ارزیابی کارایی تکنیک موانع شطرنجی کلش برنج (Oryza sativa L.) بر نگهداشت رطوبتی، میزان 2CO و جمعیت میکروبی خاک

بوم شناسی کشاورزی

مقاله 7، دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 55، فروردین 1402، صفحه 119-137   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/agry.2021.69711.1035

نویسندگان

الهه احمدپور دهکردی¹؛ علی عباسی سورکی^{* 1}؛ مهدی پژوهش²؛ پژمان طهماسبی²

¹گروه زراعت، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

²گروه مرتع و آبخیزداری، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران.

چکیده

بروز دوره­های خشکی و استمرار آن در مناطق خشک و نیمه خشک یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر جمعیت و فعالیت میکروب­های خاک، میزان رطوبت و متعاقب آن حاصلخیزی و قابلیت جذب عناصر غذایی خاک به‌شمار می­آید. اجرای تکنیک موانع شطرنجی کلش در این نواحی به‌عنوان یک فناوری ارزان، مؤثر و آسان، نقش مهمی در احیای جوامع میکروبی خاک و کنترل بیابان­زایی دارد. در پژوهش حاضر، اثر تکنیک موانع شطرنجی کلش بر نگهداشت رطوبت، جمعیت میکروبی خاک و تولید CO₂ آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت. این پژوهش در بخشی از دشت مرغ در جنوب شهر شهرکرد مرکز استان چهارمحال و بختیاری، با مختصات جغرافیایی 17 دقیقه و 32 درجه عرض شمالی و 50 دقیقه و 50 درجه طول شرقی انجام شد. در این منطقه نیمه خشک و مستعد فرسایش بادی با جوامع خاکی آسیب دیده، از تکنیک موانع شطرنجی کلش به‌منظور کنترل فرسایش بادی استفاده شده بود. بدین منظور کلش برنج (Oryza sativa L.) به‌میزان پنج تن در هکتار به‌صورت الگوی شطرنجی مربعی 1×1 متر در دی ماه سال 1396 کار گذاشته شدند. سپس اثر این تکنیک بر خصوصیات میکروبی خاک شامل تنفس و زیست‌توده میکروبی خاک و همچنین نگهداشت رطوبت و پایداری خاکدانه­ها مورد توجه قرار گرفت. در کنار موانع شطرنجی ایجاد شده، قطعه زمینی با ابعاد مشابه به‌عنوان شاهد در نظر گرفته شد. چند مربع کلش به‌صورت تصادفی انتخاب و روند تغییرات تنفس میکروبی و رطوبت خاک در محدوده کنار و وسط مربعات و همچنین زمین شاهد در چند مرحله اندازه­گیری شد. همچنین در مرحله چهارم از تنفس میکروبی، زیست‌توده میکروبی و پایداری خاکدانه­ها اندازه­گیری شد. داده­های تنفس میکروبی و میزان رطوبت خاک به‌صورت آزمایش اسپلیت پلات در زمان در قالب طرح بلوک کامل تصادفی و داده­های زیست‌توده میکروبی و میانگین وزنی و هندسی قطر ذرات در قالب طرح بلوک کامل تصادفی تجزیه شدند. نتایج نشان داد، میزان رطوبت خاک در کنار موانع شطرنجی نسبت به وسط موانع و زمین شاهد به‌ترتیب 91/10 و 56/18 درصد افزایش نشان داد. رطوبت در کنار موانع برای مدت زمان طولانی­تری نسبت به زمین شاهد حفظ شد، امّا روند کاهش رطوبت در زمین شاهد تا پایان دوره شیب بیشتری داشت و میزان رطوبت آن در پایین­ترین میزان بود. این نتیجه می­تواند در ارتباط با کاهش سرعت باد و سایه­اندازی کلش بر روی سطح خاک و اثر بر میکروکلیمای نزدیک سطح زمین باشد. همچنین افزودن کلش برنج به‌صورت موانع شطرنجی به خاک به‌طور معنی­داری افزایش معدنی شدن کربن را نسبت به زمین شاهد در کلیه مراحل اندازه­گیری به دنبال داشت. میزان CO₂-C تولید شده در مرحله اول در کنار و وسط موانع شطرنجی در مقایسه با زمین شاهد به‌ترتیب 76/37 و 69/14 درصد افزایش نشان داد. در تاریخ پنجم تیر ماه، تولید CO₂-C کاهش معنی­دار نشان داد. از تاریخ 24 تیر ماه تا هفتم مهر ماه روند معدنی شدن کربن در کنار و وسط موانع شطرنجی و همچنین زمین شاهد دارای شیب هموار بود و خاک شاهد پایین­ترین مقدار را نشان داد. اضافه کردن بقایا می­تواند معدنی شدن کربن را افزایش دهد و یک آغازگر مثبت باشد که به تسریع تجزیه کربن آلی خاک کمک می­کند. استقرار موانع شطرنجی کلش اثرات کمبود رطوبت بر فعالیت میکروب­های خاک را کاهش و معدنی شدن کربن را افزایش داد. تفاوت بیشتر میان میزان تنفس میکروبی در موانع شطرنجی و زمین شاهد نشان­دهنده کارآمد بودن کلش اضافه شده به خاک و تعدیل هر چه بهتر شرایط خشکی در خاک می­باشد. همچنین بیشترین میزان زیست‌توده میکروبی و پایداری خاکدانه­ها در کنار موانع مشاهده گردید که اختلاف معنی­داری با زمین شاهد داشت. بازگشت بقایا به خاک پایداری خاکدانه­ها را افزایش داد که ممکن است به‌علت بهبود ماده آلی و تخلخل خاک باشد. نتایج این بررسی حاکی از آن است که استقرار موانع شطرنجی کلش سبب بهبود خصوصیات زیستی خاک شامل تنفس و زیست‌توده میکروبی و همچنین میزان رطوبت و پایداری خاکدانه­ها شده و می­تواند یک میکروکلیمای بهتر برای رشد و استقرار گیاه فراهم کند و منجر به حفظ منابع طبیعی و تولید پایدار گردد.

کلیدواژه‌ها

رطوبت خاک؛ فعالیت میکروبی خاک؛ معدنی شدن کربن؛ مهندسی اکولوژیک؛ میانگین وزنی قطر ذرات

مراجع

Anderson, J.P.E. (1982). Soil respiration. In R.H. Miller & D.R. Keeney (Eds), Methods of soil analysis part 2. Chemical and microbiological properties. The American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, p. 831-871.

Austin, A.T., ahdjian, L.Y., Stark, J.M., Belnap, J., Porporato, A., Norton, U., Ravetta, D.A., & Schaeffer, S.M.(2004). Water pulses and biogeochemical cycles in arid and semiarid ecosystems. Oecologia,  141, 221-235. https://doi.org/10.1007/s00442-004-1519-1.

Alef, K., & Nannipieri, P.(1995). Methods in applied soil microbiology and biochemistry. Academic Press, London, UK. 556 pp.

Bending, G.D., & Turner, M.K.(1999). Interaction of biochemical quality and particle size of crop residues and its effect on the microbial biomass and nitrogen dynamics following incorporation into soil. Biology and Fertility of Soils, 29, 319–327. https://doi.org/10.1007/s003740050559 .

Bo, T.L., Ma, P., & Zheng, X.J.( 2015). Numerical study on the effect of semi-buried straw checkerboard sand barriers belt on the wind speed. Aeolian Research, 16, 101–107. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2014.10.002 .

Cao, J., Liu, C., Zhang, W., & Guo, Y.(2012). Effect of integrating straw into agricultural soils on soil infiltration and evaporation. Water Science and Technology, 65: 2213–2218. https://doi.org/10.2166/wst.2012.140 .

Chen, L., Zhang, J.B., Zhao, B.Z., Xin, X.L., Zhou, G.X., Tan, J.F. & Zhao, J.H. (2014). Carbon mineralization and microbial attributes in straw-amended soils as affected by moisture levels. Pedosphere, 24, 167–177. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(14)60003-5  .

Chen, Q.H., Feng, Y., Zhang, Y.P., Zhang, Q.C., Shamsi, I.H., Zhang, Y.S., & Lin, X.Y.(2012). Short-term responses of nitrogen mineralization and microbial community to moisture regimes in greenhouse vegetable soils. Pedosphere, 22, 263–272. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(12)60013-7.

Chen, Y., Xin, L., Liu, J., Yuan, M., Liu, S., Jiang, W., & Chen, J.(2017). Changes in bacterial community of soil induced by long-term straw returning. Scientia Agricola, 74, 349-356. https://doi.org/10.1590/1678-992X-2016-0025 .

D’Odorico, P., Bhattachan, A., Davis, K.F., Ravi, S., & Runyan, C.W.(2013). Global desertification: Drivers and feedbacks. Advances in Water Resources, 51, 326–344. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.01.013 .

Dai, Y., Dong, Z., Li, H., He, Y., Li, J., & Guo, J.(2019). Effects of checkerboard barriers on the distribution of aeolian sandy soil particles and soil organic carbon. Geomorphology, 338, 79–87. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2019.04.016.

Das, A., Layek, J., Ramkrushna, G.I., Rangappa, K., Lal, R., Ghosh, P.K., Choudhury, B.U., Mandal, S., Ngangom, B., Dey, U., & Prakash, N.(2019). Effects of tillage and rice residue management practices on lentil root architecture, productivity and soil properties in India’s Lower Himalayas. Soil and Tillage Research, 194, 104313. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104313.

Deacon, J.W.(2006). Fungal Biology. Blackwell Publishing, Malden, MA, 371 pp.

Döring, T.F., Brandt, M., Heß, J., Finckh, M.R., & Saucke, H. (2005). Effects of straw mulch on soil nitrate dynamics, weeds, and yield and soil erosion in organically grown potatoes. Field Crop Research, 94, 238–249. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2005.01.006.

Edwards, C.A.(2004). Earthworm Ecology. 3rd ed., CRC Press, Boca Raton, FL. 441 p.

Facelli, J.M., & Pickett, S.T.A. (1991). Plant litter: Its dynamics and effects on plant community structure. The Botanical Review, 57, 1–32. https://doi.org/10.1007/BF02858763.

Fan, F., Xu, S., Song, G., Zhang, Q., Hou, M., & Song, X.(2012). Studies on improvement of saline and alkali soil with the interlayer of maize straw in West Liaohe region. Chinese Journal of Soil Science, 43, 696–701. (In Chinese with English Summary)

Fontaine, S., Mariotti, A., & Abbadie, L.(2003). The priming effect of organic matter: A question of microbial competition? Soil Biology and Biochemistry, 35, 837–843. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(03)00123-8.

Geisseler, D., Horwath, W.R., & Scow, K.M.(2011). Soil moisture and plant residue addition interact in their effect on extracellular enzyme activity. Pedobiologia, 54, 71–78. https://doi.org/10.1016/j.pedobi.2010.10.001.

Hadas, A., Kautsky, L., Goek, M., & Kara, E.E.(2004). Rates of decomposition of plant residues and available nitrogen in soil, related to residue composition through simulation of carbon and nitrogen turnover. Soil Biology and Biochemistry, 36, 255-266. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2003.09.012.

Halverson, L.J., Jones, T.M., & Firestone, M.K.(2000). Release of intracellular solutes by four soil bacteria exposed to dilution stress. Soil Science Society of America, 64, 1630–1637. https://doi.org/10.2136/sssaj2000.6451630x.

Hao, M., Hu, H., Liu, Z., Dong, Q., Sun, K., Feng, Y., Li, G., & Ning, T.(2019). Shifts in microbial community and carbon sequestration in farmland soil under long-term conservation tillage and straw returning. Applied Soil Ecology, 136, 43-54. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.12.016.

Hendrix, P.F., Parmelee, R.W., Crossley, J.D.A., Coleman, D.C., Odum, E.P., & Groffman, P.M.(1986). Detritus foodwebs in conventional and no-tillage agroecosystems. Bioscience, 36, 374-380. https://doi.org/10.2307/1310259.

Jenkinson, D. S., & Ladd, J.N.(1981). Microbial biomass in soil: measurement and turnover: In E. A. Paul and N. Ladd (Eds.). Soil Biochemistry. Marcel Dekker Pub., New York. p. 415-471.

Kakumanu, M.L., Cantrell, C.L., & Williams, M.A.(2013). Microbial community response to varying magnitudes of desiccation in soil: A test of the osmolyte accumulation hypothesis. Soil Biology and Biochemistry, 57, 644–653. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.08.014.

Keeney, D.R., & Nelson, D.W.(1982). Nitrogen: inorganic forms. In A.L. Page, R.H. Miller and D.R. Keeney (Eds.). Methods of soil analysis. Part 2 (2nd Ed). Chemical and microbiological properties. American Society of Agronomy, Madison, Wisconson, USA, p. 643-698.

Keith, H., Jacobsen, K.L., & Raison, R.J.(1997). Effects of soil phosphorus availability, temperature and moisture on soil respiration in Eucalyptus pauciflora forest. Plan and Soil, 190, 127-141. https://doi.org/10.1023/A:1004279300622.

Klute, A.(1982). Soil pH & lime requirement. pp. 199-224. In E.O. Mclean (Ed.). Methods of soil analysis part 2. Chemical and microbiological properties. The American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin.

Li, S., Li, C., Yao, D., & Wang, S.(2020). Feasibility of microbially induced carbonate precipitation and straw checkerboard barriers on desertification control and ecological restoration. Ecological Engineering. 152, 105883. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105883.

Li, X., & Sarah, P.(2003). Arylsulfatase activity of soil microbial biomass along a Mediterranean-arid transect. Soil Biology and Biochemistry, 35, 925-934. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(03)00143-3.

Li, X., Zhou, R., Jiang, H., Zhou, D., Zhang, X., Xie, Y., Gao, W., Shi, J., Wang, Y., Wang, J., Dong, R., Byambaa, G., Wang, J., Wu, Z., & Hai, C.(2018). Quantitative analysis of how different checkerboard sand barrier materials influence soil properties: A study from the eastern edge of the Tengger Desert, China. Environmental Earth Sciences, 77, 481. https://doi.org/10.1007/s12665-018-7653-6.

Li, X.R., Xiao, H.L., He, M.Z., & Zhang, J.G.(2006). Sand barriers of straw checkerboards for habitat restoration in extremely arid desert regions. Ecological Engineering, 28, 149–157. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2006.05.020.

Liu, M., Hu, F., Chen, X., Huang, Q., Jiao, J., Zhang, B., & Li, H.(2009). Organic amendments with reduced chemical fertilizer promote soil microbial development and nutrient availability in a subtropical paddy field: The influence of quantity, type and application time of organic amendments. Applied Soil Ecology, 42, 165-175. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2009.03.006.

Mando, A., Strosnijder, L., & Brussard, L.(1996). Effects of termites on infiltration into crushed soil. Geoderma, 74, 107–113. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(96)00058-4.

Martens, D.A., 2000. Plant residue biochemistry regulates soil carbon cycling and carbon sequestration. Soil Biology and Biochemistry, 32, 361-369. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(99)00162-5.

Mishra, R.R.(2004). Soil Microbiology: (4^th Ed.). CBS Publishers and Distributors, New Delhi, India. 424 pp.

Moldrup, P., Olesen, T., Komatsu, T., Schjønning, P., & Rolston, D.E.(2001). Tortuosity, diffusivity, and permeability in the soil liquid and gaseous phases. Soil Science Society of America Journal, 65, 613–623. https://doi.org/10.2136/sssaj2001.653613x.

Monreal, C.M., Schnitzer, M., Schulten, H.R., Campbell, C. A., & Anderson, D.W.(1995). Soil organic structures in macro and micro aggregates of a cultivated brown chernozem. Soil Biology and Biochemistry, 27, 845-853. https://doi.org/10.1016/0038-0717(94)00220-U.

Peng, S., Guo, T., & Liu, G. (2013). The effects of arbuscular mycorrhizal hyphal networks on soil aggregations of purple soil in southwest China. Soil Biology and Biochemistry, 57, 411–417. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.10.026.

Schimel, J., Balser, T.C., & Wallenstein, M.(2007). Microbial stress-response physiology and its implications for ecosystem function. Ecology, 88, 1386–1394. https://doi.org/10.1890/06-0219.

Singh, B., Rengel, Z., & Bowden, J.W.(2006). Carbon, nitrogen and sulphur cycling following incorporation of canola residue of different sizes into a nutrient-poor sandy soil. Soil Biology and Biochemistry, 38, 32-42. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.03.025.

Six, J., Elliot, E.T., & Paustian, K.(2000). Soil structure and soil organic matter: II. A normalized stability index and the effect of mineralogy. Soil Science Society of America Journal, 64, 1042-1049. https://doi.org/10.2136/sssaj2000.6431042x.

Sun, C.L., Liu, G.B., & Xue, S.(2016). Natural succession of grassland on the Loess Plateau of China affects multifractal characteristics of soil particle-size distribution and soil nutrients. Ecological Research, 31, 891–902. https://doi.org/10.1007/s11284-016-1399-y.

Sun, D., Li, K., Bi, Q., Zhu, J., Zhang, Q., Jin, C., Lu, L., & Lin, X.(2017). Effects of organic amendment on soil aggregation and microbial community composition during drying-rewetting alternation. Science of the Total Environment, 574, 735–743. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.112.

Swift, M.J., Heal, O.W., & Anderson, J.M.(1979). Decomposition in Terrestrial Ecosystems. Blackwell, Oxford. 372 pp.

Tejada, M., Hernandez, M.T., and Garcia, C.(2009). Soil restoration using composted plant residues: Effects on soil properties. Soil and Tillage Research, 102, 109-117. https://doi.org/10.1016/j.still.2008.08.004.

Uhlirova, E., Elhottova, D., Triska, J., & Santruckova, H.(2005). Physiology and microbial community structure in soil at extreme water content. Folia Microbiology, 50, 161-166. https://doi.org/10.1007/BF02931466.

Wang, T., Qu, J., & Niu, Q. (2020). Comparative study of the shelter efficacy of straw checkerboard barriers and rocky checkerboard barriers in a wind tunnel. Aeolian Research, 43, 100575. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2020.100575.

Wang, W., Guo, J.X., Feng, J., & Oikawa, T.(2006). Contribution of root respiration to total soil respiration in a Leymus chinesis (Trin.) Tzvel. grassland of northeast China. Journal of Integrative Plant Biology, 48, 409-414. https://doi.org/10.1111/j.1744-7909.2006.00241.x.

Zhang, C., Qing Li, Q., Zhou, N., Zhang, J., Kang, L., Shen, Y., & Jia, W.(2016). Field observations of wind profiles and sand fluxes above the windward slope of a sand dune before and after the establishment of semi-buried straw checkerboard barriers. Aeolian Research, 20, 59–70. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2015.11.003.

Zhang, P., Wei, T., Jia, Z., Han, Q., & Ren, X. (2014). Soil aggregate and crop yield changes with different rates of straw incorporation in semiarid areas of northwest China. Geoderma, 230-231, 41–49.  https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.04.007.

Zhang, Q.C., Shamsi, I.H., Xu, D.T., Wang, G.H., Lin, X.Y., Jilani, G., Hussain, N., & Chaudhry, A.N.(2012). Chemical fertilizer and organic manure inputs in soil exhibit a vice versa pattern of microbial community structure. Applied Soil Ecology, 57. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2012.02.012.

Zhang2018, S., Ding, G., Yu, M., Gao, G., Zhao, Y., Wu, G., & Wang, L.(2018). Effect of straw checkerboards on wind proofing, sand fixation, and ecological restoration in shifting sandy land. International Journal of Environmental Research and Public Health, 15, 2184. https://doi.org/10.3390/ijerph15102184.