ستون ثابت بسپار/ بسپار ابر جاذب جدید برای بهینه سازی مصرف آب در کشاورزی

  بسپار/ ایران پلیمر در این پژوهش، برای بهینه­ سازی مصرف آب در کشاورزی، یک بسپار ابرجاذب ( باج یا SAP) پایه سلولزی (سازگار با محیط زیست) به طور تجربی به در برابر بسپار ابرجاذب پایه اکریلاتی ارزیابی شد. باج (بسپار ابرجاذب) سلولزی تهیه شد و قابلیت تورم آن در محیط­های آبی مختلف آزمایش شد. سپس کارایی بسپار ابرجاذب در کاربردهای کشاورزی با تجزیه و تحلیل عملکرد آن پس از چندین دوره جذب/ واجذب، در مدت حدود 80 روز، در انواع مختلف خاک (نظیر خاک سفید و قرمز) برای کشت دو نوع گیاه رایج در منطقه مدیترانه (گوجه فرنگی و کاسنی (Chicory)) ارزیابی شد. نتایج حاکی از آن است که خاک حاوی بسپار ابرجاذب می­تواند میزان قابل توجهی آب را ذخیره کند و در صورت نیاز تدریجا به ریشه گیاهان آزاد شود. بسپار ابرجاذب پیشنهاد شده در کشت و زرع می­تواند راه­حل امیدوارکننده­ای برای اصلاح منابع آب، به ویژه در مناطق بیابانی، باشد.

1- مقدمه

بهینه­سازی استفاده از منابع آب، راهبردی برای رقابت­پذیری درازمدت صنعت کشاورزی است. در واقع، کمبود آب به یک موضوع جدی تبدیل شده است، به ویژه در مناطقی مانند حوزه دریای مدیترانه که در معرض پیشروی بیابان­زدایی قرار دارند. از سوی دیگر، در مناطق ساحلی، نفوذ آب شور (یعنی حرکت آب شور به آب­های شیرین) ممکن است منجر به افزایش شوري آب شود، بنابراین آب را برای آبیاری غیر قابل استفاده می­سازد. مدیریت آب یکی از چالش­های اصلی در آینده نزدیک محسوب می­شود. در واقع تا سال 2030، انتظار می­رود که تقاضای آب 50 درصد بیش از نیاز امروز باشد و برداشت­ها می­تواند بیش از 60 درصد بازیابی طبیعی آب باشد که منجر به کمبود آب می­شود.

در چنین موردی، اهمیت توسعه سامانه­ های کشاورزی نوآورانه و ترویج فناوری­هایی که بتواند بهره­وری از منابع آب را بهینه سازد، آشکار می­شود. با این وجود، تضمین این­که مقدار مناسبی آب به موقع و به­طور موثر به گیاهان برسد، اهمیت دارد. همان­طور که در مقالات گزارش شده است، چندین راه حل برای این مشکل در نظر گرفته شده است. برای مثال، مدل پیش­بینی آبیاری برای رفع مدیریت کوتاه مدت و بلند مدت منابع آبی به طور دائم توسعه یافته است.

یکی دیگر از رویکردهای بهینه­سازی مصرف آب، استفاده از بسپارهای ابرجاذب (باج) است. باج­ها می­توانند مقادیر بسیار زیادی از مایع (آب یا مایع آلی) را نسبت به جرم خود جذب کنند و نگه دارند.

در کاربردهای کشاورزی، دانه­ های باج با مقدار مشخص خاک مخلوط می­شوند. پس از آبیاری، دانه­ ها آب جذب می­کنند و متورم می­شوند و هنگامی­که خاک خشک می­شود، آب به آرامی از طریق سازوکار نفوذ آزاد می­شود. به این ترتیب، آبِ آبیاری از طریق زهکشی یا تبخیر از بین نمی­رود، ضمن این­که در هنگام نیاز به ریشه گیاهان منتقل می­شود. علاوه­بر این، اندازه دانه­های باج پس از تورم افزایش می­یابند که باعث افزایش خلل و فرج خاك و اكسیژن­رسانی بهتر به ریشه­ها می­شود. یکی دیگر از مزایای باج­ها در کشاورزی این است که آن­ها را می­توان با مواد مغذی و داروهای گیاه (phytopharmaceutical) بارگذاری کرد تا طی زمان در خاک کنار گیاهان آزاد ­شود.

بنابراین، استفاده از بسپار ابرجاذب در کشت و زرع نه تنها به کاهش مصرف آب کمک می­کند، بلکه به اصلاح استفاده از داروهای گیاه، به ویژه در سامانه ­های کشاورزی ذیل کمک می­کند:

(الف) کشت­های حفاظت شده: این کشت­ها در نهایت منجر به فساد مواد مغذی ضروری خاک، انباشت عوامل بیماری­زای درون خاک (telluric pathogens) و شوری ثانویه به علت استفاده بیش از حد از کود و یا آب شور می­شود. در این زمینه، استفاده از بسپار ابرجاذب نه تنها مزیت مصرف بهینه آب را دارد، بلکه امکان طراحیِ (با زمان) رهایش مواد مغذی را فراهم می­کند، بنابراین از انباشت مواد سمی در خاک جلوگیری می­شود.

(ب) کشت­های بدون خاک: در کشت­های بدون خاک، گیاهان با استفاده از محلول­های مغذی مواد معدنی در آب، بدون خاک رشد می­کنند. در سامانه­های بدون خاک، اتلاف آب و مواد مغذی زیاد است که دلیل افزایش هزینه­های اجرایی و آلودگی آب­های سطحی و زمینی است. استفاده از باج برای تغذیه مواد مغذی به گیاهان موجب بهبود ماندگاری محیط زیست می­شود.

(ج) کشت در فضای باز (open-field): در کشاورزی، کودهای شیمیایی معمولا در مقادیر بیش از نیاز گیاهان استفاده می­شود. تجمع نیترات در خاک، به ویژه در مناطق خشک، نتیجه رایج استفاده بیش از حد از کود است، هم­چنین جذب نیترات توسط گیاهان و میوه تاثیر منفی بر محیط زیست و کیفیت محصول دارد. حضور نیترات­ها، کیفیت غذایی محصول (به ویژه برای سبزیجات) را کاهش می­دهد و خطر ابتلا به سرطان را افزایش می­دهد. استفاده از ترکیب­بندی­های خاص بسپار ابرجاذب می­تواند باعث کاهش مصرف کود و یا محدود کردن تجمع نیترات در خاک شود.

آزمایش­های پیشگام توسط یک شرکت ژاپنی در صحرای مصر در اوایل دهه 1990 پتانسیل بسپار ابرجاذب مصنوعی را برای مدیریت آب در کاربردهای کشاورزی نشان داد. در تحقیقی، بسپار ابرجاذب مصنوعی به عنوان تهویه­کننده (conditioner) خاک استفاده شد تا به رشد گیاه در مناطق مستعد خشکسالی کمک کند. کارآمدترین و پرمصرف­ترین بسپارهای ابرجاذب، پلی­اکریلات­ها (یعنی مواد تجدیدناپذیر پایه نفتی) هستند که گزارش شده است با آهنگ کمتر از 10 درصد در سال، از طریق ورقه ورقه شدن (delamination)، شکست زنجیر ناشی از برش و شکست زنجیر حساس به نور تخریب می­شود. به علت آهنگ تخریب بسیار کم، بسپار ابرجاذب پایه اکریلیکی به عنوان آلاینده­های بالقوه برای خاک شناخته می­شوند. علاوه­بر این، برخی از نگرانی­ها در مورد انتشار مولکول­های سمی در حین تخریب آهسته آن­ها وجود دارد. در نتیجه، در دهه گذشته، افزایش توجه به مسائل زیست محیطی باعث شده است که تولیدکنندگان و محققان بر ساخت بسپار ابرجاذب (باج) جایگزین و سازگار با محیط زیست تمرکز کنند. نمونه­هایی از بسپارهای مورد بررسی برای تولید باج­ها عبارتند از مشتقات سلولز و نشاسته که می­توانند از طریق میکروب­های خاک تخریب شوند.

در این پژوهش، یک بسپار ابرجاذب جدید، از طریق اتصالات عرضی شیمیایی مشتقات سلولز، بر اساس نتایج مطالعات قبلی تولید شد و ظرفیت حفظ آب در آن با تمرکز بر کاربردهای کشاورزی ارزیابی شد. هدف از این تحقیق از دیدگاه عملی این بود که تاثیر مثبت استفاده از باج جدید در ترکیب با انواع مختلف خاک، برای کشت گیاهان رایج منطقه مدیترانه، بررسی شود. برای این منظور آزمایش­های اولیه برای ارزیابی ظرفیت جذب باج انجام شد. هم­چنین، برای ارزیابی کارایی باج پس از چندین دوره جذب/ واجذب آب در خاک، بسپار ابرجاذب (در غلظت­های مختلف و در عمق­های مختلف خاک) برای کشت گیاهان داخل گلدان مورد آزمایش قرار گرفت. در نهایت، به منظور تجزیه و تحلیل اثر آن بر رشد گیاهان، بسپار ابرجاذب در شرایطی مشابه کشت و زرع در فضای باز استفاده شد.

2- مواد و روش­ها

به منظور بررسی مناسب بودن بسپار ابرجاذب  پایه سلولزی برای استفاده در کاربردهای کشاورزی، آزمون­های زیر انجام شد:

(1) مشخص کردن ظرفیت جذب باج در هر دو آب مقطر و آب شیرین؛

(2) ارزیابی اثر باج هنگام قرار گرفتن در انواع مختلف و عمق­های مختلف خاک، از طریق آزمایشات انجام شده در گلدان­؛

(3) ارزیابی اثر باج در شرایطی مشابه کشت در فضای باز.

2-1- تهیه بسپار ابرجاذب  پایه سلولزی

برای تهیه باج، مشتقات سلولز مطابق با استانداردهای غذایی و دارویی استفاده شدند. نمک سدیم کربوكسی متیل سلولز (CMCNa) و هیدروكسی اتیل سلولز (HEC) پیش ماده (precursors) مورد استفاده برای تهیه آب­ژل (هیدروژل) بود. شرح مفصل روند تهیه باج مورد استفاده را می­توان در مقاله زیر یافت:

Demitri, “Potential of cellulose-based superabsorbent hydrogels as water reservoir in agriculture“. Int. J. Polym. Sci. 2013.

توزیع اندازه پودر نهایی باج در محدوده 0/1 تا 1 میلی­متر بود. آزمایشات سمیت سلولی (Cytotoxicity) انجام شده در مطالعات قبلی نشان داد که این باج سمیتی ندارد.

2-2- مشخصه اولیه ظرفیت جذب بسپار ابرجاذب

برای کاربرد موردنظر، به منظور شبیه­سازی شرایط واقعی که در آن باج استفاده می­شود (یعنی تماس با مواد مغذی، کود و خاک) مهم است که مشخصات جذب مواد در آب و محلول نمک با قدرت یونی مختلف مطالعه و مشخص شود. یک آزمایش اولیه برای ارزیابی ظرفیت جذب در هر گرم باج انجام شد. برای این منظور، به هر یک از دو نمونه باج با وزن حدود 1 گرم، 100 گرم آب (W_add) اضافه شد. پس از 24 ساعت که باج با آب سیر شد، هر نمونه از طریق صافی غشایی (membrane filter) عبور داده شد. این اجازه داد تا آب اضافی (یعنی آب جذب نشده) جدا شود، که وزن آن (W_not-abs) از طریق یک موازنه الکترونیکی دقیق اندازه­گیری شد. سپس وزن آب جذب شده در باج  (W_abs) به صورت W_add-W_not-abs مورد ارزيابي قرار گرفت.

آزمایش دوم برای ارزیابی اثر هدایت الکتریکی محیطی بر خواص تورم باج انجام شد. در واقع، به علت ذات پلی­ الکترولیتی CMCNa، ظرفیت جذب باج به شدت به نمک­های محلول موجود در حلال بستگی دارد: مقدار نمک بیشتر، ظرفیت جذب کمتر دارد. این مسئله برای کاربردهای کشاورزی بسیار مهم است. به­طور کلی هدایت الکتریکی خاک خشک تقریبا ناچیز است. با این حال، مقدار هدایت الکتریکی با درصد آب خاک، به علت پیشروی انحلال نمک­ها، افزایش می­یابد. علاوه­بر این، لازم است که هدایت الکتریکی آب و کودهای مورد استفاده در کشاورزی درنظر گرفته شود. در این تحقیق، آزمون­های جذب مقایسه­ای ​​با اختلاط 4 گرم باج با هر دو آب مقطر و آب شیرین انجام شد. هدایت الکتریکی آب شیرین μS/cm 1000 بود که از طریق هدایت­سنج (مدل HI 9811-5) اندازه­گیری شد. هر 24 ساعت در هفت روز، آب اضافی از نمونه­ ها خارج شد و همان­طور که در بالا توضیح داده شد، وزن شد. این اجازه می­دهد نه تنها مقدار اولیه آب جذب شده در هر نمونه ارزیابی شود، بلکه کاهش میزان سیرشدگی با آب (S_SAP) با زمان نیز ارزیابی می­شود.

2-3- انتخاب خاک و انواع گیاهان

برای شناسایی رفتار باج در محیط کشاورزی، دو نوع خاک مختلف انتخاب شد: خاک قرمز (که رنگ آن به دلیل حضور ترکیبات آهن قرمز است) و خاک سفید (که حاوی مقدار زیادی خاک رس است). مشخصات شیمیایی و فیزیکی خاک­های مورد استفاده در جدول 1 آورده شده است. علاوه­بر این، دو نوع گیاه برای کاشت انتخاب شدند: کاسنی (Cicoria otrantina) و گوجه فرنگی (Pomodoro di Morciano di Leuca). چنین گیاهانی در مناطق مدیترانه­ای هستند و در فصل تابستان رشد می­کنند که این امر آن­ها را به ویژه برای بررسی کارایی باج در شرایط بحرانی مناسب می­سازد.

[EasyDNNGallery|11409|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

2-4- ارزیابی اثر بسپار ابرجاذب  در خاک

در مجموع، هشتاد گلدان پر از خاک اصلاح شده با باج تهیه شد (شکل 1). همان­طور که در شکل 1 مشاهده می­شود، چهار گروه نمونه تهیه شدند: دو گروه با کاسنی و دو گروه با گوجه فرنگی کاشته شدند. هر گروه شامل 20 گلدان بود که 10 گلدان با خاک قرمز و 10 گلدان با خاک سفید پر شد. این 10 گلدان به پنج جفت تقسیم شد: یک درصد از پیش تعیین شده از باج (W_SAP) به هر جفت نمونه اضافه شد، 0، 0/2، 0/5، 1 و 1/5 درصد از باج. برای هر جفت نمونه، در یک گلدان، باج با خاک سطح یا نزدیک به سطح مخلوط شد (p_sup)، در حالی­که در گلدان دیگر، باج درون خاک عمیق­تر مخلوط شد (p_deep).

[EasyDNNGallery|11410|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

سپس اثر باج بر کشت­ها طبق روش زیر بررسی شد. هر نمونه قبل (یعنی در حالت خشک) و بعد از آبیاری با یک لیتر آب بررسی شد. سپس، درصد آب (θ_s) هر نمونه به طور منظم به لحاظ وزنی سنجیده شد و طی 78 روز تحت نظارت قرار گرفت. در طول این دوره، افزودن بیشتر آب تنها زمانی انجام شد که یکی از شرایط زیر رخ داد:

(1) مقدار θ_s در نمونه بدون باج  (یعنی نمونه شاهد، 0 w_SAP =) به 10 درصد کاهش یابد؛ یا

(2) برای تمام نمونه ­ها، آب تبخیر شده برابر با درصد آب تبخیر شده در نمونه شاهد باشد.

این آزمایش که در یک گلخانه انجام شد، امکان بررسی این­که حضور باج سلولزی در جلوگیری از (یا حداقل ممانعت) پدیده­های تبخیر طبیعی آب موثر است را فراهم کرد.

2-5- شبیه­سازی کشت در فضای باز

پس از این­که گیاهان در محل بذر رشد کردند، در جعبه­های بزرگی پیوند زده شدند تا حدودی شبیه به کشت در فضای باز باشد. هم­چنین این آزمایش درون گلخانه­ای از اواخر بهار تا اوت انجام شد. از این رو، دمای محیط زیاد بود.

برای این منظور هشت جعبه چوبی با ابعاد 1/8 در 0/8 در 0/6 متر پر از خاک شد. چهار جعبه با گوجه فرنگی و چهار جعبه با کاسنی کشت شدند. برای هر نوع گیاه، دو جعبه با خاک قرمز و دو جعبه با خاک سفید پر شد. برای هر نوع گیاه و برای هر نوع خاک، یک جعبه حاوی خاک ساده و دیگری حاوی خاک با باج بود. در هر جعبه، هشت گیاه کاشته شد. شکل 2 طرح کلی قرار گرفتن جعبه­ های چوبی را نشان می­دهد. 

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 192ام ماهنامه بسپار که در نیمه شهریور ماه منتشر شده است بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد