بررسی کاربرد پلیمر فرا جاذب آب جهت افزایش راندمان آبیاری در مناطق خشک و نیمه خشک

چکیده

 کل آب مصرفی در ایران حدود ٨٨.۵ میلیارد متـر مکعـب در سـال اسـت کـه ٨٣ میلیـارد متـر مکعـب آن در بخـش کشاورزی مصرف می شود، از این مقدار ۶۵ درصد آن به علت اعمال شیوه های غلط و سنتی آبیاری هدر می رود.

ایـن در حالی است که  کودهای شیمیایی نیز (به ویژه در خاک های شنی) بر اثر آبیاری (غرقابی و غیره ) به سرعت شـویش یافته و موجب آلودگی منابع ارزشمند آبهای زیرزمینی می شوند.

کاهش کمیت و کیفیت محصولات کـشاورزی، اثـرات خشکسالی ها و فجایع زیست محیطی مرتبط با آن ، پیامد هدر روی بیش از حد آب اسـت . اسـتفاده از روشـهای نـوین آبیاری می تواند تا حد بسیار زیادی این حالت را سامان ببخشد.

کاربرد هیدروژل های سوپر جـاذب ، یکـی از جدیـدترین شیوه های آبیاری برای مناطق خشک و نیمه خشک است که به کمک آن می توان تـا بـیش از ۵٠ درصـد مـصرف آب آبیاری را کاهش داد و از شویش کودهای محلول در آب و به سـبب آن از آلـودگی آبهـای زیرزمینـی جلـوگیری کـرد.

سوپرجاذب در خاک ، آب را همراه با کودهای محلول در آن ، جذب کرده و در موقع نیـاز ریـشه ، بـه راحتـی آب و مـواد غذایی محلول در آب را در اختیار ریشه گیاه قرار میدهـد همچنـین از هـدر رفـت آب از طریـق تبخیـر، نفـوذ و غیـره جلوگیری می کند.

استفاده از این روش به تنهایی و یا همراه با سایر روش های نوین آبیاری ، اگـر اصـولی و بـر اسـاس داده های پژوهشی پیاده شود و همچنین تداوم استفاده داشته باشد ، می توانـد نقـش چـشمگیری را در کـاهش اثـرات منفی ناشی از کم آبی در مناطق خشک و نیمه خشک ایفا کند.

کلمات کلیدی: پلیمر فرا جاذب آب – آبیاری – مناطق خشک و نیمه خشک

مقدمه

مطالعات و بررسی های انجام شده نشانگر آن است که که کشور ایران با توجه به وضعیت جغرافیـایی و اقلیمـی خـود در شرایط مناسبی از لحاظ تامین آب قرار ندارد. میانگین بارندگی ایران حـدود یـک سـوم میـانگین جهـانی می باشـد کـه پراکنش بسیار نامنظمی دارد.

بیش از ٩٠ درصد از منابع آبی کشور در بخش کشاورزی مصرف می شود (٩)، با این وجـود راندمان بسیار پایینی دارد این در حالی است که  کودهای شیمیایی نیز ( به ویژه در خاک هـای شـنی ) بـر اثـر آبیـاری (غرقابی و غیره ) به سرعت شویش یافته و موجب آلودگی منابع ارزشمند آبهای زیرزمینی می شـوند.

کـاهش کمیـت و کیفیت محصولات کشاورزی ، اثرات خشکسالی ها و فجایع زیست محیطی مرتبط با آن ، پیامد هدرروی بیش از حد آب است . در دنیای امروز در کشاورزی از بقایای خود گیاهان و مواد مختلف به عنوان مـواد افزودنـی بـرای بهبـود خـواص فیزیکی و شیمیایی خاک استفاده می شود . علاوه بر این در مناطق خـشک و نیمـه خـشک کـه قـسمتهای وسـیعی از کشور ما نیز جزء آن می باشد، کمبود رطوبت در فصل رشد گیاهان موجب کمبود شدید عملکرد گیاهـان بـه خـصوص گیاهان زراعی می شود .

بنابراین استفاده بهینه از روش های آبیاری و اصلاح خاک امری اجتناب نا پذیر اسـت . یکـی از موارد افزودنی در زمینه جذب آ ب ، پلیمری با نام سوپر جاذب آب  ( هیدروژل ) می باشد که استفاده از این پلیمـر نتـایج شگفت انگیزی در صرفه جویی مصرف آب و افزایش کمی و کیفی محصولات باغی و زراعی و همچنـین فـضای سـبز و جنگلکاری هـا دارد.پلیمرهـای فراجـاذب آب Water Super Absorbent Polymers گروهـی صـناعی از مـواد اصلاح کننده خاک میباشند که توسط فن آوری نانو تولید می شوند، این مواد میتوانند مقادیر زیادی آب یا محلـول آبـی را جذب نموده و متورم شوند.

این مخازن ذخیره ای کوچک وقتـی کـه در داخـل خـاک قـرار می گیرنـد، آب حاصـل از بارندگی و آبیاری را به خود جذب نموده و از فرونشت آن جلوگیری مـی نماینـد(۵). کوچـک زاده و همکـاران (١٣٨٠) نشان دادند که پلیمر فراجاذب آب میتواند میزان نگهداری رطوبت در خاکهای سبک را افزایش داده و همچنین مشکل نفوذپذیری خاکهای سنگین را مرتفع نمایند(٧). استفاده از این پلیمر سبب تـسریع رویـش بـذرها در خاکهـای سـبک میشود، البته تاثیری در پیدایش سایر پدیده های رویشی( فنولوژی ) نـدارد (١). اسـتفاده از پلیمـر فراجـاذب آب شـرایط فیزیکی خاک را بهبود می بخشد( ٨). با استفاده کردن از پلیمر فراجاذب آب در بخش کشاورزی مناطق خشک و نیمـه خشک و پروژه های بیولوژیک بیابان زدایی میتوان تنش های ناشی از کم را به میزان زیادی کاهش داد.

پلیمر فراجاذب آب و کاربردهای آن

پلیمرهای سوپرجاذب مواد اصلاح کننده جدیدی هستند که به تازگی کاربردهای وسیعی پیدا کرده اند. این هیدروژلها، پلیمرهایی بشدت آبدوست هستند کـه ضـمن برخـورداری از سـرعت و ظرفیـت زیـاد جـذب آب ، ماننـد آب انبارهـای مینیاتوری عمل کرده و در موقع نیاز ریشه ، به راحتی آب و مواد غذایی محلـول در آب را در اختیـار ریـشه گیـاه قـرار میدهد. البته مقدار آبی که توسط این پلیمر در خاک ذخیره میشود به ظرفیت نگهداری رطوبت خاک نیز بستگی دارد.

گفته می شود که این پلیمر تا ١٠٠ برابر و گاهی تا ۵٠٠ برابر وزن خود قادر به جذب آب میباشد که پـس از جـذب آب بتدریج و مطابق نیاز آبی گیاه ، آب را در اختیار گیاه قرار می دهد. این پلیمر در بردارنده هیچگونـه مـاده مـضر یـا سـمی برای گیاه نیست و دوام اثر آن در خاک حدود ۵ سال است (۴). از کـاربرد هـای پلیمـر فراجـاذب میتـوان بـه :

مـصارف بهداشتی (حدود ٨٠درصد)، کشاورزی(حدود ١٠درصد)، رطوبت زدایی از زغال سنگ ، کاهش اتلاف جریـان در سـیالات حفاری، کویرزدایی، جنگلکاری، فضای سبز و نیز در تثبیت بیولوژیکی ماسه های روان و… اشاره کرد.

مزایای استفاده از پلیمر جاذب الرطوبت (هیدروژل )

پلیمرهای فراجاذب آب قابلیت های اثبات شده ای در بهبود تهویه و نگهداری آب در خاک، تنظـیم میـزان مـصرف آب توسط گیاه ، اصلاح و تسهیل مدیریت آبیاری و افزایش تاثیر و کاهش نیاز به مصرف کود و سموم بخش کشاورزی دارند.

برای رفع مشکل هدر رفت آب در خاکهای سبک (شنی) می توان با استفاده از هیدروژل ظرفیـت نگهـداری آب را بـالا برد. به علاوه برای رفع مشکل نفوذ پذیری خاکهای سنگین (رسی) می توان از هیـدروژل اسـتفاده نمـود. هیـدروژل در کشاورزی ، باغبانی، جنگلکاری و فضای سبز استفاده می شود این پلیمر تـاثیرات مثبـت بـسزایی در کنتـرل فرسـایش خاک دارد. این پلیمرها می توانند از بارندگیهای پراکنده در مناطق کم آب به خوبی استفاده کرده و در موقع نیاز ریشه در اختیار گیاه قرار دهند. در مناطقی که دارای شیب فراوان هستند این مواد می تواننـد از هـدر رفـتن آب جلـوگیری کنند. از آ نجا که این مواد جذب آب ناشی از بارندگی های پراکنده را بالا می برد پـس فواصـل آبیـاری را افـزایش مـی دهند که این افزایش بسته به شرایط فیزیکی خاک ، آب و هوا و میزان مصرف هیدروژل در خاک متفاوت اسـت سـوپر جاذبها با قرار گرفتن در خاک باعث جذب آب ثقلی و غیر قابل استفاده برای گیاه می شوند بنابراین از تنـشهای وارده و تقلیل عملکرد تاحد زیادی جلوگیری می کند . هیدروژل عناصری نظیـر : نیتراتهـا ، فـسفاتها ، پتاسـیوم ، آهـن ، روی، وانواع ویتامینها را در خود نگهداری نموده و از هدر رفتن آنها جلوگیری می کند.با اینکه سوپر آب تحت فشار هم قادر به نگهداری آب جذب کرده خود است ، به محض نیاز ریشه ، آب را به سـهولت در اختیـار آن قـرار میدهـد. اسـتفاده از پلیمر جاذب الرطوبت در کاشت نشاء و نهال ، تنشهای رطوبتی را از بین برده و به سازگاری نباتات کاشته شده با محیط کمک می نماید. PH سوپر جاذبها نزدیک به خنثی میباشد(٧-۶) لذا اثر شیمیایی سوئی در خاک نداشـته و هیچگونـه سـمیتی نیـز نـدارد. ایـن سـوپر جـاذب هـا پـس از گذشـت ۵-٣ سـال ، بـسته بـه نـوع آن و ترکیـب خـاک، توسـط میکروارگانیسم ها تخریب و تجزیه میشوند و لذا میتوان گفت که آلودگی زیست محیطی ایجـاد نمـی کننـد. عـلاوه بـر نگهداری آب ، سوپر آب به علت تغییر حجم مداوم (انبساط هنگام آبگیری و انقباظ به هنگام از دسـت دادن آب ) میـزان هوا را در خاک افزایش میدهد. هرچند که به نظر میرسد افزایش و کاهش مکرر حجم این مواد ممکن است که به ریشه گیاهان صدمات مکانیکی وارد سازد و درواقع نقش مشابهی با رسهای متـورم شـونده (مونتموریلونیـت ) را داشـته باشـد.

همچنین مشخص شده که فزونی نسبی آب غیر قابل استفاده باعث ایجاد مشکلاتی برای گیاه میشود(٢). به طـور کلـی مزایای استفاده از پلیمر فراجاذب به شرح زیر میباشد:

. استفاده بهینه از آب (۵٠ تا ٧٠درصد صرفه جویی در مصرف آب کشاورزی )

. جلوگیری از تنشهای ناشی از نوسانات رطوبتی

. کاهش تاثیرات منفی ناشی از تنش خشکی

. بهبود ظرفیت نگهداری آب در خاک

. تهویه بهینه خاک

. افزایش نفوذپذیری خاک

. جلوگیری از فرسایش خاک

. کاهش تراکم خاکهای سنگین

. کاهش تاثیرات منفی حاصل از نمک خاک

. ایجاد بسترهای کشت قارچ ، هیدروپونیک و…

. جلوگیری از شسته شدن و هدر رفتن مواد غذایی خاک

. استفاده بهینه از کود و سموم شیمیایی و پیشگیری از آلودگی آبهای زیرزمینی

. امکان کشت در سطوح شیبدار و مناطق بیابانی و کمک به بیابان زدایی و تثبیت ماسه های روان

. افزایش زنده مانی و بقای گیاهی

. جذب بهتر مواد غذایی از طریق ریشه

. کاهش هزینه های تولید و واکاری نهال

. پرورش و انتقال نهال با تلفات بسیار اندک

. افزایش قوه نامیه  ( بالابردن درصد جوانه زنی )

. افزایش کمی وکیفی محصول و در نتیجه درآمد بالاتر

. ایجاد شرایط مناسب برای رشد ریشه  ( تقویت ریشه زایی )

. فزایش تاثیر کودها و آفت کشها به میزان بسیار چشمگیر

. افزایش تولید ماده خشک در گیاه بدون نیاز به افزایش مصرف آب

ضرورت استفاده از پلیمر فراجاذب آب در کشاورزی مناطق خشک و نیمه خشک

مهمترین عامل محدود کننده رشد در مناطق خشک و نیمه خشک کمبود آب می باشد. بحران آب در ایران جدیدتـرین مساله در بخش کشاورزی بحساب می آید این در حالی است کـه بیـشترین سـهم مـصرف آب را ایـن بخـش بـه خـود اختصاص داده است ( بیش از ٩٠ درصد) که مهمترین علت آن را میتوان به تبخیر زیاد و خشک بودن منطقه در مـدت زیادی از سال دانست که خود موجب می شود اراضی کشاورزی به دفعات زیاد آبیاری نیازمند باشـند. اسـتفاده از پلیمـر فراجاذب آب میتواند مصرف آب را با کـاهش تعـداد دفعـات آبیـاری بـه حـداقل برسـاند چـرا کـه رطوبـت موجـود در خاک (ذخیره شده در خود پلیمر) را در مواقع ضروری و مورد نیـاز، در اختیـار گیـاه قـرار میدهـد. بـیش از ٩٠ درصـد رطوبت جذب شده توسط پلیمرهای فراجاذب آب میتواند مورد استفاده گیاه قرار گیرد(۵).

استفاده از این مواد، مصرف آب کشاورزی را با افزایش مدت زمان بین دو آبیاری کاهش میدهد. در واقع از اختلاط  (بـه نسبت معین به طوری که در خاک های مناطق بیابانی و خاکهـای ماسـه ای حـداکثر ٢٠ گـرم در متـر مربـع یـا ٢٠٠ کیلوگرم در هکتار توصیه می شود(۴) ) این نوع پلیمر با خاک اطراف ریشه ، نوسانات میـزان رطوبـت در محـیط اطـراف ریشه کاهش چشمگیر می یابد که در نتیجه آن تنش وارده به گیاه در بین دوره های آبیاری یـا فواصـل بـین بارنـدگی های موثر در مناطق خشک و نیمه خشک که گیاه به آن وابسته است ، کاهش می یابد. همچنین ایـن مـواد بـا کـاهش میزان انرژی مصرفی در گیاه برای کسب میزان رطوبت و بهـره منـدی از تهویـه و درجـه حـرارت مطلـوب ، مناسـبترین شرایط را جهت رشد گیاه فراهم می آورد(۵). به طور کلی مزایای استفاده از پلیمرهای سـوپر جـاذب در کـشاورزی بـه شرح زیر میباشد(٣):

. کاهش هزینه های آبیاری

. مصرف بهینه کودهای شیمیایی

. مصرف یکنواخت آب برای گیاهان

. کاهش تعداد دفعات آبیاری (مهمترین مزیت )

. رشد سریعتر و مطلوبتر ریشه با ذخیره مواد غذایی

. کاهش شستشوی آب و مواد غذایی موجود در خاک

. افزایش ظرفیت حفظ آب و مواد غذایی خاک برای مدت طولانی

. رشد سریعتر و ایده آل گیاهان ، مخصوصا در مناطق بسیار گرم وخشک

. محافظت ریشه های روی خاک در برابر خشک شدن در اثر حمل و نقل و انبار کردن نهال ها…

بحث و نتیجه گیری

بیش از ٩٠ درصد آب مصرفی ایران صرف امور مربوط به کشاورزی می شود. صرفه جـویی آب در کـشاورزی مـیتوانـد مقدار زیادی آب در اختیار ما قرار دهد بدون اینکه منابع جدید تخریب شوند. اگـر مـصرف آب کـشاورزی در جهـان را فقط ١٠ درصد کاهش دهیم با مقدار آبی که صرفه جویی شده خواهیم توانـست مـصرف شـرب جمعیتـی تـا دو برابـر جمعیت کنونی جهان را تامین کنیم (۶). اصولا زراعت در مناطق خشک و نیمه خشک به آبیـاری وابـسته اسـت کـه در این میان تبخیر هم سهم عمده را در اتلاف آب دارا می باشد. در واقع اگر نقش تبخیر و تعـرق را توامـا در نظربگیـریم ، نیمی از آب استحصالی از جویبارها به مصرف این دو می رسد.کمبود رطوبت در فـصل رشـد گیاهـان موجـب کمبـود شدید عملکرد گیاهان به خصوص گیاهان زراعی می شود. بنابراین استفاده بهینه از روش های آبیـاری و اصـلاح خـاک امری اجتناب ناپذیر است . در مناطق خشک و نیمه خشک بـه علـت وجـود شـرایط خـاص محیطـی از جملـه کمبـود بارندگی، درجه حرارت بالا، وجود بادهای مکرر و… سبب شده است که یا موجود بودن میزان آب مصرفی بـسیار پـایین باشد و یا در صورت وجود به راحتی از دسترس خارج شود.اکثر خاک های این مناطق به علت کمبود مواد آلـی، بافـت درشت با نفوذ پذیری بالا و… قدرت نگه داری زیادی به منظور ذخیره و در اختیار قـرار دادن آب مـورد نیـاز گیاهـان را دارا نمی باشد  این خصوصیات باعث کاهش بازده آب مصرفی در این مناطق مخصوصا در بخش کشاورزی شـده اسـت .

بهبود کارایی مصرف آب در کشاورزی به طرق گوناگون انجام می شود که از جمله آنها مـی تـوان بـه توسـعه روشـها و تکنولوژی های جدید در آبیاری اشاره کرد. با به کار بردن پلیمر جاذب الرطوبت در کشاورزی می توان تا حد زیـادی از هدر رفت آب در مواقع ترسالی جلوگیری کرد در واقع این مواد با کاهش مصرف آب در آبیاری ها و ایجاد شرایطی برای افزایش راندمان آبیاری موجبات ذخیره هر چه بیشتر آب در مواقع غیربحرانی را فراهم می کند که این حالت راهکـاری برای مقابله با خشکسالی محسوب می شود(٣). کاهش دفعات نیاز بـه آبیـاری مهمتـرین ویژگـی کـاربرد هیـدروژل در مناطق خشک و بیابانی می باشد به طوری که از میزان آب مصرفی در هر نوبت آبیاری حداکثر اسـتفاده مفیـد صـورت می گیرد این حالت نتیجه کاهش میزان تبخیر و هدر رفت آب در نتیجه نفوذ عمقی می باشد در واقع با افزایش فاصـله زمانی بین آبیاریها این مهم محقق می گردد. از طرف دیگر کاربرد این پلیمر با قدرت جـذب بـالای خـود، آب و مـواد غذایی محلول در آن بویژه کودهای مصرفی را برای مدت زیادی در خاک حفظ می کند و از شستشوی آنها و نفـوذ بـه اعماق زمین جلوگیری می کند. البته این بدان معنا نیست که گیاه توان استفاده از محلول غذایی خاک را نـدارد، بلکـه این مواد به تدریج و همگام با نیاز گیاهی در اختیار آن قرار می گیرد که میزان آزاد سازی مواد جذب شده توسط پلیمر به نوع آن و مقدار استفاده آن به ازای حجم خاک بستگی دارد. این مواد با ایجاد یک منبع مینیاتوری در اطـراف ریـشه گیاهان تقریبا به طور یکنواخت آب و مواد غذایی مورد نیاز گیاهان را در اختیار آنها قرار می دهد بـه همـین دلیـل اثـر تنش های خشکی در بازه های زمانی مختلف به میزان زیادی کاهش می یابد. این حالت سبب افزایش رشـد سـریعتر و مطلوبتر ریشه ها با ذخیره مواد غذایی می شود که خود موجبات افزایش کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی که عدم وجود آن یکی از معضلات مناطق خشک و نیمه خشک می باشد، را فراهم می کند. برآیند همه این خصوصیات کـاهش هزینه های گزاف که برای تولید در مناطق خشک و نیمه خشک صرف می شود را به دنبال دارد که مـی تـوان کـاهش هزینه های مربوط به آبیاری، هزینه ناشی از مصرف بالای کودهای شیمیایی، هزینه ناشی از مصرف زیـاد آب و… را نـام برد. به علت وسیع بودن عرصه های طبیعی، استفاده از این پلیمر با مشکلاتی مواجه است ولی میتوان در مقیاس هـای کوچکتر از آن استفاده کرد به عنوان مثال در نهالستان های مناطق خشک و نیمه خشک مـورد اسـتفاده قـرار گیـرد و مصرف آب را در نهالستان کاهش دهد همچنین از خشک شدن ریشه نهـال هـای جـوان در حـین  انتقـال بـه عرصـه ممانعت نمایید و تا استقرار کامل نهال در عرصه (بدلیل موجود بودن پلیمر در اطراف ریشه نهال ) از خشک شـدن نهـال بعد از نهال کاری جلوگیری نماید. به طور کلی می توان گفت پلیمر جاذب الرطوبت به علت دارا بودن مزیت های فراوان و افزایش بازده آبیاری در مناطق خشک و نیمه خشک از یک طرف هزینه ها و اثرات منفی  ناشـی از کمبـود آب را بـه میزان زیادی کاهش داده و از طرف دیگر موجبات افزایش تولید را به اجزای واحد سطح و میـزان مـشخص مـصرف آب فراهم می کند؛لذا استفاده از این پلیمر به منظور رسیدن به حداکثر بهره وری مصرف آب ، مخصوصا در مناطق خـشک و نیمه خشک توصیه می شود.

منابع

١. بانج شفیعی، شهرام ، اسماعیل رهبر. ١٣٨٢. بررسی کارایی نوعی پلیمر آبدوسـت در کـشاورزی و منـابع طبیعی، مجله تحقیقات مرتع و بیابان ١٠(١).

٢. بانج شفیعی، شهرام ، اسماعیل رهبر، فرهاد خاکساریان .١٣٨۵. اثر نـوعی پلیمـر آبدوسـت بـر ویژگیهـای رطوبتی خاکهای شنی، مجله تحقیقات مرتع و بیابان ١٣(٢(پیاپی٢٣).

٣. پادیاب ، محسن . ١٣٨٨. استفاده از پلیمر فراجاذب آب راهکاری مناسب برای کاهش اثـرات خشکـسالی، دومین همایش ملی خشکسالی و راهکارهای مقابله با آن ، اردیبهشت ٨٨، اصفهان .

۴. جعفری، محمد. ١٣٨۴. احیای مناطق خشک و بیابانی، انتشارات دانشگاه تهران .

۵. جعفریان ، وحید، احمد لاهوتی.١٣٨۵. معرفـی کـاربرد پلیمرهـای فراجـاذب در پـروژه هـای بیولوژیـک بیابان زدایی، مجله جنگل و مرتع ، شماره ٧٠.

۶. ساندرا، پوستل . ترجمـه ، عبدالحـسین وهـابزاده ، امـین علیـزاده .١٣٧٣. آخـرین واحـه ، انتـشارات جهـاد دانشگاهی، مشهد.

٧. کوچک زاده ، مهدی، علی اصغر صباغ فرشی، ناصر گنجی خرم دل .١٣٨٠. تاثیر پلیمـر فراجـاذب آب بـر روی برخی خصوصیات فیزیکی خاک، دانشگاه تربیت مدرس .

٨. گنجـی خـرم دل ، ناصـر، فاطمـه کیخـایی . ١٣٨١. اسـتفاده از پلیمرفراجـاذب آب PRA٣٠٠۵ جهـت موفقیت برنامه های آبیاری در مناطق خشک و نیمه خشک ، گروه آبیاری دانشگاه زابل .

٩. وزارت جهاد کشاورزی. ١٣٨٧. نگاهی بـه فـن آوری نـانو در وزارت جهـاد کـشاورزی، ویـژه نامـه اولـین نمایشگاه ملی فن آوری نانو، تهران ، ایران .

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