من المعروف ان حبيبات التربة عادة ما تتواجد فى صورة تجمعات او حبيبات مركبة soil aggregates وقد توجد فى صورة حبيبات فردية individual particles كما فى الترب الرملية عديمة البناء. هذه الحبيبات عادة تختلف فى اشكالها واحجامها وكذلك تركيبها الكيميائي نتيجة اختلاف ظروف التكوين. ويطلق على حبيبات التربة التى يزيد قطرها عن 2 مم حصي اما الحبيبات التى يقل قطرها عن 2 مم فيطلق عليها ناعم التربة fine earth وذلك حسب التصنيف الذى وضع للأغراض الزراعية.
يقسم ناعم التربة إلى ثلاثة مجموعات حجمية هي: الرمل sand والسلت (الغرين) silt والطين clay تختلف احجامها حسب التقاسيم المختلفة لحبيبات التربة او ما تسمي مجاميع الحبيبات الأولية primary soil particles . الجدول التالى يوضح اقسام حبيبات التربة تبعا لأحجامها حسب نظم التقسيم المختلفة. والمجموعة الحجمية تطلق على حبيبات التربة ذات الحجم المتقارب والذى يقع بين حد أدنى وحد أعلى.
جدول (1). التقاسيم الخاصة بمجاميع الحبيبات الأولية
مجاميع الحبيبات الأولية
التقسيم الأمريكي (تقسيم وزارة الزراعة الأمريكية)
التقسيم الدولي ( تقسيم الجمعية الدولية لعلوم التربة)
القسم
قطر الحبيبات
مم
القسم
قطر الحبيبات
مم
الرمل
رمل خشن جداً
2 – 1
رمل خشن
2 – 0.2
رمل خشن
1 – 0.5
رمل متوسط
0.5 – 0.25
رمل ناعم
0.2 – 0.02
رمل ناعم
0.25 – 0.1
رمل ناعم جداً
0.1 – 0.05
السلت
سلت خشن
0.05 – 0.02
سلت
0.02 – 0.002
سلت ناعم
0.02 – 0.002
الطين
طين
أقل من 0.002
طين
أقل من 0.002
التحليل الميكانيكي للتربة يطلق على عملية ايجاد النسبة المئوية لمجاميع الحبيبات الأولية فى عينة التربة. وهذا يعنى معرفة النسبة المئوية للرمل والسلت والطين. وهو ما يطلق عليه أيضاً التوزيع الحجمي لحبيبات التربة particle-size distribution of soil . و التوزيع الحجمي لحبيبات التربة من الصفات الثابتة نسبياً فهو لا يتغير تحت تأثير عمليات الخدمة المختلفة التى تجرى على التربة وقد اتخذ كأحد أسس تقسيم التربة فى بلدان كثيرة من العالم مثل الولايات المتحدة الأمريكية.
أما قوام التربة soil texture فهو اصطلاح يعبر عن مدى نعومة او خشونة حبيبات التربة والتى تعتبر صفة طبيعية هامة للتربة. وبمعنى اخر فان قوام التربة يعبر عن النسب المئوية لمجاميع الحبيبات الأولية فى التربة. ومعرفة قوام التربة مهم من الناحية العملية حيث انه يعطى فكرة عن بعض الصفات الفيزيائية الأخرى للتربة مثل مدى قدرة التربة للأحتفاظ بالماء, سرعة مرور الماء فى التربة, تهوية التربة, قدرة التربة على الأحتفاظ بالعناصر الغذائية و السعة التبادلية الكاتيونية للتربة.
تقدير التحليل الميكانيكي للتربة:
لكى نتمكن من تقدير النسب المئوية لمجاميع الحبيبات الأولية فى عينة التربة لابد من اتباع الخطوات التالية:
1- تجهيز عينة التربة: بعد اخذ عينة التربة من الحقل واحضارها الى المعمل يتم تنفيذ الخطوات التالية على العينة:1) التجفيف الهوائي , 2) سحق العينة للتخلص من الكتل الكبيرة والشوائب و 3) نخل العينة خلال منخل قطر ثقوبه 2 مم للحصول على ناعم التربة
2- التخلص من المواد اللاحمة لحبيبات التربة: فحبيبات التربة تتواجد فى صورة تجمعات مرتبطة مع بعضها عن طريق المواد اللاحمة cementing agents وهى المادة العضوية, كربونات الكالسيوم, أكاسيد الحديد والألومنيوم و الأملاح الذائبة.
3- تفريق حبيبات التربة: ونقوم بعملية التفريق لاتمام عملية فصل الحبيبات عن بعضها من الخطوة السابقة والمحافظة على بقائها فى صورة فردية باستخدام احد املاح الصوديوم (تفريق كيميائي باستخدام محلول مفرق) مع اجراء عملية التفريق الميكانيكي فى نفس الوقت.
4- فصل الحبيبات الأولية وقياس نسبتها: ويتم فصل كل مجموعة حجمية من حبيبات التربة بطرق متعددة اهمها طريقة الترسيب sedimentation method وهى تعتمد على سرعة سقوط الحبيبات فى المعلق وعلاقتها باحجام الحبيبات.
الأساس النظرى لفصل الحبيبات:
كما سبق القول يتم فصل الحبيبات بطريقة الترسيب نتيجة اختلاف احجامها وعلاقة ذلك بسرعة رسوب الحبيبات فى الوسط. هذا الأساس يعتمد على قانون ستوكس stock's law والذى ينص على انه عند سقوط حبيبة فى سائل فان سرعة الرسوب تتناسب طردياً مع حجم الحبيبة (نصف قطر الحبيبة) كما يظهر ذلك من العلاقة التالية:
حيث:
V سرعة سقوط حبيبات التربة فى الوسط (سم/ثانية)
g عجلة الجاذبية الأرضية (980 سم/ ثانية2 )
r نصف قطر الحبيبات (سم)
كثافة الحبيبات الصلبة (جرام/سم3)
كثافة السائل أو الماء (جرام /سم3)
لزوجة السائل (بواز أو جرام/سم/ثانية )
وبفرض معرفة الثوابت المختلفة فان المعادلة تصبح
أى ان سرعة رسوب الحبيبات فى الوسط تتناسب طردياً مع مربع نصف قطر الحبيبات الصلبة. هذا القانون مبنى على أساس توازن القوى المؤثرة على سقوط الحبيبات فى سائل له مواصفات معينة (الكثافة واللزوجة).
ولكي يتم تطبيق هذا القانون بدقة لابد من الأتي:
1- يجب ان يكون التفريق تاماً وكاملاً حتى لا تكون النتائج معبلرة عن حبيبات التربة المركبة وليست الفردية
2- يفترض القانون ان الحبيبات كروية الشكل حيث يعبر عنها بنصف القطر ولما كانت حبيبات التربة غير كروية وذات اشكال مختلفة فاننا نستخدم ما يسمي نصف القطر المكافيء equivalent radius وهو عبارة عن نصف قطر حبيبة كروية لها نفس حجم الحبيبات المذكورة
3- لابد ان يكون سطح الحبيبات املس حتى لا تؤثر لزوجة السائل على حركة الحبيبات
4- لابد ان يكون حجم الاناء كبير (قطر الاناء ) مقارنة بقطر الحبيبات حتى لا يؤثر على حركة الحبيبات اثناء سقوطها.
ويقاس تركيز الحبيبات في المعلق بطريقتين هما طريقة الهيدروميتر وطريقة الماصة وسوف نستخدم طريقة الهيدروميتر فى التقدير نظراً لسهولتها وتطبيقها العملي فى معامل تدريب الطلاب
تقدير التحليل الميكانيكي بطريقة الهيدروميتر
الأساس النظري
تعتبر طريقة الهيدروميتر لتقدير تركيز الحبيبات فى معلقات التربة (لطريقة الفصل بالترسيب) من اكثر الطرق الروتينية شيوعاً فى معامل التربة وذلك لسهولة اجراءها وسرعة الحصول على النتائج منها.
وتعتمد هذه الطريقة على قياس كثافة معلق التربة عند ازمنة مختلفة بواسطة الهيدروميتر حيث ان كثافة المعلق المتجانس تتغير مع الزمن نتيجة ترسيب الحبيبات الفردية بسرعة تتناسب مع احجامها حسب قانون ستوكس. ويتم ذلك باخذ قراءة الهيدروميتر لمعلق التربة عند ازمنة مختلفة تعتمد على حجم الحبيبات المراد قياسه مع اخذ القراءة فى نفس الأزمنة فى محلول المادة المفرقة فى الماء.
على ذلك يمكن معرفة تركيز معلق التربة C عند زمن معين حيث:
حيث :
R قراءة الهيدروميتر فى معلق التربة عند زمن معين
RL قراءة الهيدروميتر فى المحلول المفرق فى الماء عند نفس الزمن
RT تصحيح درجة حرارة المعلق
ويتم عمل تطيع لقراءة الهيدروميتر نتيجة تأثير درجة الحرارة على سرعة رسوب الحبيبات حيث يتم اضافة 0.4 وحدة لكل درجة حرارة للمعلق اكبر من 19.4 درجة مئوية او طرح 0.4 وحدة لكل درجة حرارة للمعلق اقل من 19.4 درجة مئوية. حيث ان 19.4 هى درجة الحرارة المدرج عندها الهيدروميتر. ويمكن استخدام القاعدة التالية:
حيث T درجة حرارة المعلق المقاسة عند الزمن المقابل لقراءة الهيدروميتر
ومن ثم يمكن ايجاد النسبة المئوية لحجم معين من الحبيبات من العلاقة:
حيث C0 كتلة حبيبات التربة الجافة تماماً التى تم اجراء التقدير عليها.
أما حجم او نصف قطر حبيبات التربة فيمكن ايجاده من قانون ستوكس كالأتى:
حيث L المسافة التى يقيس عندها الهيدروميتر (وهى قيمة متوسطة تساوى 10سم حيث ان الجزء المغمور من الهيدروميتر يتغير مع اختلاف تركيز معلق التربة)
t الزمن اللازم لرسوب حجم معين من حبيبات التربة (ثانية)
اذا طبقنا هذه الأفتراضات فان قراءة الهيدروميت تؤخذ عند الأزمنة المقابلة لسقوط حبيبات الرمل فى المعلق وسقوط حبيبات السلت فى المعلق وهى :
القراءة الأولى تؤخذ عند 44 ثانية حيث تكون حبيبات الرمل ذات القطر المساوى 50 ميكرون(0.05 مم) او اكبر قد تم رسوبها اسفل العمق المفترض (10 سم)
القراءة الثانية تؤخذ عند 2 ساعة حيث تكون حبيبات السلت ذات القطر المساوى 2 ميكرون (0.002 مم) تكون قد تم رسوبها اسفل العمق المفترض (10 سم) مع العلم بان فترة ال 2 ساعة هيى قيمة تقريبية تناسب التقدير الروتيني للتحليل الميكانيكي فى معامل التربة لتدريب الطلاب وهى فترة كافية لرسوب احجام السلت فى معلق التربة.
الأدوات المطلوبة:
كأس زجاجي سعة 600 مل – مخبار مدرج 100 مل – مخبار ترسيب سعة 1 لتر – ترمومتر معملى – مقلب يدوى – ميزان حساس – خلاط تربة – ساعة
المحاليل:
1- محلول فوق أكسيد الهيدروجين 6% ( يحضر بتخفيف 200 مل من المحلول المركز 30% في لتر ماء مقطر )
2- محلول حامض الهيدروكلوريك 1ع ( يحضر بتخفيف 80 مل من الحامض المركز فى لتر ماء مقطر )
3- محلول مفرق (محلول كالجون) – يحضر باذابة 50 جرام هكسا ميتا فوسفات الصوديوم فى لتر ماء مقطر)
خطوات العمل:
1- زن 40 جرام من التربة المنخولة والمجهزة للتقدير وقدر بها المحتوى الرطوبي بالتجفيف فى الفرن على درجة 105 مئوية لمدة 24 ساعة ().
2- زن 40 جرام أخرى من عينة التربة وانقلها الى كاس زجاجى سعة 600 مل به حوالي 100 مل ماء مقطر ثم اضف بالمخبار المدرج باحتراس 25 مل من محلول فوق اكسيد الهيدروجين (6%) للتخلص من المادة العضوية
3- ينقل الكأس الى حمام مائي اة سخان مسطح على دلرجة حرارة 80 مئوية لمدة 15 دقيقة مع التقليب ( يظهر فوران بالعينة نتيجة اكسدة المادة العضوية وخروج غاز ثانى اكسيد الكربون)
4- يترك الكاس على البنش حتى يبرد ثم يضاف 25 مل من حمض الهيدروكلوريك 1ع مع التقليب والتسخين على حمام مائي او سخان مسطح على درجة 80 مئوية للتخلص من كربونات الكالسيوم وتكرر العملية مرة اخرى للتاكد من تمام التخلص من كربونات الكالسيوم ويعرف ذلك بعدم حدوث فوران للعينة او خروج فقاقيع غاز ثانى اكسيد الكربون
5- يترك الكاس حتى يبرد ثم يتم غسيل التربة فى الكاس بالماء المقطر عدة مرات مع التقليب وتترك العينة حتى تترسب الحبيبات ويزال الرائق باحتراس وتكرر هذه العملية حتى تمام التخلص من الاملاح الذائبة ( يعرف ذلك بعدم ظهور منطقة رائقة اعلى الكاس وانما يكون المعلق منتشر فى الكاس كله)
6- يضاف 200 مل ماء مقطر الى الكاس مع تقليب معلق التربة جيداً
7- تنقل العينة كمياً ( جميع محتويات الكاس باستخدام تيار من الماء المقطر) الى وعاء خلاط التربة ويضاف الى المعلق 50 مل من المحلول المفرق (محلول كالجون) ويركب وعاء الخلاط فى مكانه فى خلاط التربة ويتم التشغيل مدة 5 دقائق
8- ينقل معلق التربة نقلاً كمياً الى مخبار الترسيب سعة 1 لتر ويكمل بالماء المقطر حتى العلامة
9- يجهز مخبار ترسيب اخر يحتوى على 50 مل من المحلول المفرق ويكمل بالماء المقطر حتى العلامة
10- تقاس درجة حرارة معلق التربة باستخدام ترمومتر معملى عند الازمنة المطلوبة
11- يقلب معلق التربة فى مخبار الترسيب باستخدام مقلب يدوى من اعلى الى اسفل حوالى 30 ثانية ثم يخرج المقلب وبعدها يسجل زمن الصفر (زمن بداية الترسيب)
12- تؤخذ قراءة الهيدروميتر لمعلق التربة عند الازمنة المحسوبة وتسجل القراءة ( القراءة الآولى بعد 44 ثانية لتمام ترسيب اصغر حبيبة رمل بقطر 50 ميكرون ويرمز لها R1 – القراءة الثانية بعد ساعتين لتمام ترسيب اصغرحبيبة لسلت بقطر 2 ميكرون ويرمز لها R2 ) مع مراعاة ان يتم وضع الهيدروميتر فى المعلق قبل ميعاد اخذ القراءة بحوالي 15 ثانية
13- تؤخذ قراءة الهيدروميتر فى مخبار المقارنة ( المحلول المفرق مع الماء فقط) ويرمز لها RL )
14- تدون القراءات فى جدول لحساب التوزيع الحجمى لحبيبات التربة
الحسابات:
كتلة التربة الرطبة * 100
كتلة التربة الجافة تماماً(M0 ) = ------------------------------
100 +
القراءة الآولى للهيدروميتر(R1) بعد 44 ثانية = جرام/لتر
درجة حرارة معلق التربة المقابلة(T1) = درجة مئوية
قراءة الهيدروميتر فى المحلول المفرق ( RL) = جرام/لتر
تصحيح درجة الحرارة ( RT1) = 0.4 * ( T1 - 19.4 )= جرام/لتر
القراءة الاولى بعد التصحيح ( RC1 ) = قراءة الهيدروميتر الأولى (R1) – قراءة المحلول المفرق ( RL) ± تصحيح درجة الحرارة ( RT1)
أى ان :
القراءة الثانية للهيدروميتر(R2) بعد ساعتين = جرام/لتر
درجة حرارة معلق التربة المقابلة(T2) = درجة مئوية
قراءة الهيدروميتر فى المحلول المفرق ( RL) = جرام/لتر
تصحيح درجة الحرارة ( RT2) = 0.4 * ( T2 - 19.4 )= جرام/لتر
القراءة الثانية بعد التصحيح ( RC2 ) = قراءة الهيدروميتر الثانية (R2) – قراءة المحلول المفرق ( RL) ± تصحيح درجة الحرارة ( RT2)
أى ان :
القراءة الأولى بعد التصحيح * 100
النسبة المئوية لحبيبات السلت + الطين = --------------------------------- = (أ)
كتلة حبيبات التربة الجافة تماماً
أي أن:
القراءة الثانية بعد التصحيح * 100
النسبة المئوية لحبيبات الطين = -------------------------------------- = (ب)
كتلة حبيبات التربة الجافة تماماً
اى أن:
النسبة المئوية لحبيبات السلت = (أ) - (ب)
أى أن:
النسبة المئوية لحبيبات الرمل = 100 – النسبة المئوية لحبيبات السلت +الطين
أى أن:
اصبح لدينا الآن النسب المئوية لمجاميع الحبيبات الأولية للتربة وهى الرمل و السلت و الطين ويمكن الأن معرفة قوام التربة باستخدام مثلث القوام