مفاهیم کلیدی: فرسایش خاک، بوم‌شناسی، زمین‌شناسی
مشاهده علمی ۱۷۷
مقدمه:
همه‌ی ما صرفه‌جویی در مصرف آب و استفاده‌ی مجدد از آن را وظیفه‌ی خود می‌دانیم. اما آیا تا به حال به نگهداری از خاک فکر کرده‌اید؟ به احتمال زیاد به این مسئله فکر نکرده‌اید اما فرسایش خاک توسط آب، باد و سایر نیروهای طبیعی می‌تواند یک مشکل زیست‌محیطی بزرگ باشد. با شسته شدن و جابه‌جایی خاک‌های سطحی غنی از مواد مغذی، زمین‌های زراعتی از بین می‌روند. در ادامه آب‌راه‌ها به دلیل ریخته شدن کودهای شیمیایی و سموم آلوده می‌شوند.
با وقوع رانش زمین جان و مال انسان‌ها نیز به خطر می‌افتد. ضرر اقتصادی فرسایش خاک تنها در آمریکا سالانه چندین میلیارد دلار است. پس فرسایش خاک مشکلی بسیار جدی است. آیا می‌توان جلوی این اتفاق را گرفت؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا بیاموزید چگونه با استفاده از تنها چند گیاه می‌توان خاک را حفظ کرد.
پیش‌زمینه:
یکی از دلایل فرسایش خاک شسته شدن و جابه‌جایی آن توسط آب باران است. این آب باران یا روان‌آب در واقع آبی است که روی سطح خاک جریان دارد. روان‌آب هنگامی به وجود می‌آید که خاک اشباع شده باشد یا توان جذب آب بیشتر را نداشته باشد.
یکی از روش‌های مبارزه با فرسایش خاک استفاده از گیاهانی با سیستم ریشه‌ای گسترده است که می‌توانند با ریشه‌ی خود خاک را نگه دارند و از جابه‌جایی آن جلوگیری کنند. احتمالاً در هنگام بیرون کشیدن گیاهانی مانند علف هرز و غیره مشاهده کرده‌اید که مقدار بسیاری خاک همراه با ریشه‌ها از زمین خارج می‌شود. گیاهان همچنین به جذب مقداری از آب موجود در خاک کمک می‌کنند.
این اثرات سبب می‌شود جابه‌جایی خاک توسط آب دشوارتر شود. گیاهان به روش‌های دیگری نیز از خاک در مقابل فرسایش محافظت می‌کنند. برای مثال گیاهان باعث شکسته شدن باد و عدم جابه‌جایی خاک سطحی خشک توسط آن می‌شوند. حال که اندکی در مورد فرسایش خاک آموختیم بهتر است نقش باران در فرسایش خاک را بررسی کنیم.
مواد و وسایل مورد نیاز:
- قیچی یا چاقوی تیز (هنگام استفاده از این نوع وسیله‌ها حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.)
- یک ظرف خالی یک گالنی همراه با در
- آب
- دو قالب آلومینیومی مخصوص پخت نان به شکل زیر (می‌توانید به جای آن از دو جعبه کفش محکم با همین ابعاد استفاده کنید. دقت داشته باشید که عمق این جعبه‌ها باید حداقل هفت سانتیمتر باشد.)
- خاک (خاک گلدان گزینه‌ای مناسب است.)
- دو قالب کیک‌پزی آلومینیومی در ابعاد ۱۳ در ۹ اینچ (می‌توانید به جای آن از ظروف پلاستیکی کم عمق (با عمق حدوداً سه سانتیمتر) با مساحتی کافی برای قرار گرفتن ضلع کوچکتر قالب نان یا جعبه‌ی کفش استفاده کنید.)
- دوازده تا چهارده عدد چنگال پلاستیکی
- دو ظرف کم عمق پلاستیکی یا هر جسم دیگر برای بالا نگه داشتن یک سمت از قالب نان به اندازه‌ی سه تا پنج سانتیمتر (دقت داشته باشید که هر دو جسم باید ارتفاع یکسان داشته باشند و خیس شدن آنها مشکلی نداشته باشد. استفاده از اجسامی مانند کتاب که نباید خیس شوند توصیه نمی‌شود.)
- سطحی صاف بیرون از منزل برای انجام آزمایش که ریخته شدن آب و خاک در آنجا مشکلی نداشته باشد. (احتمال ریخته شدن آب و خاک روی سطح کار در این فعالیت زیاد است در نتیجه در انتخاب محل انجام آزمایش دقت کنید.)
- بیل کوچک باغبانی و چنگال بزرگ (اختیاری)
آماده‌سازی:
- از بزرگتر خود بخواهید با استفاده از قیچی یا چاقو سوراخی بالای دسته‌ی ظرف یک گالنی ایجاد کند. این سوراخ به هوا اجازه‌ی ورود به ظرف در هنگام خروج آب از آن را می‌دهد. قطر مناسب برای سوراخ نیم تا یک سانتیمتر است. (نکته: اگر آب پاشی دارید که سر آن سوراخ‌های زیادی دارد و آب مانند باران از آن خارج می‌شود می‌توانید به جای انجام این مراحل از این آب پاش استفاده کنید.)
- از بزرگترتان بخواهید چند سوراخ روبه‌روی دسته‌ی ظرف در قسمت بالا ایجاد کند تا آب خروجی مانند باران شود. سه ردیف هر کدام شامل پنج سوراخ مناسب است. بهتر است این سوراخ‌ها کوچک و با قطر حدوداً دو میلیمتر باشند. در صورت هم اندازه یا مرتب نبودن سوراخ‌ها نگران نباشید. در روند کار می‌توانید این سوراخ‌ها را تصحیح کنید. به نظرتان تعداد و اندازه‌ی این سوراخ‌ها تأثیری بر جریان بارانی که تشکیل می‌شود دارد؟
- برای آزمایش آب‌پاش را تا نیمه آب کنید و در آن را ببندید. در سینک آشپزخانه یا محلی بیرون از خانه که می‌تواند خیس شود ظرف را کج کنید تا آب از سوراخ‌های کوچک بیرون بریزد. آیا باران به خوبی شبیه‌سازی می‌شود؟ زاویه‌ی ظرف را تغییر دهید. اگر آب از سوراخ‌ها روی لبه‌ی ظرف جریان پیدا می‌کند، ظرف را بیشتر کج کنید. چه نوع بارانی توسط آب‌پاش شبیه‌سازی می‌شود، باران سنگین، مداوم و یا نم نم؟ در صورت نیاز سوراخ‌های کوچک را مجدداً تنظیم کنید. هدف شبیه‌سازی بارانی مداوم و شدید است.
- دو قالب نان پزی را با خاک پر کنید. در صورت وجود توده‌های خاک آنها را از هم باز کنید. مقداری فضای خالی در بالای ظرف‌ها باقی بگذارید تا آب جریان یافته از لبه‌ی ظرف‌ها بیرون نریزد. لایه‌ی خاک داخل ظرف‌ها باید عمقی حداقل شش سانتیمتری داشته باشد.
- در حالت ایده‌آل شما باید در یکی از این ظرف‌ها گیاه بکارید، اما این کار بسیار زمان‌بر خواهد بود. به همین دلیل برای انجام سریع‌تر این فعالیت از چنگال‌های پلاستیکی به عنوان گیاه استفاده می‌کنیم و سر چنگال به عنوان ریشه‌ی گیاه عمل خواهد کرد.
- چنگال‌ها را مانند گیاه در یکی از ظرف‌ها یا جعبه‌ها بکارید. آنها را طوری در ظرف قرار دهید که تمام خاک به طور یکسان پوشیده از گیاه باشد. چنگال‌ها باید طوری کاشته شوند که سر آنها (قسمت نوک تیز) به طور کامل در خاک و دسته‌ی آنها بیرون از خاک قرار بگیرد.
- حال نیمه‌ی بالایی یکی از اضلاع کوتاه هر کدام از دو ظرف را جدا کنید. برای این کار با یک بیل کوچک یا دست‌های خود دو برش عمودی در قسمتی که ضلع کوچک به اضلاع بلندتر متصل است ایجاد کنید. سپس نیمه‌ی بالایی این ضلع را به سمت پایین تا کنید یا آن را جدا کنید. بدین ترتیب خاک می‌تواند در هنگام انجام آزمایش فرسایش از ظرف بیرون بریزد. همین مراحل را برای ظرف دوم نیز انجام دهید.
- یک جسم با ارتفاع سه تا پنج سانتیمتر را در کنار ظرف کیک پزی کم عمق یا روی سطح کارتان قرار دهید. (خاک فرسوده در ظرف کیک پزی خواهد ریخت.)
- ضلعی از ظرف که بریده‌اید را در ظرف کیک پزی قرار دهید. سپس جسم با ارتفاع سه تا پنج سانتیمتر را به عقب بکشید تا زیر انتهای ظرف حاوی خاک قرار بگیرد. در این صورت ظرف حاوی خاک زاویه‌دار است و زمینی شیب‌دار مانند یک تپه را شبیه‌سازی می‌کند. به نظر شما جابه‌جایی خاک توسط آب در زمین‌های شیب‌دار شدیدتر از زمین‌های مسطح است؟
- مرحله‌ی قبل را در مورد ظرف دوم حاوی خاک نیز انجام دهید تا در نهایت دو سطح شیب‌دار یکسان داشته باشید: یکی از آنها دارای چنگال (گیاه) و دیگری بدون گیاه. میان دو ظرف کمی فاصله بگذارید تا آب و خاک ریخته شده از آنها با هم تداخلی نداشته باشند.
روش کار:
- سه چهارم آب‌پاش خود را آب کنید.
- با آب‌پاش باران را روی یکی از ظرف‌های حاوی خاک شبیه‌سازی کنید. آب‌پاش را در ارتفاعی نگه دارید که آب بر تمام ظرف بریزد. اگر نمی‌توانید تمام سطح خاک را پوشش دهید روی قسمت بالایی ظرف تمرکز کنید. آماده باشید که آب به لبه‌های ظرف برود و خاک از ظرف به بیرون پرتاب شود. با ریختن باران و پایین آمدن آب به دقت همه چیز را بررسی کنید. ابتدا چه رخ می‌دهد؟ آیا تغییراتی در سطح خاک متوجه می‌شوید؟ آیا روان‌آب (جریان آب روی سطح خاک) به سرعت تشکیل می‌شود؟ آیا پس از گذشت مدتی با تغییری ناگهانی روبه‌رو می‌شوید؟ دلیل این تغییر چیست؟ تا زمانی که آب‌پاش خالی شود به ریختن باران ادامه دهید.
- مجدداً سه چهارم آب‌پاش را آب کنید و باران را روی ظرف دوم شبیه‌سازی کنید. دقت داشته باشید که مقدار آب، ارتفاع آب-پاش و زاویه‌ی آن باید برای هر دو ظرف یکسان باشد. به نظرتان دلیل آن چیست؟ آیا تغییر آنها باعث ایجاد بارانی متفاوت می-شود؟ به نظر شما شدت باران بر نوع و میزان فرسایش ایجاد شده تأثیرگذار است؟
- تا زمانی که آب‌پاش خالی شود به ریختن باران ادامه دهید. در این مورد چه مشاهده می‌کنید؟ آیا تفاوتی بین این دو حالت وجود دارد؟
- بسته به نوع خاک و ابعاد ظرف‌ها یا جعبه‌ها ممکن است با ریختن آب در دفعه‌ی اول فرسایشی مشاهده نکنید. در این صورت آب‌پاش را تا نیمه آب کنید و مجدداً باران را روی ظرف‌ها شبیه‌سازی کنید. تا جایی که لازم است این کار را انجام دهید تا فرسایش خاک حداقل در یکی از ظرف‌ها اتفاق بیفتد. آیا فرسایش در دو ظرف همزمان رخ می‌دهد؟
- برای مشاهده‌ی میزان خاک فرسوده، به آرامی ظرف‌های کیک پزی را خم کنید تا آب آنها خارج شود. مقداری از خاک همراه با این آب از ظرف خارج می‌شود اما بیشتر آن در ظرف ته‌نشین می‌شود.
- مقدار خاک فرسوده در دو ظرف را مقایسه کنید. در کدام حالت خاک بیشتری دچار فرسایش شده است؟
- وجوه تفاوت و شباهت چنگال‌ها با گیاهان چیست؟ به نظرتان وجود گیاه واقعی به جای چنگال در ظرف می‌تواند بهتر از وقوع فرسایش جلوگیری کند؟
- به نظر شما در موقعیت‌هایی مشابه در دنیای واقعی چه اتفاقی می‌افتد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
- این فعالیت را با استفاده از انواع خاک‌ها انجام دهید. آیا بعضی خاک‌ها بیشتر از بقیه مستعد فرسایش هستند؟
- چند گیاه با سرعت رشد بالا در یکی از ظرف‌ها بکارید و این بار آزمایش را با گیاهان واقعی انجام دهید. در این حالت حتماً باید از قالب پخت نان استفاده کنید زیرا جعبه‌ی مقوایی در اثر مجاورت با رطوبت در طولانی مدت نرم می‌شود. آیا گیاهان استفاده شده در این فعالیت می‌توانند جایگزین مناسبی برای درختان و گیاهان در ابعاد بزرگ باشند؟ کدام یک از این سه مورد بهتر خاک را حفظ می‌کنند، چنگال، جوانه‌ها یا گیاهان کامل رشد کرده؟
- هنگامی که برای پیاده‌روی به جایی با فضای سبز می‌روید خوب به اطراف خود دقت کنید. آیا نشانه‌هایی از فرسایش توسط آب و خاک می‌بینید؟ راهنمایی: سعی کنید به دامنه‌های شیب‌دار یا بستر رودها نگاه کنید. به نظرتان چرا این مناطق مستعد فرسایش هستند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا مقدار بیشتری خاک از ظرف حاوی خاک خالی شسته می‌شود؟ در ابتدا ممکن است مشاهده کرده باشید که برخورد قطرات سنگین باران بر خاک باعث جدا شدن تکه‌های خاک از هم می‌شود و احتمالاً پرتاب شدن خاک به اطراف را نیز مشاهده کرده‌اید.
در ابتدا خاک بیشتر آب را جذب می‌کند و مانند یک اسفنج آب را در خود نگه می‌دارد. با این حال با ادامه پیدا کردن جریان آب، خاک نمی‌تواند تمام آب را به سرعت جذب کند و آب اضافی روی سطح خاک جریان پیدا می‌کند. بدین ترتیب با اشباع شدن خاک جریان آب تشکیل می‌شود.
جریان آب روی سطح خاک روان‌آب نام دارد که با حرکت خود خاک سست را حمل می‌کند. میزان خاکی که حمل می‌شود وابسته به سرعت و حجم جریان آب و همچنین شیب و جنس خاک است. اگرچه چنگال نمی‌تواند به خوبی گیاه خاک را نگه دارد، حضور آن باعث حفظ لایه‌هایی از خاک در برابر پایین رفتن می‌شود. بدین ترتیب خاک فرسوده در ظرف حاوی خاک بیشتر از ظرف حاوی خاک همراه با گیاه (چنگال) است.
تمیز کردن:
می‌توانید خاک مورد استفاده در این فعالیت را برای گیاهان گلدانی دیگر به کار ببرید. ممکن است در ابتدا رطوبت خاک بسیار زیاد باشد، به همین دلیل اجازه بدهید خاک به مدت یک روز یا بیشتر خشک شود و سپس از آن استفاده کنید.
منبع:
منابع مفید: