислотность почвы и емкость катионного обмена определяли с помощью стандартного метода (ГОСТ 26423-85, ГОСТ 17.4.4.01-84). Содержание аммонийного азота в образцах почв определяли колориметрическим методом в солевой вытяжке (1 н. раствор КСl), индофенольным методом (ГОСТ 26489-85), а концентрацию нитратов – в виде окрашенного диазосоединения (ГОСТ 26488-85) на спектрофотометре Spectroflex 6100 (WTW, Германия).

Все анализы выполнены в трехкратной повторности. Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета программ “MicrosoftExcel”. Определены средние величины, стандартные отклонения, корреляции Пирсона, достоверность различий средних определяли при p ≤ 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По-прежнему остается не достаточно изученным вопрос, как меняется кислотность почвы при внесении в нее биоугля, и как долго сохраняется мелиорирующий эффект. На рис. 1 представлен средний показатель рН_KCl дерново-подзолистой супесчаной почвы разного качества за вегетационные периоды 2019 и 2021 гг. Показано, что изначально между вариантами почвы с различной степенью окультуренности (СОК и ВОК) отмечены достоверные различия по показателю актуальной кислотности (p < 0.05), в среднем на 1 ед.

Рис. 1.

Изменение рН_KCl  дерново-подзолистой супесчаной почвы разной окультуренности при внесении биоугля.

В 2021 г. средний показатель pH в почвах с биоуглем незначительно уменьшился по сравнению с началом эксперимента и составил 5.4 и 6.4 ед. рН соответственно для почв с СОК и ВОК, превышая величину рН почвы без биоугля. Таким образом, древесный биоуголь, внесенный в почвы из расчета 20 т/га, не оказал существенного влияния на изменение данного показателя, как в почве с СОК, так и ВОК.

Если в 2020 г., спустя 2 года после внесения мелиоранта, прослежен тренд снижения кислотности почвы на 0.2 и 0.4 ед. соответственно для вариантов с различной степенью окультуренности, что также подтверждено нашим лабораторным экспериментом [15], то спустя 3 года, наоборот, отмечено незначительное увеличение кислотности почв. Ученые обращают внимание, что мелиорирующий эффект “известкования биоуглем” зависит от его количества, внесенного в почву, и от исходного состава биомассы, из которого приготовлен биоуголь, а также от условий пиролиза [18]. Например, температура пиролиза >400°С дает биоуголь со щелочными свойствами [19]. Сырье и температура пиролиза определяют конечную концентрацию карбонатов, что делает некоторые биочары лучшими известковыми мелиорантами. Концентрация в них карбонатов может варьировать от 0.5 до 33% в зависимости от исходных условий получения [20]. В работе [18] показано максимальное увеличение показателя pH почвы при внесении древесного биоугля из эвкалипта в дозе 12 т/га по сравнению с дозой 8 т/га с совместным внесением извести в дозе 2 т/га. Биоуголь в данном эксперименте имел рН = 8.43. Известковый эффект биоугля подтвержден для кислых Ultisoils [21]. Щелочность биоуглей является главным фактором, влияющим на их способность к известкованию, когда в почву вносили биоуголь с высоким рН, почва становилась менее кислой [22]. При этом улучшающее действие биоугля на рН почвы увеличивалось с увеличением дозы последнего. В опыте на кислой супесчаной почве [23] внесение угля из эвкалиптового дерева в дозах 5, 10 и 20 т/га через 15 сут инкубации привело к значительному повышению рН почвы. Использование биоугля из рисовой шелухи не повышало рН почвы за данный период.

На рис. 2 представлена динамика рН_KCl дерново-подзолистой супесчаной почвы разной окультуренности. Как видно из представленных результатов, между вариантами почвы с различной степенью окультуренности отмечены различия показателя актуальной кислотности в течение вегетационного периода. В почве с СОК рН_KCl варьировал от 5.2 ед. в начале вегетационного периода до 5.4 ед. в конце вегетационного периода, а в почве ВОК – соответственно от 6.2 до 6.3 ед.

Рис. 2.

Динамика показателя рН_KCl дерново-подзолистой супесчаной почвы разной окультуренности при внесении биоугля.

Внесение в почву биоугля с исходно высоким рН, составлявшим 8.3 ед., позволило повысить рН почвы с СОК с 5.2 до 5.4 ед., а в почве с ВОК – от 6.2 до 6.5 ед.

Результаты 3-летнего полевого эксперимента подтвердили мелиорирующую способность биоугля в снижении кислотности почвы. Если биоуголь имеет щелочную природу, его применение в почве приводит к увеличению показатедя pH почвы в разной степени в зависимости от исходного сырья и типа почвы [24]. Однако спустя 3 года отмечали ослабление мелиорирующего эффекта внесения биоугля.

Значимым направлением исследований состояния и устойчивости биоугля в почвах является комплексный анализ его роли в управлении такими функциями почв, как буферная способность, накопление и вынос питательных элементов, участие биоугля в биохимическом круговороте. Это направление исследований тесно связано с изучением емкости катионного обмена, поскольку микро-, мезо- и макропоры и удельная поверхность биоугля также влияют на данные функции почв. Высокая ЕКО означает, что почва может содержать значительное количество катионов, необходимых для роста и развития растений. При низком показателе питательные вещества не связаны частицами гумуса и глины, поэтому легко вымываются в подпахотный слой.

Полевые исследования 2021 г. зафиксировали незначительное изменения ЕКО к окончанию вегетационного периода (рис. 3) во всех вариантах опыта. В почве СОК емкость катионного обмена незначительно уменьшилась к окончанию вегетационного периода в контроле с 12.5 до 9.82 ммоль экв/100 г, в почве с внесением биоугля наблюдали уменьшение данного параметра с 13.7 до 10.7 ммоль экв/100 г.

Рис. 3.

Изменение емкости катионного обмена дерново-подзолистой супесчаной почвы разной окультуренности в течение вегетационного периода при внесении биоугля.

В почве с ВОК емкость катионного обмена незначительно уменьшилась к окончанию вегетационного периода в контроле с 23.6 до 23.3 ммоль экв/100 г, в почве с внесением биоугля, напротив, зафиксировано увеличение данного параметра с 23.9 до 25.6 ммоль экв/100 г. Внесение биоугля не вызвало значимого изменения емкости катионного обмена почв во всех вариантах опыта. Возможно, непродолжительное влияние биоугля и изменяющихся погодных условий на емкость катионного обмена оказалось недостаточным для ее изменений.

Как видно из представленных данных, величина емкости катионного обмена почвы СОК была достоверно меньше (p < 0.001) в среднем на 52%, чем данный показатель в почве ВОК, что связано с различным содержанием органического вещества, карбоксильных групп и физической глины в сравниваемых почвах. Предполагали, что внесение биоугля в почвы должно изменить величину емкости катионного обмена, судя по наличию большого количества карбоксильных групп –СООН в данном мелиоранте, обладающих строгим сродством к ассоциации с катионами при нейтральной реакции, которая наиболее типична для верхних горизонтов дерново-подзолистых почв с высоким содержанием гумуса.

Следует отметить, что показатели ЕКО в исследованных почвах по сравнению с 2019 г. несколько увеличились: почвы СОК – в среднем на 15, почвы ВОК – на 7%. Внесение биоугля в почвы повысило показатели емкости катионного обмена в почве СОК на 15, почвы ВОК – на 8% по сравнению с показателями 2019 г. Увеличение ЕКО в опыте при внесении древесного биоугля согласовалось с данными других авторов [18].

В течение периода измерений от мая до начала июля содержание аммонийной формы азота в почве варианта СОК контроль оставалось практически на одном уровне (6.60–6.84 мг/кг почвы), затем в середине июля происходило увеличение содержания аммонийного азота в 2.2 раза по сравнению с началом наблюдений (рис. 4). К окончанию периода зафиксировано уменьшение концентрации N-NH₄  до 8.13 мг/кг почвы, что превосходило показатель мая. Внесение биоугля привело к повышению содержания аммонийного азота в почве с СОК. Тренд изменения содержания N‑NH₄ в почве СОК с биоуглем был таким же, как и в почве СОК контроль, за исключением начала периода измерений в мае, где зафиксировано небольшое уменьшение содержания аммонийной формы азота.

Рис. 4.

Динамика содержания аммонийного (N-NH₄) азота в дерново-подзолистой супесчаной почве средней и высокой степени окультуренности при внесении биоугля (полевой опыт).

Содержание аммонийного азота в дерново-подзолистой супесчаной почве СОК и ВОК несколько снижалось к середине вегетационного периода, затем увеличивалось. В вариантах почвы ВОК отмечено увеличение концентрации аммонийного азота к окончанию периода наблюдений. В почве СОК снижение концентрации N-NH₄, вероятно, связано с интенсивным ростом растений в данный период, поскольку для образования белков растения поглощают азот преимущественно в аммонийной форме. В почве ВОК такого снижения не наблюдали, вероятно, из-за компенсации потребности растущих растений в ионе аммония за счет его содержания в органическом веществе почвы ВОК, т.к. гумусированность данной почвы превышала таковую почвы СОК в 1.9 раза.

Внесение биоугля привело к повышению содержания аммонийного азота в почвах СОК и ВОК. В вариантах с почвой СОК биоуголь способствовал увеличению содержания N-NH₄ в среднем на 23.7, в вариантах с почвой ВОК – на 17.6%. Повышение содержания аммонийного азота в почве с биоуглем могло быть связано с адсорбцией N-NH₄ на поверхности биоугля, и, как результат, со снижением выщелачивания N-NH₄ из почвы, а также с усилением процесса аммонификации. Исследование [25] с использованием метки ¹⁵N показало, что инкубация биоугля кукурузы с почвой в количестве 1% увеличивала процесс аммонификации.

Содержание нитратного азота в почве с ВОК было достоверно больше (p < 0.05), чем в почве с СОК (рис. 5). В дерново-подзолистой супесчаной почве с СОК наблюдали снижение содержания нитратного азота в течение вегетационного периода. В почве ВОК концентрация N-NH₃ значительно уменьшалась к середине периода наблюдений, затем отмечали ее увеличение к окончанию вегетационного периода.

Рис. 5.

Динамика содержания нитратного (N-NО₃) азота в дерново-подзолистой супесчаной почве со средней (СОК) и высокой (ВОК) степенью окультуренности при внесении биоугля (полевой опыт).

Внесение биоугля в почвы СОК и ВОК привело к накоплению в почве недостоверно большего количества нитратов по сравнению с контрольными вариантами, что, по-видимому, свидетельствовало о более интенсивном процессе нитрификации в почвах с биоуглем, что согласовалась с данными других авторов [5]. Внесение биоугля в почву с СОК повысило содержание N-NО₃ в среднем на 52, в почву с ВОК – на 14%.

В инкубационном исследовании [26] использовали 3 источника удобрений на 5-ти типах почв с биоуглем из птичьего помета и биоуглем из скорлупы орехов макадамии для изучения скорости аммонификации и нитрификации. В целом наблюдали снижение концентрации NH$_{4}^{ + }$ (аммонификация) и соответствующее увеличение концентрации NO$_{3}^{ - }$ (нитрификация) в первые сутки инкубации во всех обработанных почвах. Другое исследование показало увеличение общей минерализации азота на 185–221%, увеличение нитрификации на 10–69% и увеличение содержания NH$_{4}^{ + }$ на 508% при внесении в почву кукурузного биоугля [25]. Вопреки сообщениям о том, что добавление биоугля может способствовать минерализации запасов органического азота в почве [5, 25], в работе [27] обнаружили, что при внесении биоугля из древесины бука (24 и 72 т/га ) в почвы от песчаного до суглинистого типа биоуголь способствовал увеличению запасов органического азота в почве и замедлял высвобождение азота из органических источников. Более того, обнаружили, что применение биоугля вместе с неорганическими удобрениями усиливало этот процесс.

Сравнивая величины концентраций аммонийного и нитратного азота изученных почв в 2019 и в 2021 гг., можно отметить следующие тенденции. Во всех вариантах произошло увеличение концентрации аммиачной формы азота, что связано с метеорологическими условиями периода исследования. Содержание нитратной формы азота увеличилось в почве СОК, в почве ВОК, наоборот, отмечали уменьшение содержания нитратов.

В контрольных вариантах изученных почв зафиксировано следующее увеличение содержания аммонийной формы азота: в почве СОК – на 153, в почве ВОК – на 137%. Внесение биоугля привело к увеличению концентрации ионов аммония: в почве СОК – на 150, в почве ВОК – на 129%.

В контрольных вариантах отмечены следующие изменения содержания нитратов: в почве СОК наблюдали увеличение их содержания на 14, в почве ВОК – снижение на 6%. Внесение биоугля привело к увеличению концентрации нитратной формы азота: в почве СОК – на 34, в почве ВОК, напротив, – ее снижению на 20%. В целом для вариантов с биоуглем были характерны более высокие уровни содержания N-NH₄ и N-NO₃, что согласовалось с нашими данными [14], а также данными других авторов [12, 25].

Корреляционный анализ выявил высокую отрицательную связь между содержанием нитратного азота в почве в 2021 г. и температурой почвы во всех вариантах (r = –0.75…–1) и положительную связь с влажностью почв, высокую для почвы ВОК (r = 0.97–0.99) и среднюю для почвы СОК (r = 0.48–0.65). Содержание аммонийного азота имело с величинами температуры в основном слабую отрицательную связь (r = –0.07…–0.20) и среднюю положительную связь с влажностью почвы для почвы СОК (r = 0.33–0.40), таковая связь была слабой для почвы ВОК (r = 0.16–0.29).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом в конце 3-летнего эксперимента зафиксировано незначительное увеличение кислотности почв: в вариантах СОК – на 0.05 ед. рН, в вариантах ВОК – на 0.1 ед. рН, что, вероятно, было связано с уменьшением известкового эффекта биоугля. Показатели ЕКО в исследованных почвах по сравнению с 2019 г. несколько увеличились, а именно на 1.5–2.6 ммоль/100 г почвы.

Во всех вариантах опыта произошло увеличение концентрации аммиачной формы азота в 2.3–2.5 раза, что было связано с метеорологическими условиями периода исследования. Содержание нитратной формы азота изменялось незначительно, произошло увеличение ее содержания в почве СОК на 1.0–3.5 мг/кг почвы (в 1.1–1.3 раза), в почве ВОК, наоборот, отмечено уменьшение содержания нитратов на 0.7–3.0 мг/кг почвы (в 1.1–1.2 раза). При этом наибольшие изменения были характерны для вариантов с биоуглем.

Двухфакторный дисперсионный анализ выявил в полевом эксперименте 2021 г. преимущественное положительное влияние на величины рН и ЕКО степени окультуренности почвы, F_факт > F_крит (4489 > 161.45 для рН; 1855.38 > 161.45 для ЕКО при p < 0.01). В полевом эксперименте 2021 г. зафиксировано положительное влияние на изменение содержания аммонийного азота в почвах 2-х факторов: дозы органических удобрений и внесения биоугля. Однако степень окультуренности оказала большее влияние на изменение содержания аммонийного азота, чем внесение биоугля (4273.29 > 161.45 при p < 0.009; и 2688.22 > > 161.45 при p < 0.01 соответственно). Влияние степени окультуренности почвы и внесения биоугля на содержание в почвах нитратного азота в 2021 г. не выявлено.

В течение 3-х лет преимущественное влияние на показатель рН почвы и содержание в ней аммонийного азота оказывала степень окультуренности почв, а не внесение биоугля. Влияние на величину ЕКО и содержание в почвах нитратов в данный период носило различный характер (влияла степень окультуренности или не было выявлено влияния ни степени окультуренности, ни дозы биугля.