Влияние температуры пиролиза биоугля из стеблей томата на динамику вымывания аммония, нитрата и растворимого органического углерода в песчаных почвах

Превращение сельхозотходов в помощника почвы

Современное земледелие в значительной степени зависит от азотных удобрений для кормления растущего населения, но на легких песчаных почвах большая часть этих удобрений может вымываться дождевой или орошающей водой. Это не только лишние расходы для фермеров, но и риск загрязнения грунтовых вод избытком нитратов, что особенно опасно для младенцев. В этом исследовании ученые задали простой вопрос с большими последствиями: можно ли превратить оставшиеся стебли томатов в подобный углю материал — биоуголь, который поможет песчаным почвам удерживать питательные вещества, а не допускать их утечку?

Почему «протекающие» почвы — скрытая проблема

Песчаные почвы действуют как сито. Их крупные частицы оставляют большие поры, по которым вода быстро проходит, унося растворенные питательные вещества, такие как аммоний и нитрат. Когда азот уходит ниже корневой зоны, растения не могут его использовать, и фермерам приходится вносить больше удобрений. Одновременно нитрат, достигающий грунтовых вод, может способствовать экологическим и медицинским проблемам. Найти способ замедлить это нисходящее движение питательных веществ, особенно в песчаных районах, важно и для продовольственной безопасности, и для чистоты воды.

Дать стеблям томата вторую жизнь

Исследователи собрали оставшиеся стебли томатов с полей на юге Египта и нагрели их в условиях с пониженным содержанием кислорода при трех разных температурах: относительно низкой, средней и высокой. Это дало три типа биоугля, каждый со своими свойствами — щелочностью, содержанием углерода и количеством заряженных сайтов, притягивающих питательные вещества. Затем каждый вид биоугля смешали с очень песчаной почвой в трех различных дозах — от слабого добавления до значительного — и упаковали смеси в высокие пластиковые колонны. В течение нескольких недель они поливали колонки и вносили известное количество удобрения в форме нитрата аммония, собирая дренажную воду снизу, чтобы отслеживать, сколько азота и растворимого органического углерода вымывается.

Как биоуголь изменил почву и вымывание

Добавление биоугля из стеблей томата улучшило несколько базовых свойств песчаной почвы. Обработанные почвы удерживали больше воды, содержали больше органического вещества и имели более высокую катионно-обменную емкость — показатель способности почвы удерживать положительно заряженные питательные вещества. Биоуголь, полученный при средней температуре, оказался особенно эффективным в повышении этой емкости, тогда как высокотемпературный биоуголь сделал почву более щелочной. Все типы биоугля значительно увеличили доступность калия и фосфора — ключевых элементов для растений. Эти изменения показывают, что обожженные стебли томата сделали с почвой гораздо больше, чем просто оставались в ней: они активно изменили ее способность хранить воду и питательные вещества.

Что самое важное, биоуголь уменьшил количество азота, вымывшегося из песчаной почвы. По всем обработкам суммарное количество аммония и нитрата, покидающее колонки, снизилось по сравнению с почвой без биоугля. Биоуголь средней температуры лучше удерживал аммоний, тогда как биоуголь при самой высокой температуре сильнее сократил потери нитрата, уменьшая кумулятивное вымывание нитрата примерно до одной трети. При этом часть углерода, заключенного в самом биоугле, появлялась в дренажной воде в виде растворимого органического углерода, особенно при использовании низкотемпературного биоугля в больших дозах. Это дополнительное содержание углерода в основном уменьшалось со временем, что говорит о том, что легко вымываемая часть быстро уходила или разлагалась.

Что это значит для фермеров и воды

К концу эксперимента почвы с добавлением биоугля из стеблей томата не только теряли меньше азота, но и часто содержали больше доступного для растений азота, чем необработанная почва, особенно при внесении биоугля средней и высокой температуры в больших дозах. Практически это означает, что фермеры, применяющие такое улучшение на песчаных почвах, могут получить больше отдачи от того же количества удобрений и при этом направлять меньше нитрата в водоносный горизонт под землей. Исследование показывает, что аккуратно произведенный биоуголь из обычных сельскохозяйственных остатков может превратить «протекающий», лишенный питательных веществ песок в более эффективную и экологичную среду для выращивания.

Шаг к чище и умнее сельскому хозяйству

Для неспециалистов главный вывод прост: вместо сжигания или выбрасывания стеблей томата их можно «запечь» в долговечное почвенное улучшение, которое помогает удерживать удобрения в поле и не допускать их попадания в питьевую воду. Работа показывает, что температура производства биоугля имеет значение, поскольку она определяет, насколько материал удерживает разные формы азота и сколько дополнительного углерода он выделяет. Хотя эти испытания проводились в лабораторных колонках, а не в полевых условиях, они указывают на практический путь к более циркулярному сельскому хозяйству — такому, где остатки урожая становятся инструментом для улучшения здоровья почвы, повышения эффективности удобрений и защиты грунтовых вод от загрязнения.

Цитирование: Amer, A.E., El-Desoky, M.A., Amin, A.EE.A.Z. et al. Pyrolysis temperature effects of tomato stems biochar on leaching dynamics of ammonium, nitrate, and dissolved organic carbon in sandy soil. Sci Rep 16, 9228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41017-0

Ключевые слова: биоуголь, песчаная почва, вымывание азота, загрязнение грунтовых вод, остатки томатной культуры