Wykład 2.4. Uprawa roślin energetycznych Cz. 4.
Temat 2.4. Nawożenie roślin energetycznych (wierzba, miskant, ślazowiec)
Źródło: Łabędowicz J., Stępień W. Nawożenie roślin energetycznych (wierzba, miskant, ślazowiec). [W:] Nowoczesne technologie pozyskiwania i energetycznego wykorzystywania biomasy. Monografia. Instytut Energetyki. Warszawa 2010: 69-88.
Spis treści
Wstęp
Metodyka badań
Wymagania pokarmowe roślin energetycznych w stosunku do podstawowych makro i mikroelementów
Skład chemiczny roślin i propozycja liczb granicznych dla potrzeb diagnostyki nawożenia
Możliwość wykorzystania odpadów organicznych do nawożenia i fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi
Wnioski
Literatura
Wstęp
Przemiany energetyczne w Polsce jak i innych krajach Unii Europejskiej zmierzają do coraz szerszego pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Przyjęta przez Polskę „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej" zakłada zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14% w 2020 roku [Szpakowski, Wolski 2003; Nowak i in. 2003].
W naszym kraju najważniejszym źródłem energii odnawialnej jest biomasa, której udział wynosi ok. 98% odnawialnych źródeł energii. Stymulacja rozwoju sektora energii odnawialnej za pomocą programu SAFIRE wykazała, że będzie on zdominowany przez energię pozyskiwaną z biomasy.
Pod względem ekonomicznym wykorzystanie biomasy pochodzenia roślinnego jest opłacalne, z ekologicznego punktu widzenia bardzo uzasadnione. Wyniki licznych badań prowadzonych w kraju i za granicą wskazują, że suche drewno i słoma są opałem lepszym niż torf i niewiele gorszym od węgla brunatnego. Jedną z głównych zalet biomasy jest zerowy bilans emisji CO2.
Dwutlenek węgla jest wprawdzie wydzielany do atmosfery podczas spalania tego typu paliwa lecz jego emisja nie przekracza ilości, które pobrały rośliny podczas wzrostu.
Spalanie ekologicznego paliwa to również znaczne ograniczenie wydzielania lotnych związków siarki w porównaniu do węgla lub produktów ropopochodnych [Chum, Overend 2001; De-mirbas2004].
Doświadczenia działających kotłowni i ciepłowni w oparciu o drewno i słomę potwierdzają celowość realizacji dalszych tego typu inwestycji. Dlatego też celowym jest prowadzenie badań nad pozyskiwaniem biomasy ze specjalnie zakładanych plantacji roślin przemysłowo- energetycznych. Poza korzyścią energetyczną dają one szansę rozwoju dla lokalnego rolnictwa.
Jednymi z najlepiej przystosowanych gatunków roślin do naszych warunków klimatycznych (oprócz wierzby) i równocześnie wydajnymi są miskant olbrzymi i ślazowiec pensylwański [Borkowska, Styk 1997; Nalborczyk 1999, Kalembasa i in. 2003]. Miskant zawiera mało składników niepalnych (2,6%) [Yenturi i in. 1999; Jeżewski 2002].
Wyniki badań wskazują, że rośliny te mogą być uprawiane na glebach o niskiej żyzności, ale wtedy roślina wymaga stosunkowo wysokiego nawożenia NPK [Ercidy i in. 1999: Kahle i in. 2001; Kalembasa, Wiśniewska 2008].
Koszt takiego nawożenia w formie nawozów mineralnych może obniżać opłacalność produkcji tych roślin oraz zmniejszyć potencjalny zysk energetyczny ze względu na dużą energochłonność produkcji nawozów mineralnych. Dlatego jako źródło składników pokarmowych dla tego typu roślin należy wykorzystywać różnego typu odpady.
Odpadami, których jest najwięcej do wykorzystania to osady ściekowe. Na podstawie dotychczasowych badań prowadzonych w kraju i za granicą można przypuszczać, że wyżej wymienione niekonwencjonalne nawozy wpłyną korzystnie na wysokość plonów tych gatunków [Maciejewska, Wrońska 2003; Siuta Wasiak 2001; Stępień i in. 2000].
Rośliny o dużej dynamice wzrostu i wysokiej produktywności mogą być uprawiane na osadowych lub osadowo-gruntowych podłożach zawierających nadmierne ilości metali ciężkich. Stwarza to zachęcające warunki do zastosowania osadów jako nawozu pod uprawy przemysłowo-energetyczne.
Wydaje się celowym rozważenie możliwości wykorzystania do celów nawozowych pod ten rodzaj upraw również kompostów miejskich. Wiąże się to z budową w ostatnich latach w Polsce licznych kompostowni odpadów miejskich, co znacznie zwiększy produkcję kompostu.
Rośliny te mogą być również wykorzystywane do fitoremediacji metali ciężkich [Obarska i in. 2003; Kalembasa, Malinowska 2007]. Antonkiewicz i Jasiewicz (2000), badając kilka gatunków roślin energetycznych pod kątem ich wykorzystania w rekultywacji stwierdzili, że wśród porównywalnych gatunków ślazowiec i miskant olbrzymi kumulują największą ilość metali i są odporne na wysokie stężenie metali ciężkich w tkankach części nadziemnych.
Metodyka badań
W pracy przedstawiono wybrane wyniki 3 letnich badań z 3 gatunkami roślin energetycznych: miskant olbrzymi (założone w 2003 r.) oraz z wierzbą i ślazowcem pensylwańskim (założone w 2006 r.).
Pierwsze doświadczenie przeprowadzono na obiekcie trwałego doświadczenia nawozowego, w którym od 1923 roku stosuje się stały schemat nawozowy: CaNPK; NPK; CaPK; CaPN; CaKN; Ca.
Właściwości chemiczne gleby w tym doświadczeniu są bardzo zróżnicowane (tab. 1).
Badana gleba zawiera bardzo mało węgla organicznego. Wynika to z tego, że od 80 lat na polu tym nie było stosowane nawożenie organiczne.
Najmniejszą zawartość C organicznego otrzymano na kombinacjach nie nawożonych azotem. Nieco mniejszą zawartość próchnicy otrzymano na glebie kwaśnej w porównaniu do gleby systematycznie wapnowanej.
Tabela 1. Odczyn gleb, zawartość węgla organicznego oraz przyswajalnych form P i K w glebie
Nawożenie |
g • kg-1 |
P |
K |
Mg |
Ca |
pH |
||||
|
C |
N |
mg • kg-1 |
|
||||||
Ca |
4,52 |
0,49 |
10,1 |
35,6 |
63,1 |
881,3 |
6,3 |
|||
CaNPK |
4,64 |
0,47 |
46,7 |
66,7 |
57,3 |
845,3 |
6,0 |
|||
NPK |
4,57 |
0,46 |
44,7 |
68,4 |
31,1 |
382,9 |
4,2 |
|||
CaPK |
4,50 |
0,50 |
59,6 |
76,9 |
66,1 |
879,6 |
6,2 |
|||
CaPN |
4,59 |
0,49 |
60,2 |
29,1 |
62,3 |
881,6 |
6,2 |
|||
CaKN |
4,60 |
0,47 |
8,9 |
72,4 |
59,1 |
819,6 |
6,1 |
|||
Zawartość przyswajalnych form P i K była najwyższa na kombinacji nie nawożonej azotem (CaPK) a najniższa na obiektach nie nawożonych tymi składnikami pokarmowymi przez kilkadziesiąt lat.
Wyższa zawartość P i K na obiektach bez azotu wynika z tego, że plony na tej kombinacji były niższe niż na kombinacji nawożonej azotem CaNPK i pobranie fosforu i potasu też było niższe, dzięki czemu więcej tych pierwiastków pozostało w glebie. Odczyn na kombinacjach systematycznie wapnowanych jest słabo kwaśny a na poletkach niewapnowanych silnie kwaśny.
Drugie doświadczenie założono na polu produkcyjnym, gdzie zastosowano nawożenie osadem ściekowym z miejskiej oczyszczalni ścieków i kompostem DANO.
Osad ściekowy pochodził z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Skierniewicach a kompost Dano z kompostowni warszawskiej. Zarówno osad ściekowy jak i kompost Dano zastosowany był w dwóch dawkach 20 t/ha i 40 t/ha. Pod względem przydatności rolniczej odpady te były bogate w azot i fosfor oraz w substancję organiczną.
Zawartość związków szkodliwych - metali ciężkich w stosowanych w doświadczeniu osadach ściekowych z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Skierniewicach i kompoście Dano z Warszawy nie przekraczała dopuszczalnych norm.
Odpady te nie wykazywały także obecności bakterii chorobotwórczych z rodzaju Salmonella i żywych jaj pasożytów jelitowych Ascaris sp., Trichuris sp., Toxocara sp.
W każdym roku badań pobierano próbki gleby po zbiorze roślin oraz próbki roślin w 3 terminach (I pełnia wegetacji, II koniec wegetacji, III w trakcie zbioru).
Do badań pobierano całe rośliny oraz dodatkowo w przypadku wierzby i ślazowca w okresie wegetacji liście. W próbkach gleb oznaczano podstawowe właściwości fizykochemiczne oraz zawartość metali ciężkich a w próbkach roślinnych całkowite zawartości makro i mikroelementów oraz metali ciężkich. W roztworach zawartość kationów oznaczono metodą absorpcji atomowej a fosforu metodą kolorymetryczną z metawanadanem amonu.
Wymagania pokarmowe roślin energetycznych w stosunku do podstawowych makro i mikroelementów
Ocena wymagań pokarmowych roślin energetycznych i związanych z tym wymagań nawozowych powinna uwzględniać specyficzne cechy tej grupy roślin odróżniające je istotnie od klasycznych roślin uprawianych dla celów konsumpcyjnych, paszowych czy przemysłowych.
Rośliny energetyczne jako rośliny wieloletnie mają możliwość korzystania z naturalnych zasobów glebowych w znacznie większym stopniu niż rośliny jednoroczne.
Ich system korzeniowy rozwija się znacznie silniej i penetruje większą masę gleby. Ponadto rośliny te pozostając na polu do późnej jesieni a nawet zimy tracą część wytworzonej biomasy, głównie liści, które opadając na powierzchnię gleby przyczyniają się do zwrotu części składników pokarmowych pobranych w okresie wegetacji.
Późny zbiór roślin daje także możliwość roślinom wycofania pewnej części składników z organów nadziemnych do części korzeniowej, co jest specyficzną ich cechą gatunkową.
Reakcja roślin na niedobór podstawowych makroskładników.
Oceniane gatunki roślin energetycznych różniły się istotnie poziomem plonowania. Zdecydowanie najwyższe plony suchej masy na obiektach o zrównoważonym nawożeniu (obiekt CaNPK - średnio za trzy lata 33,3 ton s.m.•ha-1) uzyskano w uprawie miskantusa. Plony wierzby w tych samych warunkach były o około 1/3 niższe a plony ślazowca były najniższe i stanowiły 1/3 plonów uzyskanych w uprawie miskantusa (tab. 2).
Porównanie obiektów bez nawożenia (obiekt Ca) z obiektami nawożonymi dawką zrównoważoną (obiekt CaNPK) wskazuje na znacząco różną reakcję ocenianych gatunków roślin na nawożenie mineralne.
Miskantus w pierwszym roku wykazywał wyraźną reakcję na nawożenie mineralne. Brak nawożenia mineralnego w tym okresie zmniejszył plony aż o blisko 25%.
W dalszych latach uprawy rola nawożenia mineralnego w plonowaniu tego gatunku była znaczne niższa, spadek plonu na obiektach bez nawożenia mineralnego w stosunku do obiektów z pełnym nawożeniem skutkował spadkiem plonu suchej masy w zakresie od 10 do 13%.
Wierzba wykazywała znacznie silniejszą od miskantusa reakcję na nawożenie mineralne, zbliżoną w trzyletnim okresie badań. Na obiektach bez nawożenia uzyskiwano we wszystkich latach badań plony drastycznie niższe w stosunku do obiektów nawożonych. Spadek ten w zależności od roku wahał się od 42 do blisko 60%.
Reakcja ślazowca na nawożenie mineralne była pośrednia w porównaniu do obu wyżej porównywanych gatunków roślin energetycznych. Brak nawożenia mineralnego skutkował niższym plonem w stosunku do obiektów nawożonych o około 25 do 45%.
Porównanie reakcji trzech ocenianych gatunków wskazuje, że miskantus w uprawie na cele energetyczne jest najlepiej przystosowany do wykorzystania naturalnych glebowych zasobów składników pokarmowych w warunkach gleb piaszczystych o składzie granulometrycznym piasku gliniastego.
Wszystkie trzy gatunki roślin energetycznych wykazywały silną reakcję na nawożenie azotem.
Na obiektach bez azotu w stosunku do obiektów nawożonych azotem uzyskiwano niższe plony o 32 do ponad 40%.
Tabela 2. Wpływ nawożenia mineralnego na plony roślin energetycznych w latach 2006-2008
Obiekty nawozowe |
Plony w ton s. m. • ha -1 |
Spadek plonu w % w stosunku do CaNPK |
||||||
|
lata |
lata |
||||||
|
2006 |
2007 |
2008 |
średnie |
2006 |
2007 |
2008 |
średnie |
miskant |
||||||||
CaNPK |
33,11 |
32,59 |
34,1 |
33,27 |
100 |
100 |
100 |
100 |
NPK |
30,30 |
30,40 |
32,2 |
30,97 |
8,5 |
6,7 |
5,6 |
6,93 |
CaPK |
13,89 |
19,31 |
23,3 |
18,83 |
58,1 |
40,8 |
31,7 |
43,50 |
CaPN |
27,38 |
26,24 |
28,9 |
27,51 |
17,3 |
19,5 |
15,2 |
17,35 |
CaKN |
28,39 |
30,51 |
31,9 |
30,27 |
14,3 |
6,4 |
6,5 |
9,03 |
Ca |
25,00 |
29,30 |
29,7 |
28,00 |
24,5 |
10,1 |
12,9 |
15,83 |
średnie |
26,35 |
28,06 |
30,02 |
28,14 |
24,53 |
16,68 |
14,37 |
18,53 |
wierzba |
||||||||
CaNPK |
3,63 |
11,33 |
24,1 |
13,02 |
100 |
100 |
100 |
100 |
NPK |
3,37 |
10,80 |
21,7 |
11,96 |
7,3 |
4,7 |
10,0 |
7,33 |
CaPK |
2,97 |
7,79 |
12,9 |
7,88 |
18,3 |
31,3 |
46,5 |
32,04 |
CaPN |
3,43 |
10,95 |
21,5 |
11,96 |
5,5 |
3,4 |
10,8 |
6,56 |
CaKN |
2,80 |
8,85 |
19,1 |
10,25 |
22,9 |
21,9 |
20,7 |
21,86 |
Ca |
2,10 |
5,40 |
9,9 |
5,80 |
42,2 |
52,4 |
58,9 |
51,16 |
średnie |
3,05 |
9,19 |
18,20 |
10,15 |
19,27 |
22,72 |
29,38 |
23,79 |
ślazowiec |
||||||||
CaNPK |
1,53 |
4,53 |
9,11 |
5,06 |
100 |
100 |
100 |
100 |
NPK |
1,27 |
4,67 |
8,28 |
4,74 |
17,4 |
-2,9 |
9,1 |
7,85 |
CaPK |
1,03 |
3,23 |
4,92 |
3,06 |
32,6 |
28,8 |
46,0 |
35,81 |
CaPN |
1,23 |
3,81 |
8,04 |
4,36 |
19,6 |
15,9 |
11,7 |
15,73 |
CaKN |
1,30 |
4,24 |
8,58 |
4,71 |
15,2 |
6,5 |
5,8 |
9,17 |
Ca |
1,13 |
3,42 |
5,02 |
3,19 |
26,6 |
24,6 |
44,9 |
32,03 |
średnie |
1,25 |
3,98 |
7,33 |
4,19 |
22,28 |
14,56 |
23,51 |
20,12 |
W odniesieniu do reakcji na nawożenie potasem poszczególne gatunki wykazywały istotne zróżnicowanie.
Najniższą reakcję na nawożenie potasem wykazała wierzba. Brak potasu w nawożeniu tego gatunku obniżał plony średnio za okres trzech lat o około 7%.
Wymagania miskantusa i ślazowca w stosunku do potasu są znacząco wyższe. Wyłączenie tego składnika z dawki nawozowej skutkowało obniżeniem plonu średnio dla obu gatunków o około 16-17% w stosunku do obiektów nawożonych potasem.
Nawożenie fosforem odgrywało szczególnie istotną rolę w nawożeniu wierzby, w uprawie której wyłączenie tego składnika obniżało plon suchej masy o blisko 22%. Rola nawożenia fosforowego w nawożeniu miskantusa i ślazowca była znacząco mniejsza. Odpowiednie spadki plonów w warunkach braku nawożenia tym składnikiem nie przekraczały 10%
Reakcja roślin na zakwaszenie.
Analiza porównawcza plonów na obiektach bez wapnowania (obiekt NPK) w porównaniu do plonów uzyskanych na obiektach wapnowanych (obiekt CaNPK) wskazuje, że wszystkie trzy gatunki są mało wymagające w stosunku do odczynu gleby (tab. 2).
Mimo silnego zakwaszenia gleby na obiektach niewapnowanych uzyskanego w wyniku kilkudziesięcioletniego braku wapnowania, spadek plonów z tego tytułu w stosunku do obiektów wapnowanych zamykał się średnio za okres trzech lat w przedziale od 7 do 8%.
Skład chemiczny roślin i propozycja liczb granicznych dla potrzeb diagnostyki nawożenia
Zawartość składników pokarmowych w roślinach energetycznych zależała od:
fazy rozwojowej,
gatunku rośliny,
zasobności gleby w przyswajalne formy P i K,
poziomu nawożenia (tab. 3).
Najwyższą zawartość i największe zróżnicowania poszczególnych składników otrzymano w fazie intensywnego wzrostu a najniższe w trakcie zbioru roślin. Wyniki te wskazują, że pod koniec wegetacji składniki pokarmowe w roślinach wieloletnich przemieszczają się z części nadziemnej do części podziemnej roślin.
Największy spadek zawartości podstawowych składników otrzymano w miskancie, a najmniejszy w wierzbie. Wynika to z tego, że pędy wierzby nie zamierają tak jak w przypadku pozostałych dwóch gatunków.
Najwyższą zawartość azotu otrzymano na obiektach nawożonych tym składnikiem, a najniższą na obiektach nie nawożonych azotem (CaPK, Ca) (tab. 3).
Najwyższą zawartość fosforu w miskantusie otrzymano na kombinacji CaPK i na obiekcie nie nawożonym potasem (CaNP). Na obiektach nie nawożonych fosforem od 80 lat zawartość P była niższa o przeszło 100% niż na kombinacjach nawożonych tym składnikiem.
Zawartość potasu podobnie jak fosforu była najniższa na obiektach nienawożonych K, a najwyższa na obiekcie CaPK. Zawartość Ca i Mg mało była uzależniona od nawożenia mineralnego. Najniższą zawartość Mg i Ca w roślinach otrzymywano przeważnie na obiektach niewapnowanych (NPK) oraz na kombinacji bez fosforu (CaKN).
Analiza wyników dotyczących dynamiki pobierania składników mineralnych wskazuje, że dla oceny stanu odżywiania roślin azotem, fosforem i potasem, próby roślin należy pobierać w fazie intensywnego wzrostu (czerwiec) i na podstawie zawartości tych składników w liściach lub pędach oceniać potrzeby nawożenia.
Na podstawie wyników badań proponujemy następujące orientacyjne liczby graniczne:
Roślina |
|
Całe pędy |
|
Liście |
|
|||||
|
|
N |
P |
K |
N |
P |
|
K |
||
Zawartość optymalna w g•kg-1 |
||||||||||
Miskant |
|
12-13 |
0,6-0,9 |
18,5-20,0 |
|
|
|
|
||
Ślazowiec |
|
7-8 |
1,4-2,0 |
15-18 |
26-29 |
0,65-0,80 |
|
19-23 |
||
Wierzba |
|
9-10 |
0,9-1,2 |
10-13 |
25-27 |
4,5-4,9 |
|
20-24 |
||
Zawartość niedostateczna w g•kg-1 |
||||||||||
Miskant |
|
<11 |
<0,5 |
<18 |
|
|
|
|
||
Ślazowiec |
|
<7 |
<1,0 |
< 12 |
<22 |
<4 |
|
< 14 |
||
Wierzba |
|
< 8,5 |
< 0,7 |
< 9,5 |
<20 |
<0,5 |
|
< 17 |
||
Tabela 3. Wpływ nawożenia mineralnego na zawartość makroelementów w roślinach miskanta w fazach rozwojowych oraz pobranie fosforu, potasu i azotu
Obiekty nawozowe |
Zawartość w g·kg-1 s. m. |
Pobranie w kg·ha-1 |
||||||
|
P |
K |
N |
Mg |
Ca |
P |
K |
N |
faza intensywnego wzrostu |
||||||||
Ca |
1,08 |
18,91 |
11,20 |
1,08 |
5,73 |
12,6 |
220,0 |
130,3 |
CaNPK |
0,61 |
18,80 |
12,21 |
1,25 |
7,28 |
8,12 |
251,2 |
163,1 |
NPK |
0,75 |
19,47 |
12,30 |
1,13 |
2,67 |
9,50 |
245,7 |
155,2 |
CaPK |
1,88 |
22,50 |
10,02 |
0,89 |
4,97 |
17,13 |
205,4 |
91,5 |
CaPN |
0,91 |
15,02 |
12,68 |
1,64 |
5,45 |
10,30 |
170,1 |
143,6 |
CaKN |
0,41 |
20,73 |
12,71 |
1,32 |
3,83 |
5,15 |
259,1 |
158,9 |
średnie |
0,94 |
19,24 |
11,85 |
1,22 |
4,99 |
10,46 |
225,25 |
140,42 |
faza pełni wegetacji |
||||||||
Ca |
0,26 |
10,96 |
8,41 |
1,06 |
3,09 |
7,9 |
339,0 |
260,2 |
CaNPK |
0,29 |
14,23 |
9,21 |
1,08 |
3,04 |
10,57 |
524,1 |
339,2 |
NPK |
0,24 |
16,26 |
9,36 |
0,98 |
2,43 |
8,14 |
560,1 |
322,5 |
CaPK |
0,31 |
14,82 |
7,95 |
0,62 |
2,76 |
7,72 |
370,1 |
198,5 |
CaPN |
0,28 |
9,54 |
9,48 |
1,32 |
3,69 |
8,58 |
296,0 |
294,3 |
CaKN |
0,21 |
10,31 |
9,33 |
1,13 |
3,65 |
6,94 |
342,7 |
310,1 |
średnie |
0,26 |
12,69 |
8,96 |
1,03 |
3,11 |
8,31 |
405,33 |
287,47 |
w trakcie zbioru |
||||||||
Ca |
0,09 |
3,03 |
4,11 |
0,55 |
1,83 |
2,8 |
90,1 |
122,1 |
CaNPK |
0,11 |
5,31 |
4,79 |
0,75 |
5,27 |
3,66 |
180,9 |
163,3 |
NPK |
0,09 |
6,09 |
5,15 |
0,54 |
3,18 |
2,79 |
196,2 |
165,8 |
CaPK |
0,12 |
4,09 |
4,01 |
0,34 |
2,17 |
2,87 |
95,4 |
93,4 |
CaPN |
0,10 |
2,61 |
5,18 |
0,68 |
2,56 |
2,84 |
75,5 |
149,7 |
CaKN |
0,08 |
3,84 |
4,92 |
0,65 |
2,45 |
2,65 |
122,5 |
156,9 |
średnie |
0,10 |
4,16 |
4,69 |
0,59 |
2,91 |
2,93 |
126,76 |
141,89 |
Tabela 4. Wpływ nawożenia mineralnego na zawartość makroelementów w roślinach wierzby w fazach rozwojowych oraz pobranie fosforu, potasu i azotu
Obiekty nawozowe |
Zawartość w g·kg-1 s. m. |
Pobranie w kg·ha-1 |
||||||
|
P |
K |
N |
Mg |
Ca |
P |
K |
N |
faza intensywnego wzrostu |
||||||||
Ca |
0,75 |
9,49 |
8,55 |
1,35 |
8,83 |
3,5 |
43,7 |
39,4 |
CaNPK |
0,91 |
10,14 |
9,01 |
1,14 |
8,51 |
10,20 |
113,7 |
101,0 |
NPK |
1,08 |
12,71 |
9,11 |
1,09 |
7,41 |
10,89 |
128,3 |
92,0 |
CaPK |
1,99 |
12,47 |
8,11 |
1,28 |
9,03 |
11,94 |
74,8 |
48,7 |
CaPN |
0,99 |
8,21 |
9,23 |
1,54 |
9,43 |
9,93 |
82,2 |
92,3 |
CaKN |
0,54 |
12,03 |
9,30 |
1,28 |
8,51 |
4,79 |
106,9 |
82,6 |
średnie |
1,04 |
10,84 |
8,89 |
1,28 |
8,62 |
8,54 |
91,59 |
75,99 |
faza pełni wegetacji |
||||||||
Ca |
0,34 |
9,09 |
7,89 |
1,44 |
9,82 |
3,1 |
82,6 |
71,7 |
CaNPK |
0,39 |
8,86 |
8,92 |
0,99 |
8,43 |
8,73 |
196,1 |
197,3 |
NPK |
0,41 |
9,59 |
9,10 |
0,96 |
7,35 |
8,13 |
191,1 |
181,3 |
CaPK |
0,49 |
9,97 |
8,41 |
0,94 |
7,57 |
5,84 |
118,1 |
99,6 |
CaPN |
0,38 |
7,95 |
8,95 |
1,36 |
8,23 |
7,53 |
156,9 |
176,6 |
CaKN |
0,31 |
8,85 |
9,12 |
1,05 |
7,18 |
5,42 |
155,2 |
159,9 |
średnie |
0,39 |
9,05 |
8,73 |
1,12 |
8,10 |
6,46 |
150,02 |
147,75 |
w trakcie zbioru |
||||||||
Ca |
0,30 |
4,90 |
6,15 |
0,79 |
6,83 |
2,9 |
48,5 |
60,9 |
CaNPK |
0,29 |
4,97 |
7,16 |
0,57 |
6,74 |
6,92 |
119,8 |
172,6 |
NPK |
0,31 |
5,26 |
6,99 |
0,67 |
6,61 |
6,71 |
114,2 |
151,7 |
CaPK |
0,33 |
4,89 |
5,85 |
0,61 |
6,07 |
4,29 |
63,0 |
75,5 |
CaPN |
0,32 |
5,75 |
7,02 |
0,68 |
6,87 |
6,89 |
123,7 |
150,9 |
CaKN |
0,28 |
4,61 |
7,11 |
0,66 |
6,20 |
5,28 |
88,0 |
135,8 |
średnie |
0,30 |
5,06 |
6,71 |
0,66 |
6,55 |
5,51 |
92,87 |
124,55 |
Pobranie makroelementów przez badane rośliny energetyczne zależało od plonu i zawartości tych pierwiastków w roślinach (tab. 3-6). Największe pobranie otrzymano dla miskanta, a najmniejsze dla ślazowca. Rośliny pobrały znacznie więcej azotu i potasu niż fosforu.
Wynos z plonem po szczególnych składników pokarmowych zależał od fazy rozwojowej. Najwyższe pobranie miało miejsce w fazie pełni wegetacji roślin. Wynika to z tego, że plon roślin w tej fazie był zbliżony do końcowego a nawet wyższy ze względu na to, że liście i cześć pędów pod koniec wegetacji opada i część składników powraca tą drogą do gleby. Poza tym koncentracja składników w tej fazie była wyższa niż w trakcie zbioru.
Dla przykładu ilość składników zawarta w plonie w trakcie zbioru w stosunku do ich pobrania w fazie pełni wzrostu jest odpowiednio niższa:
dla azotu - wierzba o 25%, miskant i ślazowiec o około 50%,
dla potasu - wierzba o 40%, miskant o 70, ślazowiec o 75%.
Najwyższe pobranie azotu, fosforu i potasu otrzymano na kombinacjach z pełnym nawożeniem (CaNPK, NPK) a najniższe na obiektach nie nawożonych tymi składnikami (CaPK, CaPN i CaKN).
Tabela 5. Wpływ nawożenia mineralnego na zawartość makroelementów w roślinach ślazowca w fazach rozwojowych oraz pobranie P, K, N w kg na ha
Obiekty nawozowe |
Zawartość w g·kg-1 s. m. |
Pobranie w kg· ha-1 |
||||||
|
P |
K |
N |
Mg |
Ca |
P |
K |
N |
faza intensywnego wzrostu |
||||||||
Ca |
1,17 |
11,29 |
6,95 |
2,10 |
11,93 |
4,14 |
39,95 |
24,60 |
CaNPK |
1,66 |
16,16 |
7,21 |
1,83 |
11,56 |
10,66 |
103,84 |
46,32 |
NPK |
1,26 |
15,47 |
7,31 |
1,56 |
10,81 |
7,36 |
90,34 |
42,68 |
CaPK |
3,14 |
18,34 |
6,77 |
1,89 |
10,64 |
10,90 |
63,65 |
23,49 |
CaPN |
1,45 |
8,74 |
7,23 |
2,17 |
11,71 |
8,24 |
49,57 |
40,99 |
CaKN |
0,91 |
17,35 |
7,32 |
1,58 |
10,66 |
5,51 |
104,97 |
44,29 |
średnie |
1,60 |
14,56 |
7,13 |
1,85 |
11,22 |
7,80 |
75,39 |
37,06 |
faza pełni wegetacji |
||||||||
Ca |
0,41 |
7,37 |
4,28 |
1,85 |
10,53 |
2,64 |
47,73 |
27,72 |
CaNPK |
0,51 |
8,99 |
5,31 |
1,52 |
11,20 |
5,97 |
105,63 |
62,40 |
NPK |
0,57 |
11,15 |
5,26 |
1,33 |
8,87 |
6,10 |
119,13 |
56,18 |
CaPK |
0,60 |
11,18 |
4,30 |
1,39 |
7,97 |
3,83 |
70,95 |
27,29 |
CaPN |
0,56 |
5,99 |
5,19 |
2,02 |
11,56 |
5,76 |
62,16 |
53,83 |
CaKN |
0,38 |
11,14 |
5,30 |
1,42 |
10,76 |
4,22 |
123,29 |
58,66 |
średnie |
0,50 |
9,30 |
4,94 |
1,59 |
10,15 |
4,76 |
88,15 |
47,68 |
w trakcie zbioru |
||||||||
Ca |
0,15 |
2,03 |
3,21 |
0,62 |
5,63 |
0,77 |
10,18 |
16,11 |
CaNPK |
0,12 |
2,51 |
3,59 |
0,58 |
7,15 |
1,12 |
22,87 |
32,70 |
NPK |
0,12 |
3,29 |
3,72 |
0,49 |
5,69 |
0,97 |
27,21 |
30,80 |
CaPK |
0,15 |
3,38 |
3,3 |
0,60 |
4,85 |
0,76 |
16,63 |
16,24 |
CaPN |
0,13 |
1,34 |
3,61 |
0,62 |
5,74 |
1,08 |
10,74 |
29,02 |
CaKN |
0,10 |
3,76 |
3,75 |
0,61 |
5,97 |
0,88 |
32,25 |
32,18 |
średnie |
0,13 |
2,72 |
3,53 |
0,59 |
5,84 |
0,93 |
19,98 |
26,18 |
Możliwość wykorzystania odpadów organicznych do nawożenia i fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi
W badaniach nad nawozowym wykorzystaniem odpadów do nawożenia roślin energetycznych oprócz oceny plonowania badano również przydatność tych gatunków do fitoremediacji metali ciężkich.
Najwyższe plony otrzymano w uprawie miskantusa, nieznacznie niższe wierzby oraz znacznie niższe ślazowca (tab. 6).
Nawożenie kompostem Dano nie wpływało istotnie na plony badanych roślin. Otrzymano podobne plony miskanta i wierzby na obiektach nawożonych kompostem Dano jak na kontroli bez nawożenia. Należy jednak zaznaczyć, że doświadczenie to zostało założone na glebie produkcyjnej, średnio zasobnej w dostępne formy makro i mikroelementów.
Osad ściekowy zwiększał plony miskanta i wierzby, ale nie wpływał na plony ślazowca co wynikało z niskich jego plonów i braku potrzeby, przy tym poziomie plonowania, dodatkowego nawożenia.
Tabela 6. Plony roślin (ton s.m.•ha-1) oraz zawartość metali ciężkich (mg•kg-1) w roślinach nawożonych odpadami
Miskant |
||||||
kontrola |
plon |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
33,8 |
20,1 |
1,12 |
0,10 |
2,49 |
1,85 |
Osad l |
34,6 |
29,4 |
2,22 |
0,23 |
2,57 |
2,24 |
Osad 2 |
37,3 |
56,9 |
2,61 |
0,24 |
3,02 |
2,38 |
DANO1 |
32,8 |
39,3 |
2,21 |
0,20 |
6,45 |
2,29 |
DANO 2 |
34,7 |
52,7 |
2,88 |
0,26 |
7,41 |
2,40 |
Ślazowiec |
||||||
kontrola |
plon |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
9,27 |
22,1 |
0,89 |
0,06 |
1,56 |
2,15 |
Osad l |
9,24 |
26,4 |
1,39 |
0,19 |
2,61 |
2,64 |
Osad 2 |
9,62 |
44,6 |
2,45 |
0,22 |
4,23 |
2,73 |
Wierzba |
||||||
kontrola |
plon |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
24,1 |
18,5 |
0,98 |
0,08 |
2,82 |
1,15 |
Osad l |
28,65 |
30,1 |
2,36 |
0,19 |
3,45 |
1,84 |
Osad 2 |
30,51 |
48,9 |
3,11 |
0,28 |
4,12 |
2,18 |
DANO 1 |
23,95 |
41,2 |
2,77 |
0,24 |
5,85 |
2,02 |
DANO 2 |
24,8 |
48,4 |
3,31 |
0,29 |
7,94 |
2,54 |
Skuteczność procesu fitoremediacji gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi oceniano na podstawie ilości pobrania metali ciężkich przez poszczególne gatunki roślin (tab. 7).
Ekstrakcję metali ciężkich z gleby o zróżnicowanym poziomie zanieczyszczenia oceniano na podstawie plonu roślin, zawartości i pobrania metali ciężkich przez badany gatunek.
Zawartość poszczególnych metali ciężkich w roślinach była zróżnicowana. Na obiektach nawożonych odpadami zawierającymi w/w pierwiastki zawartość metali była wyższa niż na kontroli.
W roślinach nawożonych osadem ściekowym otrzymano niższą zawartość Ni niż w roślinach nawożonych kompostem DANO.
Na obiektach nawożonych wyższą dawka odpadów otrzymano wzrost zawartości wszystkich badanych metali w stosunku do obiektów z niższą dawką tych odpadów.
Spośród badanych roślin najwięcej ołowiu i miedzi zawierał ślazowiec, cynku miskant a kadmu wierzba.
Z danych eksperymentalnych wynika, że spośród metali ciężkich w największych ilościach pobierany był cynk, a w najmniejszych kadm (tab. 7).
W większym stopniu pobierane były badane pierwiastki z osadu ściekowego niż z kompostu Dano. Jedynie w przypadku niklu otrzymano zależność odwrotną.
Przedstawione wyniki wskazują, że istnieje duże zróżnicowanie w pobieraniu pierwiastków przez badane rośliny w zależności od poziomu nawożenia odpadami, rodzaju odpadów a przede wszystkim od plonów i zawartości poszczególnych metali w biomasie roślin.
Uzyskane wyniki pozwalają wstępnie stwierdzić, że badane rośliny mogą być wykorzystywane do fitoremediacji metali ciężkich z gleb zanieczyszczonych tymi pierwiastkami.
Tabela 7. Pobranie metali ciężkich przez rośliny nawożone odpadami (g•ha-1)
Miskant |
|||||
kontrola |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
679 |
38 |
3,4 |
84 |
63 |
Osad ściekowy 1 |
1017 |
77 |
8,0 |
89 |
78 |
Osad ściekowy 2 |
2122 |
97 |
9,0 |
113 |
89 |
Kompost DANO 1 |
1289 |
72 |
6,6 |
212 |
75 |
Kompost DANO 2 |
1829 |
100 |
9,0 |
257 |
83 |
Ślazowiec |
|||||
kontrola |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
186 |
10 |
0,9 |
23 |
17 |
Osad ściekowy 1 |
272 |
21 |
2,1 |
24 |
21 |
Osad ściekowy 2 |
547 |
25 |
2,3 |
29 |
23 |
Wierzba |
|||||
kontrola |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Cu |
|
446 |
24 |
1,9 |
68 |
28 |
Osad ściekowy 1 |
862 |
68 |
5,4 |
99 |
53 |
Osad ściekowy 2 |
1492 |
95 |
8,5 |
126 |
67 |
Kompost DANO 1 |
987 |
66 |
5,7 |
140 |
48 |
Kompost DANO 2 |
1200 |
82 |
7,2 |
197 |
63 |
Wnioski
l. Oceniane gatunki roślin energetycznych miskantus, ślazowiec i wierzba są roślinami silnie reagującymi na nawożenie mineralne, szczególnie azotowe. Spośród nich miskantus najlepiej wykorzystuje naturalne glebowe zasoby składników pokarmowych. Najwyższe plony tych gatunków otrzymano przy pełnym nawożeniu CaNPK a najniższe na kombinacji nienawożonej azotem (CaPK).
2. Oceniane gatunki różniły się w reakcji na nawożenie potasem i fosforem. W odniesieniu do nawożenia potasem wymagania miskantusa i ślazowca są znacząco wyższe niż wierzby. Nawożenie fosforem natomiast odgrywa większą rolę w uprawie wierzby niż w uprawie miskantusa i ślazowca.
3. Analiza porównawcza plonów na obiektach bez wapnowania (obiekt NPK) w porównaniu do plonów uzyskanych na obiektach wapnowanych (obiekt CaNPK) wskazuje, że wszystkie trzy gatunki są mało wymagające w stosunku do odczynu gleby. Mimo silnego zakwaszenia gleby na obiektach niewapnowanych uzyskanego w wyniku kilkudziesięcioletniego braku wapnowania, spadek plonów z tego tytułu w stosunku do obiektów wapnowanych zamykał się średnio za okres trzech lat w przedziale od 7 do 8%.
4. Analiza dynamiki składu chemicznego w okresie wegetacji wskazuje na silną zależność między zawartością poszczególnych składników pokarmowych w biomasie roślin a nawożeniem. Zależność ta jest szczególnie wyraźna w początkowym okresie wzrostu, co wskazuje na celowość wykorzystania w diagnostyce nawożenia ocenianych gatunków analizy chemicznej roślin.
5. Ocena ilości składników pokarmowych zakumulowanych w częściach nadziemnych ocenianych gatunków roślin w fazie pełnego wzrostu (sierpień) i w trakcie zbioru (luty, marzec) wskazuje na znaczny powrót tych składników do gleby poprzez opad liści i fizjologiczny odpływ składników pokarmowych do części podziemnych roślin. Kwestia ta powinna być uwzględniona w bilansowaniu składników pokarmowych i ustalaniu dawek nawozów.
6. Zastosowane w doświadczeniu, na polu produkcyjnym odpady w postaci osadu ściekowego i kompostu ze śmieci w niewielkim stopniu zwiększały plony ocenianych roślin w stosunku do obiektu kontrolnego z uwagi na stosunkowo wysoką zasobność gleby w przyswajalne formy składników pokarmowych i zbyt krótki okres trwania eksperymentu. Analiza uzyskanych w tym zakresie wyników wskazuje na celowość dalszych badań w tym zakresie.
7. Analiza zawartości metali ciężkich pobranych przez oceniane gatunki roślin na obiektach nawożonych osadem ściekowym i kompostem ze śmieci wskazuje na możliwość wykorzystania tych roślin do fitoremediacji terenów zanieczyszczonych metalami ciężkimi.
Literatura
[I] Antonkiewicz J., Jasiewicz Cz.. 2000. Ekstrakcja metali ciężkich przez rośliny z gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi. Zesz. Prób. PNR 472,
[2] Borkowska H., Styk B. 1997. Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby) - uprawa i wykorzystanie. Wyd. AR. Lublin:
[3] Chum H. L., Overend R. P., 2001 „Biomass and renewable fuels" Feuel Processing Technology 71.
[4] Demirbas A., 2004 „Combustion characteristics of different biomass fuels" Progress in Energy and Combustion Science 30.
[5] EC Ercidy L., Mariotti M., Bonari E., 1999 „Effect of irrigation and nitrogen fertilization on biomass of Miscanthus" Field Crops Research 63.
[6] Jasiewicz Cz., Antonkiewicz J. 2000 Ekstrakcja metali ciężkich przez rośliny z gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi. Cz. I Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby). Zesz. Prób.. PNR 472: 323-330
[7] Jeżewski S 2002., Miskant chiński (Miscanthus sinensis Thunb) Andersson - Źródło odnawialnych i ekologicznych surowców dla Polski, Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 468.
[8] Kahle P, Beuch S., Boelcke B., Leinweber P, Schulten H., 2001. „Cropping of Miscanthus in Center Europę: biomass production and influence on nutrients and soil organie matter" Euro-pen Journal of Agronomy 15.
[9] Kalembasa S., Szymanowicz B., Kalembasa D., 2003. „Możliwość pozyskiwania i przeróbki biomasy z roślin szybko rosnących (energetycznych)" Materiały II Międzynarodowej Konferencji Naukowo - Technicznej nt.„ Nowe spojrzenie na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.
[10] Kalembasa D., Malinowska E. 2007. Wpływ dawek osadu ściekowego na plon i skład chemiczny trawy Miscanthus sacchariflorus w doświadczeniu polowym. Fragmenta Agronomi-ca, l (93): 113-118.
[II] Kalembasa S. i Wiśniewska B. 2008 Wpływ dawek azotu na zawartość Ca, Mg, S i na w biomasie ślazowca pensylwańskiego (sida hermaphrodita rusby) Acta Agrophysica, 11 (3), 667-675.
[12] Maciejewska A., Wrońska D., 2003 „Rola węgla brunatnego i upraw przemysłowych w wykorzystaniu osadów ściekowych - rozwiązania dopasowane do specyfiki warunków polskich" Materiały II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. „Nowe spojrzenie na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.
[13] Nalborczyk E., 1999 „Rośliny alternatywne rolnictwa XXI wieku i perspek [14] Nowak W., Kobyłecki R., Klajny T., Rajczyk R., 2003 „Energetyczne wykorzystanie biomasy i paliw alternatywnych" Materiały II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. „Nowe spojrzenie na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.
[15] Obarska-Pempkowiak H., Butajło W., Staniszewski A., 2003 „Content of heavy metals as a criterion of sewage sludge usage in agriculture" Mat. II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. „Nowe spojrzenia na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.
[16] Siuta J., Wasiak G., 2001 Zasady wykorzystania osadów ściekowych na cele nierolnicze, Inżynieria Ekologiczna 3, 13.
[17] Stępień W., Szulc W., Mercik S., 2000 „Ocena wartości nawozowej surowego i uzdatnianego osadu ściekowego" Folia Universitatis Agriculturae Stetinensis 211 Agricultura 84.
[18] Szparkowska L, Wolski P., 2003 „Wykorzystanie biomasy w Polsce - stan obecny i perspektywy rozwoju" Materiały II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. „Nowe spojrzenie na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.
[19] Yenturi P., Gigler J.K., Huisman W., 1999 „Economical and technical comparison between herbaceus (Miscantheusx Giganteus) and woody energy crops" Renewable Energy 16.
[20] Wierzbicki T L. 2003 „Wykorzystanie komunalnych osadów ściekowych do celów rolniczych" Mat. II Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. „Nowe spojrzenie na osady ściekowe odnawialne źródło energii" Częstochowa.