ارزیابی نیمه عمر و تجزیه علف کش متری بیوزین در محیط خاک تحت تاثیر کودهای آلی مختلف در شرایط مزرعه ای

مقدمه
در طی سالیان اخیر نگرانی های زیادی در مورد حضور آفت کش ها در محیط زیست به بوجود آمده است. تهدید جدی حیات بشر، اکوسیستم ها و حیات وحش و نیز آلودگی منابع آبی و خاکی از پی آمدهای حضور این مواد شیمیایی در محیط می باشند. با اینحال استفاده از این ترکیبات شیمیایی یکی از ملزومات غیر قابل انکار در کشاورزی مدرن محسوب می شود. به منظور دستیابی به کشاورزی پایدار و تامین نیازهای روز افزون بشر، می بایست منابع آب و خاک با رویکردی منطقی و بهینه مورد بهره برداری قرار گیرند. در این ارتباط افزایش کاربرد آفت کش ها از مهمترین پیامدهای افزایش تقاضای محصولات کشاورزی بوده است. بطوریکه در طی پنجاه سال گذشته، این ترکیبات شیمیایی جزء مهمترین و ضروری ترین نهاده های دنیای کشاورزی بوده اند و در بین آفت کش ها، علف کش ها جزء پرمصرف ترین آفت کش های کشاورزی هستند که نقش مهمی را در تولید محصولات کشاورزی دارند (Lin et al., 2003). علی رغم تمام مزیت های اقتصادی و کارا بودن این علف کش ها  در کنترل علف های هرز، ولی آلودگی های زیست محیطی ناشی از کاربرد غیر اصولی و بی رویه آنها از مهمترین چالش های کشاورزی امروزی بوده که منجر به تجدید نظر در ارتباط با روش های مدیریت علف های هرز شده است. در این ارتباط ماندگاری علف کش ها در خاک، از مهمترین عوامل آلودگی های زیست محیطی ناشی از کاربرد آنهاست. اگرچه این مسئله در افزایش طول دوره کنترل علف های هرز مفید است اما خسارت به محصولات زراعی موجود در تناوب، آلودگی خاک، آبهای جاری و سفره های آبهای زیرزمینی در اثر آبشویی آنها ضمن تخریب محیط زیست، تهدیدی جدی برای سلامت انسان می باشد (Khoury et al., 2003). از آنجا که خاک به عنوان مخزن اصلی ذخیره و نگهداری آفت کش ها پس از کاربرد آنها می باشد، لذا از مهمترین عوامل دخیل در سرنوشت علف کش ها نیز می باشد که هم در کارایی علف کش ها در کنترل علف های هرز  و هم در رفتار و سرنوشت آنها در محیط زیست موثر است (Kadian et al., 2007). بطور کلی علف کش های خاک مصرف از نظر شیمیایی و فیزیکی با ذرات خاک ارتباط تنگاتنگی دارند و سرنوشت آنها پس از کاربرد در خاک در درجه اول تحت تاثیر عوامل خاکی از جمله بافت خاک، محتوای مواد آلی خاک و نیز ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی علف کش ها است. از اینرو درک عوامل و فرآیندهای موثر بر سرنوشت علف کش ها امکان استفاده از پتانسیل لازم جهت کاهش آلودگی های احتمالی را فراهم می کند (Briceno & Palma, 2007). متری بیوزین علف کشی سیستمیک و انتخابی می باشد که بصورت پیش کاشت و یا پیش رویشی برای کنترل شمار زیادی از علف های هرز باریک برگ و پهن برگ در محصولاتی مثل سویا، سیب زمینی، گوجه فرنگی و نیشکر مورد استفاده قرار می گیرد (Tomlin, 2000). این علف کش به عنوان علف کشی با ماندگاری متوسط در خاک شناخته می شود و نیمه عمر آن در شرایط مزرعه ای بین 30 تا 120 روز گزارش شده است (Maqueda et al., 2009). بعلت استفاده گسترده از این علف کش در محصولات کشاورزی و ماندگاری نسبتا زیاد آن در خاک از پتانسیل نسبتا بالایی در خسارت به گیاهان غیر هدف موجود در تناوب برخوردار است. با توجه به اینکه در ارتباط با ماندگاری علف کش متری بیوزین در خاک مطالعات اندکی در کشور صورت گرفته است، این مطالعه با هدف ارزیابی تاثیر کود های آلی مختلف بر ماندگاری و نیمه عمر علف کش متری بیوزین در خاک، در شرایط مزرعه ای انجام شد.
 مواد و روش ها
این آزمایش در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی در 3 تکرار در سال زراعی 91-90 در مزرعه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد اجرا شد. تیمارهای آزمایش عبارت بودند از کاربرد علف کش متری بیوزین در 2 غلظت 525 و 1050 گرم ماده تجاری ( WP75%) در هکتار و کاربرد کودهای آلی مختلف (کود گاوی، گوسفندی، مرغی و کمپوست زباله شهری ) به میزان 40 تن در هکتار به همراه شاهد بدون کاربرد کودهای آلی بودند که در محصول گوجه فرنگی بکار برده شدند. زمین مورد آزمایش در مختصاتی به عرض جغرافیایی 36 درجه و 15 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 59 درجه و 28 دقیقه شرقی و با 985 متر ارتفاع از سطح دریا قرار داشت و دارای بافت سیلتی رسی بوده که برای تعیین ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاک آن، قبل از کاشت نشاء های گوجه فرنگی نمونه برداری از عمق 0 تا 15 سانتی متر و بصورت سیستماتیک صورت گرفته و ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن در آزمایشگاه خاکشناسی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی تعیین شد(جدول 2). قطعه زمین مورد آزمایش تا 2 سال قبل از اجرای آزمایش بصورت نکاشت (آیش) بوده و سابقه کاربرد کود آلی و معدنی و آفت کش را حداقل به مدت 4 سال نداشت. عملیات خاکورزی در قطعه زمین مورد نظر شامل یک شخم عمیق توسط گاو آهن برگردان دار و سپس یک دیسک زده شد. سپس کودهای آلی مختلف به میزان 40 تن در هکتار پس از عبور از الک 1 سانتی متری و بصورت یکنواخت تا عمق 15 سانتی متری با خاک اختلاط یافت و سپس عملیات تهیه پشته ها صورت گرفت، بطوریکه پلات هایی به طول 6 متر و عرض 4 متر ساخته شد و در فواصل بین بلوک ها علاوه بر جوی آب، از یک جوی فرعی نیز برای ممانعت از ورود زباله به تکرارهای بعدی استفاده شد. پس از تهیه زمین و تعیین نقشه طرح، نشاء های گوجه فرنگی با فواصل ردیف 70 سانتی متر و فواصل بوته ها روی ردیف ها 40 سانتی متر در دو سمت شیارها نشاء شدند و دور آبیاری به صورت هفتگی تنظیم شد. پس از تهیه ی زمین و به فاصله زمانی 10 روز قبل از نشاء کاری، علف کش متری بیوزین در مقادیر مورد نظر به صورت پیش کاشت و با استفاده از سمپاش پشتی مدل ماتایی پلاس مجهز به نازل تی جت  و با فشار 2 بار و حجم آب مصرفی 300 لیتر در هکتار بکار برده شد. پس از کاربرد علف کش و به فواصل زمانی 2 ساعت، 3، 7، 14، 30، 55، 90 و 120 روز نمونه گیری از خاک در عمق 0 تا 15 سانتی متری توسط آگری به قطر 5 سانتی متر و در 5 نقطه از هر کرت بطور تصادفی صورت گرفت (Kondra & Pastor, 2001) و پس از اختلاط و هوا خشک کردن نمونه های برداشت شده با استفاده از یک الک 2 میلی متری خاکها را الک کرده و ذرات شن و بقایای گیاهی از آن حذف شد (Moorman et al., 2001) و پس از تهیه یک نمونه خاک یکنواخت، 200 گرم از نمونه های مربوط به هر کرت انتخاب و در ظروف پلاستیکی درب دار  تا مرحله ی استخراج علف کش و آنالیز دستگاهی آن، در فریزری با دمای 20- درجه سانتی گراد نگهداری شد(Rouchad et al., 1997). استاندارد شیمیایی متری بیوزین با خلوص 5/99 درصد از شرکت آلمانی بایر و متری بیوزین تجاری نیز با خلوص 75 درصد به صورت پودر وتابل با همکاری بخش تحقیقات علف های هرز موسسه تحقیقات گیاهپزشکی کشور تهیه شد.
به منظور استخراج باقیمانده متری بیوزین از خاک، 10گرم از خاک مربوط به هر تیمار را توزین کرده درون فالکون های درب دار 50 سی سی منتقل و 20 سی سی متانول با درجه خلوص 9/99 درصد به آن ها اضافه شد و با استفاده از دستگاه شیکر با سرعت 300 دور در دقیقه به مدت 90 دقیقه تکان داده شدند (Fountolakis et al., 2010) و سپس با استفاده از دستگاه سانتریفو‍ژ با 3000 دور در دقیقه و به مدت 6 دقیقه عملیات سانتریفوژ انجام تا  فازمایع (متانول) از فاز جامد(خاک) جدا شود، سپس فاز مایع توسط کاغذ صافی واتمن شماره ی 42 درون ارلن شیشه ای صاف شد(Mueller et al., 2003) و مراحل مذکور برای خاک باقی مانده داخل فالکون، مجددا تکرار شد و محلول صاف شده از دو مرحله را درون ارلن هایی به حجم 100 سی سی ریخته و برای ممانعت از تبخیر حلال درب آنها توسط پارافیلم بسته و در یخچال با دمای 5 درجه سانتی گراد نگهداری شدند. جهت آماده سازی نمونه ها برای تزریق به دستگاه HPLC، برای تغلیظ با قیمانده ی متری بیوزین در محلول جمع آوری شده، متانول محلول های صاف شده  با استفاده از دستگاه روتاری اواپراتور و با تنظیم دمای 39 درجه سانتی گراد حمام آب گرم آن ، به طور کامل تبخیر و پس از آن، با استفاده از پیپت سرنگی، 5 میلی لیتر متانول به باقیمانده متری بیوزین موجود اضافه و جهت تحلیل نتایج، محلول حاصل پس از انتقال در ظروف شیشه ای به حجم 10سی سی،  تا زمان تزریق به دستگاه HPLC در یخچال و در دمای 5 درجه سانتی گراد نگهداری شد. دستگاه HPLC مدل Shimadzu با یک ستون فاز معکوس C18 (به طول 25 و قطر5/4 سانتی متر) بود. فاز متحرک محلول متانول (با خلوص 9/99 درصد): آب دیونایز، با نسبت حجمی 80: 20 بود که با سرعت جریان 5/0 میلی لیتر در دقیقه مورد استفاده قرار گرفت. حجم عصاره تزریق شده به دستگاه HPLC برابر 25 میکرولیتر و دستگاه آشکارساز HPLC از نوع Spectrophotometric Uv-Vis بود که طول موج مورد استفاده برای این منظور 290 نانومتر انتخاب شد(Gonzalez et al., 2001). دمای تزریق ستون همان دمای اتاق بود. قبل از تزریق نمونه های مجهول به دستگاه، محلول های استاندارد با غلظت های مشخص تهیه و پس ار تزریق به دستگاه، محل ظهور پیک متری بیوزین مشخص شد (شکل1). پس از حصول داده های آزمایش، تحلیل نتایج با استفاده از آنالیز رگرسیون توسط نرم افزار Sigma plot ver,11 انجام شد و برای این منظور معادله سنتتیکی درجه اول (معادله1) به داده های حاصل برازش داده شد.
که در آن Ct  غلظت متری بیوزین در زمان t، C0 غلظت اولیه متری بیوزین (میلی گرم در کیلوگرم خاک) و K سرعت تجزیه ی متری بیوزین (میلی گرم در کیلوگرم خاک در روز) و t زمان (روز) می باشد. نیمه عمر و زمان لازم برای تجزیه 90 درصد متری بیوزین  نیز با توجه به سرعت تجزیه آن از  معادله های 2 و 3 محاسبه شدند.
که در این معادله ها، DT50 و DT90 به ترتیب عبارتند از نیمه عمر متری بیوزین و زمان مورد نیاز برای تجزیه 90 درصد از باقیمانده متری بیوزین و K نیز ضریب تجزیه متری بیوزین در معادله 1 می باشد.
       از معادله 4 نیز به منظور بررسی اختلاف معنی داری منحنی های برازش شده استفاده شد.
      معادله 4            
      که در آن b1 و b2 شیب خطوط برازش داده شده و S2b1 و S2b2 انحراف معیار ضرایب می باشند.
شکل 1. ویژگی ها و محل ظهور استاندارد متری بیوزین
نتایج و بحث
بررسی کارایی استخراج متری بیوزین در تیمارهای مواد آلی مختلف
بر اساس نتایج حاصل از آزمایش اختلاف معنی داری در کارایی استخراج متری بیوزین در تیمارهای مختلف مواد آلی وجود نداشت (جدول 3). در این ارتباط محققین استفاده از محلول متانول و آب را برای استخراج تریازین های خاک مصرف از محیط خاک روشی مفید و قابل قبول می دانند (Cupples et al., 2000; Briceno & Palma, 2007) که در مطالعات مربوط به تجزیه و ماندگاری اغلب علف کش های خاک مصرف به عنوان یک روش پذیرفته شده بکار می رود. از سوی دیگر کارایی قابل قبول در این روش ممکن است به تکرار عملیات شیک و سانتریفوژ و صاف کردن عصاره مرتبط باشد که در مطالعات ابتو و کیو (2005) و هنریکسون و همکاران (2002) نیز به این مهم اشاره شده است.
تاثیر کاربرد کودهای آلی بر روند تجزیه و نیمه عمر متری بیوزین در خاک
بر اساس یافته های حاصل از آزمایش، کاربرد کود های آلی منجر به افزایش سرعت تجزیه متری بیوزین در خاک شدند بطوریکه در همه تیمارهای دارای کودهای آلی سرعت تجزیه متری بیوزین نسبت به تیمار فاقد ماده آلی، بیشتر بود. همچنین نیمه عمر متری بیوزین در همه تیمارهای دارای کود آلی کمتر از تیمار فاقد ماده آلی بود (جداول 4 و 5). به نظر می رسد دلیل این مهم، احتمالا بیشتر بودن جمعیت اولیه باکتری ها و فعالیت بیشتر آنها در تیمارهای دارای کودهای آلی باشد. مشاهده شد که در بین کودهای آلی بکار برده شده، کمپوست زباله شهری و کود مرغی نسبت به کود گاوی و گوسفندی تاثیر بیشتری بر تجزیه متری بیوزین در خاک داشتند. با توجه به نتایج حاصل ضریب تجزیه متری بیوزین در شرایط کاربرد کمپوست زباله شهری نسبت به تیمار شاهد، در دو سطح کاربرد 525 و 1050 گرم متری بیوزین در هکتار به ترتیب 4/1و 33/1 برابر افزایش یافت و نیمه عمر آن را در تیمار کاربرد 525 گرم در هکتار از 66 روز در تیمار شاهد به 46 روز در تیمار کمپوست و نیز در تیمار کاربرد 1050 گرم در هکتار از 5/67 روز در تیمار شاهد به 5/55 روز در تیمار کمپوست کاهش دادند. از سوی دیگر زمان تجزیه 90 درصد غلظت اولیه متری بیوزین نیز در تیمار کمپوست زباله شهری نسبت به سایر تیمارها کاهش بیشتری داشت (جدول 4). بر اساس مطالعات انجام شده وجود مواد آلی در خاک هم در افزایش جذب آفت کش ها و هم در افزایش تجزیه زیستی آنها تاثیرگذار است (Briceno & Palma, 2007). امروزه اکثر محققین بر این باورند که بدلیل کمبود یک یا تعداد بیشتری از عناصر غذایی مورد نیاز در شرایط طبیعی محیط، سرعت تجزیه آفت کش ها کاهش می یابد، از اینرو افزودن کودهای آلی و دامی به خاک های کشاورزی موجب تحریک رشد میکروارگانیسم های خاک و افزایش فرآیند تجزیه زیستی آفت کش ها می شود (Parham et al., 2003).  اعتقاد بر این است که در شرایط مزرعه ای مواد آلی بویژه در ترکیبات قطبی مثل متری بیوزین نیز نقش مهمی هم در افزایش تجزیه و هم در جذب آنها و کاهش آبشویی و رواناب آنها دارد.
 نسبت C/N را همانگونه که در دیگر منابع نیز ذکر شده است می توان به عنوان معیاری از ترکیب ماده آلی مورد استفاده در نظر گرفت (Alvey & Crowly, 1995). بنابراین با توجه به نسبت  C/N ترکیبات آلی، شاید بتوان میزان تاثیر آنها را روی تجزیه مولکول های آفت کش های نیتروژن دار به عنوان منبع کربن و نیتروژن پیش بینی نمود. بر اساس نتایج این آزمایش بین تیمار های کاربرد کود گاوی و گوسفندی تفاوت معنی داری در سرعت تجزیه و نیمه عمر متری بیوزین مشاهده نشد. که این مساله احتمالا بدلیل تشابه و عدم اختلاف در نسبت C/N این ترکیبات باشد(جدول 2). در همین رابطه آلوی و کراولی (1995) تاثیر چند نوع ماده آلی با نسبت های متفاوت C/N را بر تجزیه زیستی آترازین به عنوان منبع نیتروژن مورد بررسی قرار دادند و با تائید این واقعیت که نسبت C/N مواد آلی افزوده شده به خاک، بر شدت تجزیه آفت کش اثرگذار خواهد بود روند مشخصی را بین نسبت C/N این مواد و سرعت تجزیه مشاهده کردند.  بررسی های متعدد نشان می دهند که افزایش مواد آلی در خاک سبب تقویت جمعیت و فعالیت های میکروبی خاک بویژه برای گونه های تجزیه کننده آلاینده های آلی در خاک می شود که نتیجه آن تجزیه بیشتر آلاینده ها در خاک می باشد (Sampel et al., 2001; Theng et al., 2000).  در بیشتر مطالعاتی که روی آلاینده های آلی صورت گرفته، از آنها به عنوان منبع کربن و انرژی برای فعالیت ریزجانداران استفاده شده است. حال آنکه در ترکیباتی همچون دینوزب، آترازین، متامیترون و متری بیوزین که در ساختمانشان اتم نیتروژن وجود دارد به عنوان منبع نیتروژن برای جمعیت میکروبی خاک مطرح می باشند (Kaake et al., 1992). فوسکالدو و همکاران (1999) نیز در بررسی علف کش های آترازین، متری بیوزین و سیمازین، به نقش موثر مواد آلی و رس در سرعت تجزیه ی علف کش های مذکور اشاره کردند، بر اساس گزارش نامبردگان، در همه ی علف کش های مورد مطالعه، رابطه ی مستقیمی بین محتوی مواد آلی و سرعت تجزیه ی علف کش ها وجود داشت. بر اساس نتایج حاصل از این آزمایش، تجزیه متری بیوزین در روزهای آغازین پس از کاربرد این علف کش در خاک از سرعت کمی برخوردار بود ولی پس از گذشت یک هفته تجزیه از روند سریعتری برخوردار شد. با توجه به این مساله که خاک مزرعه مورد آزمایش در طی 4 سال قبل از اجرای این آزمایش سابقه دریافت هیچ علف کشی را نداشت لذا به نظر می رسد که سرعت پایین تجزیه در هفته اول به دلیل عدم سازگاری اولیه جمعیت های میکروبی خاک با علف کش متری بیوزین بوده است. مورمان و همکاران (2001) ضمن بررسی توانایی تحریک تجزیه زیستی توسط چند نوع ماده آلی (با نسبت های 5/0 و 5 درصد) شامل کمپوست، بقایای ذرت، محصولات جانبی تخمیر ذرت، پیت، کود دامی و خاک اره نتیجه گرفتند که تجزیه آترازین در تیمارهای 5/0 درصد کود دامی و 5 درصد پیت و خاک اره نسبت به تیمار شاهد افزایش یافت. در آزمایش مذکور کمپوست در هیچ یک از سطوح موجب افزایش تجزیه نشد. این پژوهشگران در توجیه نتایج حاصله بیان کردند که با وجود افزایش کلی جمعیت میکروبی در تیمار های کمپوست احتمالا این ماده نتوانسته جمعیت گونه های میکروبی مسئول تجزیه آترازین را افزایش دهد.
به طور کلی  بر اساس نتایج حاصل از این مطالعه با افزایش مقدار کاربرد متری بیوزین در تیمار فاقد کود آلی اختلاف معنی داری در روند تجزیه متری بیوزین مشاهده نشد. در حالیکه تیمارهای کاربرد کودهای آلی با افزایش مقدار کاربرد متری بیوزین در هکتار دارای اختلافات معنی داری با تیمار فاقد کود آلی بود (جدول 5). نتایج نشان داد که کودهای آلی تاثیر معنی داری بر سرعت تجزیه متری بیوزین در خاک داشته اند. بطوریکه ضریب تجزیه (K) آن در مقدار کاربرد 525 گرم در هکتار در تیمارهای کمپوست زباله شهری، کود مرغی، گاوی و گوسفندی به ترتیب 4/1، 3/1، 22/1 و 16/1 برابر تیمار فاقد کود آلی و در کاربرد 1050 گرم در هکتار ضریب تجزیه متری بیوزین در تیمارهای مذکور به ترتیب 33/1، 25/1، 16/1 و 11/1 برابر تیمار فاقد کود آلی بود (جدول 4). بر اساس یافته های این آزمایش کاربرد کودهای آلی ضمن تاثیرگذاری بر جمعیت و فعالیت های میکروبی خاک نقش مهمی در افزایش تجزیه علف کش متری بیوزین و کاهش زیست ماندگاری آن در خاک دارد.