تاثیر بیوچار بر برخی ویژگی‌های زیستی و فسفر قابل استفاده در خاک‌های آلوده به کادمیوم

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول، استادیار گروه خاک‌شناسی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان، ایران.

2 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد خاک‌شناسی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: فسفر به دلیل تحرک و قایلیت دسترسی کمی که در خاک دارد، عاملی محدودکننده برای رشد گیاهان محسوب می-شود. یکی از راه‌کارهای افزایش قابلیت دسترسی فسفر در خاک، بکاربردن مواد آلی از جمله بیوچار است. بیوچار یک محصول غنی از کربن است که در اثر پیرولیز بقایای آلی در شرایط بدون اکسیژن یا کم اکسیژن حاصل می‌شود. بیوچار علاوه بر افزایش مستقیم غلظت فسفر، می‌تواند با بهبود شرایط فیزیکوشیمیایی، زیستی و آنزیمی خاک بر قابلیت دسترسی فسفر خاک موثر باشد. یکی از مشکلات زیست‌محیطی چند دهه گذشته، آلودگی خاک به فلزات سنگین از جمله کادمیم می‌باشد. کادمیم، فعالیت و تنوع جامعه میکروبی خاک را دگرگون ساخته و با کاهش فعالیت آنزیم‌های موثر در چرخه عناصر، عملکرد خاک را کاهش می‌دهد. مواد آلی از جمله بیوچار در خاک آلوده می‌توانند قابلیت دسترسی فلزات سنگین را در خاک کاهش داده و ویژگی‌های زیستی خاک را بهبود بخشند. چنین فرض می‌شود که با کاربرد بیوچار در یک خاک آلوده به فلز سنگین، فراهمی فسفر در خاک نه تنها به صورت مستقیم بلکه به صورت غیر مستقیم از طریق بهبود فعالیت زیستی و آنزیمی خاک متأثر می‌شود و این موضوع به نوع بیوچار و خاک بستگی دارد. بنابراین پژوهش حاضر با هدف بررسی برهمکنش بیوچار (کود گاوی و کاه گندم) و کادمیم بر تنفس میکروبی، فعالیت آنزیم‌های فسفاتاز اسیدی و قلیایی و فسفر قابل دسترس در دو خاک با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی متفاوت انجام گرفت.
مواد و روش‌ها: آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در 3 تکرار انجام شد. فاکتورهای آزمایشی شامل 4 سطح آلودگی کادمیم (0، 5، 10 و20 میلی گرم بر کیلوگرم)، 3 سطح بیوچار (شاهد، بیوچار کاه گندم و بیوچار کودگاوی) و 2 نوع خاک بودند. بدین منظور، دو نمونه‌ خاک با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی متفاوت (کرک سفلا و مرکز تحقیقات) با مقادیر مختلف کادمیم از منبع کلرید کادمیم آلوده و سپس با مقدار 5/2 درصد از دو نوع بیوچار تیمار و در دو زمان 14 و 90 روز در دمای آزمایشگاه و رطوبت 70 درصد ظرفیت زراعی انکوباسیون شدند. در انتهای هر دوره انکوباسیون، کادمیم و فسفر قابل دسترس، تنفس میکروبی و فعالیت فسفاتاز اسیدی و قلیایی در نمونه‌های خاک اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها: کاربرد بیوچار کود گاوی و کاه گندم در خاک، کادمیوم قابل دسترس را به ترتیب به میزان 73-7/83 و 78-64 درصد نسبت به خاک شاهد بدون بیوچار کاهش دادند. در همه سطوح آلودگی کادمیم، مقدار کادمیوم قابل دسترس در خاک مرکز تحقیقات با بافت لوم شنی بیشتر از خاک کرک سفلا با بافت رسی بود. هچنین کادمیم در غلظت‌های بالاتر باعث کاهش بیشتر تنفس میکروبی و فعالیت آنزیم‌ها در خاک مرکز تحقیقات (64-31 درصد) نسبت به خاک کرک سفلا (5/35-5/21 درصد) شد. کاهش تنفس میکروبی و فعالیت آنزیم‌ها در اثر آلودگی کادمیوم در خاک بدون بیوچار (5/41-10 درصد) بیشتر از خاک دارای بیوچار کاه گندم (8/39-5 درصد) و کود گاوی (9/37-8/0 درصد) بود. نتایج همچنین نشان داد که فسفر قابل دسترس با افزودن بیوچار به خاک افزایش و با افزایش غلظت کادمیوم کاهش یافت؛ به طوری‌که بیشترین مقدار فسفر قابل دسترس در خاک بدون آلودگی کادمیم و دارای بیوچار کود گاوی مشاهده شد. همبستگی مثبت و معنی‌داری بین فسفر قابل دسترس با تنفس میکروبی (658/0-385/0 =r)، فعالیت فسفاتاز قلیایی (879/0-764/0 =r) و اسیدی (883/0-761/0 =r) بدست آمد که حاکی از آن بود که فعالیت میکروبی و آنزیم‌های موثر بر چرخه فسفر نقش بسزایی در قابلیت دسترسی فسفر خاک داشته‌اند.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که کاربرد بیوچار در خاک‌های آلوده به کادمیم می‌تواند با کاهش قابلیت دسترسی کادمیوم و افزایش فعالیت زیستی و فسفاتازهای قلیایی و اسیدی، زیست فراهمی فسفر را در خاک افزایش دهد. نوع بیوچار و خاک در این موضوع تأثیر‌گذار می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The effect of biochar on some biological properties and available phosphorus in cadmium-contaminated soils

نویسندگان [English]

  • Safoora Nahidan 1
  • Solmaz Sepahvand 2
1 Corresponding Author, Assistant Prof., Dept. of Soil Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 M.Sc. Graduate of Soil Science, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Phosphorus (P) is one of the most important components and a limiting factor for the growth of plants due to its low mobility and availability in soil. Application of organic materials such as biochar is one of the main choices to increase the availability of P in soil. Biochar is a carbon-rich material derived from pyrolysis of organic feedstocks under limited or no oxygen conditions. Biochar can influence the availability of P by improving the physicochemical, biological, and enzymatic conditions of soil, in addition to directly increasing the concentration of nutritional elements, particularly P. Soil pollution by heavy metals such as Cadmium (Cd) has been one of the environmental concerns in the last several decades. Cadmium alters the activity and diversity of soil microbial communities, and it also lessens soil function by decreasing the activity of enzymes related to nutrient cycling. Application of organic materials such as biochar in contaminated soil can reduce the availability of heavy metals in the soil, and as a result, increase the biological properties. It is hypothesized that application of biochar in heavy metal-contaminated soil influences the availability of P not only directly but also indirectly by improving microbial and enzymatic activity. This issue depends on the type of biochar and soil. Therefore, this study was conducted to investigate the interaction effect of biochar (cow manure and wheat straw) and Cd on microbial respiration, acid and alkaline phosphatase activity and available P in two soils with different physicochemical characteristics.
Materials and methods: A factorial experiment was conducted using a completely randomized design with three replicates. The experimental factors included 4 levels of Cd contamination (0, 5, 10 and 20 mg kg-1), 3 levels of biochar (control, wheat straw and cattle manure biochar) and 2 types of soil (corck sofla and research center). Two types of soil contaminated with different amounts of Cd from CdCl2, were amended with 2.5% of the biochar, then were incubated for 14 and 90 days at laboratory temperature and 70% field capacity. At the end of each incubation time, available Cd and P, basal respiration and acid and alkaline phosphatase activity were measured.
Results: The application of cattle manure and wheat straw biochar in soil reduced the available Cd by 70-86% and 61-85%, respectively. At all levels of Cd contamination, the amount of available Cd in the research center soil with sandy loam texture was higher than that of the Kark Sefala soil with clay texture. Higher concentrations of Cd also reduced the microbial respiration and the enzyme activities in the research center (31-46%) more than in the corck sofla (21.5-35.5%) soil. The decrease in microbial respiration and enzyme activities due to Cd contamination in the soil without biochar (10-41.5%) was more than the soil amended with wheat straw (5-39.8%) and cow manure (0.8-37.9%) biochar. The results also showed that available P increased with biochar addition and decreased with increasing Cd concentration in soil, so that the highest amount of available P was observed in the soil amended with cow manure biochar and without Cd contamination. Positive and significant correlation between available P with microbial respiration (r=0.385-0.604), alkaline (r=0.764-0.879) and acid (r=0.761-0.883) phosphatase activity was obtained, indicating that microbial activity and the enzymes involved in P cycling, play a significant role in the availability of P in the soil.
Conclusion: These findings indicated that the application of biochar in Cd-contaminated soils can increase the bioavailability of P in the soil by decreasing the availaility of Cd and increasing microbial activity and alkaline and acid phosphatase activity. This issue was affected by the biochar and soil type.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microbial activity
  • Nutrient elements
  • Biochar
  • Heavy metal

مراجع

1.Halajnia, A., Haghnia, G. H., Fotovat, A., & Khorasani, R. (2009). Phosphorus fractions in calcareous soils amended with P fertilizer and cattle manure. Geoderma. 150, 209-213.
2.Nahidan, S., & Ghasmzadeh, M. (2022). Biochemical phosphorus transformations in a calcareous soil as affected by earthworm, cow manure and its biochar additions. Applied Soil Ecology. 170, 104310.
3.Jin, Y., Liang, X., He, M., Liu, Y., Tian, G., & Shi, J. (2016). Manure biochar influence upon soil properties, phosphorus distribution and phosphatase activities: a microcosm incubation study. Chemosphere. 142, 128-135.
4.Siddiqui, A. R., Nazeer, S., Piracha, M. A., Saleem, M. M., Siddiqi, I., Shahzad, S. M., & Sarwar, G. (2016). The production of biochar and its possible effects on soil properties and phosphate solubilizing bacteria. Journal of Applied Agriculture Biotechnology. 1, 27-40.
5.Lehmann, J., & Joseph, S. (2009). Biochar for environmental management- an introduction. In: Lehmann, J., and Joseph, S. (eds.), Biochar for environmental management: Science and Technology, London, Earth scan. pp. 1-11.
6.Moreno, J. L., Garcia, C., & Hernandez, T. (2003). Toxic effect of cadmium and nickel on soil enzymes and the influence of adding sewage sludge. European Journal of Soil Science. 54 (2), 377-386.
7.Megharaj, M., Sethunathan, N., & Naidu, R. (2003). Bioavailability and toxicity of cadmium to microorganisms and their activities in soil: a review. Advances in Environmental Research. 8 (1), 121-135.‏
8.Liu, P., Chen, S., Cui, Y., & Tan, W. (2021). Insights into the inhibition effects of Cd on soil enzyme activities: From spatial microscale to macroscale. Journal of Hazardous Materials. 418, 126274.
9.Yang, X., Liu, J., McGrouther, K., Huang, H., Lu, K., Guo, X., & Wang, H. (2016). Effect of biochar on the extractability of heavy metals (Cd, Cu, Pb, and Zn) and enzyme activity in soil. Environmental Science and Pollution Research. 23 (2), 974-984.‏
10.Hayyat, A., Javed, M., Rasheed, I., Ali, S., Shahid, M. J., Rizwan, M., & Ali, Q. (2016). Role of biochar in remediating heavy metals in soil. In: Phytoremediation, Springer, Cham. pp. 421-437.
11.Azadi, N., & Raiesi, F. (2021). Sugarcane bagasse biochar modulates metal and salinity stresses on microbial functions and enzyme activities in saline co-contaminated soils. Applied Soil Ecology. 167,  .
12.Hazrati, S., Farahbakhsh, M., Cerdà, A., & Heydarpoor, G. (2021). Functionalization of ultrasound enhanced sewage sludge-derived biochar: Physicochemical improvement and its effects on soil enzyme activities and heavy metals availability. Chemosphere. 269, 128767.
13.Nie, C., Yang, X., Niazi, N.K., Xu, X., Wen, Y., Rinklebe, J., & Wang, H. (2018). Impact of sugarcane bagasse-derived biochar on heavy metal availability and microbial activity: A field study. Chemosphere. 200, 274-282.‏
14.Jia, W., Wang, B., Wang, C., & Sun, H. (2017). Tourmaline and biochar for the remediation of acid soil polluted with heavy metals. Journal of Environmental Chemical Engineering. 5 (3), 2107-2114.‏
15.Burt, R. (2004). Soil survey laboratory methods manual: Soil survey investigations. Version 4.0. Natural Resources Conservation Service, Nebraska, United States. 700p.
16.Andersen, J. M. (1976). An ignition method for determination of total phosphorus in lake sediments. Water Research. 10, 329-331.
17.Lindsay, W. L., & Norvell, W. A. (1978). Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese and copper. Soil Science Society of American Journal. 42, 421-428.
18.Hossner, L. R. (1996). Dissolution for total elemental analysis. In: Sparks, D.L. (ed.), Methods of soil analysis, ASA and SSSA. Madison, WI. pp. 49-64.
19.Song, W., & Guo, M. (2012). Quality variations of poultry litter biochar generated at different pyrolysis temperatures. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 94, 138-145.
20.Olsen, S. L., & Sommers, L. E. (1982). Phosphorus. In: Page, A.L., Miller, R.H., and Keeney, D.R. (eds.), Methods of Soil Analysis, Part 2: SSSA, Madison. pp. 403-427.
21.Alef, K. (1995). Soil respiration. In: Alef, K., and Nannipieri, P. (eds.), Methods in Applied Soil Microbiology and Biochemistry. London, Harcourt Brace and Company Pub. pp. 214-216.
22.Tabatabai, M. (1994). Soil enzymes. In: R.W. Weaver et al. (eds.), Methods of Soil Analysis, Part 2: SSSA, Madison, WI. pp. 775-833.
23.Beesley, L., Moreno-Jiménez, E., & Gomez-Eyles, J. L. (2010). Effects of biochar and greenwaste compost amendments on mobility, bioavailability and toxicity of inorganic and organic contaminants in a multi-element polluted soil. Environmental pollution. 158 (6), 2282-2287.‏
24.Cao, X., Ma, L., Liang, Y., Gao, B., & Harris, W. (2011). Simultaneous immobilization of lead and atrazine in contaminated soils using dairy-manure biochar. Environmental Science and Technology. 45 (1), 4884-4889.
25.Lu, K., Yang, X., Shen, J., Robinson, B., Huang, H., Liu, D., & Wang, H. (2014). Effect of bamboo and rice straw biochars on the bioavailability of Cd, Cu, Pb and Zn to Sedum plumbizincicola. Agriculture, Ecosystems and Environment. 191, 124-132.
26.He, L., Zhong, H., Liu, G., Dai, Z., Brookes, P. C., & Xu, J. (2019). Remediation of heavy metal contaminated soils by biochar: Mechanisms, potential risks and applications in China. Environmental Pollution. 252, 846-855.
27.Liu, H., Zhang, T., Zhu, Q., Huang, D., & Zeng, X. (2022). Effect of humic and calcareous substance amendments on the availability of cadmium in paddy soil and its accumulation in rice. Ecotoxicology and Environmental Safety. 231, 113186 .
28.Pan, S. F., Ji, X. H., Xie, Y. H., Liu, S. H., Tian, F. X., & Liu, X. L. (2022). Influence of soil properties on cadmium accumulation in vegetables: thresholds, prediction and pathway models based on big data. Environmental Pollution.
304, 119225.
29.Strawn, D. G., Bohn, H. L., & O'Connor, G. A. (2020). Soil chemistry. John Wiley and Sons. 376p.
30.Paz-Ferreiro, J., Fu, S., Méndez, A., & Gascó, G. (2014). Interactive effects of biochar and the earthworm Pontoscolex corethrurus on plant productivity and soil enzyme activities. Journal of Soils and Sediments. 14 (3), 483-494.
31.Wan, Y., Devereux, R., George, S. E., Chen, J., Gao, B., Noerpel, M., & Scheckel, K. (2022). Interactive effects of biochar amendment and lead toxicity on soil microbial community. Journal of Hazardous Materials. 425, 127921 .
32.Nash, J., Miesel, J., Bonito, G., Sakalidis, M., Ren, H., Warnock, D., & Tiemann, L. (2021). Biochar alters soil properties, microbial community diversity, and enzyme activities, while decreasing conifer performance. bioRxiv, 2021-2025.
33.Sardar, K. H. A. N., Qing, C. A. O., Hesham, A. E. L., Yue, X., & He, J. Z. (2007). Soil enzymatic activities and microbial community structure with different application rates of Cd and Pb. Journal of Environmental Sciences.19 (7), 834-840.‏
34.Aponte, H., Meli, P., Butler, B., Paolini, J., Matus, F., Merino, C., Cornejo, P., & Kuzyakov, Y. (2020). Meta-analysis of heavy metal effects on soil enzyme activities. Science of the Total Environment. 737, 139744.
35.Hassan, W., Akmal, M., Muhammad, I., Younas, M., Zahaid, K. R., & Ali, F. (2013). Response of soil microbial biomass and enzymes activity to cadmium (Cd) toxicity under different soil textures and incubation times. Australian Journal of Crop Science. 7 (5), 674-680.‏
36.Jing, Y., Zhang, Y., Han, I., Wang, P., Mei, Q., & Huang, Y. (2020). Effects of different straw biochars on soil organic carbon, nitrogen, available phosphorus, and enzyme activity in paddy soil. Scientific Reports. 10 (1), 1-12.
37.Burns, R. (1982). Enzyme activity in soil: location and a possible role in microbial ecology. Soil Biology and Biochemistry. 14, 423-427.
38.Singh, H., Northup, B. K., Rice, C. W., & Prasad, P. V. (2022). Biochar applications influence soil physical and chemical properties, microbial diversity, and crop productivity: a meta-analysis. Biochar. 4 (1), 2-17.
39.Wang, D., Li, C., Parikh, S. J., & Scow, K. M. (2019). Impact of biochar on water retention of two agricultural
soils-A multi-scale analysis. Geoderma. 340, 185-191.
40.Sun, F., & Lu, S. (2014). Biochars improve aggregate stability, water retention, and pore‐space properties of clayey soil. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (1), 26-33.
41.Chintala, R., Schumacher, T.E., McDonald, L. M., Clay, D. E., Malo, D. D., Papiernik, S. K., Clay, S. A., & Julson, J. L. (2014). Phosphorus Sorption and Availability from Biochars and Soil/B iochar Mixtures. CLEAN-Soil, Air, Water. 42 (5), 626-634.
42.Kizilkaya, R., Bayrakli, F., & Surucu, A. (2007). Relationship between phosphatase activity and phosphorus fractions in agricultural soils. International Journal of Soil Science. 2, 107-118.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 30، شماره 3
مهر 1402
صفحه 45-65

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار