Agrarian Bulletin of the Agrarian Bulletin of the Аграрный вестник Урала 1997-4868 2307-0005 80883 10.32417/1997-4868-2024-24-03-298-308 Агротехнологии Agrotechnology's Агротехнологии Changes in soil properties and morphometric parameters of wheat when applying biochar: vegetation experiment Изменение свойств почвы и морфометрических параметров пшеницы при внесении биоугля: вегетационный эксперимент Бетехтина Анна Анатольевна Betehtina Anna Anatol'evna Некрасова О А Nekrasova O A Малахеева Алина Васильевна Malaheeva Alina Vasil'evna Черепанов Семен Александрович Cherepanov Semen Aleksandrovich Валдайских В. В. Valdayskih V. V.

кандидат биологических наук;

candidate of sciences in biology;

 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Россия Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Russian Federation Уральский федеральный университет им. первого президента России Б.Н. Ельцина ru Уральский федеральный университет им. первого президента России Б.Н. Ельцина ru Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Россия Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Russian Federation Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Россия Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Russian Federation Ботанический сад Уральского федерального университета Россия Ботанический сад Уральского федерального университета Russian Federation Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Россия Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Russian Federation 26 03 2024 26 03 2024 24 03 298 308 26 03 2024 https://usau.editorum.ru/en/nauka/article/80883/view

Аннотация. Цель работы – оценить влияние биоугля на физико-химические свойства почвы и морфометрические и некоторые химические характеристики пшеницы твердой (Triticumdurum L.) и по состоянию растений косвенно оценить доступность макроэлементов в системе почва – биоуголь. Методы. Биоуголь получили из березового опила при температуре 500 °С и внесли в количестве 2 % от массы воздушно-сухой почвы. Результаты. В результате проведения вегетационного эксперимента показано, что внесение биоугля в тяжелосуглинистую агродерново-подзолистую почву привело к увеличению значений рН водной вытяжки и содержания общего азота, но при этом – к значительному снижению содержания общего органического углерода. Несмотря на улучшение некоторых почвенных характеристик, внесение биоугля не повлияло на высоту растений, массу листьев, массу корней, содержание азота и фосфора в листьях и зерне, а также отрицательно сказалось на общей массе растений и массе зерновок, которые снизились соответственно на 15 % и 18 % по сравнению с контролем. Внесение биоугля оказало влияние на строение корневой системы пшеницы: ее разветвленность увеличилась, в то время как диаметр поглощающих корней достоверно уменьшился. В эксперименте также отмечен рост микоризации корней за счет функциональных структур гриба – арбускул и везикул. Научная новизна заключается в том, что впервые в результате вегетационного эксперимента по внесению биоугля из березового опила в тяжелосуглинистую агродерново-подзолистую почву показано, что высокое содержание питательных веществ в почве с биоуглем еще не означает их доступность для растений. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки технологий использования биоугольных мелиорантов в различных почвах.

Abstract. The purpose of this work is to evaluate the effect of biochar on the physico-chemical properties of the soil and morphometric and some chemical characteristics of durum wheat (Triticum durum L.) and indirectly assess the availability of macronutrients in the soil-biochar system based on the state of plants. Methods. Biochar was obtained from birch sawdust at a temperature of 500 °C and was applied in the amount of 2 % of the weight of air-dry soil. Results. As a result of the vegetation experiment, it was revealed that the application of biochar led to changes in the properties of heavy-loamy agro-soddy-podzolic soil – a significant increase in the pH values of the water extract and the total nitrogen content, but at the same time – to a significant decrease in the content of total organic carbon content. Despite the improvement of some soil characteristics, the application of biochar did not affect the height of plants, leaf weight, root weight, nitrogen and phosphorus content in leaves and yield, and also negatively affected the total weight of plants and the weight of grains, which decreased by 15 % and 18 %, respectively, compared to control. The application of biochar had an impact on the structure of the wheat root system – its branching increased, while the diameter of the absorbing roots significantly decreased. The experiment also showed an increase in mycorrhization of roots due to the functional structures of the fungus – arbuscules and vesicles. The scientific novelty lies that the application of biochar from birch sawdust, despite the improvement of some physico-chemical characteristics of the soil, negatively affects the growth of wheat. The reaction of the aboveground parts of plants and the root system indirectly indicates a decrease in the availability of nutrients in the soil-biochar system. The results obtained in the work can be used to develop technologies for the use of biochar meliorants in various soils.

 биоуголь агродерново-подзолистая почва физико-химические характеристики почвы Triticum durum азот и фосфор в растениях корневая система поглощающие корни арбускулярная микориза biochar agro-soddy-podzolic soil soil physico-chemical characteristics Triticum durum nitrogen and phosphorus in plants root system absorbing roots arbuscular mycorrhiza

Кудеяров В. Н. Влияние удобрений и системы земледелия на секвестрацию углерода в почвах // Агрохимия. 2022. № 12. С. 79–96. DOI: 10.31857/S0002188122120092. Kudeyarov V. N. Vliyanie udobreniy i sistemy zemledeliya na sekvestraciyu ugleroda v pochvah // Agrohimiya. 2022. № 12. S. 79–96. DOI: 10.31857/S0002188122120092. Cornelissen G., Jubaedah, Nurida N. L., Hale S. E., Martinsen V., Silvani L., Mulder J. Fading positive effect of biochar on crop yield and soil acidity during five growth seasons in an Indonesian Ultisol // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 634. Pp. 561–568. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.380. Cornelissen G., Jubaedah, Nurida N. L., Hale S. E., Martinsen V., Silvani L., Mulder J. Fading positive effect of biochar on crop yield and soil acidity during five growth seasons in an Indonesian Ultisol // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 634. Pp. 561–568. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.380. Murtaza G., Ahmed Z., Usman M., Tariq W., Ullah Z., Shareef M., Iqbal H., Waqas M., Tariq A., Wu Y., Zhang Z., Ditta A. Biochar induced modifications in soil properties and its impacts on crop growth and production // Journal of Plant Nutrition. 2021. Vol. 44. Iss. 11. Pp. 1677–1691. DOI: 10.1080/01904167.2021.1871746. Murtaza G., Ahmed Z., Usman M., Tariq W., Ullah Z., Shareef M., Iqbal H., Waqas M., Tariq A., Wu Y., Zhang Z., Ditta A. Biochar induced modifications in soil properties and its impacts on crop growth and production // Journal of Plant Nutrition. 2021. Vol. 44. Iss. 11. Pp. 1677–1691. DOI: 10.1080/01904167.2021.1871746. Meschewski E., Holm N., Sharma B. K., Spokas K., Minalt N., Kelly J. J. Pyrolysis biochar has negligible effects on soil greenhouse gas production, microbial communities, plant germination, and initial seedling growth // Chemosphere. 2019. Vol. 228. Pp. 565–576. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.04.031. Meschewski E., Holm N., Sharma B. K., Spokas K., Minalt N., Kelly J. J. Pyrolysis biochar has negligible effects on soil greenhouse gas production, microbial communities, plant germination, and initial seedling growth // Chemosphere. 2019. Vol. 228. Pp. 565–576. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.04.031. Purakayastha T. J., Kumari S., Pathak H. Characterisation, stability, and microbial effects of four biochars produced from crop residues // Geoderma. 2015. Vol. 239–240. Pp. 293–303. DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.11.009. Purakayastha T. J., Kumari S., Pathak H. Characterisation, stability, and microbial effects of four biochars produced from crop residues // Geoderma. 2015. Vol. 239–240. Pp. 293–303. DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.11.009. Mukherjee A., Zimmerman A. R. Organic carbon and nutrient release from a range of laboratory-produced biochars and biochar–soil mixtures // Geoderma. 2013. Vol. 193. Pp. 122–130. DOI: 10.1016/j.geoderma.2012.10.002. Mukherjee A., Zimmerman A. R. Organic carbon and nutrient release from a range of laboratory-produced biochars and biochar–soil mixtures // Geoderma. 2013. Vol. 193. Pp. 122–130. DOI: 10.1016/j.geoderma.2012.10.002. Zhang Q., Song Y., Wu Z., Yan X., Gunina A., Kuzyakov Y., Xiong Z. Effects of six-year biochar amendment on soil aggregation, crop growth, and nitrogen and phosphorus use efficiencies in a rice-wheat rotation // Journal of Clean Production. 2020. Vol. 242. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118435. Zhang Q., Song Y., Wu Z., Yan X., Gunina A., Kuzyakov Y., Xiong Z. Effects of six-year biochar amendment on soil aggregation, crop growth, and nitrogen and phosphorus use efficiencies in a rice-wheat rotation // Journal of Clean Production. 2020. Vol. 242. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118435. Craine J. M., Froehle J., Tilman D. G., Wedin D. A., Chapin I. F. S. The relationships among root and leaf traits of 76 grassland species and relative abundance along fertility and disturbance gradients // Oikos. 2003. Vol. 93. Iss. 2. Pp. 274–285. DOI: 10.1034/j.1600-0706.2001.930210.x. Craine J. M., Froehle J., Tilman D. G., Wedin D. A., Chapin I. F. S. The relationships among root and leaf traits of 76 grassland species and relative abundance along fertility and disturbance gradients // Oikos. 2003. Vol. 93. Iss. 2. Pp. 274–285. DOI: 10.1034/j.1600-0706.2001.930210.x. Zhu J., Lynch J. P. The contribution of lateral rooting to phosphorus acquisition efficiency in maize (Zea mays) seedlings // Functional Plant Biology. 2004. Vol. 31 (10). Pp. 949–958. DOI: 10.1071/FP04046. Zhu J., Lynch J. P. The contribution of lateral rooting to phosphorus acquisition efficiency in maize (Zea mays) seedlings // Functional Plant Biology. 2004. Vol. 31 (10). Pp. 949–958. DOI: 10.1071/FP04046. Bayuelo-Jiménez J. S., Gallardo-Valdéz M., Pérez-Decelis V. A., Magdaleno-Armas L., Ochoa I., Lynch J. P. Genotypic variation for root traits of maize (Zea mays L.) from the Purhepecha Plateau under contrasting phosphorus availability // Field Crops Research. 2011. Vol. 121 (3). Pp. 350–362. DOI: 10.1016/j.fcr.2011.01.001. Bayuelo-Jiménez J. S., Gallardo-Valdéz M., Pérez-Decelis V. A., Magdaleno-Armas L., Ochoa I., Lynch J. P. Genotypic variation for root traits of maize (Zea mays L.) from the Purhepecha Plateau under contrasting phosphorus availability // Field Crops Research. 2011. Vol. 121 (3). Pp. 350–362. DOI: 10.1016/j.fcr.2011.01.001. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. Москва: изд-во МГУ, 1970. 488 с. Arinushkina E. V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv. Moskva: izd-vo MGU, 1970. 488 s. Воробьева Л. А. Теория и практика химического анализа почв. Mосква: ГЕОС, 2006. 400 с. Vorob'eva L. A. Teoriya i praktika himicheskogo analiza pochv. Moskva: GEOS, 2006. 400 s. Pregitzer K. S., DeForest J. L., Burton A. J., Allen M. F., Ruess R. W., Hendrick R. L. Fine root architecture of nine north American trees // Ecological Monographs. 2002. Vol. 72. Iss. 2. Pp. 293–309. DOI: 10.1890/0012-9615(2002)072[0293:FRAONN]2.0.CO;2. Pregitzer K. S., DeForest J. L., Burton A. J., Allen M. F., Ruess R. W., Hendrick R. L. Fine root architecture of nine north American trees // Ecological Monographs. 2002. Vol. 72. Iss. 2. Pp. 293–309. DOI: 10.1890/0012-9615(2002)072[0293:FRAONN]2.0.CO;2. Селиванов И. А. Микосимбиотрофизм как форма консортивных связей в растительном покрове Советского Союза. Москва: Наука, 1981. 232 с. Selivanov I. A. Mikosimbiotrofizm kak forma konsortivnyh svyazey v rastitel'nom pokrove Sovetskogo Soyuza. Moskva: Nauka, 1981. 232 s. Al-Wabel M. I., Hussain Q., Usman A. R. A., Ahmad M., Abduljabbar A., Sallam A. S., Ok Y. S. Impact of biochar properties on soil conditions and agricultural sustainability: a review // Land Degradation & Development. 2018. Vol. 29. Iss. 7. Pp. 2124–2161. DOI: 10.1002/ldr.2829. Al-Wabel M. I., Hussain Q., Usman A. R. A., Ahmad M., Abduljabbar A., Sallam A. S., Ok Y. S. Impact of biochar properties on soil conditions and agricultural sustainability: a review // Land Degradation & Development. 2018. Vol. 29. Iss. 7. Pp. 2124–2161. DOI: 10.1002/ldr.2829. Пономарев К. О., Первушина А. Н., Коротаева К. С., Юртаев А. А., Петухов А. С., Табакаев Р. Б., Шаненков И. И. Влияние биоугля на развитие яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) и кислотность дерново-подзолистой почвы в Западной Сибири // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2022. Вып. 113. С. 110–137. DOI: 10.19047/0136-1694-2022-113-110-137. Ponomarev K. O., Pervushina A. N., Korotaeva K. S., Yurtaev A. A., Petuhov A. S., Tabakaev R. B., Shanenkov I. I. Vliyanie biouglya na razvitie yarovoy pshenicy (Triticum aestivum L.) i kislotnost' dernovo-podzolistoy pochvy v Zapadnoy Sibiri // Byulleten' Pochvennogo instituta imeni V.V. Dokuchaeva. 2022. Vyp. 113. S. 110–137. DOI: 10.19047/0136-1694-2022-113-110-137. Tesfaye F., Liu X., Zheng J., Cheng K., Bian R., Zhang X., Li L., Drosos M., Joseph S., Pan G. Could biochar amendment be a tool to improve soil availability and plant uptake of phosphorus? A meta-analysis of published experiments // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28. No. 26. Pp. 34108–34120. DOI: 10.1007/s11356-021-14119-7. Tesfaye F., Liu X., Zheng J., Cheng K., Bian R., Zhang X., Li L., Drosos M., Joseph S., Pan G. Could biochar amendment be a tool to improve soil availability and plant uptake of phosphorus? A meta-analysis of published experiments // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28. No. 26. Pp. 34108–34120. DOI: 10.1007/s11356-021-14119-7. Curaqueo G., Roldán A., Mutis A., Panichini M., Martín A. P.-S., Meier S., Mella R. Effects of biochar amendment on wheat production, mycorrhizal status, soil microbial community, and properties of an Andisol in Southern Chile // Field Crops Research. 2021. Vol 273 (1). Article number 108306. DOI: 10.1016/j.fcr.2021.108306. Curaqueo G., Roldán A., Mutis A., Panichini M., Martín A. P.-S., Meier S., Mella R. Effects of biochar amendment on wheat production, mycorrhizal status, soil microbial community, and properties of an Andisol in Southern Chile // Field Crops Research. 2021. Vol 273 (1). Article number 108306. DOI: 10.1016/j.fcr.2021.108306. Gorovtsov A. V., Minkina T. M., Mandzhieva S. S., Perelomov L. V., Soja G., Zamulina I. V., Rajput V. D., Sushkova S. N., Mohan D., Yao J. The mechanisms of biochar interactions with microorganisms in soil // Environmental Geochemistry and Health. 2020. Vol. 42 (8). Pp. 2495–2518. DOI: 10.1007/s10653-019-00412-5. Gorovtsov A. V., Minkina T. M., Mandzhieva S. S., Perelomov L. V., Soja G., Zamulina I. V., Rajput V. D., Sushkova S. N., Mohan D., Yao J. The mechanisms of biochar interactions with microorganisms in soil // Environmental Geochemistry and Health. 2020. Vol. 42 (8). Pp. 2495–2518. DOI: 10.1007/s10653-019-00412-5. Ahmad Z., Mosa A., Zhan L., Gao B. Biochar modulates mineral nitrogen dynamics in soil and terrestrial ecosystems: A critical review // Chemosphere. 2021. Vol. 278. Article number 130378. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.130378. Ahmad Z., Mosa A., Zhan L., Gao B. Biochar modulates mineral nitrogen dynamics in soil and terrestrial ecosystems: A critical review // Chemosphere. 2021. Vol. 278. Article number 130378. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.130378. Yin S., Suo F., Kong Q., You X., Zhang X., Yuan Y., Yu X., Cheng Y., Sun R., Zheng H., Zhang C., Li, Y. Biochar enhanced growth and biological nitrogen fixation of wild soybean (Glycine max subsp. Soja Siebold & Zucc.) in a Coastal Soil of China // Agriculture. 2021. Vol. 11 (12). Article number 1246. DOI: 10.3390/agriculture11121246. Yin S., Suo F., Kong Q., You X., Zhang X., Yuan Y., Yu X., Cheng Y., Sun R., Zheng H., Zhang C., Li, Y. Biochar enhanced growth and biological nitrogen fixation of wild soybean (Glycine max subsp. Soja Siebold & Zucc.) in a Coastal Soil of China // Agriculture. 2021. Vol. 11 (12). Article number 1246. DOI: 10.3390/agriculture11121246. El-Naggar A., El-Naggar A. H., Shaheen S. M., Sarkar B., Chang S. X., Tsang D. C. W., Rinklebe J., Ok Y. S. Biochar composition-dependent impacts on soil nutrient release, carbon mineralization, and potential environmental risk: a review // Journal of Environmental Management. 2019. Vol. 241. Pp. 458–467. DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.02.044. El-Naggar A., El-Naggar A. H., Shaheen S. M., Sarkar B., Chang S. X., Tsang D. C. W., Rinklebe J., Ok Y. S. Biochar composition-dependent impacts on soil nutrient release, carbon mineralization, and potential environmental risk: a review // Journal of Environmental Management. 2019. Vol. 241. Pp. 458–467. DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.02.044. Alburquerque J. A., Salazar P., Barrón V., Torrent J., Campillo M. C., Gallardo A., Villar R. Enhanced wheat yield by biochar addition under different mineral fertilization levels // Agronomy for Sustainable Development. 2013. Vol. 33. Pp. 475–484. DOI: 10.1007/s13593-012-0128-3. Alburquerque J. A., Salazar P., Barrón V., Torrent J., Campillo M. C., Gallardo A., Villar R. Enhanced wheat yield by biochar addition under different mineral fertilization levels // Agronomy for Sustainable Development. 2013. Vol. 33. Pp. 475–484. DOI: 10.1007/s13593-012-0128-3. Godlewska P., Ok Y. S., Oleszczuk P. The dark side of black gold: Ecotoxicological aspects of biochar and biochar-amended soils // Journal of Hazardous Materials. 2021. Vol. 403. Article number 123833. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123833. Godlewska P., Ok Y. S., Oleszczuk P. The dark side of black gold: Ecotoxicological aspects of biochar and biochar-amended soils // Journal of Hazardous Materials. 2021. Vol. 403. Article number 123833. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123833. Ling L., Luo Y., Jiang B., Lv J., Meng C., Liao Y., Reid B., Ding F., Lu Z., Kuzyakov Y., Xu J. Biochar induces mineralization of soil recalcitrant components by activation of biochar responsive bacteria groups // Soil Biology and Biochemistry. 2022. Vol. 172. Article number 108778. DOI: 10.1016/j.soilbio.2022.108778. Ling L., Luo Y., Jiang B., Lv J., Meng C., Liao Y., Reid B., Ding F., Lu Z., Kuzyakov Y., Xu J. Biochar induces mineralization of soil recalcitrant components by activation of biochar responsive bacteria groups // Soil Biology and Biochemistry. 2022. Vol. 172. Article number 108778. DOI: 10.1016/j.soilbio.2022.108778. Olmo M., Villar R., Salazar P., Alburquerque J. A. Changes in soil nutrient availability explain biochar’s impact on wheat root development // Plant and Soil. 2016. Vol. 399. Pp. 333–343. DOI: 10.1007/s11104-015-2700-5. Olmo M., Villar R., Salazar P., Alburquerque J. A. Changes in soil nutrient availability explain biochar’s impact on wheat root development // Plant and Soil. 2016. Vol. 399. Pp. 333–343. DOI: 10.1007/s11104-015-2700-5. Shen Q., Hedley M., Arbestain M. C., Kirschbaum M. U. F. Can biochar increase the bioavailability of phosphorus? // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2016. Vol. 16. No 2. Pp. 268–286. DOI: 10.4067/S0718-95162016005000022. Shen Q., Hedley M., Arbestain M. C., Kirschbaum M. U. F. Can biochar increase the bioavailability of phosphorus? // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2016. Vol. 16. No 2. Pp. 268–286. DOI: 10.4067/S0718-95162016005000022. Solaiman Z. M., Abbott L. K., Murphy D. V. Biochar phosphorus concentration dictates mycorrhizal colonisation, plant growth and soil phosphorus cycling // Scientific Reports. 2019. Vol. 9 (1). Article number 5062. DOI: 10.1038/s41598-019-41671-7. Solaiman Z. M., Abbott L. K., Murphy D. V. Biochar phosphorus concentration dictates mycorrhizal colonisation, plant growth and soil phosphorus cycling // Scientific Reports. 2019. Vol. 9 (1). Article number 5062. DOI: 10.1038/s41598-019-41671-7. Hammer E. C., Balogh-Brunstad Z., Jakobsen I., Olsson P. A., Stipp S. L. S., Rillig M. C. A mycorrhizal fungus grows on biochar and captures phosphorus from its surfaces // Soil Biology and Biochemistry. 2014. Vol. 77. Pp. 252–260. DOI: 10.1016/j.soilbio.2014.06.012. Hammer E. C., Balogh-Brunstad Z., Jakobsen I., Olsson P. A., Stipp S. L. S., Rillig M. C. A mycorrhizal fungus grows on biochar and captures phosphorus from its surfaces // Soil Biology and Biochemistry. 2014. Vol. 77. Pp. 252–260. DOI: 10.1016/j.soilbio.2014.06.012. Yang X., Ran Z., Li R., Fang L., Zhou J., Guo L. Effects of biochar on the growth, ginsenoside content, and soil microbial community composition of Panax quinquefolium L. // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2022. Vol. 22 (2). Pp. 2670–2686. DOI: 10.1007/s42729-022-00835-7. Yang X., Ran Z., Li R., Fang L., Zhou J., Guo L. Effects of biochar on the growth, ginsenoside content, and soil microbial community composition of Panax quinquefolium L. // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2022. Vol. 22 (2). Pp. 2670–2686. DOI: 10.1007/s42729-022-00835-7. Смит С. Э., Рид Д. Дж. Микоризный симбиоз / Пер. с англ. 3-е издание. Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2012. 776 с. Smit S. E., Rid D. Dzh. Mikoriznyy simbioz / Per. s angl. 3-e izdanie. Moskva: Tovarischestvo nauchnyh izdaniy KMK, 2012. 776 s.