Published November 12, 2020 | Version v1
Publication Open

Biochars reduce irrigation water sodium adsorption ratio

Creators

  • 1. Mehran University of Engineering and Technology
  • 2. Colorado State University
  • 3. University of Utah

Description

Abstract Irrigation water quality plays a vital role in sustaining crop productivity and feeding a growing world population. In many countries, continued agricultural water reuse can lead to greater water-soluble salt concentrations, and in particular Na; finding means by which irrigation water Na, and thus sodium adsorption ratios (SAR), can be reduced would reduce the rate at which soil sodification occurs. Four biochars, containing a variety of organic functional groups and electrochemistries, were examined for their potential to sorb and remove Na from simulated irrigation water, and subsequently reduce water SAR. Two batch experiments examined the role that wheat straw biochar, lodgepole pine biochar, Kentucky bluegrass biochar, and hemp biochar played in terms of sorbing sodium over time or application rate. Of the four biochars examined, hemp biochar had the lowest oxidation–reduction potential (ORP; ~ 0–100 mV), sorbed the greatest Na amount (up to 923 mg kg −1 ), and released Ca and Mg (up to 115 and 63 mg kg −1 , respectively) into solution, all of which led to a significant reduction in water SAR (from 8.8 to 7.3; 17% decrease). Sodium sorption onto hemp biochar better fit a Langmuir versus a Freundlich isotherm, yet followed a pseudo-second-order model better than a pseudo-first-order kinetic model. The data suggest that Na ions formed a monolayer on the hemp biochar surface, influenced by associations with π electrons, but given time the Na ions may diffuse into biochar pores or more slowly interact with biochar-borne π electrons. Hemp biochar shows promise in reducing the SAR of Na-impacted waters. Future investigations should focus on additional laboratory, greenhouse, and field trials with hemp biochar and other biochars designed to have similar or superior properties for sorbing excess irrigation water Na and improving crop growth.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تلعب جودة مياه الري دورًا حيويًا في الحفاظ على إنتاجية المحاصيل وإطعام عدد متزايد من سكان العالم. في العديد من البلدان، يمكن أن تؤدي إعادة استخدام المياه الزراعية المستمرة إلى زيادة تركيزات الملح القابل للذوبان في الماء، وعلى وجه الخصوص الصوديوم ؛ إن إيجاد الوسائل التي يمكن من خلالها تقليل مياه الري الصوديوم، وبالتالي نسب امتصاص الصوديوم (SAR)، من شأنه أن يقلل من معدل حدوث تلوث التربة. تم فحص أربعة أنواع من الفحم الحيوي، تحتوي على مجموعة متنوعة من المجموعات الوظيفية العضوية والكيمياء الكهربائية، بحثًا عن قدرتها على امتصاص الصوديوم وإزالته من مياه الري المحاكاة، وبالتالي تقليل SAR للمياه. درست تجربتان على دفعات الدور الذي لعبه الفحم الحيوي من قش القمح، والفحم الحيوي من الصنوبر، والفحم الحيوي من العشب الأزرق في كنتاكي، والفحم الحيوي من القنب من حيث امتصاص الصوديوم مع مرور الوقت أو معدل التطبيق. من بين الفحم الحيوي الأربعة التي تم فحصها، كان للفحم الحيوي للقنب أقل جهد لتقليل الأكسدة (ORP ؛ ~ 0–100 مللي فولط)، وامتص أكبر كمية من الصوديوم (تصل إلى 923 مجم/كجم −1 )، وأطلق الكالسيوم والمغنيسيوم (حتى 115 و 63 مجم/كجم −1 ، على التوالي) في محلول، وكل ذلك أدى إلى انخفاض كبير في SAR الماء (من 8.8 إلى 7.3 ؛ انخفاض 17 ٪). يتناسب امتصاص الصوديوم على الفحم الحيوي للقنب بشكل أفضل مع Langmuir مقابل متساوي حرارة Freundlich، ومع ذلك اتبع نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية أفضل من النموذج الحركي الزائف من الدرجة الأولى. تشير البيانات إلى أن أيونات الصوديوم شكلت طبقة أحادية على سطح الفحم الحيوي للقنب، متأثرة بالارتباطات مع الإلكترونات π، ولكن مع مرور الوقت قد تنتشر أيونات الصوديوم في مسام الفحم الحيوي أو تتفاعل ببطء أكبر مع الإلكترونات π التي يحملها الفحم الحيوي. يظهر الفحم الحيوي القنب واعدًا في تقليل SAR للمياه المتأثرة بالصوديوم. يجب أن تركز التحقيقات المستقبلية على تجارب مختبرية ودفيئة وميدانية إضافية مع الفحم الحيوي للقنب وغيره من الفحم الحيوي المصمم ليكون له خصائص مماثلة أو متفوقة لامتصاص مياه الري الزائدة Na وتحسين نمو المحاصيل.

Translated Description (French)

Résumé La qualité de l'eau d'irrigation joue un rôle essentiel dans le maintien de la productivité des cultures et l'alimentation d'une population mondiale croissante. Dans de nombreux pays, la réutilisation continue de l'eau agricole peut entraîner une augmentation des concentrations de sel soluble dans l'eau, et en particulier de Na ; trouver des moyens de réduire le Na de l'eau d'irrigation, et donc les taux d'adsorption du sodium (SAR), réduirait la vitesse à laquelle la sodification du sol se produit. Quatre biochars, contenant une variété de groupes fonctionnels organiques et d'électrochimies, ont été examinés pour leur potentiel de sorption et d'élimination du Na de l'eau d'irrigation simulée, puis de réduction du DAS de l'eau. Deux expériences par lots ont examiné le rôle joué par le biochar de paille de blé, le biochar de pin tordu, le biochar de bluegrass du Kentucky et le biochar de chanvre en termes de sorption du sodium au fil du temps ou de taux d'application. Parmi les quatre biochars examinés, le biochar de chanvre avait le plus faible potentiel d'oxydo-réduction (ORP ; ~ 0–100 mV), sorbait la plus grande quantité de Na (jusqu'à 923 mg kg −1 ) et libérait du Ca et du Mg (jusqu'à 115 et 63 mg kg −1 , respectivement) en solution, ce qui a entraîné une réduction significative du DAS de l'eau (de 8,8 à 7,3 ; diminution de 17 %). La sorption de sodium sur le biochar du chanvre correspond mieux à une isotherme de Langmuir qu'à une isotherme de Freundlich, tout en suivant un modèle de pseudo-deuxième ordre mieux qu'un modèle cinétique de pseudo-premier ordre. Les données suggèrent que les ions Na ont formé une monocouche sur la surface du biocharbon de chanvre, influencée par les associations avec les électrons π, mais avec le temps, les ions Na peuvent diffuser dans les pores du biocharbon ou interagir plus lentement avec les électrons π transmis par le biocharbon. Le biochar du chanvre s'avère prometteur pour réduire le DAS des eaux touchées par le Na. Les recherches futures devraient se concentrer sur des essais supplémentaires en laboratoire, en serre et sur le terrain avec du biochar et d'autres biochars de chanvre conçus pour avoir des propriétés similaires ou supérieures pour absorber l'excès d'eau d'irrigation Na et améliorer la croissance des cultures.

Translated Description (Spanish)

Resumen La calidad del agua de riego juega un papel vital en el mantenimiento de la productividad de los cultivos y en la alimentación de una población mundial en crecimiento. En muchos países, la reutilización continua del agua agrícola puede conducir a mayores concentraciones de sal soluble en agua, y en particular de Na; encontrar medios para reducir el Na del agua de riego y, por lo tanto, las relaciones de adsorción de sodio (SAR), reduciría la velocidad a la que se produce la sodificación del suelo. Se examinaron cuatro biochars, que contenían una variedad de grupos funcionales orgánicos y electroquímicos, por su potencial para sorber y eliminar el Na del agua de riego simulada, y posteriormente reducir el SAR del agua. Dos experimentos por lotes examinaron el papel que desempeñaron el biochar de paja de trigo, el biochar de pino lodgepole, el biochar de pasto azul de Kentucky y el biochar de cáñamo en términos de absorción de sodio a lo largo del tiempo o la tasa de aplicación. De los cuatro biochar examinados, el biochar de cáñamo tuvo el menor potencial de oxidación-reducción (ORP; ~ 0–100 mV), absorbió la mayor cantidad de Na (hasta 923 mg kg −1 ) y liberó Ca y Mg (hasta 115 y 63 mg kg −1 , respectivamente) en solución, todo lo cual condujo a una reducción significativa en el SAR del agua (de 8.8 a 7.3; disminución del 17%). La sorción de sodio en el biochar de cáñamo se ajusta mejor a una isoterma de Langmuir frente a una isoterma de Freundlich, pero sigue un modelo de pseudo-segundo orden mejor que un modelo cinético de pseudo-primer orden. Los datos sugieren que los iones de Na formaron una monocapa en la superficie del biocarbón de cáñamo, influenciada por asociaciones con electrones π, pero con el tiempo los iones de Na pueden difundirse en los poros del biocarbón o interactuar más lentamente con los electrones π transportados por el biocarbón. El biochar de cáñamo es prometedor para reducir la SAR de las aguas afectadas por el Na. Las investigaciones futuras deben centrarse en ensayos adicionales de laboratorio, invernadero y campo con biochar de cáñamo y otros biochars diseñados para tener propiedades similares o superiores para sorber el exceso de agua de riego Na y mejorar el crecimiento de los cultivos.

Files

s42773-020-00073-z.pdf.pdf

Files (932.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:baed63868f9563ae3980693259d10e41
932.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تقلل التشكيلات الحيوية من نسبة امتصاص مياه الري والصوديوم
Translated title (French)
Les Biochars réduisent le taux d'adsorption du sodium dans l'eau d'irrigation
Translated title (Spanish)
Los biochars reducen la proporción de adsorción de sodio en el agua de riego

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3098645573
DOI
10.1007/s42773-020-00073-z

Is supplement to
https://openalex.org/W4206968271 (Other)
https://openalex.org/W3199771669 (Other)
https://openalex.org/W3150549663 (Other)
https://openalex.org/W3140784544 (Other)
https://openalex.org/W2763797656 (Other)
https://openalex.org/W2523079174 (Other)
https://openalex.org/W2377508262 (Other)
https://openalex.org/W2261753061 (Other)
https://openalex.org/W2253284738 (Other)
https://openalex.org/W2093341206 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1550918981
  • https://openalex.org/W1555601053
  • https://openalex.org/W1973630232
  • https://openalex.org/W1975320197
  • https://openalex.org/W1975756430
  • https://openalex.org/W1981589265
  • https://openalex.org/W1982627164
  • https://openalex.org/W1984895899
  • https://openalex.org/W2012288303
  • https://openalex.org/W2036023620
  • https://openalex.org/W2036579584
  • https://openalex.org/W2039423476
  • https://openalex.org/W2044556850
  • https://openalex.org/W2050695214
  • https://openalex.org/W2060818539
  • https://openalex.org/W2065659268
  • https://openalex.org/W2074514951
  • https://openalex.org/W2087878311
  • https://openalex.org/W2103405116
  • https://openalex.org/W2148333466
  • https://openalex.org/W2314104404
  • https://openalex.org/W2418759864
  • https://openalex.org/W2603354921
  • https://openalex.org/W2613791938
  • https://openalex.org/W2731374170
  • https://openalex.org/W2792593816
  • https://openalex.org/W2892732153
  • https://openalex.org/W2911957529
  • https://openalex.org/W2918169589
  • https://openalex.org/W2940484876
  • https://openalex.org/W2962371411
  • https://openalex.org/W2964500957
  • https://openalex.org/W2969914469
  • https://openalex.org/W4251064196
  • https://openalex.org/W4297452256
  • https://openalex.org/W832922239