Szk a nawozowe jako pod o a dla upraw hydroponicznych

Transkrypt

1 MatCer NAUKA, TECHNOLOGIA Szk a nawozowe jako pod o a dla upraw hydroponicznych IRENA WAC AWSKA, MARCIN RODA Katedra Technologii Szk a i Pow ok Amorfi cznych, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki AGH w Krakowie Wprowadzenie Zwi kszaj cy si obszar syntezy nowych szkie dla niekonwencjonalnych zastosowa wygenerowa nowy typ szkie aktywnych chemicznie w rodowisku biologicznym i pomocnych w ochronie i przywracaniu jego równowagi biogeochemicznej. Stanowi je szk a krzemianowe, które w swej szklistej matrycy mog pomie ci pe ny zestaw biopierwiastków niezb dnych ro linom do ich prawid owego rozwoju jak równie wykazuj ce zdolno ich selektywnego uwalniania w rodowisku glebowym w postaci form przyswajalnych przez ro liny. Mog wi c spe nia rol nawozów mineralnych w postaci szklistej. Szybko rozpuszczania tego typu nawozów w rodowisku glebowym mo na regulowa ich sk adem chemicznym, co ca kowicie eliminuje niebezpiecze stwo przedozowania sk adników od ywczych. Równocze nie, dzi ki spolimeryzowanej przestrzennie wi bie krzemianowej szk a nawozowe charakteryzuj si znikom rozpuszczalno ci przez wody opadowe, co korzystnie odró nia je od nawozów tradycyjnych. Nie wyst puj bowiem straty zwi zane z szybkim wymywaniem sk adników u ytecznych ze rodowiska glebowego i zanieczyszczenia nimi wód powierzchniowych i g binowych. Po wy ugowaniu ze szklistych nawozów sk adników u ytecznych, pozosta o w postaci koloidalnej krzemionki nie stanowi dla gleby zagro enia ekologicznego, a wr cz przeciwnie przyczynia si do poprawy struktury gleby czyni c j bardziej porowat []. Obecnie technologia upraw ogrodniczych, a zw aszcza upraw pod os onami zmierza ku zast powaniu tradycyjnych pod o y glebowych zasilanych nawozami mineralnymi przez pod o a sztuczne, które nie zawieraj sk adników pokarmowych dla uprawianych w nich ro lin. St d uprawy prowadzone przy ich wykorzystaniu wymagaj nawo enia przy u yciu roztworów zawieraj cych pe ny sk ad makroi mikroelementów (uprawy hydroponiczne) []. Do najcz ciej u ywanych sztucznych pod o y nale : we na mineralna, we na szklana, perlit, pumeks, pianka poliuretanowa, keramzyt [3]. Wymienione materia y charakteryzuj si okre lon porowato ci, która zapewnia uprawianym w nich ro linom odpowiednie dotlenienie, nawodnienie oraz równomierny, bujny rozwój systemu korzeniowego. Pod o a bezglebowe s ponadto wolne od patogenów, a w wi kszo ci przypadków mog by atwo i tanio odka ane termicznie przed ponownym u yciem, podczas gdy eliminacja patogenów z gleby jest trudna i kosztowna. Bior c pod uwag wymienione zalety upraw przy stosowaniu sztucznych pod o y podj to prób otrzymania porowatych szkie nawozowych uformowanych w postaci mat z rozw óknionych szkie, zak adaj c, e taka ich forma mo e by wykorzystana jako sztuczne pod o e uprawowe. Cech odró niaj c takie pod o e porowate od tradycyjnych pod o y, stosowanych w uprawach hydroponicznych, jest jego aktywno chemiczna, a wi c zdolno dostarczania uprawom dodatkowych sk adników pokarmowych. Otrzymywanie i metodyka bada W ókna szklane s u ce do formowania mat otrzymano ze szkie krzemianowo-fosforanowych, zawieraj cych w swym sk adzie pierwiastki potrzebne ro linom jako g ówne sk adniki pokarmowe (P, K, Ca, Mg). Szk o o sk adzie: (% mas.) 39 SiO, P O 5, 0 K O, MgO, CaO, Fe O 3, CuO topiono w temperaturze 50 o C, stosuj c nast puj ce surowce: piasek z Osiecznicy, fosforan dwuwapniowy, pota, magnezyt, m czk wapienn oraz tlenek miedzi. Z otrzymanej masy szklanej formowano pr ty, z których metod pionowego wyci gania otrzymano w ókna o rednicy ok. 00 m. Z kolei w ókna spajano w maty poprzez spiekanie ich w temp. 00 o C, stosuj c jako spoiwo roztwory szk a wodnego potasowego o stosunku obj to ciowym szk a do wody równym: :0 (mata I), :5 (mata II) i :3 (mata III). Spiekanie w ókien prowadzono równie bez u ycia spoiwa (mata IV) w temp. 0 o C. Rozwa aj c mo liwo wykorzystania utworzonych mat jako pod o y w uprawach bezglebowych, zbadano ich aktywno chemiczn w p ynnej po ywce stosowanej powszechnie w uprawach hydroponicznych. W tym celu maty szklane ( g) przetrzymywano w po ywce (00 ml) w temperaturze pokojowej przez okres,, i tygodni, badaj c ich rozpuszczalno przy u yciu metod chemicznych (ICP-AES, EDS) oraz mikroskopowych (SEM). Aktywno chemiczna mat szklanych utworzonych na bazie szkie nawozowych Wyniki bada nad rozpuszczalno ci mat w roztworze stosowanym w uprawach hydroponicznych przedstawiono w tab.. Analiza zmian zawarto ci fosforu w roztworze hydroponicznym wskazuje na wzrost zawarto ci tego pierwiastka w roztworze po up ywie jednego tygodnia jego oddzia ywania MATERIA Y CERAMICZNE /006 tom LVIII 37

2 Roztwór hydroponiczny Czas inkubacji [tygodnie] Zawarto makroelementów [mg/dcm 3 ] P K Mg Ca Si - 35,5,560 3,960 0,560 0,0 5,7 55,99 3,90 6,65 9,960 Roztwór hydroponiczny + mata (I) 7,333 7,36 300,70 39,30 3,50 33,0 7,05 5,70 5,35 3,0 9,590 6,90 5,790,600 6,90,076 7,93 3,3 5,00 5,030 Roztwór hydroponiczny + mata (II) 6,95 35,76 9,90 39,700 35,50 36,00 6,550 7,0 6,0 50,0 36,67 356,00 5,060 0,70 50,70,00 70,75 3,305 7,00,90 Roztwór hydroponiczny + mata (III) 7,97 3,779 37,30 9,90 37,630,0 7, 6,70 7,5 3,30 39,05 5,670 9,00 9,070 6,9 7,55,30 37,95 5,30,50 Roztwór hydroponiczny + mata (IV) 9,0 3,037 30,00 60,0,0,900 9,395 7,50,36 3,300 3,3 9,656 66,50 3,00 3,55 Tabela. Rozpuszczalno mat w roztworze stosowanym w uprawach hydroponicznych na maty szklane, przy czym szybsze uwalnianie fosforu zachodzi w przypadku mat spajanych przy u yciu najbardziej rozcie czonego roztworu szk a wodnego. Wraz z wyd u eniem czasu przetrzymywania mat w roztworze po ywki ma miejsce obni enie zawarto ci tego pierwiastka w roztworze najbardziej widoczne zmiany zaobserwowano po up ywie czterech tygodni inkubacji mat zawieraj cych jako spoiwo najmniejsz ilo szk a wodnego. Wyd u enie czasu inkubacji mat do o miu tygodni spowodowa o nieznaczny wzrost zawarto ci tego pierwiastka w analizowanym roztworze (tab. ) bardziej widoczny w przypadku mat niezawieraj cych spoiwa. Podobnie jak fosfor zachowuje si wap i potas. Z kolei wraz z wyd u aniem czasu przetrzymywania mat w roztworze hydroponicznym ilo usuwanych pierwiastków w postaci magnezu i krzemu systematycznie wzrasta (tab. ). Zaobserwowane zmiany zawarto ci poszczególnych pierwiastków wskazuj na procesy rozpuszczania si mat w roztworze hydroponicznym, po czone z krystalizacj uwalnianych ze szk a i obecnych w roztworze sk adników, Rys.. Obraz SEM i analiz EDS maty szklanej (III) (:3) po okresie tygodnia przetrzymywania w po ywce hydroponicznej. 3 MATERIA Y CERAMICZNE /006 tom LVIII

3 Rys.. Obraz SEM i analiz EDS maty szklanej (III) (:3) po okresie tygodni przetrzymywania w po ywce hydroponicznej. Rys. 3. Obraz SEM i analiz EDS maty szklanej (I) (:0) po okresie dwóch tygodni przetrzymywania w po ywce hydroponicznej. zachodz ce na granicy faz szk o-roztwór. Potwierdzaj to obserwacje SEM powierzchni mat po inkubacji w po ywce, po czone z analiz EDS. W pocz tkowym okresie oddzia ywania na nie roztworu hydroponicznego ma miejsce proces korozji mat po czony z uwalnianiem jonów K +, Mg +, Ca + i HPO - do roztworu i tworzeniem si na ich powierzchni warstwy krzemionkowej. Proces rozpuszczania mat szklanych otrzymywanych w wyniku spajania w ókien szk em wodnym potasowym poprzedza rozpuszczanie warstwy szk a wodnego, któremu towarzyszy wymywanie jonów K + (rys. ). Wraz z wyd u eniem okresu oddzia ywania po ywki na powierzchni utworzonej warstwy krzemionkowej krystalizuj fosforany wapnia (rys. ). W miar zwi kszania st enia szk a wodnego, cz cego w ókna szkie nawozowych, proces rozpuszczania mat ulega opó nieniu. W przypadku dwutygodniowego oddzia ywania roztworu hydroponicznego na mat zawieraj c jako spoiwo roztwór szk a wodnego o ni szym st eniu (:0) proces krystalizacji fosforanów jest bardziej intensywny (rys. 3), natomiast powierzch- nia mat spajanych przy u yciu roztworu szk a wodnego o najwy szym st eniu (:3) ulegaj jedynie wzbogaceniu w krzemionk (rys. ). Analiza EDS wybranych punktów powierzchni mat po up ywie o miu tygodni oddzia ywania na nie roztworu hydroponicznego wskazuje na proces rozpuszczania si wykrystalizowanych zwi zków, co wi e si z ponownym wzbogaceniem powierzchni w krzemionk. Przebieg procesu rozpuszczania mat utworzonych z rozw óknionych szkie nawozowych jest zgodny z towarzysz cymi mu zmianami warto ci ph roztworu hydroponicznego. Proces rozpuszczania mat powoduje bowiem alkalizacj roztworu widoczn najwyra niej po up ywie jednego tygodnia inkubacji mat (rys. 5) zawieraj cych jako spoiwo roztwór szk a wodnego o najwy szym st eniu (:3). Jest ona wynikiem rozpuszczania w roztworze hydroponicznym warstwy krzemianowo-potasowej, cz cej poszczególne w ókna w maty. Wyra ny wzrost warto ci ph po ywki obserwowany pomi dzy i tygodniem inkubacji mat zwi zany jest z procesem krystalizacji kwa nych fosforanów na po- MATERIA Y CERAMICZNE /006 tom LVIII 39

4 Rys.. Obraz SEM i analiz EDS maty szklanej (III) (:3) po okresie tygodni przetrzymywania w po ywce hydroponicznej. wierzchni mat. W wietle przedstawionych wyników rozpuszczanie mat utworzonych z rozw óknionych szkie nawozowych przebiega podobnie jak rozpuszczanie szkie nawozowych w rodowisku glebowym [] i zachodzi poprzez tworzenie metatrwa ej warstwy sta ych produktów rozpuszczania na granicy szk o-roztwór hydroponiczny. Warstwa ta spowalnia proces rozpuszczania mat i wraz z wyd u eniem czasu oddzia ywania na nie roztworu ulega rozpuszczeniu, któremu towarzyszy uwalnianie sk adników pokarmowych zawartych w szk ach nawozowych. Wst pna ocena mo liwo ci wykorzystania mat szklanych w uprawach bezglebowych Przydatno mat wytworzonych z rozw óknionych szkie nawozowych jako pod o y w uprawach bezglebowych sprawdzono w hydroponicznej uprawie trzykrotki (Tradescantia), przeprowadzonej w Katedrze Uprawy Roli i Nawo enia Ro lin Ogrodniczych Akademii Rolniczej w Krakowie. Po zako czeniu 6-tygodniowego okresu wegetacji wykonano analizy chemiczne cz ci nadziemnych ro lin na zawarto sk adników pokarmowych typu P, K, Ca, Mg oraz pomiary fitometryczne ph wyj ciowa po ywka tydz. tydz. tydz. tydz. czas bez szk a wodnego :3 :5 :0 Rys. 5. Wykres zmiany ph roztworu hydroponicznego w trakcie rozpuszczania mat. EC roztworu hydroponicznego [m S cm - ] EC roztworu hydroponicznego [m S cm - ] Ca kowita masa ro lin [g] Zawarto sk adników pokarmowych w cz ci nadziemnej trzykrotki (Tradescantia) [% wag. suchej masy] P K Mg Ca, 0,6 3,05 0,0,5, 0,655 5,9 0,730,67, 0,75 6,56 0,9 0,397 Tabela. Zawarto sk adników pokarmowych w cz ci nadziemnej trzykrotki (Tradescantia) po 6 tygodniowym cyklu uprawy na pod o u z maty szklanej Masa korzeni [g] Masa cz ci nadziemnej [g], 6,7, 5,65, 50,3,03 9,39, 69,5 0,90 6,5 Tabela 3. Masa trzykrotki (Tradescantia) po 6-tygodniowym cyklu uprawy na pod o u z maty szklanej 0 MATERIA Y CERAMICZNE /006 tom LVIII

5 ro lin [5]. Oceniaj c zaopatrzenie ro lin w sk adniki pokarmowe stwierdzono, e przy u yciu roztworu hydroponicznego o najwy szym st eniu sk adników pokarmowych (EC =, m S cm - ) zawarto ci P, K, Ca i Mg kszta towa y si w górnym zakresie liczb granicznych (tab. ). W a ciwe zaopatrzenie ro lin w sk adniki pokarmowe znalaz o swoje odzwierciedlenie w ich zdrowotno ci i masie (tab. 3), a tak e w a ciwie rozwini tym systemie korzeniowym (rys. 6). Podsumowanie Szk a nawozowe w postaci porowatych mat utworzonych z rozw óknionych szkie z uk adu SiO -P O 5 -K O-CaO-MgOmikroelementy mog stanowi nowego rodzaju pod o a uprawowe, które w odró nieniu od dot d u ywanych, s biologicznie czynne, dostarczaj c ro linom w sposób ci g y, d ugookresowy odpowiednich sk adników pokarmowych. Spowolnione uwalnianie sk adników pokarmowych z takich pod o y mo na regulowa nie tylko sk adem chemicznym rozw óknionych szkie, ale tak e st eniem spoiwa cz cego w ókna szklane w posta porowatej maty. Rozpuszczanie tego typu pod o y w roztworach hydroponicznych, stosowanych w uprawach bezglebowych, po czone z uwalnianiem makro i mikroelementów, przebiega podobnie, jak rozpuszczanie szkie nawozowych w rodowisku glebowym i towarzyszy mu tworzenie metatrwa ej warstwy spowalniaj cej proces rozpuszczania mat. W przypadku stosowania takich pod o y nie wyst puje problem utylizacji zu ytych mat ogrodniczych, gdy zachowuj one swoje w a ciwo ci nawozowe i pokruszone mog by wykorzystane jako doglebowy rodek nawozowy ulegaj cy w glebie samodegradacji. Praca zosta a wykonana na Wydziale In ynierii Materia- owej i Ceramiki AGH w ramach bada statutowych w roku 006 (nr umowy ). Literatura Rys. 6. Obraz SEM i analiz EDS maty szklanej (II) (:5) po zako czeniu 6-tygodniowego okresu wegetacji trzykrotki (Tradescantia) w ókno szklane, korze ro liny. [] I. Wac awska, L. Stoch, M. roda, M. Szumera, G. Kuci ski: Szk a nawozowe dla upraw ogrodniczych, Mat. Cer. (005) 6. [] J. Pribyl: Hydroponika dla ka dego, Wyd. PWRiL (990). [3] W. O wi cimski: Aktualne tendencje w wykorzystaniu pod o y nieorganicznych w uprawach pod os onami. Mat. Konf. Nauk. Pt. Pod o a ogrodnicze, ich w a ciwo ci i nowoczesne koncepcje wykorzystania, Lublin, XII (995), 3. [] I. Wac awska, L. Stoch, J. Ostrowska: Biochemical activity of silicate-phosphate glasses, Glass Technology, 3C (00) 37. [5] I. Wac awska, L. Lis-Krzy cin, M. roda: Chemical activity of glass fi bres for hydroponics, Chemistry for Agriculture, 7 (006) 365. MATERIA Y CERAMICZNE /006 tom LVIII