ترب (محلول)

Soil Solution -

 الترب

الترب (محلول -)

المعقد الغروي للتربة

التبادل الكاتيوني cationic exchange

القيم التي تصف التبادل الكاتيوني

تركيب محلول التربة والاتزان الإيوني

تغيرات تركيب محلول التربة وتفاعله

يطلق محلول التربة soil solution على ماء التربة وما يحتويه من مواد منحلة، وهو المصدر الذي منه يمتز النبات ما يحتاج إليه من العناصر الغذائية. وله أهمية في تكوين التربة ودرجة كفاءتها الخصوبية ومعدل سرعة تجوية مكوناتها الفلزية الأولية من خلال مشاركته بكل من عمليات التميه والتحلل المائي ودرجة الذوبان والكربنة، كما يؤدي دوراً مهماً في نقل العناصر المعدنية الضرورية لتغذية النبات أو فقدها أو هجرتها أو تركيزها؛ لذا تعد دراسة محلول التربة وتحديد تركيبه الكيميائي ومجمل خصائصه وأشكال توازنه مع أطوار التربة الرئيسة الأخرى من الأمور الضرورية.

قد يكون المحلول في الحالة الغروية؛ وهي حالة فيزيائية ناجمة عن وجود مادة أو أكثر مفتتة تفتتاً دقيقاً ومنشرة في مادة أخرى، وكلتا المادتين المنتشرة والمنتشر بها يمكن أن تكون صلبة أو سائلة أو غازية. فهناك إذاً طوران: طور منتشر (مبعثِر) ممثلاً بالدقائق الغروية، وطور منتشر به (مبعثَر) يسمى أحياناً الطور المستمر، وتتألف غرويات التربة من نوعين مختلفين في الطبيعة والمصدر: الأول معدني يتكون من فلزات الطين وأكاسيد الحديد والألمنيوم نصف الثلاثية والمكونات الأخرى غير البلورية كالألوفان allophane والأكاسيد المائية، أما النوع الثاني فهو عضوي المنشأ ويتكون من الغرويات الدبالية كالحموض الهيومية والفولفية. ويفرق بين نوعين من الغرويات في التربة وفق نوع الشحنات الكهربائية لسطوح الغرويات:

1- الغرويات موجبة الشحنة electropositive colloids: وهي أكاسيد الحديد والألمنيوم المائية التي يطلق عليها الأكاسيد نصف الثلاثية، وتسلك سلوك القواعد الضعيفة حيث تتفرق في الأوساط الحامضية وبوجود الكاتيونات cations، وتتجمع في الأوساط القلوية وبوجود الأنيونات anions المختلفة (سالبة الشحنة).

2- الغرويات سالبة الشحنة electronegative colloids: وهي الأكثر وجوداً في التربة، وتشمل كلاً من فلزات الطين والغرويات الدبالية humic colloids، وتتميز بخواص حمضية ضعيفة، كما تتبعثر في الأوساط القاعدية وتتجمع في الأوساط الحامضية وبفعل الكاتيونات أيضاً.

المعقد الغروي للتربة

ينتج المعقد الغروي من ارتباط غرويات التربة المعدنية بالغرويات الدبالية، حيث تقوم الغرويات الدبالية بالارتباط بغرويات الطين بوجود الجسور الكاتيونية بينها، وأيضاً نتيجة ارتباط المعقدات الدبالية بأكاسيد الحديد والألمنيوم المائية. ويُعد الامتزاز (الادمصاص) adsorption من أهم خواص السطوح، ويعبر عن وجود تركيز أعلى لمادة ما على سطح سائل أو صلب، أي هناك تغير في تركيز تلك المادة على السطح الذي يفصل بين طورين phases، وينشأ هذا التغير بسبب طبيعة كل من المادتين المازّة adsorbent والممتزة adsorbate. وتتمثل عملية التبادل الإيوني بدخول إيونات من المحلول الخارجي في بنية الطبقة الكهربائية المزدوجة للدقائق الغروية، لتحل محل مقادير مكافئة لها من إيونات هذه الطبقة التي تزاح بدورها إلى المحلول الخارجي، أي هناك عمليتان متعاكستان تحدثان في آن واحد هما الامتزاز والإزاحة، وتحافظ غرويات التربة عند حدوث التبادل الإيوني على تعادلها كهربائياً على الدوام. ويمكن أن تتبادل إيونات أخرى موجودة في المحلول الخارجي مع بعض الإيونات الممتزة على سطوح هذه الغرويات أو كلها بشكل تحافظ فيها غرويات التربة على تعادلها كهربائياً.

التبادل الكاتيوني cationic exchange

تحمل معقدات التربة (الطين والدبال) شحنات سالبة تجذب إليها الإيونات الموجبة بمختلف أنواعها  (،،....وغيرها)، وعند دخول كاتيونات من المحلول الخارجي إلى الطبقة الكهربائية المزدوجة للغرويات فإنها تحل محل كاتيونات ممتزة ومكافئة لها من الكاتيونات التي تُزاح بدورها إلى المحلول الخارجي. وتحدث هاتان العمليتان المتعاكستان في آن واحد، أي الامتزاز للكاتيونات الداخلة إلى سطوح الغرويات، والإزاحة للكاتيونات التي خرجت من تلك السطوح. وبفضل عملية الامتزاز يمكن للطور الصلب في التربة أن يحتجز العديد من الكاتيونات مثل (،،،....وغيرها) المضافة بصورة أسمدة فتصبح تلك الإيونات جاهزة للامتصاص من قبل النبات. ويتصف التبادل الكاتيوني بأنه تفاعل عكوس، سريع الحدوث، تلقائي وموزون. وتتأثر عملية التبادل الكاتيوني بتكافؤ الكاتيون (حيث تزداد قوة الكاتيون على التبادل بازدياد تكافئه وفق المتتالية التالية:) وقطر الكاتيون المائي؛ لأن الكاتيونات في محلول التربة تحيط نفسها بغلاف مائي يزيد المسافة التي تفصلها عن السطوح الغروية.

تجدر الإشارة إلى عدم ثبات قوة ترتيب الكاتيونات للتبادل على سطوح الغرويات كافة؛ لأنه يتأثر أيضاً بطبيعة الغرويات وسعتها التبادلية وطبيعة الإيونات الموجودة في ساحة التبادل الإيوني، ويتأثر التبادل الكاتيوني بتمديد المحلول الأرضي وتركيزه، ويتحدد اتجاه تفاعلات التبادل الكاتيوني نحو اليمين أو اليسار من خلال تعديل التراكيز النسبية للعناصر المتبادلة، كما يتأثر بنوعية الكاتيونات المرافقة، وقد ثبت أن عملية الاستبدال الكاتيوني بين كاتيونين تتم بسهولة أكبر عند وجود كاتيون ثالث؛ فمثلاً تتم عملية استبدال الأمونيوم بالكلسيوم على نحو أسرع بوجود عنصر الألمنيوم منه بعملية استبدال الأمونيوم بالكلسيوم بوجود الصوديوم. وتؤثر أيضاً فلزات الطين الغروية ذات الكثافة العالية أو السعة التبادلية الكاتيونية المرتفعة في طبيعة الكاتيونات الاصطفائية؛ فمثلاً يفضل فلز الفيرمكيوليت تثبيت الكلسيوم من محلول التربة الذي يحتوي على الكلسيوم والصوديوم، ويمتز المونتموريلونيت كميات أكبر من الصوديوم مقارنة بالفيرمكيوليت حتى عندما يكون تركيز الكلسيوم والصوديوم في محلول التربة متماثلاً.

القيم التي تصف التبادل الكاتيوني:

تُعد عملية التبادل الكاتيوني (الإيوني) من أهم التفاعلات الكيميائية الطبيعية التي تتم في التربة، وتأتي من ناحية الأهمية بعد عملية الاصطناع الضوئي الذي تقوم به النباتات الخضراء. وتتمثل عملية التبادل الكاتيوني بامتزاز كاتيونات من المحلول الأرضي على سطوح الامتزاز لتحل مكان كاتيونات كانت أصلاً ممتزة على سطوح الامتزاز وبكميات متكافئة لها من الكاتيونات، ويتم التعبير عن تلك التفاعلات ببعض القيم التالية:

أ- سعة التبادل الكاتيوني Cation Exchange Capacity (CEC):

تطلق على مجموع الكاتيونات الكلية الممتزة (المتبادلة) الموجودة في 100 غرام من التربة الجافة، مقدرة بالميلي مكافئ، وتختلف الترب في سعتها التبادلية تبعاً لكمية الشحنات السالبة في واحدة الوزن منها، ويتوقف ذلك على كمية الغرويات المعدنية والعضوية وأنواع فلزات الطين السائدة، ودرجة تدبل المواد العضوية في التربة. ويبين الجدول (1) سعة التبادل الكاتيوني لأهم فلزات الطين في التربة مقارنة بالمواد الدبالية.

الجدول (1)

نوع الغروي سعة التبادل الكاتيوني ملي مكافئ/ 100 غرام الكاؤولنيت kaolinite 15-3 الهالوزيت halloysite () 50-5 الكلوريت chlorite 40-10 الإيليت illite 10-40 المونتموريلونيت montmorillonite 80-150 الفيرمكيوليت vermiculite 100-150 المواد الدبالية humus (تبعاً لمصدرها ودرجة تحولها) 250-400

تتأثر سعة التبادل الكاتيوني للمواد الدبالية إلى حدٍ بعيد بدرجة تفككها وتطورها ومصدرها ومحتوى مكوناتها الرئيسة من المجموعات الوظيفية الأكسجينية الفعالة، ويُرمز إلى سعة التبادل الكاتيوني للتربة اختصاراً بأحد الحرفين T أو Y، ويمكن القول بصورة عامة إن سعة التبادل الكاتيوني للترب يمكن أن تراوح بين 2 ميلي مكافئ/ 100 غرام تربة رملية و60 مليمتراً مكافئاً /100 غرام للترب الطينية، ويجري تعيين سعة التبادل الكاتيوني للتربة بتشبعها بخلات الأمونيوم (1مول) في درجة الحموضة pH =7، ثم يُغسل الزائد من خلات الأمونيوم بالكحول الإتيلي، ويختبر ذلك بكاشف نسلر Nessler (للأمونيوم). وفي المرحلة الثانية يزاح الأمونيوم الممتز بمحلول 1 مول من كلور الصوديوم، ثم يعين الأمونيوم المزاح بالتقطير والمعايرة بمحلول حمضي.

ب- نسبة التشبع بالقواعد Percentage Base Saturation (PBS):

تعد نسبة التشبع بالقواعد من أهم الثوابت المميزة للأراضي، وتحسب من العلاقة (1):

وهي بالتعريف النسبة المئوية للتشبع بالقواعد المتبادلة الممتزة على المعقد الغروي باستثناء الهدروجين. وبناءً على ذلك إذا كانت النسبة المئوية للتشبع بالقواعد المتبادلة %50 فهذا يعني أن نصف السعة التبادلية مشبعة بالهدروجين والنصف الآخر مشبع بالقواعد المتبادلة. وعند إعطاء نسبة التشبع بالقواعد لتربة ما من الضروري توضيح درجة حموضة المحلول الذي عولجت به التربة لتعيين سعة التبادل الكاتيوني (CEC) نظراً للتأثير المباشر لدرجة حموضة المحلول في كمية إيونات الألمنيوم والهدروجين المزاحة التي تتنافس مع القواعد في احتلال مواقع الامتزاز على السطوح الغروية .

جـ- مجموع القواعد والقواعد الترابية S:

يرمز إلى مجموع القواعد و والقواعد الترابية و التي تحتل مواقع التبادل على معقد الامتزاز بالرمز S.

د- الحموضة الهدروليتية (H) Hydrolytic acidity:

تمثل الفرق بين قيمة T (سعة التبادل الكاتيوني CEC) وقيمة S مجموع القواعد والقواعد الترابية، وتمثل إيونات الهدروجين الممتزة بأشكالها كافة وعليه : H = T - S. ويعبر عادة عن التشبع بالقواعد بنسبة مئوية من سعة التبادل الكاتيوني (CEC) T، ويرمز إليها بـ V.

تظهر درجة التشبع بالقواعد مدى انغسال التربة وتطورها، بحيث تكون ترب المناطق الجافة مشبعة بالقواعد بخلاف ترب المناطق الرطبة عالية الهطل التي تكون فقيرة بالقواعد الممتزة وغنية بالهدروجين الممتز. ولدرجة تشبع التربة بالقواعد أثر كبير في خصوبة التربة والتغذية المعدنية للنبات.

يرتبط ظهور الشحنات في مختلف الغرويات بتركيبها الكيميائي وبنيتها في معادن الطين، مثلاً يمكن أن تظهر الشحنات السالبة عند تحرر الروابط الطرفية للأكسجين في رباعيات الوجوه، وأيضاً نتيجة لاستبدال السيليسيوم (السليكون) بالألمنيوم أو حلول الألمنيوم بدلاً من العناصر ثنائية التكافؤ كالمغنزيوم مثلاً. ونظراً لقدرة غرويات الحموض السيليسية على تفكيك الهدروجين تعد سالبة الشحنة، أما في غرويات الحموض الدبالية فتظهر الشحنات السالبة عند تفكيك هدروجين الوظيفة الكربوكسيلية وهدروكسيل الفينول، وكذلك عند تحرر رابطة الكربونيل.

تركيب محلول التربة والاتزان الإيوني

يختلف محلول التربة في تركيبه وتركيزه من تربة إلى أخرى ومن منطقة إلى أخرى، وقد يكون هذا الاختلاف في التربة الواحدة تحت تأثير الظروف السـائدة المتغيرة والنشـاط الحيـوي، ولأن محاليل الترب تتصف بضعف تراكيزها وتغير تلك التراكيز تحت تأثير الكائنات الحية وجذور النباتات وعمليات الغسل فإن ذلك يؤثر تأثيراً مباشراً في نمو المحاصيل، وهناك ارتباط وثيق بين تركيز محاليل الترب الطبيعية وإنتاجية تلك الترب.

وعلى أساس ما تقدم يتضح أن هناك اتزاناً بين الطور الصلب (المواد المعدنية والمواد العضوية) والطور السائل في التربة، ويكون غير مستقر بل هو في تغير مستمر نتيجة وجود الكائنات الحية والجذور والمواد الأمية التي لا تتوقف عن المساهمة في تبديل التركيز والاتزان نتيجة امتصاص العناصر الغذائية، أو نتيجة المساهمة في تزويد محلول التربة بالعناصر عن طريق إفرازاتها أو عند موتها وتفسخها أو نتيجة التبادل الإيوني. يلاحظ أن هناك علاقة وثيقة بين نوع الكاتيونات الممتزة والكاتيونات الذائبة في محلول التربة، وأن الإيونات الموجودة في المحلول ما هي إلا إنعكاس للإيونات الممتزة على غرويات التربة. ويقدر الكلسيوم بأكثر من 80% من كمية الكاتيونات الممتزة؛ لذا تظل كميته هي الكبرى في محلول التربة، يليه في ذلك المغنزيوم والبوتاسيوم. وقد تختلف نسبة هذه العناصر بعضها إلى بعض في مكونات التربة عنها في محلول التربة. وقد بيّن لافولي Lavollay أن نسبة في محلول التربة تراوح ما بين 5 و 22، وأن هذه النسبة تقع ما بين 1و 93 في التربة نفسها، أما فإنها تختلف كثيراً باختلاف نسبة محلول الاستخلاص إلى وزن التربة، ويتوقع دائماً زيادة تركيز العناصر الغذائية القابلة للإفادة حول الجذور أكثر من بقية أجزاء المحلول، وقد تساهم الفطور التي تنمو في قطاع التربة بزيادة ذوبان المركبات المعدنية وتحرير العناصر المغذية بسبب زيادة الحموضة حول هيفاتها hupha التي تنتشر في آفاق التربة التي تؤمن لها الظروف المناسبة، ويحتوي ماء التربة مواد منحلة، منها ما هو من أصل جوي كالآزوت والأكسجين وغاز ثنائي أكسيد الكربون والأمونيوم وحمض الكبريت، ومنها ما هو من أصل صخري كالهاليت والجبس والكلس والشوارد القاعدية الأخرى، ومنها ما هو من أصل حيوي كالأحماض العضوية والنترات والأمونيوم والكبريتات وغاز ثنائي أكسيد الكربون ومواد معقدة أخرى. وتأتي هذه المواد إلى ماء التربة تحت تأثير عمليات الإذابة المباشرة وغير المباشرة، وهذه المواد ليست واحدة في جميع الأراضي حتى إن تركيزها في التربة الواحدة يختلف باختلاف العمق وباختلاف كمية المادة العضوية وتوزعها في قطاع التربة. وقد تمت الإشارة سابقاً إلى أن المعقدات الغروية (الطين والدبال) تحمل شحنات كهربائية سالبة تجذب إليها الشوارد الموجبة بمختلف أنواعها، وسميت عملية جذب الغرويات للكاتيونات بالامتزاز، وتعني زيادة تركيز الإيونات حول الأجسام الصلبة أو الغازية الموجودة في محلول ما أكثر من تركيزها في بقية أجزاء المحلول، لذا من المتوقع عدم تجانس التركيز في جميع أجزاء محلول التربة حيث يكون التركيز مرتفعاً على سطوح الغرويات التي تحمل شحنات سالبة، وينخفض التركيز كلما ابتعد عن سطوح الغرويات، ويلاحظ أن تركيز الشوارد الموجبة يرتفع كلما ابتعد عن مركز الجزيئات الغروية. وهذا يعني أن تركيز الشوراد الموجبة في محلول التربة وهو ما يطلق عليه اسم الكاتيونات الذائبة أقل مما هو عليه على وحول سطوح الغرويات وهو ما يطلق عليه الكاتيونات الممتزة أو المتبادلة، ومن المعروف أن النبات يستفيد بسهولة من الكاتيونات الذائبة في محلول التربة، في حين تؤلف الكاتيونات الممتزة على غرويات التربة المخزون الرئيس للعناصر الغذائية التي يمتزها النبات من التربة. فالنبات عندما يمتز العناصر من محلول التربة، ينخفض تركيزها ويختل الاتزان ما بين تركيز الإيونات الموجودة في محلول التربة والإيونات الممتزة على سطوح الغرويات، ولتحقيق الاتزان بين الشكلين (الذائب والممتز) يتحرر جزء من الكاتيونات الممتزة إلى محلول التربة وعلى العكس عند زيادة التركيز للشوارد الموجبة في محلول التربة (عند التسميد مثلاً) فإن جزءاً لا بأس به من الكاتيونات يمتز على سطوح الغرويات. وعلى هذا فإن الترب التي تحتوي على كمية جيدة من الغرويات (طين- دبال) تميل دائماً إلى المحافظة على جعل محلوها ذا تركيز ثابت تحت تأثير عملية التبادل بين الكاتيونات الذائبة والممتزة. وتحت تأثير ظاهرة التبادل تميل الترب الطينية المحافظة على درجة حموضة ثابتة، وإن حصل تغير في درجة الـحموضة فإن ذلك يكون في حدود ضيقة، بمعنى أن السعة التنظيمية (الواقية) buffer capacity لهذه الترب تكون كبيرة. ويستخلص من ذلك أن العناصر المغذية في حركة مستمرة بين الطور السائل والطور الصلب في التربة، وتهدف هذه الحركة المستمرة إلى تحقيق التوازن بين الطورين، كما أن هناك حركة للإيونات ما بين الطور السائل (محلول التربة) وجذور النباتات، وتتعلق هذه الحركة بتركيز محلول التربة، وهذا التركيز على علاقة وثيقة بالطور الصلب (الجزء المعدني والعضوي للتربة) وقدرته على تزويد محلول التربة بالعناصر المغذية المعدنية.

تغيرات تركيب محلول التربة وتفاعله

صار واضحاً أن الكاتيونات تستطيع أن تدمص على غرويات التربة، في حين تبقى الأنيونات في محلول التربة؛ لذا من المتوقع انخفاض تركيز الإيونات في مواسم الأمطار مثل و وذلك لارتفاع معدل الإذابة لدى أملاح هذه الإيونات، في حين لا يتغير تركيز إيونات الفسفات و وذلك لانخفاض معدل إذابة أملاح الفسفات في التربة، وتبقى كمية الكاتيونات في محلول التربة ثابتة تقريباً وإنما ينخفض تركيزها بسبب عملية التمديد الناجمة عن زيادة نسبة الرطوبة بسبب الأمطار أو الري. وعند استمرار هطل الأمطار (المناطق الرطبة) يؤدي ذلك إلى انخفاض درجة حموضة التربة، فالأنيونات تفقد في التربة مع مياه الصرف وأيضاً القواعد المتبادلة ،، و، وتصبح التربة فقيرة ضمن هذه الظروف، في حين يرتفع تركيز عناصر أخرى في المحلول مثل ، و، إذ إن هناك علاقة وثيقة بين معدل الأمطار ونوع المركبات السائدة في محلول التربة. كما أن هذه العلاقة ترتبط أيضاً بدرجة تفاعل حموضة التربة حيث ينخفض تركيز الأنيونات والقواعد المتبادلة في المناطق الرطبة وهي الأراضي الحامضية، ويرتفع تركيز هذه الإيونات في المناطق الجافة وشبه الجافة وفي الأراضي القلوية.

محمد سعيد الشاطر

مراجع للاستزادة: - F. K. Cameron, The Soil Solution: The Nutrient Medium for Plant Growth, Palala Press 2016. - D. K. Sarkar, Soil Plant Water Analysis: Theory & Practice,BSP BOOKS 2019. - J.J. Wang, The Chemistry of Soils, 2010.

---

- التصنيف : علوم البيئة والتنوع الحيوي - النوع : علوم البيئة والتنوع الحيوي - المجلد : المجلد السابع مشاركة :