وثيقة
Synergistic effects of biochar and elemental sulfur on the reclamation of saline soil in Oman.
المصدر
Doctoral dissertation
الدولة
Oman
مكان النشر
Muscat
الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2024
اللغة
الأنجليزية
الموضوع
نوع الرسالة الجامعية
Doctoral dissertation
الملخص الإنجليزي
Soil salinity is a critical issue that reduces global agricultural productivity, affecting 1,128
million hectares worldwide. In Oman, 44% of the land, especially in the north and south of
Al-Batinah, is salt-affected, threatening crop yields and food security. Biochar, a carbon-rich
solid derived from biomass pyrolysis, has emerged as a promising technique to alleviate soil
salinity and improve soil health in arid environments. However, the effectiveness of biochar
as a soil amendment is influenced by its physicochemical properties, which are determined by
feedstock source and pyrolysis temperature. Moreover, their alkaline nature can be a limitation
in arid regions with alkaline soils. The main objective of this study was to investigate the
synergistic effects of biochar and elemental sulfur on the reclamation of saline soils in Oman.
In this study, the physicochemical characteristics and impact on soil microbes of biochar
amendments from three feedstock sources (date palm leaves, mesquite plants, and sludge
compost) pyrolyzed at 450, 600, and 750°C were investigated. The biochar quality for arid
land applications was improved by co-applying elemental sulfur (0.013%) as an acidifying
agent and incubating it with compost or vermicompost (10%) as biological activators for 50
days. We then evaluated the effects of applying pretreated (incubated) biochar with direct soil
co-amendment on the soil physicochemical and microbial properties. Finally, the effects of
these two types of biochar application (pretreated biochar and direct co-amendment) were
compared in the saline soil of Oman on salt leaching and plant response when irrigated with
poor water quality (EC 3 (dS.m-1
)).
The results showed that increasing the pyrolysis temperature increased the pore size,
thermostability, and C-C bonds while decreasing the O-H and C-O bonds. Mesquite biochar
had the highest surface area (600 m2g-1) and carbon content (94.98%), but reduced soil
microbial enumeration by up to 50% and respiration by up to 80%, especially at higher
temperatures. Sludge compost biochar's high mineral content (45-66%) and potential
contaminants make it unsuitable as a soil amendment. Based on the physicochemical
properties and microbial impact, date palm biochar prepared at 600°C was selected for the
next steps. In the second stage, elemental sulfur significantly decreased biochar pH by up to
1.0 unit, with the highest reduction from 8.1 to 7.2 occurring when co-amended with
vermicompost. Sulfur increased water-soluble concentrations of calcium by 147% and 105%,
and magnesium by 929% and 447% in compost and vermicompost, respectively, indicating
reduced biochar basicity. The sulfate levels increased by up to 300% when compost was coapplied with sulfur, suggesting efficient oxidation. Sulfur amendments stimulated substrateinduced respiration by up to 200%, microbial diversity (Shannon H) increased from 3.08 to
4.52 in compost treatments and altered the bacterial community structure. The comparison
showed that sulfur reduced soil pH by up to 0.8 units when combined with vermicompost,
leading to a maximum pH decrease from 8.05 to 7.25 with pretreated biochar and 7.00 with
direct co-amendment. Direct co-amendment led to up to 50% higher soil NH4+ concentrations
and 25% higher respiration rates but 40% lower substrate-induced respiration than pretreated
biochar. A three-fold higher number of prokaryotic zOTUs (980 vs. 292) was observed with
direct co-amendment than with the pretreated biochar. Co-amendment of biochar with sulfur
lowered soil pH by up to 1.0 unit and decreased topsoil electrical conductivity by nearly 50%,
which was consistently lower than that with pretreated biochar. Sulfur addition increased the
Na and Ca contents in the leachates by over 20% and 60%, respectively. Although compost
and vermicompost did not affect salinity management, their integration with biochar and
sulfur nearly tripled wheat yield (200% increase) and increased grain size by over 20%.
Overall, this study suggests considering feedstock type and pyrolysis temperatures during
biochar production to improve soil health in arid-land agroecosystems. Integrating biochar
with sulfur and compost is a promising sustainable technology for managing biochar alkalinity
and improving soil fertility and plant growth in arid regions by up to 200%. Although
pretreated biochar showed positive effects, the direct co-amendment approach exhibited more
pronounced responses, up to 50% higher, and is considered a more effective option for bio-saline agricultural soil management.
الملخص العربي
تعتبر ملوحة التربة مشكلة اقليمية أثرت على الانتاجية الزراعية ، وجعل تأثيرها يصل إلى 1,128 مليون هكتار من الاراضي الزراعية في جميع أنحاء العالم. وفي سلطنة عمان %44 من الاراضي الزراعية تأثرت بالملوحة، وخاصة في شمال الباطنة وجنوبها، مما جعل هذه المشكلة تهدد المحاصيل الزراعية وبالتالي الامن الغذائي في البلد. لقد أظهر الفحم الحيوي- وهو مادة صلبة غنية بالكربون تم انتاجها بواسطة عملية الانحالل الحراري للكتلة الحيوية- نتائج واعدة للتخفيف من مشاكل التربة وتحسين صحتها في البيئات القاحلة والمتدهورة . ومع ذلك، فإن فعالية الفحم الحيوي كمادة محسنة للتربة تتأثر بالخصائص الفيزيائية والكيميائية والتي يحددها مصدر المادة الخام ودرجة حرارة الانحلال الحراري أثناء عملية تكوينه، كما أن الطبيعة القلوية للفحم الحيوي جعلته عائقا آخر في استخدامه في المناطق القاحلة ذات التربة القلوية. إن الهدف الرئيسي في هذا البحث هو دراسة التأثيرات التآزرية في استخدام الفحم الحيوي مع الكبريت العنصري على استصالح التربة المالحة في سلطنة عمان. هذا البحث تضمن أربعة مراحل لتحقيق الهدف الرئيسي، حيث تم ت في الرحلة الاولى دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي وتأثير تعديالته على التربة على ميكروبات التربة من ثلاثة مصادر خام )أوراق نخيل التمر، حراريا عند ثالثة درجات حرارة 450 درجة مئوية، 600 درجة مئوية، و750 نباتات المسكيت، وسماد الحمأة( المتحللة درجة مئوية. ثاني ا، تم تحسين جودة الفحم الحيوي لتطبيقات الاراضي القاحلة من خالل الاستخدام المشترك للكبريت العنصري )%0.013( كعامل محمض واحتضانه بالسماد العضوي أو السماد الدودي )%10( كمنشطات بيولوجية لمدة 50 يو ما. في المرحلة الثالثة تم تقييم آثار تطبيق الفحم الحيوي المعالج )المحتضن( والفحم الحيوي غير المعالج )تطبيق مباشر( على الخواص الفيزيائية والكيميائية والميكروبية للتربة المالحة. في المرحلة الاخيرة، تمت مقارنة تأثيرات هذين النوعين من الفحم الحيوي )الفحم الحيوي المعالج والتطبيق المباشر ( في التربة المالحة في عمان على رشح الملح واستجابة -1 النبات عند الري بمياه ذات نوعية رديئة(( . (EC 3 (dS.m أظهرت النتائج أن زيادة درجة حرارة الانحالل الحراري تؤدي إلى زيادة حجم المسام والثبات الحراري والروابط بين الكربون C-C، بينما أظهرت انخفاض في مجموعات H-O وC- O. الفحم الحيوي من شجر المسكيت أعطى أعلى مساحة 2 سطحية )600 م 1- جم ( ومحتوى كربون )%94.98( ولكنه قلل من التعداد الميكروبي للتربة بنسبة تصل إلى %50 ومن التنفس بنسبة تصل إلى ،%80 خاصة في درجات الحرارة المرتفعة. كما إن المحتوى المعدني العالي للفحم الحيوي المنتج من سماد الحمأة )٪66-45( والملوثات المحتملة جعله غير مناسب لإلستخدام كمحسن للتربة. واستناد ا إلى الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتأثير الميكروبي فإن الفحم الحيوي المنتج من مخلفات النخيل عند درجة حرارة 600 درجة مئوية كان الانسب للاستخدام في الخطوات التالية. في المرحلة الثانية أدى الكبريت العنصري إلى خفض درجة حموضة الفحم الحيوي بشكل ملحوظ بما يصل إلى 1.0 وحدة، مع حدوث أعلى انخفاض من 8.1 إلى 7.2 عند تعديله مع السماد الدودي. كما أدى الكبريت إلى زيادة تركيزات الكالسيوم القابلة للذوبان في الماء بنسبة %147 و،%105 والمغنيسيوم بنسبة %929 viii و%447 في السماد العضوي والسماد الدودي، على التوالي، مما يشير إلى انخفاض قاعدية الفحم الحيوي، وزادت مستويات الكبريتات بنسبة تصل إلى %300 عند إضافة السماد مع الكبريت، مما يشير إلى كفاءة عملية الاكسدة للكبريت. كما أظهرت النتائج بأن تعديلات الكبريت زادت من معدل التنفس والنشاط الميكروبي بنسبة تصل إلى ،%200 كما أن التنوع الميكروبي (H Shannon(ازداد من 3.08 إلى 4.52 في معالجات السماد وبنية المجتمع الميكروبي تغيرت. في المرحلة الثالثة أظهرت المقارنة أن الكبريت خفض درجة حموضة التربة بما يصل إلى 0.8 وحدة. أما عند دمجه مع السماد الدودي فقد مسبق و7.00 مع التطبيق المباشر. أظهر انخفاضا أكبر لدرجة الحموضة من 8.05 إلى 7.25 مع الفحم الحيوي المعالج ا 4+ أدى التطبيق المباشر للفحم الحيوي مع إضافات الكبريت والسماد إلى زيادة تركيزات NH في التربة بنسبة تصل إلى %50 ومعدالت تنفس أعلى بنسبة %25 ولكن التنفس الناجم عن الركيزة )بعد اضافة مصدر كربون عضوي ( أقل بنسبة ا. وقد لوحظ وجود عدد أكبر بثالثة أضعاف من التنوع البيولوجي للمجتمعات %40 من الفحم الحيوي المعالج مسبق الميكروبية (zOTU( (980 مقابل 292( مع التطبيق المباشر ا. في المرحلة الاخيرة مقارنة بالفحم الحيوي المعالج مسبق أدى التطبيق المباشر للفحم الحيوي مع الكبريت في تجربة عمود التربة إلى خفض درجة حموضة التربة بنسبة تصل إلى 1.0 وحدة وانخفاض التوصيل الكهربائي للتربة في الطبقة العلوية بنسبة ٪50 تقريب ا، وهي أقل نسبيا من تطبيق الفحم مسبق . كما أظهرت النتائج أن إضافة الكبريت إلى أدى إلى زيادة محتوى الصوديوم والكالسيوم في الحيوي المعالج ا السوائل المرتشحة من أعمدة التربة بنسبة تزيد عن %20 و%60 على التوالي. على الرغم من أن السماد العضوي أو السماد الدودي لم يظهرا أي تغير واضح في ملوحة التربة الا أن تكاملهما مع الفحم الحيوي والكبريت أدى إلى زيادة محصول القمح ثالث مرات تقريب ا )زيادة بنسبة %200( وزيادة حجم الحبوب بأكثر من .%20 بشكل عام، تقترح الدراسة النظربعناية في نوع المواد الخام ودرجات حرارة الانحالل الحراري أثناء إنتاج الفحم الحيوي لتحسين صحة التربة في النظم الايكولوجية الزراعية في الاراضي القاحلة. يعد دمج الفحم الحيوي مع الكبريت والسماد تقنية مستدامة واعدة إلدارة قلوية الفحم الحيوي وتحسين خصوبة التربة ونمو النباتات في المناطق القاحلة بنسبة تصل إلى ا أظهر آثا را إيجابية، الا أن نهج التعديل التطبيق المباشر أظهر .%200 على الرغم من أن الفحم الحيوي المعالج مسبق استجابات أكثر وضو حا بنسبة تصل إلى ٪50 ويعتبر خيا را أكثر فعالية إلدارة التربة الزراعية الحيوية المالحة. ختاما، ركزت هذه الدراسة الشاملة الضوء على أهمية اختيار المواد الخام المناسبة وظروف التحلل الحراري لإنتاج الفحم الحيوي،وأظهرت أن دمج الفحم الحيوي مع الكبريت و السماد العضوي يمكن أن يكون له ثأثير فعال على قلوية التربة ، مما يعزز خصوبة التربة، ويحسن إنتاجية المحاصيل في الاراضي الجافة والمالحة، وهذا ما يجعل استخدام الفحم الحيوي استراتيجية واعدة للزراعة المستدامة في سلطنة عمان.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية
حجم الملف
5.76 ميغا بايت
5
0
