WPŁYW BIOWĘGLA NA WZROST I PLONOWANIE ROŚLIN SADOWNICZYCH Lidia Sas-Paszt, Mateusz Frąc, Sławomir Głuszek, Paweł Trzciński, Edyta Derkowska Instytut Ogrodnictwa w Skierniewicach Lidia.sas@inhort.pl
RYS HISTORYCZNY Terra preta do Indio (z jęz. portugalskiego) czarna ziemia Indian Bardzo żyzna gleba ( tropikalny czarnoziem ) Bogata w związki organiczne i próchnicę pozostałość po prekolumbijskim rolnictwie w dorzeczu Amazonki.
PRODUKCJI BIOWĘGLA
BIOWĘGIEL Biowęgiel (ang. biochar, biocarbon) to stałe paliwo odnawialne otrzymywane z różnych rodzajów biomasy roślinnej, odpadów organicznych i osadów ściekowych w procesie pirolizy, podczas której powstają również paliwa ciekłe i gazowe wykorzystywane do produkcji energii (Bis 2012) Wg International Biochar Initiative (2012) biowęgiel to drobnoziarnisty karbonat o wysokiej zawartości węgla i niskiej podatności na rozkład
WŁAŚCIWOŚCI BIOWĘGLA Różnią się znacznie i zależą od rodzaju biomasy i warunków prowadzenia procesu pirolizy. Biowęgle zawierają aromatyczne związki węgla (50-90%) oraz frakcję mineralną: makro- i mikroelementy Są cennym źródłem substancji mineralnych (m.in. wapnia, magnezu, węglanów) dla roślin i mikroorganizmów glebowych (Lehman i in. 2011). Zawartość wody 1-15%, substancji lotnych 0-40%, substancji mineralnych 0,5-5%. Stosunek C/N wynosi od 7:1 do 500:1 lub więcej (Lehman i Joseph 2009, Verheijen i in. 2012). W glebie wykazuje dużą stabilność składu chemicznego. Duża wewnętrzna porowatość (Bis 2012, Atkinson i in. 2010) wpływa na wodochłonność, zdolności sorpcyjne i retencję składników mineralnych w glebie
WPŁYW BIOWĘGIELA NA WŁAŚCIWOŚCI GLEBY I WZROST ROŚLIN Sekwestracja dwutlenku węgla (CO₂). Wpływa na łagodzenie zmian klimatycznych. Poprawa właściwości gleby. Zwiększa zawartość substancji organicznej w glebie. Wpływa na zwiększenie aktywności mikroorganizmów i mezofauny glebowej. Zwiększa wilgotność gleby. Pozytywnie wpływa na wzrost i plonowanie roślin. Wpływa na zwiększenie masy i jakości systemu korzeniowego.
DOŚWIADCZENIE - BRZOSKWINIA I JABŁOŃ Wiosną 2014 roku założono doświadczenie nad wpływem biowęgla na wzrost i plonowanie drzew brzoskwini odmiany Meredith i jabłoni odmiany Ariwa Kontrola (Florovit NPK 200 g/drzewo) Biowęgiel 1,6 kg/drzewo Biowęgiel 1,6 kg/drzewo + Mikroorganizmy (Pseudomonas fluorescens Ps1/2 and Pantoea sp. N52AD) Biowęgiel 1,6 kg/drzewo + Florovit NPK (200 g/drzewo) Drzewa brzoskwini i jabłoni posadzone zostały wiosną 2013 roku. Zastosowano biowęgiel ze zrębek drzew iglastych (Fluid S.A.) w dawce 1,6 kg na drzewo. Biowęgiel rozsypano na powierzchni 1 m² w formie pierścienia i wymieszano z wierzchnią warstwą gleby. Każda kombinacja składała się z czterech powtórzeń, a powtórzenie z trzech drzew. Florovit NPK: N - 5%, P 2 O 5-3%, K 2 O - 2%, SO - 30%. Aplikacja biowęgla w sadzie
BIOWĘGIEL ZASTOSOWANY W DOŚWIADCZENIACH Biomasa odpadowa zrębki drzew iglastych, Wielkość cząsteczek biowęgla do 50 mm, Wyprodukowany w procesie szybkiej pirolizy 280 C, Zawartość substancji organicznej 80%, Zawartość węgla organicznego 20%, Wilgotność w czasie aplikacji 15%. Skład mineralny biowęgla ph (w H 2 O) 8,4 Widok mikroskopowy cząsteczki biowęgla Azot (N) 0,64% Fosfor (P 2 O 5 ) 0,28% Potas (K 2 O) 0,75% Wapń (CaO) 2,52% Magnes (MgO) 0,16%
POMIARY - 2015 r. Liczba bakterii i grzybów mikroskopowych Stopień frekwencji mikoryzowej Wzrost wegetatywny Plon, liczba i wielkość owoców Cechy wzrostu korzeni Ocena systemu korzeniowego Wilgotność gleby Strzępki grzybów mikoryzowych na powierzchni korzenia
Kombinacje POPULACJA MIKROORGANIZMÓW W RIZOSFERZE DRZEW BRZOSKWINI MEREDITH Sucha masa gleby (%) Ogólna populacja bakterii (cfu) w 1 g DW 10 7 Ogólna populacja grzybów mikroskopowych (cfu) w 1 g DW 10 4 Kontrola Florovit NPK 88,5 b 53,5 c 69,3 a Biowęgiel 85,6 ab 19,7 a 74,3 ab Biowęgiel + Mikroorganizmy 84,3 a 37,2 b 95,3 b Biowęgiel + Florovit NPK 86,6 ab 33,1 b 87,0 ab Grzyby mikoryzowe na powierzchni korzenia brzoskwini Grzyb Penicilium wyizolowany z gleby traktowanej biowęglem Aplikacja biowęgla w połączeniu z mikroorganizmami wpłynęła na zmniejszenie populacji izolowanych bakterii oraz wzrost populacji grzybów mikroskopowych
FREKWENCJA MIKORYZOWA Kombinacje F% M% m% Obserwacje Kontrola Florovit NPK 8,89 ab 0,09 ab 1,0 b Pojedyncze wezykule Biowęgiel 8,89 ab 0,09 ab 0,7 ab Liczne wezykule Biowęgiel + mikroorganizmy 1,11 a 0,01 a 1,0 b Liczne wezykule Biowęgiel + Florovit NPK 11,11 b 0,11 b 1,0 b Liczne wezykule F% - frekwencja mikoryzowa M% - relative mycorrhizal frequency m% - non relative mycorrhizal frequency Spora AMF na korzeniu brzoskwini odmiany Meredith biowęgiel + Florovit NPK Wezykule w korzeniach brzoskwini odmiany Meredith biowęgiel + Florovit NPK Zastosowanie biowęgla + Florovit NPK miało pozytywny wpływ na stopień frekwencji mikoryzowej w korzeniach drzew brzoskwini Meredith.
Kombinacje Kontrola Florovit NPK WZROST WEGETATYWNY BRZOSKWINI Przyrost średnicy pnia [mm] ODMIANY MEREDITH Świeża masa liścia [g] Pole powierzchni liścia [cm²] 7,23 ab 0,65 a 47,1 a Biowęgiel 8,10 b 0,71 ab 50,8 ab Biowęgiel + mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK 6,75 a 0,74 ab 56,3 b 8,41 b 0,81 b 61,7 c Aplikacja biowęgla wpłynęła na zwiększenie przyrostów średnicy pnia. Łączne zastosowanie biowęgla z Florovit NPK wpłynęło na istotne zwiększenie wzrostu wegetatywnego, w porównaniu do kontroli.
Kombinacje Kontrola Florovit NPK Liczba owoców [szt./drzewo] Plon całkowity owoców [kg/drzewo] Średnia masa owocu [g] 212 ab 14,1 a 65,6 a Biowęgiel 267 b 18,7 b 70,0 ab Biowęgiel + Mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK LICZBA OWOCÓW, PLON ORAZ WIELKOŚĆ OWOCÓW BRZOSKWINI ODMIANY MEREDITH 259 b 17,5 b 67,0 a 157 a 13,1 a 85,0 b Zastosowanie biowęgla i biowęgla z mikroorganizmami wpłynęło na zwiększenie liczby owoców i plonowanie brzoskwini, w porównaniu do kontroli. Największe owoce uzyskano z drzew traktowanych biowęglem i Florovit NPK, a najmniejsze z drzew kontrolnych. Owocujące drzewo brzoskwini odm. Meredith
CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW BRZOSKWINI ODMIANY MEREDITH Kombinacje Świeża masa korzeni [g/1l gleby] Sucha masa korzeni [g/1l gleby] Kontrola Florovit NPK 2,21 a 1,21 a Biowęgiel 3,18 ab 1,68 a Biowęgiel + mikroorganizmy 5,18 c 2,73 b Biowęgiel + Florovit NPK 3,91 b 1,51 a Grzybnia mikoryzowa oplatająca korzeń brzoskwini Aplikacja biowęgla z pożytecznymi mikroorganizmami wpłynęła na istotne zwiększenie świeżej i suchej masy korzeni brzoskwini odm. Meredith.
Kombinacje Kontrola Florovit NPK CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW BRZOSKWINI Długość korzeni [cm/1l gleby] ODMIANY MEREDITH Pole powierzchni korzeni [cm 2 /1L gleby] Średnica korzeni [mm/1l gleby] Objętość korzeni [cm 3 /1L gleby] Liczba wierzchołków korzeni [szt/1l gleby] 529,4 a 72,9 a 0,47 a 0,83 a 2183 a Biowęgiel 827,1 ab 105,4 ab 0,42 a 1,08 a 4118 ab Biowęgiel + mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK 589,8 ab 91,7 a 0,57 a 1,21 ab 3279 ab 1231,9 b 160,2 b 0,41 a 1,66 b 5305 b Struktury grzybów mikoryzowych na powierzchni korzenia brzoskwini Brak struktur mikoryzowych w korzeniach roślin kontrolnych brzoskwini Aplikacja biowęgla z Florovit NPK korzystnie wpłynęła na wielkość systemu korzeniowego brzoskwini odmiany Meredith.
KORZENIE BRZOSKWINI MEREDITH Kontrola Biowęgiel Biowęgiel + Florovit NPK W porównaniu do korzeni kontrolnych, system korzeniowy po aplikacji biowęgla był bardziej rozbudowany, z większym udziałem korzeni młodych i drobnych.
OBECNOŚĆ SKOROBI W KOMÓRKACH KORZENI BRZOSKWINI MEREDITH PO APLIKACJI BIOWĘGLA ksylem ziarna skrobi Przekroje korzeni brzoskwini w normalnym i spolaryzowanym świetle W porównaniu do kontroli, korzenie drzew brzoskwini traktowane biowęglem miały komórki kory pierwotnej wypełnione ziarnami skrobi..
POPULACJA MIKROORGANIZMÓW W RIZOSFERZE DRZEW JABŁONI ARIWA Kombinacje Sucha masa gleby (%) Ogólna populacja bakterii (jtk) w 1 g d.w. x 10 7 Ogólna populacja grzybów mikroskopowych (jtk) w 1g d.w. x 10 4 Kontrola Florovit NPK 90,4 a 59,7 a 82,9 a Biowęgiel 94,0 ab 59,9 a 68,5 a Biowęgiel + Mikroorganizmy 91,1 a 62,2 a 90,8 a Biowęgiel + Florovit NPK 95,0 b 65,6 a 512,4 c Korzeń jabłoni nawożonej Florovitem NPK Aplikacja biowęgla i Florovit NPK wpłynęła na zwiększenie ogólnej liczby grzybów mikroskopowych.
FREKWENCJAMIKORYZOWA Kombinacje F% M% m% Obserwacje Kontrola 0,0 a 0,0 a 0,0 a Brak struktur mikoryzowych Biowęgiel 1,11 a 0,01 a 1,0 b Pojedyncze wezykule Biowęgiel + mikroorganizmy 7,78 b 0,08 b 1,0 b Liczne wezykule Biowęgiel + Brak struktur 0,0 a 0,0 a 0,0 a Florovit NPK mikoryzowych Liczne wezykule w korzeniach jabłoni Ariwa traktowanej biowęglem i pożytecznymi mikroorganizmami F% - mycorrhizal frequency M% - relative mycorrhizal frequency m% - non relative mycorrhizal frequency Aplikacja biowęgla z mikroorganizmami wpłynęła na istotnie zwiększenie zasiedlania korzeni przez grzyby mikoryzowe.
WZROST WEGETATYWNY JABŁONI ODMIANY ARIWA Kombinacje Przyrost średnicy pnia [mm] Świeża masa liścia [g] Pole powierzchni liścia [cm²] Kontrola Florovit NPK 4,81 ab 1,09 a 52,6 a Biowęgiel 3,67 a 1,28 ab 73,1 b Biowęgiel + mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK 4,74 ab 1,44 b 84,3 c 6,13 b 1,42 b 84,9 c Biowęgiel pozytywnie wpłynął na cechy wzrostu wegetatywnego. Największy przyrost średnicy pnia oraz wielkość i masę liści miały rośliny potraktowane biowęglem z Florovit NPK.
Kombinacje Kontrola Florovit NPK LICZBA OWOCÓW, PLON ORAZ WIELKOŚĆ Liczba owoców [szt./drzewo] OWOCÓW JABŁONI ARIWA Plon całkowity owoców [kg/drzewo] Średnia masa owocu [g] 56,2 a 7,2 a 127 ab Biowęgiel 79,4 ab 8,8 ab 110 a Biowęgiel+ Mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK 86,9 b 10,5 b 121 ab 52,7 a 8,6 ab 163 b Aplikacja biowęgla z mikroorganizmami wpłynęła na zwiększenie plonu i liczby owoców, w porównaniu do plonowania drzew kontrolnych. Najmniej owoców zebrano z drzew po zastosowaniu biowęgla z Florovit NPK, ale owoce z tej kombinacji były największe.
CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW JABŁONI ODMIANY ARIWA Kombinacje Świeża masa korzeni [g/1l gleby] Sucha masa korzeni [g/1l gleby] Kontrola 1,78 a 0,80 a Biowęgiel 4,16 b 1,73 b Biowęgiel + mikroorganizmy 5,35 b 2,50 c Biowęgiel + Florovit NPK 3,36 ab 1,45 ab Aplikacja biowęgla wzbogaconego pożytecznymi mikroorganizmami wpłynęła na istotne zwiększenie świeżej i suchej masy korzeni jabłoni odmiany Ariwa.
Treatment CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW JABŁONI Długość korzeni [cm/1l gleby] Pole powierzchni korzeni [cm 2 /1L gleby] ODMIANY ARIWA Średnica korzeni [mm/1l gleby] Objętość korzeni [cm 3 /1L gleby] Liczba wierzchołków korzeni [szt/1l gleby] Kontrola 362,8 a 65,4 a 0,59 a 0,95 a 1710 a Biowęgiel 282,2 a 79,6 ab 0,99 b 1,89 bc 1068 a Biowęgiel + mikroorganizmy Biowęgiel + Florovit NPK 426,2 a 109,4 b 0,84 ab 2,29 c 1584 a 283,2 a 68,6 a 0,79 ab 1,33 ab 1077 a Zarodnik grzyba mikoryzowego Łączne stosowanie pożytecznych mikroorganizmów i biowęgla wpłynęło na zwiększenie długości, powierzchni i objętości korzeni jabłoni Ariwa. Strzępki grzybów mikoryzowych na powierzchni korzenia jabłoni traktowanych biowęglem.
KORZENIE JABŁONI ARIWA Kontrola Biowęgiel Biowęgiel +Mikroorganizmy Korzenie drzew jabłoni traktowane biowęglem były lepiej uformowane, dłuższe i bardziej zagęszczone niż korzenie roślin kontrolnych.
WPŁYW BIOWĘGLA NA STRUKTURĘ KOMÓREK KORZENI JABŁONI ARIWA korek kora łyko ksylem ksylem kryształy związków wapniowych KONTROLA ziarna skrobi BIOWĘGIEL Korzenie drzew jabłoni traktowane biowęglem, podobnie jak brzoskwini, miały komórki kory wypełnione skrobią.
DOŚWIADCZENIE NA DRZEWACH NEKTARYNY Wiosną 2014 roku drzewa Nektaryny Prunus persica cv. Flateryna potraktowano biowęglem w dawkach: Kontrola bez biowęgla Biowęgiel 0.8 kg/drzewo Biowęgiel 1.6 kg/drzewo Biowęgiel 2.4 kg/drzewo Drzewa nektaryny posadzono wiosną 2013 roku. Biowęgiel ziarna ze skrobi zrębek drzew iglastych o wilgotności 15% (Fluid S.A.) zaaplikowano wiosną 2014 roku. Biowęgiel rozsypano na powierzchni 1 m² w formie pierścienia i wymieszano z wierzchnią warstwą gleby. Każda kombinacja składała się z 3 powtórzeń, a powtórzenie z 3 drzew.
POPULACJA MIKROORGANIZMÓW W RIZOSFERZE KORZENI NEKTARYNY Kombinacje Sucha masa gleby (%) Ogólna populacja bakterii (jtk) w 1 g d.w. x 10 7 kryształy związków wapniowych Ogólna populacja grzybów mikroskopowych (jtk) w 1g d.w. x 10 4 Kontrola 88,1 b 11,4 a 38,2 a Biowęgiel 0,8 kg/drzewo Biowęgiel 1,6 kg/drzewo Biowęgiel 2,4 kg/drzewo 87,7 ab 13,0 a 264,9 c * 85,7 a 10,0 a 56,4 ab 86,6 ab 17,6 b 82,7 b Zastosowanie biowęgla w dawce 0.8 kg/drzewo istotnie ziarna skrobi zwiększyło ogólną liczbę grzybów mikroskopowych. Aplikacja biowęgla w dawce 2.4 kg/drzewo wpłynęła na istotne zwiększenie ogólnej liczby bakterii izolowanych z gleby.
FREKWENCJA MIKORYZOWA Kombinacje F% M% m% Obserwacje Kontrola 18,9 b 0,19 b 1,0 a Pojedyncze wezykule Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo 23,3 b 0,23 b 1,0 a Liczne wezykule kryształy związków wapniowych Biowęgiel - 1,6 kg/drzewo 14,0 ab 0,14 ab 1,0 a Pojedyncze wezykule Biowęgiel - 2,4 kg/drzewo 10,0 a 0,10 a 1,0 a Pojedyncze wezykule Grzybnia grzybów mikoryzowych w korzeniu nektaryny traktowanych biowęglem w dawce 0,8 kg /drzewo. F% - mycorrhizal frequency M% - relative mycorrhizal frequency m% ziarna - non skrobi relative mycorrhizal frequency Aplikacja biowęgla w dawce 0,8 kg/drzewo zwiększyła stopień frekwencji mikoryzowej oraz liczbę wezykul w korzeniach drzew nektaryny.
WZROST WEGETATYWNY NEKTARYNY Kombinacje Przyrost średnicy pnia [mm] Świeża masa liścia [g] Pole powierzchni liścia [cm²] Kontrola 8,86 b 0,96 a 62,9 a Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo 8,83 b 1,01 a 70,0 ab Biowęgiel 1,6 kg/drzewo 7,57 ab 1,08 a 73,6 b kryształy związków wapniowych Biowęgiel 2,4 kg/drzewo 7,05 a 1,00 a 68,7 ab ziarna skrobi Zastosowanie biowęgla wpłynęło na zwiększenie pola powierzchni liści nektaryny.
LICZBA, PLON ORAZ WIELKOŚĆ OWOCÓW NEKTARYNY Kombinacje Kontrola Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo Biowęgiel - 1,6 kg/drzewo Biowęgiel - 2,4 kg/tree Liczba owoców [szt./drzewo] Plon całkowity owoców [kg/drzewo] kryształy związków wapniowych Średnia masa owocu [g] 175 a 10,5 ab 60,7 ab 173 a 11,5 b 67,5 b 172 a 10,1 ab 58,9 ab 151 a 8,6 a 56,8 a ziarna skrobi Największy plon i średnią masę owoców uzyskano z drzew nektaryny traktowanych biowęglem w dawce 0,8 kg/drzewo.
CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW NEKTARYNY Kombinacje Świeża masa korzeni [g/1l gleby] Sucha masa korzeni [g/1l gleby] Kontrola 3,33 a 1,65 a Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo 3,93 ab 2,06 b kryształy związków wapniowych Biowęgiel - 1,6 kg/drzewo 2,45 a 1,20 a Biowęgiel - 2,4 kg/drzewo 3,01 a 1,46 a Grzybnia mikoryzowa w korzeniach nektaryny ziarna skrobi traktowanej biowęglem w dawce 0,8 kg/drzewo. Zastosowanie biowęgla w dawce 0,8 kg/drzewo wpłynęło na zwiększenie świeżej i suchej masy korzeni nektaryny.
CECHY WZROSTU KORZENI DRZEW NEKTARYNY Kombinacje Długość korzeni [cm/1l gleby] Pole powierzchni korzeni [cm 2 /1L gleby] Średnica korzeni [mm/1l gleby] Objętość korzeni [cm 3 /1L gleby] Liczba wierzchołków korzeni [szt/1l gleby] Kontrola 347,6 a 66,9 a 0,63 ab 1,06 a 1478 a Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo Biowęgiel - 1,6 kg/drzewo Biowęgiel - 2,4 kg/drzewo kryształy związków wapniowych 483,5 a 85,4 ab 0,86 b 1,54 ab 1923 ab 583,9 ab 80,8 a 0,46 a 0,91 a 2915 b 371,6 a 69,1 a 0,63 ab 1,06 a 1680 a ziarna skrobi Spora w korzeniach nektaryny traktowanej biowęglem w dawce 0,8 kg/drzewo Aplikacja biowęgla 0,8 kg/drzewo oraz 1,6 kg/drzewo korzystnie wpłynęła na cechy wzrostu korzeni drzew nektaryny.
KORZENIE NEKTARYNY kryształy związków wapniowych ziarna skrobi Kontrola 0.8 kg/drzewo 2.4 kg/drzewo Zastosowanie biowęgla wpłynęło na znaczny wzrost korzeni drobnych, co wskazuje na korzystne oddziaływanie biowęgla na formowanie korzeni.
WPŁYW BIOWĘGLA NA STRUKTURĘ KOMÓREK KORZENI NEKTARYNY ksylem ziarna skrobi kryształy związków wapniowych Przekroje korzeni nektaryny w normalnym i spolaryzowanym świetle ziarna skrobi Korzenie drzew nektaryny traktowane biowęglem, podobnie jak korzenie brzoskwini i jabłoni, miały komórki kory wypełnione skrobią.
WILGOTNOŚĆ GLEBY W PROWADZONYCH DOŚWADCZENIACH 27.04.2016 Kombinacje Wilgotność gleby jabłoń [%] Wilgotność gleby brzoskwinia [%] Kontrola Florovit NPK 4,6 a 6,3 a Biowęgiel 11,8 b 10,2 b Biowęgiel + mikroorganizmy 11.0 ab 10,5 b Biowęgiel + Florovit NPK kryształy związków wapniowych 12,12 b 9,4 ab Kombinacje Kontrola Biowęgiel - 0,8 kg/drzewo Biowęgiel 1,6 kg/drzewo Biowęgiel 2,4 kg/drzewo Wilgotność gleby nektaryna [%] 8,7 b 8,8 b 9,3 ab 10,4 a ziarna skrobi Biowęgiel istotnie zwiększał wilgotność gleby na której rosły drzewa jabłoni i brzoskwini.
WNIOSKI Aplikacja biowęgla w 2014 roku wpłynęła na zwiększenie zasiedlania korzeni przez grzyby mikoryzowe oraz wzrostu wegetatywnego i plonowania drzew jabłoni, brzoskwini i nektaryny w 2015 roku. Zastosowanie biowęgla wpłynęło na lepszy rozwój korzeni, zwiększenie średnicy wiązek przewodzących ksylemu oraz podwyższoną syntezę i kryształy związków wapniowych akumulacje skrobi w komórkach kory korzeni. Aplikacja biowęgla wpłynęła na zwiększenie statusu wodnego gleby i roślin. ziarna skrobi
kryształy związków wapniowych ziarna skrobi Dziękuję za uwagę