Jordbrukskemi Fackpedagogiskt seminarium ÅA/PF/ämneslärarutbildningen Annika Westberg Ke/Ma Maj 2008

Transkript

1 Jordbrukskemi Fackpedagogiskt seminarium ÅA/PF/ämneslärarutbildningen Annika Westberg Ke/Ma Maj 2008

2 Innehållsförteckning Inledning och bakgrund... 3 Växternas ämnesomsättning... 3 Växter behöver näring... 4 Kemin i jordbruket... 6 Kemin i tomat- och gurkodlingen... 9 Jordbrukskemi i undervisningen... 9 Tas jordbrukskemi alls upp i dagens läroböcker? Diskussion Referenser

3 Inledning och bakgrund Jag har valt att göra mitt seminariearbete om jordbrukskemi för att det är ett område som jag tycker har behandlats mycket lite under min egen skolgång och studietid trots att jag själv, liksom många andra skolelever, har kommit i kontakt med det i mitt vardagsliv utan att tänka på att det hade någonting med kemi att göra. Jag redogör i detta arbete för hur kemi har att göra med jordbruk och miljö, hur det tas upp i de läroböcker i kemi som finns i användning idag och vad man som lärare skulle kunna göra för att ta in jordbrukskemi i undervisningen på ett passande sätt. Jordbruks- och miljökemi är nära besläktat med biologi och samarbete mellan biologi- och kemilärare kan med fördel göras då detta stoff behandlas. Jag har valt att koncentrera detta arbete på växters näringsupptag och hur man göder jorden för att ge optimal miljö för växterna att leva i. Det finns även mycket kemi i de bekämpningsmedel som används inom jordbruket, men det kapitlet lämnar jag nu utanför detta arbete. Växternas ämnesomsättning Då människan förbränner mat förbrukas syre och det bildas koldioxid och vattenånga. Växter andas också genom att de behöver koldioxid och vatten för att kunna bilda socker och syre. Reaktionen i växterna kallas assimilation. Reaktionslikheten för cellandning är: C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O och energin som frigörs är 2900 kj/mol. I växtens ämnesomsättning bildas sedan andra kolhydrater och ämnen som behövs för att bilda proteiner, lipider och nukleinsyror av glukosen. Fotosyntesens slutprodukter lagras i växtens blad eller löses upp i vatten och transporteras till andra växtdelar. Vattnets uppgifter i växten är att vara en råvara för fotosyntesen, en mellanprodukt för biokemireaktionerna, ett lösningsmedel, en mellanprodukt för diffusion, ett ämne som hydrerar joner och polära molekyler, ett ämne som ger upphov till kapillärkraften som möjliggör osmos och en temperaturutjämnare.

4 Växter behöver näring Växtnäring är grundämnen som är nödvändiga för växtens tillväxt och utveckling. 16 grundämnen räknas till växtnäring. Av kol, syre, väte, kväve, fosfor, svavel, kalium, kalcium och magnesium behöver växterna större mängder, mellan 10 och 200 kg per hektar. Dessa ämnen kallas makroämnen. Av de s.k. mikroämnena behövs mindre mängder, mindre än 1 kg per hektar, och dessa ämnen är järn, mangan, koppar, zink, molybden, bor och klor. N, P, K, Ca, S och Mg behövs för växtens produktion av äggviteämnen, klorofyll och DNA samt för cellens energiproduktion och för att upprätthålla osmosbalans i växten. B, Cu, Zn, Mo, Se, Fe och Cl är livsviktiga för många enzymfunktioner. Växterna kan ta upp näringsämnen enbart i vissa kemiska tillstånd. Kol och syre tar växten upp som gasformiga molekyler i form av koldioxid och syrgas. Väte och metallerna tas upp ur vatten. Metallerna är då i form av positiva joner, katjoner. Molybden är ett undantag för att den tas upp i form av en negativ jon eller anjon. Även de flesta icke-metallerna tas upp i form av anjoner. Kväve kan också upptas i form av ammoniumjon eller som kvävgas från luften för vissa växter. Bor fås från jorden i form av borsyra och svavel som sulfatjon ur marken eller som svaveldioxid ur luften. Om en växt har kvävebrist tar det sig uttryck i att bladen blir ljusa p.g.a. att klofofyllinnehållet minskar eftersom klorofyllmolekylen innehåller kväve. Kvävebristen syns tidigare i växtens äldre blad. Kvävenivån i växten påverkar skörd och kvalitet på t.ex. grönsakerna. Vid överskott av kväve blir växten vattenfylld och lös vilket gör att växten lättare får mekaniska skador och angrips av växtsjukdomar. Växten kan ta upp kväve i tre former, som nitrat NO 3, som ammonium NH + 4 eller som amin -NH 2. Amin finns i jorden eftersom urea, eller urin av boskap, sprids på åkrarna som gödsel och omvandlas i jorden. Omvandling från amin till ammonium till nitrat sänker jordens ph-värde. Fosfor behövs i mindre mängder än kväve men är nödvändig för växternas ämnesomsättning. Fosfor finns i störst koncentrationer i de delar av växten där tillväxten sker snabbast, d.v.s. i toppen och längst ut i rötterna. Fosforbrist i växten märks inte så tydligt men om bristen är stor blir växten mörkare till färgen och bladen blir mindre och lilafärgade på undersidan. Om det finns överskott på fosfor i jorden binder den kalcium, järn, mangan och zink vilket kan 4

5 orsaka brist på de ämnena i växten. Svavel behövs i lika stor mängd som fosfor. Svavel behövs i proteinerna som växten bildar och svavelbrist ger symtom som liknar kvävebristens men ger en metallglansig yta. Svavel fås från gödsel som är avsedda att tillföra andra näringsämnen, t.ex. kaliumsulfat, eftersom svavel tas upp i växten i form av sulfatjoner. Kalium reglerar funktioner som har med ämnesomsättningen att göra, det aktiverar enzymer, reglerar vattenhushållningen och är viktigt för bildandet av proteiner. Om plantan slokar kan den ha kaliumbrist. Andra symtom kan vara gula fläckar i bladkanten och sämre kvalitet på frukten. På vintern då växten får lite ljus är det viktigt att den får tillräckligt med kalium eftersom kalium kan ersätta ljus i viss mån. Överskott av kalium i jorden hindrar växten att ta upp magnesium, kalcium och vatten. Kalcium behövs i växten då cellväggen byggs upp och binder även giftiga rester från ämnesomsättningen. Brist på kalcium orsakar avstanning i växtens utveckling och syns därför på skott och rotändor. Kalciumbrist orsakas av att kaliumhalten är för hög eller att jorden är för torr. Tomater får lätt en sjukdom som kallas toppröta, vilket innebär att det bildas en brun fläck på undersidan av tomaten vilken sträcker sig in i tomaten. Orsaken till sjukdomen är att kalcium i cellväggarna i tomaten ersätts av kalium vilket gör att väggarna blir lösliga och celler dör. Om jorden kalkats för mycket och kalciumhalten är för stor orsakar det brist på spårämnen som bor och mangan i växten. Magnesium behövs i klorofyllmolekylen och deltar i proteinomsättningen. Äldre blad blir gula om de har magnesiumbrist. För mycket magnesium kan försvåra upptagningen av kalcium. Mikroämnen eller spårämnen behövs också i växterna fast i mindre mängder. Natrium kan ersätta kalium, men kan också i sig själv ha positiv inverkan på vissa växter, t.ex. potatis. Växter får klor som binäring från andra näringssalter. Kloret sköter om plantans vätskebalans, men är inte bra för vissa växter. Mangan deltar i växternas redoxreaktion och har betydelse för bildandet av klorofyll. Manganbrist orsakar gulprickiga blad och speciellt unga blad drabbas. Järn har liknande uppgifter som mangan i växten, d.v.s. bildandet av klorofyll och växtens energiförsörjning. Koppar deltar i flera processer i växten, t.ex. styrning av växthormoner och assimilation. Havre får tydliga symtom om åkern innehåller för lite koppar. Koppar är giftigt för svampar, oljor och bakterier och kan därför användas som 5

6 bekämpningsmedel mot dessa. Zink behövs för aminosyraomsättningen samt vid bildandet av klorofyll och vissa joner som auxiner. Bor transporterar socker och andra kolhydrater i växten. Vissa växter behöver mera bor än andra. Då gurkplantor har brist på bor kroknar gurkorna lätt och då tomatplantor får för lite bor försvåras befruktningen. Vid överdosering blir bor giftigt för växterna och endast en liten överdosering orsakar skada eller förgiftningssyndrom. Molybden behövs i mycket små mängder, men är dock nödvändigt i kväveförvandlingsprocessen och i andra ämnesomsättningsreaktioner. Brist på molybden syns på bladen som brokighet mellan bladnerverna och efter längre tid dör bladen helt. Molybden är det enda spårämne som löser sig bättre vid höga ph-värden. Kemin i jordbruket Olika växter behöver olika förhållanden för att tillväxten eller produktionen av frukter ska vara maximal. ph-värdet i jorden är en viktig faktor som påverkar växternas trivsel. I figuren nedan ses de mest gynnsamma ph-intervallen för några vanliga odlingsväxter. Man kan konstatera att havre och potatis trivs i surare jordar än vad vete och sockerbeta gör. Figur 1 Olika växter trivs bäst vid olika ph-intervall. (Källa: Gödslingstolk 2000/2001) 6

7 Jorden på åkrarna tenderar ofta att bli för sur för växternas trivsel. Det regleras genom att jordbrukare sprider ut kalk, eller kalciumkarbonat CaCO 3 på åkern. Kalken är inte enbart bra för att höja jordens ph utan tillför även kalcium till jorden vilket gör att växterna får sin behövliga dos av kalcium. Det från markkarteringen rekommenderade ph-värdet på jorden i en åker varierar något beroende på jordarten. Torvmark är också betydligt surare från början vilket gör att riklig kalkning behövs för att ph-värdet ska stiga till önskad nivå. En åker i Närpes som blivit kalkad har ändå ph kring 5,3 vilket beror på att jorden är rik på torv. En annan åker i Närpes som aldrig blivit kalkad har ph 4,7. Samma jordbrukare har en tredje åker där ph-värdet är så högt som 7,4. Det finns därför skäl att tänka efter vilken gröda som sås på vilken åker. Ett exempel på kalkningens effekt är en åker som år 1995 hade ph 6,3 och fram till 2005 blivit kalkad två gånger med en kalkmängd av 4-5 ton/ha. År 2005 låg samma jords ph-värde på 7,3. Detta visar på stor effekt av kalkningen. Miljöstödet ställer krav på jordbrukarna att de måste kontrollera jordens ph-värde och näringsämnesinnehåll med jämna mellanrum. Dock ställs inga krav på att eventuella problem upptäckta i provtagningen, åtgärdas t.ex. genom kalkning eller gödsling utan jordbrukaren bestämmer själv om han vill göra något åt saken. ph-värdet påverkar växternas möjlighet att ta upp näringsämnen. I figuren nedan ses inom vilka ph-intervall olika grundämnen finns tillgängliga för växten. 7

8 Figur 2 Beroende på jordens ph-värde varierar tillgängligheten av näringsämnen i jorden. Även det påverkar inom vilka ph-intervall växter trivs. (Källa: Gödslingstolk 2000/2001) Nedan ses ett digram över markens spårämnesinnehåll i Österbotten. Diagrammet är sammanställt enligt uppgifter från markkarteringstjänst. Det råder störst bris på koppar och mangan, medan förhållandena är bra då det gäller magnesium. Figur 3 Enligt uppgifter från markkarteringstjänsten är detta markens spårämnesinnehåll i Österbotten. (Källa: informationsbrev från markkarteringstjänst utsänt till jordbrukare) 8

9 Kemin i tomat- och gurkodlingen Koldioxid är en viktig växtfaktor för tomatplantan. Förr användes organiskt växtunderlag, torv, halm och naturgödsel, som bädd åt plantorna i växthusen vilket gjorde att mikroorganismer i dessa producerade stor mängd koldioxid. Idag planteras plantorna i stenull vilken inte kan producera koldioxid. Koldioxid fås i tillräcklig mängd i dagens växthus genom att propangas bränns. Detta ger också energi i form av värme vilken kan användas till att värma upp växthuset. Plantorna har mest nytta av koldioxid i början av växtperioden, men koldioxid behövs också senare eftersom tomaterna och gurkorna växer sig större om koldioxidhalten är högre. Tomatplantor trivs bäst om ph-värdet i jorden eller stenullen är ca 5,5. Vattnet som används för bevattning har ursprungligen ph högre än 7, men blandas med 60 % salpetersyra, HNO 3, för att ph 5,5 ska uppnås. Som gödsel använder växthusodlarna kaliumnitrat, KNO 3, calcinit bestående av kalciumnitrat och kalciumoxid, magnesiumsulfat MgSO 4 och mikrogödsel som innehåller bor, järn och molybden samt koppar, mangan och zink som EDTA-kelat. Calciniten, som också kallas kalksalpeter, ger en frodigare planta och tillförs därför i större mängder i början av växthussäsongen medan tomatplantorna växer och innan tomaterna börjat utvecklas. Sedan då tomaterna börjar utvecklas och mogna tillsätts större mängder kaliumnitrat i stället, för att främja tomaternas tillväxt. Magnesiumsulfaten motverkar gula blad hos tomatplantorna. För de olika stadierna i tomatplantornas liv gödslas vattnet de upptar på olika sätt. Odlarna löser upp gödselmedlen enligt rekommendationer om mängder i ett visst förhållande och gödselblandningarna tillförs sedan till vattnet i rätt mängd genom att konduktansen, eller ledningstalet, uppmäts hos vattnet. En regulator tillsätter gödselblandning tills den rätta konduktansen uppnås. Konduktans betyder ledningsförmåga och blir därmed ett mått på hur mycket joner, eller gödsel, som finns i vatten. Under den årstid då plantornas första tomater mognar ska gödsellösningen ha en konduktans kring 2,6 ms. Jordbrukskemi i undervisningen Kemin i jordbruket kunde tas in i kemiundervisningen i skolan i större utsträckning än vad den gör i dag. Särskilt på landsbygdsorter är det bra om undervisningen relaterar till jordbruk ibland för att det tillhör många elevers vardagsvärld. Också i städerna är det viktigt att höja 9

10 elevernas kunskaper om jordbruk och varifrån deras mat kommer samt att ge dem en positiv bild av det finländska jordbruket. Svenska lantbrukssällskapet ordnar skolkampanjer riktade till finlandssvenska lågstadier vilka behandlar det finländska lantbruket och matens väg från jord till bord. Jordbrukare och bönder besöker skolorna, berättar om arbetet på gården och ger material som berör husdjurshållning och växtodling. Meningen med kampanjen är att öka både elevernas och lärarnas kunskaper om jordbruk. Ett sätt att ta upp jordbrukskemi i skolan skulle vara att laborativt undersöka olika växters beroende av vissa ämnen i jorden. Man kunde t.ex. plantera frön av någon gröda i olika burkar med sur, neutral och basisk jord och undersöka hur de gror och växterna utvecklas eller undersöka vad som händer om man övergöder, göder lagom eller inte alls göder en växt. Detta skulle relatera starkt till biologiundervisningen också, men samarbete över ämnesgränserna är ju positivt. Att gå ut i naturen och upptäcka kemin där är också något som anknyter till jordbruk. Man kan t.ex. ta jordprov eller vattenprov från diken och mäta ph eller analysera andra ämnen om det finns utrustning. Studiebesök till växthus eller jordbrukargårdar skulle gå lätt att ordna på många orter. Att eleverna skulle få besöka en gård och se vad som står på gödselpåsar och få fundera över vad de olika ämnena gör för nytta tror jag skulle vara trevligt och lärorikt både för elever och de odlare som tar emot besök. Studiebesök kunde också ordnas till företag som analyserar jord, vatten och naturligt gödsel. Då skulle eleverna få se hur proven behandlas och analyseras för att jordbrukaren sedan ska kunna tillföra behövliga näringsämnen till sina åkrar. Sist men inte minst är det bra om läraren vet vilka kemikalier som används inom jordbruk för att kunna nämna det då uppgifter löses som t.ex. innehåller reaktionslikheter med jordbrukskemikalier. Det kan vara bra att ge verklighetsanknytningar åt uppgifterna genom att nämna var kemikalierna finns. Då handlar inte kemiundervisningen om en massa ämnen som man inte vet vad de används till. 10

11 Tas jordbrukskemi alls upp i dagens läroböcker? I Söderströms och Schildts förlags läroböcker i kemi för högstadiet Oktetten och Topp tas växtnäring och gödning upp. Jordmånens surhet tas upp mera i Topp medan Oktetten är mera inriktad på miljöproblemet försurning. I läroboksserien Kemisten från Söderströms förlag för gymnasiet tas miljökemi, gödningsämnen, försurning och biologiska kretslopp upp i boken för kurs fyra. Även i kurs tre nämns det om jordprov i samband med analysmetoder. Med stöd av läroböckerna är det därmed fullt möjligt för läraren att ta in intressanta fakta från jordbruksvärlden i kemin. Diskussion Jag har kommit fram till att det finns otroligt mycket kemi i jordbruket och växters liv och näringsupptag. Jordbrukskemi kan knappast ses som det mest väsenliga inom kemin som tas upp i skolan. Dock kan det ge trevliga infallsvinklar och jag tycker att jordbrukskemi gärna kunde tillhöra elevers allmänbildning. Jordbrukskemi tas upp i dagens läroböcker, men jag tror det behövs lite arbete från lärarens sida för att göra det intressant och motiverande för eleverna. Laborationer med växter och exkursioner till jordbruk och växthus är verkligen att rekommendera. Betonas kan också att det inte bara är på landsbygden undervisningen borde ge eleverna kunskap om jordbruks- och miljökemi, utan framför allt i städerna, där eleverna kanske inte varje dag kommer i kontakt med jordbruk, skulle exkursioner till jordbruk m.m. vara på sin plats. Referenser 1. Gödslingstolk 2000/2001, Lantbrukets Kemira Samarbete ger styrka 2. Intervju med jordbrukare Börje Westberg Intervju med tomatodlarna och jordbrukarna Ann-Mari och Henrik West Kasvun tekijät mitä kasvi tarvitsee kasvaakseen?, Kemianteollisuus ry, Kemira Agro Oy, Tiedeopetusyhdistys, Torjunta-ainetuottajien Yhdistys, Tammer-Paino Oy, Läroböckerna: Topp fysik och kemi åk 7-9, Schildts förlag Oktetten, Söderströms förlag Kemisten 3, Kemisten 4, Söderströms förlag 6. Svenska lantbrukssällskapets hemsida, 7. Tomat- och gurknytt från Närpes, Närpes trädgårdsproducenter r.f