برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۵/۲۶ تا ۱۳۹۸/۰۶/۰۱

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۸۱۵
  • بازدید این ماه ۵۵
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۱
  • قبول شدگان ۴۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۴
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوبیوچار و اثرات آن در خاک

در گذشته‌ای نه چندان دور، به منظور افزایش محصولات کشاورزی، سطح زیر کشت افزایش پیدا می‌کرد. این رویه اکنون تا حدودی تغییر یافته و محققین و کشاورزان به دنبال راه‌کارهای افزایش تولید در واحد سطح هستند. اما افزایش تولید در واحد سطح در برخی موارد منجر به تحت فشار قرار گرفتن زمین کشت می‌شود. در این حالت، اگر مدیریت صحیحی صورت نگیرد، برداشت بیش از حد عناصر غذایی از خاک رخ داده و پس از گذشت مدت زمان معینی، خاک از چنین عناصر ارزشمندی تهی می‌شود. در چنین مواردی یکی از راه‌های مؤثر، افزودن مواد اصلاحی به خاک است. این مواد اصلاح‌کننده با هدف بهتر شدن شرایط فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک افزوده می‌شوند. یکی از این مواد که منجر به افزایش کارایی کود و آب آبیاری نیز می‌شود، بیوچار است. به بیوچار به دلیل ویژگی‌های ساختاری، می‌توان نانوبیوچار نیز گفت. افزودن نانوبیوچار منجر به بهبود محیط کشت گیاه شده و به مدیرت صحیح خاک کمک شایانی می‌کند.
1- مقدمه
تولید هرچه بیشتر محصولات کشاورزی به عنوان یک درخواست جهانی مطرح است. تشدید فعالیت‌های کشاورزی به مرور زمان منجر به فرسایش و کاهش حاصلخیزی خاک شده است. برخی از روش‌های سنتی کشاورزی نیز موجب کاهش میزان مواد آلی خاک (SOM) شده، که در این حالت ساختمان خاک به ورطه نابودی کشیده می‌شود. در نتیجه، میزان نگهداری عناصر غذایی و آب در خاک کاهش می‌یابد. شیوه‌های کشاورزی ارگانیک نیز نسبت به روش‌های معمول، شاخص‌های حاصلخیزی خاک مانند SOM و pH را بسته به شرایط محیط در حدود 5 تا 34 درصد بهبود می‌بخشند. بنابراین نیاز است با اضافه کردن مواد اصلاح‌کننده به خاک، از تخریب و فرسایش بیش از حد خاک‌های کشاورزی جلوگیری به عمل آید. از مواد بهبوددهنده شرایط خاک می‌توان به بیوچار اشاره کرد. بیوچار که از تجزیه حرارتی (Pyrolysis) مواد گیاهی به دست می‌آید، دارای ساختاری کریستالی است. ترکیب بیوچار را می‌توان به سه قسمت کربن مقاوم، کربن حساس و خاکستر تقسیم کرد. این ماده منافذ و حفره‌های نانویی متعددی دارد و به دلیل پایدار بودن کربن آن (داشتن ساختاری آروماتیک)، در برابر تجزیه بیولوژیکی از خود مقاومت نشان می‌دهد. در نتیجه میکروارگانیسم‌ها نمی‌توانند از کربن موجود در آن به عنوان منبع انرژی استفاده کنند. نسبت H/C و O/C در بیوچار به ترتیب کمتر از 0/6 و 0/4 است و هرچه قدر که این نسبت‌ها کمتر باشند، به معنی تشکیل بیوچاری با خصوصیات بهتر است که کربونیزه شدن ماده گیاهی به خوبی صورت گرفته و بهبودکننده مناسبی برای خاک به حساب می‌آید.
خاکستر بیوچار نیز حاوی مواد معدنی و عناصر ماکرو و میکرو است. وجود این عناصر نقش کلیدی را در ساختار شیمیایی و آروماتیک بیوچار ایفا می‌کند.به طور مثال عنصر نیتروژن می‌تواند به یک یا دو اتم کربن متصل شود که البته اثر این پیوند بر رفتار بیوچار در خاک ناشناخته است. بیوچار غنی از آهن که از کود گیاهی و در دمای بیش از 600 درجه سانتی‌گراد شکل گرفته، دارای پیوندهای Fe3C و خوشه‌های آهن فرومغناطیس است. نسبت به ماده خام اولیه نیز بیوچار در دماهای متفاوتی شکل می‌گیرد و هرچه میزان این دما افزایش می‌یابد، ترکیبات کربنی پایدارتری ایجاد می‌شود. افزایش دما با حذف کردن مواد اضافی موجود در ماده اولیه منجر به افزایش سطح ویژه بیوچار می‌شود. سطح ویژه این ماده بیش از 500 متر مربع بر گرم است که با اعمال یک سری فرایندهای فیزیکی و شیمیایی امکان افزایش این مقدار وجود دارد. افزودن چنین ماده‌ای با سطح ویژه بالا و مقاوم در برابر تجزیه بیولوژیکی، شرایط فیزیکی خاک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. همچنین می‌تواند روی دینامیک آب در خاک و چرخه عناصر غذایی تأثیر بگذارد. شکل 1 اثرات کلی بیوچار را در خاک نشان می‌دهد. این مقاله سعی دارد به بررسی اثر بیوچار بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک بپردازد [1و2].
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- اثرات بیوچار در خاک
 
2 - اثر نانوبیوچار بر خصوصیات فیزیکی خاک
تفاوت ساختار فیزیکی بین خاک و بیوچار منجر به تغییر استحکام کششی (Tensile Strength)، هیدرودینامیک (Hydrodynamics) و جریان گاز در خاک می‌شود. این اتفاقات می‌تواند روی زندگی جانوران خاک نیز اثرگذار باشد. تمامی این اثرات به نوع و ویژگی‌های بیوچار به کار رفته (ماده خام اولیه و میزان حرارت) بستگی دارد. هنگامی‌که استحکام کششی بیوچار از خاک (خاک غنی از رس) کمتر باشد، افزودن بیوچار منجر به کاهش استحکام کششی خاک می‌شود. به طور نمونه و در بررسی انجام شده روی خاک‌های آلفی‌سول(خاک‌­های مختص مناطق جنگلی سوزنی برگ و خزان کننده (Alfisols)) مشخص شد که با اضافه کردن بیوچار، میزان استحکام کششی از 64/4 به 31 کیلوپاسکال کاهش یافت. کاهش امپدانس مکانیکی (Mechanical impedance) فاکتور بسیار مهمی است که روی رشد ریشه تأثیر می‌گذارد. در این هنگام ریشه با مقاومت کمتری از جانب خاک مواجه شده و گیاه به راحتی می‌تواند ریشه خود را توسعه دهد که البته این تنها یکی از عواملی است که موجب افزایش رشد و توسعه ریشه در محیط کشت می‌شود. در تحقیقی، هنگامی‌که 10 درصد محیط کشت را بیوچار تشکیل می‌داد ریشه گیاه به خوبی توسعه پیدا کرد و زمانی که این نسبت به 15 درصد و بیش از آن افزایش پیدا کرد، تغییر محسوسی در اقزایش رشد ریشه مشاهده نشد (شکل 2).
filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 2- تأثیر بیوچار در افزایش رشد ریشه و ساقه - از چپ به راست خاک حاوی صفر، 10، 15 و 20 درصد بیوچار

با افزایش رشد ریشه و مایکوریزها (قارچ‌های هم‌زیست با ریشه گیاه: Mycorrhiza)، عناصر معدنی خاک نیز افزایش یافته که خود یکی ازعوامل افزایش نرخ جوانه زنی بذر در خاک‌های حاوی بیوچار محسوب می‌شود. کاهش استحکام کششی ممکن است باعث افزایش تحرک و جابه‌جایی بی‌مهرگان در خاک شود. بی‌مهرگان با حرکت در خاک و تغذیه خود، موادی را دفع می‌کنند که دارای انواع ویتامین‌ها و مواد مغذی است و همین امر موجب افزایش حاصلخیزی خاک نیز می‌شود.
بیوچار با کاهش جرم مخصوص (Bulk density) خاک، میزان تخلخل و پوکی خاک را افزایش می‌دهد که روی میزان نگهداری آب در خاک، مدل توسعه ریشه و جانداران خاک تأثیرگذار است. این رخداد را می‌توان به پایین بودن جرم مخصوص بیوچار نسبت به کانی‌های خاک توجیه کرد. بیوچار دارای منافذ ماکرو و میکرویی (قطری در حدود 1 تا بیش از 50 نانومتر) است که می‌تواند آب و هوا را به خوبی در خود نگهداری کند و به موجب این عمل میزان جرم مخصوص بیوچار به طور قابل ملاحظه‌ای در خاک کاهش پیدا می‌کند. طبق بررسی‌های صورت گرفته، جرم مخصوص بیوچار بسته به نوع ماده اولیه بین 0/09 تا 0/5 گرم بر سانتی‌متر مکعب متغیر است. این مقدار بسیار کمتر از جرم مخصوص خاک‌ها است. در تحقیقی، با افزودن 60 تن در هکتار بیوچار به خاک (با جرم مخصوص 1/56 گرم بر سانتی متر مکعب) جرم مخصوص خاک در حدود 5/8 درصد کاهش پیدا کرد [2].

3 - تأثیر نانوبیوچار بر خصوصیات شیمیایی خاک
خصوصیات مواد آلی شناخته شده و ناشناخته بیوچار در طول زمان و در اثر فرآیندهایی چون هوادیدگی، واکنش با مواد آلی و کانی‌های خاک و اکسید شدن توسط میکروارگانیسم‌ها تغییر می‌کند. افزودن بیوچار، باعث تغییراتی در pH، هدایت الکتریکی (Electrical conductivity:EC)، ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC: Cation exchange capacity) و میزان عناصر غذایی خاک می‌شود. بر اساس ماده‌ی اولیه‌ای که بیوچار از آن شکل می‌گیرد، pH بیوچار بسیار متغیر بوده و در حدود 4 الی 12 است. هرچه میزان درجه حرارت، هنگام تشکیل بیوچار بیشتر باشد، pH نهایی آن افزایش می‌یابد و در طول زمان این pH تغییر کرده و قابلیت افزایش یا کاهش دارد. این خصوصیت را نیز به آن ماده اولیه نسبت داده‌اند. مشاهدات حاکی از آن است که pH بیوچار حاصل از چوب بلوط پس از گذشت یک سال از 4/9 به 4/7 کاهش پیدا کرد و در مقابل pH بیوچار حاصل از علوفه ذرت در همین مدت زمان از 6/7 به 8/1 افزایش یافت. این افزایش و کاهش بیوچار را به گروه‌های عاملی موجود در آن نسبت داده‌اند. محققین علت کاهش pH را بیشتر در اکسیدن شدن کربن به گروه‌های کربوکسیلیک اسید می‌دانند. در حالی که علت افزایش pH به انحلال ترکیبات قلیایی نسبت داده می‌شود. بنابراین بیوچار موجود در خاک با تغییرات خود در طول زمان می‌تواند pH خاک را نیز دست‌خوش تغییرات گرداند.
بیوچار می‌تواند دارای بار خالص مثبت یا منفی باشد و در ابتدا و در مقایسه با مواد آلی خاک دارای ظرفیت تبادل کاتیونی کمتری است. هرچه میزان خاکستر ماده اولیه‌ای که بیوچار از آن شکل می‌گیرد بیشتر باشد، میزان CEC و چگالی بار نیز در محصول نهایی بیشتر خواهد شد. البته میزان CEC بیوچار به درجه حرارت در هنگام تشکیل آن نیز بستگی دارد. CEC موجود در بیوچار بیشتر به گروه‌های عاملی اسیدهای آلی چون هیومیک اسید مربوط می‌شود و هنگامی که دمای تشکیل بیش از حد افزایش یابد، چنین ترکیباتی از بین می‌روند. در نتیجه، میزان CEC نهایی بیوچار کاهش می‌یابد (شکل 3).

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- شماتیک ترکیب شیمیایی بیوچار و انواع گروه‌های عاملی آن

به طور مثال بیوچار تشکیل شده از علوفه ذرت در دمای 350 درجه سانتی‌گراد دارای CEC معادل 419/3 میلی‌مول بر کیلوگرم است که این میزان CEC در دمای بیش از 600 درجه سانتی گراد به حدود 252/1 میلی‌مول بر کیلوگرم کاهش می‌یابد. حال افزودن بیوچاری با CEC بالا، منجر به بهبود شرایط خاک شده و می‌تواند از هدر عناصر غذایی (ناشی از رسوب، جذب شدن به کانی‌های خاک و آبشویی) جلوگیری به عمل آورد. در نتیجه میزان کارایی کود نیز افزایش می‌یابد و عنصر غذایی بیشتری در طول دوره رشد در اختیار گیاه قرار می‌گیرد. طبق تحقیقات، بیوچار می‌تواند میزان آبشویی کودهای نیتروژنی (ترکیبات آمونیومی) را تا حدود 60 درصد کاهش دهد. از سوی دیگر همین خصوصیت باعث جذب سطحی شدن فلزات سنگین و آلاینده‌های آلی خاک (مانند آفت‌کش‌ها و ...) شده و میران آلایندگی در خاک کاهش می‌یابد.
بیوچار همچنین می‌تواند مواد آلی موجود در خاک را جذب کرده و بدین طریق علاوه بر این که میزان CEC خود را افزایش می‌دهد، از کربن آلی خاک نیز محافظت می‌کند. در نتیجه کربن آلی خاک تجزیه نشده و در طول مدت زمان میزان مواد آلی خاک افزایش می‌یابد. ظرفیت تبادل کاتیونی بیوچار این امکان را به آن می‌دهد که بتواند عناصری چون سدیم، کلسیم و منیزیم را به خود جذب کرده و از این طریق نقش مؤثری در کاهش شوری (EC) و پتانسیل اسمزی (Osmotic potential) محلول خاک ایفا کند. در نتیجه گیاه تحت تنش شوری کمتری واقع شده و میزان عملکرد گیاه افزایش می‌یابد. همچنین بیوچار می‌تواند غلطت ترکیبات محلولی چون فنول را در محلول خاک کاهش دهد. در خاک‌های اسیدی، غلظت عناصری چون آلومینیوم و منگنز در محلول خاک افزایش می‌یابد. وجود این عناصر علاوه بر ایجاد مسمومیت، در جذب سایر عناصر غذایی توسط گیاه نیز اختلالاتی ایجاد می‌کنند که بیوچار می‌تواند با کاهش غلظت این عناصر از سمیت آن‌ها بکاهد. ترکیب بیوچار با محلول‌های اسیدی موجب می‌شود تا بخشی از عناصری چون Si، Fe، S، P، K، Mg و Ca از آن آزاد شده و وارد محلول خاک شود که در نتیجه گیاهان و میکروارگانیسم‌ها می‌توانند از آن استفاده کنند [2و3و4].

4 - نتیجه‌گیری کلی
به طور کلی نانوبیوچار تولید شده از مواد گیاهی مختلف و شرایط تجزیه حرارتی متفاوت، دارای خصوصیات فیزیکوشیمیایی منحصر به فردی است. این ماده با خصوصیات جذبی متفاوت می‌تواند اثرات مثبتی را روی انواع خاک‌ها داشته باشد. تولید نانوبیوچار یک فناوری مؤثر و سبز محسوب شده که می‌تواند کارایی مصرف آب و کود را در خاک افزایش دهد. همچنین از این ماده می‌توان به عنوان بستری برای عناصر غذایی ماکرو و میکرو استفاده کرد تا عناصر غذایی با قرارگیری در این بستر کل کود کندرها را به خود بگیرند. نانوبیوچار با داشتن ویژگی‌های متعدد می‌تواند رشد گیاه را در شرایط خاک شور بهبود ببخشد. توانایی حذف انواع آلاینده‌های آلی و معدنی از خاک نیز از دیگر مزیت‌های نانوبیوچار محسوب می‌شود. امید است با استفاده از چنین موادی، خاک‌های حاصلخیز کشاورزی از خطر تخریب و فرسایش به دور بوده و میزان تولید محصولات کشاورزی در واحد سطح افزایش یابد.
 

منابـــع و مراجــــع

[1].Ulyett, J., Sakrabani, R., Kibblewhite, M. and Hann, M. (2014). Impact of biochar addition on water retention, nitrification and carbon dioxide evolution from two sandy loam soils. European Journal of Soil Science, 65(1): 96-104.

[2].Lehmann, J., Rillig, M.C., Thies, J., Masiello, C.A., Hockaday, W.C. and Crowley, D. (2011). Biochar effects on soil biota – A review. Soil Biology and Biochemistry, 43(9): 1812-1836.

[3].Atkinson, C.J., Fitzgerald, J.D. and Hipps, N.A. (2010). Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant and Soil, 337(1-2): 1-18.

[4].Chen, J., Wang, Y.Y., Wu, J.H., Si, H.P. and Lin, K.Y. (2013). The Research of Biochar Adsorption on Soil. Applied Mechanics and Materials, 448-453: 417-424.