سبزیجات؛ بازیافت مواد مغذی از ضایعات مواد غذایی

پایگاه خبری DA1news: سبزیجات باغات شهری فرصتی را برای بازیافت مواد مغذی از ضایعات مواد غذایی به سیستم غذایی انسان از طریق استفاده از کمپوست فراهم می کنند.

اتکا به کمپوست برای حاصلخیزی خاک می‌تواند منجر به ورودی‌های فسفر اضافی (P) شود که می‌تواند در خاک باغ جمع شود و به طور بالقوه از طریق شیرابه یا رواناب صادر شود. ما نتایج یک آزمایش 7 ساله در یک باغ تحقیقاتی پردیس را گزارش می‌کنیم که در آن زمین‌های باغی با بستر بلند تکراری کمپوست مبتنی بر کود یا کمپوست شهری دریافت می‌کردند که با نرخ بالاتری برای برآوردن نیاز نیتروژن گیاهی یا نرخ پایین‌تری استفاده می‌شد.

پاسخگویی به تقاضای P محصول کرت های شاهد یا بدون ورودی خاک یا کود مصنوعی هدفمند دریافت کردند. تیمارهای ورودی بالاتر برای هر دو نوع کمپوست، غلظت فسفر موجود در خاک را به طور پیوسته افزایش می‌دهند، با افزایش متناظر در غلظت فسفات شیرابه. برای هر دو تیمار کمپوست ورودی بالاتر، تقریباً 30٪ از فسفر اضافه شده به عنوان کمپوست در محصولات برداشت شده در طی دوره 7 ساله بازیافت شد، در مقایسه با 88٪ در تیمارهای کمپوست با ورودی پایین تر. در هر دو تیمار کمپوست کود با ورودی بالا و کم، صادرات فسفر به عنوان شیرابه تقریباً 10٪ از کل ورودی فسفر را تشکیل می دهد،

در مقایسه با 4٪ برای کمپوست شهری. در طول دوره مطالعه 7 ساله، فسفر صادر شده به عنوان شیرابه از 0.8 گرم P/m2 در تیمارهای بدون ورودی تا 6.5 گرم P/m2 در تیمارهای کمپوست کود با ورودی بالاتر متغیر بود. این نتایج نشان می‌دهد که معاوضه اجتناب‌ناپذیر نیست، زیرا کاربردهای هدفمند کمپوست می‌تواند منجر به عملکرد بالا و صادرات شیرابه پایین شود.

1. معرفی
1.1 فرصت ها و چالش های ذاتی در بازیافت فسفر مشتق شده از کمپوست
اکوسیستم های شهری با جریان های بزرگ مواد و درجه پایین چرخه داخلی مشخص می شوند. بستن چرخه مواد مغذی در اکوسیستم های شهری به عنوان ضروری برای پایداری شناسایی شده است (برگر و همکاران، 2012؛ چیلدرز و همکاران، 2011). از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، دسترسی ژئوپلیتیکی به کودهای معدنی فسفات ممکن است تولید کشاورزی را در قرن آینده محدود کند (براونلی و همکاران، 2021، 2023)، و جریان‌های زباله شهری می‌توانند و باید به منابع مهم این ماده غذایی در آینده تبدیل شوند (بیکر، 2011؛ متسون و همکاران، 2022).
یکی از مسیرهای مهمی که از طریق آن شهرها ممکن است بازیافت فسفر (P) را گسترش دهند، از طریق کمپوست سازی زباله های آلی شهری و استفاده بعدی از این کمپوست در کشاورزی شهری و حومه شهری است. بسیاری از دولت های منطقه ای و ایالتی اهداف بلندپروازانه ای را اتخاذ کرده اند که انحراف زباله های آلی وارد شده به محل های دفن زباله را با هدف کاهش انتشار متان الزامی می کند (به عنوان مثال، قانون انحراف زباله کالیفرنیا، SB 1383)، که منجر به افزایش عرضه کمپوست تولید شده در مراکز شهری می شود.

بیش از یک سوم از 2 میلیون مزرعه در ایالات متحده در مناطق شهری واقع شده اند و این مزارع شهری و حومه شهری بیش از 35 درصد از تولید میوه و سبزیجات در کشور را تشکیل می دهند (Kaufman & Bailkey, 2000; Rogus & دیمیتری، 2014؛ اسمیت و همکاران، 1996؛ ایجاد پتانسیل برای بازیافت مواد مغذی در مقیاس بزرگ.

برخلاف زمین‌های کشاورزی جهانی که به‌طور متوسط، ذخایر فسفر خاک به آرامی در حال کاهش است (Alewell et al., 2020)، عوامل متعددی احتمالاً در ایجاد فسفر در خاک‌های زمین‌های کشاورزی شهری و حاشیه‌شهری نقش دارند. اولاً، حمل و نقل کمپوست انرژی بر و پرهزینه است و کاربرد آن را در شعاع محدودی از مناطق شهری محدود می‌کند (Harrison et al., 2020). جذب مقدار فسفر تامین‌شده توسط کل جریان زباله‌های آلی یک شهر، به مس

احتی از زمین کشاورزی چندین برابر بیشتر از ردپای جغرافیایی خود شهر نیاز دارد (متسون و بنت، 2015)، و بسته به آستانه‌های اقتصادی برای انتقال کمپوست، مقداری بزرگتر است. مناطق شهری ممکن است زمین کشاورزی مجاور کافی در دسترس نداشته باشند (Harrison et al., 2020). این محدودیت ممکن است منجر به استفاده بیش از حد از فسفر مبتنی بر کمپوست در مزارع در این شعاع شود، مشابه استفاده بیش از حد از کود حیوانی که در مزارع اطراف عملیات دام رایج است (Tarkalson & Mikkelsen، 2003؛ Whalen & Chang، 2001). دومین محدودیت بیوفیزیکی ناشی از این واقعیت است که کمپوست معمولاً نسبت نیتروژن: فسفر (N:P) پایینی نسبت به نیاز محصول دارد (کلینمن و همکاران، 2007، 2011؛ Mikkelsen & Bruulsema، 2005)، و در نتیجه، استفاده از کمپوست برای برآوردن تقاضای نیتروژن محصول منجر به ورودی‌های فسفر اضافی می‌شود.

سومین عاملی که به کاربرد بیش از حد کمپوست فسفر کمک می‌کند، درک بسیاری از سبزی‌کاران شهری است که نهاده‌های کمپوست بالا مفید و پایدار هستند. این تصور، همراه با فقدان عمومی بازدارنده‌های قانونی و اقتصادی در برابر استفاده بیش از حد از P، منجر به ورودی‌های فسفر در باغ‌های شهری با نرخ‌هایی 10 تا 100 برابر بیشتر از فسفر بازیابی شده توسط محصولات می‌شود (Abdulkadir و همکاران، 2015؛ متسون و بنت، 2015). ون د ولاساکر و همکاران، 2022).

یکی از پیامدهای بالقوه کاربرد بیش از حد طولانی مدت فسفر این است که فسفر اضافی موجود در گیاه را می توان از خاک به عنوان شیرابه یا رواناب سطحی خارج کرد که به طور بالقوه در اکوسیستم های آب شیرین حساس به مواد مغذی کمک می کند. در حالی که فسفر را می‌توان توسط کمپلکس‌های معدنی در خاک حفظ کرد، ورودی‌های فسفر بالا در درازمدت می‌تواند از ظرفیت خاک برای حفظ فسفر اضافی فراتر رود، که منجر به افزایش صادرات فسفر در آب زهکشی می‌شود، همانطور که در آزمایش یک قرنی برودبالک (Heckrath) مشاهده شد. و همکاران، 1995). تا به امروز، مطالعات بسیار کمی از دست دادن فسفر از شیرابه در سیستم‌های کشاورزی شهری را تعیین کرده‌اند (van de Vlasakker et al., 2022).

این مقادیر گزارش شده بسیار متغیر هستند و سه مرتبه بزرگی را در بر می گیرند و به طور پیوسته با نرخ ورودی P مرتبط نیستند. این تنوع در کاهش فسفر در مطالعات ممکن است به دلیل ظرفیت خاک های مختلف برای حفظ فسفر اضافی باشد.

از آنجایی که بازیافت مواد مغذی از کشاورزی شهری مبتنی بر کمپوست هم عواقب و هم فواید بالقوه ای دارد، ممکن است معاوضه های ذاتی ظاهر شود. یک استراتژی مدیریتی با هدف به حداکثر رساندن عملکرد محصول ممکن است در نهایت منجر به نرخ شیرابه فسفر بیشتر شود. یک استراتژی مدیریتی با هدف بهینه‌سازی راندمان بازیافت فسفر یا به حداقل رساندن شیرابه فسفر می‌تواند منجر به کاهش بازده و در نهایت بازیافت توده کمتر فسفر شود. درک این معاوضه‌ها نیازمند مطالعات تجربی طولانی‌مدت برای اندازه‌گیری پویایی ذخیره‌سازی فسفر، بازیافت و از دست دادن در کمپوست است.

1.2 نتایج مطالعات قبلی در مینیاپولیس-سنت پل
کار قبلی ما در Minneapolis-Saint Paul، MN، نرخ بالای کاربرد کمپوست توسط بسیاری از باغبانان شهری (متوسط نرخ کاربرد = 300 کیلوگرم فسفر در هکتار) و راندمان مصرف کم مواد مغذی P (مقدار متوسط 2.5٪؛ Small, Shrestha و et) را ثبت کرد. al., 2019). خاک‌های باغ معمولاً دارای سطوح فسفر قابل دسترس گیاهی بسیار بالاتر از سطوح توصیه شده بودند، که با افزایش سن باغ افزایش می‌یابد (Small, Shrestha, et al., 2019) که شواهدی از تجمع فسفر در طول زمان است. در زمین‌های باغچه‌ای با بستر بلند تکراری، متوجه شدیم که معمولاً ورودی‌های کمپوست بالا می‌تواند منجر به تلفات شیرابه مشابه با میزان جذب محصول شود (Small et al., 2018). خاک‌های بومی زیر زمین‌های باغ ایجاد شده، تجمع فسفر را نسبت به خاک‌های مجاور نشان می‌دهند که نشان‌دهنده انتقال فسفر اضافی در طول مسیرهای جریان هیدرولوژیکی است (Small, Osborne, et al., 2019). ترکیبی از تراکم بالای باغ و ورودی کمپوست بالا همراه با تراکم بالای سطوح غیرقابل نفوذ در منظر نشان می دهد که باغ های شهری می توانند منبع قابل توجهی برای صادرات فسفر در حوضه های آبخیز شهری باشند (Small et al., 2023).

برای درک بهتر اینکه چگونه کیفیت کمپوست و میزان کاربرد آن بر میزان بازیابی مواد مغذی توسط محصولات کشاورزی و صادرات مواد مغذی توسط شیرابه در باغ‌های شهری تأثیر می‌گذارد، آزمایشی چند ساله با استفاده از زمین‌های باغی با تخت‌خواب برجسته در دانشگاه سنت توماس در سنت پل انجام داده‌ایم. ، MN. کرت ها ورودی سالانه کمپوست مبتنی بر کود (کود گاوی کمپوست شده از یک مزرعه لبنی، تهیه شده توسط یک شرکت محوطه سازی محلی) یا کمپوست شهری (مخلوطی از ضایعات حیاط، ضایعات مواد غذایی، و سایر محصولات قابل کمپوست، ارائه شده توسط یک مرکز منطقه ای کمپوست) دریافت می کنند.

این کمپوست‌ها به این دلیل انتخاب شدند که به راحتی در دسترس هستند و معمولاً در باغ‌های حیاط خلوت، باغ‌های محلی و مزارع شهری در مینیاپولیس-سنت پل استفاده می‌شوند (Small, Shrestha, et al., 2019). کمپوست‌ها یا با نرخ ورودی نسبتاً بالاتری که برای برآوردن تقاضای N محصول (بنابراین منجر به افزایش فسفر می‌شود) یا با نرخ ورودی پایین‌تر برای برآوردن تقاضای P محصول (به همراه کود معدنی N اضافی) اضافه شدند.

قابل ذکر است، نرخ ورودی بالاتری که در این آزمایش استفاده می‌شود، کمتر از میانگین نرخ‌های کاربرد کمپوست است که قبلاً در باغ‌های سبزیجات و مزارع شهری در مینیاپولیس-سنت پل ثبت کردیم (Small, Shrestha, et al., 2019). تیمارهای کنترل شامل قطعاتی بودند که ورودی‌های نیتروژن و فسفر معدنی را دریافت کردند و کرت‌هایی که هیچ ورودی هیچ کمپوست یا کودی دریافت نکردند. ما قبلاً نتایج بودجه مواد مغذی را از 2 سال اول این آزمایش منتشر کردیم (Shrestha و همکاران، 2020). پس از 2 سال اصلاح خاک، هیچ اثر درمانی قابل‌توجهی بر عملکرد محصول وجود نداشت، زیرا کانی‌سازی مواد آلی در خاک از قبل از شروع آزمایش ادامه یافت تا نیاز به مواد مغذی گیاه را در تیمار کنترل بدون نهاده برآورده کند.

کسر فسفر در محصولات برداشت شده نسبت به ورودی های فسفر کمپوست از 68% تا 69% برای تیمارهای ورودی کمتر و از 16% تا 29% برای تیمارهای ورودی بالاتر متغیر بود. تیمارهای کمپوست ورودی بالاتر منجر به نرخ صادرات شیرابه فسفر شد که 46 درصد بیشتر (برای کمپوست شهری) و 70 درصد (برای کمپوست کود) بیشتر از تیمار کنترل بدون کمپوست بود. قابل‌توجه، این شارهای شیرابه فسفر بخش کوچکی از ورودی کل فسفر را نشان می‌دهند (۰.۷٪ تا ۲.۸٪) و مرتبه‌ای کمتر از آن چیزی بودند که در مطالعه قبلی که از نرخ‌های ورودی کمپوست بالاتری که بیشتر برای باغبان‌های شهری استفاده می‌کرد، ثبت کرده بودیم (Small et. al., 2018).

این نتایج بر مبادلات بالقوه بین بازیافت فسفر و از دست دادن فسفر در باغ‌های شهری تأکید کرد، اما همچنین نشان داد که سطوح متوسط ورودی‌های فسفر کمپوست به باغ‌ها تا حد زیادی منجر به حفظ فسفر توسط خاک باغ می‌شود.

1.3 اهداف مطالعه حاضر
در اینجا، نتایج این مطالعه را پس از 7 سال استفاده از درمان مجدداً تحلیل می‌کنیم. دلایل مختلفی وجود دارد که چرا نتایج ممکن است هم از نظر کیفی و هم از نظر کمی در این بازه زمانی طولانی‌تر متفاوت باشد.

اول، عملکرد نسبتاً بالایی در تیمار کنترل بدون کمپوست در سال‌های اولیه مطالعه حفظ شد، اما ذخیره اولیه مواد آلی در خاک باغ باید در طول زمان کاهش یابد، که به طور بالقوه منجر به کاهش عملکرد محصول به دلیل محدودیت نیتروژن و به نوبه خود، بازیابی کمتر فسفر در خاک. دوم، نرخ کانی‌سازی سریع و فعالیت بالای فسفاتاز میکروبی در کرت‌هایی که ورودی‌های بالای کمپوست کود دامی دریافت می‌کنند (Zeiner et al., 2024) ممکن است از نرخ جذب محصولات بیشتر شود، که منجر به اشباع ظرفیت خاک برای حفظ فسفر معدنی و غیر آلی حاصل می‌شود. منجر به نرخ بالاتر صادرات فسفر از طریق شیرابه می شود. در مقابل، کمپوست شهری، فسفر غیر آلی را با سرعت کمتری تولید می‌کند که بیشتر با نرخ جذب محصولات همسو می‌شود، که منجر به نرخ شیرابه فسفر پایین‌تر و بازده بازیافت فسفر بالاتر می‌شود (Shrestha et al., 2020). علاوه بر این، تغییرات در ماده آلی خاک در طول زمان در بین این تیمارها احتمالاً بر حفظ آب تأثیر می گذارد و در نتیجه به طور غیر مستقیم بر میزان صادرات فسفر از طریق شیرابه تأثیر می گذارد.

از سه فصل اول این مطالعه، تیمارهای کمپوست با ورودی بالاتر، رطوبت خاک بالاتری را حفظ کرد و منجر به حجم شیرابه کمتر شد (چپمن و همکاران، 2022)، احتمالاً به این دلیل که رطوبت به ظرفیت مزرعه نزدیک‌تر بود. پس از 7 سال ورود کمپوست، تفاوت در ماده آلی در بین تیمارها باید افزایش یابد و به طور بالقوه تفاوت در سرنوشت انتقال آب و فسفر را افزایش می دهد.

ما فرض می‌کنیم که ورودی‌های بالاتر کمپوست کود، نرخ‌های فزاینده‌ای از صادرات فسفر را به عنوان شیرابه در طول زمان نشان می‌دهد، در حالی که ورودی‌های کمتر کمپوست شهری منجر به بالاترین راندمان بازیافت فسفر و تلفات شیرابه فسفر پایین می‌شود.

2 روش
2.1 توضیحات سایت
این مطالعه در باغ تحقیقاتی دانشگاه در دانشگاه سنت توماس در سنت پل، MN (44°56’17″ شمالی، 93°11’46″ غربی) انجام شد. میانگین دمای سالانه 8.3 درجه سانتی گراد و میانگین بارندگی سالانه 803 میلی متر است (Small et al., 2020). باغ تحقیقاتی در سال 1390 تاسیس شد و شامل 32 تخت مرتفع به مساحت 4 متر مربع و حدودا می باشد. عمق 0.3 متر (شکل 1). بافت خاک تقریباً 60 درصد ماسه، 25 درصد سیلت و 15 درصد رس است (جدول S1). عمق سطح ایستابی زیر باغ تحقیقاتی تقریباً 3-4 متر است. از سال 2011 تا 2016، این باغ برای یک سری آزمایشات تک فصلی مورد استفاده قرار گرفت و سالانه کمپوست به قطعات اضافه شد. قبل از شروع آزمایش فعلی در سال 2017، خاک از تمام قطعات باغ با بستر بلند برداشته شد، همگن شد و دوباره توزیع شد. این خاک دارای محتوای ماده آلی (تلفات در روش احتراق) 9.4٪، غلظت فسفر قابل دسترس گیاه (Bray P-1) 75 قسمت در میلیون (ppm)، غلظت پتاسیم موجود (استخراج NH4OAc) 95.5 ppm بود. و غلظت نیترات 7.4 ppm.

 

منبع: انجمن کشاورزی آمریکا (ASA)