Влияние высокопористых биоуглей на свойства тепличных торфяных субстратов

Торф является ключевым компонентом субстратов в тепличном хозяйстве, и улучшение его свойств за счет добавления органических компонентов является распространенной практикой. В этом исследовании сравниваются высокопористые биоугли из скорлупы кедровых орехов, полученные в условиях медленного пиролиза и при высокой температуре с последующей активацией, в качестве добавок, частично заменяющих торф в субстратах. Установлено содержание углерода и степень разложения органического вещества в торфяных смесях с биоуглями различных концентраций (10% и 20% об.) и форм (измельченная и неизмельченная). Установлено, что 20% измельченного биоугля приводят к наибольшему росту соотношения C/N, что обычно наблюдается в неосушенных или более глубоких слоях торфа, указывая на большую интенсивность гумификации, наилучшим образом стимулируя микробную активность, но свидетельствуя о возможном снижении доступности азота для растений. Определены концентрации макро- и микроэлементов в смесевых торфяных субстратах. Результаты показали, что внесение измельченного активированного биоугля (10– 20% об.) в торф значительно увеличивает в субстрате концентрацию ключевых макроэлементов, таких как фосфор, калий и кальций в 4.9–5.9, 3.3–3.9, 1.7–1.8 раза соответственно, что свидетельствует о перспективности активированного биоугля для улучшения питательных свойств торфяных субстратов. Особое внимание уделено анализу влияния биоуглей на содержание тяжелых металлов и неметаллов, который подтвердил потенциальную эффективность и экологическую безопасность их использования. Полученные данные свидетельствуют о возможности частичной замены торфа высокопористыми биоуглями, особенно в измельченной форме, что может способствовать повышению урожайности и устойчивости растений к стрессовым условиям.

1. Акимова А.С. Круговорот соединений фосфора в почве // Международный научно-исследовательский журнал. 2023. Т. 134. № 8. С. 1–4. DOI: https//doi.org/10.23670/IRJ.2023.134.38.

2. Беляцкий В.Н. Основы методов атомно-абсорбционной и атомно-эмиссионной спектроскопии. Минск: БГМУ, 2015. 40 с.

3. В Тюмени будут развивать добычу торфа вместе с предприятиями Беларуси. URL: https://tyumen-news.net/economy/2024/05/23/377097.html.

4. Василевич Р.С. Макро-и микроэлементный состав мерзлотных бугристых торфяников лесотундры европейского северо-востока России // Геохимия. 2018. № 12. С. 1158–1172. DOI: https://doi.org/10.1134/s0016752518100126.

5. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

6. Карпенко Л.В. Микроэлементный состав торфяных почв Нижнего Приангарья // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2009. № 4. С. 139–144.

7. Микова Н.М., Иванов И.П., Жижаев А.М., Кузнецов Б.Н. Влияние термощелочной активации NaOH коры лиственницы на структуру и сорбционные свойства полученных активных углей // Журнал Сибирского федерального университета Химия. 2024. № 17 (3). С. 407–418.

8. Моисеева Е.В., Потапова И.А. Атомно-абсорбционное определение ртути в моче методом холодного пара с использованием ртутно-гидридной приставки // Медицина труда и промышленная экология. 2019. Т. 59 № 10. С. 887–891. DOI: https://doi.org/10.31089/1026-9428-2019-59-10-887-891.

9. Московченко Д.В., Романенко Е.А. Особенности элементного состава почв Пур-Тазовского междуречья // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 103. С. 51–84. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-103-51-84.

10. Пономарев К.О., Дрягина А.А., Филимоненко Е.А., Димитрюк И.Д. Влияние биоуглей на концентрацию доступных для растений элементов в почве // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. № 120. С. 265–294. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-120-265-294.

11. Спирина В.З., Соловьева Т.П. Агрохимические методы исследования почв, растений и удобрений. Томск: ТГУ, 2014. 336 с.

12. Степанова В.А., Покровский О.С. Макроэлементный состав торфа выпуклых верховых болот средней тайги Западной Сибири (на примере болотного комплекса “Мухрино”) // Вестник Томского государственного университета. 2011. № 352. С. 211–214.

13. Табакаев Р.Б., Пономарев К.О., Калинич И.К., Гайдабрус М.А., Шулаев Н.А., Елецкий П.М. Комплексная СВЧ-переработка высокозольного бурого угля для нужд энергетической и металлургической отраслей // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2024. Т. 335. № 1. С. 57–68. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/1/4336.

14. Тимофеева М.В., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В. Вынос углерода из торфяных почв севера Западной Сибири в разных гидрологических условиях // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. № 119. С. 211–241. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-119-211-241.

15. Тишкович А.В., Мееровский А.С., Вирясов Г.П., Усюкевич Г.А., Баранникова Е.В. Торф на удобрение // Наука и техника. Минск: Институт торфа АН БССР, 1983. 103 с.

16. Томина Е.В., Ходосова Н.А., Мануковская В.Е., Лукин А.Н., Корчагина А.Ю. Влияние ультразвуковой обработки на сорбционно-поверхностные характеристики березового биоугля // Сорбционные и хроматографические процессы. 2023. Т. 23. № 3. С. 384–394.

17. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Айдиев А.Ю., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Куликова Н.А. Термолабильное и термостабильное органическое вещество черноземов разного землепользования // Почвоведение. 2020. № 8. С. 970–982. DOI: https://doi.org/10.31857/s0032180x20080080.

18. Швартау В.В., Вирыч П.А., Маковейчук Т.И., Артеменко А.Ю. Кальций в растительных клетках // Вестник Днепропетровского университета. Серия: Биология. Экология. 2014. Т. 22. № 1. С. 19–32.

19. Яковлев Е.Ю., Дружинина А.С., Дружинин С.В., Бедрина Д.Д., Орлов А.С., Спиров Р.К., Жуковская Е.В. Оценка физико-химических параметров и распределения металлов в верховом болоте Архангельской области // Успехи современного естествознания. 2020. № 5. С. 115–120.

20. Яконовская Т.Б. Особенности применения доходного подхода к оценке стоимости бизнеса предприятий торфяной отрасли при выборе стратегических решений (часть 2) // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Науки об обществе и гуманитарные науки. 2024. № 1 (36). С. 78–90. DOI: https://doi.org/10.46573/2409-1391-2024-1-78-90.

21. Ahmed N., Zhang B., Chachar Z., Li J., Xiao G., Wang, Q., Tu P. Micronutrients and their effects on horticultural crop quality, productivity and sustainability // Scientia Horticulturae. 2024. Vol. 323. P. 112512. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2023.112512.

22. Arbuzov S.I., Maslov S.G., Finkelman R.B., Mezhibor A.M., Ilenok S.S., Blokhin M.G., Peregudina E.V. Modes of occurrence of rare earth elements in peat from Western Siberia // Journal of Geochemical Exploration. 2018. Vol. 184. P. 40–48. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2017.10.012.

23. Beaulne J. Garneau M, Magnan G, Boucher É. Peat deposits store more carbon than trees in forested peatlands of the boreal biome // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. No. 1. P. 2657. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-82004-x.

24. Biederman L.A., Harpole W.S. Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling: a meta‐ analysis // GCB bioenergy. 2013. Vol. 5. No. 2. P. 202–214. DOI: https://doi.org/10.1111/gcbb.12037.

25. Bu X., Ji H., Ma W, Xian T., Zhou Z., Wang F., Xue J. Effects of biochar as a peat-based substrate component on morphological, photosynthetic and biochemical characteristics of Rhododendron delavayi Franch // Scientia Horticulturae. 2022. Vol. 302. P. 111148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2022.111148.

26. Chai W., Wang F., Miao Z., Che N. Chai W. Hydrophilic porous activated biochar with high specific surface area for efficient capacitive deionization // Desalination and Water Treatment. 2024. Vol. 320. P. 100617. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100617.

27. Chrysargris A., Prasad M., Kavanagh A., Tzortzakis N. Biochar type, ratio, and nutrient levels in growing media affects seedling production and plant performance // Agronomy. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1421. DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy10091421.

28. De Melo C.A., De Oliveira L.K, Goveia D. Enrichment of tropical peat with micronutrients for agricultural applications: evaluation of adsorption and desorption processes // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2014 Vol. 25. P. 36–49. DOI: https://doi.org/10.5935/0103-5053.20130265.

29. De Tender C.A., Debode J., Vandecasteele B., D’Hose T., Cremelie P., Haegeman A., Maes M. Biological, physicochemical and plant health responses in lettuce and strawberry in soil or peat amended with biochar // Applied Soil Ecology. 2016. Vol. 107. P. 1–12. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2016.05.001.

30. Handiso B., Pääkkönen T., Wilson B.P. Effect of pyrolysis temperature on the physical and chemical characteristics of pine wood biochar // Waste Management Bulletin. 2024. Vol. 2. No. 4. P. 281–287. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wmb.2024.11.008.

31. Huang L., Niu G., Feagley S.E., Gu M. Evaluation of a hardwood biochar and two composts mixes as replacements for a peat-based commercial substrate // Industrial Crops and Products. 2019. Vol. 129. P. 549–560. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.12.044.

32. Kabir E, Kim K.H., Kwon E.E. Biochar as a tool for the improvement of soil and environment // Frontiers in Environmental Science. 2023. Vol. 11. P. 1324533. DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2023.1324533.

33. Lévesque V., Jeanne T., Dorais M., Ziadi N., Hogue R., Antoun H. Biochars improve tomato and sweet pepper performance and shift bacterial composition in a peat-based growing medium // Applied soil ecology. 2020. Vol. 153. P. 103579. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103579.

34. Lima J.Z., Ogura A.P., Espíndola E.L. G., da Silva E.F., Rodrigues V.G.S. Post-sorption of Cd, Pb, and Zn onto peat, compost, and biochar: Short-term effects of ecotoxicity and bioaccessibility // Chemosphere. 2024. Vol. 352. P. 141521. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141521.

35. Liu Q., Zang G. L., Zhao Q. Removal of copper ions by functionalized biochar based on a multicomponent Ugi reaction // RSC advances. 2021. Vol. 11. No. 42. P. 25880–25891. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/D1RA04156H.

36. Margenot A.J., Griffin D.E., Alves B.S., Rippner D.A., Li C., Parikh S.J. Substitution of peat moss with softwood biochar for soil-free marigold growth // Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 112. P. 160–169. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.10.053.

37. Méndez A, Paz-Ferreiro J, Gil E, Gascó G. The effect of paper sludge and biochar addition on brown peat and coir based growing media properties // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 193. P. 225–230. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.07.032.

38. Nieto A., Gasco G., Paz-Ferreiro J., Fernández J. M., Plaza C., Mendez A. The effect of pruning waste and biochar addition on brown peat based growing media properties // Scientia Horticulturae. 2016. Vol. 199. P. 142–148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.12.012.

39. Osman A.I., Fawzy S., Farghali M., El-Azazy M., Elgarahy A.M., Fahim R.A. Biochar for agronomy, animal farming, anaerobic digestion, composting, water treatment, soil remediation, construction, energy storage, and carbon sequestration: a review // Environmental Chemistry Letters. 2022. Vol. 20. No. 4. P. 2385–2485. DOI: https://doi.org/10.1007/s10311-022-01424-x.

40. Qian T., Wang L., Le C., Zhou Y. Low-temperature-steam activation of phosphorus in biochar derived from enhanced biological phosphorus removal (EBPR) sludge // Water Research. 2019. Vol. 161. P. 202–210. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.06.008.

41. Singh Yadav S.P., Bhandari S., Bhatta D., Poudel A., Bhattarai S., Yadav P., Oli B. Biochar application: A sustainable approach to improve soil health // Journal of Agriculture and Food Research. 2023. Vol. 11. P. 100498. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jafr.2023.100498.

42. Stanton C., Sanders D., Krämer U., Podar D. Zinc in plants: Integrating homeostasis and biofortification // Molecular Plant. 2022. Vol. 15. No. 1. P. 65–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.12.008.

43. Tammeorg P., Brandstaka T., Simojoki A., Helenius J. Nitrogen mineralisation dynamics of meat bone meal and cattle manure as affected by the application of softwood chip biochar in soil // Earth and Environmental Science Transactions of the Royal Society of Edinburgh. 2012. Vol. 103. No. 1. P. 19–30. DOI: https://doi.org/10.1017/S1755691012000047.

44. Vasilevich R., Vasilevich M., Lodygin E., Abakumov E. Geochemical characteristics of the vertical distribution of heavy metals in the hummocky peatlands of the cryolithozone // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2023. Vol. 20. No. 5. P. 3847. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph20053847.

45. Vaughn S.F., Kenar J.A., Thompson A.R., Peterson S.C. Comparison of biochars derived from wood pellets and pelletized wheat straw as replacements for peat in potting substrates // Industrial crops and products. 2013. Vol. 51. P. 437–443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.10.010.

46. Wang D., Li B., Yang H., Zhao C., Yao D., Chen H. Influence of biochar on the steam reforming of biomass volatiles: effects of activation temperature and atmosphere // Energy & Fuels. 2019. Vol. 33. No. 3. P. 2328–2334. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b04412.

47. Wang L., Olsen M.N., Moni C., Dieguez-Alonso A., de la Rosa J.M., Stenrød M., Mao L. Comparison of properties of biochar produced from different types of lignocellulosic biomass by slow pyrolysis at 600 C // Applications in Energy and Combustion Science. 2022. Vol. 12. P. 100090. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2022.100090.

48. Yan J., Yu P., Liu C., Li Q., Gu M. Replacing peat moss with mixed hardwood biochar as container substrates to produce five types of mint (Mentha spp.) // Industrial Crops and Products. 2020. Vol. 155. P. 112820. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.112820.

49. Zhang D., Peng Q., Yang R., Lin W., Wang H., Zhou W., Ouyang L. Slight carbonization as a new approach to obtain peat alternative // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 202. P. 117041. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117041.

50. Zulfiqar F., Allaire S.E., Akram N.A., Méndez A., Younis A., Peerzada A.M., Wright S.R. Challenges in organic component selection and biochar as an opportunity in potting substrates: a review // Journal of Plant Nutrition. 2019. Vol. 42. No. 11–12. P. 1386–1401. DOI: https://doi.org/10.1080/01904167.2019.1617310.