TOPRAK KİRLİLİĞİ VE KONTROLÜ DERSİ

Transkript

1 TOPRAK KİRLİLİĞİ VE KONTROLÜ DERSİ Necmettin Erbakan Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü II-HAFTA 1

2 TOPRAK KİMYASI Toprak kimyası, genel anlamda toprağın kimyasal yapısını ve toprakta oluşan kimyasal olayları inceler. Bu olayların bitkisel üretime etkilerini ortaya koyar. Toprağın inorganik ve organik bileşenleri, iyon değişimi, toprak reaksiyonu (ph), bitki besin maddelerinin topraktaki hareketleri ve katıldıkları reaksiyonlar, toprakların tuzlulaşması, alkalileşmesi, toprakta cereyan eden oksidasyon, redüksiyon, koagulasyon gibi kimyasal ve fizikokimyasal olaylar toprak kimyasının önemli konularından bazılarıdır. 2

3 TOPRAĞIN BİLEŞİMİ Toprak katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç ayrı fazdan oluşmuştur. Katı faz inorganik ve organik bileşiklerden, sıvı faz sudan ve gaz fazı ise havadan ibarettir. Katı fazı oluşturan inorganik ve organik maddelerin ağırlık olarak topraktaki miktarları pek çok faktöre göre değişiklik gösterir. Örneğin kumlu bir toprakta inorganik madde miktarı %100 olabileceği gibi, organik oluşumlu topraklarda inorganik madde miktarı %5 e kadar düşebilmektedir. 3

4 Şekil. Toprağın bileşimi 4

5 Toprak suyu Toprak çözeltisinin bileşimi sulama ve gübreleme gibi kültürel işlemeler yanında topraktaki inorganik ve organik maddelerin bileşimine bağlı olarak değişir. Çünkü toprak çözeltisi bu maddelerin suda çözülmesiyle oluşmaktadır. Toprak havası Toprak havası, atmosfer ile aynı yapıya sahip olmakla beraber CO 2 oranı bakımından farklılık gösterir. Toprak havası atmosfere oranla daha fazla CO 2 kapsamaktadır. Bunun nedeni kök faaliyeti sonucu açığa çıkan ya da toprakta cereyan eden kimyasal olaylardan oluşan CO 2 gazının toprak havasında CO 2 miktarını artırmasıdır. 5

6 Toprak kirlenmesi bakımından toprak tanelerinin büyüklüğü ve kimyasal yapısı ile toprağın su tutma kabiliyeti toprağın önemli özelliklerini oluşturur. Toprağın kirlenmesi veya kirlenmiş topraklar aynı zamanda yer altı ve yüzey sularının kirlenmesine sebep olur. Pek çok yüzey suyunun kimyasal yapısı, özellikle düşük akış dönemlerinde birinci derecede toprak üzerindeki faaliyetlerden ve toprak alt tabakalarının jeolojik formasyonlarından etkilenir. 6

7 Toprağın kimyasal bileşimi Toprağın değişmez oranlı bir bileşimi olduğu söylenemez. Toprak, değişik orandaki dört maddenin bileşiminden meydana gelir. Sürekli kimyasal ve fiziksel faktörlerin etkisi altında kalan kayalar parçalanırlar ve sonuçta değişik büyüklükteki parçacıklardan oluşmuş kum, silt ve kil gibi toprak biçimleri ortaya çıkar. Bunlar içerisinde kil en ince tanecikli topraktır. 7

8 Topraktaki başlıca temel maddeler şöyle sıralanabilir: Kum (Silis): Silisyum dioksit'in ince tanecikler durumunda olan şeklidir ve toprağın belli başlı maddeleri arasında yer alır. Granit kayaların ve kuvars kayalarının parçalanmalarından meydana gelir. Kil: Feldispat denilen taşların ufalanmasıyla meydana gelir. Bir sulu alüminyum silikat olan kil zerreleri birbirlerine çok kuvvetle tutunduklarından yapışkan bir durumda bulunurlar. Kil de kum gibi bitkiler için bir besin değildir. Saf halde olmayan kilin içinde demir, sodyum, kalsiyum gibi maddeler değişik oranlarda bulunur. Kilin suyu emme derecesi %70 oranındadır. Bu yüzden su ile karşılaşır karşılaşmaz hızla içine çeker ve çektiği suyu kolayca bırakmaz. 8

9 Topraktaki başlıca temel maddeler şöyle sıralanabilir: Kireç: Toprağı meydana getiren maddeler içinde bitkilerin ana besinidir. Toprakta topak ve zerreler durumunda bulunan bir kalsiyum karbonattır. Toprağın kabarık kalarak hava almasına da yardım eder. Humus: Bitkisel ve hayvansal kalıntıların toprakta çürümesinden meydana gelen organik bir maddedir. Humus, toprak içindeki bakterilerin kimyasal başkalaşımla meydana getirdiği bir madde olduğu için bileşimi çeşitlidir. Humus, suyu ve ısıyı fazla emer. İyi bir tarımsal toprağı meydana getiren maddelerin bileşimi; % 60 kum (silis), % 20 kil, % 12 kireç, % 8 humustan meydana gelir. 9

10 Toprağın mineral bileşimi Bilinen bütün doğal elementler toprakta bulunabilir ancak bu elementlerden O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, P, Mn, S, Cl ve C olmak üzere 14 tanesi yer kabuğunun %99.8 ini oluştururlar. Diğer elementlerin topraktaki miktarı çok azdır. Bu 14 elementten sadece O, Si, Al ve Fe toprak inorganik bileşiminin %90 nını meydan getirirler. Örneğin kalker üzerinde oluşan toprakta CaO oranı %18.72 iken granit üzerinde oluşmuş toprağın CaO kapsamı %1.84 tür. Bu rakamlar toprağın mineral bileşimini genellikle oluştuğu ana kayaya bağlı olduğunu göstermektedir. Ancak toprak oluşumu sırasında gerçekleşen kimyasal olaylar sonucunda yeni minerallerin ortaya çıkmasıyla toprağın mineral bileşimi ana kayadan farklılık gösterebilmektedir. 10

11 Toprağı oluşturan mineraller Mineraller iki veya daha fazla elementin birleşmesinden oluşan inorganik bileşiklerdir. Kayalar ise minerallerin bir araya gelmesinden oluşmuşlardır. Kayaların fiziksel parçalanma ve kimyasal ayrışmaları sonucunda yapılarındaki mineraller toprağa geçer. Toprakta bulunan mineraller primer ve sekonder olmak üzere iki grupta incelenirler. 11

12 Toprağı oluşturan mineraller Primer mineraller: Ana kayanın parçalanıp ayrışması sonucunda ortaya çıkarlar. Genellikle kum ve silt fraksiyonlarında bulunurlar. Bazı hallerde kil fraksiyonunda yani 2 mikrondan küçük toprak fraksiyonu, içinde primer mineraller rastlanır. Toprakta yaygın olarak bulunan primer mineraller, Kuvars, Feldspat, Piroksen, Amfibol, Olivin ve Mika dır. Sekonder mineraller: Primer minerallerin ayrışma ve parçalanmalarıyla oluşurlar. Topraklardaki minerallerin bileşik özellikleri toprakta cereyan eden fiziksel ve kimyasal olaylar bakımından çok önemlidir. Bu nedenle toprakta bulunan minerallerin bileşim ve özelliklerini bilmek toprak kimyası açısından önemlidir. 12

13 Toprağı oluşturan mineraller Oksit grubu mineraller: Bu gruba oksitler, hidroksitler girmektedir. Bunlardan toprak kimyası bakımından önem taşıyanlar şunlardır: Silisyum Oksitler: Kuvars, Kristobalit, Kalkodoni Demir Oksitler: Hematit, Limonit, Magnasit, Geotit Alüminyum Oksitler: Korendon, Gibsit, Diaspor Manganez Oksitler: Manganit, Hausmanit, Prolusit Titanyum Oksitler: Rutil, İlmenit 13

14 Toprağı oluşturan mineraller Karbonat grubu mineraller: Karbonik asidin tuzlarıdır. Bu gruba örnek mineraller; Kalsit, Dolomit, Siderit Fosfat grubu mineraller: Ortofosforik Asit (H3PO4) tuzlarına fosfat mineralleri denir. Örnek olarak Apatit, Fluorapatit, Hidroksipalatit, Vivanit, Vavelit. Kükürt grubu mineraller: Bu gruba örnek mineraller Pirit ve Jips tir. Silikat grubu mineraller: Metasilis, Ortosilis ve Polisilis asidi tuzları olmak üzere üç kısma ayrılır. 14

15 Toprağın mineral bileşimine etki eden faktörler Ana materyalin bileşimi Ana materyalin birleşimi toprağın mineral birleşimini etkiler. Toprak oluşumu sırasında cereyan eden kimyasal olaylara bağlı olarak ana materyal ile toprağın mineral birleşimi arasında önemli farklar meydana gelebilmektedir. 15

16 Toprağın mineral bileşimine etki eden faktörler Minerallerin ayrışma olaylarına dayanıklılığı Minerallerin ayrışma olaylarına dayanıklılığı toprakların ana bileşimlerine etki eder. Mika minerali buna örnektir. Beyaz mika ayrışma olaylarına dayanıklıdır. Çünkü oktaheder tabakada Fe ve Mg bulunmaz. Minerallerin yapısal özelliklerindeki farlılıklar bunların ayrışmaya dayanıklılıklarını etkilemektedir. Genel kural olarak açık renkli minerallerin koyu renklilere göre daha dayanıklı olduğu söylenebilir. 16

17 Toprağın mineral bileşimine etki eden faktörler Ayrışma ve parçalanma olaylarının şiddeti Ayrışma hızının toprağın mineral bileşimine etkisi tipik olarak Podsol tipi topraklarda görülmektedir. Bu toprakta asitliğin artmasıyla ayrışma şiddetlenir. Kil mineralleri parçalanarak alt horizonlara taşınır. Tropik bölge topraklarından olan Lateritler de ise şiddetli ayrışma sonucu Si kolloidal hale geçerek yıkanır. Fe, Al ve Ti oksitler ise yüzeyde birikir. 17

18 Toprağın mineral bileşimine etki eden faktörler Toprak oluşumunda kimyasal ayrışma olayları Toprakta cereyan eden kimyasal ayrışma olayları gerek ana kayanın ayrışmasından ve gerekse ayrışma ürünlerinin yeni bileşiklere dönüşmesinde rol oynarlar. Ayrıca bu olaylar toprak oluşumundan sonra da devam ederek zamanla toprak yapısının değişmesine neden olurlar. 18

19 Toprağın mineral bileşimine etki eden faktörler Toprak oluşumunda kimyasal ayrışma olayları Kimyasal ayrışma olayları kaya ve minerallerin yüzeylerine cereyan ettiği için yüzeyi ne kadar geniş olursa diğer bir deyimle daneler ne kadar küçük ise ayrışma hızı o oranda artar. Bu yüzden fiziksel parçalanma kimyasal ayrışmaya zemin hazırlayıcı niteliktedir. Kimyasal olaylarda en önemli etken sudur. Çünkü su hem iyi bir çözücü hem de zor çözülen bileşiklerin parçalanmalarını kolaylaştıran bir maddedir. Ayrıca toprakta inorganik ve organik asitlerin oluşmasını sağlar. Kimyasal ayrışma olaylarında diğer önemli etmenler; CO2, O2 ve H iyonlarıdır. 19

20 Toprak oluşumunda kimyasal ayrışma olayları Hidratasyon: Hidratasyon olayı minerallerin bünyelerine su almaları olayıdır. Suyun mineraller tarafından tutulması suyun dipol karakterinden kaynaklanmaktadır. Su molekülü dipol özelliklerinden dolayı, kristal kafes yüzeyindeki anyonlar ve katyonlar tarafından tutularak minerallere bağlanır. Hidroliz (absorbsiyon): Kimyasal ayrışma olayları içerisinde önemli bir yeri olan hidroliz olayı bir bileşiğin, suyun hidrolizi sonucunda oluşan H ve OH iyonlarından birini ya da her ikisini bünyesine alarak yeni bileşikler oluşturmasıdır. 20

21 Toprak oluşumunda kimyasal ayrışma olayları Oksidasyon: Toprakta cereyan eden en önemli olaylardan birisi de oksidasyondur. Kimyasal anlamda oksidasyon bir elementin elektron vererek değerliğinin yükselmesidir. Daha basit bir tanımlamayla oksijen alma ya da hidrojen verme eylemidir. Oksidasyon olayı ile ayrışma genelde Fe ve Mn içeren minerallerde görülür. Redüksiyon: Bir element kimyasal değişmelerde elektron alıyor ve değerliliği azalıyorsa bu olaya Redüksiyon (indirgenme) denir. Oksidasyon un tam tersidir. Oksidasyon olayı oksijen varlığında oluşurken, redüksiyon kötü havalanma koşullarında ve oksijenin yokluğunda gerçekleşir. 21

22 Toprak oluşumunda kimyasal ayrışma olayları Çözünme: Çözünme şeklindeki ayrışma çoğunlukla suda kolay çözünebilen alkali ve toprak alkalisi tuzlarda görülür. Çünkü su topraktaki birçok mineral için zayıf bir çözücüdür. Fakat içinde CO2, organik ve inorganik asitler ya da tuzlar bulunması halinde çözme gücü artar. Bu nedenle toprak çözeltisi ve CO2 li suların kimyasal ayrışma olaylarında önemli etkileri vardır. 22

23 Toprakta bulunan serbest oksitler Ayrışma olayları sonucunda oluşan bileşiklerin tarımsal açıdan en önemlileri kil mineralleri olmakla beraber Si, Al, Fe, Mn ve Ti oksitler, hidroksitler ve oksihidroksitler de büyük önem taşımaktadır. Bu bileşikler serbest oksitler olarak adlandırılırlar. Toprakta bulunan serbest oksitler, SiO ve Silis asitleri, Kuvars, Kristobalit, Kalkadoni, Alüminyum oksitler, Demir oksitler, Manganez oksitler, 23

24 Topraktaki serbest oksitlerin önemleri şöyle özetlenebilir. Toprakta iyi bir strüktür oluşumu sağlarlar. Yapıştırıcı özelliklerinden dolayı toprak zerrelerini birbirine bağlamak suretiyle agregatlaşma ve strüktür oluşumunda önemli rol oynarlar. Toprağın su tutma kapasitesini artırırlar. Serbest oksitler suyu bağlama yeteneklerinden dolayı toprakta daha çok su tutulmasını sağlarlar. Az miktarda da olsa anyon ve katyon değişimi yaparlar. Fosfat iyonlarıyla suda çözünmez bileşikler oluşturarak fosforun bitki tarafından alınamaz forma dönüştürürler. 24

25 TOPRAĞIN KİMYASAL ÖZELLLİKLERİ Toprağın kimyasal özelliklerini içerdiği kilin çeşidi ve yapısı, katyon değişim kapasitesi, ph sı, değişebilir sodyum yüzdesi, tamponluk kapasitesi, toprak organik maddesi, sodyum adsorpsiyon oranı, ağır metal içeriği, kireç içeriği ve elektriksel geçirgenliği oluşturur. 25

26 İyon değişimi Toprakların en önemli kimyasal özelliklerinden birisi de iyon değişimi yapabilmeleridir. Topraktaki katı ve sıvı ortamlar arasında gerçekleşen katyon ve anyon geçişimine iyon değişimi denir. Gübreleme veya başka nedenle toprak çözeltisindeki iyon konsantrasyonu artarsa, fazla iyonlar toprak katı fazındaki sorbentler tutularak katı faza bağlanırlar. Böylece iki ortam arasındaki iyon dengesi korunmuş olur. 26

27 İyon değişimi İyon değişimi olayı, bitki besleme ve tarımsal üretimin arttırılması açısından son derece önemli bir olaydır. Çünkü iyon değişimi sayesinde bitki besin elementlerinin yıkanarak kök bölgesinden uzaklaşması önlenmekte, üstelik bitki gereksinim duyduğunda katı fazdan sıvı faza geçen iyonlarla bitkinin gereği gibi beslenmesi sağlanmaktadır. 27

28 İyon değişimi Toprakta iyon değişimi yapabilen başlıca sorbentler, kil mineralleri ve organik madde (Humus) dir. Kil mineralleri ve humusun iyon değişimi yapabilmesi, bunların çeşitli nedenlerle + ve yük kazanmalarından veya iyonlarla yer değiştirmeye uygun atom ya da atom grupları kapsamalarından kaynaklanmaktadır. 28

29 İyon değişimi Kil mineralleri: Ayrışma olayları sonunda meydana gelen sekonder mineraller içinde en önemli olanları kil mineralleridir. Çünkü toprağın iki mikrondan küçük fraksiyonu en aktif fraksiyonudur. Bu aktiflik kil minerallerinden ileri gelir. Toprakların fiziksel ve kimyasal özellikleri bitki-gübre ilişkileri, toprakların sınıflandırılmaları, iyon değişimi gibi tarımsal açıdan çok önemli konular kil minerallerinin yapı ve özellikleriyle ilişkilidir. Kil mineralleri dizilişlerine göre iki tabakalı veya üç tabakalıdırlar. İki tabakalı kil mineralleri, 1 tabaka Al Oktaheder, 1 tabaka Si Tetraheder Üç tabakalı kil mineralleri, 1 tabakalı Si Tetraheder, 1 tabaka Al Oktaheder, 1 tabaka Si Tetraheder den oluşmuştur. 29

30 İyon değişimi Organik madde: Toprakta organik maddenin kaynağını bitkisel artıklar oluşturur. Bitkilerin gerek toprak üstü kısımları gerekse kökleri toprakta kalarak toprağı organik madde sağlarlar. Ayrıca toprağa ahır gübresi vermek, yeşil gübreleme yapmak ve anız bırakmak toprağın organik madde kapsamını artırmaya yönelik tedbirlerdir. 30

31 İyon değişimi Organik madde: Toprağa düşen bitki artıkları ayrışmaya uğrar. Ayrışma mikroorganizma faaliyetiyle gerçekleşir. Ayrışma sonucu humus meydana gelir. Humus un belirli bir bileşimi yoktur. Çünkü homojen bir madde değildir. Bitki dokularının ayrışma ürünleri olan lignin, karbonhidratlar ve proteinler birleşerek lignoproteinat bileşiklerini oluştururlar. Bu bileşikler de hidrojen ve bazlarla birleşerek humatları ve hümik asitleri meydana getirirler. Humus, humik asitlerin ve humatların ileri derecede ayrışmış bitki artıklarıyla karışmasından oluşan koyu renkli ve heterojen bir karışımdır. 31

32 İyon değişimi Organik madde iki fraksiyondan meydana gelmektedir. Hümik olmayan maddeler Hümik madde fraksiyonları Fulvik asitler Humik asitler Hüminler 32

33 İyon değişimi Organik maddenin tarımsal önemi aşağıdaki gibi özetlenebilir. Toprakların gevşek ve geçirgen bir yapı kazanmalarını sağlar. Böylece toprağın havalanma ve su tutma kapasitesi artar. Toprağın agregatlaşmasını sağlar. İyi bir strüktür oluşturur. Toprak zerrelerini birbirine yapıştırarak erozyonu önler. Organik maddenin ayrışmasıyla oluşan bitki besin maddeleri toprak verimliliğini de artırır. Toprak mikroorganizmalarını yaşamları için gerekli besin ortamı organik maddedir. Mikroorganizmalar beslenmek ve enerji sağlamak amacıyla organik maddeyi ayrıştırırken bitki besin maddelerinin serbest hale geçmesine neden olur. İyonları toprakta tutarak yıkanmalarını önler. Sorbent olarak görev yapar. Toprak ısısını korur. 33

34 Katyon değişimi Bir toprak örneği HN4Cl çözeltiyle bir süre çalkalanırsa HN4 iyonlarının bir kısmının toprak tarafından tutulduğu, bazı katyonların da topraktan çözeltiye geçtiği görülür. Bu olayda HN4 iyonları, sorbentlerce tutulmuş bazı katyonları yerinden sökerek kendisi onların yerine geçmiştir. Bu olaya Katyon Değişimi denir. HN4 iyonları bu olayda adsorbe edilmiş, çözeltiye geçen iyonlar ise desorbe olmuşlardır. 34

35 Katyon değişimi Bir katyonla yer değiştirerek çözeltiye geçen Na, Ca, K, Mg, Al, H gibi katyonlara değişebilir katyonlar denilir. Kuru toprağın adsorbe edileceği katyon miktarına tanım olarak Katyon Değişim Kapasitesi (KDK) denir. Her bir katyonun KDK içindeki % miktarına söz konusu elementin doygunluğu denir. Özel olarak Na, K, Ca ve Mg katyonların KDK içindeki toplam % miktarına Baz Doygunluğu denir. Bir toprakta baz doygunluğu %80 dir denirse, bunun anlamı KDK nın %80 nini Ca, Mg, K ve Na oluşturuyor demektir. 35

36 Katyon değişimi KDK, ekstraksiyonda kullanılan çözeltinin bileşimine ve ph sına göre değişmekte ve ph arttıkça artmaktadır. KDK ölçümü için en uygun ph derecesi dir. Bu ph da ölçülen kapasite maksimum kapasitedir. Buna potansiyel KDK denir. Bir de gerçek kapasite vardır. Toprağın sabit olduğu ph derecesinde ve tamponlanmış nötral bir çözeltiyle belirlenen kapasite gerçek KDK dır. Karbonat içeren topraklarda her iki kapasite değeri aynıdır. Fakat asit reaksiyonlu topraklarda potansiyel kapasite daha yüksektir. 36

37 Katyon değişim kapasitesini etkileyen faktörler Kil mineralleri ile ilgili faktörler Bilindiği gibi toprağın değişim kompleksleri asal olarak kil mineralleri ve organik maddedir. Az miktarda da silis asitleri ve serbest oksitler iyon değişimine katılırlar. Bunların topraktaki miktarları ne kadar fazla ise KDK de o oranda yüksek olur. Ancak bu öğelerin miktarı yanında bileşim ve bazı özellikleri de KDK üzerine etkili olmaktadır. Örneğin, organik madde ve kil kapsamı aynı olan iki toprağın birinde kaolonit diğerinde montmorillonit minerali daha yüksek miktarda ise montmorillonit kapsayan toprağın KDK sı kaolonite oranla daha yüksektir. Bu nedenlerle KDK üzerine etkili faktörlerin ayrı ayrı incelemek gerekir. 37

38 Katyon değişim kapasitesini etkileyen faktörler Özgül Yüzey: Toprak zerrecikleri toprak havasından gazları, toprak çözeltisinden ise iyonları yüzeylerine adsorbe edebilmektedirler. Toprak zerreciklerinin katı-gaz, katı-katı ve katı-sıvı biçimindeki bu temas yüzeyleri gr/m 2 olarak Özgül Yüzey denir. İyonların bağlanabileceği yüzey olması nedeniyle özgül yüzey arttıkça sorbentin KDK sı de artmaktadır. Kil mineralleri içerisinde en yüksek özgül yüzeye üç tabakalı ve tabakaları genişleyen killer sahiptir. İllit ve Kaolonit in ise özgül yüzeyi oldukça düşüktür. KDK özgül yüzeye bölünürse Yük yoğunluğu elde edilir. Birimi me/m2 dir. Yük yoğunluğu bir katyona ne kadar alan düştüğünü gösteren bir kriterdir. 38

39 Katyon değişim kapasitesini etkileyen faktörler Elektrik Türü ve Yükü: Kil mineralleri iyonik yer değiştirme veya OH gruplarındaki hidrojenlerin dissosiye olmasıyla negatif yük kazanmaktadır. Bu yüklere kristal kafese bağlı oldukları için daimi Permanent yük denir. Bu tür yükten başka kil minerallerinde bir de değişken yük vardır. Değişken yük ph a ve ortamdaki tuz konsantrasyonuna göre değişir. Kil minerallerinde ph ya bağlı yük yanal yüzeylerde bulunan fonksiyona grupların amfoter özelliklerinden kaynaklanır. Bu fonksiyonel gruplar ph 5-6 nın anyon, üzerinde ise katyon değişimi yaparlar. Ayrışma ve parçalanma olayları sonucunda Si-O-Si ve Al-O-Al bağlarında kopmalar olur. Ortaya çıkan serbest yükler suyun iyonları tarafından nötralize edilir. 39

40 Kil minerallerinin KDK ları yapı ve özelliklerine göre değişir. Bunun nedeni silikat tabakalarındaki ve tabakaların genişleme özelliklerinin farklı olmasıdır. Kaolonite katyon değişimi esas olarak yanal yüzeylerindeki OH gruplarıyla gerçekleşmektedir. Montmorillonit ve Vermikulit ise hem iyonik değişim ile sağlanan yük fazladır hem de tabakaların genişleme özellikleri vardır. Bu nedenle KDK ları fazladır. İllitin daimi yükünün fazla olmasına karşılık tabakaları genişlemediği için diğer üç tabakalı killere oranla KDK sı düşüktür. Kloritte de bu durum aynıdır. Ancak tabakaları arasında gibsit bulunan sekonder klorit de KDK biraz daha yüksektir. 40

41 Organik madde ile ilgili faktörler Organik madde poröz Gözenekli bir yapıya sahip olduğu için özgül yüzeyi çok fazladır. Yaklaşık m 2 /gr dir. Yük yoğunluğu da kil minerallerine oranla daha yüksektir. Organik maddenin kazandığı yük tamamen ph ye uygun bağlı yüktür, ph arttıkça COOH, -OH, -NH gibi fonksiyonel grupların dissosiyasyon gücüde artar. Böylece ph artışı organik maddenin KDK sını artırır. 41

42 Organik maddenin KDK sı üzerine fonksiyonel grupların asitlik dereceleri de önemli rol oynar. İyi ayrışmış organik maddenin 8 ph derecesinde KDK sı ( me/100 gr) dır. Bu değer kil minerallerine oranla daha yüksektir. Bunun nedenler ise; Organik maddenin daha geniş özgül yüzeye sahip olması Fonksiyonel grupların sayısının fazlalığı Organik maddedeki fonksiyonel grupların daha kolay dissosiye olarak reaksiyona girmeleridir. Hümik maddelerin KDK sı organik maddeden daha yüksektir. Çünkü organik madde içerisinde hümik maddeler de vardır ve bunlar iyon değişimi yapamazlar. 42

43 Hümik maddeler içerisinde fulvik asitlerin katyon değişim kapasiteleri diğerlerine oranla daha yüksektir. Çünkü fulvik asitlerde fonksiyonel grupların sayısı daha fazladır. İyi ayrışmış organik maddede hümik ve fulvik asitler oluştuğundan, KDK da artar. 43

44 Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler Katyonun Türü: Katyonların sorbentler tarafından adsorbe ve desorbe edilmeleri farklı olmaktadır. Bu durumu Na ve K iyonları için bir örnekle açıklayalım. İyon örtüsü tamamen NH4 iyonlarından oluşan montmorilloniti eş değer miktarlarda KCL ve NaCl çözeltileriyle çalkalayalım. Bu durumda Na ve K nın aynı değerlerde olmalarına karşın farklı miktarlarda tutuldukları görülür. 44

45 Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler Katyonların farklı miktarlarda tutulmaları; Katyonun değerliğine Katyonun hidratasyon derecesine Katyonun polarizasyonuna bağlıdır Katyonların sorbent düzeylerinde adsorbe edilmeleri Coulomb kuvvetleriyle açıklanmaktadır. Bu nedenle bir katyonun adsorbsiyon gücü elektrik yüküne (değerliğine) ve büyüklüğüne bağlıdır. Diğer faktörler dikkate alınmaz ise katyonun yükü ne kadar fazla olursa tutulma gücü o oranda yüksek olur. Örneğin; Al+3 > Mg+2> K- şeklinde bir tutulma söz konusudur. 45

46 Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler Değerliğinin etkisi altında daha çok çözeltinin konsantrasyonuna bağlıdır. Konsantrasyon azaldıkça, değerliliği yüksek ve düşük olan katyonlar arasındaki adsorbsiyon farkı artmaktadır. Doğada toprak çözeltisinin konsantrasyonu yağış, sulama, buharlaşma gibi olaylar sürekli değişmektedir. Aynı değerli katyonların tutulma güçleri üzerine (K, Na, Ca, Mg ) bu olayların pek etkisi olmaz. Farklı değerdeki katyonlar söz konusu olunca yüksek değerliğinin adsorbsiyon gücünün, düşük değerli olanın ise desorbsiyon gücünün arttığı söylenebilir. 46

47 Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler Hidratasyon dipol karakterli su moleküllerinin iyonlar tarafından çekilmesinden ileri gelir. Hidratasyon derecesi, iyon tarafından çekilerek bağlanan su moleküllerinin sayısıyla ölçülür. Hidratasyon derecesi elektrik yüküne ve iyonun çapına bağlıdır. Yük arttıkça ve çap küçüldükçe hidratasyon derecesi azalır. Alkali ve toprak alkalisi metallerin hidratasyon durumları aşağıdaki gibidir. Li Na K Rb Cs Mg Ca Sr Çok hidrate olan iyon daha zayıf tutunur. Buna göre tutunma gücü bakımından iyonlar aşağıdaki gibi sıralanırlar. Li Na NH4 K Rb Cs Mg Ca Sr Al Tutunma gücünün zayıftan kuvvetliye doğru durumunu gösteren bu sıralamaya LIOTROP SIRA denir. 47

48 Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler Coulomb kanununa göre iki kütlenin birbirini çekmesi aradaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Bu nedenle çap arttıkça hidratasyon derecesi azalır. Hidrojen iyonlarının adsorbsiyonu bağlanma şekilleriyle ilgilidir. Eğer H organik maddedeki zayıf asit bulutlarınca bağlanıyorsa bu durumda adsorbsiyon şiddeti oldukça yüksektir. Fakat kil yüzeylerinde tutuluyorsa tutunma şiddeti Na ile K arasındadır. Bir katyonun polarizasyon, aşırı dehidratasyon nedeniyle negatif ve pozitif yük merkezlerinde kaymalar olmasıdır. Adsorbsiyon sırasında bir katyon büyük ölçüde hidratasyon suyu kaybederse elektron tabakaları deformasyona uğrar. Yani yük merkezleri kayar. Alkali ve toprak alkalisi metallerde çap büyüdükçe polarize olma gücü artar. Polarizasyon etkisi özellikle Cs ve Rb elementlerinde görülür. Polariza olan katyonlar daha zayıf bağlanırlar. Katyonun Konsantrasyonu: Bir katyonun toprak çözeltisindeki konsantrasyonu ya da diğer katyonlara oranı arttıkça adsorbe edilen miktarları da artmaktadır. 48

49 Toprakta bitki ve besin maddelerinin fiksasyonu Toprakta, suda çözülebilir formda bulunan bitki besin maddelerinin, toprağın organik ve inorganik bileşenleriyle reaksiyona girerek suda çözülemez formlara dönüşmesine Fiksasyon denir. Bitki besin maddelerinin toprak öğeleri tarafından tutulmaları iki mekanizmayla cereyan etmektedir. Adsorbsiyon Kimyasal Çökelme 49

50 Toprakta bitki ve besin maddelerinin fiksasyonu Adsorbsiyonla toprağa bağlanan bitki besin maddelerinden bitkiler yararlanabilirler. Toprak çözeltisinde bir iyonun konsantrasyonu azalırsa toprak tarafından adsorbe edilmiş bulunan iyonlar çözülerek çözeltiye geçerler ve bitkilerce alınabilirler. Ancak toprak öğeleri tarafından çözeltiye geçemeyecek durumda bağlanmış ya da çözünmeyen bileşikler oluşturarak çökmüş olan bitki besin maddelerinin alınmaları mümkün değildir. Örneğin toprakta bulunan ya da gübre olarak toprağa verilen fosfat iyonları, toprak çözeltisinde bulunan Fe ve Zn iyonlarıyla birleşerek Fe ve Zn hidroksifosfat bileşiklerini oluştururlar. Su da çok az çözülebilen bu bileşikler çökerek H2PO4, Fe ve Zn iyonlarıyla beslenmesini sınırlandırırlar. Bilinçsiz fosforlu gübre uygulamalarında bitkilerde Fe ve Zn noksanlıklarının görülmesinin nedenleri budur. 50

51 TOPRAĞIN ph SI Toprak hakkında genel bir bilgi edinebilmek amacıyla ilk önce toprakların ph sına yani asitlik-bazlık özelliğine bakılır. ph toprak çözeltisinde çözülmüş H iyonu konsantrasyonunun negatif logaritmasıdır. Toprak ph sı yani toprak reaksiyonu toprağın asit, nötr veya alkalin (bazik, kalevi) olduğunu gösterir. Toprak çözeltisinde, H iyonu konsantrasyonu OH iyonu konsantrasyonundan fazla ise toprak asidik, eşit ise nötr ve az ise alkalindir. Alkalin terimi alkali terimi ile karıştırılmamalıdır. Alkalin terimi reaksiyon ifade eder ve ortam ph sının 7 den büyük olduğunu gösterir. Alkali terimi ise sodyumluluğu ifade eder ve toprakta sodyum katyonunun hakim olduğunu gösterir. 51

52 ph tayini 2 mm den elenmiş topraktan 10 g tartılıp 150 ml lik bir beher içerisine konulur. Üzerine 1:2.5 toprak:saf su için 25 ml saf su, 1:5 toprak:saf su oranı için ise 50 ml saf su ilave edilir. Karışım 10 dakika ara ile 5-6 kez baget yardımıyla karıştırılır. Süspansiyonun berraklaşması için bir saat kadar beklenir. Bu arada toprak fraksiyonları tabana çöker ve üstte berrak bir su katmanı oluşur. Kalibre edilmiş ph metrenin elektrotu berrak üst kısma daldırılır ve çözeltinin ph değeri aletin dijital ekranından okunur. 52

53 ph tayini Toprağa ilave edilen saf suyun miktarı, ortamın tuz konsantrasyonu ve karbondioksit miktarı toprağın ph değerini etkilemektedir. Saf suyun miktarı artırıldıkça ph değeri artar. Ortam tuzunun artmasıyla (bazen saf su yerine 0.01 M CaCl2 ve KCl çözeltileri de kullanılmaktadır) ph değeri azalmaktadır. Kireçli topraklarda ölçüm sırasında oluşan karbondioksit de ph yı düşürmektedir. Bunun için çözeltinin saf su ile mi yoksa tuz çözeltisi ile hazırlandığı ve toprak:sıvı oranı ph değerinin yanında belirtilmelidir. Örneğin, bir A toprağının ph sı belirtilirken A toprağında ph=7.42 (1:2.5 toprak: saf su) diye bildirilir. Toprakların optimum ph sı arasıdır. 53

54 TOPRAĞIN ELEKTRİKSEL İLETKENLİĞİ Tuzluluk (EC = elektriki kondaktivite, elektriksel iletkenlik) herhangi bir çözeltinin belli bir sıcaklıkta elektrik akımını iletip iletmemesiyle ilgili değeri veren bir kavramdır. Toprakta, suda veya bir çözeltide tuz miktarı arttıkça elektriksel kondaktivite de artmaktadır. Toprakların EC leri 4 mmhos/cm den (4000 mhos/cm) küçükse az tuzlu, 4 mmhos/cm den yüksek ise tuzlu ve çok tuzlu diye nitelendirilirler. Tuz deyince akla sadece yemek tuzu (NaCl) gelmemelidir. Kalsiyum karbonat, kalsiyum sülfat, magnezyum nitrat, potasyum klorür, sodyum bikarbonat vb.leri hepsi birer tuzdur. 54

55 TOPRAĞIN ELEKTRİKSEL İLETKENLİĞİ 1:5 toprak:saf su olacak şekilde 150 ml lik bir cam behere 10 g toprak örneği tartılarak konur. Üzerine 50 ml saf su ilave edilir. Karışım bagetle 10 dakika ara ile 5-6 kez karıştırılır. Yaklaşık bir saat kadar beklenir. Süspansiyon durulunca EC ölçerin elektrotu berrak kısma daldırılarak sonuç aletin dijital ekranından okunur. 55

56 SODYUM ADSORPSİYON ORANI (SAR) Toprakta değişim reaksiyonlarında sodyum iyonlarının aktivitesini ifade etmek üzere toprak çözeltilerinde ve sulama sularında kullanılan bir orandır. Sulama sularındaki sodyumun sebep olduğu tehlikeler, toprağın sodyum adsorpsiyon oranı ile tariflenir. Bu oran; SAR Ca Na Mg Buradaki değerler me/l cinsinden ifade edilir. Gerçekte sodyumun zararlı etkisi toplam katı madde konsantrasyonuna da bağlıdır. 56

57 SODYUM ADSORPSİYON ORANI (SAR) SAR ın tipik değerleri: Sodyumun toprağa olan zarar derecesi Sulama suyunda SAR değeri Düşük (az) 0-10 Orta Yüksek Çok yüksek > 26 57

58 SODYUM ADSORPSİYON ORANI (SAR) Sodyumla ilgili diğer bir parametre sodyum yüzdesi dir. Na + olarak sodyum yüzdesi Na 100 Na 2 Ca Mg 2 K Buradaki değerler me/l cinsinden ifade edilir. 58

59 SODYUM ADSORPSİYON ORANI (SAR) Sulama suyunda Na + yüzdeleri: Su kalitesi Na + yüzdesi Çok iyi 20 İyi Orta Kabul edilmeyebilir Kabul edilemez >80 59

60 TOPRAĞIN KİREÇ İÇERİĞİ Topraktaki kalsiyum ve magnezyum karbonatlarının toplamına toprak kireci denilir. Kireç içeren topraklara kalkerli veya kireçli topraklar adı verilmektedir. Kireçli topraklar organik maddece zengin koyu renkli topraklara göre daha akçıl renklidirler. Kurak ve yarı kurak bölgelerin üst horizonlarında, yağışlı bölgelerin ise alt horizonlarında birikmektedirler. Yüzde 30 dan fazla kireç içeren topraklara marn adı verilmektedir. Kireçli toprakların ph sı alkalin olup reaksiyonları 7 ile 8.5 arasında değişmektedir. 60

61 Tarımda kireç ve kireçlemenin toprak verimliliğine etkileri Toprağın bileşiminde bulunan Ca ve Mg elementleri yağışların veya sulu tarım yapılan arazilerde sulama suyunun etkisi ile yıkanarak alt katmanlara taşınmakta ve yerlerini Hidrojen iyonları almaktadır. Bu durum toprak reaksiyonunun asit karakter kazanmasına neden olmaktadır. Bitki beslenmesi için en uygun ph aralığı dur. Bu sınırın aşağısında topraklar asit karakter; yukarısında ise bazik karakter kazanmaktadır. Her 2 halde de bitki beslenmesi güçleşir ve verim ile kalite düşer. Toprak asitliğini gidermek için toprağa kireç ilave etmek gerekir. 61

62 Tarımda kireç ve kireçlemenin toprak verimliliğine etkileri Genel anlamda kireçleme toprağın fiziksel özelliklerini geliştirmek, mikrofloranın yaşam koşullarını iyileştirmek ve toprak reaksiyonunu nötr duruma getirerek bitki besin elementlerinin bitkiye yararlı hale gelmesini sağlamak amacıyla toprağa Ca ve Mg içeren bileşiklerin verilmesi işlemidir. 62

63 Tarımda kireç ve kireçlemenin toprak verimliliğine etkileri Asit reaksiyonlu topraklarda kil minerallerinin parçalanması sonucunda serbest hale geçen Al ve Mn iyonları bitkiye toksit etki yaptıkları gibi, bitki besin elementlerinin bitki tarafından alınmasını engeller. Kireçleme ile toprak kolloidlerine bağlı Al, Mn ve H iyonları Ca ve Mg ile yer değiştirirler. Böylece toprak reaksiyonu yükselir ve Al ile Mn iyonları hidroksit bileşikleri halinde çökerek bitkiye zararsız hale geçerler 63

64 Tarımda kireç ve kireçlemenin toprak verimliliğine etkileri Yurdumuz toprakları genel olarak kireç bakımından zengindir. Karadeniz ve Marmara bölgeleri dışında yeterli ve hatta yüksek miktarda kireç bulunmaktadır. Marmara ve Karadeniz bölgelerinde ise fazla yağış yüzünden Ca ve Mg yıkanmakta ve topraklar gün geçtikçe asit karakter kazanmaktadır. Ancak diğer bölgelerimizde yer yer asit reaksiyonlu topraklara rastlanmaktadır. 64

65 Yaygın olarak kullanılan kireçleme materyalleri ve bunların özellikler aşağıda belirtilmiştir. Kalsiyum Oksit (CaO): Sönmemiş kireç olarak bilinir. Kireç taşının (CaCO 3 ) yüksek sıcaklıkta ( C) yakılmasıyla elde edilirler. Kalsiyum Hidroksit (CaOH 2 ): Sönmüş kireç ya da inşaat kireci olarak bilinir. CaO gibi beyaz bir toz halindedir. Cilde değmesi halinde zarar verir. CaO nun su ile muamelesinden elde edilir. Bu işleme kireç söndürme denir. Dolomik (Ca/MgCO 2 ): CaCO 3 ve MgCO 3 kapsayan bir tür tuzdur. 65

66 Tarımda kireç ve kireçlemenin toprak verimliliğine etkileri Toprakların kireç ihtiyaçları ph ve KDK ya bağlıdır. Kil ve organik maddece zengin topraklarda KDK yüksek olacağı için kireç ihtiyacı da yüksek olur. Kireçlemenin sağladığı en büyük yarar, asit reaksiyonlu topraklarda yüksek konsantrasyonlarda bulunan ve bitkilere toksik etki yapan Al ve Mn gibi elementlerin çözünürlüğünü azaltmasıdır. Bunun dışında toprak çözeltisini Al+3 iyonlarının artması Ca+2 alınımını azaltır. Diğer yandan Al iyonları P ile reaksiyona girerek suda çözünmeyen bileşikler oluştururlar (P fiksasyonu). Kireçleme ile bu sakınca da ortadan kalkar. Kireçlemedeki amaç, toprak reaksiyonunu bitki besin elementlerinin alınımı için en uygun derecelere getirmektir (ph ). Fazla kireç uygulaması da bitki gelişimine zarar verebilir. 66

67 Kükürt Uygulamalarının Toprak Verimliliğine Etkileri Bitkilerin normal verim ve kalitede ürün verebilmeleri için gereksinim duydukları S miktarı yaklaşık fosfora duydukları gereksinim kadardır. Ancak topraklara sürekli fosforlu gübreler verildiği halde kükürtlü gübre uygulamasına gerek olmaz. Çünkü Amonyum Sülfat, Potasyum Sülfat, Süper Fosfat gibi gübrelerde bulunan SO 4-2 iyonları bitkinin S ihtiyacını karşılamaya yeter. 67

68 Kükürt Uygulamalarının Toprak Verimliliğine Etkileri Ayrıca atmosferde bulunan SO 2 gazından dolayı yağışlarla yılda, dekara yaklaşık 5 kg S ilave olmaktadır. Bu nedenle gübre olarak toprağa kükürt uygulanması gerekli haller dışında yapılmamaktadır. Ancak, kükürtlemenin Alkalin topraklarda ph nın nötr duruma getirilmesinde önemi vardır. Toprak asitlerin giderilmesi için kireçleme yapılıyorsa toprak alkaliliğinin giderilmesinde de kükürt uygulaması yapılarak ph uygun duruma getirilebilir. Toprak ph sını düşürülmesinde kullanılan maddeler; elementer kükürt, sülfürik asit, Al sülfat, Fe ve Al fosfatlardır. Bu materyaller içerisinde temini ve uygulanması kolay olan elementer kükürt çok yaygın olara kullanılır. 68