چكيده
پليمرهاي فرا جاذب آب (Water Superabsorbent) مي توانند مقادير زيادي آب يا محلول آبي را جذب نموده و متورم شوند. اين مخازن ذخيره اي كوچك وقتي كه در داخل خاك قرار مي گيرند، آب حاصل از آبياري و بارندگي را به خود جذب نموده و از فرو نشت آن جلوگيري مي نمايد. پس از عمل جذب و در اثر خشك شدن محيط آب داخل پليمر به تدريج تخليه مي گردد و بدين ترتيب خاك به

مدت طولاني و بدون نياز به آبياري مجدد مرطوب مي ماند. بررسي خواص پليمرهاي فرا جاذب آب در شرايط مشابه درون خاك مطمئن ترين روش براي درك و پيش بيني رفتار آنها در سيستمهاي واقعي آب، خاك و گياه مي باشد.
يكي از اين پليمرهاي فرا جاذب آب ماده مصنوعي PR3005A (بلور آب) مي باشد كه مي توان از آن به منظور بهبود شرايط فيزيكي خاك استفاده نمود. در مرحله اول اين تحقيق ابتدا منحني رطوبتي پليمر و همچنين ميزان تورم آن در مجاورت آب آبياري و عصاره اشباع خاكهاي مورد نظر بدست آمد. در بخش دوم پارامترهاي ظرفيت نگهداري آب در خاك، تخلخل و ضريب آبگذري در دو نوع خاك با بافتهاي لوم و لوم شني مورد مطالعه قرار گرفت و در مرحله پاياني تغييرات رطوبت خاك با زمان و تاثير پليمر فرا جاذب آب بر روي خاكهاي مورد آزمون ارزيابي گرديد.
نتايج نشان داد كه ماده مورد نظر در اين تحقيق مي تواند ميزان نگهداري رطوبت در خاكهاي سبك را افزايش داده و همچنين مشكل نفوذ پذيري خاكهاي سنگين را مرتفع نمايد و به طور كلي با بهبود شرايط فيزيكي خاك مانع از تنشهاي رطوبتي و نهايتا باعث موفقيت برنامه هاي آبياري در مناطق خشك و نيمه خشك گردد. از سوي ديگر، قيمت بالاي اين مواد مصرف انها را در كشت گياهان زراعي از نظر اقتصادي غير قابل توجيه نموده و تنها مي تواند براي مصرف در كنار درختان در مناطق كم آب كه آبياري آنها هزينه سنگيني را در بر دارد و يا همراه با گياهان گرانقيمت گلخانه اي مورد توصيه قرار گيرد.

مقدمه
آب عنصري حياتي است كه كمبود آن در مناطق خشك و نيمه خشك گسترش كشت در اراضي مستعد را با محدوديت مواجه مي سازد. طبق آمار موجود بيش از ۹۵ درصد از آبي كه در كشور مصرف مي شود در بخش كشاورزي مورد استفاده قرارمي گيرد در نتيجه بيشترين حجم تلفات آب نيز در اين بخش رخ مي دهد )بي نام، ۱۳۸۲).

محدوديت منابع آب كشور ضرورت صرفه جويي در مصرف آب را روشن مي سازد. اعمال مديريت صحيح و بكارگيري تكنيكهاي پيشرفته به منظور حفظ ذخيره رطوبتي خاك و افزايش ظرفيت نگهداري آب در خاك از جمله اقدامات موثر براي افزايش راندمان آبياري و در نتيجه بهبود بهره برداري از منابع محدود آب كشور مي باشد. دستيابي به اهداف فوق الذكر (حفظ ذخيره رطوبتي، افزايش ظرفيت نگهداري آب در خاك و … ) با انجام اقداماتي نظير استفاده از كود سبز و آلي، مالچ گياهي و مصنوعي، ايجاد پوشش گياهي و يا استفاده از مواد اصلاح كننده نظير تورب، پرليت و پليمرها ميسر مي باشد.

با توجه به اينكه خاكهاي سبك توانايي ذخيره و نگهداري رطوبت كمي را دارند و خاكهاي سنگين ميزان رطوبت بالايي را در خود نگهداري مي كنند اما مقدار رطوبت قابل استفاده گياه در حد فاصل بين ظرفيت زراعي (F.C)نقطه پژمردگي دائم (P.W.P) نسبتا كم مي باشد، با افزودن اين ماده به خاك علاوه بر اينكه ظرفيت نگهداري خاك افزايش مي يابد نفوذ پذيري آب نيز در خاكهاي سنگين اصلاح شده و از ميزان تبخير آب در خاك كاسته مي شود و در نهايت كارايي مصرف آب آبياري افزايش يافته و در مصرف آب صرفه جويي مي گردد.

با توجه به توليد و عرضه مواد جاذب رطوبت به عنوان اصلاح كننده خاك و اينكه اين مواد مي توانند موجب جذب رطوبت ناشي از بارشهاي ناچيز در مناطق خشك و نگهداشت آنها در خاك شده و از اين طريق مانع از تنشهاي رطوبتي و عدم موفقيت برنامه هاي آبياري در اينگونه مناطق شوند لازم است پژوهشهايي از جنبه هاي مختلف شامل مقدار مواد افزوده، روش استفاده، ميزان موفقيت و شدت تاثير و پيامدهاي مثبت و منفي ناشي از استفاده مواد جاذب رطوبت به عمل آيد.

بديهي است به دستيابي به موارد ذكر شده افزون بر امكان استفاده بهينه از آبهاي موجود و افزايش درصد موفقيت برنامه هاي آبياري و بهبود شرايط زيست محيطي مي توان گام اساسي در كاهش هزينه هاي آبياري افزايش توليد برداشت. استفاده از مواد جاذب رطوبت به عنوان مواد افزوده به خاك در ايران داراي سابقه چنداني نمي باشد.

از بين پژوهش هاي انجام شده به صورت آزمايشگاهي تا قبل از اين تحقيق، منسجم ترين آنها پروژه تحقيقاتي انجام شده در گروه خاكشناسي دانشكده كشاورزي دانشگاه تهران است. كريمي در پايان نامه خود بر روي تخلخل، ظرفيت نگهداري رطوبت ، آبگذري و همچنين تأثير آن در رشد و نمو نباتات سويا و آفتابگردان كار كرده و به اين نتيجه رسيده است كه افزودن ماده اصلاحي ايگيتا به خاك باعث بهبود شرايط فيزيكي خاك مي گردد و به طور غير مستقيم در رشد و نمو گياهان موثر مي باشد (كريمي، ۱۳۷۲). در پژوهشي ديگر كه در دانشكده شيمي دانشگاه تربيت مدرس انجام پذيرفت، در بخشي از تحقيق رفتار تورمي پليمرPR 3005 A به طور كامل مورد بررسي قرار گرفت. به اين ترتيب كه يونهاي موجود در خاكهاي نمونه شناسايي و اثرات آنها بعلاوه اثر PH و شوري خاك بر درجه تورم پليمر بررسي گرديد (نادري، ۱۳۷۵).

تنها پروژه تحقيقاتي كه استفاده از پليمر فرا جاذب آب را به طور صحرايي و با كاربرد گياه مورد استفاده قرار داده است، توسط كيخايي در دانشكده كشاورزي دانشگاه تربيت مدرس انجام پذيرفت. محقق در كار خود با استفاده از ماده مصنوعي PR 3005 A شرايط فيزيكي خاك را بهبود بخشيده و اثر اين ماده را بر خصوصيات رشد و نمو گياه دارويي كتان روغني بررسي نموده است،

همچنين با ايجاد تنش آبي و بررسي نتايج، استفاده از آن راجهت صرفه جويي آب و بالا بردن بازده مصرف توصيه نموده و در پايان نتيجه گيري كرده است كه كاربرد مقادير توصيه شده از پليمر فرا جاذب آب مي تواند تا حد زيادي مشكل نگهداري رطوبت خاكهاي سبك را مرتفع نمايد (كيخايي، ۱۳۸۰).
استفاده از مواد فرا جاذب آب در ديگر كشورهاي جهان از جمله آلمان، آمريكا و استراليا داراي ديرينه زياد است. سابقه تحقيق در اين مورد به سالهاي ۱۹۶۰ باز مي گردد. با توجه به اينكه اين مواد فرا جاذب آب بر اساس شرايط اقليمي كشورهاي سازنده ساخته مي شوند و به بازارهاي ايران نيز را پيدا نموده اند لازم است كه پژوهشهايي بر روي اين مواد در داخل كشور انجام پذيرد (بي نام، ۱۳۷۷).

پليمر مورد بررسي در اين تحقيق به صورت پودر سفيد است و اندازه آن از سه ميليمتر تا چند ميكرون مي باشد و اين اندازه بستگي به درجه پليمر دارد ( نوع A، B و C) و در صورت تماس با آب هيدراته گشته و به صورت يك ژله نگهدارنده آب در مي آيد. با اين حال تمامي ذرات به صورت مجزا باقي مانده و مي توانند تا چند صد برابر وزن خود آب را در خود ذخيره نمايند. آب جذب شده توسط پليمر مي تواند به وسيله عمل تبخير و يا توسط ريشه هاي گياه جذب و به حركت در آيد. ذرات پليمر در طي عمل آبدهي به حالت اول خود بر مي گردند و عمليات آبدهي و آبگيري مي تواند مرتبا تكرار شود سازنده اين مواد، مدت دوام آن را ۵ سال ذكر نموده است .(Anonymous, 1994)

در اين تحقيق سعي بر آن شد كه با افزودن مقادير پليمر فرا جاذب آب به خاكهايي كه هر كدام به نحوي داراي مشكلاتي از نظر زراعي مي باشند مسايل مربوط به آنها را تعديل نموده و در نهايت نتيجه شود كه كاربرد اين ماده تا چه اندازه در بهبود شرايط فيزيكي خاك موثر است.

مواد و روشهاي مورد استفاده
در اين مطالعه از دو نوع خاك كه به ترتيب داراي بافت لومي و لوم شني مي باشند (در صورت تمايل به آشنايي با چگونگي تعيين بافت و تجزيه مكانيكي كامل خاكها به مرجع شماره ۵ مراجعه نماييد).
نمونه هايي از عمق ۲۰ – ۰ سانتيمتري تهيه كرده و براي اجراي آزمايشات مورد نظر به آزمايشگاه موسسه تحقيقات خاك و آب تهران منتقل نموديم، نمونه هاي خاك را بعد از خشك كردن در هواي آزاد و كوبيدن، از الك دو ميليمتري عبور داده و سپس آزمايش طي سه مرحله زير انجام گرديد.

مرحله اول آزمايش
در اين مرحله از تحقيق، تاثير ميزان مصرف ماده فرا جاذب آب ( ۰/۰، ۰۵/۰، ۱/۰، ۲/۰ و ۳/۰ درصد وزني) بر روي انواع تخلخل، ظرفيت نگهداري رطوبت و ضريب آبگذري خاكهاي مورد آزمون تحت بررسي قرار گرفت. به منظور بررسي اثرات اين ماده بر روي خصوصيات فيزيكي فوق الذكر آزمايش در طرح آماري فاكتوريل ۵  ۲ در قالب طرح كاملا تصادفي با سه تكرار و جمعاً در ۳۰ گلدان انجام گرديد. براي مقايسه ميانگين تيمارها از روش آماري دانكن و براي بررسي اثرات اصلي و متقابل خاك و پليمر از روش آماري اسپليت پلات استفاده گرديد.
در اين تحقيق از گلدانهاي پلاستيكي به رنگ تيره با ق

طر دهانه ۲۴ و قطر كف ۱۸ سانتيمتر استفاده گرديد. ابتدا در كف هر گلدان تعدادي منفذ ايجاد كرده و سپس به ارتفاع ۲ سانتيمتر شن درشت (با قطر ۲ تا ۵ ميليمتر) به منظور زهكشي و جلوگيري از خروج خاك در كف هر گلدان ريخته شد و سطح آن صاف گرديد. سپس ۱/۶ كيلوگرم خاك با مقادير مختلف ماده فرا جاذب آب به نسبتهاي ۰/۰، ۰۵/۰، ۱/۰، ۲/۰ و ۳/۰درصد وزني به خوبي مخلوط و در گلدان ريخته شد. در شروع آزمايش گلدانها تا حد ظرفيت زراعي آبياري شدند. سپس هر هفت روز يكبار گلدانها را وزن كرده و با محاسبه ميزان آب تبخير شده مجددا گلدانها تا به حد ظرفيت زراعي آبياري شدند. اين روش تا ۲ ماه ادامه يافت و در آخرين نوبت آبياري، رطوبت گلدانها به حد ظرفيت زراعي رسانده شد. سپس گلدانها به آزمايشگاه منتقل شده و تخلخل، ظرفيت نگهداري رطوبت و ضريبآبگذري آنها اندازه گيري گرديد.

 

مرحله دوم آزمايش
به منظور بررسي تغييرات رطوبت خاك با زمان و تاثير ماده جاذب رطوبت بر روي خاكهاي مورد آزمون از گلدانهاي پلاستيكي استوانه اي شكل به رنگ تيره با قطر دهانه ۱۰ سانتيمتر استفاده گرديد .تعداد ۱۰ عدد گلدان را (طبق روش مرحله اول) آماده كرده و ۵ عدد از آنها به بافت لومي و ۵ عدد باقيمانده به خاك داراي بافت لوم شني اختصاص يافت . سپس مقدار ۵/۱ كيلوگرم خاك را با مقادير مختلف ماده فرا جاذب آب به نسبتهاي ۰/۰، ۰۵/۰، ۱/۰، ۲/۰ و ۳/۰ درصد

وزني به خوبي مخلوط و در گلدان ريخته شد.
ابتدا گلدانها را تا حد اشباع آبياري نموده به طوري كه آب اضافي از ته گلدان زهكشي گرديد. سپس روزانه در ساعات مشخص گلدانها را با ترازوي دقيق توزين كرده و نتايج ثبت شد. اين كار تا آنجا ادامه يافت كه بين قرائتها تفاوت محسوسي مشاهده نگرديد . با توجه به مشخص بودن وزن خالص خاك، گلدان، ميزان پليمر مصرفي و فيلتر بكار برده شده، درصد وزني رطوبت را بدست آورده و منحني تغييرات رطوبت با زمان رسم گرديد.

 

مرحله سوم آزمايش
براي مقايسه قابليت جذب آب پليمر در برابر آب مقطر، آب شهري (آب تهران)، آب آبياري و عصاره خاك، پليمر را با وزنهاي گوناگون (۰۱/۰ تا ۰۵/۰ گرم) در ۱۵۰ ميلي ليتر از محلولهاي مذكور به مدت دو روز قرار داده و مجددا ژلهاي متورم شده توزين گرديدند. سپس با استفاده از نسبت بين وزن اوليه پليمر قبل از تورم به وزن پليمر متورم شده درجه تورم پليمر محاسبه گرديد (گنجي خرم دل، ۱۳۷۸).

نتايج و پيشنهادات
نتايج حاصل از اين تحقيق را مي توان بر حسب مراحل آزمايش در چند بخش به شرح ذيل جمع بندي نمود.
۱- پليمر مورد بررسي در نگهداري رطوبت در خاك نقش مهمي دارد، زيرا زماني كه به خاك اضافه مي شود تغييراتي را در توزيع سه فاز جامد، مايع و گاز خاك ايجاد مي كند. بنحوي كه پس از اضافه شدن آب به خاك درصد بخش گازي كاهش و درصد بخش مايع افزايش مي يابد.

۲- پليمر فرا جاذب آب باعث تغييراتي در ميزان و انواع تخلخل خاكها مي گردد، به طوري كه هر چه مقدار پليمر مصرفي افزايش يابد، ميزان انواع تخلخل خاك نيز افزايش مي يابد. با توجه به تجزيه و تحليلهاي آماري ملاحظه گرديد كه در خاك لومي درصد هاي مختلف، روي افزايش تخلخل كل خاك چندان موثر نبوده اند، اما بيشترين تاثير را مقدار ۳/۰ درصد وزني از پليمر مصرفي اعمال نموده است . در خاك لوم شني مقادير ۲/۰ و ۳/۰ درصد وزني از پليمر مصرفي بيشترين تاثير را بر روي افزايش

تخلخل كل خاك اعمال نموده اند و همچنين از نتايج مشاهده گرديد كه افزودن پليمر فرا جاذب آب به خاك لوم شني در مجموع تخلخل مويين را بيشتر افزايش داده و پليمر جاذب آب توانايي بيشتري در جذب و نگهداري رطوبت در اين خاك دارد (اشكال ۱ و ۲).
۳- با افزايش مقادير پليمر مصرفي ظرفيت نگهداري رطوبت خاكهاي مورد آزمون نيز افزايش مي يابد اما اين افزايش در خاك لوم شني چشمگير تر مي باشد به طوري كه درصد وزني رطوبت در حد ظرفيت زراعي و در خاك لومي (با مصرف ۳/۰ درصد وزني از پليمر) ۶/۴ درصد نسبت به تيمار شاهد افزايش نشان داده است در صورتي كه در خاك لوم شني اين مقدار افزايش ۲۴/۷ درصد بوده است. همچنين ميزان آب قابل استفاده نيز در خاك لومي ۱۷/۴ درصد و در خاك لوم شني ۴۴/۵ درصد افزايش نشان داده است (اشكال ۳، ۴ و ۵).
لازم به ذكر است كه براي شناخت بيشتر پليمر مورد

استفاده و بررسي عملكرد آن تحت فشارهاي مختلف منحني رطوبتي پليمر (در مجاورت آب آبياري و آب مقطر) رسم گرديد. با توجه به نتايج مشاهده گرديد كه در فشار صفر، اختلاف شديدي بين درصد حجمي رطوبت دو منحني رطوبتي وجود دارد، اما به تدريج با اعمال فشار اين اختلاف كمتر مي شود به طوري كه در فشارهاي بالا آب آبياري و آب مقطر از نظر ميزان حفظ رطوبت تقريبا يكسان عمل مي نمايند (شكل ۶).
۴- با افزايش ميزان بكارگيري پليمر ضريب آبگذري خاكهاي مورد آزمون افزايش مي يابد. با توجه به اينكه در خاكهاي با بافت متوسط نياز است كه ميزان آبگذري خاك به حد مطلوبي برسد با توجه به نتايج آماري و جنبه هاي اقتصادي ميزان ۰۵/۰ تا ۱/۰ درصد وزني از پليمر قابل توصيه است (شكل ۷).
۵- نتايج حاصل از بررسي تغييرات رطوبت خاك با زمان در خاكهاي مورد آزمون نشان داده است كه با گذشت زمان قابليت حفظ رطوبت در خاك لوم شني بيشتر از خاك لومي مي باشد. بنابراين از اين طريق مي توان ضعف قدرت نگهداري آب در خاكهاي سبك را بهبود بخشيد (اشكال ۸ و ۹).

۶- نتايج حاصل از بررسي ميزان قابليت جذب آب پليمر نشان داد كه وجود يونهاي محلول در آب خاك به شدت درجه تورم پليمر را كاهش مي دهد. به طوري كه ميزان تورم در خاك لومي كه داراي آنيونها و كاتيونهاي بيشتري است، بسيار كمتر از ميزان تورم در خاك لوم شني است. همچنين ملاحظه مي شود كه حداكثر تورم در آب مقطر رخ مي دهد و هر چه املاح محلول در آب افزايش

مي يابد، اين مقدار تورم كاهش مي يابد. بنابراين توصيه مي شود كه به منظور اعمال مديريت صحيحتر در موقع انتخاب پليمر مصرفي، كيفيت آب آبياري و همچنين خصوصيات شيميايي خاك مورد استفاده، حتما در نظر گرفته شود (جدول ۱).
۷- همانطور كه در بخشهاي قبلي عنوان گرديد، اعمال مديريت صحيح و بكار گيري تكنيكهاي پيشرفته به منظور حفظ ذخيره رطوبتي خاك و افزايش ظرفيت نگهداري آب در خاك از جمله اقدامات موثر براي افزايش راندمان آبياري و در نتيجه بهبود بهره برداري از منابع محدود آب كشور مي باشد . استفاده از پليمرهاي فرا جاذب آب يك روش نوين به منظور دستيابي به اهداف فوق الذكر (حفظ ذخيره رطوبتي، افزايش ظرفيت نگهداري آب در خاك و … ) مي باشد.
اما نكته مهمي كه بايد در مصرف آنها مد نظر داشت صرفه اقتصادي آن مي باشد. اگر چه نمونه اي از اين ماده به تازگي در داخل كشور توسط پژوهشگاه پليمر ايران ساخته شده ليكن هنوز بهاي هر كيلوگرم آن قابل توجه مي باشد. با توجه به بندهاي ۲، ۳ و ۴ مي توان دريافت كه عمده ترين

نقشي كه پليمر ايفا مي نمايد، افزايش دوره زماني است كه طي آن خاك، آب قابل مصرف خود را از دست مي دهد و به اين ترتيب دور آبياري به ميزان قابل توجهي (تا ۲ برابر) قابل افزايش است. در نتيجه مصرف پليمر در شرايط فعلي كه از قيمت بالايي برخوردار است در صورتي اقتصادي خواهد بود كه تامين آب در محل كشت گياه مورد نظر، قيمت تمام شده بالايي داشته باشد تنها در اين صورت از آنجا كه مصرف پليمر مي تواند دوره آبياري را تا نزيك به ۲ برابر افزايش دهد، مي توان انتظار داشت كه هزينه هاي آبياري به نصف كاهش يابد و مصرف آن را از نظر اقتصادي توجيه نمايد.

جدول ۱ – نسبت تورم پليمر در محلولهاي مختلف (گرم بر گرم)

آب مقطر آب شهر
( آب تهران ) آب آبياري عصاره خاك يك عصاره خاك دو
پليمر PR 3005 A 290 160 90 26 44

– مجموع كاتيونها و آنيونهاي خاك يك (لومي) = ۲/۸۲ ميلي اكي والان در ليتر
– مجموع كاتيونها و آنيونهاي خاك دو (لوم شني) = ۷/۳۹ ميلي اكي والان در ليتر
-EC آب آبياري = ۱۲۸۴ ميلي موس بر سانتيمتر