خصوصیات خاک در ارتباط با کیفیت آب

[masi eng 47,044]

[h=2]خصوصیات خاک در ارتباط با کیفیت آب

 

بافت یک خاک ( لومی ، شنی ، سیلتی و غیره ) از روی ذرات تشکیل دهنده آن تعیین می گردد . ذرات خاک از نظر اندازه به سه دسته تقسیم می شوند:

شن (اندازه ذرات بزرگتر از 02/میلی متر)

سیلت (اندازه ذرات بین 02/و 002/ میلی متر)

رس( اندازه ذرات کوچکتر از 002/میلی متر)

واضح است که هر چه ذرات ریزتر باشند سطح مخصوص (مجموع سطوح ذرات تشکیل دهنده یک گرم خاک ) اضافه می شود و ممکن است حتی به 800مترمربع در گرم یا بیشتر نیز برسد . از طرف دیگر ذرات رس دارای بار الکتریکی منفی هستند و این بارالکتریکی از طریق جذب کاتیونها خنثی می گردد . کاتیونهائی که جذب ذرات رس شده اند نیز می توانند با توجه به اکی والان مربوطه جای خود را به کاتیونهای دیگر داده و عمل تبادل کاتیونی در سطح رس صورت گیرد . درجه تمایل کاتیونها در جایگزینی یکدیگر به صورت زیر است : NH+4>Mg++>Ca++>K+>Na+یعنی مثلاً Ca راحت تر می تواند جای سدیم را بگیرد ولی عوض شدن Ca بوسیله Na مشکل تر است. در خاکهای معمولی مقادیر Ca,Mg,Ca,NH4 به ترتیب حدود 70و25و3و2درصد کاتیونهای موجود در محلول خاک را شامل می شوند ولی خاکهای شور و سدیک محتوی مقدار قابل توجهی Na هستند . همانطور که قسمت اعظم کاتیونهای محلول خاک را Ca,Mg تشکیل می دهند در سطح ذرات خاک نیز قسمت اعظم کاتیونها Ca, Mg می باشند . ولی اگر خاک را با آب شور آبیاری کنیم ، یون Na در محلول خاک یون غالب خواهد بود ، در نتیجه مقداری از کاتیونهای Ca,Mg جذب شده در سطح ذرات خاک بوسیله Na جایگزین می گردند.

خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک (مانند ساختمان خاک و پایداری خاکدانه ها) بستگی مستقیم به کاتیونهائی دارد که در سطح ذرات خاک وجود دارد . اگر یونهای جذب شده به وسیله ذرات خاک از یونهای دو ظرفیتی مثل ca,Mg باشند خاک دارای خصوصیات فیزیکی خوبی خواهد بود ولی اگر یونهای موجود در سطح ذرات خاک از نوع یونهای یک ظریفیتی مثل Na باشد خاک فاقد ساختمان بوده و ذرات آن پراکنده می شود . کافی است که حداقل 10درصد کاتیونهای جذب شده ذرات خاک از نوع سدیم باشد تا خاک ساختمان خود را از دست داده نفوذپذیری آن را در اثر پراکنده شدن ذرات به شدت کاهش یابد. البته اگر غلظت نمک بسیار زیاد باشد از پراکنده شدن ذرات خاک جلوگیری به عمل می آید. ولی غلظت زیاد خود اثرهای نامطلوب دیگری بر رشد گیاه دارد.

در ارتباط با این موضوع لازم است برخی از خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاکها را مورد بررسی قرار دهیم.

ماهیت کانیهای رس:

در شبکه اتمی اکثر رسها دو نوع واحد ساختمانی وجود دارد :

یکی از واحد های ساختمانی مرکب است از رشته های دوبعدی تترهدرای (چهاروجهی) سیلیسیم- اکسیژن. در هر چهار وجهی یک اتم سیلیسیم به وسیله چهار اتم اکسیژن که در گوشه های چهار وجهی قرار گرفته اند احاطه شده است سه اتم از این چهار اتم اکسیژن با سه چهار اتم چهاروجهی مجاور مشترک می باشد.

واحد ساختمانی دیگر هشت وجهی آلومینیوم (آهن یا منیزیم) – اکسیژن – هیدروکسیل است . در هشت وجهی (اکتاهدرال) اتم AL یا Mg به وسیله اتمهای اکسیژن یا گروههای OH که در 6گوشه هشت وجهی قرار دارند احاطه شده است . اتمهای اکسژن به وسیله هشت وجهی مجاور مشترک است .

شکل (3-الف): واحدهای ساختمانی کانیهای رس

الف: چهاروجهی سیلیس – اکسیژن

ب: هشت وجهی آلومینیوم – اکسیژن –هیدروکسیل

کانی های اصلی رس در خاکها بر حسب این که واحدهای ساختمانی فوق چگونه پهلوی هم قرار می گیرند مشخص می گردد و بر این اساس انواع رسها از قبیل دو لایه ای مثل کاتولینیت Kaolinite و رسهای سه لایه ای مانند مونت موریلونیت Montmorillonite و ایلیت وجود دارد. شکل شماره (3-ب) شبکه ساختمانی یک کانی رس کائولینیت را نشان می دهد.

در شبکه ساختمانی رسها اگر جایAl سه والانی رایون سیلیسیم چهار والانی بگیرد نتیجه یک بارالکتریکی منفی خواهد بود . در چنین حالتی ذرات رس دارای بارالکتریکی منفی هستند. البته عوامل دیگری نیز در منفی بودن بار آنها دخالت دارند. بار منفی به وسیله یونهای دیگری که بار مثبت دارند (یونهای مخالف) خنثی می گردند. مقدار کل یونهای مخالف (برحسب میلی اکی والان در لیتر) را در هر 100گرم خاک خشک ظرفیت کاتیونی CEC گویند.

جذب کاتیونها به طرف ذرات رس شبیه موقعیت مولکولهای هوا نسبت به سطح زمین است یعنی از یک طرف مولکولهای هوا به دلیلنیروی جاذبه به طرف زمین کشیده می شوند و از طرف دیگر به دلیل دیفوزیون از آن دور می شوند نتیجه این است که غلظت هوا در نزدیک سطح زمین زیاد و هر چه از آن دور شویم غلظت آن تقلیل می یابد.حال در اطراف یک لایه رس نیز غلظت کاتیونها زیاد است و هر چه از آن دور شده به طرف محلول خاک می رویم غلظت کاتیونها کم می شود ولی در اینجا دووضعیت خاص وجود دارد .

شکل (3-ب)شبکه کریستالی رس کائولینیت

نیزوی جاذبه به طرف زمین کشیده می شوند و از طرف دیگر به دلیل دیفوزیون از آن دور می شوند. نتیجه این است که غلظت مولکول های هوا در نزدیک سطح زمین زیاد و هر چه از آن دور شویم غلظت آن تقلیل می یابد. حال در اطراف یک لایه رس نیز غلظت کاتیون ها زیاد است و هر چه از آن دور شده به طرف محلول خاک می رویم غلظت کاتیون ها کم می شود. ولی در این جا دو وضعیت خاص وجود دارد.

الف- کاتیون های دو ظرفیتی ( مثل ca و mg) با نیروئی دو برایر کاتیون های یک ظرفیتی مثل ( Na و K) به طرف ذرات رس جذب می شوند ولی در غلظت مساوی نیروی دیفوزیون برای هر دو یکسان است . بنابرین در یک سیستمی که کاتیون ها از نوع دو ظرفیتی باشند ضخامت لایه کاتیونی در اطراف ذرات رس فشرده تر است.

ب- جذب کاتیون ها به طرف ذرات رس بستگی به غلظت کاتیون ها دارد یعنی هر چه غلظت نمک زیاد باشد ضخامت لایه کاتیونی در اطراف ذرات رس فشرده تر است و نیروی دیفوزیون از بین می رود این موضوع در شکل شماره ( ج-3) نشان داده شده است.

اگر چنانچه دو ذره رس به هم نزدیک شوند فضائی که کاتیون های اطراف ذرات رس را در بر گرفته درهم تداخل می کند و چون این فضا ها هر دو دارای بار الکتریکی مثبت هستند یکدیگر را دفع می نمایند. دفع ذرات نسبت به هم نیروئی را ایجاد می کند. که به آن تورم یا نیروی تورم خاک می گویند . هر چه ضخامت لایه کاتیونی فشرده تر باشد ( یا غلظت کاتیون ها زیاد باشد و یا کاتیون ها از نوع دو ظرفیتی باشند ) این تداخل کمتر شده

شکل ( 3-ج) : نمایش توزیع یون ها در اطراف یک ذره رس.

الف –کاتیون های یک و دو ظرفیتی با غلظت مساوی

ب-یون های سدیم با دو غلظت مختلف

تورم خاک نیز کمتر می شود. بدین ترتیب معلوم می شود که اگر در محلول خاک یون سدیم زیاد وجود داشته باشد – چون یک ظرفیتی است –تورم خاک زیاد خواهد بود. و اگر محلول خاک با همان غلظت ولی حاوی کاتیون های دو ظرفیتی باشد تورم خاک کم خواهد بود. محلول خاک معمولاً هم حاوی کاتیون ca و هم کاتیون na است. لذا باید یک سیستم مخلوط از na/ca را در نظر گرفت . به تجربه ثابت شده است که تا زمانی که از مجموع یون های جذب شده در اطراف یک ذره رس مقدار na کمتر از 10درصد را تشکیل دهد ، تورم مسئله ای نخواهد بود ولی اگر از 10درصد تجاوز کند تورم شدیداً زیاد می شود. شکل شماره (3-د) تداخل فضائی کاتیون ها را نشان می دهد.

تورم ذرات رس باعث کوچک شدن فضاهای خالی بین ذرات و در نتیجه کاهش شدید نفوذ آب بداخل خاک می شود.

شکل ( 3-د) : تداخل دو سیستم لایه های مضاعف دیفوزیونی : خط نقطه چین –غلظت یونی در اطراف یک لایه رس بدون تداخل خط پر – غلظت یونی در حالتی که فضاها در هم تداخل می کند.

به عبارت دیگر دو عامل نفوذ پذیری خاک را نسبت به آب افزایش می دهد یکی این که غلظت املاح موجود در آن آب زیاد باشد و دیگر این که نسبت جذب سدیم SAR در آن آب کم باشد . این وضعیت بخصوص در مورد رسهای نوع مونت موریلونیت بسیار مشهود است. پس اگر بخواهیم نفوذ پذیر خاک افزایش یابد بهتر است به آب یا خاک کاتیون های دو ظرفیتی ( مثل گچ) اضافه شود. بنابرین نقش کیفیت آب در ساختمان خاک از طریق غلظت املاح و نوع املاح است که باعث تورم ، پراکندگی ذرات و نتیجه کاهش نفوذ پذیری می شود.[/h]

منبع /سازمان اب و خاک ایران