Proces degradacji gleb uprawnych na Ziemi postępuje zastraszająco szybko od lat 60. ubiegłego wieku. Przyczyniają się do tego zanieczyszczenia ze spalania paliw kopalnych, masowe stosowanie nawozów syntetycznych, zwłaszcza azotowych, nieprawidłowe praktyki w uprawie gleby – kompleks tych czynników wpływa na atmosferę Ziemi wywołując szereg zmian klimatycznych, co dodatkowo przyspiesza proces degradacji ziemi uprawnej. Odwrócenie tego procesu, a zwłaszcza podniesienie zawartości materii organicznej, która zniknęła z gleb przechodząc do atmosfery w formie dwutlenku węgla i metanu, wymaga bardzo długiego czasu liczonego nawet w dziesiątkach lat. Dziś już wiemy, że do polepszania jakości gleby możemy wykorzystać również starą materię organiczną, zgromadzoną dziesiątki i setki tysięcy lat temu pod powierzchnią ziemi, tj. węgli brunatnych, które umożliwiają szybką odbudowę żyzności i przyspieszenie dalszej efektywnej poprawy, prowadzonej już metodami czysto agronomicznymi.
Czy każdy węgiel brunatny nadaje się do użyźniania gleby?
Węgiel brunatny, a raczej różnorodne węgle brunatne, są skałami osadowymi pochodzenia organicznego. Powstały ze zgromadzonej wcześniej materii roślinnej wskutek zmian zachodzących pod wpływem czynników biologicznych, geologicznych i geochemicznych. Stanowią pośrednie ogniwo między torfem a węglem kamiennym. Węgle brunatne są zaliczane do materiałów pierwotnych i nieodnawialnych o bardzo dużej zmienności parametrów geologicznych oraz właściwościach chemicznych i technologicznych. Są przeważnie kruche, mają barwę od brunatnej do czarnej, z reguły zawierają dużo siarki (do 6,0%) i nielotnych minerałów (do 50%). Największe złoża węgli brunatnych w Polsce pochodzą sprzed 20 mln lat i są już silnie skarbonizowane. Są również złoża młodsze, bardziej przydatne do celów rolniczych.
Charakter złóż węgla brunatnego
Charakter złóż węglowych zależy od wielu czynników: rodzaju materiału roślinnego, czasu, temperatury, ciśnienia, wilgotności oraz rodzaju mikroorganizmów, które je przetworzyły. Składniki roślin (białko, węglowodany, celuloza, lignina, kora, żywice) przetworzone przez bakterie i grzyby tworzyły materię pozbawioną pierwiastków lotnych i dużo bardziej zasobną w węgiel. Taka materia zalana wodą lub pokryta osadami (najczęściej łupkami) podlegała kolejnym procesom geochemicznym wskutek ciśnienia i temperatury. Zatem rodzaj substancji roślinnej, z której powstał węgiel brunatny, a także warunki jego tworzenia się w znacznym stopniu wpływały na jego charakterystykę i właściwości.
Największą wartość dla rolnictwa ma węgiel brunatny humusowy (utworzony ze szczątków flory lądowej), nieco gorsze są węgle wytworzone ze szczątków flory wodnej (węgiel sapropelowy) lub żywiczno-woskowych składników roślin (węgiel liptobiolitowy).
Zanieczyszczenia węgla brunatnego
Niektóre złoża węgli brunatnych zawierają zanieczyszczenia, które mogą mieć znaczenie dla roślin, a także konsumentów żywności z tych roślin powstałej. Najczęściej bywają to metale ciężkie oraz inne pierwiastki śladowe. Zawartość rtęci, ołowiu, arsenu i kadmu w polskich węglach brunatnych jest nieduża, a ich stężenia są bardzo małe w porównaniu do wartości granicznych dopuszczalnych w glebach. Wyjątek stanowiła jedynie zawartość rtęci w złożu Adamów – dziś już nie eksploatowanego. Zawartość innych pierwiastków śladowych (cyna, cynk, mangan i miedź) w polskich węglach brunatnych jest również nieduża i nie stanowi zagrożenia dla środowiska naturalnego, będąc jednocześnie potencjalnym, wartościowym źródłem tych mikroelementów dla upraw. Podobnie powszechne i dość wysokie zanieczyszczenie węgli brunatnych siarką może akurat być wartościowe dla rolnictwa, zwłaszcza w polskich realiach niedoboru tego pierwiastka w glebie.
Stopień skarbonizowania i termicznego przetworzenia materii organicznej (piroliza)
Węgiel brunatny zawiera od 58 do 78% węgla. Zwiększanie zawartości węgla postępuje z czasem wskutek łączenia się pierścieni węglowych i ucieczki innych atomów, głównie wodoru i tlenu. Naturalna piroliza węgla brunatnego to proces rozkładu materii organicznej pod wpływem ciśnienia i wysokiej temperatury, zachodzący w warstwach skorupy ziemskiej, będący procesem geologicznej genezy węgla i skał osadowych. W czasie pirolizy zachodzą procesy odparowania substancji organicznych, tworzenia i uwalniania gazów, prowadzące do wytworzenia węgla pirolitycznego. Intensywne emisje z ogrzanego materiału (200-350ºC), nie pozwalają na dopływ gazów z otoczenia. Bez dopływu tlenu intensywny rozkład połączeń organicznych ustaje a wytworzony węgiel pirolityczny dodatkowo poprawia przydatność takiego materiału dla celów rolniczych.
Materiały bogate w substancje próchniczne: nieodnawialne (w naszej skali czasowej) substancje będące kondycjonerami glebowymi, zawierające wysoko skoncentrowaną materię organiczną uwalniającą szerokie spektrum kwasów humusowych przez długi czas. Są doskonałym źródłem materii organicznej, tożsamej z próchnicą glebową, jak również całego spektrum kwasów humusowych – biostymulatorów dostępnych dla uprawianych roślin teraz i przez następne miesiące i lata. Należą tutaj wszelkie rodzaje młodych węgli brunatnych, zarówno pochodzenie jeziornego, jak i leonardyty oraz lignity. Pomimo swojej nieodnawialności bardzo dobrze wpisują się w zasady gospodarki cyrkularnej oraz „zero waste”, zwłaszcza młode lignity, które w jeszcze funkcjonujących kopalniach węgla energetycznego są traktowane jako nieprzydatne z powodu zbyt słabego skarbonizowania. Właśnie z tego względu są bardzo wartościowym materiałem dla rolnictwa, do produkcji gamy doskonałych kondycjonerów glebowych w formie granulatów (jak Carbomat ECO) lub gęstej pulpy (Carbohumic), zapewniających dobre napowietrzenie i retencję wody w glebie, jednocześnie będąc źródłem ponad 60 mikroelementów i pierwiastków śladowych. Takie kondycjonery mają bardzo dużą pojemność sorpcyjną, co chroni rośliny przed zasoleniem i stanowi magazyn substancji odżywczych. Co więcej wysoki poziom kwasów humusowych ma znaczący wpływ na ograniczenie szkód wywołanych przez pasożytnicze nicienie glebowe, gdyż obniża ich plenność na wielu etapach rozwoju.
Co decyduje o tym, że węgiel brunatny jest wartościowy dla regeneracji gleb
Zawartość i charakter materii organicznej
Różnorodny skład chemiczny i odmienne właściwości węgli brunatnych wynikają z różnego pochodzenia i stopnia skarbonizowania (uwęglenia) wahającego się od 58 do 78%. W uproszczeniu można powiedzieć, że 1m3 węgla brunatnego powstaje nawet z około 8 m3 przefermentowanej masy roślinnej, np. torfu. Najbardziej wartościowe są młode węgle brunatne (lignity) wytworzone z roślinności lądowej. Po wprowadzeniu ich do gleby zachowują się w niej jak stara próchnica glebowa.
Uwalnianie substancji humusowych ze starej materii organicznej
Uwalnianie kwasów humusowych z próchnicy glebowej następuje podczas jej rozkładu, dzięki działaniu czynników fizycznych i mikroorganizmów. Ten sam proces prowadzi do uwalniania w warunkach glebowych kwasów humusowych z młodego węgla brunatnego. Rozpad bardzo złożonych chemicznie struktur węglowych prowadzi do powstania mniejszych fragmentów, które są już rozpuszczalne m.in. w wodzie, stając się przyswajalne dla roślin. To są właśnie kwasy humusowe. W uproszczony sposób możemy substancje tworzące się w procesie rozkładu próchnicy glebowej, bądź węgla brunatnego, przedstawić następująco:
- kwasy fulwowe – najmniejsze cząstki bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, łatwo przyswajane przez rośliny, stymulują w nich głównie rozwój korzeni, ale także rozwój tkanek zielonych
- kwasy huminowe – większe cząstki, nie zawsze rozpuszczalne w wodzie, ale jeszcze rozpuszczalne w alkoholu, dobrze przyjmowane przez rośliny, w których stymulują rozwój pędów i tkanek zielonych, a także rozwój korzeni;
- huminy – duże cząstki nierozpuszczalne i niedostępne dla roślin, ale będące źródłem kwasów humusowych w przypadku dalszego ich rozpadu np. wskutek działalności bakterii glebowych;
- bituminy – substancje już zbyt mocno skarbonizowane, które utraciły cechy humin i tym samym potencjalną przydatność do celów rolniczych.
Korzyści wynikające z obecności w glebie substancji humusowych pochodzących z próchnicy glebowej lub kondycjonerów węglowych są bezdyskusyjne. To m.in.
- poprawa struktury gleby i jej zdolności do gromadzenia wody,
- zwiększenie przyswajalności składników odżywczych dla roślin,
- biostymulacja rozwoju zarówno systemu korzeniowego roślin jak i części zielonych,
- zwiększenie odporności roślin na stresy suszowe, mrozowe a nawet chemiczne.
Dostępność azotu i fosforu
Zawartość azotu w węglu brunatnym jest zróżnicowana i waha się od około 0,45% do 2,4%, w zależności od miejsca wydobycia i cech specyficznych danego złoża. Azot ten pochodzi głównie z przekształconych białek roślinnych i mikroorganizmów, które występowały w pierwotnej materii roślinnej, z której powstał węgiel brunatny. Dla zaopatrzenia roślin w azot dużo większe znaczenie może mieć fakt, że struktury węgla brunatnego zawierającego także węgiel pirolityczny, są miejscem doskonale zasiedlanym przez wolno żyjące bakterie azotowe, które są w stanie związać z powietrza nawet powyżej 30 kg N/ha dostępnego dla roślin, w ciągu roku.
Węgle brunatne same w sobie nie są bogatym źródłem fosforu. Powstają z materii roślinnej, która w naturalny sposób zawiera różne pierwiastki, w tym fosfor, jednak jego stężenie w końcowym produkcie jest niewielkie. Płynne kondycjonery z lignitu, zwłaszcza z serii Carbohumic, wykorzystywane jako dodatek do gleby, zwiększają przyswajalność fosforu zawartego w glebie przez stymulację procesów biologicznych, nie będąc jednak zasadniczym źródłem tego pierwiastka.
Zasobność w makro- i mikroelementy
W węglach brunatnych występują liczne mikroelementy, takie jak cynk, miedź, mangan, molibden i bor, a także makroelementy: wapń, magnez, siarka i żelazo. Materia organiczna w nich zawarta jest bogata w te pierwiastki i jej wykorzystanie w rolnictwie poprawia odżywienie roślin i mikroorganizmów glebowych wpływając na wzrost żyzności gleby. W sumie w węglach brunatnych może znajdować się nawet ponad 80 różnych mikroelementów, co czyni je bardzo wartościowym źródłem tych pierwiastków dla roślin uprawnych. Dodatkowo gałęziste struktury chemiczne humin i kwasów humusowych są najbardziej naturalnymi i najefektywniejszymi chelatami wiążącymi głównie kationy; wnikając do tkanek roślinnych przez korzenie włośnikowe lub tkanki zielone dostarczają im całej gamy mikroelementów i struktur chemicznych o charakterze witamin i hormonów roślinnych.
Ogromna pojemność sorpcyjna jonów wymiennych
Struktury chemiczne substancji organicznej węgli brunatnych są bardzo złożone a ich masa cząsteczkowa może być liczona nawet w milionach jednostek. Ta różnorodność struktur chemicznych powoduje, że znajduje się w nich ogromna liczba czynnych grup karboksylowych, ketonowych, wiązań estrowych i innych, zdolnych do okresowego lub trwałego wiązania wielu pierwiastków, zwłaszcza kationów. To daje węglom i substancjom, które można z nich uzyskać (kwasom humusowym) zdolność wiązania i uwalniania jonów wymiennych, co jest podstawą funkcjonowania kompleksu sorpcyjnego każdej gleby. Szacuje się, że stara, humusowa substancja organiczna ma pojemność sorpcyjną nawet do 800 razy większą, niż substancje ilaste gleby. Wzbogacenie gleby węglem brunatnym lub jego pochodnymi skokowo zwiększa jej kompleks sorpcyjny, poprawia żyzność i produktywność na wiele lat, ułatwiając regenerację gleby w naturalnych procesach humifikacyjnych.
Buforowanie pH gleby
Mnogość struktur chemicznych w węglach brunatnych i ich pochodnych powoduje, że zarówno kationy, jak i niektóre aniony znajdują swoje miejsce wiązania „wychodząc” w ten sposób okresowo z roztworu glebowego. To skutkuje bardzo sprawnym buforowaniem pH gleby nawet w wypadku znaczących działań mogących drastycznie zmienić jego wartość.
Zdolność zatrzymywania wody
Węgle brunatne i produkty z nich uzyskane charakteryzują się rozwiniętym układem porowatym cząsteczek, dzięki czemu mogą gromadzić spore ilości wody, nawet do 70% masy wyjściowej gdy świeża biomasa jedynie do 58%. Przeliczając na możliwości retencji wody w glebie w warunkach rolniczych, każdy procent zawartości starej materii organicznej w glebie może zatrzymać do 160 ton wody pochodzącej z opadów na 1 hektarze.
Poprawa struktury gleby
Struktury tworzące węgle brunatne mają charakter porowaty i wręcz gąbczasty. To pozwala zarówno na możliwości gromadzenia dużych ilości wody, jak również powietrza. W czasie nasiąkania węgiel zwiększa swoją objętość, puchnie, a tracąc wodę kurczy się, co powoduje ciągłe zmiany w objętości materiału glebowego skutkujące zwiększoną obecnością różnej wielkości przestrzeni glebowych niezbędnych dla wsiąkania i podsiąku wody, wymiany gazowej i przemieszczania się zwierząt glebowych oraz korzeni roślin.
Poprawa całokształtu właściwości biologicznych
Kondycjonery (czyli polepszacze) glebowe wyprodukowane z młodego, humusowego węgla brunatnego (lignitu), gruntownie zmieniają całokształt właściwości potraktowanej gleby. Oprócz znaczącej poprawy jej zasobności w makro- i mikroelementy, ułatwienia dostępu do azotu i fosforu, ustabilizowania pH, zwiększenia potencjału kationów wymiennych, naprawy stosunków wodno-powietrznych, a więc i struktury gleby oraz jej gospodarki wodnej, mają bezpośredni wpływ na wszystkie organizmy żywe obecne w glebie:
- Stanowią źródło składników odżywczych i energii dla bakterii glebowych,
- Są doskonałym miejscem życia i namnażanie się bakterii oraz grzybów, w tym mikoryzowych,
- Znacząco wpływają na obecność i różnorodność fauny glebowej, zwłaszcza dżdżownic,
- Mają potencjał (przy odpowiednich stężeniach) do hamowania plenności i szkodliwości nicieni glebowych.
- Są biostymulatorem – jako kwasy humusowe – procesów życiowych roślin, pobudzając rozwój korzeni włośnikowych i młodych części zielonych, pośrednio wpływając na siłę biologiczną roślin uprawnych, ich produktywność i jakość produktów,
- Działają detoksykująco na glebę wiążąc i dezaktywując zarówno środki ochrony roślin, jak i ich metabolity, a także całe spektrum metali ciężkich, wiążąc je w sposób stały skutecznie zmniejszając ich dostępność dla roślin uprawnych.
Wszelkie dane wskazują, że węgle brunatne, zwłaszcza młode, humusowe, prawidłowo przetworzone do kondycjonerów glebowych oraz prawidłowo zastosowane, są w stanie szybko i skutecznie zwiększyć żyzność gleby, regenerując jej funkcje biologiczne i produkcyjne. Potwierdzają to dziesiątki badań naukowych i polowych wykonanych w Europie i Stanach Zjednoczonych w ostatnich 30 latach.
