Effects of Soil Moisture and Sewage Sludge on Water Use Efficiency and Concentrations of Some Elements in Alfalfa

Document Type : Research Paper

Authors

1 Associate Professor, Soil Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture, University of Tabriz

2 Graduated MSc, Soil Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture, University of Tabriz

3 Professor, Soil Science and Engineering Department, Faculty of Agriculture, University of Tabriz

Abstract

In this study, the interactive effects of soil moisture and sewage sludge (SS) levels were investigated on alfalfa (Medicago sativa c.v Garehyounjeh) shoot and root fresh weights, water use efficiency (WUE), and concentrations of some elements in a loam soil under greenhouse conditions. A factorial experiment based on a randomized complete blocks design with three replications was conducted with two factors: soil moisture at three levels (0.81 FC–FC, 0.56–0.75 FC, and 0.35–0.50FC) and SS at four levels (0, 15, 30, and 60 g/kg soil). When 10% of the alfalfa plants flowered, the shoot and root fresh weights, concentrations of nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), and zinc (Zn) and WUE of alfalfa plant were measured. The results showed that the main and interactive effects of SS and soil moisture on alfalfa shoot and root fresh weights, WUE, and concentrations of elements were significant (p≤0.01). The decrease in soil moisture content, decreased alfalfa shoot and root fresh weights, WUE, concentrations of Fe in the shoot and concentrations of P, Fe, and Na in the root (p≤0.05); while it increased concentrations of Cu in the root, and Cu and Zn in the shoot (p≤0.05). Effect of soil water content on concentrations of N, K, Ca, Mg, Zn, and Mn of the root depended on the level of SS. Concentrations of Mg, Fe, Zn, Cu, and Mn in the root and shoot and concentrations of P, K, and Ca in the root were increased (p≤0.05) with the use of SS and increase in its level. By increasing the SS level, shoot and root fresh weights were initially increased and then decreased (p≤0.05). Effect of SS on WUE depended on soil water content. With sufficient water supply (0.81FC–FC), WUE was increased with increment of SS level, while under water-deficit stress (0.35FC–0.50FC), application of SS up to 30 g/kg increased WUE but at the level of 60 g/kg, increase in the soil salinity reduced WUE (p≤0.05). To increase WUE and improve the nutrition and growth of alfalfa at similar conditions, 30 grams of SS per kilogram of soil may be recommended under both well-watered and water-deficit conditions. Although the use of sewage sludge had some beneficial effects in this experiment, the potential risks of heavy metals in long-term application of this organic waste should be considered and avoided.

Keywords

References

  1. احمدی‌نژاد، ر.، ن. نجفی، ن. علی‌اصغرزاد، و ش. اوستان. 1392. اثر کودهای آلی و نیتروژن بر کارایی مصرف آب، عملکرد و ویژگی­های رشد گندم (رقم الوند). دانش آب و خاک، 23(2): 197–177.
  2. آخوندی، م.، ع. صفرنژاد و م. لاهوتی. 1385. اثر تنش خشکی بر تجمع پرولین و تغییرات عناصر در یونجه­های یزدی، نیک­شهری و رنجر (Medicago sativa L.). علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، 10(1): 174–165.
  3. بی‌نام. 1397. گزارش برآورد سطح، تولید و عملکرد محصولات زراعی در سال زراعی 96–1395. مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات، معاونت برنامه‌ریزی و اقتصادی، وزارت جهاد کشاورزی، 77 صفحه.
  4. شهبازی، ک.، و ح. بشارتی. 1392. بررسی اجمالی وضعیت حاصلخیزی خاک‌های کشاورزی ایران. مدیریت اراضی، 1(1): 15–1.
  5. عباسی، م.، ن. نجفی، ن. علی‌اصغرزاد و ش. اوستان. 1391. اثر شرایط آب خاک، لجن فاضلاب و کودهای شیمیایی بر غلظت های عناصر پرمصرف در برنج در یک خاک قلیایی. مدیریت خاک و تولید پایدار، 2(1): 26–1.
  6. عباسی، م.، ن. نجفی، ن. علی‌اصغرزاد، ش. اوستان. 1392. اثر شرایط آب خاک و مصرف لجن فاضلاب، کود مرغی و کودهای شیمیایی بر ویژگی­های رشد و کارایی مصرف آب گیاه برنج در یک خاک آهکی. دانش آب و خاک، 23(1): 208–189.
  7. کاظم‌علیلو س.، ن. نجفی، ع. ریحانی‌تبار، م. غفاری. الف1396. اثر مصرف تلفیقی کود فسفر و لجن فاضلاب بر شاخص کلروفیل و برخی ویژگی‌های رشد آفتابگردان در شرایط تنش کم‌آبی. مدیریت خاک و تولید پایدار، 7(4): 18–1.
  8. کاظم‌علیلو، س.، ن. نجفی، و ع. ریحانی‌تبار. ب1396. افزایش عملکرد و اجزای عملکرد آفتاب‌گردان با مصرف تلفیقی فسفر و لجن فاضلاب در شرایط آبیاری مطلوب و محدود. آب و خاک-دانشگاه فردوسی مشهد، 31(6): 1650–1637.
  9. کاظم‎زاده، م.، س.ه. پیغمبردوست، و ن. نجفی. 1392. بهبود غلظت‌ عناصر غذایی آرد گندم رقم الوند با مصرف تلفیقی کودهای آلی و نیتروژن. تحقیقات خاک و آب ایران، 44(4): 420–405.
  10. کریمی، ه‍.. 1369. یونجه. مرکز نشر دانشگاهی، تهران.
  11. مارکاریان، ش.، ن. نجفی، ن. علی‌اصغرزاد، و ش. اوستان. 1394. اثر باکتری سینوریزوبیومملیلوتی و فسفر بر شاخص کلروفیل برگ، غلظت نیتروژن و فسفر ریشه و بخش هوایی یونجه در شرایط تنش خشکی. دانش آب و خاک، 25(4): 45–27.
  12. محمدنژاد، آ.، ن. نجفی، و م. نیشابوری. 1394. تأثیر سه نوع کود آلی بر ویژگی‌های رشد و کارایی مصرف آب ذرت در سطوح مختلف فشردگی خاک. مدیریت خاک و تولید پایدار، 5(2): 47–25.
  13. محمودی، ش.، ن. نجفی، و ع. ریحانی‌تبار. 1393. تأثیر رطوبت خاک و کمپوست لجن فاضلاب بر شاخص کلروفیل برگ و برخی ویژگی‌های رشد گیاه یونجه در شرایط گلخانه‌ای. علوم و فنون کشت‌های گلخانه‌ای، 5(20): 220–207.
  14. محمودی، ش.، نجفی ن.، ریحانی‌تبار ع. 1394. اثر رطوبت خاک و کمپوست لجن فاضلاب بر برخی ویژگی‌های شیمیایی خاک و غلظت عناصر پرمصرف علوفه یونجه در شرایط گلخانه‌ای. علوم و فنون کشت‌های گلخانه‌ای، 6(22): 55–37.
  15. مطلبی‌فرد، ر.، ن. نجفی، ش. اوستان، م.ر. نیشابوری، و م. ولیزاده. 1393. اثر رطوبت خاک، فسفر و روی بر ویژگی‌های رشد سیب زمینی در شرایط گلخانه‌ای. تحقیقات خاک و آب ایران، 45(1): 86–75.
  16. نجفی، ن. و س. مردمی. 1390. اثر غرقاب، لجن فاضلاب و کود دامی بر ویژگی­های رشد گیاه آفتابگردان در یک خاک شن لومی. آب و خاک- دانشگاه فردوسی مشهد، 25(6): 1276–1264.
  17. نجفی، ن.،  و آ. محمدنژاد. 1394. تغییرات غلظت برخی عناصر در علوفه ذرت (Zea mays L) تحت تأثیر منبع و مقدار کودهای آلی و فشردگی خاک. اکوفیزیولوژی گیاهان زراعی، 9(4): 582–561.
  18. نجفی، ن.، س. مردمی، ش. اوستان. 1390. اثر غرقاب، لجن فاضلاب و کود دامی بر غلظت فلزات سنگین در ریشه و بخش هوایی آفتابگردان در یک خاک شن لومی. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک، 15(58): 157–139.
  19. نجفی، ن.، س. مردمی، ش. اوستان. الف1391. تغییرات آهن، روی، مس و منگنز قابل‌استخراج با DTPA پس از غرقاب و کاربرد لجن فاضلاب و کود دامی در دو خاک مختلف. تحقیقات خاک و آب ایران، 43(1): 22–9.
  20. نجفی، ن.، س. مردمی، و ش. اوستان. ب1391. اثر غرقاب، لجن فاضلاب و کود دامی بر جذب برخی عناصر پرمصرف و سدیم در گیاه آفتابگردان در یک خاک شن لومی. آب و خاک–دانشگاه فردوسی مشهد، 26(3): 636–619.
  21. نجفی، ن.، م. عباسی، ن. علی‌اصغرزاد، ش. اوستان. 1392. اثر کشت برنج، غرقاب، لجن فاضلاب و کودهای شیمیایی بر pH، EC، پتاسیم و سدیم محلول خاک. دانش آب و خاک، 23(3): 121–105.
  22. نجفی، ن.، و م. عباسی. 1393. اثر کشت برنج، لجن فاضلاب و کودهای شیمیایی بر تغییرات غلظت آهن، روی، مس و منگنز محلول خاک پس از غرقاب. مجله تحقیقات کاربردی خاک، 2(1): 14–1.
  23. Alam, S.M. 1999. Nutrient uptake by plants under stress conditions, P. 285–313. In: M. Pessarakli (Ed.) Handbook of Plant and Crop Stress. Second Edition, Marcel Dekker Inc., New York, USA.
  24. Al-Naeem, M.A. 2008. Influence of water stress on water use efficiency and dry hay production of alfalfa in Al-Ahsa, Saudi Arabia. International Journal of Soil Science 3:119–126.
  25. Amin, A.W., F.K. Sherif, H. El-Atar, and H. Ez-Eldin. 2009. Effect of residual and accumulative sewage sludge on heavy metals bioaccumulation: Gene action and some yield parameters of Vicia faba. Research Journal of Environmental Toxicology, 3: 60–75.
  26. Anonymous. 1994. A guide for land appliers on the requirements of the federal standards for the use or disposal of sewage sludge. 40 CFR Part 503. Office of Enforcement Environmental and Compliance Assurance, United States Environmental Protection Agency, Washington DC, USA.
  27. Antolin, M.C., I. Muro, and M. Sanchez-Diaz. 2010. Application of sewage sludge improves growth, photosynthesis and antioxidant activities of nodulated alfalfa plants under drought conditions. Environmental and Experimental Botany, 68: 75–82.
  28. Antolin, M.C., I. Pascual, C. Garcia, A. Polo, and M. Sanchez–Diaz. 2005. Growth, yield and solute content of barley in soils treated with sewage sludge under semiarid Mediterranean conditions. Field Crops Research, 94:224–237.
  29. Asgari Lajayer, B., N. Najafi, E. Moghiseh, M. Mosaferi, and J. Hadian. 2019a. Effects of gamma irradiated and non-irradiated sewage sludge on growth characteristics, leaf chlorophyll index, and macronutrients concentrations in basil. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 19(3): 580–591.
  30. Asgari Lajayer, B., N. Najafi, E. Moghiseh, M. Mosaferi, and J. Hadian. 2019b. Micronutrient and heavy metal concentrations in basil plant cultivated on irradiated and non-irradiated sewage sludge-treated soil and evaluation of human health risk. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 104: 141–150.
  31. Ashraf, M., M. Shabaz, and M.Y. Ashraf. 2001. Influence of nitrogen supply and water stress on growth and nitrogen, phosphorus, potassium and calcium contents in pearl millet. Biologia Plantarum, 44:459–462.
  32. Barakah, F.N., S.H. Salem, and A.M. Heggo. 1996. Effect of sewage sludge on nodulation and N2−fixation in alfalfa grown on calcareous loamy soils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 159(3): 289–296.
  33. Bengough, A.G., B.M. McKenzie, P.D. Hallett, and T.A. Valentine. 2011. Root elongation, water stress, and mechanical impedance: A review of limiting stresses and beneficial root tip traits. Journal of Experimental Botany, 62: 59–68.
  34. Binder, D.L., A. Dobermann, D.H. Sander, and K.G. Cassman. 2002. Biosolids as nitrogen source for irrigated maize and rainfed sorghum. Soil Science Society of America Journal, 66: 531–543.
  35. Cheng, H., W. Xu, J. Liu, Q. Zhao, Y. He, and G. Chen. 2007. Application of composted sewage sludge (CSS) as a soil amendment for turfgrass growth. Ecological Engineering, 29: 96–104.
  36. Eghball, B., D. Ginting and J.E. Gilley. 2004. Residual effect of manure and compost application on maize production and soil properties. Agronomy Journal, 96: 442–447.
  37. Erdem, T., Y. Erdem, H. Orta and H. Okursoy. 2006. Water yield relationships of potato under different irrigation methods and regimens. Scientia Agricola, 63(3), 226–231.
  38. Farooq, M., A. Wahid, N. Kobayashi, D. Fujita, and S.M.A. Basra. 2009. Plant drought stress: effects, mechanisms and management. Agronomy for Sustainable Development, 29(1):185–212.
  39. Gee, G.W., and D. Or. 2002. Particle-Size Analysis. P. 255–295. In: A.D. Warren (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 4. Physical Methods. SSSA, Madison, Wis, USA.
  40. Gupta, P.K. 2000. Soil, Plant, Water, and Fertilizer Analysis. Agrobios, New Delhi, India.
  41. Havlin, J.L., J.D. Beaton, S.L. Tisdale, and W.L. Nelson. 2006. Soil Fertility and Fertilizers: An Introduction to Nutrient Management. 7th ed. Prentice Hall of India, New Delhi, India.
  42. Huang, B. 2001. Nutrient accumulation and associated root characteristics in response to drought stress in tall fescue cultivars. Hortscience, 36:148–152.
  43. Kalra, Y.P., and D.G. Maynard. 1991. Methods Manual for Forest Soil and Plant Analysis. Forestry Canada, Northwest Region, Northern Forestry Centre, Edmonton, Alberta, Canada.
  44. Kelling, K.A. and J.E. Matocha. 1990. Plant Analysis as an Aid in Fertilizing forage crops. P. 603–643. In: R.L. Westerman (Ed.) Soil Testing and Plant Analysis. Third Edition, Soil Science Society of America Book Series No 3. Madison, Wis, USA, 784 Pages.
  45. Kidambi, S.P., A.G. Matches, and T.P. Bolger. 1990. Mineral concentrations in alfalfa and sainfoin as influenced by soil moisture level. Agronomy Journal, 82: 229–236.
  46. Knudsen, D., G.A. Peterson, and P.F. Pratt. 1982. Lithium, sodium, and potassium, P. 225–246. In: A.L. Page, et al. (eds.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. ASA and SSSA Inc., Madison, Wis, USA.
  47. Kramer, P.J. 1983. Water relations of plants. Academic Press, Inc. Florida, USA, 489 pages.
  48. Laura Fiasconaro, M., M.Sánchez-Díaz and M. Carmen Antolín. 2013. Nitrogen metabolism is related to improved water–use efficiency of nodulated alfalfa grown with sewage sludge under drought. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 176: 110–117.
  49. Lindsay, W.L., and W.A. Norvell. 1978. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper. Soil Science Society of America Journal, 42: 421–428.
  50. Loveland, P., and J. Webb. 2003. Is there a critical level of organic matter in the agricultural soils of temperate regions: a review. Soil and Tillage Research, 70: 1–18.
  51. Mahouachi, J. 2009. Changes in nutrient concentrations and leaf gas exchange parameters in banana plantlets under gradual soil moisture depletion. Scientia Horticulturae, 120: 460–466.
  52. Marschner, H. 1997. Mineral Nutrition of Higher Plants. Second Edition, Academic Press, London, UK, 889 pages.
  53. McLean, E.O. 1982. Soil pH and lime requirement. P. 199–224. In: A.L. Page et al. (eds.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. ASA and SSSA Inc., Madison, WI, USA.
  54. Mohammad, M.J., and B.M. Athamneh. 2004. Changes in soil fertility and plant uptake of nutrient and heavy metals in response to sewage sludge application to calcareous soils. Journal of Agronomy, 2: 229–236.
  55. Motalebifard, R., N. Najafi, S. Oustan, M.R. Nyshabouri, and M. Valizadeh. 2013. The combined effects of phosphorus and zinc on evapotranspiration, leaf water potential, water use efficiency and tuber attributes of potato under water deficit conditions. Scientia Horticulturae, 162: 31–38.
  56. Nelson, D.W., and L.E. Sommers. 1982. Total Carbon and Organic Matter. P. 539–579.  In: A.L. Page and et al. (eds.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. ASA and SSSA, Madison, Wis, USA.
  57. Olsen, S.R., and L.E. Sommers. 1982. Phosphorus. P. 403–430. In: A. L. Page, et al. (eds.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. 2nd ed. ASA and SSSA Inc., Madison, Wis, USA.
  58. Ortiz, O., and J.M. Alcañiz. 2006. Bioaccumulation of heavy metals in Dactylis glomerata L. growing in a calcareous soil amended with sewage sludge. Bioresource Technology, 97: 545–552.
  59. Pascual, I., M.C. Antolin, C. Garcia, A. Polo, and M. Sanchez-Diaz. 2004. Plant availability of heavy metals in a soil amended dose of sewage sludge under drought conditions. Biology and Fertility of Soils, 40: 291–299.
  60. Peng, Y., Z. Gao, Y. Gao, G. Liu, L. Sheng and D. Wang. 2008. Ecophysiological characteristics of alfalfa seedlings in response to various mixed salt alkaline stresses. Journal of Integrative Plant Biology, 50: 29–39.
  61. Peters, J. 2003. Recommended Methods of Manure Analysis. University of Wisconsin Cooperative Extension Publication, Wis, USA
  62. Premachandra, G.S., H. Saneoka, K. Fujita, and S. Ogata. 1990. Cell membrane stability and leaf water relation as affected by phosphorus nutrition under water stress in maize. Soil Science and Plant Nutrition, 36(4): 653–659.
  63. Qiu, G.Y., L.Wang, X. He, X. Zhang, S. Chen, J. Chen, Y. Yang. 2008. Water use efficiency and evapotranspiration of winter wheat and its response to irrigation regime in the north China plain. Agricultural and Forest Meteorology, 148: 1848–1859.
  64. Rezaei M., S. Zehtab–Salmasi, N. Najafi, K. Ghassemi-Golezani, and M.R. Jalalikamali. 2010. Effects of water deficit on nutrient content and grain protein of bread wheat genotypes. Journal of Food, Agriculture & Environment, 8(3 & 4): 535–539.
  65. Richards, L.A. 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. United States Salinity Laboratory Staff, Agriculture Handbook No. 60, United States Department of Agriculture, USA.
  66. Singh, R.P. and M. Agrawal. 2007. Effects of sewage sludge amendment on heavy metal accumulation and consequent responses of Beta vulgaris plants. Chemosphere, 67: 2229–2240.
  67. Singh, R.P. and M. Agrawal. 2010. Effect of different sewage sludge applications on growth and yield of Vigna radiata L. field crop: Metal uptake by plant. Ecological Engineering, 36: 969–972.
  68. Wu, Y., M. Huang, and D.N. Warrington. 2011. Growth and transpiration of maize and winter wheat in response to water deficits in pots and plots. Environmental and Experimental Botany, 71: 65–71.
  69. Yasin–Ashraf, M., S.A. Ala, and A. Batti. 1998. Nutritional imbalance in wheat (Triticum aestivum L.) genotypes grown at soil water stress. Acta Physiologiae Plantarum, 20: 307–310.
Iranian Journal of Soil Research
Volume 34, Issue 1
July 2020
Pages 61-79

Files

Share

How to cite

Statistics