بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر رفتار و ویژگیهای نانوذرات آزاد شده به محیط زیست مورد مطالعه قرارگرفته است. در حقیقت، انتقال و تحرک نانوذرات به شدت وابسته به شرایط محیط زیست میباشد. با این حال اثرات کاربرد چند ساله نانوذرات بر خصوصیات خاک کمتر شناخته شده است. بنابراین هدف از این پژوهش بررسی تأثیر چند ساله نانوذرات بر برخی خصوصیات خاک بود. برای این منظور مقادیر مختلفی از دو نوع نانوذره اکسید فلزی MgO و Fe3O4 - صفر، 1، 3 و 5 درصد وزنی - با یک خاک لومی در سه تکرار مخلوط شد و اثرات احتمالی نانوذرات بر خواص مختلف خاک بعد از گذشت سه سال مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که کاربرد نانوذره، درصد کربن آلی خاک را کاهش داد . همچنین نانو ذرات به سبب دارا بودن سطح ویژه زیاد میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها را افزایش دادند. هرچند تاثیر نانو اکسید منیزیم بیشتر بود.
مقدمه
نانوتکنولوژی یکی از مدرنترین فناوریهای موجود است که به علت پتانسیل بالا و خصوصیات منحصر به فرد آن در تمام زمینههای علوم و تحقیقات از جمله منابع طبیعی و حفاظت خاک کاربرد دارد - بروغنی و همکاران، . - 1392 این فناوری به تدریج در حال گذر از مرحلهی آزمایشگاهی به مرحله عملیاتی و کاربردی است و این امر منجر به حضور محسوستر این فناوری در کشاورزی خواهد گردید اندازه ذرات نانو اغلب بین 1 تا100 نانومتر میباشند. این ذرات از لحاظ اندازه با کلوئیدها همپوشانی دارند. کلوئیدها در دامنه ذرات بین 1 نانومتر تا 1 میکرومتر قرار دارند - بافل، . - 2006 ذرات نانو اغلب با یکدیگر همآوری پیدا نموده و ذرات کلوئیدی و دانههای بزرگتری را تولید میکنند که خصوصیات این ترکیبات جدید از لحاظ انتقال، واکنشپذیری و دیگر خصوصیات شیمیایی ممکن است با ذرات اولیه متفاوت باشد - نواک و بوچلی، . - 2007 نتایج تحقیقات نشان داده است که نانواکسید آهن تمایل شدیدی به ایجاد پیوند با ذرات رس خاک دارد و میتواند از طریق سیمانی کردن و جذب الکترواستاتیک باعث افزایش خاکدانهسازی شود - اشمرتمن و تایلر، . - 1989 سطح ویژه زیاد ذرات نانو سبب به وجود آمدن انرژی بسیار قوی سطحی بین ذرات میشود، لذا خاصیت همآوری بسیار بالایی دارند - ناندا و همکاران، - 2003 که میتواند بر بهبود پایداری ساختمان خاک مؤثر باشند. قدسی و همکاران - 1390 - دریافتند که نانواکسید آهن در ایجاد خاکدانه و پایداری ساختمان خاک بسیار مؤثر است. باتوجه به مطالب بیان شده در مورد اثر نانوذرات بر پایداری ساختمان خاک، نانوذرات را به عنوان عامل پیوند دهنده ذرات خاک میدانند - ناندا و همکاران، . - 2003 بنابراین میتوان انتظار داشت که کاربرد نانوذرات در خاک، با کاهش درز و شکافها و افزایش پیوند بین ذرات، مقاومت کششی خاکدانهها را افزایش دهد. تأثیر چند ساله نانوذرات بر خصوصیات فیزیکی خاک در هیچ تحقیقی گزارش نشده است. با در نظر گرفتن استفاده از نانوذرات در اصلاح خاکها در سطوح مختلف در نقاط مختلف دنیا، همچنین اثر آنها بر پایداری ساختمان خاک، بررسی تأثیر بلند مدت این ذرات بر خصوصیات خاک ضروری به نظر می-رسد. بنابراین هدف از این پژوهش بررسی تأثیر کاربرد چند ساله نانو اکسید آهن و منیزیم بر برخی خصوصیات خاک میباشد.
مواد و روشها
برای انجام این پژوهش، یک نمونه خاک لوم، از روستای قیه علی بلاغ واقع در استان همدان از یک مزرعه با کشت غالب گندم، با موقعیت جغرافیایی شمالی و شرقی تهیه شد. نمونهبرداری با اطلاع از خصوصیات خاک منطقه و از عمق صفر تا 30 سانتیمتری از سطح خاک انجام شد. فاکتورها شامل ذرات نانو در دو سطح - نانو اکسید آهن و منیزیم - و سطح استفاده از نانوذرات در چهار سطح - صفر، 1، 3 و 5درصد وزنی - بود. آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار و در مجموع 24 نمونه آزمایشی طراحی گردید. بر روی نمونههای برداشت شده پس از سه سال از اعمال تیمارها، کربن آلی خاک، میانگین وزنی قطر خاکدانهها و میانگین هندسی قطر خاکدانهها اندازهگیری شد. تأثیر نانو ذرات و سطوح کاربرد آنها بر روی این ویژگیها از طریق تجزیه و تحلیل آماری با استفاده از نرمافزار SAS 9.1 مورد بررسی قرار گرفت. برای رسم نمودارها، از نرم افزار Excel نسخه 2013 استفاده شد.
نتایج و بحث
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مورد ارزیابی خاک لوم آزمایش شده در این پژوهش شامل درصد کربن آلی، میانگین هندسی قطر خاکدانهها و میانگین وزنی قطر خاکدانهها برحسب میلیمتر بودند. نتایج تجزیه واریانس و مقایسه میانگین آنها نیز مورد بررسی قرار گرفت.
تأثیر نانوذره بر کربن آلی
نتایج تجزیه واریانس دادهها نشان داد که تأثیر تیمارهای نانواکسید بر کربن آلی معنیدار نشد، ولی تأثیر سطوح کاربرد آنها - صفر، 1، 3 و 5 درصد وزنی - ، در سطح 5 درصد آماری معنیدار شد - جدول . - 1 مقایسه میانگین اثر سطوح مختلف نانوذره بر مقدار کربن آلی خاک نشان داد که استفاده از نانو ذرات موجب کاهش ماده آلی خاک گردید و این کاهش در سطح 5 درصد وزنی نانوذره نسبت به شاهد - صفر درصد وزنی نانوذره - معنیدار بود - شکل -1 الف - . تجمع نانوذرات در خاک سبب مسدود شدن منافذ و کاهش تخلخل خاک میشود - بن-موشه و همکاران، . - 2013 لذا باعث کاهش تهویه و اکسیژن موجود در خاک و به تبع آن کاهش تجزیه مواد آلی در خاک میشود، که در نتیجهی آن تجمع مادهی آلی در خاک افزایش مییابد. نتایج این پژوهش نشان داد که با افزودن نانوذره، کربن آلی در خاک کاهش مییابد که برخلاف یافتههای محققان دیگر می-باشد که احتمالا میتوان دلیل این را به چرخهی تر و خشک شدن خاک در بازهی زمانی مشخص ربط داد که باعث افزایش شرایط اکسیداسیون و در نتیجه کاهش مادهی آلی در خاک میشود - کاتریس و همکاران، . - 2012 همچنین اضافه کردن نانوذرات به خاک باعث رقیق شدن خاک و تغییر میزان مادهی آلی خاک میشود. به طوری که در سطوح پایینتر میزان کاهش مادهی آلی کمتر بوده ولی در سطوح بالاتر این کاهش چشمگیرتر است. بن -موشه و همکاران، - 2013 - گزارش کردند که نانوذرات بر کربن آلی خاک تأثیر قابل توجهی ندارند، ولی با توجه به خصوصیات نانوذرات و از آنجایی که نانوذرات به عنوان جاذب و واکنش دهندههای کارآمد در جهت کاهش آلایندههای آلی و معدنی مطرح هستند و با تأثیری که بر جوامع میکروبی خاک میگذارند، توانایی تغییر در ماده آلی خاک را دارند.
جدول -1 نتایج تجزیه واریانس تأثیر تیمارها بر کربن آلی، میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها
ns ، * و ** بهترتیب نشان دهنده عدم تأثیر معنیدار در سطح 5 درصد و تأثیر معنیدار در سطح 5 و 1 درصد میباشند
شکل -1 مقایسه میانگین - الف - اثر سطوح مختلف تیمارها بر کربن آلی و - ب - اثر تیمارهای مختلف بر میانگین وزنی قطر خاکدانهها. وجود حروف مشابه بر روی هر یک از ستونها در هر یک از نمودارها نشان دهنده عدم وجود تفاوت معنیدار در سطح 5 درصد آزمون دانکن میباشد. خطوط عمودی بر روی هر ستون نشان دهنده انحراف استاندارد دادها است.
تأثیر نانوذره بر میانگین وزنی و هندسی قطر خاکدانهها
نتایج تجزیه واریانس دادهها نشان داد که تأثیر نوع نانوذره، سطوح کاربرد و برهمکنش بین نوع نانوذره و سطوح کاربرد آن-ها در سطح 1 درصد آماری بر میانگین وزنی قطر خاکدانهها معنیدار بود - جدول . - 1 سطوح 3 و 5 درصد وزنی نانواکسید منیزیم باعث افزایش معنیدار میانگین وزنی قطر خاکدانهها نسبت به شاهد - بدون نانوذره - شد - شکل -1 ب - . نانواکسید آهن نیز باعث افزایش میانگین وزنی قطر خاکدانهها نسبت به شاهد شد، که این افزایش در سطح 5 درصد وزنی معنیدار بود. علت افزایش میانگین وزنی قطر خاکدانهها با افزایش سطح نانواکسید را میتوان با سطح ویژه بالای این ذرات مرتبط دانست، که باعث به وجود آمدن انرژی بسیار قوی سطحی بین ذرات خاک شده و جرم مخصوص ظاهری خاک را کاهش داده است. لذا با ایجاد خاصیت همآوری بسیار بالا، پایداری خاکدانهها را افزایش دادند - ناندا و همکاران، . - 2003 ذرات رس و نانوذرات اکسیدهای آهن و منیزیم در پایداری خاکدانهها نقش بسزایی دارند و ذرات نانو به عنوان عامل پیوند دهنده بین ذرات رس میباشند. تأثیر منیزیم در افزایش میانگین وزنی قطر خاکدانهها بیشتر به دلیل نقش منیزیم در همآوری رسها از طریق جایگزینی کاتیون منیزیم به جای کاتیونهایی مانند سدیم تبادلی است که باعث تشکیل و پایداری خاکدانهها بخصوص خاکدانههای کوچک میگردد - روستا و عنایتی، . - 1392 تأثیر تیمارهای منیزیم نسبت به آهن چشمگیرتر بود، بطوری که تفاوت آنها در سطح 5 درصد وزنی معنیدار شد. چرا که حفظ وضعیت و ماندگاری نانواکسید آهن تحت شرایط خاک بسیار
