تأثیر ورمی‌کمپوست و بیوچار بر رشد، ویژگی‌های بیوشیمیایی و غلظت عناصر برگی نهال ارس (Juniperus excelsa M. Bieb.) تحت رژیم‌های مختلف آبیاری

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 دانشیار، گروه جنگلداری و اقتصاد جنگل، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

4 گروه علوم طبیعی، دانشکده علوم، دانشگاه تامپسون ریورز، کملوپس، کانادا

چکیده

مقدمه و هدف: ارس (Juniperus excelsa M. Bieb) درختی دیرزی و مقاوم به شرایط سخت محیطی است که در ارتفاعات می‌روید. این گونه به‌دلیل ارزش‌های زیست‌محیطی، دارویی و صنعتی، نقش مهمی در بوم­سازگان‌های کوهستانی دارد. با این حال، کاهش بارندگی و تغییرات اقلیمی، بقای آن را تهدید کرده‌اند؛ از این‌­رو، بهبود روش‌های مدیریتی و تغذیه‌ای برای افزایش مقاومت نهال‌های ارس در برابر خشکی ضروری است. بکارگیری اصلاح‌کننده‌هایی مانند بیوچار و ورمی‌کمپوست، روشی مؤثر برای کاهش اثرات تنش خشکی در گیاهان به‌شمار می‌رود. بیوچار و ورمی‌کمپوست با بهبود ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک، به کاهش اثرات تنش خشکی و تقویت رشد گیاه کمک می‌کنند. اگرچه اثرات جداگانه این مواد بر گیاهان مختلف بررسی شده، اما تأثیر همزمان آن‌ها بر گونه‌های مقاومی مانند ارس در مناطق خشک کمتر بررسی شده است. این پژوهش با هدف بررسی اثرات جداگانه و ترکیبی بیوچار و ورمی‌کمپوست بر رشد، ویژگی‌های بیوشیمیایی و غلظت عناصر برگی نهال‌های ارس تحت سطوح مختلف آبیاری انجام شد.
مواد و روش‌ها: این پژوهش روی نهال‌های دوساله ارس به‌صورت آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی، در شرایط گلخانه‌ای دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران (کرج) انجام شد. نهال‌ها تحت سه سطح آبیاری شامل ۱۰۰ درصد (آبیاری کامل یا شاهد)، ۷۵ درصد (تنش ملایم خشکی) و ۵۰ درصد ظرفیت زراعی خاک (تنش شدید خشکی) قرار گرفتند. همچنین، تیمارهای اصلاح‌کننده خاک شامل بیوچار (پنج درصد حجم گلدان)، ورمی‌کمپوست (۱۵ درصد حجم گلدان)، ترکیب بیوچار (5/2 درصد) با ورمی‌کمپوست (5/7 درصد) و شاهد (بدون اصلاح‌کننده خاک) اعمال شد. صفات مورد بررسی شامل وزن گیاه، محتوای کلروفیل، پرولین، فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی و غلظت عناصر پرمصرف در برگ بود.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که در نبود بیوچار و ورمی‌کمپوست، تنش خشکی در سطح ۵۰ درصد ظرفیت زراعی خاک موجب کاهش معنی‌دار شاخص‌های رشدی و تغذیه‌ای نهال‌های ارس شد؛ به‌طوری ‌که در نبود بیوچار و ورمی­کمپوست، وزن اندام هوایی ۲۶ درصد، وزن ریشه ۲۰ درصد، کلروفیل کل ۱۸ درصد، عملکرد اسانس ۲۴ درصد، نیتروژن برگ ۲۹ درصد، فسفر برگ ۲۵ درصد و پتاسیم برگ ۲۸ درصد کاهش نسبت به تیمار 100 درصد ظرفیت زراعی یافت. در مقابل، این سطح از تنش خشکی موجب افزایش محتوای پرولین به مقدار ۲۴ درصد و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز به­ترتیب ۹۷ و ۱۰۵ درصد شد. همچنین، کاربرد ترکیبی ورمی‌کمپوست و بیوچار نسبت به کاربرد جداگانه هر یک، اثرات بهتری در بهبود شاخص‌های مورد بررسی داشت؛ به‌طوری‌ که در تیمار تنش 50 درصد ظرفیت زراعی، ترکیب این دو ماده موجب افزایش وزن اندام هوایی ۱۵ درصد، وزن ریشه ۱۴ درصد، کلروفیل کل ۱۳ درصد، پرولین ۱۲ درصد، درصد اسانس ۱۱ درصد، عملکرد اسانس ۲۵ درصد و غلظت نیتروژن، فسفر و پتاسیم برگ به­ترتیب ۲۴، ۲۱ و ۲۲ درصد نسبت به شرایط عدم استفاده آنها شد.
نتیجه‌گیری: هرچند تنش خشکی در سطح ۵۰ درصد ظرفیت زراعی سبب کاهش محسوس در رشد گیاه ارس شده و همچنین موجب کاهش جذب عناصر غذایی در برگ‌های آن می‌شود، اما نتایج نشان می‌دهد که استفاده همزمان از ورمی‌کمپوست و بیوچار تحت شرایط تنش خشکی شدیدتر، یعنی در سطح ۷۵ درصد ظرفیت زراعی، می‌تواند تأثیرات منفی خشکی را به­طور قابل­توجهی کاهش دهد. این ترکیب بهبود زیادی در شاخص­های رشد گیاه، افزایش جذب عناصر غذایی ضروری در برگ‌ها و همچنین بهبود عملکرد تولید اسانس در نهال‌های ارس ایجاد می‌کند. به­ واسطه این تأثیرات مثبت، بهره‌وری آب در این شرایط، که معمولاً تحت­تنش قرار دارد، ارتقاء یافته و نشان می‌دهد که این روش، علاوه بر اینکه از نظر زیست‌محیطی پایدار است، روشی مؤثر و اقتصادی برای مدیریت تنش خشکی به­شمار می‌آید. این یافته‌ها نشان می­دهد که کاربرد همزمان ورمی‌کمپوست و بیوچار می‌تواند راهکاری عملی و قابل اطمینان برای حفظ سلامت و افزایش عملکرد نهال‌های ارس در مناطق خشک و نیمه‌خشک باشد و به­عنوان بخشی از برنامه‌های احیای جنگل و بهبود کاشت در شرایط محدودیت آبی توصیه شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Studying the effect of vermicompost and biochar on growth, biochemical properties, and leaf element concentrations of juniper seedlings (Juniperus excelsa) under different irrigation regimes

نویسندگان [English]

  • Keivan Fazl Karimi 1
  • Vahid Etemad 2
  • Anoushirvan Shirvani 2
  • Fatemeh Ghaziani 3
  • Thomas Great Pypker 4
1 Department of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I. R. Iran
2 Associate Professor, Department of Forestry and Forest Economics, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I. R. Iran
3 Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture, University of Tehran, Karaj, I. R. Iran
4 Department of Natural Sciences, Faculty of Science, Thompson Rivers University, Kamloops, Canada
چکیده [English]

Background and Objective: Persian juniper (Juniperus excelsa M. Bieb.) is a long-lived tree species that is highly tolerant of harsh environmental conditions and typically grows in mountainous regions. Owing to its ecological, medicinal, and industrial values, this species plays a critical role in mountain ecosystems. However, declining precipitation and ongoing climate change have increasingly threatened its survival. Therefore, improving management and nutritional practices to enhance the drought tolerance of juniper seedlings has become essential. The application of soil amendments such as biochar and vermicompost is considered an effective approach to mitigating the adverse effects of drought stress in plants. By improving the physical, chemical, and biological properties of soil, biochar and vermicompost can alleviate drought stress and promote plant growth. Although the individual effects of these amendments have been investigated in various plant species, their combined effects on drought-tolerant species such as juniper in arid regions have received limited attention. Accordingly, the present study aimed to evaluate the individual and combined effects of biochar and vermicompost on growth, biochemical traits, and leaf nutrient concentrations of juniper seedlings under different irrigation regimes.
Material and Methods: This study was conducted on two-year-old juniper seedlings as a factorial experiment arranged in a completely randomized design under greenhouse conditions at the Faculty of Natural Resources, University of Tehran (Karaj, Iran). Seedlings were subjected to three irrigation levels: 100% field capacity (full irrigation or control), 75% field capacity (mild drought stress), and 50% field capacity (severe drought stress). Soil amendment treatments included biochar (5% of pot volume), vermicompost (15% of pot volume), a combined application of biochar (2.5%) and vermicompost (7.5%), and a control without soil amendment. The measured traits included plant biomass, chlorophyll content, proline concentration, antioxidant enzyme activities, and leaf macronutrient concentrations.
Results: The results indicated that, in the absence of biochar and vermicompost, drought stress at 50% field capacity led to a significant reduction in growth and nutritional indices of juniper seedlings. Compared with the 100% field capacity treatment, shoot biomass decreased by 26%, root biomass by 20%, total chlorophyll by 18%, essential oil yield by 24%, and leaf nitrogen, phosphorus, and potassium concentrations by 29%, 25%, and 28%, respectively. In contrast, this level of drought stress increased proline content by 24% and enhanced the activities of the antioxidant enzymes catalase and superoxide dismutase by 97% and 105%, respectively. Moreover, the combined application of vermicompost and biochar produced more pronounced improvements in the measured traits than the individual application of either amendment. Under the 50% field capacity treatment, the combined amendment increased shoot biomass by 15%, root biomass by 14%, total chlorophyll by 13%, proline content by 12%, essential oil percentage by 11%, essential oil yield by 25%, and leaf nitrogen, phosphorus, and potassium concentrations by 24%, 21%, and 22%, respectively, compared with the non-amended control.
Conclusion: Although drought stress at 50% field capacity markedly reduced juniper growth and limited nutrient uptake in leaves, the results demonstrate that the combined use of vermicompost and biochar under drought conditions—particularly at 75% field capacity—can substantially mitigate the negative effects of water deficit. This combination significantly improves plant growth indices, enhances the uptake of essential nutrients in leaves, and increases essential oil production in juniper seedlings. As a result of these positive effects, water-use efficiency under stress conditions is improved, indicating that this approach is not only environmentally sustainable but also an effective and cost-efficient strategy for drought stress management. Overall, the findings suggest that the combined application of vermicompost and biochar represents a practical and reliable solution for maintaining seedling health and improving the performance of juniper in arid and semi-arid regions, and it is recommended as part of forest restoration and afforestation programs under conditions of limited water availability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioclimatic variable
  • Habitat suitability
  • Machine learning
  • Worldclim database
Ahmad, A.; Aslam, Z.; Abbas, R. N.; Bellitürk, K.; Hussain, S.; Hussain, S., Elshikh, M. S., Enhancing wheat crop resilience to drought stress through cellulolytic microbe-enriched cow dung vermicompost. ACS omega 2024, 9(2), 2123-2133.
Amirfakhrian, Z., Abdossi, V., Mohammadi Torkashvand, A., Weisany, W., & Ghanbari Jahromi, M. Co-applied magnesium nanoparticles and biochar modulate salinity stress via regulating yield, biochemical attribute, and fatty acid profile of Physalis alkekengi L. Environmental Science and Pollution Research, 2024, 31(22), 31806-31817.
Anwar, T.; Shehzadi, A.; Qureshi, H.; Shah, M. N.; Danish, S.; Salmen, S. H.; Ansari, M. J., Alleviation of cadmium and drought stress in wheat by improving growth and chlorophyll contents amended with GA3 enriched deashed biochar. Scientific Reports2023, 13(1), 18503.
Arnon, D. I., Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant physiology 1949, 24(1), 1.
Babalik, Z.; Göktürk Baydar, N., Drought and salt stress alter the mineral composition of grapevines. Journal of Plant Nutrition 2024, 47(12), 1981-1995.
Babashpour-Asl, M.; Farajzadeh-Memari-Tabrizi, E.; Yousefpour-Dokhanieh, A., Foliar-applied selenium nanoparticles alleviate cadmium stress through changes in physio-biochemical status and essential oil profile of coriander (Coriandrum sativum L.) leaves. Environmental Science and Pollution Research 2022, 29(53), 80021-80031.
Bates, L. S.; Waldren, R. P. A.; Teare, I. D., Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and soil 1973, 39, 205-207.
Behzadi, Y.; Salehi, A.; Dehnavi, M. M.; Balouchi, H., Improvement of biochemical and antioxidant responses of borage (Borago officinalis L.) under drought stress conditions with the use of vermicompost and zinc sulfate. Physiology and Molecular Biology of Plants 2023, 29(12), 1881-1896.
Boutasknit, A.; Benaffari, W.; Anli, M.; Ouamnina, A.; Assouguem, A.; Lahlali, R.; Meddich, A., Comparative Effects of Compost and Arbuscular Mycorrhizal Fungi Versus NPK on Agro-Physiological, Biochemical and Tolerance Responses of Tomatoes to Drought. Phyton 2024.  (0031-9457), 93(12).
Cenciareli, L. C.; Justi, M. S.; Ferreira-Silva, S. L.; de Almeida, L. F. R.; Neto, M. C. L., Physiological and biochemical changes associated with the induction of facultative CAM in Pereskia aculeata under drought stress and recovery. Plant Physiology and Biochemistry 2025, 222, 109681.
Chapman, J. C., The effect of potassium and nitrogen fertilizers on the yield, fruit quality and leaf analysis of Imperial mandarins. Australian Journal of Experimental Agriculture 1982, 22(117), 331-336.
Dehestani-Ardakani, M.; Dashti, M.; Shirmardi, M.; Momenpour, A., (2019). Effect of cow manure and vermicompost on increasing salt tolerance of golden rain tree. Forest Research and Development 20195(4), 541-556.
Ebrahimi, M.; Souri, M. K.; Mousavi, A.; Sahebani, N., Biochar and vermicompost improve growth and physiological traits of eggplant (Solanum melongena L.) under deficit irrigation. Chemical and Biological Technologies in Agriculture 2021, 8, 1-14.
Ghaffari, H.; Tadayon, M. R.; Bahador, M.; Razmjoo, J., Biochemical and yield response of sugar beet to drought stress and foliar application of vermicompost tea. Plant Stress 2022, 5, 100087.
Giannopolitis, C. N.; Ries, S. K., Superoxide dismutases: I. Occurrence in higher plants. Plant physiology 1977, 59(2), 309-314.
Gullap, M. K.; Severoglu, S.; Karabacak, T.; Yazici, A.; Ekinci, M.; Turan, M.; Yildirim, E., Biochar derived from hazelnut shells mitigates the impact of drought stress on soybean seedlings. New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science 2024, 52(1), 19-37.
Hadinezhad, P.; Asadi, H.; Hojati, S. M.; Tafazoli, M.; Yousefpour, R., Factors affecting tree drought stress in Hyrcanian forests. Forest Research and Development 202510(4), 431-451.
Haghaninia, M.; Javanmard, A.; Radicetti, E.; Rasouli, F.; Ruiz-Lozano, J. M.; Sabbatini, P, Adoption of arbuscular mycorrhizal fungi and biochar for alleviating the agro-physiological response of lavander (Lavandula angustifolia L.) subjected to drought stress. Plant Stress 2024, 12, 100461.
Heidarzadeh, A.; Modarres-Sanavy, S. A. M.; Mokhtassi-Bidgoli, A., Changes in yield and essential oil compositions of dracocephalum kotschyi boiss in response to azocompost, vermicompost, nitroxin, and urea under water deficit stress. Journal of Soil Science and Plant Nutrition 2022, 22(1), 896-913.
Khosropour, E.; Weisany, W.; Tahir, N. A. R.; Hakimi, L., Vermicompost and biochar can alleviate cadmium stress through minimizing its uptake and optimizing biochemical properties in Berberis integerrima bunge. Environmental Science and Pollution Research 2022, 29(12), 17476-17486.
Lalay, G.; Ullah, S.; Ahmed, I., Physiological and biochemical responses of Brassica napus L. to drought‐induced stress by the application of biochar and Plant Growth Promoting Rhizobacteria. Microscopy research and technique 2022, 85(4), 1267-1281.
Minocha, N.; Kaur, P.; Satyanarayana, T.; Kunze, G., Acid phosphatase production by recombinant Arxula adeninivorans. Applied Microbiology and Biotechnology 2007, 76, 387-393.
Mohkami, A., Yazdanpanah, N., & Saeidnejad, A. H., The Effect of Vermicompost and Biochar Application on Morphophysiological Characteristics of Quinoa under Drought Stress Conditions. Iranian Journal of Soil and Water Research 2007, 53(1), 129-140. (In Persian)
Mueller, S.; Riedel, H. D.; Stremmel, W., Determination of catalase activity at physiological hydrogen peroxide concentrations. Analytical biochemistry 1997, 245(1), 55-60.
Murtaza, G.; Usman, M.; Ahmed, Z.; Zulfiqar, F.; Moosa, A.; Iqbal, R.; Deng, G., Synergistic impact of vermicompost and different woody-biochar boosts eggplant growth traits and physiological-related parameters under deficit irrigation. New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science 2024, 1-22.
Naderian, M.; Hafez Ghoran, S.; Abdjan, M. I.; Sabahi, Z.; Moein, S.; Jassbi, A. R.; Moein, M., A new labdane diterpenoid, in vitro and in silico cytotoxicity, and protease inhibitory effects of phytochemicals from Juniperus polycarpos K. Koch leaves. Natural Product Research 2024, 1-12.
Naeemi Golzard, M.; Ghanbari Jahromi, M.; Kalateh Jari, S., Effect of biochar and vermicompost on growth parameters and physiological characteristics of feverfew (Tanacetum parthenium L.) under drought stress.Journal of Ornamental Plants 2023, 13 (2), 109-120.
Peymaei, M.; Sarabi, V.; Hashempour, H., Improvement of the yield and essential oil of fennel (Foeniculum vulgare Mill.) using external proline, uniconazole and methyl jasmonate under drought stress conditions. Scientia Horticulturae 2024, 323, 112488.
Rehaman, A.; Fatma, M.; Jan, A. T.; Shah, A. A.; Asgher, M.; Khan, N. A., Co-application of nitric oxide and vermicompost improves photosynthetic functions, antioxidants, and nitrogen metabolism in maize (Zea mays L.) grown under drought stress. Journal of Plant Growth Regulation 2023, 42(6), 3888-3907.
Ritchie, S. W.; Nguyen, H. T.; Holaday, A. S., Leaf water content and gas‐exchange parameters of two wheat genotypes differing in drought resistance. Crop science 1990, 30(1), 105-111.
Rohim, F. M.; Mahmoud, T. S. M.; Tong, Y.; Saleh, S. A., Influence of Moringa seed cake and vermicompost on soil microbial activity, growth, and productivity of ‘Anna’apple trees. Applied Fruit Science 2024, 66(1), 1-11.
Saeidi Abueshaghi, Z.; Pilehvar, B.; Sayedena, S. V., Vegetative and physiological responses of purple seedlings to water stress. Forest Research and Development 20239(3), 349-363.
Sarwar, G.; Anwar, T.; Malik, M.; Rehman, H. U.; Danish, S.; Alahmadi, T. A.; Ansari, M. J., Evaluation of potassium-enriched biochar and GA3 effectiveness for Improving wheat growth under drought stress. BMC Plant Biology 2023, 23(1), 615.
Sefidkon, F.; Abbasi, K.; Khaniki, G. B., Influence of drying and extraction methods on yield and chemical composition of the essential oil of Satureja hortensis. Food chemistry 2006, 99(1), 19-23.
Shahhoseini, R.; Rahimian Boogar, A., Phytochemical Analysis of Normal and Natural Mutant Types of Juniperus polycarpos. Journal of Medicinal plants and By-Products 2024, 14(4), 357-362.
Shahmohammadi, F., Ghanbari Jahromi, M., Farhadpour, M., Kalateh Jari, S., & Torkashvand, A. M. Biochemical responses and dynamics of the taxol biosynthesis pathway genes in Taxus baccata L. plants sprayed with melatonin under drought stress. Plant and Soil, 2024, 1-19.
Sparks, R.; Bottoms, A.; Hay, W.,Prisons and the Problem of Order. Clarendon Press. 1996.
Sultan, H.; Li, Y.; Ahmed, W.; Shah, A.; Faizan, M.; Ahmad, A.; Khan, M. N., Biochar and nano biochar: Enhancing salt resilience in plants and soil while mitigating greenhouse gas emissions: A comprehensive review. Journal of Environmental Management 2024, 355, 120448.
Talaat, N. B.; Abdel-Salam, S. A., An innovative, sustainable, and environmentally friendly approach for wheat drought tolerance using vermicompost and effective microorganisms: upregulating the antioxidant defense machinery, glyoxalase system, and osmotic regulatory substances. BMC Plant Biology 2024, 24(1), 866.
Zamani, S. M.; Mojerlou, S.; Alizadeh, M.; Ghanaei, S., First report of charcoal disease caused by Biscogniauxia mediterranea (De Not.) Kuntze on Juniperus excelsa M. Bieb. in Iran. Trees 2025,39(1), 17.
Zulfiqar, B.; Raza, M. A. S.; Saleem, M. F.; Aslam, M. U.; Iqbal, R.; Muhammad, F.; Khan, I. H., Biochar enhances wheat crop productivity by mitigating the effects of drought: Insights into physiological and antioxidant defense mechanisms. PloS One 2022, 17(4), e0267819.