اثر بیوچارهای باگاس نیشکر و شوری سدیم کلرید بر قابلیت استفاده و شکل‌های کادمیم در یک خاک درشت‌بافت آهکی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد ،گروه علوم خاک، دانشگاه شهرکرد

2 دانشیار ، گروه علوم خاک، دانشگاه شهرکرد،

3 استاد، گروه علوم خاک، دانشگاه شهرکرد

چکیده

سابقه و هدف: یکی از روش‌های مؤثر در جهت کاهش اثرهای زیان‌آور فلزهای سنگین در خاک‌های آلوده، استفاده از بیوچار است که به‌عنوان یک ماده اصلاحگر آلی ممکن است برخی ویژگی‌های شیمیایی ‌خاک را تغییر داده و شرایط مناسب را جهت بی‌تحرکی فلزهای سنگین در خاک فراهم کند. بیوچار ماده جامد کربنی است که از گرماکافت بقایای آلی در شرایطی با اکسیژن محدود تهیه می-شود. این ماده با داشتن سطح‌ویژه، ساختار متخلخل، گروه‌های عامل می‌تواند خطر آلودگی فلزهای سنگین در خاک و ورود آن‌ها به زنجیره ‌غذایی را کاهش دهد. هدف از انجام این پژوهش بررسی کاربرد بیوچارهای باگاس نیشکر تهیه‌شده از آن در دماهای 400 و 600 درجه سلسیوس بر قابلیت استفاده و شکل‌های کادمیم در یک خاک شور و آلوده به کادمیم بود.
مواد و روش‌ها: ابتدا ۱۵ میلی‌گرم بر کیلو‌گرم کادمیم از منبع کادمیم کلرید به‌صورت محلول به نمونه خاک (۲0۰ گرم) اضافه و با کل خاک مخلوط شد. نمونه‌‌ها به‌مدت 3 هفته در دمای 2±۲۵ درجه سلسیوس در رطوبت 80 درصد ظرفیت مزرعه‌ای خوابانده شدند. سپس، شوری 1170 و 2340 میلی‌گرم بر کیلوگرم از نمک سدیم کلرید (معادل 65/3 و 30/7 دسی‌زیمنس بر متر) به نمونه‌های خاک اضافه شد. در ادامه، 1 درصد (وزنی- وزنی) باگاس نیشکر و بیوچار دمای 400 درجه ‌سلسیوس و بیوچار دمای 600 درجه -سلسیوس در ۳ تکرار به نمونه خاک‌ اضافه و به‌‌مدت ۳ ماه در دمای 2±۲۵ درجه سلسیوس در رطوبت 80 درصد ظرفیت زراعی در انکوباتور نگه‌داری شدند. پس از پایان دوره خوابانیدن، از هر یک از تیمارها مقداری خاک برداشته و مقدار کادمیم قابل ‌استخراج به‌روش DTPA و شکل‌های کادمیم با استفاده از روش عصاره‌گیری تسیر و همکاران (1979) استخراج شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که بیوچار کادمیم عصاره‌گیری‌شده با DTPA را کاهش داد (05/0>p). همچنین بیوچار بر pH خاک اثر معناداری نداشت (05/0<p) و باعث افزایش قابلیت هدایت الکتریکی خاک شد (05/0>p). شوری کادمیم عصاره‌گیری شده با DTPA را افزایش داد (05/0>p). همچنین شوری اثر معناداری بر pH خاک نداشت (05/0<p). کاربرد بیوچار موجب کاهش (05/0>p) کادمیم تبادلی (7/13%) و پیوندشده با کربنات‌ها (1/24%) و افزایش (05/0>p) کادمیم پیوندشده با اکسیدهای آهن و منگنز (2/37%) و باقیمانده (6/30%) نسبت به خاک شاهد گردید. کادمیم پیوندشده با کربنات‌ها و اکسیدهای آهن و منگنز در تیمار شوری 2340 میلی‌گرم بر کیلوگرم به‌ترتیب 5/31 و 8/25 درصد نسبت به تیمار شوری 1170 میلی‌گرم بر کیلوگرم افزایش یافتند. کادمیم پیوندشده با ماده‌آلی در تیمار 1170 و 2340 میلی‌گرم بر کیلوگرم نمک سدیم کلرید به‌ترتیب 8/38 و 2/22 درصد نسبت به شاهد کاهش یافتند. همچنین کادمیم باقیمانده در تیمار شوری 1170 و 2340 میلی‌گرم بر کیلوگرم 9/24 درصد نسبت به تیمار شوری 1170 میلی‌گرم بر کیلوگرم کاهش یافت.
نتیجه‌گیری: کاربرد بیوچار باگاس نیشکر در خاک آهکی آلوده به کادمیم، منجر به تغییر شکل کادمیم از شکل‌های ناپایدار (تبادلی و کربناتی) به شکل‌های پایدارتر (پیوندشده با اکسیدهای آهن و منگنز و باقیمانده) و در نتیجه کاهش تحرک و قابلیت استفاده کادمیم در خاک می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Bagasse Biochars and Sodium chloride Salinity on Fractionation and Availability of Cadmium in a coarse‐textured Calcareous Soil

نویسندگان [English]

  • Elnaz Mirzakhani 1
  • hamidreza Motaghian 2
  • Alireza Hosseinpur 3
1 soil science department of Shahrekord university
2 soil science department, shahrekord university
3 Professor of soil science department, Shahrekord University
چکیده [English]

Background and Objectives: Biochar application is one of the effective methods to reduce the harmful effects of heavy metals in contaminated soils. Biochar is an organic amendment may change some of the chemical properties of the soil and create suitable conditions for immobilizing of heavy metals in the soil. Biochar is a carbon solid obtained from the pyrolysis of residues under limited oxygen conditions. Biochar have high surface area, porous structure, and functional groups, which can reduce the risk of heavy metal contamination in the soil and their entry into the food chain. The aim of this study was to investigate the effect of sugarcane bagasse biochar produced at 400 and 600 °C on the availability and fractions of Cd in saline and cadmium-contaminated soil.
Materials and Methods: Initially, 15 mg kg-1 Cd as cadmium chloride was added to sandy soil sample (200 g) and mixed with the soil. The soils were incubated for 3 weeks at 25±2 °C at a moisture content of 80% field capacity in incubator. After incubation period, salinity levels of 1170 and 2340 mg kg-1 as sodium chloride was added to the soils. Then, the 1% (w/w) of the sugarcane bagasse and biochars produced at 400 and 600 °C were added to the soil and incubated for 3 months at 25±2 °C. At the end of the incubation period, a soil sample was removed from each of the treatments and available Cd (DTPA) and its fractions (Tessier et al. 1979) were extracted.
Results: The results showed that the application of biochar reduced Cd extracted by DTPA (p<0.05). Also, effect of biochar on pH wasnot significant (p>0.05) and increased EC (p<0.05). Salinity increased Cd extracted by DTPA (p<0.05). Also, biochar application reduced exchangeable Cd (13.7%) and Cd associated with carbonates (24.1%), while, increased Cd associated with oxides (37.2%) and residual (30.6%) compared to control. Cadmium associated with Fe/Mn oxides and associated with carbonates in 2340 mg kg-1 treatment compared to 1170 mg kg-1 treatment increased 31.5 and 25.8% respectively. The results reveled that Cd associated with OM in 1170 and 2340 mg kg-1 treatments compared control reduced 38.8 and 22.2% respectively. Also, residual Cd reduced (24.9%) in 2340 mg kg-1 treatment compared to 1170 mg kg-1 treatment.
Conclusion: Application of sugarcane bagasse biochar in soil led to change Cd from unstable fractions (exchange and associated with carbonates) to stable fractions (associated with Fe/Mn oxides and residual), therefore reduced the mobility of Cd in saline calcareous sandy soil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biochar
  • salinity
  • cadmium
  • fraction

مراجع

1.Abbaspour, A., Kalbasi, M., Hajrasuliha, S., and Golchin, A. 2007. Effects of plant residue and salinity on fractions of cadmium and lead in three soils. Soil & Sediment Contamination. 16: 539-555.
2.Acosta, J.A., Jansen, B., Kalbitz, K., Faz, A., and Martrinez, S. 2011. Salinity increases mobility of heavy metals in soil. Chemosphere. 85: 1318-1324.
3.Ali, A., Guo, D., Zhang, Y., Sun, X., Jiang, S., Guo, Z., Huang, H., Liang, W., Li, R., and Zhang, Z. 2017. Using bamboo biochar with compost for the stabilization and phytotoxicity reduction of heavy metals in mine-contaminated soils of China. Scientific Reports. 7: 1-12.
4.Ali, A., Shaheen, S.M., Guo, D., Li, Y., Xiao, R., Wahid, F., Azeem, M., Sohail, K., Zhang, T., Rinklebe, J., and Li, R. 2020. Apricot shell-and apple tree-derived biochar affect the fractionation and bioavailability of Zn and Cd as well as the microbial activity in smelter contaminated soil. Environmental Pollution. 264: 114773.
5.Brunauer, S., Emmett, P.H., and Teller,E. 1938. Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society. 60: 309-319.
6.Boostani, H.R., Chorom, M., Moezzi, A., Enayatizamir, N., and Karimian, N. 2016. Effect of salinity and organic matter on distribution of zinc chemical forms in a calcareous soil after maize cultivation. Water and Soil Science. 25: 157-169.
(In Persian)
7.Cui, L., Pan, G., Li, L., Bian, R., Liu, X., Yan, J., Quan, G., Ding, C., Chen, T., Liu, Y., and Liu, Y. 2016. Continuous immobilization of cadmium and lead in biochar amended contaminated paddy soil: a five-year field experiment. Ecological Engineering. 93: 1-8.
8.Cheng, J., Li, Y., Gao, W., Chen, Y.,Pan, W., Lee, X., and Tang, Y.2018. Effects of biochar on Cd and Pb mobility and microbial community composition in a calcareous soil planted with tobacco. Biology and Fertility of Soils. 54: 373-383.
9.Dai, S., Li, H., Yang, Z., Dai, M., Dong, X., Ge, X., Sun, M., and Shi, L. 2018. Effects of biochar amendments on speciation and bioavailability of heavy metals in coal-mine-contaminated soil. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal. 24: 1887-1900.
10.Efiuni, A. 2013. Soil resource quality standards (soil resource pollution) and., its guidelines. Deputy Minister of Human Environment. Water and Soil Office. (In Persian)
11.Falahati Marvast, A., Hosseinpur, A.R., and Tabatabay, H. 2012. Effect of salinity and sewage sludge on the availability and uptake of heavy metals by barley. Journal of Water and Soil (Agricultural Science and Technology). 27: 958-997. (In Persian)
12.Gee, G.H., and Bauder, J.W. 1986. Particle size analysis. P 383-409, In: A. Klute,  (ed.), Methods of Soil Analysis. Part 2 physical properties. American Society of Agronomy Madison, WI.
13.Ghallab, A., and Usman, A.R.A. 2007. Effect of sodium chloride-induced salinity on phyto-availability and speciation of Cd in soil solution. Water, Air, and Soil Pollution. 185: 43-51.
14.Hamzenejad, R., Sepehr, E., Samadi,A., Rasouli-Sadaghiani, M.H., and Khodaverdiloo, H. 2017. effect of apple pruning residue biochar on chemical forms, mobility factor index (MF) and reduced partition index (IR) of heavy metals in a contaminated soil. Journal of Water and Soil. 28: 65-78. (In Persian)
15.Jones, B.J. 2001. Conducting soil tests and plant analysis. CRC Press. 363p.
16.Jiang, J., Xu, R.K., Jiang, T.Y., and Li, Z. 2012. Immobilization of Cu (II), Pb (II) and Cd (II) by the addition of rice straw derived biochar to a simulated polluted Ultisol. Journal of Hazardous Materials. 229: 145-150.
17.Keshavarz, P., Malakouti, M.J., Karimian, N., and Fotovat, A. 2006. The effects of salinity on extractability and chemical fractions of zinc in selected calcareous soils of Iran. 8: 181-190.
18.Karimi, F., Rahimi, G., and Kolahchi, Z. 2020. Interaction effects of salinity, sewage sludge, and earthworms on the fractionations of Zn and Cu, and the metals uptake by the earthworms in a Zn-and Cu-contaminated calcareous soil. Environmental Science and Pollution Research, 27: 10565-10580.
19.Lindsay, W.L., and Norvell, W.A. 1978. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper.
Soil Science Society of America Journal. 42: 421-428.
20.Lehmann, J., and Joseph, S.M. 2009. Biochar for environmental management Science and technology, Earthscan, London UK. Forest Policy and Economics. 11: 535-536.
21.Lu, K., Yang, X., Gielen, G., Bolan, N., Ok, Y.S., Niazi, N.K., Xu, S., Yuan, G., Chen, X., Zhang, X., and Liu, D.
2017. Effect of bamboo and rice straw biochars on the mobility and redistribution of heavy metals (Cd,Cu, Pb and Zn) in contaminated soil. Journal of Environmental Management. 186: 285-292.
22.Li, P., Wang, X., Yu, J., Yang, J., Yu, Y., Zhou, D., and Li, Y. 2020. Effect of water level and salinity on metal fractionation in sediments of the Yellow River Delta. Wetlands .40: 2765-2774.
23.Moradi, N., Rasouli-Sadaghiani, M.H., and Sepehr, E. 2017. Effect of biochar types and rates on some soil properties and nutrients availability in a calcareous soil. Journal of Water and Soil.
31: 1232-1246. (In Persian)
24.Nelson, D.W., and Sommers, L.E. 1996. Carbon, organic carbon and organic matter. P 961-1010, In: D.L. Sparks, (Ed), Methods of Soil Analysis. SSSA, Madison. WI.
25.Petruzzelli, G., Guidi, G., and Lubrano, L. 1985. Ionic strength effect on heavy metal adsorption by soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 16: 971-986.
26.Poon, C.S., Lio, K.W., and Tang,C.I. 2001. A systematic study of cement/PFA chemical stabilisation/ solidification process for the treatment of heavy metal waste. Waste Management & Research. 19: 276-283.
27.Park, J.H., Choppala, G.K., Bolan, N.S., Chung, J.W., and Chuasavathi, T. 2011. Biochar reduces the bioavailability and phytotoxicity of heavy metals. Plant and Soil. 348: 439-451.
28.Richards, L.A. 1954. Diagnosis and Improvement of Saline Alkali Soils, Agriculture, 160, Handbook 60. US Department of Agriculture, Washington DC. 154p.
29.Rhoades, J.D. 1996. Salinity electrical conductivity and total dissolved solids.P 417-437, In: D.L. Sparks, (ed.), Methods of Soil Analysis. Part 3 chemical methods. American Society of Agronomy Madison, WI.
30.Sposito, G., Lund, L.J., and Chang, A.C. 1982. Trace metal chemistry in arid‐zone field soils amended with sewage sludge: I. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in solid phases. Soil Science Society of America Journal. 46: 260-264.
31.Sajadi Tabar, S., and Jalali, M. 2013. Kinetics of Cd release from some contaminated calcareous soils. Natural Resources Research. 22: 37-44.
32.Tessier, A., Campbell, P.G., and Bisson, M.J.A.C. 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical chemistry. 51: 844-851.
33.Thomas, G.W. 1996. Soil pH and soil acidity. P 475-490, In: D.L. Sparks, (ed.), Methods of Soil Analysis. Part 3, chemical methods,American Society of Agronomy Madison . Madison, WI.
34.Uchimiya, M., Wartelle, L.H., Klasson, K.T., Fortier, C.A., and Lima, I.M. 2011. Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil. Journal of Agricultural and Food Chemistry.59: 2501-2510.
35.Usman, A.R. 2015. Influence of NaCl-induced salinity and Cd toxicity on respiration activity and Cd availability to barley plants in farmyard manure-amended soil. Applied and Environmental Soil Science. https://doi.org/10.1155/2015/483836.
36.Yang, X., Liu, J., McGrouther, K., Huang, H., Lu, K., Guo, X., He, L.,Lin, X., Che, L., Ye, Z., and 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: 974-984.
37.Yang, X., Lu, K., McGrouther, K., Che, L., Hu, G., Wang, Q., Liu, X., Shen, L., Huang, H., Ye, Z., and Wang, H. 2017. Bioavailability of Cd and Zn in soils treated with biochars derived from tobacco stalk and dead pigs. Journal of Soils and Sediments. 17: 751-762.
38.Zhang, G., Guo, X., Zhao, Z., He, Q., Wang, S., Zhu, Y., Yan, Y., Liu, X., Sun, K., Zhao, Y., and Qian, T.2016. Effects of biochars on the availability of heavy metals to ryegrass in an alkaline contaminated soil. Environmental Pollution. 218: 513-522.
مجله مدیریت خاک و تولید پایدار
دوره 11، شماره 3
آذر 1400
صفحه 99-117

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار