Artykuł naukowy

Wpływ osadu pofermentacyjnego na właściwości hydrofizyczne
gleby.
Tomasz Pastuszka
Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego Polskiej Akademii Nauk w Lublinie
WSTĘP
Rozwój technologiczny oraz ciągły wzrost zapotrzebowania na energię, uwzględniając
wyczerpujące się paliwa kopalne i dążenie do zmniejszenia emisji CO2 determinują
poszukiwanie nowych ekologicznych źródeł energii. Jedną z rozwijających się metod
pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych jest beztlenowa fermentacja metanowa
wykorzystywana w biogazowniach. W odbywającym się w komorze fermentacyjnej procesie
technologicznym wsad z surowców organicznych jest rozkładany w procesie beztlenowej
fermentacji metanowej. Produktem zgazowania biomasy jest biogaz wykorzystywany
następnie do napędzania jednostek kogeneracyjnych produkujących energię elektryczną i
ciepło powstałe w wyniku ich pracy. Pomimo olbrzymich korzyści z wytwarzanej energii
przy zmniejszonym zanieczyszczeniu środowiska i braku konieczności wykorzystywania
paliw kopalnych powstaje problem jak spożytkować osad pofermentacyjny pozostały po
procesie.
Właściwości fizyczne i hydrofizyczne gleby mają istotny wpływ na warunki wzrostu i
plonowania roślin. Do tych właściwości należą przede wszystkim retencja oraz współczynniki
przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej i nienasyconej oraz rozkład granulometryczny.
Od nich zależy dostępność do wody dla systemu korzeniowego roślin oraz transport w profilu
glebowym rozpuszczonych w wodzie substancji chemicznych.
Ze względu na krótki czas w sezonie nawożenia pól i niskiej świadomości rolników
odnośnie korzyści płynących z takiego nawożenia, biogazownie borykają się z problemem
zalegania osadów na pryzmach. Duże zapotrzebowanie na powierzchnię oraz transport takich
odpadów generują olbrzymie koszty. Warunkiem rolniczego wykorzystania osadów jest ich
higienizacja czyli obróbka mająca na celu usunięcie szkodliwych związków oraz pasożytów
chorobotwórczych. Dopiero osad po przebyciu takiej drogi i zbadaniu go może być
wykorzystany do zastosowań rolniczych i odbudowy zniszczonych terenów. Mimo
zauważalnych korzyści ze stosowania osadów pofermentacyjnych do nawożenia upraw nie
znany jest wpływ osadów pofermentacyjnych na właściwości wodne gleb. Niniejsza praca
przedstawia
METODY BADAWCZE
Badania właściwości fizycznych wykonywane były na próbach glebowych
pobieranych w formie nienaruszonej z poletek przygotowanych w doświadczeniu.
Doświadczenie składało się z 3 poletek, z których na dwóch dodany był osad
pofermentacyjny w dwóch dawkach (9 Mg s.m. na ha i 4.5 Mg s.m. na ha) oraz trzecie
pozostawione jako kontrola. Próbki glebowe były pobierane do standardowych cylindrów o
objętości 20cm3 po czym w tej postaci były przeprowadzane odpowiednie analizy.
Jako jedna z podstawowych analiz właściwości wodnych gleby wyznaczona została
krzywa retencji wodnej w siedmiu standardowych punktach: pF 0.0, pF 1.85, pF 2.2, pF 2.5
pF 3.0, pF 3.7, pF4.2. Do wyznaczenia krzywej retencji wykorzystano standardową metodę
przy użyciu komór Richardsa na płytach ceramicznych firmy SOILMOISTURE
EQUIPMENT CORP. Na podstawie wyznaczonych punktów została wyznaczona polowa
pojemność wodna oraz punkt więdnięcia roślin. Określona została również zawartość wody
użytecznej dla roślin.
Kolejnymi istotnymi parametrami opisującymi ruch wody w glebie sa współczynniki
przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej oraz nienasyconej. Współczynnik
przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej został wyznaczony przy użyciu standardowej
metody i użyciu aparatury firmy Eijkelkamp. Współczynnik ten opisuje zdolność do
transportu wody w profilu glebowym w stanie pełnego nasycenia tj. przy potencjale pF 0.0.
Dla pełnego zobrazowania transportu wody przeprowadzone zostały pomiary współczynnika
przewodnictwa wodnego w strefie nienasyconej. Najbardziej przydatną metodą wyznaczania
tej charakterystyki jest metoda profili chwilowych, polegająca na jednoczesnym pomiarze
wilgotności i potencjału wody glebowej z wykorzystaniem aparatury TDR w niestacjonarnym
procesie osuszania kolumny glebowej.
WYNIKI
Na Wykresie 1. zostały przedstawione krzywe retencji wodnej w siedmiu
standardowych punktach: pF 0.0, pF 1.85, pF 2.2, pF 2.5 pF 3.0, pF 3.7, pF4.2 dla poletka
kontrolnego i poletek z dodatkiem osadu w dwóch dawkach 9 Mg s.m. na ha
i 4.5 Mg s.m. na ha oraz dwóch głębokości 0 – 20cm oraz 20 – 40cm.
Krzywa retencji wodnej
60.0
Kontrola 0 - 20cm
Wilgotność VOL (%)
50.0
Kontrola 20 - 40cm
40.0
9 Mg s.m. na ha 0 - 20cm
30.0
9 Mg s.m. na ha 20 - 40cm
20.0
4.5 Mg s.m. na ha 0 - 20cm
10.0
4.5 Mg s.m. na ha 20 - 40cm
0.0
pF 0
pF 1.85
pF 2.2
pF 2.5
pF 3
pF 3.7
pF 4.2
Wykres 1. Krzywe retencji wodnej
Na Wykresie 2. zostały przedstawione wyniki pomiarów współczynnika
przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej dla poletka kontrolnego i poletek z dodatkiem
osadu w dwóch dawkach 9 Mg s.m. na ha i 4.5 Mg s.m. na ha oraz dwóch głębokości
0 – 20cm oraz 20 – 40cm.
Współczynnik przewodnictwa wodnego KSAT (cm / dzień
14
KSAT (cm / dzień)
12
Kontrola 0 - 20cm
10
Kontrola 20 - 40cm
8
9 Mg s.m. na h 0 - 20cm
6
9 Mg s.m. na h 20 - 40cm
4
4.5 Mg s.m. na h 0 - 20cm
2
4.5 Mg s.m. na h 20 - 40cm
0
2012-04-24
2012-05-21
2012-06-17
Wykres 2. Współczynniki przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej
WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy ich wyników można sformułować
następujące wnioski o charakterze ogólnym.
1) Na podstawie wyznaczonych krzywych retencji wodnej nie zaobserwowano istotnych
różnic w zdolności gleby do retencjonowania wody.
2) Współczynnik przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej wzrósł znacząco miesiąc
po dodaniu osadu pofermentacyjnego na poletku gdzie został dodatny osad
pofermentacyjny w dawce 4.5 Mg s.m. na ha i warstwie 0 – 20cm lecz mógł to być
efekt zabiegów rolniczych po dodaniu osadu. Na pozostałych poletkach nie
zaobserwowano istotnych różnic we współczynnikach przewodnictwa w ciągu 3
miesięcy od dodania osadu.
LITERATURA
1) Barbara Witkowska-Walczak, Jan Glińskim, Cezary Sławiński Hydrophysical
properties of soils. Polish Academy of Sciences, Branch in Lublin 2012, 1-132
2) Irena Agata Łucka, Aleksandra Urszula Kołodziej Rolnicze wykorzystanie masy
pofermentacyjnej z biogazowni rolniczej. Zachodniopomorski Ośrodek Doradztwa
Rolniczego w Barzkowicach 2011
3) Ryszard Walczak, Janusz Ostrowski Parametryzacja i przestrzenna
charakterystyka hydrofizycznych właściwości gleb mineralnych Polski. WodaŚrodowisko-Obszary Wiejskie 2004 t.4 z. 2a (11)
4) Walczak R., Sławiński C., Malicki M. A., Sobczuk H., Measurement of water
characteristics in soil using TDR technique, water characteristics of loess soil under
different treatment. 1993 International Agrophysics 7.
5) Malicki M. A., A reflectometric (TDR) meter of moisture content in soils and other
capilary porous materials. 1990 Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych.
388.