اثر بیوچار در مقاومت گیاه نسبت به بیماری، بیوچار زغالی است که در طی فرآیند پیرولیز از سوختن زیست توده های گیاهی و ضایعات کشاورزی در حضور کم و یا عدم حضور اکسیژن در دمای 450-550 درجه سلسیوس تهیه شده است و به عنوان کود زیستی استفاده میشود. از دیدگاه کشاورزی یکی از مزایای عمده و مهم بیوچار، مدیریت ضایعات کشاورزی است. این ماده جامد سرشار از کربن بوده و به علت سرعت تجزیه بسیار کند نسبت به سایر مواد آلی ظرفیت زیادی برای کاهش گازهای گلخانه ای از قبیل دی اکسید کربن و متان که از ضایعات آزاد میشود را دارد و می تواند کربن را برای هزاران سال نگه دارد. بیوچار به عنوان ابزاری کارآمد برای ترسیب کربن و افزایش حاصلخیزی خاک شناخته شده است و به عنوان بهبوددهنده خاک و یا احیای اراضی و محافظت محیط در برابر آلاینده های خاص مورد استفاده قرار میگیرد.
افزودن بیوچار به خاک باعث افزایش پایداری کربن آلی خا ک در برابر عوامل محیطی و کاهش معدنی شدن آن میشود که موجب افزایش کربن آلی و در نتیجه باعف بهبود ساختمان خاک ، افزایش ظرفیت نگهداری آب، افزایش فعالیت میکروارگانیسمها و جذب بهتر عناصر غذایی از خاک میشود. از طرف دیگر بیوچار با افزایش مقاومت سیستمیک گیاه در برابر تعدادی از عوامل بیماریزا گیاهی و جذب بقایای سموم و علف کش های به کار رفته در مزرعه منجر به بهبود عملکرد محصول، مدیریت صحیح ضایعات کشاورزی و در نهایت تولید محصولاتی سلامت خواهد شد .
گسترش کشاورزی ارگانیک از یک سو و آلودگیهای جوی از سوی دیگر باعث شده است تا استفاده از این نوع کود در دنیا روز به روز افزایش پیدا کند، با اینحال، استفاده از این مواد هنوز در ایران به خوبی شناخته نشده است.
واژه های کلیدی: اصلاح خاک ، بیوچار، عملکرد گیاه، مدیریت آفات و بیماری گیاهان ، القاء مقاومت.
تولید محصولات کشاورزی به میزان زیاد به عنوان یک نیاز بشر در سراسر دنیاست. در گذشته های نه چندان دور، به منظور افزایش تولیدمحصولات کشاورزی، سطح زیر کشت محصولات افزایش پیدا کرده است. امروزه این رویه تا حدی تغییر یافته و محققین و کشاورزان به دنبال روش‌هایی برای افزایش تولید محصول در واحد سطح هستند. اما افزایش تولید در واحد سطح در بسیاری از موارد سبب تحت فشار قرار گرفتن زمین زیر کشت میشود.
در این شرایط، اگر مدیریت صحیح انجام نگیرد، عناصر غذایی به میزان زیادی از خاک برداشت و پس از گذشت مدت زمان معینی، خاک از عناصرغذایی ارزشمند خالی میشود. همچنین افزایش بیماریهای گیاهی و عدم کنترل عوامل بیماریزا سبب کاهش عملکرد و در نتیجه کاهش میزان محصولات کشاورزی میشود. بنابراین نیاز است با استفاده از یکسری مواد اصلاح کننده خاک، از کاهش محصولات کشاورزی جلوگیری شود. این مواد باعث بهبود شرایط فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی خاک و افزایش مقاومت گیاهان نسبت به عوامل بیماریزا استفاده میشوند. از مواد بهبوددهنده و اصلاح کننده خاک میتوان به بیوچار اشاره کرد.
بخش کشاورزی میتواند از دو طریق بهبود خاک و دفع مواد زائد حیوانی و گیاهی از بیوچار بهره مند شود. استفاده از بیوچار به روشی احیاشده از دوران قدیم برای کشاورزی در آینده تبدیل میشود. گزارش شده است که بیوچارهای تولید شده از سوزاندن بقایای گندم و برنج تا 2500 برابر در جذب علف کش ها در خاک موثر هستند 2003 ,Yang and Sheng.
بیوچار به دلیل ساختار و میانگین مدت زمان ماندگاری در خاک بیش از 100 سال امکان ترسیب طولانی مدت کربن در خاک را دارد.
سرعت تجزیه بیوچار در خاک کند است که نشان میدهد، میتواند احتمالا در کاهش دی اکسید کربن جوی نقش داشته باشد Van Zwieten et al. 2010a. به طور عمده بیوچار با افزایش pH در خاکهای اسیدی یا بهبود احتباس مواد مغذی از طریق جذب کاتیون سبب بهبود حاصلخیزی خاک میشود و جمعیت بیولوژیکی خاک را نیز تغییر میدهد Sohi et al. 2010. چنین تغییراتی ممکن است بر چرخه های غذایی یا ساختار خاک تأثیر بگذارد و از این رو، به طور غیر مستقیم رشد گیاه را تحت تأثیر قرار میدهد. Warnock et al. 2007.
علاوه بر این، بیوچار ممکن است انتشار سایر گازهای گلخانه ای از خاک مانند اکسید نیترون N2O یا متان را نیز تغییر دهد.
بیوچار با نام زغال زیستی شناخته میشود که از دو واژه ی بیوما biomass به معنای زیست توده و چارکولcharcoal به معنای زغال، تشکیل شده و عبارت است از زغال تهیه شده از ضایعات کشاورزی و زیست تودهای گیاهی که به عنوان کود در کشاورزی استفاده میشود. واژه بیوچار از قرن 20 وارد ادبیات علمی جهان شده است.
اگرچه تاریخچه بیوچار به هزاران سال برمیگردد، اما علم شناخت آن هنوز کامل نیست. توجه دانشمندان به بیوچار به عنوان بهبود دهنده و اصلاح کننده خاک در جنگلهای آمازون جلب شد. این خاک های سیاه رنگ منشاء انسانی دارند و ریشه در اقدامات بومی در آمازون دارد، سرشار از کربن و عناصر غذایی هستند، که علت آن افزودن زغال به خاک طی سالهای متمادی توسط ساکنین و کشاورزان بومی آن منطقه برای افزایش حاصلخیزی خاک و تولید محصولات زراعی است و قرن ها از نیازهای کشاورزی آمازونی ها پشتیبانی میکرده است. بنابراین، خاکهای سیاه آمازون در واقع خاک های اصلاح شده توسط بشر بودند، که به خاکهای دستساز بشر نیز معروف هستند، که نشان دهنده تعامل بین انسان و طبیعت است Lehmann et al2006.
در اپن از سال 1697 میلادی از زغال تهیه شده از شالی برای بهبود خاکهای کشاورزی و باغی استفاده میکردند ,Ogawa and Okimori
در اسپانیا کوره های قدیمی برای تولید زغال جهت اصلاح خاک وجود دارد که مشابه آنها امروزه در یونان و هند استفاده میشود .Olarieta
با شروع قرن 21 همراه با روشن شدن وضعیت خاکهای تراپرتا و همچنین علت آن در بین محققان رشته های مختلف توجه به نقش بیوچار و کاربرد بیوچار در خاک و محیط زیست و افزایش مقاومت گیاهان در برابر بیماریهای گیاهی شتاب زیادی پیدا کردAller 2016. علاوه بر دانشمندان و محققان رشته های مختلف کشاورزی، به دلیل ساختارهای خاص فیزیکی و شیمیایی بیوچار، دانشمندان علوم مختلف مهندسی نیز تحقیقات را روی این ماده شروع کرده اند
.Verheijen et al. 2009
ترکیب بیوچار بسیار ناهمگن و شامل کربن ،مواد فرار، مواد معدنی، خاکستر و رطوبت است 1102 .Lehmann et al.
خاکستر موجود در بیوچار حاوی مواد معدنی و عناصر ماکرو و میکرو است. این زغال از کربن تشکیل شده است و حاوی مقادیری از عناصر نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن، گوگرد و آهن است Novak et al. 2009.
اجزای تشکیل دهنده بیوچار شامل یک تا 15 درصد آب، نیم تا 5 درصد مواد معدنی، 50 تا 90 درصد کربن وصفرتا 40 درصد مواد فرار است. بیوچار حداقل از چهار نوع کربن تشکیل شده است.
1. کربن فوق متحرک super labile: کربنی که در طی چند ساعت تا چند روزمعدنی میشود و به دیاکسید کربن تبدیل میشود.
2. کربن متحرک labile: کربنی که در طی چند هفته تا چند ماه معدنی میشود.
3. کربن ناپایدار: کربنی که در طی چند ماه تا چند سال معدنی میشود.
4.کربن پایدار: کربنی که در کمتر از زمانه ای بسیار طولانی حدود 100 سال معدنی نمیشود Bourke et al. 2007.
عوامل تأثیرگذار بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بیوچار
کارآیی بیوچار به عنوان ابزاری برای مدیریت محیط زیست تحت تاثیر ویژگیهای فیزیکی قرار میگیرد. ساختمان، تخلخل و توزیع اندازه خلل و فرج از جمله ویژگیهای فیزیکی بیوچار هستند. این ویژگی ها می توانند به طور مستقیم و غیرمستقیم بر سیستم سه گانه خاک -آب-گیاه اثرگذار باشند. همچنین با فراهم کردن مکانه های فیزیکی برای تبادل آنیونها، کاتیونها، واکنش های شیمیایی خاک و زیستگاههایی برای رشد و نمو میکروارگانیسم های خاک، میتواند به طور غیرمستقیم بر رشد گیاهان اثرگذار باشد. بیوچار با استفاده از یکسری مکانیسم ها می تواند عوامل بیماریزای گیاهی را کنترل کند.
خصوصیات شیمیایی بیوچار ارزش زیادی بر ماندگاری بیوچار در خاک و توانایی آن در نگهداری کربن در خاک دارد. خصوصیاتی که تحت تاثیر بیوچار قرار میگیرند شامل ویژگی ها و فرآیندهای شیمیایی ذاتی خاک از جمله اسیدیته pH و هدایت الکتریکی است ECMcLau ghlin .
هر نوع ماده خام اولیه را میتوان به بیوچار تبدیل کرد، اما عملکرد بیوچار تولید شده بسیار متفاوت است. به طور کلی، مناسب بودن یک زیست توده به عنوان ماده خاک اولیه برای تولید بیوچار، وابسته به عوامل شیمیایی، فیزیکی، جغرافیایی، زیست محیطی و اقتصادی است.
متداولترین منابع زیست توده برای تولید بیوچار بقایای کشاورزی و جنگلها، جلبکها، لجن فاضلاب و ضایعات دام و طیور است. اگر ماده خام اولیه مورد استفاده نیز یکسان باشد، تفاوت اساسی بین بیوچارهای تولید شده به دلیل روشهای مختلف پیرولیز، وجود خواهد داشت. در این فرآیند میتواند شرایط را انتخاب و تحت کنترل قرار داد، که این شرایط شامل حداکثر دمای گرمادهی، مدت زمان فرآیند، سرعت افزایش دما و فشار است. فرآیند پیرولیز اینگونه است که چوب و یا ضایعات کشاورزی درون کورهای با حرارت بالا در شرایطی که اکسیژن ناموجود بوده یا به مقدار خیلی کم وجود داشته باشد، حرارت داده میشودNovak et al. 2009. به دلیل تنوع در ماده اولیه مورد استفاده، ساختمان بیوچار به طور دقیق مشخص نیست.
کاربردهای متنوع واررات سودمند بیوچار شامل دسته بندی های زیر هستند:
1-کشاورزی: از طریق اصلاح خاک و افزایش عملکرد محصولات زراعی، کنترل بیماریهای گیاهی ارزشمند است.
2-محیط زیست: به مدیریت و کاهش پسماندها ،کاهش آلودگی آب و خاک و مقابله با اثرات نامطلوب تغییر اقلیم از طریق ترسیب کربن کمک میکند.
3-انرژی و صنایع: استفاده از فناوریهای کم هزینه برای تبدیل ضایعات و بقایای کشاورزی به بیوچار میتواند، منابع در دسترس و ارزان قیمتی را در اختیار ساکنین این مناطق قرار دهد.
دانشمندان معتقد هستند، که هر ذره بیوچار از دو مولکول بی شکل که به طور تصادفی مرتب شده اند و ساختاری . ورقه های کریستالی انباشته و ساختارهای شش ضلعی تشکیل شده استBourke et al. 2007 .
بیوچار حاصل از پسماندهای کشاورزی و دیگر پسماندهای آلی، به عنوان اصلاح کننده خاک و سرکوب کننده عوامل بیماریزا استفاده میشود. بیوچار به کنترل عوام ل بیماریزا قارچی ریشه یا شاخه و برگ کمک میکند. القاء دفاع سیستمیک توسط بیوچار در ریشه ها برای کاهش قارچ های بیماریزای شاخه و برگ،فعال شدن پاسخ های هورمونی و همچنین تغییرات در گونه های فعال اکسیژن نشان دهنده یک سیگنالین هماهنگ هورمونی در داخل گیاه است. اگرچه اطلاعات کمی برای اوومیست ها و بیمارگرهای باکتریایی در دسترس است، اما گزارشها حاکی از
آن است که بیوچار تغییراتی را در میکروارگانیسمهای خاک که بر عوامل بیماریزا و القاء دفاع سیستمیک گیاهی موثرهستند، افزایش میدهد که هر دو به کنترل بیماریها کمک میکند. بیوچار همچنین میتواند نماتد و حشرات را کنترل کند. افزودن بیوچار به خاک باعث افزایش فعالیت آنزیمهای خاک میشود Zhang et al. 2019. در مورد اکثر عوامل بیماریزای گیاهی، برخی مطالعات نشان داده اند که غلظت کمتر از 1% بیوچار بیماری را سرکوب میکند و غلظتهای بالاتر 3% به طور عمده بی اثر ر هستند Frenkel et al. 2017. مکانیسمهایی که به کمک آن بیوچار ممکن است گیاهان را در برابر بیماری ها محافظت کند، متفاوت است. این مکانیسمها شامل افزایش رشد گیاه باعث تأمین مواد غذایی، افزایش میکروارگانیسمهای متنوع در خاک ، جذب سموم تولید شده توسط عوامل بیماریزا، تحریک تولید آنتی بیوتیکها، تغییر شیمیایی ترشحات ریشه، القاء سیستمیک مکانیسمهای دفاعی گیاه که از طریق ترکیبات شیمیایی و یا از طریق میکروارگانیسمهای موجود در زیستگاههای کوچک عمل میکنند، هستند Bonanomi et al.
بیوچار به طور موثر در برابر بسیاری از عوامل بیماریزای گیاهی از جمله بیمارگرهای هوابرد و خاکبرد استفاده شده است Lou et al. 2016.. بیماری در گیاهان غالبا هنگامی اتفاق می افتد که گیاه در خاکی که قبلا از همان گیاه یا گونه های گیاهی مشابه در آن کاشته شده بوده، دوباره کاشته شوند. این بیماری به طور معمول منجر به کاهش رشد گیاه و عملکرد محصول میشود و میتوان با کاربرد بیوچار این بیماریها را کنترل کرد Yang et al.
اثرات مفید بیوچار بیشتر از آنکه به دفاع القاء گیاهان مربوط شود به اثر تقویت کننده رشد آنها مربوط میشودViger et al. 2015.
بیوچارهای مورد استفاده علیه باکتریها از زیست توده های متنوعی تولید شدند، که در کاهش پژمردگ ی باکتریایی در گیاهان گوجه فرنگی و تنباکو اثر مثبتی را نشان میدهند. مکانیسمهای درگیر در این اثر حفاظتی شامل بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی خاک و افزایش باکتریها و اکتینومیستها در ریزوسفر، کاهش تحرک باکتری R solanacearum و ظرفیت کلنیزاسیون ریشه است Zhang et al. 2017. قارچها از مخربترین عوامل بیماریزای گیاهی و تهدیدکننده عمده در کشاورزی هستند.
بیماریهای خاکزاد ناشی از گونه های جنس Fusarium بر طیف وسیعی از محصولات کشاورزی در مناطقی با آب و هوای متفاوت تاثیر میگذارد و همچنین باعث تولید مایکوتوکسین و ذخیره آن در محصولات کشاورزی میشوند 2019 ,Summerell. استفاده از بیوچار چون منجر به افزایش جمعیت آنتاگونیستهایی مانند قارچهای میکوریز آربوسکولار میشود . بیوچار کپک خاکستری ناشی از Botrytis cinerea را بر روی گوجه فرنگی، فلفل و توت فرنگی کنترل کرد Mehari et al 2015. همچنین بروز سفیدک پودری ناشی از Leveillula taurica بر روی گوجه فرنگی و Podosphaera بر روی توت فرنگی را به طور قابل توجهی کاهش داد Harel et al .
بیوچاربه طور موثری Rhizoctonia solani را روی خیار و لوبیا کنترل کند. اثر مثبت بیوچار در کاهش قارچ Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici در گوجهفرنگی از طریق غنیس ازی میکروارگانیس مهای مفی د، ی ا از طری ق عملک رد مستقیم و یا غیر مستقیم از طری ق الق اء مقاوم ت سیستمیک در گیاه انجام میش ود Akhter et al.
در قارچ R. solani اثرات مثبت بیوچار از طریق القا مقاومت سیستمیک در گیاه است که این مکانیسم به عنوان یک سرکوب کننده قارچ و افزایش توان دفاعی گیاه عمل میکند Verwaaijen et al. 2017.
استفاده از بیوچار حاصل از زباله های گلخانه ای در گوجه فرنگی در برابر B. cinerea باعث ایجاد پاسخ های دفاعی، شامل القاء بیان نهایی مربوط به پاسخهای اسید جاسمونیک و اتیلن و تجمع بالای گونه اکسیژن فعال مانند 2H2O میشود Mehari et al. 2015.. نماتدهای انگل گیاهی میتوانند باعث از دست دادن عملکرد متوسط در محصولات حدود 3/12 درصد شوند Singh et al. 2015.
استفاده از بیوچار تهیه شده از کاه گندم بر روی تنوع نماتد در خاک تأثیر گذاشته است و باعث کاهش نماتدهای انگل گیاهی مانند نماتدهایی از جنس Hirschmanniella ،Coslenchus، Rotylenchus و Tylenchus شده است Zhang et al. 2013. استفاده از بیوچار تهیه شده از بستر مرغ به دلیل افزایش تنوع میکروارگانیسمهای مفید خاک ، باعث کاهش جمعیت نماتدهایی چون Tylenchulus ،Meloidogyne javanica ،Pratylenchus spp. ،semipenetrans Criconemoid spp. و Helicotylenchus spp. میشود Rahman et al. 2014. با استفاده از بیوچار تولید شده از ضایعات کشاورزی القاء مقاومت در بوته های گوجه فرنگی در برابر ویروس پیچیدگی برک زرد گوجه فرنگی TYLCD ایجاد شد. این آزمایش برای بررسی اثرات بیوچار بر ویروس عامل بیماری پیچیدگی برگ زرد گوجه فرنگی انجام گرفت. بیوچار با غلظت 1، 2 و 3 درصد به خاک گلدان اضافه شد .بعد از استفاده از بیوچار، شدت بیماری 43/22 درصد کاهش یافت که به طور قابل توجهی کمتر از گیاه شاهد بود. در مورد بیوچار مورد استفاده، کاهش بیماری در غلظت بالاتر از 3 درصد بیش تر از دو غلظت دیگر بود. گیاهان گوجه فرنگی تحت تیمار با مقادیر مختلف بیوچار میتوانند شدت بیماری را تا 65 درصد کاهش دهند. بیوچار به طور قابل توجهی از شدت بیماری میکاهد. استفاده از بیوچار علاوه بر اینکه باعث تغییر خواص فیزیکی خاک میشود ،مقاومت سیستمیک در گیاه گوجه فرنگی را نیز افزایش میدهد Elad et al.
| بیمارگر | گیاه میزبان | مکانیزم های سرکوب بیماری | ||||
| Botrytis cinerea | Capsicum annuum | القاء مقاومت در گیاه | ||||
| Lycopersicon esculentumcv. Maccabi | ||||||
| Colletotricum acutatum | Fragaria ananassa | القاء مقاومت در گیاه | ||||
| Fusarium oxysporum f.sp. asparagi | Asparagus sp. | افزای کلنیزاسیون همزیستها | ||||
| Leveillula taurica | Capsicum annuum cv. Maccabi | القاء مقاومت در گیاه | ||||
| Phytium aphanidermatum | Lycopersicon esculentum | بیوچار به عنوان حامل عمل میکند | ||||
| Plasmodiophora brassicae | Brassica rapa chinensis | سرکوب بیماری دیده نشده | ||||
| Podosphaera aphanis | Fragaria ananassa | القاء مقاومت در گیاه | ||||
| Rhizoctonia solani | Cucumis sativus cv | القاء مقاومت در گیاه | ||||
مطالعات انجام شده نشان داده است که استفاده از بیوچار دارای اثرات مفیدی از جمله کنترل عوامل بیماریزا گیاهی است، اما این اثرات بر روی عوامل بیماریزای مختلف، متفاوت است. اثرات و ویژگی های بیوچار و تأثیرات آن بر خصوصیات خاک و کنترل عوامل بیماریزا، بیشتر به ماده خام و مورد استفاده برای تهیه بیوچار، شرایط تجزیه و تولید آن و مقدار استفاده از آن در خاک بستگی دارد. هر چند این مسئله یک نقطه ضعف برای بیوچار بشمار میرود، زیرا سنتز و کاربرد بیوچار باید به طور خاص در هر مورد بررسی شود و سپس عملی شود. روش تولید و استفاده از بیوچار باید برای هر مکان و سیستم کشاورزی مورد مطالعه، آزمایش و طراحی قرار بگیرد. باید بر تغییرات فیزیکی، شیمیایی، هیدرولوژیکی و اکولوژیکی خاک تحت استفاده طولانی مدت از بیوچار نظارت وجود داشته باشد.
اکثر مطالعات و تحقیقات انجام شده، نشان می دهد که تنظیم و کنترل تعدادی متغیر مانند کاربرد، روش تولید و سنتز، افزایش میزان در دسترس بودن مواد مغذی در خاک ، استفاده از بیوچار میتواند در برابر تعداد زیادی از بیمارگرهای گیاهی و آفات مورد عمل کند و به کشاورزی کمک زیادی کند. به طور کلی استفاده از بیوچار در زمینه کشاورزی، علاوه بر افزایش میزان عملکرد محصول و کنترل عوامل بیماریزای گیاهی، دارای مزیت‌های اجتماعی و اقتصادی نیز است. از جمله این مزیت‌ها، استفاده از منابع و مواد اولیه موجود در هر منطقه برای تولید بیوچار است، که به حمل و نقل از راه دور نیاز ندارند و اقتصاد منطقه را گسترش میدهند. در نتیجه، بیوچار به عنوان یک محصول مشتق شده از موادی چون زباله‌های کشاورزی، یک استراتژی امیدوارکننده و قابل سرمایه گذاری در زمینه کشاورزی است، که باید مورد مطالعه وتحقیق قرار گیرد و ضعف‌های آن برطرف‌شود. علاوه بر موارد ذکرشده، یک کاربرد بیوچار که هنوز به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است، امکان استفاده از عصاره‌های آب حاصل از شستشوهای کود بیوچار برای کنترل عوامل بیماریزای گیاهی است. در آینده نزدیک ،انجام تحقیقات اساسی و کامل برای شناخت مکانیسم تاثیر مستقیم تاثیر بر روی عامل بیماریزا و غیرمستقیم تاثیر بر روی گیاه، بیوچاردر کنترل بیماری لازم به نظر میرسد.
