CC BY
38
УДК 630.116:630.81
Доктор с.-х. наук А.В. ЛИТВИНОВИЧ
(СПбГАУ, avlavr@rambler.ru) Канд. с.-х. наук А.А.М. ХАММАМ (Department of soil science. Faculty of agriculture, El-Minia University, El-Minia, Egypt)
Доктор техн. наук B.M. БУРЕ (СПбГУ, vlb310154@gmail.com)
ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВОДОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ПЕСЧАНОЙ ПОЧВЫ, МЕЛИОРИРУЕМОЙ РАЗЛИЧНЫМИ ПО РАЗМЕРУ ФРАКЦИЯМИ БИОУГЛЯ (лабораторный эксперимент)
Биоуголь, гранулометрические фракции биоугля, водопоглощение, мелиоративные свойства, эмпирические модели
Арабская республика Египет - государство, расположенное на северо-востоке африканского континента. Население страны стремительно растёт и на сегодняшний день составляет 90 млн человек. В связи с этим всё более ощущается нехватка продуктов питания местного производства. Это диктует необходимость введения в сельскохозяйственный оборот малоплодородных, обладающих неудовлетворительными водно-физическими свойствами пустынных песчаных почв. Ведение на этих территориях земледелия невозможно без повышения их производительной способности и орошения.
Главная водная артерия государства - река Нил. В последние годы в связи с увеличением площади возделываемых угодий, ощущается нехватка поливной влаги, встаёт проблема более рационального использования оросительной воды.
Биоуглем принято называть высокоуглеродистый продукт, производство и хозяйственное предназначение которого связано с внесением его в почву для долговременного секвестирования углерода и улучшения показателей окультуренности почв. Идея применения биоугля в сельском хозяйстве возникла в Латинской Америке. Большая часть почв этого континента мало плодородна. Фермеры в бразильском регионе Амазонки широко используют подсечно-огневой способ ведения сельскохозяйственного производства. Регулярное и длительное сжигание травянистой и кустарниковой растительности привела к формированию почв Терра Прата, которые обладают высоким уровнем окультуренности. Аналогичные по генезису и окультуренности почвы обнаружены и на Европейском континенте [1].
Биоуголь получают пиролизным способом без доступа кислорода при температурах от 400 до 900°С из возобновляемой биомассы - материала биологического происхождения. Биоуголь, произведённый при разных технологических условиях, различается по плотности, пористости, прочности, гигроскопичности и влагопоглощению. Материал обладает разным элементным составом, зольностью, значением рН. Эти показатели в совокупности оказывают различное влияние на плотность почвы, её водно-физические, физико-химические свойства, содержание минеральных веществ, биологическую активность, рост и развитие растений.
Основными направлениями в изучении биоугля является выявление влияния на физические, водно-физические, агрохимические свойства почв, урожайность растений с установлением оптимальных доз применения биоугля, влияние биоугля на микробные сообщества и биологическую активность почв, влияние биоугля на эмиссию парниковых газов [1].
К настоящему времени в литературе опубликован ряд обзоров, касающихся основных направлений исследований на влияние биоугля на свойство почв и продуктивность растений [2, 3]. Накоплен определённый экспериментальный материал, посвящённый изучению мелиоративных свойств биоугля [4, 5]. Наиболее полно имеющиеся в литературе данные по вопросам получения и использования биоугля обобщены в монографии [1]. Изданы рекомендации для эффективного применения биоугля в сельском хозяйстве РФ [6].
Однако, несмотря на положительные отзывы научного сообщества о результатах влияния биоугля на почвы и растения, вопросы о перспективах широкого применения биоугля в качестве мелиоранта до сих пор остаются открытыми, что объясняется существованием противоречивых данных о его влиянии на свойства почвы.
Цель настоящих исследований - в условиях лабораторных опытов оценить возможность использования биоугля в качестве почвоулучшителя орошаемых песчаных почв.
В задачи исследований входило:
- изучить водопоглотительную способность различных по размеру фракций биоугля и установить доступность растениям влаги, адсорбируемой биоуглем;
- разработать математические модели, адекватно описывающие потерю влаги песчаной почвой, мелиорируемой различными по размеру фракциями биоугля при испарении.
Объектом исследований служили фракции древесного угля (ТУ-2455-002-70637905-2007), размолотые до размера частиц менее 2 мм, 2-3 мм, 3-5 мм. Размол проводили вручную, пропуская биоуголь через колонку сит с соответствующим диаметром ячеек. Для выполнения поставленной цели была заложена серия лабораторных опытов.
Установление водопоглотительной способности различных по размеру фракций угля проводили в опыте № 1. Каждую из фракций воздушно-сухого угля массой 10 г помещали в стаканы и заливали дистиллированной водой, выдерживая в течение 4 суток. Насыщенные влагой и осевшие на дно стаканов частицы биоугля извлекали, давая стечь влаге и взвешивали. Количество поглощенной влаги рассчитывали в процентах от массы угля в воздушно-сухом состоянии.
Изучение водоудерживающей способности отдельных фракций угля проводили в опыте № 2. Насыщенные влагой фракции биоугля в количестве 10 г (без учёта влаги) помещали на дно чашек Петри, распределяя по дну тонким слоем. Слой биоугля засыпали кварцевым песком, также насыщенным влагой. Схема опыта включала 4 варианта (табл. 1). Контролем служил насыщенный влагой кварцевый песок. Общее количество влаги в каждом варианте опыта - 59 г. Повторность опыта - 3-кратная.
Таблица 1. Выход воздушно-сухой массы растений ячменя, мг/сосуд
Вариант опыта Воздушно-сухая масса растений
1. Контроль (песок) 39
2. Песок + биоуголь < 2 мм 50
3. Песок + биоуголь 2-3 мм 42
4. Песок + биоуголь 3-5 мм 46
НСР05 5,0
Чашки Петри помещали в климатическую камеру. Температуру воздуха в течение всего эксперимента поддерживали на уровне 22-25°С. Количество испарившейся влаги учитывали, взвешивая чашки Петри через каждые 6 часов. Эксперимент завершили после полной потери субстратом влаги.
На основании экспериментальных данных разработаны эмпирические модели динамики скорости испарения влаги.
Для выявления доступности растениями влаги, поглощенной биоуглем, проведен специальный эксперимент (опыт № 3) с растениями ячменя сорта Суздалец. Подготовка субстрата для выращивания растений и схема опыта была аналогична опыту № 2. Посев растений проводили наклюнувшимися семенами. Количество растений в каждой чашке Петри - 10 штук. Повторность опыта - 3-кратная. Эксперимент завершили после полной гибели растений, после чего растения в воздушно-сухом состоянии срезали и взвешивали.
В опытах использовали чистый кварцевый песок, предварительно отмытый в растворе 10% соляной кислоты, с последующим удалением кислоты дистиллированной водой при отмывании песка до величины рН=6,0.
Данные исследований подвергнуты статистической обработке [7-8]. Материалы исследования поглотительной способности влаги различными фракциями биоугля представлены на рис. 1.
350
300
250
< 2 мм
2-3 мм Вариант
3-5 мм
Рис. 1. Влагоёмкость различных фракций угля, %
Данные свидетельствуют, что количество влаги, удерживаемой биоуглем, зависит от его удельной поверхности. Максимальной поглотительной способностью характеризуются фракции биоугля с размером частиц менее 2 мм, минимальной - фракция 3-5 мм. Гранулы диаметром 2-3 мм занимают промежуточное положение. Выявленные отличия между вариантами были достоверны (НСР05 - 2,45 г). Следовательно, сорбционная способность угля по отношению к воде возрастает по мере степени его измельчения.
Рабочая гипотеза при постановке опыта № 2 заключалась в предположении, что водоудерживающая способность чистого кварцевого песка меньше, чем смеси песка и биоугля. Тем самым испарение влаги в вариантах биоуголь + песок будет протекать медленнее, а количество времени, необходимого для иссушения, будет возрастать.
60
— Контроль
< 2 мм
2-3 мм
3-5 мм
6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Время, час
Рис. 2. Скорость испарения влаги в различных вариантах опыта
Кривые испарения, приведённые на рис. 2 и данные табл. 2, показывают, что при одном и том же количестве влаги, содержащейся в субстрате, время, необходимое для полного иссушения чистого кварцевого песка и песка с добавлением биоугля, существенно различаются. Полная потеря влаги в варианте с песком наступала спустя 48 часов после начала эксперимента. В вариантах со смесью песок + биоуголь испарение заканчивалось после 96 часов. Таким образом, добавление к песку биоугля из расчёта 9,5% от массы песка увеличивает период удержания влаги в 2 раза. Разницы между вариантами опыта с различными по размеру фракциями биоугля выявлено не было. Следовательно, добавление биоугля увеличивает водоудерживающую способность песчаных почв. На основании экспериментальных данных предпринята попытка разработать статистические модели динамики потери влаги при испарении во времени.
В качестве переменных отклика примем потерю влаги в условиях «контроля» (у 1), потерю влаги для «фракции <2мм» (у2), потерю влаги для «фракции 2-3 мм» (уЗ), потерю влаги для «фракции 3-5 мм» (у4). Введем искусственную переменную 1 (время), которую будем рассматривать как объясняющую переменную. Нас будет интересовать построение математических моделей, описывающих изменение переменных у1, у2, уЗ, у4 в зависимости от переменной 1 (динамика переменных у1, у2, уЗ, у4). Построение математических моделей осуществлено по данным из табл. 2.
Таблица 2. Динамика потери влаги из вариантов опыта с различными по размеру фракциями
биоугля,г
Экспозиция Контроль, у1 < 2 мм, у 2 2-3 мм, уЗ 3-5 мм, у4 1, часы
Перед началом эксперимента 59 59 59 59 0
6 часов 43,6 49,1 48 48,8 6
12 часов 33,6 40,6 39,1 39,7 12
18 часов 27,6 34,7 33,3 33,7 18
24 часа 22,6 29,4 28,1 28,6 24
30 часов 19,1 25,8 24,8 25 30
36 часов 12,4 20,7 18,7 19,3 36
42 часов 6,6 17,4 15,3 15,7 42
48 часов 1,3 14,8 12,7 13,1 48
54 часов 0 13,0 11,0 11,3 54
60 часов 0 11,0 9,0 9,5 60
66 часов 0 8,4 6,8 7Д 66
72 часов 0 6,2 5 5,3 72
78 часов 0 4,4 3,6 3,9 78
84 часов 0 2,3 2Д 2,4 84
90 часов 0 0,8 0,7 1,2 90
96 часов 0 0,1 0,3 0,5 96
В качестве модели динамики потери влаги в контрольном варианте выбран многочлен второй степени. Применяя линейный регрессионный анализ, приходим к модели (1): у1 = 54.CS - 1,56 ■ £ + 0,011 ■
Построенная зависимость рассматривается только для промежутка 0-60 часов, так как исходные данные в первом столбце, начиная с момента времени 54 часа, нулевые.
Модель (1) статистически значима на стандартном 5% уровне значимости по Е -критерию (значение статистики Б=435,7 при критическом значении Б(0,95; 2,14)=3,74 качество аппроксимации оказалось очень высоким (коэффициент детерминации Я =0,98) График модели (1) приведен на рис.3.
Рис.3. Потеря влаги в контрольном варианте опыта (кварцевый песок)
Для построения моделей динамики потери влаги в вариантах опыта с использованием фракции биоугля размером < 2 мм; 2-3 мм и 3-5 мм применён аналогичный подход, как и для контрольного варианта опыта, т.е. выбран многочлен второй степени. Применяя линейный регрессионный анализ, приходим к модели (2), описывающей зависимость потери влаги от времени в варианте с использованием фракции менее 2 мм:
у2 = 55,18 - 1,13 ■ Г + 0,006 ■
Построенная зависимость рассматривается для всего промежутка 0-96 часов.
Модель (2) статистически значима на стандартном 5% уровне значимости по Е -критерию (значение статистики Г=721,6 при критическом значении Б(0,95; 2,14)=3,74, коэффициент детерминации Кг=0,99. График модели (2) приведен на рис. 4.
время, час
Рис.4. Потеря влаги в варианте песок + биоуголь (фракция < 2 мм)
Для фракции биоугля размером 2-3 мм модель (3) будет иметь следующий вид: Уэ = 54,37 - 1,208 ■ Г + 0,007 ■ Г2,
Модель (3) статистически значима на стандартном 5% уровне значимости по Е -критерию (значение статистики Р=689,2 при критическом значении Б(0,95; 2,14)=3,74. Коэффициент детерминации Я2=0,99. График модели (3) приведен на рис.5.
время,часы
Рис.5. Потеря влаги в варианте опыта песок + биоуголь (фракция 2-3 мм)
Для варианта опыта с использованием фракции 3-5 мм модель описывается формулой: у4 = 55,28 - 1,206 ■ t + 0,0068 ■
Модель (4) статистически значима на стандартном 5% уровне значимости по Р -критерию (значение статистики Б=765,9 при критическом значении Б(0,95; 2,14)=3,74. Коэффициент детерминации Я =0,99. График модели (4) приведен на рис. 6.
время, часы
Рис.6. Потеря влаги в варианте опыта песок + биоуголь (фракция 3-5 мм)
Построенные модели (1-4) обладают очень высокой статистической значимостью (значения F статистики многократно превышает критическое значение, соответствующее 5% уровню), качество аппроксимации исходных данных также очень хорошее. Как видно из рис. 3-6, модели 1-4 очень хорошо описывают изучаемую динамику.
Полная потеря влаги вследствие испарения позволяет предположить, что вся влага сорбируется на поверхности биоугля и должна быть легко доступна растениям.
В данном случае показательными являются результаты опыта № 3, проведённые с растениями ячменя. Исследования показали, что гибель всходов растений вследствие иссушения в варианте с чистым кварцевым песком наступала на пятый день после посева, а в варианте песок + биоуголь - на седьмой день. Биомасса растений, полученная в различных вариантах опыта, существенно различалась. Если в контрольном варианте воздушно-сухая масса растений составила 39 мг/сосуд, то в варианте песок + биоуголь (фракция < 2 мм) была в 1,4 выше и составила 50 мг/сосуд (табл. 1). Промежуточное положение занимали варианты с более крупными частицами угля.
В целом добавление биоугля в песчаные почвы приводит к снижению их водопроницаемости, возрастанию водопоглотительной способности. Водопотребление растениями усиливается. В перспективе это позволит увеличить время между поливами и сократить расход воды на ирригацию.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Количество влаги, удерживаемой биоуглем, зависит от удельной поверхности. Максимальной поглотительной способностью характеризуется биоуголь с размером частиц < 2 мм (285%). Минимальной - фракция 3-5 мм (198%). Промежуточное положение занимала фракция 2-3 мм (250%).
2. Полная потеря влаги вследствие испарения из чистого кварцевого песка наступала спустя 48 часов после начала эксперимента. В вариантах с добавлением биоугля иссушение наблюдалось после 96 часов.
3. Разработаны эмпирические модели динамики потери влаги при испарении.
Литература
1. Lehman J. And Joseph S. (2015) Biochar for environmental management science, technology and implementation. International Ltd, Padstow, Cotnwall, pp.928.
2. Luke Beesley, Eduardo Moreno-Jimenez, Jose L. Gomez-Eyles, Eva Harris, Brett Robinson, Tom Sizmur e A review of biochars' potential role in the remediation, revegetation and restoration of contaminated soils // Environmental Pollution 159 (2011) 3269-3282.
3. Barrow C.J. Biochar: Potential for countering land degradation and for improving agriculture Applied Geography 34 (2012) 21-28.
4. Brodowski S.,. John B,. Fless H, and Amelun W., ""Aggrcgatc_occltided black carbon in soil," Europ. J. Soil Sei. 57 ((4)), 539-546 (2006).
5. Yanai Y., Toyota K., and Okazaki M., "Effects of char_coal addition on NO emissions from soil resulting from rewetting air_dried soil in short_term laboratory exper_ iments," Soil Sei. Plant Nutr. 53, 181-188 (2007).
6. Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Павлик C.B., Балашов E.B. Применение биоугля в сельском хозяйстве Российской Федерации: Методические рекомендации. -СПб.: АФИ, 2014. - 28 с.
7. Буре В.М. Методология статистического анализа опытных данных. - СПб.: Изд. СПбГУ, 2007,- 141 с.
8. Буре В.М. Методологические аспекты статистического анализа в точном земледелии // Доклады РАСХН. - 2007. - № 6. - С. 54-56.
