خاك

به نظر مي رسد كه انسان اوليه تا زماني كه مواد غذايي خود را از طريق شكار بدست مي آورده، چندان توجهي به خاك نداشته ولي به تدريج كه كشت و دامپروري جايگزين شكار شد، اهميت خاك نيز افزايش يافته است. اين تغيير روش در حدود ۹۰۰۰ سال پيش در كوههاي زاگرس و خوزستان و قسمتي از عراق امروزي بين رودخانه هاي دجله و فرات صورت گرفته و در واقع اولين كشاورزي از ايران آغاز شده است.

تعريف خاك (Soil – Earth)
از نقطه نظر يك متخصص كشاورزي، خاك ماده اي است كه گياه در آن قابل رشد بوده و زندگي آن را تأمين مي كند. از نقطه نظر يك زمين شناس، خاك مفهوم چندان مشخصي نداشته و كلاً به مواد پست و جدا از همي كه از تجزيه سنگ ها حاصل شده اتلاق مي شود. اما از نقطه نظر مهندسين خاك مفهوم نسبتاً وسيع تري دارد. در نظر يك مهندس خاك، خاك عبارتست از هرگونه مواد معدني تحكيم نيافته اي كه از ذرات جامد مجزا از هم كه حفرات بين آنها را هوا و يا ساير گازها و مايعات علي الخصوص آب اشغال كرده است و لذا بر طبق تعاريف فوق، متخصصين كشاورزي بيشتر به خاك هاي ارگانيك (آلي) توجه دارند و مهندسين بيشتر به خاك هاي غير ارگانيك.

از بحث فوق ديده مي شود كه در نظر مهندسين خواص فيزيكي و مكانيكي خاك، از نظر متخصصين كشاورزي خواص شيميايي و فيزيكي آن و از نظر زمين شناسان خواص منيرالوژي آن مهم مي باشد.
منشاء خاك ها
سنگ هاي تشكيل دهنده پوسته رويي زمين برحسب منشاء تشكيل آنها به سه گروه تقسيم مي شوند:
سنگ هاي آذرين Igneous Rocks

سنگ هاي رسوبي Sedimentary Rocks
سنگ هاي دگرگون Metamorphic Rocks
سنگ هاي آذرين سنگ هايي هستند كه مستقيماً از سرد شدن مواد مذاب آتشفشان تشكيل مي يابد. چنانكه مواد مذاب به كندي سرد شوند، منيرال هاي مختلف به صورت بلورهاي مجزا و درشت تبلور يافته و ساختمان گرانيتي سنگ هاي آذرين بوجود مي آيد. چنانچه مواد مذاب با سرعت بيشتري سرد شوند، بلورهاي خيلي ريزتر تشكيل مي شوند كه بوسيله يك ماده شيشه اي شفاف و چسب مانند پوشانيده مي شوند.

سنگ هاي آذرين و ساير انواع سنگ ها بر اثر هوازدگي مكانيكي و هوازدگي شيميايي به ذرات كوچكتر و منيرال هاي جديد از نوع سنگ مادر و ساير انواع مواد معدني تجزيه مي شوند. اين ذرات كوچك و منيرال هاي جديد، بعد از انتقال بوسيله آب و باد، به صورت لايه هايي در سطح زمين رسوب مي نمايند كه بعداً ذرات متشكله آن توسط مواد چسبنده محلول و شناور در آب به داخل لايه هاي مذكور نفوذ مي نمايند و بهم مي چسبند. اين عمل چسبيدن ذرات كوچكتر تحت فشار وزن لايه هاي فوقاني سنگ هاي رسوبي را بوجود مي آورد.

سنگ هاي دگرگوني از سنگ هاي آذرين و سنگ هاي رسوبي تحت فشار و حرارت زياد حاصل مي شوند. فشار و حرارت خيلي زياد باعث تبلور مجدد مواد معدني به بلورهاي جديد مي شود. هوازدگي مكانيكي نظير انجماد و ذوب مكرر، ساييدگي سنگ هاي توسط جريان آب، باد و امواج در امتداد سواحل، قطعات سنگي را به ذرات كوچكتري نظير سنگريزه، شن، ماسه، سيليت (لاي) و يا حتي ذرات خيلي كوچكتر تبديل مي نمايد. اين ذرات جدا از هم و نيز موادي كه

توسط آب و باد رسوب داده شده خاك را تشكيل مي دهند. اندازه قطعات سنگي كه توسط جريان آب حمل مي شود، كاملاً بستگي به سرعت جريان دارد. وقتي كه سرعت جريان كاهش مي يابد، ذرات سنگين تر بتدريج رسوب خواهند كرد و با كاهش بيشتر سرعت، ذرات كوچك و كوچكتر نيز رسوب خواهند كرد. تغيير اندازه ذرات رسوب يافته با سرعت جريان باعث مجزا شدن ذرات مختلف شده و با تغيير سرعت لايه هايي متشكل از سنگريزه، شن، ماسه، لاي و رس رسوب مي نمايند.

سنگريزه و شن ها معمولاً از قطعات كوچك سنگها همراه با قطعات كوارتز، فلدسپات و ساير منيرال ها تشكيل يافته اند. ماسه ها معمولاً از ذرات كوارتز، فلدسپات و گاهي ذراتي از ساير منيرال ها تشكيل مي يابند و گاه نيز از ذرات حاصل از سنگهاي ريزدانه مثل بازالت و اسسبدين تشكيل مي شوند. سليت ها مركب از ذرات كوارتز همراه با ساير منيرال هايي تشكيل شده اند كه مقاومت خيلي زيادي نسبت به هوازدگي شيميايي از خودشان نشان مي دهند. رس ها از ذرات بسيار كوچك و پولك مانند مثل ذرات ميكا، كائولين مونت موريلونيت و ساير مينارال ها تشكيل مي يابند كه قسمت اعظم آنها به ذرات كلوئيدي تبديل يافته اند.

بنا به مبحثي كه در فوق ذكر گرديد، خاكها را مي توان برحسب منشاء و فرم تشكيل آنها طبقه بندي نمود. در يك طبقه بندي كلي خاكها را مي توان به انواع خاكهاي انتقال يافته يا Transported soils و خاكهاي در جا يا Insitu soils طبقه بندي نمود. خاكهاي انتقال يافته در اثر حمل ذرات مختلف كه در اثر هواگيري و خرد شدن سنگهاي مختلف حاصل شده، توسط عوامل انتقال مثل آب، باد يا امواج و رسوب آنها در محل ديگر تشكيل مي شوند. اين خاكها معمولاً داراي عمق نسبتاً زياد بوده و عموماً مطبق مي باشند.

خاكهاي درجا معمولاً در اثر هواديدگي سنگها در محل خود حاصل مي شوند. در اين حالت عموماً لايه هاي رويي سنگهايي كه در سطح زمين قرار گرفته اند، بتدريج تبديل به خاك مي شوند. اين گونه خاكها عموماً داراي عمق كم مي باشند، ولي در جايي كه داراي اقليم گرم و مرطوب باشد، پس از مدت زمان بسيار طولاني، ممكن است خاكهاي درجا با عمق نسبتاً قابل ملاحظه حدود ۱۰۰ متر يا بيشتر نيز تشكيل شود. خاكهاي درجا اكثراً ممكن است با مواد و بقاياي حاصل از جانداران كوچك و گياهان مخلوط شده و خاكهاي ارگانيك را تشكيل دهند.

طبقه بندي خاكها در صحرا برحسب مواد متشكله و مشخصات فيزيكي
۱- شن و ماسه (خاكهاي درشت دانه) Grarel And Sand
عبارتند از ذرات غير چسبنده متشكل از قطعات مدور يا گوشه دار كم و بيش از همان منيرال هاي سنگ اصلي بدون تغيير شيميايي عمده تشكيل يافته اند. از نظر اندازه، ذرات تا ۳ ميليمتر را ماسه و ذرات بين ۳ ميليمتر تا ۲ سانتيمتر را شن و سنگريزه، ۲ تا ۸ سانتيمتر را قلوه سنگ و قطعات بزرگتر از ۸ سانتيمتر را لاشه سنگ مي نامند.

۲- هاردپن Hardpan
عبارت است از خاكي كه مقاومت بسيار زيادي از نظر نفوذ وسايل حفاري دارد. بيشتر اين نوع خاكها از ذراتي با دانه بندي خوب و نسبتاً چسبنده و بسيار متراكم تشكيل يافته اند.
۳- سيلت غير آلي Inolganic

عبارت است از ريزدانه با پلاستيسيته خيلي كم. اين نوع خاك را اغلب ممكن است با رس اشتباه نمود كه البته با آزمايش هاي بسيار ساده اي در صحرا مي توان اين دو را از هم تشخيص داد.

۴- سليت آلي Organic silt
خاكي است ريزدانه كم و بيش پلاستيك حاوي ذرات ارگانيك يا آلي. پوسته و قطعات نيمه پوسته گياهان نيز ممكن است در آن يافت شود.
۵- رس غير آلي Inolganic clay

خاكي است مركب از ذرات ميكروسكوپي و بسيار كوچك كه از تجزيه شيميايي مواد متشكله سنگها حاصل مي شود. به صورت مرطوب داراي پلاتسيته متوسط تا خيلي زياد بوده وقتي كه خشك باشد، بسيار سخت مي باشد. قدرت تورم خاك رس در مجاورت آب بسيار بالاست.
۶- رس آلي Organic clay
نوعي از خاك رس است كه حاوي مقداري مواد ارگانيك بسيار ريز مي باشد. رنگ آنها خاكستري تيره يا سياه بوده و ممكن است بوي مخصوص نيز داشته باشد.
۷- پيت Peat
خاكي است منحصراً متشكل از ذرات ميكروسكوپيك حاصل از پوسيدگي و تجزيه گياهان. رنگ آنها از قهوه اي روشن تا سياه تغيير مي كند.

طبقه بندي خاكها براساس مقاومت ظاهري
۱- خاكهاي درشت دانه (شن و ماسه)
خاكهاي درشت دانه برحسب درجه تراكم به گروههاي زير تقسيم مي شوند:

– سست LooSE
– متوسط Mediom
– متراكم Dense

۲- خاكهاي ريز دانه (سليت و رس)
خاكهاي ريز دانه را برحسب درجه سفتي آن به شرح زير تقسيم مي نمايند:
– نرم Soft
– متوسط Mediom
– سفت Stiff
– سخت Hore
طبقه بندي براساس رنگ

عموماً تغيير رنگ در لايه هاي خاك دليل بر تغيير نوع خاك نيز خواهد بود. مثلاً اگر قسمت رويي يك لايه خاك رسي داراي رنگ زرد يا قهوه اي و سفت تر از قسمت هاي زيرين باشد، اين نشانه آن است كه قسمت رويي در معرض تبخير شديد قرار گرفته و احتمالاً هواديدگي نيز در آن رخ داده است. معمولاً رنگ خاك به تركيب شيميايي مواد موجود در آن نيز بستگي دارد بطوريكه اكثر خاكهايي كه حاوي تركيبات اكسيد آهن باشند، به رنگ قرمز ظاهر مي شوند. رنگ هاي تيره و سياه معمولاً نشان دهنده خاكهاي ارگانيك خواهند بود.

طبقه بندي براساس شرايط و محيط تشكيل خاك
اغلب خاكها در شرايط ويژه اي كه مي يابند، داراي خصوصيات ويژه اي متفاوت با ساير خاكها خواهند بود و لذا طبقه بندي آنها را نيز مي توان براساس محل و شرايط ويژه تشكيل آن قرار داد.

۱- خاكهاي درجا Insitu soils
خاكهايي هستند كه در همان محل تشكيل خود و بر روي سنگ مادر قرار دارند. اين خاكها داراي عمق نسبتاً كم بوده و از جنس سنگ مادر مي باشند.
۲- خاكهاي انتقالي Tlonspolted soils

خاكهايي هستند كه توسط عوامل مختلف مانند آب، باد، يخچالها … از محل تشكيل به محل ديگري انتقال يافته و رسوب مي نمايند. خاكهاي انتقالي خود برحسب عامل انتقال دهنده به گروههاي زير تقسيم مي شوند:
خاكهاي آبرفتي Alluviall soils
خاكهايي هستند عموماً درشت دانه متشكل از شن و ماسه. اين خاكها در اثر رسوب ذرات حمل شده توسط رودخانه، در دشتها و جلگه هاي مسير آن ايجاد مي شوند. عموماً داراي لايه بندي بوده و در هر لايه يكنواخت مي باشند.
خاكهاي باد رفتي Aealian soils
خاكهايي هستند كه توسط باد انتقال مي يابند و عموماً از نوع ماسه ريز يا سليت درشت مي باشند.
خاكهاي پادرختي Aeoliann soils
خاكهايي هستند كه توسط باد انتقال مي يابند و عموماً از نوع ماسه ريز يا سليت درشت مي باشند. خاكهاي پادرختي سليتي تشكيل خاكي موسوم به Loess را مي دهند.

خاكهاي يخچالي Glacial Till
اين خاكها از رسوبات غير لايه اي يخچالها مانند رس، سيلت، ماسه، شن، سنگ ريزه، قلوه سنگ، لاشه سنگ و قطعات سنگي بزرگتر بطور مخلوط و غير يكنواخت تشكيل مي شوند. اين رسوبات در مسير يخچالهاي طبيعي و در محل ذوب آنها تشكيل شده و عموماً در نواحي يخچالي يافت مي شوند.
خاكهاي رسوبي آب شيرين Lacust line Soils

اين خاكها عموماً از رسوب مواد حمل شده توسط رودخانه در درياچه هاي آب شيرين حاصل مي شوند. معروف ترين آنها خاك رس مطبق يا varved clay مي باشد كه خاكي است مركب از لايه هاي متناوب سيلت غيرآلي به رنگ خاكستري روشن و رس سيلتي تيره.
خاكهاي رسوبي دريايي Marine Sediments

اين خاكها از رسوب مواد معلق موجود در رودخانه ها كه به دريا حمل شده است ايجاد مي شوند و عموماً ريز دانه بوده، پس از تشكيل داراي لايه بندي مشخص مي باشند.
خاكهاي كوه ريز Colluvial Soils
اين خاكها معمولاً در دامنه هاي شيب هاي طبيعي تند و در اثر ريزش قسمت هايي از كوه ها حاصل مي شود. از مشخصات عمومي آن عدم تجانس و يكنواختي ذرات و همچنين عدم وجود لايه بندي را مي توان نام برد.

خاكهاي دستي Fill Soils
اين خاكها توسط انسان از محلي به محل ديگر حمل مي شود و به دو طريق كنترل شده و يا كنترل نشده ريخته مي شوند. خاكهاي دستي كنترل شده معمولاً در زيرسازي راهها و باند فرودگاهها و يا ساير عمليات ساختماني (مثل سدهاي خاكي) مورد استفاده قرار مي گيرند. خاكهاي دستي كنترل نشده معمولاً از خاكهاي اضافي حاصل از تخريب ساختمانهاي قديمي و يا خاك حاصل از گودبرداري و همچنين زباله و مواد زايدي كه در بعضي از نقاط روي هم انباشته مي شود تشكيل مي گردند.

خاكهاي صنعتي Industrial Soils
اين خاكها عموماً از مواد زايد بعضي از كارخانجات صنعتي مانند مواد زايد كوره بلند ذوب آهن تشكيل شده و در شرايط مشخصي مورد استفاده قرار مي گيرد. به عنوان نمونه خاك SLAG را مي توان نام برد كه در تهيه بتن مورد استفاده قرار مي گيرد.
تشكيل خاك
پيشقراول مكتب خاك شناسي در شوروي دوكوچائف بود كه براي اولين بار خاك را يك جسم طبيعي انگاشت و براي آن افق هاي مختلفي در نظر گرفت.
هر افقي تحت تاثير عوامل خاك سازي يعني آب و هوا، موجودات زنده، زمان و پستي و بلندي قرار دارد و اين عوامل بر روي سنگ مادر خاك معيني را بوجود مي آورد. بنابراين مجموعه عواملي از قبيل عوامل فيزيكي، شيميايي و حياتي موجه خاك مي باشد، ولي بسته به شرايط محيط، سرعت فعل و انفعالاتي كه در خاك صورت مي گيرد، از خاكي به خاك ديگر متغير است و در نتيجه مشخصات متفاوتي ايجاد مي كند. واكنش هايي كه در خاك صورت مي گيرد برحسب يكي از عوامل زير مي باشد:

۱- افزايش به خاك
۲- انتقال از خاك
۳- انتقال در خاك
۴- تغيير شكل در خاك
۱- افزايش به خاك

مواد آلي كه از تجزيه نباتات و موجودات زنده در خاك حاصل مي شود يكي از بديهي ترين امثال براي اين گروه مي باشد. مقدار مواد آلي در خاك بتدريج افزايش مي يابد تا به حد متعادلي برسد. اين حد تعادل در خاكهاي مختلف متعادل است. اكسيژن و گازكربنيك نيز از طريق هوا به خاك افزوده شده و در بسياري از فعل و انفعالات خاك شركت مي كنند. گوگرد بصورت SO2 محلول در باران، به ميزان ۵ كيلو در هكتار و در حوالي كارخانجات به ميزان ۱۰۰ كيلو در هكتار، سالانه به خاك افزوده مي شود. همين افزايش كافي است كه از كمبود سولفور در بسياري از خاكها جلوگيري كند. ازت، آب و غيره به خاك اضافه مي شود.
۲- انتقال از خاك

بعضي از عناصر مانند Ca, Mg, K از خاك آبشويي يافته و از آن خارج مي شود. شدت اين آبشويي در آب و هواي مرطوب به حداكثر مي رسد. فرسايش بادي و آبي نيز بخشي از خاك را انتقال مي دهد. نباتات با جذب عناصر غذايي، مقدار آنها را تغيير داده و برخي از عناصر را به صورت كلش به خاك بر مي گرداند.
۳- انتقال در خاك

بخشي از رس موجود در افق A به افق B انتقال يافته و در آنجا تراكم حاصل مي كند. آهن نيز مهاجرت كرده و به صورت سخت دانه ها مشاهده مي شود. حيوانات موجود در خاك با حركت خود مواد مختلف خاك را با هم مخلوط كرده و محيط همگني فراهم مي كند. البته اين عمل افق بندي خاك را به تعويق مي اندازد.

۴- تغيير شكل در خاك
عواملي از قبيل درجه حرارت، نيروي ثقل، آب، باد، يخبندان و ريشه نباتات، تحولاتي در خاك پديد مي آورد. واكنش هاي مختلف شيميايي از قبيل آبگيري، هيدروليز، اكسيداسيون و احياء و تبادل كاتيوني و غيره جزء اين گروه مي باشند.

هر يك از چهار عامل فوق بالدانه در تشكيل خاك دخالت دارند، ولي تاثير نسبي هر يك بسته به محيط متفاوت است. اگر سرعت نسبي اين فعل و انفعالات يكسان باشد، در اين صورت با گذشت زمان مشخصات ايجاد شده در افق هاي مختلف با وضوح بيشتري نمايان خواهد شد ولي نوع خاك ثابت باقي مي ماند. اما اگر يكي از عوامل تغيير كند، در اين صورت سرعت نسبي واكنش هاي مربوط به آن عامل نيز تغيير كرده و در طول زمان، مشخصات جديدي بروز مي كند و در نتيجه خاك جديدي تشكيل خواهد شد. اگر گودالي به عمق دو متر در خاك حفر كنيم، ملاحظه مي شود سطحي كه نمايان مي گردد، از لايه هاي مختلفي

مركب است كه از نظر خواص و مشخصات، با يكديگر متفاوت است و هر چه تكامل خاك بيشتر باشد، اين لايه ها با وضوح بهتري رويت شده و نتايج آزمايشات هر لايه تفاوت محسوسي با لايه هاي زيرين و زبرين خواهد داشت. اين لايه ها را در خاك شناسي به نام افق يا Horizon ناميده و مجموع افق ها را نيمرخ خاك يا Soil Profile مي نامند. چنين معمول است كه اين افق ها را از سطح خاك تا سنگ بستر با حروفي مانند D, C, B, A نشان مي دهند و مشخصات فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي هر يك از آنها مبين مجموعه فعل و انفعالاتي است كه در طول زمان بر روي سنگ مادر يا بستر، اعمال شده است.

عمق خاك در مكتب شوروي عبارت است از: عمق تحتاني ترين افق خاك. البته اين تعريف كامل نيست چه در خاك هاي جوان و يا بدون افق، عمق خاك صفر منظور خواهد شد و منطقي به نظر نمي رسد. عمق نفوذ ريشه ها نيز مي تواند در نظر گرفته شود ولي باز حد معقولي براي آن نمي توان متصور شد.
در تشكيل خاك دو نكته را مي توان متذكر شد:

اول تشكيل مواد مادري و دوم ايجاد افق هاي مختلف در خاك.
مواد مادري خاك يا از متلاشي شدن و هواديدگي سنگها در محل ايجاد مي شود و يا ممكن است مواد متلاشي شده بوسيله آب، باد، يخچالها و نيروي ثقل انتقال يافته و سپس در محلي نهشته شود.