Marzena Gibczyńska 1, Edward Meller 2, Grzegorz Hury 3
1 Katedra Chemii Ogólnej, Akademia Rolnicza w Szczecinie
2 Katedra Gleboznawstwa, Akademia Rolnicza w Szczecinie
3 Katedra Uprawy Roli, Roślin i Doświadczalnictwa, Akademia Rolnicza w Szczecinie
Wstęp
Popiół jest specyficznym materiałem, którego pozytywne cechy fizykochemiczne naleŜy umiejętnie wykorzystywać. Według ROZPORZĄDZENIA MŚ [2001] w sprawie kata-logu odpadów uboczne produkty spalania jakimi są równieŜ popioły z węgla brunatnego wytwarzane w energetyce nie są odpadami niebezpiecznymi.
W szeregu krajów prowadzone są badania dotyczące rolniczego wykorzystania popiołów [RETHMAN i in. 2001; KRUGER 2003; YOSHIAKI, KAZUO 2003]. W Polsce na moŜliwość rolniczego wykorzystania wysokowapniowych popiołów z węgla bru-natnego zwracało uwagę szereg autorów [GILEWSKA,PRZYBYŁA 2001; SIUTA 2001]. Zmiany odczynu mają zasadniczy wpływ na uruchamianie lub retrogradację w glebie wielu składników pokarmowych potrzebnych roślinom. W związku z tym uzasadnione jest prowadzenie badań, odnośnie wpływu popiołów lotnych na zmiany fizykochemiczne gleb mineralnych. FOTYMA iZIĘBA [1988] podają, Ŝe na podstawie badań prowadzonych od wielu lat w Polsce stworzono system wapnowania gleb, zgodnie z którym okres pomiędzy kolejnymi zabiegami wapnowania ustalono na 4-6 lat. Natomiast ADAMUS
[1976] uwaŜa, Ŝe długotrwałość zabiegu wapnowania jest dyskusyjna, poniewaŜ po dwóch latach od zwapnowania gleby lekkiej nastąpił ponownie powrót odczynu gleby do poziomu wyjściowego.
Celem badań była ocena długotrwałości oddziaływania wysokowapniowych popiołów z węgla brunatnego powstających w Zespole Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin na własności fizykochemiczne gleby lekkiej: odczyn, kwasowość hydrolityczną i zawartość glinu ruchomego.
Materiał i metody a) Warunki prowadzenia doświadczenia polowego
Doświadczenie polowe prowadzono w latach 2004-2006 na terenie Rolniczego Zakładu Doświadczalnego w Lipniku na glebie lekkiej (kompleks Ŝytni dobry).
Miejscowość Lipnik połoŜona jest około 35 km na południowy-wschód od Szczecina.
Doświadczenie załoŜono metodą bloków kompletnie zrandomizowanych w czterech powtórzeniach. Powierzchnia poletek do zbioru wynosiła 16,5 m2. Schemat badań obej-mował 7 wariantów nawozowych (kontrolny, wapno tlenkowe - CaO, wapno dolo-mitowe - CaCO3⋅MgCO3, popiół z I strefy, popiół z II strefy, popiół z III strefy
M. Gibczyńska, E. Meller, G. Hury 54
elektrofiltrów oraz mieszanina popiołów z trzech stref elektrofiltrów). Nawozy wapniowe i popioły zastosowano w dawce odpowiadającej 1,0 kwasowości hydro-litycznej gleby. Dawki poszczególnych nawozów wapniowych ustalono uwzględniając w nich zawartość tlenków wapnia i magnezu. W pierwszym roku doświadczenia (2004) uprawiano pszenŜyto jare, stosując nawoŜenie w ilości P - 17,5; K - 50; S - 6 kg⋅ha-1. NawoŜenie azotem zastosowano w wysokości 90 kg N⋅ha-1 (50 + 40) w formie saletry amonowej 34%. W drugim roku (2005) uprawiano rzepak jary stosując nawoŜenie NPK w ilości: N - 130 (30 + 60 + 40); P - 42; K - 120; Mg - 14; S - 40 kg⋅ha-1. W trzecim
Istotność róŜnic pomiędzy poszczególnymi wartościami oznaczeń oceniano za pomocą testu Tukeya (α = 0,05). Współczynniki korelacji obliczono posługując się programem Statistica 7.1.
b) Charakterystyka popiołu z węgla brunatnego
Popiół z węgla brunatnego powstający w Elektrowniach ZE PAK S.A. Pątnów-Adamów-Konin charakteryzował się zróŜnicowaną zawartością makroelementów w zaleŜności od strefy (tab. 1). Odczyn zastosowanych popiołów lotnych oznaczony w H2O wahał się granicach od 11 do 13.
Tabela 1; Table 1 Zawartość wapnia, magnezu i potasu w popiołach lotnych z węgla brunatnego
The content of calcium, magnesium and potassium in brown coal ash
Frakcje popiołów Popiół z II strefy; Ash from II electrofilter zone 23,00 3,61 0,04 Popiół z III strefy; Ash from III electrofilter zone 24,35 3,75 0,04 Mieszanina; Mixture of ashes from three electrofilter zones 23,15 3,75 0,04
c/ Metodyka analiz chemicznych
Odczyn badanych próbek glebowych oznaczono potencjometrycznie stosując roztwory ekstrakcyjne: H2O, KCl i CaCl2 [PN-ISO 10390/1997]. Kwasowość hydrolityczną (Hh) gleby oznaczono stosując ekstrakcję octanem wapnia(II) [KRZYWY i in. 1997]. Glin ruchomy oznaczono metodą Morgana [NOWOSIELSKI 1974].
Wyniki i dyskusja
W wyniku nawoŜenia wysokowapniowym popiołem lotnym z węgla brunatnego z Elektrowni ZE PAK S.A. Pątnów, Adamów, Konin nastąpiły znaczne zmiany właściwości fizykochemicznych gleby lekkiej.
Tabela 2; Table 2 Odczyn gleby, oznaczony w H2O
Reaction of soil estimatiom in H2O
ODDZIAŁYWANIE POPIOŁU Z WĘGLA BRUNATNEGO ... 55 Popiół z II strefy; Ash from II electrofilter zone 6,46 6,52 6,68 Popiół z III strefy; Ash from III electrofilter zone 6,85 6,79 6,72 Mieszanina; Mixture of ashes from three electrofilter zones 6,55 6,67 6,64
NIR0,05; LSD0.05 0,258 0,231 0,132
Glebę z doświadczenia moŜna ocenić jako kwaśną. Na początku doświadczenia odczyn badanej gleby oznaczony jako pH w H2O wynosił 6,27. Po zastosowaniu nawozów wapniowych pH gleby w pierwszym roku doświadczenia wahało się w granicach od 6,46 do 6,99 (tab. 2). Wykazane zmiany odczynu gleby wywołane były jak wiadomo znaczną zawartością wapnia i magnezu w popiołach. Zastosowanie popiołu z węgla brunatnego oraz tradycyjnych nawozów wapniowych spowodowało zmianę odczynu na zbliŜonym poziomie. NaleŜy jednak zaznaczyć nieco większy wpływ dodania do gleby popiołu z III strefy elektrofiltrów. W drugim i trzecim roku doświadczenia zaobserwowano pewną tendencję powtórnego zakwaszenia gleby, przy jednoczesnym braku zmian w glebie z wariantu kontrolnego. Porównując charakter zmian odczynu w poszczególnych latach doświadczenia otrzymano dodatnią korelację (tab. 5). Przykładowo współczynnik korelacji dla wartości pH oznaczonego w H2O w latach 2004 i 2005 wyniósł r = 0,931.
Stosując do oznaczenia pH gleby roztwór KCl o stęŜeniu 1,0 mol⋅dm-3 w pierwszym roku badań, otrzymano wyniki od 5,06 do 6,30 (tab. 3). Charakter zmian zachodzących w czasie i wpływ zastosowanych nawozów wapniowych był analogiczny jak w przypadku wartości uzyskanych przy oznaczeniu pH w H2O. Odnotowano równieŜ dodatnią korelację odnośnie zmian odczynu w poszczególnych latach doświadczenia (tab. 5). NajwyŜszy współczynnik korelacji dla wartości pH oznaczonego w KCl uzyskano dla lat 2005 i 2006, r = 0,913.
Stosując do oznaczenia pH gleby ekstrakcję 0,01 molowym roztworem chlorku wapnia(II) w pierwszym roku badań, otrzymano wyniki od 5,19 do 6,27, to jest dane zbliŜone dla pH w KCl. (tab. 4). Charakter zmian zachodzących w czasie i wpływ zastosowanych nawozów wapniowych był analogiczny jak w przypadku wartości uzyskanych przy oznaczeniu pH w H2O i pH w KCl. Stwierdzono dodatnią korelację odnośnie zmian odczynu w poszczególnych latach doświadczenia (tab. 5). NajwyŜszy współczynnik korelacji dla wartości pH oznaczonego w CaCl2 r = 0,921 uzyskano porównując wyniki z lat 2005 i 2006. Przeprowadzone obliczenia statystyczne wykazały dodatnią istotną korelację odczynu gleby oznaczonego w H2O, KCl i CaCl2 w poszczególnych latach doświadczenia. Współczynniki korelacji wynosiły od r = 0,661 do r = 0,931.
M. Gibczyńska, E. Meller, G. Hury 56
Fertilizing variants
lata; years
2004 2005 2006
Kontrola; Control 5,06 5,41 5,40
CaCO3⋅MgCO3 5,57 5,35 5,17
CaO 6,30 6,18 6,12
Popiół z I strefy; Ash from I electrofilter zone 6,28 6,14 6,06 Popiół z II strefy; Ash from II electrofilter zone 5,89 5,51 5,84 Popiół z III strefy; Ash from III electrofilter zone 6,19 6,18 6,26 Mieszanina; Mixture of ashes from three electrofilter zones 5,97 6,07 6,27
NIR0,05; LSD0.05 0,032 0,219 0,390
Tabela 4; Table 4 Odczyn gleby oznaczony w CaCl2
Reaction of soil estimatiom in CaCl2
Warianty Nawozowe Fertilizing variants
pH
lata; years
2004 2005 2006
Kontrola; Control 5,19 5,40 5,57
CaCO3⋅MgCO3 5,57 5,17 5,41
CaO 5,96 6,12 6,23
Popiół z I strefy; Ash from I electrofilter zone 6,21 6,06 5,97 Popiół z II strefy; Ash from II electrofilter zone 6,06 5,84 6,17 Popiół z III strefy; Ash from III electrofilter zone 6,27 6,26 6,20 Mieszanina; Mixture of ashes from three electrofilter zones 5,77 6,27 6,12
NIR0,05; LSD0.05 0,94 0,319 0,290
Tabela 5; Table 5 Współczynniki korelacji dla zaleŜności pomiędzy latami
Correlation coefficients for dependency between year
Lata; Lata Years; Years
pHH2O pHKCl pHCaCl2
2005 2006 2005 2006 2005 2006
2004 0,9309 0,6605 0,8506 0,8070 0,7071 0,7202
2005 - 0,8563 - 0,9132 - 0,9208
Uzyskane w doświadczeniu wyniki, dotyczące zmian odczynu gleby nawoŜonej popiołami wysokowapniowymi w czasie, stanowią potwierdzenie informacji podawa-nych przez ADAMUS [1976].
ODDZIAŁYWANIE POPIOŁU Z WĘGLA BRUNATNEGO ... 57
Rys. 1. Porównanie wartości kwasowości hydrolitycznej gleby z obiektów wapnowanych z danymi z obiektu kontrolnego przyjętymi za 100%
Fig. 1. Comparison of the values of soil hydrolythic acidity from the limed objects with the data from the controled object assumed as 100%
W glebie nienawoŜonej, na początku doświadczenia, kwasowość hydrolityczna wynosiła średnio 3,64 cmol(H)+⋅kg-1 gleby (tab. 6). W pierwszym roku doświadczenia (2004) wapnowanie obniŜyło kwasowość hydrolityczną gleby w poziomie orno-próchnicznym. NajniŜszą wartość kwasowości hydrolitycznej (2,77 cmol(H)+⋅kg-1 gleby) otrzymano po zastosowaniu wapna w postaci tlenkowej. Jednak zastosowanie wysokowapniowych popiołów oraz wapna węglanowego spowodowało zmniejszenie kwasowości hydrolitycznej gleby w podobnym stopniu o około 0,5 cmol(H)+⋅kg-1 gleby, czyli o około 20% (tab. 6, rys. 1). W drugim roku doświadczenia (2005) odnotowano tendencję zmniejszania się kwasowości hydrolitycznej gleby jednakŜe występujące róŜnice nie przekroczyły wartości przedziału ufności. W trzecim roku doświadczenia (2006) odnotowano tendencję dalszej obniŜki kwasowości hydrolitycznej gleby.
Procentowo wielkości te były mniejsze w porównaniu z latami poprzednimi. Na podstawie wcześniej prowadzonych badań [GIBCZYŃSKA 2003] uzyskano wyniki świadczące o stabilności kwasowości hydrolitycznej gleby niewapnowanej, natomiast wapnowanie w sposób istotny zmniejsza jej kwasowość hydrolityczną. Według MERCIKA [1987] zaobserwowane zmiany kwasowości hydrolitycznej moŜna tłumaczyć zwiększaniem się pojemności organicznego kompleksu sorpcyjnego.
Tabela 6; Table 6 Kwasowość hydrolityczna i zwartość glinu wymiennego w glebie z doświadczenia
Hydrolytic acidity and content of mobile aluminium in experimental soil 50
60 70 80 90 100 110
2004 2005 2006 lata doświadczenia years experiments wapno dolomitowe
dolomite lime
tlenek wapnia burned lime
I strefa
I zone II strefa
II zone III strefa III zone
mieszanina mixture
M. Gibczyńska, E. Meller, G. Hury 58
Warianty Nawozowe Fertilizing variants
Kwasowość hydrolityczna Hydrolytic acidity
Glin ruchomy Mobile aluminium
cmol(+)⋅kg-1 gleby; soil mg Al⋅kg-1 gleby; soil lata; years lata; years 2004 2005 2006 2004 2005 2006
Kontrola; Control 3,64 3,50 2,77 33,76 30,00 33,87
CaCO3⋅MgCO3 3,14 2,96 2,70 28,07 29,37 32,42
CaO 2,77 2,30 2,17 26,66 25,88 30,89
Popiół z I strefy; Ash from I electrofilter zone 2,94 2,80 2,50 28,85 30,00 34,33 Popiół z II strefy; Ash from II electrofilter zone 3,18 2,85 2,35 35,70 30,60 31,42 Popiół z III strefy; Ash from III electrofilter zone 2,92 2,59 2,37 26,38 26,88 33,53 Mieszanina
Mixture of ashes from three electrofilter zones
3,00 2,78 2,40 35,69 32,60 32,49
NIR0,05; LSD0.05 0,415 0,336 0,204 3,39 10,14 11,15
Zawartość glinu ruchomego, w glebie nienawoŜonej, na początku doświadczenia, wynosiła 33,76 mg Al⋅kg-1 gleby. Zastosowanie wapna dolomitowego i wapna tlenkowego w sposób istotny zmniejszyło zawartość glinu ruchomego w glebie (tab. 6).
Podobny efekt uzyskano po zastosowaniu popiołu z I i III strefy. Natomiast nawiezienie gleby popiołami z II strefy oraz ich mieszaniną nie miało wpływu na zawartość glinu ruchomego w glebie w roku 2004. W roku 2005 zawartość glinu była na zbliŜonym poziomie jak w roku pierwszym. Przeprowadzone obliczenia wykazały dodatnią istotną korelację między zawartością w glebie glinu ruchomego w latach 2004 i 2005, współczynnik korelacji wyniósł r = 0,842. W roku 2006 zawartość glinu w glebie ze wszystkich obiektów osiągnęła poziom, jakim charakteryzowała się gleba z obiektu kontrolnego.
Wnioski
1. Popioły lotne pochodzące z trzech stref elektrofiltrów, jak i ich mieszanina, juŜ w pierwszym roku po zastosowaniu spowodowały wzrost pH gleby, w porównaniu z danymi z obiektu kontrolnego. W większości przypadków odkwaszające działanie popiołów było porównywalne z działaniem wapna tlenkowego.
2. W drugim i trzecim roku badań zaobserwowano tendencję powtórnego za-kwaszenia gleby. Porównując charakter zmian odczynu w poszczególnych latach doświadczenia otrzymano dodatnią korelację.
3. W wyniku zastosowania wysokowapniowych popiołów lotnych z poszczególnych stref elektrofiltrów i ich mieszaniny, odnotowano obniŜenie się kwasowości hydrolitycznej we wszystkich latach badań. Jednak na zmiany tego wskaźnika Ŝyzności gleby w większym stopniu oddziaływało wapno tlenkowe niŜ popioły.
4. Zastosowane do wapnowania nawozy wapniowe i popioły lotne z węgla brunatnego, w większości przypadków obniŜyły zawartość glinu ruchomego w glebie w pierwszym roku badań, a nie róŜnicowały w sposób istotny jego
ODDZIAŁYWANIE POPIOŁU Z WĘGLA BRUNATNEGO ... 59 zawartości w dalszych latach.
Literatura
ADAMUS M. 1976. Wpływ róŜnej częstotliwości wapnowania na plonowanie roślin i właściwości gleby lekkiej, w: Skutki wieloletniego stosowania nawozów. Symp. Nauk.
Cz. II. Puławy, R(110), IUNG, Puławy: 131-138.
FOTYMA M., ZIĘBA S. 1988. Przyrodnicze i gospodarcze podstawy wapnowania gleb.
PWRiL Warszawa: 66 ss.
GIBCZYŃSKA M. 2003. Wpływ wapnowania i zmianowania na wartość kwasowości hydrolitycznej gleby. Zesz. Nauk. AR Szczecin 89: 95-102.
GILEWSKA M., PRZYBYŁA Cz. 2001. Wykorzystanie osadów ściekowych w rekultywacji składowisk popiołowych. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 477: 217-222.
KRUGER R.A. 2003. Efektywne zagospodarowanie popiołów lotnych w Południowej Afryce. Mat. X Międzyn. Konf. „Popioły z energetyki” W-wa 14-17 XI 2003: 53-70.
KRZYWY E., NOWAK W., WOŁOSZYK Cz. 1997. Chemia rolna. Przew. do ćwicz. AR Szczecin: 26 ss.
MERCIK S. 1987. Wpływ odczynu gleby na plonowanie roślin i na efektywność nawoŜenia potasem. Rocz. Glebozn. 37(2): 111- 123.
NOWOSIELSKI O. 1974. Potrzeby nawoŜenia roślin. Warszawa: 26.
POLSKA NORMA [PN-ISO 10390/1997].
RETHMAN N., KRUGER R.A., DU TOIT E., RAMAGADZA E., TRUTER W., REYNOLDS K. 2001.
The use of fly ash biosolids to ameliorate soils, revegetate disturbed areas and improve plant productivity. W 14th Intreniational Symposium on Management and Use of Coal Combustion Products (CCPs) 1: 1-9.
ROZPORZĄDZENIE MŚ 2001. Z dnia 27.09. 2001 w sprawie katalogu odpadów. Dz. U. Nr 112, poz. 1206.
SIUTA J. 2001. Gospodarka odpadami w środowisku. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 477:
275-285.
YOSHIAKI S., KAZUO H. 2003. Aktualny stan skutecznego wykorzystania popiołu z węgla w Japonii. Mat. X Międzyn. Konf. „Popioły z energetyki” W-wa 14-17 XI: 71-86.
Słowa kluczowe: kwasowość hydrolityczna, glin ruchomy, odczyn gleby, gleba, popiół
Streszczenie
Celem kontynuacji prowadzonych badań była ocena długotrwałości oddzia-ływania wysokowapniowych popiołów z węgla brunatnego powstających w Zespole Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin na własności fizykochemiczne gleby lekkiej.
Doświadczenie polowe prowadzono w latach 2004-2006 w Rolniczym Zakładzie Doświadczalnym w Lipniku na glebie lekkiej (kompleks Ŝytni dobry). Schemat badań obejmował 7 wariantów (kontrolny, wapno tlenkowe CaO, wapno dolomitowe CaCO3⋅MgCO3, popiół z I strefy, popiół z II strefy, popiół z III strefy elektrofiltrów oraz mieszanina popiołów z trzech stref elektrofiltrów). Nawozy wapniowe i popioły zastosowano w dawce odpowiadającej 1,0 kwasowości hydrolitycznej. W drugim i trzecim roku doświadczenia zaobserwowano tendencję powtórnego zakwaszenia gleby.
M. Gibczyńska, E. Meller, G. Hury 60
W pierwszym roku doświadczenia, w glebie ze wszystkich wariantów nawozowych, gdzie zastosowano wysokowapniowe popioły lotne z węgla brunatnego stwierdzono obniŜenie się kwasowości hydrolitycznej, jak równieŜ w latach następnych. W trzecim roku doświadczenia zawartość glinu w glebie ze wszystkich obiektów wapnowanych osiągnęła poziom, jakim charakteryzowała się gleba z obiektu kontrolnego.
EFFECT OF BROWN COAL ASHES ON PHYSICAL PROPERTIES OF LIGHT SOIL
Marzena Gibczyńska 1, Edward Meller 2, Grzegorz Hury 3
1 Department General Chemistry, Agricultural University, Szczecin
2 Department Soil Science, Agricultural University, Szczecin
3 Department of Soil, Plant Cultivation and Biometry, Agricultural University, Szczecin
Key words: hydrolytic acidity, mobile aluminium, reaction of soil, soil, ash
Summary
The aim to continue the investigation was the estimation of a long duration effect of brown coal ashes from Power Plant Pątnów-Adamów-Konin on physico-chemical properties of light soil (good rye complex). The field experiment was conducted in Agricultural Experimental Station in Lipnik in 2004 and 2005 on light soil (good rye complex) The following 7 variants were tested: control, burned lime (CaO) dolomite lime (CaCO3⋅MgCO3), fly ash from I zone, fly ash from II zone, fly ash from III zone of elektrofilters, and mixture of ashes from I, II and III zone. The fertilizers and ashes were used in the dose of 1.0 hydrolytic acidity. In second and third year of experiment a tendency for secondary acidification of soil was observed. In the soil from every variants with fly ash a decrease of hydrolytic activity for three years of experiment. Was observed in the third year, a mobile aluminium content in the soli from the experimenter was on the same level as the soil from the control variant.
Dr hab. Marzena Gibczyńska, prof. nadzw. AR Katedra Chemii Ogólnej
Akademia Rolnicza ul. Słowackiego 17 71-434 SZCZECIN e-mail: margi@px.pl
ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 518: 63-69