OCENA STANU MATERII ORGANICZNEJ ORAZ AKTYWNOŚCI RESPIRACYJNEJ I ENZYMATYCZNEJ GLEBY PO APLIKACJI BIOWĘGLA Monika Mierzwa-Hersztek 1, Krzysztof Gondek 1, Agnieszka Klimkowicz-Pawlas 2 1 Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 2 Zakład Gleboznawstwa, Erozji i Ochrony Gruntów, IUNG, Puławy 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 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 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 mięsnokostna, 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!!!
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 powietrznowodnych gleby Wiązanie zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych Images from www.airterra.com and Biochar: Environmental Management (edited by Lehmann and Joseph. 2009) 280 x miscanthus 140 x corn cob
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 przekształcenia termicznego 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. Oznaczenia wykonane w pomiocie drobiowym przed i po pirolizie: 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 450 o 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 (S BET ) oraz wielkość i objętość porów oznaczono za pomocą wielofunkcyjnej aparatury do pomiaru powierzchni właściwej i porowatości ASAP 2010 produkcji amerykańskiej firmy Micromeritics. Powierzchnię właściwą (S BET ) wyznaczono metodą fizycznej adsorpcji azotu w temperaturze ciekłego azotu (77 o K) z równania Brunauera-Emmeta- Tellera. Czas odgazowywania próbek wynosił 16 godzin. Stan odgazowania powierzchni kontrolowano w trybie automatycznym.
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Właściwości fizyczne i chemiczne pomiotu drobiowego przed i po przekształceniu termicznym Oznaczenie Jednostka Pomiot drobiowy Biowęgiel z pomiotu drobiowego ph w H 2 O - 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 S ogólna 4.51 ± 0.70 5.28 ± 0.23 g kg -1 s.m. H ogólny 50.5 ± 5.14 35.5 ± 1.40 ±odchylenie standardowe, n=3 312 ± 0 421 ± 1 C ogólny 336 ± 19.7 390 ± 10 N ogólny 25.9 ± 4.65 33.6 ± 0.76 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 0.37 ± 0.01 0.54 ± 0.07 Cu ogólny mg kg -1 s.m. 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 S BET m 2 g -1 1.83 ± 0.22 2.76 ± 0.29 Objętość mikroporów cm 3 g -1 0.006 ± 0.000 0.011 ± 0.002 Wielkość mikroporów nm 14 ± 2 18 ± 3
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Symbol obiektu C MF PL PLB I PLB II gleba bez nawożenia (kontrola) Nazwa obiektu gleba nawożona nawozami mineralnymi gleba nawożona nawozami mineralnymi i pomiotem drobiowym gleba nawożona nawozami mineralnymi i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 2,25 t s.m. ha -1 gleba nawożona nawozami mineralnymi i biowęglem z pomiotu drobiowego w dawce 5 t s.m. ha -1
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. 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
WARUNKI METEOROLOGICZNE W CZASIE PROWADZENIA EKSPERYMENTU
WYNIKI BADAŃ
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 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 H 2 O - 6.40 ± 0.02 ph KCl - 5.48 ± 0.01 Przewodność elektrolityczna µs cm -1 29.0 ± 0.00 C ogólny 9.78 ± 0.96 g kg -1 s.m N ogólny 0.96 ± 0.01 Cd ogólny 0.62 ± 0.02 Cu mg kg -1 ogólny s.m. 5.76 ± 0.12 Pb ogólny 26.1 ± 2.5 Zn ogólny 135 ± 19
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I CHEMICZNE GLEBY PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm) Obiekt C ogólny [g kg -1 s.m.] N ogólny [g kg -1 s.m.] ph H 2 O ph KCl Przewodność elektrolityczna [us cm -1 ] C 10.3 a ± 0.75 0.94 a ± 0.01 6.75 a ± 0.52 5.70 a ±0.31 40.7 a ± 0.00 MF 10.4 a ± 2.04 0.96 b ± 0.04 6.56 a ± 0.27 5.34 a ±0.10 45.0 a ± 0.00 PL 11.8 a ± 1.57 0.98 a ± 0.06 6.60 a ± 0.26 5.49 a ±0.34 46.6 a ± 0.01 PLB I 11.0 a ± 1.00 0.94 a ±0.05 6.49 a ± 0.12 5.59 a ± 0.26 37.4 a ± 0.01 PLB II 10.4 a ± 0.86 0.97 a ± 0.06 6.57 b ± 0.18 5.46 a ± 0.09 48.8 b ± 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
Al Mn Cu Cd Ni Katedra Chemii Rolnej? WWA Zn i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy Pb w Krakowie Cr ZAWARTOŚĆ WĘGLA ORGANICZNEGO (Corg) I EKSTRAHOWALNEGO Na 4 P 2 O 7 + 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
Al Mn Cu Cd Ni Katedra Chemii Rolnej? WWA Zn i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy Pb w Krakowie Cr ZAWARTOŚĆ WĘGLA KWASÓW HUMINOWYCH I FULWOWYCH ORAZ WĘGLA NIEHYDROLIZUJĄCEGO Obiekt C kwasów huminowych (CKH) C kwasów 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 ± 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
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 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
Al Mn Cu Cd Ni Katedra Chemii Rolnej? WWA Zn i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy Pb w Krakowie Cr AKTYWNOŚĆ ODDECHOWA GLEBY PO DRUGIM ROKU BADAŃ (0-10 cm) Objekt BR (µg C-CO 2 kg -1 s.m. h -1 ) % do kontroli SIR (µg C-CO 2 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
Al Mn Cu Cd Ni? Cr WWA Zn Pb Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 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
Al Mn Cu Cd Ni Katedra Chemii Rolnej? WWA Zn i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy Pb w Krakowie Cr 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.