เรื่องที่ 8 ที่มาของธาตุอาหารพืช

รองศาสตราจารย์ ดร. ยงยุทธ โอสถสภา

อาจารย์พิเศษ ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร กำแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

1. พืช: สิ่งมีชีวิตที่สร้างอาหารได้เอง

       พืชเป็นสิ่งมีชีวิตที่สร้างน้ำตาลจากการสังเคราะห์แสง โดยใช้ “คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำและแร่ธาตุต่างๆจากดินเป็นวัตถุดิบ” กระบวนการทางชีวเคมี เช่น การหายใจเพื่อเปลี่ยนน้ำตาลให้เป็นพลังงานสำหรับการเจริญเติบโต รวมทั้งการสังเคราะห์สารอินทรีย์ต่างๆที่จำเป็นสำหรับการดำรงชีวิต กระบวนการที่กล่าวมาทั้งหมด ต้องใช้ออกซิเจน น้ำและธาตุต่างๆ ซึ่งมาจาก 3 แหล่งคือ

      1) อากาศ ให้แก่แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจน ซึ่งให้ธาตุคาร์บอนกับออกซิเจน

     2) น้ำ ให้ธาตุไฮโดรเจนและออกซิเจน

       3) ดิน ให้ธาตุต่างๆในรูปไอออน 

       เนื่องจากอากาศมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนอย่างเหลือเฟือ ประกอบกับพืชได้รับน้ำอย่างเพียงพอด้วย พืชจึงไม่ข้อจำกัดเรื่องธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจน

        จากที่ได้อธิบายในเรื่องที่ 1 แล้วว่า ส่วนประกอบของดินที่เหมาะแก่การปลูกพืชนั้น มีสองส่วนคือ (1) ประมาณร้อยละ 50 โดยปริมาตรเป็นของแข็ง  ในส่วนนี้ร้อยละ 45 คือ สารอนินทรีย์ อันเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยของแร่ต่างๆ ที่สลายตัวทางฟิสิกส์และทางเคมี อีกร้อยละ 5 เป็นอินทรียวัตถุ   และ (2) ประมาณร้อยละ 50 เป็นช่อง ซึ่งถ้ามีน้ำและอากาศอยู่อย่างละครึ่ง ก็เหมาะสม สำหรับส่วนประกอบที่เป็นของแข็งของดินมีความสำคัญเพราะ “เป็นแหล่งธาตุอาหารพืช 14 ธาตุ”

2. ธาตุอาหารพืช

            พืชชั้นสูงโดยทั่วไปต้องการธาตุอาหารจำนวน 17 ธาตุมาใช้เพื่อดำรงชีวิต เนื่องจากธาตุเหล่านั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อพืช หากขาดแคลนธาตุใดธาตุหนึ่งพืชจะผิดปรกติ และอาจแก้ไขด้วยการให้ธาตุดังกล่าวในรูปที่พืชใช้ประโยชน์ได้เท่านั้น อาจแบ่งธาตุเหล่านั้นได้เป็น 2 กลุ่มคือ

     2.1 ธาตุซึ่งพืชต้องการในปริมาณมาก

             ธาตุอาหารกลุ่มนี้มีอยู่ในเนื้อเยื่อพืชแห้งมากกว่า 500 มก./กก. จึงจะเพียงพอแก่การเจริญเติบโต ซึ่งมี 9 ธาตุ และเรียกรวมกันว่า “มหธาตุ” คือ คาร์บอน ออกซิเจน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส โพแทสเซียม แคลเซียม แมกนีเซียม และกำมะถัน โดย 3 ธาตุแรกพืชได้จากอากาศและน้ำ ส่วน 6 ธาตุหลังพืชได้รับจากดิน ในกลุ่มหลังนี้ธาตุไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม รวมกันเรียกว่า “ธาตุอาหารหลัก” เนื่องจากดินทั่วไปมักขาดแคลนและต้องใช้ปุ๋ยที่ให้ธาตุทั้ง 3 ในการบำรุงดิน ส่วนแคลเซียม แมกนีเซียม และกำมะถันเรียกว่า “ธาตุอาหารรอง” เพราะความขาดแคลนในดินที่ใช้ในการปลูกพืชไม่กว้างขวางเหมือนธาตุอาหารหลัก

       2.1 ธาตุที่พืชต้องการในปริมาณน้อย

              ธาตุอาหารกลุ่มนี้มีอยู่ในเนื้อเยื่อพืชแห้งน้อยกว่า 100 มก./กก. เรียกว่า “จุลธาตุหรือธาตุอาหารเสริม” มี 8 ธาตุ ซึ่งพืชได้มาจากดิน คือ โบรอน คลอรีน ทองแดง แมงกานีส โมลิบดีนัม สังกะสี เหล็ก และนิกเกิล

          สำหรับธาตุอาหารที่พืชได้รับจากดิน 14 ธาตุนั้น พืชดูดมาใช้ในรูปไอออน ทั้งนี้ยกเว้น 2 ธาตุ คือไนโตรเจนซึ่งพืชดูดโมเลกุลของยูเรีย และโบรอนซึ่งพืชดูดโมเลกุลของกรดบอริกได้ด้วย

3. แหล่งของธาตุอาหารพืช

     นอกจากคาร์บอน ออกซิเจน และไฮโดรเจนจากอากาศและน้ำแล้ว ธาตุอาหารอีก 14 ธาตุมาจากดิน องค์ประกอบของดินที่ให้ธาตุอาหารแก่พืชมี 2 ส่วนคือ แร่ในดินและอินทรียวัตถุ ดังนี้

       3.1 หินและแร่

           หินและแร่เป็นวัตถุต้นกำเนิดดิน ความหมายของหินและแร่มีดังนี้

             3.1.1 หิน คือสารอนินทรีย์ธรรมชาติที่มีแร่หนึ่งชนิดหรือหลายชนิดเป็นองค์ประกอบ หินมี 3 อย่าง คือ (1) หินอัคนี เกิดจากการเย็นตัวของหินหนืด (2) หินตะกอน คือ หินที่เกิดจากการผุพังของหินที่มีอยู่เดิมแล้วเคลื่อนย้ายไปทับถมกัน และ (3) หินแปร คือหินอัคนีและหรือหินตะกอนที่แปรสภาพจากอิทธิพลของอุณหภูมิสูงและ/หรือความดันสูง

                     หินชนิดต่างๆบนผิวโลกมีการผุพังทางฟิสิกส์และทางเคมี แล้วแตกหักเป็นก้อนแร่ชิ้นเล็กชิ้นน้อย ซึ่งจะผุพังต่อไปจนเป็นดิน

             3.1.2 แร่ คือสารอนินทรีย์ธรรมชาติที่มีองค์ประกอบและสมบัติทางเคมีที่แน่นอน แร่มี 2 ชนิด คือ (1) แร่ปฐมภูมิ เป็นแร่ที่เกิดจากหินหนืด (เช่น แร่ ควอตซ์ เฟลด์สปาร์ ไมกา ดังภาพที่ 1) และ (2) แร่ทุติยภูมิ เกิดจากการผุพังของแร่ปฐมภูมิ (เช่น แร่ดินเหนียวซิลิเกต (ภาพที่ 2) และเหล็กออกไซด์) หินและแร่จะมีการผุพังทั้งทางฟิสิกส์และทางเคมีไปเรื่อยๆ จนกลายเป็นดิน

ภาพที่ 1 แร่ปฐมภูมิ ได้แก่ ควอตซ์ (ซ้าย)  เฟลด์สปาร์ (กลาง) และไมกา (ขวา)

ภาพที่ 2 โครงสร้างของแร่ดินเหนียวซิลิเกตซึ่งเป็นแร่ทุติยภูมิ มีแผ่นซิลิกา (silica sheet) และแผ่นอะลูมินา (alumina sheet) ซ้อนกันเป็นหนึ่งหน่วย มีช่องระหว่างหน่วยให้น้ำแทรกเข้าไป แร่ดินเหนียวจึงยืดตัวเมื่อเปียกและหดตัวเมื่อแห้ง

                       แร่ชนิดต่างๆที่ได้จากแตกหักของหิน กลายเป็นก้อนแร่ชิ้นเล็กชิ้นน้อย จะผุพังต่อไปจนเป็นดิน พบแร่ปฐมภูมิที่คงทนต่อการสลายตัวอยู่ในดินส่วนที่เป็นอนุภาคทราย และพบแร่ทุติยภูมิในอนุภาคดินขนาดดินเหนียวและทรายแป้ง

                        เนื่องจากแร่หลายชนิดมีธาตุอาหารเป็นองค์ประกอบ (ตารางที่ 1) เมื่อแร่เหล่านี้สลายตัวทางเคมีถึงระดับหนึ่ง จะค่อยๆปลดปล่อยธาตุอาหารเหล่านั้นออกมาให้พืชใช้ประโยชน์

            3.1.3 ธาตุอาหารในแร่ชนิดต่างๆ เนื่องจากดินมีแร่มากมายหลายชนิด แร่เหล่านั้นบางอย่างมีธาตุอาหารหนึ่งธาตุ แต่บางอย่างมีมากกว่าหนึ่งธาตุ  ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แร่ในดินและธาตุอาหารที่มีอยู่ในแร่แต่ละชนิด

       แร่ที่เป็นแหล่งสำคัญของธาตุโพแทสเซียมในดิน คือโพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ (KAl Si₃O₈) แร่นี้มีปริมาณโพแทสเซียมอยู่ไม่น้อยกว่า 6.7%K (8 %K₂O)

         3.1.4 การปลดปล่อยธาตุอาหารจากแร่ เมื่อแร่ในดินสลายตัวทางเคมีอย่างช้าๆ ก็จะค่อยๆปลดปล่อยธาตุอาหารรูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช ดังนั้นชนิดและปริมาณของแร่ประกอบดิน จึงเป็นข้อบ่งชี้ประการหนึ่งของศักยภาพในการให้ธาตุอาหารแก่พืช การสลายตัวของแร่ในดินมี 2 แบบ คือ (1) การสลายทางกายภาพหรือทางฟิสิกส์ และ (2) การสลายทางเคมี ขอยกตัวอย่างการสลายตัวของ แร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ทางกายภาพและทางเคมีดังนี้ คือ

               1) การสลายตัวทางกายภาพ ได้แก่การแตกหักของแร่ก้อนใหญ่เป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย โดยองค์ประกอบทางเคมียังเหมือนเดิม (ภาพที่ 3) ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีง่ายขึ้น

ภาพที่ 3 การแตกหักของแร่ก้อนใหญ่เป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย

              2) การสลายตัวทางเคมี เป็นการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมี ในภาพที่ 4 แร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ ทำปฏิกิริยากับกรดคาร์บอนิกและน้ำ ได้แร่คาร์โอลิไนต์ โพแทสเซียมไอออน ไบคาร์บอเนตไอออน และซิลิการ์ ปฏิกิริยานี้ทำให้โพแทสเซียมในองค์ประกอบของแร่ ออกมาเป็นโพแทสเซียมไอออนอยู่ในสารละลายดิน ซึ่งรากพืชดูดไปใช้ได้

ภาพที่ 4 การสลายตัวทางเคมีของแร่โพแทสเซียมฟลด์สปาร์ ได้โพแทสเซียมไอออนอออกมายู่ในสารละลายดิน (soil solution)

         การสลายตัวทางเคมีของแร่บางชนิดนอกจากจะให้ธาตุอาหารแล้ว ยังเหลือองค์ประกอบที่สลายตัวยากในรูปของอนุภาคดิน 3 ประเภท คือ ทราย ทรายแป้งและดินเหนียว ดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ผลผลิตหลักและผลผลิตรองจากการสลายตัวทางเคมีของแร่ 3 ชนิด

        3.2 อินทรียวัตถุในดิน

            อินทรียวัตถุในดิน (soil organic matter. OM) หมายถึงซากพืชและซากสัตว์ที่กำลังสลายตัว เซลล์ของจุลินทรีย์ที่มีชีวิตและซากจุลินทรีย์ ตลอดจนสารอินทรีย์ที่ได้จากการสลายตัวและส่วนที่สังเคราะห์ขึ้นมาใหม่ (ภาพที่ 5 และ 6)

ภาพที่ 5 เศษซากพืชที่ร่วงหล่นบนผิวดิน จะถูกแมลงและสัตว์เล็กๆกัดกินเป็นชิ้นเล็ก ต่อจากนั้นจุลินทรีย์ชนิดต่างๆจะย่อย ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี สารประกอบอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ถูกย่อยเป็นสารอินทรีย์โมเลกุลเล็ก และค่อยๆปลดปล่อยธาตุอาหารออกมายังสารละลายดิน

         เนื่องจากเนื้อเยื่อพืช สัตว์และจุลินทรีย์อันเป็นแหล่งของอินทรียวัตถุนั้น เมื่อมีชีวิตได้สะสมธาตุอาหารไว้ครบถ้วน เมื่อตายลงและเน่าเปื่อย ธาตุอาหารที่มีส่วนมากจึงอยู่ในอินทรียวัตถุ ดังนั้นสารอินทรีย์ต่างๆที่ประกอบกันเป็นอินทรียวัตถุในดิน จึงมีธาตุอาหารอยู่ครบทุกธาตุ แต่ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับแร่ นอกจากนี้ธาตุอาหารส่วนมากยังอยู่ในรูปของสารประกอบโมเลกุลใหญ่ พืชจึงดูดไปใช้ไม่ได้ ต่อมาสารดังกล่าวถูกจุลินทรีย์ย่อยสลาย ก็จะปลดปล่อยธาตุอาหารออกมาในรูปที่เป็นประโยชน์  พืชจึงดูดไปใช้ได้

ภาพที่ 6 อินทรียวัตถุในดินประกอบด้วย ตัวจุลินทรีย์ดิน (น้อยกว่า 5%) กับสารอินทรีย์ ซึ่งแบ่งเป็น 3 ส่วน คือ (1) เศษพืชยังสด (น้อยกว่า 10%) (2) สารอินทรีย์ซึ่งกำลังสลายตัว (33-50%) และ (3) ฮิวมัสซึ่งเป็นส่วนที่เปลี่ยนแปลงยาก (33-50%)

4. รูปของธาตุอาหาร

      ธาตุอาหารในดินที่ได้มาจากสองแหล่ง คือ แร่ในดินกับอินทรียวัตถุ ดังที่ได้อธิบายมาตั้งแต่ต้นนั้น อาจแบ่งได้เป็น 2 รูป (forms) คือ (1) รูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช (available form)  ดังจะได้อธิบายในเรื่องที่ 9 และรูปที่ไม่เป็นประโยชน์ต่อพืช  (unavailable form) ตามรายละเอียดในเรื่องที่ 10

5. สรุป

            ทั้งแร่และอินทรียวัตถุ ต่างก็เป็นแหล่งสำคัญของธาตุอาหารซึ่งพืชได้รับจากดิน ทั้งนี้ยกเว้นไนโตรเจน เนื่องจากพืชในธรรมชาติได้รับไนโตรเจนกว่าร้อยละ 80 ของที่ต้องการใช้ทั้งหมดจากอินทรียวัตถุ ดังนั้นดินที่มีปริมาณอินทรียวัตถุสูง จึงสามารถสนองธาตุไนโตรเจนให้แก่พืชอย่างเพียงพอ

              ธาตุอาหารพืชที่ได้มาจากแร่และอินทรียวัตถุในดิน แบ่งออกเป็น 2 รูปคือ รูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช และรูปที่ไม่เป็นประโยชน์ต่อพืช (ดังรายละเอียดในเรื่องที่ 9 และ 10 ตามลำดับ)

..................................................

หมายเหตุ: อีก 2 สัปดาห์ ติดตามเรื่องที่ 9 ธาตุอาหารพืชรูปที่เป็นประโยชน์