پلیمرهای سوپر جاذب  و  بهینه سازی مصرف آب در کشاورزی نوین

مارال مرادی^*۱ و ابراهیم آذرپور^۲

۱و ۲- گروه کشاورزی دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان

چکیده

ایران کشوری است که در روی کمربند خشک و نیمه خشک جهان واقع شده است  و بخش کشاورزی عمده ترین مصرف کننده منابع آب در این کشور می باشد.

با توجه به کاهش نزولات جوی خصوصا در طی سالهای اخیر و عدم توزیع مناسب بارش در فصل زراعی آب مورد نیاز در جهت مصرف بخش کشاورزی کاهش یافته است و به کار گیری شیوه های نوین مدیریت زراعی در الگوی مصرف آب بمنظور افزایش بازده آبیاری و استفاده بهینه از بارندگی بیش از پیش جلوه گر می گردد.

یکی از راهکارهای استفاده بهینه از منابع آب و حفظ آن استفاده از پلیمرهای سوپر جاذب است.

استفاده از پلیمرهای سوپرجاذب که پلیمرهایی به شدت آبدوستاند و ضمن برخورداری از سرعت و ظرفیت زیاد جذب آب، در زمان احتیاج ریشه های گیاه، به راحتی آب و مواد غذایی محلول در آب را در اختیار ریشه گیاه قرار میدهند و علاوه بر آن موجب افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک٬ افزایش نفوذپذیری خاک٬ افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی٬ کاهش و بهینه سازی مصرف آب و کاهش هزینه های آبیاری می گردند

اعمال مدیریتی صحیح و تکنیکی پیشرفته به منظور حفظ ذخیره رطوبتی خاک برای افزایش راندمان آبیاری و در نتیجه بهبود بهره برداری از منابع محدود آب می باشد..

کلید واژه :

پلیمرهای سوپر جاذب

بهینه سازی مصرف آب

ظرفیت نگهداری آب

راندمان آبیاری

کشاورزی

مقدمه

ایران کشوری کم آب و خشک است.

استقرار ایران بین عرضهای ۲۵ تا ۴۰ 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 ۴۵ تا ۴۷ میلیون هکتارمی باشد.

در ایران، متوسط ۳۰ ساله ریزش های جوی تا سال ۲۰۰۱ میلادی(۱۳۸۰ شمسی) ۲۵۲ میلی متر (حجم ۴۱۳ میلیارد متر مکعب) است که ۳۰ % آن را برف و ۷۰% بقیه را باران و سایر فرم های بارش تشکیل می دهد.

از لحاظ مقایسه، متوسط دراز مدت ریزش ها در آسیا ۷۳۲ میلی متر و در دنیا ۸۳۱ میلی متر است.

از ۴۱۳ میلیارد مترمکعب بارش،۲۵ میلیارد متر مکعب به صورت نفوذ در دشت ها و کوهستان ها و ۹۲ میلیارد متر مکعب به صورت جریان های سطحی در می آید که با ورود ۱۳ میلیارد متر مکعب آب از رودخانه های مرزی به مملکت، جمع منابع آب تجدید شونده ۱۳۰ میلیارد متر مکعب می شود[۲].

میزان مصرف آب ابیاری محصولات مهم کشاورزی همچون گندم٬ صیفی جات٬ چغندرقند٬ برنج و غیره نیز در مقایسه با مقادیر جهانی بسیار بالاست[۶].

از ۹۵ میلیون متر مکعب آب استحصالی سالانه در ایران بیش از ۸۷ میلیون متر مکعب آن در بخش کشاورزی برای آبیاری باغات و زمینهای زراعی مصرف می شود[۳]

با توجه به کاهش نزولات جوی خصوصا در طی سالهای اخیر و عدم توزیع مناسب بارش در فصل زراعی آب مورد نیاز در جهت مصرف بخش کشاورزی کاهش یافته است و به کار گیری شیوه های نوین مدیریت زراعی در الگوی مصرف آب بیش از پیش جلوه گر می 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 ۵۰ درصد مصرف آب آبیاری را کاهش داد و ضمنا از شستشوی کودهای محلول در آب و آلودگی آبهای زیرزمینی جلوگیری کرد. (اوستر و همکاران ۱۳۷۴)

پلیمرها را بر دو نوع تقسیم نموده اند:

گروه اول دارای ساختمان شبکه ای بوده و تمایل برای جذب آب در هنگام بارندگی و آبیاری داشته و در موقع خشکی با تخلیه آب، آن را در اختیار گیاه قرار می دهند.

گروه دوم پلیمرهای غیر آب دوست بوده که تمایلی به جذب آب نداشته و ذرات خاک را به هم می چسبانند[۱].

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 می توانند مقادیر زیادی آب یا محلولهای آبی را جذب نموده و متورم شوند[۱۲].

این مخازن ذخیره کننده آب وقتی در داخل خاک قرار می گیرند آب آبیاری و بارندگی را به خود جذب نموده و از فرونشت آن جلوگیری می نمایند و پس از خشک شدن محیط، آب داخل پلیمر به تدریج تخلیه شده و بدین ترتیب خاک به مدت طولانی و بدون نیاز به آبیاری مجدد، مرطوب می ماند[۵].

زمانی که پلیمرها آب را جذب و رها می کنند، در اثر انبساط و انقباض ساختمان خاک بهبود می یابد و منافذ حاوی هوا در خاک جهت توسعه ریشه بویژه در خاک های ریز بافت افزایش می یابد[۴].

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[۷].

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

مقدار جذب آب در این پلیمرها بسته به فرمولاسیون، ناخالصی ها و میزان نمک موجود در آب از مقادیر بسیار کم حدود ۲۰ برابر تا بیش۲۰۰۰ برابر وزنی متغیر 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 ۳ تا ۵ سال، بسته به نوع آن و ترکیب خاک، توسط میکروارگانیسمها تخریب میشوند .

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[۷].

مواد و روش­ها

در این پژوهش با درنظر گرفتن ویژگی های پلیمرهای سوپر جاذب که عبارتند از:

افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک و کاهش دور آبیاری٬ 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 ظاهری خاک٬ افزایش نفوذپذیری خاک و غیره به بررسی نقش این مواد و کاربرد های آن درکشاورزی پرداخته شد.

لذا اطلاعات از منابع و مقالات متعددی جمع آوری گردید تا نقش وجایگاه این مواد در حل معضلات مربوط به کشاورزی ایران راهگشا باشد.

نتایج و بحث

(فلانری و بوسچر٬ ۱۹۸۲ و جوهانسون ۱۹۸۴)  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[۱۶و۲۳].

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 اصلی از افزودن پلیمرهای سوپر جاذب به خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب و کاهش دور آبیاری است[۲۴].

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[۲۲].

(هاترمن و همکاران ۱۹۹۹) گزارش دادند که افزایش هیدروژل جاذب رطوبت به خاک شنی در مقادیر ۰۴/٬۰ ۰۸/٬۰ ۱۲/۰ ٬ ۲/۰ و ۴/۰ درصد وزنی منجر به افزایش ظرفیت نگهداری آب متناسب با مقدار هیدروژل مصرفی گردید.

بالاترین مقدار این ماده (۴/۰%)٬ ظرفیت نگهداری آب را حتی در خاک لومی و رسی سیلتی نیز افزایش داد.

هیدروژلهای منبسط شده تحت فشار ۱۵ بار دستگاه صفحه فشار٬ ۹۹% 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[۲۱].

العمران و همکاران٬ ۱۹۹۷) اظهار داشتند که استفاده از مواد جاذب رطوبت باعث افزایش ذخیره رطوبت در سه نوع بافت شنی، لوم شنی و رسی گردید و تأثیر آن در خاکهای سبک بیشتر بود[۱۲] .

بر اساس تحقیقات (آزام٬ ۱۹۸۳) 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[۱۰].

(اختر و همکاران ۲۰۰۴)بیان نمودند که افزایش ۱/۰ ٬ ۲/۰ و ۳/۰ درصد هیدروژل به خاک لومی و لوم شنی منجر به افزایش خطی رطوبت ظرفیت زرا عی با ضریب همبستگی(۹۸۸/۰) و افزایش آب قابل استفاده گیاه در هر دو خاک گردید[۸].

نتایج تحقیقات (چادهری و همکاران٬ ۱۹۹۵) نیز مؤید افزایش ظرفیت نگهداری آب خاک با مصرف سوپر جاذب می باشد[۱۳].

شوری خاک عاملی در جهت کاهش میزان آب قابل استفاده توسط گیاه می باشد که می توان بوسیله  کاربرد پلیمر باعث افزایش میزان آب قابل استفاده گیاه 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[۱۱و۱۴].

بر اساس تحقیقات (جسینگ و اشمید هالتر٬ ۲۰۰۴) 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[۱۷].

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[۲۲].

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 ۵۰ 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[۱۸٬۲۷٬۱۹٬۲۸٬۲۰].

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 ظاهری 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[۲۲و۲۹].

ظرفیت بالای جذب آب پلیمر منجر به افزایش بیشتر خلل و فرج ریز و تأثیرمویینگی می گردد[۲۶].

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[۱۵].

با توجه به وضعیت آب و هوایی کشور ایران و کمبود بارش ها همراه با عدم توزیع مناسب آنها در فصل زراعی٬ استفاده از پلیمرهای سوپرجاذب بعنوان روش مدیریتی مطلوب و پیشرفته به منظور استفاده بهینه از بارندگی٬ حفظ ذخیره رطوبتی خاک برای افزایش راندمان آبیاری و در نتیجه بهبود بهره برداری 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. ۱. اوستر، ج.د. سینگر، م.ج. فولتن، ا .و پریچارد، ت .(۱۳۷۴). دشواری نفوذ آب در خاک . ترجمه حق نیا، غ . ح. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد .۲۲۵ صفحه.
2. ۲. سپاسخواه، ع. توکلی، ع و موسوی، س.ف. (۱۳۸۵). اصول و کاربرد کم آبیاری(شاخص های آستانه ای عمق آب مصرفی و حد بهینه آن). کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران. چاپ اول.
3. ۳. ظفر نژاد٬ ف. محدودیت٬ تلفات و نرخ آب کشاورزی. فصلنامه آب و توسعه. شماره ۱۵.
4. ۴. عسگری، ف، نفیسی، س. امیدیان، ح. و هاشمی، س.ع. (۱۳۷۳). سنتز، شناسایی و اصلاح خواص ابرجاذب ها. مجموعه سمینار بین المللی علوم وتکنولوژی پلیمر، ص ۸۳-۸۰.
5. ۵. کوچک زاده، م. صباغ فرشی، ع .ا و گنجی خرم دل، ن. (۱۳۷۹). تأثیر پلیمر فراجاذب آب بر روی برخی خصوصیات فیزیکی خاک . مجله علوم. خاک و آب، جلد ۱۴ ، شماره ۲، ص ۱۷۶-۱۸۵.
6. ۶. منوچهری٬ غلامرضا. مسائل مربوط به الگوی مصرف آب. بولتن کمیسیون آب٬ شماره ۶. صفحه ۴ الی ۶.
7. ۷. نادری٬ ف. و اشقانی فراهانی، ا. (۱۳۸۵). حفظ رطوبت خاک با استفاده از پلیمرهای جاذب آب (هیدروژل). مجله علوم آب و خاک.جلد ۲۰. شماره ۱. ۱۳۸۵.
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±۷۶۰.
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±۵۸۹.
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±۶۴.
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 –۱۱۱.
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±۲۰۹.
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, ۹۶, ۲۱۳۲-۲۱۳۸.
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, ۲۲, ۱۸۴-۱۹۰.
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, ۹۲, ۳۴۱۷-۳۴۲۱.
28. Zhou, B. (2003). Production and uses of water-absorbent long effect compound fertilizer, Journal of the Chemical Fertilizer Industry, ۳۰, ۵۵-۵۶.
29. Sivapalan, S. (2006). Some benefits of treating a sandy soil with a crosslinked type polyacrylamide. Australian Journal of Experimental Agriculture. 46: 579-584.