مقاله کاربرد زغال زیستی در کاهش رواناب

بخشی از مقاله

چکیده

بخش بزرگی از آب با ارزش بر اثر رواناب از دسترس خارج می شود که مقدار آن به ویژگیهاي خاك و شرایط محیط بستگی دارد. مطالعات زیادي نشان دادهاند که اصلاحکنندههایی از قبیل زغال زیستی منبع مفیدي براي بهبود خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاك است که سبب افزایش ماده آلی، افزایش تولیدات زراعی و بهبود نفوذپذیري میشود که در این خصوص و با توجه به ضرورت بهبود کارایی سامانههاي استحصال آّب باران، افزایش نفوذپذیري و کاهش رواناب مورد توجه است.

این تحقیق با هدف تعیین اثر زغال زیستی حاصل از بقایاي هرس درختان بر کاهش رواناب در قالب یک طرحکاملاً تصادفی انجام شد. براي تولید زغال زیستی، چوبهاي جمعآوري شده ابتدا به قطعات کمتر از دو سانتیمتر تبدیل و درون کیسههایی از جنس فویل آلومنیومی قرار گرفت. این بستهها در دماي میانگین 500 درجه سانتیگراد و بهطور میانگین به مدت سه ساعت حرارت داده شدند.

نمونههاي تولید شده آسیاب و از الک دو میلیمتر عبور داده شدند . زغال زیستی در چهار سطح صفر، 0/5، یک و دو گرم بر کیلوگرم روي نمونههاي خاك اعمال شد، بعد از 105 روز نگهداري در شرایط رطوبت حدود ظرفیت زراعی، نمونهها در سینیهاي 8* 30 *30 سان تی متري ریخته و با غلتک به تراکم طبیعی رسانده و بهوسیله شبیهساز باران به مدت 30 دقیقه بارش با شدت 50 میلیمتر در ساعت روي پلاتها اعمال و سپس حجم رواناب اندازهگیري شد.

نتایج نشان داد که اعمال تیمار زغال زیستی سبب کاهش حجم رواناب و ضریب آن شده و بین شاهد و تیمارها و همچنین بین تیمار 2 گرم بر کیلوگرم با دو تیمار 0 , 5 و 1 گرم بر کیلوگرم اختلاف معنیداري در سطح 5 درصد وجود داشت و از نظر کمی بین تیمار شاهد با تیمار 2 گرم بر کیلوگرم، 25 درصد اختلاف در میزان کاهش رواناب ایجاد شده است.

مقدمه

بخش بزرگی از آب باران که به سطح میرسد، ممکن است بر اثر تبخیر و رواناب از دسترس خارج شود، که مقدار آن به ویژگیهاي خاك و شرایط اقلیمی محیط بستگی دارد. حتی هنگامی که سطح خاك داراي پوشش گیاهی است، تبخیر از سطح خاك، بسته به روش آبیاري، نوع گیاه و مرحله رشد آن حدود 10 تا 61 درصد از کل تبخیر و تعرق را تشکیل میدهد Hillel - ، . - 1977 مواد آلی اکثر خاكهاي ایران کمتر از یک درصد است و در مقایسه با خاكهاي بعضی از کشورها که مواد آلی آنها بسیار زیاد و حتی بالاي 10 درصد است، مسلماً از مقاومت کمتري در برابر فرسایش برخوردار است - علیزاده، . - 1393 عناصر غذاییمعمولاً به ذرات ریز خاك چسبیدهاند و خاك را حاصلخیز میکنند.

بنابراین وقتی خاکی فرسایش پیدا میکند، نهتنها عمق خاك کم میشود، بلکه حاصلخیزي خاك هم با شسته شدن عناصر غذایی مانند ازت، فسفر و پتاسیم از بین میرود - خسارتهاي در جاي یا در محل - هم چنین یک سري از اثرات فرسایش هم خارج از محل و در پاییندست حوزه خسارت وارد میکنند. به عنوان مثال رسوبات باعث گلآلود شدن آب میشود و حیات ماهیها و سایر آبزيها را به مخاطره میاندازد .

از طرفی، این رسوبات میتوانند در سدها نهشته شوند و اثرات سوء زیادي براي سلامتی انسانها به بارآورند - عربخدري، - 1393 پس تولید محصول رابطه منفی با شدت فرسایش دارد - نجفینژاد، . - 1374 زغال زیستی1 به عنوان یک ماده مناسب براي کاهش اثرات گرم شدن زمین است که در سالهاي اخیر توجه زیادي را به خود اختصاص داده است. علاوه بر این براي زغال زیستی کاربردهاي دیگري مطرح شده است که در مدیریت محیط زیست بسیار حائز اهمیت است.

زغال زیستی مادهاي غنی از کربن است که تحت شرایط کمبود یا نبود اکسیژن تولید میشود و در بخشهاي مختلفی نظیر اصلاح و بهبود وضعیت خاك مدیریت مواد زائد، کاهش اثرات تغییرات اقلیم و تولید انرژي کاربرد دارد، با توجه به اینکه مواد خام براي تولید زغال زیستی هم تنوع بالا و هم ارزش اقتصادي پایینی دارند، بنابراین استفاده از آن در بخشهاي مختلف مدیریت محیط زیست کارآمد و با صرفهي اقتصادي است و به همین دلیل امروزه زغال زیستی به مادهاي پرکاربرد تبدیل شده است با توجه به رویکرد سیستمی در مدیریت محیط زیست، بخشهاي مختلف محیط زیست باید به طور توام مدیریت شود که استفاده از موادي مانند زغال زیستی در این موضوع اهمیت دارد - جزینی و همکاران، . - 1393

زغال زیستی ماده جامد سیاهرنگ غنی از کربن پایدار است که در نتیجه سوزاندن مواد آلی در شرایط بدون اکسیژن و یا اکسیژن کم، در دماي کمتر از 700 درجه سلسیوس تولید میشود که به این فرآیند، گرماکافت2 گفته میشود . براي تولید زغال زیستی در مقادیر زیاد،معمولاً از دستگاههاي بزرگی که براي این منظورساخته میشوند - دستگاه گرماکافت کننده - استفاده میشود. این دستگاه-ها داراي یک مخزن بزرگ هستند که زیستتوده در داخل آن ریخته شده و حرارت داده میشود.

زیست توده مواد آلی در طی فرآیند گرماکافت تبدیل به گاز زیستی، روغن زیستی و زغال زیستی - زغال زیستی - میشود. از گاز و روغن زیستی میتوان براي تولید انرژي استفاده کرد، ولی زغال زیستی به علت ویژگیهاي منحصر به فردي که دارد، به عنوان اصلاح کننده خاك مورد استفاده قرار میگیرد Lehmann - و . - 2009 Joseph با افزایش دما، درصد زغال زیستی و درصد کربن آن کاهش یافته ولی درصد آروماتیک بودن کربن افزایش مییابد و باعث افزایش مقاومت و پایداري زیست زغال زیستی میشود.  همچنین با افزایش دماي گرماکافت درصد تولید گاز زیستی افزایش و درصد تولید روغن زیستی تا یک حدي از دما - حدود 500 درجه سلسیوس - افزایشیافته و سپس با افزایش دما کاهش مییابد .

کاهش درصد روغن تولید شده در دماي بالاتر بهعلت تبدیل آن به گاز زیستی در دماي بالا میباشد. بنابراین، زغال زیستی تولید شده در دماي گرماکافت کم نسبت به دماي بالا به علت دارا بودن درصد بیشتري از عناصر غذایی داراي ویژگی اصلاحکنندگی بهتري براي خاك می باشد و زغال زیستی تولید شده در دماي گرماکافت بالا به علت مقاومت زیاد کربن در برابر تجزیه، داراي ظرفیت زیادي براي ترسیب کربن میباشد Verheijen - و همکاران . - 2010 نوع زیستتوده نیز تأثیر بسیار زیادي بر ویژگیهاي زغال زیستی تولید شده دارد .

براي تولید زغال زیستی میتوان از انواع ترکیبات و بقایاي آلی مانند کاه و کلش گندم، شاخ و برگ درختان، انواع کودهاي دامی، لجن فاضلاب و غیره استفاده کرد 2006 Lehmann - ، Lehmann و . - 2009 Joseph زغال زیستی به دلیل سطح ویژه بالا، زیستگاه مناسبی براي اکثر ریزجانداران درگیر در فرآیند نیترات سازي میباشد و همچنین باعث افزایش معدنی شدن نیتروژن آلی میشود - جاودانیصعودي و ﻫﻤﮑﺎران، . - 1391 زغال زیستی از یک طرف با افزایش pH در خاكهاي اسیدي و از طرف دیگر با جذب فنول و ترکیبات آلی مهارکننده معدنی شدن ازت3 شرایط را براي باکتريهاي معدنی کننده ازت مطلوب میسازد و سبب افزایش معدنی شدن ﻧﯿﺘﺮوژن ﻣﯽﺷﻮد - فتحی گردلیدانی و همکاران، . - 1394

زغال زیستی بهواسطه داشتن ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - و pH بالا سبب افزایش زیست فراهمی و نگهداشت و در نتیجه کاهش آبشویی عناصر غذایی بهویژه در خاكهاي مناطق گرمسیري شده است. زغال زیستی بهطور مستقیم و غیرمستقیم میتواند موجودات خاكزي را تحت تأثیر قرار دهد - فتحیگردلیدانی و همکاران، . - 1394 مطالعات زیادي نشان دادهاند که زغال زیستی منبع مفیدي براي بهبود خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاك است که سبب افزایش ماده آلی، افزایش تولیدات زراعی و بهبود خاكهایی میشود که مقدار زیادي از کودهاي شیمیایی مختلف در آنها مصرف میشود Chan - و همکاران 2007 ، Deenik و همکاران 2011،  با توجه به تحقیقاتی که توسط سایر محقیق انجام شد، مشخص گردیده است اثر مثبت زغال زیستی در مناطق گرمسیري بیشتر است.

تحقیقات نشان میدهد که زغال زیستی نقش مهمی در ویژگیهاي فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاك مانند افزایش ذخیره کربنی، تعادل بوم نظامهاي خاکی، افزایش pH,CEC، طرفیت بافري Lehmann - و همکاران - 2003، بهبود ساختمان خاك Chen - و همکاران - 2007، افزایش زیستتوده میکروبی، فراهمی عناصر غذایی و بهبود حاصلخیزي خاك Steinbeiss - و همکاران - 2009 دارد و این اثرهاي زغال زیستی، به ویژگیهاي فیزیکی و شیمیایی آن مربوط میباشد که از آن جمله میتوان به تخلخل و سطح ویژه بالا، مقاومت زیاد در برابر تجزیه زیستی، غنی بودن، از عناصر و مواد قابل جذب، CEC و pH زیاد و داشتن ظرفیت نگهداري آب بالا اشاره کرد Lehmann - و . - 2009 Joseph Herath و همکاران 2013، گزارش کردند،، افزودن زغال زیستی ذرت موجب کاهش جرم مخصوص ظاهري، افزایش پایداري خاكدانه و در نهایت افزایش نگهداشت آب خاك گردید.

همچنین Peake و همکاران - 2014 - بیان نمودند کاربرد زغال زیستی حاصل از کاج میتواند موجب بهبود پایداري خاکدانهها، رطوبت ظرفیت مزرعه و جرم مخصوص ظاهري گردد. نتایج پژوهش Gao Lu و همکاران در سال 2003 نشان داد افزودن زغال زیستی خاکسترچوب به خاك رسی موجب بهبود ساختمان خاك، ظرفیت نگهداري آب، هدایت هیدرولیکی اشباع و تهویه خاك مورد نظر میشود.

بهدلیل مقدار بالاي رواناب و به تبع آن فرسایش گزارش شده و کم بودن ماده آلی در خاكهاي ایران، لزوم استفاده از اصلاح کنندههاي خاك و افزیش دهنده ماده آلی در خاك روز به روز بیشتر احساس میشود. با توجه به پیشینهي پژوهشهاي مطالعه شده، میتوان به این نتیجه رسید که زغال زیستی بیشتر در بخش کشاورزي و تولید محصول به کار برده شده و کمتر در بخش فرسایش و حفاظت خاك از آن استفاده شده است.

مواد و روشها

نمونه خاك مورد آزمایش به صورت دست خورده از منطقه مورد مطالعه در اراضی مرتعی شمال شرق شهر تهران بینo35 46/ 27// عرض شمالی و o51 32/ 37// طول شرقی از عمق صفر تا 30 سانتیمتر تهیه و به محل انجام آزمایش منتقل شد. براي تهیه زغال زی ستی، ابتدا شاخههاي خ شک حا صل از هرس درختان کاج به قطعات ریز به ابعاد کمتر از دو سانتیمتر تبدیل شد. با ا ستفاده از فویل آلومنیومی، پاکتهاي مخ صوص ساخته و با قرار دادن چوب خرد شده در داخل آنها ب ستههاي حدود 200 گرمی تهیه و کاملاً مسدود شدند و صرفاً یک سوراخ به قطر حدود یک میلیمتر در آنها تعبیه شد.

بستهها در یک بوته آزمایشگاهی در دماي میانگین 500 درجه سانتیگراد و بهطور میانگین به مدت سه ساعت حرارت داده شدند. مصرف بیوچار با دانههاي کوچکتر از دو میلیمتر داراي مناسبترین دانهبندي جهت مصارف کشاورزي است Lehmann - و . - 2009 Joseph بر این اساس نمونههاي زغال زیستی به دست آمده آسیاب شده و از الک دو میلیمتر عبور داده شدند.