کنترل رهش کودهای نیتروژنه و فسفره با استفاده از پوشش های نانوکامپوزیتی سپیولایت و کیتوزان

STUDENT

DEGREE

YEAR

Sepiolte- chitosan nanocomposites constitute promising support materials for preparation of coated fertilizers. Sepiolite and chitosan were used to form nanocomposites with different clay mineral/polymer ratios. The nanocomposites were characterized using several techniques including Fourier Transform Infrared (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area measurement. The FTIR examination revealed that functional groups related to chitosan interacted with sepiolite. The XRD pattern of nanocomposites showed the sharp peak of sepiolite in al samples. The BET measurements showed the introduced clay mineral caused the higher specific surface area in nanocomposites that might increase the path length for water infiltration of the fertilizer coating. To improve the use efficiency of fertilizer and to reduce the rate of nitrogen release, a coated urea was prepared using clay-polymer nanocomposites. The nitrogen release was examined in sand column showing that 75% of nitrogen content of coated urea released in about 25 d, much longer than that of urea (3 d). The rate of release of nitrogen was reduced by increasing the proportion of sepiolite in the clay/polymer nanocomposites. The release mechanism of coated urea was evaluated and the results showed the mechanism was not Fickian diffusion but anomalous diffusion. The plant yield and nutrient uptake was studied under greenhouse conditions using Zea mays (corn) as the test plant. The results showed that the coated urea improved plant yield and nutrient uptake relative to uncoated urea. In this study we also evaluated the effect of coated phosphate fertilizer to increase the phosphorus availability and plant uptake. The P release was considered in the leachate collected from each planted pot. The highest concentration of P in leachates was related to treatments with higher sepiolite ratios. It was observed that the available phosphorus in coating treatments were generally higher than the uncoated fertilizer that might increase the plant’s P uptake. To investigate the effect of coating on the P release and diffusion from the fertilizer granule in a calcareous soil, an incubation experiment was carried out. EDX analyses showed the release of phosphorus of the coated fertilizer was more facilitated than the uncoated one. Also, the formation of struvite in a calcareous soil was evaluated in 3 incubation periods by XRD technique. The XRD patterns showed the peaks of struvite, while the reflection peak of sepiolite disappeared gradually with increasing incubation time that could be explained by transformation of this mineral to struvite as well as some amorphous fibrous silica. Key words: Chitosan, Coated fertilizer, Nitrogen, Nutrient uptake, Phosphorus, Plant yield, Sepiolite

استفاده از کودهای شیمیایی برای تأمین نیازهای غذایی گیاه از ارکان‌های اصلی تولیدات گیاهی می‌باشد. هرچند کوددهی، رشد گیاهان را افزایش داده و وضعیت تغذیه‌ای گیاه را بهبود می‌بخشد، اما مصرف بی‌رویه کودها موجب افزایش نگرانی در مورد اثرات نامطلوب بر محیط زیست شده‌است. یکی از روش‌های موثر جهت غلبه بر مشکلات مصرف بی‌رویه کودهای شیمیایی، توسعه کودهای با رهش کنترل‌شده می‌باشد. این پژوهش با هدف بررسی بکارگیری رس سپیولایت و پلیمر کیتوزان در ساخت نانوکامپوزیت‌های رس-پلیمر و مطالعه ویژگی‌های ترکیبات حاصله و استفاده از آن‌ها در تهیه کودهای نیتروژنه و فسفره پوشش‌دار باتوجه به ویژگی‌های منحصر به فرد رس و پلیمر موجود در ترکیبات حاصله به منظور افزایش کارایی آزادسازی عناصرکودی انجام شد. نانوکامپوزیت‌های رس-پلیمر با نسبتهای مختلف 1به3، 1به2، 1به1، 2به1 و 3به1 رس سپیولایت به پلیمرکیتوزان تهیه شدند که به ترتیب S3C1, S2C1, S1C1, S1C2, S1C3 نامگذاری شدند. بررسی طیف FTIR نانوکامپوریتهای ساخته شده، برهمکنش‌های بسیارمناسب بین رس و پلیمر را نشان داد که به پیوندهای الکترواستاتیک و هیدروژنی بین گروه‌های عامل آمین در کیتوزان و سیلانول در سپیولایت مربوط بودند. بعداز پوشش‌دارکردن کود اوره، میزان آزادسازی نیتروژن در آب، ستون شن و خاک در زمان‌های مختلف اندازه‌گیری شد. نتایج درصد آزادسازی تجمعی نیتروژن در آب و ستون شن نشان داد که افزایش رس سپیولایت در ترکیبات پوششی باعث افزایش زمان آزادسازی نیتروژن از گرانول‌های پوشش‌دار شد و از طرفی آزادسازی بیشتر در تیمارهای حاوی کیتوزان بیشتر را سبب گردید. مکانیسم آزادسازی نیتروژن از گرانول‌های اوره پوشش‌دار پخشیدگی non-Fickian بود. نتایج آزادسازی نیتروژن در خاک نشان داد که تیمارهایی دارای پلیمر بیشتر، دارای نیتروژن باقیمانده بودند. اثر کود اوره پوشش‌دار و بدون پوشش بر عملکرد گیاه و جذب عناصرغذایی توسط گیاه ذرت و مقدار آبشویی نیتروژن از بستر شن گلدان‌های تحت تیمار بررسی شد. نتایج نشان دادند که بیشترین مقدار آبشویی تجمعی نیتروژن مربوط به تیمار S1C3U وکمترین مقدار مربوط به تیمار S3C1U بود. عملکرد وزن خشک شاخساره گیاهان تیمارشده اوره پوشش‌دار حد واسط تیمار اوره بدون پوشش و گیاه شاهد بود با محلول نیم جانسون کامل تغذیه شد. در بررسی اثر پوشش نانوکامپوزیت‌های سپیولایت-کیتوزان بر کودهای فسفاته از کودهای سوپرفسفات و فسفات‌آمونیوم استفاده شد که بعداز پوشش‌دارکردن به ترتیب SCSs و SCPs نامگذاری شدند. میزان آزادسازی فسفر از گرانول‌های پوشش‌دار هردو نوع کود در آب، ستون شن و خاک انجام شد. نتایج آزمایشات آزادسازی نشان دادند مقدار آزادسازی فسفر از تیمارهای پوشش‌دار بیشتر از تیمار بدون پوشش بود و با افزایش مقدار درصد سپیولایت در نانوکامپوزیت‌ها این افزایش شدیدتر شد. گرانول‌های پوشش‌دار و بدون پوشش کودهای فسفاته در یک خاک آهکی در دوره‌های زمانی مختلف (10، 30 و 90 روز) انکوبیت شده و سپس توسط تکنیک XRD برای شناسایی فازهای تشکیل شده و تغییرات احتمالی فازها بررسی شدند. پیک سپیولایت در الگوهای XRD با افزایش زمان انکوباسیون به تدریج کاهش یافت. در الگوهای XRD فسفات‌آمونیوم‌های پوشش‌دار پیک‌های کانی استروایت ( 257/4 و 601/5 آنگستروم) مشاهده شد که می‌تواند به دلیل وجود سپیولایت در ساختار نانوکامپوزیت پوششی باشد. مطالعات EDX بر روی مقطع عرضی گرانول‌های کودی پوشش‌دار و بدون پوشش و مقایسه آن‌ها باهم، نشان داد که غلظت فسفر در گرانول بدون پوشش بیشتر از گرانول پوشش‌دار است، همچنین غلظت منیزیم در ناحیه پوششی گرانول‌های پوشش‌دار بیشتر بود که دلیل آن وجود سپیولایت است. در آزمایش گلخانه‌ای، بیشترین مقدار آبشویی تجمعی فسفر از گرانول‌های سوپرفسفات پوشش‌دار مربوط به دو تیمار S3C1S و S2C1S و کمترین مقدار مربوط به تیمار S1C3S بود. در گیاهان تحت تیمار با گرانول‌های فسفات‌آمونیوم تیمار S3C1P بیشترین مقدار جذب فسفر را نشان داد و تیمارهای S1C2P و S1C3P کمترین مقدار جذب فسفر را داشتند. به طور کلی با درنظرگرفتن نتایج آزمایشات و بررسی‌های گوناگون صورت گرفته، کود اوره پوشش‌دار با نانوکامپوزیت‌های سپیولایت-کیتوزان را می‌توان یک کود اوره آهسته‌رهش دانست. همچنین کودهای فسفره پوشش‌دار شده با این نانوکامپوزیت‌ها سبب افزایش آزادسازی و قابلیت دسترسی بهتر فسفر می‌شوند. کلمات کلیدی: جذب عناصرغذایی، سپیولایت، عملکردگیاه، فسفر، کیتوزان، کود پوشش‌دار، نیتروژن