بررسي کاربرد پليمر فرا جاذب آب جهت افزايش راندمان آبياري در مناطق خشک و نيمه خشک

 

چکيده

 کل آب مصرفي در ايران حدود ٨٨.٥ ميليارد متـر مکعـب در سـال اسـت کـه ٨٣ ميليـارد متـر مکعـب آن در بخـش کشاورزي مصرف مي شود، از اين مقدار ٦٥ درصد آن به علت اعمال شيوه هاي غلط و سنتي آبياري هدر مي رود.

ايـن در حالي است که  کودهاي شيميايي نيز (به ويژه در خاک هاي شني) بر اثر آبياري (غرقابي و غيره ) به سرعت شـويش يافته و موجب آلودگي منابع ارزشمند آبهاي زيرزميني مي شوند.

کاهش کميت و کيفيت محصولات کـشاورزي، اثـرات خشکسالي ها و فجايع زيست محيطي مرتبط با آن ، پيامد هدر روي بيش از حد آب اسـت . اسـتفاده از روشـهاي نـوين آبياري مي تواند تا حد بسيار زيادي اين حالت را سامان ببخشد.

کاربرد هيدروژل هاي سوپر جـاذب ، يکـي از جديـدترين شيوه هاي آبياري براي مناطق خشک و نيمه خشک است که به کمک آن مي توان تـا بـيش از ٥٠ درصـد مـصرف آب آبياري را کاهش داد و از شويش کودهاي محلول در آب و به سـبب آن از آلـودگي آبهـاي زيرزمينـي جلـوگيري کـرد.

سوپرجاذب در خاک ، آب را همراه با کودهاي محلول در آن ، جذب کرده و در موقع نيـاز ريـشه ، بـه راحتـي آب و مـواد غذايي محلول در آب را در اختيار ريشه گياه قرار ميدهـد همچنـين از هـدر رفـت آب از طريـق تبخيـر، نفـوذ و غيـره جلوگيري مي کند.

استفاده از اين روش به تنهايي و يا همراه با ساير روش هاي نوين آبياري ، اگـر اصـولي و بـر اسـاس داده هاي پژوهشي پياده شود و همچنين تداوم استفاده داشته باشد ، مي توانـد نقـش چـشمگيري را در کـاهش اثـرات منفي ناشي از کم آبي در مناطق خشک و نيمه خشک ايفا کند.

کلمات کليدي: پليمر فرا جاذب آب – آبياري – مناطق خشک و نيمه خشک

مقدمه

مطالعات و بررسي هاي انجام شده نشانگر آن است که که کشور ايران با توجه به وضعيت جغرافيـايي و اقليمـي خـود در شرايط مناسبي از لحاظ تامين آب قرار ندارد. ميانگين بارندگي ايران حـدود يـک سـوم ميـانگين جهـاني مي باشـد کـه پراکنش بسيار نامنظمي دارد.

بيش از ٩٠ درصد از منابع آبي کشور در بخش کشاورزي مصرف مي شود (٩)، با اين وجـود راندمان بسيار پاييني دارد اين در حالي است که  کودهاي شيميايي نيز ( به ويژه در خاک هـاي شـني ) بـر اثـر آبيـاري (غرقابي و غيره ) به سرعت شويش يافته و موجب آلودگي منابع ارزشمند آبهاي زيرزميني مي شـوند.

کـاهش کميـت و کيفيت محصولات کشاورزي ، اثرات خشکسالي ها و فجايع زيست محيطي مرتبط با آن ، پيامد هدرروي بيش از حد آب است . در دنياي امروز در کشاورزي از بقاياي خود گياهان و مواد مختلف به عنوان مـواد افزودنـي بـراي بهبـود خـواص فيزيکي و شيميايي خاک استفاده مي شود . علاوه بر اين در مناطق خـشک و نيمـه خـشک کـه قـسمتهاي وسـيعي از کشور ما نيز جزء آن مي باشد، کمبود رطوبت در فصل رشد گياهان موجب کمبود شديد عملکرد گياهـان بـه خـصوص گياهان زراعي مي شود .

بنابراين استفاده بهينه از روش هاي آبياري و اصلاح خاک امري اجتناب نا پذير اسـت . يکـي از موارد افزودني در زمينه جذب آ ب ، پليمري با نام سوپر جاذب آب  ( هيدروژل ) مي باشد که استفاده از اين پليمـر نتـايج شگفت انگيزي در صرفه جويي مصرف آب و افزايش کمي و کيفي محصولات باغي و زراعي و همچنـين فـضاي سـبز و جنگلکاري هـا دارد.پليمرهـاي فراجـاذب آب Water Super Absorbent Polymers گروهـي صـناعي از مـواد اصلاح کننده خاک ميباشند که توسط فن آوري نانو توليد مي شوند، اين مواد ميتوانند مقادير زيادي آب يا محلـول آبـي را جذب نموده و متورم شوند.

اين مخازن ذخيره اي کوچک وقتـي کـه در داخـل خـاک قـرار مي گيرنـد، آب حاصـل از بارندگي و آبياري را به خود جذب نموده و از فرونشت آن جلوگيري مـي نماينـد(٥). کوچـک زاده و همکـاران (١٣٨٠) نشان دادند که پليمر فراجاذب آب ميتواند ميزان نگهداري رطوبت در خاکهاي سبک را افزايش داده و همچنين مشکل نفوذپذيري خاکهاي سنگين را مرتفع نمايند(٧). استفاده از اين پليمر سبب تـسريع رويـش بـذرها در خاکهـاي سـبک ميشود، البته تاثيري در پيدايش ساير پديده هاي رويشي( فنولوژي ) نـدارد (١). اسـتفاده از پليمـر فراجـاذب آب شـرايط فيزيکي خاک را بهبود مي بخشد( ٨). با استفاده کردن از پليمر فراجاذب آب در بخش کشاورزي مناطق خشک و نيمـه خشک و پروژه هاي بيولوژيک بيابان زدايي ميتوان تنش هاي ناشي از کم را به میزان زيادي کاهش داد.

پليمر فراجاذب آب و کاربردهاي آن

پليمرهاي سوپرجاذب مواد اصلاح کننده جديدي هستند که به تازگي کاربردهاي وسيعي پيدا کرده اند. اين هيدروژلها، پليمرهايي بشدت آبدوست هستند کـه ضـمن برخـورداري از سـرعت و ظرفيـت زيـاد جـذب آب ، ماننـد آب انبارهـاي مينياتوري عمل کرده و در موقع نياز ريشه ، به راحتي آب و مواد غذايي محلـول در آب را در اختيـار ريـشه گيـاه قـرار ميدهد. البته مقدار آبي که توسط اين پليمر در خاک ذخيره ميشود به ظرفيت نگهداري رطوبت خاک نيز بستگي دارد.

گفته مي شود که اين پليمر تا ١٠٠ برابر و گاهي تا ٥٠٠ برابر وزن خود قادر به جذب آب ميباشد که پـس از جـذب آب بتدريج و مطابق نياز آبي گياه ، آب را در اختيار گياه قرار مي دهد. اين پليمر در بردارنده هيچگونـه مـاده مـضر يـا سـمي براي گياه نيست و دوام اثر آن در خاک حدود ٥ سال است (٤). از کـاربرد هـاي پليمـر فراجـاذب ميتـوان بـه :

مـصارف بهداشتي (حدود ٨٠درصد)، کشاورزي(حدود ١٠درصد)، رطوبت زدايي از زغال سنگ ، کاهش اتلاف جريـان در سـيالات حفاري، کويرزدايي، جنگلکاري، فضاي سبز و نيز در تثبيت بيولوژيکي ماسه هاي روان و… اشاره کرد.

مزاياي استفاده از پليمر جاذب الرطوبت (هيدروژل )

پليمرهاي فراجاذب آب قابليت هاي اثبات شده اي در بهبود تهويه و نگهداري آب در خاک، تنظـيم ميـزان مـصرف آب توسط گياه ، اصلاح و تسهيل مديريت آبياري و افزايش تاثير و کاهش نياز به مصرف کود و سموم بخش کشاورزي دارند.

براي رفع مشکل هدر رفت آب در خاکهاي سبک (شني) مي توان با استفاده از هيدروژل ظرفيـت نگهـداري آب را بـالا برد. به علاوه براي رفع مشکل نفوذ پذيري خاکهاي سنگين (رسي) مي توان از هيـدروژل اسـتفاده نمـود. هيـدروژل در کشاورزي ، باغباني، جنگلکاري و فضاي سبز استفاده مي شود اين پليمر تـاثيرات مثبـت بـسزايي در کنتـرل فرسـايش خاک دارد. اين پليمرها مي توانند از بارندگيهاي پراکنده در مناطق کم آب به خوبي استفاده کرده و در موقع نياز ريشه در اختيار گياه قرار دهند. در مناطقي که داراي شيب فراوان هستند اين مواد مي تواننـد از هـدر رفـتن آب جلـوگيري کنند. از آ نجا که اين مواد جذب آب ناشي از بارندگي هاي پراکنده را بالا مي برد پـس فواصـل آبيـاري را افـزايش مـي دهند که اين افزايش بسته به شرايط فيزيکي خاک ، آب و هوا و ميزان مصرف هيدروژل در خاک متفاوت اسـت سـوپر جاذبها با قرار گرفتن در خاک باعث جذب آب ثقلي و غير قابل استفاده براي گياه مي شوند بنابراين از تنـشهاي وارده و تقليل عملکرد تاحد زيادي جلوگيري مي کند . هيدروژل عناصري نظيـر : نيتراتهـا ، فـسفاتها ، پتاسـيوم ، آهـن ، روي، وانواع ويتامينها را در خود نگهداري نموده و از هدر رفتن آنها جلوگيري مي کند.با اينکه سوپر آب تحت فشار هم قادر به نگهداري آب جذب کرده خود است ، به محض نياز ريشه ، آب را به سـهولت در اختيـار آن قـرار ميدهـد. اسـتفاده از پليمر جاذب الرطوبت در کاشت نشاء و نهال ، تنشهاي رطوبتي را از بين برده و به سازگاري نباتات کاشته شده با محيط کمک مي نمايد. PH سوپر جاذبها نزديک به خنثي ميباشد(٧-٦) لذا اثر شيميايي سوئي در خاک نداشـته و هيچگونـه سـميتي نيـز نـدارد. ايـن سـوپر جـاذب هـا پـس از گذشـت ٥-٣ سـال ، بـسته بـه نـوع آن و ترکيـب خـاک، توسـط ميکروارگانيسم ها تخريب و تجزيه ميشوند و لذا ميتوان گفت که آلودگي زيست محيطي ايجـاد نمـي کننـد. عـلاوه بـر نگهداري آب ، سوپر آب به علت تغيير حجم مداوم (انبساط هنگام آبگيري و انقباظ به هنگام از دسـت دادن آب ) ميـزان هوا را در خاک افزايش ميدهد. هرچند که به نظر ميرسد افزايش و کاهش مکرر حجم اين مواد ممکن است که به ريشه گياهان صدمات مکانيکي وارد سازد و درواقع نقش مشابهي با رسهاي متـورم شـونده (مونتموريلونيـت ) را داشـته باشـد.

همچنين مشخص شده که فزوني نسبي آب غير قابل استفاده باعث ايجاد مشکلاتي براي گياه ميشود(٢). به طـور کلـي مزاياي استفاده از پليمر فراجاذب به شرح زير ميباشد:

. استفاده بهينه از آب (٥٠ تا ٧٠درصد صرفه جويي در مصرف آب کشاورزي )

. جلوگيري از تنشهاي ناشي از نوسانات رطوبتي

. کاهش تاثيرات منفي ناشي از تنش خشکي

. بهبود ظرفيت نگهداري آب در خاک

. تهويه بهينه خاک

. افزايش نفوذپذيري خاک

. جلوگيري از فرسايش خاک

. کاهش تراکم خاکهاي سنگين

. کاهش تاثيرات منفي حاصل از نمک خاک

. ايجاد بسترهاي کشت قارچ ، هيدروپونيک و…

. جلوگيري از شسته شدن و هدر رفتن مواد غذايي خاک

. استفاده بهينه از کود و سموم شيميايي و پيشگيري از آلودگي آبهاي زيرزميني

. امکان کشت در سطوح شيبدار و مناطق بياباني و کمک به بيابان زدايي و تثبيت ماسه هاي روان

. افزايش زنده ماني و بقاي گياهي

. جذب بهتر مواد غذايي از طريق ريشه

. کاهش هزينه هاي توليد و واکاري نهال

. پرورش و انتقال نهال با تلفات بسيار اندک

. افزايش قوه ناميه  ( بالابردن درصد جوانه زني )

. افزايش کمي وکيفي محصول و در نتيجه درآمد بالاتر

. ايجاد شرايط مناسب براي رشد ريشه  ( تقويت ريشه زايي )

. فزايش تاثير کودها و آفت کشها به ميزان بسيار چشمگير

. افزايش توليد ماده خشک در گياه بدون نياز به افزايش مصرف آب

ضرورت استفاده از پليمر فراجاذب آب در کشاورزي مناطق خشک و نيمه خشک

مهمترين عامل محدود کنندة رشد در مناطق خشک و نيمه خشک کمبود آب مي باشد. بحران آب در ايران جديدتـرين مساله در بخش کشاورزي بحساب مي آيد اين در حالي است کـه بيـشترين سـهم مـصرف آب را ايـن بخـش بـه خـود اختصاص داده است ( بيش از ٩٠ درصد) که مهمترين علت آن را ميتوان به تبخير زياد و خشک بودن منطقه در مـدت زيادي از سال دانست که خود موجب مي شود اراضي کشاورزي به دفعات زياد آبياري نيازمند باشـند. اسـتفاده از پليمـر فراجاذب آب ميتواند مصرف آب را با کـاهش تعـداد دفعـات آبيـاري بـه حـداقل برسـاند چـرا کـه رطوبـت موجـود در خاک (ذخيره شده در خود پليمر) را در مواقع ضروري و مورد نيـاز، در اختيـار گيـاه قـرار ميدهـد. بـيش از ٩٠ درصـد رطوبت جذب شده توسط پليمرهاي فراجاذب آب ميتواند مورد استفاده گياه قرار گيرد(٥).

استفاده از اين مواد، مصرف آب کشاورزي را با افزايش مدت زمان بين دو آبياري کاهش ميدهد. در واقع از اختلاط  (بـه نسبت معين به طوري که در خاک هاي مناطق بياباني و خاکهـاي ماسـه اي حـداکثر ٢٠ گـرم در متـر مربـع يـا ٢٠٠ کيلوگرم در هکتار توصيه مي شود(٤) ) اين نوع پليمر با خاک اطراف ريشه ، نوسانات ميـزان رطوبـت در محـيط اطـراف ريشه کاهش چشمگير مي يابد که در نتيجه آن تنش وارده به گياه در بين دوره هاي آبياري يـا فواصـل بـين بارنـدگي هاي موثر در مناطق خشک و نيمه خشک که گياه به آن وابسته است ، کاهش مي يابد. همچنين ايـن مـواد بـا کـاهش ميزان انرژي مصرفي در گياه براي کسب ميزان رطوبت و بهـره منـدي از تهويـه و درجـه حـرارت مطلـوب ، مناسـبترين شرايط را جهت رشد گياه فراهم مي آورد(٥). به طور کلي مزاياي استفاده از پليمرهاي سـوپر جـاذب در کـشاورزي بـه شرح زير ميباشد(٣):

. کاهش هزينه هاي آبياري

. مصرف بهينه کودهاي شيميايي

. مصرف يکنواخت آب براي گياهان

. کاهش تعداد دفعات آبياري (مهمترين مزيت )

. رشد سريعتر و مطلوبتر ريشه با ذخيره مواد غذايي

. کاهش شستشوي آب و مواد غذايي موجود در خاک

. افزايش ظرفيت حفظ آب و مواد غذايي خاک براي مدت طولاني

. رشد سريعتر و ايده آل گياهان ، مخصوصا در مناطق بسيار گرم وخشک

. محافظت ريشه هاي روي خاک در برابر خشک شدن در اثر حمل و نقل و انبار کردن نهال ها…

بحث و نتيجه گيري

بيش از ٩٠ درصد آب مصرفي ايران صرف امور مربوط به کشاورزي مي شود. صرفه جـويي آب در کـشاورزي مـيتوانـد مقدار زيادي آب در اختيار ما قرار دهد بدون اينکه منابع جديد تخريب شوند. اگـر مـصرف آب کـشاورزي در جهـان را فقط ١٠ درصد کاهش دهيم با مقدار آبي که صرفه جويي شده خواهيم توانـست مـصرف شـرب جمعيتـي تـا دو برابـر جمعيت کنوني جهان را تامين کنيم (٦). اصولا زراعت در مناطق خشک و نيمه خشک به آبيـاري وابـسته اسـت کـه در اين ميان تبخير هم سهم عمده را در اتلاف آب دارا مي باشد. در واقع اگر نقش تبخير و تعـرق را توامـا در نظربگيـريم ، نيمي از آب استحصالي از جويبارها به مصرف اين دو مي رسد.کمبود رطوبت در فـصل رشـد گياهـان موجـب کمبـود شديد عملکرد گياهان به خصوص گياهان زراعي مي شود. بنابراين استفاده بهينه از روش هاي آبيـاري و اصـلاح خـاک امري اجتناب ناپذير است . در مناطق خشک و نيمه خشک بـه علـت وجـود شـرايط خـاص محيطـي از جملـه کمبـود بارندگي، درجه حرارت بالا، وجود بادهاي مکرر و… سبب شده است که يا موجود بودن ميزان آب مصرفي بـسيار پـايين باشد و يا در صورت وجود به راحتي از دسترس خارج شود.اکثر خاک هاي اين مناطق به علت کمبود مواد آلـي، بافـت درشت با نفوذ پذيري بالا و… قدرت نگه داري زيادي به منظور ذخيره و در اختيار قـرار دادن آب مـورد نيـاز گياهـان را دارا نمي باشد  اين خصوصيات باعث کاهش بازده آب مصرفي در اين مناطق مخصوصا در بخش کشاورزي شـده اسـت .

بهبود کارايي مصرف آب در کشاورزي به طرق گوناگون انجام مي شود که از جمله آنها مـي تـوان بـه توسـعه روشـها و تکنولوژي هاي جديد در آبياري اشاره کرد. با به کار بردن پليمر جاذب الرطوبت در کشاورزي مي توان تا حد زيـادي از هدر رفت آب در مواقع ترسالي جلوگيري کرد در واقع اين مواد با کاهش مصرف آب در آبياري ها و ايجاد شرايطي براي افزايش راندمان آبياري موجبات ذخيره هر چه بيشتر آب در مواقع غيربحراني را فراهم مي کند که اين حالت راهکـاري براي مقابله با خشکسالي محسوب مي شود(٣). کاهش دفعات نياز بـه آبيـاري مهمتـرين ويژگـي کـاربرد هيـدروژل در مناطق خشک و بياباني مي باشد به طوري که از ميزان آب مصرفي در هر نوبت آبياري حداکثر اسـتفاده مفيـد صـورت مي گيرد اين حالت نتيجه کاهش ميزان تبخير و هدر رفت آب در نتيجه نفوذ عمقي مي باشد در واقع با افزايش فاصـله زماني بين آبياريها اين مهم محقق مي گردد. از طرف ديگر کاربرد اين پليمر با قدرت جـذب بـالاي خـود، آب و مـواد غذايي محلول در آن بويژه کودهاي مصرفي را براي مدت زيادي در خاک حفظ مي کند و از شستشوي آنها و نفـوذ بـه اعماق زمين جلوگيري مي کند. البته اين بدان معنا نيست که گياه توان استفاده از محلول غذايي خاک را نـدارد، بلکـه اين مواد به تدريج و همگام با نياز گياهي در اختيار آن قرار مي گيرد که ميزان آزاد سازي مواد جذب شده توسط پليمر به نوع آن و مقدار استفاده آن به ازاي حجم خاک بستگي دارد. اين مواد با ايجاد يک منبع مينياتوري در اطـراف ريـشه گياهان تقريبا به طور يکنواخت آب و مواد غذايي مورد نياز گياهان را در اختيار آنها قرار مي دهد بـه همـين دليـل اثـر تنش هاي خشکي در بازه هاي زماني مختلف به ميزان زيادي کاهش مي يابد. اين حالت سبب افزايش رشـد سـريعتر و مطلوبتر ريشه ها با ذخيره مواد غذايي مي شود که خود موجبات افزايش کميت و کيفيت محصولات کشاورزي که عدم وجود آن يکي از معضلات مناطق خشک و نيمه خشک مي باشد، را فراهم مي کند. برآيند همه اين خصوصيات کـاهش هزينه هاي گزاف که براي توليد در مناطق خشک و نيمه خشک صرف مي شود را به دنبال دارد که مـي تـوان کـاهش هزينه هاي مربوط به آبياري، هزينه ناشي از مصرف بالاي کودهاي شيميايي، هزينه ناشي از مصرف زيـاد آب و… را نـام برد. به علت وسيع بودن عرصه هاي طبيعي، استفاده از اين پليمر با مشکلاتي مواجه است ولي ميتوان در مقياس هـاي کوچکتر از آن استفاده کرد به عنوان مثال در نهالستان هاي مناطق خشک و نيمه خشک مـورد اسـتفاده قـرار گيـرد و مصرف آب را در نهالستان کاهش دهد همچنين از خشک شدن ريشه نهـال هـاي جـوان در حـين  انتقـال بـه عرصـه ممانعت نماييد و تا استقرار کامل نهال در عرصه (بدليل موجود بودن پليمر در اطراف ريشه نهال ) از خشک شـدن نهـال بعد از نهال کاري جلوگيري نمايد. به طور کلي مي توان گفت پليمر جاذب الرطوبت به علت دارا بودن مزيت هاي فراوان و افزايش بازده آبياري در مناطق خشک و نيمه خشک از يک طرف هزينه ها و اثرات منفي  ناشـي از کمبـود آب را بـه ميزان زيادي کاهش داده و از طرف ديگر موجبات افزايش توليد را به اجزاي واحد سطح و ميـزان مـشخص مـصرف آب فراهم مي کند؛لذا استفاده از اين پليمر به منظور رسيدن به حداکثر بهره وري مصرف آب ، مخصوصا در مناطق خـشک و نيمه خشک توصيه مي شود.

 

منابع

١. بانج شفيعي، شهرام ، اسماعيل رهبر. ١٣٨٢. بررسي کارايي نوعي پليمر آبدوسـت در کـشاورزي و منـابع طبيعي، مجله تحقيقات مرتع و بيابان ١٠(١).

٢. بانج شفيعي، شهرام ، اسماعيل رهبر، فرهاد خاکساريان .١٣٨٥. اثر نـوعي پليمـر آبدوسـت بـر ويژگيهـاي رطوبتي خاکهاي شني، مجله تحقيقات مرتع و بيابان ١٣(٢(پياپي٢٣).

٣. پادياب ، محسن . ١٣٨٨. استفاده از پليمر فراجاذب آب راهکاري مناسب براي کاهش اثـرات خشکـسالي، دومين همايش ملي خشکسالي و راهکارهاي مقابله با آن ، ارديبهشت ٨٨، اصفهان .

٤. جعفري، محمد. ١٣٨٤. احياي مناطق خشک و بياباني، انتشارات دانشگاه تهران .

٥. جعفريان ، وحيد، احمد لاهوتي.١٣٨٥. معرفـي کـاربرد پليمرهـاي فراجـاذب در پـروژه هـاي بيولوژيـک بيابان زدايي، مجله جنگل و مرتع ، شماره ٧٠.

٦. ساندرا، پوستل . ترجمـه ، عبدالحـسين وهـابزاده ، امـين عليـزاده .١٣٧٣. آخـرين واحـه ، انتـشارات جهـاد دانشگاهي، مشهد.

٧. کوچک زاده ، مهدي، علي اصغر صباغ فرشي، ناصر گنجي خرم دل .١٣٨٠. تاثير پليمـر فراجـاذب آب بـر روي برخي خصوصيات فيزيکي خاک، دانشگاه تربيت مدرس .

٨. گنجـي خـرم دل ، ناصـر، فاطمـه کيخـايي . ١٣٨١. اسـتفاده از پليمرفراجـاذب آب PRA٣٠٠٥ جهـت موفقيت برنامه هاي آبياري در مناطق خشک و نيمه خشک ، گروه آبياري دانشگاه زابل .

٩. وزارت جهاد کشاورزي. ١٣٨٧. نگاهي بـه فـن آوري نـانو در وزارت جهـاد کـشاورزي، ويـژه نامـه اولـين نمايشگاه ملي فن آوري نانو، تهران ، ايران .

سوپر جاذب  = کاهش مصرف آب ۵۰ تا ۷۰ درصد  = گذر از کم آبی  = مقابله با خشکسالی = خرید سوپر جاذب