Toprak Kimyası ve Katyon Değişim Kapasitesi

1- Jan Baptist van Helmont  - On yedinci yüzyılda yaşamış Belçikalı bir kimyacı ve fizikçi olan Jan Baptista Van Helmont bilimsel deneylerinden birinde bir söğüt ağacının büyümesini gözlemledi ve çeşitli ölçümler yaptı.

Başlangıçta Söğüt Fidanının ağırlığı: 2.3 kg

Toprak:  90.7 kg

Van Helmont, fidanı yağmur suyu ile sulayarak 5 yıl boyunca gözlem yaptı.

Denemenin sonunda ağacın ağırlığı: 77.1 kg (Gelişim boyunca sonbaharda dökülen yapraklar dikkate alınmamış.)

Kurutulan topraktaki kayıp: 57 gr.

Dikkat edilirse, topraktaki 57 gr kayba karşılık ağacın biyokütlesindeki artış 74.8 kg’dır.

Van Helmont, bu deneyinde, söğüt ağacının büyüme sebebinin sadece saksıdaki toprak olmadığını ortaya çıkardı. Bitki büyümek için toprağın çok az bir kısmını kullandığına göre başka bir yerlerden besin alıyor olmalıydı. Toprağa yalnızca su verildiğini dikkate alan Van Helmont söğüt fidanının sudan oluştuğunu ve suyun tek bitki besin maddesi olduğunu ileri sürmüştür. Van Helmont o zamandaki olanaklar ile bitkilerin fotosentez yoluyla havadan CO2 ve toprak mikroorganizmaları yoluyla yine atmosferden Azot aldığını görememişti. Ancak onun bu keşfi bir çığır açmıştı.

2- John Woodward  - 1699 yılında, İngiliz jeoloji ve fizik uzmanı John Woodward, bitkileri asıl besleyenin, sudaki insan ve hayvan kalıntıları olduğunu saptadı. John Woodward yaptığı çok ilginç bir denemenin (topraksız kültür veya diğer adıyla hidrofonik sistemin) sonuçlarını 1699 yılında yayınlamıştır. Woodward nane bitkisini (Mentha sp.),  Yağmur suyunda, Thames Irmağı suyunda, Hyde Park kanal suyunda ve toprak karıştırılmış kanal suyunda 77 gün süreyle yetiştirmiştir.

Bitkiler tarafından kullanılan su miktarı dikkatli şekilde belirlenmiş ve denemenin bitiminde bitkilerin ağırlıkları kaydedilmiştir. Deneme sonunda bitki ağırlıklarının sırası ile:

Yağmur suyu: 1.14 gr

Thames nehri suyu:1.69 gr

Hyde Park kanal suyu: 9.02 gr

Toprak karıştırılmış kanal suyu: 18.42 gr

olduğu saptanmıştır. Nane bitkisinde gelişmenin, suyun içerdiği yabancı madde miktarıyla ilgili olarak arttığını gören Woodward, Van Helmont’un aksine, bitki gelişmesi için toprağın ya da benzeri materyallerin esas olduğu sonucuna varmıştır. Zamanında tepkiyle karşılanan öneri günümüzde kolay anlaşılır ve açıklanabilir niteliktedir. (Kacar, 1984) John Woodward aynı zamanda topraksız tarımın kurucusu olarak bilinmektedir.

3- Stephen Hales: 1727 yılında İngiliz fizyolog ve kimyacı Stephen Hales ‘Vegetable Statick’ (Bitki Statiği) isimli kitabını yayımladı. Hales kitabında suyun bitkilerde nasıl mobilize edildiğini açıkladı ve bitki fizyolojisinin temellerini attı. Ayrıca Stephen Hales bitkilerin büyük ölçüde havadan beslendiğini öne sürmüştür.

4- Theodore de Saussure (1767-1845): Yayınlanan 36 adet makalesinin büyük çoğunluğu kimya, bitki fizyolojisi, toprağın yapısı ve bitkisel yaşam hakkındadır. Makaleleri daha sonra, “Bitkisel Yaşamla İlgili Kimyevi Çalışmalar” (Recherches Chimiques Sur La Vegetationism) adı altında kitap haline getirilmiştir. Saussure, gelişme halindeyken bir bitki kümesindeki büyümenin yalnızca karbondioksit alımından değil aynı zamanda su alımından da kaynaklandığını göstermiştir.

Külde bulunan besin elementlerini, bitkinin kökleri aracılığıyla topraktan aldığını açıklamıştır. Arı su ve sulu tuz çözeltilerinde, bitki yetiştirmiş ve bitki külündeki mineral maddeler açısından arı suya karıştırılan NO3- tuzlarının bitki gelişmesi için temel olduğunu, bitkilerin kökleri ile yararlı elementler yanında, toksik bileşikleri de aldığını, çeşitli tuzlardan, farklı miktarlarda elementlerin absorbe edildiğini, bunun bitki türüne ve yaşına göre değiştiğini ve tuz  çözeltilerinde element absorbsiyonunun göreceli olarak daha fazla olduğunu göstermiştir. Bitki ağırlığına dayanarak fotosentezde suyun da kullanıldığını bulmuştur.

Saussure’un Azot (N) dahil topraktan sağlanan tüm besin elementlerinin bitkilerin büyüme ve gelişmelerinde esas olduğu savı  1840 yılında Liebig’in İngiliz Birliği’ne sunduğu rapora değin fazla ilgi görmemiştir. Kısacası Saussure, bitkilerde solunum ve beslenme mekanizmasını aydınlatmıştı.

5- Jean-Baptista Boussingault: (1802-1887) -  Fransız kimyageri ve tarım uzmanı olan Boussingault Sorbon’da 1836-1839 yılları arasında teorisini gelişirdi. İlk olarak besin maddeleriyle ilgili denemeler yaptı. Toprağın beslenmesi ve gübrelerin rolü üzerinde çalıştı. Tarımın başlı başına bir bilim dalı haline gelmesi onun sayesinde olmuştur. İlk deneysel tarım istasyonunu kuran odur.

Aşağıdaki resimde onun kurduğu istasyonun restore edilmeden önceki hali görülmektedir.

Tarımda rotasyonun (dönüşümlü ekim) önemini, baklagil bitkilerinin ekiminden sonra toprakta azotun arttığını, bitki gelişiminin azot asimilasyonu (nitrat ve amonyağın bitki kökleri tarafından absorbe edilip, bitki proteinleri ve nükleik asitlere bağlanmasına azot asimilasyonu denir.) ile doğru orantılı olduğunu, fosfor ve azotu eşzamanlı vermekle bitki gelişiminin arttığını keşfeden odur.

Bilim tarafında bunlar olurken, bir yandan da tesadüf eseri yapılan keşifler sürüyordu. Thiersli köylülerin ilginç bir gözlemi oldu: Yakınlarında bulunan bıçak sapı fabrikasının, kemik artıklarını tarlalara döktüklerinden iyi ürün aldıkları dikkatlerini çekti. Bu gözlemin söylentileri kulaktan kulağa yayıldı ve kemiklerin gübre olarak kullanılması yaygınlaştı. Açıkgözler kemikleri toplayıp değirmenden geçirmeye ve tarımcılara satmaya koyuldular. Tüketim çoğalınca insan kemiklerine de dadandılar ve Napolyon’un savaş alanları temizlenmeye başlandı.

Kemik nasıl bir oluşumla tarlaların verimini artırmaktaydı? Bu soru Liebig‘ in kafasını kurcaladı ve Giessen’deki laboratuvarında bitkilerin beslenmeleri üzerine araştırmalar yapmaya koyuldu. 1840′da şöyle bir gözleme vardı:

Bitkiler beslenmeleri için gerekli olan karbonu havadan, fosfor ve potasyumu topraktan alıyorlardı. Öyleyse toprağın verimliliği bu maddelerin ne oranda bulunduğuna bağlıydı. Kemiklerde fosfat bulunduğundan, bu oluşum açıktı.

6- Justus von Liebig – 1840’larda Paris’te eğitim görmüş Alman kimyager Justus von Liebig bir miktar arpa tohumunu yaktı ve geride kalan külü analiz etti. Kül içerisinde, ağırlıklı olarak Azot, Fosfor ve Potasyum (NPK) buldu.  Bunun üzerine Von Liebig toprağa NPK eklenmesiyle bitkinin daha güzel gelişebileceğini gösterdi.  O bu 3 elementin topraklardan eksildiğini ve bunların yerine konulması gerektiği sonucuna vardı ki tamamen haklıydı. Liebig ayrıca bunu “Minimum Yasası” nda (Bitkilerin büyümeleri ihtiyaç duyduğu besin elementlerinden toprakta en az bulunanına bağlıdır.) formülize etti. Buna göre bir bitkinin gelişmesi, çevresindeki azota ve topraktaki minerallerle sınırlıydı.

Liebig, köklerin fosfatı daha iyi emebilmeleri için kemiklerin sülfürik asitle işlenmesini salık verdi. Bu öğüdü, John Lawes adlı bir İngiliz (1814-1900) değerlendirdi. O Rothamsted’deki (Hertfortshire) malikanesinde daha önce de bitkiler üzerinde araştırmalar yapmıştı. Liebig’le işbirliği kurarak kemik toplama işine girişti ve evini fabrika durumuna soktu. Buldukları kemikleri burada işleyerek süperfosfat adıyla 1843 yılında piyasaya sürdüler.

Lawes iyi bir sanayiciydi. Büyük bir servet yaptı ve tarımcıları da zengin etti. Aynı zamanda bilim adamı olduğundan, bir deneme merkezi haline gelen fabrikasında deneylerini sürdürmekteydi. Çalışmalarının sonunda, bitkilerin azotu havadan değilde topraktan aldıklarını ortaya koydu, önemli olan bu buluş tarımsal kimyaya yeni bir alan açmıştı. Bunun üzerine Şili’den nitratlar ve Peru’dan guano (kuş gübresi) ithal edilmeye başlandı.

Liebig, bitkilerin beslenmesinde potasyumun rolünü açıklamıştı. Bu besin Şili nitratlarında bulunmaktaydı. 19. yüzyılın ikinci yarısında, Stassfurt’da (Almanya) dünyanın en zengin potasyum yatakları ortaya çıkarıldı. Böylece 1860 dolaylarında kimyacılar toprağa ihtiyacı olan fosfor, azot ve potasyumu istenen oranda verebildiler. Verim büyük çapta artmış ve o ezeli kıtlık korkusu tarihe karışmıştı. Rothamsted Deney İstasyonuna göre, 1771′de hektar başına alınan ürün 21 hektolitre iken, 1885-1894 arasında 25.7 hektolitreye yükselmişti.

NPK ilk başlarda oldukça iyi çalıştı. Göreceli olarak ucuzdu ve üretilmesi kolaydı. Onun bu keşifleri Alman sanayiciler tarafından hemen sahiplenildi ve böylelikle kimyasal tarım doğmuş oldu. Humus, kompost ve hayvan gübresinin modası geçmişti. Yüksek oranda verim için tek gereksinim NPK’ydı ve kimya fabrikaları bu işten çuvallar dolusu para kazandılar.  Bir süre çiftçilerde iyi para kazandılar. Taki topraktaki eksiklikler ortaya çıkana kadar. Onlar, topraktaki rezerve olmuş besinleri bitirene kadar daha iyi sonuç almak için topraklarına sürekli kimyasal gübre eklediler. On yıl, yirmi yıl sonra artık sınıra ulaşılmıştı ve kimyasal fabrikaları para kazanmaya devam ederken çiftçiler kazanmamaya başladılar. Onların kazançları sanayicileri zengin etmeye yetiyordu. Onlardan bugüne kalan sadece bu oldu.

Kimyasal gübre sanayisinin babası olarak tanınan Liebig, 1850’de humusun gerekliliğini anlamıştı.  Fakat başta kimya fabrikaları olmak üzere hiç kimse onu dinlemedi. Hayvan gübreleri çiftlik avlusunda birikmekteydi ve modern çiftçinin elini bu gübreyle kirletmesine gereksinimi yoktu.

7- Julius Hensel – 1893’te Hensel Taşlardan Ekmek (Bread From Stones) kitabını yayımladı. Bu kitap Almanya’da yaymlandı ve konusu, kaya tozu ve kaya parçaları kullanarak bitkileri besleme üzerineydi.  Hensel, iyi bir tarım uzmanı olmanın yanında aynı zamanda iyi bir kimyacıydı. O çok fazla miktarda hayvan gübresi kullanmanın karşısındaydı. Fazla miktarda gübre toprağı ve bitkileri zayıflatıyordu.

O, kimyasal gübrelerin aşırı dozda kullanılmasından dolayı, Alman yiyecek üretiminin bozulduğundan yakınıyordu ve kaliteli ve verimli bitki üretmenin yolunun ancak kaya tozları kullanarak gerçekleştirilebileceğini iddia ediyordu. Ancak endüstriyel kimya kartelleri onun bu düşüncelerini gözden düşürmek ve üstünü örtmek için çok çalıştılar. Fakat onun bu kitabı hala çok değerlidir.

8- Albert Howard – İngiliz tarım uzmanı 1905 ve 1924 arasında Hindistan’da görev yaptı. Howard toprağın yapısının bozulmasına organik madde azlığının neden olduğunu ileri sürdü. 1910 yılında yazdığı “Tarım Vasiyetnamesi” nde gübre ve bitkilerin kompostlaştırılarak  toprağa uygulanmasının yorgun toprakları geri kazanmak için gerekli olduğunu ileri sürdü.

9- Rudolf Steiner – Organik Tarım’ın kurucularından sayılan ve Biyo-Dinamik çiftçiliğin temellerini atan Avusturyalı filozof ve bilim adamı Rudolf Steiner’in organik tarım konusunda özel bir yeri vardır. Dünya’da Organik Tarımın, 1920 yıllarda yıllarda Steiner’in biyo-dinamik çiftçiliği ile başladığı genel kabul görmektedir. Bunu takiben, 1930 ve 40’larda İsviçre’de Hans Müller tarafından, İngiltere’de Eve Alfour ve Albert Howard, Japonya’da Masanobu Fukuoka tarafından geliştirildiği bilinmektedir. Steiner aynı zamanda mistisizme fazla merak salmış birisiydi. Örneğin boynuz silisi diye bir reçetesinde, boynuzların toprağa gömülme zamanının gün dönümü (23 Eylül) ve çıkarılma zamanının ise İsa’nın göğe yükselişine denk getirilmesi gibi konuya oldukça mistisizm katan argümanları var. Bugün Rudolf Steiner’in izinden giden Biodynamic Farming and Gardening Association (Biyodinamik Tarım ve Bahçecilik Derneği) gibi kar amacı gütmeyen kurumlar onun düşüncelerini devam ettiriyorlar.

10- Fritz Haber ve Carl Bosch: Fritz Haber ve Carl Bosch iki Alman kimyacıdır. I. Dünya Savaşı başlarında amonyak ve onun nitrat türevlerinin sentezini keşfettiler. Bosch-Haber adı verilen bu önemli keşif bir yandan azotlu sentetik gübrelerin üretimini geliştirirken, diğer yandan da bomba ve benzeri kitle imha silahlarının üretiminde bir dönüm noktası oldu. İki arkadaş bu sayede Nobel aldılar, çalıştıkları Alman BASF şirketi de bu buluşu 1913 yılında geliştirdi ve kısa süre içinde nitrat gübresinden bomba üretmeye başladı. BASF, I. Dünya Savaşı boyunca dur durak bilmeden patlayıcı üretti. Kısa bir süre sonra savaş parasının tadına varacaklar ve işi büyütüp zehirli gaz üretmeye de  başlayacaklardır. Savaş biter, Almanya yenilir ama BASF yenilmez!  II. Dünya Savaşında zehirli gaz üretiminde nazilerle işbirliği yaptılar. Auschwitz toplama kampındaki Yahudileri bir taraftan fabrikalarında köle işçi olarak çalıştırırken, bir taraftan da esirlerin dut kurusuna dönmüş bünyelerini ortadan kaldırmak için Zyklon B gazını ürettiler.

11- Erling Johnson: 1927 yılında Erling Johnson, aynı zamanda nitrat fosfatı üretimi için bir sanayi yöntemi geliştirdi. Yönteminin adı Odda Prosesi olarak bilinir. Bu yöntemde fosfat kayası nitrik asit ile işleme tabi tutulduktan sonra fosforik asit ve kalsiyum nitrat üretilir ve nötralize edildikten sonra azot gübresi olarak kullanılır.

12- Jerome Irving Rodale – 1940’larda Pensilvenya’da genç bir sağlık dergisi editörü iken, Londra yakınlarında Howard Metodu’ yla üretim yapan bir çiftlik hakkında bir makale okudu. Daha sonra Howard’ın kitabını okuyunca, öyle heyacanlandı ki hemen bir çiftlik alıp öğrendiği bu yeni metotla bitki yetiştirmeye başladı.  Rodale hastalıklı bir kişiliğe sahipti. O sağlıklı yemek fikrinin savunucularındandı ve kendisi sağılıklı beslenmek adına tam bir fanatiğe dönüşmüştü. İyi olan onun organik tarımla ilgili mesajları birçok okuyucusuna ulaşmıştı ve birde Organik Bahçecilik isimli  dergi çıkarmaya başlamıştı. Böylelikle onun mesajları milyonlarca insana ulaşmıştı. Kötü olan tarafıysa, organik madde, kompost ve humus Organik Bahçecilik Kilisesi’ nde bir ayin ve dogmaya dönüşmüştü. Rodale, sonraki çalışmalarında kireç, fosfat kayası ve yeşil kum kullanımını önerse de hiçbir zaman bunlara yeterli vurguyu yapmamıştı ve çoğunlukla onun izleyicileri tarafından da es geçildi.

Rodale’nin ölümüde ilginçtir. 1971 yılında Dick Cavett Show’a çıkıpta, “kafayı bulmuş bir şoförünün kullandığı bir araba çarpmazsa, 100 yaşıma kadar yaşarım,” dediğinde sadece 72 yaşındaydı. Sohbetin bir yerinde koltuğa yığılıp kaldı. Ölüm sebebi kalp kriziydi. Bu program hiç yayınlanmadı.

13- William Albrecht – Albrecht 1920’lerden 1950’lerin ortasına kadar, Missouri Üniversitesi’nde tarımsal araştırmalar merkezinin başındaydı. O klasik bir bilim adamıydı. O ve arkadaşları toprak bilimi alanında en önemli keşfi yaptılar. Onlar, topraktaki kil parçacıklarının Katyon Değişim Kapasitesi (CEC) üzerindeki rolünü keşfettiler. Açıkçası topraktaki kil ve humus parçacıkları Kalsiyum, Magnezyum, Potasyum, Sodyum, Bakır gibi pozitif elektrik yüklü parçacıkları tutuyordu.

Biz kil hakkında konuşurken aslında kolloidler hakkında konuşuyoruz. Bu parçacıklar o kadar küçük ki onlar suda çözünmeyip su içerisinde asılı kalırlar. Suda asılı duran bu kil parçacıkları negatif elektrik yüklüdür ve bunlar pozitif elektrik yüklü parçacıkları kendilerine çekerler. Böylelikle pozitif yüklü parçacıklar yağmur ve sulama ile topraktan süzülüp akmazlar ve bu parçacıklar bitki kökleri tarafından kolaylıkla alınır. Bikti kökleri bunlara pozitif yüklü Hidrojen atomunu verip kendileri topraktan bu pozitif yüklü parçacıkları alırlar.

Albrecht farklı toprakların neden farklı CEC değerine sahip olduğunu araştırdı. Kil oranı yüksek bir toprak kumlu topraklara oranla daha fazla minerali tutma yeteneğine sahiptir. Ayrıca humusta yüksek katyon değişim kapasitesine sahiptir ki bir toprakta humus oranını %4-5 aralığında tutmak gerekir. Onun bu çalışmaları, Charles Walters tarafından 4 ciltte toplandı. Bu yazılar çok geniş bir coğrafi bölgeyi ve jeolojiden toprak organizmalarına, hayvan yetiştiriciliğinden insan beslenmesine kadar birçok alanı kapsar. Henüz Albrecht’in adı modern toprak bilimi çalışmalarında pek geçmez. Üstelik bu kitaplarda CEC ve killerin yapısı üzerine kapsayıcı bölümler vardır.

Base Saturation (Katyon veya Baz Doygunluğu), belirli bir katyon grubu (kalsiyum, magnezyum ve potasyum gibi pozitif yüklü iyonlar) tarafından işgal edilen CEC oranını ifade eder. Onun çalışmalarına göre, bir toprakta katyonların dengesi, Kalsiyum %60-75, Magnezyum %15, Potasyum %2-5, Sodyum %0.5-5, Hidrojen %10, ve diğer katyonlar (demir, çinko, bakır, mangan) %5’lik kısmı oluşturur. Eğer toprakta bu katyonlar denge halindeyse toprak pH’nın fazla bir önemi yoktur.

Eğer Albrecht’in arkadaşı Charles Walters onun çalışmalarını toparlamamış olsaydı onun bu çalışmaları kaybolup gidecekti. Onun çalışmalarını yayımlayan Charles Walters aynı zamanda ekolojik tarımın sesi olan, Acres USA’ nın da kurucusudur.

Siz toprağa humus ve organik madde yanında, potasyuma eşit oranda fosfor, biraz kükürt ve eser miktarda bor eklerseniz aslında Albrecht’in metodunu tümüyle uygulamış olursunuz.  Sadece bunları yaptığınızda çok güzel ve sağlıklı bitkiler yetiştirebilirsiniz. Ancak Albert’in çalışmalarında bazı eksiklikler vardır ve puzzle’ın diğer büyük parçasını Carey Reams bize verir.

14- Carey ReamsReams, üniversitede kariyer yapmış olsa da, Albrecht gibi klasik bir bilim adamı değildi. Ama o mücadeleci bir bilim adamıydı. Onun ölçüm metodlarının bazıları bilimsel olarak kabul edilmese de o topraktan enerjinin akışıyla ilgilenmiştir. Onun teorisini açıklamanın en iyi yolu ölü bir batarya ile çalışan batarya arasındaki farkla açıklanabilir. Çalışan ve ölü bir bataryanın yapısı ve içeriği aynıdır. Her ikisinde de aynı miktarda kurşun, kükürt ve su vardır. Fakat bir tanesinde enerji akışı vardır, diğerinde yoktur.

Bir şeyi iyice açıklığa kavuşturmak gerekiyor.  Şarj edilmiş bir batarya ile artık şarj tutmayan bir batarya arasında elementlerin miktarı açısından hiçbir fark yoktur.  Fakat şarj edilebilen bir bataryada henüz kimyasal reaksiyonlar sonlanmamıştır ve enerji üretimine devam eder. Örneğin bir miktar sirkeyi, sodyum karbonat (tatlı soda) üzerine döktüğünüzde köpürmeye başlar, sıcaklık artışı olur ve dışarıya ısı enerjisi verir. Köpürme durduğunda kimyasal reaksiyon bitmiş olur ve dışarıya daha fazladan ısı enerjisi veremez. Canlı ve aktif bir toprakta da buna benzer şeyler olur.  Her zaman dengeye oturmamış bir kimyasal etkinlik vardır. Bazı şeyler yeniden oluşur, bazıları tükenir. Organik madde parçalanması sürer, toprağa yeni bileşikler bırakılır ve bitki kökleri ile toprak arasında hidrojen ve diğer katyonların (kalsiyum, potasyum vb.) değişimleri gerçekleşir. Ancak ölü bir toprakta bu reaksiyonların hiç birisi olmaz ve ancak dışarıdan ek besin eklemek gerekir.

Aynı kimyasal içeriğe sahip iki farklı topraktan, enerji akışı süren toprakta yetiştirilen bitki daha fazla gelişir. Oysa ölü bir toprakta bitki çok zor yetişir. Bu Reams’ın yapmış olduğu çok önemli bir gözlemdir ve birçok tarım uzmanı tarafından görmezlikten gelinir.

Reams ve onun öğrencileri refraktomtrenin tarımda kullanımını da yaygınlaştırdılar. Refraktometre ile bir sıvı içerisinde çözünmüş katı miktarı ölçülür. Bu katı miktarı tanımlamak için bir brix skalası kullanılır ve şarap üreticileri üzümdeki şeker miktarını ölçmek için bu aletten faydalanırlar.

Artık bu küçük alet herkes tarafından kullanılabilir durumda. Bu aletle bir markete gidip, alacağınız meyvelerin şeker miktarını ölçebilirsiniz. Örneğin bir portakalı eilinize alıp ölçtünüz. Eğer brix değeri %16 ise bu portakalı alabilirsiniz. Eğer brix değeri %4-6 ise paranızı bu değersiz ve besin değeri düşük portakal için çöpe atmayınız.

Reams özellikle fosforun güçlü bir savunucusuydu. O bütün besinlerin bitkiye fosforun bir biçimi şeklinde girdiğini iddia ediyordu. O Florida’da yaşıyordu ve orada çok zengin fosfat yatakları vardı. Fosfor biraz gizemli bir mineraldir. Diğer elementler kolayca topraktan yıkanıp ve süzülüp akarken, fosfor akmadan toprakta durur.  Bunun nedenini kimse bilmiyor. Albrecht’in çalışmalarından bildiğimiz kadarıyla, kalsiyum ve potasyum gibi pozitif elektrik yüklü katyonlar kil ve humus parçacıkları tarafından tutulur. Fakat biz fosfor, kükürt ve klor gibi negatif yüklü iyonlar tarafında bu mekanizma nasıl işliyor bilmiyoruz. Sadece diğer anyonlar topraktan yıkanıp giderken fosfor toprakta duruyor bunu biliyoruz.

15- Charles Walters – Walters 1950 ve 1960’larda bir tarım dergisinde editör olarak çalışırken, William Albrecht ile tanıştı ve ikili iyi bir arkadaş oldular. Walters Albrecht’in çalışmalarının önemini kavrayacak kadar zekiydi ve çiftçilerin ulaşamaması için bu çalışmalar bazıları tarafından yok edilmişti. Ticari dergiler bu bilgilere yer vermiyordu ve sadece toksik kimyasalların reklamını yapıyordu. Oysa o çalışmalar toksik kimyasallar kullanmadan güzel bitkiler yetiştirilebileceğini gösteriyordu. Bu yüzden Walters 1970’lerin başında Acres USA adlı ekolojik ve sürdürülebilir tarımın sesi olan bir dergi çıkarmaya başladı. Acres USA sadece Albrecht’in çalışmalarına odaklanmadı. Biyo-dinamik tarım, kompostun önemi, herbal bitkiler ve alternatif tıp üzerine de hiçbir ön yargı gütmeden makaleler yayımlıyor.  Doğal sağlık, sürdürülebilirlik, ekolojik tarım, organik bahçecilik üstüne her şeye yer veriyor. Walters ayrıca William Albrecht’in çalışmalarını dört cilt halinde toparladı ve bunları yayımladı.

16- Linus Pauling (1901- 1994) – “Her hastalığı ve rahatsızlığı mineral yetersizliği ile izleyebilirsiniz. Topraklardaki besinlerin azalması ve yiyeceklerin hazırlanma işlemleri yüzünden biz yiyeceklerden 50-100 yıl önceki mineralleri alamıyoruz” diyen, hem kimya dalında hem de barış dalında 2 kere Nobel Ödülü ve Lenin Barış Ödülü’ nü almış bilim insanı. Esas olarak kuantum kimyası ve biyokimya alanında çalışmış olmasına rağmen ömrünün son yıllarını hastalıklar ve mineral yetersizliği alanındaki çalışmalara ayırmıştır. Tıpkı Albrecht’in çalışmalarının unutulması gibi Toprak Kimyası alanındaki kitaplarda onunda adı pek geçmez.

17- Phil Callahan – Phil Callahan topraktaki düşük seviyeli  enerji üzerine yoğunlaşmıştır. O böceklerin haberleşme sitemleri ve yeryüzünün düşük seviyeli enerji akışı ve kayalardaki paramanyetik kuvvetlerin ekolojik tarıma etkisi üzerine çalışmalar yürütmektedir.

Katyon Değişim Kapasitesi

Jan Baptist van Helmont’un gözlemine yeniden dönersek, onun hesaplamasında da görüldüğü gibi aslında bitki beslenmesi için gerekli besinlerin tümünü topraktan almıyor.

Aşağıda resimde görüleceği üzere bitki gerekli besin elementlerinin %96′sını havadan karşılıyor. Sadece %4′lük kısmını topraktan alıyor. Resim, Prof. Dr. Burçin Çokuysal’ın ders notlarından düzenlenerek alınmıştır. (Kaynak: http://burcincokuysal.blogspot.com/2010/01/bitki-besleme-dersi-1.html)

Uzun bir tarihçe sonrası konumuza dönersek; bizi asıl ilgilendiren, bu %4′lük kısmı oluşturan minerallerin, toprakta tutunması ve bitki kökleri tarafından nasıl alındıkları toprak kimyasının temelidir diyebiliriz. Bunun içinde Katyon Değişim Kapasitesini iyi anlamak gerekir. Kimyaya fazla girmeden Katyon Değişim Kapasitesi (Cation Exchange Capacity – CEC veya KDK) nasıl açıklanır, epeyce uğraştım. Internette bir benzetme buldum. Öyle bir şey hayal edinki, elinizde bir kavanoz dolusu çeşitli renklerde jelly bom olsun.

Bu kavanozun jelly bom ile tamamen dolu olduğu durumda kavanoz için bunu kavanozun Jelly Bom Tutma Kapasitesi olarak adlandırabiliriz. Bu kavanozun içinden bir jelly bom aldığınızı düşünün. Ancak kesin bir kural var, kavanoz her durumda jelly bom ile dolu olmak zorunda. Bu yüzden aldığınız her jelly bom yerine bir tane yenisini eklemek zorundasınız.  Kavanozun içindeki her rengi farklı bir katyon olarak alırsak, bu kavanozdan aldığınız her renk jelly bom yerine bir başka renk jelly bom koyabilirsiniz. Böylelikle kavanozun içeriği değişecek ancak doluluğunda bir değişiklik olmayacak.

Bu durumu şöyle özetleyebiliriz. Burada dolulukla birilikte kaç tane değiştirilebilir jelly bom olduğu da önemlidir. İşte buna kavanozun Jelly Bom Değişim Kapasitesi diyeceğiz.

Topraktaki Katyon Değişim Kapasitesi’ de jelly bom örneğine benzerdir. Fiziksel tanımıyla, negatif elektrik yüklü toprak kolloidleri (kil ve humus parçacıkları) tarafından tutulabilir katyonların (pozitif (+) elektrik yüklü iyonlar) toplamıdır.

Kil ve humus parçacıkları o kadar küçüktür ki su içerisinde saatlerce asılı kalabilirler. Kil ve humus parçacıkları toprak solüsyonu içerisinde asılı olarak bulunurlar. Bu türden sıvı içinde asılı duran iyonlara kolloid denir. Toprakta iki tür kolloid vardır. Bunlar kil minerali ve humus dediğimiz organik parçacıklardır. Kil ve humus parçacıkları toprakta anyonlar (negatif yüklü iyonlar) gibi davranır ve katyonları çekerler. Bu parçacıkların hepsi bir veya birden fazla katyonu kendisine çeker. Ki bunların en önemlisi kalsiyum, magnezyum, sodyum, potasyum ve hidrojendir.

Topraktaki Temel Katyonlar:  Potasyum (K+),  Amonyum (NH4+), Magnezyum ( Mg++), Kalsiyum (Ca++), Çinko (Zn++), Mangan (Mn++),  Demir (Fe++), Bakır (Cu++) ve Hidrojen (H+)

Topraktaki Temel Anyonlar: Nitrat (NO3-), Fosfat (H2PO4- veya HPO4 ), Sülfat (SO4), Klor (Cl-), Bor (B(OH)4- ) ve Molibdat ( MoO4 )

Bunlardan Ca++, Mg++, K+, NH4+ vb. bitkilerin alabileceği formdaki makro besin elementleridir. Zn+, Fe++, Mn+, Cu++ vb. ise bitkilerin alabileceği formdaki mikro besin elementleridir.

Na+, H+ olarak belirtilen katyonlar ise toprağın fiziksel yapısı üzerinde çok etkilidir Bu katyonların hepside, kolloidlere bağlı olarak toprakta bulunur ve bitkilerin beslenmesi için çok önemlidir.

Aşağıdaki resim Prof. Dr. Burçin Çokuysal’ın ders notlarından alınmıştır. (Kaynak: http://burcincokuysal.blogspot.com/2010/01/bitki-besleme-dersi-2.html)

Bir katyonla yer değiştirerek çözeltiye geçen Na, Ca, K, Mg, Al, H gibi katyonlara, değişebilir katyonlar denilir. Birim aralıkta kuru toprağın adsorbe edileceği katyon miktarına tanım olarak “Katyon Değişim Kapasitesi” (CEC veya KDK) denir.

Jelly bom örneğine dönersek, topraktan aldığımız her bir katyon için toprak çözeltisine bir katyon eklemek zorundayız. İşte burada ekleme işlemi bitki kökleri tarafından yapılır. Bitki toprak çözeltisinden aldığı, Potasyum (K+), Amonyum (NH4+), Magnezyum (Mg++), Kalsiyum (Ca++), Çinko (Zn++), Mangan (Mn++),  Demir (Fe++), Bakır (Cu++) katyonlar yerine toprak çözeltisine bir adet Hidrojen (H+) iyonu verir. Bitki böylelikle gereksinimi olan besin elementlerini topraktan almış olur. Başka bir tanımlamayla “topraktaki değişebilir katyonların miktar olarak toplamları KDK’ yı verir” denilebilir.

Her bir katyonun KDK içindeki yüzde miktarına söz konusu elementin doygunluğu denir. Özel olarak Na, K, Ca ve Mg katyonların KDK içindeki yüzde miktarına Baz Doygunluğu denir. Bir toprakta baz doygunluğu %80’dir denirse, bunun anlamı KDK’ nın %80’nini Ca, Mg, K ve Na oluşturuyor demektir. Katyon değişim kapasitesi hesaplanırken, Hidrojen (H+) iyonu temel alınır. Katyon değişim kapasitesi içinde uluslararası dolaşımda doların temel para birimi olması gibi, CEC içinde Hidrojen temel katyondur. Topraktaki bir çok biyokimyasal aktivite hidojene bağımlıdır. Örneğin bitki kökleri zayıf asitleri salgılar (hidrojen iyonları) ve bu asit topraktaki bazik maddeler ve diğer organik maddeler ile reaksiyona girerek bitki köklerinin emebileceği tuzlar toprakta oluşur. Bu türden asitleri mikoriza mantarları da salgılamaktadır.

KDK hesaplanırken 100 gr topraktaki Hidrojen (H+) iyonunun sayısı hesaplanır.  Örneğin katyon değişim kapasitesi 1 ise 100 gr toprakta 1 mg Hidrojen (H+) iyonu var demektir. Birimi Mili-Equivalents (ME, mg veya meg) ile gösterilir. Katyon değişim kapasitesi 120 ise 100 gr toprakta 120 mg (meg) Hidrojen (H+) iyonu var demektir. Örneklemeye devam edersek, KDK’sı 1 olan toprakta 39 gr Potasyum K+ var demektir. Potasyumun 39 olmasının nedeni potasyumun atom ağırlığının 39 olmasından dolayıdır. Aynı örneğe magnezyum üzerinden gidecek olursak. Magnezyumun atom ağırlığı 24 olduğu ve magnezyum +2 değerlikli olduğu için 24/2=12 miligram magnezyum gereklidir. Bununla ilgili özet tablo aşağıdadır.

Katyon Atom Ağırlığı Değerlik Mili-equivalents ppm
H+ 1 +1 1 10
Ca++ 40 +2 20 200
Mg++ 24 +2 12 120
K+ 39 +1 39 390
NH4+ 18 +1 18 180
Al+++ 27 +3 9 90
Zn++ 65 +2 32.5 325
Mn++ 55 +2 27.5 275
Fe++ 56 +2 28 280
Cu++ 64 +2 32 320
Na+ 23 1 23 230

Bazı toprak yapılarına göre CEC değerleri;

CEC Sınırları (meg/100 gr toprak)* 

Toprak Yapısı

Açıklama

3’ten az Kumlu Düşük organik madde, düşük su tutma kapasitesi
3 Tınlı Kumlu Düşük organik madde, düşük su tutma kapasitesi
10 Kumlu – Tınlı Yüksek kil kapasitesi su tutma kapasitesini geliştirir, güzel yapıldır
10-15 Tınlı Toprak yapısı açısından ideal, büyük olasılıkla yüksek organik madde var ve su tutma kapasitesi iyi.
15-30 Killi – Tınlı Yüksek kil miktarı drenajı engelleyebilir ve toprak sıkışması olabilir. Aggregatlaşmayı geliştirmek için organik madde eklenmesi gerekebilir.
30’dan fazla Killi Yüksek kil nedeniyle toprak sıkışması ve drenaj sorunu var. Yüksek miktarda organik maade eklenmesi gerekir.
250 Humus Toprakta yüksek orandabulunması tercih edilir.
450 Humik Asit Toprak katkı maddesi olarak kullanılır.
1400 Fulvik Asit Toprak katkı maddesi olarak kullanılır.

* Miliekuvalant/100 gr toprak

Yukarıdaki tablodan ve yandaki şekilden görüleceği üzere killi topraklar daha yüksek değerde katyon katyon değişim kapasitesine sahiptir. Tabloda da görüleceği üzere, topraktaki humik maddelerin yüzey alanı çok geniştir ve bunların katyon değişim kapasiteside çok yüksektir. Örneğin organik maddece zengin topraklarda bu değerler 50’nin üzerinde olabilir.

Örnek: 100 gr tınlı toprak normalde en az 10 miligram en çok 15 miligram katyonu bünyesinde bulundurur. Ortalama bitki kök derinliği 50 cm olarak alınırsa 1 dekarda bitki köklerinin geliştiği derinlikte 500 m3 toprak bulunur:

500 m3 x 1 ton/m3 (1 ton/m3 toprağın özgül ağırlığı) = 500 ton toprak = 500.000.000 gr=5.000.000 adet 100 gr’lık kütle

5.000.000 x 10 meq = 50.000.000 meq = 50 kg katyon (minimum)

5.000.000 x 15 meq = 75.000.000 meq = 75 kg katyon (maksimum)

Bu hesaplamada görüldüğü üzere 50 cm derinliğinde 1 dekar tınlı toprakta; 50 kg ile 75 kg arası değişebilir katyon bulunur. Aslında aynı toprak kütlesinde bulunan toplam katyon miktarı bu değerin 10 – 15 katı kadardır. Ancak bunların bitki tarafından alınabilen miktarı (CEC) 50-75 kg’dır.

Katyon değişim kapasitesi yukarıdaki örnekte görüldüğü gibi her toprak için farklıdır ve topraktaki biyokimyasal aktivite için çok önemlidir.  Ayrıca hem yüksek CEC ham de düşük CEC’in kendine göre avantaj ve dezavantajları vardır. CEC’in yüksek olması verimi artırır. Fakat onları yerine koymak için fazla girdi gerekir. Düşük CEC’li topraklarda ise düşük miktardaki uygulama bile hemen sonuç verir, ancak düzenli ve sık aralıklarla ek girdi uygulamasına gereksinim vardır.

CEC, ayrıca toprağın fiziksel yapısı üzerinde oldukça etkilidir. Örneğin topraktaki kalsiyum ve magnezyum oranı toprağın yapısı üzerinde belirleyici öneme sahiptir. Herhangi bir toprakta diğer koşullar aynı kalmak koşuluyla Kalsiyum:Magnezyum oranı toprak yapısını aşağıdaki gibi etkilemektedir.

Yüksek oranda kalsiyum toprağı gevşetir, yüksek oranda magnezyum toprağı sıkıştırır. Diğer elementler eşit durumdaysa kalsiyum yüksek ise toprakta fazla oksijen vardır, çabuk kurur ve organik maddenin aerobik yoldan parçalanması kolaydır. Yüksek oranda magnezyuma sahip toprakta ise oksijen azdır, toprak geç kurur ve organik maddenin dönüşümü yavaştır. Eğer bir toprakta magnezyum kalsiyumdan yüksekse organik madde fermentasyon ile çözünür, alkol ve formaldehit oluşur.

Ağır killi topraklarda %70 kalsiyum ve %10 magnezyum, kumlu topraklarda %60 kalsiyum ve %20 magnezyum iyi olur. Genelde toprakta kalsiyum ve magnezyum oranını %80 civarında tutmakta fayda vardır. Potasyum %4, sodyum %1-3 ve geriye kalan %12-15 lik kısım diğer elementlerden oluşmalıdır. CEC’nin %4 veya 5’i diğer bakır, çinko, demir ve mangandan oluşurken geriye kalan kısımda hidrojenden oluşabilir. Bu durumda toprağın pH seviyesi otomatik olarak 6.4 seviyesinde stabil olacaktır. Böyle bir toprak organik veya biyolojik tarım için idealdir ve birçok meyvenin özsuyu bu pH değerindedir ve insan tükürüğü ve sidiğide bu pH seviyelerindedir.

Topraktaki Kalsiyum:Magnezyum oranı 2’den düşükse toprak kuruduğunda çok sert, ufalanamaz bir yapı kazanmaktadır. Yine toprakta magnezyum ve sodyum çok yüksekse toprakta tuzluluk oluşacak ve toprak kuruduğunda üzerinde bir kaymak tabakası oluşacaktır. Her iki durumda da toprak yeterince havalanmayacak ve topraktaki anaerobik patojen mikroorganizmalar baskın duruma geçecektir.

Oran  % Ca % Mg  Ca: Mg  % Na Toprak Koşulları 
Düşük/Düşük <%40 <%12 >2:1 <%5 Zayıf yapı; yarı ufalanabilir
Düşük/Yüksek <%40 >%20 <2:1 <%5 Zayıf ve sert yapı, ufalanamaz
Yüksek/Düşük >%65 <%12 >4:1 <%5 Zengin yapı, ufalanabilir
Yüksek/Yüksek >%65 >%20 <4:1 <%5 Zengin yapı, yarı ufalanabilir

Bu yüzden eğer toprakta bir problem varsa öncelikle topraktaki katyon değişim kapasitesini düzenlemek zorundayız. Bunun için, tarım kireci, dolomite, jips vb. kullanabiliriz.

Bu uygulamadan 6 ay sonra toprağa organik gübre vermeliyiz. Aksi durumda verdiğimiz gübre herhangi bir işe yaramayacaktır. Bu sürede yapraktan beslemeye ağırlık vermeliyiz.

Her organik gübrelemeden sonra topraktaki mikroorganizma sayısını artırmak için gübre ile birlikte veya gübreleme sonrası biyo aktivatör dediğimiz mikroorganizma içeren diğer mikrobiyal gübreleri uygulamak gübrenin yararını artırabilir.

Bir Cevap Yazın