ارزیابی کارایی بهسازهای زیستی در مهار فرسایش بادی خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه علوم خاک، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

2 دانشیار ، گروه علوم خاک، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

3 استاد بخش تحقیقات بیولوژی، مؤسسه تحقیقات خاک و آب کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

4 دانشیار پژوهشی، بخش تحقیقات بیابان، موسسه تحقیقات جنگلها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

5 استاد ، گروه علوم خاک، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

چکیده

پدیده مخرب بیابان­‌زایی و فرسایش بادی امروزه از مهم‌ترین بحران­‌های زیست‌ محیطی در جهان است که از چالش­‌های جدی در برابر تولید پایدار و مدیریت اراضی کشاورزی محسوب می­شود. در پژوهش حاضر، اثر فرآیند ترسیب میکروبی کربنات کلسیم به‌­عنوان یک بهساز زیستی و سازگار با محیط‌ زیست جهت مهار فرسایش بادی و تثبیت خاک مورد مطالعه قرارگرفته است. بدین منظور با استفاده از شبیه­سازی در تونل باد، میزان فرسایش نمونه­های سیمانی شده از طریق زیستی در دامنه­ای از سرعت‌­های مختلف باد (صفر تا 98 کیلومتر بر ساعت) در دو نوع خاک با بافت شنی و سیلتی به­صورت آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کامل تصادفی در سه تکرار بررسی گردید. بررسی سرعت آستانه حرکت ذرات خاک نشان داد که در خاک هوا­خشک با بافت سیلتی ذرات خاک در سرعت 8 کیلومتر بر ساعت و خاک شنی ذرات خاک در باد با سرعت 10 کیلومتر بر ساعت شروع به حرکت کردند. درصورتی­‌که در تمامی نمونه­های سیمانی شده با روش زیستی، ذرات در سرعت 97 کیلومتر بر ساعت حرکت نکردند. همچنین نتایج نشان داد شار تلفات خاک در تمامی تیمارهای سیمانی شده با روش زیستی در سرعت­های مختلف باد در مقایسه با نمونه­های شاهد کاهش معنی­داری داشتند. تفاوت در مقدار تلفات خاک در بین نمونه­های سیمانی شده با روش زیستی و تیمارهای شاهد در سرعت­های بالای باد بسیار چشمگیر بود. به‌طوری‌که در سرعت­های بیش از 57 کیلومتر بر ساعت میزان تلفات خاک در تیمارهای شاهد به یکباره افزایش قابل‌­ملاحظه‌ای نشان داد، درصورتی‌­که در خاک­های تیمار شده با باکتری میزان تلفات خاک بسیار ناچیز و در حدود 5/2 کیلوگرم در مترمربع در ساعت بود. همچنین نتایج نشان داد که مقدار کربنات کلسیم معادل و مقاومت فروروی سطح خاک در تیمارهای سیمانی شده با روش زیستی نسبت به تیمارهای شاهد به­‌طور معنی­داری افزایش داشت که این امر نشان دهنده تشکیل یک لایه مقاوم سطحی بر روی نمونه­های سیمانی شده است. مقایسه بین باکتری­های مورد استفاده در این پژوهش نیز نشان داد که Bacillus infantis و  Paenibacillus sp3کارایی بالایی در مهار فرسایش بادی داشتند. بنابراین بنظر می­رسد که سیمانی شدن به روش زیستی می­تواند روشی مؤثر برای تثبیت ذرات سطح و مهار فرسایش بادی خاک باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the efficiency of biological improvement in controlling wind erosion

نویسندگان [English]

  • Sareh Rajabi Agereh 1
  • Farshad Kiani 2
  • Kazem Khavazi 3
  • Hassan Rouhipour 4
  • Farhad Khormali 5
1 Ph.D. Student, Department of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran
2 Associate Professor, Department of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran
3 Professor, Department of Biology, Soil and Water Research Institute, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
4 َAssociate professor, Research Desert Division, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran
5 Professor, Department of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran.
چکیده [English]

Nowadays, the destructive phenomenon of desertification and wind erosion is one of the most important environmental crises in the world, which are serious challenges to sustainable production and agricultural land management. In the present study, the effect of microbial precipitation of calcium carbonate has been studied as a biological reformer and compatible for controlling wind erosion and soil stabilization. For this purpose, erosion rate of bio-cemented samples was investigated through ….in a wind tunnel under the condition of wind velocity of (0 to 98 km hr-1) in two soil types with sandy and silty texture in a completely randomized design in three replications. Investigation of the threshold velocity of soil particle movement revealed that air dried soil particles begin to move at the velocity of 8 and 10 km hr-1 in the silty and sandy soils respectively, however, in all biological samples (MICP) particles did not move at 97 km.hr-1. The results also indicated that the weight loss of all MICP treatments at different wind velocities were significantly reduced as compare to the control. The amount of the soil loss among biological cemented samples and control treatments were dramatically different at higher velocities. So that, at velocities more than 57 km/h, soil losses indicated significantly enhancement in control, whereas in the soils which are treated by bacteria, soil losses were insignificant and approximately 2.5 kg.m-2.hr-1. The results also showed that the equal's amount of calcium carbonate and the penetration resistance of the soil surface increased significantly in MICP treatments as compare to control treatments, this event indicated the formation of a surface-resistant layer on bio-treated cement samples. In this study, the comparison of used bacteria also showed that Bacillus infantis and Paenibacillus sp3 have high efficiency in controlling wind erosion. Therefore, it seems that cementation by biological methods could be an effective way to stabilize surface particles and control soil erosion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Urease
  • soil stabilization
  • Bio cement
  • Soil loss flux
-  Abu-Zreig, M., Al-Sharif, M. and Amayreh, J., 2007. Erosion control of arid land in Jordan with two anionic polyacrylamides. Journal of Arid land research management, 21: 315-328.

-  Arami, A. H., Ownegh, M. and Sheikh, V. B., 2014. Assessment of desertification hazard by using the 9 criteria IMDPA model in Semi-arid Agh-Band region, Golestan Province. Journal of Water and Soil Conservation, 21 (2): 153-172.

-  Azimzadeh, H. R. and Fotouhi, F., 2013. The study on the effects of desert pavement on wind erodibility (Case study: Yazd- Ardakan plain). Iranian journal of Range and Desert Reseach, 20(4): 695-705.

-  Chamizo, S., Cantón, Y., Miralles, I. and Domingo, F., 2012. Biological soil crust development affects physicochemical characteristics of soil surface in semiarid ecosystems. Journal of Soil Biology and Biochemistry, 49: 96-105.

-  Chen, L. Z., Xie, Z. M., Hu, C. X., Li, D. H., Wang, G. H. and Liu, Y. D., 2006. Man-made desert algal crusts as affected by environmental factors in Inner Mongolia, China. Journal of Arid Environments, 67: 521-527.

-  Chu, J., Stabnikov, V. 1. and Ivanov, V., 2012. Microbially induced calcium carbonate precipitation on surface or in the bulk of soil. Journal of Geomicrobiology, 29:544–549.

-  Douzali joushin, F., Badv, K., Barin, M. and Sultani jige, H., 2018. Inhibition of wind erosion by SBR polymer and Bacillus pasteurii microorganism (Case study: Jabal Kandy region). Iranian Journal of Soil and Water Research, 49 (4): 795-806.

-  Eftekhari, R., Moghaddamnia, A. R., Ekhtesasi, M. R., Basirani, N., Shahriari, A. R. and Khosravi, M., 2013. Evaluation of desertification intensity using ICD model in the southwest of Hirmand city, Iranian Journal of Range and Desert Reseach, 20(4): 669-678.

-  Ehyaei, M. and Behbahani Zadeh, A. A., 1993. Methods of soil chemical analysis. Tehran water and soil research institute, Technical Journal, No 983. 150p.

-  Epelde, L., Burges, A., Mijangos, I. and Garbisu, C., 2013. Microbial properties and attributes of ecological relevance for soil quality monitoring during a chemical stabilization field study. Journal of Applied Soil Ecology, 75: 1-12.

-  Fallah, A., Besharati, H., Khosravi, H., 2009. Soil Microbiology, Ajir Publishing, 192p.

-  Fattah, M. Y., Joni, H. H. And Al-Dulaimy, A., 2016. Strength characteristics of dune sand stabilized with lime-silica fume mix. International Journal of Pavement Engineering, 19(10): 874-882.

-  Ghaffari, H. and Zomorrodian, M., 2017. Evaluation of shear strength of soil stabilized by microbiology. Iranian Journal of Soil and Water Research, 48(4): 737-748.

-  Goodrich, B. A. and Jacobi, W. R., 2012. Foliar damage, ion content, and mortality rate of five common roadside tree species treated with soil applications of magnesium chloride. Journal of Water Air Soil Pollutant, 223: 847–862.

-  Han, Z., Wang, T., Dong, Y., Hu, Z. and Yao, Z., 2007. Chemical stabilization of mobile dune fields along a highway in the Taklimakan Desert of China. Journal of Arid Environments, 68: 260–270.

-  Hui Xia, P., ZhengMing, C. H., XueMei, Z. H., ShuYong, M., XiaoLing, Q. and Fang, W., 2007. A Study on an Oligotrophic Bacteria and its ecological characteristics in an Arid Desert Area. Science in China Series D: Journal of Earth Sciences, 50: 128-134.

-  Kemper, W. D. and Rosenau, R. C., 1986. Aggregate stability and size distribution. In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis. ASA and SSSA, Madison (WI), pp. 425–442.

-  Kucharski, E. S., Winchester, W., Leeming, W. A., Cord-Ruwisch, R., Muir, C., Banjup, W. A., Whiffin, V. S., Al-Thawadi, S. W. and Mutlaq, J., 2005. Microbial biocementation, Patent Application. WO/2006/066326; International Application No.PCT/ AU2005/001927.

-  Michel, B. and Kaufmann, M. R., 1973. The Osmotic potential of polyethylene glycol 6000. Journal of Plant physiology, 51: 914-916.

-  Movahedan, M., Abbasi, N. and Keramati Toroghi, M., 2013. Experimental investigation of Polyvinyl Acetat effect on wind erosion of different soils by impacting sand particles. Journal of Water and Soil Conservation, 20(1): 55-75.

-  Pansu, M. and Gautheyrou, J., 2006. Handbook of soil analysis: mineralogical, organic and inorganic methods. Springer Science and Business Media, Germany.

-  Prats, S. A., Martins, M. A. D. S., Malvar, M. C., Ben, M. and Keizer, J. J., 2014. Polyacrylamide application versus forest residue mulching for reducing post-fire runoff and soil erosion. Journal of Science of the total environment, 468-469(0): 464-474.

-  Rezaie, S. A., 2009. Comparison between Polylatice polymer and petroleum mulch on seed germination and plant establishment in sand dune fixation. Iranian journal of Range and Desert Reseach, 16 (1): 124-136.

-  Saadoud, D., Hassani, M., Martin Peinado, F. J. and Guettouche, M. S., 2018. Application of fuzzy logic approach for wind erosion hazard mapping in Laghouat region (Algeria) using remote sensing and GIS. journal of Aeolian Research, 32: 24–34.

-  Santra, P., Moharana, P. C., Kumar, M., Soni, M. L., Pandey, C. B., Chaudhari, S. K. and Sikka, A. K., 2017. Crop production and economic loss due to wind erosion in hot arid ecosystem of India. Journal of Aeolian Research, 28: 71–82.

-  Schwantes-Cezari, N., Medeiros, L., De Oliveira J. R. A., Kobayashi, R. and Toralles, B., 2017. Bio precipitation of calcium carbonate induced by Bacillus subtilis isolated in Brazil. International Journal of Bio deterioration and Biodegradation, 123: 200-205.

-  Shao, Y., 2008. Physics and modelling of wind erosion. www.springer.com/series/5669, 575 p.

-  Stabnikov, V., Chu, J., Naing Myo, A. and Ivanov, V., 2013. Immobilization of sand dust and associated pollutants using bio aggregation. Journal of Water Air Soil Pollutant, 224:1631-1639.

-  Tisdall, J. M., Nelson, S. M., Wilkinson, K. G., Smith, S. E. and McKenzie, B. M., 2012. Stabilization of soil against wind erosion by six saprotrophic fungi. Journal of Soil Biology & Biochemistry, 50:134-141.

-  Walkley, A. and Black, I. A., 1934. An examination of the degtjareff method for determining soil organic matter, and proposed modification of the chromic acid titration method. Journal of Soil Science, 37: 29–38.

-  Whiffin, V. S., Van Passen, L. A. and Harkes, M. P., 2007. Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique. Geo microbiology Journal, 24: 1-7.

-  XueYong, Z., ChunLai, Z., Hong, C, LiQiang, K. and YongQiu, W., 2014. Cogitation on developing a dynamic model of soil wind erosion. journal of Science china Earth Sciences, 58:462–473

-  Zhang, C., Wang, X., Zou, X., Tian, J., Liu, B., Li, J., Kang, L., Chen, H. and Wu, Y., 2018. Estimation of surface shear strength of undisturbed soils in the eastern part of northern China’s wind erosion area. journal of Soil and Tillage Research, 178: 1–10.

-  Zhang, Y. M., Wang, H. L., Wang, X. Q., Yang, W. K. and Zhang, D. Y., 2005. The microstructure of micro biotic crust and its influence on wind erosion for a sandy soil surface in the Gurbantunggut Desert of Northwestern China. journal of Geoderma, 132: 441–449.