Unlocking the potential of steel slag for sustainable agriculture: a study on wheat and lettuce

Abstract

Sürdürülebilir atık yönetimi stratejileri, endüstriyel yan ürünlerin tarım da dahil olmak üzere çeşitli alanlarda etkili bir şekilde değerlendirilmesini gerektirmektedir. Çelik üretiminin bir yan ürünü olan çelik cürufu, mineral içeriği ve fizikokimyasal özellikleri sayesinde gübre ve toprak düzenleyici olarak öne çıkmaktadır. Ancak tarımda çelik cürufu kullanımına yönelik temel endişe, cürufun bitki dokularını ve toprağı olumsuz etkileyebilecek ağır metal içeriğidir. Çelik cürufunun bitki gelişimi, verimi ve dokuların besin içeriği üzerinde etkili olabileceği hipotezinden hareketle, bu projede sera koşullarında yetiştirilen buğday ve marul farklı gübreleme rejimlerinde, alkali ve asidik toprak tiplerinde muhtelif cüruf uygulamalarına tâbi tutulmuştur. Buna ek olarak, çelik cürufunun toprağın pH'ı, elektriksel iletkenliği (EC) ve yarayışlı element konsantrasyonu üzerindeki etkisini ortaya koymak amacıyla bağımsız bir toprak inkübasyon denemesi de kurulmuştur. Asidik toprakta yapılan cüruf uygulamalarında, buğday gelişimi kontrol grubuna göre %78 oranında artmış, sürgün dokularındaki fosfor (P), potasyum (K), çinko (Zn) ve bor (B) düzeylerinde anlamlı bir artış sağlanmıştır. Ayrıca, dane verimi ve besin kalitesi de asidik koşullarda ince partiküllü cüruf dozlarının uygulamasından olumlu etkilenmiştir. Asidik toprakta yapılan uygulamalarda marul gelişimi kontrol grubuna göre büyük bir artış göstermiştir. Marulun yenilebilir kısımlarındaki K, kalsiyum (Ca) ve Zn konsantrasyonları açısından da cüruf uygulaması dokuların besin içeriğini zenginleştirmiştir. Cüruf uygulaması hiçbir toprak tipinde bitkilerin kadmiyum (Cd), krom (Cr), vanadyum (V) veya kurşun (Pb) gibi potansiyel toksik metallerin konsantrasyonlarında anlamlı bir artışa yol açmamıştır. Dahası, sürgün Cd konsantrasyonlarında alkali ve asidik toprakta sırasıyla %31 ve %60 oranında azalma sağlamıştır. Bu bulgular, çelik cürufunun toprak özelliklerini iyileştirmek suretiyle bitkilerin büyüme, verim ve besin içeriğini artırabileceğini ortaya koymuştur. Bu çalışma ile çelik cürufunun sürdürülebilir tarımda ve üretimi ile uzun vadeli kullanımı toprak kirliliğine ve yüksek CO? salımına neden olabilen kimyasal gübrelere alternatif olarak kullanımının önemli bir potansiyele sahip olduğu ortaya konmaktadır. Çelik cürufunun, özellikle tarla koşullarında, toprak ve farklı bitki türleri üzerindeki uzun vadeli etkisini değerlendiren çalışmaların yapılması gerekmektedir.Sustainable waste management strategies necessitate efficient valorization of industrial by-products across different fields, including but not limited to agriculture. Steel slag, a by-product of steel manufacturing, appears to be a promising material as fertilizer and soil amendment due to its mineral composition and physicochemical characteristics. The main concern regarding the use of steel slag in agriculture is its heavy metal content which can adversely affect both plant tissues and soil environments. Based on the hypothesis that steel slag may affect plant growth, yield, and nutritional status of tissues, wheat and lettuce grown under greenhouse conditions were subjected to various slag treatments in alkaline and acidic soil types under different fertilization regimes in this study. In addition, an independent soil experiment was conducted to determine the effect of steel slag on soil pH, electrical conductivity (EC), and extractable element concentration. Steel slag amendment notably improved wheat growth by up to 78% over control in acidic soil with a significant increase in shoot phosphorus (P), potassium (K), zinc (Zn), and boron (B) levels. Furthermore, grain yield and nutritional quality positively responded to ground doses of slag amendment under acidic conditions. Lettuce growth, on the other hand, was drastically elevated compared to control in response to slag application in acidic soil. Nutritional status of edible lettuce parts was also enhanced by slag amendment in terms of K, calcium (Ca), and Zn concentrations. No significant increase in the concentrations of potentially toxic metals such as cadmium (Cd), chromium (Cr), vanadium (V), or lead (Pb) observed in any of the crops upon steel slag treatment in either type of soil. Moreover, 31% and 60% decreases in shoot Cd concentration were achieved in alkaline and acidic soil environments, respectively. These findings revealed that steel slag could enhance the growth, yield, and nutritional status of the crops through improvements in soil properties. Overall, this study suggested the considerable potential of steel slag as a promising approach for sustainable agriculture and a potential alternative to chemical fertilizers, whose production and long-term use may cause soil pollution and elevated CO2 emissions. Future studies investigating the long-term impact of steel slag on soil and various plant species should be carried out to test the safety of the material, particularly under field conditions.