چه نوع خاک هایی برای PVP مناسب نیستند؟

کاربرد مناسب PVP (پلی‌وینیل‌پیرولیدون) در خاک به شدت وابسته به خاک است خواص فیزیکی و شیمیایی (مانند ترکیب ذرات، pH، شوری و محتوای مواد آلی) و مسائل اساسی (مانند فشردگی، نگهداری آب و نیازهای پالایش آلودگی). انواع زیر از خاک عموماً برای استفاده از PVP مناسب نیستند یا نیاز به محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای در استفاده دارند، به دلیل "ناتوانی PVP در حل مشکلات اصلی"، "تمایل به اثرات منفی" یا "اقتصاد بسیار ضعیف":

1. خاک شور-قلیایی (pH > 8.5، EC > 4 ms/cm): PVP بی‌اثر است و ممکن است آسیب ناشی از نمک را تشدید کند

مشکل اصلی خاک شور-قلیایی یون‌های نمک بالا (مانند Na⁺ و Cl⁻ ) و مقدار بالای pH که منجر به پراکندگی کلوئیدهای خاک، نفوذپذیری ضعیف و دشواری در جذب آب توسط ریشه گیاهان می‌شود. PVP نه تنها در این نوع خاک‌ها بی‌اثر است، بلکه ممکن است به دلایل زیر اثرات منفی نیز داشته باشد:

• محیط با شوری بالا عملکرد جذب و نگهداری آب توسط PVP را از بین می‌برد.
  مقادیر زیاد کاتیون‌هایی مانند Na⁺ و Ca²⁺ در خاک شور-قلیایی با گروه‌های قطبی (گروه‌های آمید) روی زنجیره مولکولی PVP برای جایگاه‌های اتصال رقابت می‌کنند و توانایی PVP در جذب ذرات خاک را کاهش می‌دهند. فیلم محافظ پلیمری که می‌توانست تشکیل شود، نمی‌تواند به صورت پایدار به خاک بچسبد و اثر ضد تراکمی کاملاً بی‌نتیجه می‌ماند. هم‌زمان، شوری بالا ساختار سه‌بعدی هیدروژل PVP را از بین می‌برد و ظرفیت نگهداری آب آن را بیش از ۵۰٪ کاهش می‌دهد (یعنی نمی‌تواند رطوبت را به دام بیندازد و ممکن است تبخیر رطوبت را تسریع کند).
• مقدار pH بالا جذب فلزات سنگین توسط PVP را مهار می‌کند (در صورت نیاز به پالایش).
  اگر خاک شور-قليايی به فلزات سنگين نيز آلوده باشد، جذب Pb²⁺ و Cd²⁺ توسط PVP به «پيوند دهنده تشاكی» وابسته است و مقدار pH بالا (>8.5) پروتونه شدن گروه آميد PVP را ضعيف می‌کند، قابليت تشکيل ترکيبات را به شدت کاهش می‌دهد و حتی ممکن است منجر به دفع يون‌های فلزات سنگين جذب شده شود که اين امر خطر جذب محصولات کشاورزی را افزايش می‌دهد.
• به حل مسئله اصلی خاک شور-قليايی نمی‌پردازد و ممکن است خسارت ناشی از نمک را تشدید کند
  . اين ماده فاقد توانايی کاهش سطح نمک يا تنظيم pH است. روش‌های اصلی بهبود خاک‌های شور-قليايی شامل شويش و زهکشی نمک، استفاده از گچ/گچ ديسولفوره برای کاهش سطح قلياييت و افزايش مصرف کودهای آلي جهت بهبود ساختار کلوئيدی است. استفاده از PVP نه تنها از نظر هزينه مقرون به صرفه نيست، بلکه زنجيره‌های پليمري باقيمانده ممکن است با يون‌های سديم در خاک ترکيب شوند و ترکيبات نمک-پليمر ايجاد کنند که منافذ خاک را مسدود کرده و نفوذپذيری را بيشتر مختل می‌کنند.

۲. خاک رس سنگین (محتوای رس بیش از ۴۰٪): مستعد «بی‌اکسیژنی و فشردگی» است، و اثر آن بسیار بدتر از بهبوددهنده‌های سنتی است

مشکل اصلی خاک رس سنگین این است که ذرات ریز، منافذ کوچک، تراوایی هوا ضعیف و تجمع آب و فشردگی آسان دارد . بهبود آن نیازمند «تقویت پایداری ساختار کلوخه‌ای» (مانند افزایش مصرف کودهای آلی و زغال بیولوژیکی) است، نه اثر پراکنده‌کنندگی کوتاه‌مدت PVP. دلایل عدم مناسب بودن PVP برای خاک رس سنگین به شرح زیر است:

• استفاده بیش از حد از PVP به راحتی می‌تواند منافذ را مسدود کرده و فشردگی را تشدید کند
  منافذ باریک خاک رس سنگین فقیر اکسیژن. اگر از PVP استفاده شود (به‌ویژه در غلظت بیش از ۰٫۲٪)، زنجیره‌های پلیمری آن لایه‌ای ژله‌ای «فراتر از پیوند متقابل» بین ذرات خاک تشکیل داده و به‌طور کامل منافذ مویینه و منافذ تهویه را مسدود می‌کند. پس از آبیاری، آب نمی‌تواند نفوذ کند و ریشه‌ها قادر به تنفس نخواهند بود و در عوض منجر به «فشردگی بدون اکسیژن» می‌شود (ریشه محصول می‌پوسد و برگ‌ها زرد می‌شوند)، که مشکلی جدی‌تر از خاک رس سنگین تصفیه‌نشده است.
• PVP نمی‌تواند توده‌های پایدار تشکیل دهد و اثر ضد فشردگی آن کوتاه‌مدت است.
  دلیل اساسی فشردگی خاک رس سنگین، کمبود مواد آلی است که مانع تشکیل توده‌های پایدار در برابر آب توسط کلوئیدهای خاک می‌شود. هرچند PVP می‌تواند به طور موقت ذرات را پراکنده کند، اما "میکروتوده‌های" حاصل ساختارهای فیزیکی موقتی هستند (که با باران شدید یا آبیاری از هم می‌پاشند) و نمی‌توانند جایگزین "توده‌های پایدار بلندمدت" تشکیل‌شده توسط کودهای آلی شوند. پس از یک تا دو هفته استفاده، خاک دوباره فشرده می‌شود و بقایای PVP ممکن است سختی آن را افزایش دهند.
• بازدهی اقتصادی بسیار ضعیف است. بهبودبخش‌های سنتی کارآمدتر هستند.
  خاک رس سنگین برای اثرگذاری به مقدار زیادی بهبودبخش نیاز دارد. اگر از PVP استفاده شود (هزینه ۲۰-۳۰ یوان/کیلوگرم)، مقدار مصرفی به ازای هر مو باید ۳۰۰-۵۰۰ کیلوگرم باشد (غلظت ۰٫۲٪)، که هزینه‌ای بیش از ۶٬۰۰۰ یوان خواهد داشت؛ این رقم بسیار بالاتر از هزینه کودهای آلی (۵۰-۱۰۰ یوان/مو) یا زغال بیوچار (۲۰۰-۳۰۰ یوان/مو) است و علاوه بر آن اثر کمتری دارد، بنابراین استفاده از آن کاملاً غیرعملی است.

3. خاک ماسه‌ای (محتوای ماسه > 80%): PVP به راحتی از بین می‌رود، اثر آن کوتاه‌مدت است و هزینه بالایی دارد.

مشکل اصلی خاک ماسه‌ای این است که ظرفیت ضعیف نگهداری آب و کود، ذرات درشت و ظرفیت جذب ضعیف دارد , اما به راحتی فشرده نمی‌شود (منافذ بزرگ بین ذرات). اگرچه PVP می‌تواند برای مدت کوتاهی آب را در خاک ماسه‌ای حفظ کند، اما به طور کلی به دلیل «از دست دادن آسان، نیاز به کاربرد مکرر و بازده اقتصادی پایین» مناسب استفاده نیست:

• PVP دارای ظرفیت جذب ضعیف است و به راحتی همراه باران/آبیاری از بین می‌رود.
  ذرات خاک ماسه‌ای درشت هستند (سطح ویژه کم) و نیروی چسبندگی ضعیفی با مولکول‌های PVP دارند (عمدتاً متکی به پیوندهای هیدروژنی ضعیف). هنگام آبیاری یا بارش باران، PVP به راحتی با آب به لایه‌های عمقی‌تر خاک نفوذ می‌کند (فراتر از محدوده جذب ریشه محصولات)، که منجر به کاهش سریع غلظت PVP در سطح خاک می‌شود. اثر نگهداری آب تنها به مدت ۲ تا ۳ روز ادامه دارد و نیاز به استفاده مکرر هر ۳ تا ۵ روز یکبار دارد که این امر زحمت‌بر است.
• نیازهای ضد فشردگی پایین است و عملکرد PVP اضافی می‌باشد.
  خاک‌های ماسه‌ای دارای منافذ بزرگ بین ذرات هستند که انجام "فشردگی متراکم" را عملاً غیرممکن می‌سازد (تنها ممکن است ترک‌های جزئی ناشی از خشکی سطحی رخ دهد که نیازی به استفاده از PVP نیست). عملکرد اصلی PVP (ضد فشردگی) در خاک‌های ماسه‌ای کاملاً اضافی است و عملکرد محدود نگهداری آب آن را می‌توان با روش‌های ارزان‌قیمتی مانند مالچ کردن با کاه و افزودن اسید هومیک به دست آورد، بدون نیاز به استفاده از PVP.
• استفاده طولانی‌مدت ممکن است منجر به ژله‌ای شدن سطح خاک شود
  . استفاده مکرر از PVP در خاک‌های شنی ممکن است باعث تجمع PVPهایی شود که از دست نرفته‌اند و روی سطح لایه‌ای ژلاتینی نازک تشکیل دهند؛ هرچند این لایه می‌تواند آب را حفظ کند، اما ورود هوا به خاک را مختل می‌کند و باعث کمبود اکسیژن در ریشه‌های سطحی (مانند سیاه شدن ریشه‌های مویی سطحی گندم و ذرت) شده و در نتیجه بر رشد محصول تأثیر منفی بگذارد.

4. خاک با محتوای بسیار پایین مواد آلی (محتوای مواد آلی <0.5%): PVP نمی‌تواند عملکرد داشته باشد و ممکن است بر روی میکروارگانیسم‌ها تأثیر بگذارد

مشکل اصلی خاک‌های با محتوای بسیار پایین مواد آلی (مانند خاک‌های شنی فقیر و خاک‌های بدون پوشش که مدت‌ها تحت فرسایش بوده‌اند) این است که کمبود کلوئیدهای خاک، فعالیت میکروبی پایین و ساختاری شل (یا خاک‌های فشرده بدون بستری برای بهبود) دارند . PVP در این نوع خاک‌ها به دلایل زیر بی‌اثر است:

• بدون حضور مواد آلی، PVP نمی‌تواند میکروتوده‌ها را تشکیل دهد.
  PVP نیاز دارد به کلوئیدهای خاک (مانند هوموس) به عنوان نقاط «اتصال» تکیه کند تا بتواند «میکروتوده‌ها» را تشکیل دهد، اما خاک فقیر از ماده آلی تقریباً کلوئیدی ندارد — زنجیره‌های مولکولی PVP نمی‌توانند به‌صورت پایدار با ذرات خاک ترکیب شوند و یا با آب شسته می‌شوند یا به‌صورت نامنظم در خاک پراکنده می‌گردند و نمی‌توانند از فشردگی جلوگیری کنند یا آب را حفظ نمایند.
• میکروارگانیسم‌های باقیمانده را مهار می‌کند و فقر خاک را تشدید می‌کند.
  تعداد میکروارگانیسم‌ها در خاک فقیر از ماده آلی از قبل بسیار کم است (ظرفیت تجزیه ضعیف)، و زنجیره‌های ماکرومولکولی PVP ممکن است بر سطح میکروارگانیسم‌ها متصل شوند و فعالیت‌های متابولیک آن‌ها (مانند تجزیه مقادیر کمی ماده آلی و تثبیت نیتروژن) را مهار کنند، که این امر باروری خاک را بیشتر کاهش داده و چرخه معیوب «هرچه بیشتر استفاده شود، وضعیت بدتر می‌شود» را شکل می‌دهد.
• محور بهبود خاک، تأمین مجدد ماده آلی است. PVP نمی‌تواند به‌طور کامل جایگزین
  این نوع خاک. تنها راه بهبود این نوع خاک، «افزودن مقادیر زیادی ماده آلی» (مانند کمپوست، بازگرداندن کاه به مزرعه و کشت کود سبز) است. پس از آنکه محتوای ماده آلی به بیش از ۱ درصد برسد، می‌توان اقدامات بهبود بیشتری را در نظر گرفت. استفاده از PVP نه تنها از نظر هزینه مقرون به صرفه است، بلکه فرآیند اصلی بهبود را نیز به تأخیر می‌اندازد.

۵. خاک‌های شدیداً آلوده به فلزات سنگین (غلظت فلزات سنگین > ۲۰۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم): ظرفیت جذب PVP ناکافی است و ممکن است به راحتی منجر به مشکلات ثانویه شود

PVP تنها می‌تواند در اصلاح خاک‌های خفیفاً آلوده به فلزات سنگین (غلظت < ۱۰۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم) کمک کند و کاملاً برای خاک‌های شدیداً آلوده (مانند خاک‌های اطراف مناطق معدنی با غلظت Pb/Cd > ۲۰۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم) نامناسب است، به دلایل زیر:

• ظرفیت جذب محدود است و نمی‌تواند فعالیت فلزات سنگین را کاهش دهد.
  جذب فلزات سنگین توسط PVP به حلقه پیرولیدون روی زنجیره مولکولی بستگی دارد. ظرفیت جذب یک گرم واحد PVP تنها 0.5 تا 2 میلی‌گرم است (بسته به نوع میوه و سبزی). خاک‌های شدیداً آلوده برای جذب برخی فلزات سنگین به غلظت‌های بسیار بالایی از PVP (>1%) نیاز دارند - اما غلظت‌های بالای PVP می‌توانند منافذ خاک را مسدود کرده و باعث کم‌اکسی شدن شوند که آسیب به محصولات را تشدید می‌کند.
• حذف کامل فلزات سنگین غیرممکن است و تنها می‌توان آنها را "به صورت موقت ثابت کرد".
  جذب فلزات سنگین توسط PVP "معکوس‌پذیر" است (در محیط اسیدی یا در حضور غلظت‌های بالای کاتیون‌های دیگر، دوباره آزاد می‌شود). اگر pH خاک در مناطق شدیداً آلوده بعداً کاهش یابد (مانند باران اسیدی)، فلزات سنگین جذب‌شده دوباره آزاد شده و باعث آلودگی ثانویه می‌شوند. این مشکل نمی‌تواند به طور بنیادی حل شود (نیاز به فناوری‌های تخصصی مانند "شویینگ" و "بیوراستیoration گیاهی" دارد).

خلاصه: ویژگی‌های اصلی خاک‌هایی که برای استفاده از PVP مناسب نیستند

کلید تعیین اینکه آیا خاکی برای PVP مناسب است، این است که آیا PVP می‌تواند مشکلات اصلی خاک را بدون ایجاد عوارض جانبی منفی حل کند . خاک‌های زیر دارای ویژگی‌های اصلی «نامناسب بودن» هستند:

• مشکلات اساسی توسط PVP قابل حل نیستند (مانند «کاهش نمک و تنظیم pH» در خاک شور-قلمی، «تثبیت توده‌ها» در خاک رس سنگین و «اضافه کردن کود» به خاک فقیر از مواد آلی);
• به دلیل ویژگی‌های PVP به راحتی مشکلات جدیدی پیش می‌آید (مانند «بی‌اکسیژنی» در خاک‌های سنگین رسی، «از دست دادن و هدررفت» در خاک‌های شنی و «تخریب ثانویه» در خاک‌های شدیداً آلوده);
• بازدهی اقتصادی بسیار پایین است (برای مثال، خاک‌های رس سنگین و شنی به مقدار زیادی PVP نیاز دارند که هزینه آن بسیار بالاتر از اصلاح‌کننده‌های سنتی است).

منطق اصلی بهبود خاک، «اتخاذ اقدامات هدفمند برای حل مشکلات بنیادین» است (مانند شورزدایی از خاک شور-قلفی و افزودن کود آلی به خاک سنگین رسی). پلی‌وینیل پیرولیدون (PVP) تنها «یک روش کمکی در شرایط خاص» است و نمی‌تواند جایگزین اقدامات سنتی بهبود خاک شود، چه رسد به اینکه در انواع خاک‌های نامناسب مذکور مورد استفاده قرار گیرد.