بررسی نقش اسید هیومیک و اسید فولویک در بهبود خاک و رشد گیاهان
بررسی نقش اسید هیومیک و اسید فولویک در بهبود خاک و رشد گیاهان
نویسنده : صفورا فدایی وطن (دکترای گیاهپزشکی) بخش فنی شرکت گیاه گستر شهر تاریخ: آذر ۱۴۰۴
چکیده
اسیدهای هیومیک و فولویک از مهمترین اجزای مواد آلی خاک هستند که طی فرآیندهای طولانی از تجزیه بقایای زیستی تشکیل میشوند. این ترکیبات با بهبود ساختار خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب و افزایش جذب مواد غذایی، نقش کلیدی در افزایش عملکرد گیاهان ایفا میکنند. در این مقاله به تفاوتهای ساختاری، شیمیایی و کاربردی این دو اسید پرداخته شده و مزایا و محدودیتهای هر یک بررسی میشود.
مقدمه
مواد هیومیکی (Humic substances) ترکیبات آلی طبیعی هستند که از تجزیه بقایای گیاهی، جانوری و میکروبی در طول زمان تشکیل میشوند و نقش مهمی در حاصلخیزی خاک و رشد گیاه دارند. بازار استفاده از مواد هیومیک در حال گسترش بوده و به عنوان طلای سیاه کشاورزی شناخته میشود. این مواد به طور روزافزونی برای استفاده در کشاورزی محبوبیت پیدا کرده اند.
به فرآیند پوسیدن و تغییر شکل بقایای گیاهی، جانوری و میکروبی و تبدیل آنها به مواد هیومیکی، هوموسی شدن (Humification) می گویند. ساختار شیمیایی مواد هیومیکی ناهمگن و پیچیده است و هنوز کاملاً شناخته شده نیست و از نظر ظاهری به رنگ زرد تا سیاه هستند.
مواد هیومیکی به طور کلی شامل سه گروه اصلی میشوند: هیومین (Humin)، اسید هیومیک (Humic acid) و اسید فولویک (fulvic acid) (شکل ۱). هیومین (Hu) بخش نامحلول و سنگین مواد هیومیکی است که با اسید و قلیای رقیق استخراج نمیشود. هیومین کمتر در کشاورزی استفاده مستقیم دارد زیرا به عنوان اصلاح کننده خاک ارزش کمی دارد. هیومیک اسیدها (HA)، جزء محلول در قلیا و نامحلول در اسید هستند. فولویک اسیدها (FA) هم در قلیا و هم در اسید، محلول هستند. اسید هیومیک و اسید فولویک به دلیل اثرات مستقیم و مثبت بر اصلاح خاک و رشد گیاه، در دهههای اخیر بهصورت گسترده هم درکشاورزی سنتی و هم در کشاورزی مدرن و ارگانیک اهمیت یافته و استفاده میشوند.
این مقاله بر پایه مرور منابع علمی و پژوهشهای انجامشده در زمینه کاربرد اسیدهای هیومیک و فولویک در کشاورزی تهیه شده است.
شکل ۱- جزء بندی مواد آلی خاک و مواد هیومیک
منشا مواد هیومیکی
کلمه “هوموس” از زبان رومی سرچشمه گرفته است؛ که در آن زمان برای اشاره به کل خاک از کلمه هوموس استفاده میشد. بعدها این اصطلاح برای مواد آلی خاکها و کمپوستها به کار گرفته شد. کلمه هوموس، به معنی ماده آلی تجزیه شده، در سال ۱۷۶۱ مورد استفاده قرار گرفت.
منشأ طبیعی مواد هیومیکی عمدتاً از بقایای گیاهی، جانوری و میکروبی حاصل میشود. پس از مرگ، بقایای آلی گیاهان و حیوانات و همچنین زیستتوده میکروبی، توسط انواع فرآیندهای تجزیه و سنتز از نظر شیمیایی تغییر میکنند (فرآیند هوموسی شدن). این فرآیندها توسط میکروارگانیسمهای موجود در خاک و آب، در شرایط هوازی و بیهوازی انجام میشوند.
برای تهیه کود، هیومیک اسید و فولویک اسید در مقادیر زیاد از هومات ها استخراج میشوند که بطور طبیعی در انواع سنگهای آلی با مواد هیومیک بالا یافت می شوند. این مواد شامل لئوناردیت، زغال سنگ و انواع سنگ های کربن دار از قبیل گلسنگ، شیل و سنگ رسی میباشند. بهترین منبع مواد هیومیکی، لئوناردیت میباشد. لئوناردیت از اکسید شدن لیگنیت به دست می آید و غنی از هیومیک اسید و فولویک اسید میباشد. لیگنیت همان زغال سنگ نرم و جوان و قهوه ای رنگ است که از بقایا و فشرده شدن گیاهان به وجود می آید.
هومات ها به عنوان مواد خام بوده و عصاره آنها (هیومیک و فولویک اسید) به بازار عرضه شده و به عنوان کود و بهساز خاک به جوامع کشاورزی و باغبانی فروخته میشود. نکته قابل توجه این است که هیومیک و فولویک اسیدهای متعلق به منابع مختلف و حتی انواع متعلق به یک منبع یکسان، میتوانند از نظر ساختار بطور قابل توجهی با هم اختلاف داشته باشند (بطور مثال در درجه آروماتیکی/ آلیفاتیکی).
ترکیب و ساختار مواد هیومیکی
مواد هیومیکی مخلوطی ناهمگن از ترکیبات هستند که هیچ فرمول ساختاری واحدی برای آن وجود ندارد. تصور میشود که مواد هیومیکی ماکرومولکولهای آروماتیک پیچیدهای حاوی اسیدهای آمینه، قندهای آمینی، پپتیدها و ترکیبات آلیفاتیک هستند که در پیوندهای بین گروههای آروماتیک دخیل هستند.
عناصر اصلی موجود در ترکیب مواد هیومیکی که صرف نظر از منشأ آنها، همیشه وجود دارند، شامل کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن وگوگرد هستند. آنالیز طیف گستردهای از مواد هیومیکی نشان میدهدکه درصد ترکیب این عناصر متغیر و به صورت زیر میباشد: کربن: ۴۵ تا ۶۰ درصد، اکسیژن: ۲۵ تا ۴۵ درصد، هیدروژن: ۴ تا ۷ درصد، نیتروژن: ۲ تا ۵ درصد و عناصر معدنی (خاکستر): ۵/۰ تا ۵ درصد. مقدار کربن ماده هیومیکی از یک منبع معین معمولاً به ترتیب ذیل افزایش می یابد: FA<HA<Hu و محتوای اکسیژن روند معکوس را دنبال میکند.
علاوه بر ترکیب عنصری، ترکیب گروههای عاملی نیز در خواص شیمیایی و ساختاری مواد هیومیکی نقش دارد. مواد هیومیکی حاوی گروه های عاملی کربوکسیل (-COOH)، هیدروکسیل (-OH) و کربونیل (-C=O-) میباشند. فولویک اسید بیشتر حاوی گروههای عاملی با ماهیت اسیدی به ویژه کربوکسیل است. تفاوت مهم دیگر این است که اکسیژن موجود در فولویک اسید عمدتاً به شکل گروههای عاملی وجود دارد.
روابط فرضی در شکل ۲ نشان میدهد که مقدار کربن و اکسیژن، اسیدیته و درجه پلیمریزاسیون همگی به طور سیستماتیک با افزایش وزن مولکولی تغییر میکنند. فولویک اسید با وزن مولکولی کم، اکسیژن بیشتری دارد اما محتوای کربن کمتری نسبت به هیومیک اسید با وزن مولکولی بالا دارد.
شکل ۲- خواص شیمایی مواد هیومیکی
مقایسه هیومیک اسید و فولویک اسید
اجزای مختلف مواد هیومیک (هیومیک اسید، فولویک اسید و هیومین) به لحاظ بسیاری از خصوصیات شیمیایی نظیر ترکیب عنصری، تنوع گروه های عاملی و همچنین منبع تولید یکسان هستند، اما چیزی که باعث تفاوت بین بخش های مختلف مواد هیومیکی میشود اندازه ذرات در هر بخش، ساختمان مواد هیومیک (درجه آروماتیکی و آلیفاتیکی)، نسبت عناصر و کمیت گروههای عاملی است.
هیومین شامل ترکیباتی با وزن مولکولی بالا (بیش از ۵۰۰۰ دالتون) و فعالیت نسبتاً کم از نظر گروههای عاملی است. هیومین غالباً آمیخته با مواد معدنی نظیر رس ها میباشد که این باعث بلوکه کردن گروههای عاملی این مواد میشود. این عوامل باعث می شود که هیومین در اکثر ترکیبات، نامحلول باشد.
فولویک اسید ترکیبی با وزن مولکولی پایین (با وزن مولکولی کمتر از ۲۰۰۰ دالتون) و فعال از نظر کمیت گروه های عاملی میباشد. ساختار مدل فرضی فولویک اسید (مدل بافل) شامل ساختارهای آروماتیک و آلیفاتیک است که هر دو به طور گسترده با گروههای عاملی حاوی اکسیژن جایگزین شدهاند (شکل ۳). رنگ آن معمولاً زرد تا قهوهای روشن است.
شکل ۳- ساختار مدل فرضی فولویک اسید
هیومیک اسید خصوصیاتی بینابین این دو گروه را دارد. گروه های عاملی فعال آن نسبت به فولویک اسید کمتر و نسبت به هیومین بیشتر است و با وزن مولکولی بین ۲۰۰۰ تا ۵۰۰۰ دالتون، بین این دو قرار دارد. ساختار فرضی اسید هیومیک (شکل ۴)، شامل گروههای فنولی آزاد و متصل، ساختارهای کینون، نیتروژن و اکسیژن به عنوان واحدهای پل و گروههای کربوکسیل است که به طور متنوع روی حلقههای آروماتیک قرار گرفتهاند. رنگ آن معمولاً قهوهای تیره تا سیاه میباشد.
شکل ۴- ساختار مدل فرضی اسید هیومیک
مواد هیومیکی با وجود اینکه نسبت به تخریب بیولوژیکی بسیار مقاوم هستند ولی از نظر شیمیایی بسیار فعال میباشند. ساختار و خصوصیات دقیق یک نمونه ماده هیومیک بستگی به منبع آن و شرایط و روش استخراج دارد.
کاربرد ها و موارد مصرف مواد هیومیکی در کشاورزی
هیومیک اسید و فولویک اسید بهعنوان یکی از مهمترین مواد آلی خاک، دارای مزایای فراوانی هستند که در بلندمدت و کوتاهمدت، اثر خود را نشان میدهند. از مهمترین مزایا و اثرات مواد هیومیکی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- اصلاح بافت خاک: هیومیک اسید با هم آوری و چسباندن ذرات خاکدانه و در نتیجه ایجاد خاک دانه های درشت تر، سبب بهبود محیط رشد برای جانداران خاکزی و نفوذ بهتر آب، هوا و ریشه گیاهان در خاک میشود. لذا با ایجاد خاکدانههای پایدار، هم در خاکهای سبک و هم در خاکهای سنگین نقش اصلاحکننده دارد.
- بهبود تهویه خاک: در اثر اصلاح بافت خاک و ایجاد خاک دانه های درشت تر
- تحریک رشد ریشه: هیومیک اسید هورمون نیست ولی اثر شبه هورمونی دارد. وقتی ریشه های گیاهان در تماس با مواد هیومیکی قرار میگیرند، سریع تر رشد میکنند. به طور کلی اسید هیومیک باعث افزایش تعداد ریشه های موئین میشود.
- افزایش فعالیت میکروبی خاک: میکروارگانیسمهای مفید مانند باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن و قارچهای همزیست مایکوریزا، در حضور مواد آلی فعالتر میشوند. هیومیک اسید با فراهم کردن محیطی مناسب، باعث رشد بهتر این میکروارگانیسمها میشود و بهطور غیرمستقیم هم حاصلخیزی خاک و هم سلامت گیاه را افزایش میدهد.
- افزایش ظرفیت نگهداری آب: مواد هیومیکی در خاک مانند اسفنج عمل میکنند. یک مولکول اسیدهیومیک با اندازه متوسط میتواند تا ۸ برابر وزن خود، آب را در خود نگهدارد. مواد هیومیکی با حفظ آب بیشتر در خاک به کاهش اثراتخشکسالی کمک میکنند.
- افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) خاک: این ویژگی به خاک اجازه میدهد عناصر غذایی مانند کلسیم، پتاسیم، آمونیوم و منیزیم را بهتر جذب و ذخیره کند. در نتیجه، گیاهان به منابع غذایی پایدارتری دسترسی دارند و خطر شسته شدن عناصر کاهش مییابد.
- کاهش سمیت فلزات سنگین در خاک: در خاکهایی که آلودگی به فلزات سنگین وجود دارد، هیومیک اسید این یونها را در خود نگه میدارد و مانع ورود آنها به گیاه میشود. این موضوع بهویژه در کشاورزی شهری یا مناطقی که در نزدیکی صنایع قرار دارند اهمیت بالایی دارد.
- افزایش مقاومت گیاه در برابر تنشهای محیطی: گیاهانی که در معرض کمآبی، شوری یا دمای بالا هستند، در حضور هیومیک اسید مقاومت بیشتری نشان میدهند، زیرا ریشههای آنها قویتر میشود و توانایی بیشتری در جذب آب و عناصر پیدا میکنند.
- افزایش جذب عناصر غذایی: فولویک اسید یک کلاتکننده طبیعی بسیار قوی است. یعنی میتواند عناصر کممصرف مثل آهن، روی، مس و منگنز را به شکلی نگه دارد که هم پایدار باشند و هم بهراحتی توسط گیاه جذب شوند. فولویک اسید به عنوان فعال ترین ترکیب هیومیکی، از طریق کلات کنندگی عناصر غذایی و با قدرت یونی بالا، جذب عناصر معدنی را در گیاهان افزایش میدهد و از این طریق سبب افزایش کمیت و کیفیت محصول میگردد.
- نفوذپذیری بالای فولویک اسید در بافت گیاه: فولویک اسید به دلیل وزن مولکولی پایین، میتواند از دیواره سلولی عبور کند و وارد سلولهای گیاه شود. این ویژگی باعث میشود که وقتی بهصورت محلولپاشی استفاده میشود، خیلی سریع اثر خود را نشان دهد. برای همین فولویک اسید یکی از بهترین گزینهها برای محلولپاشی برگی است.
- کاهش اثرات منفی شوری خاک: فولویک اسید میتواند یونهای مضر مانند سدیم را به دام بیندازد و مانع تجمع آنها در گیاه شود. به همین دلیل در مناطقی که خاک شور است، استفاده از فولویک اسید کمک زیادی به رشد گیاهان میکند.
نتیجه گیری
هیومیک اسید به دلیل وزن مولکولی بالاتر و ساختار پیچیده تر نسبت به فولویک اسید و همچنین به دلیل اینکه فقط در محیطهای قلیایی حل میشود و در pH اسیدی رسوب میکند، بنابراین در خاک معمولاً پایدارتر باقی میماند و سریع از دسترس خارج نمیشود و تغییرات بلندمدت ایجاد میکند. لذا اگر هدف اصلاح خاک باشد، هیومیک اسید اولویت دارد.
فولویک اسید به دلیل وزن مولکولی پایینتر، بهراحتی وارد بافتهای گیاهی میشود و در محیط های قلیایی و اسیدی، محلول است. لذا اگر هدف تغذیه سریع گیاه باشد، فولویک اسید اولویت دارد.
هیومیک اسید بیشتر یک اصلاحکننده خاک است؛ یعنی باعث افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی خاک، بهبود ساختمان خاک، افزایش توان نگهداری آب و کاهش سمیت فلزات سنگین میشود. اما فولویک اسید بیشتر نقش تغذیهکننده دارد و مستقیماً به افزایش جذب عناصر غذایی، تحریک رشد ریشه و افزایش کارایی کودهای شیمیایی کمک میکند.
