132351/122351 Soil Fertility and Plant Nutrition ความอุดมสมบูรณ์ของดินและโภชนาการพืช คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น(Faculty of Agriculture, Khon Kaen University) อาจารย์ผู้สอน ศ. ดร. ปัทมา วิตยากร แรมโบ

กำมะถัน (Sulfur)

ธาตุกำมะถัน (Sulfur - S) กำมะถัน (S) เป็นธาตุที่มีความสำคัญต่อพืช ปริมาณของ S ในพืชอยู่ในช่วง 0.2 – 0.5 % ของน้ำหนักแห้ง ซึ่งใกล้เคียงกับปริมาณของฟอสฟอรัส สารประกอบกำมะถันในพืช ได้แก่ กลูตาไธโอนีน (glutathionine), ไธอามีน (thiamine), ไวตามิน บี, ไบโอติน (biotin), เฟอริดอกซิน, โคเอนไซม์ เอ (coenzyme A) และกรดอะมิโนที่มี S เป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ซิสเทน (cysteine), ซิสติน (cystine) และเมธไธโอนีน (methionine) กรดอะมิโนเป็นองค์ประกอบที่มี S ถึง 90% ของ S ทั้งหมดในพืชส่วนใหญ่ นอกจากนี้พืชยังมี S ในรูปอนินทรีย์ในปริมาณที่แตกต่างกัน พืชที่มีความต้องการ S มากเป็นพิเศษ ได้แก่ พืชตระกูลกระหล่ำ (Cruciferae และ Brassicae) เช่น กระหล่ำปลี และหัวเทอร์นิบ เป็นต้น เพื่อนำไปสังเคราะห์สารประกอบเมอร์แค็บแทน (mercaptans) และการสร้างน้ำมันกลูโคไซม์ (glucoside oils) ที่พบมากในพืชตระกูลกระหล่ำและหอม กระเทียม 3 3

แหล่งธรรมชาติของกำมะถันในดิน แหล่งสำคัญที่เป็นแหล่งดั้งเดิมของ S ในดินคือ แร่ไพไรต์ (pyrite, FeS2) ในหินอัคนี ในระหว่างเกิดกระบวนการสลายตัวและการกำเนิดดิน S ในไพไรต์ถูกออกซิไดซ์กลายเป็นรูป SO42- ซึ่งพืชและจุลินทรีย์นำไปใช้และจะไปอยู่ในอินทรียวัตถุของดินในที่สุด ดินบริเวณที่น้ำทะเลเข้าถึง เช่น บริเวณปากอ่าวจะมีแร่ไพไรต์มากจากอิทธิพลของน้ำทะเล ทำให้เกิดการสร้างตัวเป็นแร่จาโรไซต์ (jarocite, FeSO4) เมื่อไพไรต์ถูกออกซิไดซ์ และในที่สุดเกิดเป็นกรดซัลฟูริก ทำให้ดินแถบนี้กลายเป็นกรดจัดหากอยู่ในสภาพที่ถูกออกซิไดซ์ jarocite 4 4

jarocite

แหล่งธรรมชาติของกำมะถันในดิน (ต่อ) ในดินบางชนิดโดยเฉพาะในเขตกึ่งแห้งแล้ง บางส่วนของ S อยู่ในรูปยิปซัม (CaSO4.2H2O) และเอ็บโซไมต์ (epsomite, MgSO4.7H2O) ในเขตแห้งแล้งที่มีน้ำฝนไม่มากพอที่จะชะล้าง SO42- ออกไปจากโปรไฟล์ดิน มักพบยิปซัมสะสมอยู่ในชั้นใต้โซนของการสะสมแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) epsomite ยิปซัม

ปริมาณกำมะถันในดิน ปริมาณกำมะถันในดินต่างๆ แตกต่างกันไปในช่วงกว้าง ตั้งแต่เพียงประมาณ 20 µg/g (0.02%) ในดินเขตร้อนชื้นที่ผ่านกระบวนการชะล้างและการกำเนิดดินมาอย่างรุนแรง โดยเฉพาะดินเนื้อหยาบจนถึงมากกว่า 50,000 µg/g (5%) ในดินด่างและดินเค็มของเขตกึ่งแห้งแล้งและแห้งแล้ง ปริมาณ S ทั้งหมด มักต่ำในดินที่ผ่านกระบวนการกำเนิดดินและการชะล้างมาอย่างรุนแรง ดินเขตร้อนโดยทั่วไปมีค่า S ต่ำ เนื่องจากมีอินทรียวัตถุต่ำ ดินในเขตที่น้ำทะเลเข้าถึงพบปริมาณ S สูงถึง 35,000 µg/g หรือมากกว่าเนื่องจากมีการสะสมสารประกอบซัลไฟด์ ในดินเกษตรในเขตกึ่งร้อนชื้นและร้อนชื้นโดยทั่วไปมีปริมาณ S อยู่ในช่วง 100-500 µg/g หรือ0.01 - 0.05% ซึ่งคิดเป็นปริมาณ 224 – 1,120 kg/ha ในชั้นไถพรวน อย่างไรก็ตาม S ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปอินทรีย์จึงไม่เป็นประโยชน์ต่อพืชโดยทันที 7 7

รูปของกำมะถันในดิน (Forms of Sulfur in soil) กำมะถันเกิดขึ้นในดินทั้งในรูปของอินทรีย์และอนินทรีย์ ปริมาณของ S ในรูปทั้ง 2 นี้แตกต่างกัน ในดินชนิดต่างๆ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของดิน ได้แก่ - pH - สภาวะการระบายน้ำ - ปริมาณอินทรียวัตถุ - ส่วนประกอบทางด้านแร่ธาตุของดิน และ - ความลึกดิน 8 8

กำมะถันอนินทรีย์ในดิน (soil inorganic sulfur) รูปของกำมะถันอนินทรีย์ ซัลเฟต (SO42-) นับเป็นรูป S อนินทรีย์ที่มีมากที่สุดในดินที่ทำการเกษตร ถึงแม้ว่า S จะเกิดอยู่หลายรูปตามออกซิเดชันนัมเบอร์ ได่แก่ จาก -2 ของซัลไฟด์ เป็น +6 ของซัลเฟต แต่ในดินเกษตรมีสารประกอบที่มีออกซิเดชันนัมเบอร์อยู่น้อยมาก ดังนั้นจึงมักถือว่าซัลเฟตเป็น S อนินทรีย์ในดิน ปริมาณหรือความเข้มข้นของ SO42- ในดินผันแปรไปตามเวลาและสถานที่ เพราะมีปัจจัยนำเข้านำออก S จากระบบดิน ในดินมีซัลเฟต 2 รูปหลัก คือ - รูปที่ละลายอยู่ในสารละลายดิน (soil solution SO42-) โดยเป็นรูปเกลือที่ละลายน้ำได้ - รูปที่ถูกดูดยึด (adsorbed SO42-) โดยคอลลอยด์ดินส่วนที่เป็นอนินทรีย์ 9 9

ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่างๆ ของกำมะถัน สารละลายดิน 1 µm คอลลอยด์ดิน SO42- ราก

กำมะถันอนินทรีย์ในดิน (ต่อ) ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดูดยึดซัลเฟตและกลไกการดูดยึด ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดูดยึดซัลเฟตในดิน ได้แก่ 1. คุณสมบัติของคอลลอยด์ดิน 2. pH ของดิน 3. ความเข้มข้นของซัลเฟตและไอออนอื่นๆ ในสารละลายดิน 11 11

คอลลอยด์ดินและกลไกการดูดยึด คอลลอยด์ดินชนิดที่ดูดยึดซัลเฟต ได้แก่ ออกไซด์ของ Fe และ Al แร่อัลโลเฟน (อลูมิโนซิลิเกตอสัณฐาน) และแร่ดินเหนียว (clay) โดยในแร่ดินเหนียวการดูดยึดเป็นที่ขอบ กลไกของการดูดยึด ได้แก่ - กลไกพันธะไฟฟ้าสถิต (electrostatic bond) ซึ่งเป็นการดูดยึดของประจุไฟฟ้าที่ต่างกัน จัดเป็นการดูดยึดแบบไม่จำเพาะ (non-specific adsorption) - กลไกการดูดยึดทางเคมี (chemisorption) จัดเป็นการดูดยึดแบบจำเพาะ (specific adsorption) ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ (ligand) โดย SO42- เข้าแทนที่ลิแกนด์ –OH และ –OH2 ที่พื้นผิวแร่ดินเหนียว พันธะของการดูดยึดนี้เป็นพันธะโควาเลนท์ (covalent bond) 12 12

กลไกการดูดยึดกำมะถัน + SO42- OH OH2 S O + 2OH- Al

กำมะถันอินทรีย์ในดิน (Soil organic sulfur) มีสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ที่สำคัญ ได้แก่ 1. สารประกอบกำมะถันที่มีพันธะโดยตรงกับคาร์บอน (C – bond S) สารประกอบในกลุ่มนี้ ได้แก่ กรดอะมิโนที่มี S เป็นองค์ประกอบ เช่น cysteine และ methionine H CH3 S CH2 CH2 C COOH NH2 cysteine methionine 14 14

กำมะถันอินทรีย์ในดิน (ต่อ) 2. สารประกอบกำมะถันที่ไม่มีพันธะโดยตรงกับคาร์บอน (non-C-bonded S) เป็นสารประกอบประเภท sulfate esters ซึ่งมีพันธะแบบ R – O – SO3H สารประกอบเหล่านี้สามารถถูกรีดิวซ์ให้เป็น H2S ได้โดยกรดไฮโดรไอโอดิก (HI) เช่น พวก phenolic sulfates และ sulfated polysaccharides เป็นต้น OH H HO S -OH3SO C N R CH2 C COOH NH2 H OH3SO phenolic sulfates glucosinolates 15 15

พลวัตของการแปรรูปกำมะถัน (Dynamics of sulfur transformation) เมื่อดินมีการระบายอากาศที่ดี S อินทรีย์จะถูกออกซิไดซ์เป็น SO42- ซึ่งเรียกว่าการ mineralization หรือการแปรจากรูปอินทรีย์เป็นอนินทรีย์ SO42- เป็นรูปที่พืชส่วนใหญ่ดูดใช้ได้ ในขณะเดียวกัน SO42- ถูกจุลินทรีย์ดูดใช้และนำไปปรุงแต่งสร้างเป็นเนื้อเยื่อจุลินทรีย์ทำให้มีมวลชีวภาพจุลินทรีย์ (microbial biomass) เพิ่มขึ้น เราเรียกกระบวนการนี้ว่า immobilization S อินทรีย์  SO42- mineralization immobilization 16 16

กำมะถันในมวลชีวภาพจุลินทรีย์ (sulfur in microbial biomass) เป็นแหล่งสำคัญของ S ที่จะถูกเปลี่ยนจากรูปอินทรีย์เป็นรูป อนินทรีย์ เพราะเป็นส่วนที่ว่องไวต่อการเปลี่ยนแปลง (labile) อย่างยิ่ง เนื่องจากมวลชีวภาพ S เป็นส่วนที่เปลี่ยนแปลงง่ายมาก การมี S อินทรีย์ในมวลชีวภาพเป็นตัวชี้ว่ามี S ที่เป็นประโยชน์ต่อพืชมาก 17 17

วงจรกำมะถันในดิน วงจร S แสดงถึงปัจจัยและกระบวนการที่นำ S เข้าสู่ระบบดิน ออกจากระบบดิน และหมุนเวียนเปลี่ยนรูป S ในระบบดิน-พืช ในระหว่างการสลายตัวของแร่ธาตุในดิน S ในแร่ปฐมภูมิในดินถูกเปลี่ยนรูปเป็นซัลเฟต (SO42-) ซึ่งพืชจะดูดใช้และเปลี่ยนกำมะถันเป็นรูปอินทรีย์ เช่น กรดอะมิโนซิสติน (cystine) และเมธไธโอนีน (methionine) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของโปรตีน เมื่อซากพืชและซากสัตว์กลับคืนสู่ดินและถูกจุลินทรีย์ย่อยสลายบางส่วนของกำมะถันอินทรีย์จะถูกเปลี่ยนเป็น SO42- และบางส่วนเข้าไปอยู่ในเนื้อเยื่อของจุลินทรีย์และเข้าไปเป็นส่วนประกอบของฮิวมัสในที่สุด 18 18

(Sulfide) Reduced sulfur H2S Pyrite (FeS2)

การได้รับกำมะถัน (Sulfur input) กำมะถันจากบรรยากาศ (atmospheric sulfur) การทับถมแบบแห้ง (dry deposition) การทับถมแบบเปียก (wet deposition) กำมะถันจากปุ๋ย กำมะถันจากสิ่งขับถ่ายของสัตว์ กำมะถันน้ำชลประทาน กำมะถันในน้ำใต้ดิน 21 21

การได้รับกำมะถัน (ต่อ) กำมะถันจากบรรยากาศ (atmospheric sulfur) ในบรรยากาศ S อยู่ในรูปก๊าซ SO2 มีความเข้มข้นอยู่ในช่วง 0.5 ug/m3 ในท้องที่ห่างไกลในแอฟริกา จนสูงถึงมากกว่า 300 ug/m3 ในเขตอุตสาหกรรม กระบวนการทับถมแบบแห้ง (dry deposition) S กลับสู่ระบบนิเวศบนบก (ดินและพืช) ในรูปก๊าซ SO2 เป็นหลัก และการทับถมแบบเปียก (wet deposition) คือการที่ S ละลายในน้ำฝนในรูป SO42- กลับลงมาสู่ดิน S ในบรรยากาศมีเพิ่มขึ้นจากกิจกรรมของมนุษย์ในยุคอุตสาหกรรม ซึ่งได้ให้คุณต่อพืชที่ปลูกโดยที่ไม่ต้องมีการให้ปุ๋ย S เพิ่ม อย่างไรก็ตามเมื่อมี S สะสมในบรรยากาศมากขึ้นได้ก่อให้เกิดปัญหาความเป็นพิษต่อพืชและมลพิษในสิ่งแวดล้อม เช่น ฝนกรด 22 22

การได้รับกำมะถัน (ต่อ) การทับถมแบบแห้ง (dry deposition) การทับถมแบบแห้งมีหลายกระบวนการย่อยด้วยกัน แต่ที่สำคัญที่สุดคือ การที่ดินดูดยึด (sorption) SO2 โดยเฉพาะในบริเวณที่ใกล้แหล่งที่ปลดปล่อยก๊าซ SO2 เมื่อสัมผัสดิน SO2 ถูกเปลี่ยนเป็นซัลไฟต์ (sulfite) แล้วในที่สุดถูกออกซิไดซ์เป็นซัลเฟต หรืออีกทางหนึ่ง SO2 อาจถูกเก็บกักไว้โดยทำปฏิกิริยาตรงกับอินทรียวัตถุของดินหรือ CaCO3 การทับถมแบบเปียก (wet deposition) คือ การที่ดินได้รับ S ที่ละลายในน้ำฝนส่วนใหญ่เป็นรูป SO42- แต่มีรูปอื่น ๆ เช่น มีเธนซัลโฟเนต (methane sulfonate) ซึ่งเป็นผลจากการโฟโตออกซิเดชัน (photooxidation) ของไดเม็ธธิลซัลไฟด์ในบรรยากาศ ปริมาณ S จากน้ำฟ้าเข้าสู่ดินที่มีรายงานอยู่ในช่วง 1–168 กก. ต่อเฮ็กตาร์ ต่อปี ขึ้นอยู่กับระยะทางจากแหล่งที่ปล่อย S 23 23

การได้รับกำมะถัน (ต่อ) กำมะถันจากปุ๋ย ถึงแม้ว่าการใส่ปุ๋ยกำมะถันโดยตรงจะปฏิบัติกันน้อยกว่าเมื่อเทียบกับปุ๋ยของธาตุอาหารหลักได้แก่ N P K แต่พืชยังได้รับ S โดยทางอ้อมจากส่วนประกอบที่มี S ในปุ๋ยเหล่านี้ เช่น แอมโมเนียมซัลเฟตมี S อยู่ 24% ซุปเปอร์ฟอสเฟตแบบธรรมดามี S 12% และโพแทสเซียมซัลเฟตมี S 18% กำมะถันจากสิ่งขับถ่ายของสัตว์ ในระบบการเลี้ยงสัตว์รูปแบบต่าง ๆ สิ่งขับถ่ายจากสัตว์ ได้แก่ มูลและปัสสาวะเป็นแหล่งธาตุอาหาร รวมทั้ง S ในระบบการเลี้ยงสัตว์ที่มีทุ่งหญ้าแบบถาวร เช่น ในออสเตรเลีย หรือนิวซีแลนด์ ระหว่างที่สัตว์และเล็มหญ้ามูลสัตว์จะเป็นแหล่งของ S ที่จะถูกเปลี่ยนรูปเป็นประโยชน์แก่พืชต่อไป 24 24

การได้รับกำมะถัน (ต่อ) กำมะถันน้ำชลประทาน น้ำชลประทานสามารถเป็นแหล่งให้ S แก่ดินได้หากน้ำมี S เจือปนอยู่ในความเข้มข้นที่สูงพอ กำมะถันในน้ำใต้ดิน การเกษตรในยุโรปได้ให้ความสำคัญกับน้ำใต้ดินเพราะคาดว่าในนสภาพที่มีความชื้นสูงน้ำใต้ดินอาจเป็นแหล่ง S หลักในวงจรของ S ในระบบดินพืช ทั้งนี้เพราะ S ไม่ถูกดินดูดยึดมากนักจึงถูกชะล้างมากโดยเฉพาะในฤดูหนาวที่มีปริมาณน้ำฟ้ามาก 25 25

การสูญเสียกำมะถันจากดิน (Sulfur output) 1. การชะล้าง (leaching) รูปของกำมะถันที่ถูกชะล้างคือ ซัลเฟต (SO42-) ซึ่งมีปริมาณแตกต่างกันไปในดินต่างๆ แต่โดยทั่วไปมักมีน้อยกว่า 10% ของ S ทั้งหมด ซัลเฟตเหล่านี้อยู่ในรูปต่างๆ ได้แก่ รูปที่ละลายน้ำ ถูกดูดยึด และรูปที่ไม่ละลายน้ำ ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการชะล้าง S ได้แก่ - เนื้อดิน - พืชพรรณในดิน - การให้ปุ๋ยซัลเฟอร์ - กระบวนการเปลี่ยนรูป (mineralization) 26 26

การสูญเสียกำมะถันจากดิน (ต่อ) 2. การกร่อนดิน (soil erosion) ปริมาณ S ที่สูญเสียไปกับส่วนที่เป็นตะกอนดินในกระบวนการกร่อนดินขึ้นอยู่กับปริมาณดินที่สูญเสียและความเข้มข้นของ S ในดิน เนื่องจาก S ในดินส่วนใหญ่อยู่ในรูป S อินทรีย์ซึ่งมักสะสมในดินชั้นบน เมื่อเกิดการกร่อนดินโดยน้ำหรือลมก็ตาม จะทำให้สูญเสีย S ออกไปจากโปรไฟล์ดินด้วย 3. น้ำไหลบ่าผิวดิน (runoff) การสูญเสีย S จากกระบวนการนี้มักเกิดในดินที่ได้รับปุ๋ย S หรือมูลสัตว์ใหม่โดยวิธีให้ที่ผิวดินและปุ๋ยยังไม่ผสมคลุกเคล้าเข้าไปในดิน 4. การเก็บเกี่ยวพืช 5. การสูญเสียในรูปก๊าซ การสูญเสีย S โดยการระเหยในรูปก๊าซจากดินเกิดในระหว่างการสลายตัวของอินทรียวัตถุในดิน เนื่องจากมีการผลิตสารประกอบ S ที่ถูกรีดิวซ์ ได้แก่ H2S 27 27

เอกสารอ้างอิงและอ่านเพิ่มเติม ปัทมา วิตยากร. 2533. ดิน: แหล่งธาตุอาหารของพืช. ภาควิชา ปฐพีศาสตร์ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. 215 หน้า. ปัทมา วิตยากร. 2547. ความอุดมสมบูรณ์ของดินขั้นสูง. ภาควิชา ทรัพยากรที่ดินและสิ่งแวดล้อม คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. 423 หน้า. สุรศักดิ์ เสรีพงศ์. 2543. เคมีและความอุดมสมบูรณ์ของดิน. ภาควิชาทรัพยากรที่ดินและสิ่งแวดล้อม คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. 505 หน้า. 28 28