CC BY
21
УДК 631.4:631.46
1В.И. Кулагина, 1Л.М. Сунгатуллина, 2А.Н. Грачев, 1Р.Р. Шагидуллин,
1С.С. Рязанов, 1,2 С.А. Забелкин, 1Т.Г. Кольцова
'Институт проблем экологии и недропользования АН PT,viksoil@mail.ru 2Казанский национальный исследовательский технологический университет
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ БИОУГЛЯ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕРОЙ
ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ
Рассмотрено соотношение групп почвенных микроорганизмов, а также содержание общего азота и доступного фосфора при разных дозах внесения березового биоугля в серую лесную почву на 42 день инкубации образцов при оптимальной влажности и температуре. Показано, что максимальное количество микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота, наблюдается при дозе биоугля 10%. Наибольшее развитие микромицетов отмечено при дозе биоугля 5%. Проведенные исследования позволили установить, что при увеличении дозы биоугля от 2 до 10% от веса почвы к 42 дню опыта происходит усиление процессов иммобилизации азота и фосфора.
Ключевые слова: биоуголь; лабораторный опыт; доступный фосфор; общий азот; почвенные микроорганизмы.
Введение
Биоуголь - это твердый продукт с высоким содержанием углерода, полученный путем термического разложения органической биомассы в отсутствии окислительной среды (Григорьян и др., 2016; Рижия и др., 2015).
В настоящее время во многих странах мира проводятся исследования по использованию биоугля в сельском хозяйстве для улучшения свойств почв. Биоуголь оказывает многостороннее воздействие на почву, изменяя ее химические, физико-химические и физические свойства. При этом сравнительно мало информации о его влиянии на важнейший компонент наземных экосистем, который играет ключевую роль в круговороте питательных веществ, а именно -на микробное сообщество почвы (Rutigliano et а1., 2014). Имеющиеся данные не однозначны.
Согласно большинству исследований, биоуголь стимулирует активность микроорганизмов (Krishnakumar et а1., 2014). Согласно исследованиям, проведенным в Италии, биоуголь стимулировал активность микроорганизмов в почве, не вызывая каких-либо видимых нарушений в микробном сообществе, но этот положительный эффект был очень недолгим (Rutig1iano et а1., 2014).
Другие исследователи отмечают, что изменяется не только активность, но и соотношение групп микробного сообщества. Например, биоуголь стимулирует развитие почвенных плесневых грибов и аэробных целлюлозоразлагающих бак-
терий, являющихся активными потребителями азота и подавляющих рост азотобактера (Рижия и др., 2015).
Ранее было показано, что наблюдается значительная разница по микробиологическим показателям в почвах в зависимости не только от дозы внесения биоугля, но и от выращиваемой культуры (Григорьян и др., 2016). По-видимому, это связано с различием состава и количества корневых выделений каждой культуры.
Для изучения механизма воздействия биоугля на микробное сообщество без искажений необходимо провести эксперимент без использования высших растений.
Цель исследования - оценка воздействия различных доз березового биоугля на микробиологические и некоторые физико-химические показатели в среднесуглинистой 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: влаж-
ность - 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.
По истечении 42 дней инкубации произвели микробиологический посев для определения общего микробного числа, определения количества актиномицетов, микромицетов, микроорганизмов, потребляющих аммиачные формы азота, пе-дотрофов (Теппер и др., 2003).
Содержание доступного фосфора определялось по методу Чирикова, содержание валового азота - колориметрическим методом (Аринушки-на, 1962; Воробьева, 1998).
Результаты и их обсуждение
Внесение березового биоугля в серую лесную среднесуглинистую почву не привело к значимому изменению общего микробного числа, по которому судят о биологической активности почвы (рис.1). Математическая обработка результатов не показала достоверных отличий между контролем и всеми вариантами опыта. Полученный результат достаточно интересен, поскольку отличается от результатов большинства исследований, полученных в лабораторных и мелкоделяночных опытах, проводившихся с использованием посевов сельскохозяйственных культур. Полученные результаты ближе всего к данным итальянских исследователей, которые отмечали, что стимулирующий эффект может быть краткосрочным и через некоторое время уже не обнаруживается (Rutigliano et а1., 2014). По-видимому, при отсутствии корневых выделений растений результат может быть еще более краткосрочным. Корневые выделения обеспечивают микробное сообщество
быстроразлагаемыми органическими веществами, в том числе содержащими азотистые соединения. Азотфиксирующие микроорганизмы живут в почве в симбиозе с бобовыми растениями. Благодаря этому в более ранних опытах при внесении 2% березового биоугля под посевы гороха общее микробное число возрастало по сравнению с контролем в 8.5 раз (Григорьян и др., 2016). Воздействие биоугля на микробное сообщество при отсутствии корневых выделений и удобрений, по-видимому, имеет несколько иной механизм.
Возможно, внесение биоугля не оказало значимого влияния на общее микробное число также потому, что используемая в опыте серая лесная почва изначально имела высокую биологическую активность. Согласно шкале Д.Г. Звягинцева, контрольная почва очень богата микроорганизмами (Звягинцев, 1978).
Также следует учесть, что состав микробного сообщества весьма разнообразен, разные группы микроорганизмов проявляют неодинаковый отклик на внесение биоугля и соответствующие изменения свойств: одни могут испытывать угнетение, другие, наоборот, стимуляцию при разных дозах внесения биоугля. В связи с этим общая численность микроорганизмов выравнивается и не имеет достоверных отличий на вариантах опы-
Численность микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота (посев на КАА -крахмал-аммиачном агаре), при внесении биоугля достоверно отличается от контроля только при дозе 10%. В этом варианте опыта их численность примерно в 2 раза выше, чем в контроле (рис. 2).
Проведенными ранее исследованиями установлено, что «превращение азотсодержащих соединений по пути минерализации или иммобилизации полностью определяется соотношением
Контроль 2% 5% 10%
Варианты опыта
Рис. 1. Общее микробное число в зависимости от концентрации биоугля
22
российский журннл ииой экологии
18 -Г 16 -14 --
я
I
й
^ 1? ^ и 12
° Й 10
&0 10
«
я «
* О О ^ и н
г я
ч
3
8 6
Контроль 2% 5%
Варианты опыта
10%
Рис.2. Количество микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота, при разной концентрации биоугля. Синим цветом обозначены микроорганизмы, потребляющие минеральные формы азота; зеленым -актиномицеты
азота и углерода в органическом веществе, вносимом в почву» (Емцев, Мишустин, 2008). При внесении в почву массы, богатой углеводами и бедной азотом, происходит потребление минерального азота. При соотношении С:К более 25 азот будет полностью иммобилизован клетками микроорганизмов. В какой-то мере иммобилизация полезна, так как азот при этом не теряется из почвы, хотя становится временно недоступен растениям.
Конечно, большая часть биоугля может сохраняться в почве столетиями без переработки микроорганизмами. Но в его составе есть и лабильные, легкоокисляемые органические вещества, доступные для разложения (Гиниятуллин и др., 2015). С биоуглем в почву вносится очень небольшое количество азота. Валовое содержание азота в березовом биоугле около 0,3%, то есть соотношение С:К очень широкое, около 300. Е.Я. Рижия с соавторами (Рижия и др., 2015)отмеча-ли, что уменьшение эмиссии К2О из почв может быть обусловлено широким соотношением С:К в биоугле.
Если рассмотреть графики численности микроорганизмов, потребляющих минеральный азот, через 42 дня инкубирования, можно заметить, что с увеличением дозы биоугля их количество растет (рис. 2), а при дозе биоугля 10% наблюдается статистически достоверный всплеск численности 0=12.57, п=4, р=0.000057).
Количество актиномицетов, высеянных на том же КАА, но подсчитанных отдельно, оказалось наименьшим при дозе биоугля 2%. В данном случае этот вариант достоверно отличается от контроля 0=5.475, п=4, р=0.002). При увеличении
н я я
Я I
I
а
«
о О
Контроль 2% 5%
Варианты опыта
10%
Рис. 3. Содержание общего азота и доступного фосфора в почве в зависимости от концентрации биоугля. Синим обозначено содержание общего азота; зеленым -содержание доступного фосфора
дозы биоугля количество актиномицетов увеличивается и от показателей контроля достоверно не отличается (рис. 2). С увеличением дозы биоугля актиномицеты составляли все меньшую долю от микроорганизмов, потребляющих минеральный азот. Аналогичный результат наблюдался и при проведении опытов с участием высших растений (Григорьян и др., 2016).
Расчет коэффициента минерализации и иммобилизации по Е.Н. Мишустину (1956) свидетельствует о том, что в контроле (почва без внесения биоугля) преобладают процессы минерализации, коэффициент минерализации К меньше единицы 0.7. С увеличением дозы биоугля К увеличивается. При дозе 2% минерализация уменьшается по сравнению с иммобилизацией и почти приходит в равновесное состояние (К=0.9). При дозе биоугля 5% минерализация и иммобилизация находятся в равновесии (К=1). При дозе биоугля 10% на 42 день инкубации преобладает иммобилизация азота (К=1.5).
В контроле содержание общего азота на 42 день опыта было минимально, что говорит о самой интенсивной эмиссии N2O и потерях азота из почвы (рис. 3).
При внесении биоугля содержание общего азота в почве на 42 день опыта выше, чем на контроле, что согласуется с данными других исследователей о том, что биоуголь способствует снижению эмиссии N20 из почв (Рижия и др., 2015; Krishnakumar etal., 2014). Максимальное содержание общего азота наблюдается на варианте с дозой биоугля 2%. По-видимому, это связано с разной скоростью и интенсивностью процессов минерализации и иммобилизации при разных до-
0
я
I
я и
в. и 8 И & О я ^
г
я -
¿2
8 у
7 -■ 6 -5 -4 3 2 1 0
Контроль 2%
5%
10%
г
я -
£
45 40 35
я
I
я
и 30 в и 30
° М 25
&0 25
я «
Варианты опыта
20 15 10
Контроль 2% 5%
Варианты опыта
10%
Рис. 4. Количество микромицетов в почве в зависимости от концентрации биоугля
зах биоугля. Возможно, для уменьшения эмиссии К2О из почв не обязательно или, наоборот, не следует вносить слишком большие дозы биоугля.
Распределение содержания доступного фосфора по вариантам опыта на 42 день инкубирования коррелирует с распределением общего азота (рис.3). Наименьшее его содержание обнаруживается на контроле, максимальное - в варианте с дозой биоугля 2%. При увеличении дозы биоугля содержание доступного фосфора в почве снижается, то есть происходит его иммобилизация.
Микромицеты - микроскопические грибы, являющиеся неотъемлемой частью почвенной ми-кробиоты. Они принимают участие в разложении органических веществ, в том числе таких сложных соединений как целлюлоза и лигнин (Ем-цев, Мишустин, 2008). Микромицеты активно участвуют в разложении органических остатков, синтезе и минерализации гумуса, освобождении элементов корневого питания растений, в круговороте азота (Шляужене, 1983). Максимальное количество микромицетов наблюдалось после 42 дней инкубации при оптимальной влажности на варианте с внесением 5% биоугля (рис.4). На этом варианте численность микромицетов достоверно отличалась от контроля ^=2.90,п=4, р=0.03). При дозе биоугля 10% численность микромицетов снижалась.
Количество педотрофов, то есть организмов, способных разлагать лабильное органическое вещество почвы, выращенных на почвенном агаре, также было максимально на варианте с внесением 5% биоугля, только проявлялось это в качестве тенденции (рис.5). Математическая обработка результатов не показала достоверной разницы с контролем ни на одном из вариантов опыта.
Обнаружение максимальной численности двух последних групп микроорганизмов в вари-
Рис. 5. Количество педотрофов в почве в зависимости от концентрации биоугля
анте опыта с 10% биоугля логично объяснило бы высвобождение минерального азота из органических соединений и двукратное увеличение численности микроорганизмов, потребляющих минеральный азот. Однако при полученных нами результатах мы можем только высказать предположения о возможных причинах этого явления. Возможно, 42 дня слишком большой срок, а увеличение численности микромицетов и педотро-фов именно на варианте с 10% было самым краткосрочным. Они успели высвободить минеральный азот лабильных органических соединений, после чего их численность снизилась. В пользу этого говорит снижение содержания общего азота в варианте с дозой биоугля 10% по сравнению с вариантами 2% и 5%. Однако точное установление механизмов этого процесса требует дополнительных исследований.
Выводы
1. Внесение березового биоугля в серую лесную среднесуглинистую почву в количестве 2-10% достоверно не повлияло на общую активность микробного сообщества, хотя соотношение отдельных групп микроорганизмов при внесении различных доз биоугля изменилось.
2. Максимальное развитие микромицетов и педотрофов наблюдается в варианте опыта с внесением 5% биоугля, а микроорганизмов, потребляющих минеральный азот - в варианте 10%.
3. Коэффициент минерализации и иммобилизации свидетельствует о том, что на 42 день опыта с увеличением дозы биоугля преобладание процессов минерализации сменяется преобладанием процессов иммобилизации азота.
4. При увеличении дозы биоугля от 2 до 10% от веса почвы происходит усиление процессов
24
российский журннл лриклнлной экологии
иммобилизации доступного фосфора.
5. С точки зрения доступности фосфора и уменьшения эмиссии соединений азота из почвы, по-видимому, наиболее рациональным является внесение биоугля в количестве не более 2% от веса почвы.
Список литературы
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1962. 491 с.
2. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 272 с.
3. Гиниятуллин К.Г., Смирнова Е.В., Григорьян Б.Р.Ис-пользование биоугля как нового органического удобрения для долговременного увеличения плодородия почв //Тр. XV Междунар. симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Казань, 2015.С. 301-304.
4. Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Забелкин С.А., Макаров
A.А., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г. Способ термической переработки органосодержащего сырья // Патент РФ №2395559. 2009.
5. 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.
6. 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.
7. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология: учебник для вузов. М.:Дрофа, 2008. 444 с.
8. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. №6. С.48-54
9. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и плодородиепочвы. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 342 с.
10. 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) // Почвоведе-
ние. 2015. № 2. С. 211-220.
11. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М.: Дрофа,2003. 256 с.
12. Шляужене Д.Ю. Микромицеты в почвах, занятых бобовыми травами и кормовыми злаковыми культурами: Дисс. ... канд. биол. наук.Вильнюс, 1983. 134 с.
13. Krishnakumar S., Rajalakshmi A.G., Balaganesh B., Manikandan P., Vinoth C., Rajendran V. Impact of Biochar on Soil Health // International Journal of Advanced Research. 2014. V. 2, Iss. 4 . Р. 933A950.
14. Rutigliano F.A., Romano M., Marzaioli R., Baglivo I., Baronti S., Miglietta F., Castaldi S. Effect of biochar addition on soil microbial community in a wheat crop // European Journal of Soil Biology. 2014. V. 60. P. 9-15.
Kulagina V.I., Sungatullina L.M., Grachev A.N., Shagidullin R.R., Ryazanov S.S., Zabelkin S.A., Koltsova T.G. Impact assessment of biochar on the microbiological and some physic-chemical pa-rametersof grey forest soil.
Grey forest soil was incubated for 42 days at optimal humidity and temperature after the application of different doses of birch biochar. After the incubation the ratio of soil microbiota groups, as well as the total content of nitrogen and available phosphorus were considered. The maximum number of microorganisms that consume mineral forms of nitrogen was observed at the dose of 10% biochar. The greatest development of micromycetes was observed at the dose of 5% biochar. The conducted studies allowed to establish that the increase of the biochar dose from 2 to 10% of the soil weight enchanced the processes of nitrogen and phosphorus immobilization after the 42 days of incubation.
Keywords: biochar; laboratory experiment; available phosphorus; total nitrogen; soil microorganisms.
