تأثیر بیوچارهای مختلف و مواد اولیه آن‌ها بر برخی خصوصیات شیمیایی خاک و عناصر غذایی با گذشت زمان در یک خاک آهکی

آب و خاک

مقاله 5، دوره 32، شماره 2 - شماره پیاپی 58، تیر 1397، صفحه 299-312   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v32i2.66097

نویسندگان

مجید فروهر^{* 1}؛ رضا خراسانی²؛ امیر فتوت²؛ حسین شریعتمداری³؛ کاظم خاوازی⁴

¹دانشگاه فردوسی مشهد/ مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی خراسان رضوی

²دانشگاه فردوسی مشهد

³دانشگاه صنعتی اصفهان

⁴موسسه تحقیقات خاک و آب

چکیده

تبدیل مواد آلی به بیوچار و مصرف آن در خاک، راهکار نوینی است برای تغییر جهت و هدایت "انقلاب سبز" به سمت داشتن "اکوسیستم‌های زراعی پایدار". برای بهره‌مندی از مزایای بیوچار و مشخص کردن محدودیت‌های احتمالی کاربرد آن در خاک‌های کشورمان، بررسی اثر انواع بیوچارها از جنبه‌های مختلف ضروری است. در همین راستا در تحقیقی که به صورت اسپلیت پلات در زمان در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار انجام شد، تأثیر مصرف سه نوع بیوچار مختلف بر pH، شوری و مقدار قابل استفاده فسفر و پتاسیم خاک در مقایسه با مواد اولیه آن‌ها، مورد بررسی قرار گرفت. تیمارهای آزمایش عبارت بودند از: کمپوست زباله شهری، لجن فاضلاب، کود گاوی و بیوچارهای آن‌ها. پس از اعمال تیمارها (بر اساس مصرف وزن‌های یکسان کربن آلی و معادل با 17 تن در هکتار کود گاوی) در نمونه‌های یک کیلوگرمی از یک خاک آهکی با بافت لوم شنی و رساندن رطوبت آن‌ها به حد ظرفیت مزرعه، نمونه‌های تیمار شده، در دمای 25 درجه سانتی‌گراد در انکوباتور، نگهداری شدند. در زمان‌های 10، 30، 60، 120 و 180 روز بعد از شروع آزمایش از خاک‌های تیمار شده نمونه‌برداری شد و فاکتورهای مورد نظر، در آن‌ها اندازه‌گیری شد. بر اساس نتایج بررسی اثرمتقابل تیمار در زمان روی پارامترهای مورد اندازه‌گیری، تحت تأثیر هر یک از تیمارها تغییرات فسفر قابل استفاده خاک با زمان، یک روند اغلب افزایشی معنی‌دار را نشان داد. تغییرات پتاسیم قابل استفاده، pH و شوری خاک با گذشت زمان معنی‌داری نبود. طبق نتایج مقایسه اثر تیمارها، هم بیوچارها و هم مواد اولیه آن‌ها توانایی چشمگیری در افزایش فسفر و پتاسیم قابل استفاده خاک دارا بودند، اما اثر بیوچارها بارزتر بود. فسفر قابل جذب خاک از مقدار 4/6 میلی‌گرم در کیلوگرم در شاهد، به ترتیب به مقادیر 5/11، 7/15، 21، 3/17، 7/40 و 2/25 میلی‌گرم تحت تأثیر هر یک از تیمارهای کمپوست زباله شهری، کود گاوی، لجن فاضلاب، بیوچار کمپوست زباله شهری، بیوچار کود گاوی و بیوچار لجن فاضلاب، افزایش یافت. مصرف این مواد، پتاسیم قابل استفاده خاک را از 75 میلی‌گرم در کیلوگرم به ترتیب به 135، 198، 181، 150، 390 و 81 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک رساند. افزایش شوری خاک در تمام تیمارها نسبت به شاهد (عدم مصرف بیوچار یا مواد اولیه آن‌ها) ملاحظه شد. pH خاک در اثر مصرف هر یک از تیمارها نسبت به شاهد کاهش یافت. از این نظر تفاوتی بین بیوچار‌ها و مواد اولیه آن‌ها ملاحظه نشد. با توجه به اثرات بارزتری که بیوچارهای مورد بررسی در این تحقیق در افزایش فسفر و پتاسیم قابل استفاده خاک نسبت به مواد اولیه خود نشان دادند به نظر می‌رسد که بتوان در کاهش مصرف کودهای شیمیایی فسفره و پتاسه، به طور مؤثرتری از آن‌ها بهره جست.

کلیدواژه‌ها

بیوچار؛ کمپوست زباله شهری؛ کود دامی؛ لجن فاضلاب

مراجع

1- Asai H., Samson B.K., Stephan H.M., Songyikhangsuthor K., Homma K., Kiyono Y., Inoue Y., Shiraiwa T., and Horie T. 2009. Biochar amendment techniques for upland rice production in northern Laos: 1. Soil physical properties, leaf SPAD, and grain yield. Field Crops Res. 111:81–84.

2- Bagreev A., Bandosz T. J., and Locke D. C. 2001. Pore structure and surface chemistry of adsorbents obtained by pyrolysis of sewage sludge-derived fertilizer. Carbon, 39: 1971–1977

3- Balali M. R., Mohajer milani P., Khademi Z., Doroudi M. S., Mashaiekhi M. J., and Malakouti M. J. 2000. Fertilizer recommendation for Wheat. Amozesh Issue. (In Persian).

4- Behnam H., Farrokhian Firouzi A., and Moezzi A. 2015. The effect of biochar and compost of sugarcane on soil organic carbon and Aterbreg’s limite. 14th congress of soil science. Rafsanjan. Iran. (In Persian with English abstract).

5- Cetin E., Moghtaderi B., Gupta R., and Wall T. F. 2004. Influence of pyrolysis conditions on the structure and gasification reactivity of biomass chars’, Fuel, 83: 2139–2150.

6- Colins H. P. 2011. Biochar– agricultur’s black gold: the promise of biochar. Washington State University Extension. Accessible on https://www.ars.usda.gov/ARSUserFile.

7- Glaser B., Guggenberger G., and Zech W. 2004. Amazonian dark earths: Explorations in space and time. Springer-Verlag Berlin Heidelberg., 145–158.

8- Hass A., Gonzalez J.M., Lima I.M., Godwin H.W., Halvorson J.J., and Boyer D.G. 2012. Chicken manure biochar as liming and nutrient source for acid appalachian soil. J. Environ. Qual. 41:1096–1106.

9- Hiemstra T., Mia S., Duhaut P. B., and Molleman B. 2013. Natural and pyrogenic humic acids at goethite and natural oxide surfaces interacting with phosphate. Environ Sci Technol. 47: 9182–9189.

10- Ippolito J.A., Novak J.M., Busscher W.J., Ahmedna M., Rehrah D., and Watts D.W. 2012. Switchgrass biochar aff ects two Aridisols. J. Environ. Qual.41:1123–1130.

11- Jeffery S., Verheijen FGA., Vander Velde M., and Bastos A.C. 2011. A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agriculture, Ecosystems &Environment 144, 175–187. doi:10.1016/j.agee. 2011.08.015.

12- Kameyama K., Miyamoto T., Shiono T., and Shinogi Y. 2012. Influence of sugarcane bagasse-derived biochar application on nitrate leaching in calcaric dark red soil. J. Environ. Qual. 41:1131–1137.

13- Karer J., Wimmer B., Zehetner F., Kloss S., and Soja G. 2013. Biochar application to temperate soils: effects on nutrient uptake and crop yield under field conditions. Agr. Food Sci. 22: 390–403.

14- Khavazi K., Balali M. R., Bazargan K., Dawatgar N., Asadi Rahmani H., and Rezaii H. 2014. Integrated Soil Fertility and Nutrition Program, 2014-2025. First volume. Soil and Water Research Institute. Tehran. Iran. (In persian).

15- Kimetu J.M., Lehmann J., Ngoze S.O., Mugendi D.N., Kinyangi J.M., Riha S., Verchot L., Recha J.W., and Pell A.N. 2008. Reversibility of soil productivity decline with organic matter of diff ering quality along a degradation gradient. Ecosystems 11:726–739.

16- Koutcheiko S., Monreal C.M., Kodama H., McCracken T., and Kotlyar L. 2007. ‘Preparation and characterization of activated carbon derived from the thermo-chemical conversion of chicken manure’, Bioresource Technology, vol 98, pp2459–2464.

17- Lehmann J., da Silva J.P., Steiner C., Nehls T., Zech W., and Glaser B. 2003. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the central Amazon basin: Fertilizer, manure and charcoal amendments. Plant Soil 249: 343–357.

18- Lehmann J., and Stephen J. 2009. Biochar for Environmental Management Science and Technology. London. Sterling, VA.

19- Lehmann J., Gaunt J., and Rondon M. 2006. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems a review, Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, vol 11, pp403–427.

20- Lentz R.D., and Ippolito J.A. 2012. Biochar and manure affect calcareous soil and corn silage nutrient concentrations and uptake. J. Environ. Qual. 41:1033–1043.

21- Lima H.N., Schaefer C.E.R., Mello J.W.V., Gilkes R.J., and Ker J.C. 2002. Pedogenesis and pre-Colombian land us of “Terra Preta Anthrosols” (“Indian black earth”) of western Amazonia. Geoderma 110:1–17.

22- Major J., Lehmann J., Rondon M., and Goodale C. 2010. Fate of soil-applied black carbon: Downward migration, leaching, and soil respiration. Glob. Change Biol. 16:1366–1379.

23- Mao J.D., Johnson R.L., Lehmann J., Olk D.C., Neves E.G., Thompson M.L., and Schmidt-Rohr K. 2012. Abundant and stable char residues in soils: implications for soil fertility and carbon sequestration. Environ Sci Technol. 46: 9571–9576.

24- Mete F., Mia S., Dijkstra F.A., Abuyusuf M., and Iqbal Hossain A. S. M. 2015. Synergistic Effects of Biochar and NPK Fertilizer on Soybean Yield in an Alkaline Soil. Pedosphere. 25, 5: 713-719.

25- Mukherjee A., and Lal R. 2014. The biochar dilemma. Soil research. 52: 217-230.

26- Najafi ghiri M. 2014. The effect of different biochars on some soil properties and availability of some nutrients in a calcareous soil. Journal of soil researches. 29, 2: 351-358.

27- Novak J.M., Lima I., Xing B., Gaskin J.W., Steiner C., Das K.C., Ahmedna M., Rehrah D., Watts D.W., Busscher W.J., and Schomberg H. 2009. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand. Annals of Environmental Science 3: 195–206

28- Paris O., Zollfrank C., and Zickler G.A. 2005. Decomposition and carbonisation of wood biopolymers a microstructural study of softwood pyrolysis, Carbon, vol 43, pp53–66.

29- Safarzadeh shirazi S., and Rajabi H. 2015. The effect of pistachio residue and its biochar produced in different temperatures on soil pH. 14th congress of soil science. Rafsanjan. Iran. (In Persian with English abstract).

30- Safarzadeh Shirazi S., and Rajabi H. 2015. The effect of pistachio residue and its biochar produced in different temperatures on soil electrical conductivity. 14th congress of soil science. Rafsanjan. Iran. (In Persian with English abstract ).

31- Schnell R.W., Vietor D.M., Provin T.L., Munster C.L., and Capareda S. 2012. Capacity of biochar application to maintain energy crop productivity: Soil chemistry, sorghum growth, and runoff water quality effects. J. Environ. Qual. 41:1044–105.

32- Schnitzer M.I., Monreal C.M., Facey G.A., and Fransham P.B. 2007. The conversion of chicken manure to biooil by fast pyrolysis I. Analyses of chicken manure, biooils and char by C-13 and H-1 NMR and FTIR spectrophotometry. Journal of Environmental Science and Health B, vol 42: 71–77.

33- Singh B., Singh B.P., and Cowie A.L. 2010 Characterization and evaluation of biochars for their application as a soil amendment. Australian Journal of Soil Research 48: 516–525. doi: 10.1071/SR10058.

34- Sjӧstrӧm E. 1993. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications, second edition, Academic Press, San Diego, US.

35- Smith P. 2016. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies Global Change Biology, doi: 10.1111/gcb.13178.

36- Spokas K.A., Novak J.M., Stewart C.E., Cantrell K.B., Uchimiya M., DuSaire M.G., and Ro, K.S. 2011. Qualitative analysis of volatile organic compounds on biochar. Chemosphere 85: 869–882. doi:10.1016/j.chemosphere. 2011.06.108.

37- Stresov V., Patterson M., ZymlaV., Fisher K., Evans T.J., and Nelson P.F. 2007. Fundamental aspects of biomass carbonisation, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 79: 91–100.

38- Van Zwieten L., Kimber S., Morris S., Chan K.Y., Downie A., Rust J., Joseph S., and Cowie A. 2010. Effects of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agronomic performance and soil fertility. Plant Soil. 327:235–246.

39- Zabaniotou A., Stavropoulos G., and SkoulouV. 2008. Activated carbon from olive kernels in a two–stage process: Industrial improvement, Bio Resource Technology, 99: 320–326.

40- Zhang H., Chen C., Gray E., Boyd E., Yang H. and Zhang D. 2016. Roles of biochar in improving phosphorus availability in soils: A phosphate adsorbent and a source of available phosphorus. Geoderma 276: 1–6

41- Zolfi M., Rownaghi A.M., Karimian N., Ghasemi R., and Yasrebi J. 2016. The effect of biochars produced of cheeken manure in different temperatures, on chemical properties of a calcareous soil. Journal of Water and Soil Science.75: 73-86. (In Persian with English abstract).

42- Yoo G., and Kang H. 2012. Eff ects of biochar addition on greenhouse gas emissions and microbial responses in a short-term laboratory experiment. J. Environ. Qual. 41:1193–1202.