جرم مخصوص ظاهری خاک و روش تعیین آن

اهمیت خاک در کشاورزی:

خاک محیط رشد گیاهان و درختان است و آشنایی با ویژگی‌های مهم خاک نقش مهمی در افزایش تولید محصولات کشاورزی دارد. دو مورد از ویژگی‌های مهم خاک ساختمان و بافت خاک است. ساختمان و بافت خاک خود مباحث مهمی از جمله جرم مخصوص ظاهری خاک و جرم مخصوص حقیقی خاک را در بر می‌گیرند که از دیگر خصوصیات مهم خاک‌ها هستند.

به طور کلی مجموعه پارامترهای بافت خاک، ساختمان خاک، وزن مخصوص ظاهری و وزن مخصوص حقيقي جهت مشخص نمودن خصوصيات فيزيک خاک به کار می‌روند و شناخت آنها برای بهره‌وری مناسب از خاک و افزایش راندمان تولید امری مهم است.

تعریف ساختمان خاک

ساختمان خاک ترتیب و نحوه قرار گرفتن اجزای درون خاک را نشان می‌دهد. ساختمان خاک تحت تاثیر عملیات زراعی مانند کوددهی، شخم، آبیاری، زهکشی و الگوی کشت قرار می‌گیرد.

انواع ساختمان خاک شامل ورقه‌ای، منشوری، مکعبی، کروی، دانه‌ای، توده‌ای (کلوخه‌ای)، مرکبی، خاک‌دانه‌ای (بهترین نوع خاک برای کشاورزی) و بدون ساختمان می‌باشند که می‌توانند توسط عواملی چون آبیاری، اضافه کردن کود و موادی مثل کچ و آهک و مواد آلی تغییر یابند. هر چه ماده آلی خاک بیشتر باشد، ساختمان خاک قوی‌تری تشکیل می‌شود.

تعریف بافت خاک

بافت خاک نشان‬ دهنده اندازه ذرات خاک می‌باشد. اندازه ذرات از شن و سنگریزه تا ذرات ریز رس می‌باشد. درصد ذرات رس، سیلت و شن در خاک نوع بافت خاک را مشخص می‌کند.
خاک‌های رسی هم مواد غذایی بیشتری در خود دارند و هم قابلیت نگهداشت بیشتر آب را دارند. ولی خاک‌های سبک و شنی، هم محتوای کم مواد غذایی دارند و هم آب را در خود کمتر نگه می‌دارند. یکی دیگر از مواردی که توسط بافت خاک تعریف می‌شود، خلل و فرج خاک می‌باشد.

هر چه خلل و فرج خاک بیشتر باشد، ذرات آب بیشتری به دانه‌ها می‌چسبد ولی قابل دریافت توسط گیاه نیست. از طرفی خاک‌های رسی و سنگین هر چند آب بیشتری در خود ذخیره می‌کنند، ولی با قدرت بیشتری به کلوئیدهای خاک چسبیده‌اند. بهترین نوع خاک، خاک‌هایی با بافت لومی می‌باشند که تعادل مناسبی بین ذرات شن و رس در آنها وجود دارد.

روش‌های تعیین جرم (وزن) مخصوص ظاهری خاک (Balk Density)

عبارت است از جرم واحد حجم خاک (حجم کل خاک) و منافذ را هم شامل می‌شود. جرم مخصوص ظاهری خاک بستگی به نحوه آرایش ذرات دارد. وزن مخصوص ظاهري، وزن مخصوص همه فازهاي خاک يعني فاز جامد، مايع و گاز را مشخص مي‌کند.
فرمول محاسبه جرم مخصوص ظاهری خاک برابر است با وزن (جرم) خاک (بر حسب گرم) تقسیم بر حجم خاک (بر حسب سانتیمتر مکعب)

جرم مخصوص ظاهري را در دو حالت خشک و تر مي‌توان بيان نمود. تفاوت اين دو تنها در مرطوب و خشک بودن نمونه خاک مورد استفاده در آزمايش مي‌باشد. جرم مخصوص خشک و تر را به دو روش سيلندر یا استوانه‌ای (Core Method) و کلوخه‌اي (Clod Method) اندازه‌گيري مي‌کنند.

روش استوانه‌ای:

ابتدا استوانه‌های مخصوص این کار را برداشته و آن را روی محل مورد نظر گذاشته و روی آن یک تخته چوبی گذاشته و با چکش پلاستیکی به روی تخته چوبی زده که استوانه به طور کامل به درون محل مورد نظر برود. سپس دور استوانه را با کاردک خالی کرده و استوانه را از محل مورد نظر جدا می‌کنیم. پس از این کار با همان کاردک زیر استوانه را صاف می‌کنیم. استوانه را به آزمایشگاه انتقال می‌دهیم و آن را به مدت 24 ساعت در دمای 105 درجه سانتی‌گراد قرار داده تا آب اضافی آن تبخیر شود. پس از این کار استوانه را وزن کرده و با توجه به وزن خالی استوانه و حجم استوانه می‌توانیم وزن مخصوص را اندازه‌گیری کنیم.

روش کلوخه‌ای:

1. در ابتدا کلوخه‌ای را به اندازه یک تیله یا یک بند انگشت انتخاب می‌کنیم.
2. لبه‌های تیز کلوخه را با استفاده از دست صاف می‌کنیم تا کلوخه به صورت کروی در بیاید.
3. در مرحله بعد کلوخه را با استفاده از یک نخ می‌بندیم که یک طرف آن بلند باشد، پس از آن دنباله دیگر آن را با استفاده از یک قیچی یا هر وسیله ی برنده دیگر می‌چینیم.
4. کلوخه را با همراه با نخی که به آن بسته‌ایم وزن می‌کنیم.
5. بعد از آن کلوخه را به صورت لحظه‌ای به مدت یک ثانیه در یک ظرفی که پر از پارافین که نه زیاد سرد باشد و نه زیاد گرم باشد فرو برده و در می‌آوریم و منتظر می‌مانیم که پارافین سطح کلوخه خشک شود (اگر پارافین سرد باشد نمی‌توان کلوخه را در آن شناور کرد و اگر بسیار گرم باشد پارافین به داخل کلوخه نفوذ می‌کند و باعث می‌شود که حجم کلوخه کمتر شود و در نهایت وزن مخصوص را بیشتر نشان می‌دهد).
6. سپس کلوخه آغشته شده به پارافین را وزن می‌کنیم.
7. یک استوانه را برداشته و آن را به مقدار یک عدد صحیح مثلا ١٩ پر از آب مقطر می‌کنیم (وقتی آب مقطر را درون استوانه می‌ریزیم، می‌بینیم که سطح آب به صورت فرورفته می‌باشد که ما عدد مربوط به قسمت فرورفته را محاسبه کرده و یاداشت می‌کنیم)
8. کلوخه را به درون استوانه پر از آب مقطر با استفاده از نخ فرو کرده و همانند قسمت قبل عدد روی استوانه را می‌خوانیم (وقتی که کلوخه را وارد آب مقطر می‌کنیم، کلوخه را دو سه بار بالا و پایین می‌کنیم که اگر هوایی زیر کلوخه گیر کرده است از بین برود. اما اگر پارافین کلوخه نشتی داشته باشد و آب وارد کلوخه شود از آن هوا خارج می‌شود که این امر باعث باطل شدن آزمایش شده و باید آزمایش را دوباره انجام دهیم)
9. در آخر با استفاده از اعداد و ارقامی که بدست آورده‌ایم وزن مخصوص را حساب می‌کنیم:

جرم پارافین = جرم کلوخه - جرم کلوخه همراه پارافین

حجم کلوخه و پارافین = حجم آب مقطر - حجم کلوخه و پارافین و آب مقطر

حجم کلوخه = حجم پارافین - حجم کلوخه و پارافین

جرم (وزن) مخصوص حقیقی خاک (Particle Density)

جرم مخصوص حقیقی خاک عبارت از وزن ذرات خاک در واحد حجم آن است و واحد آن گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد. با اندازه‌گيري وزن مخصوص حقيقي فقط وزن ذرات جامد خاک در واحد حجم مشخص مي‌گردد.

وزن مخصوص حقيقي به اندازه وزن مخصوص ظاهري نمي‌باشد اما داراي کاربردهاي جالبي است. وزن مخصوص حقیقی تقریبا ثابت است و در اکثر خاک‌ها بین 2/60 تا 2/75 گرم بر سانتیمتر مکعب است و وزن مخصوص حقیقی در مقایسه با وزن مخصوص ظاهری بزرگتر است، زیرا فازهای گاز و مایع را شامل نمی‌شود.

وزن مخصوص حقيقي ميزان خلل و فرج خاک را مشخص می‌کند، اما اندازه نسبي خلل و فرج فقط با پارامتر بافت خاک مشخص مي‌شود. چون مواد آلی سبک‌تر از مواد معدنی خاک هستند، بنابراین خاک‌هایی که محتوی مقدار نسبتاً زیادی مواد آلی است دارای وزن مخصوص حقیقی کمتر است و به همین علت وزن مخصوص حقیقی خاک‌های سطح‌الارض همیشه کمتر از خاک‌های تحت‌الارض است.

براي آناليز دقيق خصوصيات فيزيک خاک که بر روي خصوصيات شيميايي و بيولوژي تاثیر زیادی دارد باید وزن مخصوص حقيقي نيز اندازه‌گيري شود.

روش‌های اندازه‌گیری وزن مخصوص حقیقی

1. روش سریع و کم دقت (روش استوانه مدرج)
2. روش دقیق ولی زمان‌بر (روش پیکنومتر)

الف) روش استوانه مدرج:

حجم معینی آب در یک استوانه مدرج ریخته و سطح مایع را دقیقا روی یک عدد تنظیم می‌کنیم. 10 گرم خاک وزن نموده و داخل استوانه می‌ریزیم و برای از بین رفتن تخلخل‌ها با یک میله شیشه‌ای مقداری آن را بهم می‌زنیم. سپس اختلاف حجم ایجاد شده را دقیقا قرائت و یادداشت می‌نمائیم.

وزن مخصوص حقیقی (گرم بر سانتیمتر مکعب)= جرم ذرات خاک تقسیم بر حجم ذرات خاک

ب) روش پیکنومتر:

پیکنومتر یک بالن ته صاف با خط نشانه معین و دارای حجم بسیار دقیقی است. در این روش ابتدا وزن پیکنومتر پر از آب و خاک مورد نظر را به صورت مستقل بدست می‌آوریم. سپس خاک را داخل پیکنومتر پر از آب می‌ریزیم تا آب از آن سرریز شود. وزن آب خالی شده برابر است با حجم آب خالی شده (زیرا چگالی آب یک گرم بر سانتیمتر مکعب است) و حجم آب خالی شده برابر است با حجم خاک.

وزن آب خالی شده ={وزن خاک + وزن پیکنو متر پر از آب (قبل از سرریز شدن)} - {وزن خاک + وزن پیکنو متر پر از آب (بعد از سرریز شدن)}
وزن مخصوص حقیقی (گرم بر سانتیمتر مکعب)= جرم ذرات خاک تقسیم بر حجم ذرات خاک

چند نکته مهم درباره جرم مخصوص حقیقی و جرم مخصوص ظاهری خاک

1. با توجه به خصوصيات مواد آلي که جزء کلوئيدهاي خاک محسوب مي‌گردند، هر چه ميزان مواد آلي خاک افزايش يابد، ميزان وزن مخصوص (ظاهری و حقیقی) کاهش مي‌یابد. کلوئیدهای آلی نسبت به وزن خود داراي حجم بيشتري هستند، در نتيجه نسبت به ذرات معدني خاک داراي وزن مخصوص ظاهري و حقيقي کمتري هستند. مواد آلي بسيار متخلخل و يا خلل و فرج فراوان و در نتيجه داراي قابليت جذب رطوبت فراوان هستند. همچنين به علت ظرفيت تبادل کاتيوني خود سبب متعادل نگاه داشتن pH خاک مي‌گردند. به عنوان مثال منبع غذايي بسيار ارزشمندي براي گياه و ميکروب‌هاي خاک محسوب مي‌شوند. بنابراين افزايش استفاده از ماده آلي يک روش مناسب براي بهبود خصوصيات خاک مي‌باشد.
   2- وزن مخصوص حقیقی بستگی به جنس شیمیایی و ساختار کریستالی ذرات دارد. ولی جرم مخصوص ظاهری خاک بستگی به آرایش ذرات دارد.
   3- در خاک‌های بسیار متراکم وزن مخصوص ظاهری به حقیقی نزدیک می‌شود ولی هرگز به آن نمی‌رسد.
   4- از وزن مخصوص ظاهری برای به دست آوردن تخلخل استفاده می‌کنیم. در خاک‌های درشت بافت (مانند شنی) تخلخل کمتر از خاک‌های با بافت ریز (مانند رسی) است. یعنی در خاک‌های که دارای بافت رسی هستند تخلخل بیشتری نسبت به خاک‌های درشت مثل شن دارند، ولی اندازه ی خلل و فرج در خاک های با بافت درشت (شنی) بیشتر از خاک‌های رسی است. خلل و فرج در جذب آب و هوا و انتقال آنها، گسترش ریشه‌ها، هدایت حرارتی و قدرت ساختمانی خاک اهمیت فراوانی دارد. پس هر چه تخلخل بیشتر باشد، بهتر است.