JOLANTA KWIATKOWSKA, ALINA MACIEJEWSKA
WPŁYW WĘGLA BRUNATNEGO
NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE
GLEBY PŁOWEJ
INFLUENCE OF BROW N COAL
ON PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES
OF HAPLIC LUVISOLS
Zakład Gospodarki Przestrzennej i Nauk o Środowisku Przyrodniczym, Politechnika Warszawska
A b s tr a c t: The long-term , static experim ents w ere earned out in stonew are pots sank into the ground.
Soil originated from loam y sand on sandy loam (H aplic L uvisols) w as m ixed with brown coal in a dose o f 140 g per pot, w hich is an equivalent to 5 tons o f organic carbon per ha. Addition o f brown coal increased soil reaction and sorptive properties, as w ell 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 im provem ent o f sorptive properties o f very light soil.
S ło w a kluczow e: w ęg iel brunatny, w ła śc iw o śc i fizy k o ch em iczn e, w ęg iel organiczny, azot o g ó łem . K e y w o rd s: brow n co a l, p h y sica l-ch em ic a l p roperties, 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 fizyko chemiczne 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 pojem ność w odną oraz kom pleks sorpcyjny i pojem ność 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 m ają 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].
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 jednorazow a do wierzchniej warstwy gleby w wazonach doświadczalnych - na jej wybrane właści wości 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 prow adzono na glebie płowej typowej w edług 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 jednorazow o 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 tłuszczow e i dlatego m oże stanow ić źródło m aterii organicznej. W ęgiel 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 powtó rzeniach, pobierano po zbiorze roślin w 2000 i 2005 roku. Oznaczono w- nich: pH w H20 i 1 mol KC1 • d irf3 - metodą potencjometryczną, kwasowość wymienną (Kw) w' 1 mol KC1 • dm ? - m etodą Sokołowa, kwasowość hydrolityczną (Hh) w roztworze 1 mol (C H X O O )?Ca • dm"° - metodą Kappena, zawartość wymiennych kationów- zasadowych (K, Na, Ca~ Mg) w 1 mol CH3COONH4- dm“3 - m etodą AŚA, azot ogólny - m etodą Kjeldahla, węgiel organiczny-m etodąTiurina, 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
TABELA 1. W łaściw ości fizykochem iczne w wierze liniej warstw ie gleby (do 30 cm ) przed założeniem dośw iadczenia w 1999 r.
TABLE 1. Physical and chem ical properties o f soil before experiment begin in 1999 Parametr Parameter Jednostka Unit W artość Value PH H:° 5 ,6 0 KC1 5 .1 0
K w a so w o ść wymienna (K w ) - Exchangeable acidity cmo1(+) • kg 1 0 ,3 0 K w a so w o ść hydro lityczna (Hh) - Hydro litic acidity 0 ,7 5 Kationy wymienne - Echangeable cations C a2 9 .6 0
N a 0,61
M g: 0 .2 3
K 0 ,1 8
Suma zasad (S ) - Total exchange basic cations (TEB) 10,6 Pojem ność kom pleksu sorpcyjnego (T)
Cations exchange capacity ( C E O
11,4
Stopień w y sycenia kom pleksu sorpcyjnego kationami zasadow ym i (V ) - B ase saturation ( BS)
% 9 3 .4
Próchnica - Humus 0 .9 6
C -organiczny (C org) - Organie carbon (Corg) g - k g 1 5 .6 0 N - o gó łe m ( N o g .) - N - to tal (N tot) 0 .4 6
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 c m o l(+ )'k g g le b y w' działaniu bezpośrednim i utrzymała się na zbliżonym poziomie (0,90 cmol(+)-kg 1 gleby) do 2005 roku (tab. 2). Podobne zależności otrzymano we wcześniej przeprowadzonych badaniach [Maciejewska 1993; Maciejewska, Kwiat kowska 2002]. Zmniejszenie kwasowości potencjalnej sugeruje, że kompleks sorpcyjny gleby płowej, po zastosowaniu w^ęgla brunatnego został wysycony jonami zasadowymi.
D odatek substancji organicznej spowodował wzrost zawartości składników biogen nych i procentowego udziału próchnicy w' glebie (tab. 3). Zawartość węgla organicznego (Corg.) po zastosow aniu 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
TABELA 2. Niektóre w łaściw ości fizykochemiczne gleby TABLE 2. Selected physical and chemical properties o f soil Daw ka węgla brunat
nego [g na wazon] D ose o f brown coal [g per pot] Kontrola 0 Control 0 W ęgiel brunatny 140 Brown coal 140 NIIW LSDo,5 Rok pH Year ! T T O IKC1 2 0 0 0 15.66 5.15 2 0 0 5 : 5 .0 0 14 .4 0 2 0 0 0 5.83 5.20 20 0 5 5.81 5 .10 0.21 :0.16 K w ! Hh cm ol(+) - kg 1 0 .3 0 0 .5 0 0.20 0.20 0.01 0 .92 1.15 0 .8 7 0 .9 0 0.10
opinię o powolnej m ineralizacji węgla brunatnego [Gambuś, Gor- lach 1996; Maciejewska 1993]. Zawartość Corg., a zatem i próch nicy 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 charakte rystycznym dla gleb płowych. W badaniach prowadzonych przez Myśkowa i in. [ 1986] ze stosowaniem corocznie 601 obornika na ha-przez 54 lata, uzy-skano trzykrotne zwięk szenie 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;
Hh - kw asow ość hydro lityczna: hydrolitic acidity; K w - kw asow ość wymienna: exchangeable acidity'; NIR - najmniejsza istotna rÓTiiica: LSD - least significant difference
Sugano i in. 1999]. Wyniki te dobrze korespondują z wynikami badań dotyczących właściwości sorpcyj nych węgli brunatnych oraz zawar tości w nich zasadowych kationów wymiennych [Maciejewska, Kwiat kowska 2002]. Zastanawiają jedynie stosunkowo wysokie zawartości Na~ w porównaniu z zawartością Mg2" i Ca2'. Jest to prawdopodob nie związane z tym. że gleba pobrana do wazonów była wcześniej wyko rzystana w doświadczeniu polo- wym, gdzie sto sow ano n aw o żenie m ineralne i w apnow anie. Stan ten miał dalsze konsekwencje w wysokiej zaw artości 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 - N tot and C : N ratio in soil
Dawka węgla
i brunatnego | g na wazon] Dose o f brown coal [g per pot] Rok Year Próch nica Humus Corg | N og Ntot C :N L%] [g • kg-1] 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 N I R : L S D ( i .05 0.05 0,19 0,34 0,110 0,30
TABELA 4. Pojemność sorpcyjna i skład kationów zasadow ych w kompleksie sorpcyjnym gleby
TABLE 4. Sorption capacity and basic cations composition in soil sorption complex Dawka węgla
brunatnego [g na wazon] D ose o f browrn coal [g per pot] Rok i Ca:~ Year Na* Mg2+ | K+ S TEB T CEC V; BS [%] ; [cmol(+) • kg '] Kontrola 0 Control 0 2 0 0 0 | 9.75 0 .6 4 0.25 0.17 10,8 11,6 93.0 2 005 i 9,81 0.71 0.25 0,21 11,0 12.2 90,4 W;ęgiel brunatny 140 Brown coal 140 2 0 0 0 14.33 0.63 0.47 0.30 15.7 16,6 94.8 2 005 14,06 0.71 0.57 0,28 15,6 16.5 94,6 N1IW L SD 005 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]. W skazują 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 pło wej, przede wszystkim w działaniu następczym (w 2005 r.), a mianowicie: zwiększy ł pojemność sorpcyjną i zawartość kationów zasadowych oraz stopień wysycenia kom pleksu sorpcyjnego kationami zasadowymi.
3. Węgiel brunatny w formie pospółki otrzymywany przy wydobyciu tego surowca (trak towany jako odpad) może być stosow any do użyźniania gleb mało zasobnych w próch nicę glebową.
LITERATURA
BED N A R EK W.. BUJAK K.. TK ACZY K R. FRANT M. 2004: W pływ naw ożenia, uprawy roli i roślin na fizyk och em iczne w łaściw ości gleby. A nn ales UMCS, Sec. E 59. 1: 2 2 5 -2 3 2 .
G A M B U Ś F.. GORLACH F. 1996: W pływ obornika, słom y i w ęgla brunatnego na fitoprzyswajalność metali ciężkich. Zesz. Nauk AR w Szczecinie 172: 1 3 1 -1 3 7 .
IŻEW SKA A. 2007: W pływ naw ożenia obornikiem , osadem ściekow ym i kom postem z osadów ściek o w ych na w łaściw ości gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 518: 8 5 -9 2 .
K A L E M B A SA S..T E N G L E R A. 1992: W ykorzystanie w ęgla brunatnego w naw ożeniu. WSR-P Siedlce
nr 21 M onografia.
K ARC ZEW SK A A.. C H O DAK T.. K ASZU BK IEW IC Z J. 1996: The suitability o f brown coal as a sorbent for heavy metals polluted soils. A p p lie d G e o ch em istiy 11: 3 4 3 -3 4 6 .
KW IATKOW SKA J.. D Ę B SK A B.. M ACIEJEW SKA A., G ONET S. 2005: Brown coal as the factor m odifying the properties o f soil organic matter. Rocz. G lebozn. 56: 3 1 -4 1 .
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: 7 0 3 -7 1 7 .
M ACIEJEW SKA A. 1993: Zawartość próchnicy a w łaściw ości sorpcyjne gleb bardzo lekkich. Zesz.
Probl. Post. Nauk Roln. 411: 3 1 9 -3 2 4 .
M ACIEJEW SKA A. 1995: E kologiczne aspekty wykorzystania w ęgla brunatnego do poprawy w łaści w ości gleb piaszczystych użytkow anych rolniczo. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 422: 64 -74. M ACIEJEW SKA A.. KW IATKOW SKA J. 1998: Wpływ nawozu organiczno-m ineralnego na w łaści
w ości fizykochem iczne gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 455: 9 -1 6 .
M ACIEJEW SK A A.. KW IATKOW'SKA J. 2001: Wpływ naw ozu organiczno-m ineralnego z w ęgla brunatnego n ap lon v roślin i ich jakość. W: Potassium & M agnesium in Agriculture M eeting. R ogów
Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 480: 281- 289.
M ACIEJEW SKA A., KW IATKOW SKA J. 2002: N iektóre w łaściw ości chem iczne gleby oraz jej zd o l ności buforow e po zastosow aniu nawozu organiczno-m ineralnego z w ęgla brunatnego. Zesz. Probl.
Post. Nauk Roi. 482: 3 51 -3 5 7 .
M ARTY NIU K I I.. W IĘC KO W SKA J. 2003: Adsorption o f metal ions on huniic acids extracted from brown coals. Fuel P rocessin g Technolog}' 84: 2 3 -3 6 .
M A Z U R T.. WOJTAS A.. M A Z U R Z. 1998: R olnicza w artość naw ozów organiczno-m ineralnych produkowanych na bazie w ęgla brunatnego. Zesz. Probl. Post. N au k Roln. 455: 141-147.
MERCIK S.. STĘPIEŃ W. 2007: Działanie obornika na gleb ie bardzo kwaśnej i wyczerpywanej ze składników pokarmowych przez w iele lat. Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln. 520: 1 5 1-158.
M YŚK O W W.. JA SZCZEW SKA B.. STA CH YRA A.. NA GLIK E. 1986: Substancje organiczne gleby - ich rolnicze i ekologiczn e znaczenie. Rocz. G lebozn. 37. 2/3: 15-36.
ROCZNIK STA TYSTYCZN Y 2006. G US. Warszawa.
S E N E S IN .. LOFFREDO E. 1999: The chemistry o f soil organie matter. W: Sparks D L (ed .) Soil physical chemistry. Second ed.CRC Press. Boca Raton. FL: 2 3 9 -3 7 0 .
STE V EN SO N F.J. 1985: Geochem istry o f soil humic substances. John W illey& Sons. New York. Chri- schestcr. Brisbane. Toronto. Singapore: 1 3 -5 2 .
SU G A N O M.. M A SH IM O K.. WAN AI T. 1999: Structural changes o f lower rank coals by cation exchange. Fuel 7 8 :9 4 5 951.
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
