برهم‌کنش بیوچار با اجزای خاک و پایداری آن در طول زمان

الموضوعات :

یاسر عظیم زاده ¹ (استادیار بخش تحقیقات مدیریت منابع، مؤسسه تحقیقات کشاورزی دیم کشور، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، مراغه، ایران.)
آرش محمدزاده ² (استادیار بخش تحقیقات مدیریت منابع، مؤسسه تحقیقات کشاورزی دیم کشور، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، مراغه، ایران.)

تاريخ الإرسال : 14 الثلاثاء , محرم, 1445 تاريخ التأكيد : 06 الإثنين , جمادى الأولى, 1445 تاريخ الإصدار : 08 الأربعاء , جمادى الأولى, 1445

الکلمات المفتاحية: ویژگی‌های خاک, ترسیب کربن, کربن آلی,

ملخص المقالة :

زمینه و هدف: بیوچار یک ماده کربنی مقاوم به تجزیه است که از حرارت دادن انواع زیست‌توده‌های آلی در یک محیط عاری از اکسیژن و یا با اکسیژن محدود تولید می‌شود و با هدف افزایش کربن آلی و بهبود ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک به کار برده می‌شود. بنابراین کاربرد آن در خاک‌های کم‌حاصلخیز مناطق گرم و خشک ایران که غالباً دچار کمبود کربن آلی هستند، حائز اهمیت است. علاوه‌بر آن، بیوچار به علت پایداری بسیار زیاد در خاک، می‌تواند دی‌اکسیدکربن اتمسفری را برای مدت چند صد الی چند هزار سال در خاک ترسیب نماید. همچنین، می تواند حاصلخیزی خاک را برای مدت طولانی با تأثیر بر خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آن بهبود ببخشد. بنابراین، پایداری بیوچار تحت‌تأثیر عوامل متعددی همچون ویژگی‌های بیوچار و خاک، برهم‌کنش بیوچار با اجزای خاک و عوامل محیطی قرار می‌گیرد که در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرد. استفاده از بیوچار در خاک های مناطق خشک و نیمه خشک ایران که اغلب دارای کمبود کربن آلی هستند، حائز اهمیت است.روش پژوهش: در این مقاله مروری، ضمن بررسی شواهدی از پایداری زیاد بیوچار در خاک‌ها، مهم‌ترین عوامل مؤثر در سرنوشت بیوچار شامل سازوکارهای خروج بیوچار از خاک، تثبیت بیوچار و برهم‌کنش‌های بیوچار با اجزای خاک مورد بررسی قرار گرفته و خلأها و زمینه‌های تحقیقاتی مورد نیاز در این زمینه ارائه می‌شود.یافته‌ها: بیوچار در مقایسه با اجزای اصلی کربن در زیست‌توده مقاومت بیشتری برای تجزیه و تخریب دارد. با این حال، با برهم‌کنش با اجزای خاک، به مرور زمان دچار تغییر و تحول شده و از خاک خارج می‌شود. شدت این تغییر و تحول‌ها و مدت‌زمان ماندگاری بیوچار در خاک به نوع بیوچار بستگی دارد؛ به‌طوری که بیوچارهای تولید شده از زیست‌توده‌های علفی و بیوچارهای تولید شده در دماهای پایین پایداری کمتری دارند. علاوه‌برآن، بیوچار با تمام اجزای خاک شامل، مواد آلی، ذرات معدنی، عناصر غذایی، موجودات زنده و آب و هوای خاک برهم‌کنش داشته و برآیند این برهم‌کنش‌ها میزان پایداری بیوچار در خاک را تعیین می‌نماید. عوامل بیرونی مانند حضور گیاه و تغییرات القایی ریشه، فرسایش‌های بادی و آبی، آبشویی و آتش‌سوزی نیز بر سرنوشت بیوچار در خاک تأثیر می‌گذارند. از این میان، با توجه به برهم‌کنش‌های بین ریزجانداران و بیوچار در خاک، به نظر می‌رسد ریزجانداران خاک مهم‌ترین نقش را در تجزیه و تخریب بیوچار ایفا می‌کنند. با این حال، سازوکارهایی مانند حبس شدن ذرات بیوچار در داخل خاک‌دانه‌ها، پیوند بیوچار با اجزای آلی و معدنی خاک و غیرفعال‌سازی آنزیم‌های خاک توسط بیوچار می‌تواند پایداری و ماندگاری بیوچار را در خاک افزایش دهد.نتایج: با توجه به پایداری بسیار زیاد بیوچار در خاک و ضرورت افزایش کربن آلی خاک به‌عنوان اصلی‌ترین عامل حاصلخیزی، کاربرد بیوچار در خاک‌های ایران می‌تواند ضمن افزایش کربن آلی خاک، به‌طور مستقیم و غیرمستقیم حاصلخیزی این خاک‌ها را بهبود بخشد. با این حال، بیوچار بعد از افزوده شدن به خاک، با اجزای خاک وارد برهم‌کنش شده و ویژگی‌های آن در طی زمان دچار تغییر و تحول می‌شود و به‌علت نوظهور بودن فناوری بیوچار و گستردگی زمینه‌های کاربرد آن، هنوز اطلاعات ما در زمینه برهم‌کنش‌های آن با اجزای مختلف خاک و تغییر و تحولات بلندمدت آن در خاک و محیط زیست به روشنی مشخص نشده و تحقیقات زیادی در این زمینه مورد نیاز است.

المصادر:

Ahangar, A. G., Smernik, R. J., Kookana, R. S., & Chittleborough, D. J. (2008). Separating the effects of organic matter–mineral interactions and organic matter chemistry on the sorption of diuron and phenanthrene. Chemosphere, 72, 886-890.

Anand, A., Gautam, S., & Ram, L. C. (2023). Feedstock and pyrolysis conditions affect suitability of biochar for various sustainable energy and environmental applications. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 170, 105881.

Azimzadeh, Y. (2023). The role of biochar on soil fertility and crop productivity in arid and semi-arid regions: Challenges and opportunities. Iranian Journal of Soil and Water Research, doi:10.22059/ijswr.2023.361817.669530

Azimzadeh, Y., & Najafi, N. (2017). Biochar: the Material with Unique Properties for Carbon Sequestration and Global Warming Mitigation. Land Management Journal, 5(1), 51-63. [in Persian]

Baldock, J. A., & Smernik, R. J. (2002). Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa (Red pine) wood. Organic Geochemistry, 33, 1093-1109.

Brodowski, S., John, B., Flessa, H., & Amelung, W. (2006). Aggregate‐occluded black carbon in soil. European Journal of Soil Science, 57, 539-546.

Bruun, E. W., Ambus, P., Egsgaard, H., & Hauggaard-Nielsen, H. (2012). Effects of slow and fast pyrolysis biochar on soil C and N turnover dynamics. Soil Biology and Biochemistry, 46, 73-79.

Bruun, S., Jensen, E. S., & Jensen, L. S. (2008). Microbial mineralization and assimilation of black carbon: Dependency on degree of thermal alteration. Organic Geochemistry, 39, 839-845.

Cheng, C.-H., Lehmann, J., & Engelhard, M. H. (2008a). Natural oxidation of black carbon in soils: changes in molecular form and surface charge along a climosequence. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, 1598-1610.

Cheng, C.-H., Lehmann, J., Thies, J. E., Burton, S. D., & Engelhard, M. H. (2006). Oxidation of black carbon by biotic and abiotic processes. Organic Geochemistry, 37, 1477-1488.

Chintala, R., Mollinedo, J., Schumacher, T. E., Malo, D. D., & Julson, J. L. (2014). Effect of biochar on chemical properties of acidic soil. Archives of Agronomy and Soil Science, 60, 393-404.

Cravo-Laureau, C., Hernandez-Raquet, G., Vitte, I., Jézéquel, R., Bellet, V., Godon, J.-J., Caumette, P., Balaguer, P., & Duran, R. (2011). Role of environmental fluctuations and microbial diversity in degradation of hydrocarbons in contaminated sludge. Research in Microbiology, 162, 888-895.

Cross, A., & Sohi, S. P. (2011). The priming potential of biochar products in relation to labile carbon contents and soil organic matter status. Soil Biology and Biochemistry, 43, 2127-2134.

Dai, Z., Xiong, X., Zhu, H., Xu, H., Leng, P., Li, J., & Xu, J. (2021). Association of biochar properties with changes in soil bacterial, fungal and fauna communities and nutrient cycling processes. Biochar, 3, 239-254.‏

De la Rosa, J. M., Rosado, M., Paneque, M., Miller, A. Z., & Knicker, H. (2018). Effects of aging under field conditions on biochar structure and composition: Implications for biochar stability in soils. Science of The Total Environment, 613–614, 969–976.

Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., & Lehmann, J. (2012). Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresource Technology, 114, 644-653.

Farrokhian Firouzi, A., Biria, M., Moezzi, A., & Rahnama, A. (2023). Effect of Conocarpus erectus biochar on some physical and mechanical properties of a calcareous soil under corn cultivation. Water and Soil Management and Modelling, DOI: 10.22098/mmws.2023.12233.1217. [In Persian].

Haefele, S., Konboon, Y., Wongboon, W., Amarante, S., Maarifat, A., Pfeiffer, E., & Knoblauch, C. (2011). Effects and fate of biochar from rice residues in rice-based systems. Field Crops Research, 121, 430-440.

Hamer, U., Marschner, B., Brodowski, S., & Amelung, W. (2004). Interactive priming of black carbon and glucose mineralisation. Organic Geochemistry, 35, 823-830.

Hammes, K., Torn, M. S., Lapenas, A. G., & Schmidt, M. W. (2008). Centennial black carbon turnover observed in a Russian steppe soil. Biogeosciences, 5, 1339-1350.

Hammond, D. S., Steege, H. t., & Van Der Borg, K. (2007). Upland soil charcoal in the wet tropical forests of central Guyana. Biotropica, 39, 153-160.

Hasanpour, I., Shirvani, M., Hajabbasi, M., & Majidi, M. (2022). Effect of Acidic Biochars on Some Chemical Properties and Nutrient Availabilities of Calcareous Soils. Journal of Water and Soil Science, 26(2), 39-59. [In Persian]

Herring, J. R. (1985). Charcoal fluxes into sediments of the North Pacific Ocean: the Cenozoic record of burning. The Carbon Cycle and Atmospheric CO: Natural Variations Archean to Present, 419-442.

Hockaday, W. C., Grannas, A. M., Kim, S., & Hatcher, P. G. (2006). Direct molecular evidence for the degradation and mobility of black carbon in soils from ultrahigh-resolution mass spectral analysis of dissolved organic matter from a fire-impacted forest soil. Organic Geochemistry, 37, 501-510.

Jantalia, C. P., Resck, D. V., Alves, B. J., Zotarelli, L., Urquiaga, S., & Boddey, R. M. (2007). Tillage effect on C stocks of a clayey Oxisol under a soybean-based crop rotation in the Brazilian Cerrado region. Soil and Tillage Research, 95, 97-109.

Jing, F., Sun, Y., Liu, Y., Wan, Z., Chen, J., & Tsang, D. C. W. (2022). Interactions between biochar and clay minerals in changing biochar carbon stability. Science of The Total Environment, 809, 151124.

Jones, D., Murphy, D., Khalid, M., Ahmad, W., Edwards-Jones, G., & DeLuca, T. (2011). Short-term biochar-induced increase in soil CO₂ release is both biotically and abiotically mediated. Soil Biology and Biochemistry, 43, 1723-1731.

Joseph, S., Camps-Arbestain, M., Lin, Y., Munroe, P., Chia, C., Hook, J., Van Zwieten, L., Kimber, S., Cowie, A., & Singh, B. (2010). An investigation into the reactions of biochar in soil. Soil Research, 48, 501-515.

Joseph, S., Graber, E., Chia, C., Munroe, P., Donne, S., Thomas, T., Nielsen, S., Marjo, C., Rutlidge, H., & Pan, G. (2013). Shifting paradigms: development of high-efficiency biochar fertilizers based on nano-structures and soluble components. Carbon Management, 4, 323-343.

Karami, S., landi, A., enayatizamir, N., & zalaghi, R. (2021). Effect of Corn and Sugarcane Biochars on Some Soil Biological Properties and Carbon Sequestration. Journal of Environmental Science and Technology, 23(5), 57-69. doi: 10.30495/jest.2018.15363.2383. [In Persian]

Keiluweit, M., Nico, P. S., Johnson, M. G., & Kleber, M. (2010). Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar). Environmental Science & Technology, 44, 1247-1253.

Kim, H.-B., Kim, J.-G., Kim, T., Alessi, D. S., & Baek, K. (2021). Interaction of biochar stability and abiotic aging: Influences of pyrolysis reaction medium and temperature. Chemical Engineering Journal, 411, 128441.

Knicker, H., Almendros, G., González‐Vila, F. J., González‐Pérez, J. A., & Polvillo, O. (2006). Characteristic alterations of quantity and quality of soil organic matter caused by forest fires in continental Mediterranean ecosystems: a solid‐state ¹³C NMR study. European Journal of Soil Science, 57, 558-569.

Knicker, H., Hilscher, A., González-Vila, F. J., & Almendros, G. (2008). A new conceptual model for the structural properties of char produced during vegetation fires. Organic Geochemistry, 39, 935-939.

Knoblauch, C., Maarifat, A.-A., Pfeiffer, E.-M., & Haefele, S. M. (2011). Degradability of black carbon and its impact on trace gas fluxes and carbon turnover in paddy soils. Soil Biology and Biochemistry, 43, 1768-1778.

Kolb, S. E., Fermanich, K. J., & Dornbush, M. E. (2009). Effect of charcoal quantity on microbial biomass and activity in temperate soils. Soil Science Society of America Journal, 73, 1173-1181.

Kuzyakov, Y., Subbotina, I., Chen, H., Bogomolova, I., & Xu, X. (2009). Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by ¹⁴C labeling. Soil Biology and Biochemistry, 41, 210-219.

Ladygina, N., & Rineau, F. (2013). Biochar and soil biota, CRC Press, Boca Raton, FL.

Lehmann, J., & Joseph, S. (2015). Biochar for environmental management: science, technology and implementation, London, Routledge, Abingdon.

Lehmann, J., Gaunt, J., & Rondon, M. (2006). Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems–a review. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 11, 395-419.

Leng, L., Xiong, Q., Yang, L., Li, H., Zhou, Y., Zhang, W., ... & Huang, H. (2021). An overview on engineering the surface area and porosity of biochar. Science of the total Environment, 763, 144204.‏

Lepik, R., & Tenno, T. (2012). Determination of biodegradability of phenolic compounds, characteristic to wastewater of the oil-shale chemical industry, on activated sludge by oxygen uptake measurement. Environmental Technology, 33, 329-339.

Liang, B., Lehmann, J., Sohi, S. P., Thies, J. E., O’Neill, B., Trujillo, L., Gaunt, J., Solomon, D., Grossman, J., & Neves, E. G. (2010). Black carbon affects the cycling of non-black carbon in soil. Organic Geochemistry, 41, 206-213.

Liang, B., Lehmann, J., Solomon, D., Sohi, S., Thies, J. E., Skjemstad, J. O., Luizao, F. J., Engelhard, M. H., Neves, E. G., & Wirick, S. (2008). Stability of biomass-derived black carbon in soils. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, 6069-6078.

Major, J., Lehmann, J., Rondon, M., & Goodale, C. (2010). Fate of soil‐applied black carbon: downward migration, leaching and soil respiration. Global Change Biology, 16, 1366-1379.

Nguyen, B. T., & Lehmann, J. (2009). Black carbon decomposition under varying water regimes. Organic Geochemistry, 40, 846-853.

Nguyen, B. T., Lehmann, J., Kinyangi, J., Smernik, R., Riha, S. J., & Engelhard, M. H. (2009). Long-term black carbon dynamics in cultivated soil. Biogeochemistry, 92, 163-176.

Novotny, E. H., Hayes, M. H., Madari, B. E., Bonagamba, T. J., Azevedo, E. R. d., Souza, A. A. d., Song, G., Nogueira, C. M., & Mangrich, A. S. (2009). Lessons from the Terra Preta de Índios of the Amazon region for the utilisation of charcoal for soil amendment. Journal of the Brazilian Chemical Society, 20, 1003-1010.

Osooli, H., Karimi, A., shirani, H., & Tabatabaei, S. H. (2021). The effect of type, particle size and amount of biochar on some physical and mechanical properties of calcareous soil. Journal of Water and Soil Resources Conservation, 11(1), 113-128. [In Persian].

Pivello, V. R., Oliveras, I., Miranda, H. S., Haridasan, M., Sato, M. N., & Meirelles, S. T. (2010). Effect of fires on soil nutrient availability in an open savanna in Central Brazil. Plant and Soil, 337, 111-123.

Rasuli, F., Owliaie, H., Najafi-Ghiri, M., & Adhami, E. (2022). Effect of biochar on potassium fractions and plant-available P, Fe, Zn, Mn and Cu concentrations of calcareous soils. Arid Land Research and Management, 36(1), 1-26.

Raiesi, F., & Besharati, H. (2018). The effects of corn biochar on the chemical and microbiological characteristics of two calcareous clay and sandy soils. Journal of Soil Management and Sustainable Production, 8(1), 25-47. [In Persian].

Rodriguez-Navarro, C., Ruiz-Agudo, E., Luque, A., Rodriguez-Navarro, A. B., & Ortega-Huertas, M. (2009). Thermal decomposition of calcite: Mechanisms of formation and textural evolution of CaO nanocrystals. American Mineralogist, 94, 578-593.

Roscoe, R., Buurman, P., Velthorst, E., & Vasconcellos, C. (2001). Soil organic matter dynamics in density and particle size fractions as revealed by the 13 C/12 C isotopic ratio in a Cerrado's oxisol. Geoderma, 104, 185-202.

Santos, F., Torn, M. S., & Bird, J. A. (2012). Biological degradation of pyrogenic organic matter in temperate forest soils. Soil Biology and Biochemistry, 51, 115-124.

Seyedi, N., Ahmadyousefi, M., Amiri nejad, M., Zahedi far, M., Alizadeh, F., & Zahed, M. (2022). The assessment of biomasses effect and pyrolysis temperatures on some chemical and physical properties of biochar. Journal of Environmental Science and Technology, 24(8), 133-150. [In Persian].

Shekofteh, H., Nabizadeh Rafsanjani, A., & Jalali, G. (2023). Effects of biochar derived from various feedstock sources on some physical and chemical properties of soil. Environmental Erosion Research, 13(3), 48-172. [in Persian]

Shi, R. Y., Ni, N., Wang, R. H., Nkoh, J. N., Pan, X. Y., Dong, G., & Li, J. Y. (2023). Dissolved biochar fractions and solid biochar particles inhibit soil acidification induced by nitrification through different mechanisms. Science of The Total Environment, 874, 162464.‏

Shokuhifar, Y., Ghahsareh, A.M., Shahbazi, K. (2023). Biochar and wheat straw affecting soil chemistry and microbial biomass carbon countrywide. Biomass Conversion and Biorefinery, 13, 5407–5417.

Skjernstad, J., Taylor, J., & Smernik, R. (1999). Estimation of charcoal (char) in soils. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 30, 2283-2298.

Spokas, K. A., Baker, J. M., & Reicosky, D. C. (2010). Ethylene: potential key for biochar amendment impacts. Plant and Soil, 333, 443-452.

Steiner, C. (2015). Considerations in Biochar Characterization. In: Agricultural and Environmental Applications of Biochar: Advances and Barriers. M. Guo, Z. He, and S. M. Uchimiya, (Eds.), SSSA Special Publication, Madison, USA.

Tang, H., Chen, M., Wu, P., Faheem, M., Feng, Q., Lee, X., & Wang, B. (2023). Engineered biochar effects on soil physicochemical properties and biota communities: A critical review. Chemosphere, 311, 137025.‏

Titiz, B., & Sanford, R. L. (2007). Soil Charcoal in Old‐Growth Rain Forests from Sea Level to the Continental Divide. Biotropica, 39, 673-682.

Wang, H., Nan, Q., Waqas, M., & Wu, W. (2022). Stability of biochar in mineral soils: assessment methods, influencing factors and potential problems. Science of The Total Environment, 806, 150789.‏

Wang, L., O’Connor, D., Rinklebe, J., Ok, Y. S., Tsang, D. C., Shen, Z., & Hou, D. (2020). Biochar aging: mechanisms, physicochemical changes, assessment, and implications for field applications. Environmental Science & Technology, 54(23), 14797-14814.‏

Yang, F., Zhao, L., Gao, B., Xu, X., & Cao, X. (2016). The interfacial behavior between biochar and soil minerals and its effect on biochar stability. Environmental Science & Technology, 50(5), 2264–2271.

Yang, Y., Sun, K., Han, L., Chen, Y., Liu, J., & Xing, B. (2022). Biochar stability and impact on soil organic carbon mineralization depend on biochar processing, aging and soil clay content. Soil Biology and Biochemistry, 169, 108657.‏

Yuan, J.-H., Xu, R.-K., & Zhang, H. (2011). The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures. Bioresource Technology, 102, 3488-3497.

Zimmerman, A. R. (2010). Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environmental Science & Technology, 44, 1295-1301.

Zimmerman, A. R., Gao, B., & Ahn, M.-Y. (2011). Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils. Soil Biology and Biochemistry, 43, 1169-1179.