Биоуголь для плодородия

Текст: А. С. Дурова, канд. с.-х. наук, инженер кафедры почвоведения и лесных культур, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова»; руководитель научного департамента ООО «ВитаЛиква»

Использование продуктов карбонизации разных органических материалов для улучшения качества почв — давно известная и успешно применяемая технология. Сейчас добиться достоверного увеличения урожайности корнеплодов, зерновых, овощных и плодовых сельскохозяйственных культур позволяет внесение биоугля.

Метод применения подобных материалов в аграрной отрасли особую популярность приобрел в 2000-х годах, когда появились исследования ученых из Германии и США, обративших внимание на сельскохозяйственные почвы стран Латинской Америки — Бразилии, Колумбии, Эквадора и Французской Гвианы. Земли в этих государствах характеризуются низким плодородием, однако при их изучении были найдены отдельные высокоплодородные участки, расположенные в бразильской области Амазонки и имеющие необычный для тех мест черный цвет. Агрохимические свойства проанализированных почв отличались от параметров естественных земель данной местности, а их плодородие было связано с накоплением большого количества угля в профиле. В ходе дальнейших исследований аналогичные агроземы были найдены в Африке — Гане, Сьерра-Леоне, Либерии, Гвинее, в Индонезии, а также на Европейском континенте — так называемые германские черноземы. Благодаря грантам, направленным на создание оборудования по производству биоугля из отходов сельскохозяйственной промышленности, в Канаде, США и Европе начали проводить опыты по внесению этого вещества под разные культуры. Их продуктивность в заложенных экспериментах неизменно возрастала.

ПРОИЗВОДСТВО СЫРЬЯ

Получаемый при пиролизе уголь может обладать различными характеристиками, зависящими от технологии изготовления, а также от используемых для процесса органических материалов. Наиболее крупный устойчивый материал образуется из отходов деревообрабатывающей промышленности, а более мелкий и богатый лабильными соединениями — из растительных остатков, то есть соломы злаковых и других пожнивных культур, стеблей кукурузы, рисовой шелухи или скорлупы различных орехов, а также навоза и водорослей. Карбонизация напрямую влияет на процентное содержание углерода и степень его ароматизации в конечном продукте, поэтому чем ниже температура данного процесса, тем меньше концентрация высокоароматичных соединений. При укороченной процедуре готовый материал включает больше воды и содержащих кислород веществ, в результате чего его кислотность оказывается выше, а термическая стабильность — ниже. Помимо этого, карбонизированные материалы, произведенные в разных технологических условиях, различаются по физико-механическому составу, пористости, плотности сложения, прочности, гигроскопичности и влагопоглощению. Такие продукты обладают неодинаковыми элементным составом, зольностью, ароматичностью и кислотностью.

Для производства биоугля чаще всего используются отходы лесной промышленности и аграрной отрасли. Диапазон значений конечного элементного состава коррелирует с исходным материалом — древесиной, соломой, отходами сельхозпроизводства, отстоями сточных вод и прочим, а также с условиями пиролиза биомассы. Реакционная способность угля обусловлена размерами его кусков, степенью пористости и модификацией углерода, содержащегося в стенках его ячеек. Данные свойства, в свою очередь, зависят от породы и качества исходной древесины. Наибольшей реакционной способностью и горючестью обладает аморфный углерод.

ПОВЫШЕНИЕ ВЛАГОЕМКОСТИ

Как известно, угли относятся к гидрофобным веществам. Их гигроскопичность обусловлена степенью окисления, поэтому свежий материал обычно в большей степени водотталкивающий, чем хранившийся длительное время на воздухе. Конечная температура пиролиза также влияет на данный показатель. Например, при намокании древесный уголь способен поглощать количество воды, превышающее его собственную массу. В связи с этим механизмы, влияющие на повышение влагоемкости почвы при использовании биоугля, вполне очевидны. Так, его применение воздействует на время и скорость передвижения воды, а эффективность регулируется количеством и гранулометрическим составом почвы, в которую он вносится. Длительность эффекта от разовой процедуры может быть различна, причем она зависит не только от дозы мелиоранта, но и от типа первоначального сырья, способа заделки и исходных почвенных условий. При этом нужно учитывать, что постепенное разрушение структуры биоугля в земельном покрове потенциально может привести к его засорению или цементированию. Однако изучение влияния материала, полученного из древесины, на хорошо окультуренные, плодородные почвы продемонстрировало увеличение значений полевой влагоемкости в среднем на 18%. Таким образом, данный показатель при применении такой добавки будет наибольшим на грубо текстурированных участках. Существенный недостаток большого объема пор биоугля заключается в потребности в поливе при значительных дозировках. Жидкость необходима для нормализации водного режима почвы в связи с увеличением уровня ее влагоемкости. На сельскохозяйственных угодьях этот показатель влияет на количество воды, которая будет сорбирована и доступна для растений. Фактически доступность жидкости зависит от исходного материала, использованного при создании биоугля, и структуры изучаемого грунта.

ОСОБЕННОСТИ ПОЧВЫ

Внесение данного мелиоранта изменяет физические свойства почвы — плотность и пористость, структуру и водно-воздушный режим. Трансформация этих параметров выступает одной из причин положительного влияния технологии на развитие растений и обработку участков. Кроме того, методика увеличивает поверхностную площадь, улучшает влагоудерживающую способность и аэрированность почв, особенно глинистых.

Повышение пористости воздействует на сорбционные характеристики, а также создает условия для возрастания численности и разнообразия почвообитающих микроорганизмов. При этом физические параметры могут быть изменены в связи с частичной или полной блокировкой пор наименьшей фракцией крупиц биоугля, что сокращает скорость просачивания и интенсивность выщелачивания. Улучшение агрохимических показателей почв и увеличение урожайности многих сельскохозяйственных культур при использовании исследуемого мелиоранта связаны с возрастанием влагоемкости участков и/или адсорбцией питательных веществ. Его внесение изменяет химические и физические свойства почв, но результаты от применения биоугля зависят не только от этих особенностей. Не менее важны и другие решающие факторы, в том числе климатические условия, характеристики выращиваемых культур, количество и способ закладки биоматериала на участки. Так, на базе ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» и ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им.  С. М.  Кирова» проводились эксперименты, позволяющие оценить воздействие биоугля на параметры разных почв, а также на развитие сельскохозяйственных культур и сеянцев хвойных пород. Наибольшее влияние мелиорант оказал на динамику влажности. Средние значения этого показателя для средне окультуренной почвы были достоверно больше на вариантах с внесением одного биоугля и совместно с удобрением по сравнению с контролем. При использовании мочевины разница с исходным участком не наблюдалась. В отношении хорошо окультуренной почвы колебания влажности на контрольной делянке в течение вегетационного периода оказались существенно выше, чем на средне окультуренной. При использовании биоугля разброс значений этого показателя в первом случае заметно сократился по сравнению с зарегистрированным во втором. В средне окультуренной почве также отмечались более резкие скачки влажности.

ДОСТИЧЬ БАЛАНСА

Как известно, кислотность биоугля изменяется от нейтральной до основной — щелочной. Улучшение данного показателя почв при использовании этого мелиоранта часто трактуется как один из наиболее эффективных подтвержденных механизмов повышения почвенного плодородия. К примеру, существуют научные работы, показывающие длительное влияние биоугля на кислотность земельного участка — до 70 лет. В проведенных специалистами экспериментальных исследованиях на среднекислых почвах внесение данного материала повышало рН исходной делянки в среднем от 5,3 единицы на контрольных вариантах до 6,2 единицы на опытных участках. Однако при изучении сырья, изготовленного из отходов птицефабрики, на кислых землях pH изменялся от 4,8 до 7,8 единицы.

Помимо этого низкие показатели кислотности почв влияют на доступность веществ в них. Так, при оценке эффективности биоугля во многих тропических землях было отмечено снижение токсичности алюминия, что в совокупности с нормализацией кислотности почв являлось основной причиной увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.

АГРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

В биоугле содержится значительное количество питательных элементов, в частности концентрация азота в нем может колебаться от 21 до 370 мг/кг. При низких температурах пиролиза, составляющих около 100ºC, соединения азота и кислорода могут испаряться, в то время как для подвижности фосфора необходима температура порядка 700ºC, поэтому процесс пиролиза увеличивает доступность и количество этого элемента в мелиоранте. Тем не менее существует утверждение о недостаточно эффективном влиянии биоугля на содержание и доступность питательных компонентов в почве, а в основе его положительного действия лежит совместное использование с минеральными или органическими удобрениями. Главным плюсом применения этого материала в данном случае является возможность уменьшения доз вносимых туков по причине снижения интенсивности выщелачивания в исследуемой почве. В связи с этим специалисты проанализировали влияние биоугля на лесные почвы. Так, в ходе опытов его внесение стимулировало азотфиксацию, однако динамика этого элемента не была полностью понятна. По-видимому, данный мелиорант способен адсорбировать N-NH4, что приводит к повышению уровня доступности азота для растений и является одним из механизмов улучшения плодородия почв. Такой эффект легко объясняет результаты лабораторного эксперимента с выращиванием Raphanus sativus. В этом случае при использовании биоугля увеличение урожая не отмечалось, однако его внесение совместно с удобрениями привело к достоверному возрастанию продуктивности, то есть наблюдался синергетический эффект взаимодействия двух компонентов. Таким образом, вопрос влияния биоугля на концентрацию и доступность элементов питания пока активно изучается. В ранее описанных почвах Preta содержится значительное количество азота, фосфора и других питательных компонентов, что может указывать на эффективность исследуемого мелиоранта.

В ЗОНЕ ДОСЯГАЕМОСТИ

При применении биоугля на доступность фосфора для растенийвлияют иные механизмы. Данный материал меняет степень усваиваемостиэтого элемента при модификации всего почвенного поглощающего комплекса целиком. Скорость осаждения фосфора напрямую воздействует на его растворимость и зависит от силы ионного обмена, с которой он вступает в реакцию и формирует нерастворимые соли, поэтому чем ниже кислотность среды, тем более прочные и малодоступные соединения он образует. Нормализация этого показателя приводит к окислению различных элементов, например алюминия и железа, что не мешает им связывать доступный фосфор. Увеличение рН также может снизить подвижность алюминия, чья концентрация является одним из существенных факторов растворимости этого элемента.

Другая ситуация складывается в почвах со щелочным и нейтральным рН. В первом случае внесение биоугля потенциально может усилить связываемость фосфора со щелочными металлами и снизить его подвижность. При этом мелиорант косвенно влияет на доступность данного вещества, изменяя структуру почвы и создавая новые микроареалы для почвообитающих микроорганизмов. Грибы-симбионты, как известно, часто усиливают растворимостьфосфора для растений, особенно в условиях его дефицита на бедных участках. Именно в таких условиях во время опытов внесение биоугляповысило урожайность арахиса и кукурузы в связи с изменением поглощаемости фосфора.

УЛУЧШИТЬ АКТИВНОСТЬ

Как известно, почвообитающие организмы достаточно разнообразные — их составляют не только грибы и бактерии, но и водоросли, археи, нематоды, протисты и многие другие беспозвоночные. Функционирование внутрипочвенных процессов, а также плодородие и устойчивость микроэкосистем напрямую зависят от изобилия таких групп организмов. В связи с этим специалисты уделяют большое внимание вопросу влияния угля на биологическую активность почв.

Данные, полученные при исследованиях воздействия этого материала на особенности таксономического множества почвообитающих организмов, показали увеличение разнообразия почвенной биоты. В частности, при добавлении мелиоранта в ненарушенные лесные земли количество подобных групп возросло с 291 до 396 штук. Дальнейшие оценки бактериальной флоры подтвердили повышение уровня бактериального разнообразия на 25% относительно исходных показателей — 14 филогенетических групп по сравнению с девятью объединениями в ненарушенной лесной почве. В рамках лабораторных экспериментов также изучалось влияние биоугля на активность почвообитающих микроорганизмов. В частности, изменение уровня базального и субстрат-индуцированного дыханий позволило судить о воздействии разных мелиорантов на микробиологическую активность почвы. Так, было установлено, что внесение биологического угля и клевера в дерново-подзолистую супесчаную почву привело к увеличению данных показателей по сравнению с контролем, однако существенные различия между этими вариантами опыта не наблюдались.

РАСШИРИТЬ МНОГООБРАЗИЕ

Помимо этого, проводились исследования, подтверждающие способность биоугля влиять на структуру микробного сообщества. В ходе них при внесении этого материала наблюдалось возрастание бактериальной активности одновременно с усложнением строения данного комплекса, а также отмечалось увеличение базального дыхания почвы. Однако рассмотренные эффекты могут зависеть от типа мелиоранта, который влияет, например, на сокращение и возбуждение дыхания биоты на разных участках. При этом по результатам анализов между концентрацией биоугля, добавленного в диапазоне 50–150 г/кг, и количеством микробной биомассы наблюдалась прямая зависимость.

Можно выделить несколько причин повышения активности и разнообразия почвенной биоты при внесении биоугля. Так, за счет этого материала увеличивается pH, что влияет на интенсивность дыхания почвы, а также возрастает доступность некоторых элементов. Например, при использовании угля было отмечено повышение количества гетеротрофных микроорганизмов, что приводило к усилению растворимости и доступности фосфатов. Кроме того, данный мелиорант мог стимулировать рост микроорганизмов в связи с распадом наиболее неустойчивых структур, входящих в его состав. Помимо перечисленных эффектов изучалось и влияние биоугля на свободноживущие азотфиксирующие бактерии. Их численность увеличивалась при внесении в почву как активированного, так и биологического сырья, в связи с чем возрастала нитрификация. Видимо, пористая структура служила благоприятной средой обитания для микроорганизмов. При этом низкое содержание кислорода в порах повышало эффективность нитрогеназы. Фиксация азота может стимулироваться, в том числе благодаря возрастанию числа диазотрофов, поскольку биоуголь содержит некоторое количество неорганического азота, служащего для них конкурентоспособным преимуществом при колонизации большой поверхности мелиоранта. В результате увеличиваются объем фиксации азота и его доступность для растений, что в конечном счете приводит к повышению урожайности. Азотфиксаторы лучше адаптированы к нейтральной кислотности, поэтому, нормализуя кислотность почв, они усиливают процесс закрепления азота.

ГРИБНОЕ СООБЩЕСТВО

Реакция почвообитающих грибов на внесение биоугля различна. К примеру, сапрофиты способствуют его разложению и активно колонизируют поверхность и поры. Наиболее интересно влияние этого материала на патогенные почвенные грибы — он способен в некоторой степени снижать активность их роста и увеличивать невосприимчивость растений к гнилям. Однако его эффективность в отношении количества, структуры и функций болезнетворных почвенных микроорганизмов ограничена. Этот вопрос был изучен на примере рассады спаржи, устойчивость которой к Fusarium oxysporum была повышена при использовании биоугля. Помимо этого, внесение в почву данного материала положительно воздействовало на развитие грибов Mycorrhiza, присутствующих повсеместно и усиливающих рост и устойчивость растений к различным стрессам. Несмотря на разнообразие типов таких микроорганизмов, они реагировали на применение биоугля сходным образом. Так, у некоторых арбускулярных микоризных грибов при внесении мелиоранта утолщался корень, увеличивая площадь поверхности его взаимодействия с почвой. Однако данный эффект наблюдался только при дополнительном применении минеральных удобрений. Кроме того, обозначенная ранее способность биоугля увеличивать доступность фосфора может быть связана именно с повышением количества ассоциаций с эндомикоризой.

Предположительно, увеличение объемов и разнообразия грибного сообщества при применении данного мелиоранта может уменьшать сложность обработки почвы. Развитие микоризных грибов увеличивает площадь поверхности корня, усиливая питание растения, способствует возрастанию доступности фосфатов и количества микроорганизмов, обитающих в ризосфере, усиливает устойчивость культур к грибковому поражению. Таким образом, увеличивая разнообразие всех микробов, биоуголь препятствует развитию паразитарных инфекций и стимулирует прогресс симбиотических взаимоотношений растения с почвенной биотой.

МАНДАТ КАЧЕСТВА

Увеличение доступности питательных веществ в основном из-за изменений физико-химических свойств почвы, что приводит к стимуляции всей биоты, в том числе изменению потенциального изобилия микоризных грибов и всей структуры пищевой цепи, способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур при внесении биоугля. В то же время отмечаются противоречивость данных, ограниченность списка исследуемых культур и территорий, на которых испытывалось действие данного сырья. Действительно, в большинстве экспериментов его использование приводило к усилению роста и повышению урожайности культур, однако почти все опыты осуществлялись в тропиках, а испытания в умеренных областях были начаты относительно недавно. Хотя первые результаты свидетельствуют об увеличении продуктивности растений, на данный момент список изученных видов ограничен.

Сегодня научным центром Великобритании, занимающимся исследованием рассматриваемого мелиоранта, разрабатывается так называемый «Мандат качества биоугля». В данном документе описаны основные критерии материала, который может применяться в сельском хозяйстве и является безопасным для окружающей среды. В частности, он должен изготавливаться только пиролизным способом при температурах от 300 до 900ºC. Технология безоговорочно должна быть экологически чистой, а тепло, выделяющееся при сжигании летучих продуктов, необходимо использовать для покрытия потребностей процесса углежжения. Также биоуголь следует готовить только из возобновляемой биомассы — материала биологического происхождения, за исключением содержащегося в геологических породах и преобразовавшегося в ископаемые виды топлива. Продукт, получаемый при сжигании твердых бытовых отходов пиролизным способом, не является биоуглем. Если содержание общего углерода в итоговом составе меньше 10% от массы сухого вещества, то данное сырье также не подходит для применения. Помимо этого, изъятие биомассы из биоценоза не должно приводить к нарушению биогеохимического круговорота веществ. Восполнять потерю элементов минерального питания рекомендуется дополнительным внесением минеральных и органических удобрений или компостов, которые будут способствовать основному требованию к сельскохозяйственным полям — быть высокопродуктивными и стабильными.

Таким образом, в изученных и проведенных экспериментах внесение 5–10 т/га биоугля положительно влияло на влагоудерживающую способность, набухание, усадку и весовую влажность почвы. Использование мелиоранта стимулировало базальное и субстрат-индуцированное дыхание земельного покрова, повышало содержание в нем микробной биомассы, снижало эмиссию N2O из почвы высокой степени окультуренности. Кроме того, биоуголь мобилизовал действие мочевины на вынос азота, фосфора и калия с урожаем и увеличивал урожайность сельскохозяйственных культур. В максимальной степени указанные эффекты проявлялись по отношению к более плодородным участкам.