لطفا منتظر باشید ...
خاک شناسی (قسمت اول)
گردآورندگان : ملیحه لشگری
اکرم سپاسی– عاطفه حبیبی
تاريخچه علم خاك
تاريخچه علم خاك با استفاده از آب و آبياري براي بهره برداري از خاك آغاز مي گردد . اهميت آب براي گياهان از زمان قبل از تاريخ شناخته شده است . در واقع عمليات آبياري توسط سومري ها در 3500 سال قبل از ميلاد مسيح اجرا گرديد و حتي در قرن 18 قبل از ميلاد هامورابي ( پادشاه بابل 1685-1730 قبل از ميلاد) از خود شرحي در مورد سيستم كانال هاي آبياري به جاي گذاشت .
براي اولين بار يوناني ها و رمي ها به يك سيستم بهره برداري كشاورزي پي بردند كه در آن كشت گياهان خانواده بقولات و استفاده از خاكستر و گوگرد به منظور بهبود حاصلخيزي خاك مورد توجه قرار داشت .
دوره تجربه و آغاز تحقيق
در ابتداي قرن هفدهم ميلادي يك پزشك و شيميدان اهل فلاندر * به نام وان هلمونت آزمايشي انجام داد كه به عنوان سرآغاز تاريخچه جديدي به حساب مي آيد . او يك نهال بيد به وزن 3/2 كيلو گرم را در 8/90 كيلو گرم خاك كاشت ، به خاك مزبور چيزي جز آب باران اضافه نگرديد ، پس از گذشت پنج سال وزن درخت به 8/76 كيلو گرم رسيد در حالي كه از وزن خاك فقط 57 گرم كاسته شد . محقق مزبور اين كاهش وزن خاك را به حساب خطاهاي آزمايش گذاشت و پس از اين تحقيق نظر فرانسيس بيكن انگليسي را كه آب تنها ماده غذايي گياه است اشاعه داد . نظر وان هلمونت به دو دليل زير درست نبود :
- كاهش 57 گرم از وزن خاك مربوط است به جذب مواد معدني P , K , Caتوسط گياه .
- درخت بيش از همه با عمل جذب كلروفيلي از كربن و اكسيژن موجود در اتمسفر خود را ساخته بود .
بعدها در 1731 ميلادي جفرو تولانگليسي به اين نتيجه رسيد كه عوامل اصلي رشد گياهان عبارتند از : نيترات ، آب ، هوا ، خاك و گرما
مفاهيم خاك شناسي
در يك حالت كلي قشر سطحي پوسته جامد زمين را كه در حال تجزيه و تخريب خاك است مي نامند . از نظر يك كشاورز خاك محلي است براي رشد و نمو گياهان كه به او امكان برداشت محصول را مي دهد . در حالي كه يك مهندس راه و ساختمان خاك را محلي براي برقراري جاده ها و ساختمان ها مي داند .
تعاریف عمومی خاک
قبل از آشنایی به کارها و نظریات دوکوچایف زمین شناس روسی (1898) که به او پدر خاکشناسی نیز لقب داده اند خاک فقط به چند سانتی متر از سطح زمین اتلاق می گردید که آلات و ادوات کشاورزی در آن نفوذ می کردند و آن را برای مقاصد کشاورزی آماده می ساختند از نظر دوکوچایف خاک مجموعه یی است متغیر که تحت تاثیر شرایط محیطی می باشد که در ان قرار دارد .
قبل از شناسایی میکروارگانیسم ها در خاک و اهمیت فعالیت آنها در تجزیه و تخریب مواد به همان تعریف فوق برای خاک بسنده می نمودند . در آن زمان خاک فقط یک محیط بی جان و محلی برای ررشد و نمو گیاهان به شمار می رفت که در آن خواص فیزیکی و شیمیایی نسبتاً ثابت بوده و صرفاً از خواص سنگ مادر نتیجه گیری می گردید . امروزه خاک مفهوم وسیع تری دارد که به نوبه خود به علت فعالیت میلیون ها موجود زنده در قشر کوچکی از آن محیطی جاندار محسوب می شود . بدین ترتیب از یک طرف به علت خاصیت نگهداری آب و هوا در خاک و نقش ذرات ریز معدنی و آلی تحت نام کلوئیدها , محیط خاک اهمیت فیزیکی ویژه یی به خود گرفته است , از طرف دیگر فعل و انفعال های شیمیایی و بیو شیمیایی که مدام در خاک جریان دارند , اهمیت حیاتی این محیط را بیش از بیش توجیه می نمایند . تاثیر عوامل و پدیده های فیزیکی , شیمیایی و بیولوژیکی مذکور در خاک مطالعه محیط آن را بس دشوار نموده است به طوری که موفقیت کامل در این مطالعه مستلزم تسلط کافی در سایر علوم مربوطه می باشد .
امروزه از خاک تعاریف متعددی در کتاب ها به چشم می خورد که در واقع همه آنها به مفهوم واحدی منتج می گردند . در زیر به چند تعریف از چند خاکشناس اشاره می گردد :
- خاک قشر طبیعی سطحی زمین با ساختمانی نرم و ضخامتی متغیر است که از تغییر و تحول سنگ مادر تحت تاثیر پدیده های مختلف فیزیکی , شیمیایی و بیولوژیکی به وجود آمده است (آ . دمولون)
- خاک پوشش فوقانی پوسته زمین است که تحت تاثیر پدیده های تجزیه و تخریب سنگ ها تشکیل می شود و در نتیجه نرمی و نفوذ پذیری حاصله امکان کشت گیاهان در آن فراهم می گردد ( ژ . گشه)
- خاک محصول تجزیه و تخریب , تغییر و تحول و تجمع مواد لایه های سطحی پوسته زمین تحت تاثیر حیات , جو و تبادل انرژی هایی است که در آن به وقوع می پیوندد (ژ . ابر و ژ . بولن)
- خاک مجموعه یی است از عناصر محتلف که از تغییر و تحول سنگ یا هر ماده دیگر تحت تاثیر عوامل فیزیکی , شیمیایی و بیولوژیکی به وجود آمده است . این مجموعه مدام تحت تاثیر عوامل مزبور قرار دارد و بسته به شرایط محیط در جهت معینی از تکامل و تغییر هدایت می شود ( ج . غازان شاهی)
مفاهیم خاکشناسی
به کلیه پدیده هایی که منجر به تجزیه و تخریب سنگ می شوند و نیز موجبات تغییر و تکامل خاک تشکیل شده را فراهم می نمایند . پدوژنزگفته می شود . در یک حالت کلی اگر به جزئیات پدیده های پدوژنز نپردازیم می توان گفت که این پدیده ها در سه مرحله تجزیه و تخریب مواد , حرکت و مهاجرت عناصر حاصل از تجزیه و سر انجام ترکیب و تجمع این عناصر خلاصه می شوند خاکشناسی علم بررسی کلیه پدیده هایی مذکور در خاک های مناطق مختلف می باشد .
در یک قضاوت کلی باید اذعان نمود که علم خاکشناسی علمی است جوان که به دلیل پیچیدگی خاص محیط مورد مطالعه آن یعنی خاک علمی دشوار و رسیدن به نتایج قطعی در آن مستلزم بررسی های طولانی و همه جانبه می باشد . چنین بررسی هایی به نوبه خود مستلزم شناخت کافی به علوم مختلف از جمله زمین شناسی , هیدرولوژی , جغرافیا, گیاه شناسی , فیزیک , شیمی , هواشناسی و ... می باشد , به طوری که در تحقیق یک پدیده خاکشناسی اغلب از یک یا چند علم در عین حال استفاده می گردد . این موضوع شاید دلیل اصلی عدم هماهنگی کامل در ویژگی های علم خاکشناسی در مراکز مختلف علمی بوده است چون میزان آشنایی به علوم وابسته عاملی تعیین کننده برای رسیدن به نتایج واقعی و دقیق تر می باشد .
پدیده های مختلف پدوژنر اغلب بسیار کند و در زمانی طولانی صورت می پذیرند . بررسی کننده فقط وضع موجود را که مرحله یی از تغییر و تحول به شمار می آید می تواند عملاً مشاهده نماید به ناچار در بسیاری از موارد در آزمایشگاه ها شرایطی فراهم می کند سرعتی به مراتب بیشتر از آن چه که در طبیعت وجود دارد در بعضی از پدیده ها ایجاد کند در چنین بررسی هایی محقق تا حد مقدور می کوشد که شرایط موجود در محیط طبیعی رعایت شود و به ویژه در نتیجه گیری نهایی تفاوت های ناشی از انحراف های غیر قابل اجتناب از محیط طبیعی به یک محیط مصنوعی را با ظرافت و دفت منظور نماید . وقتی چنین بررسی ایی با وقوف به علوم وابسته صورت پذیرد نتایج تجربی و آزمایشگاهی قوانین جاری خاکشناسی را عیان می سازند که چنین نتایجی خود زاینده فرضیه های اررزنده در آگاهی به پدیده های پدوژنوز است .
وضع زمین شناسی و چگونگی استقرار و توزیع طبقات زمین از نظر جغرافیایی و تلفیق آن با شرایط آب و هوایی مناطق و اقلیم های مختلف , اطلاعات بسیار اساسی برای بررسی در پدیده های پدوژنز به ما می دهد . در محدوده هایی مشابه از نظر جغرافیایی و زمین شناسی اغلب درموقعیت های منطقه یی یکسان خاک های مشابه نیز دیده می شوند . بدین ترتیب وضع ظاهری زمین و شرایط اقلیمی مناطق می تواند کم و بیش معرف چگونگی توزیع خاک های مختلف از نظر خاکشناسی باشد . در این مورد ژ . تری کار پا را فراتر می نهد و اشاره می کند که گاهی وضع ظاهری زمین در بعضی از شرایط جغرافیایی و اقلیمی به قدری اهمیت دارد که حتی یک تفسیر دقیق از عکس های هوایی منطقه می تواند برای تهیه نقشه خاکشناسی آن منطقه کافی باشد .
هیدرولوژی به نوبه خود رابطه زیاد با علم خاکشناسی دارد و در مرحله حرکت و مهاجرت عناصر حاصل از تجزیه و تخریب مواد به مقدار زیاد دخالت می کند . در مبحثی از هیدرولوژی که در ان چگونگی تغذیه به سفره های آب زیرزمینی از نزولات آسمانی مورد مطالعه قرار می گیرد نقش ویژه این علم در بررسی های خاکشناسی بیش از پیش ملاحظه می گردد چرا که عبور فاز آب از میان فاز خاک صورت می پذیرد و در خلال آن درفرایند های فیزیکی و شیمیایی پدوژنز موثر واقع می شود . در تایید اهمیت این موضوع یادآور می شود که در بررسی های خاکشناسی حتی روش ها و تکنیک هایی به منظور چگونگی حرکت آب در لایه های خاک ابداع گردید که در ان تاثیر فرایندهای هیدرولوژی در انتقال عناصر چه از نظر کمی و چه از نظر کیفی مورد مطالعه قرار می گیرد و نتایج ارزنده یی در روشن شدن مرحله یی از پدوژنز در بر دارد .
میکروبیولوژی با چگونگی تشکیل و تکامل خاک رابطه یی بس فشرده دارد . این رابطه در خاک های با رطوبت زیاد ضعیف تر ولی در خاک هایی که شرایط بهتر زیست برای موجودات زنده را دارند به مراتب زیادتر است به طوری که چگونگی تکامل خاک های اخیر به مقدار زیاد مدیون فعالیت موجودات زنده و میکروارگانیسم ها می باشد . همان طور که گاهی خاک های هیدرومورف را به دلیل نقش اساسی عوامل فیزیکی در تشکیل و تکامل آنها خاک های فیزیکی و خاک های شور و قلیایی را به علت اهمیت ویژه پدیده های شیمیایی در تشکیل آنها خاک های شیمیایی می نامند همین طور هم خاک هایی در طبیعت وجود دارند که به دلیل اهمیت فوق العاده زندگی موجودات زنده در تکامل آنها , می توان آنها را متصف به میکروبیولوژی و موجودات زنده دانست . در تایید اهمیت این موضوع باید گفت که ادامه حاصلخیزی خاک مدیون فعالیت موجودات زنده در آن است . دانستن این که خاکی زنده یا مرده است بسیار حائز اهمیت می باشد زیرا خاک زنده قادر به حفظ حاصلخیزی خود بوده در حالی که خاک مرده در هر شرایط فیزیکو شیمیایی دیر یا زود این خاصیت را از دست می دهد .
فازهاي خاك
خاك از سه فاز تشكيل شده است : فاز جامد ، فاز مايع ، فاز گاز
در اغلب خاك ها قسمت اعظم حجم فاز جامد را مواد معدني تشكيل مي دهند كه به آن مقداري ماده آلي و هوموس نيز اضافه مي گردد . فضاي موجود بين دانه هاي جامد توسط فاز مايع و فاز گاز اشغال شده است . فاز مايع به ويژه شامل آب و فاز گاز شامل هوا مي باشد .
در يك خاك مطلوب از نظر كشاورزي حجم اشغال شده به وسيله هر يك از سه فاز به شرح زير است :
فاز جامد 50% (45% بخش معدني + 5% ماده آلي) ، فاز مايع 25% و فاز گاز 25% .
عوامل تشكيل دهنده خاك
بخش معدني خاك به ويژه از تجزيه و تخريب ( هوا ديدگي) سنگ ها تحت فرايندهاي فيزيكي ، شيميايي و حتي بيو شيميايي به وجود مي آيد . عمل خرد شدن سنگ ها تحت تاثير عوامل فيزيكي با سرعت بيشتري صورت مي گيرد و اغلب قابل رويت مي باشد ، در حالي كه تخريب سنگ ها از طريق شيميايي با كندي انجام مي پذيرد و شرايط آب و هوايي ( رطوبت و دماي بالا) در تسريع آن تاثير زياد دارد . چون تقريباً در تمامي موارد تشكيل خاك از سنگ يا سنگ مادري پديده هاي فيزيكي و شيميايي از هم جدا نمي باشند و مدام يكي موجبات سهولت عمل ديگري را فراهم مي كند بنابراين مي توان كليات تشكيل خاك از سنگ را از طريق عوامل طبيعي و قابل اندازه گيري در مقياسي بزرگ تر دنبال نمود .
تاثير آب
آب هاي جاري و سيلاب ها ضمن حركت مقداري از مواد متشكله سنگ هاي بستر خود را جدا كرده و همراه خود تغيير مكان مي دهند . هر قدر نيروي مكانيكي آب و قابليت تخريب سنگ ها بيشتر باشد قطعه هاي جدا شده با قطر كمتر خواهند بود . به علاوه پس از جداسازي اوليه ، قطعه ها و دانه هاي معلق در آب به نوبه خود به اين پديده سرعت بيشتري مي دهند ، در واقع از برخورد اين قطعه ها به سنگ هاي بستر عمل جداسازي با ضربه هاي زيادتر و نيروي مكانيكي بيشتري صورت مي پذيرد . در اين راستا نتايج بررسي ها نشان مي دهند كه انرژي حركتي آب در شيب 2% قادر است سنگ هايي از نوع گنيس يا ميكاشيست به قطر 20 دسي متر را پس از طي 6 كيلومتر به سنگريزه هايي به قطر 2 سانتي متر و پس از طي 12 كيلومتر به دانه هاي شن با قطر كمتر از 2 ميلي متر تبديل كند . همين نوع بررسي ها با سنگ هايي مقاوم تر مانند گرانيت با فاصله انتقال حدود دو برابر مسافت هاي فوق به نتايجي مشابه رسيده است . تاثير مكانيكي آب فقط به آب هاي جاري يا رودخانه ها اختصاص ندارد ، از برخورد امواج درياها به سواحل سنگي نيز همواره دانه هايي از ديواره اين سواحل جدا شده و بر حسب درشتي و ريزي در فواصل كم و بيش از ساحل در كف دريا به جاي گذاشته مي شوند .
اب علاوه بر تاثير فيزيكي مي تواند از طريق شيميايي مانند يك منبع اصلي يون هاي H+ و H- عمل نمايد و پديده هايي مانند تبادل ، هيدروليز ، انحلال ، اكسيداسيون و احياء را در نجزيه و تخريب سنگ ها موجب گردد . چگونگي ساختمان فيزيكي كاني ها ، جرم حجمي و وجود فضاي خالي در ساختمان تجمعي آنها در سهولت دخالت يون هاي خارجي و در نتيجه در شدت تجزيه و تخريب آنها توسط آب موثر مي باشند . خرد شدن سنگ ها يا تاثير فيزيكي آب كمك فراوان به تاثير شيميايي آن مي نمايد در واقع پس از تقسيم قطعه هاي بزرگ سنگ به كوچكتر سطح تماس افزايش يافته و در نتيجه تاثير شيميايي آب بيشتر مي شود .
آب در تماس با سنگ ها مواد قابل حل آنها را در خود حل مي كند و در جايي ديگر به صورت رسوب به جاي مي گذارد به عنوان مثال نمك طعام به قدر كافي در سنگ هاي رسوبي وجود دارد به مقدار قابل ملاحظه (357 گرم در ليتر) در آب حل مي گردد و به آساني از محلي به محل ديگر انتقال مي يابد . گچ نيز به مقدار كمتر (2 تا 5/2 گرم در ليتر) در آب حل مي شود ولي با توجه به مقدار زياد آن در طبيعت اغلب از طريق سيلاب ها و به صورت دانه هاي معلق منتقل مي گردد .
قابليت حل سيليكات ها در آب بسيار ضعيف است ولي آب به علت داشتن خاصيت هيدروليز و احياء بر روي سيليكات ها تاثير مي نمايد و از آنها رس يعني مهم ترين واحد بافت خاك را مي سازد .
آب گاز كربنيك دار به مراتب تاثير شيميايي بيشتري از آب خالص دارد ، به علاوه هر قدر دماي آب بيشتر باشد باز هم بر شدت تاثير آن افزوده مي گردد . بدين ترتيب آب گاز كربنيك دار بر روي سنگ هاي آهكي بسيار كم محلول در آب خالص تاثير مي گذارد و از آنها كلسيم بي كربنات قابل حل را مي سازد .
CaCo3 + H2O + CO2
Ca (HCO)2
آب گاز كربنيك دار با سهولت بيشتري در تشكيل رس كائولينيت از ارتوز عمل مي نمايد و سيليس را به صورت ژلاتيني آزاد مي كند .
6Sio2 , Al2o3 , K2o + 4H2o + CO2
2Sio2 , Al2o3+2H2O+K2CO3+4Sio2+ 2H2O
آب گاز كربنيك دار از انورتيت كه يك فلدسپات كلسيم دار است رس كائولينيت و كلسيم كربنات را آزاد مي كند .
2Sio2 , Al2o3 , CaO + CO2 + 2H2O
2Sio2 , Al2o3 , 2H2O+ CaCO3
سرانجام آب علاوه بر موارد فوق به عنوان كاتاليزور نيز در اكسيد شدن فلزات دخالآت مي نمايد و عامل اصلي هيدارته شدن اكسيدها مي باشد .
2Fe + 3 O2
Fe2O3
(هماتيت)
2
Fe2O3 + H2O
2Fe OOH
(گوئتيت)
