Iranian Jornal of Watershed Management Science&Engineering

fa تغییرات خاک‌دانه‌ها در اثر کاربرد زغال‌زیستی حاصل از سرشاخه‌های صنوبر The Changes in Aggregates due to the Use of Biochar Obtained from Populus Nigra Branches تخصصي Special پژوهشي Research مقدمه حفاظت از منابع خاک به منظور حفظ امنیت غذایی جهان و بهبود کیفیت محیطی ضروری است. ساختمان خاک از ویژگی‌های فیزیکی و فعال خاک است که می‌توان آن را با معیار پایداری ارزیابی نمود. پایداری خاک‌دانه‌ها در بحث کیفیت فیزیکی خاک اهمیت داشته و بهبود آن منجر به بهبود عملکرد خاک می‌شود. استفاده از انواع افزودنی‌های خاک در شرایطی که امکان مدیریت زیستی وجود نداشته باشد، راه‌حلی مفید برای حفاظت و اصلاح ساختمان خاک است. افزودنی زغال‌زیستی از منابع زیستی مختلف تهیه و به عنوان روش حفاظتی غیر‌سازه‌ای در سال‌های اخیر معرفی شده است؛ لذا آگاهی از رفتار‌ها، واکنش‌ها و تغییرات کوتاه‌مدت و بلندمدت آن در خاک از اهمیت زیادی به منظور مدیریت پایدار برخوردار است. تأثیر افزودنی زغال‌زیستی بر ویژگی‌های فیزیکی خاک تحت شرایط آزمایشگاهی حاکی از ایجاد تغییرات مثبت در معیارها و شاخص‌های فیزیکی خاک بوده‌ است. این جنبه از کاربردهای زغال‌زیستی ضرورت مطالعه و شناسایی هر چه بیشتر آن را در عرصه‌های منابع‌طبیعی با محوریت کنترل فرسایش نمایان می‌سازد. از آنجاییکه کاربرد زغال‌زیستی حاصل از ضایعات و سرشاخه‌های درخت صنوبر به‌منظور حفاظت از خاک در عرصه و در شرایط طبیعی آب‌و هوایی تاکنون گزارش نشده است، بنابراین پژوهش حاضر تأثیر افزودنی زغال‌زیستی بر ساختمان خاک در شرایط طبیعی را در دامنه‌ای از‌ دیم‌زارهای رهاشده و در قالب کرت‌های استاندارد مدل جهانی تلفات خاک در مدت دو سال متوالی به بررسی گذاشته است. مواد و روش‌ها در پژوهش حاضر اثر افزودنی زغال‌زیستی بر تغییرات ساختمان خاک در محدوده سد نوروزلو، شهرستان میاندوآب استان آذربایجان‌غربی و در مقیاس شش کرت استاندارد USLE ارزیابی شد. در همین راستا، زغال‌زیستی در اثر فرایند گرماکافت از سرشاخه‌های گونه درخت صنوبر تبریزی (Populus nigra) تهیه شد. برای انجام آزمایش، دو تیمار شاهد و زغال‌زیستی و هر کدام با سه تکرار مدنظر قرار گرفت. پس از تهیه و انتقال زغال‌زیستی به منطقه، اقدام به اعمال و پخش آن در سطح کرت‌ها به‌میزان 5/32 تن بر هکتار شد. جهت بررسی تغییرات ساختمان خاک در اثر اعمال زغال‌زیستی در چهار زمان متوالی به فواصل شش ماه بعد از اعمال زغالزیستی نمونه‌برداری از خاک کرت‌ها انجام شد. در این فواصل زمانی توزیع اندازه ذرات و پایداری خاک‌دانه‌ها با استفاده از روش سری الک خشک اندازه‌گیری شدند. از نتایج الک خشک برای اندازه‌گیری پایداری خاک‌دانه‌ها استفاده شد و برای تعیین اندازه خاک‌دانه‌ها و تشخیص سطح پایداری ذرات دو شاخص میانگین وزنی قطر خاک‌دانه‌ها و میانگین هندسی قطر خاک‌دانه‌ها محاسبه شدند. سپس آزمون همگنی واریانس‌ها به‌عنوان یکی از ملزومات اولیه تجزیه و تحلیل داده‌ها، آزمون‌ GLM  برای بررسی تأثیر جداگانه و تعاملی تیمارها و زمان و آزمون T مستقل برای مقایسه میانگین مؤلفه‌های مورد بررسی بین تیمارها انجام گرفت. نتایج و بحث به منظور بررسی پایداری خاک‌دانه‌ها تحت تیمار زغال‌زیستی در شرایط طبیعی و کرت‌های استاندارد مؤلفه‌های میانگین وزنی قطر خاک‌دانه (MWD) و میانگین هندسی قطر خاک‌دانه‌ها (GMD) برای تیمار شاهد و زغال‌زیستی در چهار زمان متوالی اندازه‌گیری شده است. نمایه‌های MWD وGMD در کرت‌های شاهد دارای مقادیر میانگین به‌ترتیب 85/0، 68/0، 64/0 و 81/0 و 8/0، 69/0، 7/0 و 76/0 میلی‌متر و در کرت‌های زغال‌زیستی نیز به‌ترتیب 86/0، 82/0، 75/0 و 84/0 و 79/0، 78/0، 75/0 و 77/0  میلی‌متر بود. روند تغییرات متغیرهای D10، D50 و D90 مربوط به توزیع اندازه ذرات در بازه زمانی دوم به ترتیب دارای درصد تغییرات 8/43، 7/26 و 2/15 درصد و در بازه زمانی سوم نیز بهترتیب دارای درصد تغییرات 2/14، 2/14 و 8/16 درصد بوده که نشان‌دهنده روند تغییرات افزایشی در رقوم تیمار زغال‌زیستی نسبت به شاهد در بازه‌های زمانی نام‌برده است. افزودنی زغال‌زیستی در ترکیب خاک کرت‌های USLE بر شاخص‌های پایداری خاک‌دانهها تأثیر داشته است به‌طوری‌که اثر جداگانه زغال‌زیستی و زمان در هر دو شاخص و اثر تعاملی آن‌ها برای شاخص GMD در سطح اطمینان 95 درصد معنادار بوده است. در مقایسه میانگین‌ مؤلفه‌های مورد بررسی بین تیمارها در هر دوره زمانی هر دو متغیر MWD و GMD در بازه زمانی دوم اختلاف معنی‌داری در سطح پنج درصد نشان داده‌اند. از این‌رو می‌توان گفت زغال‌زیستی بعد از گذشت یک‌سال برای بهبود پایداری خاک‌دانه مفید و مؤثر است. نتیجه‌گیری یافته‌های این مطالعه حاکی از تأثیر مثبت افزودنی زغال‌زیستی بر شاخص‌های پایداری خاک‌دانه است که افزایش محدودی در میانگین‌های وزنی و هندسی قطر خاک‌دانه‌ها و تغییرات 40 درصدی در مؤلفه‌های اندازه ذرات ایجاد کرده است. به‌طورکلی بررسی شاخص‌های MWD وGMD در تیمارهای شاهد و زغال‌زیستی در چهار زمان متوالی به فواصل شش ماه حاکی از معنی‌داری اثر جداگانه زغال‌زیستی و زمان در هر دو شاخص و اثر تعاملی زغال‌زیستی و زمان در شاخص GMD در سطح اطمینان 95 درصد بوده است. بازه زمانی دوم دارای بیش‌ترین درصد تغییرات در مؤلفه‌های توزیع اندازه ذرات بوده است. همچنین بین میانگین‌های شاهد و زغال‌زیستی در بازه زمانی دوم در هر دو شاخص اختلاف معنی‌داری مشاهده شده است، لذا براساس یافته‌های این آزمایش بهترین عملکرد زغال‌زیستی در زمینه بهبود پایداری خاک‌دانه و ساختمان خاک بعد از گذشت یک سال از اعمال آن به خاک بود. مطابق با نتایج این پژوهش پایداری خاک‌دانه عاملی تأثیرپذیر از گذر زمان و تغییرات آب‌و هوایی فصلی است. میدانی بودن مقیاس آزمایش و هم‌چنین قرارگیری کرت‌ها در معرض آب‌و هوای طبیعی بر پیچیدگی‌های حاکم بر چنین فرآیندهایی افزوده و لذا طراحی مطالعات جزئی و در مقیاس زمانی مناسب‌تر و بازه‌های زمانی کوچک‌تر به منظور کسب نتایج دقیق‌تر ضروری است. Introduction Protection of soil resources is necessary the maintenance of world food security and the improvement of environmental quality. Soil structure is one of the physical and active characteristics of soil that it can be evaluated with the stability. Aggregate stability is important in the discussion of the physical quality of the soil, and its improvement leads to improvement of soil performance. Usage of different types of soil amendments in conditions where there is not the possiblity of biological management, it is a useful solution to conservation and improvement of soil structure. Biochar amendment is prepared from the various biological sources, and has been introduced as a non-structural conservation method in recent years. Therefore, the knowledge of its behaviors, reactions, and short-term and long-term changes in the soil is very important for sustainable management. The effect of biochar amendment on the physical characteristics of the soil under laboratory conditions has shown the positive changes in the criteria and physical indices of the soil. This aspect of biochar applications shows the study and its identification necessity in the natural resource fields with the focus on erosion control. Since the application of biochar amendment obtained from the Populus nigra branches in order to the soil conservation has not been reported in the field and in natural weather conditions, therefore, the current research has investigated the biochar effect on the soil structure in natural conditions in abandoned rain-fed and USLE plots for two continuous years. Material and Methods In the present study, the effect of biochar amendment on soil structure changes in the area of Noruzlu dam, Miandoab city, West Azarbaijan province was evaluated at the scale of six USLE plots. Biochar is prepared by the pyrolysis process from the branches of Populus nigra species. To the experiment performance, two treatments of control and biochar were considered each with three replications. After preparing and transferring biochar to the region, it was applied and spread on the plots with the rate of 32.5 t ha-1. Plots sample was conducted to changes the investigation of the soil structure due to the biochar application in four continuous times at intervals of six months after the biochar. Particle size distribution and aggregate stability were measured using the dry sieve series method at these time intervals. The results of dry sieving were used to the measurement of the aggregate stability and for the determination of the particles size, and distinction of the stability level of particles were calculated from two indicators of the mean weight diameter (MWD) and the geometric mean diameter (GMD). Then, homogeneity of variances tests as one of the basic requirements of data analysis, the GLM test to investigate the separate and interactive effects of treatments and time, and the independent T-test to averages comparison of the investigated components between treatments were performed. Results and discussion In order to investigate the aggregate stability under biochar treatment in natural weather conditions at USLE plots, the mean weight diameter (MWD) and the geometric mean diameter (GMD) were measured for the control and biochar treatments in four continuous times. The MWD and GMD indices in control plots have the average values of 0.85, 0.68, 0.64, and 0.81, and 0.8, 0.69, 0.7, and 0.76 mm, and in biochar plots with rates of 0.86, 0.82, 0.75, and 0.84, and 0.79, 0.78, 0.75, and 0.77 mm, respectively. The changes trend in the variables D10, D50, and D90 related to the distribution particle size in the second time period were the rates of 43.8, 26.7 and 15.2 percent, and in the third time period also were with the rates of 14.2, 14.2, and 16.8 percent, respectively, which showed in the mentioned time periods, the changes trend of these variables increased in biochar treatment compared to the control treatment.  Biochar amendment in combination with the soil of USLE plots had an effect on the aggregate stability indicators so that the separate effect of biochar and time and the interactive effect of biochar and time on the GMD index were significant at the level of 95 percent. In comparing the average of the investigated components between the treatments in each time period, both MWD and GMD variables in the second time period showed the significant difference at the level of five percent. Therefore, it can be said that the biochar is the useful and effective for improving soil stability after one year. Conclusion The findings of this study indicated the biochar amendment had the positive effect on aggregate stability indicators, which has caused a limited increase in the weight and geometric mean of the aggregate diameter and changes of 40 percent in the particle size components. In general, the examination of MWD and GMD indices in the control and biochar treatments in four continuous times at six-month intervals indicated the separate effect of biochar and time for both indicators and the interactive effect of biochar and time for the GMD index were significance at level of 95 percent. The second period had the maximum percentage of changes in the component of particle size distribution. Also, in the second period in both indicators, there was the significant difference between the averages of control and biochar treatment. Therefore, Therefore, based on the observed results in the current research, it can be stated that the best biochar performance to improve the aggregate stability and soil structure was after one year of biochar application on soil surface. According to the results of this research, the aggregate stability is affected by the time passage and seasonal climate changes., Due to the field scale of the experiment and also the exposure of the plots to the natural weather added to the complexities governing such processes, and in order to obtain more accurate results, it is necessary to design detailed studies with a more appropriate time scale and smaller time intervals. افزودنی آلی, پایداری خاک‌دانه‌, حفاظت خاک, کرت‌های فرسایشی استاندارد Aggregate stability, Organic amendment, Soil conservation, Standard erosion plots 26 37 http://jwmsei.ir/browse.php?a_code=A-10-652-8&slc_lang=fa&sid=1 Gilda Moafi گیلدا معافی gildamoafi@yahoo.com 100319475328460017823 100319475328460017823 No Department of Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and natural Resources University دانشگاه ساری Leila Gholami لیلا غلامی gholami.leily@yahoo.com 100319475328460017824 100319475328460017824 Yes Department of Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and natural Resources University دانشگاه ساری Ataollah Kavian عطااله کاویان ataollah.kavian@gmail.com 100319475328460017825 100319475328460017825 No Department of Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and natural Resources University دانشگاه ساری Hossein Kheirfam حسین خیرفام h.kheirfam@yahoo.com 100319475328460017826 100319475328460017826 No Department of Rangeland and Watershed Management, Faculty of Natural Resources, Urmia University دانشگاه ارومیه