Toprağın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

1. TOPRAĞIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ Toprağın fiziksel özelliklerini, toprağın katı fazını oluşturan maddelerin boyutları, bunların birbirlerine bağlanma durumları, agregat sistemleri, agregat veya toprak parçalarının diziliş ve duruş şekilleri teşkil etmektedir. Toprağın fiziksel özellikleri, toprakta havalanma, suyun toprağa sızması ve alıkonulması, köklerin nüfuzunu, toprakta bitki besin maddelerinin tutulmasını önemli ölçüde tayin etmektedir. Mesela kil gibi ince unsurlu maddelerden oluşan toprak kütlesinin havalanması ve suyun sızması güç olmaktadır. Buna karşılık taneli bir yapı gösteren topraklarda havalanma ve su dolaşımı mükemmel olarak cereyan eder.

1.1. Toprağın Bünyesi (Tekstür) Toprağın katı fazını kil, mil ve kum boyutundaki malzemeler oluşturmaktadır. Bu boyuttaki malzemelerin toprak içindeki nispi miktarları ve bunların birbirlerine göre oranları toprağın tekstürünü ifade etmektedir. Toprağın tekstür sınıflarına ayrımında toprağın kimyasal bileşimi, renk, ağırlık ve diğer özellikleri gözetilmeksizin sadece farklı boyuttaki parçaların toprakta bulunan parçaları esas alınmaktadır.

Toprağı oluşturan parçaların boyutu küçüldükçe 1 gr. da ki parçacık sayısı artmakta ve parçaların işgal ettikleri yüzey de genişlemektedir. Özellikle kilin parçacık sayısı ve yüzey alanının aşırı derecede geniş olması dikkat çekicidir. Kum büyük ebattadır ve eşit ağırlıktaki kil minerallerine göre çok yüzey işgal etmektedir. Bu bakımdan kumun, toprağın kimyasal ve fiziksel aktivitesindeki oynadığı rol ihmal edilecek kadar azdır. Kum toprak yapısında çatı vazifesi görmekte, hava ve suyun dolaşımını kolaylaştırmaktadır.

Mil, toprak ayrışmasını hızlandırır, bitkilerin büyümesi için eriyik haldeki besin maddelerinin tahliye edilmesinde kuma göre daha elverişli rol oynamaktadır. Ayrıca mil toprakta suyun yerçekimine karşı tutulmasında çok önemli bir yer işgal etmektedir. Demek ki milli topraklar, bitkilerin istifadesine elverişli olan suyu sağlamakta ve bu da dona karşı toprakları korumaktadır.

Kil, hem toprağın su tutma kapasitesini arttırır hem de toprak çözeltisindeki besin maddelerinin tutulmasını sağlar.Kil miktarı fazla olan topraklara ağır bünyeli, kum miktarı fazla olan topraklara ise hafif bünyeli denilmektedir. Toprağın tekstürel özelliği, toprağın plastiklik, sertlik, geçirgenlik, kuraklık, verimlilik vs. gibi özelliklerini etkiler.

Belli başlı tekstür sınıfları ise şöyledir: Kil, killi balçık, balçık, kum, balçıklı kum, kumlu balçık, kumlu killi balçık, kumlu kil, mil, milli balçık, milli killi balçık, milli kil.

1.2. Toprak Strüktürü Toprağın strüktürü, toprak parçalarının bir araya gelerek oluşturduğu sıralanma ve bunların duruş şekillerini ifade etmektedir. Bir toprak profilinde farklı horizonların strüktürü toprağın renk, tekstür veya toprağın kimyasal bileşimini ortaya çıkardığı kadar toprağın ana karakterini de yansıtır.

Toprağın strüktürü toprağın tekstürünün etkisine bağlı olarak değişir; ayrıca nem, havalanma durumu, mikroorganizmaların faaliyetleri, kök büyümesi ve gelişmesi, hatta topraktaki besin maddelerinin bitkiler tarafından alınmasını da etkilemektedir.

Toprak strüktürü esas itibariyle taneli, bloğumsu, levhamsı ve prizmamsı olmak üzere dört ana tipe ayrılır. Toprak strüktürü, topraktaki boşlukların şekillenmesi açısından son derece önemli olup, toprakta su ve havanın dolaşımını ve hareketini tayin etmektedir.

1.3. Toprağın Ağırlığı Topraktaki gözenek veya boşluklar su ve hava ile dolmaktadır. Bitkilerin beslenmesi için gerekli olan su ve havanın dolaşımı gözeneklerin miktarına ve ebadına bağlıdır. Toprak ağırlığı, topraktaki gözenek miktarıyla alakalıdır. Toprak ağırlığı hesap edilirken iki ayrı durumu dikkate almak gerekir. Bunlardan birincisi, sadece toprak kitlesi esas alınarak hesap edilen yoğunluktur ve topraktaki boşlukların oluşturduğu hacim dikkate alınmaz. İkincisi ise toprak parçaları arasında gözenek veya boşluklar hacme katılarak elde edilen toprak ağırlığıdır. Buna volüm veya görünen ağırlık denilmektedir.

1.4. Toprağın Rengi Toprağın almış olduğu renk, toprak oluşumunda ayrışma olaylarının şiddet ve seyrini yansıtmaktadır. Toprak ilk olarak oluşmaya başladığında rengi, ana materyalin rengine benzer. Ayrışmanın ilerlemesi, oksidasyonun artması ve organik maddenin toprağa karışması ile toprağın rengi koyulaşmaktadır. Organik maddeler, demir ve manganez bileşikleri toprağa renk veren unsurlardır. Bunlardan organik maddelerin oranı arttıkça toprağın rengi koyulaşmakta ve koyu siyah renkli topraklar oluşmaktadır. Demir minerallerinin hasıl ettiği renkler ise esmer, kırmızı ve sarı olup, bu renkler ferri hidroksitlerden ileri gelmektedir. Topraktaki yeşilimsi ve mavimsi renkler, indirgenme olayına işaret etmektedir. Bu renkler drenajı bozuk ve havalanmanın iyi olmadığı şartlarda oluşmaktadır.

Ferro demirin fazla olması durumunda toprak mavimsi renk almaktadır. Ayrıca topraktaki sarımsı renk, fazla miktarda demir oksitle ilgilidir; Yüksek oranda hidrate olmuş demir oksitler sarı renktedir, fakat hidrasyon azaldıkça renk kırmızılaşır. Dolayısı ile topraktaki kırmızı renk genellikle, iyi drenaj ve havalanma şartları altında dehidrate olmuş demir oksitler ile ilgilidir. Manganez bileşikleri genel olarak, toprağa esmer ve siyah renk vermektedir.

Diğer taraftan, profil boyunca toprak renginin önemli ölçüde değiştiği görülmektedir. Organik madde yönünden zengin A horizonu koyu renklidir. B horizonunda demir ve alüminyum bileşiklerinin oksidasyonuna bağlı olarak renk değişmektedir. Kalsiyum karbonat, jips, kuvars ve kil minerallerinin biriktiği alt zonlarda renk açıklaşmaktadır.

İklim bölgeleri ile toprak renkleri arasında sıkı bir ilişki mevcuttur. Kurak bölgelerde açık renkli, kurak ve sıcak bölgelerde kırmızımsı renkli topraklar, yağışlı ılıman kuşaklarda koyu renkli, sıcak ve nemli tropikal ve ekvatoral bölgelerde kırmızı renkli topraklar yaygın durumdadır.

1.5. Toprak Sıcaklığı Toprakta bitkilerin yetişmesi, mikroorganizmaların faaliyeti, organik maddenin parçalanması ve mineralizasyonu ile topraktaki kimyasal olayların devam etmesi için toprak sıcaklığı önemlidir. Toprağın sıcaklığı ve nemi yeterli miktarda ise toprak dahilindeki biyolojik ve kimyasal faaliyetler devam eder. Toprak donduğu zaman bu faaliyetler durur.

Toprağın sıcaklık bilançosu, güneşten gelen enerjinin tutulması veya ısıtılmasına bağlıdır. Koyu renkli topraklar gelen enerjinin % 80’ ini , açık renkli kuvars kumları ise % 30’ unu tutmaktadır. Toprakta tutulan sıcaklık suyun buharlaşması, toprak yüzeyindeki havanın ısıtılması, toprağın ısıtılması ve uzun dalga ışınlar halinde tekrar atmosfere dönmesi halinde harcanır. Toprağın ısınma ve soğuma kapasitesi, toprakta bulunan su miktarına, toprağın yüzeyini örten organik madde ve bitki örtüsüne bağlıdır.

2. TOPRAK SUYU Toprakta bulunan su, bitkilerin yetişmesi, toprak içindeki biyolojik faaliyetlerin devamı, çeşitli ayrışma ve özellikle iyon alışverişinin sağlanması bakımından son derece önemlidir.

Toprakta suyun tutulması Adhesion ve Kohezyon yoluyla olmaktadır. Adhesion, katı toprak parçacık yüzeylerinin suyu çekme kuvvetidir. Su, toprak parçacıklarının iç ve dış yüzeylerinde bulunan elektriksel alandaki elektrostatik kuvvetlerle tutulmaktadır. Birkaç su molekülünden ibaret olan tabakalar, kuvvetli Adhesiv kuvvetler sayesinde toprak parçacıklarını kuvvetli olarak sarmaktadır. Bu suya adhesion suyu denilmektedir. Adhesion suyu çok küçük ölçüde hareket etmekte, dolayısıyla bitkilere faydalı olamamaktadır.

Kohezyon olayı su moleküllerinin birbirini çekmesidir. Toprak dahilinde su moleküllerinin birbirini çekmesi ile tutulan suya kohezyon suyu denilmektedir. Kohezyon suyunda su molekülleri daha fazla hareket etmekte dolayısıyla da bu suyun yaklaşık 2/3’ ü bitkiler tarafından kullanılır.

Su ile doygun olan topraklarda suyun hareketi, kuru veya doygun olmayan topraklara doğrudur.Bitki kökleri tarafından suyun absorbe edilmesi de suyun hareketini sağlar.

2.1. Gravitasyon Suyu Doygun haldeki bütün toprakların gözeneklerini dolduran su basınç altındadır. Bu durumda gözeneklerde bulunan su, çok yüksek basınç sahasından düşük basınç alanlarına doğru serbest halde akmaktadır. Bu hareket yerçekiminin etkisiyle olmaktadır.İşte, yerçekiminin etkisiyle toprak dahilinde hareket eden suya gravitasyonal veya serbest su denilmektedir.

2.2. Kapilar Su Yerçekiminin etlisiyle topraktan sızan su, topraktan tamamen ayrıldıktan sonra toprakta kalan su miktarına kapilar su ya da tarla kapasitesi denilmektedir. Bu su toprakta otuz mikrondan daha küçük gözeneklerde tutulur. Kapilar su toprak parçacıkları dahilinde adhesion ve kohezyon kuvvetleri tarafından 1/3 ile 31 atmosfer basınç altında tutulmaktadır.

Topraktaki kapilar suyun hareketini ve depolama kapasitesini toprağın tekstür, strüktür ve organik madde durumu tayin etmektedir. Gerçekten de bir toprak ne kadar ince bünyeli ise kapilar boşluk miktarı o kadar fazla olmaktadır.

2.3. Hidroskopik Su Toprak kolloidleri tarafından 31 atmosfer veya daha fazla basınçla tutulan sudur. Toprak zerreleri tarafından tutulan bu su tanelerin iç ve dış yüzeylerini çok ince bir tabaka olarak örter. Bu haldeki su, sıvı durumunu ve akışkanlığını kaybettiğinden bitkilere faydalı olamaz.

3. TOPRAĞIN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ Kimyasal bakımdan topraklar basit yapılı tuzlardan başlayarak çok fazla karmaşık olan organik ve inorganik bileşiklere kadar çok sayıda maddelerden oluşmuşlardır. Toprakta kimyasal olaylar, ardı arkası kesilmeyen bir surette devam etmekte olduğundan toprağın bileşimi de devamlı olarak değişmektedir. Bitkilerin yetişmesi ve beslenmesi bakımından önemli olan kimyasal olayların başında; topraktaki bitki besin maddelerinin miktarı, bu besin maddelerini depo eden absorbsiyon ve iyon değiştirme kapasitesi ile toprağın reaksiyonu gelmektedir.

Toprağın kimyasal özelliklerini belirtmek bakımından, toprakta bulunan mineral besin elementleri, genellikle killerin oluşturduğu inorganik ve organik toprak kolloidleri, katyon değişimi, toprağın reaksiyonu ve bitki besin elementleri üzerinde ana hatları ile durulacaktır.

3.1. Toprakta Bulunan Besin Maddeleri Topraktaki besin maddeleri ana kayadan kaynaklanan mineral elementler oluşturmaktadır. Katı yer kabuğunun % 98’ ini 8 element oluşturmaktadır. Bunlar sırasıyla, oksijen, silisyum, alüminyum, demir, kalsiyum, sodyum, potasyum ve magnezyumdur. Bunlardan oksijen ve silisyum kayaların % 75’ ini oluşturmaktadır.

3.2. Toprağın Kolloidal Fraksiyonları Toprak katı parçacıklarının yüzeylerinde moleküllerin ve iyonların toprak çözeltisinden çekilip bağlanmaları ve özellikle katyon değiştirme kapasitesinde etkili olan kil ve organik maddeler, toprak kimyası, bitki beslenmesi ve toprak reaksiyonu yönünden çok önemli rol oynamaktadır. Bu başlık altında toprak kolloidlerini oluşturan kil mineralleri ve organik maddeler üzerinde durulacaktır.

Tabiatta bileşimlerine göre iki türlü kil bulunmaktadır. Ilıman bölgelerde yaygın olan silikat killeri ve tropikal ve yarı tropikal bölgelerde baskın olan oksit killeridir. Bilindiği gibi, topraktaki kil sekonder mineral olup ana kayadaki özellikle silikat minerallerinin ayrışması sonucunda oluşmaktadır.

Değişik ana kayaların farklı ortamlarda ayrışması sonucunda oluşan killerin miktarı ve bileşimi çok değişik ve karmaşıktır. Ayrışma ortamının iklim şartları, kil çeşidinin oluşmasında önemli rol oynar. Şöyle ki, illit ayrışmanın şiddetli olmadığı ılıman iklim kuşaklarında yaygındır; yapısal potasyumun kısmen kaybolması ile mika mineralinin alterasyonu ve hidrasyon, illitin oluşumunda ön plana geçer. Bu kilde hidrasyon katyon absorbsiyonu şişme, büzülme ve plastiklik özellikleri belirgin değildir. Montmorillionit in teşekkülü ise bol magnezyum ile nötral veya sadece hafif asit ortam şartları altında gerçekleşmektedir. Ilıman bölgelerde illit montmorillionitin alterasyonu ile oluşabilir. 2:1 strüktüründe olan montmorillionit plastiktir, kohezyonu fazladır, kurudukları zaman çatlar, bünyesine su alınca şişerler. Kaolinit, nemli tropikal bölgelerde doğrudan topraktaki veya ayrışmış zondaki primer minerallerinin ayrışmasından oluşmaktadır. 1:1 strüktüründe olan kaolin plastiklik, kohezyon ve çatlama şişme özellikleri çok zayıftır. Bundan dolayı porselen yapımında kullanılır. Genel olarak silikat kil mineralleri iki ana bileşimden ibarettir. Bunlardan bir bileşen, silis oksijen levhası, ikincisi ise alüminyum levhasıdır.

Oksit killer tropikal ve subtropikal bölgelerde demir ve alüminyumun bünyelerine su alarak hidroz oksitleri meydana getirmeleri sonucunda oluşmaktadır. Bunlara örnek olarak gibsit ve götit verilebilir.

3.3. Topraklarda Katyon Değişimi Toprakta kolloidal halde bulunan kil ve organik madde geniş bir yüzeye sahip olduğundan, su ve iyonları bünyelerinde toplamaktadır. Ayrışma esnasında torak çözeltisi içinde serbest hale geçen Ca, Mg, K, Na, Al, H gibi bitki besin maddeleri olan katyonlar humus ve kil parçacıklarının yüzeyinde tutulmaktadır. Bu olay tek yönlü olarak cereyan etmez. Şöyle ki, kireç bakımından zengin olan nemli bölge topraklarında organik maddenin ayrışması ile CO2 meydana gelmektedir, buna bağlı olarak toprak çözeltisinde karbonik asit (H2CO3) zengin durumdadır. Bu asitteki H iyonu Ca ile yer değiştirme özelliğine sahiptir. Böylece Ca iyonlarının yerine H iyonları geçmektedir. Toprağın yağış sularıyla yıkanması devam ettiği takdirde toprakta H iyonları ile diğer iyonların yer değiştirmesine bağlı olarak H iyonlarının konsantrasyonu artar.

3.4. Toprakta Değişebilir Anyonlar Anyonlar kil minerallerinde OH grupları ile yer değiştirmektedir ve bu gruplar montmorillionit kiline nazaran kaolinitte fazla bulunmaktadır. Bundan dolayı kaolinit killerinin baskın olduğu nemli ve kurak bölge topraklarında anyon değiştirmesi daha yüksektir. Bu sahalar fazla yayılış göstermemesine rağmen nemli tropikal bölgelerde fazla ayrışmaya uğramamış bazı topraklarda az miktarda kaolinit bulunmaktadır. Bu topraklar, pozitif yüklenme gösterirler. Özetle, pozitif yükle yüklenmiş kolloidli topraklar; nitrat ve klorit gibi anyonları absorbe ederler, Ca, Mg ve Na gibi katyonlar reddedilmekte ve dolayısıyla bunlar toprak solüsyonunda yıkanmaya karşı çok hassas duruma geçerler ve toprağın baz saturasyonu çok düşer, fosfat ve sülfat iyonları, hidroksillerin (OH) yerine geçer ve yapışık halde sabitleşirler. Bu topraklarda yüksek derecede potasyumu tespit etme kapasitesine sahiptir ve tabi olarak alınabilir fosfor düşük seviyede kalmaktadır.

3.5. Toprak Reaksiyonu Toprak reaksiyonu, toprağın asitliliğini, alkalenliliğini ve nötral durumunu ifade etmektedir. Toprak reaksiyonu, pedojenezin seyrini veya özelliğini aksettirmesi yanında topraktaki bitki besin elementleri hakkında bilgi vermektedir. Şöyle ki, asitliliği fazla olan topraklar nemli iklim şartları altında bulunmaktadır ve aşırı yıkanmaya bağlı olarak da topraktaki bazlar önemli ölçüde uzaklaşmıştır ve bunların yerini H iyonları almıştır. Bunun yanında alkalen topraklar, bitki besin elementleri olan bazların toprakta fazla olduğunu işaret etmektedir.

Toprak reaksiyonu pH (potansiyel hidrojen) ile ifade edilmektedir.Suda H+ ve OH-iyonları bulunmaktadır. H+ ve OH- iyonları birbirine eşit olduğu takdirde su nötral durumdadır. Yani suyun pH’ ı 7 dir.

Toprak çözeltisinde serbest hidrojen (H+) iyonlarının konsantrasyonu hidroksil (OH-) iyonlarından fazla ise çözelti asittir. Bu durumun tersi olursa çözelti alkalendir. İşte bu durumu belirtmek bakımından pH terimi kullanılmaktadır. pH 7’den küçük ise asit, 7’den fazla ise alkalen, 7 nötr durumu göstermektedir. Başka bir ifade ile hidrojen iyonları arttıkça pH azalmakta, OH iyonları arttıkça pH yükselmektedir.

Yağışlı bölgelerde, yağış suları vasıtasıyla toprak yıkanmaya başladığı zaman sudaki H katyonları Ca, Mg, K, Na katyonlarının yerine geçer. Bu suretle toprakta bulunan katyonların yerine H’ in geçmesiyle toprak asitleşir.

Toprak reaksiyonunun değişmesinde etkili olan önemli faktörlerin başında CO2 gelmektedir. Bu gaz su ile birleşerek karbonik asiti oluşturur. CO2 basıncı ne kadar fazla olursa, topraktaki H konsantrasyonu o nispette artar. Karbonik asit ve onun oluşturduğu bikarbonatlar, nemli bölgelerde toprağın alt katlarına doğru taşınmaktadır. Böylece topraklar asitleşirler.

Bazların yıkanması özellikle toprakta Ca ve Mg un eksilmesi, toprak pH’ ının düşmesine yol açar. Bu arada organik maddelerin ayrışmasıyla oluşan organik ve inorganik asitler bazların yıkanmasını arttırır. Özellikle vejetasyon devresinde hasıl olan bol miktarda H iyonları topraktaki bazların yerine geçerek bazları serbest bırakır. Bu bazlar ya bitkiler tarafında alınır ya da taban suyu ile uzaklaşırlar. Bu durum da toprağın asitleşmesine sebep olur. Nemli bölgelerde çayır örtüsü de toprağın fazla asitleşmesini sağlayan bir faktördür.

Kurak bölgelere gelince yağış topraktaki bazları yıkamaya kafi gelmediğinden toprağın bazlarla olan doygunluğu yüksektir ve toprak nötr ve daha çok alkalen reaksiyon gösterir. Demek ki, toprak asitliliğinin artmasında iklim ana faktördür. Nitekim, yağışlı iklim şartlarında toprak yıkanmakta bu esnada H iyonları, Na, Ca, Mg, K gibi katyonların yerine geçmektedir. Ayrıca nemli bölgelerde vejetasyon örtüsünün gür olması bir taraftan organik maddelerin artmasına ve diğer taraftan da organik maddelerin ayrışmasıyla hasıl olan CO2 ve diğer organik asitler toprağın asitleşmesine yardımcı olur. Kurak bölgelerde ise bu durumun hemen hemen tersi cereyan ettiğinden, topraktaki bazların yıkanması son derece sınırlıdır, bu yüzden kurak bölge toprakları genellikle alkalen reaksiyon göstermektedir.

3.6. Toprakta Bitki Besin Elementleri Bitkilerin gelişip büyümeleri için iklim faktörleri yanında topraktaki besin elementlerine de ihtiyaç vardır. Türlü bitkilerin topraktan aldıkları besin elementleri çok değişiktir. Bitkilerin topraktan istedikleri besin elementlerinden birinin veya birkaçının eksik ya da fazla olması bitki gelişimini engeller hatta tamamen durdurabilir.

Bitkilerin gelişmesi için mutlak surette gerekli olan elementler esas itibariyle bitki besin maddeleridir ve bunların sayısı 16 civarındadır. Bitkiler tarafından kullanılan esas elementler şunlardır; havadan kaynaklanan CO2 , H ve O, topraktan alınan nitrojen, P, K, Ca, Mg ve S’ dir. Topraktan alınan fakat az miktarda kullanılan belli başlı elementler ise Fe, Mn, B, Mo, Cu, Zn ve Cl’ dur. Bitkiler karbon ve oksijenin büyük bir bölümünü havadan doğrudan doğruya fotosentezle alırlar. H doğrudan ve dolaylı olarak sudan alınmaktadır.

3.6.1. Makro Elementler Fosfor, potasyum, kalsiyum, magnezyum, kükürt ve nitrojen bitkiler tarafından en fazla kullanılan elementlerdir. Bu elementler bitkilerin hücre (gövde) büyümelerinde ve meyve verimlerinde etkili olmaktadır.

3.6.2. Mikro Elementler Toprakta az bulunmasına ve bitkiler tarafından az alınmasına rağmen eksikliği halinde bitkilerin gelişmesini engellemektedir. Bu elementler: demir, manganez, bakır, bor, çinko, molibden ve klordur.

Toprağın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Toprak verimliliği

Toprak

Toprak bilimi

Toprak kirliliği

Ametal

Humus (tarım)

Toprak Horizonları

Karışım

Toprağın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri