پی اچ (pH) خاک و عوامل کنترل کننده آن
آب و هوا اثر قابل توجهی بر خصوصیات خاک دارد. بارندگی و درجه حرارت، شدت آبشویی و هوادیدگی کانی ها را کنترل میکنند و بنابراین تأثیر عمدهای بر ویژگی های شیمیایی خاک ها به ویژه اسیدیته، قلیائیت و شوری دارند. پیامد آبشویی خاک ها ایجاد اسیدیته خاک است، در حالیکه قلیائیت بیشتر در مناطق خشک به وجود می آید. در یک منطقه، شدت اسیدی شدن خاک بستگی به ورود اسیدیته از طریق پوشش گیاهی، زیتوده میکروبی، اتمسفر و قابلیت انحلال کانی های اولیه در برابر باران های اسیدی دارد. از سوی دیگر، ایجاد قلیائیت در خاک به مواد مادری، پوشش گیاهی و هیدرولوژی منطقه بستگی دارد.
آهک دادن به خاک، روند طبیعی اسیدی شدن خاک را تغییر میدهد، درحالیکه کشت درختان سوزنی برگ، ممکن است شدت اسیدی شدن را افزایش دهد. آبیاری خاک ها در مناطق خشک اگر با دقت صورت گیرد، روند قلیائی شدن خاک را کاهش می دهد، اما تجربه نشان داده است که اغلب این اتفاق رخ نمی دهد. در مقیاس وسیعتر، آلودگی اتمسفری، اسیدیته ورودی را افزایش میدهد و گازهای گلخانهای نیز به دلیل تغییر آب و هوا، بر اسیدی شدن خاک تأثیر دارند. بنابراین، نحوه مدیریت خاک ها توسط انسان تعادل این عوامل را تغییر می دهد.
پی اچ خاک
پی اچ خاک، یکی از مهمترین ویژگیهای خاک و یک متغیر اصلی محسوب میشود. در بین پارامترهای قابـل اندازه‌گیری در تعیین خصوصیات خاک، بدون شک پی اچ یکـی از متـداولترین آنهاست. با توجه به سادگی و سرعت اندازه گیری، اندازه گیری پی اچ یکی از آزمون های رایج آزمایشگاه های خاکشناسی بوده و آگاهی از آن نیازمند شناخت فرآیندهای شیمیایی مهم مانند تحرک یونی، تعادلات رسوب و انحلال، سینتیک رسوب و انحلال، تعادلات اکسیداسیون و احیاء و همچنین قابلیت دسترسی عناصر غذایی برای گیاهان و پاسخ منفی بسیاری از گونه های گیاهی به اسیدیته خاک می باشد.
خاک ها مخلوط پیچیده‌ای از ترکیبات فاز جامد، مایع و گازها هستند و پی اچ خاک، حاصل برهمکنش این فازها با یکدیگر میباشد. همچنین این ترکیبات، خاک ها را در مقابل تغییرات پی اچ ناشی از ورود اسیدها و بازها که به طور طبیعی یا در اثر فعالیت های انسانی صورت میگیرد، تامپون میکنند. اطلاع از واکنش های تامپونکننده پی اچ برای شناخت هوادیدگی طبیعی خاک و واکنش خاک به ورود آهک، کودهای نیتروژنی اسیدزا، زباله های معدنی اسیدی و باران اسیدی، ضروری است.
تعیین پی اچ خاک
پی اچ مقیاسی است که برای سنجش میزان اسیدیته و یا قلیائیت محیط به کار میرود. در این مقیاس، از غلظت H+ در آب خالص در Cº24، به عنوان مرجع استفاده میشود. این غلظت، صفر نیست زیرا آب، کمی تمایل به یونیزه شدن دارد. هنگامیکه دما Cº24 باشد و هیچ ماده دیگری در آب حل نشده باشد، در هر لیتر از آب، 7-10× 0/1 مـول از یـونهای H+ و تـعداد برابری از یـونهای OH- که وزنـی برابر با 7-10 × 0/17 گرم در لیتر دارند، وجود دارد. در آب خالص، از هر یک میلیارد مولکول، فقط 8/1 مولکول یونیزه می شود، اما یونهای H+ و OH- تولید شده، از نظر شیمیایی فعال و بسیـار مهم مـی باشند. هنگامیکه یونهای دیـگر نیز وجود داشته بـاشند، معمولاً تعداد یونهای H+ و OH- برابر نمیماند. آنچه که ثابت است، حاصل ضرب غلظت یونهای H+ و OH- می باشد.
از آنجا که پی اچ اصطلاحی است که تنها برای محلول تعریف میشود، نمیتوان آن را برای یک ماده جامد مانند خاک به کار برد. اما ویژگی های شیمیایی ترکیبات فاز جامد خاک بر پی اچ محلول خاک اثر می گذارند. اصطلاح پی اچ یک شیوه مناسب برای نشــان دادن غلظت های H+ یا OH- در محلول های آبی را فراهم می نماید. بنابر تعریف رایج، پی اچ، لگاریتم منفی در پایه 10 فعالیت H+ است که برابر با (H+)-log بوده و در آن، (H+) فعالیت یون های هیدروژن در محلـول است. در محلـولهای رقیق، فعالیت تقریباً برابر با غلظت هیدروژن [H+] بر حسب مـول در لیتر می باشد.
استفاده از اعدادی مانند 0000001/0 و 7-10×0/1 دشوار است. مقیاس پی اچ، به وسیله یک لگاریتم منفی، این اعداد را سـاده مـیکند. به طـوریکه با این روش، در حالت خنثی توان 7- به پی اچ 7 تبـدیل میشود. لگاریتم 0/1، برابر صفر است، بنابراین پی اچ 0/7، معادل 0000001/0 یا 7-10×0/1 مول در لیتر H+ است. در تمام خاک ها به استثنای خاک های شور، برهمکنش یونی و اختلاف بین غلظت H+ و فعالیت آن کوچک میباشد. در محلولهای اسیدی، پی اچ کمتر از 7 و در محلولهای قلیائی، پی اچ بالاتر از 7 میباشد.
یادآوری این نکته لازم است زمانیکه واژه خنثی در مورد خاک ها به کار برده میشود، کمی معنای متفاوتی دارد و محدوده پی اچ در خاک های خنثی در حدود 7-5/6 می باشد. اندازه گیری پی اچ خاک معمولاً در سوسپانسیونی از خاک و آب صورت میگیرد و عدد به دست آمده عمدتاً به محلول خاک نسبت داده می شود.
از دیدگاه کشاورزی، پیاچ شاخصی از وضعیت حاصلخیزی خاک است. این پارامتر اطلاعاتی را در مورد تخریب خاک، حضور نمک های سمی مضر، فعالیت میکروبی و همچنین میزان استفاده گیاهان از عناصر، فراهم می کند. بهترین دامنه انحلال پذیری املاح در محدوده پی اچ 5/5 تا 5/6 قرار دارد. زیرا در پی اچ کمتر از 5/5، غلظت عناصر خاصی مانند آلومینیوم و منگنز به حد سمی رسیده و عناصری مانند فسفر به شکل غیر قابل جذب تبدیل میشوند.
در پی اچ های بالاتر از 5/6، سایر عناصر مانند عناصر کم مصرف برای گیاهان غیر قابل استفاده می شوند. همچنین اطلاع از پی اچ خاک، به انتخاب نوع گیاه مناسب برای کشت به عنوان مثال، گیاهان اسیددوست مانند قهوه و چای کمک میکند. در نهایت، پی اچ اطلاعات مفیدی را در مورد انتخاب صحیح عملیات اصلاحی در اختیار قرار می دهد. انتخاب نوع کود با توجه به وضعیت پی اچ خاک، مانند کودهای اسیدزا (نمکهای آمونیومی) و کودهای به وجود آورنده شرایط خنثی و یا قلیائی در خاک (آمونیاک)، باعث بهبود و حاصلخیزی خاک می گردد.
عوامل کنترل کننده پی اچ خاک
تغییرات پی اچ خاک که ناشی از ورود اسیـدها و بازها به خاک است تحت تأثیر واکنـش های ترکیبات فاز جامد با محلول خاک می باشد. ترکیبات فاز جامد نسبت به اسیدها و بازهای محلول خاک، ظرفیت بالاتری برای پذیرش یا دادن پروتون دارند. پی اچ خاک با استفاده از واکنش های تامپونی خاک شامل جذب و دفع پروتون توسط مواد آلی و معدنی و همچنین تبادل یونی، انحلال و رسوب میباشند. برخی از ترکیبات خاک، توانایی حفظ پیاچ در دامنه وسیعی را دارا می باشند، در حالیکه برخی دیگر دامنه محدودی از پی اچ خاک را کنترل می کنند
1- ماده آلی
ماده آلی خاک ترکیب بسیار مهمی در کنترل پی اچ خاک های سطحی و حتی خاک های مناطق مرتفع که معمولاً ماده آلی کمی دارند، میباشد. همانند ترکیبات آلی محلول، ماده آلی فاز جامد نیز دارای گروه های کربوکسیلی و فنولی است که میتوانند پروتون آزاد کنند. بیشتر اسیدیته ماده آلی مربوط به ترکیبات هومیکی شامل اسید هومیک و اسید فولویک است. این اسیدها با یون آلومینیوم پیوند تشکیل داده و بر چگونگی گرفتن و دادن پروتون ماده آلی تأثیر میگذارند. براساس آنالیز شیمیایی اسیدهای هومیک و فولویک عصارهگیری شده از ماده آلی میتوان گفت که اسیدهای آلی مختلف دارای گروه های کربوکسیلی و فنولی هستند. تصور می شود که بیشتر اسیدیته از گروه های کربوکسیلی و هیدروکسیلی پیوند یافته با حلقه های آروماتیک ناشی شود.
ماده آلی خاک، بیش از حدی که برای یک مخلوط ساده از اسید بنزوئیک و فنول مورد انتظار است، پی اچ خاک را در دامنه وسیعی کنترل میکند. این وسعت تامپون شدن به دلیل ساختارهای حلـقوی آروماتیـک است که دارای چندیـن گروه –COOH و OH فنولی هستند. همچنین با یونیزه شدن اسیدها، بار منفی در ساختارهای درشت مولکولی تجمع میابد و موجب کاهش توانایی دادن پروتون در اسیدهای هومیک و فولویک میگردد. بارهای منفی تولید شده در اثر یونیزاسیون اسیدهای ضعیف در ساختار اسید هومیک و اسید فولویک، با کاتیون های قابل تبادل تشکیل پیوند می دهند. ماده آلی سهم عمدهای در ایجاد بارهای متغیر در خاک دارد.
در ماده آلی اشباع با هیدروژن، افزایش پی اچ با اضافه کردن باز، باعث افزایش بار سطحی ماده آلی و اشباع آن با کاتیون بازی اضافه شده می گردد. به استثنای شرایط بسیار اسیدی، پی اچ خاک با میزان اشباع ظرفیت تبادل کاتیـونی از کاتیـون های بازی شامـل کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم همبستگی دارد. اشباع بازی، به نسبت مجموع کاتیون های بازی قابل تبادل به ظرفیت تبادل کاتیونی که در پی اچ مرجع 7 یا 8 تعیین شده باشد، گفته می شـود.
فراوانترین کاتیون بازی در اغلب خاک ها کلسیم است. در پی اچ کمتر از 5، تبادل پروتون با یون آلومینیوم در تامپون کردن پیاچ اهمیت دارد و با کاهش پی اچ به زیر 5/4، هیدرولیز آلومینیوم اهمیت پیدا کرده و فرآیند تبادل میتواند مقادیر قابل توجهی یون آلومینیوم را وارد محلول خاک نماید. ماده آلی در اغلب خاک های سطحی، قسمت اعظم ظرفیت تامپونی را تأمین می نماید. به استثنای کربنات کلسیم، ظرفیت تامپونی ماده آلی، برابر یا بیشتر از سایر ترکیبات خاک است
2- کانی های رسی و اکسیدها
کانی های رسی مانند کائولینیت و مونت موریلــونیت پی اچ خاک را تحت تاثیر قرار میدهند میکنند. جدا شدن یون هیدروژن از لبه‌های شکسته کانی های رسی و سطوح اکسیدهای آهن و آلومینیوم در تامپون کردن پی اچ خاک ها نقش دارد. خاک های دارای مقادیر بالای رس یا ماده آلی، ظرفیت تامپونی بیشتری نسبت به خاک های شنی و یا خاک های با مواد آلی کم دارند. ظرفیت تامپونی با کانی های رسی، اکسیدهای آهن و آلومینیوم و ماده آلی ارتباط دارد. واکنش‌های تبادل یونی در مکان های بار دائمی سیلیکات های رسی، در تامپون کردن پی اچ حائز اهمیت هستند.
تامپون شدن پی اچ توسط مکان های بار دائمی شامل تبادل یون هیدرونیوم است، اما تبادل آلومینیوم اهمیت بیشتری دارد. رس های آلومینیومی به دلیل توانایی آلومینیوم در هیدرولیز و رسوب به شکل Al(OH)3، دهنده پروتون هستند. عصاره گیری خاک های اسیدی با محلول های نمک خنثی مانند کلرید پتاسیم 1 مول در لیتر، غالباً به جای هیدروژن، آلومینیوم را استخراج میکند.
به دلیل تفاوت در ظرفیت تبادل کاتیونی رس های سیلیکاتی، ظرفیت آنها برای تامپون کردن پی اچ، کاملاً متفاوت است. کائولینیت به عنوان یک رس دارای فعالیت پایین، بارهای دائمی بسیار اندکی دارد و یا فاقد بار دائمی است و از این رو، ظرفیت تامپون کردن پی اچ آن پایین است. در حالی که ایلیت و اسمکتیت، ظرفیت تبادل کاتیونی و در نتیجه ظرفیت تامپون کردن بیشتری دارند. در بین رس های سیلیکاتی، تنها ظرفیت تامپونی ورمیکولیت هایی که بار دائمی بالایی دارند، به اندازه ماده آلی خاک است.
3- اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن و آلومینیوم
این کانی ها که در اثر هوادیدگی در خاک ها تجمع پیدا میکنند، در تامپون کردن پی اچ خاکها به ویژه خاک های به شدت هوادیده دارای اهمیت هستند. بر خلاف ماده آلی، این ترکیبات دارای سطوحی هستند که هم، دهنده و هم، پذیرنده پروتون می باشند. کانی های رایج آهن در خاک ها عبارتند از هماتیت، گئوتیت و فری هیدرات. رایجترین کانی آلومینیوم در خاک ها گیبسیت است. در حضور آب، سطوح هیدراته این اکسیدها و اکسی هیدروکسیدها حاوی گروه‌های OH- با پیوند قوی هستند که به عنوان دهنده و گیرنده پروتون عمل میکنند.
4- بار متغیر در لبه های کانی های رسی
ساختار لایه ای رس های سیلیکاتی شـــامل یک لایه AlOH با گروه هــای OH- بر روی لبه هاست. این گروه های AlOH، می توانند پروتون را جذب یا دفع کنند، اما نقطه با بار صفر آنها به دلیل تأثیر حضور یون های سیلیسیم در ساختار لایه ای رس ها، کمتر از گیبسیت می باشد. میزان بار لب های وابسته به پی اچ در رس های دارای بار زیاد مانند اسمکتیت ها و ورمیکولیت ها، در مقایسه با بارهای دائمی ناچیز می باشد.
5- پلیمرهای آهن و آلومینیوم
یون های آلومینیوم که از مکان های تبادل کاتیونی جدا می شوند، به صورت هیدرولیز یا کمپلکس های هیدروکسی آلومینیوم در می آیند. در صورت عدم حضور یون OH- برای خنثی نمودن H+، هیدرولیز یون آلومینیوم موجب آزاد شدن یون H+ و در نتیجه کاهش پی اچ می شود. مراحل متوالی هیدرولیز در پی اچ بالاتر رخ میدهد. پلیمرهای آلومینیوم بار مثبت بالایی دارند و اساساً غیر قابل تبادل هستند. ظرفیت تبادل کاتیونی خاک تحت تأثیر جذب این پلیمرهای دارای بار مثبت می باشد. در پی اچ بالا، ظرفیت تبادل کاتیونی افزایش می یابد، زیرا هیدروکسی آلومینیوم رسوب کرده و تشکیل پلیمرهای آلومینیوم دارای بار مثبت کاهش پیدا میکند. کاهش پی اچ خاک موجب افزایش تشکیـل پلیمرهای آلومینیوم دارای بار مثبت میشود که با جذب بر روی سطوح رس ها، ظرفیت تبادل کاتیونی را کاهش میدهند.
بنابراین، مادامی که بیشتر آلومینیوم خاک وارد واکنش نشده است، هیدرولیز آهن اثر ناچیزی بر پی اچ خاک دارد. پلیمرهای آهن و آلومینیوم به صورت کلوئیدهای بیشکل و بلورین، سطوح رسها و سایر کانی ها را پوشش میدهند. همچنین این پلیمرها بین شبکه های کانی های منبسط شونده قرار گرفته و از بسته شدن این شبکه ها در اثر از دست رفتن آب در طی دوره خشکی، جلوگیری می نمایند.
6- نمک های محلول
نمک های اسیدی، خنثی و بازی در محلول خاک از هوادیدگی کانی ها، تجزیه مواد آلی یا از کودهای شیمیایی و آلی ناشی می شوند. کاتیون های این نمک ها میتوانند آلومینیوم جذب شده در خاک های اسیدی را جایگزین کنند و بنابراین پی اچ محلول خاک را کاهش دهند. کاتیون های دو ظرفیتی نسبت به یک ظرفیتی، اثر بیشتری بر کاهش پی اچ خاک دارند.
7- دی اکسید کربن
پی اچ خاک های آهکی تحت تأثیر فشار جزئی CO2 در اتمسفر خاک قرار دارد. پی اچ یک خاک حاوی کربنات کلسیم آزاد در تعادل با CO2 اتمسفر 4/8 است، اما افزایش CO2 در هوای خاک موجب کاهش پی اچ به 5/7-3/7 میگردد. تجزیه بقایای آلی و تنفس ریشه گیاهان، CO2 را در هوای خاک افزایش می دهد که در ترکیب با آب، تولید H+ نمــوده و پی اچ را کاهش میدهد.
اسیدی شدن خاک ها در اثر حضور اسید کربنیک و اسیدهای آلی محلول در شرایط زهکشی مناسب و بارندگی کافی، بسیار به کندی صورت میگیرد. آزاد کردن پروتون توسط اسید کربنیک در پی اچ های بالاتر از 6، تولید یون بیکربنات می کند. با کاهش پی اچ، اسیـد کربنیک دیـگر یک دهنده پـروتون مؤثر محسوب نمـیشــود و اسیدهای آلی محلول با مقادیر کمتر pKa، دهندگان اصلی پروتون خواهند بود. این یک فرآیند کند است که به خوبی توسط انحلال کربنات کلسیم در خاک های آهکی و به میزان کمتر در خاک های غیر‌آهکی از طریق هوادیدگی کانی های سیلیکاتی اولیه تامپون میشود.
8- انحلال و رسوب کربنات ها
کربنات ها در زیستکره زمین به وفور یافت می شوند و شامل گروهی از کانی ها با بیش از 130 گونه هستند و عمدتاً از کانی های حاوی کاتیون های مختلف تشکیل شده اند. بسیاری از کانی های کربناته دارای گونه های حد واسط با دو یا سه فلز هستند که جانشین فلز اصلی شده اند. کربنات ها از طریق فرآیند رسوبگذاری در محیط های دریایی یا دریاچه ای تهنشین شده و حلالیت متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. منشأ کربنات ها میتواند مواد آلی ناشی از موجودات زنده و یا تخریب سنگ های آهکی در اثر فرسایش باشد. کربنات سدیم با حلالیت بسیار بالا، خیلی سریع از خاک خارج میشود. اما در شرایط خشک، تجمع پیدا کرده و موجب تشکیل خاک های سدیمی میشود.
تجمع و رسوب کربنات کلسیم را مـی توان در مجاورت ریشه گیاهان و حتی درون ریشه ها در شرایط آب و هوایی نه چندان مرطوب مشاهده کرد. با کاهش اندازه کربنات کلسیم، سطح واکنش پذیری آن افزایش می یابد. کربنات کلسیم، با فاز آلی ترکیب شده و فرآیندهای تجزیه و تخریب را تغییر می دهد.
کربنات ها اهمیت بسیار زیادی در کنترل کردن پی اچ خاک های غیراسیدی دارند. کربنات کلسیم و دولومیت، رایجترین ترکیبات مواد مادری در اغلب خاک ها هستند. این کانی ها تحت شرایـط بارندگی و زهکشی مناسب در خاک هوادیده مـیشوند. کربنات کلسیم در مناطق خشک و نیز مناطق مرطوب دارای زهکشی ضعیف، تجمع پیدا میکند. تحت برخی شرایط در مناطق خشک و نیمه خشک، اشکال مختلف هیدراته کربنات منیزیم تجمع پیدا میکنند. دی اکسید کربن تولید شده در خاک ها توسط تنفس ریشه گیاهان و میکروب ها، موجب انحلال کربنات کلسیم و تولید بیکربنات کلسیم محلول میشود. دامنه تامپون شدن پی اچ در خاک های در تعادل با کربنات کلسیم بسیار گسترده است. غلظت بیکربنات در خاک ها معمولاً دو برابر غلظت یون کلسیم نیست.
هنگامی که شیمی خاک عمدتاً تحت تأثیر نمک های کلسیم قرار داشته باشد، غلظت یون کلســیم بیشتر از بیکربنات و پیاچ حتی در فشار دی اکسید کربن هوا، کمتر از 3/8 خواهد شد. بنابراین، در خاکهای آهکی حاوی گچ که غلظت کلسیم به دلیل حلالیت گچ افزایش می یابد، پی اچ به 7 کاهش پیدا میکند. ورود منیزیم، سدیم و بیکربنات به برخی از خاک های مناطق خشک موجب کاهش غلظت کلسیم تا نصف غلظت بیکربنات شده و پی اچ خاک های آهکی میتواند تا 5/9 افزایش یابد. تجمع منیزیم در برخی نواحی دارای زهکشی ضعیف و مناطق نیمه خشک، موجب تشکیل کربنات های هیدراته منیزیم میشود. کربنات منیزیم حلالیـت بیشتری نسبت به کربـنات کلسیم دارد و پی اچ این خاک ها بالاتـر از خاک هایی است که توسط کربنات کلسیم تامپون میشوند.
خاک های آهکی به شدت در مقابل اسیدی شدن مقاومت میکنند. یک کیلوگرم آهک در خاک میتواند 20 مول هیدروژن را خنثی نماید و تا زمان انحلال کامل کربنات کلسیم، پی اچ را بالاتر از 7 نگه دارد. بنابراین، کربنات کلسیم بیشتر از ماده آلی یا هر نوع ترکیب دیگر در خاک، توانایی تامپون کردن پی اچ را دارد. به دلیل ظرفیت تامپونی بالای کربنات کلسیم، خاک های آهکی تحت تأثیر بارانهای اسیدی قرار نمیگیرند و کاهش پی اچ آنها به طور مصنوعی به منظور کاشت گیاهان اسیددوست، ناممکن است.
