عنوان

تأثیر نانوهیبرید اوره- هیدروکسی‌آپاتیت و پوشش زئولیت، بیوچار و هیدروچار با اوره بر رشد برنج و کارایی مصرف نیتروژن در یک خاک آهکی

پ۲۴۳۰۷

per

تأثیر نانوهیبرید اوره- هیدروکسی‌آپاتیت و پوشش زئولیت، بیوچار و هیدروچار با اوره بر رشد برنج و کارایی مصرف نیتروژن در یک خاک آهکی

محمدرضا مقصودی

کشاورزی

۱۳۹۹

۲۰۱ص.

سی دی

دکتری

علوم خاک گرايش: شيمي و حاصلخيزي خاک

۱۳۹۹/۱۱/۲۸

چکيده:برنج یک محصول راهبردی در جهان و نیتروژن محدود کننده‌ترین عنصر غذایی برای برنج و سایر گیاهان است. اوره با 46 درصد نیتروژن پرکاربردترین کود جامد نیتروژن در جهان است که مصرف بی‌رویه و حل‌شدن زیاد آن موجب افزایش هزینه‌ها و نگرانی‌های محیط‌زیستی شده است. استفاده از کودهای کندرها و تقسیط نیتروژن در دوره رشد گیاهان اغلب با هزینه‌های زیاد و یا مشکلات اجرایی همراه است. بنابراین، توسعه فناوری‌ها و استفاده از مواد نوظهور در این راستا می‌تواند راه‌گشا باشد. برای دستیابی به این هدف، کودهای زئولیت، بیوچار و هیدروچار (حامل‌ها) آغشته به اوره (به‌ترتیب UZ، UB و UH) و نانوهیبرید اوره-هیدروکسی‌آپاتیت (U-HAP) تهیه شدند. زئولیت از یک معدن زئولیت در میانه، استان آذربایجان شرقی تهیه شد. هیدروچار و بیوچار از کلش برنج تولید شدند که از یک مزرعه برنج در میانه، استان آذربایجان شرقی تهیه‌شده بود. برای تولید هیدروچار، کلش برنج در دمای 200 درجه سلسيوس و فشار 15 اتمسفر به مدت 10 ساعت حرارت داده شد. برای تولید بیوچار کلش برنج در حضور جریان گاز آرگون در دمای 600 درجه سلسيوس و مدت یک ساعت گرماکافت آهسته شد. برای تهیه کودهای کندرها به هر گرم از حامل‌ها که 5/0 تا 0/1 میلی‌متر قطر داشتند، 5/43 و 87 میلی‌گرم اوره (20 و 40 ميلي‌گرم نيتروژن) افزوده شد و در آون با دمای 60 درجه سلسيوس خشکانده شدند. برای تهیه U-HAP از روش شیمی تر استفاده شد و در نهایت تعلیق با روش خشکاندن سریع تبدیل به پودر سفید رنگ شد. ویژگی‌های کلش برنج، حامل‌ها، حامل‌های آغشته به 87 میلی‌گرم اوره و U-HAP با استفاده از تکنیک‌های FTIR، XRD، BET، CHNS، FE-SEM و TEM شناسایی شدند. الگوی رهایش اوره و بررسی‌های سینتیکی در آب مقطر با استفاده از حامل‌های آغشته به 87 میلی‌گرم اوره و U-HAP انجام شد. برای بررسی تغییرات آمونیوم قابل‌استخراج با KCl دو مولار در یک خاک آهکی در شرایط غرقاب در زمان‌های 0، 5/0، 1، 3، 6، 12، 20، 30، 45، 70 و 100 روز پس از اعمال تیمارها، آزمایشی در قالب طرح کاملاً تصادفی با 14 تیمار و سه تکرار انجام شد. تیمارها شامل شاهد، کلش برنج و حامل‌ها با و بدون کاربرد اوره و کودهای تهیه‌شده در این مطالعه در سطح 870 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم خاک بود. برای بررسی تأثیر اوره و کودهای کندرهای تهیه‌شده در این مطالعه بر شاخص‌های رشد، شاخص کلروفیل برگ (LCI)، غلظت عنصرها، کارایی زراعی نیتروژن و کارایی مصرف آب (WUE) گیاه برنج (Oryza sativa L.) رقم گوهر، آزمایشی گلخانه‌ای در یک خاک آهکی در قالب طرح کاملاً تصادفی با 35 تیمار و 3 تکرار انجام شد. تیمارها شامل شاهد، اوره، اصلاحگرها (کلش برنج و حامل‌ها) با و بدون اوره، دو روش کاربرد (تقسیط‌شده و نشده) و پنج کود کندرها شامل اوره با پوشش گوگردی (SCU)، UZ، UB، UH و U-HAP بودند. در تیمارهای حاوی اوره، اوره در دو سطح 435 و 870 میلی‌گرم بر کیلوگرم (200 و 400 ميلي‌گرم نيتروژن بر كيلوگرم خاک) به‌کار رفت. همچنین، در تیمارهای حاوی کلش برنج و حامل‌ها، مقدار مصرف آن‌ها 10 گرم بر کیلوگرم خاک بود. نتایج نشان داد که اوره وارد منفذهای حامل‌ها شد و با گروه‌های عاملی سطح آن‌ها پیوند هیدروژنی تشکیل داد. در U-HAP پیوند کلسیم هیدروکسی‌آپاتیت و نیتروژن مولکول اوره و پیوند هیدروژنی بین گروه فسفات هیدروکسی‌آپاتیت و کربونیل اوره مشاهده شد. کودهای UH، UB، UZ و U-HAP حل‌شدن اوره در آب را به‌ترتیب 5/4، 5/6، 9 و 5/11 برابر نسبت به فقط اوره کاهش دادند و الگوی رهایش اوره از این کودها بر مدلKorsmeyer-Peppas بهترین برازش را داشت که نشانگر تبعیت رهایش اوره این کودها از قانون پخشیدگی فیک بود. مطالعه سینتیک استخراج آمونیوم نشان داد که 12 روز پس از کاربرد اوره به‌تنهایی، بیش از 85 درصد اوره به آمونیوم تبدیل شد، درحالی‌که 20 روز پس از کاربرد UH، UB، UZ و U-HAP به‌ترتیب 9/89، 5/76، 75 و 1/58 درصد از اوره به آمونیوم تبدیل شد. در تمام تیمارهای دارای اوره، روند کاهشی غلظت آمونیوم قابل‌استخراج از روز بیستم آغاز شد اما این روند در تیمارهای حاوی UB، UZ و U-HAP آهنگ کندی داشت. همچنین، سینتیک استخراج آمونیوم برازش خوبی بر مدل Extreme داشت. کاربرد UB، UZ و U-HAP در سطح 870 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم موجب افزایش قابل‌توجه LCI، تعداد برگ و تعداد پنجه، ارتفاع بوته و WUE گیاه برنج شد. کاربرد UZ و U-HAP در سطح 870 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم، بیش‌ترین ماده خشک شاخساره (SDW) را تولید کرد (به‌ترتیب 5/26 و 5/27 گرم در گلدان). ماده خشک شاخساره در تیمارهای UB، UZ، U-HAP و SCU در سطح 435 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم با کاربرد فقط اوره تقسیط‌شده در سطح 870 میلی‌گرم بر کیلوگرم تفاوت معنادار نداشت. این نتایج نشان داد که ممکن است کودهای UB، UZ و U-HAP را بتوان به جای SCU به‌کار برد. بیش‌ترین بازیابی ظاهری و کارایی زراعی نیتروژن با کاربرد کودهای UB، UZ، U-HAP و SCU در سطح 435 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم خاک مشاهده شد. غلظت نیتروژن شاخساره و ریشه در هر پنج کود کندرها در سطح 435 میلی‌گرم بر کیلوگرم با کاربرد 870 میلی‌گرم اوره بر کیلوگرم (تقسیط‌شده) تفاوت معنادار نداشت. این نتایج نشان داد که با کاربرد این کودهای کندرها می‌توان 50 درصد در مصرف اوره صرفه‌جویی کرد و هزینه‌های تقسیط اوره را نیز حذف نمود. به‌طورکلی، کاربرد اوره در هر دو سطح و روش کاربرد نسبت به شاهد، غلظت Na و Fe شاخساره را افزایش و غلظت P، Ca، Zn و Cu شاخساره را کاهش داد اما بر غلظت K، Mg و Mn شاخساره تأثیر معنادار نداشت. کودهای تهیه‌شده در این مطالعه، رشد برنج و کارایی مصرف نیتروژن و آب را افزایش دادند. پیشنهاد می‌شود بررسی‌های گلخانه‌ای، مزرعه‌ای و لایسیمتری بیشتری برای درک بهتر تأثیر کودهای تهیه شده بر عملکرد گیاهان مختلف و ترکیب عنصری دانه و شاخساره آن‌ها و کاهش هدررفت نیتروژن انجام شود.

AbstractRice (Oryza sativa L.) is a strategic crop in the world and nitrogen (N) is the most limiting nutrient for rice and other plants. Urea with 46% N is the most widely used N fertilizer in the world, and its excessive use and high solubility have increased costs and environmental concerns. The use of slow-release fertilizers (SRFs) and the splitting of N fertilizers during plant growth are often associated with higher costs or operational problems. Therefore, the development of technologies and the use of novel materials in this regard can be a way forward. To achieve this goal, urea-impregnated zeolite (UZ), biochar (UB), and hydrochar (UH), and urea-hydroxyapatite nanohybrid (U-HAP) fertilizers were prepared. Zeolite was obtained from a zeolite mine in Mianeh, East Azerbaijan. Biochar and hydrochar were derived from rice straw, which was provided from a rice farm in Mianeh, East Azerbaijan. To produce hydrochar, the rice straw was heated at 200 °C under 15 bar pressure for 10 hours. To produce biochar, the rice straw was slowly pyrolyzed in the presence of argon gas flow at 600 °C for one hour. To prepare slow-release fertilizers, 43.5 and 87 mg of urea (20 and 40 mg N) was added to one gram of each carrier with the diameter of 0.5–1 mm and then was dried in an oven at 60 °C. The wet chemical method was used to prepare U-HAP and finally, the suspension was converted to white powder by the flash drying method. The rice straw, carriers, carriers impregnated with 87 mg of urea, and U-HAP were characterized using FTIR, XRD, BET, CHNS, FE-SEM, and TEM. Urea release pattern and kinetic studies were performed in distilled water using carriers impregnated with 87 mg urea and U-HAP. To investigate the changes in ammonium extractable with 2 M KCl in a calcareous soil, a study was also conducted under submerged conditions at 0, 0.5, 1, 3, 6, 12, 20, 30, 45, 70, and 100 days after imposing experimental treatments in a completely randomized design with 14 treatments and three replications. The treatments included control, rice straw and carriers with and without the urea application, and prepared fertilizers in this study at the urea level of 870 mg kg-1 soil. To investigate the effects of urea and slow-release fertilizers prepared in this study on growth indices, leaf chlorophyll index (LCI), nutrient concentrations, N use efficiency, and water use efficiency (WUE) of rice plant cultivar Gohar a greenhouse experiment was performed in a calcareous soil in a completely randomized design with 35 treatments and three replications. The treatments were control, urea, amendments (rice straw and carriers) with and without urea, two application methods (split and no split) and five slow-release fertilizers including sulfur coated urea (SCU), UZ, UB, UH, and U-HAP. In the urea-containing treatments, urea was applied at two levels of 435 and 870 mg kg-1 (200 and 400 mg N kg-1 soil). Besides, in the treatments containing rice straw and carriers, their application rate was 10 g kg-1 soil. The characterization results indicated that urea entered the pores of carriers and formed hydrogen bonds with their surface functional groups. Besides, the formation of bonds between the calcium of hydroxyapatite and the N of urea molecules in U-HAP, and also the formation of hydrogen bonds between the phosphate of hydroxyapatite and the carbonyl group of urea was confirmed. The use of UH, UB, UZ, and U-HAP fertilizers reduced the dissolution of urea in water by 4.5, 6.5, 9, and 11.5 times, respectively, as compared to urea-alone application and the pattern of urea release from these fertilizers had the best fit to the Korsmeyer-Peppas model. This result showed that urea release from these treatments follows Fick's diffusion law. The study of the extraction kinetics of ammonium indicated that more than 85% of urea was converted to ammonium 12 days after the urea-alone application while 20 days after application of UH, UB, UZ, and U-HAP, 89.9, 76.5, 75, and 58.1% of urea was converted to ammonium, respectively. In all urea-containing treatments, the decreasing trend of ammonium concentration started from the 20th day, but this trend was slower in the UB, UZ, and U-HAP treatments. In addition, the extraction kinetics of ammonium had a satisfactory fit to the Extreme model. The applications of UB, UZ, and U-HAP at the urea level of 870 mg kg-1 significantly increased LCI, the number of leaves and tillers, height, and WUE of rice plant. The applications of UZ and U-HAP at the urea level of 870 mg kg-1 produced the highest shoot dry weight (SDW) (26.5 and 27.5 g pot-1, respectively). The SDW in the treatments of UB, UZ, U-HAP, and SCU at the urea level of 435 mg kg-1 was not significantly different from the urea alone split application at the level of 870 mg kg-1. These results indicated that UB, UZ, and U-HAP fertilizers may be used instead of the SCU. The highest N apparent recovery and agronomic efficiency were observed with the application of UB, UZ, U-HAP, and SCU fertilizers at the level of 435 mg urea kg-1. The results indicated that the changes in shoot and root N concentrations in all five slow-release fertilizers at the urea level of 435 mg kg-1 were insignificant compared to the split application of urea alone at the level of 870 mg kg-1. These results indicated that the use of these slow-release fertilizers could save 50% in urea using and eliminate the costs of urea split-apply. In general, application of urea at both levels and both methods as compared to the control increased the concentrations of Na and Fe in shoot and decreased the concentrations of P, Ca, Zn, and Cu in the shoot, while had no significant effect on the concentrations of K, Mg, and Mn in the shoot. The results of our study showed that the prepared fertilizers significantly increased rice growth and N and water use efficiency. It is suggested that more greenhouse, field, and lysimetric studies be performed to better understand the effects of prepared fertilizers on the yield and elemental composition of different plants shoot and grain and reduce N loss.

Effects of urea-hydroxyapatite nanohybrid and urea coated zeolite, biochar, and hydrochar on the rice growth and nitrogen use efficiency in a calcareous soil

‏مقصودی،

‏محمدرضا

تهيه کننده

نجفي،

‏ریحانی‌تبار،

‏اوستان،

نصرت‎‌اله

‏ عادل

‏شاهین

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز