Giáo trình Khoa học đất cơ bản - Phần 2

Nội dung text: Giáo trình Khoa học đất cơ bản - Phần 2

1. Chương 4. CẤU TRÚC VÀ LÝ TÍNH CỦA ĐẤT Bài 1. MÀU SẮC VÀ SA CẤU ĐẤT Các tính chất vật lý của đất có ảnh hưởng rất lớn đến vai trò của đất trong hệ sinh thái. Các nhà khoa học thường sử dụng các tính chất như màu sắc đất, sa cấu và các tính chất vật lý khác của các tầng chẩn đoán để phân loại đất và xác định tính thích hợp của đất trong quy hoạch sử dụng đất và bảo vệ môi trường. Các tính chất vật lý chính chúng ta sẽ nghiên cứu sâu là sa cấu, cấu trúc của đất và các tính chất có liên quan khác. 1. MÀU SẮC CỦA ĐẤT Màu sắc đất thường ít ảnh hưởng đến trạng thái và sử dụng đất, nhưng chúng có mối tương quan nhất định đến một số tính chất khác của đất. Do tính chất quan trọng của màu sắc của đất trong việc phân loại và quy hoạch sử dụng đất nên người ta thường dùng một hệ thống màu chuẩn. Đó là bản so màu Munsell. Trong hệ thống này, mỗi màu gồm có 3 thành phần: o HUE: sắc màu (thường là đỏ hay vàng) o CHROMA: độ chói o VALUE: giá trị (độ sáng) 1.1.CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA MÀU SẮC CỦA ĐẤT. Phần lớn màu của đất được hình thành do màu của các oxides Fe và chất hữu cơ phủ trên bề mặt các hạt đất. Trong tầng đất mặt, chất hữu cơ phủ thường có màu sậm và che khuất các màu của oxide Fe. Tuy nhiên các tầng đất sâu do chứa hàm lượng chất hữu cơ thấp nên thường biểu hiện màu của các oxide Fe, như màu vàng của Goethite, màu đỏ của Hematite, màu nâu của Maghematite. Các khoáng khác cũng có thể tạo cho đất có các màu khác như màu đen của oxide Mn và màu xanh của Glauconite, màu trắng của Calcite. 1.2.Ý NGHĨA MÀU SẮC CỦA ĐẤT. Màu thường giúp chúng ta phân biệt các phái sinh hay tầng chẩn đoán trong đất. Tầng A thường có màu tối sậm, tầng B thường có màu sáng hơn so với các tầng bên cạnh. Trong một số trường hợp, màu sắc là một trong những tiêu chuẩn để phân loại đất. Do màu sắc của đất hình thành bởi các khoáng chứa Fe, các khoáng Fe này lại rất dễ thay đổi tình trạng oxi hóa-khử, vì vậy, dựa vào màu sắc ta có thể nhận biết được tình trạng oxi hóa-khử của đất, đất thoáng khí hay yếm khí. Sự xuất hiện các tầng bị gley hóa là cơ sở để xác định vùng đất ngập nước. Độ sâu xuất hiện tầng gley cũng là cơ sở để đánh giá khả năng tiêu nước của đất. 63
2. Tuy màu sắc của đất không có quan hệ với sa cấu của đất, nhưng màu sắc của đất là thành phần quan trọng trong cảnh quan nhất định. 2. SA CẤU/THÀNH PHẦN CƠ GIỚI (SỰ PHÂN BỐ CÁC CẤP HẠT CỦA ĐẤT) Sa cấu là tỉ lệ phần trăm các cấp hạt khoáng (cấp hạt sét, thịt, cát) trong đất. 2.1.PHÂN LOẠI CÁC CẤP HẠT CỦA ĐẤT. Đường kính của các hạt đất riêng biệt được chia làm 6 loại, từ đá tảng có đường kính >1m cho đến hạt sét có đường kính 2mm như hạt sạn, cuội, sỏi thường không được dùng trong phân loại sa cấu đất nông lâm nghiệp. Trong phân loại sa cấu, chúng ta chỉ xét các hạt có đường kính <2mm. Các hạt này được chia ra thành các cấp hạt sau: 2.1.1.Cấp hạt cát: Hạt cát có kích thước từ <2mm đến 0.05mm, hình dạng tròn hay khối góc cạnh. Thành phần hóa học của các hạt cát thô chứa chủ yếu là thạch anh (SiO2) hay các khoáng silicate nguyên sinh khác. Màu sắc của các hạt cát nguyên sinh có màu trắng, nhưng trong thực tế thường rất biến thiên do sự bao phủ của oxide Fe trên bề mặt. Do có kích thước to, nên các tế khổng (lỗ rỗng) giữa các hạt cát thường to và nước, không khí dễ dàng di chuyển trong các loại đất cát, có nghĩa là đất thoát nước tốt, nhưng diện tích bề mặt riêng trên một đơn vị thể tích của cát thấp, nên đất cát có khả năng giữ nước thấp, thường không dính, dẻo khi ướt, dễ bị hạn. 2.1.2.Cấp hạt thịt: kích thước của cấp hạt thịt có đường kính 0.05-0.002mm, không nhìn thấy bằng mắt thường. Do có kích thước nhỏ nên tế khổng giữa các hạt thịt nhỏ hơn rất nhiều so với cát. Bản thân hạt thịt không có tính dính, dẻo khi ướt, nhưng trên thực tế đất thịt có thể kết dính do có sự pha lẫn các hạt sét lẫn. 2.1.3.Cấp hạt sét: cấp hạt sét có đường kính <0.002mm, có diện tích bề mặt riêng rất lớn, nên có khả năng hấp thu nước và dinh dưỡng cao. Cấp hạt sét có tính dính khi ướt, nên dễ dàng nắn tượng. Các cấp hạt sét do kích thước rất nhỏ nên chúng có tính keo. Nếu cho vào nước chúng sẽ không lắng hoàn toàn. Hạt sét thường có dạng phiến. Các tế khổng giữa các hạt sét rất nhỏ nên nước và không khí di chuyển rất chậm. Các thành phần khoáng trong cấu tạo sét khác nhau sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến các tính chất của sét, như tính co trương, tính dính, dẻo, khả năng giữ nước, lực cản và khả năng hấp phụ dinh dưỡng thường phụ thuộc vào loại và hàm lượng sét có trong đất. 64
3. 3.ẢNH HƯỞNG CỦA TỔNG DIỆN TÍCH BỀ MẶT CÁC HẠT ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT KHÁC CỦA ĐẤT Khi kích thước hạt giảm, diện tích bề mặt riêng và các tính chất khác sẽ tăng rất lớn. Một trọng lượng bằng nhau, các hạt sét sẽ có diện tích bề mặt lớn hơn gấp 10,000 lần so với cấp hạt cát. Sa cấu đất ảnh hưởng rất nhiều đến các tính chất khác của đất, chủ yếu do 5 hiện tượng bề mặt cơ bản sau: 3.1.Nước được giữ trong đất chủ yếu bằng các màng mỏng trên bề mặt các hạt đất. Nên diện tích bề mặt càng lớn, khả năng giữ nước càng tăng. 3.2.Các khí và các hóa chất có lực hấp phụ sẽ được giữ trên bề mặt các hạt khoáng sét. Diện tích bề mặt càng cao, khả năng giữ các chất hấp phụ càng cao. 3.3.Sự phong hóa xảy ra trên bề mặt các khoáng và giải phóng các nguyên tố hóa học vào dung dịch đất. Diện tích bề mặt càng lớn, tốc độ giải phóng các chất dinh dưỡng từ sự phong hóa càng cao. 3.4.Bề mặt các khoáng sét thường mang cả điện tích (-) và điện tích (+) nên bề mặt hạt và các màng nước giữa chúng có xu hướng liên kết với nhau. Diện tích bề mặt càng lớn, các tập hợp của đất được hình thành càng dễ dàng. 3.5.Vi sinh vật có xu hướng phát triển trên bề mặt các hạt, nên các hoạt động của vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn bởi diện tích bề mặt. Ảnh hưởng của các cấp hạt đến một số tính chất của đất Tính chất đất Thành phần cấp hạt Cát Thịt Sét Khả năng giữ nước Thấp Trung bình Cao Độ thoáng khí Tốt Trung bình Kém Tốc độ thoát nước Cao Thấp - Trung bình Rất chậm Hàm lượng chất hữu cơ Thấp Trung bình - Cao Cao - Trung bình Phân giải chất hữu cơ Nhanh Trung bình Chậm Hấp thu nhiệt Nhanh Trung bình Chậm Khả năng nén chặt Thấp Trung bình Cao Nhạy cảm với xói mòn Trung bình Cao Thấp do gió Nhạy cảm với xói mòn Thấp Cao Thấp (nếu cấu trúc do nước tốt); cao nếu không cấu trúc Tiềm năng co trương Rất thấp Thấp Trung bình – Rất 65
4. cao Thiết lập hồ, đập, hố Kém Kém Tốt chứa rác Khả năng thích hợp làm Tốt Trung bình Kém đất sau mưa Tiềm năng rửa trôi Cao Trung bình Thấp (nếu không nứt nẻ) Khả năng giữ chất dinh Kém Trung bình - Cao Cao dưỡng Khả năng đệm pH Thấp Trung bình Cao 4.PHÂN LOẠI SA CẤU. Sa cấu đất được phân thành 3 nhóm chính là: sa cấu cát, sa cấu thịt và sa cấu sét. Trong mỗi nhóm có các loại sa cấu riêng phụ thuộc vào sự phân bố của các cấp hạt và chúng chỉ thị tính chất vật lý tổng quát của đất. Có 12 loại sa cấu trong hệ thống phân loại quốc tế. Các loại sa cấu đất cơ bản Thuật ngữ tổng quát Tên loại sa cấu cơ bản Tên thông thường Sa cấu Đất Cát Thô Cát Cát pha thịt Đất thịt Trung bình Thịt pha cát Thịt pha cát mịn Thịt pha cát rất mịn Thịt trung bình Thịt mịn Thịt rất mịn Thịt sét pha cát Thịt pha sét Đất sét Mịn Sét pha thịt Sét Sa cấu cát và cát pha thịt là loại đất có thành phần cát chiếm ưu thế, ít nhất là 70%, cát và hàm lượng sét <15% trọng lượng. Sa cấu sét khi hàm lượng hạt sét chiếm ưu thế như các loại sa cấu sét, sét pha cát, sét pha thịt. 66
5. § Sa cấu thịt trung bình: là sa cấu thịt lý tưởng được định nghĩa là loại sa cấu trong đó các thành phần của các cấp hạt có một tỉ lệ bằng nhau về mặt hoạt động. Điều này không có nghĩa là hàm lượng các cấp hạt bằng nhau, nhưng tỉ lệ sét có thể thấp hơn các thành phần cát và thịt, vì sét ảnh hưởng đến các tính chất của đất mạnh hơn cát và thịt, hàm lượng sét có thể là 20%, thịt 40%, cát 40%. Tam giác sa cấu (dùng để xác định loại sa cấu đất) 5.SỰ THAY ĐỔI SA CẤU ĐẤT. Theo thời gian, các tiến trình thổ nhưỡng như xói mòn, bồi lắng, sự bồi đắp phù sa, và sự phong hóa có thể làm thay đổi sa cấu một số tầng chẩn đoán của đất. Tuy nhiên, các kỹ thuật canh tác thường không thể làm thay đổi sa cấu đất. Sa cấu của một loại đất chỉ có thể bị thay đổi khi ta trộn một lượng cát lớn vào trong đất có sa cấu sét, thường dùng khi trồng cây trong chậu. Nhưng với mục đích trồng cây trong một loại đất có sa cấu nhất định nào đó, ta nên tìm các loại đất ngoài đồng có sa cấu thích hợp mang về sẽ tốt hơn là trộn lẫn các loại đất có sa cấu khác nhau. Cần chú ý là khi ta trộn đất với phân hữu cơ, không thể làm thay đổi sa cấu vì theo định nghĩa sa cấu chỉ bao gồm các hạt khoáng. 67
6. 6.CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SA CẤU. Có 2 phương pháp chính dùng để xác định sa cấu: 6.1. Phương pháp “cảm giác”. Xác định sa cấu là một kĩ năng đầu tiên cần có của một nhà khoa học đất khi khảo sát đất ngoài đồng. Xác định sa cấu bằng cảm giác có giá trị thực tiễn rất lớn trong việc điều tra, phân loại đất. Đây là kỹ năng thuộc về cảm tính và cần có kinh nghiệm. 6.2. Phương pháp phân tích các cấp hạt trong phòng thí nghiệm. Bước đầu tiên và đôi khi cũng là bước khó khăn nhất của việc phân tích các cấp hạt là sự phân tán các hạt của mẫu đất trong nước, vì chúng ta cần phải làm cho tất cả tập hợp đất tách ra thành các hạt nguyên sinh riêng biệt. Thường dùng các hóa chất có tính phân tán mạnh, kèm với động tác lắc mạnh, nhiệt độ cao. Sau khi được phân tán hoàn toàn, các hạt cát được tách bằng rây có kích thước tương ứng, phần thịt và sét được xác định bằng cách áp dụng định luật lắng của Stoke. Theo định luật này thì kích thước hạt càng to thì tốc độ lắng càng cao. Định luật này được diễn tả như sau: V = kd2 với V: tốc độ lắng của hạt k: hệ số lắng phụ thuộc vào tỉ trọng và nhiệt độ nước d: đường kính hữu hiệu của hạt Bằng cách xác định hàm lượng đất trong huyền phù sau một thời gian nhất định, hàm lượng các cấp hạt thịt và sét được xác định. Dựa vào tam giác sa cấu, loại sa cấu sẽ được xác định. Dựa vào nguyên tắc lắng và định luật Stoke, người ta có thể sử dụng tỉ trọng kế hoặc ống hút pipette để xác định các cấp hạt của đất. Chú ý là do loại sa cấu đất chỉ xác định dựa trên các cấp hạt cát, thịt và sét; vì vậy tổng hàm lượng 3 thành phần này phải là 100%. Hàm lượng đá vụn, sạn, cuội được tính riêng. Chất hữu cơ thì hoàn toàn bị phân hủy trong quá trình phân tán hạt. 68
7. Áp dụng Định luật Stoke để phân tích thành phần các cấp hạt: Tốc độ lắng V của hạt trong một chất lỏng tỉ lệ thuận với lực trọng trường g, hiệu số tỉ trọng của hạt và tỉ 2 trọng của chất lỏng (Ds-Df); và bình phương đường kính hạt (d ). Tốc độ lắng tỉ lệ nghịch với độ ma sát của chất lỏng η. Do tốc độ lắng bằng chiều cao lắng chia cho thời gian lắng, nên định luật Stoke có thể viết như sau: V=h/t = d2g(Ds-Df)/18h Với g= lực trọng trường=9.81 Newtons/kg (9.81 N/kg) h= độ ma sát của nước ở 20oC= 1/1000 Newtons-giây/m2 (10-3 Ns/m2) Ds= tỉ trọng hạt, phần lớn các loại đất có tỉ trọng là 2.65x103 kg/m3 Df= tỉ trọng nước= 1.0x103 kg/m3 Thay thế các giá trị vào phương trình: V=h/t =[d2*9.81 N/kg*(2.65x103 kg/m3 - 1.0x103 kg/m3)]/18*10-3 Ns/m2 =[(9.81 N/kg*1.65x103 kg/m3)/18*10-3 Ns/m2]*d2 =[(16.19*103 N/m3)/0.018 Ns/m2]*d2 =(9x105/sm)*d2 =kd2 Với k= 9x105/sm Vậy V= kd2 Lấy ví dụ ta chọn độ sâu lắng của mẫu là 10cm. Chúng ta có thể xác định các cấp hạt khác nhau phụ thuộc vào thời gian lắng. Nếu chúng ta muốn xác định hàm lượng các hạt sét: Chọn: h=0.1m Và d= 2*10-6m (0.002mm, kích thước hạt của sét) Thời gian t: h/t=d2k Þ t/h=1/d2k Þ t=h/d2k Vậy: t=0.1m/(2*10-6m)2*9*105s-1m-1 t= 27777 giây= 463 phút= 7.72 giờ Bằng cách tính tương tự, thời gian để các hạt cát mịn nhất (0.05mm) lắng sâu 10cm là 44 giây. 69
8. Chương 4 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐẤT Bài 2. Cấu trúc và các tính chất vật lý khác của đất I. CẤU TRÚC ĐẤT 1. ĐỊNH NGHĨA Cấu trúc là sự sắp xếp các hạt riêng rẽ thành các tập hợp được gọi là tập hợp đất hay cấu trúc thổ nhưỡng, mỗi cách sắp xếp sẽ hình thành nên kiểu cấu trúc và lỗ rỗng khác nhau. Lỗ rỗng hình thành do cấu trúc sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự vận chuyển nước, nhiệt, không khí và tổng độ rỗng của đất. Các hoạt động như khai thác gỗ, thu hoạch cỏ, làm đất, cơ giới hóa, tiêu nước, bón vôi, bón phân hữu cơ sẽ có tác động rất lớn đến đất thông qua việc ảnh hưởng đến cấu trúc đất, đặc biệt là đối với tầng đất mặt. 2.CÁC KIỂU CẤU TRÚC CỦA ĐẤT Trong đất có nhiều kiểu cấu trúc, thường các tầng đất khác nhau trong cùng một phẩu diện có các kiểu cấu trúc khác nhau. Cấu trúc đất được xác định thông qua các tính chất như hình dạng, kích thước và độ bền. 2.1.Hình dạng: trong đất có 4 dạng cấu trúc chính là: 〈 Hình cầu 〈 Hình phiến 〈 Hình trụ 〈 Hình khối 2.1.1.Dạng cấu trúc hình cầu/hạt (viên): dạng cấu trúc này thường có đường kính tập hợp từ 10mm. Thường hình thành trong tầng đất mặt, nhất là các loại đất có hàm lượng chất hữu cơ cao. Đây là dạng cấu trúc chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các biện pháp quản lý đất. Dạng cấu trúc này rất phổ biến trên các vùng đất trồng rau, đồng cỏ do sự hoạt động mạnh của giun đất, và hàm lượng chất hữu cơ cao do bón phân hữu cơ hoặc do dư thừa của rễ cỏ. 2.1.2.Dạng phiến: dạng cấu trúc này thường do các tập hợp đất có kích thước mỏng xếp chồng nhau, có thể hình thành ở cả tầng đất mặt và đất sâu. Trong nhiều trường hợp, cấu trúc phiến thường do kết quả của các tiến trình hình thành đất. Tuy nhiên, không như các kiểu cấu trúc khác, cấu trúc phiến có thể chịu ảnh hưởng của tính chất của mẫu chất hình thành nên đất đó, nhất là đất hình thành trong điều kiện ngập nước. Trong một số trường hợp, cấu trúc phiến cũng có thể được hình thành do tác động cơ giới trên vùng đất có sa cấu sét. 70
9. 2.1.3.Dạng khối: cấu trúc dạng khối thường không có kích thước nhất định, biến thiên từ 5-50mm. Các khối riêng rẽ thường không có hình dạng độc lập mà chúng liên kết với các khối chung quanh. Cấu trúc dạng khối được chia thành 2 dạng phụ: (1) Khối góc cạnh: khi các cạnh của khối nổi rõ, nhọn (2) Bán khối góc cạnh: khi các cạnh có dạng hơi tròn Dạng cấu trúc này thường hình thành ở tầng B, có khuynh hướng tiêu nước tốt, thoáng khí và rễ xâm nhập dễ dàng 2.1.4.Dạng hình trụ và cột: tương tự cấu trúc khối nhưng thường có chiều cao rất lớn so với cạnh ngang, chiều cao có thể >150mm. Có 2 dạng phụ là: 71
10. (1) Hình cột: khi đỉnh của tập hợp tương đối phẳng, tròn, Thường hình thành trên đất mặn (tầng Natric) (2) Hình trụ: khi cạnh bề mặt đỉnh sắc, rõ. Dạng cấu trúc hình trụ và cột thường hình thành trên các loại đất có chứa sét có tính co trương cao, trong vùng khô hạn và bán khô hạn. Cấu trúc hình trụ đôi khi cũng được hình thành trên đất tiêu nước kém và trong các tầng đất cứng. 3.Kích thước: Khi mô tả cấu trúc đất ngoài đồng, ngoài dạng cấu trúc, nhà khoa học đất còn phải mô tả kích thước tương đối và mức độ rõ của cấu trúc. Kích thước tương đối gồm 3 loại: mịn, trung bình, thô 4. Độ bền (với các tác động cơ học): Mức độ: mạnh, trung bình, yếu Ví dụ tên gọi một loại cấu trúc: đất có cấu trúc bán khối góc cạnh, mịn, yếu. II.TỈ TRỌNG VÀ DUNG TRỌNG CỦA ĐẤT 1.Tỉ trọng của đất 1.1. Định nghĩa: Tỉ trọng đất được định nghĩa là trọng lượng khô của đất trên một đơn vị thể tích phần rắn của đất (không tính đến thể tích phần rỗng). Vậy, nếu 1m3 phần rắn của đất có trọng lượng là 2.6 tấn, tỉ trọng sẽ là 2.6 tấn/1m3 hay 2.6g/cm3. Tỉ trọng được tính chủ yếu dựa trên trọng lượng và thể tích của các hạt rắn. Do thành phần hóa học và cấu tạo hóa học của khoáng quyết định tỉ trọng, nên độ rỗng không 72
11. ảnh hưởng đến tỉ trọng, và vì thế không có sự tương quan giữa tỉ trọng và kích thước hạt hay cấu trúc đất. 1.2. Tính chất: Tỉ trọng của các loại đất khoáng biến thiên trong khoảng 2.60- 2.75g/cm3 do có sự khác nhau của các thành phần các khoáng trong đất như thạch anh, felspar, micas, và các keo silicate. Trong các lo ại đất canh tác, có hàm lượng chất hữu cơ từ 1-5%, tỉ trọng đất khoảng 2.65g/cm3. Các loại đất có chứa các loại khoáng có tỉ trọng cao như magnetite, garnet, epidote, zircon, tourmaline, và hornblende tỉ trọng đất có thể đạt đến 3.0g/cm3. Chất hữu cơ có tỉ trọng khoảng 0.9-1.3g/cm3, nên tầng đất mặt luôn có tỉ trọng thấp hơn tầng đất sâu, do có hàm lượng chất hữu cơ cao. Đất hữu cơ (than bùn) có tỉ trọng khoảng 1.1-2g/cm3. 3.Dung trọng của đất 3.1. Định nghĩa. Dung trọng được định nghĩa là tỉ lệ của trọng lượng trên một đơn vị thể tích đất khô. Thể tích này bao gồm thể tích phần rắn và thể tích phần rỗng (tổng thể tích đất). 3.2.Tính chất. Dung trọng của đất luôn thấp hơn rất nhiều so với tỉ trọng. Chú ý là cả tỉ trọng và dung trọng đều được tính trên trọng lượng khô, nên sẽ không có phần nước trong cách tính tỉ trọng và dung trọng. 4.Cách tính tỉ trọng và dung trọng đất. Dung trọng (Db) là tỉ lệ của trọng lượng phần hạt trên một đơn vị thể tích đất (gồm thể tích phần hạt cộng với thể tích phần rỗng). Tỉ trọng (Ds) là tỉ lệ của trọng lượng phần hạt trên thể tích của phần hạt đó. Cách xác định như sau: Dung trọng = Trọng lượng đất sấy khô/Tổng thể tích đất Tỉ trọng = Trọng lượng phần rắn/Thể tích phần rắn 5.Các yếu tố ảnh hưởng đến dung trọng đất. Đất có độ rỗng lớn sẽ có dung trọng thấp, do đó bất cứ yếu tố nào ảnh hưởng đến độ rỗng sẽ ảnh hưởng đến dung trọng của đất. Dung trọng của một số loại đất được trình bày trong hình sau. Một số các yếu tố ảnh hưởng đến dung trọng như sau: 5.1. Ảnh hưởng của sa cấu: Đất có sa cấu mịn như đất sét và thịt có dung trọng thấp hơn đất có sa cấu cát, do các hạt sét khi hình thành cấu trúc sẽ có nhiều tế khổng trong các tập hợp đất, nhất là đất có hàm lượng chất hữu cơ dầy đủ. Trong các tập hợp này, tế khổng sẽ được hình thành bên trong từng đơn vị tập hợp và cả giữa các tập hợp. Trong đất cát, thường kết hợp với hàm lượng chất hữu cơ thấp nên các hạt rắn kết dính rất yếu, vì thế chúng thường có dung trọng cao. 5.2. Ảnh hưởng của độ sâu: thông thường tầng đất càng sâu trong phẩu diện, dung trọng càng cao, do hàm lượng chất hữu cơ thấp, ít tập hợp, ít rễ cây, và chịu sự nén 73
12. chặt của khối đất ở các tầng trên. Dung trọng của các tầng đất bị nén chặt có thể đạt đến 2.0g/cm3. 6.Ý nghĩa của dung trọng đất. Trong thực tiễn, nhà các xây dựng cần biết dung trọng đất để có thể tính toán trong việc vận chuyển đất từ nơi này sang nơi khác. Các nhà làm vườn cũng cần biết dung trọng đất để tính toán trong việc thiết kế cảnh quan trong việc trồng cây. Trong tính toán lượng phân, lượng vôi bón cho cho 1 ha đất, chúng ta cũng dựa vào dung trọng của đất để tính khối lượng đất của 1 ha lớp đất cày. Ví dụ đất có dung trọng là 1.3g/cm3, trọng lượng của lớp đất cày 15cm sẽ là khoảng 2000 tấn/ha (thường diễn tả là 2000 tấn/ha-15cm). 7.Các biện pháp quản lý ảnh hưởng đến dung trọng đất. Dung trọng đất có thể thay đổi dễ dàng bằng các biện pháp quản lý đất. Khi dung trọng tăng, rễ cây sẽ phát triển khó khăn, độ thoáng khí kém, nước di chuyển chậm, và làm giảm khả năng thấm ban đầu của đất. 7.1. Đất rừng: Tầng mặt của đất rừng thường có dung trọng thấp nhưng dễ thay đổi. Sự sinh trưởng của thực vật và chức năng của hệ sinh thái rừng rất nhạy cảm với sự gia tăng dung trọng. Vấn đề khai thác gỗ theo phương pháp cổ truyền, cũng như việc thiết lập các khu giải trí, do tác động của cơ giới, di chuyển gỗ, con người đi lại sẽ nhanh chóng làm tăng dung trọng đất. 7.2. Đất nông nghiệp: Mặc dù việc làm đất sẽ làm tơi xốp lớp đất mặt một cách tạm thời, nhưng làm đất lâu năm sẽ làm tăng dung trọng đất, do việc canh tác làm gia tăng tốc độ phân giải và mất dần chất hữu cơ và làm yếu dần cấu trúc đất. Việc cơ giới hóa trong nông nghiệp cũng làm cho dung trọng đất ngày càng tăng, nhất là vấn đề hình thành tầng đất cứng, chặt trong đất (tầng đế cày, lớp đất cứng). Nhiều nơi áp dụng biện pháp cày sâu, cày không lật nhằm phá vỡ tầng đất này, nhưng hiệu quả chỉ có tính tạm thời. Hiện nay trên thế giới áp dụng nhiều biện pháp tiến bộ trong cơ giới hóa nhằm làm giảm sự nén chặt đất do máy móc, như sử dụng các loại bánh xe to, bánh lồng để giảm lực nén trên một đơn vị diện tích đất, hay qui hoạch đường di chuyển riêng cho máy móc, đi lại 8.Ảnh hưởng của dung trọng đến lực cản của đất và sự phát triển của rễ cây. Dung trọng đất có thể gia tăng do các điều kiện tự nhiên, hoặc do tác động của con người. Nhưng dù do nguyên nhân nào, khi đất có dung trọng cao cũng cản trở sự sinh trưởng và phát triển của rễ cây, độ thoáng khí của đất kém, nước và dinh dưỡng di chuyển chậm, và các độc chất có thể tích tụ trong đất. Sự sinh trưởng của rễ bị giới hạn bởi lực cản của đất. Để đo lực cản của đất người ta sử dụng một thiết bị riêng để đo chúng, gọi là penetrometer. Đất càng bị nén chặt, 74
13. dung trọng càng cao và lực cản càng lớn. Có 2 yếu tố chính ảnh hưởng đến lực cản của đất: 8.1. Ảnh hưởng của ẩm độ đất: Ẩm độ và dung trọng đất ảnh hưởng rất lớn đến lực cản của đất. Đất bị nén chặt sẽ làm tăng dung trọng và tăng lực cản, và khi đất bị khô cứng cũng làm tăng lực cản. Vì thế, dung trọng đất ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng của rễ trong điều kiện đất khô. Ví dụ, một tầng đất bị nén chặt có dung trọng là 1.6g/cm3 có thể ngăn cản sự xuyên phá của rễ khi đất khô, nhưng khi đất ướt rễ có thể xuyên phá dễ dàng qua tầng đất này. 8.2. Ảnh hưởng của sa cấu: Đất chứa nhiều sét sẽ hình thành nhiều vi tế khổng, nên rễ xuyên phá càng khó khăn. Do đó, nếu có dung trọng như nhau, rễ sẽ xuyên phá dễ dàng trong đất cát so với đất sét. Sự sinh trưởng của rễ trong đất ẩm thường bị giới hạn ở dung trọng khoảng 1.45g/cm3 trên đất sét, và khoảng 1.85g/cm3 trên đất cát. III.ĐỘ RỖNG CỦA ĐẤT KHOÁNG 1.Định nghĩa: độ rổng là tỉ lệ thể tích phần rỗng trên đơn vị tổng thể tích đất. Một trong những lý do chúng ta đo dung trọng và tỉ trọng đất là để tính tổng độ rỗng của đất. Một loại đất có cùng tỉ trọng, nếu dung trọng càng thấp thì tổng độ rỗng càng cao. Các lỗ rỗng, hay còn gọi là tế khổng, là khoảng trống nằm giữa các hạt rắn của đất. 2.Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng độ rỗng của đất. Một tầng đất mặt lý tưởng cho sự sinh trưởng của cây trồng là đất có sa cấu trung bình (thịt), có cấu trúc dạng viên, độ rỗng chiếm khoảng 50% tổng thể tích đất, và nước chiếm khoảng 50% độ rỗng này (hay 25% tổng thể tích đất). Thực tế, tổng độ rỗng khác nhau rất lớn giữa các loại đất, do dung trọng của chúng khác nhau. Độ rỗng có thể biến thiên từ 25% ở các tầng đất sâu bị nén chặt, đến khoảng 60% ở tầng đất mặt có hàm lượng chất hữu cơ cao, có cấu trúc viên. Cũng như dung trọng, độ rỗng của đất có thể thay đổi do phương pháp quản lý đất. Đất canh tác lâu năm thường có độ rỗng thấp hơn đất mới khai phá do hàm lượng chất hữu cơ trong đất bị giảm trong quá trình canh tác, và mất dần cấu trúc dạng viên. 3.Kích thước các lỗ rỗng (tề khổng). Giá trị dung trọng chỉ cho ta biết tổng độ rỗng của đất, nhưng thực tế các tế khổng trong đất rất khác nhau về kích thước và hình dạng. Kích thước tế khổng được chia thành nhiều loại, ở đây chúng ta chỉ xét 2 loại chính, đó là đại tế khổng (đường kính > 0.08mm) và vi tế khổng (đường kính < 0.08mm) 3.1. Đại tế khổng: là các tế khổng trong đó nước, không khí dễ dàng di chuyển cũng như sự xuyên phá của rễ cây, là nơi cư trú của các vi động vật đất. Đại tế khổng có thể được hình thành giữa các hạt cát trong các loại đất có sa cấu thô. Vì vậy, mặc dù đất có 75
14. sa cấu cát sẽ có tổng độ rỗng thấp nhưng nước và không khí di chuyển nhanh, do chúng chứa nhiều đại tế khổng. Trong các loại đất có cấu trúc tốt (đất thịt, chứa nhiều chất hữu cơ), đại tế khổng có thể được hình thành giữa các đơn vị cấu trúc đất. Các đại tế khổng cũng có thể được hình thành do rễ thực vật, giun đất; được gọi là các tế khổng sinh học. 3.2. Vi tế khổng: trong điều kiện đồng ruộng các vi tế khổng thường chứa đầy nước. Nhưng ngay cả khi không chứa nước, sự di chuyển của không khí cũng rất chậm do kích thước của vi tế khổng quá nhỏ. Nước di chuyển trong vi tế khổng rất chậm, và phần lớn nước được giữ lại trong vi tế khổng, lượng nước này không hữu dụng đối với thực vật. Đối với đất có sa cấu mịn, không có cấu trúc viên, sự di chuyển của nước và không khí trong đất rất chậm, mặc dù tổng độ rỗng của đất này khá cao. Độ thoáng khí thấp, nhất là tầng đất sâu. Vi tế khổng có kích thước quá nhỏ nên ngay cả vi khuẩn cũng không thể sinh sống trong đấy, các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại hàng trăm năm trong các vi tế khổng vẫn không bị vi sinh vật phân giải. Kích thước của các tế khổng ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thoát nước, độ thoáng khí của đất và các tiến trình khác so với tổng độ rỗng. Làm tơi xốp đất, tăng cường quá trình hình thành cấu trúc viên cho các loại đất có sa cấu mịn chủ yếu là chúng ta làm tăng tỉ lệ của đại tế khổng trong đất, nhưng không tăng tổng độ rỗng của đất. 4.Ảnh hưởng của quá trình canh tác đến kích thước tế khổng. Canh tác liên tục, nhất là trên các loại đất có hàm lượng chất hữu cơ nguyên thủy cao thường làm giảm số lượng đại tế khổng trong đất. Việc cày đất sẽ làm giảm hàm lượng chất hữu cơ và tổng độ rỗng nhanh chóng, nhưng chủ yếu là giảm số lượng đại tế khổng. Thời gian gần đây, nhiều nơi trên thế giới áp dụng biện pháp canh tác không làm đất hoặc làm đất tối thiểu, nhằm duy trì hàm lượng chất hữu cơ trong tầng đất mặt và hạn chế việc phá vỡ các đại tế khổng trong tầng đất này, nhất là sự phá vỡ các tế khổng sinh học. 76
15. Tính phần trăm độ rỗng trong đất: Dung trọng đất có thể được đo dễ dàng và tỉ trọng đất khoáng chứa chủ yếu các khoáng silicate thường là 2.65g/cm3. Việc đo trực tiếp độ rỗng đất yêu cầu các thiết bị rất phức tạp và tốn kém. Vì vậy để xác định tổng độ rỗng đất thường chúng ta dùng các số liệu dung trọng và tỉ trọng của đất đó. Các thông số dùng để tính tổng độ rỗng cần thiết: 3 3 Db= dung trọng, g/cm . Vs= thể tích phần hạt rắn, cm . 3 3 Dp= tỉ trọng, g/cm . Vp= thể tích phần rỗng, cm . 3 Ws= trọng lượng đất (phần rắn), g Vt= Vs+Vp= tổng thể tích đất, cm . Theo định nghĩa: Ws/Vs=Dp và Ws/(Vs+Vp)=Db Tính Ws, ta được: Ws=DpxVs và Ws=Dbx(Vs+Vp) Vậy, DpxVs= Dbx(Vs+Vp) và Vs/(Vs+Vp)= Db/Dp Do % độ rỗng + % thể tích phần rắn = 100%, và % độ rỗng = 100 - % thể tích phần rắn % độ rỗng = 100 – (Db/Dpx100) VÍ DỤ Một loại đất có dung trọng là 1.28g/cm3, và tỉ trọng là 2.65g/cm3. Tổng độ rỗng là: % độ rỗng = 100 – (1.28/2.65x100)= 51.7 Chú ý là trong cách tính này chúng ta chỉ biết tổng độ rỗng, công thức này không cho ta biết tỉ lệ giữa các đại và vi tế khổng. Một số loại đất có hàm lượng chất hữu cơ cao thì tỉ trọng 2.65g/cm3. Ví dụ cách tính độ rỗng của đất có tỉ trọng là 3.21g/cm3, dung trọng là 1.20g/cm3 như sau: % độ rỗng = 100 – (1.20/3.21x100)= 62.6 Đất có tổng độ rỗng cao này cho thấy đất không bị nén, có cấu trúc viên tốt, có thảm thực vật phủ tốt. 77
16. Phân loại kích thước độ rỗng và tính chất vai trò của chúng Phân loại Phân loại chi tiết Đường kính Tính chất và vai trò đơn giản (mm) Đại tế Đại tế khổng 0.08-5 Hình thành giữa các đơn vị cấu khổng trúc, không giữ được nước, không khí di chuyển nhanh, là nơi cư trú của rễ, và một số động vật đất Vi tế khổng Tế khổng trung 0.03-0.08 Giữ được nước, dẫn nước do bình lực mao dẫn, là nơi cư trú của 0.005-0.03 nấm và lông hút của rễ Tế khổng nhỏ Hình thành bên trong các đơn vị cấu trúc đất, giữ nước hữu 1mm thường là do sự kết dính của nhiều tập hợp có kích thước nhỏ hơn, các tập hợp nhỏ này lại do sự liên kết của nhiều đơn vị nhỏ hơn nữa, tiếp tục cho đến các cụm tập hợp của sét và mùn. Đơn vị cuối cùng của các tập hợp là sự liên kết giữa các hạt thịt, sét và mùn. 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và tính bền vững của các tập hợp trong đất. Sự hình thành các tập hợp của đất do các quá trình sinh học và hóa lý học. Quá trình lý học trong việc hình thành các tập hợp chủ yếu liên quan đến khoáng sét, 78
17. nên đất có sa cấu mịn, quá trình lý học có tầm quan trọng hơn. Ngược lại quá trình sinh học trong sự hình thành các tập hợp có tầm quan trọng trong đất cát. 2.1.Các tiến trình lý-hóa học: Vai trò quan trọng nhất của tiến trình lý học là (1) sự thu hút lẫn nhau giữa các hạt sét và (2) tính trương nở và co ngót của sét. (1) Sự kết cụm của sét và vai trò của các cation hấp phụ bề mặt: Sự hình thành các tập hợp đất thường được bắt đầu bằng sự kết cụm của các hạt sét, các kết cụm này thường mang điện tích âm nên dễ dàng hấp phụ các cation. Sau đó các cụm sét này cùng với các hợp chất hữu cơ (mùn) trong đất nối kết với nhau bằng các cầu nối, đồng thời chúng nối với các hạt thịt trong đất hình thành nên các đơn vị cấu trúc đất. Kết cụm của sét chịu ảnh hưởng lớn bởi các cation đa hóa trị như Ca2+, Fe2+, Al3+. Các đơn vị cấu trúc này sẽ được kết nối lại với nhau bởi các hợp chất keo vô cơ trong đất như các oxide Fe. Nhưng nếu đất chứa nhiều ion Na+, lực hấp thu giữa các hạt sẽ yếu đi do lực đẩy giữa các cụm sét mang điện tích âm. Do đó đất này thường bị phân tán và không thể hình thành nên cấu trúc. (2) Sự thay đổi thể tích của sét: Khi bị khô, các kết cụm sét bị mất nước nên các phiến sét sẽ có xu hướng áp sát vào nhau làm cho thể tích dất bị giảm và hình thành nên các khe nứt. Theo thời gian các khe nứt càng ngày càng rộng và rõ, hình thành từng khối riêng rẽ. 2.2. Các tiến trình sinh học: (1) Hoạt động của các sinh vật đất: Các tiến trình sinh học nổi bật trong quá trình hình thành tập hợp đất là (1) các hoạt động của giun đất, (2) sự kết nối giữa các hạt do hệ thống rễ con và sợi nấm, và (3) sự giải phóng các chất keo hữu cơ bởi các vi sinh vật đất, nhất là vi khuẩn và nấm. Trong đất, các hoạt động của giun đất và mối sẽ làm luân chuyển đất, chúng thường ăn đất và hình thành những viên đất. Thực vật cũng có vai trò nhất định là làm cho các hạt đất gần nhau hơn do lực xuyên phá của rễ, tạo điều kiện cho các hạt dễ liên kết với nhau hơn. Rễ cây và hệ thống sợi nấm, vi khuẩn cũng tiết ra các hợp chất hữu cơ có tính keo làm kết dính các hạt sét và các đơn vị cấu trúc lại với nhau. Tiến trình này rất có ý nghĩa trong các tầng đất mặt, nơi có sự hoạt động mạnh mẽ của rễ và động vật và là nơi có hàm lượng chất hữu cơ cao. (2) Ảnh hưởng của chất hữu cơ: Trong phần lớn các loại đất, chất hữu cơ là tác nhân chính làm tăng cường sự hình thành và tính bền vững của cấu trúc dạng viên của đất. Do chất hữu cơ là nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động của nấm, vi khuẩn và động vật đất; các sản phẩm hình thành trong quá trình phân giải chất hữu cơ sẽ làm gia tăng tốc độ hình thành các tập hợp. (3) Ảnh hưởng của việc làm đất đến cấu trúc: Với việc sử dụng thuốc diệt cỏ và các thiết bị gieo trồng hiện đại, một số vùng đã áp dụng biện pháp kỹ thuật canh tác không 79
18. làm đất. Tuy nhiên vẫn còn nhiều nơi vẫn xem làm đất là điều cần thiết trong canh tác. Việc làm đất có 2 ảnh hưởng đến cấu trúc đất. Nếu làm đất trong điều kiện đất có ẩm độ thích hợp (thường là ẩm độ đồng ruộng), trong thời gian ngắn sẽ cải thiện được cấu trúc đất, do các thiết bị làm đất sẽ làm vỡ các tảng đất to, vùi xác bả hữu cơ, diệt cỏ, hình thành nên môi trường thuận lợi cho sự phát triển của cây con, vì ngay sau khi làm đất, lớp đất mặt được tơi xốp hơn (giảm lực cản của đất) và tăng tổng độ rỗng của đất. Nhưng trong một thời gian dài, việc làm đất sẽ có ảnh hưởng xấu đến cấu trúc của đất. Do tác động của việc xới xáo, khuấy động nên việc làm đất sẽ làm gia tăng tốc độ phân giải chất hữu cơ, nhanh chóng làm giảm chất hữu cơ trong đất, nên làm yếu dần các liên kết của các tập hợp đất. Khi làm đất trong điều kiện đất quá ướt (như đất lúa nước) các tập hợp đất dễ dàng bị nát vụn ra, làm mất hoàn toàn các đại tế khổng (kỹ thuật đánh bùn trên đất lúa nước). Ngoài ra, các hợp chất hữu cơ có nhiệm vụ nối các đơn vị cấu trúc nhanh chóng bị phân giải do làm đất, sẽ mất dần tác dụng nối của chúng nên làm cấu trúc đất bị mất dần. V.BIỆN PHÁP LÀM ĐẤT VÀ QUẢN LÝ CẤU TRÚC ĐẤT Khi được bảo vệ dưới thảm thực vật dày và không có sự xáo trộn do làm đất, phần lớn tầng đất mặt các loại đất sẽ có cấu trúc tốt cho phép nước thấm nhanh và ít bị đóng ván sau khi mưa hay tưới. Tuy nhiên trong thực tế nông nghiệp, vấn đề tăng cường và duy trì cấu trúc tầng đất mặt là một thử thách to lớn. Nhiều nghiên cứu cho thấy theo quá trình canh tác, đất luôn bị mất dần cấu trúc do làm đất. 1. Ảnh hưởng của các phương pháp làm đất đến cấu trúc tầng đất mặt (lớp đất cày): Lớp đất cày được định nghĩa là lớp đất có liên quan đến sự sinh trưởng của cây trồng. Các tính chất cần chú ý trong lớp đất này không chỉ là cấu trúc mà còn cả dung trọng, ẩm độ, độ thoáng khí, khả năng tiêu nước, và khả năng giữ nước. Ví dụ lực cần thiết cho việc làm đất sẽ thay đổi rất lớn khi ẩm độ thay đổi một lượng nhỏ. Đất sét sẽ dễ dàng kết dính và bị nén chặt khi làm đất trong điều kiện ướt. Nhưng khi khô lại rất cứng. Vì vậy việc chọn thời điểm có ẩm độ thích hợp cho việc làm đất trên đất sét khó khăn hơn nhiều so với đất cát, do sự thoát nướ trong đất sét rất kém, cần thời gian khá dài để đất khô, nhưng khi bị khô lại rất cứng, cũng gây khó khăn cho việc làm đất. Tuy nhiên, các loại đất sét vùng nhiệt đới ẩm tương đối dễ làm đất hơn do chúng chứa nhiều oxide Fe, Al là các loại sét không có tính dính cao. 2. Làm đất theo phương pháp cổ truyền. Từ thời trung cổ, con người đã biết sử dụng càc dụng cụ như cày để làm đất và vùi dư thừa thực vật vào trong đất trước khi gieo trồng. Sau khi gieo trồng, đất còn có thể được xới xáo vài lần nữa để diệt cỏ, phá ván trên mặt đất Trong nền nông nghiệp hiện đại tất cả các khâu làm đất, chăm sóc, 80
19. thu hoạch sử dụng chủ yếu là các máy kéo nặng nên đất thường bị nén chặt trên các vùng này. Hiện nay cũng còn nhiều nông dân vẫn dùng cuốc tay và gia súc để làm đất do đó đất vẫn ít bị nén chặt hơn so với vùng đất cơ giới hóa nông nghiệp triệt để. 3. Làm đất theo hướng bảo tồn đất. Những năm gần đây hệ thống canh tác và biện pháp làm đất tối thiểu hoặc không làm đất đã được phát triển trên thế giới. Với kĩ thuật này, phần lớn các dư thừa thực vật sẽ tồn tại ngay trên mặt đất, do đó sẽ hạn chế rất lớn tốc độ xói mòn đất. Kĩ thuật này được gọi là kĩ thuật làm đất theo hướng bảo tồn đất. 4. Sự đóng váng của đất. Do tác động của mưa hay nước tưới, các tập hợp đất trên mặt có thể bị vỡ ra. Trong một số loại đất có muối hòa tan cao (như muối Natri), muối hòa tan này có thể làm cho keo sét bị phân tán. Một khi các tập hợp bị vỡ, các hạt sét phân tán sẽ bị rửa trôi và làm bịt kín các tế khổng của đất. Mặt đất sẽ nhanh chóng bị phủ bởi một lớp sét mịn, không có cấu trúc gọi là sự đóng ván trên mặt. Lớp ván này sẽ hạn chế sự thấm nước của đất và gia tăng lượng nước chảy tràn trên mặt, nguyên nhân chính gây nên sự xói mòn đất. Khi lớp ván khô sẽ rất cứng, hạt sẽ rất khó nẩy mầm. Để hạn chế sự đóng ván của đất, nên luôn giữ một thảm phủ thực vật hay tủ chất hữu cơ trên mặt đất để làm giảm tác động của hạt mưa. Nhưng nếu một khi lớp ván đã hình thành nên cày xới nhẹ lại. Trong quản lí đất đai nên bổ sung chất hữu cơ và các vật liệu cải tạo đất khác để hạn chế sự phân tán các sét và hình thành ván trên mặt. 5. Các vật liệu cải tạo cấu trúc đất. Ngoài các biện pháp kĩ thuật như làm đất, phủ chất hữu cơ , trong quản lý đất người t có thể sử dụng một số vật liệu vô cơ và hữu cơ nhằm cải thiện cấu trúc đất. a.Thạch cao: Thạch cao (CaSO4)là vật liệu dùng để cải tạo tính chất vật lí trên nhiều loại đất rất có hiệu quả. Calcium làm tăng tiến trình kết cụm, hạn chế phân tán sét, nên hạn chế sự đóng ván bề mặt. Calcium cũng làm giảm lực cản của tầng đất cứng, giúp rễ phát triển dễ hơn. Với đất chua, có thể dùng bột đá vôi (CaCO3) thay cho thạch cao. b. Các phức chất hữu cơ tổng hợp. Có thể dùng polyacrylamide (PAM) hòa vào nước tưới với nồng độ 15mg/lít, hay phun lên mặt đất với lượng 1-10kg/ha. Các phức chất hữu cơ làm tăng cường tính bền vững của cấu trúc đất, nhưng giá thành cao nên thường không có hiệu quả kinh tế trên đất nông nghiệp. c. Các vật liệu khác. Một số loại tảo có khả năng sản sinh những sản phẩm có thể làm tăng tính kết dính của đất, nên bón các loại tảo này có thể cải thiện cấu trúc của đất. Lượng tảo bổ sung thường rất thấp, vì khi tảo sống ổn định trong đất, chúng sẽ phát triển rất nhanh, làm suy thoái chất lượng nguồn nước. 81
20. 6. Một số hướng dẫn tổng quát trong làm đất. 6.1. Nên làm đất tối thiểu, nhất là khi làm đất bằng cơ giới, nhằm làm giảm tốc độ mất chất hữu cơ trong đất. 6.2. Nên vận hành máy móc trong điều kiện độ ẩm đất tối hảo (độ ẩm đồng ruộng) sẽ làm giảm tối thiểu sự phá hũy cấu trúc đất. 6.3. Nên luôn phủ chất hữu cơ trên mặt đất nhằm tăng cường chất hữu cơ, hoạt động của giun đất, và bảo vệ đất không chịu tác động trực tiếp của hạt mưa. 6.4. Nên bón nhiều dư thừa thực vật, phân hữu cơ, phân chuồng nhằm tăng cường sự hoạt động của vi sinh vạt và tính bền vững của cấu trúc đất. 6.5. Nên luân canh với các cây làm thức ăn gia súc (nhất là cỏ họ đậu) nhằm tăng cường chất hữu cơ nhờ hệ thống rễ của cỏ. 6.6. Trồng cây che phủ và cây phân xanh. 6.7. Bón thạch cao (hay đá vôi trên đất chua), hoặc các phức chất hữu cơ khác. VI. Một số tính chất cơ-lý khác của đất. 1. Độ kết dính hay độ chặt. là lực kết dính giữa các hạt của đất và giữa các hạt và nước trong đất. Mức độ kết dính do các hợp chất có tính keo trong đất như silica, calcite, sắt Ẩm độ đất ảnh hưởng rất lớn đến độ kết dính của đất. Vì vậy đất ẩm thường phân loại theo độ dính độ dẽo, đất khô phân loại theo độ cứng, độ chặt. 2. Lực cản của đất. Là tính chất quan trọng đối với làm đất. Là khả năng chống lại lực cắt của việc cày đất (phá vỡ đất). 2.1. Đất có tính dính. Đất có tỉ lệ sét>15% sẽ có tính dính. Hai thành phần tạo nên lực cản là: (1) lực tỉnh điện giữa các lá sét và giữa bề mặt sét với nước trong vi tế khổng, (2) lực ma sát giữa các hạt. Lực cản giảm đáng kể khi đất đủ ẩm, nhưng khi đất khô lực kết dính tăng rất cao, đất cứng và chặt, nên sẽ khó khăn cho làm đất và sự xuyên phá của rễ cây. 2.2. Đất không có tính dính (đất cát hay sét không có tính dính). Lực cản này do lực ma sát giữa các hạt và bề mặt hạt. Ẩm độ thường không ảnh hưởng đến lực cản của loại đất này. Một số loại đất có lực cản thấp và mất lực cản hoàn toàn khi ướt. Chú ý trong xây dựng. 2.3. Sự lắng đọng-độ nén chặt. Khi cấu trúc bị vỡ, các hạt tách rời và gây ra hiện tượng lắng đọng, các hạt sắp xếp lại tho kích thước, gây nên hiện tượng lún sụp và nén chặt. Trong làm đất cần hạn chế các tác động làm tăng độ nến chặt như đánh bùn (làm đất trong điều kiện đất quá ẩm). 82
21. 2.4. Tính trương nở-co ngót. Một số loại sét như smectite có tính trương nở khi ướt và co ngót khi khô. Do lực tỉnh điện thu hút nước khi ướt, đồng thời các cation trên bề mặt cũng hút nước nên làm tăng thể tích sét. Khi đất khô, sét và cation bị mất nước nên làm giảm thể tích. 2.4.1. Giới hạn Atterberg. - Giới hạn co ngót. Một số loại sét khi cho nước vào sẽ thay đổi đáng kể tính chất và độ chặt của chúng. Khi khô đất rất cứng, khi cho vào 1 ít nước, đất sẽ mềm, xốp. - Giới hạn dính. Khi tiếp tục thêm nước vào, đất sẽ có tính dính, nặn tượng được. - Giới hạn chất lỏng. Tiếp tục thêm nước vào, các thành phần của đất phân tán chảy theo nước. Các ngưỡng ẩm độ này gọi là giới hạn Atterberg. 2.4.2. Hệ số dính (PI). Là khoảng ẩm độ giữa giới hạn dính (PL) và giới hạn chất lỏng (LL), thể hiện khoảng ẩm độ tạo cho đất có tính dính. PI = LL-PL Đất có PI>25, có tính trương nở cao. Sét smectite co PI cao và sét kaolinite có PI thấp. Câu hỏi nghiên cứu. 1. Nêu các ưu, nhược điểm của đất có sa cấu cát, cát pha thịt, thịt pha sét, sét. 2. Các loại đất có sa cấu trên (câu 1) thường có cấu trúc dạng nào trên tầng mặt và tầng sâu. 3. Hai loại đất đều có sa cấu thịt pha sét trên tầng mặt, dung trọng ban đầu đều là 1.1g/cm3. Với hai phương pháp làm đất khác nhau, sau một thời gian, đất A có ddung trọng là 1.48g/cm3, đất B: 1.29g/cm3. Nêu những nguyên nhân gây ra sự khác biệt này? 4. Sự thay đổi độ rổng của 2 loại đất trên do sự thay đổi đại tế khổng hay vi tế khổng? 5. Xác định sa cấu của 2 loại đất có: (1) 15% sét, 45% thịt; (2) 80% cát, 10% sét. 6. Thảo luận các tác động của kỹ thuật làm đất đến cấ trúc đất. Dực vào yếu tố vật lý nào để quyết định phương pháp làm đất? 7. Trên đất vướn, nêu 3 điều nên làm và 3 điều không nên làm trong quản lý cấu trúc đất. . 83
22. Chương 5. NƯỚC TRONG ĐẤT Bài 1. Tính chất và trạng thái nước trong đất 1. Cấu trúc và tính chất. 1.1. Tính phân cực của nước. Hai nguyên tử H và O nối với nhau theo hình chữ V nên các điện tử chung trong nối cộng hóa trị có khuynh hướng gần với nguyên tử O hơn, nên các phân tử nước có tính phân cực. Do đó các phân tử nước tạo được phản ứng với nhau. Các phân tử nước kết nối thành chuồi nhờ cực (+) phía H và cực (-) phía O. Do liên kết này nên nước có nhiệt độ sôi cao hơn các chất lỏng khác như rượu. Khi nước hấp phụ trên các ion hay bề mặt khoáng sét (mang điện tích), các phân tử nước liên kết chặt hơn so với liên kết giữa các phân tử nước. Liên kết càng chặt, sự di chuyển của nước càng bị hạn chế và trạng thái năng lượng của nước càng thấp so với nước nguyên chất, do 1 phần năng lượng của nước tiêu tốn trong liên kết này. Các ion hay sét ngậm nước, năng lượng của nước sẽ giải phóng, nhiệt giải phóng khi ion ngậm nước hay đất bị ngập nước. 1.2. Nối hydrogen. Nối H là 1 nối hóa học yếu do 1 nguyên tử H nối với 2 nguyên tử O. Do có tính âm điện cao nên 1 nguyên tử O trong 1 phân tử nước này sẽ thu hút với 1 H trong phân tử nước bên cạnh. Kiểu nối này hình thành nên cấu trúc chuổi của nước. Nối H cũng làm cho nước có điểm sôi, nhiệt riêng, độ nhớt cao hơn so với các hợp chất có chứa H khác như H2S. 1.3. Tính liên kết và hút bám. Nối H tạo nên 2 lực chính ảnh hưởng đến sự di chuyể của nước: lực liên kết giữa các phân tử nước và lực hấp phụ bề mặt giữa các phân tử nước và bề mặt các hạt khoáng. Hai lực này hình thành khả năng giữ nước và kiểm soát di chuyển của nước trong đất, tính dinh và dẽo của sét. 1.4. Sức căng bề mặt. Hình thành trên bề mặt nơi tiếp xúc giữa không khí và chất lỏng, làm cho lực liên kết mạnh hơn so với không khí bên trên. Là lực hướng nội, nên bề mặt nước hình thành 1 màng mỏng có tính đàn hồi. Do lực liên kết cao nên nước có sức căng bề mặt lớn, ảnh hưởng lớn đến mao dẫn, khả năng di chuyển của nước trong đất. 1.5. Mao dẫn. Hai lực chính hình thành mao dẫn: (1): lực hấp phụ và (2) sức căng bề mặt của nước. Lực mao dẫn h= 0.15/r, với h: chiều cao nước dâng (cm), r: bán kính ống dẫn (cm). r càng nhỏ, lực mao dẫn càng lớn, nước dâng càng cao. 1.6. Mao dẫn của nước trong đất. Thường thấp hơn nhiều so với lý thuyết, do các tế khổng trong đất nối với nhau không đồng nhất về kích thước và không theo đường thẳng, ngoài ra các tế khổng còn chứa không khí, ngăn cản sự di chuyển của nước 84
23. Độ cao dâng của mao dẫn trên đất sét thường cao hơn đất cát, nhưng tốc độ mao dẫn chậm hơn do lực ma sát. Đất cát nhiều đại tế khổng nên lực ma sát thấp, nhưng kích thước to nên lực mao dẫn thấp. 2. Năng lượng của nước trong đất. Nước di chuyển do có sự chênh lệch về tiềm năng lượng (thế năng) của nước. Nước luôn di chuyển từ nơi có thế năng cao đến nơi có thế năng thấp. 2.1. Các lực ảnh hưởng đến thế năng của nước. 2.1.1. Lực matrix-lực hấp phụ bề mặt. Lực hấp phụ giữa phân tử nước và bề mặt hạt sét. Lực này làm giảm đáng kể thế năng của nước gần hạt sét. 2.1.2. Lực thẩm thấu. Lực hấp phụ nước bởi các ion và các chất hòa tan khác, làm giảm thế năng nước trong dung dịch đất. 2.1.3. Trọng lực. Do lực hút của quả đất làm cho nước di chuyển từ nơi có cao độ cao đến nơi thấp hơn. 2.2. Thế năng của nước trong đất. Nước trong đại khổng có thế năng cao hơn nước trong vi tế khổng, do lực hấp phụ nước trong đại tế khổng yếu (hoặc không được hấp phụ). Do đó đất càng ẩm, thế năng nước càng cao, khi áp sát 2 mẫu đất có cùng sa cấu, cấu trúc, nước sẽ di chuyển từ nơi đất ẩm (thế năng cao) sang đất khô (thế năng thấp). Nước luôn di chuyển từ nơi có thế năng cao đến nơi có thế năng thấp. Luôn nhơ điều này trong nghiên cứu trạng thái nước trong đất. 2.2.1. Trọng lực. φg = gh, g: gia tốc trọng trường, h: độ cao nước so với độ cao chuẩn, Khi đất bảo hòa nước (sau mưa lớn, tưới đẩm), trọng lực đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu nước. 2.2.2. Lực matrix (hấp phu). Lực hấp phụ càng mạnh, thế năng nước càng giảm. Đây là lực kiểm soát sự di chuyển của nước trong điều kiện không bảo hòa nước. Sự di chuyển của nước, hấp thu nước của cây trồng, kỹ thuật làm đất chịu ảnh hưởng lớn bởi lực này. 2.2.3. Lực thẩm thấu. Hình thành khi xuất hiện các chất hòa tan trong dung dịch đất, làm giảm thế năng nước.Nước được thu hút xung quanh các chất này nên làm giảm khả năng di chuyển. Ảnh hưởng chính của lực thẩm thấu là tác động đến sự hút nước của màng tế bào, do màng tế bào có tính bán thấm. Khi nồng độ muối trong dung dịch đất cao, thế năng nước giảm thấp hơn thế năng nước trong dịch tế bào. Làm giảm khả năng hút nước của tế bào. 2.3. Các phương pháp diễn tả năng lượng nước trong đất. 2.3.1. Chiều cao cột nước (cm) 2.3.2. Áp suất không khí (độ cao mực nước biển): 1atm.; hay 760mm Hg; 1020cm chiều cao cột nước). 85
24. 2.3.3. Bar (tương đương a1pm suất không khí chuẩn) Tương quan giữa các đơn vị diễn tả năng lượng nước Chiều cao cột nước, cm Bars kPa (kilo Pascal) 0 0 0 10.2 -0.01 -1 102 -0.1 -10 306 -0.3 -30 1020 -1.0 -100 15300 -15 -1500 31700 -31 -3100 102000 -100 -10000 3. Độ ẩm và lực giữ nước của đất. Độ ẩm và lực giữ nước của đất có tương quan nghịch. 3.1. Đường cong đặc trưng của nước trong đất ĐẤT SÉT LỰC GIỮ ĐẤT CÁT ẨM ĐỘ 86
25. Tương quan giữa lực giữ nước và ẩm độ được trình này tổng quát trong hình trên. Còn gọi là đường cong đặc trưng của nước trong đất. Lực giữ nước thay đổi theo ẩm độ đất, hay ẩm độ đất thay đổi theo lực giữ nước. 3.2. Ảnh hưởng của sa cấu. Ở mỗi thế năng như nhau, lượng nước giữ được trên đất sét cao hơn đất cát, tương tự, ở 1 ẩm độ như nhau, nước trên đất sét được giữ chặt hơn trên đất cát, do hàm lượng sét ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ vi tế khổng trong đất. Hơn phân nửa nước trong đất sét được giữ chặt trong vi tế khổng, rễ cây không hấp thu được. Vậy sa cấu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng giữ nước của đất. 3.3. Ảnh hưởng của cấu trúc. Cấu trúc viên có độ rỗng lớn nên có khả năng giữ nước cao hơn các dạng cấu trúc khác. Đất có tổng d965 rỗng cao, giữ nước cao và tỉ lệ đại tế khổng lớn nước ít bị giữ chặt hơn. 4. Các phương pháp xác định hàm lượng nước trong đất (độ ẩm của đất). 4.1. Độ ẩm đất có thể tính trên đơn vị trọng lượng hoặc thể thể tích đất. 4.1.1. Độ ẩm thể tích θv. Trọng lượng nước chứa trong 1 đơn vị thể tích đất khô. 4.1.2. Độ ẩm trọng lượng θm. Trọng lượng nước chứa trong 1 đơn vị trọng lượng đất khô. Độ ẩm thể tích thường được sử dụng trong quản lý nước nông nghiệp. Lượng nước mưa hay tưới được diễn tả bằng chiều cao lớp nước, nên để thuận tiện, chúng ta sử dụng tỉ lệ chiều cao lớp nước/chiều sâu lớp đất. Ví dụ đất chứa 0.1m3 nước trong 1 m3 đất (10% thể tích), tỉ lệ lớp nước là 0.1m/m chiều sâu lớp đất. Phương pháp chuẩn dùng để xác định độ ẩm là phương pháp trọng lượng, cân trọng lượng đất ẩm, sấy khô, cân trọng lượng đất khô, trọng lượng nước mất là nước chứa trong đất. Một số phương pháp xác định ẩm độ đất Phương pháp Xác định Biên độ thích Nơi sử dụng Chú ý hợp (kPa) Hàm Lực Ngoài Trong lượng giữ đồng phòng Trọng lượng X 0 đến <-1000 X Hũy mẫu, thời gian 2-3 ngày Hộp điện trở X -100 đến -1500 X Đọc tự động, không nhạy với độ ẩm đồng ruộng Điện cực H X 0 đến -1500 X Đắt tiền, không tốt trên đất hữu cơ 87
26. Tensiometer X 0 đến -85 X Rẻ, Chính xác: 0.1 đến -1kPa Màng chịu áp X -50 đến -10000 X Thiết lặp đường lực cao cong đa75c trưng của nước trong đất 4.2. Xác định ẩm độ đất theo phương pháp trọng lượng. θm (g nước/g đất)= (trọng lượng đất ẩm – trọng lượng đất khô)/ trọng lượng đất khô. θv = (trọng lượng đất ẩm – trọng lượng đất khô)/ thể tích đất khô. θv (cm3 nước/cm3 đất) = Db * θm 5. Tính thấm của nước trong đất 5.1. Thấm ban đầu. tiến trình nước đi vào các tế khổng, được diễn tả: I = Q/ (A*t), với: Q: thể tích nước thấm vào tế khổng (m3), A: diện tích bề mặt nước thấm qua (m2), t: thời gian thếm (giây) I: tốc độ thấm (m/s), thường dùng cm/giờ. 5.2. Thấm lậu. Thấm ban đầu xảy ra ở tầng mặt, khi vào trong đất nước tiếp tục di chuyển xuống sâu hay lan rộng, gọi là thấm lậu. 6. Sự di chuyển của nước trong các tầng đất. Thường nước di chuyển dễ dàng trong tầng đất có sa cấu thô, đất không bị nén chặt hay kết cứng. 7. Mô tả ẩm độ đất. 7.1. Độ ẩm bảo hòa. (lực giữ nước: 0bar). Còn gọi là khả năng giữ nước tối đa của đất, khi tất cả tế khổng (vi và đại tế khổng) hoàn toàn đầy nước. Độ ẩm bảo hòa chỉ duy trì khi nước tiếp tục được bổ sung, vì nước trong các đại tế khổng theo thời gian sẽ di chuyển xuống sâu theo trọng lực. Thể nước trong trạng thái bảo hòa chính là tổng độ rỗng của đất. 7.2. Độ ẩm đồng ruộng. (lực giữ nước – 0.33 bars). Nếu không tiếp tục được bổ sung, nước trong các đại tế khổng sẽ nhanh chóng thấm sâu theo trọng lực. Sau 1-3 ngày, tốc độ thấm giảm nhanh và không còn thấm theo trọng lực. Độ ẩm tại thời điểm này độ ẩm đồng ruộng hay khả năng giữ nước ngoài đồng. Độ ẩm đồng ruộng rất có ý nghĩa trong nông nghiệp do: - đất giữ 1 lượng nước hữu dụng tối đa cho cây trồng; - gần với giới hạn dính của sét, nên dễ dàng làm đất; -tỉ lệ không khí và nước trong độ rỗng thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật và rễ cây. 88
27. 7.3. Độ ẩm héo cây. Còn gọi là phần trăm héo hay hệ số héo cây. (lực giữ nước -15 bars). Khi đất khô, nước chỉ còn hiện diện trong các vi tế khổng, nơi đây lực giữ nước rất lớn, nên lực hút nước của rễ không thắng được lực giữ nước của đất, nên cây sẽ bị héo cả vào ban đêm. Độ ẩm tại thời điểm này là độ ẩm héo cây. 7.4. Độ ẩm hữu dụng. Lượng nước trong khoảng độ ẩm này cây trồng sử dụng được. Độ ẩm hữu dụng là lượng nước có trong độ ẩm đồng ruộng đến độ ẩm héo cây (-0.33 đến -15 bars). Tổng lượng nước hữu dụng đối với cây trồng phụ thuộc vào độ sâu vùng rễ và tổng lượng nước hữu dụng. Ví dụ. Độ sâu tầng đất Độ ăn sâu θv đồng ruộng θv héo cây (%) Nước hữu dụng (cm tương đối rễ (%) (cm) 0-20 xxxxxxxxxx 26.4 9.6 3.36 20-40 xxxx 22.4 9.8 2.52 40-75 xx 30.0 15.0 5.25 75-100 xx 27.0 15.0 3.0 100-125 24.0 17.6 Không rễ Tổng 14.13cm 7.5. Độ ẩm khô kiệt. Lực giữ nước -31bars. Gần như trạng thái không khí bảo hòa hơi nước. 8. Các yếu tố ảnh hưởng đến nước hữu dụng 8.1. Lực hấp phụ bề mặt (lực matrix). Do ảnh hưởng đến lượng nước tại độ ẩm đồng ruộng và độ ẩm héo cây. Hai ẩm độ này chịu ảnh hưởng bởi sa cấu, cấu trúc và hàm lượng chất hữu cơ trong đất. Đất có sa cấu thịt thường có khả năng giữ lượng nước hữu dụng cao nhất. Đất cát không giữ được nhiều nước, nhưng đất sét lượng nước hữu dụng được giữ không cao do lượng nước ở độ ẩm héo cây khá cao. Đất có hàm lượng chất hữu cơ càng cao, nước hữu dụng được giữ càng cao do khả năng giữ nước của bản thấn chất hữu cơ và do khả năng cải thiện cấu trúc của chất hữu cơ. 8.2. Độ nén chặt của đất. Đất bị nén chặt, dung trọng cao, tỉ lệ đại tế khổng giảm nên làm giảm khả năng giữ nước hữu dụng. 8.3. Lực thẩm thấu. Hàm lượng muối hòa tan cao, bón phân hòa tan với liều lượng cao làm tăng lực thẩm thấu nên giảm khả năng hữu dụng của nước. Lực này rất có ý nghĩa trên các vùng đất bị hạn, mặn, phèn. 89
28. 8.4. Độ sâu các tầng đất. Tổng nước hữu dụng phụ thuộc vào tổng thể tích đất rễ có thể phát triển được. Đất có tầng đất thực càng sâu và không có tầng bị nén chặt, khả năng giữ nước hữu dụng càng cao. Câu hỏi nghiên cứu. 1. Giải thích tại sao nước có thể di chuyển từ tầng nước ngầm lên các tầng đất bên trên. 2. Có các dữ liệu sau: tầng A (0-30cm), Db= 1.2g/cm3; θm= 28% tại 0.33bars và 8% ở -15bars. Tầng Bt1 (30-70cm), Db= 1.4g/cm3; θm= 30% tại 0.33bars và 15% ở -15bars. Tầng Bt2 (70-120cm), Db= 1.9g/cm3; θm= 20% tại 0.33bars và 5% ở -15bars. Tính khả năng giữ nước hữu dụng trong 3 tầng đất trên. 3. Một dụng cụ lấy mẫu đất hình trụ có bán kính r= 3.25cm, cao l= 15cm. Trọng lượng ống nặng 300g. Khi lấy đầy đất ngoài đồng, trọng lượng đất và ống: 972g. Sấy khô, cân lại còn 870g. Tính độ ẩm đất theo trọng lượng và thể tích. 4. Giải thích tại sao khi bị nén chặt, khả năng giữ nước hữu dụng của đất bị giảm? 5. Định nghĩa các thuật ngữ: độ ẩm bảo hòa, độ ẩm đồng ruộng, độ ẩm héo cây, độ ẩm hữu dụng, độ ẩm không hữu dụng. 90
29. Chương 5. NƯỚC TRONG ĐẤT Bài 2. Độ thoáng khí và nhiệt độ đất 1.Độ thoáng khí của đất. 1.1.Tính chất. Độ thoáng khí của đất được quyết định bởi tốc độ trao đổi khí giữa đất và khí quyển, tỉ lệ không khí trong thành phần rỗng của đất, thành phần khí trong đất, và kết quả của các tiến trình oxi hóa-khử trong đất. Độ thoáng là yếu tố quan trọng của đất vì tất cả các hoạt động của sinh vật đất đều cần O2. Khi đất thoáng, cây trồng đủ O2, đồng thời tránh ngộ độc CO2. Thực vật không sinh trưởng trong điều kiện không ngập nước, hàm lượng O2 cần tối thiểu là 10% (khí quyển là 21%). 1.2. Độ thoáng khí của đất. Độ thoáng được xác định thông qua hàm lượng O2 hữu dụng trong đất, và được kiểm soát bởi: - Tỉ lệ đại tế khổng; - Hàm lượng nước trong đất (độ ẩm); - Mức độ hoạt động của sinh vật (tiêu thụ O2 ). Cây trồng thường bị thiếu O2 khi độ ẩm gần đạt bảo hòa (>80% độ rỗng đầy nước). Độ ẩm đất cao chiếm chổ O2và hạn chế khuếch tán CO2 ra ngoài. 1.3. Các phương pháp xác định độ thoáng khí của đất. 1.3.1. Thành phần khí trong đất. a. Nồng độ trong khí quyển khoảng 21% theo thể tích, CO2: 0.025% và N2: 78%. Nhưng hàm lượng O2 trong đất thấp hơn rất nhiều, trong lớp đất mặt luôn 10% có thể ảnh hưởng đến hoạt động của sinh vật đất. c. Các khí khác. Trong điều kiện bảo hòa nước (yếm khí), nồng độ các loại khí khác thường cao hơn so với khí quyển, do sự phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí, như CH4, H2S, C2H2 1.3.2. Độ rỗng chứa không khí. Độ thoáng lý tưởng khi đất có độ rỗng 50%, trong đó không khí chiếm 50% độ rỗng. Hoạt động của sinh vật hạn chế đáng kể khi tỉ lệ không khí chiếm <20% độ rỗng, hay <10% thể tích đất. Một trong những nguyên nhân gây nên thiếu O2là nước trong các tế khổng ngăn cản sự khuếch tán của O2 . 91
30. 1.3.3. Điện thế oxi hóa khử (redox). Một tính chất hóa học quan trọng của đất liên quan đến độ thoáng khí là trạng thái oxi hóa-khử của các nguyên tố hóa học trong đất. Các nguyên tố này sẽ thay đổi trạng thái khi độ thoáng thay đổi. a. Phản ứng oxi hóa-khử. + - Ví dụ: 2FeO +2H2O 2FeOOH +2H + 2e . Fe(II) Fe(III) Fe(II) mất 1e- thành Fe(III), và hình thành ion H+. Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng chuyển e- từ chất này sang chất khác. Điện thế oxi hóa khử (Eh) được đo bằng 1 điện cực Pt. Vậy đo Eh là để xác định các nguyên tố có khuynh hướng cho và nhận e-. Đơn vị của Eh là volt. Eh của nước được qui định=0V. b. Vai trò của Oxygen. O2 là chất oxi hóa mạnh do nhận e- nhanh. O2 Có thể oxi hóa cả chất hữu cơ và vô cơ. O2 Oxi hóa 1 chất khác, nên O2 là chất bị khử. + ½ O2 + 2H + 2e- H2O (0) (-2) O2 có điện tích = 0 trong O2, khi nhận 2e-, thành (-2) trong phân tử nước. Các e- này có thể được cho bởi 2 phân tử FeO khi xảy ra phả ứng oxi hóa khử. + 2FeO + 2 H2O 2FeOOH + 2H +2e- + ½ O2 + 2H + 2e- H2O 2FeO +½ O2 + H2O 2FeOOH Eh phụ thuộc vào (1) hàm lượng O2, các chất oxi hóa khác và pH đất. c. Các chất nhận e- khác. Ví dụ Nitrogen - + - NO3 + 2e- + 2H NO2 H2O (5+) (3+) d. Ảnh hưởng của pH đến các phản ứng oxi hóa khử. Trong khoảng pH từ 2-8, khi pH tăng, Eh sẽ giảm. Ở pH=6, Eh < +500mV, nitrate khử thành nitrite, khi Eh = + 200mV, FeOOH khử thành Fe2+. Khí metan hình thành trong đất ngập nước khi pH=6, yêu cầu Eh < -200mV. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ thoáng khí của đất. 1.4.1. Khả năng tiêu nước của đất. Phụ thuộc vào tỉ lệ đại tế khổng trong đất. 1.4.2. Tốc độ hô hấp của sinh vật đất. 1.4.3. Độ thoáng khí trong các tầng đất. tầng sâu luôn có độ thoáng kém hơn tầng mặt. 92
31. 1.4.4. Tính không đồng nhất về độ thoáng. Ngoài tính không đồng nhất theo độ sâu (phẩu diện), độ thoáng còn không đồng nhất do làm đất, sự phân bố đại tế khổng, do phát triển của rễ cây, theo mùa 1.5. Các ảnh hưởng về mặt sinh thái của độ thoáng khí. 1.5.1. Phân giải dư thừa thực vật. Độ thoáng kém sẽ làm chậm tiến trình phân giải chất hữu cơ, vì vậy đất ngập nước thường có sự tích kuy4 chất hữu cơ cao hơn so với đất thoáng khí. Tốc độ phân giải chất hữu cơ phụ thuộc vào nồng độ O2 trong đất. Khi đủ O2 , vi sinh vật hảo khí hoạt động mạnh và chất hữu cơ được phân giải nhanh. Khi thiếu O2 , vi sinh vật yếm khí sẽ thực hiện việc phân giải chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm. C6H12O6 2CO2 + 3CH3CH2OH Vì vậy đất có độ thoáng kém thường chứa nhiều sản phân bán phân giải như ethylen, rượu, các acid hữu cơ có thể gây ngộ độc cho cây. Ảnh hưởng này rất có ý nghĩa trong hình thành đất than bùn. 1.5.2. Trạng thái các nguyên tố hóa học. a. Các chất dinh dưỡng. Các dạng oxi hóa và khử của các nguyên tố dinh dưỡng. Nguyên tố Dạng trong đất thoáng khí Dạng trong đất bị khử Carbon CO2, C6H12O6 CH4, C2H2, CH3CH2OH Đạm NO3- N2, NH4+ 2- 2- S SO4 H2S, S Fe Fe3+ Fe2+ Mn Mn4+ Mn2+ b. các nguyên tố khác.Eh kiểm soát trạng thái các nguyên tố vi lượng khác như Cr, Se, As 1.5.3. Màu sắc đất. Màu sắc của đất chịu ảnh hưởng lớn bởi màu của Fe, Mn. Màu đỏ, vàng, nâu đỏ là chỉ thị của trạng thái oxi hóa. Màu xám, xanh chỉ thị tình trạng thiếu O2. Những đốm, vệt màu trong đất chỉ thị tình trạng tiêu nước không hoàn toán của đất. 1.5.4. Hình thành khí metan. Khí góp phần gây hiệu ứng nhà kính. Hình thành do CO2 bị khử. Khí metan hình thành khi Eh < -200mV. Thường xảy ra trên đất lúa nước. 1.6. Quản lý độ thoáng khí của đất. Tiêu nước là kỹ thuật quan trọng nhất để duy trì độ thoáng của đất. Ngoài ra còn có các kỹ thuật khác như: 1.6.1. Cải thiện cấu trúc đất. 93
32. 1.6.2. Luân canh, xen canh cây trồng (nhất là cây họ đậu) 1.6.3. Kỹ thuật làm đất. Làm đất tối thiểu. 2. Đất ngập nước. 2.1. Định nghĩa. Đất ngập nước là các loại đất có tầng mặt bảo hòa nước 1 thời gian dài trong năm, nhưng nhiệt độ vẫn đủ cao hình thành nên tình trạng yếm khí trong đất. 2.2. Tính chất. 2.2.1. Đất bảo hòa nước 1 thời gian dài, ngăn cản sự khuếch tán O2 vào đất; 2.2.2. Thời gian ngập kéo dài, đất trải qua tình trạng khử, các chất nhận e- trong các phản ứng hóa sinh không phải là O2; 2.2.3. Và biểu hiện ra bên ngoài các tính chất đặc trưng. 2.3. Chỉ thị đất ngập nước. Phần lớn chỉ thị đất ngập nước dễ dàng quan sát ngoài đồng. Bao gồm các yếu tố liên quan đến việc rửa trôi, tích lũy, chuyển dạng (màu sắc) của các nguyên tố Fe, Mn, S và C. Sự tích lũy C dễ dàng nhận thấy trên đất hữu cơ, tầng chẩn đoán Humic. 2.3.1.Đặc điểm hình thái oxi hóa-khử. Khi Fe(II) bị khử trở nên hòa tan và di chuyển đến vùng oxi hóa, bị kết tủa và tích lũy tạo đó. Vì vậy vùng khử hàm lượng Fe bị giảm. Tầng đất sâu bị khử thường có màu xám, độ chói thấp. Fe bị khử biến thành màu xanh. Sự tương phản về màu sắc của Fe, màu xám xanh trong điều kiện khử, màu đỏ trong điều kiện oxi hóa, hình thành nên những đốm màu được gọi là đặc điểm hình thái oxi hóa-khử. Mn trong điều kiện khử thường hiện diện dưới dạng kết von màu đen. Trong điều kiện khử mạnh, toàn bộ bề mặt phẩu diện có độ chói rất thấp, gọi là hiện tượng Gley. Gley có độ chói <1. Đặc điểm hình thái oxi hóa-khử chỉ xuất hiện các tầng đất phía trên của đất ngập nước. 2.3.2. Thực vật ưa nước (chịu ngập). Các loài thực vật phát triển trong điều kiện ngập nước luôn hình thành các bộ phận đặc biệt dẫn oxy từ khí quyển vào rễ như rễ khí sinh, rễ hoặc thân xốp, hệ thống dẫn khí trong lá (aerenchyma). 2.4. Hóa học đất ngập nước. Đất ngập nước có các tính chất hóa học sau. 2.4.1. Nồng độ O2 hòa tan thấp, chỉ có 1 lớp bùn mỏng ngay trên mặt là lớp oxi hóa, phần còn lại luôn trong trạng thái khử. 2.4.2. Điện thế oxi hóa khử thấp. Eh đủ thấp để khử Fe, hình thành đặc điểm oxi hóa khử, khử S thành H2S, CO2 thành CH4. 3. Nhiệt độ đất. 3.1. Vai trò của nhiệt độ đất. 3.1.1. Các tiến trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng và phát triển của cây trồng khoảng 25-30oC. 3.1.2. Các hoạt động của vi sinh vật thích hợp khoảng 35-40oC. 94
33. 3.2. Hấp thu và mất năng lượng của đất. Nhiệt độ đất phụ thuộc vào: - lượng nhiệt năng đất hấp thu; -nhiệt năng cần thiết làm thay đổi nhiệt độ đất; và -năng lượng cần cho bốc thoát hơi nước. 3.3. Các tính chất nhiệt của đất. 3.3.1. Nhiệt riêng của đất. Lượng nhiệt cần thiết để 1 đơn vị trọng lượng đất tăng lên 1oC. Nhiệt riêng của nước là 1 cal/g nước; nhiệt riêng của đất: 0.2 cal/g đất. 3.3.2. Nhiệt và bốc hơi. Nhu cầu nhiệt để bốc hơi 1 lít nước là 540kcal (hay 2.257J). Năng lượng này được cung cấp tực tiếp từ bức xạ mặt trời. Đất ẩm thường có nhiệt độ thấp hơn đất khô, do bốc hơi nước và do nhiệt riêng của đất ẩm cao hơn đất khô. Nhiệt độ tầng đất ẩm thường thấp hơn đất khô 3-6oC. 3.4. Kiểm soát nhiệt độ đất. Hai kỹ thuật chính dùng để kiểm soát nhiệt độ đất: 3.4.1. kiểm soát độ ẩm đất; Không để đất quá ẩm trong vùng lạnh và quá khô trong vùng nóng 3.4.2. Phủ đất bằng vật liệu hữu cơ. Phủ đất bằng plastic có thể làm tăng nhiệt độ đất. Câu hỏi nghiên cứu. 1. Nêu 2 loại khí chính có liên quan đến độ thoáng khí của đất. Hàm lượng tương đối của chúng biến động như thế nào theo độ sâu? 2. Vai trò của hệ thống dẫn khí của thực vật sinh trưởng trong điều kiện ngaa65p nước? 3. tại sao khi ngập nước, nhiệt độ đất phải đủ cao mới có thể hình thành các tính chất đặc trưng của đất ngập nước? 4. Nếu cần xác định vùng đất ngập và không ngập nước, anh chị dựa vào 3 tính chất và 3 chỉ thị nào để tiến hành? 5. Trạng thái của Nitơ, phospho, kali, Fe, trong điều kiện ngập nước. 95
34. Chương 6. CÁC TÍNH CHẤT HÓA HỌC CƠ BẢN CỦA ĐẤT Bài 1. KEO ĐẤT 1.Các tính chất tổng quát của keo đất đất. 1.1. Kích thước. Một hạt có tính keo thường có kích thước rất nhỏ, chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử. Phần lớn kích thước hạt keo < 0.002mm. 1.2. Diện tích riêng bề mặt riêng. Do có kích thước rất nhỏ nên hạt keo có diện tích riêng bề mặt ngoài rất lớn. Diện tích riêng bề mặt của 1g hạt sét lớn hơn 1000 lần so với hạt cát. Ngoài diện tích bề mặt ngoài, một số loại sét còn có diện tích bề mặt trong, và diện tích bề mặt trong còn lớn hơn cả diện tích bề mặt ngoài. Tổng diện tích bề mặt của keo đất biến thiên từ 10m2/g của sét chỉ có bề mặt ngoài, đến 800m2/g đối với sét có cả diện tích bề mặt trong. 1.3. Điện tích bề mặt. Bề mặt trong và bề mặt ngoài của keo đất đều có thể mang điệ tích (-) hoặc (+). Phần lớn điện tích trên bề mặt keo đất là điện tích (-), mặc dù có 1 số loại keo mang điện tích (+) trong điều kiện chua. Mật độ điện tích ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu, phân tán các hạt keo, nên ảnh hưởng đến cá tính chất vật lý và hóa học đất. 1.4. Khả năng hấp phụ cation và nước. Các hạt keo, còn gọi là micelle (microcell), có thể hấp thu hàng trăm ngàn ion như H+, Al3+, Ca2+, Mg2+ trên bề mặt. Sự hấp thu này hình thành nên tầng bù ion. Tầng ion bề mặt trong là 1 tầng anion khổng lồ, xung quang bề mặt ngoài và trong hạt keo mang điện tích (-). Tầng ion ngoài hình thành từ đám mây cation hấp phụ yếu trên bề mặt điện tích (-). Do đó hạt keo luôn mang theo 1 đám mây cation được hấp phụ trên bề mặt chúng. Ngoài các cation hấp phụ, keo đất còn hấp phụ 1 lượng lớn các phân tử nước. Nước được hấp phụ bới các cation, hình thành cation ngậm nước, và nước cũng được hấp thụ trên bề mặt keo, do nước cũng có tính phân cực. Nước hấp phụ này có vai trò quan trọng đối với các tính chất vật lý, hóa học đất. 2. Các loại keo đất. Có 4 loại keo đất chính 2.1. Phiến sét silicate. Là loại keo vô cơ chiếm tỉ lệ cao nhất trong hầu hết các loại đất. Đặc điểm quan trọng của sét silicate là cấu trúc tinh thể, xếp thành từng phiến/lớp và bề mặt mang điện tích (-). Mỗi hạt keo được hình thành bởi bhie62u lớp như các trang trong quyển sách. Các phiến bao gồm các mặt pha73ng xếp chồng lên nhau, các nguyên tử Oxygen được liên kết với nhau bởi các nguyên tử Al, Mg, H và Fe. Công thức hóa học của sét kaolinite [(Si2Al2O5 (OH)] 2.2. Sét allophane và imogolite. Nhiều loại đất có khoáng sét silicate nhưng có cấu trúc tinh thể không rõ ràng, đó là khoáng allophane và imogolitr. Các khoáng này còn gọi 96
35. là khoáng alumino-silicate vô định hình, do chúng có thành phần cấu tạo là Al2O3.2H2O, nhưng không có cấu trúc tinh thể rõ ràng. Các khoáng này thường có hàm lượng cao trên đất Andisol. Khả năng hấp phụ ion của keo này phụ thuộc vào pH đất, các cation được hấp phụ ở pH cao, và anion hấp phụ ở pH thấp. Allophane và imogolite hấp phụ lân rất cao khi đất chua. 2.3. Khoáng oxide Fe và Al. Loại khoáng sét hiện diện với hàm lượng cao trên đất phong hóa mạnh (Ultisol, Oxisol) vùng nhiệt đới. Tính chất vàng đỏ của đất chịu ảnh hưởng mạnh bởi khoáng này.Các oxide Fe phổ biến là khoáng geothite (FeOOH), hematite (Fe2O3) và oxide Al phổ biến là khoáng gibbsite Al(OH) 3. Các khoáng này được gọi chung là sesquioxide. Sesquioxide có cấu trúc vô định hình, không dính, không dẽo khi ướt như phiến sét silicate. Điện tích bề mặt thay đổi theo pH 2.4. Mùn-keo hữu cơ. Phân tử mùn không có cấu trúc tinh thể nhưng bề mặt có mật độ điện tích cao như sét silicate. Chúng tạo thành chuổi các nối hóa học giữa C với O, H, và N. Điện tích của keo mùn hình thành do sự phân ly của các gốc enolic (-OH), carboxyl (-COOH), phenolic. Điện tích (-) trên keo mùn liên kết với sesquioxide, phụ thuộc vào pH đất, khi pH thấp 3. Cation hấp phụ trên bề mặt hạt keo. Các cation hấp phụ trên bề mặt keo đất chủ yếu là H, Al, Ca, Mg, K, Na và 1 số cation có hàm lượng thấp khác. Trong vùng khí hậu ẩm các cation chiếm ưu thế trên bề mặt hấp phụ: Ca, Mg, H và Al. Ngược lại vùng khô hạn các cation chiếm ưu thế: Ca, Mg, K, Na. 3.1. Tỉ lệ các cation hấp phụ. Tỉ lệ các cation hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: 3.1.1. Lực hấp phụ ion. Mức độ giữ chặt các ion trên bề mặt keo phụ thuộc vào lực + 3+ 2+ 2+ + + + ion. Lực ion theo thứ tự: H =Al >Ca >Mg >K = NH4 >Na . 3.1.2. Nồng độ tương đối của cation trong dung dịch. Nồng độ càng cao, tỉ lệ hấp phụ càng cao. Vì vậy, khi đất chua, nồng độ H+ ,Al3+ cao, nên chúng chiếm tỉ lệ cao trên keo đất, và trên đất trung tính, Ca2+, Mg2+ chiếm tỉ lệ cao. Trên đất mặn tỉ lệ Na+ cao so với Ca2+, Mg2+ . 3.2. Trao đổi cation. Là phản ứng của các cation hấp phụ trên bề mặt keo đất được trao đổi với các cation khác hiện diện trong dung dịch đất. Ví dụ, 1 ion Ca hấp phụ trên keo đất sẽ được trao đổi với 2 ion H trong dung dịch đất. Keo đất-Ca2+ +2H+ Keo đất-2H+ + Ca2+ . Vì vậy keo đất chính là tiêu điểm của các phản ứng trao đổi ion, ảnh hưởng rất lớn đến dinh dưỡng cây trồng. 97
36. 4. Cấu trúc cơ bản của phiến sét silicate. 4.1. Phiến cấu trúc cơ bản. Sét silicate quan trọng nhất được gọi là phyllosilicate do cấu trúc của chúng có dạng phiến và các phiến sắp xếp thành từng lớp/tầng. Có 2 loại phiến: 4.1.1. Phiến Tứ diện silica. Chuổi đơn vị cấu trúc silica, đơn vị này bao gồm 1 nguyên tử Si được bao quanh bởi 4 nguyên tử O, tạo thành khối tứ diện. Các đơn vị này nối với nhau do các nối của O. Thường được gọi là phiến tứ điện Silica. 4.1.2. Bát diện aluminum. Đơn vị cơ bản là 1 nguyên tử Al được bao quanh bởi 6 nguyên tử O hay hydroxy, tạo nên cấu trúc bát diện. Thường gọi là phiến bát diện aluminum. Các phiến tứ diện và bát diện là những đơn vị cấu trúc cơ bản của các loại khoáng sét. Các phiến này nối vớ nhau bằng các nguyên tử O tạo thành các tầng khác nhau. Ính chất và cách sắp xếp các phiến trong tầng cũng rất khác nhau tùy theo loại sét. 4.1.3. Thay thế đồng hình trong đơn vị cấu trúc. Là sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác có kích thước tương tự, nhưng khác điện tích, và sự thay thế này không làm thay đổi cấu trúc của tinh thể. Trong tự nhiên, thành phần hóa học của sét silicate rất phức tạp. Trong quá trình phong hóa, nhiều loại khoáng biến đổi, hình thành nên các cation có kích thước tương tự nhau, các cation này sẽ thay thế các ion Si, Al trong các phiến tứ điện và bát diện. Ví dụ Al3+ (bán kính ion: 0.051nm) có thể thay thế vị trí của Si4+ (bán kính ion: 0.042nm) trong phiến tứ diện mà không có sự thay đổi nào về cấu trúc của tinh thể. Tương tự Mg2+ ( bán kính: 0.066nm) có thể thay thế ion Al3+ trong phiến bát diện. 4.2. Nguồn gốc điện tích trên keo sét silicate. Phản ứng thay thế đồng hình là nguyên nhân c4+ trong phiến tứ diện , tinh thể sẽ còn thừa 1 điện tích (-) trên O. Tương tự 1 ion Mg2+ thay thế 1 ion Al3+ trên phiến bát diện. 5. Khoáng học của phiến sét silicate. Dựa trên số lượng và sự sắp xếp của các phiến tứ diện và bát diện trong mỗi tầng, sét silicate được chia thành các kiểu sau: 5.1. Kiểu sét 1:1. Mỗi tầng của sét bao gổm 2 phiến: 1 phiến tứ diện và 1 phiến bát diện xếp xen kẽ nhau. Các khoáng sét liểu 1:1 như sét kaolinite, haloysite, nacrite, dickite, trong đó kaolinite chiếm tỉ lệ cao nhất. Các phiến Al và Si trong 1 tầng của tinh thể kaolinite được giữ rất chặt bởi nối hóa học giữa O với các cation Si và Al. Các tầng này được nối với nhau bằng nối Hydrogen, do đó các tầng được gắn chặt với nhau, các cation khác, nước không thể xâm nhập vào khoảng trống giữa các tầng. Vì vật điện tích bề mặt của sét kaolinite chủ yếu ở bề mặt ngoài, và có khả năng hấp phụ cation thấp. 98
37. Các tinh thể koalinite có kích thước lớn hơn so với các khoáng khác, 0.2-2μm, và do lực nối chặt nên kaolinite khó bị phong hóa, ít dính, ít dẽo ít trương nở khi ướt, ít co ngót khi khô. Do đó kaolinite không có tính keo. Sử dụng đất có hàm lượng sét kaolinite cao cần chú ý bón đầy đủ phân bón hữu cơ và vô cơ, tưới đềy đủ, thường xuyên. 5.2. Kiểu sét 2:1. Mỗi tầng bao gồm 3 phiến: 1 phiến bát diện nằm giữa 2 phiến tứ diện. Kiểu sét 2:1 gồm 2 nhóm chính là smectite và vermiculite. Nhóm smectite trương nở khi nước xâm nhập vào khoảng rống giữa các tầng. Nhóm này gồm các khoáng sét: montmorillonite, chiếm tỉ lệ cao trên đất phù sa, saponite Các tầng của tinh thể liên kết bởi các nối hóa học yếu (O-O và Cation-O). Các cation dễ dàng trao đổi với các phân tử nước nên tạo nên sự trương nở của mạng lưới tinh thể. Do bề mặt trong được phơi bày, nên mật độ điện tích bề mặt trong lớn hơn bề mặt ngoài. Phản ứng thay thế đồng hình của Al bởi Mg trong phiến bát diện hình thành nên điện tích (-) của smectite. Smectite có tính dính, dẽo cao, trương nở, co ngót mạnh, tạo nên các vết nứt nẽ khi đất khô, rất cứng, khó làm đất. Vermiculite cũng là khoáng sét kiểu 2:1, nhưng điện tích (-) hình thành chủ yếu do thay thế đồng dạng trên phiến tứ diện. Các cation, nước, kể cả Al-OH được hấp phụ chặt trong các tầng của sét vermiculite. Tuy nhiên do lực nối của các tầng rất mạnh nên mức độ trương nở của sét vermiculite kém lơn so với smectite. Khả năng hấp phụ cation của vermiculite cao hơn các sét silicate khác, do vermiculite có mật độ điện tích (-) rất cao trong phiến bát diện. Kích thước tinh thể vermiculite lớn hơn smectite nhưng nhỏ hơn kaolinite. 5.3. Kiểu sét 2:1:1. Nhóm này gồm khoáng mica và chloride. Nhóm mica gồm các khoáng muscovite (mica trắng) và biotite (mica đen), ít bị phong hóa, hiện diện trong thành phần cát và thịt của đất. Ngoài ra còn có các khoáng đã phong hóa nhưng có cấu trúc tương tự mica hiện diện trong thành phần sét, gọi là khoáng mica hạt mịn. Mica hạt mịn có cấu trúc tinh thể kiểu 2:1. Điện tích chủ yếu nằm trên phiến bát diện. K được hấp phụ chặt để trung hòa các điện tích này, ngoài ra, K cũng liên kết chặt các tầng với nhau, nên ngăn cản sự trương nở này. Mica không có tính trương nở, do K hình thành nên cầu nối chặt giữa các tầng, nên gọi là kiểu sét 2:1:1; cấu trúc gồm 2 phiến Si, 1 phiến Al, và 1 phiến K. Sự hoạt động của khoáng mica hạt mịn kem hơn nhiều so với sét 2:1. 99
38. 6. Sự hình thành keo đất. 6.1. Phiến sét silicate. Khoáng sét silicate được hình thành từ sự phong hóa vật lý, hóa học các khoáng nguyên sinh và được tổng hợp bởi một số sản phẩm phong hóa này. 6.1.1. Phong hóa vật lý, hóa học. Ví dụ sự biến đổi khoáng muscovite thành khoáng mica hạt mịn. 4+ + + + 3+ KAl2(AlSi3)O10(OH)2 +0.2Si +0.1M M 0.1(K0.7)Al2 (Al0.8Si3.2)O10(OH)2+0.3K +0.2Al 6.1.2. tái tổng hợp tinh thể. Ví dụ sự hình thành khoáng kaolinite từ quá trình phong hóa các khoáng nguyên sinh 6.1.3. Hình thành sét silicate. Khoáng sét silicate hình thành từ sự tác động của nhiều tiến trình. Mica hạt mịn, chlorite hình thành từ muscovite và biotite, vemiculite cũng hình thành từ tiến trình này nhưng cũng có thể từ sự phong hóa mica và chlorite. Smectite hình thành từ sự tái tổng hợp hợp trong môi trường trung tính và kiềm. Kaolinite hình thành trong điều kiện chua mạnh. Trong điều kiện nhiệt đới, phong hóa mạnh hình thành nhiều oxide Fe và Al. 6.2. Hình thành các oxi Fe và Al. 6.2.1. Oxide Fe. Goethite (FeOOH), hematite (Fe2O3) được hình thành bởi các khoáng nguyên sinh có chứa Fe. Geothite hiện diện nhiều trong vùng ôn đới ẩm, hematite có màu đỏ, hiện diện nhiều trong vùng nhiệt đới, khô. 6.2.2. Oxide Al. Gigbbsite [(AlOH)3] là oxide Al phổ biến nhất, là sản phẩm của sữ phong hóa các khoáng aluminosilicate. H ion thay thế các cation làm vỡ cấu trúc khoáng, Al và Si được giải phóng và Al hình thành gibbsite khi phong hóa t ừ đá kiềm như gabbro và basalt. Các đá chua như granite, gneiss khi phong hóa hình thành kaolinite và haloysite, sau đó các khoáng này được phong hóa tiếp hình thành gibbsite. Gibbsite hình thành trong thời kỳ phong hóa muộn nhất của đất. Có sự thay thế đồng hình giữa Fe3+ và Al3+ trong các khoáng oxide, nhưng không hình thành điện tích do cùng hóa trị. 6.3. Hình thành khoáng allophane và imogolite. Bụi núi lửa giải phóng 1 lượng lớn khoáng Si(OH)x và Al(OH) x. Các khoáng này không có cấu trúc nhất định. Trong tự nhiên, imogolite có thời kỳ phong hóa muộn hơn allophane. 6.4. Hình thành mùn (keo hữu cơ). Vi sinh vật phân giải dư thừa thực vật, đồng thời tổng hợp các hợp chất mới, bền vững hơn, có tính keo, màu sậm được gọi là mùn. Các đơn vị cấu trúc hữu cơ khác nhau, kết hợp với sự phân giải và tổng hợp hình thành nên điện tích bề mặt có thể hấp phụ cả cation và anion. 7. Nguồn gốc điện tích trên keo đất. Điện tích trên bề mặt keo đất hình thành từ 2 nguồn chính: các gốc chức năng trên bề mặt hạt keo, các gốc này có thể nhận hay giải 100
39. phóng H+, và do sự mất cân bằng điện tích trong thay thế đồng hình xảy ra trong cấu trúc tinh thể sét. 7.1. Điện tích thường xuyên (không thay đổi). Có thể hình thành điện tích (-) hay (+). 7.1.1. Điện tích âm. Khi 1 ion có điện tích cao hơn được thay thế bởi 1 ion có điện tích thấp hơn nhưng có kích thước tương tự. Ví dụ Mg2+ thay thế Al3+ trên phiến bát điện và Al3+ thay thế Si4+ trên phiến tứ diện. 7.1.2. Điện tích dương.Khi ion có diện tích thấp được thay thế bởi ion có điện tích cao hơn. Ví dụ Al3+ có thể thay thế Mg2+ trong phiến bát diện. Điện tích (+) là tính chất đặc trưng của phiến bát diện-Mg có tầng OH xen vào giữa, như sét chlorite, vượt quá sự cân bằng điện tích (-) trong phiến Si. 7.1.3. Thành phần hóa học và điện tích. Do có nhiều ion thay thế khác nhau, nên không thể dùng thành phần hóa học để định danh khoáng sét. Loại khoáng Phiến bát Phiến tứ Anion Điện Thành phần trong liên diện diện tích/đơn tầng vị Cố định Trao đổi kaolinite Al2 Si2 O5 (OH)4 0 Không Không + montmorilonite Al1.7Mg0.3 Si3.9Al0.1 O10(OH)2 -0.4 Không M0.4 + Vermiculite Al1.7Mg0.3 Si3.6Al0.4 O10(OH)2 -0.7 xH2O M0.4 + + Illite Al2 Si3.2Al0.8 O10(OH)2 -0.8 K0.7 M0.1 + Muscovite Al2 Si3Al O10(OH)2 -1.0 K không M+: Cation trao đổi bao gồm: Ca2+, Mg2+, H+ 7.2. Điện tích phụ thuộc pH. Khi pH thay đổi, điện tích này sẽ thay đổi 7.2.1. Điện tích (-). Hình thành do các gốc OH trên các cạnh vỡ và bề mặt ngoài của keo vô cơ và hữu cơ. Các gốc OH liên kết với Fe, Al trong keo vô cơ (Al-OH) và gốc CO trong mùn (-CO-OH). Trong điều kiện chua ít, keo này không mang điện tích, nhưng khi pH tăng, H+ phân ly từ OH và điện tích (-) hình thàng trên O. - - Al-OH +OH Al-O +H2O - - -CO-OH +OH -CO-O +H2O Một nguyên nhân hình thành điện tích (-) do điện tích (+) trên các phức Al được trung hòa khi pH tăng. - + - - Al-(OH)2 Al(OH)2 + OH Al-(OH)2 + Al(OH)3 7.2.2. Điện tích (+). Trong điều kiện rất cghua, các oxide Al, Fe mang điện tích (+), do các gốc OH bị proton hóa (OH được gắn thêm ion H+) + + Al-OH +H Al-OH2 101
40. Do tính chất này nên một loại đất chứa nhiều oxide Fe, Al, mùn có thể mang điện tích (-), (+) hoặc không mnag điện tích. Trong đất luôn có keo vô cơ, hựu cơ, nên điện tích (-) và (+) luôn hiện diện, nhưng điện tích (-) thường chiếm ưu thế trong đất nông nghiệp do đất ít chua. 8. Hấp phụ ion của keo đất. Các điện tích trên keo đất không tồn tại tự do mà chúng được trung hòa bởi các ion trái dấu trong dung dịch. Điện tích của 1 số loại keo đất (cmolc/kg, hay meq/100g). Loại keo Điện tích (-) Điện tích (+) Tổng, Thường xuyên Phụ thuộc pH (%) pH7 (%) Mùn 200 10 90 0 Smectite 100 95 5 0 Vermiculite 150 95 5 0 Mica hạt mịn 30 80 20 0 Chlorite 30 80 20 O Kaolinite 8 5 95 2 Gibbsite (Al) 4 0 100 5 Goethite (Fe) 4 0 100 5 Allophane 30 10 90 15 Đơn vị sử dụng: cmolc/kg hay mili đương lượng điện tích/100g keo (meq/100g) 102
41. Chương 6. Bài 2. Trao đổi ion 1. Trao đổi ion. Các ion hấp phụ trên bề mặt hạt keo có thể trao đổi với các ion trong dung dịch. Đấy là sự trao đổi ion. 1.1. Trao đổi cation. Các cation hấp phụ trên hạt keo được thay thế bới các cation khác. Ví dụ H+ hình thành từ sự phân giải chất hữu cơ có thể thay thế các cation khác hấp phụ trên bề mặt hạt keo. 1.1.1. Trao đổi cation trong tự nhiên. Keo đất- Ca + 3H2CO3 Keo đất Ca + Ca(HCO3)2 + K(HCO3) Al Al H 4H K Ca và K được thay sẽ bị rửa trôi, phản ứng tiếp tục xảy ra và các cation này mất dần. 1.1.2. Bón vôi, phân bón và trao đổi cation. Trao đổi cation là phản ứng thuận nghịch, khi bón vôi có chứa các cation base như Ca, cation này sẽ thay thế H và các cation + - 2- khác trên keo đất. Ion H , sẽ được trung hòa bởi OH hay CO3 được giải phóng từ vôi; nên pH đất sẽ tăng lên. Ngược lại, khi bón các chất có tính acid, H+ sẽ thay thế các cation kiềm và làm pH giảm. Khi bón phân, ví dụ KCl, K+ sẽ thay thế Ca theo định luật đương lượng. K hấp phụ sẽ ít bị rửa trôi, nhưng vẫn hữu dụng đối với cây trồng. 1.1.3. Khả năng trao đổi cation, CEC- cation exchangeable capacity. Là tổng cation đất có thể hấp phụ. 1.1.4. Diễn tả CEC. Số mol điện tích (đương lương) trên một đơn vị trong lượng đất. Đơn vị thường được sử dụng: cmolc/kg- centimol điện tích/kg đất ; hay meq/100g- mili đương lượng/100g đất.Vậy nếu đất có CEC= 10meq/100g, có nghĩa 100g đất có thể hấp phụ được 10meq các cation khác. Các cation trao đổi theo số lượng điện tích. + + Ví dụ, khi bón vôi Ca(OH)2 vào đất có chứa 4meqH /100g. H sẽ được thay thế bởi Ca2+ Keo đất-2H + Ca(OH)2 keo đất-Ca + 2H2O. 2+ Ion Ca trong mỗi phân tử Ca(OH)2 có 2 điện tích (+), nên khối lượng Ca(OH) 2 cần để thay thế 1 điện tích (+) của H+ chỉ bằng ½ trọng lượng phân tử gram của hợp chất + này, hay 74/2 = 37g. 1meq Ca(OH)2= 37mg. Vậy để thay thế 4 meq H , cần : 4meq Ca(OH)2/100g * 37mg/meq = 148mg/100g đất. Điện tích và đương lượng. Đương lượng = trọng lượng/điện tích. 103
42. 1.1.5.Khả năng trao đổi cation của 1 số loại đất. Đất cát thường có CEC thấp do hàm lượng keo sét thấp. Hợp chất mùn có CEC cao, nên mùn đóng vai trò rất lớp trong CEC của đất. Ví dụ đất Ultisol, sa cấu sét, pH=5.5, 2.5% mùn và 30% sét kaolinite, có khoảng 75% CEC hình thành do mùn. Ngay cả đất Ultisol rất chua, có điện tích phụ thuộc pH, mùn cũng thường chiếm tỉ lệ cao trên CEC. Do đó, chất hữu cơ đóng vai trò rất quan trọng trong hình thành CEC của đất. 1.1.6.Tỉ lệ các cation trao đổi. Tùy thuộc vào vùng khí hậu. Các cation Ca, Al, và H chiếm tỉ lệ cao trên vùng khí hậu nóng ẩm. Ca, Mg, Na chiếm tỉ cao trên vùng ít mưa. Tỉ lệ cation trên CEC ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của đất. 1.1.7. Phần trăm bảo hòa cation. Là tỉ lệ % cation chiếm giữ trên CEC, ví dụ có 50% điện tích trên CEC được chiếm giữ bởi Ca, độ bảo hòa Ca là 50%. h. Độ bảo hòa base. Tỉ lệ các cation base như Ca, Mg, K, và Na chiếm trên CEC. 1.1.8. Trao đổi cation và sự hữu dụng của chất dinh dưỡng. Các cation trao đổi là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho rễ cây và vi sinh vật đất. Sự hữu dụng của các cation trao đổi phụ thuộc vào: - Độ bảo hòa cation: % bảo hòa cation càng cao, khả năng hữu dụng càng cao. - Ảnh hưởng của các cation khác. Do lực hấp phụ của các cation trên CEC khác nhau. 3+ + 2+ 2+ + + + Lực hấp phụ như sau: Al =H >Ca >Mg >K =NH4 >Na . Vậy một cation dinh dưỡng như K, sẽ được hấp phụ ít hơn nếu có sự hiện diện của Al và H, nhưng sẽ được hấp phụ mạnh hơn khi có hiện diện của Mg, Na. Vì vật K dễ hữu dụng hơn tring đất chua, nếu có cùng hàm lượng. Ngoài ra giữa các cation dinh dưỡng còn có tính đồi kháng, làm hạn chế sự hấp thu của chúng. Ví dụ sự hấp thu K sẽ bị hạn chế khi có sự hiện diện của Ca cao, hay khi hàm lượng K trong đất cao, sẽ hạn chế sự hấp thu Mg của rễ cây. 2.Trao đổi anion. Anion được giữ bởi keo đất theo 2 cơ chế chính: 2.1.Hấp phụ bề mặt. Cơ chế hấp phụ tương tự như hấp phụ cation. Điện tích (+) trên - 2- bế mặt keo đất, điện tích phụ thuộc pH, hấp phụ các anion như NO3 , SO4 . Nguyên tắc trao đổi tương tự như cation. Nhưng ngược lại với trao đổi cation, trao đổi anion tăng khi pH giảm, do điện tích phụ thuộc pH, pH giảm, điện tích (+) tăng. Trao đổi cation có vai trò quan trọng trong việc hạn chế rữa trôi chất dinh dưỡng và giữ các chất ô nhiễm nước ngầm. 2.2.Anion phản ứng với bề mặt sét oxide và hydroxide. Hình thành nên các phức chất. Thực chất phản ứng này là làm giảm số lượng điện tích (+) trên keo đất. Như ion - H2PO4 , bị giữ chặt làm giảm tính hữu dụng của lân. Sự trao đổi và hấp pgu5 anion cũng đóng vai trò nhất định thông qua các phản ứng tương tác trong đất và giữa cây trồng và đất. Cùng với trao đổi cation, chúng quyết 104
43. định khả năng giữ chất dinh dưỡng dưới dạng hữu dụng và kiểm soát sự di chuyển các chất gây ô nhiễm. Câu hỏi nghiên cứu. 1.Mô tả 1 phức keo đất với các thành phần khác nhau, và giải thích tại sao chúng được xem là ngân hàng dự trử chất dinh dưỡng của cây trồng. 2.Giải thích sự khác nhau trong điện tích bề mặt của sét kaolinite và montmorillonite. 3.Những điểm khác biệt trong cấu trúc của khoáng sét kaolinite, smectite, mica hạt mịn, vermiculite và chlorite. 4.Có 2 tiến trình hình thành sét silicate trong quá trình phong hóa. Nêu quá trình nào hình thành mica hạt mịn? Kaolinite từ muscovite. Giải thích. 5.Muốn tìm đất có chứa sét kaolinite cao. Có thể tìm ở đâu (Việt nam). 6. Khoáng sét nào “tốt” và “không tốt” cho các mục đích: xây dựng, nông nghiệp. 105
44. Chương 6. Bài 3. PHẢN ỨNG (pH) CỦA ĐẤT I. CÁC VAI TRÒ TỔNG QUÁT CỦA PHÀN ỨNG ĐẤT Tuy phản ứng là yếu tố rất thay đổi nhưng lại có ảnh hưởng rất lớn đến đến tất cả tính chất của đất, từ các tính chất hóa học, lý học, đến sinh học. Phản ứng của đất được diễn tả bằng pH, pH là yếu tố kiểm soát khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với sự hấp thu của thực vật và các hoạt động vi sinh vật trong đất. pH đất còn ảnh hưởng đến thảm thực vật tự nhiên cũng như năng suất cây trồng. Ngoài ra pH cũng ảnh hưởng đến sự ô nhiễm của đất do khả năng kiểm soát sự phân giải và di chuyển của các chất ô nhiễm vào nước ngầm và nguồn nước. Do pH ảnh hưởng đến mật độ và tính đa dạng của vi sinh vạt trong đất, nên pH ảnh hưởng đến tốc độ phân giải chất hữu cơ, đồng thời ảnh hưởng đến sự hình thành và tính bền vững của cấu trúc đất, khả năng giữ nước của đất. Các hoạt động của con người có thể làm ảnh hưởng đến pH của đất. Ví dụ như bón phân hóa học, chất thải hữu cơ, acid vô cơ sẽ làm giảm pH, ngược lại khi bón vôi các hợp chất kiềm sẽ làm tăng pH đất. Khí hậu có ảnh hưởng làm thay đổi pH đất. Vùng mưa nhiều đất thường bị hóa chua do mất dần các cation base, ngược lại vùng ít mưa pH có xu hướng tăng dần theo thời gian. pH đất, độ chua và độ kiềm của đất Đất chua, trung tính hay kiềm đều do tỉ lệ của nồng độ các ion H+ và OH- trong dung dịch quyết định. Trong nước nguyên chất, nồng độ 2 ion này cân bằng nhau. + - H2O ↔ H + OH Nồng độ các ion H+ và OH- của nước nguyên chất ở 25 0C là một hằng số (Ksp) =10-14 [H+] x [OH-] = Ksp = 10-14 Do trong nước nguyên cất nồng độ [H+]= nồng độ [OH-] nên nồng độ của mỗi ion là 10-7 (10-7 x 10-7 = 10-14 ). Phản ứng này cũng cho thấy mối tương quan nghịch của chúng. Khi nồng độ ion này tăng , nồng độ ion khác giảm theo tỉ lệ tương ứng. Khi nồng độ ion [H+]tăng 10 lần (từ 10-7 lên 10-6 ), nồng độ [OH-] sẽ giảm 10 lần (từ 10-7 xuống còn 10-8 ) vì sản phẩm phân ly của 2 ion này là một hằng số = 10-14 10-6 x 10-8 = 10-14 Do nồng độ [H+]và [OH-] thường rất thấp, nên các nhà khoa học dùng thuật ngữ pH để thuận tiện trong việc sử dụng. pH là logarith nghịch đảo của nồng độ [H+] với nồng độ 106
45. [H+] được tính bằng mole/lít. Vì vậy, nếu nồng độ [H+] trong môi trường acid là 10-5, pH = 5; nếu nồng độ [H+] trong môi trường kiềm là 10-9, pH = 9 Chú ý khi đo pH, ngoài việc xác định được nồng độ [H+] ta có thể xác định được nồng độ [OH-] II. NGUỒN GỐC CỦA CÁC ION HYDROGEN VÀ HYDROXIDE TRONG ĐẤT Các cation Al và H hấp thu trên phức hệ trao đổi là nguyên nhân chính gây nên độ chua của đất. Cơ chế gây chua của hai cations này phụ thuộc vào mức độ chua của đất cùng với nguồn gốc, tính chất của phức hệ trao đổi của đất. 1. Đối với các loại đất rất chua. Trong điều kiện đất rất chua (pH<5.0), Al hòa tan và Al hấp phụ trên chất hữu cơ hay tồn tại dưới dạng cation Al và aluminum hydroxy sẽ bị keo đất hấp phụ mạnh so với các cation khác. Al hấp phụ có tiềm năng tạo nên độ chua của đất rất lớn do chúng dễ dàng giải phóng vào dung dịch đất bằng quá trình trao đổi cân bằng, sau đó bị thủy phân hình thành H+. 3+ 2+ + Al + H2O ↔ AlOH + H Phản ứng thủy phân này làm giảm pH dung dịch đất và là nguyên nhân chính hình thành nên ion H+ trong các loại đất rất chua. Trong đất chua nhiều phần lớn ion H+ cùng với một số Fe và Al được liên kết với nhau rất chặt bằng nối cộng hóa trị với chất hữu cơ và các cạnh của các tinh thể sét. Các gốc acid mạnh của mùn và một số vị trí trao đổi mang điện tích thường xuyên của sét là giữ được ion H+ ở dạng trao đổi như sau: Micelle H+ ↔ Micelle cation + H + Hydrogen hấp phụ ion hydrogen (dung dịch đất) Vì vậy các ion H+ và Al3+ hấp phụ có ảnh hưởng rất lớn đến việc làm tăng nồng độ H+ trong dung dịch đất. 2. Đối với các loại đất chua ít. Các hợp chất Al và H cũng hình thành nên ion H+ trong dung dịch đất chua ít (pH từ 5.0 – 6.5) nhưng theo những cơ chế khác với cơ chế xảy ra trong đất chua nhiều. Ở pH này, Al sẽ không tồn tại ở dạng Al3+ , mà biến đổi thành các ion aluminium hydroxy theo các phản ứng sau Al3+ + OH- ↔ AlOH2+ 2+ - + AlOH + OH ↔ Al(OH)2 Các ion aluminium hydroxy cũng được hấp phụ trên phức hệ trao đổi và có tính chất tương tự như các cation trao đổi. Nồng độ Al hấp phụ trên bề mặt keo sẽ cân bằng với nồng độ Al trong dung dịch và khi hiện diện trong dung dịch chúng hình thành ion H+ theo phản ứng thủy phân sau: 107
46. 2+ + + Al(OH) + H2O ↔ Al(OH)2 + H + + Al(OH)2 + H2O ↔ Al(OH)3 + H Ngoài ra, trong đất chua ít cũng có 1 số ion H+ trong các chất hữu cơ, sét oxide Fe, Al trở thành dạng trao đổi và chúng cũng sẽ cân bằng với ion H+ trong dung dịch. 3. Đối vời các loại đất trung tính và kiềm ( pH >7). Trong đất có pH>7, hầu hết H+ và aluminium được thay thế bởi các cation kiềm như Ca 2+, Mg2+ và giải phóng ra ngoài dung dịch. Trong dung dịch phần lớn aluminium hydroxy bị biến đổi thành Gibbsite trong điều kiện kiềm theo phản ứng sau + - Al(OH)2 + OH ↔ Al(OH)3 Gibbsite Ion H+ trao đổi khi được giải phóng vào dung dịch bởi các base sẽ kết hợp với OH- biến thành H2O. + - H + OH ↔ H2O III. ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẤT ĐẾN CÁC CATION CÓ LIÊN QUAN pH ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố các cation mang điện tích khác nhau trong đất do đó khả năng trao đổi cation của đất tăng theo pH. pH ảnh hưởng đến tỉ lệ các cation base như Ca 2+, Mg2+ và các cation gây chua như Al3+. Do mang điện tích thường xuyên nên pH ít ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation của sét 2:1 so với chất hữu cơ và sét 1:1. Các dạng ion H+ và Al3+ có thể bị giữ chặt trên phức hệ trao đổi, tùy thuộc vào cả pH và phức hệ có diện tích (-) thường xuyên, chỉ có các ion dễ trao đổi mới chịu ảnh hưởng bởi pH. IV. NGUỒN GỐC CỦA HYDROXY TRONG ĐẤT Trong vùng khô hạn và bán khô hạn, các cation base chiếm tỷ lệ cao trong phức hệ trao đổi của đất. Những cation này làm gia tăng nồng độ OH- trong dung dịch đất làm giảm độ chua của đất. Các cation Ca2+, Mg2+, K+, Na+ có ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ OH- trong dung dịch đất. Sự thủy phân các keo đất bảo hòa bởi các cation này sẽ giải phóng OH- như sau 2+ + 2+ - Micelle Ca + H2O ↔ Micelle 2H + Ca + 2OH Trong các loại đất vùng khô hạn có thể có sự tích muối carbonate và bicarbonate làm gia tăng nồng độ OH- trong dung dịch theo phản ứng sau. - - HCO3 + H2O ↔ H2CO3 + OH 108
47. V. ĐỘ CHUA CỦA ĐẤT 1. Các loại độ chua của đất. Người ta thường chia độ chua của đất làm 3 loại, tùy theo trạng thái của ion H+ và Al3+ trong đất. 1.1. Độ chua hoạt động: còn được gọi là độ chua hiện tại, được hình thành do các ion H+ và Al3+ phân ly trong dung dịch đất. Độ chua hoạt động được xác định bằng hoạt động của ion H+ hiện diện trong dung địch đất và một phần H+ do sự thủy phân của các ion có chứa Al3+. 1.2. Độ chua trao đổi: được hình thành chủ yếu do các ion H+ và Al3+ trao đổi, các ion này có thể được giải phóng ra ngoài dung dịch do trao đổi với các cation của muối trung tính không có tính đệm, như muối KCl vì vậy độ chua trao đổi luôn luôn lớn hơn rất nhiều so với độ chua hoạt động. Al3+ 2 K+ 2+ + Micelle Ca + 4 KCl ↔ Micelle 2 K + AlCl3 + HCl 1.3. Độ chua tiềm tàng: hình thành do các ion AlOH, H+ và Al3+ bị hấp phụ chặt ở dạng không trao đổi của các chất hữu cơ và các sét silicate. H+ và Al3+ này chỉ được giải phóng khi pH dung dịch tăng do đó làm tăng diện tìch (-) và làm tăng khả năng trao đổi cation của đất. Al3+ Ca2+ 2+ 2+ Micelle Ca + 2Ca(OH)2 ↔ Micelle Ca + Al(OH)2 + H2O H+ và Al3+ không trao đổi Ca2+ trao đổi Độ chua tiềm tàng thường cao hơn rất nhiều so với độ chua trao đổi. Có thể lớn hơn 1000 lần trong đất cát, 100000 lần trong đất sét và có hàm lượng chất hữu cơ cao. 3. Các yếu tố phản ứng của đất. Phần lớn đất nông nghiệp có pH trong khoảng 5 – 7 và pH có tương quan đến các tính chất khác của đất như sau: 3.1. Độ bảo hòa base (BS). Độ bảo hòa base là tỉ lệ giữa tổng các cation base và CEC của đất %BS = (tổng các cation base/CEC) x100 Đơn vị của các cation base vàCEC tính bằng cmol/kg Các loại đất nếu có hàm lượng sét, loại sét và hàm lượng chất hữu cơ tương tự nhau, độ bảo hòa base sẽ có tương quan thuận với pH, độ bảo hòa base thấp khi đất rất chua, khi pH tăng độ bảo hòa base tăng. 109
48. 3.2. Tính chất của keo sét. Các ion H+ hấp phụ trên sét smectite sẽ phân ly dễ dàng hơn so với ion H+ hấp phụ trên sét oxide Fe, Al. Như vậy, sẽ cùng một độ bảo hòa base nhưng pH của đất chứa nhiều sét smectite sẽ thấp hơn pH của đất chứa nhiều sét oxide. Sự phân ly của H+ từ sét 1:1 và chất hữu cơ nằm trong khoảng trung bình của sét smectite và sét oxide. 3.3. Các loại cation base hấp phụ. Đất có độ bảo hòa Na cao sẽ có pH cao hơn so với đất có độ bảo hòa Ca hoặc Mg cao. 3.4. Các muối trung tính trong dung dịch. Khi có sự hiện diện của các muối trung tính trong dung dịch như các muối: Na 2SO4, NaCl, K2SO4, KCl, CaCl2, MgSO4, MgCl2 sẽ làm tăng hoạt độ của H+ nên làm giảm pH của dung dịch đất. Ví dụ, khi bón + muối CaCl2 vào đất chua hàm lượng H trong dung dịch đất sẽ tăng do phản ứng sau. Micelle 2H+ + Ca2+ + 2Cl- ↔ Micelle Ca2+ + 2H+ + 2Cl- Nhưng sự hiện diện của các muối trung tính trong đất kiềm làm giảm pH, với cơ chế xảy ra khác với đất chua. Các muối trung tính làm giảm sự thủy phân các keo đất có độ bảo hòa Na cao. Do đó khi muối NaCl hiện diện trong đất, phản ứng sau đấy sẽ có xu hướng di chuyển về phía trái. Micelle ↔ Micelle + + + - Na + H2O ← H + Na + OH Vì vậy làm giảm nồng độ OH- nên pH giảm. Phản ứng này có ý nghĩa rất quan trọng đối với quản lý đất mặn trong vùng khô hạn. Do phản ứng này pH không tăng quá cao gây độc cho thực vật. Do phản ứng của dung dịch đất chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tác động tương hổ, nên với các loại đất khác nhau có thể không có sự tương quan chặt giữa độ bảo hòa base và pH. VI. TÍNH ĐỆM CỦA ĐẤT 1. Định nghĩa và các cơ chế hình thành tính đệm. Đất có khả năng chống lại sự thay đổi pH một cách đột ngột đó là tính đệm pH của đất. Tính đệm được hình thành do sự cân bằng của độ chua hoạt động, độ chua trao đổi và độ chua tiềm tàng của đất. H H + Al ↔ micelle Al3+ ↔ H+ + Al3+ + Al(OH)2+ AlOH AlOH2+ Độ chua tiềm tàng Độ chua trao đổi Độ chua hoạt động 110
49. Khi một base được cho vào đất (như bón vôi) ion H+ trong dung dịch đất sẽ được trung hòa, phản ứng sẽ dịch chuyển về phía phải, do đó sẽ giảm thiểu sự thay đổi pH. Ngược lại, khi nồng độ H+ trong dung dịch tăng (bón phân chua, sự phân giải chất hữu cơ), phản ứng sẽ dịch chuyển về hướng trái nên cũng giảm thiểu sự thay đổi pH. Trong đất có độ chua trung bình, tính đệm của đất chịu ảnh hưởng bởi phức hệ trao đổi cation. Trong đất rất chua, các phản ứng cân bằng có liên quan đến các ion hydroxy Fe và Al. Phản ứng xảy ra như sau: 2+ + + AlOH + H2O ↔ Al(OH)2 + H + + + Al(OH)2 + H2O ↔ Al(OH)3 + H Khi tăng nồng độ H+, phản ứng sẽ di chuyển về hướng trái nên nồng độ H+ trong dung dịch không tăng cao và pH giảm rất ít. Ngược lại, khi cho OH- vào phản ứng sẽ dịch sang hướng phải. Trong cà 2 trường hợp phản ứng của đất thay đổi rất nhỏ đó chính là tính đệm của đất. Các phản ứng liên quan đến carbonate, bicarbonate, carbonic acid hình thành nên tính đệm của đất cũng xảy ra tương tự. CaCO3 + H2CO3 ↔ Ca(HCO3)2 2+ - Ca(HCO3)2 + H2O ↔ Ca + 2OH + 2H2CO3 Có 3 cơ chế hình thành nên tính đệm của đất. (1) Các phản ứng của các hợp chất Al ở pH thấp. (2) Sự cân bằng của phức hệ trao đổi cation trong đất có pH trung tính. (3) Các phản ứng của Carbonate ở pH cao. 2. Tầm quan trọng tính đệm của đất. Tính đệm của đất có các vai trò chính như sau: 2.1.Bảo đảm tính ổn định pH đất, hạn chế sự thay đổi quá lớn và đột ngột về pH sẽ ảnh hưởng bất lợi đến sự sinh trưởng của thực vật và hoạt động của vi sinh vật. 2.2.Ành hưởng đến vấn đề cải tạo đất. Tính đệm quyết định hàm lượng vôi bón cho đất chua và hàm lượng chất chua bón cho đất kiềm. 3. Khả năng đệm của đất. Khả năng đệm của đất là khả năng chống lại sự thay đổi quá lớn về pH của đất. Khả năng đệm của đất khác nhau tùy thuộc vào từng loại đất nhưng thường đất có CEC cao sẽ có khả năng đệm cao. Do đó, khả năng đệm của đất phụ thuộc vào các yếu tố sau. 3.1.Hàm lượng sét: hàm lượng sét cao sẽ có khả năng đệm cao. 3.2.Loại sét: sét 2:1 có khả năng đệm cao hơn 1:1 3.3.Hàm lượng chất hữu cơ: hàm lượng chất hữu cơ cao, khả năng đệm cao. 111
50. Để diễn tả khả năng đệm của đất thường người ta thiết lập đường cong cho từng loại đất. Các loại đất thường có khả năng đệm cao khi 7 7 khả năng đệm của đất được kiểm soát bởi các hợp chất carbonate và ở pH trung tính khả năng đệm của đất được kiểm soát bởi khả năng trao đổi cation. VI. SỰ BIẾN ĐỘNG pH CỦA ĐẤT 1. Sự thay đổi pH trong tự nhiên. Quá trình phong hóa tự nhiên và sự phân giải chất hữu cơ sẽ hình thành nên các nguyên tố hóa học mang tính chua hoặc kiềm.Các cation base như Ca2+, Mg2- được giải phóng từ sự phong hóa đá và khoáng. Ion hydrogen phát sinh từ sự phân giải các phức chất hữu cơ. [C2H4ONS] + 5O2 + H2O → H2CO3 + RCOOH + HNO3 Chất hữu cơ acid carbonic acid hữu cơ acid vô cơ Khi các acid này phân ly, H+ sẽ được giải phóng và là nguồn H+ gây chua. Các ion H+ này cũng sẽ làm gia tăng tốc độ hòa tan Al trên bề mặt các khóang sét và đây là yếu tố chính làm cho đất hóa chua nhanh. Trong các vùng ít mưa, các cation base được tích lũy làm tăng pH. Ngược lại, trong vùng mưa nhiều các cation base trong các tầng phát sinh phía trên sẽ bị rửa trôi, H+ và Al3+ được tích lũy, độ bảo hòa base giảm và pH thấp. 2. Sự thay đổi pH do các hoạt động của con người. pH đất có thể thay đổi rất lớn do tác động của con người. Các nguyên nhân gây chua cho đất do: 2.1.Sử dụng phân bón hóa học chua: nhất là khi sử dụng các loại phân ammonium như phân (NH4)2SO4 và DAP [(NH4)2HPO4. Các loại phân này khi bị oxi hóa bởi vi sinh vật sẽ hình thành nên các acid rất chua theo phản ứng như sau: (NH4)2SO4 + O2 → 2HNO3 + H2SO4 + 2H2O 2.2.Kỹ thuật làm đất: các kỹ thuật làm đất có ảnh hưởng nhất định đến pH lớp đất cày do ảnh hưởng tốc độ phân giải các dư thừa hữu cơ. 2.3.Ảnh hưởng của mưa acid: trong các vùng không khí bị ô nhiễm, nước mưa có thể chứa một hàm lượng nhất định các acid như H2SO4, HNO3 nên nước mưa có thể có pH rất thấp (4.0 – 4.5) gây chua cho đất. Mưa acid rất nguy hại cho các vùng rừng nhiệt đới, gần các khu công nghiệp. Chính mưa acid làm tăng nhanh quá trình rửa trôi các 112
51. cation base trong đất, tăng tỉ lệ Al/Ca trong dung dịch đất, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật. 2.4.Ảnh hưởng của các chất thải chất hữu cơ: các chất thải chất hữu cơ như rác thành phố, chất thải công, nông nghiệp có thể làm giảm pH đất nông và lâm nghiệp. Các chất thải này có thể giải phóng rất nhiều acid hữu cơ và vô cơ trong quá trình phân giải. 2.5.Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới: các vùng khô hạn khi sử dụng nước tưới nhiễm mặn, có thể làm gia tăng sự tích lũy muối trong đất, pH sẽ tăng. 2.6.Ảnh hưởng của việc tiêu nước các vùng đất ngập nước ven biển: nhất là các vùng đất phèn, đất có chứa một lượng khoáng pyrite (FeS2), sulfide sắt (FeS) và S nguyên tố rất lớn. Khi tiêu nước do sự hoạt động của vi sinh vật khử sufate, FeS, S bị oxi hóa, cuối cùng hình thành acid sulfuric. Quá trình này hình thành nên loại đất đặc trưng được gọi là đất phèn. 4FeS + 9O2 + 4H2O → 2Fe2O3 + 4H2SO4 2S + 3O2 + 2H2O → 2 H2SO4 VI. ẢNH HƯỜNG CỦA pH ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT pH của dung dịch có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất hóa học và sinh học của đất. 1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng và sự hoạt động của vi sinh vật. pH có tương quan rất chặt đến khả năng huữ dụng của hầu hết các chất dinh duỡng cũng như hoạt động của vi sinh vật trong đất. Các nguyên tố dinh duỡng đa luợng như Ca, Mg, K, P, N, S cũng như các nguyên tố vi luợng như Mo, B sẽ kém huữ dụng trong điều kiện đất quá chua. Nguợc lại, khả năng hòa tan của các cation vi lượng khác như Fe, Mn, Zn, Cu và Co sẽ gia tăng trong điều kiện pH thấp, có thể gây ngộ độc cho thực vật và vi sinh vật. pH kiềm nhẹ sẽ làm tăng khả năng hữu dụng của Mo và tất cả các nguyên tố đa lượng (trừ P), nhưng sẽ làm giảm khả năng hữu dụng của các nguyên tố vi lượng khác. P và B giảm khà năng hữu dụng trong đất kiềm. pH trong khoảng 5.5 – 6.5 có thể ảnh hưởng tốt nhất đến khả năng hữu dụng của tất cả các nguyên tố dinh dưỡng trong đất. 2. Ảnh hưởng của pH đến thực vật bậc cao. Khả năng thích ứng và chống chịu của thực vật đối với đất chua rất khác nhau. Cây họ đậu thường thích hợp với đất có pH trung tính, họ hòa bản chịu được pH khoảng 5.0 -5.5, thông và khoai mì có thể chống chịu được đất rất chua. Đa số các loài cây phát triển kém trên đất chua, chủ yếu là do ảnh hưởng độc của hàm lượng Al hòa tan cao. Phần lớn các loại đất có khả năng sản xuất cao, thường có pH gần trung tính, không quá chua cũng không quá kiềm. 113