استفاده از مواد جاذب رطوبت پلیمری در کشاورزی به منظور افزایش ذخیره رطوبت خاک

مریم تابان- کارشناس ارشد دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرکان

چکیده :

یک روش جدید در پرورش گیاهان استفاده از پلیمرهای مصنوعی ژل شکل برای نگهداری آب در خاک ، به ویژه در خاک های ماسه ای است . به تازگی یک سری از این پلیمرها ، که شامل فرمول های جدید اصلاح کننده خاک می باشند ، برای تولید محصولات کشاورزی به خصوص برای استفاده در شرایط آب و هوایی خشک و نیمه خشک گسترش یافته است . نقش این مواد افزایش ظرفیت نگهداری آب ، خاک است مه به وسیله آزمایش های مزرعه ای و گلخانه ای به اثبات رسیده است (جانسون ، 1984) . تولید محصول در خاک های درشت بافت بیشتر به دلیل ظرفیت نگهداری کم آب و تلفات آب به عمق ( به علت نفوذ زیاد ) محدودیت پیدا می کند که سبب کاهش بهره دهی مصرف آب و کود به کار برده شده ، توسط گیاهان می گردد ( سیواپالان ، 2001 ) . هیدروژل های معمول در کشاورزی و باغبانی ذرات جامدی بوده که دارای ظرفیت 1500 – 400 گرم آب در هر گرم هیدروژل می باشد ( بومن و اونز ، 1991 پتروسون ، 2002 ) از این رو در مناطق خشک و نیمه خشک به دلیل کمی بارندگی و روبه رو بودن با مشک کم آبی حفظ و نگهداری آب خاک از اهمیت ویژه ای برخودار است ، تحقیقات برای استفاده از این اصلاح کننده های خاک مورد توجه واقع شده است .

ساختمان شیمیایی عمومی پلیمرهای جاذب
اختلاف در اثرگذاری هیدروژل ها به ساختمان شیمیایی آن ها بستگی دارد . دو کلاس معمول هیدروژل هایی که امروزه به کار برده می شوند شامل پلیمرهای طبیعی و مصنوعی است . پلی ساکاریدها ، هوموس ها ، پلی یورونیدها و آلجینیک اسیدها نمونه هایی از پلیمرهای طبیعی هستند . هیدروژل های مصنوعی نوع اصلی برای مقاصد باغبانی و زراعی هستند . پلیمرهای مصنوعی شامل دو گروه پلیمرهای قابل حل و غیرقابل حل در آب هستند . پلیمرهای مصنوعی را برای جلوگیری از انحلال آن ها در آب به صورت شبکه ای تبدیل می کنند . پلیمرهای جاذب رطوبت پلیمرهای شبکه ای غیرقابل حل در آب هستند .

علت قدرت بالای جذب آب به وسیله این مواد قرار داشتن گروه های قطبی در داخل زنجیره و در ساختمان پلیمر است ( والیس و تری ، 1998 ) . پلیمرهای هیدروژلی که در کشاورزی به کار برده می شوند ، شامل موارد زیر هستند .
کوپلیمر گرافت استارچ پلی اکریلونیتریل [1] .
کوپلیمر وینیل الکل اکریلیک اسید ( پلی وینیل الکل ها ) [2](CH20HOH-)n .
کوپلیمر اکریلات نمک های اکریل آمید (CH2CHCONH2)n یا پلی اکریل آمیدهای شبکه ای [3] ( پترسون ، 2002 : جانسون ، 1994 ) .

همه این هیدروژل ها در شرایط مناسب که به طور کامل منبسط شوند ، حداقل 95 درصد ذخیره آب قابل دسترس برای جذب گیاه خواهند داشت که در 4-2 = PF ذخیره می شود ( جانسون و ولتکامپ ، 1985 ) . پلیمرهای طبیعی در کمتر از دو ساعت به طور کامل هیدراته می شوند در حالی که پلیمرهای مصنوعی ( PVA ,PAM ) در حدود شش ساعت و یا بیشتر به طور کامل می توانند هیدراته شوند . پلیمرهای مصنوعی به دلیل این که کمتر در خاک تجزیه بیولوژیکی می شوند ، بیشتر از پلیمرهای طبیعی به کاربرده می شوند ( پترسون ، 2002 ) . مطالعات مربوط به PAM ها نشان می دهد که این مواد سمی نبوده و بی خطر هستند ( سیبولد ، 1994 ) .

     تحقیقات نشان می دهد که پلی اکریل آمیدها به اکریل آمیدها شکسته نمی شوند ، اما به نسبت به مولکول های اکریلونیتریل ، دی اکسیدکربن ، منوکسیدکربن ، سیانیدهیدروژن ، نیترات و نیتریت شکسته می شوند ( پترسون ، 2002 ) . ده ها نوع هیدروژل وجود دارد . هیدروژل ها به مدت چندین سال در خاک باقی می مانند ( پترسون ، 2002 ) .  عکسبرداری الکتریکی ( شکل 1 ) نشان می دهد که این مواد در شرایط منبسط شده دارای یک ساختمان سلولی ، با قابلیت ذخیره رطوبت قابل دسترس گیاهان ، در مخازن احاطه شده به  وسیله پل های شش گوشه می باشد . این پل ها به عنوان پایه ساختمانی و سطح انتشاری است که برای آب و بیشتر کاتیون های یک و دو ظرفیتی نفوذپذیر است . این پل ها در ذخیره آب برای فراهم کردن مقاومت فیزیکی در برابر خروج آب از ژل شرکت می کنند . ذخیره آب قابل دسترس به دو روش است . حدود 85-80 درصد در حفره های ریز ذخیره شده و باقیمانده در داخل روزنه های بسیار ریزتری است که البته آن هم قابل دسترس گیاه بوده و تامکش 98 کیلو پاسکال یعنی نقطه ای که حفره ای بزرگتر از هوا پر شوند ، در برابر از دست دادن آب مقاومت می کند ( جانسون و ولتکامپ ، 1985 ) .

ظرفیت نگهداری آب خاک

     وکلمار و چانج (1994) افزایش ظرفیت نگهداری آب را با استفاده از مواد پلیمری جاذب آب در خاک لومی ماسه ای گزارش دادند . جانسون و لا (1990) مشاهده کردند که با مصرف 2/0 و 5/0 درصد از پلیمر جاذب آب در خاک ماسه ای ، ظرفیت نگهداری آب خاک 150 تا 590 درصد افزایش می یابد . العمران ، مصطفی و شلبی ( 1987) بیان کردند که استفاده از مواد جاذب جالما سبب افزایش ذخیره رطوبت در سه نوع خاک ماسه ای ، لوم ماسه ای و رسی می گردد و اثرگذاری آن در خاک سبک بیشتر است . الحربی ، العمران ، شلبی و چادوری ( 1999 ) گزارش دادند که اضافه کردن پلیمر جاذب آب به خاک لومی ماسه ای در محیط کشت خیار ، ظرفیت نگهداری آب به خاک و راندمان مصرف آن را افزایش می دهد که با گذشت زمان این اثر افزایش می یابد . هاترمن ، ریس . زمردی (1999) با اضافه کردن هیدروژل  به خاک های ماسه ای در مقادیر 4/0 ، 2/0 ، 12/0 ، 08/0 ، 04/0 درصد وزنی ، افزایش نگهداری آب را به ویژه با افزایش مقدار هیدروژل در خاک مشاهده کردند . هیدروژل منبسط شده وقتی که به وسیله دستگاه پرژریلیت تحت فشار 15 بار قرار گرفت ، 99 درصد از آب ذخیره شده خود را رها ساخت .

     در حالی که با روش دیگری با استفاده از ماده گلیکول پلی اتیلن و دیالیز کردن پلیمز دارای آب در فشار اسمزی با 4 = PF تنها 50 درصد از آب ذخیره شده در پلیمر رها گردید . تفاوت بین رها سازی آب ذخیره شده در شرایط مختلف هنوز مشخص نشده است . تولید محصول در خاک های درشت بافت اغلب به دلیل ظرفیت کم نگهداری آب خاک و تلفات آب به عمق خاک محدودیت پیدا می کند که سبب کاهش راندمان مصرف آب و کود می گردد . استفاده از مواد جاذب رطوبت سبب می شود مشکل بالا بر طرف شود ( سیواپالان ، 2002 ) .

وزن مخصوص ظاهری خاک

     پترسون به نقل از آزارم در سال 2002 بیان کرد که پلی اکریل آمید وزن مخصوص ظاهری خاک ماسه ای را از 616/1 به 585/1 گرم در مترمکعب و خاک رسی ماسه ای را از 331/1 به 203/1 گرم در مترمکعب کاهش داد ( پترسون ، 2002 ) .وزن مخصوص ظاهری یک خاک آهکی لومی ماسه ای زمانی که با 4/0 درصد هیدروژل تیمار شده بود ، 4/38 – 8/6 درصد کاهش یافت . برآورد شده است که تغییرات هیدروژل ها بر وزن مخصوص ظاهری به دلیل کاهش ظرفیت هیدروژل ها هر سال 15 – 10 درصد کاهش پیدا می کند ( الحربی و همکاران ، 1999 ) . در کل اثرگذاری هیدروژل ها با گذشت زمان کم می شود ( میلر ، 1979 ) .

تغییر ویژگی های شیمیایی خاک

     سیلبربوش ، آدار و دمالاچ ( 1992 ) با استفاده از هیدروژل آگروسک در کشت ذرت مزرعه بیان داشتند که این ماده سبب رهاسازی سدیم به داخل خاک می شود . آزمایش ها نشان داده است ، گیاهانی که به شوری مقاوم هستند ، به این مواد جواب بهتری می دهند . آن ها علت رهاسازی سدیم به وسیله این مواد را وجود این عنصر در ساختمان هیدروژل بیان کردند . به دلیل این که پلیمریزاسیون این ماده در اسیدیته بالا و در حضور یک اسید قوی رخ می دهد ، بنابراین در پایان باید با یک بازخنثی شود که برای رسیدن به این مقصود از سود استفاده می گردد . پیشنهاد می شود که به جای سود از پتاس استفاده شود . با گذشت زمان از مقدار رهاسازی سدیم به وسیله این ماده کاسته می شود .

     فلتا و العمران ( 1995 ) طی یک آزمایش گلخانه ای ،اثر دو فاصله آبیاری ( 5 و 10 روزه ) را بر عمل یک اصلاح کننده جاذب آب در مقادیر مختلف و در خاک های آهکی لومی ماسه ای بر روی ویژگی های شیمیایی خاک بررسی کردند . فاصله آبیاری اثری بر روی ویژگی های شیمیایی خاک نداشت . مصرف این ماده اسیدیته خاک را در دو عمق 10 – 0 و 20 – 10 سانتی متری خاک در مقایسه با شاهد به طور معنی داری افزایش داد . هدایت الکتریکی در لایه بالایی خاک تیمار شده بالاتر از شاهد بوده و در عمق پایین تر تفاوت معنی داری با شاهد نداشت . مصرف این ماده سبب افزایش استخراج روی و کاهش آهن و منگنز قابلاستخراج لایه بالایی خاک گردید . استخراج مس و پتاسیم تحت تأثیر این ماده قرار نگرفت .

پاسخ پلیمرهای جاذب آب به نمک ها و کودها

     ظرفیت حمل آب به وسیله هیدروژل اغلب موقع اضافه شدن عناصر غذایی به آب و یا محلول هیدروژل ها کاهش می یابد ( بومن و اونز ، 1991 ) . در شرایط آزمایشگاهی ظرفیت حمل آب هیدروژل ها به وسیله مصرف آب دیونیزه شده تعین می شود . محلول های کودی دارای پتاسیم و آمونیوم ( کاتیون ها یک ظرفیتی ) مقدار جاذب آب هیدروژل PAM را تا 75 درصد کاهش می دهد . مصرف کلسیم ، منیزیم ، آهن و غیره ( کاتیون های دو ظرفیتی ) مقدار جذب آب را تا 90 درصد کاهش می دهد ( پترسون ، 2002 ) .

در تحقیقی که به وسیله بومن و اونز در سال 1991 انجام شد ، کاربرد کلسیم به فرم نیترات کلسیم مقدار آبی را که هیدروژل پلی اکریل آمید می توانست نگهداری کند ، به طور معنی داری کاهش داد . واکنش آب گریزی این هیدروژل که با نیترات کلسیم مخلوط شده بود ، به وسیله مصرفی پی در پی پتاسیم ( شستن پی در پی با نیترات پتاسیم ) کاهش یافت . هیدروژل ها دارای تعداد گروه k-coo+ هستند که ممکن است به صورت نمک رفتار کرده و سبب افزایش جذب آب به وسیله آن ها شود . ممکن است کاتیون های چند ظرفیتی به طور فعال مولکول های آب را در مکان های باردار اطراف و داخل پلیمر از جا کنده و جانشین آن شوند ( وانگ و گریک ، 1990 ) .

در تحقیقی دیگر ، هر سه نوع هیدروژل بیان شده ( PAM , PVA , SCP ) کاهش مقدار جذب آب را نشان دادند اما SCP کمتر تحت تأثیر اضافه کردن ترکیب های کودی قرار گرفت . با این حال SCP ها نمی توانند به اندازه گروه هیدروژل پلی اکریل آمید آب را جذب کنند . با بررسی سه گروه هیدروژل معلوم شده است که گروه PAM ها بزرگ ترین ظرفیت بافری را در خاک دارند و بنابراین آن ها به طور معنی داری قادر به نگهداری مقدار بیشتری از آب در شرایط مختلف هستند ( جانسون ، 1984 ) . در برخی موارد یک عنصر مانند نیتروژن با یک فرمول به وسیله هیدروژل نگهداری شده ، ولی با فرمول دیگر نگهداری نمی شود .

هنگام استفاده از این مواد در کشت گوجه فرنگی مشاهده کردند که آمونیوم CNH^{4+ نگهداشته} شده در سطح خاک در مقایسه با شاهد افزایش پیدا کرد اما زمانی که نیترات به هیدروژل اضافه شد ، مقدار آبشویی نیترات در همه تیمارها یکسان بود . اختلاف پاسخ به دو فرمول از نیتروژن می تواند به اختلاف بار ، یون مربوط باشد و در نتیجه اختلاف انحلال را به وجود آورد . پترسون در سال 2002 به نقل از هندرسون و هنسلی بیان کرد که پلیمرها هنگامی که دهیدارته می شوند مقدار بیشتری از کاتیون ها را نگهداری می کنند و زمانی که دوباره هیدراته می شوند ، نسبت به قبل آب کمتری را در خود نگه می دارند . بیشتر هیدروژل ها PH بالا دارند . PH بالا رشد برخی از گیاهان را کاهش می دهد ( وفورد ، 1989 ) . نگهداری نیترات و آمونیوم در واسطه کشت گوجه فرنگی با افزایش مقدار مصرف هیدروژل افزایش می یابد . غلظت نیتروژن نیز در برگ های گوجه فرنگی نسبت به شاهد افزایش می یابد ( برس و وستون ، 1993 ) . استفاده از هیدروژل ها در خاک های ماسه ای درشت بهترین نتیجه را در مقایسه با خاک های دیگر خواهد داشت که می تواند به دلیل ظرفیت نگهداری کاتیونی کمتر این خاک ها نسبت به خاک های دیگر باشد . به طور کلی هیدروژل PAM بیشترین قابلیت را در جهت کاربرد وسیع دارا است و توانایی بالایی برای ایفای نقش خود در شرایط شور دارد ( پترسون ، 2002 ) .

گرفتن و رهاسازی عناصر غذایی

     زمانی که عناصر غذایی همراه با پلیمرهای جاذب آب مصرف شوند ، قادر به افزایش دادن رشد گیاه هستند و عناصر غذایی مورد نیاز گیاه را آزاد می کنند . مک گردی و کوتر در سال 1987 ، با اضافه کردن فسفر به هیدروژل ، افزایش رشد نهال را در فلفل مشاهده کردند . پترسون در سال 2002 به نقل از فینچ ساویج ، بیان کرد که با اضافه کردن فسفات سدیم به هیدروژل افزایش رشد در گیاه کاهو و پیاز مشاهده شد .اندازه پیاز بالغ افزایش پیدا نکرد اما متوسط اندازه کاهو افزایش یافت پترسون در سال 2002 به نقل از وانگ گزارش داد که هدایت هیدرولیکی آب شسته شده از یک واسطه بدون خاک مخلوط شده با هیدروژل کاهش یافت که بیانگر این مطلب بود که هیدروژل بیشتر کودها و نمک های اضافه شده را در خود نگه داشته است .

     گل چینی ( Lygustrum lucidum ) زمانی که در یک واسطه مخلوط شده با هیدروژل کشت شد توانست بدون آبیاری به مدت طولانی دوام پیدا کند . همچنین سطح نیتروژن و پتاسیم در بافت گیاه افزایش یافت ولی کمبود کلسیم و منیزیم و آهن در مقایسه با واسطه ای که هیچ هیدروژلی نداشت مشاهده شد ، فقدان کاتیون های دو ظرفیتی در بافت گیاه به این دلیل بود که آن ها به وسیله هیدروژل نگهداشته شده و قابل وصول برای گیاه نبودند ( تایلور و هالفیس ، 1986 ) . طول عمر و اثرگذاری هیدروژل ها زمانی که با ستون عمیق تری از خاک مخلوط گردند کاهش می یابد . به دلیل این که کاتیون ها در قسمت عمیق تر پروفیل خاک وجود دارند . هیدروژل ها اندازه خاک دانه ها را افزایش می دهند(پترسون، 2002).