Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 10
1.1 Исторические предпосылки применения биоугля 10
1.2 Перспективы применения биоугля 11
1.3 Современные карбонизированные материалы, получаемые пиролизом биомасс и их применение 12
1.4 Характеристики биоугля 14
1.5 Перспективность применения биоугля в посевных отделениях лесных питомников 31
Глава 2. Объекты и методы исследований 33
2.1. Объекты исследования 33
2.2 Методы исследований 38
Глава 3. Современное состояние почв лесных питомников Ленинградской области 41
Выводы по главе 3 81
Глава 4 Механизмы влияния биоугля на физико-химические, биологические и агрохимические параметры почв 85
4.1 Влияние биоугля на физические свойства почвы 85
4.2 Влияние внесения биоугля на биологические свойства почвы 94
4.3 Влияние внесения биоугля на агрохимические свойства почвы 104
Выводы по главе 4 119
Глава 5. Влияние биоугля на почвы лесных питомников, рост и развитие сеянцев ели 120
Выводы по главе 5 127
Глава 6. Влияние биоугля на рост и развитие сеянцев хвойных пород 129
6.1 Влияние биоугля на всхожесть и энергию прорастания семян хвойных культур 129
6.2 Изучение механизмов влияния биоугля на рост хвойных в условиях закрытого грунта 130
Глава 7. Экономическая эффективность 138
7.1 Влияние биоугля на потребность в известковании почв 138
7.2 Влияние биоугля на потребность органических удобрениях 139
Заключение 143
Библиографический список 145
- Характеристики биоугля
- Современное состояние почв лесных питомников Ленинградской области
- Влияние внесения биоугля на биологические свойства почвы
- Изучение механизмов влияния биоугля на рост хвойных в условиях закрытого грунта
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Российской Федерации площади лесных питомников занимают около 12 тыс. гектар. В настоящее время в этих питомникахвыращивается 19 млн. саженцев; 771 млн. сеянцев с открытой корневой системой, а также 14 млн. шт. сеянцев с закрытой корневой системой. Однако часть получаемого посадочного материала не соответствует требованиям стандарта.
Низкое качество посадочного материала и удлинение сроков его выращивания, обусловлено совокупностью негативных факторов. Одним из основных является недостаточное плодородие почв, а такженарушение технологии работ в паровых полях и при подкормках сеянцев и саженцев минеральными удобрениями (Маркова, 2005).
При решении указанных проблембиоуголь является одним из самых перспективных мелиорантов, поскольку при его внесении в почву прослеживается положительное влияние не только на рост и развитие растений, но и на плодородие почвы. Так, при внесении биоугля в пахотный горизонт улучшается структурность почвы, снижается эмиссия парниковых газов, нормализуется кислотность почв. При этом, в отличие от многих минеральных удобрений, исследуемый мелиорант не содержит тяжелых металлов в концентрациях, превышающих ПДК для почв.
Степень разработанности темы. Вопросы применения биоугля при выращивании сельскохозяйственных культур изучают не только на территории РФ, но и в Канаде, США и ряде европейских стран. В течение последних 15 лет проведено множество экспериментов по влияниюбиоугля на эмиссию парниковых газов, плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур в различных географических и почвенных условиях.
Для лесного хозяйства России внесение биоугля на поля питомников с целью улучшения плодородия почв, а также для секвестрации углерода почв является новым направлением. Вопросы о перспективности применения биоугляпри выращивании сеянцев хвойных пород (в том числе в контролируемых условиях закрытого грунта) в современной научной литературе ранее затронуты не были.
Наиболее эффективно внесение исследуемого мелиорантаотмечено на бедных почвах, характеризующихся пониженными значениями кислотности.
По результатам агрохимическогообследования полей посевных отделений питомников Ленинградской области, можно предположить, что внесение биоугля положительно повлияет на агрохимические и биологические параметры почв, а также на рост и развитие сеянцев хвойных пород.
Цели и задачи исследований. Целью исследований являлась оценка влияниябиоугля на физические, химические и биологические параметры плодородия почв различного гранулометрического состава, а также накачество сеянцев хвойных пород в лесных питомниках.
В ходе выполнения поставленной цели, решались следующие задачи:
Охарактеризовать состояние почвполей в посевных отделениях лесных питомниковЛенинградской области иоценить перспективность применения биоугля на данных территориях.
Оценить изменения и охарактеризовать механизмы, происходящие в почвах различного гранулометрического состава под влиянием биоугля.
Изучить влияниебиоугля на рост и развитие сеянцев хвойных породкак в условияхзакрытого грунта, так и впосевных отделениях питомников.
- На основе результатов, полученных в лабораторных и полевых
исследованиях, оценить биологическую и экономическую перспективность
внедренияисследуемого мелиоранта при выращивании сеянцев хвойных пород.
Научная новизна. Большинство современных работ, посвященных влиянию биоугля на агроэкосистемы, рассматривает исследуемый мелиорант как средство снижения эмиссии парниковых газов из пахотных почв и повышения параметров их плодородия.Часто отмечается факт повышения урожайности сельскохозяйственных культур при использовании различных доз и видов биоуглей. Однако описанные исследования проводятся зачастую на хорошо окультуренных южных почвах, при выращивании риса, кукурузы и других сельскохозяйственных культур.
В представленной работе проведена комплексная оценка механизмов воздействия биоугля на физические, биологические и агрохимические параметры типичных для Ленинградской области агродерново-подзолистых почв. В лабораторных и полевых исследованиях изучались почвы различной степени окультуренности иразного гранулометрического состава.
Впервые установлено положительное влияние биоугляна плодородие почв лесных питомников, а такжена биометрические показатели роста и развития сеянцев хвойных пород.Оценка роста и биометрических параметров проведена как в контролируемых условиях закрытого грунта (при выращивании на торфяных субстратах в теплицелетнего типа с поликарбонатным покрытием), так и в посевных отделениях питомников.
Теоретическая и практическая значимость работы.Исследования восполняют данные обособенностях влияния биоугля на агрохимические, физико-химические и биологические показатели дерново-подзолистой почвы различного гранулометрического состава, а также расширяют современные представления о применении биоугля при выращивании сеянцев хвойных пород, как в открытом, так и в закрытом грунте.
Методология и методы исследования. Все проведенные исследования базируются на системном комплексном подходе к решению поставленной задачи и основываются на применении широко известных апробированных методик. При решении поставленных задач применялась общенаучная методология, включающая методы эксперимента, анализа и синтеза Обработка полученных данных проведена с применением методов математической статистики.
Методологическую основу исследования составили лабораторные, полевые и вегетационные эксперименты. В лабораторных экспериментах (биоуголь вносился из расчета 10 т/га) изучено влияния биоугля на некоторые параметры физических и биологических свойств почвы (общая гидрохимическая
характеристика; набухание и усадка почвы; базальное и субстрат-индуцированное дыхание; содержание микробной биомассы и микроорганизмов в почве; метаболическое частное; эмиссия СО2 и N2O из почвы). Для понимания динамики агрохимических процессов был заложен мелкоделяночный полевой эксперимент с выращиванием ячменя (как типичной агрокультуры). Биоуголь вносился из расчета 12т/га, при этом изучалась динамика нитратов, аммония и влажности почв.
Полевые эксперименты позволили оценить влияние биоугля на основные агрохимические параметры почв питомников различного гранулометрического состава и показатели роста и развития (всхожесть семян; динамика роста; размеры диаметров стволов у корневой шейки; масса)сеянцев ели обыкновенной Piceaabies(L.) Karst.
С целью изучения механизмов влияния биоугля на рост и развитие сеянцев ели европейской(Piceaabies(L.) Karst.), сосны обыкновенной (PnussylvstrisL.) и лиственницы европейской (LarixdeciduaMill.) их выращивание проводили в контролируемых условиях регулируемого микроклимата и сбалансированного минерального питания в теплице летнего типа. Воздействие биоугля оценивалось по таким параметрам как: всхожесть семян; процент полегания сеянцев и всходов; доля сеянцев с внешними признаками грибного поражения; в ходе эксперимента была составлена динамика роста сеянцев.
Положения, выносимые на защиту:
1. Внесение биоугля положительно влияет на физико-химические, агрохимические и биологические показателиагродерново-подзолистой супесчаной почвы.
2.Современное состояние почв полей лесных питомников требует комплексных мер по восстановлению и увеличению параметров плодородия.
3. Применение биоугля при мелиорации агродерново-подзолистой
супесчаной и песчаной почвы посевного отделения лесных питомников улучшает
агрохимические характеристики почв, что приводит к увеличению выхода и
улучшению биометрических показателей сеянцев ели.
4. Применение биоугля в качестве мелиоранта в лесных питомниках
способствует секвестрации почвенного углерода за счет внесения его лабильных
форм, а такжеснижаетобъемы выбросов парниковых газов из пахотных площадей.
Степень достоверности и апробация результатов:Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается комплексным подходом и значительным объемом собранных материалов.
Все виды работ по теме диссертации, включая сбор экспериментальных материалов, обработку и анализ полученных данных, выполнены автором лично или в составе рабочей группы лабораторного комплекса.
Апробация результатов.Основные положения диссертации изложены в 20 печатных работах, в том числе в 4 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК РФ и 1 статье в журнале, входящем в WebofScience.
Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на XV; XVI;XVIIмеждународной научной конференции Докучаевских молодёжных чтениях (Санкт-Петербург, 2012, 2013, 2014); Международном
агроэкологическом форуме(2013); Научно-технической конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование»(2016, 2018); Всероссийской с международным участием научной конференцииVII Съезде почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвоведение - продовольственной и экологической безопасности страны» (2016); НаVII всероссийской научной конференции по лесному почвоведению с международным участием «Теоретические и прикладные аспекты лесного почвоведения» (Петрозаводск, 2017).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы содержит 155 страниц. Работа содержит 48 таблиц и38 рисунков. Список использованной литературы включает 209 наименований, в том числе 145 на иностранных языках.
Характеристики биоугля
В данном разделе рассматриваются усредненные характеристики биоуглей, произведенных из различных органических материалов, в связи с чем указанные значения некоторых показателей могут отличаться от параметров изучаемого нами биоугля произведенного из древесины березы.
В таблице 1 приведен диапазон изменения элементного состава биоугля, полученного в различных исследованиях (Chan et al., 2007). Данные указаны в виде диапазона значений, в связи с их возможной корреляцией в зависимости от исходного материала (древесина, солома, отходы производств с/х продукции, отстои сточных вод, и др.) взятого при производстве биоугля, а также от условий пиролиза биомассы.
Содержание и состав золы в угле очень изменчиво и кроме температуры и метода пиролиза зависит от характеристик биомассы, взятой для переработки.
Так, например, при всасывании воды из почвы в дерево поступают растворимые в воде соли, поэтому древесина, заготовленная летом, содержит больше золы, чем древесина зимней заготовки. Состав поступающих в дерево солей зависит от химического состава почвы, который по содержанию элементов может быть весьма разнообразен. При сплаве древесина загрязняется илом и песком, вследствие чего уголь из сплавленной древесины имеет зольность выше, чем уголь, доставленный сухопутным транспортом (Юрьев, 2007).
Уголь принадлежит к пористым веществам. Общий объем его пор достигает 70 % и более от объема. В этот объем входят поры разных размеров, начиная от крупных, видимых простым глазом, и кончая самыми мелкими, диаметр которых сравним с молекулярными размерами.
Пористость древесного угля обуславливает и его высокую удельную поверхность. Значение величины удельной поверхности угля зависит от многих факторов пиролиза, среди которых можно выделить исходный биоматериал и условия пиролиза, от которых зависит объем «закрытых» пор. Различают 4 типа пор:
- Макропоры с диаметром более 50 нм;
- Мезо поры (переходные), диаметром от 2 до 50 нм;
- Микропоры с диаметром от 0.4 до 2 нм;
- Субмикропоры с диаметром менее 0.4 нм.
Все эти виды пор в той или иной степени имеются в угле. Наличие микро- и переходных пор обусловливает повышенные размеры удельной поверхности материала, которая играет важную роль в химических реакциях, протекающих при сравнительно невысоких температурах. Макропоры мало увеличивают удельную поверхность угля, но они облегчают доступ молекул реагентов к его внутренней поверхности, способствуя ускорению химических превращений. (Юрьев, 2007).
Реакционная способность угля зависит от размера его кусков, от степени пористости, а также от модификации углерода, содержащегося в стенках ячеек угля. Эти качества угля, в свою очередь, зависят от породы и качества исходной древесины и от условий карбонизации. Наибольшей реакционной способностью и горючестью обладает аморфный углерод угля.
Однако в состав древесного угля, кроме аморфного углерода, входит углерод угля в паракристаллической форме. Такой уголь, хотя и имеет развитую поверхность, но обладает значительно меньшей реакционной способностью даже при высоких температурах (Юрьев, 2007; Юрьев, 1997).
Угли относятся к гидрофобным материалам. Гигроскопичность угля зависит от степени окисления, поэтому свежий уголь более гидрофобен, чем уголь, хранившийся длительное время на воздухе. Конечная температура пиролиза также влияет на гигроскопичность древесного угля. Например, при намокании древесный уголь способен поглощать количество воды, превышающее его собственный вес.
Влагопоглощение, как и обратный процесс высыхания, определяется скоростью диффузии воды в порах угля, поэтому зависит от размера кусков. Кроме того, на скорость поглощения воды и высыхания угля влияет общая пористость, распределение пор по размерам и смачиваемость поверхности пор (Юрьев, 2007).
Современная, экологически безопасная, технология производства биоугля основана на применении углевыжигательных печей ретортного типа (Юрьев, 1997). Принцип работы таких печей состоит в том, что биоматериалы помещаются в печь в ретортах, имеющих специальные устройства для отвода газов в топку. Таким образом, выделяющиеся из древесины при нагреве пиролизные газы уходят в топку и там сжигаются, давая необходимый нагрев для работы установки.
В результате пиролиза происходит переход углеродных пулов биомассы в недоступную для микроорганизмов и растений ароматическую форму, что снижает скорость, с которой поглощённый растениями в ходе фотосинтеза углерод возвращается в атмосферу (Glaser, 2003; Lehmann et al., 2003)
Для производства биоугля чаще всего используются отходы лесной промышленности и сельского хозяйства.
Отходы лесной промышленности представлены следующими материалами:
-отходами древообработки
-отходами целлюлозно-бумажной промышленности
-отходами от производства фанеры
-а также вторично-переработанной древесины
К отходам сельского хозяйства относят
- пожнивные остатки с/х культур
- остатки перерабатывающей промышленности — шелуху, мякину, кожуру и прочее.
-отходы птицефабрик и ферм крупного рогатого скота. Подобные продукты (навоз, птичий помет и др.) в случае отсутствия возможности использования в виде органического удобрения, также рекомендовано конвертировать в биоуголь (Brodowski et al., 2016).
Современное состояние почв лесных питомников Ленинградской области
Всего для оценки состояния почв было выбрано семь лесных питомников в семи участковых лесничествах Ленинградской области: Лодейнопольском, Сясьстроевском, Пригородном, Лужском, Свирском, Гонгинском и Кривковском. Все питомники организованы с целью выращивания посадочного материала для выполнения лесокультурных работ и озеленения населенных пунктов, специализируется на выращивании сеянцев сосны и ели. Питомники неорошаемые. Почвы дерново-подзолистые песчаные. Самый большой по площади питомник Пригородного участкового Тихвинского центрального лесничества – 141, 83 га. Наименьшую площадь занимает питомник Свирского участкового Подпорожского центрального лесничества – 18,4 га.
Лесной питомник расположен в Лодейнопольском лесничестве Ленинградской области и организован с целью выращивания посадочного материала для выполнения лесокультурных работ и озеленения населенных пунктов. Общая площадь питомника составляет – 61,8 га. Почвы питомника дерново-подзолистые песчаные. Питомник неорошаемый, специализируется на выращивании сеянцев сосны и ели.
На основании лабораторных анализов была составлена агрохимическая характеристика почв лесного питомника Лодейнопольского лесхоза по полям севооборота, а также был изучен гранулометрический состав почв, полученные данные представлены соответственно в табл. 10 и табл. 11
На основании лабораторных анализов выявлено, что почва питомника не однородна по степени окультуренности. Отмечается значительное колебание некоторых агрохимических показателей по полям севооборота. По степени обеспеченности гумусом почвы питомника характеризуются от очень бедных до недостаточно обеспеченных, фосфором – от очень низкого до низкого. Содержание обменного калия в почве на всей обследованной площади питомника изменяется от очень низкого до низкого. Реакция почвенной среды колеблется от сильнокислой до нейтральной. Содержание общего азота изменяется от очень низкого до низкого.
На всех полях питомника выявлено сильное заражение сапрофитной флорой. Чаще всего на почвенных образцах полей питомника встречаются сапрофитные грибы – Penicillium, Trichoderma, Mucor, Rhizopus, Zygorrhynchus.
На всех полях питомника выявлены паразитные грибы родов Fusarium и Verticillium, которые вызывают полегание сеянцев, в частности фузариоз и вертициллез.
На поле 15 (кв.169, в.29) Лодейнопольского питомника выявлены личинки второго возраста майского хруща. Средняя зараженность в пределах 15-го поля – 0,3 шт./м2. Степень распространения в пределах 15-го поля - 15%.
На поле 20 (кв.163/178) также выявлены личинки второго возраста. Средняя зараженность в пределах 20-го поля – 0,3 шт./м2. Степень распространения в пределах 20-го поля - 25%.
На 27 и 29 (кв.179) полях Лодейнопольского питомника выявлены личинки майского хруща третьего возраста. Средняя зараженность на данных полях – 0,4 шт./м2. Степень распространения в пределах 27-го поля - 10%, в пределах 28-го поля – 15%.
На поле 28 (кв.179) также выявлены личинки второго возраста. Средняя зараженность в пределах 28-го поля – 1,5 шт./м2. Степень распространения в пределах 28-го поля - 35%. На данном поле необходимо снизить численность майского хруща с помощью истребительных мероприятий.
Определение радиологической загрязнённости почв обследуемых питомников выполнено в радиологической лаборатории Филиала ФБУ «Рослесозащита» - «ЦЗЛ Ленинградской области» на основании проб, отобранных на каждом поле лесного питомника. Результаты представлены в таблице 13
По результатам обследования видно, что вся обследованная территория попадает в зону загрязнения менее 1 Ки/км2 т.е. является допустимой по нормам содержания радионуклидов. Согласно «Руководству по ведению лесного хозяйства в зонах радиоактивного загрязнения от аварии на Чернобыльской АЭС» Приказ Федеральной службы лесного хозяйства от 31.03.97 № 40 в этой зоне выращивание посадочного материала древесно-кустарниковых пород в лесных питомниках, проводится в соответствии с действующими Наставлениями по выращиванию посадочного материала в лесных питомниках.
Лесной питомник расположен в Волховском лесничестве, Сясьстроевском участковом лесничестве (кв.56,57) и организован с целью выращивания посадочного материала для выполнения лесокультурных работ и озеленения населенных пунктов. Общая площадь питомника составляет – 51,0 га. Почвы питомника дерново-подзолистые песчаные. Питомник неорошаемый, специализируется на выращивании сеянцев сосны и ели. Общее количество полей в питомнике – 32. Для комплексной оценки состояния почв с каждого поля отобран один смешанный образец.
Агрохимическая характеристика почв лесного питомника Волховского лесничества по полям севооборота, а также гранулометрический состав почв, представлены соответственно в табл. 14 и табл. 15
На основании лабораторных анализов выявлено, что почва питомника не однородна по степени окультуренности. Отмечается значительное колебание некоторых агрохимических показателей по полям севооборота. По степени обеспеченности гумусом почвы питомника характеризуются от очень бедных до недостаточно обеспеченных, фосфором – от очень низкого до повышенного. Содержание обменного калия в почве на всей обследованной площади питомника низкое. Реакция почвенной среды колеблется от сильнокислой до близкой к нейтральной. Содержание общего азота изменяется от очень низкого до повышенного.
На всех полях Волховского питомника выявлено сильное заражение сапрофитной флорой, что является естественным для почв лесных питомников. Чаще всего на почвенных образцах полей питомника встречаются сапрофитные грибы – Penicillium, Trichoderma, Mucor, Chaetomium, Zygorrhynchus, Rhizopus.
На всех полях Волховского питомника выявлены паразитные грибы родов Fusarium и Verticillium, которые вызывают полегание сеянцев, в частности фузариоз и вертициллез. На полях №8,9,12 выявлена сильная степень заражения почвы фузариозом; на полях №1,1а,2,2а,3,4,5,6,7,10,11 – средняя степень. Вертициллезом в средней степени заражена почва полей №2,6,7, на остальных полях выявлена сильная степень заражения.
На полях № 6, 7, 9 единично выявлен паразитный гриб рода Alternaria,на поле №1а единично гриб рода Botrytis, а на поле №2а единично обнаружен гриб рода Pythium.
На схеме зараженности полей Волховского лесного питомника фито заболеваниями отмечена степень заражения фузариозом, так как это заболевание является наиболее опасным для посадочного материала хвойных пород.
На 3-м поле Волховского питомника выявлены личинки майского хруща третьего возраста. Средняя зараженность на 3-м поле - 3 шт./м2. Степень распространения в пределах 3-го поля - 35%. На 11-м поле выявлены личинки второго возраста. Средняя зараженность в пределах 11-го поля – 5 шт./м2. Степень распространения в пределах 11-го поля - 35%. На 12-м поле Волховского питомника выявлены все стадии майского хруща. Средняя зараженность в пределах 12-го поля – 8 шт./м2. Степень распространения в пределах 12-го поля - 45%. На данных полях необходимо снизить численность майского хруща с помощью истребительных мероприятий.
Влияние внесения биоугля на биологические свойства почвы
В лабораторных условиях так же было изучено влияние внесения биоугля на некоторые биологические свойства почвы
Микробная биомасса является важным живым и лабильным компонентом почвы. Запасы микробной биомассы в различных почвах, ее активность и структура являются основными параметрами в экологических исследованиях.
Под базальным дыханием понимается деятельность почвенных микроорганизмов, осуществляющих трансформацию органических остатков и корневых выделений. Базальная активность оценивается по продуцированию углекислого газа. Интенсивность продуцирования СО2 почвенной микрофлорой является производной трех основных факторов:
– пула доступного органического вещества;
– численности и разнообразия физиологических групп микро органического ценоза;
– водно-физических условий.
Дополнительное внесение субстрата, например, глюкозы, позволяет определить субстрат-индуцированное дыхание, т.е. провести оценку активности почвенной микрофлоры после добавления доступного углерода (Jonker et al., 2005 ).
На рисунке 10 представлена диаграмма по которой можно судить о влиянии различных мелиорантов на микробиологическую активность почвы по изменению уровня базального дыхания и субстрат-индуцированного дыхания.
При измерении уровня базального дыхания максимальное выделение СО2 наблюдалось в варианте с добавлением в почву угля и клевера (7.6 мг СО2–С/кг почвы/сутки), а минимальное выделение в контрольном варианте (5.4 мг СО2–С/кг почвы/сутки). Для варианта с внесенным в почву клевером выделение СO2 составляло 7.1 мг СО2–С/кг почвы/сутки, а в варианте с добавлением угля – 7.4 мг СО2–С/кг почвы/сутки.
Таким образом, внесение биологического угля и клевера в дерново-подзолистую супесчаную почву привело к увеличению базального дыхания по сравнению с контролем. Однако существенных различий между этими вариантами опыта не наблюдалось.
Максимальное выделение СО2 при добавлении в почву дополнительного источника углерода в виде глюкозы также отмечалось в варианте с добавлением в почву клевера и угля (53.6 мг СО2-С/кг почвы/сутки). А минимальное выделение в контрольном варианте (25.6 мг СО2– С/кг почвы/сутки). При добавлении в почвенный образец клевера без угля выделение CO2 на 9.3 мг СО2–С/кг почвы/сутки было меньше, чем в варианте с клевером и углем. Добавление угля в почву привело к увеличению выделения углекислого газа на 5.5 мг СО2–С/ кг почвы/ сутки. Между всеми вариантами опыта наблюдались достоверные различия.
Таким образом, внесение биоугля в почву приводит к увеличению активности микробной биомассы.
Этот показатель выражает биомассу микроорганизмов, выраженную в количестве содержания углерода на кг почвы.
На рисунке 6 представлена диаграмма, показывающая изменения в содержании углерода микробной биомассы при внесении в почву различных мелиорантов.
Углерод микробной биомассы в дерново-подзолистой супесчаной почве варьировал от 570 до 1180 мг С/кг почвы в зависимости от вариантов опыта. Минимальные значения наблюдались в контрольном варианте, а максимальные – в варианте с добавлением клевера и угля. Внесение в почву угля привело к увеличению углерода микробной биомассы в 1.2 раза, а внесение клевера в почву – в 1.7 раза.
Таким образом, внесение в почву биоугля, как в контрольный вариант, так и с клевером, привело к увеличению содержания углерода микробной биомассы микроорганизмов.
Показатель метаболическое частное (qCO2) (Эффективность использования доступного углерода микробным сообществом для формирования биомассы в почве) характеризует эффективность использования доступного углерода микробным сообществом для формирования единицы биомассы. Именно этот показатель характеризует основной обмен (энергию поддержания) микробного сообщества почвы. То есть qCO2 используется как индикатор стресса микробного сообщества, и чем меньше этот показатель, тем лучше состояние микробного сообщества, тем меньше энергии тратят микроорганизмы на содержание и формирование единицы биомассы. Метаболическое частное рассчитывается как отношение микробиологической активности почвы к содержанию углерода микробной биомассы.
Полученные результаты значений метаболического частного представлены на рисунке 7.
Исходя, из полученных данных, можно отметить, что больше всего энергия на формирование единицы биомассы затрачивалась в почве без добавления мелиорантов и, следовательно, микробное сообщество почвы испытывало стресс. При добавлении в почву биоугля сложились более комфортные условия для микроорганизмов. Метаболическое частное в этом варианте опыта составило 9.55 мг СО2-Смг-1Смикчас-1, что на 0.8 мг СО2-Смг-1Смикчас-1 меньше, чем в контроле.
Эмиссия СО2 почвой определяется дыханием корней растений и почвенных микроорганизмов. Деятельность гетеротрофных микроорганизмов, минерализующих почвенное органическое вещество, привносит около 70 % эмиссии СО2 в почвы.
СО2 – один из основных парниковых газов антропогенного происхождения, нарушающий радиационный баланс Земли. Это контрольный газ, по которому оцениваются другие парниковые газы. Суточная динамика эмиссии CO2 из почвы с разными вариантами опыта представлена на рисунке 8.
В течение 30-дневного эксперимента эмиссия CO2 в контрольном варианте варьировала от 0.5 до 1.4 г CO2–C/м2сутки. Внесение в почву биоугля не привело к существенной разнице эмиссии CO2 с контрольным вариантом и варьировала от 0.5 до 1.2 г CO2–C/м2сутки. Внесение в почву клевера привело к существенному увеличению эмиссия исследуемого парникового газа. Уже на вторые сутки эксперимента его содержание увеличилось в 23 раза по сравнению с контрольным вариантом. Однако в дальнейшем прослеживалось снижение его выделения из почвы с 19.1 г CO2–C/м2сутки до 1.1 г CO2–C/м2сутки к концу эксперимента. Добавление биоугля в почву с клевером не оказало существенного влияние на выделение CO2. На рисунке 9. представлена кумулятивная эмиссия CO2.
Изучение механизмов влияния биоугля на рост хвойных в условиях закрытого грунта
Наименее исследовано влияние биоугля на рост древесной и кустарниковой растительности. В связи с этим целью исследования являлось установление влияния биоугля на прорастание семян ели и сосны обыкновенной.
Результаты изучения влияния биоугля на прорастание семян ели и сосны обыкновенной представлены в таблице 44.
Полученные данные (табл.43) показали, что, присутствие биоугля на прорастание семян ели обыкновенной не повлияло. Однако при проращивании семян сосны обыкновенной была отмечена тенденция к увеличению процента прорастания семян при дозе биоугля 5 т на га. Таким образом, действие биоугля на прорастание семян зависит от вида растений. Этот аспект ни в России, ни за рубежом не изучался и поэтому требует дальнейших исследований.
Была проведена оценка роста сеянцев различных хвойных пород на торфяных субстратах при взаимодействии биоугля с почвенным биоценозом (в том числе грибами сапрофитами) в контролируемых условиях закрытого грунта при контролируемом и сбалансированном минеральном питания и в отсутствии негативных внешних (в том числе и погодных) факторов. Степень влияния различных доз биоугля на биоту оценивалась по показателям всхожести семян, проценту полегания всходов и сеянцев различных культур, динамике роста и проценту сеянцев с признаками грибного поражения ели обыкновенной (Picea abies (L.), Karst.), сосны обыкновенной (Pnus sylvstris L.) а также лиственницы европейской (Larix decidua Mill.) на торфяно-минеральной смеси и в условиях закрытого грунта.
Исследования проводили на территории летней теплицы c поликарбонатным покрытием, которая находиться на территории ботанического сада Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова. Изучался рост и развитие сеянцев хвойных культур (ели европейской, сосны обыкновенной и лиственницы европейской) на торфяном субстрате в кассетах «Plantek-81» с внесением биоугля в дозах 5 и 10 тонн биоугля мелкого помола (диаметр частиц менее 5 мм) в пересчете на 1 га. В контрольных вариантах опыта биоуголь не вносился. Рецептура приготовления торфяного субстрата, режим полива и режим минеральных подкормок сеянцев проводился согласно рекомендациям (Zhigunov et al, 2011). Для посева использовали семена хвойных пород, намачивание, барбатирование, протравливание фунгицидами не проводилось. В качестве мульчирующего материала использовали перлит (равномерно распределенный по поверхности субстрата, слоем толщиной 1 см.). Посев семян был произведен 29.04.2016 года. Повторность произведенного опыта – трехкратная. Для определения всхожести семян в каждую ячейку кассеты «Plantek-81» высевалось по 5шт. семян. Таким образом, в каждом варианте опыта было высеяно по 1215 шт. семян каждой породы.
В первый месяц после посева семян день проводилась оценка их всхожести (на 3, 5, 7, 11, 14, 19, 26 и 33 дни опыта). В течение всего вегетационного периода проводилась оценка состояния проростков и подсчет количества всходов, проводился учет погибших и зараженных растений. После начала роста эпикотиля в ячейки кассеты оставляли по одному сеянцу. В течение вегетационного сезона производились замеры высот сеянцев, затем, в начале октября, после завершения вегетации были выбраны, отобраны и измерены модельные растения (по 10 растений из каждого блока эксперимента). Полученные данные обрабатывались методами вариационной статистики (Бондаренко, Жигунов, 2016).
Данные по всхожести семян ели различаются по вариантам опыта в течение всего срока проведения эксперимента (рис. 13). Максимальная доза биоугля (10 т/га) снижает энергию прорастания семян ели, в связи с чем, показатели всхожести семян на 20-й день после посева в этом варианте опыта достоверно ниже контрольного варианта. При внесении в субстрат 5 т/га биоугля всхожесть семян к тому же сроку наблюдений была на уровне контроля. На 25-й день после посева следует отметить значительное (и достоверное) увеличение всхожести семян ели в варианте опыта с внесением 5 т/га биоугля относительно контроля, а также отставание всхожести семян ели в варианте с внесением 10 т/га биоугля. Через месяц проводимых наблюдений достоверных различий по параметрам всхожести семян ели между всеми вариантами опыта уже не обнаруживалось. Однако более позднее появление всходов в вариантах опыта закономерно скажется на конечных биометрических показателях параметров сеянцев.
Несмотря на то, что показатели всхожести семян сосны была ниже, чем те же показатели у ели; всходы сосны появились раньше, чем всходы как ели, так и лиственницы В течение всего срока наблюдений всхожесть семян сосны в варианте с внесением 10 т/га биоугля было достоверно меньше, варианта с применением 5 т/га биоугля и в контроле. В варианте с концентрацией биоугля - 5 т/га, всхожесть семян сосны в течение всего срока наблюдений, от контрольных показателей достоверно не отличалась. Однако, аналогична результатам, полученным в опыте с растениями ели, к концу срока наблюдений достоверных различий по всхожести между всеми вариантами не наблюдалось (рис. 34).
Влияние биоугля на показатели всхожести семян лиственницы, в отличие от всхожести ели и сосны начинает проявляться примерно через неделю с момента посева семян и до конца периода появления всходов (рис. 35). Наибольшее увеличение показателей всхожести, на протяжении всего опыта, отмечается при внесении 5 т/га биоугля в торфяной субстрат. Увеличение дозы исследуемого биоугля до 10 т/га частично снизило всхожесть лиственницы относительно варианта с внесением 5 т/га. Однако внесение как 5 т/га, так и 10 т/га биоугля дало достоверное (в 2 и 1,5 раза при внесении 5 т/га и 10 т/га соответственно) увеличение всхожести лиственницы относительно контрольных значений.
В дальнейшем исследовании, после месячного периода выращивания, было произведено прореживание взошедших всходов. В каждой ячейке кассеты «Plantek-81» был оставлен один сеянец, характеризующийся средними биометрическими параметрами и без видимых повреждений. До конца периода вегетации были проведены еженедельные замеры биометрических показателей, а также оценка состояния растений.
При внесении в субстрат 5 т/га биоугля, высота сеянцев ели на протяжении всего эксперимента (вегетационного сезона) достоверно превышала высоту сеянцев в контрольном варианте, однако только к концу текущего вегетационного сезона эта разница становится математически достоверной (рис. 36). В варианте опыта с внесением 10 т/га биоугля на протяжении всего периода исследования высота сеянцев была ниже показателей контрольного варианта, однако данные показатели не были достоверны.
Внесение 5 т/га исследуемого мелиоранта, в торфяной субстрат не влияло на скорость роста лиственницы по сравнению данных полученных в контроле. Увеличение изучаемой дозы биоугля до 10 т/га оказывало положительное воздействие на лиственницу – к концу периода наблюдения средний показатель высоты сеянцев лиственницы при внесении 10 т/га биоугля был равен 18,3 см, что достоверно превышало показатели высоты сеянцев в контрольном варианте, высота которых составляла 15,6 см.
В конце вегетационного периода из каждой кассеты «Plantek-81» было выбрано по 10 модельных растений для дальнейшего определения их биометрических параметров и массы данных сеянцев (табл. 45).
Как можно видеть в приведенных данных, внесение биоугля в субстрат оказало влияние на исследуемые биометрические показатели и параметр массы однолетних сеянцев всех изучаемых культур. При наблюдении за ростом сеянцев ели и внесение и 5, и 10 т/га биоугля в используемый субстрат, можно утверждать, что, в целом, внесение биоугля уменьшило биометрические параметры и массу сеянцев, хотя ни по одному показателю различия не были математически достоверны. Так же, при выращивании сеянцев сосны внесение мелиоранта в дозе 5 т/га увеличивало все изучаемые параметры однолетних сеянцев, при внесении же 10 т/га биоугля приводило к снижению исследуемых параметров. Однако, и в этом случае не все наблюдаемые нами различия являются статистически значимыми.
Внесение биоугля в торфяной субстрат (как 5 т/га, так и 10 т/га) при выращивании лиственницы привело к статистически достоверному увеличению высоты, диаметра корневой шейки, а также массы однолетних сеянцев.
Внесение биоугля в торфяной субстрат оказало сильное и значимое влияние на степень развития грибных заболеваний сеянцев в течение всего периода наблюдений (табл. 46).
Внесение биоугля привело к снижению количества пораженных грибными заболеваниями, а также погибших сеянцев всех исследуемых пород. Максимальный положительный эффект был получен при внесении 10 т/га биоугля при выращивании однолетних сеянцев лиственницы. В данном варианте опыта количество пораженных растений снизилось с 60 до 41% по отношению к контролю.
Различные хвойные породы по-разному реагировали на внесение биоугля в субстрат при выращивании однолетних сеянцев. Внесение 5 т/га биоугля не повлияло на показатели всхожести семян и роста сеянцев как ели, так и сосны. При увеличении дозы биоугля до 10 т/га наблюдалось снижение показателей роста у сеянцев ели на 10% и у сеянцев сосны на 11%. Так же отмечается уменьшение масса однолетних сеянцев этих пород относительно контроля.
При выращивании сеянцев лиственницы можно отметить увеличение на 10-15% всех показателей роста при внесении 5 и 10 т/га биоугля. Наиболее заметен положительный эффект от внесения биоугля на показатели всхожести лиственницы. Внесение 10 т/га биоугля в торфяной субстрат привело к увеличению всхожести в 1,5 раза, а при дозе в 5 т/га всхожесть увеличивалась в 2 раза относительно контроля.
Внесение биоугля в значительной мере снизило развитие грибных заболеваний у сеянцев ели, сосны и лиственницы, что привело к уменьшению отпада сеянцев во время выращивания. За счет снижения довсходовой гибели увеличивается выход сеянцев с единицы площади.
Оптимальной дозой внесения биоугля в торфяной субстрат при выращивании однолетних сеянцев ели, сосны и лиственницы следует считать дозу 5 т/га, т.к. в этом случае отмечается увеличение всхожести семян, увеличение показателей роста сеянцев и снижение поражения сеянцев грибными заболеваниями.