نقش گیاهان در جلوگیری از فرسایش خاک

مقدمه:

همه ی ما صرفه جویی در مصرف آب و استفاده ی مجدد از آن را وظیفه ی خود می دانیم. اما آیا تا به حال به نگهداری از خاک فکر کرده اید؟ به احتمال زیاد به این مسئله فکر نکرده اید اما فرسایش خاک توسط آب، باد و سایر نیروهای طبیعی می تواند یک مشکل زیست محیطی بزرگ باشد. با شسته شدن و جابه جایی خاک های سطحی غنی از مواد مغذی، زمین های زراعتی از بین می روند. در ادامه آب راه ها به دلیل ریخته شدن کودهای شیمیایی و سموم آلوده می شوند.
 
با وقوع رانش زمین جان و مال انسان ها نیز به خطر می افتد. ضرر اقتصادی فرسایش خاک تنها در آمریکا سالانه چندین میلیارد دلار است. پس فرسایش خاک مشکلی بسیار جدی است. آیا می توان جلوی این اتفاق را گرفت؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا بیاموزید چگونه با استفاده از تنها چند گیاه می توان خاک را حفظ کرد.

پیش زمینه:

یکی از دلایل فرسایش خاک شسته شدن و جابه جایی آن توسط آب باران است. این آب باران یا روان آب در واقع آبی است که روی سطح خاک جریان دارد. روان آب هنگامی به وجود می آید که خاک اشباع شده باشد یا توان جذب آب بیشتر را نداشته باشد.
 
یکی از روش های مبارزه با فرسایش خاک استفاده از گیاهانی با سیستم ریشه ای گسترده است که می توانند با ریشه ی خود خاک را نگه دارند و از جابه جایی آن جلوگیری کنند. احتمالاً در هنگام بیرون کشیدن گیاهانی مانند علف هرز و غیره مشاهده کرده اید که مقدار بسیاری خاک همراه با ریشه ها از زمین خارج می شود. گیاهان همچنین به جذب مقداری از آب موجود در خاک کمک می کنند.
 
این اثرات سبب می شود جابه جایی خاک توسط آب دشوارتر شود. گیاهان به روش های دیگری نیز از خاک در مقابل فرسایش محافظت می کنند. برای مثال گیاهان باعث شکسته شدن باد و عدم جابه جایی خاک سطحی خشک توسط آن می شوند. 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 وسیله ها حتماً از یک بزرگتر کمک بگیرید.)
- یک ظرف خالی یک گالنی همراه با در
 
- آب

- دو قالب آلومینیومی مخصوص پخت نان به شکل زیر (می توانید به جای آن از دو جعبه کفش محکم با همین ابعاد استفاده کنید. دقت داشته باشید که عمق این جعبه ها باید حداقل هفت سانتیمتر باشد.)
 
- خاک (خاک گلدان گزینه ای مناسب است.)

- دو قالب کیک پزی آلومینیومی در ابعاد ۱۳ در ۹ اینچ (می توانید به جای آن از ظروف پلاستیکی کم عمق (با عمق حدوداً سه سانتیمتر) با مساحتی کافی برای قرار گرفتن ضلع کوچکتر قالب نان یا جعبه ی 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 اندازه ی 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 نمی شود.)
 
- 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)

آماده سازی:

- از بزرگتر خود بخواهید با استفاده از قیچی یا چاقو سوراخی بالای دسته ی ظرف یک گالنی ایجاد کند. این سوراخ به هوا اجازه ی ورود به ظرف در هنگام خروج آب از آن را می دهد. قطر مناسب برای سوراخ نیم تا یک سانتیمتر است. (نکته: اگر آب پاشی دارید که سر آن سوراخ های زیادی دارد و آب مانند باران از آن خارج می شود می توانید به جای انجام این مراحل از این آب پاش استفاده کنید.)
 
- از بزرگترتان بخواهید چند سوراخ روبه روی دسته ی ظرف در قسمت بالا ایجاد کند تا آب خروجی مانند باران شود. سه ردیف هر کدام شامل پنج سوراخ مناسب است. بهتر است این سوراخ ها کوچک و با قطر حدوداً دو میلیمتر باشند. در صورت هم اندازه یا مرتب نبودن سوراخ ها نگران نباشید. در روند کار می توانید این سوراخ ها را تصحیح کنید. به نظرتان تعداد و اندازه ی این سوراخ ها تأثیری بر جریان بارانی که تشکیل می شود دارد؟
 
- برای آزمایش آب پاش را تا نیمه آب کنید و در آن را ببندید. در سینک آشپزخانه یا محلی بیرون از خانه که می تواند خیس شود ظرف را کج کنید تا آب از سوراخ های کوچک بیرون بریزد. آیا باران به خوبی شبیه سازی می شود؟ زاویه ی ظرف را تغییر دهید. اگر آب از سوراخ ها روی لبه ی ظرف جریان پیدا می کند، ظرف را بیشتر کج کنید. چه نوع بارانی توسط آب پاش شبیه سازی می شود، باران سنگین، مداوم و یا نم نم؟ در صورت نیاز سوراخ های کوچک را مجدداً تنظیم کنید. هدف شبیه سازی بارانی مداوم و شدید است.
 
- دو قالب نان پزی را با خاک پر کنید. در صورت وجود توده های خاک آنها را از هم باز کنید. مقداری فضای خالی در بالای ظرف ها باقی بگذارید تا آب جریان یافته از لبه ی ظرف ها بیرون نریزد. لایه ی خاک داخل ظرف ها باید عمقی حداقل شش سانتیمتری داشته باشد.
 
- در حالت ایده آل شما باید در یکی از این ظرف ها گیاه بکارید، اما این کار بسیار زمان بر خواهد بود. به همین دلیل برای انجام سریع تر این فعالیت از چنگال های پلاستیکی به عنوان گیاه استفاده می کنیم و سر چنگال به عنوان ریشه ی گیاه عمل خواهد کرد.
 
- چنگال ها را مانند گیاه در یکی از ظرف ها یا جعبه ها بکارید. آنها را طوری در ظرف قرار دهید که تمام خاک به طور یکسان پوشیده از گیاه باشد. چنگال ها باید طوری کاشته شوند که سر آنها (قسمت نوک تیز) به طور کامل در خاک و دسته ی آنها بیرون از خاک قرار بگیرد.
 
- حال نیمه ی بالایی یکی از اضلاع کوتاه هر کدام از دو ظرف را جدا کنید. برای این کار با یک بیل کوچک یا دست های خود دو برش عمودی در قسمتی که ضلع کوچک به اضلاع بلندتر متصل است ایجاد کنید. سپس نیمه ی بالایی این ضلع را به سمت پایین تا کنید یا آن را جدا کنید. بدین ترتیب خاک می تواند 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 بریده اید 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 زاویه دار است و زمینی شیب دار مانند یک تپه را شبیه سازی می کند. به نظر شما جابه جایی خاک توسط آب در زمین های شیب دار شدیدتر از زمین های مسطح است؟
 
- مرحله ی قبل را در مورد ظرف دوم حاوی خاک نیز انجام دهید تا در نهایت دو سطح شیب دار 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 آب پاش خود را آب کنید.
 - با آب پاش باران را روی یکی از ظرف های حاوی خاک شبیه سازی کنید. آب پاش را در ارتفاعی نگه دارید که آب بر تمام ظرف بریزد. اگر نمی توانید تمام سطح خاک را پوشش دهید روی قسمت بالایی ظرف تمرکز کنید. آماده باشید که آب به لبه های 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 می دهد؟ آیا تغییراتی در سطح خاک متوجه می شوید؟ آیا روان آب (جریان آب روی سطح خاک) به سرعت تشکیل می شود؟ آیا پس از گذشت مدتی با تغییری ناگهانی روبه رو می شوید؟ دلیل این تغییر چیست؟ تا زمانی که آب پاش خالی شود به ریختن باران ادامه دهید.

- مجدداً سه چهارم آب پاش را آب کنید و باران را روی ظرف دوم شبیه سازی کنید. دقت داشته باشید که مقدار آب، ارتفاع آب-پاش و زاویه ی 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 آب پاش خالی شود به ریختن باران ادامه دهید. در این مورد چه مشاهده می کنید؟ آیا تفاوتی بین این دو حالت وجود دارد؟
 
- بسته به نوع خاک و ابعاد ظرف ها یا جعبه ها ممکن است با ریختن آب در دفعه ی اول فرسایشی مشاهده نکنید. در این صورت آب پاش را تا نیمه آب کنید و مجدداً باران را روی ظرف ها شبیه سازی کنید. تا جایی که لازم است این کار را انجام دهید تا فرسایش خاک حداقل در یکی از ظرف ها اتفاق بیفتد. آیا فرسایش در دو ظرف همزمان رخ می دهد؟
 
- برای مشاهده ی میزان خاک فرسوده، به آرامی ظرف های کیک پزی را خم کنید تا آب آنها خارج شود. مقداری از خاک همراه با این آب از ظرف خارج می شود اما بیشتر آن در ظرف ته نشین می شود.
 
- مقدار خاک فرسوده در دو ظرف را مقایسه کنید. در کدام حالت خاک بیشتری دچار فرسایش شده است؟
 
- وجوه تفاوت و شباهت چنگال ها با گیاهان چیست؟ به نظرتان وجود گیاه واقعی به جای چنگال در ظرف می تواند بهتر از وقوع فرسایش جلوگیری کند؟
 
- به نظر شما در موقعیت هایی مشابه در دنیای واقعی چه اتفاقی می افتد؟

آزمایش های تکمیلی:
- این فعالیت را با استفاده از انواع خاک ها انجام دهید. آیا بعضی خاک ها بیشتر از بقیه مستعد فرسایش هستند؟
 
- چند گیاه با سرعت رشد بالا در یکی از ظرف ها بکارید و این بار آزمایش را با گیاهان واقعی انجام دهید. در این حالت حتماً باید از قالب پخت نان استفاده کنید زیرا جعبه ی مقوایی در اثر مجاورت با رطوبت در طولانی مدت نرم می شود. آیا گیاهان استفاده شده در این فعالیت می توانند جایگزین مناسبی برای درختان و گیاهان در ابعاد بزرگ باشند؟ کدام یک از این سه مورد بهتر خاک را حفظ می کنند، چنگال، جوانه ها یا گیاهان کامل رشد کرده؟
 
- هنگامی که برای پیاده روی به جایی با فضای سبز می روید خوب به اطراف خود دقت کنید. آیا نشانه هایی از فرسایش توسط آب و خاک می بینید؟ راهنمایی: سعی کنید به دامنه های شیب دار یا بستر رودها نگاه کنید. به نظرتان چرا این مناطق مستعد فرسایش هستند؟

مشاهده و نتیجه گیری:

آیا مقدار بیشتری خاک از ظرف حاوی خاک خالی شسته می شود؟ در ابتدا ممکن است مشاهده کرده باشید که برخورد قطرات سنگین باران بر خاک باعث جدا شدن تکه های خاک از هم می شود و احتمالاً پرتاب شدن خاک به اطراف را نیز مشاهده کرده اید.
 
در ابتدا خاک بیشتر آب را جذب می کند و مانند یک اسفنج آب را در خود نگه می دارد. با این حال با ادامه پیدا کردن جریان آب، خاک نمی تواند تمام آب را به سرعت جذب کند و آب اضافی روی سطح خاک جریان پیدا می کند. بدین ترتیب با اشباع شدن خاک جریان آب تشکیل می شود.
 
جریان آب روی سطح خاک روان آب نام دارد که با حرکت خود خاک سست را حمل می کند. میزان خاکی که حمل می شود وابسته به سرعت و حجم جریان آب و همچنین شیب و جنس خاک است. اگرچه چنگال نمی تواند به خوبی گیاه خاک را نگه دارد، حضور آن باعث حفظ لایه هایی از خاک در برابر پایین رفتن می شود. بدین ترتیب خاک فرسوده در ظرف حاوی خاک بیشتر از ظرف حاوی خاک همراه با گیاه (چنگال) است.

تمیز کردن:

می توانید 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: Scientific American

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان،تنظیم: نیلوفر یاقوتی