Lec 7 122351/132351 Soil Fertility and Plant Nutrition ความอุดมสมบูรณ์ของดินและโภชนาการพืช อาจารย์ผู้สอน ศ. ดร. ปัทมา วิตยากร แรมโบ

กลไกการที่ธาตุอาหารมายังผิวรากพืช (nutrient transport)

Colloidal system ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

กระบวนการที่ดินให้ธาตุอาหารแก่พืช “ดิน” ในฐานะเป็นตัวกลางในการเจริญ เติบโตของพืช ทำหน้าที่ให้ธาตุอาหารแก่พืช การที่รากพืชที่เจริญเติบโตอยู่ในดิน ดูดใช้ธาตุอาหารได้มากน้อยเพียงใด จะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการให้ธาตุอาหาร (nutrient supply characteristics) ของดิน ซึ่งปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติดังกล่าวได้แก่เนื้อดินและแร่ธาตุประกอบดิน

กระบวนการที่ดินให้ธาตุอาหารแก่พืช (ต่อ) กลไกหลักที่ดินให้ธาตุอาหารแก่พืชจะเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของธาตุอาหารในดินสู่ผิวราก การที่รากพืชจะดูดใช้ธาตุอาหารได้ ธาตุอาหารจะต้องมาอยู่ในตำแหน่งของการดูดใช้ คือ ที่ผิวราก จึงจัดว่าการเคลื่อนที่ของธาตุอาหาร (mobility) เป็นปัจจัยของความเป็นประโยชน์ของธาตุอาหารปัจจัยหนึ่ง

กลไกการให้ธาตุอาหาร (nutrient supplying mechanisms) รากพืชที่เจริญเติบโตอยู่ในดินจะแผ่ขยายไปตามรูดิน เมื่อรากพืชขยายตัวตามการเจริญเติบโตจะเบียดอัดดินที่อยู่ชิดกับราก ทำให้ดินส่วนนั้นมีรูที่มีอากาศและน้ำเต็มอยู่เป็นจำนวนน้อยลง ดินบริเวณติดกับรากและใกล้เคียงจะมีความหนาแน่นรวมเพิ่มขึ้น คอลลอยด์และสารละลายดินบริเวณใกล้รากทำหน้าที่ให้ธาตุอาหารแก่รากในช่วงต้นของการดูดใช้

กลไกการให้ธาตุอาหาร (nutrient supplying mechanisms) ระบบดินต่างจากระบบสารละลายธาตุอาหาร คือ ความเข้มข้นของธาตุอาหารส่วนต่างๆ ของระบบดินจะไม่เท่ากัน ปริมาณธาตุอาหารที่เป็นประโยชน์ได้ทันทีในบริเวณผิวรากจะมีจำกัด

กลไก root interception and contact exchange กลไก root interception and contact exchange เป็นกลไกที่ดินให้ (supply) ธาตุอาหารแก่รากพืช ณ ส่วนต่อระหว่างดินกับผิวราก (root interface) นั่นเอง โดยธาตุอาหารไม่ต้องเคลื่อนที่มายังผิวราก เพื่อให้อยู่ในตำแหน่งที่รากจะดูดใช้แต่อย่างใด ปริมาณธาตุอาหารที่ให้โดยกลไก root interception คือ ปริมาณธาตุอาหารที่อยู่ในปริมาตรดิน (soil volume) ที่เท่ากับปริมาณราก โดยทั่วไปแล้วรากพืชจะกินพื้นที่ในดินประมาณ ไม่เกิน 1-2% ปริมาณสารอาหารที่พืชได้รับโดยกลไกนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของธาตุอาหารในดินและปริมาตรดินที่ถูกแทนที่โดยระบบราก

กลไก root interception and contact exchange

ปัจจัยที่มีผลต่อกลไก root interception and contact exchange - ความชื้นของดิน (soil moisture) - ความหนาแน่นของดิน (soil compaction) - ความเป็นกรดด่างของดิน (soil pH) - การระบายอากาศของดิน (soil aeration) - โรคแมลง - ไส้เดือนฝอยราก และ - อุณหภูมิของดิน

กลไกการเคลื่อนที่ของธาตุอาหารสู่ผิวราก ในการเคลื่อนที่ของไอออนธาตุอาหารของพืชจะมีการเคลื่อนที่ไปในสารละลายดินเป็นส่วนใหญ่ มีส่วนที่เคลื่อนไปในคอลลอยด์ดินบ้างเป็นส่วนน้อยมาก แต่ธาตุอาหารที่เคลื่อนที่ไปในสารละลายดินก็จะได้รับอิทธิพลจากคอลลอยด์ดินด้วย และเมื่อเคลื่อนที่มาถึงผิวรากไอออนธาตุอาหารเหล่านี้จะถูกดูดใช้โดยรากเข้าไปสู่เนื้อเยื่อราก

Colloidal system ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

กลไกการเคลื่อนที่ของธาตุอาหารสู่ผิวราก Cli Clr ความเข้มข้นไอออนในสารละลายของ bulk soil เมื่อเริ่มต้น ความเข้มข้นไอออน ใกล้ผิวราก เนื้อเยื่อราก กลไกการเคลื่อนที่ (transport) กลไกการดูดใช้ (absorption) ราก (ปัทมา, 2547)

กลไก Mass flow กลไก Mass flow เป็นการเคลื่อนที่ของไอออนธาตุอาหารในดินไปสู่รากตามการไหล (convective flow) ของน้ำซึ่งเกิดจากการที่พืชดูดน้ำ เมื่อพืชดูดน้ำจะทำให้เกิดความต่างพลังงานศักย์ของน้ำ (water potential ψw) กล่าวคือ เมื่อพืชดูดน้ำ ψw บริเวณผิวรากจะต่ำลงกว่าบริเวณในดินที่ไกลจากรากออกมา (bulk soil) น้ำจะไหลจากบริเวณ bulk soil ที่มี ψw สูงมายังผิวรากที่มี ψw ต่ำ ดังนั้นสสารที่ละลายอยู่ในสารละลายดิน (ตัวถูกละลาย-solute) ก็จะเคลื่อนที่ตามการไหลของน้ำมาด้วย

ปัจจัยที่มีผลต่อกลไก mass flow 1. อัตราการไหลของน้ำหรือปริมาตรน้ำที่พืชดูดใช้ 2. ความเข้มข้นโดยเฉลี่ยของธาตุอาหารในสารละลายดิน ปัจจัยที่มีผลต่อปริมาณน้ำที่พืชดูดใช้ ได้แก่ - ปริมาณของระบบราก - ความชื้นของดิน - อุณหภูมิของดิน การลำเลียงสารอาหารโดย mass flow จะลดลงเมื่อความชื้นของดิน ลดลง อุณหภูมิที่ต่ำจะทำให้ mass flow ลดลงเช่นกันเพราะการดูดน้ำของพืช ลดลงนั่นเอง ขึ้นกับสภาพภูมิอากาศ: ฝนและอุณหภูมิ

การได้รับธาตุอาหารพืชโดยกลไก Mass flow Soil solution Root Zn Fe Mn B Cu Ψlow Ψhigh direction of water flow ( ดัดแปลงจาก อรวรรณ, 2551 )

กลไกการแพร่ Diffusion การแพร่ หรือ diffusion หมายถึง การเคลื่อนที่ของตัวถูกละลาย (solute) ในสารละลายจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า เมื่อกลไก root interception และ mass flow ให้อาหารแก่พืชได้ไม่เพียงพอต่อความต้องการของพืช รากพืชก็จะทำการดูดธาตุอาหารต่อไป ทำให้ความเข้มข้นธาตุอาหารบริเวณรากพืชลดต่ำลงกว่าบริเวณที่ห่างจากรากพืชออกไป เกิดแนวลาดเทของความเข้มข้น (concentration gradient) ซึ่งมีทิศทางตั้งฉากกับผิวรากขึ้น ธาตุอาหารจึงแพร่มาสู่รากตามทิศทางนี้ โดยทั่วไป diffusion จะสิ้นสุดลงเมื่อความเข้มข้นที่ 2 ตำแหน่งเท่ากัน นั่นคือ เกิดความสมดุลของความเข้มข้นขึ้น แต่เนื่องจากรากดูดใช้ธาตุอาหารอยู่เสมอ ความสมดุลนี้จะไม่เกิดขึ้น และธาตุอาหารจะแพร่ไปสู่รากตาม gradient ของความเข้มข้นอย่างต่อเนื่อง

ปัจจัยที่มีผลต่อกลไก diffusion - ปัจจัยด้านอุณหภูมิของดิน เช่น ถ้าอุณหภูมิต่ำก็ทำให้การ diffusion ช้าลง - ความชื้นของดิน เช่น ถ้าดินแห้งการ diffusion ก็ช้าลง แต่ถ้าดินมีความชื้น เพิ่มสูงขึ้น ก็จะส่งผลให้อัตราการ diffusion เพิ่มขึ้น - soil buffering capacity ดินที่มี buffering capacity สูง เช่น มีเปอร์เซ็นต์แร่ดินเหนียว (%clay) สูง ก็มีส่วนทำให้ธาตุอาหารที่ลำเลียงโดยกลไก diffusion อาจจะถูกดูดยึดโดยอนุภาคของแร่ดินเหนียว ทำให้อัตราการ diffusion ลดลง

การได้รับธาตุอาหารพืชโดยกลไก Diffusion Root High ion concentration Low ion concentration B Mo Fe Zn Mn Cu Diffusion ( ดัดแปลงจาก อรวรรณ, 2551 )

De = DlVlfl(1/b) สัมประสิทธิ์ของการแพร่ De = สัมประสิทธิ์การแพร่จริง (effective diffusion coefficient) Dl = สัมประสิทธิ์การแพร่ในตัวกลางที่เป็นสารละลาย Vl = สัดส่วนของปริมาตรดินที่เป็นของเหลว (volumetric water content) ซึ่งให้พื้นที่ภาคตัดขวางของการแพร่ในของเหลว มีหน่วยเป็น cm3 cm-3 จึงจัดว่าไม่มีหน่วย ( ปัทมา, 2547; อรวรรณ, 2551 )

สัมประสิทธิ์ของการแพร่ (ต่อ) fl = impedance factor หรือ tortuosity factor หมายถึง ปัจจัยต่างๆที่เป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนที่ของ solute fl เป็นสัดส่วนกลับกับปัจจัยที่เป็นอุปสรรคจริง b = buffering capacity ของดิน = dC/dCl โดย Cl = ความเข้มข้นของธาตุอาหารในสารละลาย C = ความเข้มข้นของธาตุอาหารส่วนที่ถูกดูดยึด อยู่บนส่วนที่เป็นของแข็ง (คอลลอยด์) ของดิน ( ปัทมา, 2547; อรวรรณ, 2551 )

Tortuosity (ความยากในการ diffusion) Tortuosity (ความคดเคี้ยวของเส้นทางในการ diffusion) คือ หนทางของการ diffusion ซึ่งต้องผ่านอนุภาคดินและผ่านแผ่นฟิล์มของน้ำในดิน ดังนั้นถ้ามีช่องว่างขนาดใหญ่ในดินและดินมีความชื้นเพียงพอ ก็จะลดความคดเคี้ยว (tortuosity) ลงทำให้การ diffusion ง่ายขึ้น ในดินที่มีปริมาณอนุภาคดินเหนียวสูง จะมีช่องว่างขนาดเล็กในดินและถ้าดินมีความชื้นต่ำ ก็จะเพิ่ม tortuosity ซึ่งทำให้การ diffusion ช้าลงและเป็นไปได้ยากขึ้น

Tortuosity (ความยากในการ diffusion) ดินที่มีความชื้นต่ำ ดินที่มีความชื้นสูง 24

Percentage supplied by Significance of root interception, mass flow and diffusion in ion transport to corn root Nutrient required Percentage supplied by for 200 bu/a (12.5 t/ha) Root Mass Nutrient of corn interception flow Diffusion N 225 1 99 P 45 2 4 94 K 200 20 78 Ca 50 120 440 Mg 55 27 280 S 25 Cu 0.12 8 400 Zn 0.40 30 B 0.25 350 Fe 2.5 40 52 Mn 10.40 130 Mo 0.012

เอกสารอ้างอิงและหนังสืออ่านเพิ่มเติม ปัทมา วิตยากร. 2547. เอกสารคำสอนวิชาความอุดมสมบูรณ์ของดินขั้นสูง พิมพ์ครั้งที่ 2 (ปรับปรุง). บทที่ 4. ภาควิชาทรัพยากรที่ดินและ สิ่งแวดล้อม คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. 423 หน้า. อรวรรณ ฉัตรสีรุ้ง. 2551. ความอุดมสมบูรณ์ของดิน. ภาควิชาปฐพีศาสตร์ และอนุรักษศาสตร์ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. 253 หน้า.