پلیمرهای سوپر جاذب  و  بهینه سازی مصرف آب در کشاورزی نوین

مارال مرادی^*1 و ابراهیم آذرپور²

1و 2- گروه کشاورزی دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان

چکیده

ایران كشوري است که در روی کمربند خشك و نيمه خشك جهان واقع شده است  و بخش كشاورزي عمده ترين مصرف كننده منابع آب در این كشور مي باشد.

با توجه به کاهش نزولات جوی خصوصا در طی سالهای اخیر و عدم توزيع مناسب بارش در فصل زراعی آب مورد نياز در جهت مصرف بخش كشاورزي کاهش یافته است و به کار گیری شيوه هاي نوين مديريت زراعي در الگوي مصرف آب بمنظور افزايش بازده آبياري و استفاده بهينه از بارندگي بيش از پيش جلوه گر مي گردد.

يكي از راهكارهاي استفاده بهينه از منابع آب و حفظ آن استفاده از پليمرهاي سوپر جاذب است.

استفاده از پليمرهاي سوپرجاذب که پليمرهايي به شدت آبدوستاند و ضمن برخورداري از سرعت و ظرفيت زياد جذب آب، در زمان احتیاج ريشه های گیاه، به راحتي آب و مواد غذايي محلول در آب را در اختيار ريشه گياه قرار ميدهند و علاوه بر آن موجب افزایش ظرفیت نگهداري آب در خاک٬ افزایش نفوذپذیری خاک٬ افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی٬ کاهش و بهینه سازی مصرف آب و کاهش هزینه های آبیاری می گردند

اعمال مديريتی صحيح و تكنيكی پيشرفته به منظور حفظ ذخيره رطوبتي خاك براي افزايش راندمان آبياري و در نتيجه بهبود بهره برداري از منابع محدود آب مي باشد..

 

کلید واژه :

پلیمرهای سوپر جاذب

بهینه سازی مصرف آب

ظرفیت نگهداری آب

راندمان آبیاری

کشاورزی

 

مقدمه

ایران كشوري كم آب و خشك است.

استقرار ایران بین عرضهای 25 تا 40 درجه جغرافیایی باعث استیلای سیستم های پر فشار حاره ای و در نتیجه پیدایش و گسترش بیابانها در ایران شده است.

مساحت بیابان ها در ایران 45 تا 47 میلیون هکتارمی باشد.

در ايران، متوسط 30 ساله ريزش هاي جوي تا سال 2001 ميلادي(1380 شمسی) 252 میلی متر (حجم 413 ميليارد متر مكعب) است كه 30 % آن را برف و 70% بقيه را باران و ساير فرم هاي بارش تشكيل مي دهد.

از لحاظ مقايسه، متوسط دراز مدت ريزش ها در آسيا 732 ميلي متر و در دنيا 831 ميلي متر است.

از 413 ميليارد مترمكعب بارش،25 ميليارد متر مكعب به صورت نفوذ در دشت ها و كوهستان ها و 92 ميليارد متر مكعب به صورت جريان هاي سطحي در مي آيد كه با ورود 13 ميليارد متر مكعب آب از رودخانه هاي مرزي به مملكت، جمع منابع آب تجديد شونده 130 ميليارد متر مكعب مي شود[2].

میزان مصرف آب ابیاری محصولات مهم کشاورزی همچون گندم٬ صیفی جات٬ چغندرقند٬ برنج و غیره نیز در مقایسه با مقادیر جهانی بسیار بالاست[6].

از 95 میلیون متر مکعب آب استحصالی سالانه در ایران بیش از 87 میلیون متر مکعب آن در بخش کشاورزی برای آبیاری باغات و زمینهای زراعی مصرف می شود[3]

با توجه به کاهش نزولات جوی خصوصا در طی سالهای اخیر و عدم توزيع مناسب بارش در فصل زراعی آب مورد نياز در جهت مصرف بخش كشاورزي کاهش یافته است و به کار گیری شيوه هاي نوين مديريت زراعي در الگوي مصرف آب بيش از پيش جلوه گر مي گردد.

یکی از راهکارهای موثر، بهره گیری از مواد مصنوعی با جذب خوب و نگهداری آب حتی تحت شرایط فشار و دمای بالاست است.

کاربرد مواد سوپر جاذب، جدیدترین شیوه آبیاری برای مناطق خشک است که به کمک آن می توان تا 50 درصد مصرف آب آبیاری را کاهش داد و ضمنا از شستشوی کودهای محلول در آب و آلودگي آبهاي زيرزميني جلوگیری کرد. (اوستر و همكاران 1374)

پليمرها را بر دو نوع تقسيم نموده اند:

گروه اول داراي ساختمان شبكه اي بوده و تمايل براي جذب آب در هنگام بارندگي و آبياري داشته و در موقع خشكي با تخليه آب، آن را در اختيار گياه قرار مي دهند.

گروه دوم پليمرهاي غير آب دوست بوده كه تمايلي به جذب آب نداشته و ذرات خاك را به هم مي چسبانند[1].

هیدروژلهای سوپر جاذب ٬ پلیمرهای آب دوستی هستند که بدلیل وجود اتصالات عرضی در حلال حل نشده٬ بلکه جزیی از حلال را در ساختارشان نگه می دارند و مي توانند مقادير زيادي آب يا محلولهاي آبي را جذب نموده و متورم شوند[12].

اين مخازن ذخيره كننده آب وقتي در داخل خاك قرار مي گيرند آب آبياري و بارندگي را به خود جذب نموده و از فرونشت آن جلوگيري مي نمايند و پس از خشك شدن محيط، آب داخل پليمر به تدريج تخليه شده و بدين ترتيب خاك به مدت طولاني و بدون نياز به آبياري مجدد، مرطوب مي ماند[5].

زماني كه پليمرها آب را جذب و رها مي كنند، در اثر انبساط و انقباض ساختمان خاك بهبود مي يابد و منافذ حاوي هوا در خاك جهت توسعه ريشه بويژه در خاك هاي ريز بافت افزايش مي يابد[4].

بر اساس تعادل ترمودینامیکی در این مواد در حالتیکه پتانسیل شیمیایی آب در محیط بیش از هیدروژل باشد٬ نفوذ آب از محیط به داخل این مواد صورت گرفته که این عمل جذب باعث تورم این پلیمرها تا چندین برابر حجم اولیه خواهد شد و در حالتیکه پتانسیل شیمیایی آب در هیدروژل بالاتر از محیط باشد٬ نفوذ آب از هیدروژل به سمت محیط اطراف بوده و یا به عبارت دیگر عمل دفع صورت می گیرد که این پدیده نیز با انقباض هیدروژل همراه است.

این خاصیت باعث شده است که از این مواد به منظور حفظ رطوبت خاک استفاده گردد[7].

استفاده از این مواد هیچگونه عوارضی برای انسان ، گیاه و خاک و محیط زیست ندارد.

مقدار جذب آب در اين پليمرها بسته به فرمولاسيون، ناخالصي ها و ميزان نمك موجود در آب از مقادير بسيار كم حدود 20 برابر تا بيش2000 برابر وزني متغير است.

در این حال پس از آبگیری دانه های خشک مواد سوپر جاذب ژل دانه دانه بوجود می آورند با استفاده از این پلی مر می توان دور آبیاری را افزایش داد

این مواد شامل سه نوع کاتیون ، آنیونی و خنثی می باشد که در کشاورزی نوع آنیونی آن با داشتن بار منفی مورد توجه می باشد .

سوپر جاذ بهای آنیونی با دارا بودن قابلیت بالای ظرفیت کاتیونی قادرند علاوه بر جذب مقادیر قابل توجهی آب ،کاتیونهای موثر و مفید در رشد گیاه را در خود جذب کنند و ضمن جلوگیری از هدر رفتن آنها در موقع لزوم آنها را در اختیار گیاه قرار دهند.

این مواد بی بو ، بی رنگ و بدون خاصیت آلایندگی خاک ، آب و بافت گیاهی می باشند.

سوپرجاذبها پس از 3 تا 5 سال، بسته به نوع آن و تركيب خاك، توسط ميكروارگانيسمها تخريب ميشوند .

بررسی های انجام شده بر رفتار هیدروژلها در خاک بوضوح نشان می دهد که  کاربرد آنها برای بهبود ظرفیت آب کلی نیست.

تورم هیدروژلها در یک محیط متخلخل٬ بویژه بسترهای شور و نمکی تحت تاثیر عوامل متفاوتی قرار دارد٬ که اغلب اثر منفی بر تورم دارند.

بنابراین کاربرد هیدروژل نیاز به ملاحضات دقیق این فاکتورها دارد. در انتخاب نوع هیدروژل مناسب برای خاکها٬ لازم است خصوصیات پایه قلیایی- اسیدی ژل و خاک در نظر گرفته  شوند. زیرا در غیر اینصورت پدیده انقباض که نتیجه تاثیر یونهای مختلف و جذب روی سطوح جامد می باشد٬ رخ می دهد[7].

مواد و روش­ها

در اين پژوهش با درنظر گرفتن ويژگي هاي پلیمرهای سوپر جاذب كه عبارتند از:

افزايش ظرفيت نگهداري آب در خاک و كاهش دور آبياري٬ کاهش هزینه های آبیاری٬ افزایش ظرفیت نگهداری مواد غذایی خاک برای مدت طولانی٬ کاهش شستشوی آب و مواد غذایی موجود در خاک٬ بالا بردن ظرفیت تبادل کاتیونی در خاک٬ مصرف بهینه کودهای شیمیایی٬ افزایش دادن عملکرد محصولات زراعی٬ کاهش دادن احتمال وقوع فرسایش و رواناب٬ کاهش وزن مخصوص ظاهري خاک٬ افزایش نفوذپذیری خاک و غیره به بررسي نقش اين مواد و كاربرد هاي آن دركشاورزي پرداخته شد.

لذا اطلاعات از منابع و مقالات متعددي جمع آوري گرديد تا نقش وجايگاه اين مواد در حل معضلات مربوط به كشاورزي ايران راهگشا باشد.

 

نتایج و بحث

(فلانری و بوسچر٬ 1982 و جوهانسون 1984)  گزارش نمودند که استفاده  از هیدروژل سوپر جاذب موجب  افزایش مقدار رطوبت قابل دسترس در ناحیه ریشه گیاه می گردد ٬  بنابراین می توان دورهای آبیاری را طولانی تر در نظر گرفت.

این پلیمرها آب مورد استفاده گیاهان را کاهش نمی دهند[16و23].

بدین ترتیب با کاهش تعداد دور آبیاری و طولانی شدن زمان بین آبیاری ها از هزینه آب مصرفی و همین طور نیروی انسانی مورد نیاز جهت انجام آبیاری کاسته می شود.

  سوپر جاذب ها موجب افزایش یافتن ظرفیت نگهداری آب در خاک می شوند.

هدف اصلي از افزودن پليمرهاي سوپر جاذب به خاك، افزايش ظرفيت نگهداري آب و كاهش دور آبياري است[24].

ظرفیت نگهداری آب به بافت خاک ٬ نوع هیدروژل سوپر جاذب و اندازه ذرات آن (پودر یا گرانولها)٬ شوری محلول خاک و حظور یونها بستگی دارد[22].

(هاترمن و همكاران 1999) گزارش دادند كه افزايش هيدروژل جاذب رطوبت به خاك شني در مقادير 04/٬0 08/٬0 12/0 ٬ 2/0 و 4/0 درصد وزنی منجر به افزایش ظرفیت نگهداری آب متناسب با مقدار هیدروژل مصرفی گردید.

بالاترین مقدار این ماده (4/0%)٬ ظرفیت نگهداری آب را حتی در خاک لومی و رسی سیلتی نیز افزایش داد.

هیدروژلهای منبسط شده تحت فشار 15 بار دستگاه صفحه فشار٬ 99% آب ذخیره شده را رها کرده و تاثیر این مواد در کاهش تنش آبی گونه ای از کاج نشان داد که گلدان های حاوی مقادیر بیشتر هیدروژل در طی  دوره کم آبی٬ آب بیشتری را نسبت به تیمار شاهد در اختیار گیاه قرار دادند[21].

العمران و همكاران٬ 1997) اظهار داشتند كه استفاده از مواد جاذب رطوبت باعث افزايش ذخيره رطوبت در سه نوع بافت شني، لوم شني و رسي گرديد و تأثير آن در خاكهاي سبك بيشتر بود[12] .

بر اساس تحقیقات (آزام٬ 1983) در نواحی خشک که با کمبود آب آبیاری در جهت مصرف کشاورزی مواجه هستند٬ هیدروژلهای سوپر جاذب می توانند به عنوان مواد اصلاح کننده خاک برای افزایش نگهداری آب در خاک و جلوگیری از نقصان آب عمل کنند و موجب رشد سریع تر و سالم تر گیاهان مخصوصاً در مناطق بسیار گرم و خشک شوند[10].

(اختر و همكاران 2004)بيان نمودند كه افزايش 1/0 ٬ 2/0 و 3/0 درصد هيدروژل به خاك لومي و لوم شني منجر به افزايش خطي رطوبت ظرفيت زرا عي با ضريب همبستگي(988/0) و افزايش آب قابل استفاده گياه در هر دو خاك گرديد[8].

نتايج تحقيقات (چادهري و همكاران٬ 1995) نيز مؤيد افزايش ظرفيت نگهداري آب خاك با مصرف سوپر جاذب می باشد[13].

شوری خاک عاملی در جهت کاهش میزان آب قابل استفاده توسط گیاه می باشد که می توان بوسیله  كاربرد پليمر باعث افزايش ميزان آب قابل استفاده گياه شد.

افزایش عملکرد محصولات زراعی اولویت اصلی در اکثر تحقیقات کشاورزی می باشد.

پلیمرهای سوپر جاذب موجب افزایش دادن عملکرد محصولات مختلف کشاورزی می گردند[11و14].

بر اساس تحقیقات (جسینگ و اشميد هالتر٬ 2004) بر روی گیاه گندم در سه خاک با بافتهای مختلف٬ عملکرد دانه و بیوماس  گیاهان با افزایش به کاربردن هیدروژل سوپر جاذب بدون نقصان آب افزایش یافت[17].

بالا بردن ظرفیت تبادل کاتیونی در خاک از دیگر مزیتهای استفاده از هیدروژلهای سوپر جاذب می باشد.

با استفاده از این هیدروژلها و بالا بردن ظرفیت تبادل کاتیونی خاک  بستر مناسبی جهت نگهداری و در اختیار قرار دادن مواد غذایی و کاتیونهای حل شده در محلول خاک برای مدت طولانی جهت استفاده گیاه فراهم گشته و از آبشویی و خروج آنها از ناحیه قابل دسترسی برای گیاهان جلوگیری می گردد[22].

کاربرد هیدروژل سوپر جاذب عاملی در جهت مصرف بهینه کودهای شیمیایی است.

کاهش شستشو ی آب و مواد غذایی موجود در خاک موجب می شود که تا حد 50 درصد از مصرف کودهای شیمیایی کاسته شده و از مصرف بیش از حد کود که علاوه بر هزینه اضافی و احتمال ضرر و زیان و ایجاد سمیت برای خود گیاه٬ آلودگی های زیست محیطی را نیز در پی دارد٬ موجب ارتقای کارایی آنها در افزایش عملکرد کیفی و کمی محصولات زراعی می گردد[18٬27٬19٬28٬20].

علاوه بر کودها سوپر جاذبها از نفوذ عمقی علف کش ها و آفت کش ها نیز به حد زیادی جلوگیری می نماید. عملیات کشت در زمین های شیب دار و بیابانها به علل مختلف از جمله کمبود آب و احتمال وقوع فرسایش و رواناب کمتر صورت می گیرد.

پلیمرهای سوپر جاذب با ارتقاء و بهبود بخشیدن وضعیت خاکدانه های خاک٬   نگهداری ساختمان خاک٬ کاهش وزن مخصوص ظاهري خاک٬ افزایش و تقویت وضعیت تخلخل٬ فراهم نمودن رطوبت سطح خاک٬ بالا بردن نفوذپذیری خاک و افزایش دادن سرعت نفوذ آب در خاک موجب کاهش یا  حتی توقف فرسایش و رواناب می شوند[22و29].

ظرفيت بالاي جذب آب پليمر منجر به افزايش بيشتر خلل و فرج ريز و تأثيرمويينگي می گردد[26].

در فرایند انتقال گیاهچه ها از خزانه به زمین اصلی٬ عموما تعدادی از آنها پس از انتقال قادر به تحمل نبوده و تحت تاثیر شوک حاصل از انتقال تلف می شوند.سوپر جاذب ها در انتقال گیاهچه ها به زمین اصلی موجب می شوند که گیاهچه ها شوک حاصل از انتقال را بهتر تحمل کنند و سریعتر و بهتر استقرار یابند[15].

با توجه به وضعیت آب و هوایی کشور ایران و کمبود بارش ها همراه با عدم توزیع مناسب آنها در فصل زراعی٬ استفاده از پليمرهاي سوپرجاذب بعنوان روش مدیریتی مطلوب و پیشرفته به منظور استفاده بهينه از بارندگي٬ حفظ ذخيره رطوبتي خاك براي افزايش راندمان آبياري و در نتيجه بهبود بهره برداري از منابع محدود آب توصیه می گردد.

سوپر جاذب در خاک، آب را همراه با کودهای محلول در آن، جذب کرده و بنا بر تقاضای ریشه در اختیار آن قرار می دهد.

لذا این روش به تنهایی و یا در کنار سایر روش های نوین آبیاری، اگر به درستی پیاده شده و تداوم یابد، می تواند موجب ارتقاء وضعیت کشاورزی  ایران  شود.

 

منابع

1. 1. اوستر، ج.د. سينگر، م.ج. فولتن، ا .و پريچارد، ت .(1374). دشواري نفوذ آب در خاك . ترجمه حق نيا، غ . ح. انتشارات دانشگاه فردوسي مشهد .225 صفحه.
2. 2. سپاسخواه، ع. توكلي، ع و موسوي، س.ف. (1385). اصول و كاربرد كم آبياري(شاخص هاي آستانه اي عمق آب مصرفي و حد بهينه آن). كميته ملي آبياري و زهكشي ايران. چاپ اول.
3. 3. ظفر نژاد٬ ف. محدودیت٬ تلفات و نرخ آب کشاورزی. فصلنامه آب و توسعه. شماره 15.
4. 4. عسگري، ف، نفيسي، س. اميديان، ح. و هاشمي، س.ع. (1373). سنتز، شناسايي و اصلاح خواص ابرجاذب ها. مجموعه سمينار بين المللي علوم وتكنولوژي پليمر، ص 83-80.
5. 5. كوچك زاده، م. صباغ فرشي، ع .ا و گنجي خرم دل، ن. (1379). تأثير پليمر فراجاذب آب بر روي برخي خصوصيات فيزيكي خاك . مجله علوم. خاك و آب، جلد 14 ، شماره 2، ص 176-185.
6. 6. منوچهری٬ غلامرضا. مسائل مربوط به الگوی مصرف آب. بولتن کمیسیون آب٬ شماره 6. صفحه 4 الی 6.
7. 7. نادری٬ ف. و اشقانی فراهانی، ا. (1385). حفظ رطوبت خاک با استفاده از پلیمرهای جاذب آب (هیدروژل). مجله علوم آب و خاک.جلد 20. شماره 1. 1385.
8. Akhter, J., Mahmood, K., Malik, K.A., Mardan, A., Ahmad, M., and Igbal, M.M. (2004). Effects of hydrogel amendment on water storage of sandy loam and loam soils and seedling growth of barley, wheat and chickpea. Plant, Soil and Environment, 50 (10): 463-469.
9. Al-Omran, A.M., Mustafa, M.A., and Shalaby A.A. (1997). Intermittent evaporation from soil columns as affected by a gel-forming conditioner. Soil Science Society of America Journal, 51: 1539-1599.
10. Azzam, R.A. (1983). Polymeric conditioner gels for desert soils.Communications in Soil Science and Plant Analysis 14, 739±760.
11. Baasiri, M., Ryan, J., Mucheik, M., and Harik, S.N. (1986). Soil application of a hydrophilic conditioner in relation to moisture, irrigation frequency and crop growth. Communications in Soil Science and Plant Analysis 17,573±589.
12. Buchholz F.L., and Graham, A.T. (1997). Modern superabsorbent polymer technology. John Wiley & Sons, 279 pages.
13. Choudhary, M.I., Shalaby, A.A., and Al-Omran, A.M. (1995). Water holding capacity and evaporation of calcareous soils as affected by four synthetic polymers. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 66: 350-355.
14. Dhliwayo, D.K.C. (1993). The effect of a superabsorbent on soil water retention of two soils and on the growth, development and yield of winter wheat (Triticum aestivum L. cv. Pote). Zimbabwe Journal of Agricultural Research 31, 53±64.
15. Erazo, F. (1987). Superabsorbent Hydrogels and Their Benefits in Forestry Applications. In: Landis, T.D., technical coordinator. Proceedings.
16. Flannery, R.L., and Busscher, W.J. (1982). Use of a synthetic polymer in potting soils to improve water holding capacity. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 13 (2): 103 –111.
17. Geesing, D., and Schmidhalter, U. (2004). Influence of sodium polyacrylate on the water-holding capacity of three different soils and effects on growth of wheat. Soil Use and Management 20, 207±209.
18. Guo, M.Y., Liu M.Z., Hu Z., Zhan F.L., and Wu, L. (2005). Preparation and properties of a slowrelease NP compound fertilizer with superabsorbent and moisture preservation, Journal of Applied Polymer Science, 96, 2132-2138.
19. He, X.S., and Zhang, F.D., (2005). Characteristics and performance of water-absorbent polymer coated urea fertilizer, Plant Nutrition and Fertilizer Science, 11, 334-339.
20. He, X.S., Liao Z.W., Huang P.Z., Duan J.X., Ge R.S., Li H.P., and Zhao, J.H. (2006).Research advances in slow controlled-release water storing fertilizers, Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering, 22, 184-190.
21. Huttermann, A., Zommorodi, M., and Reise, K. (1999). Addition of hydrogels to soil prolonging the survival of Pinus halepensis seedling subjected to drought. soil & Tillage Research, 50: 295-304.
22. Jhurry, D. Agricultural polymers. AMAS . Food and Agricultural Research Council, Réduit, Mauritius.
23. Johnson, MS. (1997). The effects of gel-forming polyacrylamides on moisture storage in sandy soils.J. Sci. Food Agric. 35 : 1063 – 1066.
24. Peterson, D. (2002). Hydrophilic polymers-Effect and uses in the landscape. Horticulture Science, 75.
25. Plumb, T.R., and Kraus, K. (1991). Oak woodland artificial regeneration correlating soil oisture to seedling survival. USDA Forest Service Gen. Tech. Rep. Psw- 126.
26. Zeineldin, F.I., and Aldakheel, Y.Y. (2006). Hydrogel polymer effects on available water capacity and percolation of sandy soils at Al-Hassa, Saudi Arabia. CSBE/SCGAB 2006 Annual Conference.
27. Zhan, F.L., Liu, M.Z., Guo, M.Y. and Wu, L. (2004). preparation of superabsorbent polymer withslow-release phosphate fertilizer, Journal of Applied Polymer Science, 92, 3417-3421.
28. Zhou, B. (2003). Production and uses of water-absorbent long effect compound fertilizer, Journal of the Chemical Fertilizer Industry, 30, 55-56.
29. Sivapalan, S. (2006). Some benefits of treating a sandy soil with a crosslinked type polyacrylamide. Australian Journal of Experimental Agriculture. 46: 579-584.