پایان نامه: بررسی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی بخشی از استان اصفهان و شبیه‌سازی آن با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته: مهندسی عمران

عنوان : بررسی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی بخشی از استان اصفهان و شبیه‌سازی آن با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران

موضوع:

بررسی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی بخشی از استان اصفهان و شبیه‌سازی آن با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

آلودگی منابع آب زیرزمینی به نیترات در حال حاضر یکی از مهمترین مسایل زیست محیطی و پارامتر مؤثر در کشاورزی پایدار می‌باشد. استان اصفهان در منطقه خشک و نیمه خشک قرار دارد و به علت خشکسالی در چند سال اخیر, استفاده از آبهای زیرزمینی برای کشاورزی و تأمین آب شرب شهرها و روستاها اهمیت بسیار زیادی یافته است. از طرف دیگر مصرف بیش از حد کودهای نیتروژن‌دار برای دستیابی به محصول بیشتر بدون توجه به تأثیر آن بر خصوصیات خاک, محصولات کشاورزی و انسان باعث افزایش آلودگی محیط زیست گردیده است. هدف از انجام این تحقیق بررسی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی بخشی از استان اصفهان و شبیه‌سازی آن با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک می‌باشد. به منظور انجام این تحقیق از داده‌های آنالیز کیفی آبهای زیرزمینی مربوط به بخش (الف) 175 حلقه چاه در 5 مرحله نمونه‌برداری با فواصل زمانی یک ماهه از دی‌ماه 1379 تا اردیبهشت‌ماه 1380 و بخش (ب) 300 حلقه چاه نمونه‌برداری شده مربوط به سال‌های 1386 و 1387 استفاده گردید.

توزیع آلودگی نیترات در مناطق مورد مطالعه رابطه بسیار نزدیکی با وسعت و شدت فعالیت‌های کشاورزی داشته است. بطوری که بیشترین غلظت نیترات مربوط به دشت‌های وسیع کشاورزی نجف آباد، اصفهان و شهرضا و کمترین غلظت مربوط به منطقه نطنز و کاشان بود. از لحاظ کاربری اراضی محدوده چاه، مشاهده گردید که متوسط مقدار نیتروژن نیتراتی در مناطق صنعتی بیشتر از مناطق کشاورزی و مناطق کشاورزی بیشتر از مناطق شهری می‌باشد. از نظر تغییرات زمانی غلظت نیترات از دی‌ماه تا اردیبهشت‌ماه, در اکثر مناطق روند افزایشی در طول زمستان و روند کاهشی با شتاب کمتر در بهار مشاهده شد. بیشترین غلظت نیترات معمولاً مربوط به اواخر زمستان و اوایل بهار بوده است که دلیل آن می‌تواند شستشوی نیترات در اثر بارندگی زمستان و نیز شروع فصل کاشت باشد. در تعدادی از چاه‌های شرب مورد مطالعه مقدار نیترات بیشتر از حد مجاز می‌باشد که لازم است بهره‌برداری از آنها تا بر طرف شدن آلودگی متوقف گردیده و برنامه‌های مدیریتی برای کاهش نیترات و جلوگیری از آلوده شدن دیگر چاه‌ها به کار بسته شود.

شبیه‌سازی مقدار نیتروژن نیتراتی با استفاده از مقادیر کلر, بی‌کربنات, سدیم, پتاسیم, کلسیم, منیزیم, سولفات, هدایت الکتریکی، سختی کل، نسبت جذبی سدیم و PH نمونه‌ها صورت پذیرفت و از شبکه پرسپترون سه لایه (MLP) استفاده شده و قاعده آموزشی انتشار به عقب و تابع فعالیت سیگموئید برای فرآیند آموزش به کار گرفته شدند که پس از آزمایش‌های مکرر، شبکه­ای با یک لایه پنهان و ۱۹ نرون در این لایه، کمترین مقدار خطا را در روند آموزش شبکه، ارزیابی و اعتبارسنجی ایجاد نموده و بهترین اعتبار سنجی در گام 3 آموزش و میانگین مجذور خطا (MSE) برابر مقدار 0209/0 حاصل گردید. مقدار ضریب همبستگی مدل (R)، 89/0 بدست آمد که درحد قابل قبول بوده و نشان می‌دهد مدل ارائه شده قادر است به خوبی هدف تحقیق را برآورده سازد. آنالیز حساسیت مدل نسبت به متغییرهای ورودی با استفاده از روش Statsoft صورت گرفت و تغییرات ضریب حساسیت بین 76/0 و 2/1 بدست آمد که نشان می‌دهد بیشترین تأثیر بر مدل توسط پارامترهای هدایت الکتریکی و PH و کمترین تأثیر توسط سدیم اعمال می‌گردد.

مقدمه

استان اصفهان در منطقه خشک و نیمه خشک قرار دارد و به علت خشکسالی در چند سال اخیر, استفاده از آبهای زیرزمینی[1] برای کشاورزی و تأمین آب شرب شهرها و روستاها اهمیت بسیار زیادی یافته است. آلودگی منابع آب زیرزمینی به نیترات ( ) در حال حاضر یکی از مهمترین مسائل زیست محیطی و پارامتر مؤثر در کشاورزی پایدار بوده است. نیترات به عنوان عمده‌ترین شکل نیتروژن، بطور مستقیم و یا غیر مستقیم و در اثر تجزیه و تغییرات بیوشیمیایی ترکیبات مختلف معدنی و آلی به خاک اضافه شده است. این ماده یکی از عناصر بسیار ضروری برای سنتز پروتئین در گیاهان است و نقش مهمی را در چرخه نیتروژن دارد. نیترات از طریق اکسیداسیون طبیعی تولید و بنابراین در تمام محیط زیست یافت شده است.

فاضلاب‌های[2] شهری، صنعتی، مواد دفعی حیوانی و گیاهی در شهرهای بزرگ که دارای نیتروژن آلی هستند در خاک دفع گردیده است. بر اثر فعالیت میکروارگانیزم‌های[3] خاک، نیتروژن آلی به یون آمونیوم       ( ) تبدیل شده که به این پدیده آمونیاک سازی[4] گفته می‌شود. خاک توانائی نگهداری این ترکیب را در خود دارد اما به مرور طی پدیده دیگری به‌نام نیترات سازی[5]، بخشی از یون آمونیوم ابتدا به نیتریت ( ) و سپس به نیترات ( ) تبدیل شده است. لایه سطحی خاک قادر به حفظ و نگهداری این دو ترکیب نبوده و در نتیجه نیتریت و نیترات به آب‌های زیرزمینی راه یافته­اند. از آنجایی که نیترات در آب به‌ صورت محلول است, روش‌های معمول تصفیه آب قادر به حذف آن نیستند از این رو نیاز به آن دسته از روش‌های تصفیه پیشرفته بوده که قادر به کاهش آلاینده‌های محلول باشند.

نیتریت حاصل از احیاء نیترات معدنی و آلی پس از ورود به سیستم گردش خون، آهن هموگلوبین[6] را اکسید نموده و از ظرفیت II به ظرفیت III تبدیل نموده که در نتیجه هموگلوبین به متا‌هموگلوبین[7] تبدیل شده است. متا‌هموگلوبین ظرفیت اکسیژن‌رسانی بسیار کمتری از هموگلوبین دارد و در نتیجه به بافت‌ها اکسیژن کافی نمی‌رسد. بعد از مدتی رنگ پوست (در ناحیه دور چشم و دهان) تیره شده و از این‌رو به آن سندرم Blue Baby می‌گویند. این عارضه اولین نشانه مسمومیت با نیترات است و نوزادان زیر شش ماه، آسیب‌پذیرترین گروه سنی در این مورد هستند. زیرا نوزادان برخلاف بزرگسالان، علاوه بر PH بالای معده و زیادی باکتری‌های طبیعی احیاء کننده نیترات، فاقد آنزیم برگشت‌دهنده متا‌هموگلوبین به هموگلوبین هستند. از دیگر علائم افزایش متا‌هموگلوبین می‌توان به سردرد، خواب‌آلودگی و اشکال در تنفس اشاره نمود.

احتمال اینکه نیترات معدنی و یا آلی به‌عنوان یک عامل سرطان‌زا عمل نمایند، بستگی به احیاء نیترات به نیتریت و واکنش‌های بعدی نیتریت با سایر مولکول‌ها به‌خصوص آمین‌های نوع دوم، آمیدها و کاربامات‌ها دارد, که منجر به تشکیل ترکیبات N- nitroso گردیده است. مطالعات انجام شده در کلمبیا نشان داده که رابطه معنی‌داری بین شیوع سرطان معده و غلظت نیترات در آب آشامیدنی برداشت شده از چاه‌ها وجود دارد. مطالعات دیگر در دانشگاه نبراسکا نشان داده که رابطه معنی‌داری بین غلظت نیترات آب و افزایش شیوع یک نوع سرطان سیستم لنفاتیک در ساکنین شهر نبراسکا وجود دارد به این ترتیب که غلظت بالاتر از حد مجاز نیترات در آب آشامیدنی سبب افزایش شیوع این نوع سرطان به میزان دو برابر گردیده است. در واقع داده‌های موجود برای اظهارنظر قطعی کافی نیستند, اما ثابت شده است که ترکیبات  N-nitroso در حیوانات آزمایشگاهی سرطان‌زا بوده­اند.

با عنایت به مطالب فوق و وسعت زیاد مناطق کشاورزی موجود در سطح استان اصفهان و همچنین استفاده بی­رویه از کودهای شیمیایی مخصوصاً کودهای نیتروژن‌دار در منطقه و بهره­گیری از آبهای زیرزمینی برای مصارف عمومی و کشاورزی, بررسی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی منطقه بسیار مهم و ضروری می‌باشد. از طرف دیگر اندازه‌گیری مستمر نیترات مستلزم صرف وقت و هزینه بالایی بوده و نیازمند دستگاه ‌اندازه‌گیری ویژه می‌باشد لذا در این تحقیق سعی شده است با استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی[8] و الگوریتم ژنتیک[9] و تنها با بهره‌گیری از پارامترهای کیفی متداول نظیر سدیم ( )، پتاسیم ( )، کلسیم   ( )، منیزیم ( )، بی‌کربنات ( )، سولفات ( )، کلر ( )، پ-‌ هاش ( )، هدایت الکتریکی[10] ( )، سختی کل[11] ( ) و نسبت جذبی سدیم[12] ( ) به پیش‌بینی مقدار نیترات در آب‌های زیرزمینی منطقه پرداخته شود. اهداف این تحقیق بطور خلاصه شامل موارد ذیل است :

– مدل­سازی مقدار نیترات در آبهای زیرزمینی استان اصفهان با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک

– آنالیز حساسیت مدل پیشنهاد شده نسبت به هر یک از داده‌های ورودی

– بررسی توزیع مکانی و زمانی آلودگی نیترات در آبهای زیرزمینی در منطقه

– مقایسه مقادیر نیترات در آبهای زیرزمینی منطقه با استانداردهای جهانی

 

به طور کلی نتایج حاصل از این تحقیق در مسائل مدیریتی و برنامه‌ریزی, توصیه‌های بهداشتی و زیست محیطی، استفاده از آبهای زیرزمینی برای مصارف کشاورزی, صنعتی, انسانی و دامی و مدیریت منابع آب شهری و روستایی بسیار مفید بوده است.

1-2 نیتروژن (ازت)

نیتروژن یکی از عناصری است که در طبیعت و در سطح گسترده پراکنده بوده و بعد از پوسته زمین و سنگ‌ها, اتمسفر بزرگترین مخزن آن به شمار می‌رود. منبع اصلی نیتروژنی که بوسیله گیاهان استفاده می‌شود گاز نیتروژن است که 87 درصد هوا را تشکیل می‌دهد. در خاک نیتروژن عنصری پویا است که بین هوای خاک و موجودات زنده در گردش می‌باشد (ملکوتی, 1373)

نیتروژن موجود در اتمسفر در اثر تثبیت بیولوژیکی بوسیله جلبک‌های سبز- آبی و میکروارگانیسم‌های همزیست و غیرهمزیست به خاک افزوده شده و به عنوان مهمترین تأمین کننده‌ طبیعی نیتروژن خاک به حساب آورده شده است. از دیگر منابع نیتروژن، تجزیه مواد آلی و بقایای حاصل از پوشش گیاهی[13] و کودهای آلی بوده است. همچنین مقداری نیتروژن معدنی موجود در محیط به وسیله بارندگی به خاک اضافه شده است که مقدار آن بستگی به مقدار بارندگی و نیز آلودگی هوای منطقه به گازهای نیتروژن‌دار دارد. ولی در کل، این مقدار نسبت به نیتروژن اضافه شده به خاک در اثر تجزیه موادآلی حاصل از پوشش‌های گیاهی، زیاد نیست.

افزوده شدن نیتروژن به خاک در اثر تخلیه فاضلاب‌های شهری و صنعتی در چاه‌های جذبی و استفاده بی‌رویه از کودهای شیمیایی برای کشاورزی از مهمترین عوامل تأثیرگذار بر آلودگی نیتراتی بوده که متأسفانه در چند دهه اخیر بدون توجه به اثرات آنها بر خصوصیات خاک‌ها، محصولات کشاورزی و بویژه آلودگی محیط زیست مصرف کودهای نیتروژن‌دار به طرز چشمگیری افزایش یافته است. ورود مقدار زیاد نیترات به خاک, به طور مستقیم و یا تبدیل از سایر منابع در نتیجه فرآیندهای نیترات سازی, باعث بروز مشکلات زیست محیطی می‌گردد. نیترات مانند کلوییدهای[14] خاک دارای بار منفی بوده و به راحتی بوسیله آب باران یا آبیاری به آبهای سطحی و زیرزمینی انتقال می‌یابد. همچنین راهیابی ترکیبات نیتروژن همراه فسفات‌ها به دریاچه‌ها و دریاها باعث غنی شدن آب آنها و در نتیجه رشد بی رویه گیاهان آبزی شده و به مرور زمان باعث کمبود اکسیژن محلول در آب شده  و مرگ موجودات آبزی را به همراه دارد.

آبهای زیرزمینی از ذخایر مهم آب در طبیعت هستند که از طریق حفر چاه‌های عمیق و نیمه عمیق, چشمه‌ها و قنوات مورد بهره برداری قرار گرفته­اند. حدوداً 97 درصد از کل آبهای شیرین[15] کره زمین به صورت آبهای زیرزمینی, ذخیره شده و فقط 3 درصد آن را آبهای سطحی[16] تشکیل داده­اند (ناصری, 1387). منابع آب زیرزمینی اغلب دارای کیفیت خوب و تقریباً ثابت و بهره برداری از آنها آسان است و از پیشامدهای طبیعی و اقلیمی مانند سیل و خشکسالی, تأثیرپذیری کمتری دارند. بنابراین بهره برداری از آنها در مقایسه با سایر منابع دارای برتری بوده است. در حال حاضر در جهان حدود 60 درصد آب آشامیدنی, 15 درصد مصارف خانگی و20 درصد آب آبیاری از منابع آب زیرزمینی تأمین شده است. در ایران حدود 75 درصد آب شهری و بیش از 50 درصد آب کشاورزی از این منابع زیرزمینی بدست آمده است. در 20 سال اخیر حجم آب بهره‌برداری شده از این منابع به سه برابر افزایش یافته است (شمسایی, 1377).  آبهای زیرزمینی در مناطق خشک مانند ایران سهم بسیار زیادی در تأمین آب آشامیدنی و کشاورزی دارند و استان اصفهان نیز در منطقه خشک و نیمه خشک قرار داشته و از این قاعده مستثنی نبوده و به علت خشکسالی در چند سال اخیر, استفاده از آبهای زیرزمینی برای کشاورزی و تأمین آب شرب شهرها و روستاهای استان, اهمیت بسیار زیادی یافته است.

بیشترین خطری که آینده بهره برداری از منابع آبهای زیرزمینی را تهدید می‌کند، آلودگی این منابع توسط مواد زیان آوری است که انسان به طور عمد و یا غیر عمد, در نتیجه سهل انگاری و ناآگاهی وارد محیط‌های طبیعی ساخته است. یکی از مهمترین عوامل آلوده کننده این آبها, نیترات ناشی از فعالیت‌های کشاورزی بوده است. آلودگی آبهای زیرزمینی از طریق اضافه شدن نیترات از منابع مختلف و آبشویی[17] از خاک ایجاد می‌شود و در حال حاضر از مباحث مهم زیست محیطی بوده است. به دلیل خطرهای زیادی که مصرف آبهای زیرزمینی آلوده برای گیاه, انسان و دام به همراه دارد, شناسایی منابع آبهای آلوده و عوامل آلودگی آنها ضروری است. غلظت بالای نیترات در خاک و آب آبیاری باعث تجمع نیترات در گیاه می‌شود که می‌تواند برای انسان و دام مصرف کننده, خطرناک باشد. ورود نیترات زیاد به بدن انسان و دام باعث اختلال در انتقال اکسیژن بوسیله خون (بیماری متا‌هموگلوبینمیا) و سرطان‌های دستگاه گوارش شده است. همچنین استفاده از آبهای آلوده به نیترات در صنعت باعث وارد آمدن صدمات زیادی به وسایل و دستگاه‌های صنعتی شده است (لطیف, 1381).

نیتروژن عنصری مهم و حیاتی برای گیاهان به شمار می‌رود که عرضه آن به وسیله انسان قابل تنظیم است. نیتروژن عمدتاً به صورت نیترات ( ) و در شرایط احیایی مقداری نیز به شکل آمونیوم ( ) جذب گیاه می‌گردد. نیترات ورودی به درون گیاه با مصرف انرژی حاصل از فتوسنتز و با دخالت آنزیم‌های احیاء کننده به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می‌گردد. نیتروژن آمونیاکی با کربن ترکیب و اسید گلوتامیک را می‌سازد. این اسید نیز به نوبه خود به بیش از 100 نوع اسید آمینه تبدیل می‌گردد. اسیدهای آمینه مختلف از طریق زنجیره پپتیدی با یکدیگر پیوند حاصل کرده و پروتیین‌هایی که در سلول‌های گیاهی به وجود می‌آیند اکثراً جزء ساختمان آن نبوده بلکه به عنوان آنزیم‌ها در امر سوخت و ساز گیاه دخالت می‌نمایند.

نیتروژن علاوه بر شرکت در ساختمان پروتئین‌ها قسمتی از کلروفیل را نیز تشکیل می‌دهد. لذا کمبود نیتروژن سبب زرد شدن برگ‌های پیر و در نهایت توقف رشد گیاه می‌گردد. از سوی دیگر، پیامد مصرف زیاد نیتروژن، رویش بیش از حد گیاه و به رنگ سبز تیره در آمدن برگ‌ها است. ممکن است زیادی نیتروژن خاک در صورتی که مقدار سایر عناصر غذایی کم باشد دوره رشد گیاه را طولانی‌تر کرده و رسیدن محصولات را به تأخیر اندازد. عرضه نیتروژن با مصرف کربوهیدرات‌ها رابطه معکوس دارد. هنگامی ‌که نیتروژن به مقدار کافی در دسترس گیاه نباشد, انباشتگی کربوهیدرات‌ها در سلول‌های رویشی سبب افزایش ضخامت آنها می‌گردد. چنانچه نیتروژن اضافی به گیاه رسیده و شرایط رشد نیز مناسب باشد کربوهیدرات‌ها صرف ساختن پروتئین شده و به همین خاطر آب بیشتر جذب پروتوپلاسم گیاه گشته و در نتیجه گیاه ترد و شکننده می‌شود. مقدار نیتروژن در اندام‌های گیاهی بعد از آب, اکسیژن و هیدروژن حداکثر بوده و همچنین نخستین عنصر غذایی است که کمبود آن در خاک‌های مناطق خشک ونیمه خشک مطرح می‌شود, در این مناطق مقدار مواد آلی خاک عمده‌ترین منبع ذخیره نیتروژن محسوب می‌شود به دلایلی از جمله، بارندگی اندک، نبود تناوب زراعی مناسب، دمای زیاد, رطوبت نسبی پایین، پوشش گیاهی ناچیز و میانگین مصرف کم کودهای حیوانی و کود سبز اندک است (ملکوتی, 1373).

 

1-3 عوامل مؤثر در مقدار نیتروژن خاک

در شرایط طبیعی نیتروژن خاک در سطح ثابتی به تعادل می‌رسد. بزرگی این سطح بستگی به عواملی چون آب و هوا، نوع پوشش گیاهی, نوع کاربری اراضی, خواص فیزیکی خاک و فعالیت موجودات ذره‌بینی گیاهی و حیوانی دارد (سالاردینی, 1374)

ینی در طول سالهای 1928 تا 1940 تحقیقاتی در زمینه روابط بین مقدار نیتروژن خاک و عوامل تشکیل دهنده خاک یعنی آب و هوا، پوشش گیاهی، پستی و بلندی اراضی، جنس سنگ مادر و زمان انجام داده است. بر اساس اطلاعات بدست آمده، اهمیت عوامل تشکیل دهنده خاک در تعیین مقدار نیتروژن خاکهای متوسط کشاورزی و جنگلی مطابق رابطه زیر است:

زمان< سنگ مادر = پستی و بلندی < پوشش گیاهی < اقلیم

1-3-1 اقلیم

اقلیم یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین کننده وجود گونه‌های خاص گیاهی بوده و مقدار ماده گیاهی تولید شده و شدت فعالیت‌های میکروبی در خاک به آن وابسته است و در نتیجه عامل مؤثری در تجمع نیتروژن در خاک می‌باشد.

پراکندگی نیتروژن در پروفیل خاک نیز تابع نوع خاک می‌باشد. اگرچه در تمام خاک‌ها مقدار نیتروژن در لایه سطحی بیشتر از اعماق است ولی تغییرات نیتروژن در عمق، از خاکی به خاک دیگر متناوب می‌باشد.

تأثیر رطوبت در تجمع نیتروژن در خاک بیشتر بواسطه تأثیری است که این عامل بر روی رشد گیاه و تولید بیشتر مواد خام گیاهی دارد که می‌تواند در ساخت هوموس خاک مؤثر باشد.

مطالعات کلاسیک ینی[18] در مورد تجمع نیتروژن و رابطه آن با اقلیم بسیار جالب توجه است و نشان می‌دهد که درصد نیتروژن خاک تابعی از درجه حرارت است. به عقیده ینی اثر درجه حرارت بیشتر از جهت تأثیر این عامل در فعالیت موجودات ذره بینی خاک بوده است. زیرا در بیشتر مناطق رشد و نمو گیاهان و چمن‌ها و همچنین تجمع موادآلی تفاوت چندانی نداشتند.

 

1-3-2 پوشش گیاهی

تأثیر نوع پوشش گیاهی در مقدار نیتروژن خاک بیشتر از مقدار مواد گیاهی است. زیرا عامل دوم خود تابع عوامل دیگر از جمله رطوبت و درجه حرارت می‌باشد.

خاک‌هایی که تحت پوشش گیاهان با ریشه فراوان هستند معمولاً دارای مقدار بیشتری مواد آلی و نیتروژن می‌باشند. چون پوشش گیاهی تابعی از شرایط اقلیمی است لذا تأثیر این عوامل را در تجمع نیتروژن خاک نمی‌توان دقیقاً روشن کرد (سالاردینی, 1374)

 

1-3-3 پستی و بلندی

پستی و بلندی خاک در مقدار نیتروژن خاک از آن جهت مؤثر است که این عامل می‌تواند در اقلیم منطقه‌ای، جریان آب سطحی، تبخیر و تعرق[19] گیاه مؤثر باشد. شدت شیب، طول و جهت شیب و ترکیب آن در شدت این تأثیر دخالت دارند.

 

1-3-4 خواص فیزیکی و شیمیایی خاک

در شرایط آب و هوایی مساوی، با پوشش گیاهی و پستی و بلندی ثابت، مقدار نیتروژن در خاک تابع بافت خاک است. مقدار ازت موجود در خاک‌های رسی بیش از خاکهای لومی و در خاک‌های لومی نیز بیشتر از خاک‌های شنی می‌باشد. علت این امر مربوط به قدرت نگهداری بیشتر نیتروژن معدنی به وسیله رس‌ها است. مواد آلی خاک نیز به نوبه خود با ذرات رس تولید کمپلکس‌های آلی معدنی می‌کنند که در مقابل اکسیداسیون به وسیله موجودات ذره بینی مقاومت زیادی دارند (ملکوتی, 1373)

جنس کانی‌های رسی نیز در مقدار نیتروژن خاک مؤثر است. خاکهایی که دارای رس گروه مونت موریلونیت[20] هستند می‌توانند نیتروژن معدنی خاک را به صورت تبادلی و یا تثبیت شده نگه‌دارند و در نتیجه به آسانی به مصرف موجودات ذره بینی خاک نمی‌رسد.

 

1-3-5 فعالیت موجودات ذره بینی

همانند سایر عوامل، اثر موجودات ذره بینی خاک نیز مستقل نمی‌باشد. واکنش خاک، نوع و تراکم پوشش گیاهی، رطوبت، حرارت، بافت و نفوذ پذیری خاک در تعیین نوع، مقدار و پراکندگی این موجودات اثر دارند. از این رو نمی‌توان اثرات این عامل را جدا از عوامل دیگر به دقت مورد مطالعه قرار داد.

 

1-4 شکل‌های نیتروژن در خاک

نیتروژن در خاک به سه صورت عنصری، معدنی و آلی وجود دارد. نیتروژن عنصری به صورت گاز و جزء ترکیبات هوا در خاک وجود دارد و با نفوذ آب به خاک این عنصر در رطوبت خاک حل می‌شود. در خاک خشک نیتروژن عنصری می‌تواند به سطح ذرات خاک متصل شود. نیتروژن عنصری اصولاً از نظر حاصلخیزی اهمیت زیادی ندارد زیرا اولاً نمی‌تواند مورد استفاده مستقیم گیاهان قرار گیرد و ثانیاً همیشه به مقدار زیاد، در دسترس موجودات ذره بینی تثبیت کننده نیتروژن می‌باشد (سالاردینی, 1374).

 

1-4-1 نیتروژن معدنی خاک

نیتروژن معدنی خاک به صورت اکسیدنیترو ( )، اکسید نیتریک ( )، دی اکسید نیتروژن ( )، آمونیاک ( )، یون آمونیوم ( )، نیتریت ( )، و بالاخره نیترات ( ) وجود دارد.

چهار ترکیب اول به صورت گاز می‌باشند و مقدار آنها آنقدر ناچیز است که هم اندازه‌گیری آنها مشکل است و هم قادر به تأثیر در زندگی گیاهی نمی‌باشند. سه ترکیب بعدی از نظر تغذیه گیاهی مهم می‌باشند. آمونیوم معمولاً به صورت یونی به شکل قابل تبادل و تثبیت شده مشاهده می‌شود. مقدار کمی نیز در محلول خاک وجود دارد. تقریباً تمام نیتریت و نیترات در محلول خاک حل شده‌اند (محمدی, 1366). اصولاً مجموعه سه ترکیب معدنی آمونیوم، نیتریت و نیترات از 2 درصد نیتروژن کل خاک تجاوز نمی‌کند. شرایط آب و هوایی در تعیین مقدار نیتروژن معدنی خاک بسیار مهم می‌باشد. در اقلیم معتدل مرطوب در فصل زمستان نیتروژن همراه آب در نیمرخ خاک حرکت می‌کند و به اعماق می‌رود. در فصل تابستان که میزان تبخیر و تعرق بیشتر از میزان بارندگی است این حرکت مشاهده نمی‌شود مگر در مواقع استثنایی که بارندگی شدید واقع شود. بنابراین در این شرایط آب و هوایی مقدار نیتروژن در زمستان کم، در بهار کمی بیشتر و در تابستان حداکثر می‌باشد و با بارندگی‌های پاییزی مقدار آن دوباره کاهش می‌یابد (سالاردینی, 1374).

در آب و هوای مدیترانه‌ای که میزان بارندگی به تدریج از بهار تا پاییز کاهش می‌یابد مقدار نیتروژن معدنی تا آخر تابستان همچنان تشکیل می‌شود و حداکثر آن در ماه‌های شهریور و مهر مشاهده می‌شود.

در اقلیم استوایی بطور کلی مقدار نیتروژن معدنی خاک بیشتر تابع بارندگی است تا درجه حرارت. در طول فصل خشک نیترات در خاک تجمع حاصل می‌کند و گاهی به 100 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک یا بیشتر هم می‌رسد. با ظهور فصل بارانی مقدار نیتروژن معدنی خاک به سرعت و گاهی کاملاً شکسته می‌شود.

در شرایط اقلیم صحرایی معدنی شدن نیتروژن زیاد نمی‌باشد. در سیاه‌خاک‌های روسیه (خاک‌های سرشار از مواد آلی) در بهار تقریباً 5 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک است و به تدریج در طول بهار و تابستان زیادتر شده و در آخر تابستان به حداکثر خود در حدود 40 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک می‌رسد. علت وجود مقدار زیاد نیتروژن معدنی در سیاه‌خاک، وجود مواد آلی فراوان آنها می‌باشد که حتی در شرایط خشک استپ‌های روسیه نیز در فصل تابستان معدنی شدن نیتروژن همچنان ادامه دارد. در سایر خاکهای نواحی خشک نیز معدنی شدن نیتروژن به آهستگی انجام می‌شود و زیاد بودن نیتروژن محلول در سطح این خاکها به خاطر کم بودن شستشوی نیتروژن در این اقلیم است. در مزارعی که آبیاری می‌شوند مقدار نیتروژن محلول خاک تابع مقدار آب و روش آبیاری است. در زمانی که گیاه روی زمین است و آبیاری ادامه دارد، تجمع نیتروژن محلول در خاک صورت نمی‌گیرد ولی پس از برداشت محصول و قطع آبیاری مقدار نیتروژن محلول حتی تا 200 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌رسد.

کشت برنج به صورت غرقابی در اقلیم خشک نظمی را که قبلاً در مورد نیتروژن معدنی خاک در نواحی خشک گفته شد به هم می‌زند. در برنجزارها حالت غیر هوازی در تمام خاکها مشاهده می‌شود و بنابراین نیتراتی شدن صورت نمی‌گیرد در حالی که آمونیاکی شدن با سرعت زیاد همچنان ادامه می‌یابد. نیترات در این خاکها در طول رشد گیاه تشکیل نمی‌شود و نیترات موجود در خاک نیز احیاء می‌شود و از دست می‌رود. در ابتدای رشد میزان نیتروژن آمونیاکی خاک زیاد شده و حتی تا 800 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک هم می‌رسد. در طول رشد گیاه در نتیجه مصرف گیاه مقدار آن کم و گاهی ناچیز می‌شود. بعد از خشک شدن خاک شرایط طبیعی نیتراتی شدن دوباره پیش می‌آید.

پوشش گیاهی و روش‌های کشت و کار نیز در مقدار نیتروژن معدنی خاک مؤثرند. اصولاً در نواحی معتدل مقدار نیتروژن خاک در زمان رویش گیاه کم می‌شود. بعد از برداشت گیاهان یک ساله و در طول پاییز معدنی شدن مواد آلی خاک به تدریج باعث افزایش نیتروژن محلول خاک می‌شود. پوسیدگی ریشه، ساقه، کاه و سایر باقیمانده‌های گیاهی نیز در معدنی شدن نیتروژن آلی موثر است.

خاکهایی که زیر پوشش چمن هستند همیشه از نظر نیتروژن معدنی فقیر می‌باشند. مقدار نیتروژن کانی در آنها در حدود 5 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک است و به ندرت ارقامی‌بالاتر از این گزارش شده است. علت کم بودن نیتروژن معدنی و زیاد بودن نیتروژن آلی خاکهای چمنزار را می‌توان وجود تراکم فوق العاده ریشه و نیاز زیاد این گیاهان به نیتروژن دانست (سالاردینی, 1374).

 

1-4-2 نیتروژن آلی خاک

بیش از 95 درصد نیتروژن خاک به شکل آلی است. از این رقم 20-40 درصد به گونه ترکیبات پروتئینی (مشتقات اسیدهای آمینه) و 5-10 درصد به صورت قندهای آمینه و ترکیبات گلوکز آمین بوده و بقیه که هنوز چندان شناخته نشده‌اند، در قالب ترکیبات لیگنینی و آمونیومی همراه با مواد کربنی یافت می‌شوند (سالاردینی, 1367).

بیش از 40 درصد نیتروژن خاک که به صورت ترکیبات اسیدها و قندهای آمینه، مجموعه پورین و پریمیدین می‌باشند به سرعت تجزیه می‌شود. در حالی که تجزیه مواد آلی دیگر خاک به دشواری و با مقاومت زیاد انجام می‌گیرد.

معدنی شدن طی سه مرحله گام به گام مطابق واکنش‌های زیر یعنی آمینه شدن، آمونیاک سازی و نیتریتی شدن انجام شده و نهایتاً در مرحله چهارم تبدیل به نیترات می‌گردد. دو مرحله اول با کمک موجودات دگرساز و مرحله سوم به وسیله باکتری‌های خودساز تحقق می‌یابد.

 

1) آمینه شدن

 

2) آمونیاک سازی

 

3) نیتریتی شدن

 

4) نیتراتی شدن

انجام واکنش‌های دوم و سوم نیاز به اکسیژن مولکولی دارد. بنابراین فعل و انفعالات مزبور تنها در خاک‌هایی که دارای تهویه مناسب هستند انجام پذیرفته و عواملی مانند تراکم یون آمونیوم، جمعیت موجودات نیترات ساز، تهویه، رطوبت خاک و نسبت کربن به نیتروژن در مقدار نیترات مؤثر می‌باشند. ذکر این نکته الزامی است که تحت شرایط مطلوب، سالانه فقط 1 تا 4 درصد از کل نیتروژن خاک معدنی می‌شود (ملکوتی, 1373).

1-5 منابع تأمین نیتروژن

 

1-5-1 منابع طبیعی نیتروژن

الف – موادآلی خاک

منبع اصلی نیتروژن برای گیاهان، مواد آلی خاک است که در واقع باقیمانده حیوانی و گیاهی قبلی است که به طور طبیعی و یا در نتیجه عمل انسان به خاک داده شده است. معمولاً نیتروژن آلی خاک تبدیل به نیتروژن آمونیاکی و بعد نیتریتی و بالاخره نیتراتی می‌شود و تحت تأثیر همان عوامل و شرایطی قرار می‌گیرد که نیتروژنی که از خارج داده شده است قرار خواهد گرفت. تحت شرایط آزمایشگاهی وقتی که گیاهی وجود نداشته باشد و تلفات از طریق شستشو نیز ملاحظه نشود تقریباً 5 تا 10 درصد نیتروژن آلی خاک در مدت شش ماه به نیتروژن نیتراتی تبدیل می‌شود.

 

ب- بقایای محصول و کود دامی

در کشت و کار صحیح بایستی مقدار قابل توجهی از نیتروژنی را که به وسیله گیاه از خاک خارج می‌کنند با افزودن کودهای آلی و باقیمانده‌های گیاهی به خاک برگردانند. در مورد غلات اگر کاه از زمین برداشت نشود این قسمت از باقیمانده گیاهی و ریشه‌های آن 20 درصد نیتروژنی را که گیاه از خاک خارج کرده است به آن برمی‌گرداند. این رقم به هر حال تابع نوع محصول، شرایط محیطی، عملکرد محصول و سطح نیتروژنی است که گیاه در آن کاشته شده است.

 

ج- آب باران و آبیاری

آب باران دارای مقداری نیتروژن آمونیاکی و اسید نیتریک می‌باشد. همچنین مقداری نیتروژن آلی نیزدر آن به صورت سلول‌های موجودات زنده و ذرات غبار وجود دارد. نیتروژن آمونیاکی حدود 70 درصد نیتروژن آب باران را تشکیل می‌دهد. آمونیاک اکثراً از مناطق صنعتی که سازنده یا استفاده کننده آمونیاک هستند یا در نتیجه سوخته شدن زغال سنگ تأمین می‌شود. بدیهی است که مقداری آمونیاک نیز بر اثر واکنش‌های شیمیایی بویژه ناشی از مصرف کودهای شیمیایی از خاک به هوا متصاعد می‌شود و با باران به زمین بر می‌گردد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در مناطق صنعتی 56 تا 75 کیلوگرم در هکتار در سال گاز آمونیاک به وسیله بعضی از خاکها جذب می‌گردد (ملکوتی, 1373).

مقدار کل نیتروژنی که از طریق بارندگی به سطح خاک می‌رسد متغیر است که این خود بستگی به شرایط منطقه دارد. در نواحی روستایی این مقدار بسیار ناچیز (یک کیلوگرم در هکتار در سال) ولی در نواحی نزدیک مراکز صنعتی حداکثر (57 کیلوگرم در هکتار در سال) می‌باشد (سالاردینی, 1374).

آب آبیاری معمولاً دارای مقدار جزئی نیتروژن می‌باشد. بطور کلی مقدار این نیتروژن ناچیز است مگر در آبهایی که از شوره زارهای نیتراتی سرچشمه گرفته باشند. این آبها در نواحی خشک می‌توانند در افزودن نیتروژن به خاک مؤثر باشند ولی در نواحی مرطوب به ندرت آبی با نیتروژن قابل توجه می‌توان یافت.

 

د- جذب نیتروژن از هوا

گرچه در سالهای 1850 پیشنهاد شده بود که خاک قادر است سالیانه بین 10 تا 40 کیلوگرم در هکتار نیتروژن را جذب کند ولی تشخیص این مورد که آیا واقعاً این نیتروژن بوسیله ذرات خاک تثبیت یافته یا به وسیله میکروب‌های خاک  از هوا جذب شده است، مشکل بوده است.

برطبق نظریه اینگهام[21] (1940) یک خاک خوب شخم خورده در مدت 12 ماه قادر است آنقدر نیتروژن از هوا جذب کند که نیاز یک محصول ذرت را برآورده کند. خاک مرطوب قادر است مقدار قابل توجهی نیتروژن را به صورت آمونیاک جذب کند و این نیتروژن بلافاصله بوسیله باکتری‌های خاک بخصوص نیتروزوموناس یا به وسیله گیاهان جذب شود و خاک را برای جذب مجدد آزاد گذارد. بهر حال جذب نیتروژن بوسیله ذرات خاک از اتمسفر می‌تواند در بعضی نقاط مهم باشد ولی اصولاً تلفات نیتروژن خاک به حدی است که جز با اضافه کردن کود شیمیایی و آلی نمی‌توان کمبود ازت خاک را جبران کرد.

 

1-5-2 تثبیت زیستی نیتروژن

الف – تثبیت توسط موجودات غیر همزیست

از سال 1895 که وینو گرادسکی توانست یک باکتری غیر همزیست (آزادزی) تثبیت کننده نیتروژن را به نام کلوستریدیوم[22] کشف کند تاکنون تعداد بسیار زیادی موجودات ذره بینی آزادزی کشف شده‌اند که قادر به انجام عمل مشابهی می‌باشند. مهم‌ترین این موجودات باکتری‌های جنس ازتوباکتر[23], جلبکهای سبز نوستوک[24] و آنابنا[25] می‌باشند (سالاردینی, 1374).

 

ب- تثبیت به وسیله باکتری‌های همزیست

در این فرایند که با دخالت گیاه میزبان، باکتری قادر به انجام عمل تثبیت نیتروژن می‌باشد، می‌توان از همکاری باکتریهای گروه ریزوبیوم[26] مخصوصاً با خانواده بقولاتن نام برد. البته تمام گونه‌های این خانواده نیز نمی‌توانند این عمل را انجام دهند. این گروه باکتریها نیز دگرساز هستند و کربن مورد نیاز خود را از گیاه میزبان می‌گیرند، بر خلاف گروه غیر همزیست که کربن را از ماده آلی خاک تأمین می‌کردند. تثبیت نیتروژن در هر دو خانواده بقولات و غیر بقولات تحقق می‌یابد که در مورد گیاهان خانواده بقولات باکتری تثبیت کننده نیتروژن از جنس ریزوبیوم بوده و محل تثبیت نیتروژن در داخل غده‌های روی ریشه[27] گیاهان میزبان می‌باشد و در مورد گیاهان غیر بقولات به جای باکتری، اکتینومیست‌ها[28] از جنس فرانکیا[29] می‌باشند که محل تثبیت نیتروژن روی غده‌های ریشه قرار دارد (ملکوتی, 1373).

مقدار نیتروژنی که یک هکتار محصول از خانواده بقولات می‌تواند در سال به خاک بیفزاید، ممکن است حتی تا 300 کیلوگرم یا در بعضی موارد بیشتر باشد. عواملی که مقدار تثبیت شده را تعیین می‌کنند عبارتند از گونه گیاه، تراکم بوته، رقابت علف‌های هرز، شرایط آب و هوایی، قدرت نژاد باکتری‌ها، PH محیط و وضعیت عناصر غذایی خاک بخصوص مقدار نیتروژنی که خاک در اختیار باکتری‌ها می‌گذارد. معمولاً میزان تثبیت رابطه عکس با مقدار نیتروژن قابل جذب خاک دارد (سالاردینی, 1374)

 

تعداد صفحه : 170

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09199970560        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید