Ortama bağlı olarak, çözeltinin içinde bulunan birleşmeler ayrışmaya tabi olursa, bu durumda birbirinden ayrı iyonlar toprak tarafından yutulabilir. Toprak tarafından kimyasal tepkime sonucunda yalnızca katyonlar yutulmuş olursa ve bu tepkime belirli fiziksel kuvvetin etkisi altında gerçekleşirse, bu tür yutulmaya toprağın fiziksel – kimyasal yutma kabiliyeti denir. Aşağıda yazdığımız tepkime bunu açıklayabilir:
[toprak] Ca + 2NaCl = [toprak] Na + CaCl2
Fiziksel kimyasal yutma kabiliyetinin bir özelliği vardır. Değişim tepkimesi sonucunda toprakla söz konusu çözeltinin katyonları birbirinin yerine geçer. Bu tepkime ile yutulan katyonlara “değişme” katyonları ya da “yutulmuş” katyonlar denir. Özellikle yutma sürecinde toprağın bütün kütlesinin katılmadığını belirtmemiz gerekir. Yutma sürecini oluşturan toprakta bulunan en narin koloit parçacıklarıdır.
Bu gibi koloit parçacıklarına toprağın “yutma kabiliyeti” denir. Bu kompleksin en belirgin özelliği kendisinde bulunan katyonu çözeltinin katyonu ile ikame etme kabiliyetidir. İçerik itibariyle yutma kompleksi oldukça çeşitli kimyasal birleşmelerden oluşur. Buraya ister mineral, isterse de organik koloitler dahil edilirler. Bu nedenle buna kompleks adı verilmiştir. Çeşitli toprak türlerinde yutma kompleksinin miktarı farklılık gösterir. Şöyle ki, bazı topraklarda yutma kompleksi çok yüksek, bazılarında ise çok düşük olur. Narin parçacıklara sahip, killi, killice ve organik maddelerle zengin topraklarda yutma kompleksinin miktarı yüksek, kumsal humus maddesi olan topraklarda ise yutma kompleksinin miktarı düşük olur.
Kimyasal yutma kabiliyeti
Yukarıda belirttiğimiz çeşitli yutma yöntemleri dışında, gıda maddeleri toprak tarafından kimyasal yutma kabiliyeti üzere tutularak muhafaza olunabilirler. Çözeltinin içeriğinde bulunan çeşitli birleşmeler ya da çözeltiler toprak ile temasta olduktan (birleştikten) sonra burada bulunan tuzlar birbiriyle tepkimeye girerek, yeni birleşmeler oluştururlar. Toprağın bu yutulma kabiliyeti sadece belirli kimyasal tepkime ile gerçekleştiği için, buna kimyasal yutma kabiliyeti denir. Bu yutma kabiliyetinin temel özelliklerinden biri tepkime sonucunda bazı zayıf çözülen, bazen ise hiç çözülmeyen birleşmeler vermesidir.
Bildiğimiz gibi, toprak çözeltisinin içeriğinde çeşitli tuzlar vardır. Örneğin, “Na3PO4” tuzu “CaCl” tuzu ile belirli kimyasal tepkimeye girerek sonuçta zor çözümlenen kalsiyum fosfat tuzunu verir.
3Ca2 Cl + 2Na3 PO4 =Ca3 (PO4) + 6Na Cl
Bu tepkime sonucunda zor çözülen “Ca3 (PO4)2” tuzu çözeltinin içeriğinde tamamen çökelti haline gelerek, toprak tarafından tutulabilir. Tüm çözülen tuzlar kimyasal yutma süreci sonucunda toprak tarafından tutulamaz. Ancak tepkime neticesinde zor birleşmeler verebilen tuzlar kimyasal yöntemle tutularak toprakta saklanabilir.
Yutma enerjisi: çeşitli katyonlar çeşitli yutma enerjilerine sahiptirler. Bazı katyonlar toprak tarafından hızlı, bazılarıysa yavaş yutulabilir. Genel itibariyle katyonların yutma enerjisi onların elektrik yüküne bağlıdır. Bir elektrik yüklü katyonlar: Na, K, NH4. Nispeten zayıf iki elektron yüklü katyonlar: Ca, Mg toprak tarafından nispeten daha şiddetle yutulabilirler. Bu katyonlar arasında “H” iyonunun bir elektik yüküne rağmen, onun yutulma enerjisi yukarıda belirttiğimiz tüm katyonlardan daha yüksektir. Bu nedenle, hidrojen iyonu yutulmuş katyonlar arasında özel konuma sahiptir. Dolayısıyla, toprağın yutma kompleksi daima katyonlarla doygun durumdadır. Toprağın oluşum ortamına bağlı olarak, yutma kompleksinin de içeriği oldukça çeşitlilik arz eder. Bazı durumlarda yutma kompleksi hidrojen, bazen kalsiyum, bazen de sodyum katyonuyla doygun halde bulunur.
Yutulmuş katyonlara bağlı olarak toprak “esaslara doygun” ve “esaslara doygun olmayan” iki türe bölünür. Esaslara doygun toprakların yutma kompleksinde Ca, Mg, Na bulunur. Esaslara doygun olmayan toprakların yutma kompleksinde ise hidrojen iyonu bulunur. Bu nedenle ilk söylenenlerin tepkimesi nötr ve zayıf alkali olduğu gibi, ikinci söylenenlerin tepkimesi de asidik olmaktadır. Esaslara doygun olan topraklara kara topraklar, kestane, bozkır, kahve, tuzlu topraklar ve tuzlakları örnek verebiliriz. Esaslara doymamış topraklara ise podzol ve bataklık topraklarını gösterebiliriz. Bunun dışında her toprak tipinde yutulan katyonlar farklılık arz ederler. Kara toprakların yutma kompleksinde Ca, Mg, tuzlu toprakların yutma kompleksinde Na temel alınır. Nihayet podzol toprakların yutma kompleksinde hidrojen iyonu bulunur. Yutulmuş katyonların içeriğine bağlı olarak, topraklar oldukça çeşitli fiziksel ve kimyasal içeriğe ve yapıya sahip olurlar. Örn, Ca, Mg, toprağın koloit parçacıklarını sağlam pekiştirdiği için bu toprakların çok net ve dayanıklı yapıları vardır. Toprağın fiziksel özellikleri, daha doğrusu havalanması ve su geçirgenliği yüksektir. Bu nedenle kara topraklar her zaman verimliliklerini korurlar. Tuzlu toprakların yutma kompleksinde belirttiğimiz üzere Na katyonu bulunmaktadır. Bu katyon tek yüklü olduğu için koloitlerin pekiştirmesi zayıf gerçekleşir ve meydana gelen toprağın yapısı da suya karşı fazla dayanıklı olmaz ve sulama sonucunda toprak zamanla kendi yapısını kaybeder. Bu gibi toprakların yapıları bozuldukça, onların fiziksel özellikleri de bozulur ve giderek verimliliklerini kaybedebilirler. Nihayet, podzol tipi topraklarda yutma kompleksinde hidrojen iyonu bulunduğu için toprak çözeltilerinde bazen yüksek oranda asidiklik oluşur. Bu da toprakta humusun yıkanması için elverişli ortamı sağlar. Bu gibi topraklarda çürüme maddelerinin ve özellikle humusun miktarı giderek azaldığı için, onların verimlilikleri de düşebilir.
Biyolojik yutma kabiliyeti.
Toprakta gıda maddelerinin yutulmasına ve muhafaza edilmesine biyolojik yutma kabiliyetinin büyük rolü vardır. Toprağın biyolojik yutma kabiliyetini oluşturan, onun içeriğinde bulunan küçük organizmalardır. Bu organizmaların faaliyeti sonucunda toprakta birçok gıda maddesi benimsenir ve böylece, bu maddelerin topraktan yıkanmasını muhafaza ederler.
Biyolojik yutma kabiliyetinde bitkilerin de önemi büyüktür. Bitki kökleri toprağın derin katlarına geçerek, burada bulunan gıda maddelerini üst kata çıkarır ve bitkisel kalıntılar şeklinde toprakta toplarlar. Toprakta nitratların oluşumunda ve tutulabilmesinde biyolojik yutma kabiliyeti önemli yere sahiptir. Nitratlar toprakta sadece biyolojik yutma kabiliyeti aracılığıyla tutulabilir. Genellikle, biyolojik etmenin sadece yutma kabiliyetinde değil, hatta birçok gıda maddesinin türemesinde ve toprak verimliliğinin aynı düzeyde kalmasına katkısı inkar edilemez.
Toprağın mekanik içeriği
Aşınma sürecinin etkisi altında katmanlar toprağa dönüşürken çok derin kimyasal ve mekanik değişimler gerçekleşir. Aşınmış katmanlarda net bir şekilde çeşitli ölçü ve çaplarda mekanik parçacıklara rastlayabiliriz. Katmanın petrografik ve kimyasal içeriğine bağlı olarak, aşınmış katmanlarda da çapı birkaç cm olan büyük katman kırıntılarına, daha sonrasında da kum ve kil parçacıklarına tesadüf edilmektedir. Toprağın mekanik elemanlarının oluşumunda bitki köklerinin ve toprakta yaşayan haşaratların büyük rolü vardır. Bitki kökleri ve haşaratlar iri katman kırıntılarını giderek parçalar ve narin parçacıklar şekline dönüştürürler. Toprakta bulunan çeşitli çaplarda mekanik parçacığa, bu toprağın mekanik içeriği denir. Normal topraklarda bu gibi mekanik parçacıklar birbirine yapışarak toprağın yapısını oluştururlar.
Eğer toprak numunesini suda çalkalamış olursak, tedricen parçaların kendi çaplarına bağlı olarak suyun dibine çöktüğünü net bir şekilde görebiliriz. Toprakta bulunan bu mekanik parçacıklar hem şekillerine göre, hem de çaplarına göre çeşitlilik arz ederler. Mekanik içeriğine göre topraklar ikiye bölünür:
1. Toprağın iskeleti > 1 mm
2. Narin kısmı < 1 mm
Toprağın iskeletine 1 mm.den büyük parçacıklar, narin kısmına ise çapı 1 mm.den küçük parçacıklar dahil edilir. Toprağın temel özelliğinin onun narin kısmında toplanmış olduğunu özellikle vurgulamak gerekir. Bunun dışında toprağın narin kısmında bulunan kum, gaz ve gil parçacıkları birbirinden ayrı mekanik dağılımlarla farklılık arz ederler. Toprağın mekanik içeriğinin öğrenilmesiyle birçok uygulama sorununun doğrudan ilgisi vardır. Başka bir ifadeyle toprağın fiziksel özelliği, daha doğrusu onun sulanma, hava ve sıcaklıkla olan ilişkisi toprağın mekanik içeriğine bağlıdır. Nihayet toprağın yapısı, onun kimyasal içeriği, yutma kabiliyeti ve verimliliği doğrudan mekanik içeriğiyle ilintilidir. Çoğu toprağın hangi tarım aletleriyle işlenmesi, bu toprağın mekanik içeriğiyle ilintilendirilir. Bu nedenle eski zamanlardan beri halk kendi arasında ağır killi toprak, hafif toprak, kumsal toprak adlandırarak toprak türlerini birbirinden ayırmıştır. Toprakların mekanik içeriğini belirlemek için çok çeşitli yöntemler önerilmiştir. Genellikle toprağın mekanik içeriğini belirleyen yöntemlere toprağın mekanik analizi denir.
Önerilen yöntemler aşağıdakilerdir:
1. Yöntem, Profesör Sabanin’in önerdiği yöntemdir. Bu yönteme göre toprağın mekanik içeriği özel cihazla belirlenir. Sabanin yönteminin ilkesi parçacıkların hacmine ve boyutuna bağlıdır. Bu yönteme göre toprağın narin kısmı 4 farklı fraksiyona sahiptir:
I fraksiyon 1 – 0,25 mm – kum
II fraksiyon 0,2 – 0,05 mm – kumlu toz
III fraksiyon 0,05 – 0,01 mm – toz
IV fraksiyon < 0,01 mm – lil (sediment)
Yukarıda belirttiğimiz fraksiyonların oranına bağlı olarak toprakları killi, killice, kumsal ve kumlu diye mekanik türlere ayırırlar. Özellikle, mekanik parçacıkların çözelti içinde çökme kabiliyeti, onun özel vezninden, şekil ve boyuna bağlıdır. Sabanin’in yöntemi sakin suda analiz yöntemi olarak da bilinir.
Sabanin yönteminin dışında toprağın mekanik analizinde Profesör Şenen yöntemini de kullanırlar. Bu yöntemin esas ilkesi toprağın mekanik içeriğini akarsuda belirlemektir. Bu bilim adamının özel aparatı vardır. Bu aparatla toprağın mekanik içeriği suyun hızına bağlı olarak, birbirinden ayrı mekanik fraksiyonlara ayrılırlar.
Nihayet 3. yöntem Fadeyev – Williams yöntemidir. Bu bilim adamları da kendi yöntemlerinde Sabanin yöntemini temel ilke olarak almışlar. Sabanin genellikle mekanik içeriği aşağıda belirtilen gruplara ayırmıştır.
Çapı mm olarak
Taş >10 mm üzerinde
Küçük taş 10 – 3 mm arası
İri 1 – 0,5 mm arası
Kum orta 0,5 – 0,25 arası
Narin 0,25 – 0,01 arası
Orta 0,01 – 0,005 arası
Narin 0,005 – 0,001 arası
Lil < 0,001
Toprak için önemli mekanik fraksiyon toprağın lil fraksiyonu hesap edilir. Çünkü bu fraksiyonda toprağın en aktif kısmı – koloitler birikmiştir.
Bu fraksiyonda:
Kuvars, feldspat, avgit, granit, limonit, kalsit ve dolomit adlanan mineral kırıntıları yaygındır.
Toprağın morfolojisi
Her bir toprak kitlesi kendi gelişimi süresince çeşitli fiziksel, kimyasal, biyolojik süreçlerin etkisi altında kendisine ait özel yabancı morfolojik alametleri benimser. Toprağın morfolojik alameti toprak oluşumu sürecinin ortamına bağlıdır. Bu ortamın değişmesiyle ilgili topraklar çeşitli morfolojik alametlere sahip olurlar. Dolayısıyla toprağın morfolojik alameti onun iç kimyasal özelliğini ve verimliliğini aksettirir. Halihazırda toprağın morfolojik incelenme yöntemi çöl araştırmalarının temel yöntemlerinden biri hesap edilir. Öncelikle toprağın morfolojik incelenme yöntemini geliştiren Rus toprak bilim adamları olmuşlar. Ordinaryüs Profesör Rupreht, Profesör Dokuçayev, Sibirtsev kendi geniş toprak araştırmalarıyla morfolojik inceleme yöntemlerini daha da geliştirerek, pekiştirmişler. İnsan gözüyle ayırt edilebilen toprakların dış alametlerine bu toprağın “morfolojik alametleri” denir. Toprağın morfolojik alameti onun iç kalitesini gösterir. Örneğin, toprağın renginin koyu olması bu toprakta organik maddelerin zenginliğini, sarımtırak olması ise toprakta olan demir birleşmelerini, beyazımsı renkte olması ise toprakta kalsiyum karbonat tuzlarının bulunduğunu gösterir. Bunun dışında toprağın morfolojik özelliklerine göre, biz bu toprağın türemesini ve hangi çeşide ait olduğunu belirleyebiliriz. Bu nedenle de toprak morfolojisinin ister teorik, isterse uygulamada büyük önemi vardır. Halk arasında toprağın rengine göre onun verimlilik derecesini de belirlerler. Örneğin, kara toprakların boz, kahve topraklara göre verimliliğinin daha yüksek olduğu bilinen bir gerçektir. Toprağın temel morfolojik özellikleri aşağıda belirttiklerimizden ibarettir:
1. Toprağın rengi
2. Toprağın strüktür yapısı
3. Toprağın sıkışıklığı
4. Toprak katının kalınlığı
5. Toprağın yeni türevleri ve mahsulleri
6. Toprağın iskeleti
7. Toprağın yapısı
1. Toprağın rengi: Toprağın rengi sade gözle görülebilen morfolojik alametlerdendir. Eski zamanlarda toprağın adını onun rengine göre belirlemişler: kara, sarı, boz, kahve vs. topraklar. Topraklar rengine göre çok çeşitlidirler. Toprağın rengini karakterize ederken onu sade bir renkle adlandırmamız zordur. Bu nedenle toprak rengini belirlerken öncelikle rengin tonunu ve çeşidini ayırmamız gerek. Bunun dışında rengin derecesini vermemiz gerek. Örneğin, kara, koyu kara, siyahımsı, gri, açık gri, koyu gri, grimsi vs. Toprağın rengi onun kimyasal içeriğine ve fiziksel durumuna bağlıdır. Öncelikle toprağa renk veren toprağın içindeki kimyasal birleşmelerdir. Örneğin demir birleşmeleri toprağa sarı ve kırmızımsı, organik birleşmeler toprağa siyah, silisyum dört oksit (SiO2) ve CaCO2 toprağa beyazımsı renk verir. Belirttiğimiz bu 3 temel renk birbirine değişik şekilde karışırsa, oldukça çeşitli renklere sahip topraklar oluşur. Yukarıda belirttiğimiz üzere toprak renginin tarımda önemi büyüktür. Çünkü toprağın rengine göre onun tarıma yararlı olup olmadığını belirlemek mümkündür. Kara topraklarda organik maddeler çok olduğu için en faydalı topraklardan hesap edilirler. Gri ve açık renkli topraklar ise o kadar da yüksek tarım değerine sahip değiller.
2. Toprağın yapısı: belirli fiziksel kuvvetin etkisiyle bir toprak kütlesinin çeşitli şekillerde, farklı boyutlarda parçalara bölünmesine o toprağın strüktürlülüğü, bölünen parçalara ise toprağın strüktür yapısı denir. Toprağın strüktür yapısı bu toprakta bulunan hem organik, hem de mineral koloitlere ve kireç tuzlarına bağlıdır. Bu nedenle bazı kumsal topraklarda bir toprağın strüktür yapısını göremiyoruz. Bunu temel alarak, genel anlamda toprakları strüktürlü ve strüktürsüz olarak ikiye ayırabiliriz. Şekil itibariyle toprağın strüktür yapısı taneli, cevizimsi, keltenli ve kesekli diye birkaç sınıfta toplanabilir. Özellikle, her toprak türünün kendisine özgü strüktür yapısının olduğunu belirtmek gerekir. Örneğin, kara topraklarda taneli; orman, gri, kestane rengi topraklarda cevizimsi; tuzlu topraklarda ise ince kabuğumsu strüktür yapısını görebiliriz. Toprağın strüktür yapısının doğrudan fiziksel özelliklerine etkisi vardır. Suyun, havanın ve sıcaklığın iletilmesinde toprağın strüktür yapısının elverişli olması, öncelikli koşullardandır. Bu nedenle, tarımda taneli strüktür yapısı en değerli strüktür yapılarındandır.
3. Toprağın sıkışıklığı. Toprakta bulunan mesamelerin az ya da çokluğu toprakta belirli bir sıklık oluşturur. Bu yönden toprakları sert, çok sert, yumuşak ve boş sıkışık sınıflarına ayırırlar. Bazı durumlarda toprakta sıkışıklık derecesi olmaz, onlar sepilmiş durumda bulunurlar. Genellikle, toprağın sıkışıklık derecesi üst kattan aşağı katlara indikçe artar. Bu bir taraftan aşağı katlarda organik maddelerin azlığı ve tuzların çokluğuyla ilişkilidir. Özellikle tuzlak topraklarda alt katlarda tuz oranı çok yüksek sıkışıklığa neden olur. Bu da tuzlak toprakların temel morfolojik özelliklerinden hesap edilir.
Toprağın ve toprak katlarının kalınlığı
Doğal ortama ve toprağın oluşum sürecinin etkisine bağlı olarak, toprak katlarının kalınlığı çeşitlilik arz eder.
Toprağın üst katından ana katmana kadar olan kalınlığa – toprak katının kalınlığı denir. Çoğu zaman toprak kalınlığı 40 – 150 cm.ye kadar olabilir. Bazı durumlarda ise özellikle tipik kara topraklarda toprak kalınlığı 2,5 metreyi bulabilir. Yüksek dağ bölgelerinde toprağın genellikle kalınlığı 30 – 40 cm.yi geçmez. Bu bir taraftan dağ bölgelerinde toprağın oluşum sürecinin zayıf geçmesine, diğer taraftan da türeyen toprakların taşkınlarla yıkanmasına bağlıdır. Dağ eteği bölgelerde toprak katının kalınlığı 90 – 100 cm.ye kadar olabilir. Nihayet düz ovalarda ise toprak kalınlığı 150 – 200 cm.ye ulaşabilir. Bu gibi bölgelerde toprak katının kalın olması dağ eteklerinden yıkanan çökeltilerin düzlüklere sürüklenmesi ve giderek toprak kalınlığının artmasıyla açıklanabilir.Toprağın tarımsal değeri birbirinden ayrı katların kalınlığına göre belirlenir. Örneğin, kara topraklarda humus katının kalın olması, bu toprakta organik maddelerin zenginliğini gösterir. Bazı durumlarda humus katı zayıf kalınlığa sahip olursa, bu toprakta yıkanmanın etkisi altında organik maddelerin tedricen kaybı gözlemlenir.
Toprağın yeni türevleri ve ürünleri
Toprak boşluğunda toprağın oluşum sürecinin etkisi altında türeyen birleşmelere bu toprağın yeni türevleri denir. Toprağın yeni türevlerinin öğrenilmesinin önemi bu toprağın kimyasal içeriğinin tespit edilmesidir. Toprağın yeni türevleri, belirli ortamın değişmesine bağlı olarak toprak çökeltilerinden çöken birleşmelerden ibarettir. Genellikle, türevleri kimyasal ve biyolojik olmak üzere ikiye ayırırlar. Yeni kimyasal türevlerden CaCO3, CaSO4 H2O (alçı), demir birleşmeleri ve SiO2’yi gösterebiliriz. CaCO3’ün yeni türevleri çoğu toprağın 50 – 60 cm derinliğinde yaygınlaşır. Bu gibi türevlere beyaz gözcükler denir.
Beyaz gözcükler kestane tipi topraklar için karakteristik morfolojik alametlerden hesap edilir.
Alçı yeni türevlere çoğu zaman tuzlak topraklarda rastlanılır. Bu türevler bazen küçük kristaller şeklinde, bazen de iri druz şeklinde tuzlak toprakların derin katlarında bulunurlar. Bataklık topraklarında yeni türevlerden demir oksitlerin birleşmeleri yaygındır. Bu gibi birleşmeler toprağın belirli derinliğinde yeşilimsi ateş renginde bir kat oluşturur. Buna da grey katı denir. Bazı durumlarda özellikle podzol topraklarda demir oksitlerinin birleşmeleri toprak katından yuvacıklar oluşturur. Bu türevlere ortsteyn türevleri denir.
Tipik podzol topraklarda ortsteyn türevlerinin miktarı o kadar fazladır ki, bunlar hatta ortsteyn katı oluştururlar. Nihayet, SiO2’nin türevleri bazen kristal, bazen de amorf halinde beyazımsı renkte podzol topraklarında bulunur. Bu gibi türevler podzol topraklar ayrı kat oluşturur ki, buna da podzol katı denir.
Organik yeni türevlerden bitki köklerinin ve haşarat kalıntılarını belirtebiliriz. Bazı topraklarda toprak katının içerisinde kırıntı katman parçalarına tesadüf edilebilir. Bazen de ağaç ve bitkilerin iri kalıntılarına rastlanabilir. Bu gibi kalıntılar toprağın oluşum süreci ile türeyen birleşmelerdir. Bu nedenle bu gibi kalıntılara toprağın ürünleri denir. Sub-tropik bölgelerde toprağın kırmızımsı olmasının nedeni, buradaki ana katmanlarda bulunan Fe2O3 (hematit)’in yüksek sıcaklık ve çok miktarda birikmenin sonucunda aşınmasıdır. Bu aşınma o kadar hızlı gider ki, demir ana katmandan ayrılarak toprağa geçer, onun rengini ve içeriğini değiştirir.
