Effect of Sugarcane Bagasse Biochar on Accumulation and Distribution of Nitrogen, Phosphorus, Root Characteristics and Wheat Grain Yield in Soils Contaminated with Lead and Nickel

Document Type : Research Paper

Authors

1 Master of science ,department of agronomy ahvaz ,branch, Islamic azad university ahvaz, Iran

2 Associate Professor, Department of Agronomy, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

3 Assistant Professor, Department of Soil Science, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

10.22092/ijsr.2025.366406.754

Abstract

One of the main problems of contaminated soils is the presence of high amounts of heavy and toxic elements, especially lead and nickel, which leads to disruption in the growth and reduction of plant yield. The use of biochar has been proposed as one of the solutions to solve this problem. The purpose of this study was to investigate the effect of sugarcane biochar on accumulation and distribution of nitrogen and phosphorus absorption, root growth, and wheat grain yield in soils contaminated with lead and nickel. This experiment was carried out using factorial design in a completely randomized layout. The studied factors included the amounts of sugarcane biochar in four levels including: zero (control), 2%, 4%, and 6% of soil weight and the type of soil in two levels: contaminated and non-contaminated by lead and nickel. In this experiment, the maximum and minimum nitrogen and phosphorus absorbed in the root, stem, and grain of the plant were observed in contaminated and non-contaminated soil conditions, respectively. Also, with the increase in the use of biochar, there were changes in the accumulation of these elements in order to create suitable conditions for the plant, which subsequently had a significant effect on improving root growth and increasing grain yield. The maximum and minimum grain yield were observed in non-contaminated and contaminated soils, respectively and with increasing biochar consumption, grain yield increased in both contaminated and non- contaminated soils and this increase continued up to 4% biochar. In general, the results of the experiment showed that in the soil contaminated and non-contaminated with lead and nickel, the use of sugarcane bagasse biochar has an effective role in the accumulation of nitrogen and phosphorus in the plant, and to improve yield, the use of biochar up to 4% in the contaminated and non-contaminated soils is recommended.

Keywords

Main Subjects

References

  1. بلوچی، ح. ر.، امینی، ف.، موحدی دهنوی، م. و عطار زاده، م. 1395. تأثیر بسترهای مختلف آلی بر رشد و اجزای عملکرد لوبیا چیتی تحت تنش فلزات سنگین. نشریه دانش کشاورزی و تولید پایدار، 26(2): 73-57
  2. بی‌ریا، م.، معزی، ع، ا. و عامری خواه، ه. 1396. تأثیر بیوچار باگاس نیشکر بر رشد گیاه ذرت در خاک آلوده به کادمیوم و سرب. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 2: 626-609.
  3. حاجی شرفی، ح.، زارعی، ش.، ساکی نژاد، ط. و بیژن پور، ح. 1395. بررسی کاربرد کودهای آلی حاصل از باگاس و کمپوست‌های باگاس نیشکر به منظور افزایش مواد آلی خاک و کاهش مصرف کودهای شیمیایی در مزارع نیشکر (مطالعه موردی کشت و صنعت امیر کبیر). دومین همایش یافته‌های نوین در محیط زیست و اکو سیستم‌های کشاورزی، پژوهشکده انرژی های نو و محیط زیست دانشگاه تهران، تهران، 12 صفحه.
  4. دیوبند هفشجانی، ل.، ناصری، ع.، هوشمند، ع.ل.، عباسی، ف. و سلطانی محمدی، ا. 1396. بررسی تاثیر کاربرد بیوچار باگاس نیشکر بر خصوصیات شیمیایی یک خاک لوم شنی. علوم و مهندسی آبیاری (مجله‌ی علمی- پژوهشی)، 44(1): 72-64.
  5. رزاقی، ف. و رضایی، ن. 1396. اثر سطوح مختلف بیوچار بر خواص فیزیکی خاک با بافت‌های مختلف. نشریه حفاظت منابع آب و خاک، 1(1): 87-76.
  6. سلیمانی امین آبادی، م. 1382. پالایش خاک‌های آلوده به هدروکربن‌های نفتی و فلزات سنگین سرب و نیکل به‌ وسیله گیاهان. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، صفحة 86 –
  7. شعیبی نوبریان، م، ر.، بستانی، ع. و افشاری بدرلو، ت. 1391. بررسی سرنوشت فسفر در خاک‌های آلوده به سرب. منتشر شده در ششمین همایش ملی مهندسی محیط زیست.
  8. غازان شاهی، ج. 1385. آنالیزخاک وگیاه. انتشارات آییژ، تهران، 296 صفحه.
  9. قربانی، م. و امیراحمدی، ا. 1397. اثر بیوچار پوسته برنج بر برخی ویژگی های فیزیکی خاک و رشد ذرت در یک خاک لومی. پژوهش های خاک (علوم خاک و آب)، 32(3): 318-305.
  10. قربانی، ه.، حیدری، م. و غفاری، م. ۱۳۹۵. تأثیر سطوح مختلف شوری و عناصر سنگین سرب و کادمیوم بر رشد، رنگدانه‌های فتوسنتزی و مقادیر سدیم و پتاسیم در اسفناج. مجله علوم و فنون کشت های گلخانه ای، ۷ (۱):۱۵-۲۴.
  11. کریمی، ر.1387.گیاه پالایی خاکهای آلوده به عناصر کادمیم، سرب و نیکل، سومین کنگره ملی بازیافت و استفاده از منابع آلی تجدید شونده در کشاورزی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، 9 صفحه.
  12. موسوی، ر.، رسولی صدقیانی م.ح.، سپهر، ا. و برین م. ۱۴۰۲. تأثیر بیوچار غنی‌شده بر رفتار جذب فسفر در خاک‌های شور و غیر شور حوضه دریاچه ارومیه. علوم آب و خاک، ۲۷(۱):۲۱۷-۲۳۰.
  13. Ahmad, M., Lee, S. Lim, J. E. Lee, S.E. Cho, J.S. Moon, D.H. Hashimoto Y. & O.k. Y.S. 2014. Speciation and phytoavailability of lead and antimony in a small arms range soil amended with mussel shell, cow bone and biochar: EXAFS spectroscopy and chemical extractions. Chemosphere, 95: 433-441.
  14. Baycu, G., Doganay. T., Hakan, O. & Sureyya, G. 2006. Ecophysiological and seasonal variations in Cd, Pb, Zn and Ni concentrations in the leaves of urban deciduous trees in Istanbul. Environmental Pollution, 143(3): 545-554.
  15. Brennan, A., Moreno Jiménez, E., Puschenreiter, M., Antonio Alburquerque, J. & Switzer, C. 2014. Effects of biochar amendment on root traits and contaminant availability of maize plants in a copper and arsenic impacted soil. Plant Soil, DOI 10.1007/s11104-014-2074-0.
  16. Brune, A. & Deitz, KJ. 1995. A comparative analysis of element composition of roots and leaves of barley seedlings grown in the presence of toxic cadmium, molybdenum, nickel and zinc concentrations. Journal of Plant Nutrition, 18:853–868. 
  17. Doumer, M., Rigol A., Vidal, M. & Mangrich, A. 2016. Removal of Cd, Cu, Pb, and Zn from aqueous solutions by biochars. Environmental Science and Pollution Research, 23(3): 2684-2692.
  18. Fathi, M. & Chorom, M. 2013. The effect of zeolite on heavy metals in soils treated with sewage sludge and corn growth. M.Sc. Thesis, Shahid Chamran University of Ahvaz.
  19. Golchin, I. P., Safavi, S. & Ateshnama, K. 2006. Native plant species superabsorbent lead and zinc in the province. Proceedings of the conference on soil, environment and sustainable development. Karaj. pp: 22-21.
  20. Kabata-Pendias, A. 2001. Trace Elements in Soils and Plants. CRC Press, Boca Rotan, Florida, USA.143-157.
  21. Knowles, O., Robinson, B., Contangelo, A. & Clucas, L. 2011. Biochar for the mitigation of nitrate leaching from soil amended with biosolids. Science of the Total Environment, 409: 3206-3210.
  22. Laird, D.A. Fleming, P.D. Karlen D.L. Wang, B. & Horton, R. 2010. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil. Geoderma, 158:436–442.
  23. Li, N., Kang, Y., Pan, W., Zeng, L., Zhang, Q. & Luo, J. 2015. Concentration and transportation of heavy metals in vegetables and risk assessment of human exposure to bioaccessible heavy metals in soil near a waste-incinerator site, South China. Science of the Total Environment, 521-522: 144-151.
  24. Liang, B., Lehmann, J. Solomon, D. Kinyangi, J. Grossman, J. O'Neill, B. Skjemstad, J.O. Thies, J. Luizão, F.J. Petersen, J. & Neves, E.G. 2006. Black carbon increases cation exchanges capacity in soils. Soil Science Society of America Journal, 70: 1719–1730.
  25. Lyu, H., Gao, B., He, F., Zimmerman, A, R., Ding, C., Huang, H. & Tang, J. 2018. Effects of ball milling on the physicochemical and sorptive properties of biochar: Experimental observations and governing mechanisms. Environmental Pollution, 233 546.  
  26. Masto, R.E., Kumar, S., Rout, T., Sarkar, P., George, J. & Ram. L. 2013. Biochar from water hyacinth (Eichornia crassipes) and its impact on soil biological activity. Catena, 111: 64-71.
  27. Metwali, M.R., Ehab-Manal, H., Tarek, E. & Bayoumi, Y. 2010. Agronomical traits and biochemical genetic markers associated with salt tolerance in wheat cultivars (Triticum aestivum). Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(5): 174-183.
  28. Mohan, D., Kumar, A. & Pittman, C.U. 2016. Sustainable biochar-a tool for climate change mitigation, soil management and water and wastewater treatment. Geostatistical and Geospatial Approaches for the Characterization of Natural Resources in the Environment. Springer, 949-952.
  29. Palacios, G., Gómez, I. Carbonell-Barrachina, A. Navarro, Pedreño J. & Mataix, J. 1998. Effect of nickel oncentration on tomato plant nutrition and dry matter yield. Journal of Plant Nutrition, 21(10): 2179-2191.
  30. Rajkovich, S. Enders, A. & Hanley, K. 2012. Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil. Biology and Fertility of Soils, 48:271–284.
  31. Rajkovich, S., Enders, A., Hanley, K., Hyland, C., Zimmerman, A.R. & Lehmann, J. 2011. Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil. Biology and Fertility of Soils, 48(3): 271-284.
  32. Sharma, P. & Dubey, R.S. H. 2005. Lead toxicity in plants. Journal of Plant Physiology, 17:35–52.
  33. Sohi, S., Lopez-Capel, E., Krull, E. & Bol, R. 2009. Biochar’s role in soil and climate change: a review of research needs. CSIRO Land and Water Science Report, 59: 1–57.
  34. Tabatabaei, S. J. 2009. Supplements of nickel affect yield, quality, and nitrogen metabolism when urea or nitrate is the sole nitrogen source for cucumber. Journal of Plant Nutrition, 32: 713-724.
  35. Thies J. E. & Rillig M.C. 2009. Characteristics of biochar: biological properties. Sterling. In Lehmann, J. and Joseph, S. (eds.). Biochar for Environmental Management. Science and Technology. London. Earthscan Publishing, PP: 85-105.
  36. Yang, X., 1996. Nickel effects on influx and transport of mineral nutrients in four plant species. Journal of Plant Nutrition,19: 265-279.  
  37. Yang, X.E., Long, X.X., Ye, H.B., He, Z.L., Calvert, D.V. & Stoffella, P.J. 2004. Cadmium tolerance and hyperaccumulation in a new Zn hyperaccumulating plant species (Sedum alfredii Hance). Plant Soil, 259:181-189.

 

Iranian Journal of Soil Research
Volume 38, Issue 3
December 2024
Pages 305-314

Files

Share

How to cite

Statistics