دانشنامه جامع جهانی خشکسالی، کمآبی7
فصل هفتم
ترکیب آبیاری زیرسطحی و سوپرجاذب کشاورزی؛ مدیریت هوشمند آب در ناحیه ریشه
۷-۱. مقدمه
در فصلهای گذشته دیدیم که: سوپرجاذب کشاورزی یا پلیمر جاذب آب میتواند بخشی از آب را در ساختار خود نگه دارد. از طرف دیگر، آبیاری زیرسطحی میتواند آب را در نزدیکی ناحیه ریشه وارد خاک کند. اکنون این سؤال مطرح میشود:اگر این دو فناوری را با هم استفاده کنیم، آیا میتوان آب بیشتری ذخیره کرد و مصرف آب کشاورزی را کاهش داد؟ از نظر فنی، پاسخ میتواند بله، در شرایط مناسب باشد؛ اما این موضوع به معنی آن نیست که ترکیب سوپرجاذب و آبیاری زیرسطحی همیشه و در هر مزرعه باعث کاهش یکسان مصرف آب میشود. هدف اصلی این ترکیب، ایجاد یک مدیریت یکپارچه رطوبت در ناحیه ریشه است.
۷-۲. منطق این ترکیب چیست؟
هر فناوری یک مشکل متفاوت را هدف قرار میدهد.آبیاری زیرسطحی آب را با دقت به محدوده ریشه میرساند. سوپرجاذب بخشی از آب واردشده را در ساختار هیدروژلی خود نگه میدارد.مالچ تبخیر سطح خاک را کاهش میدهد. ماده آلی میتواند بر ساختمان خاک و ظرفیت نگهداری آب اثر بگذارد. مدیریت شوری از تجمع بیش از حد نمک در محدوده ریشه جلوگیری میکند. بنابراین سیستم کاملتر به شکل زیر است:
منبع آب → آبیاری دقیق → ذخیره رطوبت → ریشه → کنترل شوری
۷-۳. سوپرجاذب در این سیستم چه نقشی دارد؟
سوپرجاذب نباید بهعنوان یک «مخزن بزرگ آب» تصور شود. هنگامی که آب وارد خاک میشود، پلیمر جاذب آب متورم میشود. پس از خشکتر شدن محیط، شرایط فیزیکی و شیمیایی خاک تغییر میکند و بخشی از آب موجود در پلیمر میتواند برای محیط اطراف قابل استفاده شود. اما میزان واقعی آب قابل استفاده به عوامل زیادی وابسته است: نوع پلیمر، درجه شبکهایشدن، اندازه ذرات، شوری آب، نوع خاک، فشار خاک، دما، رطوبت خاک، وضعیت ریشه. بنابراین ظرفیت جذب پلیمر با مقدار آب قابل استفاده گیاه یکی نیست.
۷-۴. بهترین محل قرارگیری سوپرجاذب کجاست؟
یکی از مهمترین سؤالات عملی همین است. اگر پودر جاذب آب در فاصله زیادی از ریشه قرار گیرد، ممکن است آب ذخیرهشده آن استفاده مؤثری برای گیاه نداشته باشد. اگر همه پلیمر فقط در یک نقطه متمرکز شود، توزیع آب نیز یکنواخت نخواهد بود. هدف باید ایجاد توزیع مناسب در منطقه فعال ریشه باشد.
۷-۵. رابطه بین قطرهچکان و سوپرجاذب
تصور کنید یک قطرهچکان زیر خاک قرار دارد. آب از قطرهچکان خارج میشود. در خاک یک ناحیه مرطوب ایجاد میشود که اصطلاحاً میتوان آن را حباب یا پیازچه رطوبتی دانست. اگر سوپرجاذب در منطقه مناسب این حباب قرار گرفته باشد، آب میتواند به پلیمر برسد و آن را متورم کند. بنابراین هدف این نیست که: پلیمر دقیقاً روی قطرهچکان قرار گیرد. بلکه باید در حجم مناسبی از خاک اطراف منطقه خیسشده قرار داشته باشد.
۷-۶. آیا میتوان سوپرجاذب را مستقیماً روی لوله ریخت؟
توصیه عمومی این نیست که حجم زیادی از پلیمر مستقیماً به لوله یا قطرهچکان چسبانده شود. روش مناسبتر این است که پلیمر در خاک اطراف ناحیه ریشه توزیع شود. برای طراحی دقیق باید: دبی قطرهچکان، نوع خاک، عمق لوله، فاصله قطرهچکانها، زمان آبیاری، الگوی ریشه بررسی شود.
۷-۷. یک مدل ساده برای درخت
فرض کنید یک درخت میوه دارای لوله زیرسطحی در عمق مناسب است.میتوان سیستم را به صورت مفهومی چنین تصور کرد:
تنه درخت
│
─────┼─────
ریشههای فعال
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
● ●
سوپرجاذب سوپرجاذب
│ │
══════════╪════════╪══════════
لوله آبیاری زیرسطحی
💧 💧
هدف این است که آب و پلیمر در محدودهای قرار گیرند که ریشه بتواند از رطوبت ایجادشده استفاده کند.
۷-۸. چرا قرار دادن سوپرجاذب فقط کنار تنه اشتباه است؟
بسیاری از افراد تصور میکنند بهترین محل مصرف سوپرجاذب برای درخت دقیقاً کنار تنه است. اما درخت بالغ معمولاً شبکه ریشهای گستردهای دارد. در بسیاری از درختان، بخش قابل توجهی از ریشههای فعال در فاصلهای از تنه قرار دارند. بنابراین در باغ بالغ، توزیع مناسب در محدوده ریشه میتواند منطقیتر از ایجاد یک توده در کنار تنه باشد.
۷-۹. ترکیب در نهالکاری
برای سوپرجاذب برای نهال، شرایط متفاوت است. ریشه نهال کوچک است و حجم خاک مورد استفاده نیز محدودتر است. بنابراین میتوان مقدار مشخصی از هیدروژل کشاورزی + خاک محل کاشت را در اطراف ناحیه ریشه قرار داد. پس از اولین آبیاری، پلیمر متورم میشود. این موضوع میتواند به حفظ رطوبت اطراف ریشه در مرحله استقرار کمک کند.
۷-۱۰. ترکیب با آبیاری زیرسطحی در باغهای خشک
در باغهای مناطق خشک میتوان یک سیستم چندلایه ایجاد کرد:
لایه اول
کاهش تبخیر سطحی با مالچ یا پوشش مناسب.
لایه دوم
انتقال آب با آبیاری زیرسطحی.
لایه سوم
ذخیره بخشی از آب با پلیمر نگهدارنده آب.
لایه چهارم
جذب آب توسط ریشه.
این رویکرد از نظر مهندسی آب بسیار منطقیتر از تمرکز روی یک فناوری واحد است.
۷-۱۱. نقش خاک در عملکرد سوپرجاذب
خاک فقط یک محیط خنثی نیست. خاک بر رفتار پلیاکریلات کشاورزی اثر میگذارد. در خاک ذرات رس، کاتیونها، نمکها، مواد آلی، فشار مکانیکی وجود دارند. بنابراین ظرفیت تورم سوپرجاذب در خاک ممکن است با مقدار آن در آب آزمایشگاهی متفاوت باشد.
۷-۱۲. خاک شنی + آبیاری زیرسطحی + سوپرجاذب
این ترکیب از نظر تئوری میتواند جالب باشد. خاک شنی معمولاً زهکشی سریعتری دارد؛ آب را سریعتر عبور میدهد؛ ظرفیت نگهداری آب کمتری نسبت به خاکهای ریزبافت دارد. آبیاری زیرسطحی آب را نزدیک ریشه میرساند. سوپرجاذب میتواند بخشی از آب را در منطقه ریشه نگه دارد. اما مقدار مصرف باید با آزمایش تعیین شود.
۷-۱۳. خاک رسی + آبیاری زیرسطحی + سوپرجاذب
در خاک رسی شرایط متفاوت است. این خاک خود ظرفیت نگهداری آب بالایی دارد. بنابراین افزایش بیش از حد مواد نگهدارنده آب ممکن است ضرورت نداشته باشد. در این شرایط باید به تهویه ریشه، زهکشی، ساختمان خاک، ماندابی شدن توجه ویژه داشت.
۷-۱۴. آیا پلیمر در خاک شور هم کار میکند؟
بله، اما معمولاً باید انتظار داشت عملکرد تورمی در آب شور کمتر از آب کمنمک باشد. این مسئله بهخصوص برای پلیاکریلات سدیم و پلیاکریلات پتاسیم اهمیت دارد. وجود یونها باعث کاهش فشار اسمزی لازم برای تورم شبکه پلیمری میشود. یونهای چندظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم نیز میتوانند بر شبکه پلیمر اثر بیشتری داشته باشند. بنابراین اگر آب آبیاری شور است، باید عملکرد محصول را در آب واقعی همان منطقه آزمایش کرد.
۷-۱۵. آب شور و آبیاری زیرسطحی
در اینجا یک نکته بسیار مهم وجود دارد. اگر آب شور باشد: آبیاری زیرسطحی نمک را از بین نمیبرد. اگر پلیمر نیز استفاده شود: سوپرجاذب نیز نمک را از بین نمیبرد. پس همچنان به: زهکشی، آبشویی، مدیریت EC، انتخاب گیاه مناسب نیاز داریم.
۷-۱۶. آیا سوپرجاذب میتواند اثر شوری را کاهش دهد؟
در بعضی شرایط ممکن است با حفظ بهتر وضعیت آبی گیاه، بخشی از تنش ناشی از خشکی تشدیدشده توسط شوری کاهش پیدا کند. اما این با نمکزدایی متفاوت است. شوری دو نوع فشار ایجاد میکند. فشار اسمزی، گیاه برای جذب آب با دشواری بیشتری مواجه میشود. سمیت یونی، برخی یونها در غلظت بالا میتوانند به گیاه آسیب برسانند. سوپرجاذب عمدتاً روی مدیریت آب اثر میگذارد و نباید آن را درمان مستقیم سمیت یونی دانست.
۷-۱۷. سوپرجاذب + گچ + آبیاری زیرسطحی
در برخی خاکهای سدیمی، گچ میتواند بهعنوان اصلاحکننده خاک مطرح باشد. اما: گچ ≠ سوپرجاذب و گچ ≠ آبشویی. گچ میتواند منبع کلسیم باشد و در شرایط مناسب به اصلاح سدیمی بودن خاک کمک کند؛ سپس آبشویی برای انتقال نمکهای حاصلشده از منطقه ریشه ضروری است.بنابراین اگر محصولی شامل پلیمر، زئولیت یا گچ باشد، باید عملکرد کل ترکیب بهصورت جداگانه آزمایش شود.
۷-۱۸. نقش زئولیت در این سیستم
زئولیتها به دلیل ساختار متخلخل و ظرفیت تبادل کاتیونی در برخی کاربردهای کشاورزی مورد توجه هستند. اما زئولیت و سوپرجاذب عملکرد یکسان ندارند. سوپرجاذب یک شبکه پلیمری متورمشونده است. زئولیت یک ماده معدنی متخلخل است. ترکیب آنها ممکن است در برخی فرمولاسیونها مزایایی ایجاد کند، اما نمیتوان نتیجه یک ماده را مستقیماً به ترکیب دیگری تعمیم داد.
۷-۱۹. آیا هیدروژل کشاورزی میتواند جایگزین آبیاری زیرسطحی شود؟
خیر. این دو فناوری کار متفاوتی انجام میدهند. آبیاری زیرسطحی آب را تأمین و منتقل میکند. هیدروژل آب را نگهداری میکند. بنابراین این دو رقیب مستقیم نیستند. بلکه در شرایط مناسب میتوانند مکمل یکدیگر باشند.
۷-۲۰. آیا آبیاری زیرسطحی میتواند جایگزین سوپرجاذب شود؟
در بسیاری از مزارع ممکن است آبیاری دقیق بهتنهایی کافی باشد. در بعضی شرایط نیز استفاده از پلیمر نگهدارنده آب میتواند ارزش افزوده ایجاد کند. پاسخ به شرایط مزرعه بستگی دارد. بنابراین باید هزینه هر فناوری در برابر منفعت واقعی مقایسه شود.
۷-۲۱. سه سناریو برای مقایسه
برای یک باغ میتوان سه تیمار آزمایشی ایجاد کرد:
تیمار A
آبیاری معمول
تیمار B
آبیاری زیرسطحی
تیمار C
آبیاری زیرسطحی + سوپرجاذب
اگر بخواهیم نتیجه علمیتری بگیریم، هر سه تیمار باید شرایط یکسانی داشته باشند. سپس اندازهگیری شود: آب مصرفی، رطوبت خاک، EC خاک، رشد، عملکرد، هزینه، تعداد دفعات آبیاری. این آزمایش مشخص میکند که آیا افزودن سوپرجاذب واقعاً نسبت به آبیاری زیرسطحی بهتنهایی ارزش اقتصادی دارد یا خیر.
۷-۲۲. چگونه مقدار بهینه سوپرجاذب را پیدا کنیم؟
بهترین روش، آزمایش چند سطح مصرف است. مثلاً: شاهد → مقدار کم → مقدار متوسط → مقدار بیشتر
نه اینکه مستقیماً مقدار بسیار زیادی مصرف شود. اگر عملکرد بین مقدار متوسط و مقدار زیاد تفاوت چندانی نداشته باشد، مقدار متوسط ممکن است از نظر اقتصادی مناسبتر باشد.
۷-۲۳. مفهوم «مقدار اقتصادی بهینه»
در کشاورزی همیشه بیشترین مقدار ماده، بهترین مقدار نیست. فرض کنید: ۵۰ واحد هزینه برای سوپرجاذب، ۱۰۰ واحد افزایش درآمد ایجاد کند. اما ۱۰۰ واحد هزینه فقط ۱۱۰ واحد افزایش درآمد ایجاد کند. در اینجا مقدار دوم از نظر فنی شاید اثر بیشتری داشته باشد، اما از نظر اقتصادی لزوماً بهتر نیست. بنابراین باید: بازده سرمایهگذاری سوپرجاذب محاسبه شود.
۷-۲۴. آیا ترکیب این دو فناوری برای همه مناطق مناسب است؟
خیر. در مناطقی که آب بسیار محدود است، هزینه انرژی بالا است، خاک شنی است، تبخیر زیاد است، باغ ارزش اقتصادی بالایی دارد، ممکن است توجیه اقتصادی بیشتری داشته باشد. اما در یک زمین کمارزش با آب فراوان و خاک مناسب، هزینه نصب آبیاری زیرسطحی ممکن است توجیه نداشته باشد.
۷-۲۵. انرژی پمپاژ
آبیاری زیرسطحی نیازمند فشار مناسب است. بنابراین هزینه انرژی پمپ باید در محاسبات وارد شود. در مناطقی که برق یا انرژی ارزانتر است، هزینه عملیاتی ممکن است کمتر شود. اما طراحی نامناسب میتواند باعث افزایش مصرف انرژی شود.
۷-۲۶. کنترل هوشمند رطوبت
مرحله پیشرفتهتر این فناوری استفاده از حسگر رطوبت خاک است. به جای اینکه کشاورز صرفاً بر اساس تقویم آبیاری کند، میتوان رطوبت خاک را اندازهگیری کرد. مثلاً:
حسگر → کنترلر → شیر برقی → آبیاری زیرسطحی
در این حالت سیستم میتواند فقط زمانی آبیاری کند که رطوبت از حد تعیینشده پایینتر رفته باشد.
۷-۲۷. ترکیب حسگر با سوپرجاذب
این روش حتی جالبتر میشود. اگر سوپرجاذب در خاک وجود داشته باشد، سنسور باید در محلی قرار گیرد که وضعیت واقعی منطقه ریشه را اندازهگیری کند. قرار دادن حسگر خیلی نزدیک یا خیلی دور از منطقه مرطوب میتواند اطلاعات گمراهکننده ایجاد کند. بنابراین: محل حسگر = محل تصمیمگیری آبیاری باید با الگوی ریشه و توزیع آب هماهنگ باشد.
۷-۲۸. مدل کشاورزی هوشمند
نسخه پیشرفته سیستم میتواند چنین باشد:
آزمایش آب
↓
آزمایش خاک
↓
تعیین نیاز آبی گیاه
↓
حسگر رطوبت
↓
کنترلر
↓
آبیاری زیرسطحی
↓
منطقه ریشه
↓
سوپرجاذب / هیدروژل
↓
پایش EC
↓
تصمیم برای آبیاری بعدی یا آبشویی
این مدل از مفهوم سنتی «هر چند روز یک بار آبیاری کن» فاصله میگیرد و به سمت مدیریت مبتنی بر داده میرود.
۷-۲۹. آیا این سیستم برای باغهای پسته مناسب است؟
پسته یکی از محصولات مهم مناطق خشک ایران است. اما در باغ پسته باید بهشدت به: شوری آب، شوری خاک، سدیمی بودن، زهکشی، عمق ریشه، الگوی آبیاری توجه کرد.
بنابراین استفاده از سوپرجاذب یا آبیاری زیرسطحی بدون بررسی EC و شرایط خاک توصیه علمی عمومی ندارد.
۷-۳۰. سایر درختان مناسب برای بررسی
این فناوری میتواند در مطالعات مربوط به: پسته، انگور، انار، زیتون، مرکبات، خرما، بادام، گردو، انجیر، سیب، هلو و سایر درختان بررسی شود. اما برای هر محصول باید آزمایش اختصاصی انجام شود.
۷-۳۱. سوپرجاذب برای باغ در مناطق گرم
در مناطق بسیار گرم، میزان تبخیر زیاد است. در چنین شرایطی ترکیب: آبیاری زیرسطحی + سوپرجاذب + پوشش سطح خاک
از نظر مدیریت رطوبت میتواند بسیار جذاب باشد. زیرا سه مسیر اتلاف آب هدف قرار میگیرند:
تبخیر سطحی ↓
حرکت غیرضروری آب ↓
خشک شدن سریع ناحیه ریشه ↓
۷-۳۲. نقش مالچ
اگر سطح خاک با مالچ مناسب پوشانده شود، گرمای مستقیم و تبخیر کاهش پیدا میکند. در نتیجه حتی اگر سوپرجاذب وجود نداشته باشد، بخشی از آب بهتر حفظ میشود.این موضوع نشان میدهد که پلیمر نگهدارنده آب نباید بهعنوان تنها ابزار مقابله با خشکسالی معرفی شود.
۷-۳۳. یک بسته فناوری برای کشاورزی کمآب
میتوان فناوریها را به شکل زیر دستهبندی کرد: فناوری، وظیفه، آبیاری قطرهای، رساندن دقیق آب، آبیاری زیرسطحی، رساندن آب زیر سطح، سوپرجاذب، نگهداری بخشی از آب، هیدروژل، ایجاد محیط نگهدارنده آب، مالچ، کاهش تبخیر، ماده آلی، بهبود برخی ویژگیهای خاک، زئولیت، اصلاح برخی ویژگیهای فیزیکی/شیمیایی، گچ، اصلاح خاکهای مناسبِ سدیمی، حسگر رطوبت، اندازهگیری رطوبت، کنترلر، مدیریت زمان آبیاری، زهکشی، خروج آب و نمک اضافی
۷-۳۴. اشتباه بزرگ در تبلیغات سوپرجاذب
نباید به کشاورز گفته شود: «یک کیلو سوپرجاذب ۱۵۰ لیتر آب ذخیره میکند و بنابراین ۱۵۰ لیتر در مصرف آب صرفهجویی میشود.» این نتیجهگیری علمی نیست. عدد جذب ممکن است تحت شرایط آزمایشگاهی خاص به دست آمده باشد. آب ذخیرهشده نیز الزاماً معادل مقدار آبی نیست که گیاه میتواند در شرایط واقعی استفاده کند. تبلیغ علمیتر این است: سوپرجاذب میتواند با افزایش نگهداری آب در ناحیه ریشه، به مدیریت بهتر رطوبت خاک و افزایش بهرهوری آب کمک کند؛ میزان اثر به شرایط خاک، آب، گیاه و روش مصرف بستگی دارد.
۷-۳۵. اشتباه بزرگ دیگر
نباید گفت: «آبیاری زیرسطحی باعث میشود مصرف آب همیشه ۵۰ درصد کاهش یابد.» میزان کاهش واقعی ثابت نیست. ممکن است در یک مزرعه کاهش قابلتوجه باشد و در مزرعهای دیگر اثر اقتصادی ناچیز باشد. بنابراین درصد صرفهجویی باید اندازهگیری شود، نه از قبل تضمین شود.
۷-۳۶. بهترین روش برای اثبات عملکرد یک محصول
اگر تولیدکننده سوپرجاذب کشاورزی یا هیدروژل کشاورزی میخواهد ادعای خود را علمی و قابل اعتماد ارائه کند، بهتر است آزمایشها در سه سطح انجام شوند: آزمایش آزمایشگاهی، ظرفیت جذب در آبهای مختلف. آزمایش گلخانهای، مقایسه گیاه با و بدون پلیمر.، آزمایش مزرعهای، مقایسه در شرایط واقعی کشاورزی. این سه مرحله بسیار معتبرتر از تکیه بر یک عدد روی بستهبندی هستند.
۷-۳۷. شاخصهای مهم آزمایش مزرعهای
برای ارزیابی ترکیب: سوپرجاذب + آبیاری زیرسطحی
بهتر است حداقل این موارد ثبت شوند: حجم آب مصرفی، تعداد آبیاری، رطوبت خاک، EC خاک، عملکرد، رشد ریشه، رشد اندام هوایی، درصد تلفات گیاه، هزینه سیستم، هزینه پلیمر، هزینه انرژی.
۷-۳۸. نتیجه اقتصادی نهایی
در نهایت سؤال اصلی این نیست که: «آیا سوپرجاذب آب جذب میکند؟» این موضوع تقریباً مشخص است. سؤال مهمتر این است: آیا استفاده از سوپرجاذب در شرایط واقعی این مزرعه باعث افزایش درآمد یا کاهش هزینه به اندازهای میشود که هزینه خرید و اجرای آن را توجیه کند؟ و درباره آبیاری زیرسطحی نیز همین سؤال مطرح است.
۷-۳۹. فرمول مفهومی اقتصاد پروژه
میتوان بهصورت ساده گفت: منافع اقتصادی = ارزش افزایش محصول
ارزش کاهش آب مصرفی
ارزش کاهش هزینه انرژی
کاهش خسارت خشکی
منهای:
هزینه = لوله و تجهیزات
پمپ و انرژی
فیلتر و نگهداری
سوپرجاذب
نصب
تعمیرات
اگر حاصل مثبت باشد، پروژه از نظر اقتصادی جذابتر است.
۷-۴۰. جمعبندی فصل هفتم
ترکیب سوپرجاذب کشاورزی و آبیاری زیرسطحی از نظر مفهومی یکی از جذابترین سیستمهای مدیریت آب در مناطق خشک است. در این سیستم: آبیاری زیرسطحی آب را به ناحیه ریشه میرساند. سوپرجاذب یا هیدروژل میتواند بخشی از آب را در محیط ریشه نگهداری کند. مالچ تبخیر سطحی را کاهش میدهد. حسگر رطوبت وضعیت خاک را اندازهگیری میکند. مدیریت شوری و زهکشی از تجمع نمک جلوگیری میکند. اما هیچیک از این فناوریها بهتنهایی معادل «تولید آب» نیستند. مهمترین اصل این فصل: هدف واقعی، بیشترین جذب آب توسط پلیمر یا بیشترین راندمان یک وسیله نیست؛ هدف، تولید محصول بیشتر یا حفظ تولید با کمترین مصرف آب ممکن و با هزینه اقتصادی قابل قبول است.