ستون ثابت/ نقش پلیمرها در مقابله با بحران کم آبی/ تاثیر پلیمرهای هیدروژل در بخش کشاورزی

بسپار/ ایران پلیمر استفاده از بسپارهای هیدروژل برای افزایش کارایی مصرف آب و مواد غذایی با گذشت زمان اهمیت یافته است، به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک با دسترسی محدود به آب، هیدروژل­ها قادر به حفظ آب و مواد غذایی گیاه هستند و هنگامی­که خاک اطراف ریشه گیاهان شروع به خشک شدن می­کنند، آب و مواد غذایی را آزاد می­کنند. در حال حاضر مدیریت آب یکی از چالش­ های عمده برای تمام کشورها در مناطق خشک و نیمه خشک است. تا سال 2030، تقاضای جهانی آب احتمالا 50 درصد بیش از مصرف امروزی باشد که منجر به کمبود آب، به خصوص در بخش کشاورزی که بیش از 70 درصد از آب شیرین در اکثر مناطق جهان را استفاده می­کند، می­شود.

شواهد تحقیق نشان می­دهد هنگامی­که خاک با هیدروژلهای آب­دار اصلاح شود، درصد حجمی آب خاک به ­طور قابل توجهی افزایش می­یابد و وقتی خاک خشک می­شود، آب ذخیره شده به آرامی درون خاک وارد می­شود.

هیدروژل باعث مصرف آب بهینه، کاهش هزینه­ های آبیاری و افزایش فواصل آبیاری می­شود، هم­چنین ظرفیت نگهداری آب در خاك و تخلخل خاك را به ­وجود می­آورد، برای گیاهان رطوبت و مواد مغذی را فراهم می­کند و باعث افزایش حیات گیاهان و تهویه (ventilation) و رشد ریشه می­شود. در نهایت رشد بهتر گیاهان و افزایش بازدهی محصول را امکان می­دهد.

هیدروژل­ ها، مشخصات مختلفی نظیر تورم زیاد، نگهداری آب و رهایش آهسته دارند که امکان استفاده از آن­ها به عنوان سامانه­ های رهایش ایمن­تر برای کودها و به عنوان یک تهویه­ کننده (conditioner) خاک در کاربردهای کشاورزی فراهم می­کند. بسپارهای هیدروژل به ویژه در بخش کشاورزی با ارزش هستند، زیرا می­توانند آب را حفظ کنند و فرسایش زمین را کاهش دهند.

هدف این مقاله، توضیح نقش و کاربردهای بسپار هیدروژل در بخش کشاورزی است که شامل بهبود ویژگی­ های خاک، افزایش بهره­ وری استفاده از مواد مغذی و مدیریت آبیاری برای کاهش مصرف آب و حفاظت می­شود.

مقدمه

افزایش تقاضای جهانی آب، همراه با تاثیرات تغییرات جوی، موجب کمبود آب در برخی مناطق خشک و نیمه خشک شده است. هم­چنین رقابت مقدار محدود آب قابل دسترس برای بخش­های کاملا متفاوت از جمله نیازهای شهری، بخش صنعتی و بخش کشاورزی (که یکی از مهم­ترین مصرف­کنندگان آب است)، همراه با تنش آب آبیاری (که یکی از مهم­ترین عوامل محدود­کننده است) بر رشد و بهره­ وری میوه ­ها و محصولات کشاورزی تاثیر می­گذارد. در سراسر جهان بیش از هفتاد درصد آب شیرین برای کشاورزی استفاده می­شود؛ تا سال 2050 تغذیه یک سیاره 9 میلیارد نفری نیاز به افزایش 50 درصدی محصولات کشاورزی و افزایش 15 درصدی مصرف آب دارد.

كشورهای مناطق خشك از تامین نیازهای روزانه آب واقعی بسیار رنج می­برند. استفاده از آخرین فناوری­ ها برای افزایش آب و استفاده از مواد مغذی بسیار ضروری شده است، به ویژه در مناطق خشک با دسترسی محدود به آب. بسپارها نقش مهمی در بخش کشاورزی ایفا می­کنند و برای ایجاد شرایط مناسب جوی برای رشد گیاه و افزایش بازدهی آب آبیاری استفاده می­شوند.

در طول دهه گذشته، هیدروژل­ها به طور گسترده­ای برای بهبود دسترسی گیاهان به آب استفاده شده است، با افزایش خواص نگهداری آب در خاک و محیط رو به رشد، استفاده از بسپارهای هیدروژل ممکن است روشی مناسب برای افزایش بازدهی مصرف آب و کودها، جذب و ذخیره آب تا چند برابر وزن هیدروژل و کارایی به عنوان یک مخزن برای جلوگیری از اتلاف آب و افزایش قابلیت آبیاری باشد. هم­چنین بسپارهای ابرجاذب (superabsorbent) برخی از خواص فیزیکی خاک را بهبود می­بخشند.

به نظر می­رسد بسپار هیدروژل به عنوان یک تهویه­ کننده خاک در بخش کشاورزی، برای تقویت تحمل محصول و رشد در زیرلایه ­ای (substrate) از سنگ­ریزه سبک یا شنی بسیار موثر باشد. بسپار هیدروژل به عنوان یک تهویه­ کننده خاک برای کاهش اتلاف آب و افزایش بازدهی محصول ابداع شده است. اما هیدروژل بسپار چیست؟

هیدروژل­های بسپار به عنوان یک بسپار ابرجاذب طبقه­بندی شده­اند و با داشتن خواصی نظیر گرانروکشسان (ویسکوالاستیک)، اتصالات عرضی شُل و شبکه­های سه بُعدی آب­دوست از زنجیرهای بسپار با گروه­ یونی خاص که ممکن است مقدار زیادی از آب یا مایعات زیستی (بیولوژیکی) را در مدت زمان بسیار کوتاه جذب کند و آن­ها را تحت شرایط مطمئن نگه دارد و به عنوان یک تهویه­کننده خاک که تا هزار برابر وزن خود آب را ذخیره می­کند و بازدهی محصول را افزایش می­دهد، در نظر گرفته می­شود.

بسپار هیدروژل توانایی جذب آب تا صد برابر وزن اولیه خود در مدت زمان کوتاه و دفع آب جذب شده تحت شرایط تنش دارد.

سه گروه بسپار به شرح زیر وجود دارد:

الف) بسپارهای پیوندی (graft) نشاسته-پلی­ آکریل ونیتریل (هم­بسپارهای نشاسته)

ب) هم­بسپارهای وینیل الکل-اکریلیک اسید (پلی­وینیل الکل­ها­)

ج) پلی ­آکریل آمیدهای شبک ه­ای شده با هم­بسپارهای آکریل آمید سدیم آکریلات

 

نحوه عمل هیدروژل بسپار

هنگامی که هیدروژل با خاک مخلوط می­شود، یک توده­ی ژله مانند اَریخت (آمورف) آب­دار (hydration) تشکیل می­دهد و در طی مدت زمان طولانی جذب و واجذب (desorption) دارد و از این رو به عنوان یک منبع آبی آهسته در خاک عمل می­کند.

ذرات هیدروژل به عنوان ریزمخازن آب­ در خاک درنظر گرفته می­شوند و به محض این­که ریشه تحت اختلاط فشار اسمزی قرار بگیرد، آب از این مخازن آزاد می­شود. به دلیل کاهش حجم قابل توجه هیدروژل به هنگام رهایش آب به گیاه، هیدروژل فواصلی در خاک ایجاد می­کند و حجم آزاد منافذ، فضای بیشتری برای نفوذ هوا و آب، ذخیره­سازی و رشد ریشه فراهم می­کند. از این رو بسپار هیدروژل به عنوان یک سامانه رهایش آهسته آب و کودهای محلول در خاک  است (شکل 1).

 

[EasyDNNGallery|10615|Width|600|Height|600|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: سازوکار بسپار در کشاورزی

 

توانایی مصرف آب و تولید ماده خشک معیاری از واکنش­های مثبت محصول به هیدروژل است، هنگامی­که بسپارها با خاک مخلوط می­شوند، مقدار زیادی از آب و مواد مغذی تا صد برابر وزن اصلی خود را حفظ می­کنند و نود و پنج درصد آب مورد نیاز برای جذب گیاه را آزاد می­کنند، بنابراین رشد گیاه در جایی­که تامین آب محدود است افزایش می­یابد، با این حال در منطقه بارندگی، افزودن بسپار هیدروژل به خاك، آهنگ نفوذ آب در خاک را افزایش می­دهد.

 

استفاده از هیدروژل در کشاورزی

وجود آب در خاک برای انواع مختلف گیاهان بسیار حیاتی است. هیدروژل­ها راه­ حل­هایی برای کمبود آب شیرین در کشاورزی فراهم می­کنند و بهره­وری آب و خاک را بدون آسیب زدن به محیط زیست و منابع طبیعی افزایش می­دهند. هیدروژل بسپار در واقع بر تراوایی (permeability) خاک، تراکم، ساختار، بافت، تبخیر و آهنگ نفوذ آب از طریق خاک تاثیر می­گذارد. هیدروژل، آب و مواد مغذی گیاهان را آزاد می­کند و وقتی خاک اطراف ریشه گیاهان شروع به خشک شدن می­کند، گیاه برای دوام عمر خود در شرایط خشکسالی، کود و آب را مصرف می­کند. دانشمندان روی توسعه ابزارهای جدید برای افزایش اثربخشی رهایش مواد مغذی برای گیاهان، رهایش آهسته کود به عنوان یک روش واقعی برای کاهش اتلاف کود در اثر باران و یا آب آبیاری، تامین مواد مغذی برای مدت طولانی و به حداقل رساندن مقدار کود مصرفی هدف­گذاری کرده­اند. مواد مغذی با مواد مختلفی نظیر هیدروژل­های کربوکسی متیل کیتوسان دربرگرفته شده است. استفاده از بسپار هیدروژل در خاک موجب بهبود دسترسی به آب در زیرلایه، افزایش جوانه ­زنی بذر، افزایش درصد آب در برگ و مقدار کلروفیل در برگ در مناطق خشک، می­شود. بهبود رشد ریشه، رشد گیاه، کاهش اتلاف مواد مغذی ناشی از آب­شویی (leaching) و کمک به بهبود نفوذ در خاک، اثرات نامطلوب ناشی از تنش آب پس از قلمه­زنی (transplantation) گیاه را کاهش داده و عوامل جوانه­زنی را ایجاد می­کند.

هیدروژل بسپار با رهایش آهسته به عنوان حامل مواد مغذی در خاک عمل می­کند و به عنوان روشی کلیدی برای بهبود کارایی کود از طریق کاهش اتلاف مواد مغذی ناشی از آب­شویی، کاهش هزینه­ها و کاهش آلودگی محیط زیست درنظر گرفته می­شود. هیدروژل­ها در کشاورزی بسیار مفید هستند، زیرا می­توانند آب را ذخیره و از فرسایش خاک جلوگیری کنند.

 

اثر هیدروژل بر حفظ آب

با توجه به بحران منابع آب، صرفه ­جویی در مصرف آب کشاورزی برای توسعه ماندگار (sustainable) ضروری است. بسپار هیدروژل آهنگ نفوذ آب را بهبود می­بخشد و به عنوان مواد نگهدارنده آب در مناطق خشک و نیمه خشک با منابع آبیاری محدود و زمین شور (که تاثیر منفی بر رشد تدریجی و بهره­وری محصول دارد) استفاده می­شود. هیدروژل مورد استفاده برای افزایش ذخیره آب در نزدیکی ریشه، ظرفیت خاک­های مختلف مزرعه را افزایش می­دهد، هم­چنین هم دسترسی به آب برای گیاهان و هم مدت دسترسی را افزایش می­دهد.

علاوه­بر این، مطالعات قبلی نشان­دهنده توانایی خوب بسپارهای هیدروژل برای افزایش احتباس آب، جذب آب و بهره­وری مصرف آب است که به کاهش تنش آب گیاهان و درنتیجه افزایش رشد گیاه کمک می­کند.

هم­چنین ادعا شده است هیدروژل­ها آب­شویی کود را کاهش می­دهند و به نظر می­رسد این به دلیل برهم­کنش کود با بسپار باشد. به­علاوه بسپار به عنوان یک حامل بالقوه برای عامل محافظت­کننده مانند آفت­کش­ها و علف­ کش­ها در نظر گرفته می­شود.

استفاده از هیدروژل­ها در مناطق خشک و نیمه خشک که در آن آب آبیاری محدود است، بسیار مفید است.

 

اثر هیدروژل بر رشد گیاهان

جوانه ­زنی بذر و نهال گیاهان، مهم­ترین مراحل رشد اولیه هر گونه گیاه در نظر گرفته می­شود. رشد موفق بستگی به آب موجود دارد و به شدت از طریق مقدار رطوبت کم خاک، عمدتا در مناطق خشک و نیمه خشک، محدود می­شود.

بسپارهای هیدروژل با افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک و طولانی شدن زمان رسیدن به نقطه پژمردگی (wilting) باعث افزایش بقای گیاه تحت تنش ناشی از کمبود آب و کاهش نسبت افتادن میوه از درخت می­شود و می­تواند منجر به افزایش بازدهی کل و وزن میوه تحت شرایط مختلف شود.

علاوه­بر این، افزودن هیدروژل به خاک، محیط گیاه را افزایش می­دهد و این ممکن است به دلیل افزایش مقدار آب موجود در ناحیه ریشه باشد که باعث طولانی شدن فواصل آبياری می­شود. هم­چنین، بسپارهای هیدروژل با ایجاد یک مخزن آب در نزدیکی ریشه گیاهان، موجب کاهش رطوبت اسمزی خاک، بهبود ظرفیت آب در دسترس گیاهان، افزایش رشد گیاه و افزایش بازده کل و کاهش هزینه­های تولید محصولات می­شود (شکل 2). هیدروژل­ها، حیات گیاه، جوانه­زنی بذر، تهویه و رشد ریشه، عمدتا در محیط­های خشک، را بهبود می­دهند.

[EasyDNNGallery|10614|Width|600|Height|600|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

 

کاربرد هیدروژل در کشاورزی

بسپارهای هیدروژل برای ایجاد شرایط جوی مناسب برای رشد گیاه در مناطق خشک و نیمه خشک، نقش حیاتی در کاربردهای کشاورزی دارند و می­توانند به عنوان مواد نگهدارنده در شکل­های مختلف مانند موارد زیر استفاده شوند:

1) افزودنی­های بذر برای جوانه­زنی بذر یا پوشش­دهی بذر.

2) غوطه­ورسازی (dipping) ریشه­های گیاهچه قبل از استقرار.

3) عوامل موثر بر رشد گیاه.

4) عوامل پوششی محافظ (علف­کش­ها و آفت­کش­ها) با رهایش آهسته.

5) علف­کش­ها و زیواکش­های (Biocides) بسپاری.

6) بسپارهای نامحلول در آب.

7) بسپارها برای ترمیم خاک.

مخصوصا، هیدروژل­ها، کود محلول و آب را جذب می­کنند و سپس آن را در زمان مناسب برای گیاهان آزاد می­کنند.

اثرات هیدروژل بر خاک:

خاک به عنوان یک عامل محدودکننده برای تولید محصولات کشاورزی در مناطق خشک و نیمه خشک محسوب می­شود. بسپار به عنوان یک تهویه­کننده خاک از سال 1950 معرفی شد.

هیدروژل­های کشاورزی می­توانند خواص مختلف خاک را از طریق سازوکارهای ذیل تغییر دهند:

• ظرفیت نگهداری آب در خاک.
• افزایش تراوایی خاک.
• بهبود نگهداری آب در انواع مختلف خاک.
• افزایش بهره­وری مصرف آب.
• افزایش فواصل آبیاری به علت افزایش زمان رسیدن به نقطه پژمردگی دائمی.
• کاهش فرسایش خاک و هرز رفتن آب.
• نفوذ و تصفیه خاک.
• کاهش تمایل به فشردگی خاک.
• بهبود زهکشی خاک.
• حمایت از عملکرد رشد محصول تحت شرایط آبياری کم.
• افزایش نگهداری مواد مغذی در نتیجه رهایش آهسته و تاخیر در انحلال کود.

 

هم­چنین انتظار می­رود که هیدروژل کاربردهای بالقوه گسترده­ای در خاک سبک داشته باشد و بر نفوذ خاک، بافت و تبخیر تاثیر گذارد و آهنگ نفوذ آب در خاک را افزایش دهد.

با ایجاد بهبود هوادهی (aeration) و زهکشی خاک و به حداقل رساندن اتلاف مواد مغذی ناشی از آب­شویی، استفاده از بسپارهای هیدروژل در مناطق خشک و نیمه خشک مفید است و اثرات مثبتی بر خاک دارد که در ادامه آورده شده است:

 

اثر هیدروژل بر مواد مغذی

استفاده از هیدروژل، باعث کاهش اتلاف مواد مغذی ناشی از آب­شویی و افزایش بهره­وری مصرف آب می­شود؛ هم­چنین، میزان کوددهی را کاهش می­دهد، زیرا آب­شویی مواد غذایی با کاهش هرز رفتن آب جلوگیری می­شود. در عوض، هیدروژل­هایی که حاوی کود هستند و رهایش آب کنترل شده دارند، مقدار کود را با زمان تنظیم می­کنند.

این مواد مغذی نسبت به دسترسی سریع به نیترات آمونیوم، فسفات آمونیوم یا کلرید پتاسیم، برای مدت زمان طولانی در دسترس گیاه است.

 

 

(ادامه دارد …)

 

متن کامل این مقاله را در شماره 190ام ماهنامه بسپار که در نیمه تیرماه 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.