خصوصیات فیزیکی خاک

از نظر فیزیکی، خاک از ذرات معدنی و آلی با اندازه‌های مختلف تشکیل شده است. این ذرات در زمینه‌ای قرار گرفته‌اند که منجر به ایجاد حدود 50 درصد فضای منافذی می‌شوند که توسط آب و هوا اشغال شده است. به‌طور کلی، خاک از سه ذره اصلی (اولیه) شامل شن، سیلت و رس تشکیل شده است (جدول 1).

جدول 1- برخی از ویژگی‌های ذرات اصلی خاک

خواص فیزیکی خاک، ويژگی‌هایی هستند که مسئول انتقال آب، املاح، هوا و گرما در خاک می‌باشند. خواص فیزیکی اصلی خاک عبارتند از بافت، ساختمان، جرم مخصوص، تخلخل، پایداری، سطح ويژه، رطوبت، رنگ و دمای خاک.

بافت خاک (Soil texture)

مقدار نسبي سه ذره شن، سيلت و رس که ذرات کوچکتر از 2 ميلي‌متر می‌باشند را بافت خاک گویند. اصطلاح بافت درشت و يا سبک برای يک خاک شني و اصطلاح بافت ريز و يا سنگين برای يک خاک رسي استفاده می‌شوند. بافت خاک لوم (Loam)، مابين اين دو نوع بافت قرار می­گیرد و به‌عنوان یک بافت متوسط از آن یاد می‌شود. خاک‌هاي شني سريع‌تر از خاک‌هاي ديگر گرم و خشک مي‌شوند و راحت‌تر قابل شخم زدن هستند. خاک‌هاي رسي آب بيشتري را در خود نگه مي‌دارند و نسبت به بقيه خاک‌ها ديرتر خشک و گرم مي‌شوند و نیز شخم زدن آن‌ها مشکل‌تر مي‌باشد. خاک‌هاي لوم، وضعيتي بینابینی دارند؛ يعني قابليت نگهداري آب در آن‌ها خوب است و نسبتاً خوب شخم زده مي‌شوند. در هر حال، بافت خاک را می‌توان از طریق يک مثلث متساوي‌الاضلاع که هر ضلع آن مربوط به یکی از ذرات اصلی خاک (شن، سيلت و رس) است، تعیین نمود (شکل 3).

بافت خاک بر سایر خصوصیات فیزیکی خاک مانند نفوذپذیری، ساختمان، تخلخل، ظرفیت نگهداری آب خاک و غیره اثرگذار است. همچنین، بافت خاک بر مقاومت خاک در برابر فرسایش تأثیر می‌گذارد. به‌علاوه، نفوذ نسبی ریشه گیاهان در خاک را تعیین می‌کند. در نهایت، بافت خاک بر حاصلخیزی خاک تأثیر می‌گذارد، زیرا توانایی خاک برای نگهداشت مواد مغذی و آب به‌منظور استفاده گیاه را تعیین می‌کند.

شکل 3- مثلث بافت خاک

ساختمان خاک (Soil structure)

ترتیب و توالی و نحوه آرایش ذرات اولیه تشکیل­دهنده خاک که منجر به تشکيل توده‌هاي خاکي به‌هم پيوسته ريز و درشت (خاکدانه‌ها) مي‌گردد با عنوان ساختمان خاک بيان مي‌شود. به دیگر سخن، ساختمان خاک بیانگر شکل یا آرایشی است که در آن ذرات خاک در کنار هم قرار گرفته و خاکدانه‌ها را تشکیل می‌دهند. در واقع، یک خاکدانه نشانگر ترکیبی از شن، سیلت و رس می‌باشد که گاهی اوقات همراه با مواد آلی است.

اندازه ماکروسکوپی اکثر خاکدانه‌ها منجر به وجود فضاهای درهم می‌شود که بسیار بزرگتر از فضاهای موجود بین ذرات شن، سیلت و رس مجاور هم هستند. بنابراین ساختمان خاک، تأثیر بافت خاک را با توجه به روابط آب و هوا و سهولت نفوذ ریشه تغییر می‌دهد. به‌عبارت دیگر، دو خاک با بافت یکسان، بسته به نوع ساختمانشان می‌توانند رفتار بسیار متفاوتی داشته باشند. برای مثال، یک خاک رسی می‌تواند به‌راحتی اجازه عبور هوا، آب و ریشه‌ها را در مواقعی بدهد که از يک ساختمان خوب برخوردار باشد. در مقابل، زمانی که ساختمان چنین خاکی در اثر تراکم تخریب شده باشد، تقریباً امکان نفوذ ریشه، هوا و آب در آن فراهم نیست. به­ طور کلی، خواصی از قبیل نفوذ آب و ریشه در خاک، تعداد و اندازه منافذ موجود در بين و درون ذرات خاک و نیز تهویه خاک به ساختمان خاک بستگی دارند.

انواعی از ساختمان خاک وجود دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به ساختمان‌های کروی، اسفنجی، مکعبی يا بلوکی، ورقه‌ای يا صفحه‌ای، ستونی، منشوری و گوه‌ای شکل اشاره نمود. البته دو حالت بدون ساختمان مهم نیز در خاک وجود دارند که تحت عنوان ساختمان توده‌ای و ساختمان تک‌دانه از آن‌ها یاد می‌شود (شکل 4).

شکل 4- انواع حالت‌های ساختمانی موجود در خاک

جرم مخصوص خاک (Soil density)

جرم واحد حجم هر جسم را چگالی يا جرم مخصوص آن جسم می‌نامند. به‌طور معمول، دو نوع جرم مخصوص ظاهری و حقیقی برای خاک اندازه‌گیری می‌شوند. چگالی ظاهری خاک به‌صورت جرم واحد حجم کل خاک خشک (حجم ذرات و منافذ) تعریف می‌شود. در حالی‌که جرم واحد حجم بخش جامد خاک (فقط حجم ذرات) را چگالی حقیقی خاک می‌نامند.

خاک از ذرات معدنی و آلی با ترکیب و چگالی متفاوت تشکیل شده است. کانی‌های فلدسپات (از جمله ارتوکلاز) رایج‌ترین کانی‌های موجود در سنگ‌های پوسته زمین و بسیار رایج در خاک هستند. چگالی آن‌ها از 56/2 تا 76/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب متغیر است. همچنین کوارتز یک ماده معدنی رایج در خاک است که چگالی آن 65/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. بیشتر خاک‌های معدنی عمدتاً از طیف گسترده‌ای از مواد معدنی و مقدار کمی مواد آلی تشکیل شده‌اند. میانگین چگالی ذرات برای خاک‌های معدنی، معمولاً 65/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. به دیگر سخن، جرم مخصوص حقیقی خاک، تقریباً ثابت و برابر با 65/2 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد؛ در حالی‌که جرم مخصوص ظاهری خاک بسته به عوامل مختلفی چون نوع بافت خاک، نوع افق، وجود يا عدم وجود ماده آلی، وجود يا عدم وجود تراکم خاک و غیره دارد. به‌طور معمول، مقدار جرم مخصوص ظاهری در خاک­های معدنی بین 3/1 تا 8/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب و در خاک‌های آلی بین 1/0 تا 6/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب تغییرپذیر است.

پایداری خاک (Soil consistency)

پایداری یا قوام خاک عبارت از مقاومت خاک در برابر تغییر شکل یا از هم گسیختگی می‌باشد. این ويژگی توسط خواص پیوستگی و چسبندگی کل توده خاک تعیین می‌شود. در حالی‌که ساختمان خاک با شکل، اندازه و متمایز بودن تجمعات طبیعی خاک سروکار دارد؛ پایداری با قدرت و ماهیت نیروهای بین ذرات شن، سیلت و رس مرتبط است. اطلاع از وضعیت پایداری خاک برای عملیات خاک‌ورزی و ترافیک (تردد) ماشین‌آلات بر روی خاک، بسیار مهم است. تلماسه (تپه شنی)، حداقلِ خاصیت پیوستگی و چسبندگی را از خود نشان می‌دهد و از آنجا که شن به‌راحتی تغییر شکل می‌دهد، وسایل نقلیه می‌توانند به‌راحتی در آن گیر کنند. در مقابل، خاک‌های رسی در صورت خیس شدن می‌توانند چسبناک شوند و در نتیجه عملیات بیل زدن یا شخم زدن را دشوار می‌کنند. به‌طور معمول، پایداری خاک را در سه وضعیت رطوبتی خیس، مرطوب و خشک، اندازه‌گیری می‌کنند.

تخلخل خاک (Soil porosity)

این واقعیت که خاک‌های معدنی دارای چگالی حقیقی و ظاهری به‌ترتیب حدود 65/2 و 3/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند، به این معنی است که آن‌ها دارای حدود 50 درصد فضای منفذی یا تخلخل کل هستند. به زبان ساده، سنگ‌های بدون فضای منفذی در اثر هوادیدگی شکسته می‌شوند و خاک‌های معدنی را تشکیل می‌دهند که حدود 50 درصد تخلخل دارند. فضاهای منفذی از نظر اندازه متفاوت هستند که هر کدام اهمیت خاص خود را دارد.

خاک‌های شنی، تخلخل کل کمتری نسبت به خاک‌های رسی دارند. با این حال، تجربیات روزمره به ما می‌گوید که آب با سرعت بسیار بیشتری در خاک شنی حرکت می‌کند. توضیح این پارادوکس ظاهری در تفاوت اندازه منافذ در دو خاک نهفته است. خاک شنی عمدتاً حاوی منافذ درشت (ماکروپور) هستند که به‌طور معمول نمی‌توانند آب را در برابر گرانش زمین در خود نگه دارند و معمولاً با هوا پُر می‌شوند. در نتیجه، این منافذ درشت تحت عنوان “منافذ هوادهی” (پُر از هوا) نیز نامیده می‌شوند. از آنجا که تخلخل خاک شنی عمدتاً از منافذ درشت تشکیل شده است، آب را به سرعت منتقل می‌کند. در مقابل، منافذی که به اندازه کافی کوچک هستند و آب را در برابر گرانش زمین در خود نگه دارند، به‌گونه‌ای که پس از خیس شدن خاک در اثر باران یا آبیاری، اين منافذ پُر از آب باقی می‌مانند، تحت عنوان منافذ ریز (میکروپور) از آن‌ها یاد می‌شود.

از آنجا که خاک شنی، منافذ ریز کمی دارد، نمی‌تواند آب زیادی را در خود نگه دارد. در حالی‌که خاک‌های ریزبافت (مانند خاک رسی) عمدتاً حاوی منافذ ریز زیادی هستند و بنابراین قادر به حفظ مقدار زیادی آب هستند؛ اما توانایی کمی برای انتقال سریع آب دارند. توجه داشته باشید که هم مقدار تخلخل کل و هم فضای ماکروپورها با چگالی ظاهری خاک، رابطه معکوس دارند.

رنگ خاک (Soil color)

رنگ خاک، واضح‌ترين ویژگی فیزیکی خاک است که به آساني قابل اندازه‌گيري است. تعيين رنگ خاک، بيشتر به اين دليل حائز اهميت است که از طريق آن مي‌توان به ویژگی‌هایی از خاک پي برد که اندازه‌گيري آن‌ها اغلب يا مشکل است و يا به‌طور دقيق، علمي نيست. در نتيجه، رنگ خاک هنگامي که با ساير خصوصيات آن در نظر گرفته شود؛ بسياری از تفسيرهاي مربوط به پیدایش خاک و کاربری اراضي را ممکن مي‌سازد.

مهمترين خاصيتي که مي‌توان اثر رنگ را بر آن ملاحظه نمود، خاصيت جذب حرارت توسط خاک است. همچنین، از روي رنگ خاک مي‌توان به ميزان نسبي مواد آلي، وضعيت زهکشي داخلي و تهويه خاک پي برد و نحوه تشکيل افق‌هاي مختلف را بهتر درک کرد. عمده کاني‌هاي خاک در اصل داراي رنگ روشن مي‌باشند. تغييرات شيميايي برخي عناصر (به‌ويژه آهن و منگنز) و تشکيل مواد آلي در مراحل مختلف، سبب ايجاد رنگ‌هاي تيره، خاکستري، زرد، نارنجی، قرمز و غیره در خاک مي‌گردند.

خاک‌هاي با زهکشي ضعيف، حاوي مقدار بيشتري مواد آلي بوده و رنگ سطح آن‌ها کاملاً تيره است. قسمت‌هاي زيرين این خاک‌ها نیز داراي رنگ خاکستري متمایل به آبی تا سبز لجنی است. در خاک‌هاي با زهکشي متوسط، رنگ خاکستري خاک يکنواخت نبوده؛ بلکه لکه‌هاي زرد رنگ در آن مشاهده مي‌گردد. در خاک‌هاي با زهکشي خوب، واکنش‌هاي اکسيدکننده مناسب به‌وقوع پيوسته در آن‌ها سبب ايجاد رنگ‌هاي زرد متمایل به نارنجی و قرمز در ترکيبات آهن مي‌گردد. هرچه درجه آبدار شدن ترکيبات آهن بيشتر باشد، رنگ خاک زردتر و هرچه اين ترکيبات کم‌آب‌تر باشند، رنگ خاک قرمزتر است.

به‌طور معمول رنگ خاک را در دو حالت مرطوب و خشک گزارش می‌کنند. برای تعیین رنگ خاک از دفترچه رنگ مانسل استفاده می‌شود. سه پارامتر هیو (Hue)، وليو (Value) و کروما (Chroma)، تعیین‌کننده کُد رنگ یک خاک می‌باشند.

دمای خاک (Soil temperature)

بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و فعالیت‌های ریزجانداران خاک وابسته به دما هستند. یخ زدن و آب شدن متناوب خاک‌ها منجر به انبساط و انقباض متناوب آن‌ها می‌شود. این موضوع بر هوادیدگی سنگ، تشکیل ساختمان و جابه‌جایی و کشیدگی ریشه گیاهان تأثیر می‌گذارد. بنابراین، دما یک ویژگی فیزیکی مهم خاک است. به‌طور معمول، دمای 5 درجه سلسیوس به‌عنوان صفر بیولوژيک خاک محسوب می‌شود. به‌عبارت دیگر، اگر دمای خاک، کمتر از 5 درجه سلسیوس باشد؛ فعالیت‌های بیولوژيکی خاک مختل می‌شوند.

تعادل حرارتی یک خاک شامل دریافت و هدررفت انرژی گرمایی است. بخشی از تشعشعات خورشیدی دریافتی در سطح خاک، به اتمسفر بازتاب می‌شوند و بخش دیگر توسط سطح خاک جذب می‌شوند.

خاک تیره رنگ و شن کوارتزی روشن ممکن است که به‌ترتیب حدود 80 و 30 درصد از تابش خورشیدی ورودی را جذب کنند. از مجموع تابش خورشیدی موجود برای زمین، حدود 34 درصد به اتمسفر بازتاب می‌شود، 19 درصد توسط اتمسفر جذب می‌شود و 47 درصد توسط زمین جذب می‌گردد. به‌طور کلی، خاک‌های شنی سریع‌تر گرم می‌شوند و امکان کاشت زودتر را نسبت به خاک‌های ريزبافت فراهم می‌کنند؛ زیرا شن‌ها آب کمتری را حفظ می‌کنند و در نتیجه، سریع‌تر گرم می‌شوند.

مهم‌ترین راه‌های هدررفت گرما از خاک عبارتند از: (1) تبخیر آب، (2) تابش دوباره به اتمسفر، (3) گرم شدن هوای بالای خاک، (4) گرم شدن خاک.

در بیشتر موارد، دریافت و هدررفت انرژی گرمایی، یکدیگر را متعادل می‌سازند؛ اما در طول روز و یا در تابستان، دریافت انرژی گرمایی، بیشتر از هدررفت آن است؛ در حالی که برعکس این موضوع برای شب و يا زمستان صادق است. همچنین در نیمکره شمالی، خاک‌های واقع در دامنه‌های جنوبی دمای بالاتری نسبت به خاک‌های موجود در شیب‌های رو به شمال دارند. خاک‌های شیب‌های جنوبی نسبت به خاک‌های دامنه شمالی، عمودتر بر تابش خورشید هستند و انرژی گرمایی بیشتری را در واحد سطح جذب می‌کنند. به‌طور کلی، شیب‌های جنوبی گرم‌تر، خشک‌تر و نور بیشتری نسبت به شیب‌های شمالی دارند.

برای تغییر دمای خاک می‌توان دو راهکار عملی انجام داد. برای حذف آب خاک‌های مرطوب می‌توان آن‌ها را زهکشی کرد و برای تعدیل میزان انرژی گرمایی دریافتی می‌توان از مالچ روی سطح خاک استفاده کرد.