Bioanglis pasaulyje plačiai tyrinėjama dėl galimybės ją panaudoti dirvožemio kokybei ir augalų augimui gerinti, šiltnamio dujų emisijai iš dirvos mažinti. Tokie tyrimai pirmą kartą atlikti ir Lietuvoje.

Dirvožemis yra sudėtinga sistema, generuojanti daug tarpusavyje susijusių funkcijų. Viena jų – derlingumas, kuri glaudžiai sąveikauja dirvožemio bioasimiliaciniu potencialu, anglies sekvestracija, fizikinių ir cheminių aplinkos savybių generavimu.

Derlingumas, kaip viena pagrindinių funkcijų, yra nuolatinėje prieštaroje su kitomis dirvožemio funkcijomis. Tik nedidelė dalis Lietuvos dirvožemio dangos (apie 3,7 proc.) patiria urbanistinį poveikį. Didžioji dalis dirvožemių (apie 53 proc.) yra agrogeniškai transformuojami. Dabartinės intensyvios technologijos, nesubalansuota augalų kaita (komercinės sėjomainos su vyraujančiais migliniais javais), organinių trąšų trūkumas lemia tai, jog dirvožemio kokybė (fizikinė, cheminė, biologinė) prastėja. Tai ypač matyti antropogenizuotus dirvožemius palyginus su natūraliais miško dirvožemiais.

Vykstant žemės ūkio gamybos specializacijai, daugelis Lietuvos ūkių pasuko augalininkystės kryptimi. Remiantis 2017 m. žemės ūkio surašymo duomenimis, pasėlių struktūroje net 76 proc. sudarė javai – vieni iš labiausiai dirvožemį alinančių augalų. Žinant, jog dirvožemis yra iš esmės neatsinaujinantis resursas su aukštu degradacijos ir labai žemu regeneracijos laipsniu, naivu tikėtis, kad vien mineralinėmis trąšomis galima išlaikyti nepakitusią jo kokybę, į kurios sampratą įeina ne tik augalų mitybos elementai.

Dėl nuolatinio ilgalaikio intensyvaus žemės dirbimo, dirvožemio netausojančių sėjomainų, žemės ūkio augalų tręšimo didelėmis mineralinių trąšų normomis (ypač azoto), pesticidų naudojimo, šiltėjančio oro dėl klimato kaitos ir kitų veiksnių mažėja dirvožemio organinių medžiagų (OM) atsargos. Minėti veiksniai skatina dirvožemio struktūros, OM mineralizacijos ir augalų mitybos pokyčius, organinės anglies ir bendrojo azoto mažėjimą. Be to, yra žinoma, kad su mineralinėmis trąšomis į dirvožemį patenka nemažai sunkiųjų metalų (Cd, Cr, Pb, Ni, Cu, Zn). Nustatyta, kad su kompleksinėmis NPK trąšomis ir klintmilčiais į hektarą gali patekti 17,5–35,0 g kadmio (Cd) ir 147–294 g švino (Pb).

Kas yra bioanglis ir kokiais tikslais ji naudojama

Išsamūs žemės ūkio mokslų srities bioanglies (angl. biochar) tyrimai Lietuvoje dar nebuvo atliekami.

Bioanglis – tai heterogeninė medžiaga, kurioje gausu aromatinių anglies junginių ir mineralinių medžiagų. Bioanglis privalo būti gaminama iš darnios plėtros būdais paruoštos biomasės švarių technologijų sistemose kontroliuojamomis sąlygomis. Jos panaudojimas aplinkos apsaugos srityje yra platus ir daugiafunkcis.

Tvarumo požiūriu bioanglį skatinama gaminti iš lignoceliuliozės biomasės, pvz., miškininkystės ar javų liekanų, medienos apdirbimo ir kitų žaliųjų atliekų. Kadangi bioanglis yra dažnai gaminama iš daug anglies turinčios biomasės (šiaudų, medienos, gyvulių mėšlo, biodujų gamybos atliekų), tokia gamyba ir bioanglies panaudojimas yra vertinamas darnaus vystymosi kontekste.

Informacinės žinios apie biomasės pirolizę ir bioanglies panaudojimo įtaką aplinkos gerovei yra įspūdingos. Teigiama, jog bioanglis didina žemės ūkio augalų derlingumą, dirvožemio našumą, gerina vandentalpą. Plačiai diskutuojama apie bioanglies potencialą švelninti klimato kaitos padarinius. Taip pat teigiama, kad bioanglies naudojimas buvo efektyvus metalų imobilizacijai, taip mažinant ir sunkiųjų metalų fitotoksiškumą, bioprieinamumą.

Lietuvoje atliktais tyrimais įrodyta, kad stipri koreliacija tarp judriųjų Mn, Pb, Cd ir dirvožemio anglies demonstruoja svarbų metalų vaidmenį anglies apykaitos cikle, o didėjantis metalų judriųjų frakcijų kiekis gali lemti lėtesnius dirvožemio anglies degradacijos procesus ir sumažinti CO₂ išsiskyrimą.

Pastarąjį dešimtmetį ypač didelis dėmesys skiriamas anglies sekvestracijai didinti, tačiau kuo daugiau tyrimų buvo atlikta, tuo daugiau iškilo naujų klausimų.

Dirvožemio moksluose pabrėžiama dirvožemių vandentalpos tyrimų svarba. Prognozuojama, kad Lietuvoje didės kritulių kiekis, tačiau šlapymečiai kaitaliosis su sausromis, o temperatūrai augant sparčiau nei kritulių kiekiui, labai kis gruntinių vandenų lygis. Tai įrodo paskutinių metų meteorologinės sąlygos ir dirvožemių būklė. Kintantis klimatas, naujos žemdirbystės technologijos keičia (koreguoja) pagrindinio žemės ūkio gamybos objekto – dirvožemio – prigimtinį potencialą. Netinkamai ar (ir) netinkamu laiku taikant atskiras technologijas, potencialiai didėja dirvožemio hidrofizikinių savybių pažeidžiamumo rizika. Klimato kaitos poveikis dirvožemiams, žemės ūkio technologijoms dar nėra visai aiškus, todėl mokslininkų dėmesys kreipiamas į naujus specialius tyrimus.

Bioanglies tyrimai Vidurio Lietuvos rudžemyje

LAMMC Žemdirbystės institute 2019–2022 metais smėlingo lengvo priemolio rudžemyje buvo atlikti tyrimai, kurių tikslas – nustatyti iš medienos atliekų pagamintos bioanglies panaudojimo efektyvumą dirvožemio hidrofizikinėms, cheminėms, biologinėms savybėms, ŠESD emisijoms. Seklaus neariminio žemės dirbimo ir tiesioginės sėjos fonuose, netręšiant arba tręšiant mineralinėmis NPK trąšomis, tirtos skirtingos bioanglies įterpimo į dirvą normos (0 ir 15 t/ha).

Bioanglis gali būti gaminama įvairioje temperatūroje. Šiuose tyrimuose naudojome anglį, pagamintą ≤ 450 °C temperatūroje. Tai buvo didelio peleningumo bioanglis, kuri didina dirvožemio katijonų mainų gebą, kadangi žemos pirolizės temperatūroje pagamintas produktas turi gausesnes funkcines grupes, kurios potencialiai formuoja karboksilinę anglį, dėl to ant jos paviršiaus yra sulaikomi katijonai.

Tyrimais nustatėme, kad dirvožemio agrocheminių savybių pokyčius pirmiausia lėmė tręšimas mineralinėmis NPK trąšomis, o bioanglis ženklesnės įtakos neturėjo.

Tvyrant sausringiems periodams per augalų vegetaciją labai reikšminga tampa dirvožemio galimybė sukaupti didesnį vandens kiekį. Jis padeda augalams geriau atlaikyti karščio ir sausrų bangas. Augalams pasiekiamo vandens kiekis priklauso nuo dirvožemio porų pasiskirstymo, kurį labiausiai lemia dirvožemio genetinė prigimtis ir taikomos agropriemonės – žemės dirbimas, įterpiamos organinės medžiagos. Taikant neariminį seklų dirbimą ir išberiant 15 t/ha bioanglies, augalams prieinamo vandens kiekis dirvoje buvo 5,4 proc. didesnis nei bioanglies nenaudojant. Taikant tiesioginę sėją, vandens padaugėjo labai panašiai (5,0 proc.).

Nuo dirvožemio gebos išlaikyti vandenį priklausė ir dirvos viršutinio sluoksnio drėgmė. Armens viršutinio sluoksnio drėgmė, taikant neariminį seklų žemės dirbimą, 2020–2022 m. duomenimis, buvo 1,3 tūrio proc. didesnė nei taikant tiesioginę sėją. Bioanglies 15 t/ha norma turėjo esminės teigiamos įtakos didinant vandens kiekį dirvos viršutiniame sluoksnyje tiek taikant neariminį seklų žemės dirbimą, tiek tiesioginę sėją – kuo didesnė bioanglies norma buvo įterpta, tuo didesnis vandens kiekis buvo sukauptas dirvos 0–10 cm sluoksnyje.

Su dirvožemio drėgme glaudžiai susijęs dirvožemio porų elektrinis laidis. Per sausras dirvožemio porose yra mažai vandens arba jo visai nėra. Tokiomis sąlygomis aparatūra nefiksuoja druskų koncentracijos porose. Augalų mityba vandenyje ištirpusiomis maisto medžiagomis būna komplikuota. Viršutinio armens sluoksnio elektrinis laidumas, taikant neariminį seklų žemės dirbimą, buvo 19 proc. didesnis nei taikant tiesioginę sėją. Bioanglies 15 t/ha normos įterpimas porų elektrinį laidumą dirvos viršutiniame sluoksnyje, taikant neariminį seklų žemės dirbimą, padidino 8–11 proc., o taikant tiesioginę sėją – 13–15 proc., palyginti su elektriniu laidumu, kai bioanglis nebuvo naudojama.

Įterpiant į dirvą 15 t/ha bioanglies normą, seklaus neariminio žemės dirbimo fone vidutinė trejų tyrimo metų CO₂ emisija siekė 1,7 μmol m^-2 s^-1. O tiesioginės sėjos fone CO₂ emisija buvo šiek tiek didesnė ir siekė 2,0 μmol m^-2 s^-1. Šis rodiklis parodė, jog bioanglis teigiamai veikia dirvoje vykstančius gyvybinius augalų šaknų, mikroorganizmų ir dirvožemio faunos kvėpavimo procesus.

Dirvožemio CH₄ ir N₂O emisijoms tirtos bioanglies normos įtakos neturėjo. Skirtinguose žemės dirbimo fonuose CH₄ emisija svyravo nežymiai (1,9–2,0 ppm), o N₂O emisija buvo stabili (0,331–0,334 ppm).

Šiuo metu pasaulyje bioanglies tyrimai žemės ūkyje plėtojami 5 kryptimis: dirvožemio bioįvairovės ir ekotoksikologijos, dirvožemio organinės anglies ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD) emisijos, dirvožemio fizikiniai, medžiagų apykaitos ir augalų produktyvumo tyrimai, dirvožemio kokybės atkūrimas. Ateities tyrimai krypsta į dirvožemio mikrobiotos gausinimą ir jos funkcijų išplėtimą, dirvožemio organinės medžiagos stabilizavimą, ŠESD emisijų švelninimą, dirvožemio hidrologinių savybių gerinimą, mitybos elementų apykaitos ir rizosferos ekologijos gerinimą, pH pokyčius. Ar bus tokių tyrimų rezultatai pritaikomi praktikoje, priklausys nuo pramoninių subjektų, galinčių pagaminti didelius bioanglies kiekius, suinteresuotumo. Pagrindinė kliūtis plėsti bioanglies gamybą yra didelės jos pagaminimo energinės sąnaudos. Pingant energijos resursams, plečiantis atsinaujinantiems energijos šaltiniams bioanglies naudojimo žemės ūkio paskirties dirvožemiuose perspektyvos augtų.

***

Bioanglis pasaulyje yra plačiai tyrinėjama dėl galimybės ją panaudoti dirvožemio kokybei ir augalų augimui gerinti, šiltnamio dujų emisijoms iš dirvožemio mažinti. Manoma, kad ji gali būti svarbi aplinkoje esantiems teršalams (sunkiesiems metalams, policikliniams aromatiniams angliavandeniliams ir kitiems organiniams teršalams) absorbuoti. Maža to, bioanglis gali konkuruoti su aktyvuota anglimi biofiltracijoje, pagerinti biodujų kokybę, absorbuoti potencialiai toksiškus elementus iš vandeninių tirpalų, sumažinti teršalų judrumą agrosistemose.