56 подписчиков

Биоуголь из мискантуса гигантского- потенциальное кремниевое удобрение

25 марта25 мар

4 мин

Оглавление

Проблемы использования традиционных кремниевых удобрений
Биоуголь из мискантуса гигантского - лучшая альтернатива
Заключение

Кремний (Si) играет важную роль в поддержании здоровья растений. Он укрепляет клеточные стенки, повышая механическую прочность стеблей и листьев, что уменьшает риск полегания и механических повреждений. Кремний также увеличивает устойчивость растений к различным стрессорам, таким как засухи, высокая температура, избыток солей и патогенные микроорганизмы.

Кроме того, кремний оказывает положительное влияние на поглощение растениями фосфора и других важных питательных веществ. Это связано с тем, что кремний способен образовывать комплексы с различными элементами, делая их более доступными для корней. Таким образом, кремниевые удобрения способствуют повышению эффективности использования минеральных удобрений и снижению их потерь через вымывание.

Проблемы использования традиционных кремниевых удобрений

На сегодняшний день традиционные кремниевые удобрения состоят в основном из силикатных шлаков и силикатных минералов (например, волластонита). Силикатный шлак, получаемый в результате металлургических процессов, содержит значительное количество кремния, но большая его часть находится в труднорастворимой форме. Это затрудняет усвоение элемента растениями и снижает эффективность удобрения. Более того, шлак может содержать тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий, которые представляют опасность для здоровья человека и экосистем.

Волластонит, напротив, характеризуется высоким содержанием легкоусвояемого кремния, но его добыча связана с высокими затратами и ограниченностью запасов. Кроме того, этот минерал не обладает дополнительными свойствами, такими как улучшение структуры почвы или сохранение органического вещества, что делает его менее привлекательным по сравнению с многокомпонентными удобрениями.

Биоуголь из мискантуса гигантского - лучшая альтернатива

Одной из наиболее перспективных альтернатив традиционным кремниевым удобрениям является биоуголь, полученный из мискантуса гигантского.

Рис.3. Биочар. Источник фото: Яндекс картинки

В 2013 году в сравнительном эксперименте, проведенном бельгийскими учеными, были изучены свойства трех типов биоугля из кофейной шелухи (BC), древесного материала (BW) и соломы мискантуса гигантского (BM). Данные образцы биочара были внесены в почву в двух концентрациях - 1% и 3%. (см.Таб.1).

Таб.1.Химический состав биоугля из кофейной шелухи (BC), древесного материала (BW) и соломы мискантуса гигантского (BM). Источник фото: https://www.researchgate.net

Полученные результаты показывают, что биоуголь из соломы мисканта-гиганта был наиболее привлекательной добавкой. Его внесение в количестве 3% улучшило параметры плодородия почвы:

1) повысился уровень рН (см.Таб.2), что значительно облегчает доступ питательных веществ для роста растений;

Таб.2. Основные характеристики необработанной почвы и смеси земли с биоуглем в конце 76-дневного инкубационного эксперимента. Источник фото: https://www.researchgate.net

2) уменьшилось количество высвобождаемого CO2-С (см.Рис.4) спустя 14 дней эксперимента;

Рис. 4. Общее количество CO2-С, высвобождаемого после 14 и 76 дней инкубации необработанной почвы и почвы, обогащенной 1 % или 3 % биоугля из кофейной шелухи (BC), древесного материала (BW) и соломы мискантуса гигантского (BM). Источник фото: https://www.researchgate.net

3) в конце эксперимента по сравнению с необработанной почвой количество кумулятивного CO2-С уменьшилось в 8 раз (см.Рис.5);

Рис.5. Суммарное количество углерода (C), минерализованного на 1 г углерода в почве (мг CO2-C.gC−1)в течение 76 дней в необработанную почву и в почве с добавлением 1 % или 3 % биоугля, полученного из кофейной шелухи (BC), древесных материалов (BW) и соломы мискантуса гигантского (BM).Источник фото: https://www.researchgate.net

Помимо улучшения параметров плодородия почвы, внесение образца 3% биоугля мискантуса гигантского в почву обеспечило максимальное среднее время удержания углерода (С) в почве (50 лет) (см. Рис.6), что доказывает эффективность данного удобрения в процессах секвестрации углерода почвы.

Рис. 6. Суммарное количество Si, выделяющегося с течением времени при последовательном извлечении с использованием 0,01 М CaCl2. Источник фото: https://www.researchgate.net

Данный результат исследователи объясняют тем, что биоуголь, полученный из трав C4, к которым относится мискантус гигантский, содержит больше органического углерода, заключенного в фитолитах, чем биоугли, полученные из растений С3, в том числе древесины. По сравнению с другими компонентами органического углерода почвы, этот поглощенный углерод, как было показано, более устойчив к разложению (см. Таб.3).

Таб. 3. Скорость распада углерода (k), полученная с использованием
уравнения распада первого порядка, которое моделирует содержание углерода, остающегося в почвах в момент времени t. Источник фото: https://www.researchgate.net — Таб. 3. Скорость распада углерода (k), полученная с использованием уравнения распада первого порядка, которое моделирует содержание углерода, остающегося в почвах в момент времени t. Источник фото: https://www.researchgate.net

Что качается биодоступности кремния, то в проведенном эксперименте в образце почвы, обогащенной 3% биоуглем мискантуса гигантского, была зафиксирована максимальная скорость высвобождения биологически доступного кремния (25,8 мг/кг*ln(мин)-1) (см. Таб. 4).

Таб. 4. Параметры модели Эловича, используемые для описания
кинетики высвобождения Si в 0,01 М CaCl2. Источник фото: https://www.researchgate.net — Таб. 4. Параметры модели Эловича, используемые для описания кинетики высвобождения Si в 0,01 М CaCl2. Источник фото: https://www.researchgate.net

Помимо этого, результаты анализа SEM-EDS (см. Рис. 7) подтвердили наличие в биочаре мискантуса гигантского большого количества кремния в виде фитолитов, чего не наблюдалось в других образцах биочара из шелухи кофейных зёрен и древесины.

Рис. 7. Репрезентативные изображения под сканирующим электронным микроскопом (SEM) частиц биоугля из (а, b) кофейной шелухи, (c, d) древесного материала и (е, f) и соломы мискантуса гигантского (Miscanthus × giganteus). Красные точки на карте элементов SEM-EDS указывают на наличие Si.

Заключение

Таким образом, сравнение биоугля, полученного из трех разных видов растительного сырья, показало, что биоуголь из мискантуса гигантского является наиболее эффективным удобрением. Его добавление в почву в количестве 3% не только улучшает ряд показателей плодородия почвы, но также обеспечивает самое длительное удержание углерода в почве и самую высокую скорость высвобождения биологически доступного кремния. Эти данные подчеркивают перспективность использования биоугля из мисканта-гиганта в агротехнике для повышения продуктивности почв и улучшения экологических характеристик сельского хозяйства.

_________________________________________________________________________________________

Первоисточник публикации - David Houben, Philippe Sonnet, Jean-Thomas Cornelis. Biochar from Miscanthus: A potential silicon fertilizer/ January 2013 .- Plant and Soil 374(1-2):1-12.