CC BY
24
УДК 631.4:631.43
2А.Н. Грачев, 1В.И. Кулагина, 1С.С. Рязанов, 1Р.Р. Шагидуллин, 1Л.М. Сунгатуллина, 1А.М. Хисамова, 1,2 С.А. Забелкин
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, viksoil@mail.ru 2Казанский национальный исследовательский технологический университет
ИЗМЕНЕНИЕ ВОДОПРОЧНОСТИ АГРЕГАТОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСАДКИ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВНЕСЕНИИ БИОУГЛЯ
Рассмотрено влияние внесения различных доз березового биоугля на величину линейной и объемной усадки серой лесной почвы, а также водопрочность почвенных агрегатов после инкубации образцов при оптимальной влажности и температуре в течение 42 дней. Показано, что усадка среднесуглинистой серой лесной почвы достоверно уменьшается при дозе биоугля 5-10% от веса почвы: линейная усадка - на 20%, объемная - в 2 раза. Проведенные исследования позволили установить, что при внесении биоугля к 42 дню опыта в почве происходит увеличение количества водопрочных агрегатов. Максимальная водопрочность агрегатов отмечалась при концентрации биоугля 10% от веса почвы.
Ключевые слова: биоуголь; почва; водопрочные агрегаты, линейная усадка, объемная усадка.
Введение
Биоуголь - одна из активно изучаемых в настоящее время добавок, рассматриваемых как возможный улучшитель различных свойств почв, в том числе физических. Большая часть исследований в России и странах СНГ проводилась на почвах легкого гранулометрического состава (Ри-жия и др., 2015; Соколик и др., 2015, Кулагина и др., 2017, Литвинович и др., 2016). Вместе с тем бесструктурные почвы тяжелого гранулометрического состава также обладают рядом неблагоприятных физических свойств (Качинский, 1965). Например, тяжелые по гранулометрическому составу почвы отличаются большой усадкой. Усадка почвы представляет собой уменьшение объема почвы при высыхании (Растворова, 1983). При сильной усадке в почве образуются многочисленные трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается физическое испарение влаги. Уменьшить это неблагоприятное явление довольно сложно, но внесение биоугля по некоторым данным способно изменить данный показатель (Рижия и др., 2015).
Бесструктурные, тяжелые по гранулометрическому составу почвы также отличаются плохой водо- и воздухопроницаемостью, заплывают, образуют корку, при высыхании сильно растрескиваются. Свойства этих почв улучшаются при образовании водопрочной структуры (Качинский, 1965).
Цель исследования - оценка воздействия раз-
личных доз березового биоугля на усадку и количество водопрочных агрегатов в среднесуглини-стой серой лесной почве при инкубировании ее в течение 42 дней при оптимальной влажности.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлся биоуголь, полученный с применением установки быстрого пиролиза FPP02, которая является запатентованной разработкой компании ООО «Энерголеспром» (Грачев и др., 2009, 2013). Сырьем для биоугля послужили измельченные березовые отходы 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. Реакция среды водной вытяжки 5.4. Содержание доступного фосфора 32.2 мг/кг.
Почва, в которую вносился биоуголь - серая лесная среднесуглинистая из Верхнеуслонско-го района Республики Татарстан с содержанием гумуса 4.3% и реакцией среды солевой вытяжки 5.6. Для опыта использовался пахотный горизонт. Перед опытом почва была высушена, растерта и пропущена сквозь сито с отверстиями 1 мм.
В вегетационные сосуды (горшочки) помещалось по 400 г смеси почвы и биоугля с содержанием 2%, 5% и 10% от массы почвы. В качестве контроля использовалась почва без биоугля. Опыт
проводился в 3 повторностях. Сосуды помещали в вегетационную камеру с контролируемой температурой. В ходе эксперимента продолжительностью 42 дня в сосудах поддерживалась оптимальная влажность в 60% от полной влагоемко-сти для развития микробиологической деятельности. Уголь отдельно от почвы не инкубировался.
Определение водопрочности почвенных агрегатов проводили по П.И. Андрианову, величины линейной усадки, объемной усадки, влажности усадки - по результатам высушивания в алюминиевых формочках (Растворова, 1983).
Линейную усадку рассчитывали по формуле:
1у =
I
где 1у - линейная усадка,%; 11 - длина диагонали образца сырой почвы (длина диагонали формочки), см; 12 - длина диагонали образца почвы после усадки, см.
Объемную усадку находили по формуле:
Уу =
К-V
х100,
К
где Уу - объемная усадка, %; У1 - первоначальный объем почвы (объем формочки, см3; У2 - объем почвы после усадки, см3.
Влажность, соответствующую пределу усадки, рассчитывали по формуле:
Жу = Ж,-
100 (К-У2)
Р '
где Wу - влажность усадки, %; W1 - влажность, соответствующая верхней границе пластично-сти,%; У1 - первоначальный объем почвы (объем формочки, см3; У2 - объем почвы после усадки, см3; Р - масса сухой почвы после усадки, г.
Достоверность разницы определялась по параметрическим и непараметрическим показателям в зависимости от результатов проверки выборки на нормальность.
Результаты и их обсуждение
Величина объемной усадки исследованной серой лесной почвы без биоугля (контроль) в целом соответствует литературным данным для усадки пахотных почв тяжелого гранулометрического состава (Зеленеев, Протопопов, 2016). Величина
усадки почвы без добавок биоугля зависит от гранулометрического, минералогического состава и состава обменных катионов (Растворова, 2015; Шеин, 2005).
Внесение березового биоугля в серую лесную среднесуглинистую почву привело к значимому изменению линейной и объемной усадки при дозах биоугля 5 и 10% от веса почвы (рис. 1). При внесении 5 и 10% биоугля объемная усадка снизилась почти в 2 раза, линейная - примерно на 20% по сравнению с контролем. При концентрации биоугля 2% от веса почвы математическая обработка не показала достоверных отличий от контроля.
Следовательно, при внесении биоугля в количестве 5-10% от веса пахотного горизонта можно значительно уменьшить усадку суглинистых бесструктурных почв, а также образование трещин при высыхании и сопутствующие негативные явления.
Полученные результаты согласуются с данными Е.А. Рижей с соавторами, которые отмечали снижение величины усадки даже на легких дерново-подзолистых почвах при внесении биоугля в количестве, соответствующем 4т/га (Рижия и др., 2015). Авторы предлагают следующее объяснение уменьшения усадки: «внесение биоугля привело к появлению в почве твердых органических частиц, обладающих более высокой гидро-фильностью и эластичностью, чем ее минеральная твердая фаза, и, как следствие, к снижению суммарной усадки» (Рижия и др., 2015).
Влажность усадки достоверно отличается от контроля только при концентрации биоугля 10% (рис. 2). Возможно, это связано со скачкообразным изменением такого физического свойства почвы, как пластичность, в интервале между концентрацией биоугля 5 и 10% от веса почвы. Однако следует признать, что 10% от веса почвы - это очень большая доза, которая вряд ли найдет широкое применение в практике сельского хозяйства на больших площадях и возможна на небольших участках под особо ценные культуры.
В качестве тенденции наблюдается неподтвержденный статистически рост влажности усадки по сравнению с контролем (рис.2). В целом это согласуется с данными Е.А. Рижей с соавторами, которые отмечали рост влажности почвы при максимальной усадке при внесении биоугля по сравнению с контролем, однако изучали данные параметры при концентрации биоугля менее 5% (Рижия и др., 2015).
Водно-физические свойства суглинистых и глинистых почв, во многом определяющие их плодородие, зависят от их оструктуренности, и,
24
российский журннл ииой экологии
Контроль
2% 5%
Варианты опыта
■ Линейная усадка,% ■ Объемная усадка, %
Рис.1. Усадка почвы в зависимости от концентрации биоугля
Контроль
0,02 0,05
Варианты опыта
0,1
Рис. 2. Влажность усадки при разной концентрации биоугля
Контроль
2% 5%
Варианты опыта
Рис. 3. Водопрочность почвенных агрегатов при разной концентрации биоугля на 42 день опыта
особенно, от водопрочности почвенных агрегатов. При этом среди пахотных почв довольно часто встречаются бесструктурные почвы.
Водопрочность агрегатов в исследованной серой лесной среднесуглинистой почве возрастает по мере увеличения концентрации вносимого биоугля (рис.3). Варианты с 5% и 10% биоугля достоверно отличаются от контроля по количеству водопрочных агрегатов.
Согласно шкале, предложенной С.И. Долговым и П.У. Бахтиным (Долгов, Бахтин, 1966), состояние исследуемой почвы по количеству во-
допрочных агрегатов изменяется от плохого (контроль и 2% биоугля) до удовлетворительного (при дозе 10% биоугля). При концентрации 5% состояние почвы по количеству водопрочных агрегатов оценивается как неудовлетворительное.
Проведенными ранее исследованиями установлено, что внесение биоугля в количестве 2% от веса почвы способствует формированию и стабилизации водопрочных почвенных макроагрегатов к 60 дню опыта (Ouyang et al., 2013). Авторы считают, что на образование и стабилизацию макроагрегатов влияют органические вещества, включая продукты микробного синтеза. Биоуголь имеет большую внутреннюю поверхность и высокую макропористость, поэтому служит подходящей средой для микробного роста.
Усиление общей микробиологической активности или отдельных групп микроорганизмов при добавлении биоугля в почву подтверждены и нашими предыдущими исследованиями (Григо-рьян и др., 2016; Кулагина и др., 2018).
Лианг с соавторами (Liang et al. ., 2006) также пришли к выводу, что биоуголь при внесении в почву способствует образованию водопрочных агрегатов. По их мнению, различные материалы (например, минералы, органические вещества) с различными молекулярными размерами и химическими характеристиками, прикрепленными к поверхностям биоугля, могут служить в качестве связующих агентов для формирования и стабильности почвенных агрегатов.
Таким образом, наши результаты согласуются с полученными ранее данными и подтверждают положительное воздействие биоугля на структуру пахотных почв.
Заключение
Внесение биоугля в среднесуглинистую серую лесную почву способствует уменьшению линейной и объемной усадки. Для значимого уменьшения усадки среднесуглинистых почв достаточно внести 5% биоугля от веса пахотного горизонта.
Результаты 42-х дневного эксперимента показывают, что березовый биоуголь при внесении в почву способствует образованию водопрочных агрегатов, предположительно, за счет усиления микробиологической активности почв. Лучший результат был получен при внесении в почву 10% биоугля от веса почвы.
Березовый биоуголь можно рекомендовать для улучшения физических свойств бесструктурных суглинистых почв.
Список литературы
1. Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Забелкин С.А., Макаров
10%
10%
A.А., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г. Способ термической переработки органосодержащего сырья. Патент РФ №2395559. 2009.
2. Грачев А.Н., Макаров А.А., Забелкин С.А., Башкиров
B.Н. Термохимическая переработка лигноцеллюлозного сырья в биотопливо и химические продукты // Вестник технологического университета. 2013. Т. 16, №21. С. 109-111.
3. Долгов С.И., Бахтин П.У. Агрофизические методы исследования почв. М.: Колос, 1966. 156 с.
4. Литвинович А.В., Хаммам А.А.М., Лаврищев А.В., Павлова О.Ю. Мелиоративные свойства и удобрительная ценность различных по размеру фракций биоугля (по данным лабораторных экспериментов) // Агрохимия. 2016. №9. С 39-46.
5. Григорьян Б.Р., Грачев А.Н., Кулагина В.И., Сунгатул-лина Л.М., Кольцова Т.Г., Рязанов С.С. Влияние биоугля на рост растений, микробиологические и физико-химические показатели мало гумусированной почвы в условиях вегетационного опыта // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №11. С. 185-189.
6. Кулагина В.И., Сунгатуллина Л.М., Грачев А.Н., Ша-гидуллин Р.Р., Рязанов С.С., Забелкин С.А., Кольцова Т.Г. Оценка воздействия биоугля на микробиологические и некоторые физико-химические показатели серой лесной почвы // Российский журнал прикладной экологии. 2018. №2. С. 21-25.
7. Кулагина В.И., Григорьян Б.Р., Грачев А.Н., Рязанов
C.С. Влияние внесения биоугля на водопроницаемость и влагоемкость почв разного гранулометрического состава // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №11. С. 129-133.
8. Растворова О.Г. Физика почв. Практическое руководство. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1983. 196 с.
9. Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Белинец А.С., Балашов Е.В. Влияние биоугля на свойства образцов дерново-подзолистой супесчаной почвы с разной степенью окультуренности (лабораторный эксперимент) // Почвоведение. 2015. №2. С. 211-220.
10. Соколик Г.А., Овсянникова С.В., Иванова Т.Г., Попеня М.В., Войникова Е.В. Характеристика дерново-подзолистых почв после внесения биоугля // Весщ Нацыянальнай акадэми навук Беларуси Серыя хiмiчных навук. 2015. №2. С. 87-94.
11. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.
12. Ouyang L., Wang F., Tang J., Yu L., Zhang R. Effects of biochar amendment on soil aggregates and hydraulic properties // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2013. №13 (4). P. 991-1002.
13. Liang B., Lehmann J., Solomon D., Kinyangi J., Grossman J., O'Neill B., Skjemstad J.O., Thies J., Luiza F.J., Petersen J., Neves E.G. Black carbon increases cation exchange capacity in soils // Soil Science Society of America Journal. 2006. № 70. P. 1719-1730.
Grachev A.N., Kulagina V.I., Ryazanov S.S., Shagidullin R.R., Sungatullina L.M., Hisamova A.M., Zabelkin S.A. Influence of biochar application on shrinkage properties and water resistance of soil aggregates of the gray forest soil.
The effect of different doses of birch biochar on linear and volumetric shrinkage properties, and water resistance of soil properties was considered after application into the gray forest soil. The soil samples were incubated at the optimum humidity and temperature for 42 days after biochar application. It was shown that after the biochar application in the dose of 5-10% (by weight) the shrinkage of the medium loamy gray forest soil was significantly reduced: linear shrinkage reduced by 20%, bulk shrinkage - by 2 times. The research allowed toestablish that biochar application leads to an increase in quantity of waterproof aggregates in soil after 42 days of incubation. The maximal water resistance of soil aggregates was achieved at 10% biochar concentration.
Keywords: biochar; soil; waterproof soil aggregates; linear shrinkage; volumetric shrinkage.
Информация об авторах
Грачев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, E-mail: energolesprom@gmail.com.
Кулагина Валентина Ивановна, кандидат биологических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: viksoil@mail.ru.
Рязанов Станислав Сергеевич, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: erydit@yandex.ru.
Шагидуллин Рифгат Роальдович, член-корреспондент АН РТ, доктор химических наук, директор, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail:shagidullin_@mail.ru.
Сунгатуллина Люция Мансуровна, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: sunlyc@yandex.ru.
Хисамова Алина Маратовна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail:his.alina94@mail.ru.
Забелкин Сергей Андреевич, кандидат технических наук, доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68; старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: szabelkin@gmail.com.
Information about the authors
Andrey N. Grachev, D.Sc. in Technology, Professor, Kazan National Research Technological University, Karl Marx St., 68, Kazan, 420015, Russia, E-mail: energolesprom@gmail.com.
Valentina I. Kulagina, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: viksoil@mail.ru.
26
российский ЖУРНАЛ лриклллной экологии
Stanislav S. Ryazanov, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: erydit@yandex.ru.
Rifgat R. Shagidullin., D.Sc. in Chemistry, corresponding member of Tatarstan Academy of Sciences, director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: shagidullin_@mail.ru.
Lutsia M. Sungatullina, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: sunlyc@yandex.ru.
Alina M. Hisamova, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: his.alina94@mail.ru.
Sergey A. Zabelkin, Ph.D. in Technology, Associate Professor, Kazan National Research Technological University, 68, Karl Marx St., Kazan, 420015, Russia; Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: szabelkin@gmail.com.
