OCENA STANU MATERII ORGANICZNEJ ORAZ AKTYWNOŚCI

RESPIRACYJNEJ I ENZYMATYCZNEJ GLEBY PO APLIKACJI BIOWĘGLA

Monika Mierzwa-Hersztek1, Krzysztof Gondek1, Agnieszka Klimkowicz-Pawlas2

1Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. Mickiewicza

21, 31-120 Kraków, Polska, e-mail: rrgondek@cyf-kr.edu.pl, monika6_mierzwa@wp.pl 2Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa, Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa w

Puławach, Czartoryskich 8, 24-100 Pulawy, Polska, tel/fax: 81 4786 920

Oceny wpływu rolniczej i pozarolniczej działalności człowieka na jakość gleb, dokonuje

się głównie poprzez określenie ich właściwości chemicznych i biologicznych. Dodatek

zewnętrznej materii organicznej, może prowadzić do istotnych zmian w zawartości i jakości

związków próchnicznych oraz w różnorodności strukturalnej i funkcjonalnej populacji

mikroorganizmów odpowiadających za integralną funkcjonalność gleby. Z uwagi na

niepodważalne znaczenie próchnicy glebowej w wielu procesach biochemicznych oraz

pogłębiający się jej deficyt zwłaszcza w glebach lekkich poszukiwane są alternatywne źródła

substratów do wytworzenia tego składnika. Biorąc pod uwagę stabilność fizyczną i chemiczną,

takim źródłem może być stały produkt termicznego przekształcenia biomasy nazywany

biowęglem.

Celem przeprowadzonych badań była ocena stanu materii organicznej oraz aktywności

respiracyjnej i enzymatycznej w glebie po aplikacji biowęgla wyprodukowanego z pomiotu

drobiowego w warunkach dwuletniego doświadczenia polowego. Biowęgiel zastosowano w

dawkach 2,25 t i 5 t s.m.∙ha-1. Uzyskane wyniki badań wskazują, że zawartość węgla

organicznego po drugim roku badań zwiększyła się istotnie w glebie z dodatkiem biowęgli ze

słomy pszennej i słomy miskanta w dawce 5 t s.m.∙ha-1 w porównaniu do zawartości C

oznaczonej w glebie obiektu, w którym zastosowano nawożenie mineralne NPK. Doglebowa

aplikacja materiałów organicznych przed i po przekształceniu termicznym po drugim roku badań,

niezależnie od zastosowanej dawki, nie przyczyniła się do istotnego zwiększenia zawartości

węgla organicznego w porównaniu do obiektu kontrolnego. Niezależnie od zastosowanego

nawożenia, po drugim roku badań, stwierdzono zmniejszenie zawartości węgla kwasów

huminowych i zwiększenie węgla kwasów. Ocena związków próchnicznych na podstawie

wartości stosunku Ckh : Ckf wykazała, że zastosowane nawożenie spowodowało zmiany w

wartości tego parametru. Obliczone po drugim roku badań współczynniki absorbancji A2/6 i

A4/6 roztworów kwasów huminowych nie wykazywały statystycznie istotnych różnic pomiędzy

poszczególnymi obiektami. Dodatek biowęgla do gleby w dawkach 2.25 t i 5 t s.m∙ha-1

przyczynił się do istotnego zwiększenia biomasy mikroorganizmów w porównaniu do obiektu, w

którym zastosowano wyłącznie nawożenie mineralne odpowiednio o 59% i 77% a w stosunku do

gleby obiektu kontrolnego o 6% i 18%. Istotnie zwiększenie aktywności respiracyjnej oznaczono

w glebie obiektu, do którego wprowadzono 5 t s.m.∙ha-1 biowęgla. Aplikacja mniejszej dawki

biowęgla do gleby spowodowała efekt odwrotny tj. zmniejszenie wartości tego parametru o

17.9%. Istotne zwiększenie aktywności enzymatycznej dehydrogenaz stwierdzono w glebie, do

której wprowadzono biowęgiel z pomiotu drobiowego w dawce 5 t s.m./ha.

Monika Mierzwa-Hersztek1, Krzysztof Gondek1, Agnieszka Klimkowicz-Pawlas2

1Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

2Zakład Gleboznawstwa, Erozji i Ochrony Gruntów, IUNG, Puławy

OCENA STANU MATERII ORGANICZNEJ ORAZ

AKTYWNOŚCI RESPIRACYJNEJ I

ENZYMATYCZNEJ GLEBY PO APLIKACJI BIOWĘGLA

„Biowęgiel w Polsce: nauka, technologia, biznes” Serock 30-31.05.2016r.

PLAN PREZENTACJI

1. Wprowadzenie 2. Cel badań 3. Materiał i metody badań 4. Wyniki 5. Wnioski 6. Literatura

BIOWĘGIEL

Surowce używane do produkcji biowęgla: Odpady leśne np. zrębki, kora, trociny, liście; Odpady rolnicze pochodzenia roślinnego np.

słoma z kukurydzy, słoma pszenna, łupiny i łuski z nasion, warzywa, liście;

Produkty uboczne z przetwórstwa i produkcji zwierzęcej np. pomiot, pióra, mączka mięsno-kostna, skóry, włosy, kości;

Osady ściekowe i odpady komunalne; Algi i rośliny wodne; Rośliny energetyczne np. miskant, wierzba.

Do produkcji biowęgla nie można używać odpadów nieorganicznych!!!

„Biochar - BC - to stały produkt otrzymany w czasie termochemicznej konwersji biomasy w warunkach ograniczonego dostępu powietrza (1-2%) który posiada fizyko-chemiczne właściwości pozwalające na bezpieczne i długotrwałe zatrzymanie węgla w środowisku”

BIOWĘGIEL – właściwości

• wysoka zawartość węgla organicznego • porowata struktura i duża powierzchnia

właściwa • obecność grup funkcyjnych na powierzchni

biowęgla

właściwości te wpływają m.in. na:

Poprawę zdolności sorpcyjnych utworu glebowego ograniczając wymywanie składników pokarmowych

Zmniejszenie zakwaszenia Poprawę struktury i stosunków powietrzno-

wodnych gleby Wiązanie zanieczyszczeń organicznych i

nieorganicznych

Images from www.airterra.com and ”Biochar: Environmental Management” (edited by Lehmann and Joseph. 2009)

140 x corn cob

280 x miscanthus

Celem przeprowadzonych badań była ocena stanu materii organicznej oraz

aktywności respiracyjnej i enzymatycznej w glebie po aplikacji biowęgla

wyprodukowanego z pomiotu drobiowego

Pomiot drobiowy przed pirolizą Pomiot drobiowy po pirolizie

Proces termicznej transformacji pomiotu drobiowego przeprowadzono na stanowisku do gazyfikacji biomasy, przy ograniczonym dostępie powietrza (1-2%),

Temperatura w komorze spalania wynosiła 300 ºC, a czas ekspozycji 15 minut.

• zawartość suchej masy w temperaturze 105 °C przez 12 godzin; • odczyn metodą potencjometryczną; • skład elementarny (C, H, N, S) biowęgli na analizatorze CHNS (Vario EL Cube firmy Elementar); • zawartość ogólną badanych pierwiastków popielnych (P, K, Cu, Cd, Zn i Pb) oznaczono po

spopieleniu próbki w piecu komorowym w temperaturze 450o C przez 12 godzin i mineralizacji pozostałości w mieszaninie stężonych kwasów azotowego i nadchlorowego (3:2 v/v). W uzyskanych roztworach zawartość poszczególnych pierwiastków oznaczono metodą ICP-OES przy użyciu aparatu Optima 7300 DV firmy Perkin Elmer .

• Powierzchnię właściwą materiałów organicznych (SBET) oraz wielkość i objętość porów oznaczono za pomocą wielofunkcyjnej aparatury do pomiaru powierzchni właściwej i porowatości ASAP 2010 produkcji amerykańskiej firmy Micromeritics. Powierzchnię właściwą (SBET) wyznaczono metodą fizycznej adsorpcji azotu w temperaturze ciekłego azotu (77 oK) z równania Brunauera-Emmeta-Tellera. Czas odgazowywania próbek wynosił 16 godzin. Stan odgazowania powierzchni kontrolowano w trybie automatycznym.

Proces przekształcenia termicznego

Oznaczenia wykonane w pomiocie drobiowym przed i po pirolizie:

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

? Właściwości fizyczne i chemiczne pomiotu drobiowego przed i po przekształceniu termicznym

±odchylenie standardowe, n=3

Oznaczenie Jednostka Pomiot drobiowy Biowęgiel z pomiotu

drobiowego

pH w H2O - 7.53 ± 0.02 8.10 ± 0.02

Przewodność elektrolityczna µS·cm-1 49.1 ± 12.4 91.5 ± 2.60

Sucha masa g · kg-1 323 ± 2 986 ± 1

Popiół

g · kg-1 s.m.

312 ± 0 421 ± 1

C ogólny 336 ± 19.7 390 ± 10

N ogólny 25.9 ± 4.65 33.6 ± 0.76

S ogólna 4.51 ± 0.70 5.28 ± 0.23

H ogólny 50.5 ± 5.14 35.5 ± 1.40

O ogólny 265 ± 28 107 ± 12

P ogólny 18.3 ± 2.20 27.6 ± 2.90

K ogólny 29.9 ± 0.66 36.7 ± 1.81

Cd ogólny

mg · kg-1 s.m.

0.37 ± 0.01 0.54 ± 0.07

Cu ogólny 16.1 ± 1.22 57.6 ± 0.88

Pb ogólny 3.29 ± 0.22 4.42 ± 1.35

Zn ogólny 110 ± 5 280 ± 3

Powierzchnia właściwa SBET m2 · g-1 1.83 ± 0.22 2.76 ± 0.29

Objętość mikroporów cm3·g-1 0.006 ± 0.000 0.011 ± 0.002

Wielkość mikroporów nm 14 ± 2 18 ± 3

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

?

Symbol obiektu Nazwa obiektu

C gleba bez nawożenia (kontrola)

MF gleba nawożona nawozami mineralnymi

PL gleba nawożona nawozami mineralnymi i pomiotem drobiowym

PLB I gleba nawożona nawozami mineralnymi i biowęglem z pomiotu

drobiowego w dawce 2,25 t s.m.·ha-1

PLB II gleba nawożona nawozami mineralnymi i biowęglem z pomiotu

drobiowego w dawce 5 t s.m.·ha-1

W materiale glebowym wykonano następujące oznaczenia: pH - potencjometrycznie w zawiesinie gleby i wody oraz w zawiesinie gleby i roztworu KCl o stężeniu 1 mol · dm-3

Przewodność elektrolityczną - konduktometrycznie;

Zawartość azotu ogólnego metodą Kjeldahla;

Zawartość węgla organicznego metodą Tiurina;

Skład frakcyjny próchnicy metodą Kononowej i Bielczikowej [1968]; Gęstość optyczną kwasów huminowych określono na podstawie stosunku ekstynkcji A2/6 i A4/6 przy

długości fali 270 nm (A2 ), 465 nm (A4 ) i 665 nm (A6 ).

Aktywność dehydrogenaz (DhA) określano metodą Casida i in. (1964) przy wykorzystaniu chlorku trifenylotetrazolu (TTC) jako akceptora elektronów.

Podstawową aktywność oddechową (BR) oznaczono wg normy ISO 16072 (2002) a aktywność oddechową indukowaną substratem (SIR) oznaczono wg normy ISO 14240-1 (1997)

Biomasę mikroorganizmów (Cmic) obliczono ze wzoru Cmic (µg g-1) = 40.4 · R + 0.37 po wyznaczeniu aktywności oddechowej indukowanej substratem

Próbki materiału glebowego pobrano po zakończeniu wegetacji roślin, wysuszono je w temperaturze pokojowej, przesiano przez sito o średnicy oczek 2 mm, a następnie poddano analizom chemicznym.

WARUNKI METEOROLOGICZNE W CZASIE PROWADZENIA EKSPERYMENTU

WYNIKI BADAŃ

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

?

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I CHEMICZNE

GLEBY (0-10 cm) PRZED ZAŁOŻENIEM

DOŚWIADCZENIA

±odchylenie standardowe, n=3

OZNACZENIE JEDNOSTKA WARTOŚĆ

Zawartość frakcji

%

1.0-0.1 mm 73

0.1-0.02 mm 15

<0.02 mm 12

pH H2O - 6.40 ± 0.02

pH KCl - 5.48 ± 0.01

Przewodność

elektrolityczna µS·cm-1 29.0 ± 0.00

C ogólny g ∙ kg-1 s.m

9.78 ± 0.96

N ogólny 0.96 ± 0.01

Cd ogólny

mg ∙ kg-1 s.m.

0.62 ± 0.02

Cu ogólny 5.76 ± 0.12

Pb ogólny 26.1 ± 2.5

Zn ogólny 135 ± 19

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

?

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I CHEMICZNE GLEBY PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm)

Obiekt C ogólny

[g ⋅ kg-1s.m.] N ogólny

[g ⋅ kg-1s.m.] pH H2O pH KCl

Przewodność elektrolityczna

[uS·cm-1]

C 10.3a ± 0.75 0.94a± 0.01 6.75a ± 0.52 5.70a±0.31 40.7a ± 0.00

MF 10.4a ± 2.04 0.96b± 0.04 6.56a ± 0.27 5.34a±0.10 45.0a ± 0.00

PL 11.8a ± 1.57 0.98a ± 0.06 6.60a ± 0.26 5.49a±0.34 46.6a ± 0.01

PLB I 11.0a ± 1.00 0.94a±0.05 6.49a± 0.12 5.59a ± 0.26 37.4a ± 0.01

PLB II 10.4a ± 0.86 0.97a ± 0.06 6.57b ± 0.18 5.46a± 0.09 48.8b ± 0.00

± odchylenie standardowe, n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem drobiowym; PLB I-

gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu

drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

? Katedra Chemii Rolnej

i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy

w Krakowie

ZAWARTOŚĆ WĘGLA ORGANICZNEGO (Corg) I EKSTRAHOWALNEGO Na4P2O7 + NaOH (Cext)

± odchylenie standardowe, n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem

drobiowym; PLB I - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona

NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

? Katedra Chemii Rolnej

i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy

w Krakowie ZAWARTOŚĆ WĘGLA KWASÓW HUMINOWYCH I FULWOWYCH ORAZ WĘGLA NIEHYDROLIZUJĄCEGO

± odchylenie standardowe. n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem

drobiowym; PLB I - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona

NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Obiekt Ckwasów huminowych

(CKH) Ckwasów fulwowych

(CKF) CKH:CKF C NIEHYDROLIZUJĄCY

C 1.98a ± 0.00 1.24a ± 0.69 1.35a 6.56ab ± 1.15

MF 1.76a ± 0.22 1.74a ± 0.38 1.06a 5.85a ± 0.37

PL 1.47a ± 0.25 1.37a ± 0.17 1.02a 8.07b ± 0.44

PLB I 1.76a ± 0.44 1.74a ± 0.72 1.19a 6.75ab ± 1.11

PLB II 1.91a ± 0.71 1.86a ± 0.44 1.13a 5.27a ± 1.32

BIOMASA MIKROORGANZMÓW PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm)

± odchylenie standardowe, n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem drobiowym; PLB I -

gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu

drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

?

Objekt

BR

(µg C-CO2·kg-1

s.m.·h-1)

% do

kontroli

SIR

(µg C-CO2·kg-1

s.m.·h-1)

% do

kontroli QR

% do

kontroli

C 3.24ab ± 1.46 100 19.8a ± 2.64 100 0.16ab ± 0.07 100

MF 2.63a ± 0.97 81 13.2c ± 5.04 67 0.25b ± 0.06 156

PL 3.28ab ± 0.62 101 26.2b ± 7.78 68 0.13a ± 0.03 81

PLB I 2.66a ± 0.71 82 21.0a ± 3.79 106 0.13a ± 0.05 81

PLB II 3.94b ± 0.93 122 23.5ab ± 4.17 119 0.17ab ± 0.05 106

± odchylenie standardowe. n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem

drobiowym; PLB I - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona

NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

? Katedra Chemii Rolnej

i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy

w Krakowie AKTYWNOŚĆ ODDECHOWA GLEBY

PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm)

Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

?

AKTYWNOŚĆ ENZYMATYCZNA GLEBY PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm)

± odchylenie standardowe, n=3; Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu Duncana przy α < 0.05;

czynnik: nawożenie

C – gleba bez nawożenia (kontrola); MF –gleba nawożona nawozami mineralnymi; PL- gleba nawożona NPK i pomiotem drobiowym; PLB I-

gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2.25 t s.m.∙ha-1; PLB II - gleba nawożona NPK i biowęglem z pomiotu

drobiowego w dawce 5 t s.m.∙ha-1

Cd Cr

Ni

WWA

Pb

Mn

Al

Zn Cu

? Katedra Chemii Rolnej

i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy

w Krakowie WNIOSKI 1. Doglebowa aplikacja materiałów organicznych przed i po przekształceniu termicznym po drugim roku badań,

niezależnie od zastosowanej dawki, nie przyczyniła się do istotnego zwiększenia zawartości węgla organicznego w porównaniu do obiektu kontrolnego.

2. Niezależnie od zastosowanego nawożenia, po drugim roku badań, stwierdzono zmniejszenie zawartości węgla kwasów huminowych i zwiększenie zawartości węgla kwasów fulwowych.

3. Ocena związków próchnicznych na podstawie wartości stosunku Ckh : Ckf wykazała, że zastosowane nawożenie nie spowodowało statystycznie istotnych zmian w wartości tego parametru.

4. Dodatek biowęgla do gleby w dawkach 2.25 t i 5 t s.m·ha-1 przyczynił się do istotnego zwiększenia biomasy mikroorganizmów w porównaniu do obiektu, w którym zastosowano wyłącznie nawożenie mineralne odpowiednio o 59% i 77%, a w stosunku do gleby obiektu kontrolnego o 6% i 18%.

5. Istotnie zwiększenie aktywności respiracyjnej oznaczono w glebie obiektu, do którego wprowadzono 5 t s.m.·ha-1 biowęgla. Aplikacja biowęgla w dawce 2.25 t s.m·ha-1 do gleby spowodowała efekt odwrotny tj. zmniejszenie wartości tego parametru o 17.9%.

6. Nie stwierdzono istotnego zwiększenia aktywności enzymatycznej dehydrogenaz w glebie po zastosowaniu materiałów organicznych przed i po przekształceniu termicznym w stosunku do obiektu kontrolnego.