Эффективность применения базальтовой пыли для улучшения свойств почвы: данные полевых и лабораторных исследований

Влияние базальтовой каменной пыли на свойства почвы и неорганические питательные элементы: исследования в полевых и лабораторных условиях на примере двух органических ферм Новой Англии, США.

Базальтовая каменная пыль (RD) является побочным продуктом каменного карьера, который может улучшить здоровье почвы в системах органического земледелия. RD вносили на двух контрастных органических фермах (No-Till ферма в Вермонте, Тетфорд и обрабатываемая ферма в Массачусетсе, Барре), а также в почвенных периодических реакторах, чтобы изучить влияние внесения базальтовой пыли (6,7 т/га) на физические и химические свойства здоровья почвы. В 2020 году на каждой ферме на двух полях (с RD и без RD) были отобраны пробы из трех повторных почвенных разрезов на глубину от 80 до 110 см. Медианное содержание крупных (>2 мм) и очень крупных агрегатов (>50 мм) увеличилось на 15–25%, а концентрации органического углерода в почве возросли на 69–135% на участках с добавлением RD по сравнению с контрольными на верхних 20 см почвенного профиля на обеих фермах. Доступные для растений Ca, Mg и K увеличились на 62–252% в верхних 30 см на обеих фермах. Доступные для растений микроэлементы (B, Mn, Cu и Zn) показали ограниченное увеличение от добавления RD на двух фермах. Результаты лабораторных экспериментов в периодических реакторах подтвердили повышенные скорости высвобождения Ca и Mg в различных почвах, но высвобождение K, P и микроэлементов в реакторах не увеличилось от добавления RD. Одно противоречивое открытие — более низкое содержание доступного для растений P (-41% на VT-ферме) и растворимого P (-5...-29%) при внесении RD — указывает на необходимость дальнейших исследований взаимодействий с Fe и pH, вызванных добавлением базальтовой пыли.

Органическое земледелие становится все более важной сельскохозяйственной, экономической и социокультурной системой в Новой Англии и других штатах, с более чем 1400 сертифицированными органическими фермами в 2021 году в Коннектикуте, Мэне, Массачусетсе, Род-Айленде, Нью-Гэмпшире и Вермонте [1]. Эти фермы производят основные зерновые, овощи, фрукты, говядину, яйца, курицу и многие другие региональные и специальные продукты, такие как конопляный и кленовый сироп, с продажами более 250 миллионов долларов США в 2021 году [1]. Органическое земледелие страдает от тех же проблем, что и традиционные сельскохозяйственные системы, в поддержании параметров здоровья почвы, в частности физических и химических свойств здоровья с помощью добавок [2]. В отличие от традиционных сельскохозяйственных систем, органические фермы должны следовать основным принципам, чтобы поддерживать свой сертифицированный статус USDA, и не могут использовать синтетические химикаты или нефтехимические удобрения для восполнения потерь питательных веществ. Таким образом, разработка сертифицированных органических не нефтехимических почвенных добавок необходима для поддержания или улучшения показателей здоровья почвы, что имеет важное значение для органических ферм по всей Новой Англии и другим штатам США.

Каменная пыль (RD) представляет собой почвенную добавку, содержащую побочные продукты добычи камня, от гравия до частиц размером с глину, и может улучшать здоровье почвы. RD может состоять из материалов с различным распределением размеров частиц и литологией, от магматических пород (например, гранитов, дунитов и фельдшпатоидов) до метаморфических пород (например, серпентина, гнейса и метабазальтов) [3, 4]. В частности, применение базальтовой RD становится все более популярным для усиленного выветривания горных пород (ERW), которое поглощает атмосферный CO₂ за счет растворения алюмосиликатов, преобразования угольной кислоты в бикарбонат и высвобождения основных катионов [5, 6]. Полевые эксперименты и модельные оценки показывают, что секвестрация CO₂ из ERW может связывать от 0,2 до 0,4 тонн CO₂ на тонну добавленного базальтового RD [5, 6], при экспериментальных нормах внесения базальтового RD от 1,6 до 400 тонн га⁻¹ [4, 5]. Влияние базальтового RD на физические и химические свойства здоровья почвы с помощью полевых и тепличных исследований остается плохо изученным из-за неоднородности литологии базальта, гранулометрического состава RD, сельскохозяйственных методов, применяемых к почвам, и реакции сильно контрастирующих свойств почвы.

Помимо связывания CO₂, другие физические и химические свойства и изменения почвы являются важными недостаточно изученными измерениями воздействия RD на здоровье почвы и сельскохозяйственные системы. Базальтовые RD высвобождают неорганические макроэлементы (P, K, Ca и Mg) и микроэлементы (Mn, B, Cu и Zn), которые необходимы для сельскохозяйственных культур из-за их роли в химической сигнализации, белковых структурах, клеточных структурах, кофакторах ферментов и многих других ролях в растениях и людях [7]. Неорганические макро- и микроэлементы получаются в результате растворения минералов, присутствующих в базальтовых RD, в частности оливина, авгита, диопсида, апатита и анортита [5, 8]. Эти минералы содержат важные неорганические макро- и микроэлементы в качестве основных структурных компонентов, или они изоморфно замещены в минералах в следовых концентрациях [4, 7]. Наконец, элементы, такие как B, могут присутствовать в дополнительных акцессорных минералах [7]. Полевые испытания и исследования в теплицах показали неоднозначные эффекты на сельскохозяйственных почвах. В полевых испытаниях сорго (Sorghum bicolor) Келланд и др. [5] обнаружили, что добавление базальтового RD привело к значительному повышению содержания Si и Mg в почве, но не Ca или pH почвы. В исследовании в теплице, проведенном Виенном и др. [8], почва и почвенный фильтрат, Ca, Mg и K значительно увеличились при добавлении базальтового RD, но pH почвы не изменился. Выветривание базальтового RD также может способствовать осаждению вторичных минералов оксигидроксидов Al и Fe, которые могут иммобилизовать питательные вещества, в частности фосфат [9, 10]. Кроме того, эти вновь образованные вторичные оксигидроксиды Al и Fe могут способствовать повышению и защите органического углерода почвы (SOC). Все эти сопутствующие процессы, изменяющие содержание органического углерода (SOC), pH, содержание неорганических питательных веществ, микроэлементов, агрегацию и другие свойства почвы, вызванные RD, могут влиять на состояние почвы и урожайность и недостаточно изучены в системах органического земледелия умеренного климата. Прежде чем RD сможет быть применен в широких масштабах, необходимо провести полевые испытания на органических фермах в регионах с умеренным климатом, чтобы оценить, оказывает ли RD ожидаемый эффект.

Общая цель данного исследования состояла в том, чтобы максимально эффективно использовать существующие поля на двух контрастных органических фермах и лабораторные эксперименты для изучения влияния внесения базальтового RD на физические и химические свойства здоровья почвы, а также на доступность неорганических питательных веществ для растений. Эти две фермы контрастируют по текстуре почвы, обычно встречающейся в регионе Новой Англии: супеси в районах ледниковой обработки и илистые суглинки, встречающиеся в поймах крупных рек. Кроме того, эти две фермы различаются по применению обработки почвы: нулевая обработка применялась к каменистой, супесчаной почве и традиционная обработка, применяемая к илистым суглинкам. Наконец, на этих двух фермах RD применялся за два года до отбора проб. В первой гипотезе ожидалось, что внесение базальтового RD улучшит свойства здоровья почвы, в частности макроагрегацию, %C и pH почвы за счет добавления мелких частиц и выветривания RD. Во второй гипотезе предполагалось, что выветривание на почве, подвергшейся обработке, увеличит концентрацию и запасы доступных для растений питательных веществ (как макро-, так и микроэлементов) по сравнению с контрольным полем без обработки. В рамках третьей гипотезы были проведены лабораторные эксперименты в реакторе периодического действия, чтобы подтвердить, приведет ли повышенная скорость высвобождения питательных веществ из почвы, подвергшейся обработке, к более высокому уровню высвобождения питательных веществ, и повлияет ли тип добавленного материала, подвергшегося обработке, на скорость высвобождения питательных веществ. Эта информация необходима для количественной оценки того, может ли выветривание на почве, подвергшейся обработке, обеспечить сопутствующие преимущества для показателей здоровья почвы (накопление углерода, агрегация и запасы питательных веществ) в системах органического земледелия, особенно в отношении недостаточно изученных аспектов неорганических питательных веществ и агрегации.

2.1. Учебные фермы и отбор проб почвы

Обе фермы, которые мы изучали, расположены в регионе Новая Англия, США (Рисунок 1A; Таблица 1). Cedar Circle Farm and Education Center (далее именуемая VT-Farm) — это органическая ферма, расположенная в Тетфорде, штат Вермонт, вдоль поймы в долине реки Коннектикут (Рисунок 1B). Согласно классификации климата Кеппена, климат здесь — Dfa, с влажным континентальным летом, мягким или жарким, без сухого сезона. 30-летняя средняя годовая температура составляет 5,4 °C, а количество осадков — 1067 мм [11]. Самый холодный месяц имеет среднюю температуру ниже −11 °C, а самый теплый месяц имеет средний дневной максимум 28 °C. VT-Farm находится в зоне выносливости растений USDA Plant Hardiness Zone 4, а сезоны роста на открытом воздухе составляют приблизительно 5 месяцев в году. Почвы на ферме VT представляют собой илистые суглинки Entisols, образовавшиеся в результате недавней переработки флювиогляциальных отложений и ледникового вымывания (Рисунок 1C,D; Таблица 1). Участки, исследованные на ферме VT, подвергаются традиционной обработке (10-дюймовые дисковые плуги) два раза в год перед посевом покровных культур и посадкой. На ферме VT выращивают разнообразные органические овощи: тыквенные, зонтичные, крестоцветные, амариллисовые и землянику (клубнику). Покровные культуры на ферме VT представляли собой либо незасеянный пар, либо смеси суданской травы (Sorghum drummondii), озимой ржи (Secale cereale), вики мохнатой (Vicia villosa) и белого клевера (Trifolium repens). Почвы на обоих полях известкуются каждые четыре-пять лет (гранулированная кальциевая известь), а внесение навоза и компоста ограничивается одним разом в четыре года. RD был добавлен в 2019 году в норме 6,7 тонны на гектар (3 тонны на акр) в соответствии с рекомендациями производителя Rock Dust Local LLC (Бридпорт, Вермонт, США).

Рисунок 1. На панели 1 (A) показано расположение двух исследуемых ферм. На панели 1 (B) показаны ферма VT и поля. На панели 1 (C) показана коллекция почв, а на панели 1 (D) — почвенный профиль на ферме VT. На панели 1 (E) показана ферма MA и ее поля. На панели 1 (F) показана коллекция почв, а на панели 1 (G) — почвенный профиль на ферме MA. 

Таблица 1. Описание местоположения фермы, климата и свойств почвы. Lat — широта, Long — долгота, MAT — среднегодовая температура, MAP — среднегодовое количество осадков.

Many Hands Farm (далее именуемая MA-Farm) — это органическая ферма, расположенная в городе Барре, штат Массачусетс (Рисунок 1A), в холмистой местности в центральной части штата (Рисунок 1E). Согласно классификации климата по Кеппену, климат является граничным между Dfa и Dfb, с влажным континентальным мягким или жарким летом и без сухого сезона. Среднегодовая температура составляет 8,1 °C, а на ферме выпадает 1295 мм осадков в среднем за 30 лет [11]. Самый холодный месяц имеет дневной минимум -10 °C, а самый теплый месяц имеет средний дневной максимум 28 °C. MA-Farm находится в зоне выносливости растений USDA 5a, а сезоны роста на открытом воздухе составляют приблизительно 5 месяцев в году. Почвы на MA-Farm — супесь Inceptisols, образованная из абляционной ледниковой морены (Рисунок 1F,G). В отличие от картографических данных NRCS, почвы представляют собой молодые каменистые инсептисоли (Таблица 1), которые, возможно, были сподосолями до вырубки лесов и перевода в сельскохозяйственные угодья. Участки, исследованные в MA-Farm, обрабатываются по нулевой технологии и используются в севообороте с корнеплодами и овощными культурами: крестоцветными, тыквенными, пасленовыми, маревыми и зонтичными. В 2015 году на поле с внесенным RD было внесено около 6,7 тонн/га (3 тонны на акр) базальтового RD, также в соответствии с рекомендациями производителя.

Отбор проб почвы на обеих фермах проводился весной 2021 года перед обработкой почвы и посадкой. На ферме VT-Farm выращивали озимую пшеницу (Triticum aestivum), а на ферме MA-Farm – пар со стеблями крестоцветных (Brassicacea). На поле, добавленном RD, и на соседнем контрольном поле были выбраны три неграничных участка. В каждом из трёх участков отбора проб на каждом поле была выкопана одна почвенная яма глубиной не менее 0,8 м с помощью лопат и отобраны образцы блоками размером 5 см × 10 см × 10 см для верхних 20 см и 10 см × 10 см × 10 см. Почвы фермы VT были отобраны на глубину до 110 см, что соответствует подошве горизонта Bw, в то время как почвы фермы MA были отобраны на глубина до 80 см, в подошве горизонта Bw и верхней части горизонта Bx. Всего на ферме MA и на ферме VT было заложено шесть почвенных разрезов. Каждый прямоугольный блок глубиной 5 см и 10 см был аккуратно извлечен из почвенного разреза, упакован в 7,6-литровые полиэтиленовые пакеты и доставлен в Массачусетский университет в Амхерсте для переработки. Плотность почвы определялась по сухой массе, собранной из каждого блока.

2.2. Разделение агрегатов, размер частиц и минералогия

Было изучено образование крупных макроагрегатов (почвенных фрагментов), которые были отделены путем сухого просеивания влажных в полевых условиях почв с использованием комбинации процедур просеивания, описанных Хельгасоном и соавторами [12]. Вкратце, 500 г влажных в полевых условиях почв были просеяны с использованием специального сита с размером ячеек 50 мм и сита с размером ячеек 2 мм в течение 15 секунд на просеивающей машине Retsch (Retsch GmbH., Хаан, Германия). Были собраны оставшиеся очень крупные агрегаты (>50 мм) и крупные агрегаты (>2 мм). Почва, прошедшая через сито с размером ячеек 2 мм, также была собрана для определения массы негрубых агрегатов, включая как рыхлую почву, так и микроагрегаты вместе. Все видимые растительные остатки, фауну и камни были удалены до и после процедуры просеивания.

Для определения гранулометрического состава почв использовался модифицированный метод ареометра Буйоко [13]. Во-первых, для удаления органического вещества использовалась потеря при прокаливании (LOI). Затем к почве добавляли 100 мл 1 М раствора гексаметафосфата натрия (ГМП) не менее чем на 8 ч для диспергирования почвенных частиц. Эту суспензию ГМП-почва промывали деионизированной водой в градуированный цилиндр объемом 1000 мл. Показания ареометра снимали через 1,0 мин, 1,5 мин, 1,5 ч и 2 ч после смешивания с точностью до 0,5 г/л для определения осаждения частиц песка и ила, при этом частицы глины определяли по оставшейся массе в растворе [13].

Минералогическая характеристика образцов почвы и базальта была выполнена с помощью рентгеновской дифракции на случайных порошковых образцах и ориентированных образцах для углубленной идентификации глинистых минералов. Для количественной оценки приблизительно 0,5 г каждого образца было помещено на предметное стекло и проанализировано в диапазоне от 5° до 55° 2θ (разрешение 0,02°, 1° мин⁻¹) с использованием Rigaku Miniflex-2, оснащенного источником рентгеновского излучения Cu Kα. Количественная оценка была выполнена с использованием модуля подгонки профиля всего образца Ритвельда в PDXL2 (Rigaku Corporation 2007–2017). Углубленная характеристика глины состояла из сравнения положений пиков и интенсивностей после трех специальных обработок для каждого образца: сушка на воздухе, сольватация этиленгликолем и термообработка при 400 °C в течение 35 минут, согласно [14, 15].

2.3. Химический анализ почвы

Для определения pH почвы использовали суспензию почвы с водой в соотношении 2:5. Навеску почвы массой 4,0 г смешивали с 10 г 0,1 М раствора CaCl₂. Суспензии встряхивали в течение 1 часа на возвратно-поступательном шейкере и фильтровали через фильтр Whatman 40. pH надосадочной жидкости измеряли с помощью pH-метра (8015 VWR).

Для измерения общего содержания органического углерода 1,0 г пробы почвы подкисляли 2 мл 1 М раствора HCl для удаления неорганического углерода. Затем пробу повторно высушивали, измельчали в агатовой ступке и просеивали через сито с размером ячеек 0,10 мм. Затем 15 мг измельченной подкисленной пробы взвешивали, помещали в жестяные банки и анализировали на содержание углерода с помощью анализатора Costech Elemental Combustion System 4010 (Costech Analytical Tech Inc., Валенсия, Калифорния, США). Каждые 10 образцов включали холостую пробу и два материала для непрерывной проверки калибровки (CCV): ацетанилид и атропин. Коэффициент извлечения CCV составил 100,1%, а коэффициент вариации (CV) – 0,3%.

Из почв извлекали доступные растениям питательные вещества. Для этого 2,00 г почвы взвешивали в центрифужных пробирках объёмом 50 мл, экстрагировали 30 мл небуферизованного 0,1 М раствора ацетата аммония, встряхивая в течение 8 ч, и оставляли ещё на 16 ч для достижения динамического равновесия. Затем почвенную суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 1,5 ч, после чего собирали надосадочную жидкость. Почву не измельчали, чтобы избежать образования новых поверхностей для растворения вновь вышедших на поверхность минералов. Для каждых 20 образцов включали холостой пробоподготовки, дубликат и контрольный образец (CCV). В качестве контрольного образца (CCV) использовали почву Сан-Хоакин 2709a из Национального института стандартов и технологий (NIST, Гейтерсберг, Мэриленд, США). Экстракты были проанализированы на содержание Ca, Mg, K, P, B, Mn, Cu и Zn с помощью оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой Agilent 5110 (Agilent Technologies Inc., Санта-Клара, Калифорния, США). Из-за фонового загрязнения и помех, связанных с длиной волны, пределы количественного определения (ПКО) были следующими: Ca 0,10 мг/л, Mg 0,10 мг/л, K 0,10 мг/л, P 0,05 мг/л, B 0,03 мг/л, Mn 0,03 мг/л, Cu 0,03 мг/л и Zn 0,03 мг/л. Сертифицированных значений концентраций обменных веществ для почвы Сан-Хоакин по данным NIST не существует; Однако коэффициент вариации (CV) для всех элементов находился в пределах 7%. Коэффициенты вариации для CCV были следующими: Ca 0,2%, Mg 0,2%, K 0,3% и P 0,1%, что соответствует 1 мг/л; B 0,3%, Mn 0,3%, Cu 0,4% и Zn 0,3%, что соответствует 0,1 мг/л.

2.4. Реакторы периодического действия

Периодические реакторы были проведены с использованием трех почв Новой Англии (MA, VT и NH), чтобы оценить, соответствуют ли скорости высвобождения элементов полевым наблюдениям и влияет ли физический состав RD на высвобождение питательных веществ. Были использованы три почвы горизонта A из трех сельскохозяйственных почв (Таблица 2): почвенная серия Chatfield (Typic Dystrudepts), собранная из Whately, MA, почвенная серия Glover (Lithic Dystrudepts), собранная из Weathersfield, VT, и почвенная серия Rumney (Fluvaquentic Endoaquepts), собранная из Haverhill, NH. Все три почвы были органическими пастбищами или пахотными угодьями и не подвергались известкованию или получению синтетических удобрений в течение последних 10 лет. Вкратце, 5,000 г ± 0,010 г почвы взвешивали в каждой пробирке и погружали в 30 мл раствора для обработки в промытых кислотой центрифужных пробирках объемом 50 мл. Всего было применено шестнадцать уникальных обработок с пятью повторностями. Контроль: только почва VT-Farm, которая была повторена четыре раза, причем каждая из норм внесения контролировала различия между партиями. Были протестированы три обработки: контроль (в которой была только почва и не добавлялся RD), RD Treatment 1 (которая включала 0,4 г RD, что соответствует 5 тоннам га⁻¹ внесения коммерчески доступного базальта Холиок, однородно перемешанного в пределах 10 см почвы) и RD Treatment 2 (которая также включала 0,4 г RD, дополнительно просеянного порошка горной породы с более высокой долей ила). RD Treatment 1 содержал неизмененный коммерческий продукт с ~80% песка, ~18% ила и 2% глины), в то время как RD Treatment 2 представлял собой очищенный продукт с ~60% песка (~38% ила и 2% глины). Для процесса очистки 1 кг товарного базальта от Rock Dust Local был просеян до фракции <0,05 мм для удаления частиц песчаного размера, которые затем добавлялись к более мелким частицам в заданном количестве для достижения желаемого содержания песка. Это было сделано для имитации возможного просеивания до более мелких частиц, проводимого производителем. Базальт, полученный методом предварительного измельчения, не подвергался дроблению, что позволило добиться более высокого содержания глины, поскольку дробление может ограничивать затраты при его производстве.

Таблица 2. Физико-химические свойства почв, полученных в реакторах периодического действия.

Для каждого реактора периодического действия использовали 30 мл раствора искусственной почвы 10 мМ NaCl при pH 6,5 с 10 мМ раствором уксусной кислоты/ацетата Na. Растворы встряхивали на настольном возвратно-поступательном шейкере Eberbach со скоростью 180 колебаний в минуту в течение 14 дней. Затем образцы центрифугировали при 2500 об/мин в течение 1 ч, супернатант декантировали и фильтровали до <0,45 мкм. Растворы в реакторе периодического действия подкисляли до pH 1 с помощью 0,2 г 15 M HNO₃. Экстракты анализировали на содержание Ca, Mg, K, P, B, Mn, Cu и Zn с помощью оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой Agilent 5110 (Agilent Technologies Inc., Санта-Клара, Калифорния, США). Значения пределов количественного определения и коэффициентов вариации элементов в растворе экстракта периодического реактора составили 0,007 мг/л и 1–3% соответственно.

2.5. Элементный и минералогический анализы базальтовой пыли (RD)

Для определения общего элементного состава использовали полное разложение каменной пыли в растворе HF-HNO₃. Для обеспечения полноты разложения проводили трижды взятые пробы по 20 мг, помещенные в три флакона PFA объёмом 30 мл. Для процедуры разложения добавляли 2,5 мл 15,6 M HNO₃ и 2,5 мл 28,9 M HF, герметично закрывали колпачком и нагревали до 170 °C в течение 48 часов. После начального этапа разложения смесь охлаждали до 25 °C, снимали колпачок, высушивали до состояния влажной пасты и трижды ресуспендировали в 2 мл 15,6 M HNO₃ для полного удаления SiF₆. После последующей сушки конечную пасту ресуспендировали в 5 мл 7,8 М HNO₃, снова закрывали крышкой и нагревали при 170 °C в течение 24 часов. Затем раствор разбавляли до 50 мл деионизированной водой 18,2 МОм∙см. Разложение повторяли с процедурным холостым раствором и двумя стандартными образцами горных пород USGS. Эти общие разложения анализировали с помощью оптико-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой Agilent 5110 (Agilent Technologies Inc., Санта-Клара, Калифорния, США). Коэффициенты извлечения SRM составляли от 93 до 101% для макро- и микроэлементов; инструментальные пределы количественного определения и коэффициенты вариации элементов представлены в конце раздела 2.3. Общий элементный состав RD приведен в таблице 3.

Таблица 3. Общие концентрации макро- и микроэлементов, определённые методом полного разложения с помощью анализа ICP-OES. Один и тот же RD использовался как на органических фермах, так и в лабораторных реакторах периодического действия. В качестве RD использовался базальт Blue Ridge, продаваемый компанией Rock Dust Local, Inc. (Бридпорт, штат Вермонт, США), полученный из метаморфизованных базальтов в Вирджинии.

Минералогический состав и распространенность каменной пыли определялись методом рентгеновской дифракции (XRD) с использованием Rigaku MiniFlex II, оснащенного источником рентгеновского излучения Cu Kα. Примерно 0,5 г каменной пыли, измельченной и просеянной до <50 мкм, прессовалось, помещалось в порошок на предметное стекло и анализировалось в диапазоне углов 2θ от 5 до 55° со скоростью 1° в минуту и разрешением 0,02°. Уточнение по Ритвельду проводилось для количественной оценки дифрактограмм с использованием модуля полного профиля в программном обеспечении PDXL2 2.1 от Rigaku Corporation 2007–2017 [16]. Минеральный состав RD представлен в таблице 4.

Таблица 4. Минералогический состав RD, определенный методом рентгеновской дифракции. Приведен идеализированный минеральный состав, процентное содержание указано в г⁻¹.

2.6 Анализ данных и статистические тесты

Описательная статистика, а также параметрические и непараметрические статистические тесты, рассчитывались в программе Matlab (Mathworks, Натик, Массачусетс, США). В тексте представлены минимальные и максимальные значения; средние арифметические значения ± 1 стандартная ошибка (SE) представлены в тексте и на рисунках. Стандартная ошибка рассчитывалась на основе стандартного отклонения результатов трёх повторных почвенных разрезов или четырёх повторных анализов в реакторах периодического действия, а также квадратного корня из содержания азота (N). Концентрации органического углерода (SOC), доступных для растений макроэлементов и микроэлементов были пересчитаны в расчёт на единицу площади с учётом плотности насыпи почвы и глубины сбора. Вариабельность данных о концентрации и запасах представлена с использованием стандартной ошибки результатов трёх повторных почвенных разрезов и распространения аналитической ошибки. Поскольку размеры выборок были небольшими и не соответствовали критериям параметризации, для сравнения трёх или более образцов использовался не-параметрический критерий Краскела–Уоллиса, а также апостериорные ранговые тесты Вилкоксона.

3.1. Различия в физических и химических свойствах почв при РД

В первой гипотезе ожидалось, что улучшения физических и химических свойств здоровья почвы от применения базальтового RD на обеих фермах будут наблюдаться. Обрабатываемые почвы на VT-Farm имели меньше крупных агрегатов, чем на MA-Farm, что согласуется со многими предыдущими исследованиями, показывающими, что обработка почвы изменяет агрегацию [17]. В качестве яркого примера, метаанализ Лю и соавторов [17] обнаружил увеличение на 45% крупных агрегатов (>2 мм) в 89 исследованиях. Медианные очень крупных агрегатов и медианные крупных агрегатов для всех почвенных профилей на MA-Farm составили 14% и 7% соответственно. Значительные различия в грубой и очень грубой агрегации наблюдались на VT-Farm, но не на MA-Farm. Крупных агрегатов было значительно больше при добавлении RD, чем без RD в верхних 30 см почвенного профиля на VT-Farm (Рисунок 2). Более того, в верхних 60 см почвенного профиля на ферме VT-Farm содержание очень крупных агрегатов было значительно выше в почвах с внесением RD, чем в почвах без RD (Рисунок 2). Медианное содержание очень крупных агрегатов и медианное содержание крупных агрегатов во всем профиле почвы на ферме VT-Farm составило 35% и 15% соответственно. На ферме VT-Farm содержание очень крупных агрегатов уменьшалось с глубиной на поле с внесением RD, но увеличивалось с глубиной на поле без RD.

Рисунок 2. Сравнение крупных и очень крупных агрегатов в почвенных профилях полей с внесением RD и без него на фермах VT и MA. N = 3 для каждого поля. (*) указывает на значимое различие (p < 0,05) по критерию суммы рангов Вилкоксона.

Эти результаты частично подтверждают гипотезу о том, что добавление RD улучшит агрегацию почвы, которая является важным показателем здоровья почвы с точки зрения уплотнения почвы, инфильтрации воды, стабильности почвы и предотвращения эрозии почвы [18, 19]. Сравнивая весь профиль почвы на обеих фермах, результаты показывают увеличение медианного обилия агрегатов на 4–20 %, что сопоставимо с увеличением агрегатов от добавления биоугля с 16 % более высокой агрегацией в метаанализе, проведенном Исламом и соавторами [20] из 119 исследований. Если исследовать только верхние 20 см, результаты показывают увеличение агрегации на 15–25 % при добавлении RD, что превышает агрегацию биоугля [20]. Необходимы методы, основанные на микроскопии, для оценки того, как RD способствует агрегации, а также оправданы методы анализа микроагрегатов. Выветривание RD может привести к образованию вторичных оксигидроксидов Al и Fe, которые могут способствовать образованию органо-минеральных комплексов, а увеличение подземной биомассы из RD может быть косвенным из-за добавления RD. Одним из потенциальных ограничений образования агрегатов на ферме MA является то, что добавление RD не привело к значительному изменению гранулометрического состава почвы, а значительные изменения в агрегатах обычно обусловлены изменениями количества частиц ила и глины [17, 21]. Другой аспект заключается в том, что неоднородность агрегатов почвы на полях MA-Farm, вероятно, ограничила возможность выявления значительного эффекта, который потребовал бы более высокой плотности отбора проб и, вероятно, лабораторных условий для адекватной оценки. Несмотря на различные текстуры на двух фермах, агрегация улучшилась, и это говорит о том, что на крупнозернистые песчаные почвы и текстуры умеренно пылеватых суглинков может положительно повлиять внесение RD.

Были отмечены значительные различия в pH почвы и SOC в ответ на RD на двух фермах. Медианный pH почвы и медианный %C для всех почвенных профилей на VT-Farm составили 5,59 и 1,66% соответственно. На VT-Farm pH почвы не менялся с глубиной для полей и существенно не отличался при внесении RD. SOC был значительно выше при внесении RD в верхние 20 см, но снижался ниже 20 см до концентраций, аналогичных полю без RD (Рисунок 3). Медианный pH почвы и медианный %C для всех почвенных профилей на MA-Farm составили 5,36 и 3,04% соответственно. Было отмечено значительно более высокое значение pH почвы для поля с внесением RD для большей части верхних 60 см почвы (Рисунок 3). Однако уровень органического углерода (SOC) был значительно выше только на поле с внесением RD в верхних 10 см почвы, но был аналогичен уровню без RD в глубине 10 см (Рисунок 3). Различная реакция pH на внесение RD может быть связана с использованием известняка на всех полях фермы VT, в то время как ферма MA не использует известь систематически.

Рисунок 3. Сравнение pH почвы (0,01 M CaCl₂) и SOC в почвенных профилях полей с добавлением RD и без добавления RD на фермах VT и MA. N = 3 для каждого поля. (*) указывает на значимое различие (p < 0,05) по критерию суммы рангов Вилкоксона.

Эти результаты также частично подтверждают гипотезу о том, что добавление RD улучшит два ключевых показателя здоровья почвы: pH почвы и SOC. Увеличение SOC может помочь с инфильтрацией воды, удержанием воды, стабильностью агрегатов, микробными сообществами почвы и хранением питательных веществ [22, 23, 24]. pH почвы важен для стимуляции микробной активности, доступности питательных веществ и роста корней [25]. Сравнивая верхние 20 см профиля почвы на обеих фермах, наблюдалось значительное увеличение, на что указывают результаты, обозначающие абсолютное увеличение концентрации SOC на 1,7–2,9% и увеличение единицы pH на 0,5 на ферме MA. Увеличение SOC составило от 69% до 135% в верхних 20 см почвы на обеих фермах, что сопоставимо с увеличением SOC от добавления биоугля на 67% до 105% в метаанализе, проведенном Шагасом и др. [26] из 169 исследований. Это особенно важно, поскольку биоуголь и другие почвенные добавки напрямую добавляют SOC, в то время как RD способен увеличивать SOC, стабилизированный в почве, что приводит к чистому увеличению секвестрации углерода. Была выдвинута гипотеза, что выветривание RD способствует образованию органо-минеральных комплексов за счет повышения щелочности почвы [8] и образования вторичных оксидов Al и Fe [9]. Более того, увеличение подземной биомассы и производных продуктов растений, таких как корни, корневые выделения и ризосферный углерод, также может быть важным; этому увеличению косвенно способствует добавление RD [27, 28].

3.2. Различия в содержании неорганических макро- и микроэлементов в почве при РД

Во второй гипотезе ожидалось, что выветривание примененного базальтового RD приведет к увеличению доступных для растений макро- и микроэлементов на обеих фермах. На ферме VT медианные доступные для растений концентрации Ca, Mg, K и P по всему почвенному профилю составляли 529 мг кг⁻¹, 55 мг кг⁻¹, 110 мг кг⁻¹ и 0,6 мг кг⁻¹ соответственно. Доступные для растений Mg и K находились в оптимальных концентрациях для полевых и кормовых культур согласно почвенному тесту Университета Вермонта, но доступный для растений P находился в диапазоне низких концентраций [29]. Низкая концентрация P, вероятно, связана с почвенным тестом UVM, в котором используется модифицированная вытяжка Моргана, поскольку ацетат является более сильным экстрагентом для P, чем Cl⁻ [30]. На ферме MA были более высокие доступные для растений концентрации Ca, Mg и P; Средние концентрации Ca, Mg, K и P, доступные растениям по всему профилю почвы, согласно данным MA-Farm, составили 870 мг/кг, 106 мг/кг, 91 мг/кг и 1,21 мг/кг соответственно. Сравнивая эти значения с рекомендациями по содержанию питательных веществ для полевых культур в Массачусетсе, можно отметить, что содержание Mg было оптимальным, содержание Ca и K – низким, а содержание P – очень низким [31]. Аналогично почвам VT-Farm, использование ацетата в составе модифицированного экстракта Моргана позволяет более эффективно переводить P в раствор.

Результаты показывают, что на двух фермах наблюдались специфические эффекты от RD. Доступные для растений Ca и Mg значительно увеличились в верхних 35 см как для VT-Farm, так и для MA-Farm (Рисунок 4). Доступный для растений K имел несколько значительно более высоких концентраций на полях с внесенным RD в верхних 30 см на обеих фермах (Рисунок 4). Эти результаты подчеркивают, что внесение RD увеличило концентрации доступных для растений Ca, Mg и K до некоторой степени, что согласуется с большинством исследований, проверяющих влияние RD на почвенный Ca, Mg и K [4]. Однако следует отметить, что 44%, 39% и 36% исследований не обнаружили значительного влияния на Ca, Mg и K соответственно, как показано в обзоре Swoboda et al. [4]. Это, вероятно, связано с использованием различных литологий для RD, которые включают гранит, дунит, гнейс и полевые шпаты, а также различных тестовых почв, таких как Ultisols, Alfisols и Oxisols, в исследованиях, рассмотренных Swoboda и др. [4]. Увеличение Ca, Mg и K, вероятно, является результатом абиотического или биотического выветривания добавленного базальта, но также может быть связано с косвенными процессами усиления подземного роста, увеличения сорбции SOC и повышения pH почвы [5, 9, 32]. Однако подземный рост биомассы и концентрация неорганических питательных веществ не ожидаются, и это не наблюдалось в полевых испытаниях Kelland и др. [5]. Повышенные концентрации SOC и pH почвы, вероятно, увеличили сорбцию и удержание основных катионов, что является вероятными механизмами [4, 5].

Рисунок 4. Профили содержания макроэлементов в почве, доступных растениям, на полях с внесением RD и без RD на фермах VT и MA. N = 3 для каждого поля. (*) указывает на значимое различие (p < 0,05) по критерию суммы рангов Вилкоксона.

В отличие от гипотезы, не было обнаружено никаких существенных различий в доступном для растений фосфоре для фермы MA и значительно более низких концентрациях в верхних 20 см для фермы VT (Рисунок 4). Более низкий общий доступный для растений фосфор на ферме VT, возможно, был более восприимчив к изменениям по сравнению с более высоким доступным для растений фосфором на ферме MA. Это частично согласуется с предыдущими исследованиями, как показано в исследованиях, рассмотренных Свободой и соавторами [4], которые обнаружили, что 64% исследований не обнаружили значительного увеличения фосфора, а одно из четырнадцати исследований обнаружило уменьшение почвенного фосфора. Сорбция фосфора вторичными оксигидроксидами железа хорошо изучена [10], и увеличение Al и Fe из базальтового RD, скорее всего, отвечает за уменьшение доступного для растений фосфора в исследовании. Важно не предполагать, что это уменьшение количества легко обмениваемого фосфора негативно скажется на питании растений, поскольку ризосферные и корневые грибковые процессы могут повысить его растворимость и поглощение [33, 34].

Микроэлементы играют важную роль в росте растений и обычно недостаточно изучены в сельскохозяйственных системах, а их высвобождение из добавления RD было недостаточно изучено или охарактеризовано с точки зрения загрязнения [4]. Были исследованы только четыре основных микроэлемента: B, Mn, Cu и Zn, поскольку они необходимы для клеточного деления, компонентов клеточной стенки, фотосинтеза, метаболизма азота и компонентов ферментов [35, 36]. Учитывая доступные для растений микроэлементы, на ферме VT-Farm средние доступные для растений концентрации B, Mn, Cu и Zn по всему почвенному профилю составили 0,20 мг кг⁻¹, 1,01 мг кг⁻¹, 0,22 мг кг⁻¹ и 0,38 мг кг⁻¹ соответственно. На ферме MA-Farm концентрации доступных для растений микроэлементов были выше, чем на ферме VT-Farm, вероятно, из-за меньшего выветривания и переноса исходного материала почвы. На фермах MA-Farms средние концентрации B, Mn, Cu и Zn, доступные для растений, по всему профилю почвы составляли 0,67 мг кг⁻¹, 2,70 мг кг⁻¹, 0,32 мг кг⁻¹ и 0,66 мг кг⁻¹ соответственно. Концентрации B, доступные для растений, находились в типичном для обеих почв диапазоне от 0,2 до 1,0 мг кг⁻¹ [35, 37]. Концентрации Mn, доступные для растений, находились в диапазоне от 1,4 до 3,9 мг кг⁻¹, что типично для зерновых почв [35, 37]. Наконец, концентрации Cu и Zn, доступные для растений, также находились в диапазоне от 0,26 до 5,0 мг кг⁻¹, что типично для зерновых почв [35, 37].

Доступные для растений микроэлементы показали ограниченный рост от внесения RD на двух фермах. Доступный для растений B значительно увеличился в верхних 20 см как для VT-Farm, так и для MA-Farm (Рисунок 5). Концентрации доступных для растений Mn, Cu и Zn в значительной степени не были затронуты добавлением RD по всему профилю почвы на обеих фермах (Рисунок 5). В противоположность гипотезе, не было никаких существенных различий в доступном для растений P для MA-Farm и значительно более низких концентрациях в верхних 20 см для VT-Farm (Рисунок 4). Можно предположить, что алюмосиликатные минералы-хозяева для B, Mn, Cu и Zn подвергались ограниченным скоростям растворения, что предотвращало их обогащение в почвах двух ферм. Кроме того, неоднородность сельскохозяйственных почв порождала значительную изменчивость, ограничивая возможность обнаружения значительного добавления от выветривания базальта RD.

Рисунок 5. Профили содержания микроэлементов в почве, доступных растениям, на полях с внесением RD и без RD на фермах VT и MA. N = 3 для каждого поля. (*) указывает на значимое различие (p < 0,05) по критерию суммы рангов Вилкоксона.

3.3. Различия в уровне органического углерода (SOC) и пуле питательных веществ

Пулы рассчитывались с использованием плотности насыпи на глубину и измерялись концентрации SOC и доступных для растений питательных веществ на единицу массы, затем суммировались для всех глубин, чтобы установить их пулы на единицу площади. На двух фермах пулы SOC, Ca, Mg и K в верхних 30 см были значительно выше в почвах с внесенным RD. Отражая наши результаты концентрации, микроэлементы не всегда различались между почвами двух ферм (Таблица 5). Эти различия совпадают со значительными различиями, наблюдаемыми в их концентрациях. Возможно, что различия в пористости и плотности насыпи изменят значительные различия, наблюдаемые в концентрациях SOC и питательных веществ, но этого не произошло, поскольку различия в пулах соответствовали различиям в концентрациях. Только для фермы VT почвенные пулы P уменьшились с внесением RD, в то время как Mn увеличился. Только для фермы MA почвенные пулы B увеличились с внесением RD. Более выраженное увеличение содержания органического углерода (SOC), кальция, магния и калия (Ca, Mg и K) на ферме MA-Farm с нулевой обработкой и более грубой текстурой супесчаных почв может указывать на то, что специфические характеристики фермы могут существенно влиять на уровень эффекта для RD. В частности, сочетание RD и нулевой обработки на ферме MA-Farm может способствовать увеличению содержания органического углерода (SOC) и увеличению количества участков сорбции органического углерода (SOC), что способствует удержанию Ca, Mg и K. Более того, выветривание на RD может способствовать образованию большего количества оксигидроксидов, сорбирующих и удерживающих Ca, Mg и K. Аналогичным образом, повышенный pH и более высокий уровень SOC, вероятно, связаны со снижением микробной минерализации органического вещества и увеличением сорбционной способности почвы. Наконец, грубо-структурные супесчаные почвы на ферме MA-Farm могут способствовать более активному растворению минералов, что позволяет быстрее высвобождение Ca, Mg и K.

Таблица 5. Пулы почвы в верхних 30 см для органического углерода почвы (SOC), макроэлементов и микроэлементов, доступных растениям, между двумя фермами, а также с обработкой RD и контрольной группой. ∆ — это диапазон возможных изменений при применении RD, сравнивающий комбинации самых низких и самых высоких пулов. (*) указывает на значительную разницу (p < 0,05) между RD и контрольной группой на каждой ферме.

3.4 Эксперименты в реакторе периодического действия для проверки скорости высвобождения питательных веществ RD

В рамках третьей гипотезы были проведены эксперименты в реакторе периодического действия для подтверждения результатов об увеличении скорости высвобождения питательных веществ (Ca, Mg и K), а также об уменьшении содержания P при внесении RD. Использование реактора периодического действия и других лабораторных экспериментов по выветриванию имеет ряд недостатков, поскольку они создают искусственные условия, в которых отсутствует биологическое влияние микроорганизмов и химическое воздействие ризосферы, а скорость выветривания значительно выше, чем в полевых наблюдениях. Однако эти контролируемые эксперименты были необходимы для того, чтобы убедиться, что полевые наблюдения не являются артефактами, связанными с методами возделывания, наличием растительных остатков или другими внесенными в почву добавками.

Результаты реактора периодического действия подтверждают, что содержание некоторых макронутриентов значительно увеличилось в результате выветривания RD, но другие зависят от почвы. Скорость высвобождения Ca и Mg значительно увеличилась во всех почвах, за исключением Mg в почве NH (Рисунок 6). Скорость растворения распространённых минералов в базальте (анортит и диопсид, которые сопоставимы с лабрадором и геденбергитом соответственно) на один-два порядка выше, чем у гранитных минералов, содержащих Ca (роговая обманка и альбит) [38].

Рисунок 6. Результаты испытаний в реакторе периодического действия по скорости высвобождения макро- и микроэлементов при выветривании для трёх исследуемых почв (см. Таблицу 2). В варианте 1 использовался исходный гранулометрический состав базальтовой почвы (80% песка, 18% ила и 2% глины), тогда как в варианте 2 состав был уточнён до (60% песка, 38% ила и 2% глины). «ns» указывает на отсутствие существенной разницы (p > 0,05) между тремя вариантами обработки для каждой почвы, в то время как разные буквы (a и b) указывают на существенное различие (p < 0,05) между тремя вариантами обработки. Варианты с общей буквой не показали существенной разницы.

Обе обработки привели к медианному увеличению скорости высвобождения Ca примерно на 500% в трех почвах. Это подтверждает полевые наблюдения, что добавление RD значительно влияет на основные катионы Ca и Mg. Однако результаты реактора периодического действия также показывают, что высвобождение K не было значительно увеличено добавлением RD (Рисунок 6). Можно предположить, что продолжительность выветривания была недостаточной, чтобы увидеть растворение и высвобождение K из мусковита в RD [39]. Более вероятно, что увеличение K в полевых испытаниях могло быть результатом более высокого SOC, сохраненного в полевых почвах, в отличие от выветривания RD, увеличивающего доступный для растений K. Реакторы периодического действия подтверждают, что RD отрицательно повлиял на P, поскольку скорость высвобождения P значительно снизилась на −11% до −27% при добавлении RD для почвы VT и почвы MA, но не для почвы NH. Уменьшение P согласуется с полевыми наблюдениями. Мы предполагаем, что высвобождение Fe из RD приводит к осаждению оксигидроксидов Fe, которые адсорбируют P.

Результаты реактора периодического действия микроэлементов показывают, что не было никакого значительного увеличения от добавления RD. Скорости высвобождения Mn были значительно увеличены для почвы VT, но не для почв MA или NH (Рисунок 6). Скорости высвобождения B, Cu и Zn не были значительно увеличены при добавлении RD. Эти результаты частично подтверждают, что добавление RD не оказало значительного влияния на микроэлементы (Mn, B, Cu и Zn). Более того, продолжительность эксперимента по выветриванию (14 дней), вероятно, была недостаточно длинной, чтобы увидеть растворение и высвобождение микроэлементов, замененных алюмосиликатами [38]. Кроме того, повышенное содержание B в полевых испытаниях могло быть результатом более высокой сорбции на SOC, подобно тому, как это наблюдалось для K. Необходимы дальнейшие исследования с акцентом на изменениях в составе акцессорных минералов, которые являются ключевыми источниками высвобождения микроэлементов во время выветривания почвы и растворения минералов.

3.5 Выводы и дальнейшие направления

В комбинированных полевых и лабораторных экспериментах в реакторе периодического действия результаты показали, что добавление базальтового RD может значительно улучшить физические (агрегацию) и химические свойства (pH, SOC, Ca, Mg и K) в органических сельскохозяйственных почвах. Некоторые значительные улучшения произошли в грубой агрегации почвы, повышении pH почвы и повышении SOC при добавлении RD как в обработанные, так и в полевые почвы с нулевой обработкой. Потенциальный механизм заключается в высвобождении RD Fe, которое образует вторичные оксигидроксиды Fe, которые способствуют снижению минерализации SOC и способствуют образованию органо-минеральных комплексов (Рисунок 7). Добавление мелких частиц, возможно, не оказало существенного влияния на текстуру почвы; таким образом, можно предположить, что именно выветривание базальтового RD привело к улучшению здоровья почвы. Однако нельзя исключать потенциальную косвенную обратную связь улучшения роста сельскохозяйственных культур, которая могла вызвать улучшение агрегации и SOC.

Рисунок 7. Схема, суммирующая наши результаты полевых исследований и исследований в реакторах периодического действия, а также потенциальное воздействие на почву после внесения базальтового рудного удобрения (RD). Наши данные косвенно указывают на то, что RD и SOC образуют органо-минеральные комплексы и снижают минерализацию SOC; содержание фосфора, доступного растениям, снижается из-за образования оксигидроксидов железа при выветривании RD. Однако для подтверждения этих механизмов необходимы дополнительные эксперименты.

В дополнение к физическим и химическим свойствам здоровья почвы, в сельскохозяйственных почвах наблюдались значительно более высокие концентрации и запасы доступных для растений Ca, Mg и K. Это увеличение Ca и Mg можно объяснить выветриванием базальтового RD, поскольку эксперименты с реактором периодического действия показали значительное увеличение Ca и Mg. Однако уровень K не был значительно увеличен в лабораторных экспериментах с реактором периодического действия. Полевые испытания показали более высокий уровень K, что могло быть результатом косвенных процессов, таких как повышенная сорбция за счет более высокого pH почвы или большего содержания SOC в полевых почвах. Исследование показало сопоставимое или более низкое содержание доступного для растений P в полевых почвах и экспериментах с реактором периодического действия. Более высокий pH почвы, более высокое содержание SOC и образование вторичных оксигидроксидов Fe, вероятно, привели к большей сорбции P (Рисунок 7). Уменьшение содержания доступного для растений P может не представлять проблемы для здоровья почвы, поскольку корни растений могут растворять P в ризосфере посредством биотических и абиотических процессов. Более того, большая сорбция P может повысить общую эффективность питательных веществ, предотвращая потери с фильтратом. Однако, поскольку реакция сельскохозяйственных культур на РД не оценивалась, эти возможные процессы также не оценивались и должны рассматриваться как предположительные.

Для критической оценки базальтового рудного удобрения (РД) в качестве почвоулучшителя необходимы дальнейшие исследования. Элементный и минералогический состав базальтов варьируется и может по-разному влиять на здоровье почвы и содержание питательных веществ. В данном исследовании оценивались только полевые почвы и реакторы периодического действия при одной норме внесения. Более или менее высокие нормы внесения базальтового РД могут усиливать или ослаблять эффекты, выявленные в исследовании. Наконец, микроэлементы в РД изучены недостаточно, хотя они являются необходимыми элементами, но могут оказывать вредное воздействие на растения в повышенных концентрациях. В будущих исследованиях следует рассмотреть микроэлементы, оказывающие оба вида воздействия на здоровье почвы.

Ссылки

1.    United States Department of Agriculture—National Agricultural Statistics Service. Certified Organic Survey 2021 Summary—December 2022. Available online: https://www.nass.usda.gov/Surveys/Guide_to_NASS_Surveys/Organic_Production/index.php (accessed on 3 April 2024).

2.    Edgell, J.; Osmond, D.L.; Line, D.E.; Hoyt, G.D.; Grossman, J.M.; Larsen, E.M. Comparison of surface water quality and yields from organically and conventionally produced sweet corn plots with conservation and conventional tillage. J. Environ. Qual. 2015, 44, 1861–1870. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed][Green Version]

3.    Goreau, T.J.; Larson, R.W.; Campe, J. (Eds.) Geotherapy: Innovative Methods of Soil Fertility Restoration, Carbon Sequestration, and Reversing CO2 Increase; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2014. [Google Scholar]

4.    Swoboda, P.; Döring, T.F.; Hamer, M. Remineralizing soils? The agricultural usage of silicate rock powders: A review. Sci. Total Environ. 2022, 807, 150976. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

5.    Kelland, M.E.; Wade, P.W.; Lewis, A.L.; Taylor, L.L.; Sarkar, B.; Andrews, M.G.; Lomas, M.R.; Cotton, T.A.; Kemp, S.J.; James, R.H.; et al. Increased yield and CO2 sequestration potential with the C4 cereal Sorghum bicolor cultivated in basaltic rock dust-amended agricultural soil. Glob. Change Biol. 2020, 26, 3658–3676. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

6.    Lefebvre, D.; Goglio, P.; Williams, A.; Manning, D.A.; de Azevedo, A.C.; Bergmann, M.; Meersmans, J.; Smith, P. Assessing the potential of soil carbonation and enhanced weathering through Life Cycle Assessment: A case study for Sao Paulo State, Brazil. J. Clean. Prod. 2019, 233, 468–481. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Kabata-Pendias, A.; Szteke, B. Trace Elements in Abiotic and Biotic Environments; Taylor & Francis: Abingdon, UK, 2015; p. 468. [Google Scholar]

8.    Vienne, A.; Poblador, S.; Portillo-Estrada, M.; Hartmann, J.; Ijiehon, S.; Wade, P.; Vicca, S. Enhanced weathering using basalt rock powder: Carbon sequestration, co-benefits and risks in a mesocosm study with Solanum tuberosum. Front. Clim. 2022, 4, 72. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Dontsova, K.; Zaharescu, D.; Henderson, W.; Verghese, S.; Perdrial, N.; Hunt, E.; Chorover, J. Impact of organic carbon on weathering and chemical denudation of granular basalt. Geochim. Cosmochim. Acta 2014, 139, 508–526. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Freese, D.; Van der Zee, S.E.A.T.M.; Van Riemsdijk, W.H. Comparison of different models for phosphate sorption as a function of the iron and aluminium oxides of soils. J. Soil Sci. 1992, 43, 729–738. [Google Scholar] [CrossRef]

11. PRISM Climate Group, Oregon State University 30-Year Normals. Available online: http://prism.oregonstate.edu/ (accessed on 19 September 2023).

12. Helgason, B.L.; Walley, F.L.; Germida, J.J. No-till soil management increases microbial biomass and alters community profiles in soil aggregates. Appl. Soil Ecol. 2010, 46, 390–397. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Gee, G.W. Particle size analysis. In Methods of soil analysis/ASA and SSSA; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 1986. [Google Scholar]

14. Moore, D.M.; Reynolds, R.C., Jr. X-Ray Diffraction and the Identification and Analysis of Clay Minerals, 2nd ed.; Oxford University Press: Oxford, NY, USA, 1997; p. xviii+378. [Google Scholar]

15. Schroeder, P.A. Clays in the Critical Zone; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2018; p. 254. [Google Scholar]

16. Downs, R.T.; Hall-Wallace, M. The American Mineralogist crystal structure database. Am. Mineral. 2003, 88, 247–250. [Google Scholar]

17. Liu, X.; Wu, X.; Liang, G.; Zheng, F.; Zhang, M.; Li, S. A global meta-analysis of the impacts of no-tillage on soil aggregation and aggregate-associated organic carbon. Land Degrad. Dev. 2021, 32, 5292–5305. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Blanco-Canqui, H.; Ruis, S.J. No-tillage and soil physical environment. Geoderma 2018, 326, 164–200. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Rieke, E.L.; Bagnall, D.K.; Morgan, C.L.; Flynn, K.D.; Howe, J.A.; Greub, K.L.; Mac Bean, G.; Cappellazzi, S.B.; Cope, M.; Liptzin, D.; et al. Evaluation of aggregate stability methods for soil health. Geoderma 2022, 428, 116156. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Islam, M.U.; Jiang, F.; Guo, Z.; Peng, X. Does biochar application improve soil aggregation? A meta-analysis. Soil Tillage Res. 2021, 209, 104926. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Attou, F.; Bruand, A.; Le Bissonnais, Y. Effect of clay content and silt—Clay fabric on stability of artificial aggregates. Eur. J. Soil Sci. 1998, 49, 569–577. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Hudson, B.D. Soil organic matter and available water capacity. J. Soil Water Conserv. 1994, 49, 189–194. [Google Scholar]

23. Deb, S.; Bhadoria, P.B.S.; Mandal, B.; Rakshit, A.; Singh, H.B. Soil organic carbon: Towards better soil health, productivity and climate change mitigation. Clim. Chang. Environ. Sustain. 2015, 3, 26–34. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Guo, Z.; Han, J.; Li, J.; Xu, Y.; Wang, X. Effects of long-term fertilization on soil organic carbon mineralization and microbial community structure. PLoS ONE 2019, 14, e0211163. [Google Scholar]

25. Neina, D. The role of soil pH in plant nutrition and soil remediation. Appl. Environ. Soil Sci. 2019, 2019, 1–9. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Chagas, J.K.M.; de Figueiredo, C.C.; Ramos, M.L.G. Biochar increases soil carbon pools: Evidence from a global meta-analysis. J. Environ. Manag. 2022, 305, 114403. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Kell, D.B. Large-scale sequestration of atmospheric carbon via plant roots in natural and agricultural ecosystems: Why and how. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 2012, 367, 1589–1597. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Bai, Y.; Cotrufo, M.F. Grassland soil carbon sequestration: Current understanding, challenges, and solutions. Science 2022, 377, 603–608. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

29. Ross, D.S.; Tilley, J.; Darby, H.; Carter, J.; Workman, K. Nutrient Recommendations for Field Crops in Vermont. University of Vermont Extension. 2017. Available online: https://dec.vermont.gov/sites/dec/files/wmp/residual/UVM%20nutrient-recommendations-2017.pdf (accessed on 1 September 2023).

30. Ross, D.S.; Ketterings, Q. Recommended methods for determining soil cation exchange capacity. In Recommended Soil Testing Procedures for the Northeastern United States; University of Delaware: Newark, DE, USA, 1995; Volume 493, p. 62. [Google Scholar]

31. Hashemi, M.; Weis, S.; Kraemer, K.; Spargo, J. Nutrient Recommendations for Field Crops in Massachusetts. University of Massachusetts Amherst, Center for Agriculture, Food, and the Environment. UMass Extension Crops, Dairy, Livestock and Equine Program CDLE Pub. 16-02. 2016. Available online: https://ag.umass.edu/crops-dairy-livestock-equine/fact-sheets/nutrient-recommendations-for-field-crops-in-massachusetts (accessed on 1 September 2023).

32. Dias, K.G.D.L.; Guimarães, P.T.G.; do Carmo, D.L.; Reis, T.H.P.; Lacerda, J.J.D.J. Alternative sources of potassium in coffee plants for better soil fertility, productivity, and beverage quality. Pesqui. Agropecuária Bras. 2018, 53, 1355–1362. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Jones, D.L.; Darrah, P.R. Role of root derived organic acids in the mobilization of nutrients from the rhizosphere. Plant Soil 1994, 166, 247–257. [Google Scholar] [CrossRef]

34. Hinsinger, P.; Herrmann, L.; Lesueur, D.; Robin, A.; Trap, J.; Waithaisong, K.; Plassard, C. Impact of roots, microorganisms and microfauna on the fate of soil phosphorus in the rhizosphere. Annu. Plant Rev. Phosphorus Metab. Plants 2015, 48, 375–407. [Google Scholar]

35. Fageria, N.K.; Baligar, V.C.; Clark, R.B. Micronutrients in crop production. Adv. Agron. 2002, 77, 185–268. [Google Scholar]

36. Zbíral, J. Determination of plant-available micronutrients by the Mehlich 3 soil extractant—A proposal of critical values. Plant Soil Environ. 2016, 62, 527–531. [Google Scholar] [CrossRef]

37. Sims, J.T.; McGrath, J. Soil fertility evaluation. In Handbook of Soil Science; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2000; pp. 113–153. [Google Scholar]

38. Zhang, Y.; Rimstidt, D.J.; Huang, Y.; Zhu, C. Kyanite far from equilibrium dissolution rate at 0–22 C and pH of 3.5–7.5. Acta Geochim. 2019, 38, 472–480. [Google Scholar] [CrossRef]

39. Carroll, S.; Smith, M.; Lammers, K. Chlorite, Biotite, Illite, Muscovite, and Feldspar Dissolution Kinetics at Variable pH and Temperatures up to 280 C (No. LLNL-TR-704381); Lawrence Livermore National Lab. (LLNL): Livermore, CA, USA, 2016. [Google Scholar]

Richardson JB. Basalt Rock Dust Amendment on Soil Health Properties and Inorganic Nutrients—Laboratory and Field Study at Two Organic Farm Soils in New England, USA. Agriculture. 2025; 15(1):52. https://doi.org/10.3390/agriculture15010052

Перевод статьи «Basalt Rock Dust Amendment on Soil Health Properties and Inorganic Nutrients—Laboratory and Field Study at Two Organic Farm Soils in New England, USA» автора Richardson JB., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: freepik.com