نویسنده: دکتر وحید رضا اوحدی
چکیده :
باران های موسمی به عنوان یکی از عوامل اصلی ناپایدار کننده شیروانی های خاکی عمل می کند. آمار گزارش شده از این گونه خرابی ها نشان می دهد که در سالهای گذشته این معضل یکی از مشکلات رایج در کشاورزی ایران بوده است. بنابراین، شناسایی و استفاده از روشهای کنترل فرسایش خاک می تواند به عنوان راه حلی اساسی در برخورد با این معظل عمل کند. این مقاله به بررسی روش های جدید کنترل فرسایش خاک می پردازد که از نظر کشاورزی و اقتصادی به عنوان راه حل بهینه در نظر گرفته شده است.
اگرچه استفاده از پوششهای گیاهی مصنوعی سالها همچون راه حلی قدیمی به کار رفته است ولی در سالهای گذشته ، به کارگیری روشهای جدید، دربرگیرنده استفاده از پوششهای مصنوعی ، روش بسیار موثر و بصرفه ای از نظر اقتصادی شناخته شده و در بسیاری از کشورهای جهان کاربرد پیدا کرده است. این مقاله به بررسی چند روش کاربردی به منظور کنترل فرسایش خاک و با هدف بهره وری کشاورزی می پردازد.
مقدمه
جلوگیری از فرسایش خاک از دو نظر اقتصادی و زیست محیطی در خور تعمق است.از نظر اقتصادی کنترل فرسایش خاک، بیشتر به عنوان جلوگیری از هدر رفتن خاک مستعد کشاورزی است. خاکهای مستعد کشاورزی که به طور عمده از نظر مهندسی، خاکهای ریزدانه اند،فرسایش پذیری بیشتری در مقایسه با خاکهای دانه ای دارند.در حقیقت خاکهای دانه ای در برگیرنده لای، ماسه و شن به لحاظ نیروی ثقل، دیرتر فرسوده می شوند. بنابراین، روشهای کنترل فرسایش به طور عمده برای جلوگیری از فرسایش خاکهای ریزدانه به کار می روند. از نظر زیست محیطی نیز انجام حفاریها، خاکبرداری ها و خاکریز ها که نتیجه مستقیم ساخت و سازهاست، بخش در خور توجهی از خاک را مستعد فرسایش کرده است. ضمن آنکه فرسایش خاک نیز به خودی خود سبب تغییر الگوی زیست محیطی می شود. از این دیدگاه نیز به نظر می رسد کنترل فرسایش خاک به عنوان راه حلی کاربردی در راستای بهره وری اقتصادی عمل خواهد کرد.افزون بر موارد پیشگفته، روشهایی به عنوان روشهای کاربردی در جلوگیری از فرسایش خاک پذیرفتنی خواهند بود که استفاده از آنها در درجه اول دارای توجیه اقتصادی بوده و با شرایط اقتصادی کشور ما سازگاری داشته باشد. در مجموع در این مقاله چند روش اساسی کنترل فرسایش خاک با در نظر گرفتن مجموعه نکته های یاد شده مورد بررسی قرار گرفته است.
عوامل موثر در فرسایش
عوامل موثر در فرایند فرسایش را می توان در دو محور:
1.شرایط زیست محیطی،
2.خصوصیات خاک از نظر مهندسی تقسیم کرد.
از نظر شرایط زیست محیطی خصوصیات بارش، در برگیرنده: شکل بارندگی، شدت بارندگی ، قطر قطرات باران و انرژی جنبشی باران درخور توجه است.اینگولد و تامسون (Ingold & Tamson 1990) رابطه انرژی جنبشی باران، شدت بارندگی و قطر قطرات باران را مطابق جدول شماره 1 بیان کرده اند. این جدول نشان می هد که توجه به انرژی جنبشی (سینتیک) باران می تواند به عنوان مهمترین عامل در بررسی قدرت فرسایش دهندگی باران مورد استفاده قرار گیرد.
از نظر خصوصیت خاک نیز دو شخصه اصلی خاک، دربرگیرنده نوع کانیهای تشکیل دهنده و پایداری ساختار خاک، می تواند به عنوان معیارهای اصلی در بررسی فرسایش پذیری خاک مورد توجه قرار گیرد. نوع کانیهای تشکیل دهنده از یک سو به نفوذپذیری آب در خاک مرتبط می شود و از سوی دیگر گویای تاثیر نیروی ثقل بر فرایند فرسایش است.
کانیهای رسی که به اصطلاح از هوازدگی شیمیایی سنگ مادر پدید می آیند. به طور عموم دارای ابعاد کوچکتر از 2 میکرون بوده و در همین حال از نظر کشاورزی نیز دارای اهمیت اند. همچنین این کانی ها نفوذپذیری کمتری در برابر آب دارند و بنابراین بارندگیهای با شدت کم نیز به آسانی بر روی این خاکها جریان می یابد و سبب فرسایش می شود.در حالی که کانیهای برگرفته از هوازدگی فیزیکی سنگ مادر ، بیشتر به لحاظ اندازه، طیف وسیعی از اندازه های 100 میکرون تا چند سانتی متر را تشکیل می دهد که از نظر بزرگی اندازه دانه ها در مقایسه با ابعاد کانیهای رسی، در برابر فرسایش نیز به کمک نیروهای ثقل مقاومت خواهد کرد.
از سوی دیگر مطالعات یانگ و وارکنتین (Yong & Warkentin 1975) نشان می دهد که با افزایش هوازدگی خاک ، بویژه تحت تاثیر هوازدگیهای شیمیایی،ابعاد دانه ها کوچکتر می شود.با کوچکتر شدن دانه های خاک، نه تنها قدرت نفوذ آب در خاک کاهش می یابد ، بلکه از سوی دیگر دانه های کوچکتر به دلیل داشتن نیروی ثقل کمتر، مقاومت کمتری نیز در برابر نیروهای فرسایش خواهند داشت. به دیگر سخن می توان این گونه نتیجه گرفت که به هر حال وجود کانیهای رسی در خاک،شرایط بالقوه فرسایش را فراهم می کند.
ناپایداری ساختار خاک نیز از مجموعه عوامل مستعدکننده فرسایش خاک است. یکی از عملی ترین معیارهای بررسی پایداری ساختار خاک، توجه به میزان تراکم خاک مورد مطالعه و به طور مشخص، توجه به درصد تراکم نسبی خاک است. به دست آمدن درصد تراکم نسبی کمتر از 80 درصد به مثابه تراکم متوسط خاک در حالت طبیعی است و چنین خاکی اصولاً در برابر نیروهای برگرفته از فرسایش، مقاومت چندانی نخواهد داشت.
تاثیر نوع کانیهای تشکیل دهنده خاک در فرسایش پذیری
تاثیر فرسایشی آبهای سطحی به دو عامل بستگی دارد؛ نخست، شدت بارندگی و دوم خصوصیات مهندسی خاک. در این زمینه توجه به خصوصیات مهندسی خاک از اهیمت ویژه ای برخوردار است چرا که کنترل و یا ایجاد تغییر در آن می تواند با در نظر گرفتن تمهیداتی صورت گیرد. هنگامی که شدت بارندگی از قدرت نفوذ آب در خاک بیشتر شود آب در سطح خاک جریان می یابد و ذرات آن در جهت شیب منتقل می کند. این ذرات خاک ممکن است به واسطه اثر ضربه ای قطرات باران و یا بر اثر جریان آب در سطح، از یکدیگر جدا و مستعد انتقال شوند(Pinto et.al 1998).
همچنین مطالعات انجام شده نشان می دهد که شدت قدرت فرسایش باران با افزایش تندی شیب و طول شیب زیاد می شود(Ingold & Tamson 1990). از نظر خصوصیات مهندسی خاک و تاثیر آن در فرسایش پذیری خاک، می توان به طور مشخص به خصوصیات کانی تشکیل دهنده خاک اشاره کرد.خاکهایی که بیشتر از کانیهای اولیه تشکیل شده اند، فرسایش پذیری کمتری خواهند داشت. این خاکها در اصل دارای ضریب نفوذپذیری بالایی هستند و زهکش تلقی می شوند. همچنین نیروی ثقل کانیهای اولیه نیز با فرسایش آنها در اثر آبهای سطحی مخالفت می کند. از سوی دیگر خاکهای تشکیل شده از کانیهای ثانویه که در برگیرنده همه کانیهای رسی بوده و بیشتر نتیجه هوازدگی شیمیایی سنگ مادر است، به واسطه ریزبودن ذرات (به طور عمده در حدود یک تا پنج میکرون)، نفوذپذیری بسیار کمی داردو برای همین بارش باریده شده بر این خاکها اثر فرسایشی بیشتری خواهد داشت.از سوی دیگر کانی رسی به واسطه داشتن سطح وزن بسیار زیاد(سطح مخصوص یا سطح ویژه بسیار در مقایسه با کانیهای اولیه) قابلیت جذب آب بیشتری دارند، ضمن آنکه بر اثر جذب آب متورم می شوند و همین تورم سبب بسته شدن ترکهای احتمالی در خاک شده و از این نظر نیز به کاهش قدرت نفوذ آب در خاک می انجامد.
روشهای کاهش فرسایش پذیری خاک
هر چند بنابر آنچه در محور قبل گفته شد به نظر می رسد افزایش تراکم خاک بتواند به عنوان عامل اصلی در کاهش فرسایش پذیری خاک مورد استفاده قرار گیرد، ولی از نظر کشاورزی به دست آمدن تراکم بیش از 80 درصد شرایط مناسبی را برای رشد محصول فراهم نخواهد کرد. ضمن آنکه خاکهای مستعد کشاورزی اصولاً خاکهای از نوع هوازدگی شیمیایی اند و از این نظر نیز بر اساس بحث ارائه شده در محور پیشین، خاکهای مستعد هوازدگی خواهند بود. بر این اساس لازم است روشهای پیشنهادی کاهش فرسایش پذیری خاک دربرگیرنده یک سری روشهای تکمیلی باشند که در همین حال لزوم وجود تراکم نسبی کم و و جود خاک تشکیل شده از کانیهای برگرفته از هوازدگی شیمیایی را در برگیرند. بر این پایه، سه روش اصلی برای کنترل و کاهش فرسایش خاکها وجود دارد.
این روشها در برگیرنده:
1.زهکشی،
2.استفاده از پوششهای طبیعی.
3.استفاده از پوششهای مصنوعی است که در زیر به بررسی این روشها پرداخته شده است.
زهکشی خاک به منظور کاهش فرسایش پذیری آن
یکی از روش های کم هزینه برای کنترل فرسایش پذیری خاکها، استفاده از روشهای زهکشی خاک است. روشهای زهکشی با هدف جلوگیری از ورود آب به سطح شیروانی خاکی است.آنچه در استفاده از روشهای زهکشی لازم است مورد توجه قرار گیرد در نظر گرفتن این نکته است که در صورت اجرای غلط سیستمهای زهکشی و یا در صورت نبود کنترل و نظارت در هنگام بهره برداری، سیستمهای زهکشی ممکن است اثر معکوسی بر جلوگیری از فرسایش داشته باشند.مکانیزم چنین اثر معکوسی به صورت انتقال آب از سیستم زهکش به درون شیروانی خاکی است که در پی، به ناپایداری شیروانی می انجامد و در حقیقت عمل فرسایشی آب شدت می یابد.
استفاده از پوششهای گیاهی به منظور کنترل فرسایش خاک
یکی از روشهای متداول و بسیار موفق جلوگیری از فرسایش خاک، استفاده از پوششهای گیاهی است. پوششهای گیاهی از راه حفظ ذرات خاگ، کاهش سرعت جریانهای سطحی، کاهش نیروهای دینامیکی ذرات باران و مسلح کردن خاک از راه گسترش ریشه های گیاهان در خاک، مانع فرسایش خاک می شود(Gray 1995). مطالعات نشان می دهد که میتوان توان حفاظت پوششهای گیاهی را به وسیله مکانیزمهای هیدرولوژیکی بیان کرد(Greenway 1987) با آنکه پوششهای گیاهی از راه مسلح کردن خاک توانایی کاهش اثر فرسایش خاک را دارند ولی تحقیقاتی نشان می دهد که یکی از تاثیرات منفی استفاده از گیاهان درختی، بالا زدن ریشه ها و یا واژگونی درختان بر اثر وزش بادهای شدید است(Nolan 1981,Tschantz & Weaver 1988).
بررسیها نشان می دهد که به منظور کنترل فرسایش خاک، استفاده از پوشش های گیاهی بوته ای به مراتب موثرتر از پوششهای گیاهی درختی است. در واقع پوششهای گیاهی بوته ای به واسطه متراکم و به هم پیوسته بودن، ضریب اطمینان پایداری شیب در برابر نیروهای فرسایشی را افزایش می دهند(Gray 1955).
یک پوشش گیاهی خوب می تواند ذرات خاک را به یکدیگر متصل کرده، زبری سطح را افزایش دهد و از انرژی جنبشی باران بکاهد.چنین پوششی، همچنین آب سطحی را از راه تعریق پوشش گیاهی کاهش داده و بنابراین میزان جریان سطحی ایجاد شده را کم می کند(Pinto et.al 1998).
پوشش های مصنوعی
استفاده از پوشش های مصنوعی در سالهای گذشته در بسیاری از پروژه های مهندسی متداول شده است. حتی در مواردی که استفاده از پوششهای طبیعی مورد نظر است به عنوان یک پوشش موقت و تا رشد کامل پوششهای گیاهی می توان از پوششهای مصنوعی استفاده کرد.پوششهای مصنوعی در دو گروه اصلی مواد مصنوعی ژئوسل و ژئومت(GEOCELLS & GEOMATS) و مواد آلی بایومت (BIOMATS) که در طول 1 تا 5 سال مورد تجزیه زیستی قرار خواهد گرفت تقسیم می شوند(Cancelle et.al 1990).
ژئوسل ها، ساختاری سه بعدی (شبیه کندوی عسل) دارند که به طور مستقیم در سطح خاک قرار گرفته و به وسیله تعدادی تسمه، در خاک محکم می شوند. پس از این کار ژئوسل ها با خاک، دانه و کود پر می شوند. آب در عمل، امکان نفوذ در ژئوسل را دارد ضمن آنکه به واسطه محدود شدن ذرات خاک در درون ژئوسل، امکان شسته شدن ذرات خاک وجود نخواهد داشت.
ژئومت ها با ساختاری شبیه ژئوسل ها، بیشتر از الیافهای مصنوعی انعطاف پذیرتر ساخته شده اند. بایومت ها بیشتر از یک سری الیافهای طبیعی همچون کاه، پوشال و الیافهای نارگیل تشکیل شده اند.این الیافهای طبیعی در میان یک یا دو لایه از شبکه های ساخته شده از پلی مر سبک قرار گرفته اند و یا به صورت شبکه های بافته شده به کار می روند. با بارش باران وزن این پوششها افزایش می یابد و در عمل پایداری آنها زیاد می شود.
ویژگی اصلی پوششهای مصنوعی بالا را می توان در 4 محور عمده خلاصه کرد:
نخست، این پوششها نقش مسلح کردن خاک را برعهده دارند و از این نظر به پایداری شیروانیهای خاکی در برابر فرسایش کمک می کنند.
دوم، این پوششها از جریان آبهای سطحی بر سطح شیروانی خاک جلوگیری می کنند.
سوم، این پوششها قدرت ضربات دینامیکی باران در لحظه برخورد با شیروانی را کاهش می دهند.
چهارم آنکه این پوششها با جذب آب سنگین شده و پایداری شیروانی را در برابر حرکت فرسایش آب افزایش می دهند.
نتیجه گیری
فرسایش شیروانیهای خاکی به عنوان معضل بزرگ کشاورزی ایران مطرح بوده است. نتیجه این فرایند، در درجه اول، به هدر رفتن خاک قابل کشت است. به کار گیری روشهای جلوگیری از فرسایش خاک می تواند قدمی اساسی در راستای بهره وری اقتصادی باشد. این امر یک مطالعه توأم اقتصادی، کشاورزی و مهندسی را می طلبد که استفاده از پوششهای مصنوعی می تواند به عنوان گامی اساسی در این زمینه تلقی شود. ضمن آنکه استفاده از پوششهای یاد شده می تواند به عنوان مکمل و همراستای با پوششهای طبیعی به کار رود.