یوسف احمدی و ایمان بهمنی
مقدمه
خاک به عنوان بستر عمده کشت گیاهان از چهار جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتند از: مواد معدنی، آب، هوا و مواد آلی. ذرات جامد خاک را مواد آلی و مواد معدنی تشکیل می دهند و فضای خالی بین ذرات با آب و هوا پر می شود (مشیری و همکاران، 1400). به انواع مختلف ترکیبات کربنی موجود در باقی مانده گیاهی و یا جانوري که در مراحل مختلف تجزیه قرار دارند ماده آلی گفته می شود. ماده آلی سبب تعادل در زیست بوم خاك از راه افزایش تنوع زیستی و زیست توده میکروبی خاك شده و نیروي محرکه لازم براي به گردش در آوردن چرخه هاي حیاتی خاك را فراهم می آورد (Ismail-Meyer, Stolt et al. 2018). کشور ایران در منطقه خشک و نیمه خشک کره زمین واقع شده است. بررسی ها نشان می دهد در بیش از 60 درصد از اراضی زیر کشت میزان کربن آلی کمتر از یک درصد و دربخش قابل توجهی از آن کمتر از 5/0 درصد می باشد (شکل 1). این در حالی است که با توجه به نقش مواد آلی در بهبود خصوصیات فیزیکی و شیمیائی خاك مقدار بهینه کربن آلی در خاك حداقل بین 2 تا 3 درصد برآورد می گردد. بنابراین تا رسیدن به میزان بهینه ماده آلی در خاک ها راه طولانی در پیش داریم. با مصرف روز افزون کودهاي شیمیائی، توسعه کشت متراکم، استفاده از ارقام پر مصرف، عدم برگشت بقایاي گیاهی به خاك و سوزاندن آن ها، سالیانه از مقدار ماده آلی خاك به میزان قابل توجهی کاسته شده و در نتیجه باعث کاهش قدرت باروري و حاصلخیزي خاك گردیده است. کربن آلی خاك به عنوان عامل کلیدي در پایداري حاصلخیزي، باروري و خدمات رسانی زیست بوم خاك محسوب می شود(Lal 2013) و به عنوان یکی از موضوعات و چالش هاي مهم محیط زیستی در مقیاس جهانی در برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد نیز گنجانده شده است. در مفهوم جدید، ماده آلی خاك در کشاورزي پایدارِ مبتنی بر علم به عنوان مخزن پویاي زیستی تنظیم کننده انرژي، کربن، و عناصر غذایی است که با مفهوم حاصلخیزي تعریف شده براي کشاورزي آلی به عنوان ظرفیت خاك براي دریافت، ذخیره و انتقال انرژي هم گرائی دارد(مشیری و همکاران، 1400).
ماده آلی خاك بر تولید غذا، چرخه عناصر غذایی، ذخیره آب در خاك، بهبود شرایط فیزیکی و کنترل فرسایش خاك، حفاظت و تنظیم اقلیم، چرخه انرژي، تراکم و فعالیت موجودات خاکزي، تنوع زیستی، تغییر، تحول و پویایی خاك تأثیرگذار است. همچنین در آزادسازي، بازگشت و قابلیت فراهمی عناصر غذایی گیاه نقش دارد؛ بدین ترتیب که عناصر غذایی در ترکیب هاي آلی خاك، در فرآیند معدنی شدن به اشکال قابل دسترس براي گیاهان تبدیل می شوند(Banwart, Black et al. 2015).
شکل 1- در شکل میزان آهک خاک های غرب و جنوب ایران مقایسه شده است (عکس از یوسف احمدی)
کربن آلی خاك از راه تغییر و تبدیل مواد و جریان انرژي سبب بهبود کارکردهاي ضروري خاك در خدمات رسانی زیست بوم می شود(Bot and Benites 2005). کمبود ماده آلی در خاك افزون بر کاهش حاصلخیزي خاك و کاهش محصول مشکلات دیگري از قبیل کاهش کارایی کاربرد کودهاي شیمیایی و کاهش مقاومت گیاه در مقابل تنش هاي محیطی و عوامل بیماريزا را به همراه دارد(Sacco, Agius et al. 2024). همگام با توجه جهانی به موضوع کربن آلی خاك و با آگاهی از وضعیت آن در خاك هاي کشور، حفظ و افزایش تدریجی میزان کربن آلی خاك هاي ایران براي دستیابی به تولید پایدار و کاهش مخاطرات زیست محیطی بیش از پیش ضرورت دارد (مشیری و همکاران، 1400).
مفهوم ماده آلی و کربن آلی خاك
خاك از چهار بخش مواد معدنی، مواد آلی، آب و هوا تشکیل شده است(شکل 2). ماده آلی خاك ترکیبی پیچیده از مواد آلی نیمه تجزیه شده حاصل از باقیمانده گیاهان و زیست توده جانوري و میکروبی است. به طوري که، بقایاي گیاهی و جانوري 95 درصد مواد آلی خاك و جمعیت زنده میکروبی 5 درصد آن را تشکیل می دهد(شکل 3). در خاك هاي کشاورزي مقدار ماده آلی خاك بین 1 تا 5 درصد متغیر است(Kononova 2013).
شکل 2- درصد اجزای تشکیل دهنده خاک
شکل 3- نمایش شماتیک اجزاي مواد آلی و هوموس خاك(Nieder and Benbi 2008)
محرک های رشد آلی، ترکیباتی هستند که از روش های غیر از تامین عناصر غذایی و با کاهش آفات و عوامل بیماری زا موجب بهبود رشد گیاه می گردند. این مواد می توانند شامل اسیدهای هیومیک و فولویک، اسیدهای آمینه و مواد محرک استخراج شده از بافت های مختلف گیاهی و غیره باشند (سماوات و همکاران، 1392).
شکل 4- شماتیک لایه های مختلف خاک
هوموس: ماده سیاه رنگ، بی شکل، کلوئیدي، نسبتاًپایدار به تجزیه میکروبی و پیچیده اي است که محصول نهایی تجزیه میکروبی ماده آلی در خاك است (شکل 4). این ماده به تجزیه میکروبی نسبتاً مقاوم بوده و وزن مخصوص ظاهري کمی دارد. هوموس از دو بخش مواد هیومیکی و غیر هیومیکی تشکیل شده است. مواد هیومیکی و مواد غیر هیومیکی به ترتیب حدود 60 تا 80 درصد و 20 تا 30 درصد هوموس خاك را تشکیل می دهد. بخش غیر هیومیکی داراي ساختار مشخص فیزیکی و شیمیائی بوده و نسبت به تجزیه میکروبی حساس تر است. پلی ساکاریدها، سلولز، لیگنین، لیپیدها و پروتئین ها در این دسته قرار می گیرند. مواد هیومیکی بخش مقاوم هوموس از نظر شیمیایی بوده و ترکیب پیچیده و بی شکل (آمورف) دارند. مواد هیومیکی و غیر هیومیکی در خاك از هم مجزا نبوده و متاثر از یکدیگر هستند(Li, Li et al. 2024).
اسید هیومیک:
اسید هیومیک(شکل 5) از تجزیه جزیی ترکیبات آلی آروماتیک که از منشاء گیاهان خشکی زي است تشکیل شده و از مواد تیره رنگ بی شکل که محصول نهایی فعالیت باکتری ها و برخی آنزیم هاست بوجود می آید. این اسید در محیط هاي قلیایی محلول بوده و در محیط هاي خیلی اسیدي رسوب می نماید.
اسید فولویک : اسید فولویک(شکل 5) مولکول هاي طبیعی هستند که از فعالیت میکروب هاي مفید بر روي بقایاي گیاهی ایجاد می شود. این اسید هم در محیط هاي اسیدي و هم در محیط هاي بازي محلول می باشد و وزن مولکولی آن کمتر از اسیدهاي هیومیک است.
هیومیک اسید و فولویک اسید با ذرات خاک کمپلکسی تشکیل می دهد که فرایند جذب عناصر برای ریشه را آسان می کند (شکل 6).
اسیدهاي آمینه : اسیدهاي آمینه اسیدهاي کربوکسیلی هستند که حاوي گروه هاي عامل آمینی نیز می باشند. حدود 20 نوع اسیدآمینه به عنوان واحدهاي سازنده مولکولی بسیاري از گیاهان و حیوانات تاکنون شناخته شده است.
الف
ب
شکل5- مدل ساختاری فولویک اسید (الف) و هیومیک اسید (ب)
شکل 6- کمپلکس هیومیک اسید و اجزای خاک
اهمیت تنش شوری و خشکی در کشاورزی ایران
شوري آب و خاك به طور روزافزون تهدیدي جدي براي کشاورزي در مناطق خشک و نیمه خشک مانند ایران محسوب می شود. تنش شوري، به عنوان یکی از مهمترین عوامل کاهش تولیدات کشاورزي بیش از حدود 100 سال است که موضوع بسیاري از تحقیقات جهانی بوده است (شکل 7). وجود منابع عظیم آب و خاك شور تهدید عمده اي براي تولید پایدار کشاورزي، بخصوص در نواحی خشک و نیمه خشک جهان محسوب می شوند. گفته می شود که نابودي تمدن سومریان در بین النهرین در 1700 سال قبل از میلاد مسیح به دلیل وقوع پدیده شوري بوده است(Ranjbar and Pirasteh-Anosheh 2015). بر پایه گزارش فائو ( 2018 )، سطح کل خاك هاي متأثر از نمک در جهان حدود 1130 میلیون هکتار است که 60 درصد آن خاك هاي شور، 26 درصد خاك هاي سدیمی، و 14 درصد نیز خاك هاي شور-سدیمی هستند که سدیم سبب تخریب ساختمان خاک می گردد (شکل 8). منطقه خاور میانه نیز با دارا بودن 176 میلیون هکتار، بیشترین سطح خاك هاي متأثر از نمک در جهان را دارا می باشد. وسعت اراضی تحت کشت آبی جهان هر سال حدود یک تا دو درصد کاهش می یابد. از طرفی، جمعیت جهان به سرعت در حال افزایش است و تا سال 2050 به حدود 10 میلیارد نفر خواهد رسید، بر این اساس، تولیدات غذاي جهانی باید تا سال هاي 2025 و 2050 به ترتیب 38 و 57 درصد افزایش یابد. اگر شور شدن خاك ها به همین منوال ادامه یابد تا سال 2050، 50 درصد از زمین هاي قابل کشت جهان از بین می رود (سعادت و همکاران، 1402).
شکل7- نقشه شوری خاک های کشاورزی ایران
شکل8- سدیم در خاک سبب تخریب ساختمان خاک می گردد.
در ایران، شوري یک مسئله فراگیر و محدودکننده تولید پایدار کشاورزي است به طوري که قسمت هاي زیادي از مناطق خشک و نیمه خشک کشور (شکل 9)، به ویژه فلات مرکزي، دشت هاي ساحلی جنوب و دشت خوزستان، مبتلا به سطوح مختلف شوري می باشند(سعادت و همکاران، 1402).
شکل 9- تاثیر شوری بر ساختار خاک.، رونیز استان فارس (عکس از یوسف احمدی)
براي غلبه بر اثرات منفي شوري، افزودن مواد آلي مختلف به عنوان عوامل بهبود دهنده رشد مورد استفاده قرار مي گيرد(Walker and Bernal 2008). استفاده از تركيبات و كودهاي آلي طبيعي در خاك به منظور کاهش اثرات تنش شوري از اين جهت دارای ارزش و اولويت هستند كه اين مواد اثرات مخرب زيست محيطي نداشته و جزئي از طبيعت هستند(Albayrak and Çamaș 2005). كودهاي آلي عناصر غذايي مورد نياز (هم عناصر پرمصرف و هم كم مصرف)را به صورت متعادل تري در دسترس گياه قرار داده و در نتيجه، تأثير بسيار مثبت بر سلامت گياه و كيفيت محصول دارند. علاوه بر آن، اين كودها، به ويژه در شرايط شوري و تخريب ساختمان خاك (مانند خاك هاي سديمي)، با اثرگذاري مثبت بر خصوصيات فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي خاك، به طور مستقيم و غيرمستقيم (جدول 1) نيز باعث اصلاح و بهبود سلامت خاك (شکل 10)، و در نتيجه، رشد و عملكرد محصول مي شوند.
جدول1 – اثرات مثبت کودهای آلی بر خصوصیات خاك.
| خصوصیات فیزیکی | خصوصیات شیمیایی | خصوصیات بیولوژیکی |
| افزايش خاكدانه سازي ايجاد ساختمان مناسب خاك بهبود نفوذپذيري آب در خاك كمك به گرم شدن خاك بهبود تهويه خاك كاهش فرسايش خاك | افزايش ظرفيت تبادل كاتيوني خاك افزايش ظرفيت نگهداري و رهاسازي عناصر غذايي كاهش آبشويي عناصر غذايي تشكيل كلات عناصر غذايي | منبع تغذيه براي ريزجانداران و جانداران خاك افزايش تعداد و تنوع ريزجانداران خاك بهبود چرخه عناصر غذايي خاك افزايش فراواني و طول ريشه ها |
شکل10 – نقش های هیومیک اسید در ساختار خاک
خوشبختانه تنوع زيادي در انواع كودهاي آلي وجود داشته، و به صورت تجاري در بازار موجود هستند يا كشاورز مي تواند آن ها را خود تهيه كرده و يا در مزرعه و باغ بسازد. برخي از انواع كودهاي آلي عبارتند از:
| انواع كودهاي حيواني انواع كودهاي سبز كمپوست ورمي كمپوست كودهاي جلبكي | پسماندهاي آلي خانگي ضايعات كشاورزي و صنايع غذايي و چوب لجن فاضلاب هاي شهري و روستايي كودهاي هوموسي: اسيدهاي هيوميك و فولويك كودهاي زيستي يا بيولوژيكي: انواع باكتري و قارچ |
خلاصه
حد بحرانی کربن آلی در بیشتر تحقیقات انجام شده در ایران کمتر از یک درصد در نظر گرفته شده است. جلال فاموري در کتاب خاك هاي ایران نیز حد بحرانی کربن آلی خاك را یک درصد در نظر گرفته است. در برخی منابع خاك هایی با کربن آلی کمتر از 2 درصد را بی ثبات از جنبه فیزیکی و خاکدانه معرفی کرده اند. میزان کربن آلی در6/61 درصد از اراضی کشاورزي ایران کمتر از یک درصد بوده که حکایت از ناپایداري حاصلخیزي خاك ها دارد. مقدار کربن آلی خاك برآیند تعادل ورود و خروج کربن از سیستم خاك است که متاثر از دامنه وسیعی از عوامل اقلیمی، شرایط خاکی و مدیریت کشاورزي قرار دارند (شکل 11). همچمین روند شور شدن آب و خاک و کمبود آب با کیفیت آبیاری تهدیدهای دیگری برای کشاورزی کشور خواهند بود (مشیری و همکاران، 1400). بنابراین داشتن برنامه برای افزایش ماده آلی خاک در روند توسعه و حفظ کشاورزی پایدار نیاز اساسی می باشد.
شکل 11- عوامل تعیین کننده، محدود کننده و کاهنده مقدار ماده آلی خاک
منابع
سعادت، س.، رضایی، ح.، اسماعیل نژاد، ل. ، میرخانی، ر. و رضا باقري، ی. 1402. نقشه شوري خاك هاي کشاورزي ایران. نشریه فنی: 630. موسسه تحقیقات خاك و آب کشور.
سماوات، س.، طهرانی، م.م، بازرگان، ک.، بصیرت، م. و مشیری، ف. 1392. دستورالعمل نحوه بررسی مواد آلی. سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی.
مشیري، ف.، صفاري ح.، کشاورز، پ. و زاهدي فرد، ن. 1400. ماده آلی خاك و جایگاه آن در کشاورزي ایران بررسی وضع موجود، تحلیل مسائل و محدودیت ها، ارائه راهکارها، نشریه فنی: 608. موسسه تحقیقات خاك و آب.
Albayrak, S. and N. Çamaș (2005). “Effects of different levels and application times of humic acid on root and leaf yield and yield components of forage turnip (Brassica rapa L.).”
Banwart, S. A., et al. (2015). The global challenge for soil carbon. Soil carbon: Science, Management and Policy for multiple benefits, CABI Wallingford UK: 1-9.
Bot, A. and J. Benites (2005). The importance of soil organic matter: Key to drought-resistant soil and sustained food production, Food & Agriculture Org.
Ismail-Meyer, K., et al. (2018). Soil organic matter. Interpretation of micromorphological features of soils and regoliths, Elsevier: 471-512.
Kononova, M. a. M. (2013). Soil organic matter: its nature, its role in soil formation and in soil fertility, Elsevier.
Lal, R. (2013). “Soil carbon management and climate change.” Carbon Management 4(4): 439-462.
Li, X., et al. (2024). “Soil Organic Carbon and Humus Characteristics: Response and Evolution to Long-Term Direct/Carbonized Straw Return to Field.” Agronomy 14(10): 2400.
Nieder, R. and D. K. Benbi (2008). Carbon and nitrogen in the terrestrial environment, Springer Science & Business Media.
Ranjbar, G. and H. Pirasteh-Anosheh (2015). “A glance to the salinity research in Iran with emphasis on improvement of field crops production.”
Sacco, A., et al. (2024). “Variations in soil organic matter content in cultivated and uncultivated calcareous soils from the Mediterranean Island of Malta after 15 years of cultivation.”
Walker, D. J. and M. P. Bernal (2008). “The effects of olive mill waste compost and poultry manure on the availability and plant uptake of nutrients in a highly saline soil.” Bioresource technology 99(2): 396-403.
