خصوصیات شیمیایی خاک

شیمی خاک، بیانگر برهمکنش ترکیبات شیمیایی مختلف خاک است که در بین ذرات خاک و در محلول خاک یا آب باقی‌مانده توسط خاک صورت می‌گیرد. فعل و انفعالات شیمیایی که در خاک رخ می‌دهند بسیار پیچیده هستند، اما درک برخی مفاهیم اساسی در این ارتباط به شما کمک می‌کند که خاک خود را بهتر مدیریت کنید.

ويژگی‌های شیمیایی خاک منعکس‌کننده تأثیر بین محلول خاک (آب خاک و مواد مغذی آن) و مکان‌های تبادلی آن (ذرات رس و مواد آلی)، سلامت گیاه، نیازهای غذایی گیاه، سطح آلاینده‌های خاک و در دسترس بودن آن‌ها برای جذب توسط گیاهان می‌باشند. به دیگر سخن، این ويژگی‌ها بر فرآیندهایی مانند چرخه مواد غذایی خاک، فعالیت‌های بیولوژیکی، تشکیل خاک، سرنوشت آلاینده‌ها و فرسایش خاک تأثیر می‌گذارند.

برخی از مهم‌ترین ويژگی‌های شیمیایی خاک به شرح زیر می‌باشند.

ظرفیت تبادل کاتیونی (Cation exchange capacity; CEC)

همانطور که قبلاً ذکر شد، شیمی خاک برهمکنش ترکیبات شیمیایی مختلف است که بین ذرات خاک و در محلول خاک (آبی که توسط خاک حفظ می‌شود) صورت می‌گیرد. خاک‌ها مانند روشی که آب را در خود نگه می‌دارند، عناصر غذایی را نیز حفظ می‌کنند. مولکول‌های مواد مغذی با بار مثبت که کاتیون نامیده می‌شوند، به سمت بارهای منفی ذرات خاک جذب می‌شوند. کاتیون‌های اصلی خاک شامل کلسیم (Ca²⁺)، منیزیم (Mg²⁺)، پتاسیم (K⁺)، سدیم (Na⁺)، هیدروژن (H⁺) و آلومینیوم (Al³⁺) هستند. مکان‌هایی که کاتیون‌ها به سطح ذرات خاک (به‌ويژه رس) متصل می‌شوند، مکان‌های تبادل کاتیونی نامیده می‌شوند (شکل 1).

شکل 1- کاتیون‌های اسیدی و بازی مختلف موجود بر روی مکان‌های تبادلی خاک

توانایی نگهداری مواد مغذی کاتیونی را ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) می‌گویند. به‌عبارت بهتر، ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) بیانگر حداکثر مقدار کل کاتیون‌هایی است که یک خاک قادر است در یک مقدار pH معین برای تبادل با محلول خاک در خود نگه دارد.

این توانایی کلوئیدهای با بار منفی خاک برای نگه داشتن مواد مغذی کاتیونی و جلوگیری از شسته شدن آن‌ها، در خارج از ریشه گیاه است (شکل 2). در هر حال، CEC به‌عنوان معیاری برای ارزیابی قدرت باروری خاک، ظرفیت نگهداری مواد مغذی و ظرفیت محافظت از آب‌های زیرزمینی از آلودگی کاتیونی استفاده می‌شود. هر چه یک خاک، ظرفیت تبادل کاتیونی بیشتری داشته باشد؛ به احتمال زیاد، آن خاک دارای سطح حاصلخیزی بالاتری خواهد بود.

شکل 2- رابطه بین کاتیون‌های موجود در مکان‌های تبادلی خاک، محلول خاک و ریشه گیاه

خاک‌های رسی نسبت به خاک‌های درشت بافت‌تر (شنی)، مواد مغذی بیشتری را حفظ می‌کنند؛ درست همانطور که خاک‌های رسی آب بیشتری را در خود نگه می‌دارند، زیرا به‌دلیل داشتن سطح ويژه بیشتر (تعداد مکان‌های تبادل کاتیونی بیشتر)، مواد مغذی بیشتری می‌توانند به این مکان‌های تبادلی جذب شوند (شکل 3). مواد آلی همچنین دارای مکان‌هایی با بار منفی هستند که ذرات باردار مثبت را جذب و نگه می‌دارند. بنابراین، خاک‌های شنی برای افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی به مواد آلی متکی هستند. در واقع، افزودن مواد آلی، CEC خاک را افزایش می‌دهد؛ زیرا CEC ماده آلی، حدود 4 برابر بیشتر از خاک رسی است.

شکل 3- مقایسه سایت‌های تبادلی دو خاک با مقادیر رس متفاوت

CEC خاک به‌طور معمول بر حسب واحد بار در هر وزن خاک بیان می‌شود. دو واحد متفاوت در این راستا استفاده می‌شوند که البته از نظر عددی، معادل هم هستند:

الف- میلی اکی‌والان عنصر در هر 100 گرم خاک خشک

ب- سانتی‌مول بار مثبت به ازای هر کیلوگرم خاک خشک

معمولاً مقدار CEC از کمتر از 5 برای خاک شنی تا بیش از 30 (سانتی‌مول بار مثبت به ازای هر کیلوگرم خاک خشک) برای خاک رسی متغیر است. همچنین، مقدار CEC با pH خاک تغییر می‌کند که این موضوع بر کاتیون‌های درگیر در واکنش‌های شیمیایی خاک تأثیر می‌گذارد (شکل 4).

شکل 4- تغییر کاتیون‌های موجود در مکان‌های تبادلی خاک در pHهای مختلف

واکنش خاک (Soil pH)

pH خاک بیانگر واکنش‌پذیری خاک است. به‌عبارت دیگر، معیاری برای اسیدی یا قلیایی بودن خاک است. در واقع، pH نشان‌دهنده فعالیت یون هیدروژن در یک محلول آبی است و در خاک‌ها از 5/3 (بسیار اسیدی) تا حدود 10 (بسیار قلیایی) متغیر است. pH بر فراهمی عناصر غذایی، وضعیت فیزیکی خاک و رشد گیاه تأثیر می‌گذارد. خاک‌های با اسیدیته بالا (5/5>pH) تمایل به داشتن مقادیر سمی آلومینیوم و منگنز دارند. خاک‌های با قلیائیت بالا (5/8<pH) تمایل به دیسپرس شدن یا پراکنش دارند. فعالیت موجودات خاک‌زی در خاک‌هایی با pH پایین (اسیدیته بالا) با مشکل روبه‌رو می‌شود. در حالی که بسیاری از گیاهان می‌توانند محدوده pH بین 2/5 تا 8/7 را تحمل کنند، اکثر آن‌ها در خاک‌های معدنی (خاک‌هایی با کمتر از 20 درصد ماده آلی) زمانی که pH خاک بین 6 تا 7 (کمی اسیدی تا خنثی) باشد، بهترین رشد را دارند. جدول 1، نشانگر محدوده pH بهینه برای در دسترس بودن مواد مغذی مختلف در خاک است.

جدول 1- محدوده pH بهینه برای در دسترس بودن مواد مغذی مختلف

قابلیت هدایت الکتریکی (Electrical conductivity; EC)

رسانایی الکتریکی (EC) معیاری از کل غلظت نمک محلول در خاک (شوری خاک) است. مقدار EC بالا با مقادیر زیاد نمک‌های محلول مطابقت دارد و بالعکس. در واقع، شوری زمانی اتفاق می‌افتد که روش‌های آبیاری، بدون توجه کافی به زهکشی و شستشوی املاح از خاک انجام شوند. نمک‌ها همچنین می‌توانند به‌دلیل نفوذ آب دریا جمع شوند یا ممکن است به‌طور طبیعی ایجاد شوند. با افزایش شوری خاک، اثرات نمک می‌تواند منجر به تخریب خاک و پوشش گیاهی شود. رایج‌ترین نمک‌ها ترکیبی از کاتیون‌های سدیم، کلسیم، منیزیم و پتاسیم با آنیون‌های کلر، سولفات، کربنات و بی‌کربنات هستند. مقادیر EC را می‌توان بر حسب میکروموس بر سانتی‌متر (μmhos/cm)، میلی‌موس بر سانتی‌متر (mmhos/cm) و يا دسی‌زیمنس بر متر (dS/m) بیان کرد.

سدیمی بودن خاک (Soil sodicity)

سدیمی بودن خاک به‌دلیل اشباع بیش از حد یون‌های سدیم در مکان‌های تبادلی خاک (بارهای منفی ذرات رس و هوموس که یون‌های شیمیایی با بار مثبت را جذب می‌کنند) ایجاد می‌شود. سدیمی بودن مستقیماً بر ساختار خاک تأثیر می‌گذارد زیرا سطوح بالای سدیم در مقایسه با کلسیم، در ترکیب با سطوح کم نمک می‌تواند باعث “پراکندگی خاک” شود که برعکس هم‌آوری خاک است. پراکندگی خاک باعث تجزیه و تخریب خاکدانه‌ها می‌شود و در نتیجه ساختمان خاک ضعیف می‌شود. به‌دلیل ساختمان ضعیف خاک، خاک‌های سدیمی دارای لایه‌های خاکی متراکم هستند که در نتیجه آن، نفوذپذیری بسیار کند آب، هوا و سایر آلاینده‌ها از طریق خاکرخ انجام می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که اگر سدیم به‌صورت نمک وجود داشته باشد، باعث پراکندگی نخواهد شد زیرا بارهای مثبت یون‌های سدیم توسط یون‌های شیمیایی با بار منفی (مانند سولفات یا کلراید) خنثی می‌شوند. با این حال، به‌دلیل تبادل مداوم یون‌های دارای بار مثبت (مانند کلسیم، منیزیم و سدیم) بین محلول خاک و رس و يا بارهای منفی ذرات هوموس، سطوح بالای نمک‌های سدیمی در محلول خاک می‌توانند منجر به سدیمی شدن خاک شوند؛ زیرا بارهای منفی می‌توانند سدیم را جذب کنند و سطوح تبادلی خاک از سدیم اشباع شود.

معیارهای مختلفی برای بررسی وضعیت سدیمی بودن خاک وجود دارند که دو مورد از مهم‌ترین آن‌ها به شرح زیر می‌باشند:

الف) نسبت جذب سطحی سدیم (Sodium Adsorption Ratio; SAR):

درصورتی که مقدار SAR خاک بیش از 13 باشد آن خاک به‌عنوان یک خاک سدیمی شناخته می‌شود.

ب) درصد سدیم تبادلی (Sodium Exchangeable Percentage; ESP):

درصورتی که مقدار ESP خاک بیش از 15 باشد آن خاک به‌عنوان یک خاک سدیمی شناخته می‌شود.

درصد اشباع بازی (Base Saturation Percentage: BSP)

کاتیون‌های اسیدی خاک شامل هیدروژن و آلومینیوم و کاتیون‌های بازی آن شامل کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم می‌باشند. کسری از کاتیون‌های بازی خاک که موقعیت‌هایی را روی کلوئیدهای خاک اشغال می‌کنند، درصد اشباع بازی نامیده می‌شود. هنگامی که pH خاک 5/5 باشد، مقدار BSP خاک حدود 50 است. اگر pH خاک 7 (خنثی) باشد، مقدار BSP خاک 100 است. در pHهای بالاتر از 7، مقدار BSP ثابت و برابر با 100 می‌باشد. با توجه به اینکه در مناطق خشک، مقدار pH بیش از 7 است؛ بنابراین در این مناطق همواره BSP برابر 100 می‌باشد.

کربن آلی خاک (Soil organic carbon)

کربنی که توسط گیاهان تثبیت می‌شود از طریق بقایای گیاهی از جمله ریشه‌ها و برگ‌های مُرده به خاک منتقل می‌شود. این ماده آلی مرده بستری ایجاد می‌کند که میکروارگانیسم‌های خاک بسته به در دسترس بودن اکسیژن در خاک، آن را به‌صورت دی‌اکسیدکربن یا متان به اتمسفر باز می‌گردانند. کربن آلی خاک نیز می‌تواند با احتراق اکسید شده و به‌صورت دی‌اکسیدکربن به اتمسفر بازگردد. برخی از ترکیبات کربنی به‌راحتی توسط میکروب‌ها هضم و تجزیه می‌شوند و در نتیجه، زمان اقامت نسبتاً کوتاهی در خاک دارند. برخی دیگر مانند لیگنین، اسید هیومیک یا کربن محصورشده در خاکدانه‌ها، هضم آن‌ها برای زیست‌توده خاک بسیار دشوار است و زمان ماندگاری بسیار طولانی دارند.

کربن آلی خاک، خواص فیزیکی خاک را بهبود می‌بخشد. ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) و ظرفیت نگهداری آب را افزایش می‌دهد و با کمک به اتصال ذرات خاک به یکدیگر، به پایداری ساختمان خاک کمک می‌کند. مواد آلی خاک، که کربن بخش عمده آن است، دارای نسبت زیادی از مواد مغذی، کاتیون‌ها و عناصر کمیاب است که برای رشد گیاه اهمیت دارند. از شسته شدن مواد مغذی جلوگیری می‌کند و جزء اسیدهای آلی است که مواد معدنی را در دسترس گیاهان قرار می‌دهد. همچنین خاک را از تغییرات شدید pH محافظت می‌کند. به‌طور کلی، محتوای کربن آلی خاک، یک عامل اصلی در سلامت خاک محسوب می‌شود و عامل مهمی در کاهش اثرات تغییرات آب و هوایی است.