A szén talajjavításra és táplálásra alkalmas formái

A szén – karbon – mint kémiai elem előfordulása a Földön egyaránt jelentős szerves (főként élő) és élettelen (ásványi) formában is.

A szén előfordulása és formái

Ugyanakkor a kőzetek között is fontos szerepet foglalnak el a szén- vagy széngazdag képződmények, amelyek fejlődési vertikumban a teljesen szervestől (tőzeg) a teljesen szervetlen (antracit) formáig változnak. Ebben az esetben kristályos, ásványként értelmezhető anyag csak ritkán képződik, ha igen, akkor az a grafit, amely ugyancsak gyakori, nagy mennyiségű – akár kőzetalkotó – ásványi formája a karbonnak. Ezeken kívül számos ásvány és kőzet hordoz szervetlen ásványi formában kötött karbont, amelyek közül kiemelkednek a karbonátásványok (kalcit, dolomit) és azok kőzetei (mészkő, dolomit). Az ásványok közül az oxalátokat érdemes kiemelni, amelyeket szerves ásványokként tartunk számon, mivel az aniont adó oxalát egy szerves gyök. Egyrészt, mert ezek az ásványok a növényi-ásványi átmenetben elsődleges fontossággal bírnak, másrészt épp ennek az átmeneti zónának az ásványtanáról meglehetősen kevés információval rendelkezünk.

Fehér lepedékek, bevonatok, szálas, vattaszerű anyagok gyakran a Ca-oxalátok valamelyik formáját jelzik, mint bakteriális vagy gombák létezésének nyomait. Kőzetek felületén az aktív biológiai mállás gyakran eredményez jól látható bevonatokat, a fotoszintetizáló szervezetek csökkenésével ezek kifehérednek (1. ábra), mineralizálódnak, és tápközeget biztosítanak az oxalátbontó baktériumok számára.

Szénalapú talajjavító anyagok

Az ásványtelepnek számító széngazdag képződmények között találunk néhány kőzetet (1. táblázat), amelyek legalább évszázados mezőgazdasági hasznosítással bírnak.

Ilyenek például a tőzegek tápanyagtartalom szerinti változatos típusai vagy az érettebb fázisban lévő, de még nem kőzetfokú barnaszenek változatai, mint a dudarit vagy a nemzetközi nomenklatúrában leonardit. Telepeik jelentősebbek, mint a tőzeg esetében, huminanyag-tartalmuk is magasabb, és kitermelésükkel nem károsulnak élőhelyek, törékeny ökoszisztémák.

Egy speciális kőzet, amely sajátos képződési körülményeket igényel, az alginit. Keletkezését és összetételét tekintve is markánsan elkülönül a szénkőzetektől, szervetlen alkotóit tekintve az agyagkőzetekhez hasonlít, de kiemelkedően magas molekuláris szervesanyag-tartalommal. Az elnevezésével is utalunk képződésére, az algák pusztulása során keletkező szerves anyagok az oxigéntől elzárt környezetben nem bomlanak le. A szükséges környezet leginkább inaktív bazaltos vulkánok krátertavaiban alakul ki, ahol a Ca-, Mg- és Fe₂⁺-gazdag ásványok hidrolíziséből nagy mennyiségben képződik szmektit. Az oldott Ca egy része kalcitként, Mg jelenlétében dolomitként csapódik ki az iszapba, illetve mészvázú puhatestűek jelenlétében, a felhalmozódó vázak által számottevő aragonittartalom is keletkezhet.

A szén szerepe a modern talajmenedzsmentben

A fentebb röviden összefoglalt anyagoknak a talajok hagyományos ápolásában, de a modern talajmenedzsmentben is fontos szerepük van. A hozzáférésük szűk keresztmetszetet jelent, ami külszíni bányászattal történik, és mivel ásványtelepekről van szó, a rendelkezésre állásuk is korlátozott. Szintetikus termékekkel az aktív hatóanyagukat nagyrészt le tudjuk másolni, de a pontos összetételt nem, mivel a földtani idő fontos tényező a kémiai átalakulásokban. Így az iparilag előállított termékekkel a természetes anyagok hatását sem tudjuk kiváltani, de már a megközelítő eredmények is hasznosak. Például az alginit mint kőzet hatóanyagát éréssel adó alginátot gyakran használják: vetőmagkezelésnél, keltetésnél-csíráztatásnál tápoldatként vagy ásványi talajjavítókba itatva adalékként.

Az alginát egy vízoldható poliszacharid (cukor), amelyet a barna algákból vonnak ki, és a sejtfalak egyik funkcionális anyaga. A tőzeghez hasonló fizikai hatást az érlelt rostszegény növényi biomasszával meg lehet közelíteni, de a kémiai tartalmat, főleg a huminanyagokat csak külső forrásból lehet hozzáadni. Mohaszerű tőzeganyag természetes cellulózrostokból történő gyártására létezik szabadalom, és tápoldattároló rendszerekhez alkalmazzák is. Azonban a természetes tőzegek teljes hatását ezek a készítmények sem tudják helyettesíteni. Jó hatásfokú tápközeget cellulózrost készítményeket alginátoldattal és bentonit- vagy zeolitszuszpenzióval elegyítve lehet előállítani, ez esetben azonban az előállítható térfogat lesz korlátozó tényező.

A lignit fő alkotója a hemicellulóz és lignin, ugyancsak poliszacharid típusú anyagok, amelyek viszont vízben oldhatatlanok, a növényi sejtek vázát, üreges rendszerét nagy mértékben megőrzik, ami humátokat is tartalmaz – ezért lehetséges bizonyos lignittípusokból huminsavkészítményeket előállítani. Ezt az összetételt és felépítést iparilag lemásolni lehetetlen az érési folyamatok idő alapú jellege miatt, legközelebb a rostgazdag növényi részek termikusan indukált oxigénmentes érlelésével előállított anyaggal kerülhetünk – amelynek előállítása még fűtőanyag céljából sem gazdaságos. A természetes lignit esetében a biológiailag elérhető szén mellett fontos kémiai komponens a nitrogén és kén is, bár ez utóbbi ha Fe-szulfdos formában van, akkor a talaj savasodásához vezet. Magasabb a szén-, de hiányzik a nitrogén- és alacsony a kéntartalom az antracitokban vagy feketekőszenekben, és a szemcseporozitás is minimális.

Ez a kőzet ugyanis a lignit nyomás alatti érésével keletkezik, ami tömöríti az anyagot, csökkentve a porozitást és a szerves molekulák mennyiségét. Tapasztalati alapon viszont az antracitpor főleg ásványi mátrixszal keverve jelentősen növeli a talajok biológiailag elérhető szénkészletét, így tápanyagként is gyakran használják.

Az eddigi, természetes módon képződött vagy szintetikusan utánzott anyagok esetében a szén leginkább szerves, szacharid típusú formában volt jelen, ami optimális a talajbaktériumok általi szénmineralizáló folyamatokban. A karbonátásványok C-tartalma biológiailag még akkor sem hasznosul, ha azok ionosan disszociálnak és oldott hidrogénkarbonát keletkezik. Az oxalátok ellenben vagy oldódnak (Na és K ásványai) vagy bakteriálisan bontódnak (Ca-oxalátok), az oxalátgyök pedig az ásványi-K-kioldásban, a talajkolloid tápanyag- és C-körforgásában is fontos szerepet tölt be. A növényi biomassza pedig általában jelentős Ca-oxalát-tartalommal bír, főként a levelekben és szárban, így a biomassza-visszaforgatással nemcsak a növényi sejtek és klorofil széntartalmát adjuk vissza a talajnak, hanem az ásványi formában kötött karbont is.

A bioszén és hatásai

Egy merőben különböző talajjavító és tápanyagpótló mesterséges termék a bioszén (vagy aktív szén), amely bár számos tulajdonságában hasonlít a keményebb növényi részekből égéssel képződő szénre, mégsem azonos azzal. A pirolízissel vagy félig reduktív hőkezeléssel átalakított növényi anyagokban nemcsak a rostsejtek belsejéből kialakuló porozitást tudjuk előidézni, hanem az ásványi tápelemek is megőrződnek a szervetlen formába átalakuló szénmátrixban. Így, bár poliszacharidokat nem tartalmazó anyagot gyártunk, jelentős vízoldható iontartalmat és bakteriálisan mobilizálható szervetlen széntartalmat viszünk be. A porozitás pedig a vízmegtartást, talajkolloid-raktározást, baktériumok szaporodását és a kolloid agyagtartalmának a védelmét is elősegíti. Az előállításával keletkező CO₂-emissziót ellensúlyozza a talajbaktériumok szaporodása és a növényibiomassza-fejlődés általi szénmegkötés. A pirolízis hőmérsékletével befolyásolható a gyártott bioszén oldhatósága (2. ábra) és aktivitása is.

A kísérleti mintákban a hőmérséklet emelésével csökkent az amorf tartalom: míg ez 450 °C-on 50 tömeg% körüli, addig 650 °C-on 50 és 20 tömeg% százalék közé mérséklődik, a biomassza természetes mineralizációjától függően. Egy fontos anyag, ami képződik, a klorofil Mg-ionjainak az oxidos terméke, MgO, avagy ásványtani nevén periklász, aminek a mennyisége akár 10–20 tömeg% közötti is lehet. Továbbá KCl, K-karbonátok (kalicinit) és Ca-karbonát (kalcit) jellemző, a szerves mátrixból oxidosan kiégő K₂O és CaO a levegő vízpára- és CO₂-tartalmával reagálva hidroxid-, majd abból karbonátterméket képez. A biomassza S-tartalmától függően szulfátok (arkanit, anhidrit) vagy magas P-tartalomnál akár Ca-foszfát (apatit) is képződhet.

Tehát egy jól megtervezett bioszéntermék nemcsak a porozitást és aktív széntartalmat adja a talajbiológia számára, hanem egy komplex, műtrágyát is helyettesítő anyagot szolgáltat.

Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem