Китайские ученые установили точный физический механизм, благодаря которому биоуголь – продукт переработки растительных остатков – укрепляет структуру почвы и защищает ее от эрозии. Исследование, опубликованное в журнале SOIL, показало, что ключевую роль играют две фракции органического углерода, которые регулируют силы взаимодействия между почвенными частицами на наноуровне.
Прочность почвенных комков, или агрегатов, зависит от баланса между силами притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) и силами отталкивания, которые действуют между частицами. Если преобладает притяжение, почва устойчива к вымыванию и хорошо удерживает влагу. Если доминирует отталкивание, агрегаты разрушаются, и плодородный слой смывается.
Команда исследователей из Северо-Западного университета сельского и лесного хозяйства и Китайской академии наук провела полевой эксперимент в провинции Шэньси. Ученые вносили в почву биоуголь из соломы кукурузы и пшеницы в дозировке от 1% до 10% от массы и наблюдали за изменениями в течение года. Оказалось, что биоуголь смещает баланс в сторону сцепления частиц. Он увеличивает силы притяжения и одновременно снижает электростатическое отталкивание между частицами, делая почвенные агрегаты более прочными.
Главным открытием стало определение ключевых регуляторов этого процесса. Статистический анализ показал, что за две трети изменений отвечают две конкретные фракции углерода: легкоокисляемый и твердофазный органический углерод. Первая фракция, богатая кислородными группами, быстро изменяет электрохимические свойства поверхности частиц. Вторая, состоящая из более крупных растительных остатков, медленнее, но прочнее связывает частицы в стабильные комплексы.
Эффект от внесения биоугля со временем только усиливался. К концу годичного эксперимента стабильность почвенных агрегатов была выше, чем через полгода после начала. Это связано с тем, что по мере интеграции биоугля в почву рост сил притяжения значительно опережал незначительное увеличение сил отталкивания. При этом биоуголь из кукурузной и пшеничной соломы показал практически одинаковую эффективность, что указывает на второстепенную роль сырья по сравнению с дозой внесения.
Результаты исследования позволяют более целенаправленно использовать биоуголь для борьбы с деградацией земель. Вместо общего подхода можно подбирать или создавать угли с повышенным содержанием именно тех фракций углерода, которые наиболее эффективно укрепляют структуру конкретного типа почвы. Авторы отмечают, что работа является первым шагом, поскольку эксперимент длился всего год, а эффект от биоугля сохраняется десятилетиями.