درسنامه آموزشی آب و خاک و گیاه کلاس دهم گروه کشاورزی و غذا

واحد یادگیری 6: منابع و انتقال آب 

- آیا آثار مربوط به بحران آب در منطقهٔ شما وجود دارد؟
- سایر کشورها برای مقابله با بحران آب چه اقداماتی را انجام می‌دهند؟
- برای مقابله با بحران آب چه اقداماتی را باید انجام دهید؟

مشکل بهره‌برداری از آب‌های زیرزمینی در مقایسه با آب‌های سطحی آن است که این آب‌ها از دید بهره‌برداران پنهان‌اند و آنان نمی‌توانند عمق فاجعه‌ای را که در حال وقوع است دریابند. عدم تعادل فزاینده میان برداشت و ورودی آب‌های زیرزمینی سبب شده که بسیاری از دشت‌های کشور از سوی وزارت نیرو به عنوان دشت‌های بحرانی معرفی شوند.

استاندارد عملکرد

هنرجو پس از اتمام این واحد یادگیری، با انواع منابع و ذخایر آبی و اهمیت حفظ و نگهداری آن آشنا و انواع تأسیسات و نحوه انتقال آب را تشخیص داده و دبی آب را به روش وزنی، حجمی، محاسبه سرعت آب و سطح مقطع جریان اندازه‌گیری می‌کند.

منابع وذخائر آب

منابع آب شامل موارد زیر است:

- آب‌های سطحی (رودخانه‌ها و سیلاب‌ها)
- آب‌های زیرزمینی (چشمه، قنات، چاه)
- نزولات آسمانی (باران، برف، تگرگ)
- آب‌های دیگر اتمسفر (مه، شبنم)
- آب‌های نامتعارف (فاضلاب‌ها، پساب‌ها و...)

آب‌های سطحی

آب این منابع در طول زمان هم از نظر کمی و هم از نظر کیفی دائماً در حال تغییر است و عموماً کیفیت پایینی دارند ناخالصی‌های عمدهٔ این منابع از نوع فیزیکی و دارای مواد معلق معدنی و آلی هستند و در صورت قرار گرفتن در معرض هوا عموماً ناخالصی‌های شیمیایی آن‌ها مانند کلر، آهن، کربنات و بی‌کربنات اکسید می‌شوند. استخرها، حوضچه‌های طبیعی، مخازن سدها، دریاچه‌های آب شیرین، آبگیرها، تالاب‌ها و... جزء آب‌های راکد سطحی هستند. در این منابع، آب جریان ندارد و همیشه در دسترس است؛ ولی ممکن است در طول فصل آبیاری نوسانات شدیدی در سطح آن ایجاد شود، میزان برداشت با توجه به حداقل عمق در طول برداشت لحاظ می‌گردد و وابستگی شدیدی به تغذیه مجدد دارند. از نظر آلودگی، این منابع ناخالصی‌های فیزیکی (شن، سیلت و ...) و املاح محلول ندارند؛ ولی ناخالصی‌های آلی مثل خزه‌ها، جلبک‌ها، برخی جانوران کوچک آبزی و آثار و بقایای موجودات زنده در آن‌ها فراوان یافت می‌شود.

البته بخشی از منابع سطحی که جریان دارند مثل رودخانه‌ها و سیلاب‌ها انواع آلودگی‌های فیزیکی و شیمیایی در آن‌ها وجود دارد.

آب‌های زیرزمینی

منشأ اصلی آب‌های زیرزمینی بارش‌های محیطی است که پس از بارش به‌صورت باران و برف به درون زمین نفوذ می‌کند. در مناطق آتشفشانی آب‌های زیرزمینی از سردشدن بخار آب همراه ماگما پدید می‌آید. در مناطق نفت‌خیز نیز در زمان رسوب‌گذاری مقداری آب شور در بین لایه‌های رسوبی محبوس می‌شود.

اهمیت منطقه نیمه اشباع

سطحی که در زیرزمین، آب در امتداد آن می‌ایستد، به سطح ایستابی موسوم است. سطح ایستابی کمابیش شکل سطح زمین را به خود می‌گیرد و برحسب زمان، فاصلهٔ آن تاسطح زمین متغیر است. در زیر این سطح، تمام فضاهای موجود در سنگ‌ها پر از آب است. به همین سبب، این منطقه را منطقه اشباع می‌نامند. در بالای سطح ایستابی منطقه دیگری وجود دارد که تا سطح زمین ادامه می‌یابد. در این منطقه فضای موجود بین ذرات خاک و سنگ قسمتی به‌وسیله هوا و قسمتی توسط آب پر شده است. نام این منطقه، منطقه غیراشباع است. بهترین شرایط رشد گیاه در منطقه غیر اشباع است؛ زیرا کلیه شرایط فیزیکی و شیمیایی مورد نیاز رشد گیاه در این منطقه فراهم می‌شود.

چشمه

چشمه‌ها هنگامی پدید می‌آیند که آب زیرزمینی به‌طور طبیعی به سطح زمین می‌رسند و جریانی کم و بیش مداوم داشته باشند. خروج آب از برخی چشمه‌ها به‌صورت طبیعی و با نیروی زیاد اتفاق می‌افتد. چشمه‌های آب گرم شامل آب‌هایی هستند که در اثر تماس با سنگ‌های زیرزمینی گرم شده‌اند.

قنات

روش تأمین آب توسط قنات یا کاریز برای اولین بار توسط ایرانیان در حدود سه هزار سال قبل در سرزمین ایران توسعه یافت و سپس در برخی از کشورهای دیگر دنیا نظیر اسپانیا و مکزیک نیز به کارگرفته شد. قنات عبارت است از: یک رشته چاه (میله) در یک زمین شیب‌دار که انتهای آن‌ها به کانالی افقی و شیب‌دار (کوره) متصل است. آب سفره‌های کم عمق به ویژه در زمین‌های آبرفتی و دامنه کوه‌ها در کوره تحت نیروی ثقل جریان‌یافته و هیچگونه انرژی دیگر لازم ندارد. قنات چنانچه مرتب لایروبی و مرمت شود تقریبا به‌طور مدام آبدهی خواهد داشت.

اجزای قنات

به اولین چاه که به داخل لایه آبدار حفر می‌شود، مادر چاه اطلاق می‌گردد. محلی را که آب از آن خارج می‌شود مظهر قنات می‌نامند. چاه‌های بین مادر چاه و مظهر قنات را که جهت تسهیل در حفر کوره و لایروبی قنات ایجاد می‌شوند، میله یا چاه‌های تخلیه و تنفّس می‌گویند. بخشی از طول کوره که از لایه آبدار می‌گذرد تره‌کار و قسمت دیگر را خشکه‌کار گویند.

حریم قنات: در تمام طول قنات به عرض 12متر حریم قنات است که نباید در آن زراعت و آبیاری شود. معمولا دو طرف حریم نهری احداث می‌شود، تا آب داخل حریم نشود. در صورت لزوم برای عبور نهرهای آب از روی حریم باید به اندازه 12 متر از آن در محدودهٔ حریم با مصالح ساختمانی پوشش داده شود.

چاه

چاه‌ها تا زیرسطح ایستابی حفر می‌شوند. اگر این سطح، به سطح زمین نزدیک باشد، چاه را سطحی و کم عمق گویند. چاه‌های کم عمق را معمولاً در زمین‌های آبرفتی و با دست حفر می‌کنند. دهانة این چاه‌ها در حدود یک متر است.

چاه‌ها نیمه عمیق

در یک منطقه گاه ممکن است لایه‌های مختلفی از آب زیرزمینی وجود داشته باشد که روی یکدیگر قرارگرفته و به وسیلهٔ لایه‌های نفوذناپذیر از هم جدا شده باشند، چنانچه ضمن حفاری در یک منطقه که لایه‌های آب متفاوتی دارد چاه فقط به لایه اول برسد این چاه را چاه نیمه‌ عمیق گویند.

چاه‌های عمیق

این چاه‌ها صرفاً برای مصارف کشاورزی، قطب‌های صنعتی و یا آب آشامیدنی شهرهای بزرگ حفر می‌شوند. چاه‌های عمیق را چاه‌های لوله‌ای نیز می‌گویند و علت این است که جداره این چاه‌ها به منظور جلوگیری از ریزش لوله‌گذاری می‌شود. این جدار لوله‌ای حالت مشبک دارد تا بتواند به آسانی آب‌ها را از اطراف به داخل چاه نفوذ دهد.

چاه‌ها آرتزین

نام این نوع چاه‌ها از ناحیه آرتزیا در فرانسه که برای اولین بار در سال 1226 حفر شد و شروع به فوران کرد اقتباس گردیده است. چنانچه آب زیرزمینی بین دولایه غیرقابل نفوذ قرار گیرد و منطقه تغذیه آب در ارتفاعات بلند واقع شده باشد این آب تحت فشار قرار می‌گیرد. اگر در چنین محل‌هایی چاه حفر شود، به هر صورت سطح ایستابی آب زیرزمینی بالاتر از سطح چاه بوده وآب به‌صورت فوران از چاه خارج می‌شود که به آن چاه آرتزین می‌گویند.

فاضلاب‌ها، پساب‌ها، آب زهکش‌ها و آب‌های شور تصفیه‌شده

فاضلاب‌ها و پسآب‌های تصفیه‌شده، می‌توانند به عنوان منبعی برای تأمین آب، مورد استفاده قرار گیرند به دلیل دبی ثابتی که دارند مورد اطمینان هستند از لحاظ کیفی در استفاده از چنین آب‌هایی باید کلیه جوانب کیفی آب آبیاری مورد توجه قرار گیرد، همانند گرفتگی، مسائل بهداشتی، سمّیت بعضی از عناصر و به هم خوردن تعادل عناصر کم مصرف در خاک.

تفاوت فاضلاب شهری و پساب صنعتی: فاضلاب شهری از نظر کمی تقریباً دارای دبی ثابت بوده و جریان آن مداوم است و از لحاظ کیفی قابل پیش‌بینی و معمولاً محتوی آلودگی میکروبی می‌باشد؛ ولی پساب صنعتی گاهی محتوی مواد سمی است و مواد آلی آن شاید قابل تجزیه نباشد؛ لذا باید هر دو این نوع آب‌ها را قبل از ورود به شبکه مصرفی تصفیه کرد.

انتقال آب

اراضی تحت آبیاری غالباً از منابع آب فاصله زیادی دارند. در مسیر انتقال آب از زمین‌های متفاوتی با شرایط مختلف عبور می‌کند که برای کنترل و توزیع آن به تأسیسات خاصی نیاز است که به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود.

کانال‌های روباز:

از معمول‌ترین روش‌های انتقال آب به شمار می‌آیند. در آبراهه‌های روباز آب در امتداد شیب زمین حرکت می‌کند و به همین دلیل این کانال‌ها در قسمت‌های مرتفع شروع شده و در نهایت به مزرعه ختم می‌شوند.

کانال‌های بدون پوشش:

بر روی زمین حفر می‌شوند و از خاک‌های حفاری به عنوان خاکریز استفاده می‌کنند.

کانال‌های پوشش‌دار:

کانال‌های بدون پوشش را با مصالح مختلفی چون خاک رس، بتن، آجر، آسفالت و ورقه‌های پلاستیکی پوشش می‌دهند. با ایجاد پوشش از رشد علف‌های هرز، فرسایش خاک و هدر رفت آب آبیاری جلوگیری می‌کنند.

خطوط لوله:

در بعضی از سیستم‌های آبیاری به جای استفاده از انواع کانال، از لوله استفاده می‌کنند.

مزایای استفاده از لوله برای انتقال آب:

- کاهش تلفات آب
- کنترل علف‌های هرز
- کنترل و توزیع مناسب آب
- کاهش اشغال زمین توسط سیستم آبیاری
- رعایت جنبه‌های بهداشتی و کیفیت آب

اندازه‌گیری آب در کشاورزی

آیا راجع به این موضوع فکر کرده‌اید که چرا آب آبیاری را اندازه می‌گیریم؟ به دو دلیل لازم است که آب آبیاری اندازه‌گیری شود:

- کمبود آب و توجه به دیدگاه صرفه‌جویی در مصرف و جلوگیری از تلفات آب
- اطمینان از دریافت آب کافی توسط گیاهان

بنابراین برای کنترل میزان آب مصرفی و اجرای آبیاری صحیح، لازم است مقدار آبی را که از منبع اصلی وارد کانال‌ها و بالاخره وارد واحدهای زراعی می‌شود اندازه‌گیری کرد.

- واحد سنجش آب مصرفی در کشاورزی چیست؟

- چگونه و با چه وسایلی می‌توان آب مصرفی در کشاورزی را اندازه گرفت؟

برای پاسخ به این سؤالات نیاز به دانستن مطالبی است که در ادامه به آن اشاره می‌شود.

تعریف دبی جریان

مقدار آبی را که در یک ثانیه از یک منبع آب (چاه، چشمه، قنات، رودخانه، کانال و ...) جریان پیدا می‌کند دبی، بده و یا آبدهی آن منبع می‌گویند و با حرف Q نشان می‌دهند. دبی جریان آب را در سیستم متر یک بر حسب مترمکعب در ثانیه و یا لیتر در ثانیه بیان می‌کنند. واحد مترمکعب در ثانیه برای دبی‌های زیاد مثل رودخانه و کانال‌های بزرگ و واحد لیتر در ثانیه برای جریان‌های آب چاه‌ها و آبی که وارد نشتی‌ها می‌شود، به کار می‌رود. برای تبدیل مترمکعب در ثانیه به لیتر در ثانیه می‌توان آن را در 1000 ضرب کرد. در گذشته واحدهای مختلف محلی برای اندازه‌گیری جریان آب در ایران وجود داشت که در بعضی نقاط هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرد که متداول‌ترین آن‌ها سنگ است. هر سنگ آب معادل 14 لیتر در ثانیه است. از واحدهای قدیمی دیگر می‌توان: دست آب، جرعه، سبو، لوله، نهرآب، دانگ و آب بیل را نام برد.

روش‌هایی که برای اندازه‌گیری دبی جریان آب بکار برده می‌شوند که عموماً در دو گروه کلی قرار می‌گیرند:

هر یک از روش‌های اندازه‌گیری دبی آب دارای محاسن و معایب بوده و در شرایط معینی بکار می‌روند.

- روش‌هایی که در آن‌ها مستقیماً دبی آب اندازه‌گیری می‌شود.
- روش‌هایی که در آن‌ها سرعت جریان آب اندازه‌گیری شده و بعد بامحاسبه سطح مقطع جریان دبی را به دست می‌آورند.

روش‌های اندازه‌گیری مستقیم دبی جریان آب

در این روش‌ها با بکارگیری ابزار و وسایل مخصوص، دبی را براساس فرمول‌ها و اندازه‌گیری‌های ساده به دست می‌آورند:

روش وزنی:

در این روش مقدار آب جریان‌یافته از یک منبع آب را در واحد زمان برحسب واحد وزنی اندازه می‌گیریم.

روش حجمی:

در این روش به‌طور مستقیم حجم آب جریان‌یافته از منبع آب را برحسب واحد حجمی در زمان معین اندازه گرفته و سپس دبی را در واحد زمان محاسبه می‌کنیم. روش حجمی دقیق‌تر از روش وزنی است.

اندازه‌گیری دبی آب در کانال‌ها با تعیین سرعت و سطح مقطع جریان آب

با توجه به تعریف دبی، مقدار آب را در کانال‌ها می‌توان از رابطه زیر به دست آورد.

$Q = V \times S$

$Q$ = دبی بر حسب مترمکعب در ثانیه
$V$ = سرعت آب بر حسب متر در ثانیه
$S$ = سطح مقطع آب در کانال بر حسب مترمربع

واضح است که برای تعیین Q باید سرعت متوسط آب در کانال و سطح مقطع جریان آب در کانال را تعیین کرد. در ادامه نحوهٔ اندازه‌گیری دو عامل مذکور را شرح می‌دهیم.

اندازه‌گیری سرعت آب در کانال‌ها:

همان‌طور که می‌دانیم سرعت هر جسم متحرک عبارت است از: مسافت طی شده توسط آن جسم در واحد زمان.

$V = \frac{L}{t}$

$V$ = سرعت بر حسب متر در ثانیه
$L$ = مسافت بر حسب متر
$t$ = زمان بر حسب ثانیه

سرعت آب در کانال‌ها را می‌توان با روش‌های مختلف اندازه گرفت که انتخاب روش معین به شرایط محلی و دقت مورد نیاز و در اختیار بودن وسایل و امکانات بستگی دارد. با استفاده از جسم شناور ساده و با سرعت‌سنج مکانیکی (مولینه) می‌توان سرعت آب را اندازه‌گیری نمود.

اندازه‌گیری سرعت آب در کانال با جسم شناور ساده

برای تعیین سرعت آب در این روش که ساده‌ترین و معمولی‌ترین روش اندازه‌گیری است دو نقطه را در مسیر آب به طول مشخص که نسبتاً مستقیم و عاری از علف هرز باشد انتخاب کرده و جسمی را که کمتر تحت اثر باد قرار گیرد (مثل یک بطری که تا نصف از آب پرشده) در ابتدای مسیر انتخاب شده (نقطه A) انداخته و فاصله زمانی را که جسم شناور به انتهای مسیر (نقطه B) برسد با زمان‌سنج اندازه‌گیری می‌کنند. اگر فاصله زمانی لازم t و فاصله بین دو نقطه (A و B) برابر با L باشد سرعت آب سطحی از رابطه زیر به دست می‌آید.

$V = \frac{L}{t}$

$L$ = مسافت بر حسب متر
$t$ = زمان بر حسب ثانیه
$V$ = سرعت بر حسب متر در ثانیه

باید توجه کرد که سرعت جریان آب در دو طرف نهر کمتر و در وسط بیشتر است. همچنین سرعت آب در اعماق مختلف نهر متفاوت است که بیشترین سرعت در سطح آب و کمترین آن در کف کانال است؛ لذا برای محاسبه سرعت، سرعت متوسط را اندازه‌گیری می‌کنند. مقدار K به عمق آب بستگی دارد و حدودا 0/8 در نظر می‌گیرند.

$Vm = K \times V$

$Vm$ = سرعت متوسط بر حسب متر در ثانیه
$V$ = سرعت سطحی بر حسب متر در ثانیه
$K$ = ضریب ثابت $0/8 \cong $

اندازه‌گیری سرعت با سرعت‌سنج مکانیکی(مولینه)

سرعت‌سنج یا مولینه، متداول‌ترین وسیله اندازه‌گیری سرعت آب است. اساس کار سرعت‌سنج‌ها، پروانه‌ای است که در مقابل جریان آب قرار می‌گیرد و در اثر سرعت آب به چرخش در می‌آید. سرعت چرخش پروانه به سرعت آب بستگی دارد. سرعت آب روی صفحه نمایش داده می‌شود.

اندازه‌گیری سطح مقطع آب در کانال‌ها

برای محاسبه سطح مقطع جریان آب، مقطع نهر دست‌ساز و دارای شکل هندسی منظم (ذوزنقه‌ای، مستطیل، نیم‌دایره، مثلثی) را با استفاده از قواعد هندسی به‌دست می‌آورند. در مواردی که سطح مقطع نهر شکل هندسی غیرمنظم داشته باشد در این صورت از طریق محاسبة عمق متوسط و حاصل‌ضرب آن در عرض جریان آب، سطح مقطع جریان را به دست می‌آوریم.

$S = \frac{{B + b}}{2} \times y$

در مواردی که سطح مقطع نهر شکل هندسی غیرمنظم داشته باشد از طریق محاسبۀ عمق متوسط و حاصل‌ضرب آن در عرض جریان، سطح مقطع را محاسبه می‌کنیم. همانند شکل زیر:

در چند نقطه عمق را اندازه‌گیری نموده و میانگین آن‌ها را به عنوان عمق متوسط گزارش می‌کنند.

$dm = \frac{{{d_1} + {d_2} + {d_3} + {d_4} + {d_5} + {d_6}}}{6}$

عمق متوسط حاصل، در عرض مقطع که به‌راحتی اندازه‌گیری می‌شود، ضرب می‌شود.

بازده آبیاری

در دنیایی که آب بسیار ارزشمند است، نباید قطره‌ای از آن را هدر داد. لازم است تمام کسانی که از آب برای آبیاری استفاده می‌کنند، بازده آن را مشخص کنند؛ البته بازدهٔ آبیاری در نقاط مختلف متفاوت است. بازده را در لغت نسبت منافع حاصل بر منبع سرمایه‌گذاری شده می‌گویند و در آبیاری، بازده به مفهوم نسبت آب مصرفی به‌وسیله گیاه بر کل آب جدا شده از منبع آبی است. یکی از اهداف محاسبه بازده آبیاری، ارزیابی سیستم آبیاری و اصاح میزان آب مصرفی در جهت حداکثر استفاده از آن است. هدف‌های دیگری مانند محاسبه ظرفیت کانال‌های آب‌بر، تعیین توان موتور پمپ و یا الکترو پمپ‌ها و … دنبال می‌شود. افزایش بازده آبیاری مستلزم کاهش تلفات آن است. به طورکلی آب بلافاصله پس انشعاب از منبع اصلی (رودخانه، چاه، یا هر منبع دیگر) تا محلی که به مصرف گیاه می‌رسد، تحت تأثیر عواملی نظیر نفوذ به اعماق خاک، تبخیر از سطح آب در کانال، جریان‌های سطحی و غیره تلف می‌شود. هرچه تلفات بیشتر باشد، به همان نسبت مقدار بازده کمتر خواهد بود. بازده آبیاری را به چند جزء تقسیم می‌کنند:

- بازده منبع
- بازده انتقال
- بازده توزیع

بازده کل که حاصل‌ضرب همه بازده‌ها است.

بازده منبع به مقدار آبی که از یک منبع مانند استخر خارج شده است نسبت به مقدار آبی که در ابتدا وارد استخر شده است را بازده منبع می‌گویند. هرچه آب کمتر از استخر هدر رود بازده آن بالا است. بنابه تعریف بازده انتقال، مقدار آب رسیده به محل مصرف، تقسیم بر مقدار آب گرفته شده از منبع آبی می‌گویند. برای افزایش بازده انتقال باید تلفات انتقال را شناخت و آن را کاهش داد. به طورکلی بازده انتقال را در کانال‌های خاکی می‌توان 50 درصد و در کانال‌های بتنی تا 95 درصد و در لوله‌های فولادی تا 99 درصد در نظر گرفت.

همیشه منبع آب آبیاری و مزرعه (محل مصرف) در یک محل واقع نشده‌اند. در این صورت باید آب را از فاصل‌های دور به مزرعه منتقل کرد. در این عمل کمیت و کیفیت آب تحت تأثیر عوامل مختلفی تغییر می‌کند که حادترین حالت آن زمانی است که کانال خاکی از زمین‌هایی با کیفیت خاک نامطلوب با بافت سبک عبور کند. با اندازه‌گیری آب در محل انشعاب از منبع آب آبیاری (چاه، چشمه قنات، رودخانه و …) و اندازه‌گیری آن در محل ورود به مزرعه می‌توان تلفات آب در مسیر انتقال و در نهایت بازده را اندازه‌گیری کرد.

بازده کل سیستم آبیاری برابر است با حاصل‌ضرب بازده‌ها: 

واحد یادگیری 7: آب در خاک و گیاه

- آیا نیاز آبی گیاهان یکسان است؟
- آیا می‌دانید چه نیرویی سبب می‌شود آب از ریشه گیاه به قسمت‌های بالایی گیاه حرکت کند؟

در شرایط مزرعه، ریشه‌ها در خاک نسبتاً مرطوب نفوذ می‌کنند، در حالی که ساقه و برگ‌ها در محیط نسبتاً خشک رشد می‌نمایند. این امر موجب جریان مستمر آب از طریق خاک به داخل گیاه و به اتمسفر می‌شود.

استاندارد عملکرد

هنرجو پس از اتمام این واحد یادگیری با انجام آزمایش حرکت آب در خاک و صورت‌های مختلف آب در خاک آشنا شده و ضرایب رطوبتی خاک مانند: حد ظرفیت زراعی و حد پژمردگی گیاه را تعیین می‌کند.

حرکت آب در خاک

آب به حالت جامد در خاک حرکتی نداشته، ولی در حالت‌های مایع و بخار در جهات مختلف حرکت می‌کند. این پدیده کنترل‌کنندهٔ سرعت نفوذ آب به داخل خاک بوده، آب مور دنیاز ریشه‌ها را تأمین کرده و در ضمن باعث حرکت آب‌های زیرزمینی به طرف چشمه‌ها و جویبارها می‌شود.

جریان آب به حالت مایع در خاک به دو صورت اشباع و غیراشباع می‌تواند وجود داشته باشد. معمولاً بعد از بارندگی و آبیاری حالت اشباع و تا قبل از خشک‌شدن حالت غیراشباع وجود دارد. در هر دو حالت آب می‌تواند در دو جهت حرکت کند.

حرکت آب از بالا به پایین

در حالت اشباع آب در اثر نیروی وزن جریان می‌یابد در این حالت خلل و فرج بزرگ محتوای آب بوده و آب با سرعت از طریق این خلل و فرج رو به پایین حرکت می‌کند. در حالت غیراشباع خلل و فرج بزرگ از آب تخلیه شده در نتیجه عامل نیروی وزن اهمیت خود را از دست داده و در این صورت آب تحت تأثیر نیروی کشش سطحی به‌صورت لایه‌هایی در اطراف ذرات خاک جریان می‌یابد و حرکت آن کندتر از حالت اشباع است. علاوه بر نیروی وزن و نیروی کشش سطحی عوامل دیگری در مقدار جریان آب از بالا به پایین تأثیر دارد بافت خاک، ساختمان خاک، مقدار کلوئیدهای آلی و معدنی خاک و غیره از آن جمله می‌باشند. جریان آب از بالا به پایین از نظر آبیاری و زهکشی اهمیت داشته باعث ذخیره باران، نفوذ آب به خاک و جلوگیری از فرسایش می‌شود.

حرکت آب از پایین به بالا

در اثر خاصیت مویینگی منافذ خاک، آب به طرف بالا صعود می‌کند. خلل و فرج خاک منافذ بسیار ریزی در خاک ایجاد می‌کنند که مانند لوله‌های مویین عمل می‌کند. به علت وجود نیروی پیوستگی و چسبندگی، آب از این لوله‌ها بالا می‌رود. هرچه قطر لوله‌های مویین کمتر باشد، ارتفاع صعود آب بیشتر خواهد بود. این پدیده باعث می‌شود آب از سطح آب‌های زیرزمینی به طرف بالا حرکت کرده، آب مورد نیاز گیاهان را تأمین کند. اگر سطح آب زیرزمینی پایین‌تر از عمق یک متری نباشد جریان صعودی آب برای آبیاری زیرزمینی محصولات زراعی کافی است.

جذب آب توسط گیاه و حرکت آن در خاک به مقدار آب یا رطوبت بستگی ندارد. معنی این سخن این است که حرکت آب در داخل خاک لزوما به مقدار آب وابسته نیست و آب همیشه از جای زیادتر به جای کمتر حرکت نمی‌کند بلکه حرکت آب از یک نقطه به نقطۀ دیگر، به مقدار پتانسیل آب در خاک وابسته است. به عبارت دیگر آب از یک نقطه که با نیروی کمتری نگه داشته می‌شود به سمت دیگر که نیروی بیشتری بر آب اعمال می‌شود حرکت می‌کند. پس پتانسیل آب جهت حرکت آن را مشخص می‌کند و آب از جایی با پتانسیل آزاد بیشتر به جایی با پتانسیل آزاد کمتر حرکت می‌کند.

اگر دو خاک با رطوبت یکسان ولی با بافت مختلف را در نظر بگیرید آب از خاک با بافت درشت به سمت خاک با بافت ریز حرکت می‌کند زیرا در خاک شنی آب با نیروی کمتری به ذرات خاک می‌چسبد و به همین جهت آسان‌تر حرکت می‌کند.

آب در خاک

آب در خاک به شکل‌های مختلفی دیده می‌شود که انواع آن در زیر آمده است:

آب آزاد یا آب ثقلی:

آبی است که منافذ درشت و متوسط خاک را پر می‌کند و تحت تأثیر نیروی وزن در خاک حرکت می‌کند. این نوع آب برای رشد گیاه مفید نیست زیرا به سرعت از دسترس گیاه خارج و ریشه گیاه نمی‌تواند آن را جذب کند. از طرفی عناصر غذایی پس از محلول شدن در آب همراه آن از خاک خارج می‌شود. در شرایط زهکشی نامناسب نیز باعث کاهش اکسیژن خاک می‌شود که برای ریشه گیاهان و موجودات زندة هوازی خاک مضر است.

آب موئینه یا آب کاپیلاری:

مقدار آبی است که در روزنه‌ها و منافذ ریز خاک نگهداری می‌شود. این نوع آب مورد استفاده گیاه می‌باشد. خاک‌های سنگین که روزنه‌های ریز زیادی دارند مقدار آب موئینه بیشتری در خود جای می‌دهند. روزنه‌های ریز خاک مانند لوله‌های مویین عمل می‌کنند. هر چه قطر این لوله‌ها کمتر باشد ارتفاع صعود آب بیشتر است.

آب هیگروسکوپی یا آب پوسته‌ای:

مقدار آبی است که به‌صورت غشایی نازک در اطراف ذرات خاک با نیروی بسیار زیاد قرار دارد و فاقد تحرک است و فقط به‌صورت گاز حرکت می‌کند. این نوع آب نیز برای گیاه غیرقابل استفاده است.

آب ساختاری یا آب ترکیبی:

آبی است که در ساختمان کانی‌های سنگ‌ها قرار دارد؛ به‌طور مثال در کانی گچ یا ژیپس با فرمول شیمیایی $(CaS{O_4}.2{H_2}O)$ مقداری آب وجود دارد که غیرقابل استفاده گیاهان است؛ زیرا این نوع آب با نیروی زیادی به کانی پیوسته است و در دمای حدود 500 درجه سانتی‌گراد از کانی یا سنگ می‌تواند خارج شود.

حدود آب در خاک یا ضرایب رطوبتی

حد اشباع:

مقدار آب در خاک در حال تغییر است. وقتی که بارندگی رخ داده باشد و یا آبیاری صورت گرفته باشد. اکثر منافذ خاک توسط آب پر می‌شود در این حالت خاک در حالت اشباع است. حد اشباع خاک را با S نمایش می‌دهند.

حد ظرفیت زراعی:

بسته به نوع بافت خاک معمولا یک تا سه روز بعد از آبیاری، مقدار آب در خاک به حدی می‌رسد که در این حالت منافذ درشت خاک از آب تخلیه شده ولی منافذ ریز، پر از آب بوده و گیاهان می‌توانند از آن استفاده کنند. به این حد از رطوبت ظرفیت زراعی (Field Capacity) می‌گویند و آن را با FC نشان می‌دهند.

حد نقطه پژمردگی:

با جذب تدریجی آب توسط گیاهان و خروج آب به‌صورت تبخیر از سطح خاک و زهکشی مقدار آب کاهش‌ یافته و به حدی می‌رسد که آثار پژمردگی در برگ گیاه ظاهر می‌شود به این حد رطوبتی، نقطه پژمردگی موقت می‌گویند. در این حالت گیاه در روز پژمرده و در شب شادابی خود را به دست می‌آورد. در این زمان اگر آبیاری صورت گیرد گیاه شادابی خود را باز می‌یابد. با ادامه کم آبی اگر آبیاری صورت نگیرد گیاه شادابی خود را از دست داده و رشد گیاه عملا متوقف می‌شود به این حد رطوبتی پژمردگی دائم می‌گویند و آن را با WP نمایش می‌دهند.

حد خشکی:

درصورتی‌که خروج آب از خاک ادامه یابد و خاک از آب تخلیه شود به صورتی که اکثر منافذ خاک را هوا پر کند می‌گویند خاک کاماً خشک است. به این حد رطوبتی حد خشکی می‌گویند و آن را با D نمایش می‌دهند.

آب مورد نیاز و نقصان مجاز رطوبتی

تغییرات آب در خاک را به‌صورت شکل زیر نشان می‌دهند.

مقداری از رطوبت خاک را که بین ظرفیت زراعی و نقطه پژمردگی است، رطوبت قابل استفاده می‌گویند. این رطوبت مورد استفاده گیاه است و مقدار آن در خاک‌های مختلف متفاوت است. تمام رطوبت قابل استفاده به‌راحتی قابل جذب گیاه نیست و در نزدیکی نقطه پژمردگی جذب آب به سختی صورت می‌گیرد. آن مقدار از رطوبت قابل استفاده که به‌راحتی جذب گیاه می‌شود نقصان مجاز رطوبتی یا آب سهل‌الوصول نام دارد و معمولا بین 75- 50 درصد رطوبت، قابل استفاده است. این مقدار رطوبت از FC شروع شده و تا قبل از WP ادامه می‌یابد. مشخص‌کردن حدود رطوبتی خاک برای مدیریت آبیاری و تعیین نوع آبیاری اهمیت زیادی دارد.

تا اینجا چک شد...

عوامل مؤثر در جذب آب توسط ریشه

جریان ممتد آب از خاک به ریشه و از آنجا به ساقه و برگ ادامه دارد. همراه با انتقال آب، مواد کانی به‌صورت یون وارد ریشه شده و از راه آوندهای چوبی به همه نقاط گیاه حرکت می‌کنند. بدین ترتیب نیاز سلول‌های گیاه به مواد کانی برآورده می‌شود. بر حسب تعریف به آب حاوی یون‌ها که در آوندهای چوبی جریان پیدا می‌کند شیرۀ خام گفته می‌شود. عوامل مختلفی در جذب آب دخالت دارند که عبارت‌اند از:

وسعت و عمق ریشه:

هرچه گسترش و پراکندگی ریشه‌های گیاه بیشتر بوده و در عمق زیادتری از خاک فرورفته باشند مقدار آبی را که می‌توانند جذب کنند زیادتر خواهد بود.

عمق خاک زراعی:

هرچه عمق خاک زراعی بیشتر باشد قابلیت نفوذ ریشه بیشتر بوده و درنتیجه گیاه از ذخیره آب زیادتری استفاده خواهد کرد.

درجه چوب پنبه‌ای شدن غشاء ریشه:

ریشه‌های موئینه جوان قدرت جذب بیشتری نسبت به ریشه‌های پیر و چوب پنبه‌ای شده دارند.

تبخیر و تعرّق گیاه:

هر چقدر تبخیر و تعرق از گیاه بیشتر باشد به همان نسبت جذب آب توسط ریشه افزایش می‌یابد.

حرارت خاک:

چنانچه حرارت خاک کم باشد جذب آب کاهش می‌یابد و اگر حرارت خاک کم و زمین یخزده باشد، هیچ‌گونه جذبی صورت نمی‌گیرد. همچنین درصورتی‌که درجه حرارت خاک از حد معینی بالاتر باشد جذب آب کاهش می‌یابد. طبق محاسبات مشخص شده است که بهترین درجه حرارت خاک در روز 24 درجه سانتی‌گراد و در شب 18 درجه سانتی‌گراد است.

تهویۀ خاک:

با کاهش جریان هوا در اطراف ریشه مقدار جذب به‌وسیلۀ ریشه گیاه کاهش‌یافته و در بعضی موارد سبب خفگی گیاه می‌شود به طورکلی مقاومت گیاهان بسته به نوع گیاه در مقابل تهویه متفاوت است.

غلظت محلول خاک:

هر قدر غلظت اماح محلول در آب بیشتر باشد فشار اسمزی آن بیشتر خواهد شد و بنابراین مقدار جذب آب کاهش می‌یابد. پس هرچه آب شورتر باشد مقدار جذب آب توسط ریشه کاهش می‌یابد.

مراحل جذب املاح توسط ریشه

خاک محل مناسبی برای ذخیرۀ اماح مورد نیاز گیاهان است. اماح موجود در خاک، در آب حل شده و توسط ریشه جذب می‌گردد؛ مراحل جذب اماح به شرح زیر است:

1- حرکت یون‌های غذایی به سمت ریشه
2- تراکم یون‌ها در سلول‌های ریشه
3- حرکت شعاعی یون‌ها از سطح ریشه به داخل آوندهای چوبی
4- حرکت یون‌ها از آوندهای چوبی به ساقه، شاخه و برگ

عوامل مؤثر در جذب املاح توسط ریشه، عبارت‌اند از:

- نوع گیاه
- وسعت و عمق ریشه
- سوخت و ساز سلولی
- تنفس ریشه
- غلظت املاح موجود در خاک و نوع ترکیب آن‌ها
- تهویه خاک
- درجه حرارت خاک
- رطوبت خاک

آزمایشات نشان داده است که بیشترین مقدار جابجایی اماح از ریشه به سایر اندام‌ها در طول روز یعنی هنگامی که فعالیت سوخت و ساز در گیاه بیشتر است صورت می‌گیرد. سرعت جابجایی اماح در گیاه از آب کمتر است و حدود یک متر در دقیقه گزارش شده است. باید دانست که ریشه تنها اندام جذب‌کننده گیاه نیست بلکه برگ‌ها و ساقه‌های جوان و جوانه‌ها نیز قادرند بعضی از ترکیبات معدنی را جذب کنند.

تبخیر و تعرق گیاهان

فرایند تبدیل آب مایع به بخار را تبخیر گویند. تبخیر ممکن است از سطوح آزاد آب و یا از سطح مرطوب خاک صورت گیرد.

گیاهان، مقداری آب به‌صورت بخار، از راه روزنه‌های هوایی و بشره نازک برگ‌ها و جوانه‌ها و ساقه‌های جوان، دفع می‌کنند. این عمل، تعرق نام دارد.

طبق آزمایشات مشخص شده است که درصد کمی از آب جذب شده توسط گیاهان، در داخل بافت‌های گیاهی نگهداری و قسمت اعظم آن دوباره به‌صورت تعرق از طریق روزنه‌های موجود در سطح برگ‌ها به اتمسفر بر می‌گردد. تعرق، بیشتر از روزنه هوایی و به مقدار کم، از سلول‌های سطحی برگ‌های دارای پوست نازک، صورت می‌گیرد.

تبخیر و تعرق:

به مجموع مقدار آبی که در واحد سطح از راه تبخیر از سطح خاک و از راه تعرق از سطح گیاهان از دست می‌رود، تبخیر و تعرق نامیده می‌شود. در ارزیابی میزان آب و خاک، برای تأمین رشد گیاه، لازم است که هم تبخیر و هم تعرق را مورد محاسبه قرار دهیم.

عوامل مؤثر در تبخیر و تعرق

عوامل مؤثر در تعرق را می‌توان به دو گروه عوامل درونی و عوامل محیطی تقسیم کرد.

عوامل یا شرایط درونی گیاه:

الف) شکل برگ‌ها:

گیاهان پهن برگ به علت داشتن روزنه‌های بیشتر مقدار آب بیشتری نسبت به سوزنی برگ‌ها از دست می‌دهند.

ب) طرز قرارگرفتن برگ‌ها روی ساقه:

زاویه تابش خورشید نسبت به سطح برگ در مقدار تعرق مؤثر است؛ مثاً تعرق برگ‌هایی که نور خورشید به‌طور عمود بر آن‌ها می‌تابد بیشتر از سایر برگ‌هاست.

ج) وسعت سطح برگ‌ها:

شدت تعرق با وسعت اندام‌های هوایی به ویژه وسعت سطح برگ‌های گیاه نسبت مستقیم دارد، بنابراین سقوط برگ‌ها در پاییز شدت تعرق را در گیاه کاهش می‌دهد. یکی از راه‌های سازش گیاهان برای زیست در مناطق خشک کم‌کردن شدت تعرق از راه کوچک‌شدن سطح برگ‌های آن‌ها است. اگر مقدار شاخه و برگ را به وسیله هرس کم کنیم مقدار تعرق کم خواهد شد.

د) ساختمان برگ:

هر قدر ساختمان پوست ناز کتر باشد و تعداد روزنه‌ها در آن بیشتر باشد تعرق بیشتری صورت می‌گیرد. درحالی‌که هر اندازه ضخامت سلول‌های پوست بیشتر باشد و کرک‌دار تر باشند، تعرق کمتر می‌شود.

ه) روزنه‌ها و تعداد آن‌ها:

هرچه تعداد روزنه‌ها بیشتر باشد، تعرق شدیدتر است.

و) وسعت و عمق نفوذ ریشه:

هرچه مقدار جذب آب بیشتر صورت گیرد به همان نسبت مقدار تعرق بیشتر است.

عوامل محیطی

عوامل محیطی که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود در میزان تبخیر و تعرق تأثیر دارند.

الف) شدت نور:

نور شدید در بعضی گیاهان باعث بازشدن روزنه‌ها و خارج‌شدن آب گیاه به‌صورت بخار می‌شود. نورهای با شدت کمتر تأثیر کمتر در شدت تعرق دارند.

ب) حرارت:

خروج مولکول‌های بخار آب تابع درجه حرارت است. هر قدر حرارت آب زیادتر باشد انرژی مولکول‌ها بیشتر خواهد بود و خروج آن‌ها از آب زیادتر صورت خواهد گرفت. آزمایشاتی که با گرم‌کردن آب صورت گرفته، نشان می‌دهد که هر قدر حرارت سطح آب بیشتر باشد، تبخیر افزایش می‌یابد. این عمل نتیجه مستقیم افزایش بخار یا میزان حرارت است. در هوای گرم تعرق از سطح برگ‌ها نیز افزایش می‌یابد.

ج) وزش باد:

وزش باد بر میزان تبخیر و تعرق تأثیر مثبت دارد.

د) کیفیت آب و خاک از نظر املاح:

هر قدر غلظت املاح بیشتر باشد مقدار تبخیر کمتر می‌شود.

ه) جهت شیب زمین:

در نیم‌کره شمالی شیب‌های جنوبی بیشتر از شیب‌های شمالی در معرض تابش نور آفتاب هستند و در نتیجه زودتر گرم می‌شوند؛ بنابراین تبخیر در شیب‌های جنوبی بیشتر از شیب‌های شمالی است.

و) رطوبت نسبی:

هر قدر رطوبت نسبی هوا بیشتر باشد مقدار تبخیر آب از سطح برگ‌ها و زمین کمتر بوده و در نتیجه نه‌ تنها آب قابل استفاده گیاه در خاک بیشتر است بلکه احتیاج روزانه گیاه به آب نیز کمتر خواهد بود.

ن) سطح تبخیر تعرق:

هرچه سطح تبخیر و تعرق وسیع‌تر باشد میزان تبخیر و تعرق افزایش می‌یابد.

فواید تبخیر و تعرّق برای گیاهان

1- صعود شیره خام:

کششی که در نتیجه عمل تبخیر و تعرق در گیاه به وجود می‌آید و همچنین پیوستگی شبکه آب عامل مؤثری در صعود شیره خام به طرف برگ‌ها است.

2- خنک‌شدن برگ‌ها:

تبخیر و تعرق باعث خنک‌شدن برگ‌ها می‌شود، زیرا وقتی آب از سطح جسمی تبخیر می‌شود دمای آن کاهش می‌یابد علت آن است که برای تبخیرشدن آب برگ، مقداری از حرارت آن برای تبخیر مصرف می‌شود و لذا موجب خنک‌شدن برگ‌ها می‌شود و مانع از آسیب دیدن برگ‌ها بر اثر حرارت زیاد نور خورشید می‌شود.

تعریق

هرگاه به دنبال یک روز گرم، شب خنک داشته باشیم قطرات آب از نقاطی در لبه و نوک برگ‌های بعضی از گیاهان خارج می‌شود. بیرون رفتن آب از گیاه به حالت (مایع) را تعریق می‌گویند. محل خروج قطرات آب، روزنه‌های ویژه‌ای به نام روزنه‌های آبی است که هر کدام در نوک یک آوند قرار دارند.

آبیاری

در بسیاری از مناطق دنیا به منظور تأمین آب لازم برای رشد محصولات، از آبیاری استفاده می‌شود. در مناطق خشکی چون خاورمیانه و غرب آمریکا یا بارندگی نیست و یا مقدار آن اندک است و آب لازم از طریق آبیاری تأمین می‌شود؛ ولی در نقاط مرطوب و معتدلی چون آفریقای مرکزی و اروپا گرچه محصولات با بارندگی طبیعی رشد می‌کنند؛ ولی غالباً آب باران کافی نبوده و باید از آبیاری تکمیلی استفاده شود.

به طورکلی آبیاری عبارت است از: رسانیدن آب کافی به خاک به منظور تأمین رطوبت لازم برای رشد گیاه.

هدف از آبیاری

1- تأمین رطوبت لازم برای رشد گیاه.
2- کم‌کردن خطر یخ‌بندان.
3- از بین‌بردن و یا کم‌کردن نمک موجود در خاک.
4- حاصل‌خیزکردن و اصلاح اراضی شنی به کمک آب‌هایی که دارای مواد معدنی هستند.
5- ایجاد سهولت و امکان اجرای عملیات زراعی.

تعیین زمان آبیاری

اندازه‌گیری میزان رطوبت خاک برای برنامه‌ریزی و تنظیم دور آبیاری (فاصله دو آبیاری) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. برای اندازه‌گیری رطوبت خاک افرادی که دارای تجربه کافی هستند می‌توانند با نمونه‌گیری از قسمتی از خاک رطوبت آن را تخمین بزنید. اما یکی از راه‌های مطمئن اندازه‌گیری رطوبت خاک برای تعیین زمان آبیاری استفاده از تانسیومتر است. تانسیومتر دستگاهی است متشکل از قسمت‌های شکل زیر: