بخشی از مقاله
چکیده
به منظور بررسی امکان توصیه فنی در زمینه کاربرد زغال چوب در خاکهای جنگلی شمال کشور، تغییرات خصوصیات خاک ناشی از حضور کوتاه و طولانی مدت زغال چوب - بایوچار - مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد خاکهای غنی از زغال در دراز مدت - بیش از 120سال - ، در مقایسه با خاک شاهد و خاک تیمار شده با زغال چوب 90 - روز در رطوبت ظرفیت زراعی - دارای کیفیت خاک به مراتب بالاتر بوده به نحویکه مقدار و ذخیره کربن، وضعیت عناصر غذایی، ظرفیت تبادل کاتیونی، هدایت هیدرولیکی اشباع و ظرفیت آب قابل استفاده افزایش چشمگیر داشته است. بهبود کیفیت خاک و ترسیب مقدار زیادی از کربن در این خاکها میتواند ضمن مقابله با گرم شدن زمین، ویژگیهای مثبتی همانند خاکهای سیاه آمازون - تراپرتا - را داشته است، اگرچه از لحاظ پدوژنتیکی دارای تفاوتهای زیادی با این خاکهاست.
واژه های کلیدی: خاکهای جنگلی، زغال چوب، ترسیب کربن، کیفیت خاک، خاک سیاه
مقدمه
تغییر کاربری اکوسیستم های طبیعی به اکوسیستم های مدیریت شده، اگر به صورت مناسبی انجام نشود، اثرات زیانباری بر خصوصیات خاک دارد به گونهای که قطع درختان جنگلی و تبدیل آن به اراضی کشاورزی باعث تخریب یا اختلال در اکوسیستمهای طبیعی و کاهش ظرفیت تولید فعلی و آینده خاک را در پی دارد - کلیک و همکاران، . - 2005 تبدیل جنگل به اراضی کشاورزی معمولا با کاهش مقدار کربن آلی، مواد مغذی، تخریب ساختمان و افت کیفیت خاک همراه است - عمادی و همکاران، . - 2009 با توجه به اینکه خاکهای جنگلی در اراضی مرتفع شمال ایران به علت فعالیتهای متراکم و شدید کشاورزی تغییر کاربری یافته و تخریب شده، بنابراین یافتن یک راهکار مناسب برای مدیریت خاک، امری حیاتی میباشد. خاکهای تیره مناطق استوایی که دارای ماده آلی فراوان و پتانسیل ذخیره کربن بالایی هستند، به عنوان موضوع تحقیقاتی مهمی مورد توجه محققان قرار گرفته است. منشا زمینهای دارای افقهای سطحی تیره رنگ، به منطقه آمازون بر میگردد و این خاکها در منطقه مورد نظر به نام Terra preta de indio - تراپرتا - شناخته میشوند که از طریق استفاده از تکنیکهای بریدن و زغال کردن جنگلها و درختان، خاک سیاه را ایجاد کرده اند - گلیسر و بریک، 2013؛ لمان و همکاران، . - 2009 ویدنر و همکاران - 2015 - بیان داشتند خاکهای تراپرتا به علت داشتن ماده آلی بالا، امروزه به عنوان مدلی جهت حاصلخیزی پایدار و ترسیب طولانی مدت کربن در مناطق حاره هستند و در مقابله با افزایش رشد جمعیت، که منجر به افزایش تقاضای محصول و افت کیفیت خاک میشود، اثرات سودمندی خواهد داشت. به استثنای مواردی که در بلژیک، استرالیا و آلمان گزارش شدند، مطالعات انجام شده در خصوص اثرات دراز مدت کربن سیاه بر خاکهای مناطق غیر حاره به ندرت دیده میشود. هرناندز-سوریانو و همکاران - 2016 - بیان کردند که زمینهایی با لکههای سیاه غنی از زغال چوب در بلژیک که از زمان تولید زغال چوب در آنها بیش از 750 سال میگذرد، نسبت به خاکهای مجاور از لحاط مقدار کربن آلی، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مناسبتر هستند.
در ایران انجام تحقیقاتی که نشان دهندهی تاثیر طولانی مدت زغال چوب بر روی خصوصیات خاکها چه در مناطق معتدله، خشک و نیمه خشک شمال ایران باشد، ضروری به نظر میرسد. با این حال تاکنون هیچ کار تحقیقاتی در خصوص تاثیرات افزودن زغال چوب حاصل از ساخت بشر در مدت طولانی بر روی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاکها در ایران انجام نشده است. از آنجا که انجام آزمایشات آزمایشگاهی طولانی مدت - چند دهه - برای تاثیر کاربرد زغال چوب - بایوچار - بر روی خاکهای مناطق شمال ایران با اقلیم مدیترانهای عملا غیر قابل اجرا میباشد، بنابراین مطالعه خاکهایی که در مکانهای تولید زغال چوب هستند به ما در درک بهتر تاثیرات بلند مدت زغال چوب - بایوچار - بر خصوصیات خاک کمک میکند. مکانهایی در استان مازندران مانند ارتفاعات منطقه گلوگاه شهرستان بابل وجود دارد که زغال چوب و بقایای کورههای تولید زغال چوب در سالیان گذشته را مرتبا به خاک آن منطقه اضافه میکردند که امروزه آن خاکها کاربریهای مختلفی از جمله جنگل، زمین زراعی و باغی دارند و از لحاظ ظاهری بسیار تیره هست. لذا هدف از این تحقیق، بررسی اثرات طولانی مدت - بیش از یک قرن - حضور زغال چوب بر برخی خصوصیات خاکهای جنگلی شمال کشور در ارتفاعات شهرستان بابل استان مازندران در مقایسه با کاربرد کوتاه مدت کاربرد زغال چوب میباشد.
مواد و روشها مشخصات کلی منطقه
این مطالعه در استان مازندران و در ارتفاعات کوهستانی و پوشیده از جنگلهای راش و ممرز در جنوب شهرستان بابل در منطقه گلوگاه با موقعیت جغرافیایی"52 38 ' 38 شرقی و"36 16' 50 شمالی با ارتفاع 600 متر از سطح دریا صورت گرفت. خاکهای موجود در این مکان عمدتا از نهشته های رسوبی آهکی و سنگ آهک نشات گرفته اند. در این منطقه رژیم دمایی و رطوبتی خاک براساس نرم افزار نیوهال به ترتیب ترمیک و یودیک است. در جنگلهای مرتفع جنوب شهرستان بابل، مکانهای تاریخی تولید زغال چوب وجود دارد که در دوره قاجار تولید انبوه زغال برای شهر تهران را انجام میدادند. در این مکانها باقیمانده زغال و در برخی مواد بسترهای کورهها را در زمینهای - جنگلهای - اطراف پخش میکردند و افراد بومی این بقایا را با خاک مخلوط کرده و این اراضی برای کشت دیم و یا از این اراضی برای تولید محصولات باغی استفاده میکردند. در این مطالعه ناحیهای که در آن خاک سیاه شناسایی شد، منطقهای در حدود 2 هکتار بوده که دست نخورده و کاربری فعلی آن جنگل اما در گذشته تحت کشت گندم دیم بوده است. خاکهای تیره موجود در این منطقه براساس تحقیقات محلی به بیش از 120 سال پیش بر میگردد، که در آن زمان مواد زغالی شده و بقایای حاصل از مکانهای تولید زغال چوب، به حال خود رها شده و نقاط سیاهی در سطح زمین در حدود 2 تا 3 هکتار را به وجود آورده اند. به منظور بررسی اثر کوتاه مدت کاربرد زغال بر خصوصیات خاک جنگلی - شاهد - ، زغال چوب تهیه شده از کورههای تولید زغال سنتی از درختان راش و ممرز منطقه تهیه و به نسبت 5 گرم در کیلوگرم به خاکها - خاکهای برداشته شده از دو عمق 20-0 و 40-20 سانتیمتر - اضافه و بعد از انکوباسیون به مدت 90 روز در رطوبت مزرعه، برای آنالیزهای مربوطه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته شد.
نمونه برداری و آنالیزهای خاک
به منظور شناسایی و کمی کردن تغییرات خصوصیات خاک در خاکهای سیاه جنگلی - که در حدود 120 سال گذشته به آن زغال چوبهای غالب منطقه از چوب درختان راش و ممرز - و همچنین اثرات کوتاه مدت کاربرد زغال به خاکها نسبت به خاک شاهد - خاک جنگلی - نمونه های خاک دستخورده و دستنخورده از دو عمق 20-0 و 40-20 سانتیمتر - مشابه عمق نفوذ زغال چوب در خاک - برداشته شد. نمونه های خاک جهت آزمایشهای فیزیکوشیمیایی هوا خشک و پس از کوبیده شدن از الک 2 میلی متری عبور داده شدنداسیدیته - pH - در حالت گل اشباع با استفاده از دستگاه pH متر، قابلیت هدایت الکتریکی - EC - 1 با دستگاه هدایت سنج الکتریکی - پیچ و همکاران، - 1987 اندازه گیری شد. برای اندازه گیری مقدار کربن آلی کل - TOC - 2، در ابتدا برای از بین بردن کربن معدنی - کربناتها - نمونه های خاک با اسید کلریدریک 1 مولار مخلوط شدند و بعد از شستشو با آب مقطر خشک شده و مقدار کربن آلی کل با دستگاه CHN آنالایزر تعیین گردید. برای افقهایی که دارای کربن سیاه - زغال - بودند در ابتدا با روش برودوسکی و همکاران - 2006 - مقدار کربن سیاه - زغال - محاسبه شد و از مقدار کربن آلی کل بدست آمده با دستگاه CHNS، کم شد تا مقدار کربن آلی طبیعی خاک بدست آید. ذخیره یا تراکم کربن آلی خاک3 در هر متر مربع با در نظر گرفتن مقدار کربن آلی طبیعی، وزن مخصوص ظاهری و ضخامت خاک محاسبه شد. ازت کل - TN - 4 به وسیله دستگاه کلدال - وسترمن، - 1990، ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - 5 به روش چاپمن - 1965 - و کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم قابل تبادل با روش جایگزینی با استات آمونیوم و با دستگاه فلیم فتومتر تعیین گردید - وسترمن، . - 1990 فسفر قابل جدب نیز بوسیله روش اولسن محاسبه شد. مقدار آب قابل استفاده با کسر ظرفیت زراعی از نقطه پژمردگی دائم با دستگاه صفحات فشاری اندازه گیری شد. هدایت هیدرولیکی اشباع و وزن مخصوص ظاهری در نمونه های دست نخورده در دو عمق اندازه گیری شد.
نتایج و بحث
خلاصه نتایج حاصل از میانگین خصوصیات خاک متاثر از حضور کوتاه و بلند مدت زغال چوب در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود با کاربرد کوتاه مدت زغال چوب حاصل از درختان ممرز و راش، پی اچ و هدایت الکتریکی را افزایش داده و کاتیونهای بازی نیز به شدت افزایش یافته است و ترسیب کربن در طول 90 روز چندان جدی نبوده است. بیشترین میزان pH با میانگین 7/6 در لایه دوم 40-20 - سانتیمتر - خاک غنی از زغال و کمترین میزان pH در افق سطحی خاک جنگل مشاهده شده است - جدول . - 1 گلیسر و بریک - 2012 - افزایش pH در خاک سیاه منطقه آمازون - تراپرتا - را به غلظت نسبتا بالای کلسیم و منیزیم تبادلی موجود در زغال چوب نسبت دادند. نواک و همکاران - 2009 - بیان کردند که بایوچارها غنی از کاتیونهایی مانند کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم هستند که در طول فرایند پیرولیز میتوانند تبدیل به اکسیدهای قلیایی و یا کربناتها شوند و پس از انتشار این اکسیدها در محیط زیست، با هیدروژن و گونههای آلومینیوم واکنش دهند و منجر به افزایش pH خاک شوند. روند جزئی افزایش pH در خاک سیاه در این مطالعه نسبت به خاکهای مجاور تا عمق تقریبی 40 سانتی متر دیده میشود. مقدار قابلیت هدایت الکتریکی در هر دو عمق خاک تیماره شده با زغال بیشتر از خاک سیاه و شاهد بوده است - جدول . - 1 آبشویی نمکها و مواد محلول در خاک سیاه، احتمالا منجر به کاهش EC در این خاکها شده است زیرا با افزایش خاکدانهسازی در خاک سیاه منطقه مورد مطالعه، هدایت هیدرلیکی اشباع نیز افزایش چشمگیر داشته که تایید کننده این امر میباشد. از طرفی بارش مناسب در این منطقه موجب آبشویی خاک شده و شرایط برای شستسشوی هرچه بیشتر خاک و کاهش اثرات مضر افزایش pH و EC اضافه کردن زغال چوب را فراهم کرده است. بر طبق گزارش ویدنر و همکاران - 2015 - مقدار EC در خاک سیاه شمال آلمان، پایین تر از خاکهای جنگلی مجاور بوده است.
در بررسی پروفیل خاک سیاه، خاک جنگلی و خاک زراعی مجاور - نتایج آورده نشده است - ، افق A خاک سیاه غنی از زغال با تیرهترین رنگ - g/kg 78/4 - بیشترین مقدار کربن آلی کل را داشته است - شکل . - 2 این روند در مقدار کربن آلی طبیعی و همچنین ذخیره کربن آلی نیز وجود داشته است. به نظر میرسد که زغال چوب از طریق حفاظت فیزیکی و شیمیایی منابع کربن آلی خاک، نرخ معدنی سازی کربن را کاهش داده و منجر به تجمع و ترسیب کربن در یک قرن گذشته شده است. ویدنر و همکاران - 2015 - گزارش کردند که مواد آلی زغالی شده منجر به افزایش سطوح بالای مواد آلی و به خصوص فرمهای مستحکم مواد آلی از نظر شیمیایی شده، که آن را میتوان به پایداری ذاتی شیمیایی و بیوشیمیایی ترکیبات گروه آروماتیک زغال چوب مرتبط دانست. اکسید شدن سطوح زغال چوب و متعاقبا تشکیل گروه های عاملی حاوی اکسیژن
