توسعه و بهینه‌سازی مالچ زیست‌سازگار بر پایه مواد معدنی و ملاس برای تثبیت ماسه‌های روان، مطالعه موردی ماسه‌زارهای آران و بیدگل

نوع مقاله : مقاله علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه محیط زیست انسانی، دانشکده محیط زیست کرج، کرج، ایران

2 گروه پژوهشی مهندسی محیط زیست و پایش آلاینده‌ها، پژوهشکده محیط زیست و توسعه پایدار، سازمان حفاظت محیط زیست، تهران، ایران

3 گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 مؤسسه تحقیقات خاک و آب کشور، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج‎ ‎کشاورزی، کرج، ایران

10.22034/envj.2025.539207.1535
چکیده
مقدمه: فرسایش بادی یکی از مهم‌ترین چالش‌های محیط زیستی در مناطق خشک و نیمه‌خشک است. ایران به‌ویژه در نواحی بیابانی مانند آران و بیدگل و کاشان، به دلیل بارندگی اندک، فقر پوشش گیاهی و خاک‌های حساس، به شدت در معرض این پدیده قرار دارد. مالچ‌پاشی طی دهه‌های اخیر به‌عنوان روشی مؤثر در تثبیت ماسه‌های روان مطرح بوده است. در حالی که مالچ‌های نفتی به دلیل هزینه بالا و پیامدهای محیط زیستی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، مالچ‌های زیستی حاصل از پسماندهای کشاورزی و صنعتی گزینه‌ای ایمن، تجزیه‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه محسوب می‌شوند. هدف این پژوهش توسعه مالچی سازگار با محیط زیست بر پایه زئولیت، بنتونیت و ملاس (پسماند صنایع قند) است.
مواد و روش‌ها: این پژوهش در مقیاس آزمایشگاهی و با بهره‌گیری از روش طراحی آزمایش مخلوط D-Optimalانجام شد. ماسه‌های مورد استفاده از بیابان‌های کاشان برداشت و بر اساس استانداردASTM مشخصات فیزیکی آن تعیین شد. مالچ پیشنهادی ترکیبی از بنتونیت کلسیمی (مش ۲۰۰)، زئولیت آنزیمیت میکرونیزه و ملاس غلیظ صنعتی بود. نسبت اختلاط مواد با استفاده از نرم‌افزار DX11 طراحی و آزمون شد. پنج شاخص عملکردی برای ارزیابی کیفیت مالچ در نظر گرفته شد: مقاومت برشی (SS)، مقاومت فشاری (CS)، مقاومت ضربه‌ای (IR)، مقاومت سایشی (AR) و ضخامت سله (CT). با انجام آزمایش‌ها، نتایج بدست آمده با روش‌های آماری ANOVA، آزمون دانکن و تحلیل همبستگی پیرسون و اسپیرمن تحلیل شد. مدل‌های چندجمله‌ای نیز برای برازش پاسخ‌ها و تعیین ترکیب بهینه بر اساس بهینه‌سازی ریاضی تدوین گردید.
نتایج: نتایج تحلیل واریانس نشان داد که تیمارهای مختلف مالچ تأثیر معناداری (p<0.05) بر همه شاخص‌های عملکردی داشتند. حداکثر مقاومت برشی در تیمارهای ۲۸، 14 و 15، به ترتیب 27/8، 20/8 و 17/8 N/cm² و بیشترین مقاومت فشاری در تیمارهای 1 و 15، به ترتیب 17/3 و 15/3 kg/cm² بود. بیشترین مقاومت ضربه‌ای در تیمارهای 15، 28، 33 و 18 به ترتیب به میزان 75/0، 71/0، 71/0 و 71/0 و بیشترین مقاومت سایشی در تیمارهای 4، 2، 9، 19، 21، 22، 24، 29،26 و30 همگی به مقدار یک ثبت شد. حداکثر ضخامت سله نیز در تیمارهای 21،16 و 30 به ترتیب به میزان 92/1، 91/1 و 89/1 سانتی‌متر به‌دست آمد. ضریب همبستگی بین مقاومت برشی، فشاری و ضربه‌ای بسیار بالا و معنادار بود، در حالی که مقاومت سایشی ارتباط ضعیف و غیرمعناداری با دیگر متغیرها نشان داد. ترکیب بهینه مالچ با هدف بیشینهسازی شاخص‌های SS، CS، IR و CT شامل50٪ ملاس، 23٪ بنتونیت و 27٪ زئولیت بود. نتایج اعتبارسنجی نشان داد انحراف نسبی بین داده‌های تجربی و مدل از همخوانی قابل قبولی برخوردار است.
بحث: استفاده از ملاس به دلیل خواص چسبندگی و توانایی ایجاد پیوند بین ذرات خاک، در کنار بنتونیت به‌عنوان منبع کلسیم برای بهبود نگهداشت آب و زئولیت به‌عنوان ماده‌ای با ظرفیت تبادل کاتیونی بالا، منجر به توسعه مالچی پایدار با ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی مناسب گردید. افزایش سهم ملاس به طور مستقیم با افزایش مقاومت‌های مکانیکی و ضخامت سله همراه بود؛ زئولیت در تقویت مقاومت سایشی مؤثرتر عمل کرد، در حالی که بنتونیت نقش کلیدی در مقاومت ضربه‌ای و ضخامت سله داشت. یافته‌ها با مطالعات مشابه همخوانی دارد. ترکیب بهینه پیشنهادی به دلیل دسترسی آسان به مواد اولیه، سادگی آماده‌سازی، عدم سمیت و پتانسیل کاربرد میدانی، می‌تواند جایگزین مؤثری برای مالچ‌های نفتی در مناطق بیابانی ایران باشد. با این حال، تأیید نهایی عملکرد آن مستلزم اجرای آزمایش‌های میدانی در شرایط واقعی اقلیمی است. این تحقیق نمونه‌ای موفق از هم‌افزایی مواد طبیعی و ضایعات صنعتی برای توسعه فناوری‌های محیط‌زیست ‌محور در چارچوب اقتصاد چرخشی محسوب می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

1.     Abbasi, N., Movahedan, M. and Keramati Toroghi, M., 2010. The effects of chemical Polymer on physical and mechanial properties of soils.
2.     Alipur, H., Zare, M. and Shojaei, S., 2016. Assessing the degradation of vegetation of arid zones using FAO–UNIP model case study: Kashan zone. Modeling Earth Systems and Environment, 2(4), pp.1-6.
3.     Arabi Aliabad, F., Shojaei, S., Zare, M. and Ekhtesasi, M.R., 2019. Assessment of the fuzzy ARTMAP neural network method performance in geological mapping using satellite images and Boolean logic. International journal of environmental science and technology, 16(7), pp.3829-3838.
4.     ASTM D1558-99. 1999. Standard Test Method for Moisture Content Penetration Resistance Relationships of Fine-Grained Soils, ASTM International West Conshohocken, PA.
5.     ASTM D4648/D4648M-24a. 2010. Standard Test Method for Laboratory Miniature Vane Shear Test for Saturated Fine-Grained Soils, ASTM International West Conshohocken, PA.
6.     Ayoubi, S., Mosaddeghi, M. and Besalatpour, A.A., 2018. Investigating the application of biochar, bentonite clay and polyvinyl acetate polymer on some mechanical properties of sand deposits. Agricultural Engineering (Scientific Journal of Agriculture), 41(2), pp.83-97.
7.     Azimi, Y., Zare, S., Sarkheil, H., Bodaghjamali, J. and Heshmati, S., 2018. Construction of cement-slag mulch using mixture experiments design for fixation of sand dunes. Journal of Range and Watershed Managment, 71(3), pp.715-735.
8.     Barati, M., Moazami, M.A. and Ostadhosseini, A., 2025. The Efect of Mulch in Controlling Erosion and Dust Originated From Chadormalu Iron Mine Tailings. Advanced Environmental Sciences, 23(3), pp.617-636.
9.     Code No. 783. 2019. Technical Instructions for Evaluating Performance of Soil stabilizers mulch. Plan and Budget Organization., , Islamic Republic of Iran No. 783,2019.
10. Diouf, B., Skidmore, E.L., Layton, J.B. and Hagen, L.J., 1990. Stabilizing fine sand by adding clay: laboratory wind tunnel study. Soil technology, 3(1), pp.21-31.
11. Dong, Z., Wang, L. and Zhao, S., 2008. A potential compound for sand fixation synthesized from the effluent of pulp and paper mills. Journal of arid environments, 72(7), pp.1388-1393.
12. Duncan, D.B., 1955. Multiple range and multiple F tests. Biometrics, 11(1), pp.1-42.
13. Emami, H., Karimi, A. and Mina, M., 2021. Evaluation the efficiency of different mulches to combat wind erosion of sandy soil running title: Efficiency of different mulches to control wind erosion. Sustainable Earth Trends, 1(1), pp.20-26.
14. Ghafari, E., Costa, H. and Júlio, E., 2015. Statistical mixture design approach for eco-efficient UHPC. Cement and Concrete Composites, 55, pp.17-25.
15. Giugliano, D., Ceriello A. and Esposito, K., 2006. The effects of diet on inflammation: emphasis on the metabolic syndrome. Journal of the American College of Cardiology 484: 677-685.
16. Hanjie, W.A.N.G., de Vries Frits, P. and Yongcan, J.I.N., 2009. A win-win technique of stabilizing sand dune and purifying paper mill black-liquor. Journal of Environmental Sciences, 21(4), pp.488-493.
17. Hazirei, F. and Zare, E.M., 2013. Investigation of effect of clay-lime mulch for sand dunes fixation. Journal of Water and Soil (Agricultural Sciences and Technology), 27(2), pp.373-380.
18.  Ippolito, J.A., Tarkalson, D.D. and Lehrsch, G.A., 2011. Zeolite soil application method affects inorganic nitrogen, moisture, and corn growth. Soil science, 176(3), pp.136-142.
19. James, J., 2020. Sugarcane press mud modification of expansive soil stabilized at optimum lime content: Strength, mineralogy and microstructural investigation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12(2), pp.395-402.
20. Jamili, T., Khalili, M.B. and Shahbazi, E., 2016. Investigation of water holding capacity of sugarcane mulch for sand dune stabilization in Ahvaz. Journal of Water and Soil (Agricultural Sciences and Technology), 29(5), pp.1278-1287.
21. Jamshidsafa, M., Khalili Moghadam, B., Jafari, S. and Ghorbani, S., 2015. Feasibility investigation of FilterCake using in mulch production for sand dune stabilization in Ahvaz. Agricultural Engineering, 38(1), pp.29-42.
22. Javiz, E., Jalalian, A., Mosaddeghi, M.R., Chavoshi, E. and Honarjoo, N., 2023. Assessment of wind erosion and physical and mechanical properties of bentonite clay mulch in an arid region. Journal of Arid Environments, 213, p.104974.
23. Komaei, A., Soroush, A., Fattahi, S.M. and Ghanbari, H., 2023. Wind erosion control using alkali-activated slag cement: Experimental investigation and microstructural analysis. Journal of Environmental Management, 344, p.118633.
24. Liang, J., Ning, R., Sun, Z., Liu, X., Sun, W. and Zhou, X., 2021. Preparation and characterization of an eco-friendly dust suppression and sand-fixation liquid mulching film. Carbohydrate Polymers, 256, p.117429.
25. MacArthur, E., 2013. Towards the circular economy. Journal of industrial ecology, 2(1), pp.23-44.
26. Mirabedini, S.M., Jamali, S.S., Haghayegh, M., Sharifi, M., Mirabedini, A.S. and Hashemi-Nasab, R., 2012. Application of mixture experimental design to optimize formulation and performance of thermoplastic road markings. Progress in Organic Coatings, 75(4), pp.549-559.
27. Khalili Moghadam, B., Jamili, T., Nadian, H. and Shahbazi, E., 2016. The influence of sugarcane mulch on sand dune stabilization in Khuzestan, the southwest of Iran. Iran Agricultural Research, 34(2), pp.71-80.
28. MolaAbasi, H., 2016. Evaluation of zeolite effect on strength of babolsar sand stabilized with cement using unconfined compression test. Modares Civil Engineering journal, 16(5), pp.203-213.
29. Mombeni, M., Asgari, H.R., Behbahani, A.M., Zare, S. and Yousefi, H., 2021. Effect of bagasse lignocellulose microfibers on sand stabilization: A laboratory study. Aeolian Research, 49, p.100654.
30. Mombeni, M., Asgari, H.R., Mohammadian, B.A., Zare, S. and Yousefi, H., 2020. Investigation of mechanical behavior of inflatable sand using malass and black liqueur. Journal of Range and Watershed Management (Iranian Journal of Natural Resources), 72(4), pp.1061-1073.
31. Montgomery, D.C., 2017. Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons, Inc. New York, USA, p.103.
32. Moosavi, M., Moradian, S., Bastani, S. and Jalili, M., 2012. The use of experimental design for optimizing the photostabilization of a substrate printed by a water-based overprint clear coat. Journal of Color Science and Technology, 6(1), pp.1-8.
33. Movahedan, M., Abbasi, N. and Keramati, M., 2012. Wind erosion control of soils using polymeric materials. Eurasian Journal of Soil Science, 1(2), pp.81-86.
34. Noori, M., Ahmadi, A. and Zendehdel, M., 2007. Comparative study between using natural and synthetic zeolites for the improvement of soil salinity and crop yield. Toxicological & Environmental Chemistry, 89(2), pp.233-241.
35. Osman, K.T., 2018. Sandy soils. In Management of soil problems (pp. 37-65). Cham: Springer International Publishing.
36. Sabzi, M., Asgari, H.R. and Afzali, S.F., 2018. Assessment sugar factories wastes’ performance on wind erosion control. Pollution, 4(3), pp. 539-546.
37. Safaei Gahnaviyeh, A.R., Karim-zadeh, H. and Shakraki, R., 2012. F. Use of steel manufacturing slag (Foulad Mobarake Co.) as mulch to stabilize wind eroded sediment case study: Soils in East of Isfahan. Environ. Erosion Res. J, 2(2), pp.15-24.
38. Soleimani, M., Mirjani, M., Ahmed, A., Khalilimoghadam, B., Cruz, M.D. and Christensen, J.H., 2025. Long-term effects of petroleum mulch on concentration, health, and ecological risks of polycyclic aromatic hydrocarbons in sand dune soils of Khuzestan province, Iran. Environmental Science and Pollution Research, 32(3), pp.1430-1446.
39. Wang, J., Hu, X., Zhao, Y., Li, X., Zhao, P. and Guo, Y., 2024. Effects of molasses-based microbial dust suppressant on soil dust and microbial community. Powder Technology, 441, p.119831.
40. Xiao, C., Bolton, R. and Pan, W.L., 2007. Lignin from rice straw Kraft pulping: Effects on soil aggregation and chemical properties. Bioresource technology, 98(7), pp.1482-1488.
41. Xu, Y., Wu, Y., Ma, B., Zhang, Y., Fan, Y., Huang, X. and Liu, Z., 2025. Performance evaluation and application of second-generation environmentally-friendly composite dust suppressant in dust control. Scientific Reports 151: 4450.
42. Yan, J., Yang, F., Zhang, W., Li, P., Zhou, W., Lu, X. and Li, K., 2025. Characterization of road dust and formulation of a molasses-based dust suppressant for heavy-duty haul roads in open-pit coal mine. Atmospheric Pollution Research, 16(9), p.102589.
43. Zare, S., Mohammadi, J., Mombeni, M., Shokohi, R. and Ghoohestani, G., 2021. Effect of different mulches on some physical and mechanical properties of Aeolian soil.
44. Zhou, G., Zhao, M., Yao, J., Dao, V.D., Li, S., Wang, H., Li, J. and Liu, B., 2025. Environmental application of molasses-based foam dust suppressant: Preparation, performance evaluation and mechanism analysis. Construction and Building Materials, 458, p.139541.