فصل سوم: روابط آب و خاک و گياه

1. دانشکده کشاورزي- بخش زراعت اصول و روشهاي آبياري فصل سوم: روابط آب و خاک و گياه

2. تعريف خاک از ديدگاه مهندس کشاورزي: خاک يک محيط رشد و لنگرگاه براي گياه است. از ديدگاه مهندس عمران: خاک محيطي مناسب و توانمند برابر باربري است از ديدگاه مهندس محيط زيست: خاک يک محيط مناسب براي خود پالايي و پالايش است. 2

3. ويژگيهاي يک خاک براي کشاورزي خاک بايد قادر به ذخيره کردن رطوبت (آب) کافي براي رشد گياه بوده و آن را به راحتي در اختيار گياه بگذارد خاک بايد هواي کافي و اکسيژن لازم را در خود ذخيره کند (تبادل هوا و تهويه خاک به راحتي انجام پذيرد) بايد محتوي عناصر و موارد غذايي باشد تا ريشه گياه آن را جذب و به مصرف رشد و نمو برساند بايد به لحاظ مکانيکي از وضعيت مطلوب برخوردار باشد تا ريشه در آن پابرجا بماند 3

4. ويژگيهاي يک خاک براي کشاورزي يک خاک با چنين خصوصياتي از 3 فاز تشکيل شده است: 1- فاز جامد: که شامل مواد معدني، آلي و موجودات زنده خاک است 2-فاز مايع: همان آب يا رطوبت موجود در خاک است که آن را مرطوب مي کند 3-فاز گاز: که همان هواي موجود در خاک است • بخش عمده فاز جامد خاک، مواد معدني خاک است. • مواد معدني از ذراتي تشکيل شده است که اندازه هاي مختلف دارد: • ذرات بزرگتر از 2 ميليمتر، خاک محسوب نمي شود و گراول يا سنگريزه (Gravel) نام دارد. ذرات کوچکتر از 2 ميليمتر (ذرات خاک) به سه دسته شن (sand)، سيلت يا لاي (silt) و رس (clay) نامگذاري مي شود. 4

5. بافت خاک (soil texture) قطر ذرات بافت خاک: فراواني نسبي (نسبت اختلاط) ذرات تشکيل دهنده خاک (رس، سيلت و شن) در يک نمونه خاک مي باشد. بافت خاک يک ويژگي فيزيکي و ثابت خاک است 5

6. بافت خاک (soiltexture) Sand 6

7. بافت خاک (soiltexture) Silt 7

8. بافت خاک (soiltexture) Clay 8

9. بافت خاک (soiltexture) USDA Textural Classes 9

10. بافت خاک (soiltexture) Soil Texture Triangle Triangle Key: S = sand or sandy Si = silt or silty C = clay L = loam or loamy 10

11. بافت خاک (soiltexture) Coarse texture Sands Loamy sands • نفوذپذيري زياد • چسبندگي کم – تهويه بسيار زياد • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي کم • براي کشاورزي نامناسب 11

12. بافت خاک (soiltexture) Moderately coarse texture Sandy loam Very fine sandy loam • نفوذپذيري نسبتا زياد • کمي چسبنده • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي تقريباکم • براي کشاورزي مناسب- بيشتر براي خزانه استفاده مي گردد 12

13. بافت خاک (soiltexture) Medium texture Very fine sandy loam Loam Silt loam Silt • خاک لوم سيلتي و سيلتي • نفوذپذيري متوسط- پودري شکل و چسبنده • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي خوب • براي کشاورزي خوب است اگر کيفيت آب خوب باشد • خاک لوم: • چسبندگي خوب – تهويه خوب • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي خوب • براي کشاورزي خاک ايدال 13

14. بافت خاک (soiltexture) Moderately fine texture Sandy clay loam Clay loam Silty clay loam • نفوذپذيري کم • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي زياد • مشکل زهکشي دارد 14

15. بافت خاک (soiltexture) Fine texture Silty clay Clay Sandy clay • نفوذپذيري کم • قدرت نگهداري آب و مواد غذايي زياد • مشکل زهکشي دارد و حتما بايد زهکشي گردند • خاک رس : نامناسب کشاورزي 15

16. بافت خاک (soiltexture) Sand + Silt + Clay = 100% 20 % Sand 30 % Silt 50 % Clay Texture = Clay 16

17. ساختمان خاک (SoilStructure) آرايش و ترتيب قرار گرفتن ذرات خاک و خاکدانه ها نسبت به يکديگر • پيوند بين ذرات خاک که منجر به تشکيل ساختمان خاک مي شود بستگي دارد به: • مقدار رس در خاک که به دليل بار منفي و سطح ويژه بالا، به پيوند بين رس و ديگر ذرات خاک کمک مي کند • وجود کلسيم، اکسيد آهن و آلومينيم به سيمانته شدن ذرات خاک کمک مي کند • وجود مواد آلي در خاک • خاک خوب براي کشاورزي خاکي است ذرات آن بصورت خاکدانه باشد ساختمان خاک بر خلاف بافت خاک در اثر عمليات کشاورزي تغيير مي کند اهميت ساختمان خاک از اين نظر مهم است که روي عوامل رشد گياه مثل تهويه، ظرفيت نگهداري آب، دماي محيط ريشه، حرکت املاح، نفوذ ريشه و ... اثر مي گذارد 17

18. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 1-نوع دانه اي و خرد ريز (GranularStructure) • معمولا خاکدانه ها داراي قطر کمتر از 0/5 سانتيمتر مي باشد • مواد معدني (مينرال) توسط مواد آلي (O.M.) به هم چسبيده • و تشکيل توده ها (aggregates) را داده اند • شبيه کلوچه خرد شده مي باشد 18

19. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 2-نوع تک دانه اي (Single GranularStructure)- يا فاقد ساختمان • خاک دانه ها به ذرات انفرادي و تکي شکسته شده و چسبندگي آنها از بين مي رود • همواره با از دست دادن مقاومت همراه است • عموما در خاک هاي شني ديده مي شود • در واقع خاک بدون ساختمان است Single Grained 19

20. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 3-نوع بلوکي و گوشه دار • (Blocky & angular or sub angular Structure) • بلوک هاي نامنظم که معمولا قطر قطعات بين 0/5 تا 1/5 سانتيمتر مي باشد • مي توانند به بلوک هاي گوشه دار تبديل گردند 20

21. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) Subangular Blocky Angular Blocky 21

22. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 4-نوع منشوري و ستوني (Prismatic & Columnar Structure) • ستونهاي عمودي خاک که طول آنها ممکن است در حد چند سانتيمتر هم باشد • معمولا در افقهاي(horizons) پايين ديده مي شود • در اقليم خشک ديده مي شود 22

23. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) 4-نوع منشوري و ستوني (Prismatic & Columnar Structure) کلاهک نمک 23

24. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 5-نوع صفحه اي يا ورقه اي (PlatyStructure) • صفحات نازک و صاف که بصورت افقي گسترده شده اند 24

25. انواع ساختمان خاک (SoilStructure types) • 6-نوع حجيم يا کلوخه اي (Massive Structure) • کلوخ هاي بزرگ بوده و به سختي شکسته مي شوند 25

26. Soil Structure (With Structure) Granular Blocky Columnar Platy Prismatic

27. ساختمان خاک و تاثير آن بر حرکت آب در خاک حرکت آب 27

28. ساختمان خاک و تاثير آن بر حرکت آب در خاک Granular Blocky Platy 28

29. انواع خلل و فرج (Pores) خاک Macropores 0.06 mm Micropores 0.06 mm • از نظر ضریب آبگذري (هدايت و انتقال هیدرولیکی): رسي لومي  شني • بخاطر خلل و فرج درشت 29

30. روابط حجمي و وزني خاک – رطوبت خاک رطوبت وزني: عبارت است از جرم آب موجود در يک نمونه نسبت به جرم مواد جامد خاک (جرم خاک خشک) 100 مثال: درصورتي که جرم آب يک نمونه خاک 12 گرم و وزن خاک خشک 53 گرم باشد، مطلوبست تعيين رطوبت وزني؟ 30

31. روابط حجمي و وزني خاک – رطوبت حجمي خاک رطوبت حجمي: عبارت است از حجم آب موجود در يک نمونه نسبت به حجم کل نمونه خاک 100 مثال: درصورتي که جرم آب يک نمونه خاک که با استوانه اي به قطر 5 و ارتفاع 6 سانتي متر برداشته گرديده، 12 گرم باشد، مطلوبست تعيين رطوبت حجمي؟ r h 31

32. عمق آب معادل A H A h H 32

33. روابط حجمي و وزني خاک- عمق آب معادل • عمق آب معادل (Equivalent Depth) اگر ستوني از خاک داشته باشيم و تمام آب آنرا جدا کرده باشيم، سپس آنرا در تمام سطح خاک توزيع نمائيم، يک عمق بدست مي آيد که به آن عمق معادل گوييم. Soil رطوبت حجمي: سطح مقطع A ارتفاع H سطح مقطع A Water ارتفاع h 33 نکته: در اين رابطه رطوبت حجمي اعشاري است.

34. عمق آب معادل 34

35. روابط حجمي و وزني خاک مثال: در مثال قبلي عمق معادل آب در ستون خاکي به عمق 1 متري را بدست آوريد. آيا رطوبت حجمي يک خاک مي تواند بيش از 100 درصد باشد؟ خير-بر اساس رابطه زير صورت نمي تواند از مخرج بيشتر باشد، لذا هميشه از 1 کمتر است 35

36. روابط حجمي و وزني خاک- چگالي ظاهري و حقيقي جرم مخصوص حقيقي خاک: Particle Density (s or p) • تعريف: جرم خاک خشک تقسيم بر حجم ذرات خاک خشک (بدون خلل و فرج) • جرم مخصوص حقيقي خاک بر حسب گرم بر سانتي متر مکعب بيان مي شود = • با توجه به اينکه در اکثر خاکها سنگ مادري آنها ذرات سيليس است، لذا جرم مخصوص حقيقي بين 2/7-2/6 گرم بر سانتي متر مکعب است. • وجود مواد آلي سبب کاهش و ذرات آهن در خاک باعث افزايش آن مي شود 36

37. روابط حجمي و وزني خاک- چگالي ظاهري و حقيقي جرم مخصوص ظاهري خاک: BulkDensity (b) تعريف: جرم خاک خشک تقسيم بر کل حجم خاک (با خلل و فرج) جرم مخصوص ظاهري خاک نيز بر حسب گرم بر سانتي متر مکعب بيان مي شود = • «خاک خشک»، خاک خشک شده در آون در دماي 105 درجه و به مدت تقريبي 24 ساعت است. • در خاکهاي شني چگالي ظاهري خاک تا 1/6 و در خاکهاي رسي به 1/1 گرم بر سانتي متر مکعب تنزل مي کند 37

38. روابط حجمي و وزني خاک- چگالي ظاهري و حقيقي جرم مخصوص نسبي حقيقي : (RS) عبارت است از جرم مخصوص حقيقي هر جسم نسبت به جرم مخصوص (چگالي) آب =1 gr/cm3 38

39. روابط حجمي و وزني خاک- چگالي ظاهري و حقيقي خاکهاي زراعي با مواد آلي زياد داراي چگالي حقيقي 2 – 1/5 و چگالي حقيقي خاکهاي زراعي به طور متوسط 2/65 مي باشد. هر چه بافت خاک سنگين تر باشد، چگالي ظاهري آن کمتر است. مقدار چگالي ظاهري براي خاکهاي زراعي از 1/25 تا 1/65 متغير است. هر چه خاک فشرده تر باشد، چگالي ظاهري آن بيشتر است و هر چه خاک پوکتر و سبکتر باشد، چگالي ظاهري آن کمتر است. 39

40. روابط حجمي و وزني خاک- تخلخل خاک تخلخل: (porosity)فضاي خالي بين ذرات خاک را تخلخل مي گوييم. عبارت است از نسبت حجم فضاهاي خالي خاک (آب و هواي خاک) تقسيم بر حجم کل خاک تمرين: رابطه 2 را با استفاده از رابطه 1 استخراج کنيد. 40

41. روابط حجمي و وزني خاک- نسبت پوکي خاک نسبت پوکي: (void ratio) نسبت پوکي نيز شاخصي از خلل و فرج خاک است تعريف: حجم منافذ به حجم جزء جامد خاک رابطه بين تخلخل و ضريب پوکي: و يا: تمرين: رابطه بين تخلخل و ضريب پوکي را اثبات کنيد. 41

42. روابط حجمي و وزني خاک- درجه اشباع درجه اشباع: (Degree of Saturation)نسبت حجم آب موجود در خاک به حجم منافذ خاک اين شاخص نشان دهنده ميزان انباشتگي خلل و فرج از آب است و بين 0 تا 100% ( يا 0 تا 1) متغير است. تمرين: رابطه را اثبات کنيد. 42

43. نکاتي در مورد تخلخل خاکهاي رسي خلل و فرج بيشتري نسبت به خاکهاي شني دارند. خلل و فرج درشت (ماکرو) خاکهاي شني بيشتر از خاکهاي رسي و خلل و فرج ريز خاکهاي (ميکرو) رسي بيشتر از خاکهاي شني است. هر چه مواد آلي خاک بيشتر باشد، خلل و فرج خاک بيشتر مي گردد. رشد بهتر گياه نيازمند تهويه کافي (تخلخل) مي باشد. 43

44. خلاصه روابط بين پارامترهاي فيزيکي خاک رابطه بين تخلخل و ضريب پوکي: رابطه بين درجه اشباع و رطوبت حجمي: رابطه بين تخلخل و جرم مخصوص ظاهري: رابطه بين رطوبت وزني و رطوبت حجمي: رابطه بين عمق آب، عمق خاک و رطوبت حجمي: رابطه بين حجم نسبي هواي موجود در خاک و رطوبت حجمي: 44

45. مثال: نمونه اي خاک دست نخورده با يک Core Samplerاز مزرعه اي تهيه شده است و داده هاي زير بدست آمد. مطلوبست تعيين رطوبت، چگالي ظاهري و تخلخل، پوکي و ضريب اشباع اين خاک ؟ وزن خاک تر و قوطي : 486 گرم و وزن قوطي خالي 195 گرم وزن خاک خشک و قوطي: 424 گرم، ارتفاع استوانه 6 سانتي متر و قطر استوانه 6 سانتي متر. 45

46. فرض 46 رابطه بين رطوبت حجمي و وزني بصورت زير است. اين رابطه را اثبات کنيد.

47. صور مختلف آب در خاک پيوند قطبي و هيدروژني در مولکول آب 47

48. صور مختلف آب در خاک نتيجه پيوند قطبي و هيدروژني در مولکول آب باعث نگهداري آب در خلل و فرج و لابلاي ذرات خاک مي شود 48

49. صور مختلف آب در خاک 1- نيروي کوهيژن (Cohesion) : پيوستن مولکولهاي مشابه به يکديگر2- نيروي ادهيژن(Adhesion) : اتصال مولکولهاي غير مشابه يکديگر Adhesion 49

50. صور مختلف آب در خاک • در اثر آبياري يا بارندگي، کليه خلل و فرج ريز و درشت از آب پر و هواي خاک خارج مي شود. در اين حالت خاک اشباع شده و ذخيره آبي خاک حداکثر است. • آب را به 3 صورت مي توان در خاک يافت کرد: آب ثقلي يا آزاد، آب مويينه يا شعريه یا کاپیلاری و آب جذبي يا غشايي يا هيگروسکوپيک آب ثقلي يا آزاد: آبي است که از توده خاک اشباع صرفاً تحت اثر نيروي ثقل تخليه (يا زهکشي) مي شود. تاثير نيروي ثقل تنها بر آب موجود در خلل و فرج درشت خاک است. بسته به بافت و ساختمان خاک چند ساعت تا چند روز طول مي کشد. آب مويينه اي: آبي است که خلل و فرج ريز خاک را اشغال مي کند. تحت تاثير نيروي کاپيلاري و کشش سطحي در خاک نگه داشته مي شود و توسط نيروي ثقل تخليه نمي گردد. گياه عمده مصرف خود را از اين آب تامين مي کند. 50