خاک شناسی

مفاهیم مهندسی کشاورزی

طبیعت بر ۳ رکن اساسی آب، هوا و خاک استوار است؛ بر این اساس شناخت طبیعت و ارکان آن، حفاظت و پاسداری از طبیعت از مسـوولیت اجتناب ناپذیر انسان‌هاست. کشاورزی و تامین نیاز غذایی بشر از دل خاک، ضرورت استفاده‌ی تمام انسان‌ها از غذای سالم و مغذی، افزایش جمعیت کره زمین و در نهایت روند صعودی تخریب اراضی در اثر عوامل اقلیمی و اقدامات نابخردانه‌ی انسان‌ها اهمیت شناخت، حفاظت و مدیریت اصولی از منابع را چند برابر می‌کند.

علوم خاکشناسی با اهداف کلی شناخت خاک و اجزای آن، طبقه‌بندی انواع خاک‌ها، مدیریت علمی و جامع نگر اکوسیستم خاک، افزایش حاصلخیزی خاک بر اساس سیستم کشاورزی پایدار به‌منظور افزایش عملکرد در واحد سطح، تامین غذای سالم و جلوگیری از فرسایش و تخریب خاک به جهانیان معرفی شد.

این رشته در ایران در حال حاظر دارای ۴ گرایش است:

ـ شیمی، حاصلخیزی و آلودگی

ـ بیولوژی خاک

ـ فیزیک و فرسایش خاک

ـ ژنز، رده بندی و ارزیابی خاک

● شیمی، حاصلخیزی و آلودگی

مهمترین رسالت کشاورزی، تولید غذای سالم و مغذی برای جوامع انسانی در راستای دستیابی به امنیت غذایی است. در گرایش شیمی، حاصلخیزی و آلودگی به افزایش حاصلخیزی خاک و عرضه‌ی متعادل عناصرغذایی برای گیاهان و بهبود تغذیه گیاه اهمیت بسزایی می‌شود و نتیجه‌ی توجه و اجرای علوم مربوط به این گرایش افزایش عملکرد در واحد سطح، حداکثر استفاده از خاک با توجه به استعدادها و پتانسیل‌های آن و هم‌چنین جلوگیری از آلوده شدن خاک و آب‌های زیرزمینی و مشکلات زیست محیطی است. از دیگر محورهای این گرایش توجه به خصوصیات خاک از نظر شیمیایی است که ارتباط نزدیکی با حاصلخیزی خاک دارد.

● بیولوژی خاک

افزایش روزافزون جمعیت به‌خصوص در سده‌ی اخیر، افزایش نیاز به غذا را در جوامع انسانی به‌همراه داشت؛ به‌دلیل محدودیت‌های موجود در ارتباط با منابع خاک و آب سعی گردید که میزان تولید مواد غذایی در واحد سطح و یا به‌عبارت دیگر عملکرد محصولات کشاورزی افزایش پیدا کند،اما متاسفانه پیدایی این تفکر منجر به استفاده‌ی بیش از حد کودهای شیمیایی و فشار شدید بر منابع خاکی در طی سالیان متوالی شد؛ از دیگر تبعات افزایش محصولات کشاورزی در واحد سطح می‌توان به آلودگی خاک، آب، کاهش توان باردهی خاک و مرگ پیش‌رس خاک اشاره کرد. چاره اندیشی در زمینه‌ی مشکلات در پیش گفته شده مستلزم شناخت واقع بینانه از خاک و رعایت اصول پایداری در اکوسیستم طبیعی است.

در چنین الگویی، خاک که توده‌ای از کانی و سنگ‌های متلاشی شده است، به‌عنوان سیستم اکولوژیکی، متشکل از جامعه‌ی زیستی متنوع در بستر گسترده‌ای از مواد غیر زنده‌ی معدنی و آلی تلقی می‌شود؛ اجزای این اکوسیستم با توجه به گستردگی و روابط متعدد پیچیده‌ای که دارد به شیوه‌ای تلفیق شده‌اند که سیستم زنده‌ی واحدی را تشکیل می‌دهند. گفتنی‌ست این سیستم بسیار حساس و آسیب پذیر بوده و بهره گیری از آن توسط روش‌های رایج امکان پذیر نیست.

اصول بنیادین بیولوژی خاک در دهه‌های اخیر، به‌عنوان الگوی برنامه‌ریزی برای سیستم‌های کشاورزی پایدار مورد توجه قرار گرفته است؛ موفقیت این سازوکار، مستلزم فعال نگه‌داشتن جامعه‌ی موجودات خاکزی و تلاش برای استفاده هر چه بیشتر و کامل‌تر از راه حل‌های بیولوژیکی برای تغذیه‌ی گیاه و تامین سلامت آن است.

به‌عبارت دیگر بیولوژی خاک به مجموع موجودات زنده موجود در خاک و یا موجوداتی که دوره‌ای از زندگی فعال خود را در خاک گذرانده‌اند و روابط متقابل این موجودات گفته می‌شود؛ بیوتکنولوژی خاک به منظور اعمال مدیریتی مناسب با هدف استفاده از پتانسیل موجودات مفید خاکزی، به‌منظور تولید حداکثر محصول همگام با بهبود کیفیت خاک و رعایت بهداشت و ایمنی محیط زیست( حذف سموم و سایر آلاینده‌های خاک) و بهره‌گیری از آخرین اطلاعات علمی روز، درحال توسعه و گستردگی‌ست.

از سویی دیگر محاسن استفاده از کودهای بیولوژیکی شامل تجزیه سریع بقایای گیاهی، بهبود ساختمان فیزیکی خاک، اصلاح خاک‌های فرسوده، کمک به حفاظ سلامت گیاه است.

شایان ذکر است کودهای بیولوژیکی شامل مواد نگهدارنده همراه با انبوه متراکم یک یا چند نوع میکروارگانیسم مفید خاکزی و یا فرآورده‌های متابولیک این موجودات بوده که به‌منظور تامین عناصر غذایی مورد نیاز گیاه، تولید می‌شوند. انواع رایج این کودها به نام میکروارگانیسم مورد استفاده، گیاه مورد تلقیح و در بیشتر مواقع با اسامی خاص تجارتی، برای فروش عرضه می‌شوند.

اولین کود میکروبی با نام تجارتی نیتراژین یک قرن پیش به بازارعرضه شد؛ گفتنی‌ست کودهای بیولوژیکی توان رقابت با کودهای کشاورزی رایج که دارای جاذبه‌های گمراه کننده‌ای مانند بهای ارزان، کاربرد آسان و به‌ویژه درآمدهای کاذب کوتاه مدت بودند را نداشتند.

اما به مرور زمان و به‌خصوص از سال ۱۹۷۰به بعد با طرح مسائلی اساسی همانند لزوم بر صرفه‌جویی در مصرف سوخت‌های فسیلی غیرتجدید شونده، تاکید بر اثرات منفی ناشی از لزوم مصرف غیراصولی این کودها بر کیفیت خاک، تولید محصولات زراعی و عوارض زیست محیطی حاصل از تولید ، منجر به پیدایی شرایط و زمینه‌های مناسب تولید کودهای بیولوژیکی را فراهم آورد و در این‌باره بر این موضوع تاکید شد که ما می‌توانیم با بهره‌گیری از طبیعت به غذایی سالم دست یابیم علاوه بر آن‌که کیفیت خاک نیز به‌عنوان منبعی دیر تجدید شونده حفظ می‌شود.

درکشورما، با توجه به مضرات مشخص استفاده از کودهای شیمیایی و تحقیقات علمی و دانشگاهی فراوان در این باره‌، متاسفانه هنوز نگرش مثبت و تلاش کافی درجهت تولید و کاربرد این نوع از کودها صورت نگرفته است.

● فیزیک و فرسایش خاک

در این گرایش مباحث مربوط به فیزیک و خاکشناسی مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ از دیدگاه علوم کشاورزی، خاک محیط متخلخلی‌ست متشکل از مواد معدنی و آلی، آب، هوا و موجودات ریز که بستر مناسبی را برای رشد ریشه‌ی گیاهان فراهم می‌کند.

علم فیزیک خاک به پیش بینی، اندازه‌گیری و کنترل فرآیندهای صورت گرفته در خاک، مطالعه‌ی نوع و نحوه‌ی چیدمان مواد تشکیل دهنده‌ی خاک، جابجایی و برهم کنش این مواد با یکدیگر وعواملی همانند آب، هوا و گرما می‌پردازد؛ بنابراین متخصصان فیزیک خاک باید از کارشناسان خاکشناسی که به علم فیزیک آشنائی دارند و یا فیزیکدان‌هائی که مطالعه درعلوم خاکشناسی داشته‌اند انتخاب شوند. هر چند اکثر پیشگامان فیزیک خاک متخصصان فیزیک بودند، اما امروزه به دلایل کاربرد زیاد فیزیک خاک در کشاورزی اکثر متخصصان فیزیک خاک را خاکشناسان تشکیل می‌دهند.

اهداف کاربردی فیزیک خاک در کشاورزی بسیار زیاد است که دراین‌باره می توان به مدیریت صحیح خاک در زمینه‌های آبیاری، زهکشی، حفاظت آب و خاک، شخم و انواع خاک‌ورزی و در نهایت به تنظیم دمای خاک و عکس العمل آن نسبت به تنش‌های مکانیکی اشاره کرد؛ گفتنی‌ست فیزیک خاک در تداخل با علوم دیگری مانند زمین شناسی، هیدرولوژی، اکولوژی، اگرونومی، اقلیم شناسی، مهندسی و ریاضیات نیز است.

به‌دلیل ترکیب ناهمگون خاک مطالعه‌ی فیزیکی آن مشکل‌تر از اجسام یکنواخت می‌باشد زیرا خاک به‌طور مرتب گرم و سرد، متراکم و متورم شده و یا ترک می خورد، گازها و یون‌های گوناگون را جذب یا آزاد، نمک‌ها را حل یا رسوب می کند، اسیدی و قلیائی شده و با ایجاد شرایط هوازی و بی‌هوازی فرایندهای اکسیداسیون و کاهش در آن صورت می‌گیرد. مجموعه‌ی این شرایط همراه با پویائی ریشه‌ی گیاهان در داخل خاک باعث می‌شود که وضعیت خاک طی زمان متغیر بوده و نتوان شرایط متعادلی برای آن درنظر گرفت،به‌دلیل آن‌که برخی از جنبه‌های فیزیک خاک از نظر مطالعه، وضعیت احتمالاتی و غیر قطعی دارد تعیین دقیق حالات فیزیکی خاک امکان پذیر نیست، بنابراین در مطالعات فیزیک خاک باید به روش‌های ساده سازی و بررسی عواملی که بیشترین تاثیر را دارند استفاده کنیم.

در بسیاری از مطالعات فیزیکی، خاک به‌عنوان جسمی یکنواخت و ایزوتروپ (همروند) درنظر گرفته می‌شود، حال آن‌که در عمل هیچ یک از این فرضیات در مورد خاک‌ها صادق نیست، بنابراین مدل‌های مطالعاتی خاک گویای واقعیت نبود و درجه‌ی اعتبار هر مدل بستگی به نوع و تعداد فرضیاتی دارد که برای ساده سازی درنظر گرفته شده است؛ مدل‌های مطالعات فیزیکی خاک توانسته‌اند در بسیاری از موارد عملی به نتایج قابل قبول برسند و امروزه مدل سازی و کاربرد مدل‌ها در مطالعات خاک نقش بسیار اساسی دارند.

خاک، ترکیب پیچیده‌ای است که در شاخه‌های گوناگون علمی، مورد بررسی قرار می گیرد. پدیده‌ی فرسایش خاک یکی ازعوامل قابل توجه در کشاورزی و دلیل اصلی نابودی بسیاری از زمین‌های حاصلخیز و تبدیل آن به مکان‌های غیرقابل کشت است.

فرسایش عبارت است از فرسودگی و از بین رفتن مداوم خاک سطح زمین (انتقال یا حرکت آن از نقطه‌ای به نقطه دیگر در سطح زمین) توسط آب یا باد؛ فرسایش پیش از بهره برداری آن نیز صورت می‌گرفت ( فرسایش طبیعی ) اما این پدیده پس از انجام فعالیتهایی همانند کشت و زرع ، دامداری و غیره بیش از حد سریع و شدید شد. بر اساس محاسبات صورت گرفته تشکیل یک سانتیمتر از خاک نیازمند ۵۰۰ تا ۸۰۰ سال است در نتیجه خاک زراعتی با عمق ۲۵ سانتیمتر طی ۲۰ هزار سال در طبیعت بوجود آمده است.

فرسایش خاک ازجمله نگرانی‌های عمده زیست محیطی قرن حاضراست، بر اساس برآوردهای انجام شده بر اثرفرسایش خاک سالیانه چندین میلیون هکتار از اراضی کشاورزی جهان به کام نابودی کشیده می شود، برپایه‌ی همین برآورد پیش بینی می‌شود تاسال ۲۰۱۰ میلادی یک سوم تا یک پنجم اراضی کشاورزی براثرفرسایش خاک نابارور وغیرقابل استفاده می‌شوند.

● عوامل موثر در تشدید فرسایش

یکی دیگر از مسائلی که باعث فرسایش خاک درایران وجهان شده است سیلاب است. جنگل‌ها طی قرن‌های متوالی موجب پایداری خاک، ذخیره سازی آب و رونق فعالیت‌های گوناگون کشاورزی بوده‌اند اما با نابودی تدریجی جنگل‌ها و پوشش‌های گیاهی جاری شدن سیلاب متداول شده است، به عبارت دیگر هنگامی‌که پوشش جنگلی براثرقطع بی رویه‌ی درختان تراکم خود را از دست دهند، خاک آن منطقه به‌دلیل کمبود شاخ و برگ درختان و فواصل ایجاد شده میان آنها دربرابر باران‌های شدید و رگبارهای تند بی‌دفاع مانده، بنابراین باران می‌تواند علاوه برشستن خاک تبدیل به روان آب شده و توانایی نفوذ به داخل زمین را ازدست می‌دهد. مهم‌ترین پیامد بوجود آمدن روان آب وعدم نفوذ درخاک، پائین آمدن سفره‌های آب زیرزمینی (اصلی ترین منبع آبیاری گیاهان درمناطق خشک) است؛ به مرروزمان آن‌قدر آب وخاک وجود نخواهد داشت که کشاورزان بتوانند نیازهای روزانه خود را تامین کنند، در نتیجه مهاجرت به شهرها شدت بیشتری خواهد گرفت که این موضوع نیز پیامدهای خاص خودرا به دنبال خواهد داشت.

متاسفانه درکشورما تخریب جنگل‌ها روند سریعی را درپیش گرفته است، عریانی بیش ازحد دامنه‌ی شمالی کوه‌های البرزکه درروزگاری نه چندان دورپوشیده ازجنگل بوده است درحال حاضر به‌دلیل بی توجهی انسان‌ها درمعرض نابودی قرارگرفته است، از سویی فرسایش خاک، تراکم حرارتی ناشی ازتغییرات جوی، کاهش رطوبت وازهمه مهمترتقلیل ونابودی پوشش گیاهی (به علت قطع بی رویه وعدم کاشت همزمان درخت ) ازپیامدهای نامطلوب این بی رحمی انسان نسبت به طبیعت اطراف خود است.

یکی دیگر از عوامل فرسایش آبی در کشورما، کشت بر روی اراضی شیبدار است، با توجه به‌آن‌که که کشورما کوهستانی و شیب زمین‌ها به‌طورعمده به سوی بالاست با افزایش شیب میزان آب نفوذی کاهش می‌یابد و منجر به پیدایی رواناب می‌شود؛ متأسفانه بعضی افراد با هدف کسب درآمد این اراضی را به‌منظور کشت دیم شخم می‌زنند که این مسئله بستر را برای فرسایش و تخریب بیشتر زمین و خاک فراهم می‌کند.

گفتنی‌ست عواملی همانند شخم عمیق، عدم کاربری صحیح اراضی کشاورزی، استفاده نادرست ازمنابع آبی و دربرخی مواقع احداث خطوط جاده‌ای و بهره‌برداری غیرفنی ازمعادن و... ،فرسایش خاک را ازحالت طبیعی و معمول خود خارج ساخته و برشدت آن می‌افزاید.

با بررسی تاریخچه‌ی کشاورزی در کشورهای توسعه یافته می‌توان دریافت که در این کشورها برنامه‌ریزی صحیح در بخش کشاورزی اعمال می‌شود و آن‌ها کمبود بودجه‌ی بخش صنعت خویش را ازدرآمدهای بخش کشاورزی تامین می‌کنند، و کشورهایی همانند آمریکا، فرانسه و ژاپن علاوه برخودکفایی دربخش کشاورزی دارای صنعتی توسعه یافته نیزهستند.

میزان سالانه‌ی فرسایش خاک در جهان ۷۵میلیارد تن است که سهم ایران از آن بیش از دو میلیارد تن و حدود سه برابر فرسایش خاک در آسیا گزارش شده است.

شایان ذکر است میزان فرسایش خاک در مناطق شمالی ایران، ۱۵ تا ۲۵ میلیون تن در سال بوده، این در حالی‌ست که میزان سرانه‌ی جنگل در ایران دو دهم هکتار و در جهان هشت دهم هکتار است.

تحقیقات نشان می‌دهد انسان مهمترین عامل فرسایش خاک است، بر اساس یافته‌های پژوهشگران، ارزش اقتصادی خسارات سالانه‌ی فرسایش خاک در کشور ۱۰ هزار میلیارد ریال معادل تخریب یک میلیون هکتار زمین کشاورزی برآورد شده است. به گزارش منابع رسمی بخش کشاورزی و آبخیزداری وزارت جهاد کشاورزی سالانه یک درصد از حجم مخازن سدهای موجود در کشور با رسوب ناشی از فرسایش خاک پر می شود؛ زیرا سیل، باعث پیدایی رسوب در مجاری آب است که نمونه آن‌را می توان در تجمیع رسوب و خاک در مخازن سدها مشاهده کرد. هم اکنون مرداب انزلی دستخوش چنین تغییر و تحولاتی شده و رسوبات وارد شده به این مرداب آن را آلوده کرده است.

میزان بارندگی در کشور بین ۵۰تا ۲هزار میلی‌متر گزارش شده است، گفتنی‌ست روند کنونی فرسایش در مناطق جنوبی ایران به دلیل نبود پوشش گیاهی مناسب و سازنده‌های تبخیری زمین بیش از سایر مناطق در کشور است؛ مناطقی از جمله حوزه‌ی سد کرخه، سد گلستان، سد کارون، دشتیاری سیستان و بلوچستان و بخشی از استان فارس از مناطق بحرانی فرسایش خاک در کشور هستند.

● راهکارهای پیشگیری از فرسایش خاک

۱) تقویت پوشش گیاهی

۲) عدم شخم در جهت شیب در اراضی کشاورزی

۳) در مناطقی که زمین آن هرسال شخم زده می‌شود باید محصولات جایگزین و درختان متناسب با هر منطقه که نیاز به شخم و دخل و تصرف هر ساله نیست کاشته شود

۴) تعریف کاربری مناسب برای اراضی زراعی و تقویت پوشش گیاهی در مراتع و جنگل‌ها

۵) کنترل دام در بیشه‌زارها و جنگل‌ها می‌تواند نقش مؤثری در کاهش فرسایش و کنترل روند صعودی فرسایش خاک داشته باشد

۶) تقویت پوشش بیولوژیک و همراه با اقدامات مهندسی و مکانیکی می تواند بخش عمده‌ای از فرسایش را کاهش دهد به نحوی‌که عملیات مدیریتی، تقویت پوشش گیاهی و عملیات مهندسی در اندازه‌ی کوچک می‌تواند فرسایش خاک را به صفر رساند.

۷) رسانه‌ها می توانند به‌عنوان آگاهی دهنده به عموم مردم نقش مهمی داشته باشند

۸) از ارزنده ترین اقدامات مبارزه با فرسایش خاک تدوین قانون جامع خاک در کشور است.

● ژنز، رده‌بندی و ارزیابی خاک

خاک محیطی طبیعی برای نگه داری ریشه و تامین رشد گیاه و شامل بخشی از پوسته زمین با ترکیبات معدنی و آلی تجزیه شده است که در اثر عوامل مختلفی همانند پستی و بلندی، اقلیم، زمان، مواد مادری و موجودات زنده به صورت لایه‌هایی قرار گرفته‌اند.

پیدایی خاک علمی‌ست که در مورد چگونگی تشکیل و تکامل خاک از مواد مادری و رسوبات بحث کرده و رده بندی خاک بیشتر درپی طبقه‌بندی کردن اطلاعات بدست آمده از مطالعات خاک است و خاک‌های گوناگون را به‌منظور ایجاد نظم، سازمان دهی کردن اطلاعات و انتقال تکنولوژی درگروه‌های گوناگون قرار می‌دهد. در ابتدا خاک را به‌منظور پیشبرد اهداف مالیاتی همانند خاک‌های پرتولید و کم تولید طبقه‌بندی کرده و در دوره‌های بعد ویژگی‌های دیگری از جمله نوع مواد مادری موردنظر قرار گرفت تا جایی‌که امروزه برای طبقه‌بندی خاک از ویژگی‌های خود خاک از جمله مورفولوژی(خصوصیات ظاهری) و ژنز استفاده می‌کنند.

ارزیابی اراضی، بررسی درجه و ارزش اراضی دارای اهمیت بسیاری می‌باشد به‌نحوی‌که بدون ارزیابی اراضی بهره‌گیری از خاک‌ها باعث تخریب اراضی و فرسایش خاک و یا هدر رفتن خاک با پتانسیل تولید بالا می شود؛ امروزه از روش‌های گوناگونی برای ارزیابی اراضی استفاده می‌شود که در این‌باره می‌توان به روش‌های سنجش از راه دور، GIS اشاره کرد که متاسفانه در کشورما استفاده‌ی زیادی از این روش‌ها نمی شود و متاسفانه هنوز نقشه‌های مدون خاک تهیه نشده و از اراضی بدون توجه به پتانسیل آنها استفاده می‌شود.

در حال حاضر تغییر کاربری اراضی بدون توجه به ویژگی‌های اراضی باعث ایجاد مشکلات متعددی از جمله مشکلات زیست محیطی می‌شود، برای نمونه تبدیل اراضی زراعی به مناطق مسکونی و کاهش سطح سبز باعث افزایش دی اکسید کربن هوا شده که این امر باعث آلودگی محیط زیست و گرم شدن کره زمین می‌شود.

بنابراین باید تدبیری درجهت تدوین قوانین به منظور جلوگیری از تخریب اراضی باغی و زراعی و تخریب جنگل‌ها اندیشید.

مهندس مجتبی مهربانیان ـ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی خاکشناسی دانشگاه تهران ـ خبرنگارمهندسی کشاورزی سرویس مسائل راهبردی خبرگزاری دانشجویان ایران