اثر بیوچار اسیدی پوست بادام بر آزادسازی فسفر در خاک‌های آهکی رسی و شنی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه خاک دانشگاه شهرکرد

2 گروه علوم و مهندسی خاک؛ دانشکده کشاورزی- دانشگاه شهرکرد

3 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

سابقه و هدف: فسفر یکی از عناصر غذایی ضروری برای رشد گیاهان است که نقش‌های حیاتی در فرآیندهای فیزیولوژیکی نظیر فتوسنتز، انتقال انرژی، تقسیم سلولی و رشد ریشه ایفا می‌کند. با این حال، به دلیل واکنش‌پذیری بالای فسفر با اجزای معدنی خاک به‌ویژه در خاک‌های آهکی، مقدار زیادی از فسفر افزوده ‌شده به خاک به شکل ترکیب‌های نامحلول مانند فسفات‌های کلسیم رسوب کرده و از دسترس گیاه خارج می‌شود. این مسئله منجر به کاهش بهره‌وری مصرف کودهای فسفره و افزایش هزینه‌های تولید در کشاورزی شده است. در سال‌های اخیر، استفاده از مواد آلی و زیستی از جمله بیوچار به عنوان اصلاح‌کننده‌های خاک با هدف بهبود فراهمی عناصر غذایی مورد توجه پژوهش‌گران قرار گرفته است. بیوچار به دلیل دارا بودن سطح ویژه بالا، ظرفیت تبادل کاتیونی زیاد، مواد آلی پایدار و امکان تغییر در ساختار شیمیایی آن از طریق فرآیندهای اصلاح، می‌تواند به‌عنوان منبعی مؤثر برای افزایش فسفر دردسترس در خاک مطرح باشد اما pH بالای بیوچار ممکن است سبب کاهش قابلیت استفاده فسفر در خاک‌های قلیایی شود. بنابراین، استفاده از بیوچار اسیدی می‌تواند برای بهبود قابلیت استفاده فسفر در نظر گرفته شود، زیرا اصلاح بیوچار با اسید می‌تواند ویژگی‌های شیمیایی سطح آن را به‌گونه‌ای تغییر دهد که آزادسازی عناصر غذایی را تسهیل کند.
مواد و روش‌ها: برای بررسی اثر بیوچار بر آزادسازی فسفر، آزمایش فاکتوریل 2×2×3 در قالب طرح کاملاً تصادفی با استفاده از دو نوع خاک آهکی در 3 تکرار انجام شد. آزمایش شامل فاکتور اول بهساز (بدون کاربرد (شاهد)، 1 درصد وزنی/ وزنی بیوچار پوست بادام و 1 درصد وزنی/ وزنی بیوچار پوست بادام اسیدی) و فاکتور دوم نوع خاک (شنی و رسی) در طی زمان انکوباسیون (30 و 60 روز) بود. بیوچار با استفاده از پوسته چوبی بادام در دمای ۴۰۰ درجه سلسیوس تولید شد. مقدار 200 گرم از بیوچار را در بشر ریخته و با آب مقطر اشباع شد. سپس 3/11 میلی‌لیتر اسید فسفریک غلیظ (درصد جرمی/جرمی 85 درصد) و 9/34 میلی‌لیتر اسید نیتریک (درصد جرمی/جرمی 68 درصد) غلیظ به آن اضافه و با هم‌زن شیشه‌ای بهم زده و در نهایت در دمای 60 درجه سلسیوس خشک شدند. نمونه‌های خاک با بیوچارها تیمار و در شرایط رطوبت ۷۰ درصد ظرفیت زراعی انکوبه شدند. پس از پایان دوره انکوباسیون، مقدار فسفر آزادشده به روش استخراج متوالی در زمان‌های 2، 4، 8، 24، 48، 72، 96، 240، 336، 456، 600 و 768 ساعت با محلول بی‌کربنات سدیم استخراج شد. مدل‌های سینتیکی شامل مرتبه اول، تابع توانی، الوویچ ساده و نفوذ پارابولیکی داده‌های حاصل برازش داده شد و ضرایب سرعت آزادشدن فسفر از تیمارهای مختلف تعیین گردید. تعیین بهترین معادله سینتیکی معمولا بر اساس ضرایب تبیین و خطای استاندارد مربوط به هر معادله صورت گرفت. معادله‌هایی که ضریب تبیین بالا و خطای استاندارد کمتری داشته باشند به‌عنوان برترین معادلات در توصیف داده‌های آزادشدن عناصر انتخاب شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که در هر دو خاک، تیمار بیوچار اسیدی منجر به افزایش معنی‌دار (05/0> p) فسفر تجمعی آزاد شده نسبت به تیمار شاهد شد، درحالی‌که بیوچار پوسته بادام تأثیر معنی‌داری بر مقدار فسفر تجمعی آزاد شده نداشت (05/0< P). بیشترین مقدار فسفر آزادشده (6/144 میلی‌گرم بر کیلوگرم) در تیمار بیوچار اصلاح‌شده با اسید و خاک رسی پس از ۳۰ روز مشاهده شد. در همه تیمارها، مقدار فسفر آزاد شده در خاک رسی بیش از خاک شنی بود که می‌تواند به دلیل ظرفیت تبادل کاتیونی و ماده آلی بیشتر خاک رسی نسبت داده شود. بیوچار اسیدی در مقایسه با بیوچار معمولی، دارای pH پایین‌تر (0/3 در برابر 1/7) و EC بسیار کمتر 0026/0 در برابر 46/0 (dS/m) بود. کاهش قابل توجه قابلیت هدایت الکتریکی در بیوچار اسیدی می‌تواند به‌دلیل حذف کاتیون‌های بازی طی فرآیند شستشو و اسیدی‌سازی باشد. در بررسی مدل‌های سینتیکی، مشخص شد در همه تیمارها معادله تابع توانی و الوویچ ساده با دارا بودن بیشترین ضریب تبیین و کمترین خطای استاندارد نسبت به معادلات دیگر برازش بهتری بر داده‌های آزاد شده داشتند. این امر حاکی از غالب‌ بودن مکانیسم انتشار در فرآیند آزاد شدن فسفر از خاک تحت تاثیر تیمارهای مورد مطالعه است. مقادیر شیب معادلات ﺷﺎﺧﺼﻲ ﺍﺯ سرعت ﺁﺯﺍﺩﺳـﺎﺯﻱ فسفر و ﻣﻘﺪﺍﺭ عرﺽ ﺍﺯ ﻣﺒﺪﺃ ﺑﻴﺎﻥ ﮐﻨﻨﺪﻩ سرعت ﺁﺯﺍﺩﺳﺎﺯﻱ فسفر ﺩﺭ ﻣﺮﺣﻠﻪ ﺍﻭﻝ ﺁﺯﺍﺩﺳﺎﺯﻱ (ﻣﻘـﺪﺍﺭ ﺍﻭﻟﻴـﻪ فسفر ﺁﺯﺍﺩ ﺷﺪﻩ) فسفر است. ضریب عرض از مبدا به‌ترتیب در تابع توانی و الوویچ ساده در بیوچارهای اسیدی در خاک رسی و شنی بیشتر از شاهد و در 30 و 60 روز انکوباسیون، این ضرایب در هر دو خاک رسی و شنی بین تیمارهای بیوچار پوست بادام نزدیک به آن در خاک شاهد بود و در تیمار بیوچار اسیدی افزایش یافت. همچنین این ضرایب در خاک رسی بیشتر از خاک شنی بود. کمترین ضریب شیب در تیمارهای بیوچار اسیدی مشاهده شد که نشان‌دهنده سرعت بیشتر آزادشدن فسفر از این تیمارهاست. عرض از مبدا پس از 60 روز انکوباسیون کاهش یافت و شیب افزایش یافت. ضرایب این مدل‌ها نشان داد که تیمار بیوچار اسیدی دارای بیشترین سرعت آزادسازی فسفر در خاک بود. علاوه‌براین، با گذشت زمان انکوباسیون، مقدار پارامترهای مرتبط با سرعت آزادسازی کاهش یافت و در تیمار بیوچار اسیدی این کاهش کمتر از سایر تیمارها بود.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که اصلاح بیوچار با اسید فسفریک و اسید نیتریک موجب افزایش قابل توجه فسفر آزاد شده از خاک‌های آهکی می‌شود. در مقایسه با بیوچار، بیوچار اسیدی اثر بیشتری در بهبود قابلیت استفاده فسفر داشته و این اثر در خاک رسی بارزتر بود. این یافته‌ها بر اهمیت اصلاح شیمیایی بیوچار برای بهینه‌سازی کارایی آن در سیستم‌های خاک آهکی تأکید دارد. همچنین، بررسی سرعت آزاد شدن فسفر اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار فسفر در طول زمان فراهم کرده و می‌تواند مبنایی برای مدیریت بهینه کوددهی فسفره در اراضی آهکی فراهم کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effects of Modified Almond Shell Biochar with Acid on the Amount and Rate of Phosphorus Release in Calcareous Sandy Soils

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Motaghian 1
  • Alireza Hosseinpur 2
  • Sanaz Bazivand 3
  • Saheb Sodaei 3
1 soil science
2 soil science, Faculty of agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
3 soil science, Faculty of agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Phosphorus (P) is a vital macronutrient for plant development and productivity, playing a crucial role in key physiological and biochemical processes, including photosynthesis, energy transfer via ATP, nucleic acid synthesis, root growth, and cell division. Despite its importance, the availability of phosphorus in soils—particularly in calcareous soils—is significantly limited due to its tendency to react with calcium and other soil minerals, leading to the formation of insoluble phosphate compounds. These reactions immobilize added phosphorus fertilizers, making them inaccessible to plants. In calcareous soils, where the pH is high and calcium carbonate is abundant, phosphorus readily precipitates as calcium phosphates. Consequently, only a small fraction of applied phosphorus remains in a form that plants can absorb. This inefficiency not only reduces crop yield potential but also increases the economic and environmental costs associated with excessive fertilizer use. To address this issue, researchers have increasingly focused on sustainable soil amendment strategies that can enhance phosphorus availability. Among these, biochar—produced through pyrolysis of organic materials under limited oxygen conditions—has emerged as a promising candidate. Biochar possesses a high specific surface area, stable carbon structures, significant cation exchange capacity, and the potential for surface functionalization. These properties make it suitable for modifying nutrient dynamics in soil. However, most biochars, especially those derived from woody feedstocks, tend to have alkaline pH values, which can further exacerbate phosphorus immobilization in alkaline soils. Therefore, modifying biochar through acid treatment has been proposed as an effective way to improve its properties for nutrient retention and release, particularly phosphorus. Acid treatment can lower the pH, introduce more functional groups, and remove base cations, potentially enhancing the biochar’s capacity to retain and release phosphorus in a plant-available form.
Materials and Methods: This study was conducted to evaluate the effect of acid-modified almond shell biochar on the release and availability of phosphorus in two calcareous soils with contrasting textures—sandy and clay. A factorial experiment with a completely randomized design was carried out, incorporating three main factors: (1) biochar amendment (no amendment/control, 1% w/w unmodified almond shell biochar, and 1% w/w acid-modified almond shell biochar), (2) soil texture (sandy and clay), and (3) incubation period (30 and 60 days), each with three replications. Biochar was produced by pyrolyzing almond shell wood at a temperature of 400°C. For acid modification, 200 grams of the produced biochar were saturated with distilled water, followed by the addition of 11.3 mL of concentrated phosphoric acid (H₃PO₄) and 34.9 mL of concentrated nitric acid (HNO₃). The mixture was stirred thoroughly with a glass rod and then oven-dried at 60°C. These treatments aimed to alter the surface characteristics of the biochar, particularly its pH and electrical conductivity (EC), as well as to introduce oxygen-containing functional groups that could facilitate phosphorus release. The treated soils were incubated with the respective biochar amendments at 70% field capacity to simulate realistic soil moisture conditions. Phosphorus release was monitored through sequential extraction using sodium bicarbonate solution (NaHCO₃) at multiple time intervals: 2, 4, 8, 24, 48, 72, 96, 240, 336, 456, 600, and 768 hours. The extracted phosphorus was quantified to determine the release pattern over time. To model the kinetics of phosphorus release, four commonly used equations were fitted to the data: first-order kinetics, power function, simple Elovich, and parabolic diffusion. These models help in understanding the mechanisms and rates of phosphorus release under various treatments and conditions. The determination of the most suitable kinetic equation was generally based on the coefficient of determination (R²) and the standard error (SE) associated with each equation. Equations exhibiting higher R² values and lower SE were considered the most appropriate for describing the elemental release data.
Results: The results indicated that the acid-modified biochar significantly enhanced phosphorus release in both soil types compared to the control (p < 0.05), while the unmodified almond shell biochar did not lead to a significant increase (P > 0.05). The highest cumulative phosphorus release, 144.6 mg/kg, was recorded in the clay soil treated with acid-modified biochar after 30 days of incubation. In general, phosphorus release was greater in clay soil than in sandy soil, which may be attributed to the higher cation exchange capacity and greater organic matter content of the clay soil, both of which enhance phosphorus retention and release dynamics. The acid-modified biochar exhibited a markedly lower pH (3.0) compared to the unmodified biochar (7.1), and its electrical conductivity was also significantly reduced (0.0026 vs. 0.46 dS/m). This reduction in EC suggests the successful removal of soluble base cations during the acid washing process, a change that likely contributed to improved phosphorus desorption and availability in calcareous conditions. Among the kinetic models applied, the power function and simple Elovich equations provided the best fit for the experimental data, based on their high R² and low SE. These models indicated that diffusion was the dominant mechanism controlling phosphorus release from the soil-biochar system, especially under the influence of acid-modified biochar. The model parameters—particularly the intercepts and slopes—provided further insights into the dynamics of phosphorus availability. A higher intercept signifies a greater initial release of phosphorus, while a lower slope is indicative of faster release rates. The intercepts of the best-fit models were highest for acid-modified biochar in both soil types, suggesting that these treatments facilitated the most rapid initial release of phosphorus. Conversely, the slopes were lowest in acid-biochar treatments, reaffirming the faster rate of release. Over time, as incubation progressed to 60 days, the intercepts generally decreased while the slopes increased, reflecting the natural decline in phosphorus release as the soil-biochar system approached equilibrium. Notably, the acid-modified biochar maintained a higher phosphorus release rate over time compared to the other treatments, underscoring its sustained effectiveness.
Conclusion: The findings of this study demonstrate that acid treatment of almond shell biochar using phosphoric and nitric acids can substantially enhance its capacity to release phosphorus in calcareous soils. Compared to unmodified biochar, the acid-modified variant showed superior performance in increasing phosphorus availability, particularly in clay soils with higher nutrient retention capacity. This suggests that acid-modified biochars can be effectively used as soil amendments in alkaline and calcareous agricultural systems to improve phosphorus use efficiency and reduce reliance on synthetic fertilizers. Furthermore, kinetic modeling provided valuable information on the temporal dynamics of phosphorus release, offering a scientific basis for designing more efficient phosphorus fertilization strategies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Acid-modified biochar
  • kinetics models
  • soil texture
  • kinetics rate of release