WPŁYW WĘGLA BRUNATNEGO NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY PŁOWEJ

ROCZNIK] GLEBOZNAWCZE TOM LX NR I WARSZAWA 2009: 49-54 JOLANTA KWIATKOWSKA, ALINA MACIEJEWSKA WPŁYW WĘGLA BRUNATNEGO NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GLEBY PŁOWEJ INFLUENCE OF BROWN COAL ON PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF HAPLIC LUVISOLS Zakład Gospodarki Przestrzennej i Nauk o Środowisku Przyrodniczym, Politechnika Warszawska A bstract: The long-term, static experiments were earned out in stoneware pots sank into the ground. Soil originated from loamy sand on sandy loam (Haplic Luvisols) was mixed with brown coal in a dose o f 140 g per pot, which is an equivalent to 5 tons o f organic carbon per ha. Addition o f brown coal increased soil reaction and sorptive properties, as well as contents o f organic carbon and total nitrogen in direct and indirect reaction. Based on these results it can be stated that the brown coal applied into soil can be used for improvement o f sorptive properties o f very light soil. Słow a kluczowe: w ęgiel brunatny, w łaściw ości fizykochem iczne, w ęgiel organiczny, azot ogółem. K ey w ords: brown coal, physical-chem ical properties, organic carbon, total nitrogen. WSTĘP Podstawowym celem rolnictwa jest uzyskanie optymalnych plonów pod względem ilościowym i jakościowym, przy zachowaniu żyzności i produkcyjności gleb. W celu spełnienia tych wymogów niezbędne jest stosowanie racjonalnego nawożenia organicznego. Nawozem organicznym, stosowanym od wielu lat. któiy poprawia i/lub utrzymuje właściwości fizykochemiczne gleby, jest obornik. Jednak ze względu na ograniczenie jego produkcji związanej ze spadkiem pogłowia zwierząt (od 1995 do 2004 roku ilość bydła zmniejszyła się o 9 sztuk na 100 ha użytków rolnych [Rocznik statystyczny 2006]) zaczęto poszukiwać alternatywnych źródeł materii organicznej, którą można wprowadzić do gleby. Do poprawienia czy ulepszenia niektórych właściwości gleb najczęściej poszukiwane są preparaty podnoszące przede wszystkim zdolności retencyjne gleby, czyli zwiększające pojemność wodną oraz kompleks sorpcyjny i pojemność sorpcyjną w stosunku do kationów [Maciejewska. Kwiatkowska 1998; Mazur i in. 1998; Żukowska i in. 1999; Lu, Zhu 2004; Iżewska 2007]. Te ostatnie właściwości gleby mają szczególne znaczenie w prawidłowym odżywianiu roślin i utrzymaniu żyzności gleby oraz w unieruchamianiu (stabilizacji/immobilizacji) toksycznych związków zanieczyszczających glebę - szczególnie metali ciężkich [Karczewska i in. 1996: Martyniuk, Więckowska 2003].

50 J. Kwiatkowska, A. Maciejewska Źródłem materii organicznej może być węgiel brunatny. Odpadowy węgiel brunatny w formie pospółki oraz preparaty wytworzone na jego podstawie mogą być stosowane jako niekonwencjonalne nawozy organiczne, spełniające wymogi bezpieczeństwa przeciwdziałające skażeniu środowiska [Maciejewska 1993, 1995; Kwiatkowska i in. 2005]. Celem pracy było zbadanie wpływu węgla brunatnego - wprowadzonego jednorazowa do wierzchniej warstwy gleby w wazonach doświadczalnych - na jej wybrane właściwości fizykochemiczne oraz na zawartość węgla organicznego i azotu ogółem w; działaniu bezpośrednim i następczym. MATERIAŁ I METODY Wieloletnie, statyczne doświadczenie mikropoletkowe w wazonach gruntowych o średnicy 40 cm i wysokości 120 cm i pojemności 55.4 kg gleby, założono jesienią 1999 roku, stosując metodę losowanych bloków w czterech powtórzeniach. Doświadczenie prowadzono na glebie płowej typowej według klasyfikacji FAO Haplic Luvisols, wytworzonej z piasku gliniastego lekkiego na glinie lekkiej, klasy bonitacyjnej IVa, kompleksu przy datności rolniczej żytniego bardzo dobrego. Glebę pobraną z zachowaniem poziomów genetycznych w profilu umieszczono w wazonach. Wierzchnią warstwę (do 30 cm) gleby wymieszano z wprowadzonym jednorazowo węglem brunatnym, w dawce 140 g na w'azon, co odpowiadało 5 t Corg na ha. Do badań, użyto w ęgiel brunatny z Zagłębia Konińskiego, który jest bogaty w kwasy tłuszczowe i dlatego może stanowić źródło materii organicznej. Węgiel brunatny charakteryzował się następującym składem pierwiastkowym: 5 500 mg Nog-kg, 13 300 mg K-kg \ 29 000 mg Ća-kg \ 125 000 mg Mg-kgr, 590 000 mg Corg-kg Podstawowe dane charakteryzujące glebę w 1999 roku przedstawiono w tabeli 1. Na glebie w-ziętej do doświadczenia uprawiano w roku 1999 żyto ozime na zieloną masę, w 2000 - żyto ozime na zieloną masę, kukurydzę, a następnie rzepę czarną, w 2001 - pszenicę ozimą, a następnie szpinak, w 2002 - rzodkiewkę, facelię, w 2003 - gorczycę, kapustę pekińską, a w latach 2004-2006 trawę - rajgras wioski. Zabiegi agrotechniczne, które nie obejmowały' wapnowania tylko daw ki startowa azotu, wykonano zgodnie z zaleceniami agrotechnicznymi. Próbki gleby, w czterech powtórzeniach, pobierano po zbiorze roślin w 2000 i 2005 roku. Oznaczono w- nich: ph w H20 i 1 mol KC1 dirf3 - metodą potencjometryczną, kwasowość wymienną (Kw) w' 1 mol KC1 dm? - metodą Sokołowa, kwasowość hydrolityczną (Hh) w roztworze 1 mol (CHXOO)?Ca dm" - metodą Kappena, zawartość wymiennych kationów- zasadowych (K, Na, Ca~ Mg) w 1 mol CH3COONH4- dm 3 - metodą AŚA, azot ogólny - metodą Kjeldahla, węgiel organiczny-metodątiurina, obliczono pojemność sorpcyjną(t), stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi (V), zawartość próchnicy i stosunek C:N. Przeprowadzono analizę statystyczną wykorzystując program Statgraphics 4.1. Wyniki badań z roku 2000 charakteryzują działanie bezpośrednie węgla brunatnego, natomiast z 2005 roku - działanie następcze. WYNIKI I DYSKUSJA Działanie bezpośrednie w roku 2000 węgla brunatnego oraz wpływ następczy w roku 2005 na właściwości fizykochemiczne gleby obrazują dane w tabelach 2-4. Zastosowana jednorazowo substancja organiczna w postaci węgla brunatnego, istotnie poprawia właściwości fizykochemiczne gleby zarówno w działaniu bezpośrednim, jak i następczym. Bezpośrednie oddziaływanie węgla brunatnego na właściwości fizykochemiczne gleby wynikało z jego

Wpływ węgła brunatnego na właściwości fizykochemiczne gleby płowej 51 TABELA 1. W łaściwości fizykochemiczne w wierze liniej warstwie gleby (do 30 cm ) przed założeniem doświadczenia w 1999 r. TABLE 1. Physical and chemical properties o f soil before experiment begin in 1999 Parametr Parameter Jednostka Unit Wartość Value PH H: 5,60 KC1 5.10 K w asow ość wymienna (K w) - Exchangeable acidity cmo1(+) kg 1 0,30 K w asow ość hydro lityczna (Hh) - Hydro litic acidity 0,75 Kationy wymienne - Echangeable cations Ca2 9.60 N a 0,61 Mg: 0.23 K 0,18 Suma zasad (S) - Total exchange basic cations (TEB) 10,6 Pojemność kompleksu sorpcyjnego (T) Cations exchange capacity (C E O Stopień wy sycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi (V) - Base saturation ( BS) 11,4 % 93.4 Próchnica - Humus 0.96 C-organiczny (Corg) - Organie carbon (Corg) g - k g 1 5.60 N - o gó łe m (N o g.) - N - to tal (N tot) 0.46 składu chemicznego i uwalniania do gleby różnych składników, pośrednie zaś było spowodowane strukturą węgla brunatnego, a zwłaszcza silnie rozwiniętym układem porowaty m. Węgiel brunatny nieco poprawił odczyn gleby. Wartość phrc wzrosła z 5,15 na 5,20 w działaniu bezpośrednim i utrzymała się na tym poziomie do 2005 roku (tab. 2). Pomimo wzrostu ph po zastosowaniu substancji organicznej pozostało ono w zakresie właściwym dla gleb określanych jako słabo kwaśne. Zastosowana dawka nawożenia organicznego w postaci węgla brunatnego była zbyt mała, aby znacząco oddziaływać na odczyn badanej gleby. Substancja organiczna, wprowadzona z węglem brunatnym, stabilizowała ph, o czym świadczy utrzymanie stałego odczynu gleby do 2005 roku. Wyniki te potwierdzają wcześniejsze rezultaty badań prowadzonych przez Maciejewską [1993, 1995]. Pod wpływem węgla brunatnego kwasowość hydrolityczna uległa niewielkiej zmianie z 0,92 do 0,87 cm ol(+ )'kggleby w' działaniu bezpośrednim i utrzymała się na zbliżonym poziomie (0,90 cmol(+)-kg 1gleby) do 2005 roku (tab. 2). Podobne zależności otrzymano we wcześniej przeprowadzonych badaniach [Maciejewska 1993; Maciejewska, Kwiatkowska 2002]. Zmniejszenie kwasowości potencjalnej sugeruje, że kompleks sorpcyjny gleby płowej, po zastosowaniu w^ęgla brunatnego został wysycony jonami zasadowymi. Dodatek substancji organicznej spowodował wzrost zawartości składników biogennych i procentowego udziału próchnicy w' glebie (tab. 3). Zawartość węgla organicznego (Corg.) po zastosowaniu w^ęgla brunatnego, wzrosła od 6,10 do 8,20 g kg"1 w 2000 r. i utrzymała się na podobnym poziomie (8,20 g kg-1) w 2005 roku. Potwierdza to

i 52 J. Kwiatkowska, A. Maciejewska TABELA 2. Niektóre właściwości fizykochemiczne gleby TABLE 2. Selected physical and chemical properties o f soil Dawka węgla brunatnego [g na wazon] Dose o f brown coal [g per pot] Kontrola 0 Control 0 Węgiel brunatny 140 Brown coal 140 NIIW LSDo,5 Rok ph Year! TTO IKC1 2000 15.66 5.15 2 0 0 5 :5.0 0 14.40 2000 5.83 5.20 2005 5.81 5.10 0.21 :0.16 K w! Hh cmol(+) - kg 1 0.30 0.50 0.20 0.20 0.01 Hh - kwasowość hydro lityczna: hydrolitic acidity; Kw - kwasowość wymienna: exchangeable acidity'; NIR - najmniejsza istotna rótiiica: LSD - least significant difference 0.92 1.15 0.87 0.90 0.10 opinię o powolnej mineralizacji węgla brunatnego [Gambuś, Gorlach 1996; Maciejewska 1993]. Zawartość Corg., a zatem i próchnicy wzrosła po zastosowaniu węgla brunatnego o ok. 35% w porównaniu z kontrolą. Pomimo tak istotnego wzrostu zawartości Corg w glebie po zastosowaniu węgla brunatnego pozostała ona na poziomie charakterystycznym dla gleb płowych. W badaniach prowadzonych przez Myśkowa i in. [ 1986] ze stosowaniem corocznie 601 obornika na ha-przez 54 lata, uzy-skano trzykrotne zwiększenie w glebie zawartości materii organicznej, a po 26 latach przy dawce 25 t na ha było ono prawne dwukrotne. Tylko stosowanie dużych dawek substancji organicznej przez wiele lat i/lub zastosowanie dawki agromelioracyjnej substancji organicznej stosunkowo trudno ulegającej mineralizacji, np. węgla brunatnego, daje możliwość istotnego w-zbogacenia gleby w węgiel organiczny [Mercik, Stępień 2007; Kwiatkowska i in. 2005]. Obserwowane zmiany zawartości N ogółem (Nog.) były statystycznie nieistotne. Natomiast wzrost stosunku C:N od ok. 11,1 do 15,4 (2000 r.) oraz od ok. 14,7 do 15,3 (2005 r.) na obiektach z dodatkiem w ęgla brunatnego wynikał jedynie z wprowadzenia do gleby dodatkowych ilości węgla organicznego. Wzrost zawartości kationów wymiennych w- glebie (tab. 4) wynika ze składu węgla brunatnego, który zawiera znaczne ilości kationów zasadowych, a szczególnie wapnia [Maciejewska, Kwiatkowska 2001; Sugano i in. 1999]. Wyniki te dobrze korespondują z wynikami badań dotyczących właściwości sorpcyjnych węgli brunatnych oraz zawartości w nich zasadowych kationów wymiennych [Maciejewska, Kwiatkowska 2002]. Zastanawiają jedynie stosunkowo wysokie zawartości Na~ w porównaniu z zawartością Mg2" i Ca2'. Jest to prawdopodobnie związane z tym. że gleba pobrana do wazonów była wcześniej wykorzystana w doświadczeniu polowym, gdzie stosow ano naw o żenie mineralne i wapnowanie. Stan ten miał dalsze konsekwencje w wysokiej zawartości Na i Ca wymiennego w roku 2005. TABELA 3. Zawartość próchnicy. Corg.. N ogólnego oraz stosunek C : N w glebie TABLE 3. Content o f humus, organie carbon Corg. total N - Ntot and C : N ratio in soil Dawka węgla brunatnego g na wazon] Dose o f brown coal [g per pot] Rok Year Próchnica Humus L%] Corg Nog Ntot [g kg-1] C :N Kontrola 0 2000 1.05 6.10 0,465 11.09 Control 0 2005 1.08 6.43 0.437 14.71 ;Węgiel brunatny 140 2000 1.41 8.20 0.532 15.42 Brown coal 140 2005 1.41 8.20 0.536 15.29 NIR:LSD ( i.05 0.05 0,19 0,34 0,110 0,30

Wpływ węgła brunatnego na właściwości fizykochemiczne gleby płowej 53 TABELA 4. Pojemność sorpcyjna i skład kationów zasadowych w kompleksie sorpcyjnym gleby TABLE 4. Sorption capacity and basic cations composition in soil sorption complex Dawka węgla brunatnego [g na wazon] Dose o f browrn coal [g per pot] Rok i Ca:~ Year ;[cmol(+) kg '] Na* Mg2+ K+ S TEB T CEC V; BS [%] Kontrola 0 Control 0 W;ęgiel brunatny 140 Brown coal 140 2000 9.75 0.64 0.25 0.17 10,8 11,6 93.0 2005 i 9,81 0.71 0.25 0,21 11,0 12.2 90,4 2000 14.33 0.63 0.47 0.30 15.7 16,6 94.8 2005 14,06 0.71 0.57 0,28 15,6 16.5 94,6 N1IW LSD005 0.88 0.03 0.01 0.01 0.9 0.9 1.9 S - suma zasad; TEB - total exchange basic cations; T - pojemność sorpcyjna kompleksu sorpcyjnego; CEC - cations exchange capacity: V - stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi; BS base saturation Suma zasadowych kationów wymiennych wzrosła o ok. 6 cmol (+)-kg 1 gleby po zastosowaniu węgla brunatnego (tab. 4). W pojemności sorpcyjnej przeważał}- kationy zasadowe. Jednorazowe zastosowanie w^ęgla brunatnego spowodowało również wyraźny wzrost pojemności sorpcyjnej gleby (tab. 4). Poprawa tych właściwości gleby wynika z obecności w węglu brunatnym kwasów huminowych i fulwowych wykazujących bardzo dużą pojemność sorpcyjną w stosunku do kationów zasadowych w zakresie 300-1400 cmol (+)*kg"\ podczas gdy próchnicy glebowej wynosi tylko 200 cmol (+)-kg_1 [Stevenson 1985; Senesi* Loffredo 1999]. Dodatek w'ęgla brunatnego do gleby wpłynął korzystnie na stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi (95%) (tab. 4). Otrzymane wyniki badań są zgodne z wynikami wielu autorów, którzy badali wpływ w;ęgla brunatnego na właściwości sorpcyjne gleby [Kalembasa, Tengler 1992; Maciejewska, Kwiatkowska 2002; Mazur i in. 1998]. Wskazują one na poprawę właściwości fizykochemicznych gleby płowej poprzez wprowadzenie węgla brunatnego jako nawozu organicznego. WNIOSKI 1. Węgiel brunatny jako źródło substancji organicznej trwale i pozytywnie oddziałuje na właściwości fizykochemiczne gleby, jak również na zawartość azotu ogółem i węgla organicznego. 2. Dodatek w^ęgla brunatnego poprawił niektóre właściwości fizykochemiczne gleby płowej, przede wszystkim w działaniu następczym (w 2005 r.), a mianowicie: zwiększy ł pojemność sorpcyjną i zawartość kationów zasadowych oraz stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi. 3. Węgiel brunatny w formie pospółki otrzymywany przy wydobyciu tego surowca (traktowany jako odpad) może być stosow any do użyźniania gleb mało zasobnych w próchnicę glebową.

54 J. Kwiatkowska, A. Maciejewska LITERATURA BEDNAREK W.. BUJAK K.. TKACZYK R. FRANT M. 2004: Wpływ nawożenia, uprawy roli i roślin na fizykochemiczne właściwości gleby. Annales UMCS, Sec. E 59. 1: 225-232. G AM BUŚ F.. GORLACH F. 1996: W pływ obornika, słomy i węgla brunatnego na fitoprzyswajalność metali ciężkich. Zesz. Nauk AR w Szczecinie 172: 131-137. IŻEWSKA A. 2007: Wpływ nawożenia obornikiem, osadem ściekowym i kompostem z osadów ściekowych na właściwości gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 518: 85-92. KALEM BASA S..TENGLER A. 1992: Wykorzystanie węgla brunatnego w nawożeniu. WSR-P Siedlce nr 21 Monografia. KARCZEWSKA A.. CHODAK T.. KASZUBKIEWICZ J. 1996: The suitability o f brown coal as a sorbent for heavy metals polluted soils. A pplied G eochem istiy 11: 343-346. KWIATKOWSKA J.. DĘBSKA B.. MACIEJEWSKA A., GONET S. 2005: Brown coal as the factor modifying the properties o f soil organic matter. Rocz. Glebozn. 56: 31-41. LU S.G.. ZI IU L. 2004: Effect o f flv ash on physical properties o f ultisols from subtropical China. Commun Soil Sci Plan. 35: 703-717. MACIEJEWSKA A. 1993: Zawartość próchnicy a właściwości sorpcyjne gleb bardzo lekkich. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 411: 319-324. MACIEJEWSKA A. 1995: Ekologiczne aspekty wykorzystania węgla brunatnego do poprawy właściwości gleb piaszczystych użytkowanych rolniczo. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 422: 64-74. MACIEJEWSKA A.. KWIATKOWSKA J. 1998: Wpływ nawozu organiczno-mineralnego na właściwości fizykochemiczne gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 455: 9-16. MACIEJEWSKA A.. KWIATKOW'SKA J. 2001: Wpływ nawozu organiczno-mineralnego z węgla brunatnego naplonv roślin i ich jakość. W: Potassium & Magnesium in Agriculture Meeting. Rogów Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 480: 281-289. MACIEJEWSKA A., KWIATKOWSKA J. 2002: Niektóre właściwości chemiczne gleby oraz jej zdolności buforowe po zastosowaniu nawozu organiczno-mineralnego z węgla brunatnego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 482: 3 51-3 5 7. MARTYNIUK I I.. WIĘCKOWSKA J. 2003: Adsorption o f metal ions on huniic acids extracted from brown coals. Fuel Processing Technolog}' 84: 23-36. M AZUR T.. WOJTAS A.. M AZUR Z. 1998: Rolnicza wartość nawozów organiczno-mineralnych produkowanych na bazie węgla brunatnego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 455: 141-147. MERCIK S.. STĘPIEŃ W. 2007: Działanie obornika na glebie bardzo kwaśnej i wyczerpywanej ze składników pokarmowych przez wiele lat. Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln. 520: 151-158. MYŚKOW W.. JASZCZEWSKA B.. STACHYRA A.. NAGLIK E. 1986: Substancje organiczne gleby - ich rolnicze i ekologiczne znaczenie. Rocz. Glebozn. 37. 2/3: 15-36. ROCZNIK STATYSTYCZNY 2006. GUS. Warszawa. SEN ESIN.. LOFFREDO E. 1999: The chemistry o f soil organie matter. W: Sparks DL(ed.) Soil physical chemistry. Second ed.crc Press. Boca Raton. FL: 239-370. STEVENSON F.J. 1985: Geochemistry o f soil humic substances. John W illey&sons. New York. Chrischestcr. Brisbane. Toronto. Singapore: 13-52. SUGANO M.. MASHIMO K.. WAN AI T. 1999: Structural changes o f lower rank coals by cation exchange. Fuel 78:945 951. ŻUKOWSKA G.. BARAN S.. FLIS-BUJAK M. 1999: Wpływ nawożenia osadami ściekowymi na właściwości sorpcyjne i powierzchnię w kiści w ą gleby lekkiej. Fol. Univ. Agric. Stein. 100, Agricultura 77:421-428. Dr inż. Jolanta Kwiatkowska Zakład Gospodarki Przestrzennej i Nauk o Środowisku Przyrodniczym, Wydział Geodezji i Kartografii, Politechnika Warszawska PI. Politechniki l, 00-66) Warszawa, e -mail: J. Kwiat kowskaui^gi k.pw. edu.pl