Farklı sulama rejimleri altında arıtma çamuru uygulamasının silajlık mısır yetiştirilen toprakta üretkenlik parametreleri ve karbon stok değişimi üzerine etkileri
Effects of sewage sludge application on soil productivity parameters and changes in carbon stock in silage maize cultivation under different irrigation regimes
Yazar: MEHMET ALTUN
Danışman: PROF. DR. ÜSTÜN ŞAHİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarımsal Yapılar ve Sulama Ana Bilim Dalı / Tarımsal Yapılar ve Sulama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Amaç-Yöntem: Bu çalışma da; silajlık mısır bitkisinde, farklı dozlarda stabilize arıtma çamuru uygulanmış toprakta gerçek zamanlı su tüketimi yaklaşımıyla farklı su tüketim düzeylerinde damla sulamayla üretkenlik parametreleri, karbon stok değişimi ve CO2 salınımı üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Dört farklı arıtma çamuru dozu (0, 30, 60 ve 90 t/ha) ve üç farklı sulama rejimi (Gerçek zamanlı su tüketim değerleri ile etkili yağış farkı ∑(ETc – Peff) 25 mm (S1), 50 mm (S2) ve 75 mm (S3)  olduğunda sulama) ile deneme tam şansa bağlı plana göre toplam 36 parselde, 2021 ve 2022 yıllarında Erzurum İlinde Atatürk Üniversitesi Bitkisel Üretim Uygulama ve Araştırma Merkezi deneme alanında yürütülmüştür.
Bulgular: Arıtma çamuru dozları arasında bitki su tüketimi benzer bulunmuş en yüksek WP ve IWP değerleri iki yıllık ortalamalara göre D3 dozunda belirlenmiştir. Sulama uygulamaları arasında ise en yüksek WP ve IWP değerleri iki yıllık ortalamalar dikkate alındığında sık sulama yapılan su tüketimi de S2 ve S3'e göre sırasıyla % 1,8 ve % 3,2 daha düşük bulunmuş, S1 uygulamasında belirlenmiştir. D3 dozunda WP değerinin D0, D1 ve D2'e göre sırasıyla % 42,0, % 20,3 ve % 12,2, IWP değerinin ise % 41,5, % 18,6 ve % 12,7 daha fazla olduğu belirlenmiştir. S1' in WP değeri S2' den % 15, S3' ten % 32,5 IWP değerinin de % 7,4 ve % 14,1 daha fazla olduğu belirlenmiştir. Porozite, agregat stabilitesi, tarla kapasitesi, EC, ESP, KDK, bitki boyu, gövde çapı, silajlık ot ve kuru madde verimleri, ham protein oranı, SPAD, stoma iletkenliği yaprak alan indeksi ve membran zararlanma arıtma çamru doz artışıyla artmış, kütle yoğunluğu, pH, CaCO3, ADF ve NDF azalmıştır. Su stresinin artmasıyla toprakta toplam Kjeldahl N ve NO3, bitkide membran zararlanma artarken, bitki boyu, gövde çapı, silajlık ot verimi ve kuru madde verimi, SPAD, stoma iletkenliği ve yaprak oransal su içeriği azalmıştır. Arıtma çamuru uygulaması toprağın OM, TN, P2O5 ve K2O içeriklerini artırmıştır. Arıtma çamuru hem bitkide hem de toprakta makro-mikro elementler ve ağır metal içeriklerini artırmıştır. Ancak, ağır metallerde artışlar sınır değerlerlerinin oldukça altında kalmıştır. Bitki mikro element ve ağır metal içerik birikimi sırasıyla Fe > Mn > B > Zn > Cu > Cr > Pb > Cd > Ni şeklinde sonuçlanmıştır. Arıtma çamuru doz artışıyla toprakta CO2 salınımı ve karbon stoku önemli seviyede artmış, su stres seviyesinin artmasıyla CO2 salınımlarında azalışlar tespit edilmiştir. CO2 salınımı H2O salınımı, farklı derinliklerde (5, 10 ve 20 cm) toprak nemleri arasında önemli pozitif korelasyonlar belirlenmiştir. Artan dozla infiltrasyon hızları artmıştır; D3 dozunda D0' a göre 7,7 kat daha fazla bulunmuştur. İkinici yıl, bu artışlar daha düşük seviyelerde kalmış, ancak yine de artışlar önemli bulunmuştur. Benzer şekilde, S3 uygulaması ile karşılaştırıldığında, S1 ve S2 uygulamalarında da infiltrasyon hızları daha yüksek belirlenmiştir.
Sonuç: Arıtma çamurunun toprak ve bitki verimini olumlu yönde etkilerken CO2 salınımlarını da arttırdığı belirlenmiştir. Yüzey toprakta ıslanma kuruma süreci uzadıkça CO2 salınımı azalmıştır ve buna bağlı olarak birim alan başına sezonluk CO2 salınımı da azalmıştır. Sık sulamada CO2 salınımı armasına rağmen artan verimden dolayı aynı verimi sağlama koşulunda sık sulamada alan miktarı daha az olacağı için böylece toplam salınım miktarı da azalacağından birim verim başına CO2 salınımı düşük olan sık sulama pratiği daha önerilebilir bulunmuştur.

Abstract:
Purpose-Method: This study aimed to determine the effects of drip irrigation at different water consumption levels on productivity parameters, carbon stock change and CO2 release in soil under sludge maize cultivation and treated with different doses of stabilized sewage sludge with a real-time water consumption approach. The experiment was carried out with four different sewage sludge doses (0, 30, 60 and 90 t/ha) and three different irrigation regimes (when the difference between the real-time water consumption and the effective rainfall was 25 mm (S1), 50 mm (S2) and 75 mm (S3)) in a total of 36 plots according to a completely randomized design in 2021 and 2022 in the experimental fields of Atatürk University Plant Production Application and Research Center.
Findings: The results indicated that water consumption was similar among the sludge doses and the highest water productivity (WP) and irrigation water productivity (IWP) values were determined in the D3 dose according to the two-year averages. Out of the different irrigation methods, the S1 regime showed the greatest WP and IWP values, found to be 1.8% and 3.2% lower than S2 and S3, respectively. It was determined that the WP value in the D3 dose was 42.0%, 20.3% and 12.2% higher than D0, D1 and D2, respectively, while the IWP value was 41.5%, 18.6% and 12.7% higher. It was determined that the WP value of S1 was 15% higher than S2 and 32.5% higher than S3, and the IWP value was 7.4% and 14.1% higher. When comparing the irrigation regimes, the water productivity (WP) value for S1 was 15% higher than for S2 and 32.5% higher than for S3. Likewise, the irrigation water productivity (IWP) value for S1 was 74% higher than for S2 and 141% higher than for S3. With the increase in the applied sludge dose, soil porosity, aggregate stability, field capacity, electrical conductivity (EC), exchangeable sodium percentage (ESP), cation exchange capacity (CEC), plant height, stem diameter, silage and dry matter yields, crude protein ratio, SPAD, stomatal conductance, leaf area index and integrity of cell membranes were determined to be higher, while bulk density, pH, calcium carbonate (CaCO3), acid detergent fiber (ADF), and neutral detergent fiber (NDF) were determined to be lower. Water stress caused an increase in both total Kjeldahl nitrogen and nitrate levels in the soil, as well as more membrane damage in plants. However, it also resulted in a decrease in plant height, stem diameter, silage production, dry matter yield, SPAD readings, stomatal conductance, and leaf relative water content. The application of sewage sludge resulted in an increase in the levels of soil organic matter (OM), total nitrogen (TN), phosphate (P2O5), and potash (K2O). The levels of both macro-micro elements and heavy metals in the soil and plants grew as the sewage sludge dosages increased, however the concentrations of heavy metals remained far below the limits set by regulations. The plants exhibited a pattern of accumulation for microelements and heavy metals, with iron (Fe) having the highest concentration, followed by manganese (Mn), boron (B), zinc (Zn), copper (Cu), chromium (Cr), lead (Pb), cadmium (Cd), and nickel (Ni). The application of larger sewage sludge dosages resulted in a notable increase in both soil CO2 emissions and carbon stock. Conversely, the presence of increasing water stress led to a reduction in CO2 emissions. Significant positive associations were found between carbon dioxide (CO2) emissions, water vapor (H2O) emissions, and soil moisture at various depths (5, 10, and 20 cm). The infiltration rates showed a significant rise when the sewage sludge dosages were raised. Specifically, the infiltration rate for the D3 dose was 77 times more than that of D0. While the gains in the second year were comparatively lesser, they remained noteworthy. Correspondingly the rates of infiltration were greater in S1 and S2 in comparison to S3.
Results: It was clearly obtained from this study that the use of sewage sludge positively effects soil and plant productivity, but it also leads to an increase in CO2 emissions. As the duration of the wet-dry cycle of the top layer of soil increases, the release of CO2 into the atmosphere decreases, resulting in a reduction in the amount of CO2 emitted per unit area throughout different seasons. Although frequent irrigation leads to a rise in CO2 emissions, the greater yield implies that the amount of land needed to achieve the same yield would be reduced, resulting in a decrease in total CO2 emissions per unit yield. Consequently, it is advisable to use frequent watering procedures, since they result in fewer CO2 emissions per unit yield.