تولید بهسازهای زیستی بر پایه نانوبیوچار و بررسی تأثیر آن‌ها بر عناصر پرمصرف و کربن آلی خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی منابع طبیعی، دانشکده کشاورزی منابع طبیعی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

چکیده

سابقه و هدف: ایران روزانه حجم قابل‌توجهی از پسماندهای زیستی را از منابع کشاورزی، صنعتی و خانگی تولید می‌کند. دفع نامناسب این مواد آلی نه‌تنها موجب تخریب محیط‌زیست می‌شود، بلکه به اتلاف منابع غنی از عناصر غذایی منجر می‌گردد که می‌توانند در بهبود حاصلخیزی خاک مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به نگرانی‌های فزاینده در خصوص کاهش باروری خاک و پیامدهای زیست‌محیطی کودهای شیمیایی، رویکردهای نوین در کشاورزی پایدار بر بهره‌برداری از پسماندهای آلی به‌عنوان اصلاح‌کننده‌های زیستی تأکید دارند. عناصر پرمصرف نظیر نیتروژن(N) ، فسفر (P) و پتاسیم (K) به همراه کربن آلی، نقش اساسی در حفظ سلامت خاک، افزایش عملکرد گیاه و پایداری بلندمدت اکوسیستم ایفا می‌کنند.
مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف بررسی قابلیت پسماندهای زیستی محلی شهرستان میناب، شامل بقایای باغی و دریایی، در تولید اصلاح‌کننده‌های نوین خاک انجام شد. چهار نوع اصلاح‌کننده خاک سنتز گردید: دو نوع نانوبیوچار حاصل از ساقه نخل و هسته خرما و دو کامپوزیت آلی حاصل از تلفیق کیتوزان با هر یک از نانوبیوچارها. به‌منظور بررسی اثر این بهسازها بر میزان عناصر پرمصرف NPK و کربن آلی خاک، آزمایشی به ‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی اجرا گردید. مواد اصلاحی در سه سطح (صفر، ۱ و ۲ درصد وزنی) و در سه تکرار به خاک افزوده، به ‌صورت یکنواخت مخلوط و در گلدان‌ها قرار داده شدند. نمونه‌ها به مدت ۹۰ روز در شرایط گلخانه‌ای نگهداری شدند. پس از دوره استراحت، از تیمارهای مورد مطالعه نمونه‌برداری صورت گرفت و عناصر هدف اندازه‌گیری شدند. داده‌های حاصل با استفاده از نرم‌افزار R مورد تجزیه‌وتحلیل آماری قرار گرفتند و برای مقایسه میانگین‌ها از آزمون توکی بهره گرفته شد.
نتایج و بحث: نتایج نشان داد که تمامی اصلاح‌کننده‌های زیستی به‌طور معناداری وضعیت عناصر غذایی خاک را نسبت به تیمار شاهد بهبود بخشیدند؛ به‌ویژه، کامپوزیت کیتوزان- نانوبیوچار حاصل از هسته خرما بیشترین اثربخشی را در افزایش غلظت نیتروژن، فسفر و پتاسیم داشت. در مقابل، اصلاح‌کننده‌های مشتق‌شده از ساقه نخل اعم از نانوبیوچار و کامپوریت کیتوزانی آن در افزایش کربن آلی خاک مؤثرتر بودند که احتمالاً ناشی از محتوای بالای لیگنوسلولزی و پایداری بیشتر کربن در آن‌هاست. افزایش سطح کاربرد موجب ارتقای غلظت نیتروژن در اغلب تیمارها، به‌ویژه در نانوبیوچار ساقه نخل، نانوبیوچار هسته خرما و کامپوزیت ساقه نخل شد؛ بااین‌حال، غلظت فسفر با افزایش سطح کاربرد تغییر معناداری نداشت که نشان‌دهنده تحرک محدود یا فراهمی زیستی پایین آن در شرایط آزمایش بود. در بررسی پتاسیم، تنها کامپوزیت کیتوزان– نانوبیوچار هسته خرما در سطوح بالاتر کاربرد، اثر معنی‌داری نشان داد که حاکی از اثر هم‌افزایی بین کیتوزان و ماتریس بیوچار است. از طرفی، میزان کربن آلی در هر دو تیمار کامپوزیتی با افزایش سطح کاربرد از ۱٪ به ۲٪ به‌طور معناداری افزایش یافت که نقش کیتوزان در حفظ کربن و تحریک فعالیت میکروبی را برجسته می‌سازد. این یافته‌ها نشان می‌دهند که اصلاح‌کننده‌های زیستی مورد مطالعه ظرفیت بالایی برای جایگزینی پایدار کودهای شیمیایی دارند. توانایی آن‌ها در غنی‌سازی خاک با مواد مغذی و آلی، آن‌ها را به گزینه‌ای ارزشمند برای احیای خاک‌های تخریب‌شده، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک، تبدیل می‌کند. افزون بر این، استفاده از این مواد موجب کاهش فشار زیست‌محیطی ناشی از انباشت پسماندهای زیستی، ارتقاء بهره‌وری چرخه منابع و پشتیبانی از پایداری بلندمدت کشاورزی می‌شود.
نتیجه‌گیری: درمجموع، تلفیق فناوری نانو و ترکیبات زیست‌پلیمری در راهبردهای اصلاح خاک، مسیر نویدبخشی برای مدیریت حاصلخیزی خاک به‌صورت زیست‌سازگار و مقرون‌به‌صرفه فراهم می‌سازد. تحقیقات آینده باید بر اعتبارسنجی میدانی، پایش بلندمدت سلامت خاک و بهینه‌سازی فرمولاسیون اصلاح‌کننده‌ها متناسب با نوع خاک و گیاه تمرکز یابد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Production of Bio-Amendments Based on Nanobiochar and Investigation of Their Effect on Macronutrients and Soil Organic Carbon

نویسندگان [English]

  • Zahra Abasnasab
  • Navazollah Moradi
  • Yahya Esmaeilpour
  • Hamid Gholami
  • Mahdi Biniaz
Department of Natural Resources Engineering, Faculty of Natural Resources and Agriculture, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
چکیده [English]

Introduction: Iran generates a considerable volume of biowaste daily, stemming from agricultural, industrial, and domestic activities. Improper disposal of these organic residues not only contributes to environmental degradation but also leads to the loss of valuable nutrient-rich materials that could otherwise be repurposed for soil enhancement. In response to growing concerns over soil fertility depletion and the environmental impact of chemical fertilizers, recent approaches in sustainable agriculture have emphasized the utilization of organic waste as bio-amendments. Macronutrients such as nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K), along with organic carbon, are essential for maintaining soil health, improving crop productivity, and promoting long-term ecological balance.
Material and methods: This study was conducted to explore the potential of locally available biowaste in Minab County, Iran, specifically orchard and marine residues, for the development of innovative bio-amendments. Four types of soil conditioners were synthesized: two nanoscale biochar materials, nanobiochar derived from palm tree stems and nanobiochar from date pits, and two organic composite amendments formed by integrating chitosan with each nanobiochar type. The objective was to assess their effectiveness in enhancing soil macronutrient content and organic carbon levels under controlled greenhouse conditions. A factorial experiment was designed using a completely randomized layout, with three application rates (0%, 1%, and 2% by weight) and three replicates per treatment. The amendments were thoroughly mixed with soil and incubated in pots for a period of 90 days. Following the incubation, soil samples were collected and analyzed for NPK and organic carbon concentrations. Statistical analysis was performed using R software, and treatment comparisons were conducted using Tukey’s post hoc test to determine significant differences.
Results and discussion: The results revealed that all bio-amendments significantly improved soil nutrient status compared to the untreated control. Notably, the chitosan–nanobiochar composite derived from date pits exhibited the highest efficacy in enhancing nitrogen, phosphorus, and potassium levels. In contrast, amendments derived from palm stems—both the nanobiochar and its chitosan composite—were more effective in increasing soil organic carbon, likely due to their higher lignocellulosic content and greater carbon stability. An increase in application rate positively influenced soil nitrogen content across most treatments, particularly in palm stem nanobiochar, date pit nanobiochar, and the palm stem composite. However, phosphorus levels remained statistically unchanged with increasing amendment rates, suggesting limited mobility or bioavailability under the given conditions. Potassium levels showed a significant response only in the date pit composite treatment, indicating a synergistic effect between chitosan and the biochar matrix. Organic carbon content increased significantly in both composite treatments as the application rate rose from 1% to 2%, underscoring the role of chitosan in enhancing carbon retention and microbial activity. These findings demonstrate that the studied bio-amendments possess strong potential to serve as sustainable alternatives to conventional chemical fertilizers. Their ability to enrich soil with essential nutrients and organic matter makes them particularly valuable for restoring degraded soils, especially in arid and semi-arid regions. Furthermore, the use of such amendments contributes to reducing environmental pressure from biowaste accumulation, promoting circular resource use, and supporting long-term agricultural sustainability.
Conclusion: The integration of nanotechnology and biopolymer composites in soil amendment strategies offers a promising pathway toward eco-friendly and cost-effective solutions for soil fertility management. Future research should focus on field-scale validation, long-term soil health monitoring, and optimization of amendment formulations tailored to specific crop and soil types.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biofertilizer
  • Sustainable Agriculture
  • Nanomaterials
  • Chitosan
  • Composite
  • Organic Carbon