نکته ها از فيزیک خاک
مقدمه :
فيزیک خاک یکی از شاخه های علم خاکشناسی است و وظيفه پيش بينی، اندازه گيری و کنترل فرایند های
فيزیکی که در خاک رخ می دهد را بر عهده دارد. فيزیک خاک از دو کلمه فيزیک و خاک تشکيل شده است. برای تعریف
علم فيزیک خاک بهتر است ابتدا واژه فيزیک و سپس خاک و در نهایت فيزیک خاک تعریف شود. هدف علم فيزیک جستجو
و کنکاش در ماهيت و شکل ماده و انرژی و نحوه نقل و انتقال این دو در سيستم های طبيعی و غير طبيعی است. از
دیدگاه علم کشاورزی، خاک محيط متخلخلی است که از مواد معدنی و آلی، آب، هوا و موجودات ریز و درشت تشکيل
شده و بستر مناسبی را برای رشد ریشه گياه فراهم نموده است. بنابراین علم فيزیک خاک به مطالعه نوع و چگونگی
کنار هم قرار گرفتن مواد تشکيل دهنده خاک، حرکت و برهم کنش این مواد با هم و با عوامل دیگر مانند آب، هوا و گرما
می پردازد. بنابراین متخصصان فيزیک خاک یا باید کارشناسان خاکشناسی باشند که به علم فيزیک آشنائی داشته
باشند و یا فيزیکدان هائی باشند که از خاکشناسی سر رشته داشته باشند. هر چند پيشگامان فيزیک خاک عمدتا
متخصصان فيزیک بودند و نه خاکشناسها، ولی به دلایل کاربرد زیاد فيزیک خاک در کشاورزی امروزه اکثر متخصصان فيزیک
خاک را خاکشناسها تشکيل می دهند.
اهداف کاربردی فيزیک خاک در کشاورزی بسيار زیاد است که از آن جمله می توان به مدیریت صحيح خاک در
زمينه های آبياری، زهکشی، حفاظت آب و خاک، شخم و انواع خاکورزی، تنظيم دمای خاک و عکس العمل خاک نسبت
است و به (Applied) و هم یک علم کاربردی (Basic) به تنش های مکانيکی اشاره کرد. فيزیک خاک هم یک علم پایه
دليل گستره وسيع، در تداخل با علوم دیگری مانند زمين شناسی، هيدرولوژی، اکولوژی، اگرونومی، اقليم شناسی،
مهندسی و ریاضيات نيز می باشد. به دليل ترکيب ناهمگون خاک مطالعه فيزیکی خاک بمراتب مشکل تر از اجسام صلب
و یکنواخت می باشد. زیرا خاک به سختی می تواند مانند یک جسم صلب در حالت تعادل قرار گيرد. خاک بطور مرتب گرم
و سرد می شود، متراکم و متورم شده و یا ترک می خورد، گازها را جذب می کند، یون های مختلف را بخود گرفته یا آزاد
می کند، نمکها را حل یا رسوب می دهد، اسيدی و قليائی می شود و یا با ایجاد شرایط هوازی و بی هوازی فرایندهای
اکسيداسيون و کاهش در آن صورت می گيرد. مجموعه این شرایط همراه با حالت پویائی ریشه ها در داخل خاک باعث
می شود که وضعيت خاک طی زمان متغير بوده و نتوان شرایط متعادلی برای آن متصور شد. شرایط غير ماندگار و غير
یکنواخت خاک یکی از مشکلات اساسی در مطالعات فيزیکی آن می باشد.
به لحاظ اینکه برخی جنبه های فيزیک خاک از نظر مطالعه، وضعيت قطعی و برخی جنبه های آن وضعيت
احتمالاتی و غير قطعی دارد تعيين دقيق حالات فيزیکی خاک امکان پذیر نمی باشد، لذا در مطالعات فيزیک خاک بالاجبار
باید به روش های ساده سازی و بررسی عواملی که بيشترین تاثير را دارند متوسل شویم. در بسياری از مطالعات
فيزیکی خاک فرض می شود که خاک جسمی یکنواخت و ایزوتروپ (همروند) می باشد حال آنکه عملا هيچ کدام از این
فرضيات در مورد خاکها صادق نمی باشد. بنابراین هيچ مدل مطالعاتی خاک گویای واقعيت نخواهد بود و درجه اعتبار هر
مدل بسته به نوع و تعداد فرضياتی است که برای ساده سازی در آن بعمل آمده است. با این وجود مدل های مطالعات
فيزیکی خاک توانسته اند در بسياری از موارد عملی به نتایج قابل قبول برسند و امروزه مدل سازی و کاربرد مدل ها در
مطالعات خاک نقش بسيار اساسی دارند.
در ادامه ما قصد داریم مطالبی جامع را پيرامون مباحث فيزیکی در خاک ارایه کنيم
۞ نکته ١ : درصد وزنی ذرات تشکيل دهنده خاک را بافت خاک می گویند. بافت خاک یکی از مشخصات پایای
خاک است و معمولا تغيير پذیر نيست.
۞ نکته ٢ : انواع بافت های خاک عبارتند از :
خاک های که حداقل 85 درصد شن داشته و مجموع ذرات سيلت و 1.5 برابر ذرات رس از 15 درصد : Sand (١
کمتر است.

70 درصد بوده و مقدار ذرات سيلت و 1.5 برابر ذرات رس - خاکهای که مقدار شن آن 90 : Loamy Sand (٢
از 15 درصد کمتر و از 30 درصد بيشتر نيست.
خاکهای که مقدار رس آن کمتر از 20 درصد بوده و یا مجموع درصد سيلت و دو برابر درصد : Sandy Loam (٣
43 درصد، مقدار رس آن کمتر از 7 درصد و سيلت - رس از 30 درصد تجاوز می کند. و یا خاکهای که مقدار شن آنها 52
کمتر از 50 درصد است.
28 رصد و شن آن کمتر از 52 درصد است. - 7 درصد وسيلت آن 50 - خاکی که مقدار رس آن بين 27 : Loam (۴
12 درصد بوده و یا مقدار ذرات - خاکی که مقدار سيلت آن بيش از 50 درصد و رس آن بين 27 : Silt Loam (۵
50 درصد و مقدار رس آن کمتر از 12 درصد باشد. - سيلت بين 80
خاکی که مقدار سيلت آن کمتر از 80 درصد و مقدار رس آن کمتر از 12 درصد است. : Silt (۶
خاک های که محتوی 20 تا 35 درصد رس بوده و مقدار سيلت آن از 28 درصد کمتر و : Sandy Clay Loam (٧
مقدار شن آن از 45 درصد بيشتر باشد.
27 درصد و مقدار رس از 20 تا 45 درصد نوسان می - خاک هایی که در آن مقدار رس بين 40 : Clay Loam (٨
کند.
خاک هایی که در آن مقدار رس بين 27 تا 40 درصد بوده و مقدار شن از 20 درصد کمتر : Silty Clay Loam (٩
است.
خاک هایی که در آن مقادیر رس و شن به ترتيب از 35 و 45 درصد بيشتر است. : Sandy Clay (١٠
خاک هایی که در آن مقادیر هر یک از ذرات رس و سيلت از 40 درصد تجاوز می کند. : Silty Clay (١١
خاک هایی که در آن مقدار رس از 40 درصد بيشتر بوده و مقادیر شن و سيلت به ترتيب از 45 درصد : Clay (١٢
و 40 درصد کمتر است.
۞ نکته ٣ : تغييرات بافت خاک در مرز بين کلاس ها ناگهانی نبوده، بلکه این تغييرات تدریجی است.
Silty ،Clay Loam ،Silty Clay Loam ،Clay ) ۞ نکته ۴: تعداد دفعات آبياری و یا تناوب آن در خاکهای رسی
کمترین و در خاک های شنی، بيشترین است. از نظر زهکشی نيز هر قدر رس خاک بيشتر باشد ،(Sandy Clay و Clay
کارایی زهكش های زیر زمينی کمتر است.
۞ نکته ۵ : رطوبت خاک های رسی ( خاک های که بيش از 28 درصد رس دارند ) در حد خميرایی کمتر از
رطوبت ظرفيت نگهداری است و برای شخم زدن ، لازم است که رطوبت تا حد خميرایی کاهش یابد.

۞ نکته ۶ : تاثير کلی ذرات اجزای خاک بر بعضی از خصوصيات و رفتار خاک ها





۞ نکته ٧ : در خاک های مناطق گرم و خشک که نيمرخ خاک فقط از یک لایه یا یک افق تشکيل شده است،

بافت خاک معمولا یکنواخت تر است.
۞ نکته ٨ : روش های تعيين بافت خاک :
جهت تعيين بافت خاک سه روش کلی وجود دارد
١) روش لمسی ٢) روش هيدرومتر ٣) روش پيپت
١) تعيين بافت خاک به روش لمسی :
در روش فوق برای تعيين بافت خاک، چون با دست و لمس کردن خاکها با دو انگشت (شست و سبابه) صورت
می گيرد به اصطلاح روش لمسی می گویند. در این روش از خاک، گل یا خميری که به حداکثر چسبندگی رسيده باشد
تهيه کرده و آنرا بين دو انگشت دست قرار داده و خصوصياتی نظير زبری، نرمی، وجود ذرات شن، حالت چسبندگی یا
لوله شدن، تشکيل نوار و شکل پذیری و ... را مورد بررسی قرار می دهند. به طور مثال اگر طول نوار تهيه شده از خاک
ناميده می شود و اگر طول نوار تهيه شده بين یک تا دو اینچ باشد بافت Loam مربوطه، کمتر از یک اینچ باشد بافت خاک
است. ( ۞ نکته : بافت Clay می باشد و اگر طول نوار تهيه شده بين ٢ تا ٣ اینچ باشد بافت خاک Clay Loam خاک
تشکيل نوار نمی دهند) Silt و Loamy Sand ،Sand های
در جدول زیر معيار تعيين بافت خاک (به روش لمسی) برای شش کلاس بافتی ارایه شده است.


٢) تعيين بافت خاک به روش هيدرومتر :
استوار (Stocks Low) مبنای تعيين بافت خاک در روش هيدرومتری و همينطور روش پيپت بر قانون استوکز
است. لذا لازم است ابتدا دید جامعی نسبت به قانون استوکز پيدا کنيم.
قانون استوکز : ×
شرح کامل قانون استوکز به ما می گوید که سرعت یک ذره در حال ته نشينی در داخل یک سيال به طور
و توان دوم شعاع ذره می باشد. (D1-D تفاوت بين چگالی ذرات و چگالی آب ( 2 ،(g) مستقيم در ارتباط با نيروی ثقل

سرعت ته نشينی به طور عکس در ارتباط با گرانروی یا ضخامت سيال و یا همان ویسکوزیته مایع
توصيفات قانون استوکز را می توان به صورت زیر نوشت
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟
در این فرمول :
سرعت ته نشينی ذره بر حسب سانتی متر بر ثانيه : V
شتاب گرانش، که معادل 980 سانتی متر بر مجذور ثانيه در نظر گرفته می شود : g
شعاع ذره ای که در مایع ته نشين می شود بر حسب سانتی متر : r
وزن مخصوص حقيقی خاک، که 2.65 گرم بر سانتی متر مکعب در نظر گرفته می شود : D1
چگالی آب، که برابر یک گرم بر سانتی متر مکعب است : D2
0.01 ) در نظر گرفته می شود g/cm.sec) ویسکوزیته مایع که برای آب معادل 0.01 پواز : η
در نهایت با قرار دادن مقادیر بالا در فرمول، معادله استوکز به صورت زیر خلاصه می شود.
V= 34700 r 2 Cm/Sec
برای اثبات قانون استوکز می بایست فرضيات زیر را در نظر گرفت، که عبارتند از :
١) ذرات باید کروی، سخت و جامد فرض شوند
٢) اندازه ذرات نسبت به اندازه مولکول های مایع بایستی بزرگ باشد تا بتوان محيط را یک محيط همگن تلقی
کرد. به عبارت دیگر، ذرات نباید از خود حرکت براونی نشان دهند. این پدیده عمدتا در ذرات کوچکتر از 0.0002 ميلی متر
تعيين کند. Coarse Clay تا Very Fine Sand اتفاق می افتد. لذا معادله استوکز می تواند فراوانی ذرات را از
٣) سقوط ذرات بایستی آزاد باشد. اگر غلظت ذرات در حدود ٣ تا ۵ درصد باشد درنتيجه قطر استوانه محتوی
مایع اقلا بایستی ده برابر قطر بزرگترین ذره خاک باشد تا امکان سقوط آزاد فراهم گردد.
۴) ذرات خاک بایستی وزن مخصوص یکسانی داشته باشند.
۵) ظرف محتوی مایع و ذرات معلق در آن، باید در حال سکون باشد. و جریان مایع غير متلاطم باشد (ذرات بزرگتر
از 0.4 ميلی متر موجب تلاطم در محيط گردیده و قانون استوکز را غير قابل استفاده می سازد)
و اما تعيين بافت خاک به روش هيدرومتری :
هيدرومتر یا چگالی سنج وسيله ای است که توسط آن می توان غلظت ذرات موجود در مایعات را تعيين نمود. و
152 برای تعيين بافت خاک استفاده می گردد. در نهایت اعدادی که توسط هيدرومتر H- در خاکشناسی از هيدرومتر 62
قرائت می شود احتياج به دو تصحيح دارد که در زیر به علت این تصحيحات بسنده می کنيم و مطالعه مراحل آزمایش را به
عهده شما می گذاریم.
الف) تصحيح حرارتی : چون هيدرومتر روی ٢٠ درجه سانتيگراد استاندارد شده و نيز با توجه به اینکه با افزایش
دما ویسکوزیته مایع کاهش یافته و هيدرومتر بيشتر در مایع فرو می رود در نتيجه غلظت ذرات معلق را کمتر از مقدار
واقعی به ما نشان می دهد. لذا اگر در زمان قرائت عدد هيدرومتر، دمای سوسپانسيون از ٢٠ درجه سانتيگراد بيشتر بود
به ازای هر درجه 0.25 به عدد هيدرومتر اضافه و اگر دما از ٢٠ درجه سانتيگراد کمتر بود به ازای هر درجه 0.25 از عدد
هيدرومتر کم می کنيم.
ب) تصحيح کالگن : برای حذف خاصيت چسبندگی رسها از نمک کالگن (هگزا متا فسفات سدیم) استفاده می
شود که این کالگن خود دارای غلظت مشخصی در سوسپانسيون است، پس سبب کمتر فرو رفتن هيدرومتر در مایع
شده و عدد هيدرومتر بيشتر از مقدار واقعی نشان داده می شود. در این حالت باید غلظت کالگن را محاسبه نموده و از
عدد هيدرومتر کسر نمایيم.
٣) تعيين بافت خاک به روش پيپت :
اساس روش پيپت نيز همانند روش هيدرومتری بر قانون استوکز استوار است. در اینجا ما قصد نداریم که روش
پيپت را توضيح دهيم و فقط به برخی از مزیت های این روش نسبت به روش هيدرومتری بسنده می کنيم.

در این روش دیگر خطای ناشی از رسوب ذرات بر روی شانه های هيدرومتر را نداریم و در کل دقت این روش از c
روش هيدرومتری بيشتر بوده و تبعا وقت گير تر نيز می باشد
در روش پيپت حجم خاک مصرفی کمتر از روش هيدرومتر است که این باعث کمتر شدن احتمال هماور شدن c
ذرات می گردد
در روش پيپت عمق نمونه برداری و اندازه گيری را می توان از قبل تعيين کرد در صورتی که در روش هيدرومتری c
عمق براساس چگالی سوسپانسيون می باشد
حداکثر عمق اندازه گيری بوسيله پيپت در سوسپانسيون های غليظ بيش از هيدرومتر است c
نهایتا با بدست آمدن درصد شن، سيلت و رس از طریق مثلث بافت خاک می توان بافت خاک مربوطه را تعيين
نمود.
۞ نکته ٩ : تعيين بافت خاک بوسيله مثلث جدید بافت خاک با همان مثلث بافت خاک شيرازی و بورسما :
در مثلث بافت خاک مشاهده می گردد که خاکها بطور کلی در ١٢ گروه قرار می گيرند که هر کدام محدوده ای را
در بر می گيرند. در واقع بی نهایت ترکيب خاک ممکن است وجود داشته باشد که همگی تحت USDA در داخل مثلث
عنوان یک نام اسم برده می شوند. مثلا خاکی با ترکيب ٣۵ تا ۵۵ درصد رس و ٠ تا ٢٠ درصد سيلت و ۴۵ تا ۶۵ درصد
این است که نمی توان به لحاظ USDA ناميده می شوند. از مشکلات دیگر مثلث Sandy Clay شن همگی بنام خاک
کلی مشخص کرد که متوسط اندازه ذرات خاک چقدر است. برای رفع این مشکل مثلث جدیدی توسط شيرازی و
ارائه شده است که با داشتن درصد شن و سيلت و رس می توان متوسط اندازه ذرات (Shirazi and Boersma) بورسما
خاک را بدست آورد. اساس بدست آوردن مثلث جدید بدین صورت است که برای تمام ۶۶ نقطه مثلث بافت
و مرز های ١٢ گانه داخل مثلث یک مختصات محاسبه شده است. که این مختصات عبارت است از ميانگين USDA خاک
هندسی اندازه ذرات و انحراف از معيار هندسی آن
حال اگر اعداد بدست آمده را در یک دستگاه مختصات نيمه لگاریتمی که محور افقی آن لگاریتمی و محور
عمودی آن ساده باشد قرار دهيم شکلی مطابق زیر بدست می آید که مثلث جدید بافت خاک نام دارد
اکنون اگر مطابق با همان روش قبلی با داشتن مقادیر درصد رس، سيلت و شن نقطه مورد نظر را در داخل این
مثلث مشخص کنيم، مختصات این نقطه روی محور های افقی و عمودی به ترتيب اندازه قطر ذرات خاک و انحراف از معيار
آن خواهد بود.
در زیر قصد داریم نکاتی را پيرامون مثلث بافت خاک جدید، با توجه به شکل بالا ارائه کنيم
به ترتيب معرف فراوانی شن، سيلت و رس می باشند و b-z و z-q ،q-b در این به اصطلاح مثلث، منحنی های
دارای بيشترین ميانگين b دارای کمترین و z نيز مترادف گروههای رس، سيلت و شن می باشند که b و q ،z زوایای
هندسی قطر می باشد.
نکته دیگر اینکه اگر اندازه ذرات در یک خاک کاملا یکنواخت باشد انحراف از معيار هندسی آن برابر یک خواهد
شد. و در سایر موارد مقدار آن بيشتر از یک خواهد شد. و هرچه انحراف معيار هندسی خاکی کمتر باشد آن خاک از
درجه یکنواختی بيشتری برخوردار است. همين جا لازم است متذکر شوم که؛ انحراف از معيار هندسی یک عدد بدون بعد
می باشد که بر حسب تعریف عبارت است از نسبت اندازه ذرات با 84.1 درصد احتمال به ميانگين اندازه ذرات که همان
اندازه ذرات با 50 درصد احتمال می باشد.
۞ نکته ١٠ : در عمليات کشاورزی تقسيم و قرار دادن ذرات خاک در سه گروه رس، سيلت و شن کفایت می
کند ولی در کارهای مهندسی لازم است تصویر بهتری از نحوه توزیع اندازه های مختلف ذرات خاک داشته باشيم. برای
اینکار اقدام به آناليز مکانيکی ذرات خاک و تهيه منحنی توزیع اندازه ذرات خاک یا همان منحنی تجمعی می شود. نهایتاً
نمودار منحنی شکلی ایجاد می گردد که بر روی محور ایکس های آن که لگاریتمی است اندازه ذرات مختلف و بر روی
محور ایگرگها، درصد این ذرات در نمونه خاک قرار داده شده است. یکی از ساده ترین برداشت های که می توان از ایننمودار کرد این است که به سهولت می توان گفت که چند درصد از ذرات خاک، قطری کمتر یا بيشتر از اندازه معينی
دارند. از محاسن دیگر منحنی تجمعی بافت خاک این است که اگر دانه بندی دو خاک مشابه باشد، منحنی تجمعی آنها
موازی خواهد بود که این پارامتر نيز به راحتی در نمودار قابل مشاهده است.
از روی این منحنی همچنين می توان برخی پارامتر های خاک را که در مهندسی کاربرد زیاد دارند بدست آورد.
این پارامتر ها عبارتند از :
قطر ذراتی از خاک است که فراوانی آنها از ده درصد کمتر است و یا به عبارتی دیگر، به : (D الف) اندازه موثر ( 10
عدد مربوط به ده درصد عبور در منحنی دانه بندی (بر حسب ميلی متر) اندازه موثر ذرات آن خاک گفته می شود.
به عدد مربوط به 50 درصد عبور در منحنی دانه بندی، اندازه ميانه ذرات خاک گفته می : (D ب) اندازه ميانه ( 50
شود.
: (Uniformity Coefficient) ج) ضریب یکنواختی
می باشد. D در منحنی دانه بندی به 10 D حاصل تقسيم اندازه مربوط به 60 (CU) ضریب یکنواختی خاک
به ترتيب قطر های ذراتی از خاک است که فراوانی آنها از 60 درصد و 10 درصد کمتر D و 10 D (در این فرمول 60
است)
کمتر از 5 دارند CU ضریب یکنواختی در حقيقت عدم یکنواختی ذرات خاک را تعيين می کند. بطوریکه خاکهای که
آنها بين 5 تا 15 باشد را خاکهای غير یکنواخت می نامند و خاکهای CU را خاکهای خيلی یکنواخت و خاکهای که
بيشتر از 15 ، جزء خاکهای خيلی غير یکنواخت قرار می دهند. همچنين با استفاده از ضریب یکنواختی می توان CU با
بزرگتر از 10 دارای پوکی زیاد بوده و در نتيجه CU پی به وضعيت پوکی و تراکم پذیری خاک برد. بدین صورت که خاکهای با
دارای ذرات با قطر های متفاوت می باشد که این خود نشان دهنده تراکم پذیری خوب این گونه خاکها است.
: (Classification Coefficient) د) ضریب طبقه بندی
علاوه بر ضریب یکنواختی گاهی اوقات ضریب دیگری بنام ضریب طبقه بندی نيز بکار برده می شود که حاصل
این ضریب نمایه ای از مشخصات و شکل ظاهری خلل و فرج خاک را به (CU=D75/D می باشد. ( 25 D به 25 D تقسيم 75
ما نشان می دهد.
: (Coefficient of Curvature) و) ضریب انحناء
و با استفاده از فرمول زیر D و 10 D60 ، D از روی ارقام مربوط به 30 (CC) ضریب انحناء منحنی دانه بندی خاک
بدست می آید.
اندازه ایی است که قطر 30 درصد ذرات خاک به صورت وزنی از آن کمتر باشد) D30)
در خاکی بزرگتر از 5 بوده و ضریب انحناء منحنی دانه بندی (CU) چنانچه ضریب یکنواختی
می نامند. (Gradedwell) آن خاک را با دانه بندی خوب (CC=1 to بين 1 تا 3 باشد ( 3
ز) تعيين ضریب آبگذری اشباع :
بدست آمده از منحنی تجمعی بافت خاک، می توان ضریب آبگذری اشباع خاکهای شنی و D با استفاده از 10
فاقد ساختمان را مطابق فرمول زیر محاسبه کرد.
قطر ذرات خاک بر حسب سانتی متر و با D نفوذپذیری بر حسب سانتی متر در ثانيه و 10 K در این فرمول
احتمال وقوع ده درصد می باشد.
ح) محاسبه خيز موئينه ای :
خيز موئينه ای یا صعود شعریه ای نيز از منحنی تجمعی و با رابطه زیر، تخمين پذیر می باشد.




موضوعات مرتبط: خاک شناسی