بخشی از مقاله
چکیده
این مطالعه با هدف بررسی اثر لجن فاضلاب و بیوچار آن بر فعالیت آنزیمی و کربن آلی و به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار، شامل تیمارهای 20و 40 گرم بیوچار - B - ، 40 و 80 گرم لجن فاضلاب - S - بر کیوگرم خاک و تلفیقی از تیمارهای بیوچار و لجن و مدت انکوباسیون در چهار سطح 2 - ، 15، 30 و 60 روز - بود. بر اساس نتایج تجزیه واریانس، اثر تیمار، زمان و اثر متقابل آنها بر فعالیت آنزیمی و کربن آلی خاک معنیدار بود
تیمارهای لجن و بیوچار باعث افزایش فعالیت آنزیمی و کربن آلی شدند. بیشترین میزان فعالیت اورهآز در زمان 60 روز و در تیمار B20S40 و بالاترین میزان فعالیت فسفاتاز در تیمار S80 مشاهده شد. با افزایش زمان گرماگزاری فعالیت اورهآز در تیمارهای لجن و بیوچار کاهش و فعالیت فسفاتاز نوسان داشت.
مقدمه
خاکهای مناطق خشک و نیمه خشک ایران غالبا دارای مواد آلی کمی هستند که این امر باعث کاهش حاصلخیزی و کیفیت فیزیکی و شیمیایی آنها میگردد بهبود ماده آلی خاک و رساندن آن به سطح قابلقبول نیازمند تلاش مداوم و بازگرداندن مواد آلی به خاک است. بالا بردن ماده آلی خاک به علت تجزیه سریع مواد افزودهشده مشکل است
مقدار ماده آلی خاک ویژگیهای شیمیایی، فیزیکی، بیولوژیکی و فرایندهای خاک را بهشدت تحت تأثیر قرار میدهد و یکی از شاخصهای مهم کیفیت خاک محسوب میشود
نقش کلیدی ماده آلی خاک در حاصلخیزی مشخص شده است و بهعنوان منبع ذخیره عناصر غذایی عمل کرده، همچنین باعث میشود تا شرایط فیزیکی نفوذپذیر، مناسب از لحاظ تهویه و محیط مناسبی برای رشد فراهم شود
لجن فاضلاب منبع با ارزشی از فسفر، نیتروژن، ماده آلی و عناصر ریزمغذی است که باعث افزایش حاصلخیزی خاک شده و استفاده از آن در کشاورزی مفید است - Pathak et al., 2009 - ، مقدار تولید آنها در سال 1380 در ایران 4/5 میلیارد مترمکعب بود
رها کردن فاضلاب در محیط تهدیدی جدی برای محیطزیست و سلامت بشر تلقی میشود. درحالیکه استفاده از آن در کشاورزی بهصورت یک کود سرشار از مواد آلی و عناصر غذایی مهم و مؤثر در رشد گیاه توصیه میگردد
افزودن لجن فاضلاب به خاک باعث افزایش ماده آلی خاک میشود که باعث افزایش عناصر غذایی پرمصرف و کم مصرف و بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی خاک می شود همچنین در تأمین بخشی از عناصر غذایی گیاه نیز مؤثر است
لجن فاضلاب علاوه بر خواص کودی مؤثر آن، دارای مقادیر زیادی از عناصر سنگین مانند کادمیم، مس، روی، سرب، نیکل و دیگر فلزات سمی است که محتوای آنها به منشأ لجن وابسته است. مقدار زیادی از فلزات سنگین به محض کاربرد لجن برای سالها در خاک باقی میماند و اگر مقادیر آنها زیاد باشد ممکن است برای میکروارگانیسم-ها سمی باشد و جذب عناصر ضروری توسط گیاهان را محدود نماید. یکی از نگرانیهای اصلی مربوط به افزایش استفاده از لجن فاضلاب در خاک حضور احتمالی مواد مغذی اضافی است که میتواند مشکلات زیستمحیطی و اثرات مضر بر روی ریزموجودات خاک ایجاد نماید که در چرخه مواد مغذی خاک ضروری در نظر گرفته میشوند
پیرولیز با سرکوب فلزات سنگین موجود در لجن باعث تولید بیوچارهایی شده که خطرات زیستمحیطی استفاده از آنها را بهعنوان یک افزودنی به خاک کاهش میدهد
بیوچار محصول تخریب گرمایی مواد آلی در غیاب هوا - پیرولیز - است و بهواسطه افزودن آن بهعنوان یک اصلاحکننده به خاک قابل متمایزشدن از ذغال چوب است و برای تولید آن از مواد مختلف با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی متفاوت مانند زیستتودههای کشاورزی و جنگل، لجن فاضلاب یا پسماندهای حیوانات و غیره استفاده میشود
بیوچار میتواند علاوه بر چرخه عناصر غذایی و رشد گیاه، چرخه ماده آلی خاک، جوامع میکروبی و فعالیت آنها را نیز تحت تاثیر قرار دهد
استفاده از بیوچار در خاک بهعلت بهبود خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و در نتیجه افزایش باروری گیاه، نقش آن در ترسیب کربن، کاهش انتشار گازهای گلخانهای، کاهش ضایعات - Joseph et al., 2010 - کاهش تغییرات اقلیمی، بهبود حاصلخیزی خاک، افزایش تولید محصول، مدیریت مواد زائد، تولید انرژی زیستی و سلامت خاک، مفید است .
در دهههای اخیر، تمرکز علمی زیادی بر جنبههای بیوشیمیایی، که به نظر میرسد نسبت به تغییرات آرام ایجاد شده در مدیریت خاک حساستر باشند، شده است . بنابراین تشخیصهای پویاتری از تغییرات کیفیت خاک ارائه میکند .فعالیت آنزیمهای خاک نسبت به سایر خصوصیات خاک بسیار حساس بوده و سریعتر از سایر خصوصیات زیستی خاک نسبت به تغییرات پاسخ نشان میدهد بنابراین شاخص مفیدتری برای بررسی تغییرات زیستی است
آنزیم اورهآز که از آنزیمهای مهم در چرخه کربن است و از عوامل مهم و ضروری حاصلخیزی خاک محسوب میشود. این آنزیم برای مدت طولانی در خاک است و از یکسری عوامل غیرزیستی مانند کودهای شیمیایی تأثیر میپذیرد . - Liu et al., 2009 - فسفاتاز آنزیمی است که از طریق هیدرولیز کردن منواسترهای اسیدفسفریک و تبدیل آنها به یون فسفات و مولکولی با یک گروه هیدروکسیل آزاد، گروه فسفات را از پیش ماده - بستره - خود جدا میسازد. این آنزیمها بسترههای مختلفی دارند که از لحاظ ساختمانی با هم فرق دارند. فسفاتازها در چرخه بیوژئوشیمی فسفر نقش مهمی ایفا میکنند . تا کنون تاثیر بیوچار بر فعالیت آنزیمی در خاک کمتر مطالعه شده است - Ouyang et al., 2014 - لذا این مطالعه با هدف بررسی اثر کاربرد سطوح مختلف لجن فاضلاب و بیوچار آن بر فعالیت آنزیمی و کربن آلی خاک انجام شد.
مواد و روشها
نمونهبرداری و آماده سازی خاک:
خاک مورداستفاده از مزرعه تحقیقاتی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری تهیه شد و نمونه های خاک از عمق صفر تا بیست سانتیمتری برداشت گردید و پس از انتقال به آزمایشگاه و خشک شدن در مجاورت هوا، با پتک چوبی کوبیده و از الک 2 میلیمتری عبور داده شد و خصوصیاتی از خاک مانند بافت، کربن آلی، نیتروژن کل، فسفر و پتاسیم قابل جذب، pH خاک و هدایت الکتریکی اندازهگیری شد.
آماده سازی لجن و بیوچار آن:
لجن فاضلاب به مقدار موردنیاز از تصفیهخانه فاضلاب اصفهان تهیه شد. مقداری لجن هواخشک شده و پس از کوبیده شدن از الک 2 میلیمتری عبور داده شد. pH، EC، کربن آلی و عناصر سنگین لجن فاضلاب اندازهگیری شد و قسمتی از آن برای تیمارهای لجن فاضلاب نگهداری شد و مابقی در دستگاه پیرولیز در دمای 350 درجه سانتیگراد پیرولیز کرده و بیوچار مورد نیاز بدست آمد.
فرآیند تولید بیوچار در دمای 350 درجه سانتیگراد و بصورت پیرولیز آهسته انجام شد. pH، EC، کربن آلی و عناصر سنگین بیوچار به دست آمده اندازهگیری شدند. این پژوهش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار، شامل تیمارهای 20و 40 گرم بیوچار - B - بر کیوگرم خاک، 40 و 80 گرم لجن فاضلاب - S - بر کیوگرم خاک و تلفیقی از تیمارهای بیوچار و لجن و مدت انکوباسیون در چهار سطح 2 - ، 15، 30 و 60 روز - بود.
نمونههای تیمار شده به قوطیهای پلاستیکی 1/5 کیلوگرمی منتقل و رطوبت آنها در حد 60-70 درصد ظرفیت زراعی تنظیم شد. سپس درب ظروف بسته و روی هر درب سه سوراخ به قطر تقریبی 5 میلیمتر جهت تبادل هوا تعبیه شد. در طول مدت آزمایش رطوبت نمونهها با توزین مرتب قوطیها ثابت نگه داشته شد. در فواصل زمانی 2 روز، 15 روز، 30 روز و 60 روز پس از شروع آزمایش نمونههای فرعی برداشت شد. در این نمونهها فعالیت آنزیمهای اورهآز و فسفاتاز قلیایی و کربن آلی اندازه گیری شد.
اندازهگیری فعالیت آنزیم فسفاتاز قلیایی و اورهآز برای اندازهگیری فعالیت آنزیمی فسفاتاز قلیایی 1 گرم نمونهی خاک درون ارلن 50 میلیلیتری ریخته و 0/25 میلیلیتر تولوئن افزوده شد . پس از آن با اضافه نمودن 4 میلیلیتر محلول بافر اصلاحی با pH برابر 11 و همچنین 1 میلیلیتر محلول پی-نیتروفنیلفسفات از نمک سدیم پی- نیتروفنیل فسفات مربوط به همان pH به نمونهها اضافه گردید. سپس با قرار دادن درپوش آنها و مخلوط نمودن به مدت 1 ساعت در دمای 37±1œ& گرماگزاری شد.
پس از گرماگزاری، 1 میلیلیتر محلول کلریدکلسیم 0/5 مولار و 4 میلیلیتر سود 0/5 مولار اضافه و پس از هم زدن نمونهها، مخلوط صاف شد و مقدار جذب پی-نیتروفنل در محلول صاف شده در طول موج 400 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفتومتر اندازهگیری شد
برای اندازهگیری فعالیت آنزیمی اورهآز میزان 5 گرم خاک مرطوب درون ارلن ریخته شد و پس از افزودن 2/5ml محلول اوره به مدت 2 ساعت در دمای 37 درجهی سانتیگراد گرماگزاری شد. در ادامه پس از افزودن 50 میلیلیتر محلول KCl به مدت 30 دقیقه شیک و سپس صاف شد. در نهایت پس از افزودن به ترتیب 9 میلیلیتر آب مقطر، 5 میلیلیتر سدیم سالیسیلات و 2 میلیلیتر سدیم دیکلروایزوسیانید به 1 میلیلیتر از عصارهی صاف شده و نگهداری 30 دقیقهای در دمای اتاق، مقدار جذب آن توسط دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 690nm اندازهگیری شد
کربن آلی خاک به روش والکلی و بلک - احیایی و بهبهانیزاده، - 1372 اندازهگیری شد. و تجزیه آماری و آنالیز دادهها با نرمافزار Statistix 8 انجام شد.
نتایج و بحث
اثر تیمار و زمان بر فعالیت اورهآز، فسفاتاز قلیایی و کربن آلی
خاک مورد استفاده دارای بافت لوم رسی بود. بر اساس نتایج تجزیه واریانس، اثر تیمار و زمان و اثر متقابل آنها بر فعالیت اورهآز، فسفاتاز قلیایی و کربن آلی معنیدار - p<0.01 - بود - جدول . - 2 مقایسه میانگینها با آزمون LSD نشان داد که همه تیمارها فعالیت اورهآز را نسبت به شاهد بطور معنیدار افزایش داد
بطور کلی با افزایش زمان گرماگزاری میانگین فعالیت اورهآز کمتر شد و در زمانهای 2 و 15 روز فعالیت آن بیشتر بود و بیشترین میزان فعالیت اورهآز در تیمار 7 نسبت به شاهد 3 برابر و همچنین بالاترین مقدار آن هنگام اثر متقابل زمان و تیمار در تیمار 6 و زمان 60 روز و حدود 3/5 برابر شاهد بود. افزایش فعالیت آنزیم اورهآز میتواند پاسخی به افزایش ماده آلی خاک در اثر افزودن لجن فاضلاب و بیوچار آن باشد و این امر بهعلت وابستگی فعالیت میکروبی و آنزیم تولید شده به عرضه سوبسترای کربن میباشد
Azeem و همکاران - 2016 - در طی تحقیقی که بهمنظور بررسی اثر بیوچار بر فعالیت آنزیمی انجام دادند، افزایش معنیدار فعالیت اورهآز با افزایش میزان کاربرد بیوچار را نشان دادند.
جدول .2 نتایج تجزیه واریانس اثر تیمار و زمان
