پویایی تغییرات ویژگی‌های کیفیت خاک یک زیست‌بوم نیمه‌خشک پس از کاربرد زغال زیستی چوب صنوبر در شرایط صحرایی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مرتع و آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، یران

3 دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

4 دانش‌آموخته دکتری، علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ارومیه، ایران

5 دانشجوی دکتری، علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

در اراضی نیمه‌خشک، کیفیت پایین‌ خاک یکی از موانع اصلی تولید پایدار است. زغال زیستی به‌عنوان یک اصلاح‌کننده کربن-بنیان، گرچه در بازه یک‌ تا دو ساله بر کیفیت خاک مؤثر است، اما پایداری اثرات آن در مقیاس سه ساله هم‌چنان عدم قطعیت دارد. از این‌رو پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر زغال زیستی حاصل از گرماکافت تدریجی چوب صنوبر در ۴۵۰ درجه سلسیوس در سطوح کاربرد صفر (شاهد)، ۲۵ و ۵۰ تن بر هکتار در سه بازه زمانی یک، دو و سه ساله بر ویژگی‌های مهم شیمیایی خاک در مزرعه بدون گیاه در کرت‌های 10 مترمربعی واقع در دشت ارومیه تحت طرح کاملاً تصادفی طراحی و داده‌ها با آزمون تجزیه واریانس اندازه‌گیری‌های مکرر و آزمون تعقیبی حداقل اختلاف‌های معنی‌دار تحلیل شدند. نتایج نشان داد پاسخ شاخص‌ها خطی نبوده و در سال اول به اوج اثرگذاری رسید، در سال دوم روندی کاهشی اما پایدار داشت و در سال سوم به تعادل نزدیک شد. پس از سه سال، ماده آلی در سطوح ۲۵ و ۵۰ تن بر هکتار به‌ترتیب 95 و 151 درصد و نیتروژن کل تنها در سطح ۵۰ تن با 67 درصد نسبت به شاهد افزایش معنی‌دار یافت. در تیمارهای ۲۵ و ۵۰ تن بر هکتار، نسبت کربن به نیتروژن از ۷۸/۵ در شاهد به ۳۷/۹ و ۸۲/۸، pH خاک از ۶۹/۷ به ۸۱/۷ و ۸۶/۷ و هدایت الکتریکی از 03/۱ به ۰۸/۱ و ۱۱/۱ دسی‌زیمنس بر متر افزایش یافت، اما تفاوت معنی‌داری بین دو سطح مصرف نبود. یافته‌ها نشان داد برای تنظیم pH و شوری خاک، سطح ۲۵ تن بر هکتار در چرخه سه‌ساله کافی و اقتصادی است و برای حفظ نیتروژن در بلندمدت نیازمند ۵۰ تن بر هکتار است. این پویایی زمانی و پاسخ شاخص‌ها به زغال زیستی، انتخاب سطح مصرف بهینه را بر اساس هدف مدیریتی و افق زمانی پایش در کشاورزی مناطق نیمه‌خشک به‌طور علمی و عملیاتی امکان‌پذیر می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


منابع
اسماعیل‌نژاد، رضا، زینال‌زاده، کامران، بشارت، سینا، و خیرفام، حسین (1404). تأثیر نرخ‌های کاربرد زغال‌زیستی بر تغییرات زمانی مشخصات نفوذ در یک خاک سنگین. مدیریت آب در کشاورزی، 12(1)، 123-138. doi: 10.22034/wmaj.2025.209549.
توکلی، الهام، قاسمی، احمدرضا، و متقیان، حمیدرضا (1403). تأثیر استفاده ترکیبی از زغال‌زیستی و بنتونیت بر میزان تبخیر و رطوبت خاک. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 4(3)، 173-186. doi: 10.22098/mmws.2023.13053.1297.
یکزبان، عباس، موسوی، سید علی‌اکبر، ثامنی، عبدالمجید، و رضایی، مهروز (1402). تأثیرگذاری زغال‌زیستی برگ نخل و تفاله لیموترش بر برخی ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی یک خاک لوم شنی. مدل‌سازی و مدیریت آب و خاک، 3(1)، 69-83. doi: 10.22098/mmws.2022.11264.1111.
 
 
References
Abdul-Aziz, A.L., Abukari, I.A., Galadima, M.M., Haruna, A., Abubakari, M., & Abdulai, R. (2025). Biochar effects on soil properties and yield of maize in Northern region, Ghana. Discover Agriculture, 3(1), 103. doi:10.1007/s44279-025-00271-y.
Ahmed, Z., Gui, D., Abd‐Elmabod, S.K., Murtaza, G., & Ali, S. (2024). An overview of global desertification control efforts: Key challenges and overarching solutions. Soil Use and Management, 40(4), e13154. doi:10.1111/sum.13154.
Barbosa, T.A., Gomes Filho, R.R., Wisniewski Jr, A., & Mašek, O. (2025). Biochar physical degradation: Long-term effects as soil amendments. Biomass and Bioenergy, 203, 108284. doi:10.1016/j.biombioe.2025.108284.
Blanco-Canqui, H., Creech, C.F., & Easterly, A.C. (2024). How does biochar impact soils and crops in a semi-arid environment? A 5-yr assessment. Field Crops Research, 310, 109340. doi: 10.1016/j.fcr.2024.109340.
Bruun, E.W., Ravenni, G., Müller‐Stöver, D., & Petersen, C.T. (2023). Small biochar particles added to coarse sandy subsoil greatly increase water retention and affect hydraulic conductivity. European Journal of Soil Science, 74(6), e13442. doi:10.1111/ejss.13442.
Calfapietra, C., Di Lonardo, S., Peruzzi, E., Doni, S., & Masciandaro, G. (2025). Perspectives from nature‐based solutions to restore soil and ecosystems. European Journal of Soil Science, 76(6), 70134. doi/10.1111/ejss.70134.
Criscuoli, I., Ventura, M., Wiedner, K., Glaser, B., Panzacchi, P., Ceccon, C., Loesch, M., Raifer, B., & Tonon, G. (2021). Stability of woodchips biochar and impact on soil carbon stocks: Results from a two-year field experiment. Forests, 12(10), 1350. doi:10.3390/f12101350.
de Souza, R.R., Toebe, M., Mello, A.C. & Bittencourt, K.C. (2023). Sample size and Shapiro-Wilk test: An analysis for soybean grain yield. European Journal of Agronomy, 142, 126666. doi:10.1016/j.eja.2022.126666.
Dong, X., Guan, T., Li, G., Lin, Q., & Zhao, X. (2016). Long-term effects of biochar amount on the content and composition of organic matter in soil aggregates under field conditions. Journal of Soils and Sediments, 16(5), 1481-1497. doi:10.1007/s11368-015-1338-5.
Dutta, D., Meena, A.L., Bhanu, C., Ghasal, P.C., Choudhary, J., Kumar, S., Mishra, R.P., Ansari, M.A., KJ, R., Prusty, A.K., & Jat, P.C. (2024). Sustainable soil management for climate resilience: Long-term management effects on soil carbon sequestration and nitrogen dynamics in a semi-arid tropical Inceptisol of India. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 24(3), 4407-4426. doi:10.1007/s42729-024-01844-4.
Emenike, E.C., Iwuozor, K.O., Ighalo, J.O., Bamigbola, J.O., Omonayin, E.O., Ojo, H.T., Adeleke, J., & Adeniyi, A.G. (2024). Advancing the circular economy through the thermochemical conversion of waste to biochar: a review on sawdust waste-derived fuel. Biofuels, 15(4), 433-447. doi:10.1080/17597269.2023.2255007.
Esmaeilnezhad, R., Zeinalzadeh, K., Besharat, S., & Kheirfam, H. (2025). Field study on the hydraulic behavior of heavy soil: Effects of biochar application rates. Science of the Total Environment, 1004, 180752. doi:10.1016/j.scitotenv.2025.180752.
Gagnon, B., Ziadi, N., & Manirakiza, E. (2021). Co-application of wood biochar and paper mill biosolids affects yield and short-term nitrogen and phosphorus availability in temperate loamy soils. Canadian Journal of Soil Science, 102(1), 131-146. doi:10.1139/cjss-2021-0025.
Gao, Y., Li, T., Fu, Q., Li, H., Liu, D., Ji, Y., Li, Q., & Cai, Y. (2020). Biochar application for the improvement of water-soil environments and carbon emissions under freeze-thaw conditions: An in-situ field trial. Science of the Total Environment, 723, 138007. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.138007.
Gholamahmadi, B., Jeffery, S., Gonzalez-Pelayo, O., Prats, S.A., Bastos, A.C., Keizer, J.J., & Verheijen, F.G. (2023). Biochar impacts on runoff and soil erosion by water: A systematic global scale meta-analysis. Science of the Total Environment, 871, 161860. doi:10.1016/j.scitotenv.2023.161860.
Jeon, J., Kim, H.I., Park, J.H., Wi, S., & Kim, S. (2021). Evaluation of thermal properties and acetaldehyde adsorption performance of sustainable composites using waste wood and biochar. Environmental Research, 196, 110910. doi:10.1016/j.envres.2021.110910.
Kalankesh, L.R., Rodriguez-Couto, S., Alami, A., Khosravan, S., Meshki, M., Ahmadov, E., Mohammadpour, A., & Bahri, N. (2022). Socio-environmental determinants and human health exposures in arid and semi-arid zones of iran-narrative review. Environmental Health Insights, 16, 1-10.  doi:10.1177/11786302221089738.
Kalinin, P.I., Kudrevatykh, I.Y., Malyshev, V.V., Pilguy, L.S., Buhonov, A.V., Mitenko, G.V., & Alekseev, A.O. (2021). Chemical weathering in semi-arid soils of the Russian plain. Catena, 206, 105554. doi: 10.1016/j.catena.2021.105554.
Kjeldahl, J. (1883). A new method for the determination of nitrogen in organic matter. Zeitschrift für Analytische Chemie, 22, 366-382. doi:10.1007/BF01338151.
Li, C., Li, C., Chen, M., Li, C. & Li, C. (2026). Effects of biochar type and application rate on the labile organic carbon fractions of soil aggregates in tropical agricultural fields. Plant and Soil, 518(1), 917-932. doi:10.1007/s11104-025-08036-8.
Liu, B., Li, H., Li, H., Zhang, A. & Rengel, Z. (2021). Long‐term biochar application promotes rice productivity by regulating root dynamic development and reducing nitrogen leaching. Gcb Bioenergy, 13(1), 257-268. doi:10.1111/gcbb.12766.
Luo, L., Wang, J., Lv, J., Liu, Z., Sun, T., Yang, Y., & Zhu, Y.G. (2023). Carbon sequestration strategies in soil using biochar: advances, challenges, and opportunities. Environmental Science & Technology, 57(31), 11357-11372. doi:10.1021/acs.est.3c02620.
Moafi, G., Gholami, L., Kavian, A. & Kheirfam, H. (2026). Two-year monitoring of biochar effects on soil and water conservation in USLE plots under field conditions. International Soil and Water Conservation Research, 100665. doi: 10.1016/j.iswcr.2026.100665.
Molnárová, M., Aydın, E., Šimanský, V., Čimo, J., Mirzaei, M., Buchkina, N.P., & Horák, J. (2025). Persistence of biochar effects on soil and nitrous oxide emissions: Evaluating single vs. repeated applications in multi-year field trial. Agriculture, 15(21), 2259. doi:10.3390/agriculture15212259.
O'Neill, M.E. & Mathews, K.L. (2002). Levene tests of homogeneity of variance for general block and treatment designs. Biometrics, 58(1), 216-224. doi:10.1111/j.0006-341X.2002.00216.x.
Pribyl, D.W. (2010). A critical review of the conventional SOC to SOM conversion factor. Geoderma, 156(3-4), 75-83. doi:10.1016/j.geoderma.2010.02.003.
Randolph, P., Bansode, R.R., Hassan, O.A., Rehrah, D.J., Ravella, R., Reddy, M.R., Watts, D.W., Novak, J.M., & Ahmedna, M. (2017). Effect of biochars produced from solid organic municipal waste on soil quality parameters. Journal of Environmental Management, 192, 271-280. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.01.061.
Shahane, A.A., & Shivay, Y.S. (2021). Soil health and its improvement through novel agronomic and innovative approaches. Frontiers in Agronomy, 3, 680456. doi:10.3389/fagro.2021.680456.
Spokas, K.A. (2010). Review of the stability of biochar in soils: predictability of O: C molar ratios. Carbon Management, 1(2), 289-303. doi:10.4155/cmt.10.32.
Thomas, G.W. (1996). Soil pH and soil acidity. Pp. 475-490, In: Methods of soil analysis: part 3 chemical methods, 5. doi:10.2136/sssabookser5.3.c16.
Tusar, H.M., Uddin, M.K., Mia, S., Suhi, A.A., Wahid, S.B.A., Kasim, S., Sairi, N.A., Alam, Z., & Anwar, F. (2023). Biochar-acid soil interactions-a review. Sustainability, 15(18), 13366. doi:10.3390/su151813366.
Torres-Cruz, T.J., Howell, A.J., Reibold, R.H., McHugh, T.A., Eickhoff, M.A., & Reed, S.C. (2018). Species-specific nitrogenase activity in lichen-dominated biological soil crusts from the Colorado Plateau, USA. Plant and Soil, 429, 113-125. doi:10.1007/s11104-018-3580-2.
Walkley, A., & Black, I.A. (1934). An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, 37, 29-38. doi:10.1097/00010694-193401000-00003.
Wang, S., Gao, P., Zhang, Q., Shi, Y., Guo, X., Lv, Q., Wu, W., Zhang, X., Li, M., & Meng, Q. (2023). Biochar improves soil quality and wheat yield in saline-alkali soils beyond organic fertilizer in a 3-year field trial. Environmental Science and Pollution Research, 30(7), 19097-19110. doi:10.1007/s11356-022-23499-3.
Zanutel, M., Garré, S., Sanglier, P., & Bielders, C. (2024). Biochar modifies soil physical properties mostly through changes in soil structure rather than through its internal porosity. Vadose Zone Journal, 23(1), e20301. doi:10.1002/vzj2.20301.
Zhou, Y., Li, Y., Li, W., Li, F., & Xin, Q. (2022). Ecological responses to climate change and human activities in the arid and semi-arid regions of Xinjiang in China. Remote Sensing, 14(16), 3911. doi:10.3390/rs14163911.