بخشی از مقاله
چکیده
برای بررسی اثر بیوچار تولیدشده از کاه و کلش گندم بر رشد گیاه کاهو آزمایشی درشرایط گلخانهای به صورت فاکتوریل در قالب طرحکاملاً تصادفی با دو فاکتور شامل - 1 غلظت سرب - صفر، 100 و500 میلیگرم بر کیلوگرم - ، و - 2 مقدار بیوچار - صفر - B0 - ، - B2 - 2 و - B5 - 5 درصد وزنی/وزنی - در سه تکرار اجرا گردید. در پایان دوره رشد گیاه کاهو برخی از پارامترهای گیاه شامل وزن خشک بخش هوایی و ریشه، غلظت سرب ریشه و بخش هوایی اندازهگیری شدند. نتایج نشان داد که افزایش سطح آلودگی سربی خاک باعث افزایش غلظت سرب بخش هوایی و ریشه شد. همچنین با افزیش مقدار بیوچار در خاک، وزن خشک ریشه و بخش هوایی افزایش یافت و غلظت سرب بخش هوایی و ریشه در تیمارها بهطور معنادار بدین ترتیب کاهش یافت . - B5< B2< B0 - بهطور کلی، تأثیر بیوچار بر غلظت سرب در گیاه به مقدار بیوچار و غلظت فلز بستگی داشت.
واژه های کلیدی: آلودگی، بخش هوایی ، ریشه، غلظت سرب
مقدمه
سرب - Pb - با مقدار معمول 2 تا 300 میلی گرم در کیلوگرم خاک کم تحرک ترین عنصر سنگین در خاک محسوب میگردد. این عنصر از منابع مختلفی وارد چرخه حیات شده و باعث آلودگی محیط زیست و ایجاد اختلال در زندگی جانداران می شود. دامنه طبیعی غلظت سرب در گیاهان از 2/0 تا 20 میلیگرم در کیلوگرم و حد بحرانی آن 30 تا 300 میلیگرم در کیلوگرم گزارش شده است - عباسپور و همکاران، . - 1386 با توجه به توسعه کشور در زمینه صنعت و فناوری و بالطبع افزایش روز افزون ضایعات و تولیدات فرعی کارخانجات و معادن و ورود آنها در زمینهای کشاورزی امکان گسترش آلودگی هایی را فراهم می سازد، لذا اگاهی از میزان آلودگی خاکهای ایران به این عناصر و اقدام درجهت رفع آن ضروری به نظر می رسد. جذب سرب بوسیلهی گیاه و ورود آن به زنجیرهی غذایی سلامتی انسانها و حیوانات را به گونهای جدّی تهدید میکند. انتقال سرب به دلیل پیوندهای قوی آن از طریق فرآیندهای جذب سطحی، تبادل کاتیونی، رسوب و تشکیل کمپلکس با مواد آلی در 15 تا 20 سانتیمتری بخش رویین خاک متوقف میگردد. یکی از راهحلها برای کاهش اثرات منفی عناصر سنگین، تثبیت فلزات سنگین در خاک میباشد - Immobilization - که خطر ورود عناصر سنگین را به چرخه غذایی موجودات زنده کاهش میدهد. این روش بهوسیله افزودن برخی اصلاحکنندهها از جمله کانیهای رسی، موادآلی و آهکی و کانیهای فسفات خاک به خاک انجام میشود . - Park et al., 2011 -
بیوچار یک نوع ماده آلی تهیه شده از زیست تودههای گیاهی و ضایعات کشاورزی است که سوختن آنها در حضور کم و یا عدم حضور اکسیژن انجام میشود، این ماده به علت سرعت تجزیه بسیار کند نسبت به سایر مواد آلی ظرفیت زیادی برای کاهش گازهای گلخانهای از قبیل دیاکسید کربن و متان که از ضایعات آزاد میشود، دارد و میتواند کربن را برای دورههای طولانی ذخیره کند - Lehmann et al., 2006 - یکی از ویژگیهای بیوچار داشتن سطح جذب بالا است که به معنی ظرفیت بالا برای کمپلکس فلزات سنگین در سطح آنهاست. جذب سطحی فلزات سنگین روی بیوچار در موارد متعددی با استفاده از میکروسکوپ روبشی الکترونیکی - SEM - مشاهده شده است - . - Lu et al., 2012 این جذب میتواند به دلیل کمپلکس فلزات سنگین با گروههای عامل مختلف موجود در بیوچار باشد. کربوکسیل، فنولیک هیدروکسیل و دیگر گروههای عاملی که شامل اکسیژنهای سطحیاند، بیوچار را قادر میسازند تا آلایندگی حاصل از آلایندههای آلی را کاهش دهد . - Yu et al., 2009 - بیوچار بر روی سطح خود دارای گروههای عاملی آلی است و بار منفی گروههای عاملی در طول زمان و در طی اکسیداسیون در خاک افزایش مییابد تشکیل گروههای عاملی و مکانهای جذب بر روی سطوح و منافذ بیوچار، ظرفیت تبادل کاتیونی را تحت تاثیرقرار میدهد - Cheng et al., 2008 - ، و به دنبال آن پتانسیل بیوچار را برای ایجاد کمپلکس با یونهای فلزی افزایش میدهد - Baldock and Smernik, 2002 - تعدادی مطالعات در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و مزرعهای نشان دادند که بیوچار میتواند بطور معنیدار تحرک و قابلیت فراهمی زیستی فلزات سنگین را در خاک کاهش دهد . - Lu et al., 2014; Jiang et al., 2012 - بنابراین با توجه به اثرات مخرب عنصر سرب در خاک و همچنین اثر قابل توجه بیوچار بر کاهش فراهمی آن در خاک، در این مطالعه اثر بیوچار بقایای کاه و کلش گندم بر رشد گیاه کاهو در خاکهای آلوده شده به سرب مورد مطالعه قرار گرفت. اکثر مطالعات بیوچار در خاکهای اسیدی و در شرایط آب و هوایی مرطوب انجام شدهاند، لذا مطالعه حاضر در یک خاک آهکی نجام گرفت.
مواد و روشها خاک مورد مطالعه
برخی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک مورد مطالعه در جدول 1 نشان داد شده است.
جدول -1 برخی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک مورد مطالعه
تهیه و اندازهگیری ویژگیهای شیمیایی بیوچار
برای تهیه بیوچار، بقایای کاه و کلش گندم جمعآوری، - اندازه 10-20 میلی متر - خرد و با آب مقطر شسته شدند. سپس به مدت 2 روز در دمای 75 درجه سلسیوس داخل آون قرار داده شدند. سپس بقایا در داخل استوانه فلزی به قطر 7 و ارتفاع 31 سانتیمتر در داخل کوره الکتریکی قرار گرفت. بقایا بهمدت 2 ساعت در دمای 500 درجه سلسیوس در شرایط بدون حضور گاز اکسیژن با سرعت افزایش دمای 3 درجه سلسیوس بر دقیقه نگهداری شدند. سپس بیوچارها برای تعیین ویژگی-های شیمیایی از الک نیم میلی متر عبور داده شدند. سپس برخی از ویژگیهای بیوچارها مانند pH - در نسبت 1:20 آب و بیوچار - - Rajkovich et al., 2012 - ، هدایت الکتریکی - در نسبت 1:20 آب و بیوچار - - Rajkovich et al., 2012 - ، ظرفیت تبادل کاتیونی به روش استات آمونیوم اصلاح شده یک مولار - - Gaskin et al., 2008 - - pH= 7، خاکستر - Ash% - بیوچار - ASTM D1762-84 - ، سرب کل به روش سوزاندن خشک و قرائت با دستگاه جذب اتمی و کربن، نیتروژن و هیدروژن کل بهروش سوزاندن خشک با دستگاه ECS 4010 CHNSO Analyzer اندازهگیری شدند.
آزمایش گلدانی
برای مطالعه تأثیر بیوچار بر رشد گیاه کاهو یک آزمایش گلدانی اجرا شد. غلظت سرب با توجه به حدود غلظت مجاز سرب در خاک انتخاب شد به گونهای که دامنهای از غلظت صفر آن فلز تا چند برابر غلظت مجاز را بپوشاند. برای آلوده کردن خاک ابتدا مقدار لازم سرب 0 - ، 100 و 500 میلی گرم بر کیلوگرم - از منبع نیترات سرب محاسبه شد و به 3 کیلوگرم از خاک افزوده شد و کاملاً با آن مخلوط گردید. نیتروژن افزوده شده به خاک توسط نمک نیترات سرب، با افزودن مقادیر محاسبه شده نیترات آمونیوم به تیمارها تصحیح شد. رطوبت مخلوط خاک و سرب به 70 درصد ظرفیت مزرعهای رسانده شد و به مدت 5 ماه در دمای 25 درجه سلسیوس نگهداری شد. سپس بیوچار کاه و کلش گندم در مقادیر 2 و 5 درصد با خاک مخلوط و به رطوبت 70 درصد ظرفیت مزرعهای رسانده و به مدت 4 هفته در دمای 25 درجه سلسیوس انکوباسیون شدند - در طول دوره انکوباسیون کاهش رطوبت توسط آب مقطر ازطریق وزن کردن تیمارها جبران شد - . سپس 500 گرم از هریک از خاکهای تیمار شده به گلدانهای پلاستیکی با قطر 10 و ارتفاع 10 سانتیمتر ریخته شد و نشاء گیاه کاهو به هر یک از گلدانها انتقال داده شدند. وزن هر گلدان در رطوبت ظرفیت مزرعه بر روی آن یادداشت شد تا در مراحل بعدی آبیاری برای جلوگیری از هرگونه تنش رطوبتی آبیاری گردد. 60 روز بعد از انتقال نشاء گیاه برداشت شد و وزن خشک ریشه و بخش هوایی گیاه کاهو و غلظت سرب در ریشه و بخش هوایی گیاه - Kim et al., 2010a - ، اندازه گیری شدند.
این آزمایش بهصورت فاکتوریل در قالب طرحکاملاً تصادفی با دو فاکتور غلظت سرب - صفر، 100 و500 میلیگرم بر کیلوگرم - و مقدار بیوچار - صفر - B0 - ، - B2 - 2 و - B5 - 5 درصد وزنی/وزنی - با سه تکرار در گیاه کاهو اجرا گردید. تجزیه و تحلیل آماری دادههای بهدست آمده از این پژوهش شامل تست نرمال بودن و تجزیه واریانس از نرم افزارهای MSTATC استفاده شد و مقایسه میانگین از طریق آزمون چند دامنهای دانکن در سطح احتمال 0/05انجام گرفت. ترسیم نمودارها نیز با استفاده از نرم افزار Excel صورت گرفت.
نتایج و بحث ویژگیهای بیوچارهای مورد استفاده بعضی از ویژگیهای بیوچار تولید شده در دمای 500 درجه سانتیگراد نیز در جدول 2 نشان داده شده است. بیوچار تولیدی دارای pH قلیایی و دارای مقدار کربن کل بالا و نیتروژن کل پایین است. بیوچار کاه و کلش گندم دارای مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی بالایی است.
جدول -2 برخی ویژگیهای بیوچار تولید شده از بقایای کاه و کلش گندم
تأثیر بیوچار بر وزن خشک بخش هوایی و ریشه گیاه کاهو
مقایسه میانگین اثر متقابل مقدار بیوچار کاه و کلش گندم و غلظت سرب بر وزن خشک بخش هوایی و ریشه گیاه کاهو در شکل 1 و 2 نشان داده شده است. نتایج مقایسه میانگین نشان دادند که مقدار بیوچار تاثیر مثبتی بر وزن خشک ریشه و بخش هوایی کاهو داشت. وزن خشک بخش هوایی و ریشه گیاه کاهو در همه غلظتهای سرب اضافه شده، با افزایش مقدار بیوچار بهطور معنادار افزایش نشان داد. همچنین با افزایش غلظت سرب اضافه شده، وزن خشک ریشه و اندام هوایی گیاه کاهش یافت. میانگین وزن خشک بخش هوایی گیاه کاهو در مقادیر بیوچار 2 و 5 درصد در مقایسه با مقدار صفر بیوچار - B0 - به ترتیب 19/8 و 27/7 درصد افزایش یافت - شکل . - 1 میانگین وزن خشک ریشه گیاه کاهو در سطح بیوچار 5 درصد در مقایسه با تیمار شاهد - صفر - ، 26/2 درصد افزایش نشان داد - شکل . - 2
مطالعات اخیر نشان دادهاند، افزودن بیوچار به خاکهای آلوده به فلزات سنگین باعث کاهش جذب و سمیت فلزات سنگین برای گیاهان و افزایش رشد گیاه میشود - 2010 - Matovic . - Park et al., 2011; Zhang et al., 2013b - بیان کرد که مقدار بهینه برای افزودن بیوچار در خاکهای کشاورزی بین 1 و 5 درصد است. Huben و همکاران - 2012 - به افزایش زیست توده گیاه کلزا در اثر کاربرد بیوچار اشاره کردهاند. Lu و همکاران - 2014 - گزارش کردند، بیوچار بامبو و کاه و کلش برنج به-طور معنادار باعث افزایش وزن خشک بخش هوایی گیاه در خاکهای آلوده به فلزات کادمیم و سرب شدند که ممکن است به-دلیل تأثیر در کاهش سمیت فلزات سنگین از طریق بهبود pH خاک و افزایش زیستفراهمی فسفر خاک باشد. Karami و همکاران - 2011 - نیز گزارش کردند، بهبود عملکرد ماده خشک گیاهان خردل هندی و چمن در خاکهای آلوده به فلزات سنگین تیمار شده با بیوچار کود دامی و بقایای سبز، بهدلیل توانایی بیوچار برای افزایش حاصلخیزی خاک و کاهش سمیت زیستی فلزات بود.
