مواد شیمیایی پرمصرف در کشاورزی؛ از کودهای شیمیایی تا سموم دفع آفات

کشاورزی مدرن بدون بهره گیری از مواد شیمیایی پرمصرف امکان تامین غذای جمعیت رو به افزایش جهان را ندارد. کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات دو رکن اساسی در افزایش بهره وری و تضمین سلامت محصولات کشاورزی به شمار می روند. این مواد با تأمین عناصر غذایی ضروری برای گیاهان و محافظت از آنها در برابر آفات و بیماری ها نقش حیاتی در تولید محصولات کشاورزی ایفا می کنند. در این مقاله به بررسی جامع این مواد شیمیایی پرمصرف در کشاورزی می پردازیم و عملکرد اجزا کاربردها استانداردها فناوری های نوین چالش ها و راهکارهای بهینه سازی مصرف آن ها را بر اساس اصول علمی و مهندسی مورد واکاوی قرار می دهیم.

تعریف و عملکرد فنی کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات

کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات دو دسته اصلی از مواد شیمیایی پرمصرف در کشاورزی هستند که هرکدام اهداف و عملکردهای متفاوتی دارند.

کودهای شیمیایی به مواد معدنی و آلی اطلاق می شوند که به خاک یا گیاه اضافه می شوند تا عناصر غذایی ضروری برای رشد و نمو گیاهان را تامین کنند. گیاهان برای تکمیل چرخه زندگی خود به ۱۶ عنصر غذایی ضروری نیاز دارند که به دو دسته عناصر ماکرو (پر مصرف) شامل نیتروژن (N) فسفر (P) پتاسیم (K) کلسیم (Ca) منیزیم (Mg) و گوگرد (S) و عناصر میکرو (کم مصرف) شامل آهن (Fe) منگنز (Mn) روی (Zn) مس (Cu) بور (B) مولیبدن (Mo) کلر (Cl) و نیکل (Ni) تقسیم می شوند. کودهای شیمیایی با فرمولاسیون های مختلف این عناصر را به شکل قابل جذب برای گیاهان فراهم می کنند و منجر به افزایش عملکرد کمی و کیفی محصولات کشاورزی می شوند.

سموم دفع آفات به مواد شیمیایی اطلاق می شوند که برای کنترل و از بین بردن آفات بیماری ها و علف های هرز که به محصولات کشاورزی آسیب می رسانند استفاده می شوند. آفات می توانند شامل حشرات کنه ها نماتدها قارچ ها باکتری ها ویروس ها جوندگان و علف های هرز باشند. سموم دفع آفات بر اساس نوع آفتی که هدف قرار می دهند به دسته های مختلفی مانند حشره کش ها قارچ کش ها علف کش ها کنه کش ها و نماتدکش ها تقسیم می شوند. این مواد با مکانیسم های عمل مختلف از جمله اختلال در سیستم عصبی مهار آنزیم های حیاتی تخریب ساختار سلولی و یا اختلال در فرآیندهای متابولیکی آفات را از بین می برند یا جمعیت آن ها را کنترل می کنند.

اجزای اصلی و اصول کارکرد کودهای شیمیایی

کودهای شیمیایی بر اساس نوع عنصر غذایی اصلی و فرمولاسیون انواع مختلفی دارند. مهم ترین اجزای اصلی کودهای شیمیایی عبارتند از :

• کودهای نیتروژنه : منبع اصلی نیتروژن برای گیاهان هستند و معمولاً از آمونیاک (NH۳) به دست می آیند که از طریق فرایند هابر-بوش تولید می شود. این فرایند نیتروژن جو را با هیدروژن (معمولاً از گاز طبیعی) در دما و فشار بالا و با استفاده از کاتالیزور آهن ترکیب می کند. کودهای نیتروژنه شامل اوره (CO(NH۲)۲) نیترات آمونیوم (NH۴NO۳) سولفات آمونیوم ((NH۴)۲SO۴) و نیترات کلسیم (Ca(NO۳)۲) هستند. نیتروژن برای سنتز پروتئین ها اسیدهای نوکلئیک و کلروفیل در گیاهان ضروری است. کمبود نیتروژن منجر به کاهش رشد رویشی و زرد شدن برگ ها می شود.
• کودهای فسفاته : منبع اصلی فسفر برای گیاهان هستند و معمولاً از سنگ فسفات به دست می آیند. سنگ فسفات با اسید سولفوریک یا اسید فسفریک واکنش داده و به کودهای فسفاته قابل حل در آب مانند سوپرفسفات ساده (SSP) سوپرفسفات تریپل (TSP) و دی آمونیوم فسفات (DAP) تبدیل می شود. فسفر در فرآیندهای انتقال انرژی فتوسنتز تنفس و تشکیل DNA و RNA نقش دارد. کمبود فسفر باعث کاهش رشد ریشه تاخیر در رسیدگی و کاهش گلدهی و میوه دهی می شود.
• کودهای پتاسه : منبع اصلی پتاسیم برای گیاهان هستند و معمولاً از کانسارهای پتاس مانند سیلویت (KCl) و کارنالیت (KCl.MgCl۲.۶H۲O) استخراج می شوند. کودهای پتاسه شامل کلرید پتاسیم (KCl) سولفات پتاسیم (K۲SO۴) و نیترات پتاسیم (KNO۳) هستند. پتاسیم در تنظیم فشار اسمزی باز و بسته شدن روزنه ها انتقال مواد قندی فعال سازی آنزیم ها و افزایش مقاومت گیاهان به تنش های محیطی نقش دارد. کمبود پتاسیم باعث زرد و قهوه ای شدن حاشیه برگ ها ضعف ساقه ها و کاهش مقاومت به بیماری ها می شود.
• کودهای میکرو : حاوی عناصر غذایی کم مصرف مانند آهن روی منگنز مس بور مولیبدن کلر و نیکل هستند. این عناصر به مقدار کم مورد نیاز گیاهان هستند اما نقش حیاتی در فرآیندهای متابولیکی آنزیمی و هورمونی دارند. کمبود عناصر میکرو می تواند منجر به اختلالات فیزیولوژیکی کاهش عملکرد و کیفیت محصولات شود. کودهای میکرو به صورت کودهای تک عنصری یا مخلوط و به شکل های مختلف از جمله کلات ها سولفات ها و اکسیدها فرموله می شوند.

اصول کارکرد کودهای شیمیایی بر پایه فراهم کردن عناصر غذایی ضروری به شکل قابل جذب برای گیاهان است. گیاهان عناصر غذایی را از طریق ریشه ها از محلول خاک جذب می کنند. کودهای شیمیایی با حل شدن در آب خاک یون های عناصر غذایی را آزاد می کنند که توسط ریشه های گیاه جذب می شوند. راندمان جذب کود به عوامل مختلفی از جمله نوع کود روش مصرف شرایط خاک نوع گیاه و شرایط آب و هوایی بستگی دارد. برای افزایش راندمان جذب کود و کاهش تلفات آن از روش های مختلفی مانند مصرف کود بر اساس آزمون خاک مصرف کودهای آهسته رهش مصرف کودهای موضعی و مصرف کودهای آبیاری استفاده می شود.

اجزای اصلی و اصول کارکرد سموم دفع آفات

سموم دفع آفات بر اساس نوع آفت هدف فرمولاسیون شیمیایی و مکانیسم عمل دسته بندی های متنوعی دارند. اجزای اصلی سموم دفع آفات شامل :

• ماده موثره : جزء اصلی سم است که خاصیت سمی و کشندگی برای آفت مورد نظر را دارد. مواد موثره سموم دفع آفات از نظر شیمیایی بسیار متنوع هستند و می توانند شامل ترکیبات ارگانوفسفره کاربامات ها پیرتروئیدها نئونیکوتینوئیدها تریازول ها استروبیلورین ها گلیفوسیت و ۲,۴-D باشند. هر ماده موثره دارای مکانیسم عمل خاصی است که بر فرایندهای حیاتی آفت تاثیر می گذارد.
• مواد همراه (فرمولانت ها) : موادی هستند که به ماده موثره اضافه می شوند تا خواص فیزیکی و شیمیایی سم را بهبود بخشند کاربرد آن را تسهیل کنند و اثربخشی آن را افزایش دهند. مواد همراه می توانند شامل حلال ها امولسیون کننده ها پخش کننده ها چسباننده ها ضدکف کننده ها ضد یخ زن ها و مواد رنگ دهنده باشند. نوع و مقدار مواد همراه در فرمولاسیون سم بر کیفیت ایمنی و کارایی آن تاثیرگذار است.

اصول کارکرد سموم دفع آفات بر پایه اختلال در فرایندهای حیاتی آفت و از بین بردن آن است. مکانیسم های عمل سموم دفع آفات بسیار متنوع هستند و بر اساس نوع ماده موثره و آفت هدف متفاوت می باشند. برخی از مکانیسم های عمل رایج سموم دفع آفات عبارتند از :

• اختلال در سیستم عصبی : بسیاری از حشره کش ها مانند ارگانوفسفره ها کاربامات ها و پیرتروئیدها با مهار آنزیم استیل کولین استراز یا تاثیر بر کانال های سدیم در سیستم عصبی حشرات باعث اختلال در انتقال پیام های عصبی فلج شدن و مرگ حشرات می شوند.
• مهار آنزیم های حیاتی : برخی از قارچ کش ها مانند استروبیلورین ها با مهار آنزیم سیتوکروم اکسیداز در زنجیره تنفسی قارچ ها مانع از تولید انرژی و مرگ قارچ ها می شوند. علف کش گلیفوسیت نیز با مهار آنزیم EPSPS در مسیر سنتز اسیدهای آمینه ضروری گیاهان باعث توقف رشد و مرگ علف های هرز می شود.
• تخریب ساختار سلولی : برخی از سموم مانند علف کش های دیفنیل اتر با ایجاد رادیکال های آزاد و تخریب غشای سلولی گیاهان باعث خشک شدن و مرگ علف های هرز می شوند.
• اختلال در فرآیندهای هورمونی : برخی از حشره کش ها مانند تقلید کننده های هورمون جوانی (JHAs) با تقلید از هورمون جوانی حشرات مانع از بلوغ و دگردیسی حشرات می شوند.

انتخاب و مصرف صحیح سموم دفع آفات بر اساس نوع آفت مرحله رشدی گیاه شرایط محیطی و رعایت اصول مدیریت تلفیقی آفات (IPM) از اهمیت بالایی برخوردار است. مصرف بی رویه و غیرمنطقی سموم می تواند منجر به بروز مقاومت آفات به سموم آلودگی محیط زیست باقیمانده سموم در محصولات کشاورزی و خطرات برای سلامت انسان و موجودات غیر هدف شود.

کاربردهای صنعتی کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات در کشاورزی مدرن

کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات به طور گسترده در کشاورزی مدرن و صنعتی برای افزایش تولید و تضمین کیفیت محصولات کشاورزی به کار می روند.

کاربردهای صنعتی کودهای شیمیایی :

• افزایش عملکرد محصول : کودهای شیمیایی با تامین عناصر غذایی ضروری باعث افزایش رشد رویشی و زایشی گیاهان افزایش تعداد و اندازه میوه ها و دانه ها و در نتیجه افزایش عملکرد محصول در واحد سطح می شوند.
• بهبود کیفیت محصول : کودهای شیمیایی با تامین عناصر غذایی متعادل باعث بهبود کیفیت تغذیه ای محصولات کشاورزی افزایش پروتئین ویتامین ها مواد معدنی و بهبود طعم رنگ و ماندگاری محصولات می شوند.
• توسعه کشاورزی در اراضی نامناسب : کودهای شیمیایی امکان کشت محصولات کشاورزی را در اراضی فقیر از نظر عناصر غذایی یا اراضی با حاصلخیزی پایین فراهم می کنند.
• تامین غذای جمعیت رو به رشد : کودهای شیمیایی نقش اساسی در افزایش تولید محصولات کشاورزی و تامین غذای جمعیت رو به رشد جهان دارند.

مثال هایی از کاربرد صنعتی کودهای شیمیایی :

• کشت غلات (گندم برنج ذرت) : استفاده از کودهای نیتروژنه فسفاته و پتاسه به منظور افزایش عملکرد و کیفیت دانه.
• کشت محصولات باغی (درختان میوه انگور مرکبات) : استفاده از کودهای کامل و کودهای میکرو به منظور افزایش باردهی بهبود کیفیت میوه و افزایش مقاومت به بیماری ها.
• کشت محصولات گلخانه ای (گوجه فرنگی خیار فلفل) : استفاده از کودهای محلول در آب و سیستم های کود آبیاری (Fertigation) به منظور تامین دقیق نیازهای غذایی گیاهان و افزایش عملکرد و کیفیت محصول.
• کشت گیاهان صنعتی (پنبه نیشکر چغندرقند) : استفاده از کودهای نیتروژنه فسفاته و پتاسه به منظور افزایش عملکرد و کیفیت الیاف شکر و سایر محصولات صنعتی.

کاربردهای صنعتی سموم دفع آفات :

• کنترل آفات و بیماری ها : سموم دفع آفات با کنترل و از بین بردن آفات بیماری ها و علف های هرز از خسارت به محصولات کشاورزی جلوگیری می کنند و مانع از کاهش عملکرد و کیفیت محصول می شوند.
• حفظ کیفیت محصول در انبار : سموم دفع آفات می توانند برای ضدعفونی انبارها و جلوگیری از خسارت آفات انباری به محصولات کشاورزی پس از برداشت استفاده شوند.
• کاهش هزینه های تولید : با کنترل موثر آفات و بیماری ها سموم دفع آفات می توانند به کاهش هزینه های تولید ناشی از خسارت آفات کاهش نیاز به عملیات زراعی و کاهش ضایعات محصول کمک کنند.
• افزایش بهره وری کشاورزی : سموم دفع آفات با افزایش عملکرد و کیفیت محصولات کشاورزی به افزایش بهره وری کشاورزی و سودآوری مزارع کمک می کنند.

مثال هایی از کاربرد صنعتی سموم دفع آفات :

• کنترل آفات غلات (سن گندم کرم ساقه خوار برنج) : استفاده از حشره کش های سیستمیک و تماسی به منظور جلوگیری از خسارت آفات و افزایش عملکرد دانه.
• کنترل بیماری های قارچی باغات (سفیدک پودری لکه سیاه سیب) : استفاده از قارچ کش های حفاظتی و سیستمیک به منظور جلوگیری از خسارت بیماری ها و حفظ کیفیت میوه.
• کنترل علف های هرز مزارع (علف های پهن برگ علف های باریک برگ) : استفاده از علف کش های انتخابی و غیرانتخابی به منظور کاهش رقابت علف های هرز با محصول و افزایش عملکرد.
• ضدعفونی انبار غلات و حبوبات : استفاده از حشره کش های تدخینی و تماسی به منظور جلوگیری از خسارت آفات انباری و حفظ کیفیت محصول در انبار.

استانداردهای کودهای شیمیایی

استانداردهای بین المللی کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات :

• سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد (FAO) و سازمان بهداشت جهانی (WHO) نقش مهمی در تدوین استانداردهای بین المللی برای کیفیت ایمنی و مصرف کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات دارند. این سازمان ها دستورالعمل ها و راهنماهایی را برای ثبت تولید فرمولاسیون بسته بندی برچسب گذاری انبارداری حمل و نقل مصرف و دفع صحیح این مواد منتشر می کنند.
• کد رفتار بین المللی توزیع و مصرف آفت کش ها (FAO/WHO Code of Conduct on Pesticide Management) یک چارچوب بین المللی برای مدیریت مسئولانه آفت کش ها است که هدف آن به حداقل رساندن خطرات ناشی از آفت کش ها برای سلامت انسان و محیط زیست است.
• استانداردهای ISO در زمینه های مختلف مرتبط با کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات از جمله نمونه برداری روش های آزمون مشخصات فنی و سیستم های مدیریت کیفیت وجود دارد.
• مقررات اتحادیه اروپا (EU) و سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا (US EPA) از جمله سخت گیرانه ترین مقررات در زمینه ثبت ارزیابی و مصرف کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات را دارند. این مقررات بر اساس اصول ارزیابی ریسک حفاظت از سلامت انسان و محیط زیست و توسعه پایدار تدوین شده اند.

چالش ها و محدودیت های فنی

چالش ها و محدودیت های فنی کودهای شیمیایی :

• راندمان پایین جذب کود : بخش قابل توجهی از کودهای شیمیایی مصرفی توسط گیاهان جذب نمی شوند و از طریق آبشویی تصعید و تثبیت از دسترس گیاهان خارج می شوند. این امر منجر به هدر رفت منابع آلودگی آب های زیرزمینی و سطحی و انتشار گازهای گلخانه ای می شود.
• تخریب ساختمان خاک : مصرف بی رویه و طولانی مدت کودهای شیمیایی می تواند منجر به تخریب ساختمان خاک کاهش ماده آلی خاک افزایش اسیدیته خاک و کاهش تنوع زیستی خاک شود.
• عدم تعادل عناصر غذایی : مصرف نامتعادل کودهای شیمیایی می تواند منجر به عدم تعادل عناصر غذایی در خاک و گیاه کاهش کیفیت محصول و افزایش حساسیت گیاهان به آفات و بیماری ها شود.
• هزینه بالا : قیمت کودهای شیمیایی به ویژه کودهای وارداتی می تواند برای کشاورزان به ویژه کشاورزان خرده پا هزینه بالایی داشته باشد.

چالش ها و محدودیت های فنی سموم دفع آفات :

• مقاومت آفات به سموم : مصرف مکرر و بی رویه سموم دفع آفات می تواند منجر به بروز مقاومت آفات به سموم شود. آفات مقاوم به سموم دیگر تحت تاثیر سموم قرار نمی گیرند و کنترل آنها دشوارتر و پرهزینه تر می شود.
• باقیمانده سموم در محصولات کشاورزی : استفاده نادرست و مصرف بیش از حد سموم دفع آفات می تواند منجر به باقیمانده سموم در محصولات کشاورزی شود که برای سلامت مصرف کنندگان مضر است.
• آلودگی محیط زیست : سموم دفع آفات می توانند آب های سطحی و زیرزمینی خاک هوا و موجودات غیر هدف را آلوده کنند. آلودگی محیط زیست ناشی از سموم دفع آفات می تواند تنوع زیستی را کاهش داده اکوسیستم ها را تخریب کند و سلامت انسان و حیوانات را به خطر اندازد.
• خطرات برای سلامت انسان و موجودات غیر هدف : برخی از سموم دفع آفات برای سلامت انسان و موجودات غیر هدف (مانند حشرات گرده افشان پرندگان و ماهی ها) سمی هستند. تماس با سموم دفع آفات می تواند منجر به مسمومیت حاد و مزمن بیماری های تنفسی عصبی سرطان و اختلالات هورمونی شود.
• هزینه بالا : قیمت سموم دفع آفات به ویژه سموم جدید و کم خطر می تواند برای کشاورزان هزینه بالایی داشته باشد.

نتیجه گیری

کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات ابزارهای ضروری برای کشاورزی مدرن و تامین امنیت غذایی جهانی هستند. با این حال مصرف بی رویه و غیرمنطقی این مواد می تواند منجر به چالش ها و محدودیت های فنی زیست محیطی و بهداشتی شود. برای دستیابی به کشاورزی پایدار و کاهش اثرات منفی این مواد بهینه سازی مصرف کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات از طریق رویکردهای علمی و مهندسی بهره گیری از فناوری های نوین رعایت استانداردها و اصول مدیریت تلفیقی آفات (IPM) ضروری است. توسعه و ترویج کشاورزی دقیق کودهای آهسته رهش و کنترل شده رهش سموم دفع آفات زیستی و روش های کاربرد نوین سموم می تواند نقش مهمی در افزایش کارایی مصرف کاهش تلفات و کاهش خطرات ناشی از این مواد داشته باشد. تحقیقات و توسعه مستمر در زمینه فرمولاسیون های جدید مکانیسم های عمل روش های کاربرد و ارزیابی ریسک کودها و سموم برای بهبود عملکرد و کاهش اثرات منفی آنها در کشاورزی ضروری است.

سؤالات متداول

۱. آیا استفاده از کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات برای سلامت انسان مضر است؟

مصرف بی رویه و غیرمنطقی کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات می تواند منجر به خطراتی برای سلامت انسان شود. باقیمانده سموم در محصولات کشاورزی می تواند از طریق مصرف مواد غذایی آلوده وارد بدن انسان شود و منجر به مسمومیت های حاد و مزمن بیماری های عصبی سرطان و اختلالات هورمونی شود. آلودگی آب های آشامیدنی به نیترات ناشی از کودهای نیتروژنه نیز می تواند برای سلامت انسان مضر باشد. با این حال مصرف منطقی و اصولی کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات بر اساس اصول IPM و رعایت استانداردهای ایمنی و بهداشتی می تواند خطرات را به حداقل برساند. انتخاب سموم کم خطر و انتخابی رعایت دوره کارنس سموم قبل از برداشت محصول و شستشوی صحیح محصولات کشاورزی قبل از مصرف از جمله اقدامات مهم برای کاهش خطرات برای سلامت انسان است.

۲. آیا کشاورزی ارگانیک بدون استفاده از کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات امکان پذیر است؟

کشاورزی ارگانیک رویکردی است که هدف آن تولید محصولات کشاورزی با کیفیت بالا و با کمترین اثرات منفی بر محیط زیست و سلامت انسان است. در کشاورزی ارگانیک استفاده از کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات مصنوعی به طور کلی ممنوع است. به جای کودهای شیمیایی از کودهای آلی (مانند کود دامی کمپوست ورمی کمپوست) بقایای گیاهی کود سبز و تثبیت بیولوژیکی نیتروژن برای تامین عناصر غذایی گیاهان استفاده می شود. برای کنترل آفات و بیماری ها از روش های پیشگیری روش های زراعی (مانند تناوب زراعی کشت مخلوط ارقام مقاوم) روش های بیولوژیکی (مانند استفاده از دشمنان طبیعی آفات سموم دفع آفات زیستی) و روش های مکانیکی استفاده می شود. کشاورزی ارگانیک امکان پذیر است اما نیازمند دانش فنی بالا مدیریت دقیق و تلاش بیشتر نسبت به کشاورزی مرسوم است و ممکن است در برخی موارد عملکرد کمتری نسبت به کشاورزی مرسوم داشته باشد.