بهبود مقاومت خاک در برابر فرسایش بادی با تلقیح باکتری و افزودن برخی اصلاح‌کننده‌ها

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 استاد، گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

3 استادیار، گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

فرسایش بادی یکی از فرایندهای اصلی تخریب خاک در مناطق خشک و نیمه‌خشک از جمله استان خوزستان می‌باشد که مشکلات متعدد محیط زیستی را به دنبال دارد. در تحقیق حاضر از باکتری‌های محرک رشد گیاه و بیوپلیمرهای کیتوسان و لیگنوسولفونات برای تثبیت خاک شنی و لوم‌سیلتی بررسی شده است. خاک با بافت شنی و بافت لوم سیلتی از لایه سطحی مناطق بحرانی فرسایش بادی جنوب شرق اهواز تهیه شد. آزمایش در قالب طرح کاملاً تصادفی در هر نوع خاک انجام شد. تیمارها شامل کنترل (بدون تیمار)، تلقیح باکتریایی، لیگنوسولفونات کلسیم، کیتوسان، لیگنوسولفونات کلسیم + باکتری و کیتوسان + باکتری بود. مقدار مشخصی خاک (8-7 کیلوگرم) در ظروف فلزی به ابعاد 50×30×3 سانتی متر ریخته شد. سوسپانسیون باکتریایی به طور جداگانه روی خاک اسپری شد. کیتوسان محلول در غلظت 3 درصد وزنی در اسید سیتریک و لیگنوسولفونات (3 درصد وزنی/حجمی) در آب بر روی سطح خاک اسپری شدند. نمونه ها به مدت 60 روز نگهداری شدند. برای بررسی اثر تیمارها بر فرسایش بادی خاک، از تونل باد استفاده شد. در پایان آزمایش، سینی‌های حاوی نمونه‌های خاک با استفاده از ترازو دیجیتال توزین شدند و میزان کاهش وزن سینی‌ها نسبت به وزن اولیه به‌عنوان مقدار کل هدررفت خاک در نظر گرفته شد. همچنین مقاومت فروروی و ضربه خاک، پایداری خاکدانه‌ها و ذرات حساس به فرسایش اندازه-گیری شد.ند. نتایج تجزیه واریانس داده‌ها نشان داد که اثر تیمارها بر خصوصیات اندازه‌گیری شده در هر دو خاک لوم سیلتی و شنی معنی‌داری بود. بر اساس آزمون مقایسه میانگین‌های توکی، کمترین مقاومت فروروی در هر دو خاک در تیمار شاهد و بیشترین مقدار در تیمار کیتوسان با باکتری و سپس لیگنوسولفونات با باکتری بود. سایر تیمارها نیز مقاومت فروروی را نسبت به شاهد در هر دو خاک لوم‌سیلتی و شنی افزایش دادند. در خاک لوم سیلتی ، بیشترین مقاومت ضربه ای مربوط به تیمار کیتوسان-باکتری و لیگنوسولفونات-باکتری بود. میانگین وزنی قطر خاکدانه به ترتیب در تیمارهای کیتوسان-باکتری، لیگنوسولفونات-باکتری، کیتوسان، لیگنوسولفونات، باکتری بیشترین مقادیر را داشتند. میزان هدررفت خاک در خاک لوم سیلتی در تیمارهای کیتوسان-باکتری و لیگنوسولفونات-باکتری به صفر رسید.

کلیدواژه‌ها


منابع
بی‌نام. دستورالعمل فنی ارزیابی کارایی تثبیت‌کننده‌های خاک (مالچ). 1398. سازمان برنامه و بودجه کشور ، سازمان حفاظت محیط کشور.
حیدریان، پیمان، اژدری، علی، جودکی، محمد، درویشی خاتونی، جواد، و شهبازی، رضا (1393). شناسایی کانون‌های گردو غبار در استان خوزستان.
نوری، علیرضا، افتخاری، کامران، اسفندیاری، مهرداد، محمدی ترکاشوند، علی، و احمدی، عباس (1401). برآورد جزء فرسایش‌پذیری بادی خاک به کمک شبکه عصبی مصنوعی و تلفیق شبکه عصبی مصنوعی با الگوریتم ژنتیک در بخشی از اراضی جنوب شرقی قزوین، پژوهش‌های فرسایش محیطی، 1(45)، 1-12.
 
References
Adamczuk, A., & Jozefaciuk, G. (2022). Impact of chitosan on the mechanical stability of soils. Molecules, 27(7), 2273. doi: 10.3390/molecules27072273
Ahmadi, A., Neyshabouri, M. R., Rouhipour, H., & Asadi, H. (2011). Fractal dimension of soil aggregates as an index of soil erodibility. Journal of Hydrology, 400(3-4), 305-311. doi: 10.1016/j.jhydrol.2011.01.045
Alazigha, D. P., Indraratna, B., Vinod, J. S., & Heitor, A. (2018). Mechanisms of stabilization of expansive soil with lignosulfonate admixture. Transportation Geotechnics, 14, 81-92. doi: 10.1016/j.trgeo.2017.11.001
Alsubhi, Y., Qureshi, S., Assiri, M. E., & Siddiqui, M. H. (2022). Quantifying the impact of dust sources on urban physical growth and vegetation status: A case study of Saudi Arabia. Remote Sensing, 14(22), 5701. doi: 10.3390/rs14225701
Alzahrani, A. J., Alghamdi, A. G., & Ibrahim, H. M. (2024). Assessment of Soil Loss Due to Wind Erosion and Dust Deposition: Implications for Sustainable Management in Arid Regions. Applied Sciences, 14(23), 10822. doi: 10.3390/app142310822
Amulya, G., Moghal, A.A.B. and Almajed, A., 2021. A state-of-the-art review on suitability of granite dust as a sustainable additive for geotechnical applications. Crystals, 11(12), p.1526. doi: 10.3390/cryst11121526
Amulya, G., Moghal, A.A.B., Basha, B.M. and Almajed, A., 2022. Coupled effect of granite sand and calcium lignosulphonate on the strength behavior of cohesive soil. Buildings, 12(10), p.1687. doi: 10.3390/buildings12101687
Anonymous. (2019). Technical Guidelines for Evaluating the Performance of Soil Stabilizers (Mulches). Plan and Budget Organization of Iran, Department of Environment. [In Persian]
Badakhshan, E., Noorzad, A., & Vaunat, J. (2023). Stabilization of soft clays exposed to freeze–thaw cycles using chitosan. Journal of Cold Regions Engineering, 37(2), 04023004. doi: 10.1061/JCRGEI.CRENG-690
Bagheri, P., Gratchev, I., Son, S., & Rybachuk, M. (2023). Durability, strength, and erosion resistance assessment of lignin biopolymer treated soil. Polymers, 15(6), 1556. doi: 10.3390/polym15061556
Baveye, P., Vandevivere, P., Hoyle, B. L., DeLeo, P. C., & de Lozada, D. S. (1998). Environmental impact and mechanisms of the biological clogging of saturated soils and aquifer materials. Critical reviews in environmental science and technology, 28(2), 123-191. doi: 10.1080/10643389891254197
Bouwer, E., H. Rijnaarts, A. B. Cunningham, and R. Gerlach. 2000. Biofilms in porous media. In Biofilms II: Process analysis and applications, 123–158. New York: Wiley.
Chang, I., Lee, M., Tran, A. T. P., Lee, S., Kwon, Y. M., Im, J., & Cho, G. C. (2020). Review on biopolymer-based soil treatment (BPST) technology in geotechnical engineering practices. Transportation Geotechnics, 24, 100385. doi: 10.1016/j.trgeo.2020.100385
Chen, Q., & Indraratna, B. (2015). Deformation behavior of lignosulfonate-treated sandy silt under cyclic loading. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 141(1), 06014015. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001210
Chepil, W. S. (1950). Properties of soil which influence wind erosion: II. Dry aggregate structure as an index of erodibility. Soil Science, 69(5), 403-414.
Chiranjeevi, V., Singh, K. and Kishan, D., 2024. Soil stabilization by integrating dust particles with calcium lignosulphanate. Progress in Physical Geography: Earth and Environment, 48(1), pp.60-78.
Cho, Y. W., Jang, J., Park, C. R., & Ko, S. W. (2000). Preparation and solubility in acid and water of partially deacetylated chitins. Biomacromolecules, 1(4), 609-614. doi: 10.1021/bm000036j
Colazo, J. C., & Buschiazzo, D. E. (2010). Soil dry aggregate stability and wind erodible fraction in a semiarid environment of Argentina. Geoderma, 159(1-2), 228-236. doi: 10.1016/j.geoderma.2010.07.016
Ding, X., Luo, Z., Cheng, F., & Deng, J. (2022). Dust control performance enhancement of red sand via the synergistic application of Na-and Ca-lignosulfonates. International Journal of Environmental Science and Technology, 19(8), 7993-8006. doi: 10.1007/s13762-021-03486-w
Ding, X., Xu, G., Kizil, M., Zhou, W., & Guo, X. (2018). Lignosulfonate treating bauxite residue dust pollution: enhancement of mechanical properties and wind erosion behavior. Water, Air, & Soil Pollution, 229, 1-13. doi: 10.1007/s11270-018-3876-0
Dunsmore, B. C., Bass, C. J., & Lappin‐Scott, H. M. (2004). A novel approach to investigate biofilm accumulation and bacterial transport in porous matrices. Environmental Microbiology, 6(2), 183-187. doi: 10.1046/j.1462-2920.2003. 00546.x
Elsawy, H. I., Alharbi, K., Mohamed, A. M., Ueda, A., AlKahtani, M., AlHusnain, L., ... & Shahein, A. M. (2022). Calcium lignosulfonate can mitigate the impact of salt stress on growth, physiological, and yield characteristics of two barley cultivars (Hordeum vulgare L.). Agriculture, 12(9), 1459. doi: 10.3390/agriculture12091459
Fick, S. E., Barger, N., Tatarko, J., & Duniway, M. C. (2020). Induced biological soil crust controls on wind erodibility and dust (PM10) emissions. Earth Surface Processes and Landforms, 45(1), 224-236. doi: 10.1002/esp.4731
Gooneh-Farahani, S., Naghib, S. M., Naimi-Jamal, M. R., & Seyfoori, A. (2021). A pH-sensitive nanocarrier based on BSA-stabilized graphene-chitosan nanocomposite for sustained and prolonged release of anticancer agents. Scientific Reports, 11(1), 17404.
Grosbellet, C., Vidal-Beaudet, L., Caubel, V., & Charpentier, S. (2011). Improvement of soil structure formation by degradation of coarse organic matter. Geoderma, 162(1-2), 27-38.doi.org. 10.1016/j.geoderma.2011.01.003
Ham, S. M., Chang, I., Noh, D. H., Kwon, T. H., & Muhunthan, B. (2018). Improvement of surface erosion resistance of sand by microbial biopolymer formation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 144(7), 06018004. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001900
Hataf, N., Ghadir, P., & Ranjbar, N. (2018). Investigation of soil stabilization using chitosan biopolymer. Journal of cleaner production, 170, 1493-1500. doi: 10.1016/j.jclepro.2017.09.256
Heidarian P, Joudaki M, Darvishi Khatoni J, Shahbazi R., (2015). Recognized Dust Sources in Khuzestan Province, Mine and Trade Geological Survey of Iran South West Regional Center, [In Persian]
Jafarpoor, A., Sadeghi, S. H., Homaee, M., & Darki, B. Z. (2025). Improvability of quality main indices of a marl soil using endemic microorganisms. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 137, 103812. doi: 10.1016/j.pce.2024.103812
Jamshidi, M., Mokhberi, M., Vakili, A. H., & Nasehi, A. (2023). Effect of chitosan bio-polymer stabilization on the mechanical and dynamic characteristics of marl soils. Transportation Geotechnics, 42, 101110. doi: 10.1016/j.trgeo.2023.101110
Jiang, N. J., Soga, K., & Kuo, M. (2017). Microbially induced carbonate precipitation for seepage-induced internal erosion control in sand–clay mixtures. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 143(3), 04016100. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001559
Khajeh, A., Nazari, Z., Movahedrad, M., & Vakili, A. H. (2024). A state-of-the-art review on the application of lignosulfonate as a green alternative in soil stabilization. Science of The Total Environment, 173500. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.173500
Koohpeyma, H. R., Vakili, A. H., Moayedi, H., Panjsetooni, A., & Nazir, R. (2013). Investigating the effect of lignosulfonate on erosion rate of the embankments constructed with clayey sand. The Scientific World Journal, 2013(1), 587462. doi: 10.1155/2013/587462
Kouchami-Sardoo, I., Shirani, H., Esfandiarpour-Boroujeni, I., Besalatpour, A. A., & Hajabbasi, M. A. (2020). Prediction of soil wind erodibility using a hybrid genetic algorithm—Artificial neural network method. Catena, 187, 104315. doi: 10.1016/j.catena.2019. 104315
Liu, S., Guo, Z. C., Halder, M., Zhang, H. X., Six, J., & Peng, X. H. (2021). Impacts of residue quality and soil texture on soil aggregation pathways by using rare earth oxides as tracers. Geoderma, 399, 115114. doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115114
Lützow, M. V., Kögel‐Knabner, I., Ekschmitt, K., Matzner, E., Guggenberger, G., Marschner, B., & Flessa, H. (2006). Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions–a review. European journal of soil science, 57(4), 426-445. doi: 10.1111/j.1365-2389.2006. 00809.x
Martinez, B. C., & DeJong, J. T. (2009). Bio-mediated soil improvement: Load transfer mechanisms at the micro-and macro-scales. In Advances in ground improvement: research to practice in the United States and China (pp. 242-251).
Middleton, N., Kashani, S. S., Attarchi, S., Rahnama, M., & Mosalman, S. T. (2021). Synoptic causes and socio-economic consequences of a severe dust storm in the Middle East. Atmosphere, 12(11), 1435. doi: 10.3390/atmos12111435
Mitchell, J. K., & Santamarina, J. C. (2005). Biological considerations in geotechnical engineering. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 131(10), 1222-1233. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2005)131:10(1222)
Mohammadi, Sh, H. R. Karimzadeh, & M. Alizadeh. (2018). Spatial estimation of soil erosion in Iran using RUSLE model. Ecohydrology, 5(2), 551–569. doi:10.22059/ije.2018.239777.706.
Mosallanejad, A., Taghvaei, H., Mirsoleimani-azizi, S. M., Mohammadi, A., & Rahimpour, M. R. (2017). Plasma upgrading of 4methylanisole: A novel approach for hydrodeoxygenation of bio oil without using a hydrogen source. Chemical Engineering Research and Design, 121, 113-124. doi: 10.1016/j.cherd.2017.03.011
Nikseresht, F., Landi, A., Sayyad, G., Ghezelbash, G. R., & Schulin, R. (2020). Sugarecane molasse and vinasse added as microbial growth substrates increase calcium carbonate content, surface stability and resistance against wind erosion of desert soils. Journal of environmental management, 268, 110639. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110639
Noori, A., Eftekhari, K., Efandiari, M., Mohammadi Torkashvand, A., & Ahmadi, A. (2022). Estimation of soil erodible fraction using artificial neural network models and integration of artificial neural network with genetic algorithm in the part of Qazvin province. Environmental Erosion Research Journal, 12(1), 145-159. [In Persian]
Orts, W. J., Sojka, R. E., & Glenn, G. M. (2000). Biopolymer additives to reduce erosion-induced soil losses during irrigation. Industrial Crops and Products, 11(1), 19-29. doi: 10.1016/S0926-6690(99)00030-8
Park, K. C., & Chang, T. H. (2012). Effect of chitosan on microbial community in soils planted with cucumber under protected cultivation. Horticultural Science & Technology, 30(3), 261-269. Doi: 10.7235/hort.2012.11148
Peng, X., Yan, X., Zhou, H., Zhang, Y. Z., & Sun, H. (2015). Assessing the contributions of sesquioxides and soil organic matter to aggregation in an Ultisol under long-term fertilization. Soil and Tillage Research, 146, 89-98. doi: 10.1016/j.still.2014.04.003
Pirhadi, N., Nadian, H., Khalilimoghadam, B., & Motamedi, H. (2024). The effect of vinasse as a carbon source on the activity of urease-producing bacteria in the microbially induced calcite precipitation (MICP) approach. Desert, 29(1), 53-70.
Pourjasem, L., Landi, A., Enayatizamir, N., & Hojati, S. (2020). The release of some elements from vermiculite during the short periods of incubation by heterotrophic bacteria. Eurasian Soil Science, 53, 223-229. doi: 10.1134/S106422932002009X
Rezaei, M., Mina, M., Ostovari, Y., & Riksen, M. J. (2022). Determination of the threshold velocity of soil wind erosion using a wind tunnel and its prediction for calcareous soils of Iran. Land Degradation & Development, 33(13), 2340-2352.
Rivera, J. I., & Bonilla, C. A. (2020). Predicting soil aggregate stability using readily available soil properties and machine learning techniques. Catena, 187, 104408. doi: 10.1016/j.catena.2019.104408
Sadeghi, S. H., Jafarpoor, A., Homaee, M., & Gharemahmudli, S. (2023). Controllability of soil loss and runoff using soil microorganisms: A review. Ecohydrology & Hydrobiology. doi: 10.1016/j.ecohyd.2023.11.006
Sadeghi, S.H., Zabihi, M., Vafakhah, M. & Hazbavi, Z. (2017). Spatiotemporal mapping of rainfall erosivity index for different return periods in Iran. Natural Hazards, 87, 35-56. doi: 10.1007/s11069-017-2752-3.  
Shariatmadari, N., Reza, M., Tasuji, A., Ghadir, P., & Javadi, A. A. (2020). Experimental study on the effect of chitosan biopolymer on sandy soil stabilization. In E3S Web of conferences (Vol. 195, p. 06007). EDP Sciences. doi: 10.1051/e3sconf/202019506007
Shibana, S. N., & Deepa, S. Nair. (2024). Effect of chitosan on increasing beneficial soil microflora and disease suppression in turmeric plants in humid tropics of Kerala, India. International Journal of Plant & Soil Science, 36, 170-176. doi: 10.9734/ijpss/2024/v36i14346
Sirjani, E., Sameni, A., Moosavi, A. A., Mahmoodabadi, M., & Laurent, B. (2019). Portable wind tunnel experiments to study soil erosion by wind and its link to soil properties in the Fars province, Iran. Geoderma, 333, 69-80. doi: 10.1016/j.geoderma.2018.07.012
Sulaeman, D., & Westhoff, T. (2020). The causes and effects of soil erosion, and how to prevent it.World Resources Institute: Washington, DC, USA, 4.
Ta'negonbadi, B., & Noorzad, R. (2017). Stabilization of clayey soil using lignosulfonate.Transportation Geotechnics, 12, 45-55. doi: 10.1016/j.trgeo.2017.08.004
Vakili, A. H., Kaedi, M., Mokhberi, M., bin Selamat, M. R., & Salimi, M. (2018). Treatment of highly dispersive clay by lignosulfonate addition and electroosmosis application. Applied Clay Science, 152, 1-8.
Verma, H., Ray, A., Rai, R., Gupta, T., & Mehta, N. (2021). Ground improvement using chemical methods: A review. Heliyon, 7(7). doi: 10.1016/j.clay.2017.11.039
Wang, R., Ong, D. E., Sadighi, H., Goli, M., Xia, P., Fatehi, H., & Yao, T. (2025). Optimizing Soil Stabilization with Chitosan: Investigating Acid Concentration, Temperature, and Long-Term Strength. Polymers, 17(2), 151.doi: 10.3390/polym17020151
Wick, A. F., Huzurbazar, S. V., & Stahl, P. D. (2009). Use of Bayesian methods to model soil aggregation in undisturbed semiarid grasslands. Soil Science Society of America Journal, 73(5), 1707-1714. doi: 10.2136/sssaj2008.0185
Younes, I., & Rinaudo, M. (2015). Chitin and chitosan preparation from marine sources. Structure, properties and applications. Marine drugs, 13(3), 1133-1174. doi: 10.3390/md13031133
Yu, M., Zhang, L., Xu, X., Feger, K. H., Wang, Y., Liu, W., & Schwärzel, K. (2015). Impact of land‐use changes on soil hydraulic properties of Calcaric Regosols on the Loess Plateau, NW China. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 178(3), 486-498. doi: 10.1002/jpln.201400090
Zamani, S., & Mahmoodabadi, M. (2013). Effect of particle-size distribution on wind erosion rate and soil erodibility. Archives of Agronomy and Soil Science, 59(12), 1743-1753. doi: 10.1080/03650340.2012.748984
Zinchenko, A., Sakai, T., Morikawa, K., & Nakano, M. (2022). Efficient stabilization of soil, sand, and clay by a polymer network of biomass-derived chitosan and carboxymethyl cellulose. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(1), 107084. doi: 10.1016/j.jece.2021.107084