کاربرد پلاسمای سرد در کشاورزی و بهبود خاک
مقدمه
کاربرد پلاسمای سرد در کشاورزی و بهبود خاک؛ اعمال پلاسمای سرد به خاک در دهههای اخیر باعث افزایش توجه به فناوریهای نوین برای بهبود بهرهوری منابع خاک و کاهش وابستگی به نهادههای شیمیایی شده است. در این میان، استفاده از فناوری پلاسمای سرد (Cold Plasma) به عنوان روشی غیرشیمیایی، موثر و دوستدار محیط زیست مورد توجه پژوهشگران و متخصصان کشاورزی قرار گرفته است.
مطالعهای که توسط Kim et al. (2020) انجام شد، نشان داد تیمار خاک با پلاسما باعث افزایش دسترسی فسفر محلول به میزان ۴۰ درصد در خاکهای اسیدی شد. همچنین پژوهشگران دانشگاه Tokyo گزارش کردند که استفاده از پلاسما در خاکهای آلوده به فلزات سنگین، میزان جذب کادمیوم را تا ۶۵ درصد کاهش داد.
پلاسما چیست؟
پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود و شامل یونها، الکترونها و رادیکالهای آزاد است که می توانند اثرات مثبتی بر ساختار خاک و رشد گیاهان داشته باشند.
تقسیمبندی پلاسما از لحاظ حرارتی
پلاسمای سرد (Non-thermal Plasma): دمای الکترونها بالا (چند هزار کلوین) است، اما دمای یونها و گاز زمینه پایین و نزدیک به دمای محیط باقی میماند. این حالت با استفاده از ولتاژ پایین یا فرکانس بالا مانند امواج RF یا مایکروویو تولید می شود و در حوزههای کشاورزی (اصلاح بذر و خاک)، پزشکی (استریلیزاسیون) و صنایع غذایی (بستهبندی) کاربرد دارد.
پلاسما گرم (Thermal Plasma): دمای الکترونها بسیار بالا (میلیونها کلوین) است و دمای یونها و گاز زمینه تقریباً با دمای الکترونها برابراست. پلاسما گرم اغلب در شرایط خاص مانند همجوشی هستهای تولید میشود و در پروژههای علمی مانند راکتورهای گداخت هستهای، فیزیک پلاسما و صنایع متالورژی کاربرد دارد.
تحقیقات نشان داده است که پلاسمای سرد به دلیل دمای پایینتر نسبت به پلاسمای گرم، برای کاربردهای زیستی در صنعت کشاورزی مناسبتر است. استفاده از پلاسمای سرد میتواند منجر به بهبود حاصلخیزی خاک، افزایش جوانهزنی بذرها و تقویت سیستم ریشهای گیاهان شود. این فناوری میتواند با استفاده از تخلیه الکتریکی در فشار اتمسفری یا پایین تولید شود.
تاثیرات پلاسمای سرد بر خصوصیات خاک
کنترل میکروارگانیسمهای مضر
پلاسمای سرد با تولید گونههای فعال اکسیژن و نیتروژن (ROS, RNS) باکتریها، قارچها و نماتدهای بیماریزا را از بین میبرد و به عنوان یک جایگزین غیرشیمیایی برای ضدعفونی خاک عمل میکند.
تغییر خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک
پلاسمای سرد میتواند با تولید گونههای فعال اکسیژن و نیتروژن (مانند ازن، پراکسید هیدروژن و اکسیدهای نیتروژن) ترکیبات آلی و معدنی خاک را تغییر دهد و تخلخل آن را افزایش دهد. این ترکیبات باعث تجزیه مواد آلی پیچیده و افزایش دسترسی گیاهان به عناصر غذایی مانند نیتروژن، فسفر و پتاسیم میشوند. همچنین پلاسما میتواند pH خاک را تعدیل کند.
بهبود فعالیت میکروبی خاک
مطالعات نشان دادهاند که پلاسمای سرد میتواند با تحریک جمعیتهای مفید میکروبی، تنوع زیستی خاک را افزایش دهد. این امر منجر به تسریع تجزیه مواد آلی و بهبود چرخههای بیوژئوشیمیایی میشود. در دوزهای مناسب، پلاسما میتواند رشد باکتریهای مفید مانند Rhizobium و Azospirillum را تحریک کند.
کاهش آلایندههای خاک
پلاسمای سرد قادر است برخی آلایندههای آلی و فلزات سنگین را تجزیه کند. این ویژگی به ویژه در خاکهای آلوده به سموم کشاورزی یا پسابهای صنعتی مفید است.
احیای خاکهای تخریبشده
در مناطقی که خاکها به دلیل کشت مداوم یا آلودگیهای شیمیایی تخریب شدهاند، پلاسمای سرد میتواند به بازیابی حاصلخیزی کمک کند.
اصلاح سطح ذرات خاک
سطح ذرات خاک با بمباران یونی یا پرتوهای UV در معرض اکسایش قرار گرفته و بار سطحی آنها تغییر میکند.
کاهش مصرف کودهای شیمیایی
با بهبود کارایی جذب عناصر غذایی، پلاسمای سرد میتواند نیاز به کودهای مصنوعی را کاهش دهد و کشاورزی پایدارتر را ممکن سازد.
تجزیه آلایندهها و آفتکشها
گونههای فعال پلاسما مانند رادیکالهای OH و O₃ میتوانند ترکیبات آلی سمی را در خاک تجزیه کنند. این روش برای پاکسازی خاک از آلایندههای صنعتی و کشاورزی مفید است.
افزایش دسترسی به عناصر غذایی
پلاسمای سرد باعث شکستن پیوندهای پایدار ترکیبات شیمیایی در خاک (مانند فسفاتهای نامحلول) شده و آنها را قابل جذبتر میکند.
افزایش معدنیسازی مواد آلی
پلاسمای سرد میتواند فرآیند تبدیل مواد آلی به مواد معدنی قابل جذب را تسریع کند.
آزادسازی گازها
پلاسمای سرد ممکن است باعث آزاد شدن گازهایی مانند CO₂، NO و NH₃ از خاک شود که بسته به شرایط میتواند تأثیر مثبت یا منفی بر کیفیت خاک و محیط زیست داشته باشد.
کاربردهای عملی پلاسمای سرد در کشاورزی
استفاده از پلاسمای سرد در گلخانهها برای ضدعفونی همزمان بذر، خاک و فضای رشد
بهرهگیری از پلاسما در خطوط پردازش کودهای آلی و کمپوست برای تسریع فرآیند تخمیر
استفاده از پلاسماجتهای سیار برای تیمار ناحیهای خاکهای بیمار
نتیجهگیری
فناوری پلاسمای سرد با توجه به کارایی بالا، مصرف انرژی نسبتاً پایین و اثرات چندجانبه بر سلامت خاک، یکی از نویدبخشترین راهکارهای فناوری محور برای افزایش بهرهوری گیاهان و ارتقاء پایداری کشاورزی است.
با توجه به نیاز روزافزون به کاهش مصرف مواد شیمیایی و مدیریت بهینه منابع خاک، سرمایهگذاری در تحقیقات و توسعه تجهیزات پلاسما در سطح کاربردی، گامی مهم در مسیر تحقق کشاورزی هوشمند و پایدار محسوب میشود.
با این حال، استفاده از پلاسمای سرد در کشاورزی هنوز با چالشهایی مانند هزینه بالای دستگاههای تولید پلاسما، نیاز به تحقیقات بیشتر در مورد اثرات بلندمدت و استانداردسازی روشهای کاربردی مواجه است.