کشاورزی صنعتی

خاک های سدیمی یا سولونتز

خاک های سدیمی یا سولونتز˛ بدین سان از خاک های شور متمایز می گردند که در آنها سهم سدیم قابل تعویض (ESP) بیش از 15 در صد از ظرفیت جذب و تعویض˛ کاتیونی (C.E.C) را تشکیل می دهد (سهم Na تبادلی گاهی بقدری زیاد است که ممکن است حتی تا 80 در صد ظرفیت تعویض کاتیونی را شامل شود). با وجود مقدار و غلظت نمک های کل کمتر از خاک های شور˛ یعنی هدایت الکتریکی عصاره اشباع کمتر از 4 دسی زیمنس بر متر˛ یونیزاسیون برخی از نمک های قلیایی سدیم موجود˛ بویژه سودا (Na2CO3) و سپس آزاد شدن Na فعال˛ pH این خاک ها را شدیدا قلیایی می کند (تا pH=10 و گاهی بیشتر از آن) معمولا خاک های سدیمی تکامل یافته در شرایط رطوبی تر و با رویش گیاهی بهتر˛ که املاح کلسیم رسوب یافته در محیط˛ آبشویی می گردند˛ ممکن است pH های کمتر 8/5 نیز داشته باشند.

یون سدیم با نسبت زیاد بین کاتیون ها˛ معمولا در افق های فوقانی و میانی به حالت جذب شده در سطوح کلوئیدیهای هوموسی و رسی و اکثرا در ترکیب هوماتی سدیم و یا به صورت محلول و متحرک در فاز آبی خاک وجود دارد. تجمع نسبتا زیاد هوموس˛ بدلیل رویش گیاهی مناسب طی مراحل تکاملی مخصوص و کم شدن فعالیت تجزیه ای میکرو و ماکروارگانیسمی در جوار سدیم زیاد˛ افق های فوقانی این خاک ها را برنگ خاکستری تیره در آورده که مقدار هوموس آن تا 3 در صد می رسد (نام قلیایی سیاه که در گذشته بر روی خاک ها گذشته شده بود˛ بر پایه مقدار هوموس و درجه انحلال بالای اسیدهای هومیک در بازهای سدیمی که رنگ هوموس را هر چه بیشتر تیره می کند استوار است).

درجه اشباعی Na جذب شده در کلوئید های خاک˛ عملا با غلظت یون های سدیم و کاتیون های Ca و Mg محلول در فاز مایع خاک˛ تعادل یونی ویژه ای بر قرار می سازد. در ارتباط با این تعادل˛ جذب سدیم در کمپلکس جاذب خاک به جز غلظت تک تک یون ها و نسبت ترکیبی آنها˛ به نوع نمک موجود نیز بستگی دارد. چنانکه از املاح کربناتی سدیم˛ در غلظت های مختلف˛ Naبیشتری جذب کلوئید های خاک می شود.

فعالیت سدیم آزاد ومحلول در افق سطحی خاک های سدیمی˛ معمولا کمتر از افق های میانی است. فعالیت یونی شدید سدیم در فاز آبی˛ موجب مهاجرت رس ها به لایه زیرین یعنی Bt و متلاشی و ریز شدن آنها می گردد.

با تشکیل یک افق مخصوص و مرکب از رس های پراکنده و سخت شده در زیر افق سطحی˛ مشخصات ساختمانی سولونتزی یعنی منشوری – ستونی شدن ساختمان لایه ABh و نفوذ رنگ تیره اسیدهای هوموسی حل شده در کربنات ها و بی کربنات های Na به درون شکاف های ستونی زیرین نیز تکمیل می شود.

آنیونهای مهم خاک های سدیمی˛ غالبا از نوع کلرید˛ سولفات˛ و بی کربنات و کربنات اند. بدیهی است نسبت آنیون ها طوری است که در نوع ترکیب سدیمی˛ سمیت و مضری آنها برای گیاهان در جوار سدیم فعال˛ شدیدتر ظاهر می شود (درجه سمیت Na2CO3در غلظت های کم 0/005 در صد در خاک آغاز می گردد).

تشکیل و تکامل خاک های سدیمی

الف: تشکیل Na2CO3 در خاک بر اساس فرایندهای سدیمی

ضمن برقراری فعل و انفعالات تخریبی شیمیایی یعنی هیدرولیز˛ هیدراتاسیون˛ انحلال واکسیداسیون˛ در وهله اول˛ بی کربنات های کلسیم و منیزیم و سدیم از کانی های اولیه آنها در محیط تشکیل می شوند که با تغییر شرایط محیط˛ مخصوصا تغییر غلظت کاتیون ها˛ به صورت کربنات های غیر محلول یا کم محلول تر رسوب می یابند. برخی از آنها که قابلیت انحلال بیشتری دارند˛ در محلول باقی می مانند. وقتی که نسبت Na/Ca در اثر رسوب CaCO3 به محدوده رقمی بزرگتر از 5 رسید˛ کربنات ها و بی کربنات های سدیم در محیط˛ تشکیل شده و در فاز آبی خاک فعال می شوند.

این موضوع˛ در آبها و محیط آبی خاک هایی که به طرفی تحت تاثیر آن آب ها قرار می گیرند˛ با شاخص کربنات سدیم باقی مانده در محدوده ارزیابی خیلی بد˛ یعنی RSC> 2.5 mmol/L مرتبط است.

گاهی از تجزیه کانی های سیلیکاتی سدیم دار مثلا کانی آلبیت (NaAlSi3O8) در طول مراحل تجزیه شیمیایی˛ سیلیکاتهای محلولی تولید می شوند که در فعل و انفعالات بعدی می توانند عامل ایجاد کننده NaOH باشند و در جوار کربنات ها ودر ارتباط با غلظت و فشار سهمی CO2 محیط به کربنات سدیم تبدیل گردند:

(اسید سیلیسیک) NaHSiO3 +H2O →→↔→→NaOH + H2SiO3

2NaOH+ CO2→→↔→→ Na2CO3 +H2O

CO2 بطرق مختلف در خاک ها تولید می شود که مهمترین منبع آن از نتیجه تجزیه مواد آلی و تنفس ریشه ای گیاهان حاصل می شود.

گاهی بسته به شرایط محیط˛ مخصوصا هنگامیکه درجه انحلال کربنات ها زیاد می شود˛ پس از آزاد شدن املاح مختلف˛ ترکیب متقابل نمک ها با یکدیگر به تشکیل سودا در خاک منجر می شود. فعل و انغعالات ممکن از این قرارند:

CaCO3 + 2NaCl →→ Na2CO3 + CaCl2

CaCO3 + Na2SO4 →→ Na2SO4 + Na2CO3

MgCO3 + 2NaCl →→ Na2CO3 + MgSO4

MgCO3 + Na2SO4→→ MgSO4 + Na2CO3

ب- تشکیل Na2CO3 به روش تبادل یونی

دانشمندان طرفدار این فرایند عقیده دارند که در وهله اول˛ خاک های سولونچاک مخصوص که به خاک های شور تیپیک و چمنی شباهت دارند˛ تشکیل می شوند. تدریجا املاح خنثی از نوع سدیمی مانند NaCl و Na2SO4 به مقادیر فراوان در خاک به وجود می آیند˛ به طوری که غلظت کل نمک در خاک به طور غیر عادی افزایش می یابد. در طول مراحل آبشویی طبیعی و جذب Na از نمک های خنثی بطرف خاک و زمینه سازی مطلوب برای فرایندهای تبادل کاتیونی در سطح کمپلکس جذبی˛ Na با شدت بیشتر به کلوئید های خاک و قسمتی از کاتیون های دیگر را استخلاف می نماید. مطابق فعل و انفعاللات زیر

در فرایند فیزیکو شیمیایی˛ برای تشکیل کربنات سدیم˛ زمان خیلی طولانی ضرورت دارد˛ زیرا در شرایط عادی خاک˛ محلول رقیقی از بی کربنات سدیم˛ تولید می شود که رسوب آن به سختی و وابسته به شرایط زمانی ومکانی ویژه˛ امکانپذیر است.

ج – تشکیل کربنات سدیم بطریقه بیولوژیک

اکثر انواع پوشش گیاهی تیپیک اراضی شور و سدیمی مقادیر زیادی˛ Na جذب میکنند˛ طوری که هنگام آزمایش pH خاکستر آنها شدیدا واکنش قلیایی نشان می دهد. پس از تولید بقایا به مقادیر فراوان و وقوع تجزیه بیولوژیکی لازم توسط میکروارگانیسم ها˛ Na در خاک آزاد می شود.

برخی گیاهان نیز به سبب نیاز غذایی خود و تاثیر فیزیولوژیکی مخصوص نمک های غذایی در محیط˛ در وهله اول آنیون های SO4 و NO3 را از نمک های جذب و کاتیون های آنها بویژه کاتیون Na را باقی می گذارند. سدیم باقیمانده در هر دو شرایط˛ با شرکت در فعل و انفعالات خاک بویژه اسید کربنیک و کربنات ها به صورت Na2CO3 ترکیب می شود. از این نوع گیاهان تیپیک خاک های سولونتز می توان از: Artemisis Pauciflora˛. Camphorosma monospeliacum

Kochia Prostrataنام برد

احیاء سولفات ها در جوار مواد آلی کافی که معمولا در شرایط خاک های سدیمی وجود دارد نیز دارای اهمیت می باشد

Na2SO4 + 2C[مواد آلی]→→2CO2 + Na2S

احیاء سولفاتها در شرایط غیر هوازی محیط˛ مخصوصا در حالت اشباع از آب و وجود مواد آلی توسط باکتریهای دی سولفوویبرو(Desulfovibro Sp.) و گونه های دی سولفوریکانس انجام می گردد.

Na2S + CO2 + H2O→→ Na2CO3 + H2S

CaS + 2CO2 + 2H2O→→ Ca(HCO3)2

تولید گازهای H2S در خاک های قلیای نیز بدین طریق قابل توجیه است. تجزیه سولفات در محیط غیر هوازی توسط باکتریهای احیاء کننده سولفات مخصوصا Microspira desulfuricans بوقوع می پیوندد. شرط اساسی برای اجرای این فعل و انفعالات˛ صعود آب زیر زمینی سولفات دار به بالا و یا وجود مقادیری ژیپس در سنگ مادر میانی زیر لایه هوموس دار است. فرایند احیا تحت تاثیر عوامل تجزیه مواد آلی در جوار سولفاتها˛ پیشرفته و لکه های Gley درون افق های تحت تاثیر آب زیر زمینی˛ اول در امتداد نقاط نفوذ ریشه گیاهان و سپس در شکافهای لایه B به صورت نوارهای تیره رنگ امتداد می یابند.

همچنین سایر فرمهای گوگرد (S)˛ توسط باکتریهای اتوتروف از جنس و گونه های تیوباسیلوس و توسط آنزیم سولفاتاز مترشحه˛ انجام و به تشکیل اسید سولفوریک می انجامد˛ بقرار زیر:

H2S +2S2→→H2SO4→→ 2H+ + SO42-

2S + 3O2 + 2H2O →→ 2H2SO4

مکانیسم مرحله ای تشکیل یک پروفیل سدیمی در این طریقه بدین سان توجیه می گردد:

پیشرفت فرآیند احیاء˛ مشروط به وجود محیط غیر هوازی و صعود آب زیر زمینی و توقف آن در افق ها˛ سبب می شود باکتری های ذکر شده بتوانند فعالیت خود را آغاز نمایند و در ادامه فعالیت تجزیه ای غیر هوازی و تشکیل Na2S و pH محیط قلیایی تر می گردد. سپس در اثر کاهش فعالیت یون های H در محیط˛ از انحلال املاح Ca و Mg کاسته شده و این کاتیون ها به صورت کربنات و ژیپس رسوب می کنند.

نتیجه این عمل˛ غالبا تشکیل افق ژیپسی یا کربناتی است. در اثر رسوب کلسیم و منیزیم˛ غلظت Na آزاد و فعال˛ بیشتر می شود به طوری که کم کم سدیم در سطح کلوئیدهای خاک تقریبا به حالت نزدیک به اشباع جذب می شود. خاک های تکامل یافته در شرایط مزبور˛ بویژه هنگامی که رویش انبوه گیاهی در آغاز فصل بارندگی بر روی خاک مستقر می شود˛ غالبا از نوع سولونتز چمنی می باشند.

طریقه های تشکیل کربنات سدیم در خاک های سدیمی

از جمع بندی مطالب گذشته باین نتیجه می توان رسید که وجود املاح مختلف با غلظت خیلی بیش تر از اندازه متعارفی و عادی (به ویژه یون های Na2SO4 و NaCl) در مراحل آغازی تکامل خاک های سدیمی˛ شرایط مهمی به شمار می رود. بتدریج با آزاد شدن املاح مزبور از کانی های اولیه خاک و سنگ مادر و همچنین تحرک آنها توسط آب زیر زمینی˛ وقوع یک سری تغییرات شیمیایی حتمی می گردد˛ به طوری که از این خاک شبه سولونچاک اولیه˛ در اثر تغییر شرایط انحلال˛ نمک های کربناتی Caو Mg رسوب می کنند. سپس با باقی ماندن سدیم در محلول˛ Na/Ca افزایش یافته˛ و غلظت Na به چندین برابر می رسد. در این حالت و با قلیائی شدن pH محیط˛ رسوب Ca و Mg تشدید و تعادل یونی بین کلوئید های جذبی و نمک های سدیم محلول در فاز مایع˛ به نفع جذب آن در سطوح کمپلکس جذبی به هم می خورد˛ طوری که حتی بعد ها در اثر رقیق شدن فصلی محیط (بارندگی یا صعود آب زیر زمینی)˛ یون سدیم همچنان در سطح کلوئید ها با در صد بالایی باقی می ماند.

استقرار رویش فصلی انبوه با گیاهان مخصوص و مقاوم و تولید بقایای فراوان از گیاهان حاوی سدیم˛ به تشکیل لایه A نسبتا ضخیم دارای هوموس کافی منجر می شود. ترکیبات هوموسی در محیط قلیایی و تحت تاثیر فصلی آب زیر زمینی حاوی سدیم˛ محیط بیولوژیکی مخصوصی را که در آن زندگی میکروارگانیزم های هوازی˛ مختل و غیر هوازی تا حدودی فراهم است˛ به وجود می آورد. در اثر احیاء مواد آلی گوگرد دارو سولفات ها˛ Na در محیط آزاد می شود. سپس سدیم در فعل و انفعالات ترکیبی بعدی و همچنین در تجزیه و انتشار رسهای 2:1 قابل اتساع˛ هرچه بیشتر شرکت می جوید. تناوب خشکی و رطوبت و هیدرومورفی شدن افق های سطحی و میانی به تکامل پروفیلی خاک های سدیمی بخصوص افق ABh تیپیک˛ کمک می کند.

فرایند احیاء (کاهش) آهن دو ظرفیتی از کانی های ثانویه و اولیه˛ در شرایط غرقاب فصلی حاکم در افق سطحی و میانی و با حضور مواد آلی˛ به تشکیل سولفید آهن می انجامد:

Fe2++ S2- →→→ FeS

تشکیل سخت دانه های ژیپسی آهن دار و اکسید های فلزی دیگر به موازات تجزیه رس ها در حضور سدیم و انتشار شدید هوموس و رس˛ پس از ایجاد اختلال در ساختمان خاک˛ کاهش نفوذپذیری هوا و آب را به دنبال دارد. طوری که یکی از نامطلوب ترین ناهنجاری های خاک های سدیمی در کشت و زرع گیاهان˛ مساله نفوذ آب در خاک و تهویه می باشد.

تمایز خاک های سدیمی

الف – انواع خاک های سدیمی در رابطه با در صد سدیم قابل تعویض (ESP)

وقتی که سدیم تبادلی به محدوده 5 در صد گنجایش تعویض کاتیونی در خاک برسد˛ مرحله کاهش رشد گیاهی آغاز می گردد و با 15 در صد سدیم تبادلی˛ خاک های سولونتز تشکیل می شوند. در خاک های غنی از هوموس˛ سدیمی شدن حاد از 20 در صد سدیم تبادلی به بعد شروع می شود. بر اساس درجات سدیمی شدن رده بندی زیر انجام می شود

درجه بندی فوق˛ بیشتر در مناطق نیمه مرطوب و خاکهای هوموس دار (شبه چرنوزومی) کاربرد دارد. برای مناطق نیمه خشک و نیمه مرطوب گرمتر و جنوبی تر از نظرعرض جغرافیایی˛ به جز مرز شاخص 15 در صد سدیم تبادلی˛ مشخصات مربوط به SAR در عصاره اشباع خاک ها نیز مورد ارزیابی قرار می گیرد. در این شرایط محدوده SAR معادل 10 تا 20 (که برای خاک های دارای بافت مختلف˛ متغیر است) ماهیت خاک سدیمی شدید را بیان می کند. در غالب موارد˛ SAR معادل رقمی 13 در آب آبیاری می تواند در کشت های آبی روی خاک های بافت متوسط˛ سدیم قابل تعویض خاک را به مرز خطرناک 15 در صد برساند.