CC BY
51С Е Л Ь С К О Х О З Я Й С Т В Е Н Н Ы Е
НАУКИ
УДК 63
Л.Р. Шафигуллина
РАЗЛИЧНЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЧАРА
Поддержание благоприятного микробиологического и физического состояния почв с помощью новых рациональных мероприятий относится к числу приоритетных направлений устойчивого землепользования. В настоящее время возрастает интерес к биочару как к перспективному и недорогому органическому удобрению. Данный интерес связан с экологическими проблемами: изменением климата, растущим парниковым эффектом, а также снижением почвенного плодородия. Применение биочара в качестве органического удобрения — один из перспективных способов повышения качества и устойчивости почв
Ключевые слова: биочар, пиролиз, почвенное плодородие, органическое удобрение.
© Шафигуллина Л.Р., 2020.
Биочар - это органическое вещество, продукт пиролиза, проведенного в условиях низкого или нулевого содержания кислорода органического материала. При данных условиях пиролиза происходит образования стойкого высокоуглеродистого соединения, подходящего для использования в качестве почвенной добавки. Сырьем для получения биочара могут служить отходы животноводства, сельского хозяйства, осадки сточных вод и пр. [1]
Трудности изучения биочара и его влияния на почву связаны с тем, что биочар может обладать очень разными свойствами в зависимости от используемого сырья и режима термической обработки. [1] Термохимическое разложение органического вещества превращает биомассу в биочар в отсутствие кислорода при высоких температурах и давлениях. Этот процесс необратимо меняет химический состав и физическое состояние органического вещества, структурные строительные блоки из биомассы (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и пектин) подвергаются сшиванию, деполимеризации и фрагментации при различных температурах в процессе пиролиза.[2] Процесс пиролиза приводит к снижению содержания органического углерода и к увеличению содержания зольных элементов в биочаре по сравнению с исходным субстратом, причем эффект зависит от температурного режима процесса.
С повышением температуры пиролиза содержание углерода в биочаре увеличивается, а содержание водорода и кислорода уменьшается (поэтому полярность биочара уменьшается). В пределах от 400 до 700 ° C повышением температуры пиролиза приводит к повышению соматичности и гидрофобности биочара, а также более высокая удельная площадь поверхности и объем пор. Биочар, полученный при высокой температуре, обусловлен высокой площадью поверхности и микропористостью, тогда как более низкая температура обеспечивает биочару низкую адсорбционную способность. [3]
Мухаммед и соавт. и Дж. Чжан и соав. сообщили, что выходы биоуглевых и кислотных функциональных групп снижались с повышением температуры пиролиза, в то время как зольность, рН и стабильность углерода увеличились. Увеличение рН с увеличением температуры пиролиза можно объяснить тем, что происходит восстановление органических функциональных групп, таких как -COOH и -OH. Юань и соавт. вносили 10 г / кг 9 различных видов биочара в почву и обнаружили, что через 60 дней рН почвы увеличился на 0,59-1,05 в зависимости от применяемого биочара
В работе Н.П. Бучкина в соав. «Изменение биологических и физических параметров почв разного гранулометрического состава после внесения биоугля» рассматривается сравнение эффекта биочара, образованного быстрым и медленным пиролизом биомассы, на гидрофизические свойства, нитрификацию и денитрификацию в почвах с разным гранулометрическим составом. В опытах использовали биочар, произведенный из древесных остатков в реакторах разного типа. В результате исследований было показано сравнение эффекта биочара, полученного медленным(биочар1) и быстрым пиролизом(биочар2). Внесение биочара1 и биочара2 в большей степени способствовало повышению водоудерживающей способности супесчаной, чем тяжелосуглинистой почвы во всем диапазоне потенциалов влаги. При этом увеличение во-доудерживающей способности обеих почв было более высоким при использовании биочара, полученного быстрым пиролизом. Добавление биочар1 вызвало достоверное (p < 0,01), биочар2 — недостоверное снижение интенсивности нитрификации в тяжелосуглинистой почве. Оба исследованных биочара не оказали влияния на интенсивность нитрификации в супесчаной почве. Применение биочара в качестве удобрения, возможно, будет более эффективным для снижения эмиссий N2O в результате денитрификации в почвах легкого, чем тяжелого гранулометрического состава.
Состав биочара (количество углерода, азота, калия, кальция и др.), также напрямую зависит от используемого сырья. Например, при производстве биочара из сырья с высоким содержанием калия (при добавлении экскрементов животных), продукт будет содержать больше калия, чем биочар, произведенный целиком из дерева (который часто имеют более высокие значения содержания углерода).[4] В качестве сырья для производства биочаров могут использоваться различные виды биомассы, такие как отходы деревообработки, коммунальное хозяйство, отходы, осадки сточных вод, отходы животноводства и сельскохозяйственного производства. Вид вещества, которое используется в качестве сырья, также влияет на свойства биочара. В связи с этим, важность правильного выбора сырья, так как в впоследствии он будет определять свойство биочара. Зола биологического углерода содержит щелочность металла, и, таким образом, pH биочара отражает содержание золы , тогда как катионообменная емкость (CEC) биочара связана с площадью его поверхности, наличием карбоксильных функциональных групп, используемым сырьевым материалом биомассы и температурой приготовления.
Биочар может улучшить такие свойства почвы, как ионообменная емкость, пористость, влагоудер-живающая способность, удержание питательных веществ. Применение биочара может повлиять на круговорот углерода азота в почве. Данные преимущества играют большую роль, поскольку они определяют агрономическую производительность, решая проблемы, связанные с земледелием на бедных питательными веществами почвах.
Преимущества биочара перед традиционными удобрениями:
• высокая теплотворная способность (20-30 МДж/кг);
• низкое содержание токсичных веществ (серы и тяжелых металлов);
• высокая эффективность сгорания;
• низкая эмиссия NOx;
• высокая температура плавления золы (1400°С) обеспечивает устранение проблем, связанных со спеканием биомассы и шлакованием в котлах;
• высокая энергетическая плотность, благодаря которой снижаются транспортные расходы, требуются меньшие объемы складских помещений;
• возможность длительного хранения без изменений свойств;
• высокая гидрофобность, что позволяет обходиться без особого режима хранения.
• чрезвычайно пористая природа биочара эффективна для сохранения как воды, так и водорастворимых питательных веществ.
Биочар достаточно устойчивый материал и может консервироваться и удерживаться в почве очень долгое время. При использовании биочара увеличивается пористость почвы, доступность в почве кальция, магния, фосфора и калия, влагоудерживающая способность почвы, аэрированность, что весьма благоприятно для корневой системы и способствует ускорению роста растений. .Биочар может использоваться как сам продукт или как ингредиент в смешанном продукте, с широким спектром применения в качестве агента для улучшения почвы, повышения эффективности использования ресурсов, восстановления или защиты от конкретного загрязнения окружающей среды, а также в качестве канала для парниковых газов [5]
Скелетная структура биочара состоит в основном из углерода и разных размеров пор. Поры несут ответственность за площадь поверхности и высокую поглощающую способность, адсорбции жидкости и аэрации. Размер и структура пор в биочаре зависит от состава исходных материалов и принятой температуры во время образования биочара. Морфология и распределение пор по размерам биочара из разных видов сырья можно исследовать путем сканирования электронной микроскопией (СЭМ). Пористая структура биочара состоит из многочисленных ароматических соединений и других функциональных групп, которые производятся из биомассы на основе лигнина. Эти пористые конструкции используются в качестве траншей для стока питательных веществ, содержащихся в почве; они также служат убежищем для почвенных микробов.
К сожалению, помимо этих преимуществ, биочар может содержать загрязняющие вещества, которые несут риск их попадания в почву во время его производства (например, осаждение выбрасываемых ПАУ). В зависимости от степени чистоты сырья, используемого для производства биочара и способа его производства, биочар может также содержать тяжелые металлы, такие как Си, Pb, О", Ми, № или различных органических загрязнителей, таких как олициклические ароматические углеводороды (ПАУ), диоксины и фураны, фенолы и органические кислоты. Несмотря на вышеупомянутые недостатки, интерес к применению биочара в различных сферах жизни растет. Проблемы с производством продуктов питания в некоторых регионах мира требует поиска новых и более эффективных средств их решения. Устойчивое сельское хозяйство заменяет химические удобрения органическими в виде биочара.
Использование биочара процветает как в России, так и в других странах. Он применяется сельскохозяйственными предприятиями стран Польши, Германии, Франции, Болгарии, Чехии, Словакии, Великобритании, Китая, странами Латинской Америки и Африки, некоторые применяют его более 50-ти лет. По некоторым оценкам, в Соединенных Штатах продажи биочара выросли за последние несколько лет, а с 2008 года ежегодно увеличиваются втрое. А страны от Китая до Швеции используют биочар на сельскохозяйственных полях и городских газонах.
Установлено, что биочар способствует повышению активности группового и функционального разнообразия в почвенном микробном сообществе [6]
Основными прямыми эффектами применения биочара являются увеличение рН, катионообменной способности и содержания органического углерода почвы. Данные факторы индуцируют изменения в составе почвенного микробного сообщества и интенсивности выделения парниковых газов из почв, а также влияют на подвижность элементов питания растений и урожайность сельскохозяйственных культур. Внесение биочара способствует изменению почвенных условий в благоприятную для нитрификаторов сторону благодаря усилению аэрации и увеличению рН почв, а также адсорбции ингибиторов нитрификации . Большинство видов биочара имеют нейтральную или щелочную кислотность и, как показали многочисленные полевые эксперименты, способны повышать рН кислых почв. Из этого следует, что положительное воздействие биочара на почвы и рост растений может быть связано с эффектом известкования [7] Преимущество эффекта известкования включают в себя оптимизацию доступности питательных веществ и их использования, снижение содержания некоторых токсичных для роста растений элементов, таких как А13+ и Ыи2.
Внесение биочара в почву влияет на изменение физических свойств почв [8] К прямым воздействиям биочара на почвы относятся изменения фильтрационной способности и влагозапаса почв, запаса доступной для растений влаги [9] Изменения в содержании доступной почвенной влаги влияют на ход микробиологических процессов , в том числе тех, которые связаны с образованием парниковых газов (CO2, N2O и CH4), на активность почвенной фауны, доступность питательных веществ, выщелачивание растворенных веществ. [10] Внесение биочара в тяжелые по гранулометрическому составу почвы способствует изменению их физических свойств: снижению плотности сложения почвы, увеличению порозности, повышению водоудерживающей способности, влагопроводности почв, а также к улучшению водопотреб-ления растениями, снижению эмиссии CH4 и N2O благодаря улучшенному дренажу [11] Поровое пространство биочара служит убежищем для микоризных грибов и для микроорганизмов. Считается, что именно с этим связано влияние биочара на рост микробной биомассы, а также рост ее активности. Усиленная микробиологическая активность, выраженная в росте эмиссии угле кислого газа за счет усиленного разложения органического вещества и связанного с этим высвобождения питательных веществ, являются важным фактором, влияющим на плодородие почв и урожайность Положительное влияние на почвенное дыхание наблюдается только в короткие сроки за счет доступного органического вещества биочара, а затем в дальнейшем биочар может рассматриваться как часть пула почвенного ОВ устойчивого к окислению [12]
В большинстве экспериментов, внесение биочара в почву приводило к повышению урожайности сельскохозяйственных культур [3,7]. В исследованиях Леманна и Rondon указаны оптимальные дозы внесения биочара. По их данным, максимальный эффект был достигнут при внесении от 20 % до 220 % биочара в почву (по массе).
Библиографический список
I.G.K. Gashikovich, S.E. Vasilyevna, G.B. Rubenovich,A.A. Valeeva. The possibility of use research methods of soil organic matter for assess the biochar properties//Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences.-2015.-№6(4).-С.194-201
2.Sohi SP, Krull Lopez-Capel E, Bol R A review of biochar and its use and function in soil // Adv Agron . - 2009. -№105. - С. 47-82.
3.Kolodynska D Kinetic and adsorptive characterization of biochar in metal ions removal // Chem Eng J . - 2012. -№197. - С. 295-305.
4.Доспехов Б.А. Методика полевого опыта . - 5-е изд. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351 с.
5.Влияние гуминового удобрения на структуру и микробиологическую активность чернозема // URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 15.05.2020)
6.Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Белинец А.С., // Cyberleninka URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 20.05.2020).
7.Литвинович, А.В. Мелиоративные свойства и удобрительная ценность различных по размеру фракций биоугля (по данным лабораторных экспериментов) / А.В. Литвинович, А.А.М. Хаммам, А.В. Лаврищев, О.Ю.Павлова // Агрохимия. - 2016. - №9. - С. 46-53
8.Masiello, C.A. Biochar effects on soil hydrology / C.A. Masiello, B. Dugan, C.E. Brewer. // Biochar for Environmental Management: Science, Technologyand Implementation / 2nd edition Edited by J. Lehmann, S. Joseph. - Routledge, 2015 - P. 543-563.
9.Kinney, T.J. Hydrologic properties of biochars produced at different temperatures / T.J. Kinney, C.A. Masiello, B. Dugan, W.C. Hockaday, M.R. Dean, K. Zygourakis, R.T. Barnes // Biomass and Bioenergy. - 2012. - №41. - P. 34-43.
10.Van Gestel, M. Microbial biomass responses to seasonal change and imposed drying regimes at increasing depths of undisturbed topsoil / M. van Gestel, J.N. Ladd, M. Amato // Soil Biology and Biochemistry. - 1992. - №24. - P. 103-111
II.Zhang, A. Effects of biochar amendment on soil quality, crop yield and greenhouse gas emission in a Chinese rice paddy: a field study of 2 consecutive rice growing cycles / A. Zhang, R. Bian, G. Pan // Field and Crop Research. - 2012. -№127. - P. 153-160
12.Lehmann, J. Biochar effects on soil biota — a review / J. Lehmann, M.C. Rillig, J. Thies // Soil Biology and Biochemistry. - 2011. - №43. - P. 1812-1836.
ШАФИГУЛЛИНА ЛИЯРЕНАТОВНА - магистрант, Казанский федеральный университет, Россия.
