บทความ: “ถ่านชีวภาพ (biochar)” วัสดุปรับปรุงดินเพื่อส่งเสริมการปลูกข้าวในพื้นที่ดินเค็มภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย

บทความ: “ถ่านชีวภาพ (biochar)” วัสดุปรับปรุงดินเพื่อส่งเสริมการปลูกข้าวในพื้นที่ดินเค็มภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย

ข้าว (Oryza sativa L.) เป็นธัญพืช (cereal grain) ที่เป็นแหล่งคาร์โบไฮเดรตที่สำคัญของประชากรโลกและยังเป็นพืชเศรษฐกิจที่สำคัญของประเทศไทย ข้าวพันธุ์ขาวดอกมะลิ 105 หรือ “ข้าวหอมมะลิ” เป็นข้าวพันธุ์ที่มีชื่อเสียงที่สุดของประเทศไทย มีความต้องการในตลาดสูงทั้งเพื่อการบริโภคภายในประเทศและการส่งออก (Cha-um และคณะ, 2007) โดยแหล่งผลิตข้าวหอมมะลิที่ใหญ่ที่สุดของประเทศไทยอยู่ที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือซึ่งมีการเพาะปลูกประมาณ 80% ของพื้นที่ปลูกข้าวหอมมะลิทั้งประเทศ (กรมการข้าว, 2559) อย่างไรก็ตาม จากสภาพทรัพยากรดินในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือที่ดินส่วนใหญ่เป็นดินร่วนปนทรายไม่อุ้มน้ำ มีความอุดมสมบูรณ์ต่ำ และพื้นที่บางส่วนประสบปัญหาดินเค็ม (Clermont-Dauphin และคณะ, 2010; Arunin และ Pongwichian, 2015) โดยเฉพาะในจังหวัดนครราชสีมา ซึ่งเป็นพื้นที่วิกฤตดินเค็มของภาคตะวันออกเฉียงเหนือ (Wijitkosum, 2018) ทั้งนี้ ในปัจจุบันการใช้ประโยชน์พื้นที่ดินเค็มดังกล่าวเพื่อการเพาะปลูกยังคงให้ผลผลิตต่ำ พื้นที่บางส่วนถูกทิ้งร้างไม่มีพืชปกคลุมผิวดิน และบางส่วนถูกนำไปใช้ประโยชน์ที่ไม่เหมาะสมส่งผลให้เกิดการกระจายตัวของพื้นที่ดินเค็มเพิ่มมากขึ้น ดังนั้น การแก้ไขปัญหาพื้นที่ดินเค็มจึงมีความสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับประเทศไทยเพื่อการรักษาระบบนิเวศและการสร้างความมั่นคงทางอาหารในอนาคต

ดินเค็ม (saline soil) คือ ดินที่มีปริมาณเกลือที่ละลายได้อยู่ในสารละลายดินมากเกินไปจนมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของพืช ซึ่งเกลือส่วนใหญ่ที่พบในดินเค็ม คือ โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) และโซเดียมซัลเฟต (Na2SO4) โดยความเค็มของดินตรวจวัดได้จากการวัดการนำไฟฟ้าของสารละลายดินที่สกัดจากดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำ (Electrical conductivity of a saturated soil paste extract; ECe) ที่อุณหภูมิ 25° C มีหน่วยเป็นเดซิซีเมนต่อเมตร (dS/m) โดยใช้เครื่องวัดการนำไฟฟ้า (Electrical conductivity meter) ซึ่งจะใช้อัตราส่วนของดินต่อน้ำเท่ากับ 1:2 หรือ 1:5  (สมศรี อรุณินท์, 2539) โดยดินที่มีค่าการนำไฟฟ้าตั้งแต่ 4 dS/m ขึ้นไป จัดว่าเป็นดินเค็ม (Limpinuntana และ Arunin, 1986; Flowers และ Flowers, 2005) ซึ่งดินเค็มสามารถจำแนกตามค่าการนำไฟฟ้าของสารละลายดินได้เป็น 3 ระดับ คือ ดินเค็มปานกลาง ดินเค็มมาก และดินเค็มจัด นอกจากนี้ ดินเค็มยังปรากฏลักษณะทางกายภาพที่แสดงให้เห็นความเค็มได้ คือ การมีคราบเกลือหรือขุยเกลือบนผิวดิน (รูปที่ 1)

จากกระบวนการผุพัง (weathering process) ของวัตถุต้นกำเนิดดินที่เป็นเกลือหิน (rock salt) หรือแร่เฮไลต์ (halite) ที่มีโซเดียมคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ (Limpinuntana และ Arunin, 1986; Arunin และ Pongwichian, 2015; Wijitkosum, 2020) สภาพปัญหาดินเค็มที่พบในภาคตะวันออกเฉียงเหนือจำแนกตามระดับความเค็มของดิน (ตารางที่ 1) พบว่า พื้นที่ส่วนใหญ่มีระดับความเค็มปานกลาง (70.8% ของพื้นที่ดินเค็มทั้งหมด) โดยพื้นที่ดังกล่าวถูกใช้ประโยชน์เพื่อการเพาะปลูก เช่น การปลูกข้าวหอมมะลิ ซึ่งจากสภาวะดินเค็มทำให้ได้ผลผลิตเฉลี่ยเพียง 100-150 กิโลกรัมต่อไร่ เท่านั้น (สมศรี อรุณินท์, 2539; Jedrum และคณะ, 2014) ในขณะที่การปลูกในพื้นที่ดินปกติจะให้ผลผลิตประมาณ 360 กิโลกรัมต่อไร่ (กองวิจัยและพัฒนาข้าว กรมการข้าว, 2559)

ค่าการนำไฟฟ้าของสารละลายดิน
ที่สกัดจากดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำ หรือ ECe (dS/m) ระดับความเค็มของดิน พื้นที่ (ล้านไร่) 4-8 เค็มปานกลาง 12.6 8-16 เค็มมาก 3.7 >16 เค็มจัด 1.5

ผลกระทบของสภาวะดินเค็มต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของข้าว
ข้าวเป็นพืชที่ไม่ทนต่อสภาวะดินเค็ม (salt-sensitive plant) โดยดินที่มีความเค็มระดับปานกลางทำให้ข้าวพันธุ์ IR55178 ตายได้ทั้งหมดภายในระยะเวลา 60 วัน (Faiyue และคณะ, 2012) ซึ่งผลการทดลองดังกล่าวสอดคล้องกับผลการศึกษาของ Pongprayoon และคณะ (2019) ที่พบว่า เมื่อต้นกล้าข้าวหอมมะลิที่ปลูกในสภาวะเค็มมากเป็นระยะเวลา 21 วัน ต้นกล้าข้าวจะไม่สามารถรอดชีวิตได้ ทั้งนี้ สภาวะเค็มของดินมีผลต่อข้าวใน 3 ลักษณะใหญ่ ๆ คือ ทำให้ต้นข้าวขาดน้ำ (osmotic effect) ทำให้ต้นข้าวเกิดความเป็นพิษของโซเดียม (ionic effect/ ion toxicity) และทำให้เกิดความไม่สมดุลของธาตุอาหารพืช (nutritional imbalance) (Munns และ Tester, 2008; Faiyue, 2011; Singh และ Flowers, 2011) ดังแสดงในรูปที่ 2

1. การขาดน้ำ (osmotic effect) เกิดขึ้นเนื่องจากการสะสมของเกลือในสารละลายดินในปริมาณมากจนทำให้ต้นข้าวไม่สามารถดูดน้ำจากดินเข้าสู่รากได้ ทำให้เกิดปัญหาการขาดน้ำในระดับเซลล์และเนื้อเยื่อซึ่งส่งผลทำให้กระบวนการเมตาบอลิซึม (metabolism) ที่สำคัญของต้นข้าว เช่น การหายใจ การสังเคราะห์ด้วยแสง และการเจริญเติบโตมีค่าลดลง      
2. ความเป็นพิษของโซเดียม (ionic effect/ ion toxicity) เกิดเนื่องจากโซเดียมไอออนที่ถูกลำเลียงเข้าสู่เซลล์พืชในปริมาณมากจนเกินความจุของแวคิวโอล (vacuole) ที่จะเก็บสะสม ทำให้มีปริมาณโซเดียมไอออนส่วนเกินสะสมในไซโตพลาสซึม (cytoplasm) เกิดความเป็นพิษต่อต้นข้าวโดยยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ ส่งผลกระทบต่อกระบวนการเมตาบอลิซึมต่าง ๆ ของเซลล์
3. ความไม่สมดุลของธาตุอาหารพืช (nutritional imbalance) เกิดจากการที่โซเดียมไอออนไปยับยั้งการนำเข้าธาตุอาหารที่จำเป็นของพืช เช่น โพแทสเซียม โดยการยับยั้งโดยตรงผ่านทางช่องทางการนำเข้าสู่เซลล์ หรือการยับยั้งทางอ้อม เช่น การยับยั้งการเจริญเติบโตของรากหรือการลดจำนวนของท่อลำเลียงในรากพืช เป็นต้น

ถ่านชีวภาพ หรือ ไบโอชาร์ (Biochar) คือ ถ่านที่ผลิตจากการนำชีวมวล (biomass) ชนิดต่าง ๆ เช่น ใบไม้ กิ่งไม้ เปลือกผลไม้ มูลสัตว์ หรือวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร เช่น แกลบ ชานอ้อย ซังข้าวโพด เหง้ามันสำปะหลัง ไปผ่านกระบวนการเผาในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจนหรือมีออกซิเจนอยู่อย่างจำกัด ซึ่งเรียกว่า กระบวนการแยกสลายด้วยความร้อน (pyrolysis) (Sriburi และ Wijitkosum, 2016; Pituya และคณะ, 2017; Wijitkosum และ Jiwnok, 2019) (รูปที่ 4)

การกักเก็บคาร์บอนไว้ใต้ดิน (carbon sequestration) เพื่อช่วยลดปริมาณก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ นอกจากนี้ถ่านชีวภาพยังมีพื้นที่ผิวมาก มีประจุลบ มีรูพรุน และมีธาตุอาหารที่จำเป็นต่อพืชจึงได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการปรับปรุงคุณภาพดิน เพิ่มผลผลิตทางการเกษตร และเพิ่มความต้านทานของพืชต่อสภาวะแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมในพืชหลายชนิด รวมทั้ง การปรับปรุงและฟื้นฟูดินปนเปื้อนจากมลสาร (pollutant) ต่าง ๆ (พินิจภณ ปิตุยะ และอนัญญา โพธิ์ประดิษฐ์, 2560; อโณทัย โกวิทย์วิวัฒน์ และคณะ, 2562; Sriburi และ Wijitkosum, 2016; Wijitkosum และ Sriburi, 2018; Yu และคณะ, 2019)

กระชิด (Blachia siamensis) ชะเอมไทย (Albizia myriophylla Benth.) และ กระดูกกบ (Hymenppyramis brachiate Wall.) ในการปลูกข้าวไร่พันธุ์เหลือง (Yellow rice) ในพื้นที่ดินเหนียวปนทราย (sandy clay) โดย Wijitkosum และ Kallayasiri  (2015) ซึ่งได้รายงานว่า การผสมถ่านชีวภาพในอัตรา 1 กิโลกรัมต่อตารางเมตรลงในแปลงปลูกทำให้ข้าวมีการเจริญเติบโตได้ดีกว่าการใส่ปุ๋ยอินทรีย์เพียงอย่างเดียวในทุกระยะการเจริญเติบโต โดยจำนวนต้นข้าวต่อกอ จำนวนเมล็ดต่อรวง น้ำหนัก 1,000 เมล็ด และเปอร์เซ็นต์เมล็ดดีของข้าวมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติเมื่อเปรียบเทียบกับการปลูกข้าวโดยใส่ปุ๋ยอินทรีย์เพียงอย่างเดียวซึ่งเป็นวิธีการปลูกข้าวโดยทั่วไปของเกษตรกร นอกจากนั้น การใส่ถ่านชีวภาพในดินปลูกข้าวยังสามารถปรับปรุงคุณภาพดินได้ โดยทำให้ปริมาณคาร์บอนทั้งหมด ปริมาณไนโตรเจนทั้งหมด ปริมาณฟอสฟอรัสที่เป็นประโยชน์ ปริมาณโพแทสเซียมที่แลกเปลี่ยนได้ ปริมาณอินทรียวัตถุและความสามารถในการแลกเปลี่ยนประจุบวกของดินมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับดินที่ไม่ได้ผสมด้วยถ่านชีวภาพ

ถ่านชีวภาพมีศักยภาพในการเป็นวัสดุปรับปรุงดินเค็มเพื่อช่วยส่งเสริมการปลูกข้าวหอมมะลิในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทยโดยถ่านชีวภาพจะช่วยเพิ่มธาตุอาหารในดินและลดระดับความเค็มของดินทำให้ต้นข้าวสามารถเจริญเติบโตและสร้างผลผลิตได้

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการวิจัย “การศึกษาผลของถ่านชีวภาพต่อการเติบโต การสะสมโซเดียมไอออน และผลผลิตของข้าวพันธุ์ขาวดอกมะลิ 105 ที่ปลูกในสภาวะดินเค็ม” ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากทุนพัฒนาอาจารย์ใหม่/นักวิจัยใหม่ กองทุนรัชดาภิเษกสมโภช จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ประจำปีงบประมาณ 2562  คณะผู้วิจัยขอขอบคุณ ร้อยตำรวจตรี ดร.พินิจภณ ปิตุยะ จากศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วยทรายอันเนื่องมาจากพระราชดำริ จังหวัดเพชรบุรี สำหรับคำแนะนำในการเผาถ่านชีวภาพ