خالد صابر عبد الفتاح الطوخى - فصل: 2/2 - خصائص التربة

خصائص التــــربة
التربة مادة الأرض، وهي أول الموارد الطبيعية المتجددة وركيزة الوجود البشري وقاعدة الإنتاج الزراعي ومصدر غذاء الإنسان وكسائه وأسباب بقائه.
التربة موردٌ طبيعي متجدِّد
تؤلف التربة جزءاً لا يتجزأ من المنظومة البيئية ecosystem. وتعرّف التربة بأنها «نظامٌ مفتوحٌ صلب لا عضوي وصلب عضوي ومعقد مبعثرٌ ومسامي غير متجانس ومتغير في الحيّز والزمن، يشغل الجزء السطحي من القشرة الأرضية».
أما علم التربة soil science فيُعنـى بدراسة خصــائص التربة الشكلية والميكانيكية والفيزيائية والكيمياوية والحيوية والخصوبية، كما يتناول التربة توزعاً وتصنيفاً وصيانةً واستصلاحاً واستعمالاً.
الخصائص الشكلية
1ـ لون التربة soil color: يعكس لون التربة الكثير من خصائصها. وهو محصلة لكثير من الألوان التي تتصف بها مكونات التربة نفسها التي يتناسب إسهامها في تحديد موقع اللون من الطيف المرئي للتربة، مع مجموع السطوح التي تبديها هذه المكونات وخواص انعكاسها الطيفي.
هناك ألوان مختلفة في الترب منها الأبيض والأسود والأحمر والأصفر والبني والرمادي. ويعبر كمياً عن لون التربة بثلاث قرائن هي موقع اللون في المجال الطيفي وقيمة اللون التي تشير إلى درجة تألق اللون ونقاء اللون chroma الذي يشير إلى صفائه. ويستعمل لذلك جدول ألوان خاص يعرف بأطلس مانسل لألوان التربة Munsell soil color chart.
2ـ بنية التربة soil structure: هو البنية الفيزيائية لنظام تجمع حبيبات التربة الفردية وحجم هذا التجمع والشكل العام الذي يأخذه، ويعكس هذا البناء التجمعي منحى تطورياً موروثاً، وهو محصلة تفاعل عوامل تكوين التربة. وتصنف بنية التربة إلى:
أ ـ البنية البسيطة، التي يمكن أن تكون إما مفككة وإما مندمجة كتلياً، وهما نمطان سيئان وغير مرغوب فيهما زراعياً.
ب ـ البنية المركبة، وتتميز بسطوح أو مستويات انفصال أولية وثانوية طولية أو عرضانية، وينتمي لهذا النمط أربعة أشكال رئيسة هي المكعبي أو الأطاريفي والعمودي أو الموشوري والطبقي أو الوريقي والحبيبي أو البندقي، ويعد هذا الأخير من أفضلها وأكثرها ثباتاً وأسهلها خدمة وملاءمةً للزراعة.
الخصائص الميكانيكية
1ـ القوام soil texture: يقصد بالقوام درجة نعومة التربة أو خشونتها التي تتوقف على نسب المجموعات الحبيبية المكونة للطور الصلب، ويحدد قوام التربة بالنسب المئوية لمجموعات الطين (الغضار) clay والسلت (الغرين) silt والرمل sand في عينة ترابية جافة بإحدى الطرائق المعتمدة في التحليل الميكانيكي أو التحليل الحبيبي للتربة. ويفيد قوام التربة في تحديد الكثير من خصائص التربة الفيزيائية والكيمياوية وخصوبتها والجيوتكنيكية الهندسية.
2ـ التماسك soil consistency: هو السلوك الذي تبديه التربة تجاه القوى التي تعمل على تشكيلها في حدود مختلفة لرطوبة التربة، ويعبر عن هذا السلوك بمجموعة من الثوابت التجريبية التي تحدد بالتماسك (أو القوام)، وترتبط هذه الثوابت التجريبية بعدد كبير من خواص التربة، أهمها:

1. الانتفاخ swelling
2. والانكماش shrinkage
3. والانضغاط والنفاذية permeability
4. والمحتوى المائي للتشكيل.


الخواص الفيزيائية
1 ـ السطح النوعي specific area: هو تعبير عن مساحة السطوح الكلية التي تبديها وحدة الكتلة أو الحجم من التربة الجافة تماماً، ويقاس بـ: سم2/غ أو م2/غ. وترجع أهمية السطح النوعي إلى تأثيره في خصائص التربة، وهو مركز التفاعلات وعمليات التبادل الأيوني والامتصاص والتثبيت، والتبادل الغازي والنقل الحراري والتوصيل المائي إلى جانب سعة احتفاظ التربة بالماء، ومحتواها من فلزات الطين، ونوعها ونسبة المواد العضوية.
2 ـ كثافة التربة soil density: يمكن تمييز نوعين رئيسين من الكثافة هما:
أ ـ الكثافة الصلبة أو الحقيقية density of solids أو real density: وهي متوسط كثافة حبيبات التربة المكونة من الفلزات الأولية والثانوية والمادة العضوية.
ب ـ الكثافة الظاهرية أو الحجمية appearent density أو bulk density: ويطلق عليها أيضاً الوزن الحجمي، وهي تعبر عن نسبة كتلة التربة الجافة إلى الحجم الكلي للتربة بما فيها الفراغات، ويميز ثلاث درجات من الكثافة الحجمية وهي: الرطبة والمشبعة و المغمورة.
3 ـ مسامية التربة soil porosity: وتنشأ من وجود الفراغات المشغولة بالسوائل والغازات، وتراوح قيمتها في الترب الطبيعية بين 30 و60 ٪.
4 ـ عامل المسامية أو نسبة الفراغ void ratio: وهي نسبة حجم الفراغات إلى حجم حبيبات التربة (الطور الصلب).
5 ـ حرارة التربة والنظام الحراري الأرضي: تتغير حرارة التربة بسبب تغيرات الشروط الجوية المحيطة بها، مما يؤدي إلى تبدل معدلات سرعة العمليات الفيزيائية ووجهتها فيؤثر ذلك في تحولات الطاقة وانتقالها. وتحدد حرارة التربة أنواع التفاعلات الكيماوية والتبادل الأيوني والنشاط الحيوي والنمو النباتي. وتتعلق حرارة التربة بالموقع الجغرافي والتضاريس وبخواص التربة الفيزيائية وتركيبها الفلزي.
الخصائص الهدروفيزيائية: ماء التربة والعلاقات المائية
يعد الماء أهم مقومات الحياة على سطح كوكب الأرض ويؤلف جسر الاتصال في منظومة «التربة ـ الماء ـ النبات».
1ـ أشكال الماء في التربة: يصنف ماء التربة إلى ثلاثة أشكال على النحو الآتي:
أ ـ الماء الهيجروسكوبي hygroscopic water أو ماء الاسترطاب أو الامتزاز، يحيط بحبيبات التربة الناعمة التي تبدي سطحاً نوعياً كبيراً على شكل أغشية مائية، ويُمتَزُّ بقوة كبيرة جداً تصل إلى 10.000 ضغط جوي، وهو ماء غير متحرك أو مفيد للنبات.
ب ـ الماء الشعري capillary water ويميز منه نوعان: ماء شعري غير قابل للإفادة يشغل الفراغات الشعرية التي لاتتجاوز أبعادها 0.2 ميكرومتراً، أما الثاني فيعد المصدر الرئيسي للتغذية المائية في التربة يملأ الفراغات الشعرية التي تراوح أبعادها بين 0.2 و10 ميكرومتر.
ج ـ ماء الجاذبية الأرضية gravity water، هو الماء الزائد على الماء الشعري، ويشغل الفراغات التي تزيد أبعادها على 10 ميكرومتر، وهو ماء متحرك وغير متاح للنبات.
2ـ الثوابت المائية المهمة soil moisture constants، من هذه الثوابت:
أ ـ سعة التشبع الرطوبي saturation water capacity: ويطلق عليها أيضاً السعة المائية العظمى أو سعة حجز الماء water holding capacity، وهي أكبر كمية ماء يمكن أن تحتجزها التربة بعد طرد الهواء من فراغاتها.
ب ـ السعة الحقلية field capacity: وتمثل المحتوى الرطوبي الذي تحتفظ به التربة بعد صرف (رشح) الماء الزائد بفعل الجاذبية الأرضية وتباطؤ معدل الرشح إلى حد كبير، ويقدر الزمن اللازم لذلك بحدود 24 إلى72 ساعة بعد ري ٍ كافٍ أو هطلٍ غزير، وتعد السعة الحقلية من أهم الثوابت المائية لدخولها في حساب الحد الأقصى لكمية المياه الواجب إضافتها للتربة في الرية الواحدة لمحصول معين (حساب المقننات المائية)، وتقدر القوة التي تحتفظ التربة بمائها عند السعة الحقلية بين 0.1 و1.0 ضغط جوي حسب نوع التربة.
ج ـ معامل الذبول الدائم permanent wilting coefficient: يقصد به المحتوى الرطوبي عند نقطة الذبول الدائم التي تصير عندها النباتات المزروعة غير قادرة على استعادة حيويتها ونموها إثر وضعها في جو مشبع ببخار الماء، يكون عجز النبات عن امتصاص الماء من التربة تاماً، ويعد هذا المعامل من الثوابت المائية المهمة لأنه يمثل مخزون التربة المائي غير المتيسر (المتاح)، ويعتمد على قيمته في حساب احتياطي الماء المنتج والاحتياجات المائية للمزروعات كلها، ويبلغ التوتر الرطوبي للتربة قرابة 15 ضغطاً جوياً.
د ـ المعامل الهجروسكوبي أو معامل الاسترطاب وهو المحتوى الرطوبي الذي تحتفظ به التربة عند تركها لتجف هوائياً ولتبلغ مرحلة الاتزان في محيط مشبع ببخار الماء. ويبلغ التوتر الرطوبي نحو 30 ضغطاً جوياً.
هـ ـ الماء القابل للإفادة available soil water: يمثل الماء الصالح للامتصاص والنمو النباتيين، وهو الماء الذي تحتجزه التربة بين سويتي السعة الحقلية ومعامل الذبول الدائم.
3ـ حركة الماء في التربة وبعض الظواهر المائية المهمة:
أ ـ الخاصة الشعرية capillary prop.: تؤلف هذه الخاصة محصلة الاتزان القائم بين قوة التوتر الـسطحي الصاعدة، ووزن عمود الماء المحدد بالارتفاع h في حقل الجاذبية كقوة هابطة، ويكون مقدار صعود الماء h في الأنبوب الشعري الذي نصف قطرهr يتناسب طرداً مع قوى الصعود، وعكساً مع قوى الهبوط.
ب ـ ظاهرة «دارة التوتر الرطوبي» أو «الهسترة» hysteresis: تصادف هذه الظاهرة في بعض الترب الطينية والغروية الطينية عند توقيع العلاقة بين قياسات التوتر الرطوبي أياً كانت وحدتها (ضغط جوي، بار أو سم ماء) مقابل المحتوى الرطوبي الوزني m أو الحجمي v للتربة، والتي ينجم عنها عدم انطباق منحنى التجفيف على منحنى الترطيب للتربة نفسها، وتعزى هذه الظاهرة إلى كثير من الأسباب، أهمها عدم تجانس أبعاد الفراغات في التربة واحتباس الهواء في بعضها عند الترطيب، وظاهرتا الانتفاخ والانكماش في الترب الطينية خاصة.
ج ـ التوصيل الهدروليكي وقانون دارسي (Kw) hydraulic conductivity & Darcy’s law التوصيل المائي (الناقلية المائية): هو نسبة التدفق (q) flow إلى المحال الهدروليكي hydraulic gradient H/L ويُعطَى بما يعرف قانون دارسي). ويتأثر التوصيل الهيدروليكي للتربة بقوامها وبنائها، وخصائص التربة الكيمياوية الأخرى. ويختلف التوصيل الهيدروليكي عن الرشح infiltration لكون الأول يعبر عن قياس تدفق الماء في الأوساط المشبعة saturated، أما الثاني فهو قياس حركة الماء في التربة التي لم تصل بعد إلى درجة التشبع، ولكليهما وحدة قياس نفسها (سم/ ثا).
الخصائص الكيمياوية والفيزيائية الكيمياوية:
1ـ كيمياء المكونات اللاعضوية في التربة: يتكون الطور الصلب في التربة من طورين صلب معدني (لا عضوي) وآخر عضوي (دبالي). وتؤلف فلزات التربة الأولية كالكلس (كربونات الكالسيوم CaCO3) والجبس (الجص CaSO4.2H2O) وبعض الأكاسيد المائية (الهدروكسيدات) والكثير من الأملاح الذائبة، إلى جانب الفلزات الثانوية الطينية وبعض المركبات عديمة الشكل، عديمة التبلر (كالألوفان allophan). وتعد فلزات الطين (الغضار أو الصلصال) أهم هذه المكونات كلها لما تتميز به من خصائص السطح النوعي والحالة الغروية وخصائص كيماوية وفيزيائية كيماوية وخصوبية مهمة لها دور مؤثر في النظم المائية والهوائية والحرارية في التربة، وتنشأ فلزات الطين عن التجوية البطيئة للفلزات الأولية، وتدخل ضمن مفهوم قوام التربة soil texture، وتشير بالمعنى الفلزي mineralogical إلى عدد كبير من المجموعات الفلزية التي تتميز ببنية بلورية معينة وتركيب كيماوي محدد قوامه سيليكات الألمنيوم والحديد وبعض القواعد. أما من الوجهة الزراعية فتعدّ فلزات الطين الجزء الناعم من حبيبات التربة ذات طبيعة غروية وسطوح كبيرة مشحونة غالباً بشحنات كهرسالبة.
ونجد أيضاً من الناحية التطورية أن الطين لا يختلف عن المجموعات الحبيبية الأخرى في التربة كالغرين والرمل، في الأبعاد فحسب، بل في التركيب والبنية والخواص الفيزيائية ودرجة التجوية ومنشئها التطوري أيضاً، فالرمل والغرين يتكونان أساساً من فلزات أولية primary minerals عدة مقـاومة للتجوية نسبيـاً، والتي تنشأ مباشرة من تفكك الفلزات الأولية وتجويتها، أو عن طريق إعادة تركيبها في محلول تجوية التربة عبر مسارات تطورية تتفاوت شدتها وفاعليتها تبعاً للأحوال المناخية الموضعيةpedoclimat السائدة. وتتكون فلزات الطين أساساً من تعاقب خاص ومميز لوحدتي بناء رئيستين، هما رباعية الوجوه تحتوي على السيليكون Si وثمانية الوجوه تشتمل على الألمنيوم Al غالباً، مع ظهور حالات خاصة تستبدل فيها عناصر أخرى كالحديد وبعض القواعد الأخرى بهذين العنصرين الرئيسين، ويقاس تطور هذه الفلزات بنسبة أكسيد السيليس SiO2 إلى مجموع أكسيد الألمنيوم وأكسيد الحديد Fe2O3 التي يطلق عليها أكاسيد نصف ثلاثية.
وتصنف فلزات الطين في مجموعات وفصائل وأفراد تبعاً لتركيبها وتعاقب وحدات بنائها والمسافة القاعدية التي تفصل وحداتها البلورية وثبات أو تغير هذه المسافة في المجموعة الواحدة.
2ـ مكونات التربة العضوية: تنشأ هذه المكونات من مخلفات وأشلاء الكائنات الحية التي تستوطن في ظاهر التربة وباطنها، وتشتمل على الأحياء الدقيقة microorganisms من بكتيريا وفطريات وطحالب وأشنات وحيوانات أولية، وحشرات وعناكب ودودة الأرض والرخويات وغيرها وصولاً إلى حيوانات التربة والنباتات الدنيا والراقية، علاوة على مخلفات الحيوانات الزراعية والإنسان، ورفاتها كلها. وتخضع هذه المواد برمتها لجملة من العمليات التطورية الحيوية التي تقود في نهاية المطاف إلى نشوء مواد عضوية ذات طبيعة غروية معقدة التركيب غير متجانسة البنية يطلق عليها «الدبال» humus. ويتكون الدبال هذا أياً كان تركيبه ومنشؤه من عناصر الكربون والنتروجين والأكسجين والهدروجين أساساً وبعض الفوسفور والكبريت، كما يتميز الدبال الطبيعي الذي يخضع باستمرار لعمليتي التمعدن (تفكك حيوي biodegradation) والتبدل (تكوين الدبال humification الثابت المستقر) بنسبة خاصة من الكربون إلى النتروجين C/N التي تعد تابعاً مركباً لعوامل عدة: مناخية وأرضية ومنشئية وحيوية خاصة بالموقع نفسه. ويراوح محتوى الترب الطبيعية من المادة العضوية أو الدبال بين الصفر في الترب الرملية الصرفة والصحراوية شديدة الجفاف وأكثر من 90 ٪ في الترب الخثية (التوربية tourbe peat). أما في الترب الزراعية فتقع هذه النسبة بين 1 و10 ٪ تبعاً لنوع الغطاء النباتي وطبيعة استعمال الأرض واستدامة التراكيب المحصولية. وعلى الرغم من ضآلة نسبة المادة العضوية في التربة الزراعية عموماً، فإن لها دوراً حاسماً في خصائص التربة كلها، بل في استدامة النظم المحصولية وريعيتها على المدى الطويل. وهذا ما تنادي به حالياً المنظمات الدولية المعنية بالزراعة والبيئة والمناخ على حد سواء. إذ أظهرت البحوث المستفيضة حديثاً، الأهمية الكبرى لبناء المادة العضوية في التربة والدور الجوهري الذي يمكن أن تسهم به تربة كوكب الأرض في اختزان المزيد من الانبعاثات الكربونية الناجمة عن حرق الوقود الأحفوري المتصاعد، وبما يخفف إلى حد بعيد من ظاهرة الدفآن (الاحترار) الكوني وتغير مناخ الأرض برمته.


3 ـ الخصائص الكيميافيزيائية:
أ ـ غرويات التربةsoil colloids: تشتمل التربـة على نوعين رئيسين من الغرويات يعكسان تركيبها المعدني العضوي ونظامها المفتوح المتطور عبر الزمن، فهي تحتوي على الغرويات المعدنية التي تتكون من خليط غير متجانس من فلزات الطين وبعض الأكاسيد والمكونات الأخرى غير البلورية، كما تحتوي أيضاً على الغرويات الدبالية عضوية المنشأ. وفي بعض الأحوال الخاصة قد يتكون نوع ثالث ينشأ من ارتباط الغرويات المعدنية بالغرويات الدبالية عبر جسور كاتيونية متعددة الأشكال. و تكون هذه الغرويات مشحونة كهرسلبياً بصفة عامة، وبعض الشحنات الموجبة الناجمة عن وجود المواد الدبالية وبعض المكونات المعدنية الأخرى كالأكاسيد نصف الثلاثية (Al2O3 وFe2O3 أساساَ)ً، وتعود هذه الشحنات السالبة والموجبة للطبيعة الغروية الدقيقة التي تتصف بها هذه المكونات كلها، والتي تتأثر بدرجة pH التربة ارتفاعاً وانخفاضاً.
ب ـ التبادل الأيوني ion exchange: تعد هذه الظاهرة ثاني أهم التفاعلات التي تحصل في الطبيعة بعد عملية التركيب الضوئي «التمثيل اليخضوري» للنباتات الخضراء. وهي عملية دخول الأيونات (كاتيونات وأنيونات) من المحلول الذي يحيط بالدقائق الغروية لتحل ممتزّة (مدمصّة adsorbed) على سطوح هذه الغرويات وبمقادير مكافئة لما يزاح عنها من أيونات إلى المحلول الخارجي المحيط، (أي هناك عمليتان متعاكستان تحدثان في آن معاً) ويمكن أن يكون هذا التبادل كاتيونياً أو أينونياً، مع سيادة النوع الأول نظراً لسيادة الشحنات الكهرسالبة لسطوح غرويات التربة. وتحافظ غرويات التربة عموماً عند حدوث التبادل الأيوني على تعادلها الكهربائي على الدوام، وبفضل هذه العملية يغدو ممكناً للتربة أن تحتجز كثيراً من العناصر الخصوبية الضرورية والتي تبقى في متناول النبات وتقاوم الإزاحة بعمليتي الغسل leaching والرشح لمياه الأمطار والري. وتخضع ظاهرة التبادل الأيوني لقانون فعل الكتلة، فهي تفاعل موزون وتلقائي سريع، وعكوس، يتأثر بالكثير من خصائص التربة من pH وقوة أيونية وغيرها.
تفاعل التربة «درجة pH التربة»: تعد هذه الدرجة عاملاً محدداً لنمو العديد من الأنواع النباتية والأحياء الدقيقة وازدهارها في التربة لاحتواء محلول التربة على العديد من الأيونات والأملاح الذائبة الطبيعية أو المضافة، وتصنف الترب عادة اعتماداً على درجة pH محلولها بوساطة قياسه في معلق بنسبة 2.5: 1(ماء: تربة وزناً). ويرتبط pH التربة عموماً بعوامل عدة أهمها الصخرة الأم والمواد الأم والمناخ وأنماط الاستعمال السائدة.