Накопление биогенных элементов и тяжелых металлов в системепочва-растение при внесении древесного биоугля
|
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 7
Основные биогенные элементы в агроэкосистемах 7
Азот 9
Фосфор 14
Калий 17
Накопление тяжелых металлов в сельскохозяйственных почвах и растениях 20
Тяжелые металлы в почвах 20
Накопление тяжелых металлов в почвах 22
Вынос тяжелых металлов растениями из почв 23
Древесный биоуголь 25
Основные способы производства биоугля 26
Важные характеристики биоугля 30
Виды биоугля 34
Влияние биоугля на накопление тяжелых металлов в почвах 35
Глава 2. Объекты и методы по тематике исследования 39
Объекты 39
Почвенные характеристики объекта исследования 39
Схема опыта и описание выращиваемых культур 43
Характеристика биоугля 44
2.2. Методы исследования 45
Глава 3. Результаты исследования 47
Влияние внесенного биоугля на содержание ТМ в почве и растение 47
Концентрация цинка в почве и частях ячменя ярового 50
Концентрация марганца в почве и частях ячменя ярового 14
Концентрация кадмия в почве и частях ячменя ярового
Концентрация меди в почве и частях ячменя ярового 56
Влияние внесенного биоугля на содержание биогенных элементов
(N, P, K) в почве и растение 58
Заключение 63
Список использованной литературы 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 71
Глава 1. Обзор литературы 7
Основные биогенные элементы в агроэкосистемах 7
Азот 9
Фосфор 14
Калий 17
Накопление тяжелых металлов в сельскохозяйственных почвах и растениях 20
Тяжелые металлы в почвах 20
Накопление тяжелых металлов в почвах 22
Вынос тяжелых металлов растениями из почв 23
Древесный биоуголь 25
Основные способы производства биоугля 26
Важные характеристики биоугля 30
Виды биоугля 34
Влияние биоугля на накопление тяжелых металлов в почвах 35
Глава 2. Объекты и методы по тематике исследования 39
Объекты 39
Почвенные характеристики объекта исследования 39
Схема опыта и описание выращиваемых культур 43
Характеристика биоугля 44
2.2. Методы исследования 45
Глава 3. Результаты исследования 47
Влияние внесенного биоугля на содержание ТМ в почве и растение 47
Концентрация цинка в почве и частях ячменя ярового 50
Концентрация марганца в почве и частях ячменя ярового 14
Концентрация кадмия в почве и частях ячменя ярового
Концентрация меди в почве и частях ячменя ярового 56
Влияние внесенного биоугля на содержание биогенных элементов
(N, P, K) в почве и растение 58
Заключение 63
Список использованной литературы 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 71
Производство биоугля — это метод, с помощью которого углерод из определенного вида биомассы преобразуется в стабильный углерод, который можно секвестировать в почве, т.е. сохранять на длительное время. В дополнение долгосрочного связывания углерода биоуголь также полезен для плодородия почвы, поскольку он улучшает многие физические и химические свойства, удерживает воду и питательные вещества, необходимые для растений.
В настоящее время биоуглем называется высокостойкий углеродистый мелиорант для внесения в почвы сельского и лесного хозяйства. Производится путем сжигания возобновляемой биомассы, а лучше биологических отходов (навоза различных животных, сельскохозяйственных или лесных отходов) без кислорода (пиролиз). После обработки в пиролизной печи в высокотемпературных с ограниченным доступом кислорода сырье для производства биоугля превращается в твердый, пористый, богатый углеродом и стабильный материал. Эта стабильность может варьироваться от нескольких десятилетий до нескольких столетий .
При добавлении такого карбонизированного продукта в почву отмечается его способностью удерживать питательные вещества и воду, благодаря своей пористой структуре и высокой удельной поверхности.
Биоуголь был обнаружен в «terra preta» («чернозем» на португальском языке) участках Амазонки. Исследование почв terra preta показало, что более 2000 лет назад индейцы Амазонки закапывали уголь в почву, но данная смесь различных карбонических материалов сохранила свой высокий потенциал плодородия до наших дней . Было осознано, что воспроизведение данного метода могло бы улучшить деградировавшие почвенные и решить вопрос с утилизацией органических отходов, которые накапливаются во всем мире в огромных количествах.
В настоящее время внесение биоугля в почву рассматривается учеными и исследователями как вероятный способ решения таких важных экологических проблем как накопление, а также вымывание, биогенных элементов и тяжелых металлов в почве.
Актуальность темы исследования. Почва является важнейшим элементом экологической среды и одним из наиболее значимых ресурсов. Различные физико-географические условия формируют особенности почвенного покрова. Исследования почв необходимы для сохранения плодородия земель, улучшения их экологического состояния и для дальнейшего пользования в условиях проблемы продовольственной безопасности мира.
Изменение основных характеристик почвенной среды с помощью биоугля в той или иной мере оказывает влияние на состояние и подвижность присутствующих в почве природных и техногенных тяжелых металлов и радионуклидов, что может повлиять на их накопление в растительной продукции. Так, установлено, что щелочная среда биоугля, обусловленная неорганическими минеральными веществами в его составе, может обеспечивать удаление Cd и Pb из почвы путем формирования кадмиевых и свинцовых преципитатов
Применение биоугля в почвах сельскохозяйственного назначения во многих случаях показало много агрономических преимуществ. Физикохимические свойства биоугля являются ключом к пониманию функции биоугля в почве. Высокопористая структура и большая площадь поверхности биоугля могут стать подходящей средой обитания для процветания полезных микроорганизмов; другие физико-химические свойства, такие как высокая способность к ионному обмену, также могут влиять на ряд процессов в круговороте азота в почве, связанных с повышением плодородия почвы. Повышение плодородия почвы за счет добавления биоугля зависит от его количества, процесса активации или инокуляции биоугля, нормы внесения, видов сельскохозяйственных культур, типов почвы и других факторов, вносимых в почву, а также комбинации этих факторов
...
В настоящее время биоуглем называется высокостойкий углеродистый мелиорант для внесения в почвы сельского и лесного хозяйства. Производится путем сжигания возобновляемой биомассы, а лучше биологических отходов (навоза различных животных, сельскохозяйственных или лесных отходов) без кислорода (пиролиз). После обработки в пиролизной печи в высокотемпературных с ограниченным доступом кислорода сырье для производства биоугля превращается в твердый, пористый, богатый углеродом и стабильный материал. Эта стабильность может варьироваться от нескольких десятилетий до нескольких столетий .
При добавлении такого карбонизированного продукта в почву отмечается его способностью удерживать питательные вещества и воду, благодаря своей пористой структуре и высокой удельной поверхности.
Биоуголь был обнаружен в «terra preta» («чернозем» на португальском языке) участках Амазонки. Исследование почв terra preta показало, что более 2000 лет назад индейцы Амазонки закапывали уголь в почву, но данная смесь различных карбонических материалов сохранила свой высокий потенциал плодородия до наших дней . Было осознано, что воспроизведение данного метода могло бы улучшить деградировавшие почвенные и решить вопрос с утилизацией органических отходов, которые накапливаются во всем мире в огромных количествах.
В настоящее время внесение биоугля в почву рассматривается учеными и исследователями как вероятный способ решения таких важных экологических проблем как накопление, а также вымывание, биогенных элементов и тяжелых металлов в почве.
Актуальность темы исследования. Почва является важнейшим элементом экологической среды и одним из наиболее значимых ресурсов. Различные физико-географические условия формируют особенности почвенного покрова. Исследования почв необходимы для сохранения плодородия земель, улучшения их экологического состояния и для дальнейшего пользования в условиях проблемы продовольственной безопасности мира.
Изменение основных характеристик почвенной среды с помощью биоугля в той или иной мере оказывает влияние на состояние и подвижность присутствующих в почве природных и техногенных тяжелых металлов и радионуклидов, что может повлиять на их накопление в растительной продукции. Так, установлено, что щелочная среда биоугля, обусловленная неорганическими минеральными веществами в его составе, может обеспечивать удаление Cd и Pb из почвы путем формирования кадмиевых и свинцовых преципитатов
Применение биоугля в почвах сельскохозяйственного назначения во многих случаях показало много агрономических преимуществ. Физикохимические свойства биоугля являются ключом к пониманию функции биоугля в почве. Высокопористая структура и большая площадь поверхности биоугля могут стать подходящей средой обитания для процветания полезных микроорганизмов; другие физико-химические свойства, такие как высокая способность к ионному обмену, также могут влиять на ряд процессов в круговороте азота в почве, связанных с повышением плодородия почвы. Повышение плодородия почвы за счет добавления биоугля зависит от его количества, процесса активации или инокуляции биоугля, нормы внесения, видов сельскохозяйственных культур, типов почвы и других факторов, вносимых в почву, а также комбинации этих факторов
...
На основании проделанной работы были сделаны следующие выводы:
1. При первичном исследовании почв и биоугля наибольшая концентрация некоторых металлов была изначально выше в биоугле, чем в исследуемых вариантах дерново-подзолистой супесчаной почвы.
2. Биоуголь, вносимый как в слабоокультуренную, так и сильноокультуренную дерново-подзолистую супесчаную почву совместно с удобрением или отдельно, не оказывал существенное влияние на снижение или увеличение изучаемых тяжелых металлов, кроме Zn в слабоокультуренной почве.
3. Медь и цинк в большей концентрации накапливались в колосе, а кадмий - в соломине, тогда как существенных различий по концентрации марганца в изучаемых частях ячменя не были установлены. Биоуголь не оказывал существенное влияние на концентрацию изученных тяжелых металлов в частях растения по сравнению с контролем.
4. В почве со слабой степенью окультуренности содержание азота биомассе ячменя с подсевом многолетних трав было достоверно выше только в варианте с использованием азотного удобрения совместно с биоуглем. Прочие варианты опыта от контроля существенно не отличались. В почве с сильной степенью окультуренности содержание азота в сухой биомассе было достоверно выше только в варианте с использованием азотного удобрения. Содержание азота в других вариантах опыта от контроля достоверно между собой не отличалось.
5. Применение азотного удобрения совместно с биоуглем достоверно снизило концентрацию фосфора в биомассе ячменя с травами по сравнению с контролем. Достоверных различий между другими вариантами опыта обнаружено не было.
6. Применение биоугля, как в почве со слабой, так и с высокой степенью окультуренности несущественно увеличивало содержание фосфора в биомассе ячменя с подсевом многолетних трав по сравнению с контролем, где наблюдалось компенсация негативного эффекта от азотного удобрения, и концентрация фосфора в этом варианте выравнивалась с контролем.
7. Максимальное содержание калия наблюдалось в варианте с использованием биоугля, и в варианте с применением азотного удобрения, однако при совместном внесении биоугля и мочевины содержание калия становилось таким же, как и в контроле.
8. Результаты исследования показали, что усвоение N растениями было однотипно как для слабо, так и сильноокультуренной почв. Биоуголь способствовал выносу азота растениями по сравнению с контролем в 1,1 раза, а также усиливал действие азотного удобрения в варианте их совместного применения. Биоуголь в слабоокультуренной почве не способствовал существенному увеличению поступления фосфора и калия в растения. В почве с сильной степенью окультуренности мелиорант повышал усвоение фосфора и калия растениями в 1,4 раза, а калия - в 1,2 раза, как при отдельном, так и совместном использовании с мочевиной.
9. Общий эффект изучаемых показателей на агродерново-подзолистой почве, как со слабой степенью окультуренности, так и с высокой, увеличивался в ряду: контроль <биоуголь <азотное удобрение <биоуголь + азотное удобрение.
1. При первичном исследовании почв и биоугля наибольшая концентрация некоторых металлов была изначально выше в биоугле, чем в исследуемых вариантах дерново-подзолистой супесчаной почвы.
2. Биоуголь, вносимый как в слабоокультуренную, так и сильноокультуренную дерново-подзолистую супесчаную почву совместно с удобрением или отдельно, не оказывал существенное влияние на снижение или увеличение изучаемых тяжелых металлов, кроме Zn в слабоокультуренной почве.
3. Медь и цинк в большей концентрации накапливались в колосе, а кадмий - в соломине, тогда как существенных различий по концентрации марганца в изучаемых частях ячменя не были установлены. Биоуголь не оказывал существенное влияние на концентрацию изученных тяжелых металлов в частях растения по сравнению с контролем.
4. В почве со слабой степенью окультуренности содержание азота биомассе ячменя с подсевом многолетних трав было достоверно выше только в варианте с использованием азотного удобрения совместно с биоуглем. Прочие варианты опыта от контроля существенно не отличались. В почве с сильной степенью окультуренности содержание азота в сухой биомассе было достоверно выше только в варианте с использованием азотного удобрения. Содержание азота в других вариантах опыта от контроля достоверно между собой не отличалось.
5. Применение азотного удобрения совместно с биоуглем достоверно снизило концентрацию фосфора в биомассе ячменя с травами по сравнению с контролем. Достоверных различий между другими вариантами опыта обнаружено не было.
6. Применение биоугля, как в почве со слабой, так и с высокой степенью окультуренности несущественно увеличивало содержание фосфора в биомассе ячменя с подсевом многолетних трав по сравнению с контролем, где наблюдалось компенсация негативного эффекта от азотного удобрения, и концентрация фосфора в этом варианте выравнивалась с контролем.
7. Максимальное содержание калия наблюдалось в варианте с использованием биоугля, и в варианте с применением азотного удобрения, однако при совместном внесении биоугля и мочевины содержание калия становилось таким же, как и в контроле.
8. Результаты исследования показали, что усвоение N растениями было однотипно как для слабо, так и сильноокультуренной почв. Биоуголь способствовал выносу азота растениями по сравнению с контролем в 1,1 раза, а также усиливал действие азотного удобрения в варианте их совместного применения. Биоуголь в слабоокультуренной почве не способствовал существенному увеличению поступления фосфора и калия в растения. В почве с сильной степенью окультуренности мелиорант повышал усвоение фосфора и калия растениями в 1,4 раза, а калия - в 1,2 раза, как при отдельном, так и совместном использовании с мочевиной.
9. Общий эффект изучаемых показателей на агродерново-подзолистой почве, как со слабой степенью окультуренности, так и с высокой, увеличивался в ряду: контроль <биоуголь <азотное удобрение <биоуголь + азотное удобрение.
