بررسی اثر آبشویی و حرکت نیترات در خاک با استفاده از مدل …

نیتروژن از عناصر ضروری گیاه بوده و نقش بسیار مهمی در تغذیه گیاه دارا می باشد. این عنصر در جزء ساختمان کلروفیل، در ترکیب ساختمان نوکلئیکاسیدها(RNA و DNA) و در ساختمان پروتئین ها نقش های عمده ای دارد، همچنین افزایش دهنده فعالیت و توسعه ریشه بوده و در جذب سایر عناصر غذایی و برای مصرف کربوهیدارتها مورد نیاز است. نیتروژن بیشتر از هر عنصر دیگر عامل محدود کننده رشد میباشد. به دلیل آنکه این عنصر به مقدار زیاد به وسیله گیاهان از خاک جذب می شود، بنابراین تأمین نیتروژن قابل استفاده کافی در خاک برای رشد بهینه از اهمیت ویژه ای برخوردار است.( یثربی و همکاران، ۱۳۸۲)

۱-۴-شکل های مختلف نیتروژن در خاک

۱-۴-۱- نیتروژن موجود در مواد آلی خاک

نیتروژن آلی قسمت قابلتوجه از نیتروژن کل خاک را تشکیل میدهد. بنابراین براساس گزارش(استیونسون[۱۶] ، ۱۹۹۶) شکل های نیتروژن آلی در برگیرنده آمینو اسیدها، قندهای آمین دار، آمونیومی، غیر محلول در اسید[۱۷]، قابل هیدرولیز ناشناخته[۱۸] هستند. تعیین ترکیبات آلی موجود در خاک نیازمند جداسازی مواد آلی از مواد معدنی خاک است.

۱-۴-۲- نیتروژن غیر آلی

نیتروژن معدنی بیشتر به شکل آمونیوم(NH4-N) و نیترات(NO3-N) در خاک یافت میشود. در خاک های با PH بالا گاهی مقدار کمی نیتریت نیز ممکن است یافت شود، اما نیترات فرم اصلی و غالب می باشد. آمونیوم به سه شکل قابل تبادل، تثبیت شده و مقدار کمی به صورت محلول در خاک یافت می شود.

۱-۴-۳- نیتروژن گازی موجود در خاک

گاز نیتروژن به شکل ترکیبات N2O و N2 در خلل و فرج خاک یافت می شود و می تواند با ترکیبات گازی اتمسفر تبادل نماید. نیتروژن موجود در خلل و فرج خاک توسط میکروبهای موجود در ناحیه ریشه ثبیت می شود.

۱-۵- چرخه نیتروژن در خاک

اشکال مختلف در خاک به یکدیگر قابل تبدیل بوده و تحت تأثیر دگرگونی های مختلف در محیط به صورت چرخه در میآیند. مراحل دگرسانی شامل معدنی شدن( آمینهشدن، آمونیفیکاسیون[۱۹]، نیتریفیکاسیون[۲۰]) تثبیت شدن و تثبیت آمونیوم(توسط رس معدنی و مواد آلی خاک) می باشد.

۱-۵-۱- معدنی شدن

بزرگترین منبع عناصر غذایی در بسیاری از خاک هایی که باکود تقویت نمی شوند ترکیبات آلی می باشد. مرحله ای که نیتروژن آلی خاک معدنی میشود را مرحله میکروبی مینامند که در این مرحله اشکال نیتروژن آلی در خاک به اشکال غیرآلی(آمونیوم، نیترات و نیتریت) تبدیل میشود. معدنی شدن در سه مرحله تحت عناوین آمینهشدن، آمونیاکسازی و نیتراتسازی انجام میشود. مراحل اول و دوم به کمک موجودات دگرساز و مرحله سوم به وسیله باکتری های خودساز انجام می شود( پاراسادو پاور[۲۱] ، ۱۹۹۷). تحت شرایط مطلوب سالیانه حدود چهار درصد نیتروژن خاک معدنی می شود. یکی از این شرایط مناسب بودن نسبت کربن به نیتروژن (C/N) که حدود ۱ به ۱۲ است می باشد. اضافه کردن موادی مثل کلش ذرت، گندم و جو با عنایت به اینکه نسبت (C/N) بالاتری دارند(بیش از ۱۰۰) سبب افزایش جمعیت میکروبی و در نتیجه بروز کمبود نیتروژن خواهد گردید.
از آنجا که نخستین ماده ای که در اثر معدنی شدن نیتروژن ایجاد می شود، آمونیاک است لذا به این فرایند آمونیفیکاسیون نیز می گویند.

۱-۵-۲- نیتریفیکاسیون

در فرایند نیتریفیکاسیون، NH4+ توسط گروه ویژه ای از باکتریهای خاک اکسید شده و ابتدا نیتریت حاصل می شود، سپس نیتریت حاصل شده نیز توسط گروهی از باکتریها به نیترات اکسیده می شود.
۲NH2+ + ۳O2= 2NO2 + ۲HN2O + 4H+
۲NO2 + O2 = ۲NO3
فرایند نیتریفیکاسیون به فاکتورهای محیطی از قبیل دما ، رطوبت و PH خاک حساس است. این فرایند به میزان قابل توجهی تحت تأثیر دما است. به طوریکه در دمای پایین تر از C°۵ و بالاتر از C°۴۰ خیلی کند می شود. نیترات سازها به H+ حساس هستند و فعالیت آن ها در PH کمتر از ۶ کاهش یافته و در PH کمتر از ۵ ناچیز می باشد. PH بهینه برای نیتراتسازها ۶/۶ تا ۸ و یا بیشتر است. تمام نیترات سازها به اکسیژن نیازمندند و در غیاب اکسیژن نیترات سازی متوقف می شود. به همین دلیل نیترات سازی به ساختمان خاک و مقدار آب حساس است.

۱-۵-۳- دنیتریفیکاسیون

نیتراتزدایی به معنی احیای نیترات و نیتریت به No ، N2O و N2 بوده و تابع غلظت نیترات، واکنش خاک، درجه حرارت، مواد آلی و غیره می باشد. میزان هدررفت نیتروژن گازی شکل از طریق نیترات زدایی کودهای نیتروژنه به دلیل تنوع عوامل کنترل کننده آن بسیار متفاوت می باشد. فرایند دنیتریفیکاسیون نیز تحت تأثیر رطوبت خاک، دما و PH قرار می گیرد. رطوبت خاک یک فاکتور کلیدی مهم در تنظیم این فرایند است که نشان دهنده موجودیت اکسیژن در خاک برای تنفس موجودات هوازی خاک است.

۱-۵-۴- تثبیت

تثبیت نیتروژن هنگامی رخ میدهد که نیتروژن غیر آلی موجود در خاک از طریق فعالیتهای میکروبی به اشکال آلی تبدیل شود. تثبیت نیتروژن خاک یا کودهای نیتروژنی زمانی اتفاق میافتد که میزان زیادی ترکیبات کربندار(پسماند کاه غلات و نیشکر) در خاک به کار میرود. اضافه کردن مواد چوبی بدون اضافهکردن کودهای نیتروژنی موجب کاهش نیتروژن خاک میشود. زمانی که درصد نیتروژن خاک از ۵/۱ درصد تا ۲/۱ کمتر و یا نسبت (C/N) بیشتر از ۳۰ شود تثبیت نیتروژن اهمیت بیشتری می یابد(شپرش ۱ و موزیر‌۲ ، ۱۹۹۱) اضافه نمودن کودهای نیتروژنی با موادآلی با مقدار نیتروژن بالا می تواند خسارت ناشی از تثبیت نیتروژن در خاک را کاهش دهد.

۱-۶- آبشویی نیتروژن

۱-۶-۱- آبشویی نیترات

در شرایط غیر اشباع هنگامی که رطوبت خاک کمتر از ظرفیت زراعی باشد، جابجایی نیترات در محلول خاک به دلیل وجود شیب غلظت عمدتا از طریق پخشیدگی در مقایسه با جریان توده ای بسیار ناچیز است. آبشویی یک فرایند غیر زنده بوده و از طریق پخشیدگی و انتشار صورت می گیرد. معادله ای که معمولا برای انتشار و پخشیدگی بکار می رود و در آبشویی نیترات نیز کاملا صادق است به صورت رابطه زیر میباشد:
C غلظت نیترات (میلی گرم بر لیتر) ، D میانگین ضریب انتشار ظاهری (سانتی متر مربع بر روز) ، V0 میانگین شدت جریان در منافذ (سانتی متر بر روز)، که با تقسیم سرعت جریان آب به مقدار رطوبت حجمی خاک به دست می آید. Z فاصله خطی در جهت جریان (سانتی متر)، و T زمان (روز) است. معادله فوق برای خاک های یکنواخت و حالت ماندگار آب خاک صادق است. معادله نشان می دهد که شدت جریان با حجم آبشویی متناسب بوده و با رطوبت حجمی خاک رابطه عکس دارد.
ضریب انتشار نیترات در خاکهای مختلف بر پایه اندازه رطوبت آنها متفاوت بوده و از ۵/۰ تا ۵/۱ سانتیمتر بر روز تغییر می کند. لکن مسافت طیشده با جریان روان بسیار بیشتر از رقم فوق می باشد.

۱-۶-۲- آبشویی آمونیوم

به طور کلی تصور میشود که نیتروژن آمونیومی در خاک رسوب مینماید و یا نیتروژن آمونیومی تولید شده در خاک کاملا متحرک است به خصوص زمانی که با نیتروژن نیتراتی مقایسه می شود. آبشویی نیترات از خاک به طور وسیع توسط برادی[۲۲] (۱۹۹۰) مورد بحث قرار گرفت و این محقق فقط پنج سرنوشت یعنی اختصاص به میکروارگانیسم ها، تصعید به اتمسفر، نیتریفیکاسیون، جذب به وسیله گیاه و تثبیت بین لایه ای را برای آمونیوم در نظرگرفت و به آبشویی آمونیوم اشاره ای ننمود. اگرچه آبشویی نیترات به صورت وسیعی در مدیریت خاک ها مورد توجه قرار گرفته است. اما از پتانسیل هدر رفت آمونیوم به وسیله آبشویی به طور کلی صرف نظر می شود. فرض اینکه آمونیوم روی مکان های قابل تبادل کاتیونی نگه داشته می شود بر پایه این مشاهدات است که نیترات درون خاک بسیار متحرک بوده و غلظت آمونیوم در آب های زهکشی شده عموماً پایین تر از نیترات است. به دلیل ناپایداری آمونیوم در خاک و تبدیل سریع آن به نیترات طی فرایند نیتراتی شدن مطالعات انجام شده روی آبشویی آمونیوم در خاکهای کشاورزی محدود می باشد.

۱-۷- اثرات آبشویی نیتروژن

فهم فرایند آبشویی نیتروژن از اراضی کشاورزی به دلایل متعدد حائز اهمیت میباشد. نیتروژنی که به زیر ناحیه ریشه گیاهان شسته میشود، نماینده هدر رفت یک عنصر با ارزش گیاهی است و بنابراین ضرر اقتصادی برای کشاورزی محسوب میشود.
نیترات بسیار متحرک بوده و غلظت زیاد آن در آب اثرات منفی بر سلامت انسان ، حیوان و به طور کلی محیط زیست دارد. غلظت بالای نیترات در آب آشامیدنی خطر ابتلا به انواع سرطانها، خصوصا سرطانهای دستگاه گوارش از جمله سرطان معده، روده، زبان و سرطانهای دهانی را افزایش می دهد. رابطه بین غلظت نیترات در آب آشامیدنی و بیماری متهموگلوبینا[۲۳] و سیانوسیس[۲۴] در کودکان کاملا شناخته شده است. نیترات موجود در آب آشامیدنی پس از مصرف به وسیله کودکان توسط باکتری های کاهنده نیترات به نیتریت احیا می شود. نیتریت از جمله ترکیباتی است که هموگلوبین( ناقل اکسیژن در خون) را به شکل غیر فعال مت هموگلوبین تبدیل مینماید. این تغییر شکل برگشتپذیر میباشد. هنگامی که این تبدیل از ۱۰ درصد تجاوز نماید نشانههای بالینی مانند خاکستری یا آبیرنگ شدن پوست، ظاهر میشود و اینحالت مت هموگلوبینمیا نامیده میشود.
دامها نیز ممکن است از علایم چندین عارضه و بیماری ناشی از وجود مقادیر زیاد نیترات در آب آشامیدنی نظیر متهموگلوبینمیا، اختلالات تولید مثلی، سقط جنین وکاهش تولید شیر رنج ببرند(فیوترل[۲۵] ، ۲۰۰۴). جنبه دیگر نگرانی از افزایش غلظت نیترات در آب، ترس از غنی شدن[۲۶] آبهای سطحی میباشد که موجبات رشد زیانآور گیاهانآبزی و پلانکتونها را فراهم می آورد. به دنبال فرایند غنی شدن مشکلاتی مثل ایجاد مانع در قایقرانی و کشتیرانی به واسطه رشد پر تراکم علف های هرز، مسدود شدن کانالهای آبیاری به وسیله جلبک ها و علف های هرز زیان آور حاصل از رشدجلبک ها، تولید توکسین به وسیله جلبک های مشخص و کاهش اکسیژن در آب به وجود خواهد آمد.
سازمان سلامت جهانی و جامعه اروپایی حد مجاز نیترات در آب آشامیدنی را به ۵۰ میلی گرم در لیتر اعلام نموده است. در سه دهه اخیر نیترات در آب های زیرزمینی افزایش یافته و در بعضی مناطق به ۵۰ میلی گرم در لیتر رسیده است. همدان در غرب ایران واقع شده است و بخش عمده آب آشامیدنی آن از آب های زیرزمینی تأمین می شود. تحقیقات نشان داده که غلظت نیترات در چاه های کشاورزی در این منطقه بین ۲ تا ۲۵۲ میلی گرم در لیتر بوده و متوسط غلظت نیترات در ۳۲۱ چاه نمونه برداری شده ۴۹ میلی گرم در لیتر بوده است.(کاویانی و همکاران، ۱۳۸۹)

۱-۸- عوامل موثر بر آبشویی نیتروژن

۱-۸-۱- مدیریت کودهای نیتروژنی

عواملی مانند میزان و زمان مصرف کود، نوع کود نیتروژنه بکار رفته و چگونگی کاربرد آن فرایند آبشویی نیترات را تحت تأثیر قرار می دهد. اصولا زمانی که مقدار کود مصرفی با مقدار برداشت گیاه متناسب باشدمیزان آبشویی نیترات به کم ترین مقدار می رسد. چنانچه تمام کود بهیکباره (روشی که در مناطق خشک و نیمه خشک مرسوم است) بکار رود تلفات نیترات افزایش و بازده کود کاهش خواهد بافت.
جی نس[۲۷] و همکاران (۲۰۰۱) آبشویی نیترات در یک تناوب ذرت لوبیا تحت سه تیمار کود نیتروژن شامل: کم(۶۷ کیلوگرم در هکتار)، متوسط(۱۳۵ کیلوگرم در هکتار) و زیاد (۲۰۲ کیلوگرم در هتکار)، در ایالات متحده را بررسی کرده و غلظت نیترات را در زهکش زیر سطحی اندازهگیری نمودند. نتایج نشان داد غلظت نیترات در آب زهکش در سطوح کودی متوسط و زیاد بیشتر از حد مجاز بود و بیشترین تلفات نیتروژن در سط کودی زیاد(۲۰۲ کیلوگرم در هکتار) اتفاق افتاد.

۱-۸-۲- عملیات آبیاری

عملیات آبیاری در مناطقی مورد استفاده قرار میگردد که بارشهای موثر کمتر از نیاز تبخیر و تعرق گیاه باشد. در مناطق خشک و نیمهخشک آبیاری منبع اصلی تأمین آب مورد نیاز گیاه میباشد و بنابراین سیستمهای کشاورزی در مناطق خشک و نیمهخشک شدیداً وابسته به آبیاری و کوددهی میباشند.
در مناطق خشک و نیمه خشک به دلیل آبشویی املاح و برای جلوگیری از تجمع آنها در نیمرخ خاک عمق آبیاری مقداری بیشتر از تبخیر و تعرق گیاه در نظر گرفته میشود که این پدیده می تواند سبب آبشویی نیترات شود.
ماک[۲۸] و همکاران(۲۰۰۵) تأثیر سه تیمار آبیاری( آبیاری بارانی در چهار مرحله، آبیاری بارانی در هشت مرحله، آبیاری مرسوم در منطقه: یک مرحله به صورت بارانی و سه مرحله به صورت جویچه ای) و سه مقدار کود نیتروژن بر موازنه آب خاک، آبشویی نیترات و عملکرد دانه را در تناوب ذرت – گندم مورد بررسی قرار دادند. برای تعیین آبشویی نیترات نمونه گیریهای غیر فعال حاوی رزین مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد که در آبیاری بارانی به دلیل کاربرد بیشتر آب اتلاف از طریق تبخیر بالاتر بود اما میزان آبشویی نیترات در مقایسه با تیمار آبیاری جویچهای پایینتر بود. همچنین با افزایش میزان کود و آب، آبشویی نیتروژن افزایش یافت و بیشترین آبشویی در تیمار آبیاری مرسوم و سطح کودی ۶۰۰ کیلوگرم در هکتار اتفاق افتاد.

۱-۸-۳- عملیات خاکورزی

روشهای شخم به صورت مستقیم و غیرمستقیم کیفیت آبهای زیرزمینی را تحت تأثیر قرار می دهند. در خاکهایی که زهکشی خوبی دارند عملیات خاک ورزی میتواند موجبات انتقال سریع مواد شیمیایی کشاورزی از خاک سطحی به آبهای زیرزمینی را فراهم آورده و سبب آلودگی آبهای زیرزمینی شود.

برای دانلود فایل متن کامل پایان نامه به سایت 40y.ir مراجعه نمایید.