خاک به لحاظ مفهومی برای انسان های مختلف معانی متفاوت دارد. از دیدگاه مهندسی کشاورزی خاک مواد هوازده پوسته سخت زمین است که از خرد شدن و تجزیه سنگ ها توسط فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلف به وجود آمده و بتدریج با انواع موجودات ریز و درشت زنده حیوانی، گیاهی و یا لاشه مرده آن ها مخلوط شده و توده غیریکنواختی را بوجود آورده است. خاک به عنوان بستری برای حیات روی زمین، مخزن آب و مواد مغذی و واسطه ای برای تجزیه مواد آلی بوده و نقش مهمی در چرخه های مختلف بیوژئوشیمیایی ایفا می کند. خاک یک سیستم ناهمگن، پلی فاز، ذره ای، پراکنده و متخلخل است. ماتریس خاک (Soil matrix)، محلول خاک (Soil solution) و اتمسفر خاک (Soil atmosphere) به ترتیب فازهای جامد، مایع و هوای خاک را تشکیل می دهند. بخش جامد خاک به قسمتی از آن گفته می شود که با چشم قابل رویت می اشد. این بخش که انبار ذخیره آب و عناصر غذایی بشمار می آید از مواد مختلف تشکیل شده است که می توان آن ها را به دو گروه مواد معدنی و مواد آلی تقسیم کرد. فاز جامد خاک بر خاصیت تصفیه کنندگی و پالایش آلاینده ها در هنگام عبور محلول ها از آن و یا فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی که در خاک صورت می پذیرد نقش اساسی دارد. در واقع کیفیت خاک عمدتا بستگی به مواد جامد آن داشته و همین مواد هستند که برای زندگی جانداران خاکزی و گیاهان محیط مناسبی را فراهم می کنند. یکی از خواص عمده فاز جامد خاک قدرت بافری آن (Buffer power) یا توان یون های وابسته به آن برای مقاومت در برابر تغییرات ناگهانی غلظت یون های محلول خاک می باشد که خاک را در وضعیت تعادل یا پایداری نگه دارد. به عبارت دیگر کیفیت خاک در گرو پایداری فاز جامد آن می باشد.
خصوصیات خاک (Soil properties)
در دنیا، مناطق اقلیمی (Ecozones) مختلفی وجود دارد که خاک های هر یک از آن ها به لحاظ ظاهر و خصوصیات فیزیکی - شیمیایی متفاوت است. حداقل در سطح دنیا ۹ منطقه اکولوژیکی را می توان تشخیص داد که خاک های خاص خود را دارند. اما تفکیک این خاک ها بخصوص در مرزهای مناطق هم اقلیم بسیار مشکل می باشد. این مناطق به لحاظ رطوبت، دما، طول دوره رشد گیاهان، ساختار سنگ های مادری، تابش آفتاب، تراکم زندگی جانوران و گیاهان متفاوت بوده و لذا خاک هایی هم که در این مناطق تکامل پیدا کرده اند چه از نظر ظاهری و چه به لحاظ خصوصیات خاک شناختی تفاوت دارند. سنگ های مادری، آب و هوا (اقلیم)، عوامل زیستی (ماهیت و تاثیر جوامع زیستی نظیر گیاهان و جانوران)، پستی و بلندی (توپوگرافی) و زمان به عنوان فاکتورهای پنج گانه خاکسازی منجر به ایجاد خاک های مختلف در مناطق متفاوت می شوند. هیچکدام از عوامل خاکسازی مستقل نبوده و در ارتباط با سایر عوامل عمل می کنند. شاید بتوان تاثیر انسان را نیز به عنوان ششمین فاکتور موثر در خاکسازی محسوب نمود. چراکه انسان به طرق گوناگون از قبیل آبیاری و تغییر وضعیت هیدرولوژیکی منطقه، بریدن جنگ ها، چرای مراتع، خارج کردن زیست توده ها (Biomass) از سطح زمین و یا آلودگی زمین و غیره فرآیند خاکسازی را تغییر داده و باعث ایجاد خاک هایی با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی گوناگون می شود.
خصوصیات فیزیکی خاک (Soil physical properties)
توزیع اندازه ذرات (Particle size distribution) و بافت خاک (Soil texture)
مواد غیرآلی خاک از دو نوع ذرات تشکیل شده اند که عبارتند از :
- ذرات اولیه
- ذرات ثانویه
ذرات اولیه قابل خرد شدن نبوده و نمی توان آنها را به اجزاء کوچکتر تقسیم نمود. این اجزاء را گروه های ذرهای (Soil separates) می نامند. در مقابل ذرات ثانویه با روش های پراکنده کردن فیزیکی یا شیمیایی به ذرات کوچکتر تقسیم میشوند. اندازه ذرات تشکیل دهنده خاک یکی از مهمترین خصوصیات فیزیکی است که بر بسیاری از خواص خاک مانند تخلخل، بزرگی و کوچکی منافذ و سطوح جانبی ذرات خاک موثر است. اندازه ذرات خاک با دو معیار متداول ارزیابی میشود. یکی از این معیارها توزیع اندازه ذرات و دیگری بافت خاک است. توزیع اندازه ذرات یک معیار کمی است و بوسیله آن می توان تشخیص داد ذرات خاک دارای چه اندازههایی هستند. در صورتیکه بافت خاک یک معیار کیفی بوده و فقط بر اساس احساسی که در اثر لمس کردن خاک به انسان می دهد میتوان خاکها را طبقهبندی کرده و در گروه هایی مانند خاکهای نرم و درشت و ریز و غیره قرار داد.
سیستمهای بسیار زیادی برای گروه بندی ذرات خاک ارائه شده است که از بین آنها دو سیستم طبقه بندی وزارت کشاورزی آمریکا (USDA) و انجمن بین المللی خاکشناسی (ISSS) در کارهای کشاورزی بیشتر از سایر سیستمها کاربرد دارند. در این دو سیستم ذراتی که اندازه آنها از ۲ میلیمتر بزرگتر باشند جز گروه های ذرهای خاک محسوب نمی شوند این در حالیست که مقدار نسبی شن (Sand)، سیلت (Silt) و رس (Clay) که ذرات کوچکتر از سنگریزه (کوچکتر از ۲ میلیمتر) میباشند بافت خاک را تشکیل میدهند. بهعبارت دیگر بافت خاک اندازه نسبی ذرات خاک است که حاکی از ریزی و درشتی خاک می باشد.
برای تعیین اندازه ذرات خاک تجزیه مکانیکی انجام میشود. این فرآیند شامل پراکنده کردن (Dispersion) یا جدا کردن ذرات بهم چسبیده از یکدیگر و تعیین گروههای اندازه ذرات است. در مرحله پراکنده کردن، ذرات ثانویه شکسته شده و به ذرات اولیه یا گروههای ذرهای خاک تبدیل می شوند. در مرحله بعد ذرات خاک از نظر فیزیکی جدا شده و در گروه های اندازه های مختلف قرار داده می شوند. این عمل اصطلاحا جزءبندی () نامیده میشود که برای آن روشهای گوناگونی بکار برده میشود. انتخاب روش بستگی به طیف اندازه ذرات، هدف از تجزیه مکانیکی و یا نوع وسایل آزمایشگاهی مورد استفاده دارد. این روش ها عبارتند از:
- غربال کردن (Sieving)
- رسوب گذاری (Sedimentation) میکروسکوپ چشمی
- رسوب گذاری ثقلی
- نفوذپذیری
- میکروسکوپ الکترونی
- سانتریفیوژ
- روش کدورتسنجی
از بین این روش ها، دو روش غربال یا الک کردن و روش رسوب گذاری یا هیدرومتری بیشتر بکار برده می شود.
پس از آنکه خاک مورد تجزیه مکانیکی قرار گرفت و نتایج حاصل از آزمایش الک یا رسوبگذاری بدست آمد از روش های متعددی برای توصیف نتایج می توان بهره برد. یکی از این روش ها استفاده از مثلث بافت خاک و تعیین کلاس بافتی (Textural classes) میباشد. برای طبقهبندی خاک از نظر بافت ابتدا مقادیر شن، سیلت و رس را تعیین و سپس درصد مربوط به آنها مشخص میگردد. در ادامه با استفاده از مثلث بافت خاک مقادیر ذرات مختلف را روی محورهای مربوطه مشخص کرده و از نقطه مشخص شده روی هر محور با رسم خطوط موازی با محور دیگر نقطه تلاقی آنها در مثلث مشخص میشود. نقطه تلاقی نشاندهنده بافت خاک است. بر اساس سیستم طبقه بندی سازمان خاک آمریکا ۱۲ نوع بافت خاک وجود دارد.باید در نظر داشت که تعیین بافت خاک با استفاده از داده های تجزیه مکانیکی و مثلث بافت یک روش کیفی است که در واقع میتوان آن را روش اصلاح شده لمس کردن خاک به حساب آورد.
نوع دیگر مثلث بافت خاک بصورت قائم الزاویه تهیه شده است. در این مثلث نیز همان ۱۲ نوع بافت مشاهده میشود با این تفاوت که تنها با داشتن درصدهای رس و شن می توان بافت خاک را با رسم دو خط افقی و عمودی و به دست آوردن نقطه تلاقی آنها بدست آورد.
ساختمان خاک (Soil structure)
ساختمان خاک عبارت است از
- ترتیب قرار گرفتن ذرات خاک (شن، سیلت و رس) در مجاورت یکدیگر
- تشکیل ذرات بزرگتر و ثانویه (که خاکدانه نامیده می شود)
که این ذرات نیز به نوبه ی خود با نیروی ضعیفی به یکدیگر متصل می گردند. ساختمان خاک نیز یکی از خصوصیات مهمی است که همانند رنگ، بافت یا خواص شیمیایی در افق های مختلف یک پروفیل تعیین می گردد. چون ذرات خاک از نظر اندازه و شکل متفاوت هستند لذا هیچ گونه شکل هندسی خاصی را برای ساختمان خاک نمی توان مشخص کرد. بخصوص اینکه ساختمان خاک ثابت نبوده و علاوه بر غیریکنواختی در نقاط مختلف، نسبت به زمان نیز تغییر می کند. ساختمان خاک برخلاف بافت خاک در اثر فعالیت های بیولوژیک و آب و هوا و مدیریت های مختلفی که روی آن انجام می شود تغییر می کند. به این دلیل هیچ گونه روش مشخصی برای اینکه ساختمان خاک را اندازه گیری کنیم وجود ندارد و تنها می توان بصورت کیفی آن را توصیف نمود. لذا کلیه روش¬های خصوصیت بندی خاک (Soil characterization) در واقع روش های غیرمستقیم توصیف کیفی ساختمان خاک می باشند. یعنی در آن ها پارامترهایی توصیف و طبقه بندی می شوند که به نحوی در ارتباط با ساختمان خاک هستند. بطورکلی از نظر کشاورزی سه نوع ساختمان خاک وجود دارد که عبارتند از :
- دانه ای (Grained)
- توده ای (Massive)
- خاکدانه ای (Aggregated)
اگر ذرات خاک از یکدیگر مجزا باشند خاک را بدون ساختمان گویند. مانند ذرات ماسه های ساحلی. ولی در فیزیک خاک به این نوع خاک ها از نظر ساختمانی تک دانه ای گفته می شود. از طرف دیگر چنانچه ذرات خاک طوری بهم چسبیده باشند که کلوخه های بزرگی را ایجاد کرده باشند از نظر ساختمانی به آن ها توده ای یا کلوخه ای اطلاق می شود. بین این دو طیف یعنی در حد فاصل دانه ای تا کلوخه ای نوع دیگری از ساختمان خاک وجود دارد که در آن ذرات خاک با هم دانه های نسبتا کوچک و بزرگی بنام خاکدانه (Aggregate) یا خاک واحد (Ped) را تشکیل می دهند.
خاکدانه بهترین وضعیت ساختمانی از نظر کشاورزان بوده و هدف از خاک ورزی توسط زارعین عمدتا ایجاد شرایط خاکدانه ای در خاک می باشد. خاک واحدها خود به ۴ گروه ساختمانی تقسیم می شوند که عبارتند از:
- دانه ای (Granular)
- بشقابی یا صفحه ای (Platy)
- مکعبی (Blocky)
- منشوری (Prismatic)
بنابراین عملا در کشاورزی با ۶ نوع واحد ساختمانی سروکار داریم.
ساختمان خاک را به روش های مختلفی می توان مطالعه کرد. اما کمی کردن نتایج این مطالعات امکان پذیر نیست. برای مثال می توان از خاک ورقه های نازک تهیه و با میکروسکوپ فابریک خاک را مشاهده کرد و یا وضع ساختمانی ذرات رس را با میکروسکوپ الکترونی بررسی نمود. اما تمام این مشاهدات جنبه کیفی داشته و تنها راه بررسی کمی ساختمان خاک اندازه گیری تخلخل (Porosity) و توزیع اندازه منافذ است. روش دیگر، برای طبقه بندی ساختمان خاک اندازه گیری خصوصیات مکانیکی و نفوذپذیری آن نسبت به هوا یا آب می باشد. انتخاب روش در وهله اول بستگی به نوع وسایل، نوع خاک، امکانات موجود و در آخر نظر متخصص فیزیک خاک دارد.
تخلخل خاک (P) بطور غیرمستقیم از روی اندازه گیری چگالی ظاهری (ρb) و حقیقی (sρ) و با استفاده از فرمول زیر بدست می آید:
معادله اول
P=1-ρb/ρs
اندازه گیری توزیع منافذ خاک در خاک درشت دانه با روش وارد کردن فشار (Pressure-intrusion) انجام می شود. در این روش سیاله ای که جدار ذرات خاک را خیس نکند (مانند جیوه) با فشار به داخل خاک رانده می شود. از روی حجم نفوذ جیوه در فشارهای مختلف می توان به نحوه توزیع منافذ خاک پی برد. در خاک های ریز بافت از روش به اصطلاح واجذبی (Desorption) استفاده می شود. در این روش نمونه ای از خاک اشباع شده را به تدریج تحت مکش قرار داده و حجم آب خارج شده از خاک در مراحل مختلف اندازه گیری می شود. توزیع مقادیر حجم آب خروجی از خاک در مکش های مختلف نشان -دهنده نحوه توزیع اندازه منافذ در خاک می باشد.
معادله دوم
ρs=Ms/Vs
وزن مخصوص حقیقی خاک (Particle density)
اندازه گیری وزن مخصوص حقیقی صرفا بر اساس وزن ذرات جامد است. بنابراین وزن مخصوص حقیقی در یک نوع خاک همواره ثابت بوده و با تغییر مقدار خلل و فرج خاک تغییر پیدا نمی کند. این نوع وزن مخصوص عبارت است از وزن ذرات جامد در واحد حجم و معمولا بر حسب گرم در سانتیمتر مکعب بیان می گردد. وزن مخصوص حقیقی در اکثر خاک ها بطور متوسط در حدود ۶۵/۲ گرم در سانتی متر مکعب بوده و تغییرات آن در خاک های مختلف به استثنای مواردی که مقدار زیادی ماده آلی (۳/۲ گرم در سانتیمتر مکعب) یا انواع بخصوصی از کانی ها از جمله اکسید آهن وجود دارد (۹/۲ گرم در سانتیمتر مکعب) ناچیز می باشد.
معادله سوم
ρb=Ms/Vt
وزن مخصوص ظاهری خاک (Bulk density)
وزن مخصوص ظاهری عبارت از وزن واحد حجم خاک خشک شده در کوره الکتریکی است. واحد آن نیز معمولا بر حسب گرم در سانتی متر مکعب بیان می شود.برای تهیه نمونه خاک جهت اندازه گیری وزن مخصوص ظاهری از استوانه های فولادی مخصوصی استفاده می شود. در نمونه برداری باید سعی شود که ساختمان خاک از بین نرود زیرا هرگونه تغییر ساختمان در میزان خلل و فرج و در نتیجه در چگالی خاک تاثیر می گذارد. وزن مخصوص خاک های ریزبافت در حدود ۱ تا ۳/۱ گرم در سانتی¬متر مکعب و وزن مخصوص خاک های درشت بافت بین ۳/۱ تا ۸/۱ گرم در سانتی متر مکعب متغیر است. دلیل کمتر بودن وزن مخصوص خاک های ریزبافت وجود مقدار خاکدانه های بیشتر و درنتیجه فضای بیشتر در خاک می باشد. وزن مخصوص خاک های آلی یا هیستوسول ها در مقایسه با خاک های معدنی خیلی کم است. تغییرات وزن مخصوص در این خاک ها زیاد بوده و به نوع و ماهیت مواد آلی و مقدار آب موجود در هنگام نمونه¬برداری بستگی داشته و معمولا بین ۱/۰ تا ۶/۰ گرم در سانتی متر مکعب متغیر است.
رنگ خاک (Soil color)
رنگ خاک واضح ترین مشخصه خاک است که به آسانی قابل اندازه گیری است. تعیین رنگ خاک بیشتر به این دلیل حائز اهمیت است که از طریق آن می توان به خواص مهم دیگری (نظیر وضعیت زهکشی خاک) پی برد که اندازه گیری آن ها اغلب یا مشکل است و یا بطور دقیق عملی نیست در نتیجه رنگ خاک هنگامی که با سایر خصوصیات خاک درنظر گرفته شود بسیاری از تفسیرهای ژنتیکی و بهره برداری اراضی را ممکن می سازد. مواد آلی یکی از عوامل مهم ایجاد رنگ در خاک ها می باشد که بر حسب نوع، مقدار و نحوه توزیع آن رنگ های مختلفی ایجاد می گردد. تورب خام (Raw peat) معمولا به رنگ قهوه ای است در حالی که مواد آلی کاملا پوسیده نظیر هوموس (Humus) دارای رنگ های سیاه یا رنگ تیره است. عامل رنگ قرمز در خاک ها معمولا آهن بدون آب و اکسید آهن (هماتیت) است. در مناطق حاره ترکیب مواد آلی و اکسید آهن رنگ قهوه ای متمایل به قرمز ایجاد می کند. رنگ زرد نیز در اثر وجود اکسید آهن هیدراته (لیمونایت) ایجاد می گردد و مشاهده چنین رنگی در تحت الارض خاک ها معرف زهکش نامساعد خاک می باشد. در حالت اشباع و کمبود اکسیژن آهن به شکل احیا درآمده و در نتیجه رنگ خاک خاکستری و گاهی هم آبی بنظر می رسد. بطورکلی میزان و شدت رنگ قرمز و زرد در خاک ها هر چه از نقاط سرد به استوا نزدیک تر می شویم بیشتر می شود. رنگ خاکستری متمایل به سفید نیز گاهی در اثر وجود مواد اولیه نظیر شن کوارتزی یا مارن می باشد. رنگ سفید خاک در مناطق خشک و نیمه مرطوب می تواند ناشی از تبخیر رطوبت و تجمع املاح محلول باشد.
رنگ خاک از روی دفترچه رنگ مانسل (Munsell chart) که شامل ۱۷۵ خانه رنگی است و بطور منظم و سیستماتیک و بر اساس سه مشخصه رنگ یعنی هیو (Hue)، ولیو (Value) و کروما (Chroma) تنظیم شده است تعیین می گردد. هیو عبارت است از طول موج نور غالب یا رنگ نور، ولیو یا درخشندگی به شدت نور اطلاق می شود و کروما درجه خلوص نسبی نور غالب است. مقدار ولیو از رنگ های تیره به روشن افزایش می یابد، در حالی که مقدار کروما با کاهش مقدار نور سفید افزایش می یابد .متغیرهای سه گانه رنگ بصورت اعداد و حروف در این دفترچه ارائه شده است و هنگام مشخص نمودن یک رنگ به ترتیب هیو، ولیو و کروما ذکر می گردد.
دمای خاک (Soil temperature)
دما خاک و چگونگی تغییرات آن نسبت به زمان و مکان یکی از مهم ترین عواملی است که نه تنها ماده و انرژی را در خاک تحت تاثیر قرار می دهد بلکه میتوان گفت میزان و جهت کلیه فرآیندهای فیزیکی خاک بصورت مستقیم یا غیرمستقیم وابسته به دماست. علاوه برآن فرآیندهایی مانند تبخیر تعرق،تهویه خاک، جوانه زنی، رشد گیاه، توسعه ریشه ها و فعالیت های میکروبی درون خاک تابع دمای آن است. هر گیاه در دامنه مشخصی از دما شروع به جوانه زنی می کند اما برای آنکه جوانه زنی بهتر و سریع تر صورت گید نیاز به یک دمای مطلوب دارد. دمای مطلوب را به دو طریق می توان فراهم نمود. یکس انتخاب زمان مناسب برای بذرکاری و دیگری عنق مطلوب برای قرار گرفتن بذر. زیرا آنچه برای زارعین اهمیت دارد تعداد روزهای لازم برای جوانه زنی پس از کاشت است. گرم کردن خاک و فراهم آوردن شرایط مناسب برای جوانه زنی تنها در گلخانه و محیط های کنترل شده مانند کشت زیر پلاستیک امکان پذیر می باشد زیرا در شرایط طبیعی دمای خاک تابعی از وضعیت اقلیمی و آب و هوایی است. بطورکلی مناسب ترین دما برای رشد گیاهان ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتی گراد است. چنانچه دمای هوا کمتر از ۲۰ یا بیشتر از ۳۰ درجه سانتی گراد باشد رشد گیاه به شدت تحت تاثیر قرار گرفته و کاهش می یابد. از طرف دیگر تمام فرآیندهای خاک تحت تاثیر دما قرار داشته و لذا دمای خاک می تواند بر آزادسازی مواد غذایی برای جذب گیاه که رشد به آن وابسته است موثر باشد. تنفس گیاه و فرآیندهای بیولوژیکی آن نیز تابع درجه حرارت می باشد. گرم شدن خاک و افزایش یا کاهش دمای آن بستگی به تابش ورودی خورشید به سطح زمین و فرآیندهای تبادل گرما در داخل خاک دارد. کلیه این فرآیندها توسط خصوصیات دیگر خاک مانند چگالی، درصد رطوبت، ساختمان و بافت خاک کنترل می شود. هر چند هنوز بسیاری از ویژگی های گرمایی خاک شناخته نشده است اما با تئوری های موجود و اطلاعاتی که از برخی پارامترهای خاک مانند ظرفیت گرمایی ویژه (Specific heat capacity)، هدایت گرمایی (Thermal conductivity) و پخشیدگی گرما (Thermal diffusivity) در اختیار می باشد، می توان بسیاری ار پدیده هایی را که در ارتباط با گرمای خاک است توصیف نمود. مثلا اثرات خاک ورزی (Tillage) یا خاک پوشه ها (Mulches) بر رژیم حرارتی خاک یا تغییرات روزانه و سالانه دما در اعماق مختلف خاک یا تاثیر گرما بر جریان آب در خاک از روی این روابط قابل محاسبه و توصیف می باشد.
در حال حاضر در مطالعات فیزیکی و بخصوص خاکشناسی از انواع روش ها و دستگاه ها برای اندازه گیری و ثبت دما استفاده می شود که از جمله می توان به روش های
- ترمومترهای نوع مایع شیشه ای (Liquid-in glass)
- ترمومترهای نوع مقاومت الکتریکی (Electrical resistance)
- ترمومترهای دو فلزی (Bimetallic)
- دماسنج های ترموالکتریک (Thermoelectric)
- ترمومترهای دما جفت (Thermocouple)
- ترمومترهای سنجش از دور (Remote sensing thermometer)
اشاره نمود که بسته به موقعیت و مقیاس کار می توان از هر یک از این روش ها استفاده کرد.
خصوصیات شیمیایی خاک (Soil chemical properties)
واکنش یا pH خاک
واکنش خاک یکی از خصوصیات مهم خاک است زیرا همبستگی های متعددی بین قابلیت استفاده عناصر غذایی و pH و همچنین بین pH و ژنز خاک و بطورکلی سایر مشخصات خاک وجود دارد. مقیاسpH ، اسیدی یا قلیایی بودن انواع خاک را نشان می دهد. خاکی با عدد pH کمتر از ۷ اسیدی است، در حالی که خاک با pHبالاتر از ۷ قلیایی است. عمده ترین اثر pH بر رشد گیاهان تاثیر آن در قابلیت استفاده عناصر غذایی است.
pH خاک با درصد اشباع بازی رابطه داشته و هنگامی که درصد اشباع بازی از ۱۰۰ کمتر باشد، افزایش pH با افزایش کلسیم و منیزیم که از جمله کاتیون های قابل تبادل اصلی می باشند در محلول خاک همراه خواهد بود. نتایج بسیاری از آزمایش ها نشان می دهد که بین میزان کلسیم در گیاه و همچنین افزایش pH و درصد اشباع بازی خاک همبستگی معنی داری وجود دارد. مولیبدن نیز از جمله عناصری است که قابلیت استفاده آن تحت تاثیر pH قرار می گیرد. این عنصر در pH اسیدی با آهن ترکیب غیرمحلول ایجاد نموده و به شکل غیر قابل استفاده درمی آید. در این شرایط گیاهانی مانند گل کلم، شبدر و مرکبات که نسبت به کمبود مولیبدن حساسیت دارند در برابر افزایش pH عکس العمل مناسب از خود نشان می دهند. این نکته که افزایش pH باعث ازدیاد غلظت مولیبدن می گردد عامل سمیت این عنصر در برخی از خاک ها برای گیاهان نیز محسوب می شود.
فراهمی یا حلالیت برخی از عناصر نیز با افزایش pH کاهش می یابد. آهن، منگنز، فسفر و بور از جمله عناصری هستند که در خاک های آهکی کمبود نشان می دهند. لازم به ذکر است که فسفر و بور در خاک های شدیدا اسیدی نیز غیر قابل استفاده می باشند. مس و روی نیز در خاک های قلیایی یا اسیدی بصورت غیر قابل استفاده درمی آیند. بطور کلی در خاک هایی که وضعیت اشباع بازی بالا دارند در حدود pH، ۵/۶ اکثر عناصر غذایی خاک بصورت قابل استفاده گیاه وجود دارد و در خاک هایی با وضعیت اشباع بازی کم این شرایط در pH، ۶ یا ۲/۶ رخ می دهد.
در تهیه محیط رشد مناسب برای گیاه دو نکته را باید درنظر گرفت:
- گیاهانی را انتخاب نمود که در pH خاک موردنظر بخوبی رشد نمایند؛
- pH خاک را به نحوی تغییر داد که متناسب با احتیاجات گیاه باشد. pH خاک را می توان به وسیله گوگرد دادن یا افزایش ترکیبات گوگرددار کاهش داد.
در حین این عمل گوگرد تبدیل به اسید سولفوریک شده و pH خاک را پایین می آورد. تغییرات pH بیشتر در جهت افزایش آن می باشد و برای این منظور آهک اضافه می شود. در اثر هیدرولیز آهک یون هیدروکسید تولید شده و pH خاک بالا می رود. کلسیم حاصل به بالا بردن اشباع بازی کمک می کند.
برای اندازه گیری واکنش خاک معمولا یک قسمت از خاک را با دو قسمت آب (یا محلول های مناسب دیگر نظیر املاح خنثی) مخلوط می کنند. مخلوط حاصل را بهم می زنند تا آب و خاک با هم به حالت تعادل برسند و در نهایت واکنش خاک را در سوسپانسیون آب و خاک اندازه می گیرند.
معادله چهارم
mS/cm × ۱۰ = meq/L
هدایت الکتریکی (Electrical conductivity)
هدایت الکتریکی یک محلول شاخصی از مقادیر املاح محلول آن می باشد. این خاصیت الکتروشیمیایی بر این اساس است که هر قدر غلظت کاتیون ها و آنیون های حامل بار الکتریکی یک محلول افزایش یابد هدایت الکتریکی آن بیشتر می شود. هدایت الکتریکی (EC) بر حسب میلی موس بر سانتی متر یا میلی زیمنس بر سانتی متر در درجه حرارت ۲۵ درجه سانتی گراد بیان می گردد. EC در واقع هدایت اندازه گیری شده با یک سلول هدایت سنجی می باشد که از دو الکترود تشکیل شده است. رابطه نسبتا مستقیم بین مقدار املاح محلول و EC وجود دارد که به ویژه می توان آن را بصورت زیر نشان داد.
مهمترین اثری که هدایت الکتریکی روی حاصلخیزی دارد آن است که هدایت الکتریکی شاخصی از میزان دسترسی به مواد مغذی در خاک است. هرچقدر که EC بالاتر باشد، ذرات با بار منفی در خاک بیشتر است (ذرات ارگانیک و رسی)، بنابراین کاتیون‌ها نیز در خاک بیشتر میشوند (که دارای بار مثبت هستند). مشابه با بسیاری از ویژگی‌های دیگر، هدایت الکتریکی خاک نیز نباید خیلی بالا برود، زیرا در این حالت ممکن است بسیاری از این عناصر مغذی به سلامت خاک آسیب وارد کنند.
محدوده‌ی بهینه هدایت الکتریکی خاک بین ۱۱۰ تا ۵۷۰ میلی‌زیمنس بر متر است. سطوح پایین هدایت الکتریکی نشانه کمبود مواد مغذی است، از سوی دیگر، سطوح بالای آن نیز بیانگر وجود عناصر بسیار در خاک است. در خاکهای شنی که مواد ارگانیک کمی دارند، میزان هدایت الکتریکی اغلب کم است، در نقطه مقابل، در خاک‌هایی که محتوای رسی زیادی دارند میزان هدایت الکتریکی بالا می‌رود.
EC خاک تحت تأثیر ویژگی‌های متعددی از خاک قرار دارد. برای اینکه EC بتواند شاخص مناسبی از سلامت خاک باشد و کشاورز بر اساس آن به مدیریت اراضی خود بپردازد، باید اثر متقابل هدایت الکتریکی و سایر خصوصیات خاک را بررسی شود.
بافت، شوری و رطوبت خاک از جمله خصوصیاتی هستند که بر روی سطح EC اثر می‌گذارند. EC خاک اغلب به‌عنوان معیاری از شوری خاک نیز لحاظ میشود. شوری شاخصی از میزان نمک‌های موجود در خاک است. قاعده کلی شوری این‌گونه است که مقادیر بسیار زیاد EC (بالاتر از ۱۶ میلی زیمنس بر سانتی متر) نشاندهنده شوری بالای خاک است. از سوی دیگر، چنانچه این مقدار کم باشد(۰ تا ۲ میلی زیمنس بر سانتی متر) بیانگر خاک بدون شوری است. کاتیونی که نقش زیادی در تولید شوری دارد سدیم است، به‌خصوص اگر مقدار این عنصر بیش از ۱۰۰ میلی گرم بر کیلوگرم در خاک باشد. با اضافه کردن گوگرد یا گچ به خاک، سدیم از خاک شسته میشود، بنابراین سطح هدایت الکتریکی EC خاک پایین می‌آید.
زمان اندازه‌گیری هدایت الکتریکی در خاک نیز بسیار مهم است، هرچقدر رطوبت خاک بیشتر باشد میزان EC بالاتری به دست می‌آید. علت آن است که با افزایش رطوبت خاک میزان کاتیون‌ها نیز بیشتر میشوند. اساساً آب رسانای خوب جریان الکتریکی است، بنابراین هر چقدر آب بیشتری در خاک باشد، قدرت هدایت جریان الکتریکی خاک بالاتر می‌رود.
برای عصاره گیری املاح خاک دو روش مورد استفاده قرار می گیرد. در روش اول سعی بر آن است که بطور استاندارد و نزدیک به آنچه در خاک موجود در محل می گذرد، عمل شود. نمونه خشک شده خاک در هوای آزاد به تدریج با آب مقطر به حد اشباع رسانده می شود. این روش که توسط محققین آزمایشگاه شوری ایالات متحده مرسوم به عصاره گل اشباع (ECe) می-باشد، در همه جای دنیا شناخته شده است. این هدایت الکتریکی برای طبقه بندی شوری خاک ها در رابطه با درجه مقاومت زراعت های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. ECe از ۰۱/۰ تا ۱۰ میلی زیمنس بر سانتی متر تغییر می نماید. در ECe کمتر از ۲ میلی زیمنس بر سانتی متر معمولا تاثیر شوری قابل صرفنظر کردن است، در بیشتر از ۱۶ میلی زیمنس بر سانتی متر فقط بعضی از گیاهان خیلی مقاوم قادر به مقاومت می باشند.
در روش دوم برای عصاره گیری از نسبت های معین وزنی خاک به آب استفاده می گردد. نسبت های عصاره گیری معمولا عبارتند از:
۱:۱، ۱:۲، ۱:۵ و ۱:۱۰
که اغلب از نسبت ۱:۵ استفاده می گردد. در این روش برای مشخص کردن نسبت خاک به آب در اندازه گیری EC عصاره، نسبت مزبور را نیز در کنار EC نشان می دهند. مواردی که این روش توصیه می گردد عبارتند از:
- آزمایش سریع شوری اولیه
- بررسی تغییرات شوری در طول زمان یا مکان پس از مقایسه ECx و ECe
- آنالیز خاک های تحت کشت صیفی جات با مصرف زیاد مواد حاصلخیزکننده
- آزمایش کمی وقتی مقدار نمونه کافی نباشد.
مقدار نمک محاسبه شده نسبت به وزن خشک در روش عصاره رقیق شده بیشتر از عصاره گل اشباع می باشد. هر قدر نسبت خاک به آب کوچکتر و حضور املاح از نوع بی کربنات، کربنات و سولفات زیادتر باشد، انحراف این مقدار در دو روش بیشتر خواهد بود. از عصاره حاصله در اندازه گیری مقادیر املاح محلول تیز استفاده می شود.
ظرفیت تبادل کاتیونی (Cation exchangeable capacity= CEC)
به مجموع کاتیون های تبادلی جذب شده ظرفیت تبادل کاتیونی می گویند و آن را با واحد میلی اکی‌والان در ۱۰۰ گرم خاک خشک شده در آون نشان می دهند. ظرفیت کل تبادل کاتیونی در خاک مجموع نقاط تبادلی کلوئیدهای آلی و معدنی خاک است. مواد آلی در اغلب خاک ها دارای بیشترین ظرفیت تبادل کاتیونی می باشد و با افزایش درجه هوموسی شدن افزایش می-یابد، بطوری که مقدار آن در ۱۰۰ گرم ماده آلی کاملا هوموسی شده یا هوموس در حدود ۲۰۰-۳۰۰ میلی اکی‌والان میباشد. ظرفیت تبادل کاتیونی رس ها بسیار متغیر بوده و در رس های اکسید کمتر از ۱۰ و در برخی از رس های ۲:۱ به بیش از ۱۰۰ میلی اکی‌والان در ۱۰۰ گرم رس بالغ می گردد. ذرات شن و سیلت هم دارای نقاط منفی خنثی نشده می باشند لیکن به علت سطح ویژه کم اثرات ناچیزی در ظرفیت تبادل کاتیونی خاک ها ایجاد می کنند. بدین ترتیب CEC خاک ها بیشتر تابع نوع و مقدار رس و مواد آلی است.
CEC هوموس و رس های اکسید تماما تابع pH محیط و در رس های سیلیکاتی بخشی از آن تابع pH محیط است. بنابراین در مجموع CEC خاک های محتوی رس سیلیکاته را به وسیله محلول های بافر در pHهای ۷ و ۲/۸ اندازه گیری می کنند ولی در خاک های اسیدی اکسیدی که CEC عمدتا تابع pH است اندازه گیری به وسیله محلول های غیربافر نظیر KCl و در pH طبیعی خاک صورت می گیرد.
به این ظرفیت تبادل کاتیونی، ظرفیت تبادل کاتیونی موثر می-گویند زیرا در واقع نزدیک ترین حالتی است که ریشه و سایرز ارگانیسم های خاک با آن مواجه می باشند.
جهت اندازه گیری CEC خاک ها بازهای قابل تبادل به کمک آمونیوم استات از خاک استخراج می گردند. بدین ترتیب، با اضافه شدن یون آمونیوم به مقدار زیاد، NH¬۴+ جانشین کاتیون ها در جذب سطحی کمپلکس جذب کننده خاک (هوموس، رس و هیدروکسیدهای کلوئیدی) می شود. واکنش های تبادل را می¬توان از نظر کمیت با عملیات نفوذ، برقراری تعادل، سانتریفیوژ کردن و صاف نمودن در اولین مرحله تعیین CEC دنبال نمود.
در صورتی که تعیین CEC ضرورتی نداشته باشد، این کار با روش ساده تری صورت می پذیرد، یعنی نمونه مورد آزمایش با حجم معینی از استات آمونیوم به صورت تعادل در می آید و پس از عصاره گیری صاف می گردد. اندازه گیری کاتیون های تبادلی موجود در عصاره با تکنیک های مختلف صورت می پذیرد:
- با روش فلیم فتومتری (K، Na و Ca)
- اسپکتروفتومتری جذب اتمی (Mg)
- یا کمپلکسومتری (Ca و Ca + Mg)
کربن خاک
در خاک ها علیرغم اینکه ماده آلی بخش کوچکی از کل خاک را تشکیل می دهد، در تمام خصوصیات مختلف خاک تاثیر زیادی دارد. بخش اصلی، پایدار و مقاوم به تجزیه مواد آلی خاک را هوموس خاک می گویند که تحت تاثیر فرآیندهای میکروبی و شیمیایی در خاک تشکیل می گردد. کربن در خاک به ۲ شکل آلی و معدنی حضور دارد. شکل معدنی کربن شامل CO2 ناشی از تنفس ریشه و میکروارگانیسم های خاک و همچنین دی اکسید کربن موجود در هوای خاک می باشد. لیکن بخش عمده ی منبع CO2 خاک از تنفس میکروارگانیسم های زنده است.
بیکربنات و کربنات از شکل های معدنی دیگر بوده و در محلول خاک حضور دارد. ممکن است بیکربنات بدنبال جذب آنیون ها از ریشه گیاه آزاد گردد. در بخش جامد خاک کربنات ها حضور دارند که به شکل های کربنات کلسیم و کربنات مضاعف کلسیم منیزیم موجود است. بطور کلی کربن معدنی خاک بصورت درصدی از CaCO3 یا کربنات کلسیم معادل (CCE) بیان می شود. خنثی سازی با اسید و تیتراسیون با سود روش معمول برای اندازه گیری آهک است. در این روش اندازه گیری ممکن است مواد آلی خاک در اسید مصرفی حل گردند و رنگ محلول را به سمت زرد تا قهوه ای تغییر دهند برای رفع این مشکل از ذغال فعال استفاده می شود که کربن آلی را به خود جذب نموده و از اختلال رنگ ممانعت می کند.
کربن آلی ۵۸ درصد ماده آلی خاک را تشکیل می دهد. از دو روش سوزاندن خشک و اکسیداسیون تر برای اندازه گیری کربن آلی (Organic carbon) استفاده می شود. در روش اول نمونه خاک به مدت ۲ ساعت در دمای ۵۰۰ درجه سانتی گراد در کوره سوزانده شده و کاهش وزن به ماده آلی نسبت داده می شود. این روش خطاهایی دارد. به عنوان مثال تبخیر آب هیگروسکوپیک و نیز آب بین لایه ای در ساختار شبکه ای رس، خروج OH یا دهیدروکسیداسیون در بین لایه های رس و نهایتا آزاد شدن CO2 ناشی از تجزیه کربنات ها در دمای بالا می تواند منجر به کاهش وزن نمونه و خطا در اندازه گیری ماده آلی خاک گردد. به همین دلیل از این روش در آزمایشگاه ها کمتر استفاده می شود.
روش اکسیداسیون تر روش دقیق تری بوده و رایج ترین آن روش Walky و black (1934) است. این محققان نشان دادند که در این روش ۷۷ درصد کربن آلی اکسید می¬شود. یعنی پتانسیل اکسیداسیون این روش ۷۷ درصد است.
گفته می شود خاک هایی که کمتر از ۲ درصد ماده آلی دارند به کمبود مواد آلی مبتلا هستند. گروهبندی خاک ها برحسب درصد کربن و ماده آلی خاک در جدول زیر ارائه شده است.
غلظت عناصر غذایی در خاک
تولید موفقیت آمیز محصولات گیاهی مستلزم خاک مناسب و وجود مقدار کافی از عناصر غذایی قابل استفاده برای گیاه است. عناصر غذایی نه تنها باید بصورت ترکیباتی باشند که بسهولت مورد استفاده گیاهان قرار گیرند بلکه تعادل بین آن ها نیز حائز اهمیت است. هر گاه یکی از عناصر وجود نداشته باشد و یا اینکه مقدار آن مناسب نباشد رویش گیاه بطور طبیعی صورت نخواهد گرفت.
با توجه به مقدار عناصر غذایی موردنیاز، عناصر ضروری به دو گروه تقسیم شده اند:
- عناصر ماکرو یا پرمصرف که گیاهان به مقدار زیادی از آن ها احتیاج دارند
- عناصر میکرو یا کم مصرف که نیاز گیاهان به آن ها خیلی کمتر می باشد.
عناصر پرمصرف (Macro nutrients)
نیتروژن (N)
نیتروژن به عنوان عنصر غذایی پرمصرف و مهم ترین عنصر تغذیه¬ای گیاه بالاترین غلظت را در اندام های گیاهی دارد. بیشترین N خاک به شکل آلی و کمتر از ۲ درصد N کل خاک به شکل معدنی می باشد. شکل های معدنی و قابل جذب N، آمونیوم و نیترات از پایداری بسیار پایینی در خاک برخوردارند و تمایل زیادی به ترک خاک دارند. تصعید گازی آمونیوم و آبشویی نیترات از یک طرف و نیاز بالای گیاه به N از طرف دیگر منجر شده که مقادیر پایین N معدنی خاک جوابگوی نیاز گیاه نباشد. مقدار N در خاک ۰۲/۰ تا ۵/۲ درصد است که در خاک های آلی به بیش از ۲۰ درصد می رسد. ازت فراوان در خاک منجر به رشد سریع گیاه شده و شاخ و برگ ها به رنگ سبز تیره درمی آید. البته اثر مشخص N که همان افزایش رشد قسمت های هوایی گیاه است فقط در صورت وجود مقادیر کافی فسفر، پتاسیم و سایر عناصر غذایی در خاک صورت می گیرد. وجود مقادیر فراوان ازت قابل استفاده در خاک در مراحل اولیه رشد گیاه باعث افزایش رشد و در نتیجه بالغ شدن سریع گیاه می-گردد، لکن در صورتی که در تمامی دوره رشد گیاه N در خاک فراوان باشد اغلب منجر به طولانی شدن فصل رشد می گردد. در مورد برخی از گیاهان زراعی که در مناطق با دوره رشد محدود کشت می شوند و یا در نقاطی که یخبندان زودرس پاییزی ممکن است خسارات فراوانی به درختان میوه وارد آورد طولانی شدن دوره رشد مضر خواهد بود.
مقدار زیاد N قابل استفاده در خاک باعث تشکیل شاخ و برگ و انساج ترد و آبدار می گردد که گیاه را در مقابل امراض و صدمات مکانیکی حساس می نماید. هر یک از این عوامل ممکن است باعث کاهش کیفیت محصول گردند. N فراوان همچنین از طریق افزایش بار و دانه کیفیت محصول را پایین می آورد در حالی که حد کافی N در خاک معمولا درشت شدن دانه ها و میوه ها را در پی دارد.
برای ارزیابی N خاک مقدار کل آن اندازه گیری می شود. دو روش برای اندازه گیری این عنصر در خاک وجود دارد:
- روش دوماس که بر پایه سوزاندن خشک (Dry digestion) طراحی شده است. در این روش از تجهیزات اتوماتیک و خودکار که بصورت پیوسته و متوالی مراحل آزمایش را انجام می دهند، استفاده می شود. روش دوماس به دلیل سهولت استفاده و سریع تر بودن در مقایسه با روش دوم مطلوب تر است. بعلاوه در این روش از مواد شیمیایی سمس و کاتالیست ها استفاده نمی شود با این حال هزینه بالای استقرار دستگاه یکی از معایب مهم این روش است.
- روش کجلدال که بر پایه تر سوزانی (Wet digestion) استوار است و شامل ۳ مرحله هضم، تقطیر و تیتراسیون می باشد. این روش مقادیر آمونیوم، نیترات و N آلی را اندازه گیری نمی کند به همین دلیل از روش اصلاح شده کجلدال استفاده می شود. لازم به ذکر است که روش اصلاح شده به دلیل هزینه بالا، چندان مرسوم نمی باشد.
فسفر (P)
فسفر از دیگر عناصر مهم در تغذیه گیاه است. علیرغم غلظت های بالای این عنصر در اندام های گیاه مقدار آن در خاک ها نسبتا پایین (ppm 600) است. شکل اصلی فسفر قابل استفاده گیاه از خاک H2PO4- می باشد. H2PO4- با یون های دیگر موجود درخاک ترکیب شده و به ترکیبات با حلالیت کمتر تبدیل می شود. ترکیب H2PO4- با یون های کلسیم، آهن و آلومینیوم از متداولترین ترکیبات است. همچنین فسفات ها از طریق تبادل لیگاندی جایگزین OH- در سطوح رسی شده و در خاک تثبیت می گردند. بدین ترتیب غلظت فسفر در محلول خاک اساسا تابع درجه حلالیت شکل های تثبیت شده می باشد و از آنجا که درجه حلالیت شکل های تثبیت شده فسفر کم است در نتیجه غلظت فسفر در محلول خاک نیز بسیار پایین می باشد. بهترین pH از نظر جذب فسفر ۶ تا ۷ می باشد. در pH های کمتر از ۵/۵ به دلیل افزایش آهن و آلومینیوم محلول، فسفر بصورت فسفات آهن و آلومینیوم تثبیت می شود. در pHهای بالاتر از ۷ نیز با تشکیل فسفات کلسیم و نیز کانی آپاتیت فراهمی فسفر در خاک و نیز قابلیت جذب آن توسط گیاه به شدت کاهش می یابد.
اندازه گیری P در خاک طی دو مرحله انجام می گیرد:
- عصاره گیری
- تعیین مقدار P در عصاره ها به روش رنگ سنجی با اسپکتروفوتومتر
برای ارزیابی P قابل استفاده در خاک عصاره گیرهای زیادی پیشنهاد شده است. تعدد عصاره گیرها به رفتار پیچیده P در خاک و شکل های مختلف آن در خاک برمی گردد. بطورکلی از بین تمامی عصاره گیرهای موجود، ۳ عصاره گیر از اهمیت بالایی برخوردارند:
- Bray І: این عصاره گیر برای خاک¬های اسیدی با CEC کم تا متوسط و حاوی ترکیبات فسفات آهن و آلومینیوم روش خوبی است و با پاسخ های گیاهی همبستگی خوبی نشان داده است. بعبارت دیگر در مقادیر پایین تر از حد بحرانی (ppm 7/ 6 یا ۷) کوددهی فسفاته منجر با افزایش عملکرد می شود.
- Mehlich І (Double acid): این روش برای خاک های اسیدی نواحی حاره با پتانسیل تثبیت بالا پیشنهاد شده است. حد بحرانی در این روش ۸/۹ پی پی ام است.
- Olsen: در خاک های خنثی، قلیایی و آهکی و نیز غنی از ترکیبات فسفات کلسیم این روش کارآیی بالایی در برآورد فسفر قابل استفاده خاک دارد.
پس از عصاره گیری، برای تعیین غلظت فسفر از روش های رنگ سنجی استفاده می شود. روش زرد وانادات مولیبدات برای اندازه گیری P در محلول هایی با مقدار فسفر بالا (نمونه های برگ) استفاده می شود. این روش حساسیت پایینی دارد. در مقابل روش آبی آسکوربات روش حساس تری بوده و برای اندازه گیری فسفر در عصاره های خاک که معمولا مقدار فسفر پایینی دارند، کاربرد دارد.
K محلول در عصاره گل اشباع اندازه گیری می شود. برای اندازه گیری K قابل استفاده نیز رایج ترین روش، روش استات آمونیوم ۱ نرمال با pH=7 است که در خاک هایی با pH بیش از ۷ کاربرد دارد. پس از عصاره گیری غلظت پتاسیم در عصاره های بدست آمده توسط دستگاه فلیم فتومتر اندازه گیری می شود.
پتاسیم (K)
پتاسیم یک عنصر ماکرو دیگر در تغذیه گیاه بوده و در مقادیر بالایی توسط ریشه ها جذب میشود. از نظر غلظت در بافت های گیاهی بعد از N قرار دارد. اگرچه مقدار پتاسیم کل خاک معمولا چندین برابر بیشتر از مقدار جذب شده در طول فصل رشد گیاه است اما در بیشتر موارد تنها بخش کوچکی از آن برای گیاهان قابل استفاده است.
K در بیشتر خاک ها در مقادیر نسبتا بالایی (۵/۰ تا ۵/۲ درصد) موجود بوده و این مقدار به مواد مادری و وضعیت هوادیدگی خاک بستگی دارد. میکاها و فلدسپارها از مهم ترین کانی های حاوی K هستند که در خاک های ریز بافت یا رسی از فراوانی بالایی برخوردارند. خاک های شنی تشکیل شده از ماسه سنگ و کوارتز حاوی مقادیر پایینی از K کل هستند. شکل های K در خاک عبارتند از:
پتاسیم ساختمانی (Structural K)
که در ساختمان کانی ها انواع میکاها و فلدسپارها قرار دارد و غلظت آن در خاک ۵۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰ پی‌پی‌ام میباشد.
پتاسیم غیرقابل تبادل (Nonexchangeable K)
شامل K تثبیت شده در فواصل بین شبکه ای در ساختار رس ها است و غلظتی معادل با ۵۰ تا ۷۵۰ پی‌پی‌ام در خاک دارد.
پتاسیم قابل تبادل (Exchangeable K)
که در سطوح تبادلی کلوئیدهای خاک قرار گرفته است و غلظت آن بین ۴۰ تا ۶۰۰ پی‌پی‌ام متغیر می باشد.
پتاسیم محلول (Soluble K)
با غلظت ۱ تا ۱۰ پی‌پی‌ام در خاک.
اشکال مختلف پتاسیم با یکدیگر در حال تعادل هستند. پتاسیم محلول و تبادلی هر دو شکل های پتاسیم قابل استفاده بوده و اگر پتاسیم تبادلی را از خاک خارج نماییم پتاسیم قابل استفاده خارج می گردد. و در نتیجه گیاه برای تامین نیاز پتاسیم می باید متکی به پتاسیم تثبیت شده و یا پتاسیمی باشد که از طریق هوادیدگی کانی ها ایجاد می گردد.
K محلول در عصاره گل اشباع اندازه گیری می شود. برای اندازه گیری K قابل استفاده نیز رایج ترین روش، روش استات آمونیوم ۱ نرمال با pH=7 است که در خاک هایی با pH بیش از ۷ کاربرد دارد. پس از عصاره گیری غلظت پتاسیم در عصاره های بدست آمده توسط دستگاه فلیم فتومتر اندازه گیری می شود.
کلسیم و منیزیم (Ca and Mg)
شباهت های زیادی بین کلسیم و منیزیم با پتاسیم در خاک ها موجود است. هر سه آن ها در شکل قابل تبادل، قابل استفاده گیاه بوده و مقدار قابل استفاده آن ها در خاک تابعی از درجه هوادیدگی کانی ها و میزان آبشویی آن ها از خاک است. هر سه این عناصر بصورت کاتیون های تبادلی جذب خاک می شوند که در مورد کلسیم و منیزیم به صورت یون های Ca2+ و Mg2+ می باشد. فلدسپارها و آپاتیت از جمله کانی های کلسیم دار و بیوتیت و دولومیت جزو کانی های مهم منیزیم دار خاک محسوب می شوند. یون های کلسیم و منیزیمی که در اثر هوادیدگی آزاد می شوند جذب نقاط تبادلی شده و سپس بین کاتیون های تبادلی و محلول تعادل برقرار می گردد. مکانیسم پخشیدگی نیز نقش عمده ای در رسیدن این عناصر به ریشه و جذب آن ها در خاک دارد.
برخلاف پتاسیم این عناصر نمی توانند به مقدار زیاد تثبیت شده و به شکل غیر قابل استفاده درآیند. مقدار قابل استفاده این عناصر بستگی به ظرفیت تبادل کاتیونی و درصد اشباع آن ها در خاک دارد. کمبود کلسیم در گیاهان بندرت آن هم در خاک های خیلی اسیدی با اشباع کلسیم کم مشاهده می شود.
در مقایسه با کلسیم، منیزیم با نیروی کمتری جذب نقاط تبادلی گردیده و در نتیجه مقدار منیزیم تبادلی در خاک ها خیلی کمتر از کلسیم تبادلی بوده و کمبود این عنصر فراوان تر از کمبود کلسیم می باشد.
همانند شکل تبادلی پتاسیم، از عصاره گیر استات آمونیوم برای اندازه گیری اشکال تبادلی کلسیم و منیزیم استفاده می شود. اما در این روش ممکن است بخشی از آهک و گچ در استات آمونیوم حل شوند و منجر به بیش برآورد Ca و Mg تبادلی گردند. این حالت تا حدی است که بعضا در اثر انحلال گچ و آهک مقدار کلسیم تبادلی از CEC خاک بیشتر می شود. روش های دیگری نیز پیشنهاد شده است منتها رایج ترین روش همان عصاره گیری با استات آمونیوم و قرائت غلظت این عناصر با دستگاه فلیم فتومتر است. لیکن در خاک های ما به دلیل طبیعت آهکی خاک کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
گوگرد (S)
گوگرد در کانی های خاک وجود داشته، در ترکیبات مهم گیاهی نیز تثبیت گردیده و در مواد آلی خاک هم تجمع حاصل می کند. گوگرد هم مانند فسفر از دو طریق، هوادیدگی کانی ها و پدیده معدنی شدن، آزاد و قابل استفاده گیاه می گردد. گیاهان قسمت اعظم گوگرد مورد نیاز خود را بصورت سولفات (SO42-) از خاک جذب می کنند ولی مقدار کمی هم بصورت SO2 از طریق برگ ها جذب می شود.سولفات ها در خاک های غرقابی احیا شده و تبدیل به گاز هیدروژن سولفوره (SO2) و گوگرد می شوند.
بسیاری از فعل و انفعالات گوگرد مشابه ازت بوده و همانند آن تحت تاثیر پدیده های اکسیداسیون و احیا تغییر پیدا می نماید و مثل ازت به شکل آنیون از خاک شستشو می یابد و در نهایت مقادیر بالایی از آن همراه باران به خاک اضافه می شود. رابطه بین گوگرد اضافه شده به خاک بوسیله باران با مراکز صنعتی در بسیاری از مطالعات مشخص شده است و در برخی موارد مقدار گوگرد اضافه شده به خاک از این طریق بسیار زیاد و موجب از بین رفتن گیاهان شده است. گیاهانی که نیاز آن ها به گوگرد خیلی زیاد است عبارتند از :
- شلغم
- گل کلم
- پیاز
- تربچه
- مارچوبه.
در مقابل گیاهان لگوم، پنبه، توتون و یونجه از نظر مصرف گوگرد حدواسط و گیاهان علوفه ای حداقل نیاز را به گوگرد دارند.
برای اندازه گیری S کل معمولا تمام شکل های گوگردی در خاک به SO42- تبدیل شده و سپس غلظت SO42- اندازه گیری می شود و یا در روش دیگر شکل های گوگرد به سولفید (S2-) تبدیل و غلظت آن اندازه گیری می شود. البته روش اول رایج تر است. روش متداول برای اندازه گیری گوگرد کل ذوب با Na2CO3 است که همراه با افزودن ترکیب اکسیدکننده ی پراکسید سدیم (Na2O2) انجام می گیرد تا شکل های احیایی را به SO42- تبدیل کند. در این روش کل گوگرد موجود در خاک به سولفات تبدیل شده و غلظت SO42- در عصاره با یکی از روش های کدورت سنجی (Turbidimetry)، وزن سنجی (Gravimetry)، متیلن بلو (Methylne blue)، تولید رسوب CaSO4 و یا پتانسیومتری (Potentiometry) اندازه گیری می شود.
عناصر کم مصرف (Micro nutrients)
عناصر میکرو یا کم مصرف نسبت به عناصر ماکرو کم مصرف‌تر هستند اما این به این معنی نیست که مصرف آن ها ضرورتی ندارد. عناصر میکرو در سلامت گیاهان نقش کلیدی ایفا می‌کنند و بر رشد، کیفیت، گلدهی، ظاهر و خلاصه تمامی اندام‌های یک گیاه تأثیر خواهند داشت.
به همین دلیل است که امروزه کود میکرو هم بصورت جداگانه و هم بصورت مخلوط با کودهای NPK مصرف میشود. این عناصر ریزمغذی عبارت‌اند از بور، مس، مولیبدن، روی، منگنز، آهن که هرکدام نقش ویژه‌ای در رشد گیاه و درختان بازی می‌کنند. در خاک مقادیری از این عناصر یافت میشود که گاها مقدار آن ها کافی نیست و یا به مرور زمان کاهش یافته و از دسترس گیاه خارج میشود. به این ترتیب ضروری است که در طول دوره رشد گیاهان این عناصر توسط افراد در اختیار گیاهان قرار بگیرد تا کمبود آن ها جبران شود.
خاکهای کشور ما pH نسبتاً بالایی دارند و قلیایی هستند، بنابراین در چنین خاکی عناصر مختلف از جمله عناصر میکرو کمتر جذب گیاه میشوند و یا میزان این عناصر اغلب در این خاکها کم است. لذا قبل از مصرف کود میکرو باید pH خاک گیاهان تنظیم شده و بعد اقدام به کوددهی نمود.
آهن و منگنز (Fe and Mn)
مقدار آهن کل در خاک ها بین ۱ تا ۱۰ درصد و مقدار منگنز کل ۲۰ تا ۳۰۰۰ پی‌پی‌ام گزارش شده است. آهن و منگنز در اثر هوادیدگی کانی‌ها آزاد شده و به شکل دو ظرفیتی وارد محلول خاک می شوند. این شکل قابل استفاده گیاهان می باشد. در اثر ترکیب با یون هیدروکسیل و یا اکسید شدن بیولوژیکی این عناصر به شکل غیرمحلول و در نتیجه غیر قابل استفاده گیاه درمی آیند. معمولا مقدار این دو عنصر در خاک های اسیدی به حدی است که نیاز گیاهان را تامین می نماید ولی در برخی از خاک های به شدت اسیدی، مقدار آن ها به حد سمیت می رسد. در خاک های قلیایی نیز تشکیل ترکیبات هیدروکسید و اکسید آهن و منگنز غیرمحلول، منجر به بروز کمبود این عناصر می شود.
مس و روی (Cu and Zn)
مقدار روی کل در خاک در محدوده ۱۰ تا ۳۰۰ پی‌پی‌ام و مقدار مس کل ۱۰ تا ۸۰ پی‌پی‌ام میباشد. این عناصر در اثر هوادیدگی کانی ها به شکل Zn2+ و Cu2+ آزاد شده و در این حالت قابل استفاده گیاهان و قابل جذب در نقاط تبادل کاتیونی می باشند. ترکیب مس با مواد آلی کمپلکس تشکیل می دهد.
طبق شواهد موجود کمپلکس مذکور باعث کاهش قابلیت استفاده مس در خاک های غنی از مواد آلی می گردد. همچنین با افزایش pH خاک قابلیت استفاده مس کاهش می یابد. به احتمال زیاد کمبود مس در خاک های آلی تازه تشکیل شده و خاک های شنی شسته شده برای برخی گیاهان وجود دارد.مس از عناصر فاقد تحرک بوده و علائم آن نیز از گیاهی به گیاه دیگر بسیار متفاوت است.
کمبود روی در خاک های آهکی به علت pH بالا و قابلیت استفاده کم روی، و در خاک های اسیدی به علت آبشویی بسیار متداول است. خاک های آلی نیز از نظر ذخیره روی بسیار فقیر بوده و گیاهان مربوط نیز غالبا دچار کمبود روی هستند. در برخی موارد افزایش کود فسفره فراوان منجر به بروز کمبود روی می گردد.
بطورکلی برای اندازه گیری مقادیر کل آهن، منگنز، مس و روی از دو روش هضم با ترکیب HClO4+HF+H2SO4 و نیز ذوب با کربنات سدیم استفاده می شود. گزارشات نشان داده است که بین مقادیر کل این عناصر در خاک و جذب گیاهی هیچ رابطه ای وجود ندارد. بنابراین برای ارزیابی وضعیت این عناصر بایستی شکل قابل استفاده یا قابل جذب آن ها اندازه گیری شوند. برای هر یک از عناصر میکرو در منابع روش های مختلف و عصاره گیرهای متفاوت پیشنهاد شده است لیکن در خاک های آهکی که کمبود این عناصر مشهود است، از توانایی تشکیل کمپلکس با کلات های مختلف استفاده شده و طبق مطالعات Lindsay و Norvell (1978) یک عصاره گیر جهانی برای تعیین مقادیر قابل استفاده آن ها معرفی شده است. این عصاره گیر شامل ترکیبات کلات DTPA (005/0 مولار)، TEA (1/0 مولار) و نمک CaCl2 (01/0 مولار) می باشد. کل عصاره گیر در برابر با ۳/۷ تنظیم می شود. پس از عصاره گیری، غلظت هر یک از عناصر چهارگانه فوق الذکر در عصاره به دست آمده از خاک با استفاده از دستگاه جذب اتمی تعیین می گردد.
بر (B)
بر به عنوان یک عنصر میکرو در تغذیه گیاه مطرح بوده و بین عناصر میکرو پتانسیل بالایی در ایجاد سمیت برای گیاهان دارد. فاصله حد بحرانی و حد کمبود آن در خاک و در گیاه بسیار باریک و کوتاه می باشد. در خاک هایی با بر قابل استفاده کمتر از ۱ پی‌پی‌ام علائم کمبود در گیاهان ظاهر می شود و در مقادیر بالاتر از ۳ پی‌پی‌ام (در عصاره اشباع) سمیت آن اتفاق می افتد.
بنابراین در مصرف کودهای حاوی بر بایستی جانب احتیاط رعایت شود. در برخی مناطق خشک و نیمه خشک آب های زیرزمینی حاوی غلظت های بالای بر هستند. این امر می تواند منجر به تجمع آن در خاک شوند.
آبشویی B نسبت به سایر یون های شورکننده نظیر Na خیلی سخت تر است. B بصورت اکسی آنیون ها در شبکه کریستالی کانی های خاک مثل سیلیکات ها موجود است. تورمالین معروف ترین کانی حاوی B در خاک است. مقدار متداول این عنصر در خاک بین ۷ تا ۸۰ پی‌پی‌ام بوده و از طریق ذوب با کربنات سدیم قابل اندازه‌گیری است.
برای تعیین مقادیر قابل استفاده B از روش عصاره گیری با آب داغ استفاده می گردد. در ادامه برای تعیین غلظت B در عصاره-های به دست آمده از یکی از ۳ روش زیر استفاده می شود:
روش Carmin:
غلظت های ۵/۰ تا ۱۰ میکروگرم در میلی لیتر با این روش قابل اندازه گیری است.
روش Curcamin:
با این روش غلظت های ۱/۰ تا ۲ میکروگرم در میلی ¬لیتر قابل ارزیابی است. این روش نسبت به روش اول حساسیت بالا و خطر کمتری دارد. ۳- روش Azomethin-H: دامنه اندازه گیری B با این روش ۵/۰ تا ۱۰ میکروگرم در میلی لیتر می باشد. معمولا مقدار B قابل استفاده در آزمایشگاه ها بیش از مقدار واقعی آن برآورد می شود. زیرا برخی ظروف شیشه ای در محلول B آزاد می نمایند. لذا توصیه می شود از ظروف شیشه ای اختصاصی با B پایین یا ظروف پلی اتیلنی استفاده گردد.
مولیبدن (MO)
مولیبدن یکی دیگر از عناصر میکرو در تغذیه گیاه بوده و مقدار آن در خاک ها بین ۱/۰ تا ۴۰ پی‌پی‌ام گزارش شده است. در غلظت‌های کمتر از ۱/۰ پی‌پی‌ام (حد بحرانی) در گیاهان علائم کمبود ظاهر می شوند. برخلاف سایر عناصر میکرو، pHهای بالا منجر به افزایش حلالیت آن می شود. اثرات متقابل بین فسفر و مولیبدن به دلیل تشکیل ترکیبات محلول فسفر و مولیبدن گزارش شده است. تغذیه نیتراته گیاهان فراهمی MO برای آن ها را در مقایسه با تغذیه آمونیومی افزایش می دهد. چون نیترات pH ریزوسفر را بالا می برد. در خاک هایی با pH بسیار بالا ممکن است سمیت مولیبدن اتفاق بیفتد. در صورت تغذیه دام ها از علوفه با غلظت های بالای MO و Cu پایین بیماری مولیبدنوسیس در دام ها اتفاق می افتد.
اندازه گیری MO کل با روش ذوب کربنات سدیم انجام گرفته و مولیبدن با روش اسپکتروفتومتری در عصاره اندازه گیری می گردد. برای تعیین مقادیر قابل استفاده مولیبدن از روش های:
- عصاره گیری با آب داغ
- عصاره گیری با استات آمونیوم ۱ مولار
- عصاره گیری با اگزالات آمونیوم در ۳/۳=pH. 4 استفاده از رزین های تبادل آنیونی.
- عصاره گیری با Na2-EDTA 05/0 مولار استفاده می شود.
همبستگی بالایی بین مقادیر MO استخراج شده با دو روش اگزالات آمونیوم و رزین نبادل آنیونی گزارش شده است. اما بین مقادیر استخراج شده با پاسخ های گیاهی همبستگی ضعیفی دیده شده است. در مورد برخی گیاهان این همبستگی با رزین های تبادل آنیونی گزارش شده است. مقدار MO استخراج شده با اگزالات ۷ برابر بیشتر از رزین های تبادل آنیونی است. برخی محققان با عصاره گیری آب داغ به نتایج قابل قبولی دست یافته اند. اندازه گیری غلظت MO در عصاره ها با روش اسپکتروفتومتری در طول موج ۴۷۵ نانومتر انجام می گیرد.
نتیجه‌گیری کلی
با توجه به تنوع خواص خاک ها، نوع کشت و نوع انتخاب محصول بسیار اهمیت دارد. زیرا در صورت کشت محصول در خاکی نامناسب و نامرغوب، نه تنها خسارت سنگینی بر کشاورز وارد می شود، بلکه خاک نیز به دلیل عدم انتخاب الگوی کشت و یا آبیاری نامناسب، دچار آسیب می گردد. به طور کلی یک خاک مناسب به عنوان بستر کشت، باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- بافت و ساختمان مناسب.
- مواد مغذی و معدنی کافی.
- مواد آلی.
- منافذ کافی (تخلخل) و تهویه مطلوب.
- زهکشی مناسب.
- اسیدیته مناسب.
- املاح (شوری) متعادل.
- عاری از آفات و بیماری‌ها و بذور علف‌های هرز.
در چنین بستری عملیات کاشت بذر و کنترل علف‌های هرز و کنترل آفات و بیماری‌های ریشه‌ای بهتر انجام می‌گیرد. در ضمن بین آب، هوا و مواد غذایی یک تبادل مناسب و متعادل بوجود می‌آید. لذا لازم است کشاورزان و باغداران قبل از احداث باغ یا آغاز زراعت برای آگاهی از وضعیت غذایی و خصوصیات مختلف فیزیکی و شیمیایی خاک خود با مراجعه به آزمایشگاه های تخصصی آنالیز خاک انجام دهند و با اطلاع کامل از شرایط خاک، اقدام به کشت گیاهان مناسب نمایند. چراکه در این شرایط میزان عملکرد افزایش می یابد و با افزایش کیفیت و کمیت محصولات در باغات، سود قابل توجهی عاید کشاورزان می شود.
منابع
علیزاده، ا. ۱۳۹۰٫ فیزیک خاک. انتشارات دانشگاه امام رضا.
غازان شاهی، ج.۱۳۹۶٫ آنالیز خاک و گیاه. انتشارات آویژ.
محمودی، ش و حکیمیان، م. ۱۳۹۱٫ مبانی خاکشناسی. انتشارات دانشگاه تهران.
Cope, J.T., and Evans, C.E. 1958. Soil testing. In Advances in soil science (pp. 201-228). Springer, New York, NY.
Lindsay, W.L., and Norvell, W. 1978. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper. Soil science society of America journal. 42(3): 421-428.
Walkley A., and Black I.A. 1934. An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, 37(1):29-38.
گردآورنده: ساناز اشرفی سعیدلو
دکتری تخصصی شیمی و حاصلخیزی خاک