chương 4 vai trò của nước trong đất

Chương 4: Vai trò nước đất CHƯƠNG IV VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT _ Nước đóng vai trò quan trọng đất Thứ nhất, lượng lớn nước phải cung cấp để làm thõa mãn đòi hỏi cho thực vật sinh trưởng nước bò liên tục bốc thoát từ mặt từ mặc đất, mặt nước nước phải hữu dụng thực vật cần nó, hầu hết đến từ đất Thứ hai, nước dung môi kết hợp với dưỡng chất hòa tan tạo thành dung dòch đất mà từ thực vật hấp thụ nguyên tố thiết yếu Thứ ba, ẩm độ đất giúp kiểm soát hai yếu tố quan trọng thiết thực cho sinh trưởng trồng bình thường: không khí đất nhiệt độ đất Và cuối cùng, kiểm soát nước việc ngăn chặn hạn chế xói mòn đất 4.1 Nước môi trường phản ứng 4.1.1 Thành phần tính chất nước Nước oxide hydrogen Vài tính chất nguyên tử hydrogen oxygen liệt kê Bảng 6.1.1a Bảng 6.1.1a vài tính chất nguyên tử hydrogen oxygen Ký hiệu (1) (2) Lớp vỏ K Quỷ đạo s L s (3) p H 1s1 2.3 O 1s12s22p4 3.5 (1)Số nguyên tử cho số electrons (2)Cấu hình điện tử đại diện mức lượng, đònh nghóa số lượng tử, điện tử bao quanh hạt nhân (3)Điện âm khả tương đối nguyên tố giành việc mang điện âm (khả để hấp dẫn điện tử (electrons) chia sẻ liên kết hóa trò) Giả sử sức hút electrons liên kết chúng, hai nguyên tử kiên kết không giống cách xác Và người ta cho rằng, electrons nầy phân thời gian để kết hợp chặt với nguyên tử hút chúng nhiều hơn, ngược lại chúng thời gian để kết hợp chặt với nguyên tử hút chúng hôn _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Tình trạng chia sẻ khập khiển nầy sinh chỗ tích điện âm cục nguyên tử nầy, để lại tích điện dương cục tương đương nguyên tử khác Sự phân bố electrons không nhau, không đối xứng phân bố điện tử cực Một liên kết hóa trò cực (polar covalent bond) mà bất đối xứng điện tạo electrons liên kết chia sẻ Sự khác biệt điện âm lớn hai nguyên tử không đồng chia sẻ lớn gây phân cực liên kết (phân tử cực) Bảng 4.1.1b Lượng điện tích âm vài nguyên tố H 2.3 Li 0.9 Na 0.8 K 0.7 B 1.9 Al 1.5 Mg 1.4 Ca 1.1 C 2.5 Si 1.9 N 2.9 P 2.2 O F 3.5 3.9 S 2.7 Cl 3.3 Zn 1.9 Oxygen hình thành hai liên kết đơn với hai quỹ đạo lẻ để tạo thành góc ± 110o Oxygen nguyên tố có lượng điện tích âm cao nhất, ngoại trừ nguyên tố F Sự kết hợp với hydrogen cho phân tử với hai nguyên tử H, đònh vò góc vào khoảng 110o, tích điện âm cục O 0.25, tích điện dương hai H 0.125 Như nước phân tử cực mạnh Cặp electron không sử dụng O (0.25 ) + (0.125) H ± 11 0o + H (0.125) Hình 4.1.1 Phân tử nước gồm nguyên tử O nguyên tử H Sau liên kết, hai nguyên tử O H tích điện dư thừa chúng liên kết với nguyên tử phân tử nước khác Cặp electron không sử dụng _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Khi H2O hai cặp electron không sữ dụng đứng riêng, có khả năng: - Hoạt động tác nhân cho hình thành hydrates - Hình thành cầu nối proton với phân tử nước khác Một proton rời phân tử nước nhằm kết nối với phân tử khác, để lại để lại điện tử gốc phía sau, để hình thành phân tử mang điện âm cung cấp diện dương cho phân tử khác: H2O + H3O+ H2O + OH- : ion hóa tự động H3O+ gọi ion hydronium Trong suốt phản ứng, bao gồm thay đổi lớn tích điện cục Ở H3O+, oxygen điện âm hơn, nên không cho cặp đơn electron lại lâu Ở OH -, oxygen tích điện âm nhiều nước, cặp đơn sẵn sàng tác nhân nhận electron H+ Do đó, H3O+ OH- tồn dung dòch giống chúng bò tách phân tử nước Ngay sau chúng gặp nhau, hydroxide oxygen (OH-) lấy proton từ hydronium (H3O+) hình thành hai phân tử nước Việc đảo ngược lại nầy ion hóa nước gọi “sự trung hòa” (neutralization) Như thế, viết phản ứng cân sau: H2O + H3O+ H2O + OH- Chiều phản ứng theo hướng từ phải sang trái mạnh từ trái sang phải, cho số cân (equilibrium constant): (H3O-) (OH-) = 10-14 Điều nầy có nghóa lít nước tinh khiết, có 10 -7 mole H3O+ 10-7 mole OH- lít Khi mà có ± 55 moles nước lít (1.000 g : 18 g ≈ 55) Tỷ số hước không bò phân ly H3O+ OH- là: 10-7 x x 1023 = 55 x x 1023 x 1016 55 x x 1023 = 550.000.000 _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước ñaát Nhö vậy, 550 triệu phân tử nước, có H 3O+ OH- diện.1 Hằng số cân (10-14) giá trò không đổi nhiệt độ 25oC Điều nầy có nghóa nồng độ ion nầy tăng nồng độ phải giảm, ngược lại Bảo đãm để có giá trò số 10-14 Nồng độ (H3O+) biểu diễn pH = - logarith nồng độ: (H3O+) = 10-7; pH = Sự chuyển đổi phân tử nước thành hydronium H 3O+ dẫn đến gia tăng tích điện dương gây co rút thể tích H3O+ so sánh với nước Trên khía cạnh khác, biến đổi H2O thành OH- thông qua việc proton, gây gia tăng tích điện âm, dẫn đến gia tăng thể tích so sánh với nước Điều nầy có nghóa phần tử với lượng hạt nhân cao chúng nhỏ nhất, phần tử với lượng hạt nhân thấp chúng lớn Phân tử nước có tính điện cực cao, oxygen tích điện âm cục hydrogen có tích điện dương cục Hằng số điện môi (dielectric constant) cao (± 80) Điều nầy có nghóa hấp dẫn hai cấu tử tích điện âm 80 lần nhỏ nước so với không khí bình chân không Hằng số điện môi thường kết đặc tính cực phân tử dung môi Hằng số điện môi cao nguyên nhân phân ly nhiều hợp chất nước, đặc biệt hợp chất có liên kết hóa học với tính chất ion mạnh Ở chất nầy, mà hầu hết lực ngưng tập hút tónh điện, số điện môi cao gây giảm đáng kể lực hút tónh điện chất bò tách thành cations anions Vì thế, ion hóa xem ảnh hưởng cạnh tranh mặt anion mặt phân tử nước cation Khuynh hướng H2O hình thành hydrates (thí dụ: Al3+.6H2O) với cations lớn hút lẫn cation anion Trong dung dòch nước, anions không bao giời tự do, mà chúng luôn bao bọc xung quanh đám mây phân tử nước Với cations, H2O sử dụng O mang điện âm với hai cặp electron đơn để hình thành liên kết hóa học mạnh Với 1 mole luôn chứa số đơn vò số, gọi số Avogadro = x 1023 _ Giaùo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất anions, hydrogen mang điện dương sử dụng để hình thành liên kết hóa học mà liên kết nầy cầu nối proton liên kết hóa trò, H hoạt động tác nhân nhận electron Nước chiếm tỷ lệ đáng kể tế khổng đất đóng vai trò quan trọng trình hình thành đất Nước cung cấp để thõa mãn đòi hỏi cho sinh trưởng thực vật bò liên tục bốc thoát từ mặt cây; đó, nước phải hữu dụng trồng cần hầu hết đến từ đất Nước dung môi kết hợp với dưỡng chất hòa tan dung dòch đất tạo thuận lợi cho trồng hấp phụ dễ dàng nguyên tố cần thiết Ẩm độ đất giúp kiểm soát hai yếu tố quan trọng thiết thực cho sinh trưởng trồng bình thường: không khí đất nhiệt độ đất 4.1.2 Tính cực (Polarity) Tính chất cực giúp giải thích làm phân tử nước tương tác với Mỗi phân tử nước không hoạt động độc lập hoàn toàn mà gắn liền với phân tử láng khác Hydrogen (tính dương) phân tử nước nầy hút oxygen (tính âm) phân tử nước khác làm thành nhóm giống mắt xích (polymer) Tính cực giải thích cho số tính chất quan trọng khác nước Thí dụ, giải thích phân tử nước bò hấp dẫn tới ions mang tónh điện Những cations H +, Na+, K+, Ca2+ trở nên bò thủy hóa (hydrated) thông qua hút thu chúng tới đuôi oxygen (tính âm) phân tử nước Tương tự thế, bề mặt sét mang điện âm hút nước, lần nầy thông qua đuôi hydrogen (tính dương) phân tử Tính cực phân tử nước khuyến khích hòa tan muối nước thành phần ion nầy có hút thu lớn phân tử nước chúng hút lẫn Khi phân tử nước bò hấp phụ ions mang tónh điện âm bề mặt sét, chúng gắn kết gần nước tinh khiết 4.1.3 Liên kết hydrogen Những tượng mà hydrogen hoạt động nối kết phân tử nước gọi liên kết hydrogen Đây nối lượng thấp tương đối mà nguyên tử hydrogen chia hai nguyên tử mang điện âm O N Do điện tích âm cao, nguyên tử O phân tử _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước ñaát nước sử dụng vài lực hấp dẫn lại để hút nguyên tử H phân tử nước lân cận Loại liên kết nầy giải thích trùng hợp nước (polymerization) Liên kết hydrogen giải thích cho điểm sôi cao tương đối, điểm nóng đặc biệt , tính nhầy nước so với tính chất tương tự hợp chất có chứa hydrogen, H2S – chất nầy có trọng lượng phân tử cao liên kết hydrogen Nó có trách nhiệm cho tính rắn cấu trúc vài tinh thể sét cấu trúc vài hợp chất hữu protein 4.1.4 Lực ngưng tập lực bám (cohesion – adhesion) Một liên kết quan trọng khác liên kết hydrogen (hydrogen bonding) Liên kết hydro giải thích hai lực chòu trách nhiệm cho cầm giữ di chuyển nước đất: lực hấp dẫn phân tử nước (sự ngưng tập - cohesion) sức hút phân tử nước bề mặt chất rắn (sự hút bám adhesion) Do hút bám (cũng gọi hấp phụ), vài phân tử nước cầm giữ cách rắn bề mặt rắn đất Sau đó, phân tử nước liên kết chặc chẻ nầy cầm giữ ngưng tập, phân tử nước khác bò di chuyển khỏi bề mặt chất rắn Những lực ngưng tập hút bám làm cho chất rắn đất giữ nước kiểm soát di chuyển sử dụng Sự hút bám ngưng tập có thề làm thành tính chất dẻo sét 4.1.5 Áp lực bề mặt (Water tension) Một tính chất quan trọng khác nước ảnh hưởng rõ ràng đến cách cử xử đất áp lực bề mặt Hiện tượng nầy thường rõ ràng bề mặt chung không khí chất lỏng nguyên nhân từ sức hút phân tử nước với lớn sức hút không khí bên (Hình 4.15) Ảnh hưởng thực lực hướng vào bên bề mặt làm cho bề mặt nước phủ với màng co giãn căng liên tục Do sức hút tương đối cao phân tử nước với nên nước có có sức căng bề mặt cao so với chất lõng khác Áp lực bề mặt đặc tính quan trọng, đặc biệt yếu tố tượng mao dẫn đònh nước di chuyển giữ lại đất Áp lực bề mặt không khí Hình 6.15 So sánh lực hoạt động phân tử nước mặt nước bên mặt nước Các lực hoạt động bên mặt nước theo tất hướng mà phân tử nước bò hút Nước _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất phân tử nước lân cận với lực hút Tuy nhiên, mặt nước, sức hút không khí phân tử nước nhỏ nhiều so với sức hút phân tử nước với Do đó, có lực kéo xuống phân tử mặt nước, kết giống có màng nén màng nhầy mặt nước Hiện tượng nầy gọi áp lực bề mặt 4.2 Những mao dẫn nước đất 4.2.1 Nước đất Nước đất thường diện tế khổng, nơi mà không chiếm hữu không khí Tuy nhiên, vài nơi quán sát thấy nước không khí diện chung tế khổng Xung quanh cấu tử đất bao bọc thành màng nước với lực hấp phụ tất mạnh, bên nước ngưng tụ có khả cung cấp cho thực vật sử dụng dễ dàng Những đại tế khổng chứa đầy nước mưa lớn dẫn thủy nhân tạo phần lớn bò sau chảy tràn thấm xuống tầng Những đặc tính nước mô tả chi tiết phần Hình 4.2.1 Những cấu tử đất với tế khổng bao bọc xung quanh Phần lớn tế khổng Cấu tử chiếm hữu nước, bao bọc xung đất quanh cấu tử đất màng nước mỏng; vài nơi không khí Màng diện nước nước cấu tử đất Nước tế khổng Khi đất bò khô lượng nước tế khổng không nhiều, phần lớn tế khổng Không chiếm không khí Tuy nhiên, khí lượng nước đất lệ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: sa cấu, độ sâu tầng đất, điều kiện thời tiết điều kiện canh tác, mực thủy cấp… 4.2.2 Cơ cấu mao quản Hiện tượng mao dẫn phổ biến Một thí dụ cổ điển di chuyển nước lên nhúng đầu dây bấc đèn cầy vào nước Sự mao dẫn hai hai lực: (a) Lực hút nước chất rắn vách ống mao quản mà qua di chuyển (sự hút bám hay hấp phụ); (b)Áp lực bề mặt nước, sức hút lẫn phân tử nước _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Sự mao dẫn biểu diễn việc đặt đầu ống thủy tinh nhỏ nước Nước dâng lên ống, cho thấy ống nhỏ nước dâng lên ống cao (Hình 4.2.2) Những phân tử nước hấp dẫn tới mặt ống bắt đầu di chuyển lên ống đáp ứng với sức hút nầy Lực ngưng tập phân tử nước riêng bảo đảm nước không tiếp xúc trực tiếp với mặt vách bò kéo lên theo đường ống Điều nầy tiếp tục mà trọng lượng nước ống vào đối trọng (counterbalance) lực ngưng tập lực hút bám Chiều cao dâng lên ống mao dẫn tỷ lệ nghòch với đường kính ống tỷ lệ thuận với áp lực bề mặt, rồi, áp lực đònh ngưng tập phân tử nước Mao dẫn ước lượng theo phương trình sau: h= 2T rdg h: chiều cao mao dẫn ống T: áp lực bề mặt r: bán kính ống d: tỷ trọng chất lỏng g: lực trọng trường Đối với nước, phương trình nầy làm đơn giản sau: h= 0.15 r Phương trình nầy nhấn mạnh tương quan nghòch chiều cao mao dẫn kích thước ống mà thông qua nước di chuyển lên _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất ngưng tập Sự bám Sự bám Trọng lực (a) (b) Hình 4.2.2 Biểu đồ minh họa tượng mao dẫn (a) Khi ông hút đặt vào chất lỏng, nước di chuyển lên ống nhờ vào (b) lực hấp dẫn phân tử nước vách ống (sự hút bám) lực hấp dẫn phân tử nước với (sự ngưng tập) Nước di chuyển lên theo đường ống lực kéo xuống lực với lực hấp dẫn ngưng tập hút bám 4.2.3 Chiều cao mao dẫn đất Lực mao dẫn tồn tất loại đất.Tuy nhiên, tốc độ di chuyển dâng lên cao mao quản lệ thuộc vào sở tế khổng có đất Hơn nữa, vài tế khổng có chứa đầy không khí làm chậm chống lại di chuyển nước mao dẫn (Hình 6.2.3a) không khí khoảng trống (a) (b) Hình 4.2.2a Sự di chuyển lê mao dẫn (a) ống thủy tinh kích thước ống khác nhau, (b) đất cấu giống ống đất, di chuyển nước phân bố không khác _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất bề mặt cấu tử đất, kích thước tế khổng có không khí bên tế khổng Sự di chuyển lên mao dẫn đất minh họa Hình 4.2.3b Thông thường chiều cao dẫn nước lên từ mao dẫn lớn đất có sa cấu mòn có đủ thời gian tế khổng không nhỏ Điều nầy giải thích kích thước mao quản tính liên tục tế khổng Với đất cát, xảy nhanh chóng, nhiều tế không mao quản nên chiều cao nước mao dẫn không lớn Khoảng cách (cm) Hình 4.2.3b Sự di chuyển lên ẩm độ từ thủy cấp xuyên qua đất sa cấu cấu trúc khác Chú ý nước di chuyển lên nhanh đất cát chiều cao di chuyển bò hạn chế Rõ ràng tế khổng đất thòt thích hợp cho di chuyển nước đất sét nén chặt 100 Thòt 75 50 Cát 25 Sét nén chặt Sự mao dẫn minh họa qua theo cách đơn 10 15 20 25 30 giản Nhưng di Thời gian (ngày) chuyển nước đất thực theo nhiều hướng khác mà hấp dẫn tế khổng đất nước thực theo hướng ngang hướng dọc Ý nghóa mao dẫn việc kiểm soát di chuyển nước tế khổng trở nên hiển nhiên nghiên cứu khái niệm lượng nước đất 4.4 Khái niệm lượng nước đất Sự cầm giữ di chuyển nước đất, hấp thu di chuyển thực vật, nước vào khí tất tượng liên quan đến lượng Có khác lượng, bao gồm áp lực, động lực, điện Tuy nhiên, thảo luận nầy, lượng tự thuật ngữ sử dụng để đặc thù tình trạng lượng nước Ở _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Hình 4.3.2.2 Hai dạng nước gây áp lực (hấp phụ mao dẫn) Chất rắn đất hấp phụ nước chặt, trái lại lực mao dẫn có trách nhiệm cho việc cầm giữ nước tế khổng mao quản Không giống áp lực nền, áp lực thẩm thấu có ảnh hưỏng di chuyển khối nước đất Ảnh hưởng hút thu nước rễ thực vật Trong đất có lượng muối hòa tan cao, áp lực thẩm thấu dung dòch đất lớn áp lực tế bào rễ thực vật Điều nầy dẫn đến cưỡng ép hút thu nước thực vật Khi mà áp suất nước làm thấp diện chất hòa tan, áp lực thẩm thấu ảnh hưởng đến di chuyển nước 4.4 Tương quan đất nước 4.4.1 Tổng quát Trong mối tương quan đất nước có chi phối lượng Nhờ vào hút bám ngưng tập mà nước giữ chặt chẽ, phân tử nước gần bò giữ chặt, phần tử nước nằm xa giữ lỏng lẻ Do đó, nước xa dễ bò lấy nước nằm cận bề mặt phần tử đất Nước giữ lực ngưng tập lực hút bám làm tràn đầy tiểu tế khổng mà đóng thành màng tương đối dầy đại tế khổng Khi màng nầy trở nên dầy chúng nặng nước mặt màng bò giữ chặt di chuyển xuống trọng lực Vì đất bảo hòa nước dễ bò lấy ngoài, ẩm độ đất giảm phải cần lực khác lớn để trích nước (Hình 4.4.1) Nước hút bám Trương lực khoảng 1/3 Chất rắn đất Nước ngưng tập Hình 4.4.1 Mình họa cấu tử đất bao bọc bên loại nước với khả hấp phụ khác Ẩm độ bao bọc xung quanh cấu tử đất thành màng mỏng lực hút bám (adhesion), lớp bên nước ngưng tụ lực cố kết (cohesion) Biên lớp nước ngưng tụ có trương lực giữ nước 1/3 atm (cũng ranh giới _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất hệ số thủy dung đồng) Nước nằm bên ranh giới nầy dễ dàng bò lấy gọi nườc bảo hòa (water saturation) Đất khô lượng giữ nước lớn Năng lực giữ nước tính atmosphere tương ứng với 1,033 g/cm3  Áp lực cột nước cao 10 cm atmosphere  Áp lực cột nước cao 100 cm atmosphere  Áp lực cột nước cao 1000 cm 1/100 1/10 atmosphere Nếu cột nước cao áp lực lớn Logarithm lượng giữ nước tính cm nước gọi pF Thí dụ:  Đối với áp lực cột nước cao 1.000 cm (1 atm) pF =  Đối với áp lực cột nước cao 100 cm (1/10 atm) pF =  Đối với áp lực cột nước cao 10 cm (1/100 atm) pF = Các số ẩm độ điểm héo (Wilting point), hệ số hút ẩm có pF riêng Dung tích đồng (Field Capacity) tương ứng với lượng giữ nước 1/3 atmosphere (pF = 2.5) Điểm héo tương ứng với lượng giữ nước 16 atmosphere (pF = 4.2) Năng lực giữ nước (còn gọi trương lực) tỷ lệ nghòch với ẩm độ đất: đất ẩm lực giữ nước thấp Chính sai biệt pF loại đất khiến cho nước di chuyển từ chỗ ẩm đến chỗ khô 4.4.2 Trương lực2 chiều dày màng nước Hình 6.3.2.2 cho thấy tương quan chiều dầy màng cầm giữ nước viền màng nước Khi mưa lớn, tất đại tế không đầy nước Nói cách khác, màng nước xung quanh cấu tử nước dầy Do đó, trương lực nước bò giữ Vì thế, nước bò chuyển xuống phần sâu của phẩu diện đất nơi mà đất khô có trương lực thấp 4.4.3 Dung tích đồng hệ số héo Lực cầm giữ nước (water retension) _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Khi bề dầy váng nước giảm đi, trương lực lúc tăng nên di chuyển nước xuống bên bò giảm Nước rút khỏi đại tế khổng tiểu tế khổng Ở giai đoạn nầy (dung tích đồng – Field capacity) trương lực mặt màng nước khoảng 1/3 atmosphere 4.5 Sự cầm giữ ẩm độ đất đồng (Retension of soil moisture in field) Đây mối liên quan ẩm độ lượng đất sau trận mưa lớn áp dụng tưới nước cho đất Sự cầm giữ nước đất mô tả tổng quát Hình 4.5 4.5.1 Khả cầm giữ tối đa (maximum retentive capacity) Trong suốt trận mưa lớn tưới, đất trở nên bảo hòa vơí nước sẵn sàng tiêu nước xuống xảy Ngay thời điểm nầy, đất gọi bảo hòa nước3 đất đạt đến khả cầm giữ nước tối đa (Hình 4.5.2) 4.5.2 Dung tích đồng4 (Field capacity) Khi mưa dẫn thủy nhập điền, nước di chuyển nhanh cách tương đối xuống bên liên tục đáp ứng theo trọng lực Sau hai đến ba ngày, di chuyển xuống nhanh chóng nước trở nên không đáng kể Và rồi, đất gọi điểm dung tích đồng (field capacity) Ở thời điểm nầy, nước di chuyển khỏi đại tế khổng, chỗ chiếm hữu không khí Vi tế khổng tế không mao quản đầy nước cung cấp cho thực vật với lượng ẩm độ cần thiết p lực thay đổi từ đất nầy sang đất khác thông thường biến thiên từ - 0.1 đến –0.3 bar bảo đảm thoát thủy vào vùng ẩm có tế khổng tương tự Sự di chuyển độ ẩm tiếp tục thực hiện, tốc độ di chuyển (dòng không bảo hòa) chậm lúc chủ yếu lực mao dẫn mà lực nầy có tác động ảnh hưởng vi tế khổng (Hình 4.5.2) Ngay lúc nầy gọi đất bảo hòa nước (water saturation) Vài sách gọi thủy dung đồng (field capacity) _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Hệ số héo (Wc) Hệ số hút ẩm Dung tích đồng (Fc) Lực cầm giữ nước tăng dần Đa át 31 10.000 Lực cầm giữ nước atm 1/3 atm 15 atm atm 10.000 atm σ Lớp nước mõng Độ ẩm, nước 1/3 attm Lớp nước dầy Hình 4.5.2 Sự cầm giữ nước đất Lực cầm giữ nước tăng dần từ vào Ngay sát bề mặt phần tử đất lực cầm giữ lên đến 10.000 bars; đó, mang nước bao bọc nầy khó lấy đi, ngoại trừ bốc Phần nước hữu dụng nằm khoảng từ dung tích đồng (Fc) đến hệ số héo5 (Wc) Ngay điểm nầy gọi điểm heùo (wilting point) _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Bảo hòa nước Điểm héo (Saturation) Bảo hòa (Saturation) Dung tích đồng Dung tích đồng (Field capacity) Phần rắn 100g 40 ml 100g 20 ml (Field capacity) Hệ số héo 100g (Wilting coefficient) Hệ số hút ẩm (Wilting point) 100g (Hygroscopic coefficient) 10 ml ml Phần rắn Không khí Không khí Không khí Hình 4.5.2 Thể tích nước không khí kết hợp với 100 g đất bột pha thòt có thành phần hạt tốt mức ẩm độ khác Tình trình bày đất đại diện bảo hòa ẩm độ hoàn toàn Tình nầy xảy giai đoạn ngắn suốt trận mưa đất tưới nước Sau đó, nước thoát khỏi đại tế khổng Khi đó, đất đất gọi điểm dung tích đồng Cây trồng lấy ẩm độ nhanh chóng từ đất hoàn toàn nhanh chóng chúng bắt đầu héo Khi trồng bò héo thường xuyên, ẩm độ đất xem hệ số héo Vẫn lượng ẩm đáng kể đất, cầm giữ chặt nên khó thuận lợi cho rễ trồng hấp thu Việc giảm thấp hàm lượng ẩm độ đến hệ số hút ẩm minh họa cuối Ngay điểm nầy, nước cầm giữ chặt, hầu hết keo đất 4.5.3 Phần trăm héo thường xuyên hệ số héo _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Khi thực vật hấp phụ nước từ đất, phần lớn nước bò thông qua thoát qua bề mặt (transpiration) Nhưng vài lượng nước bò qua bốc trực tiếp từ mặt đất (evaporation) Hai nguyên nhân nầy xảy đồng thời, kết hợp hai nguyên nhân nầy người ta gọi bốc thoát nước (evapotramspiration) Khi đất khô, thực vật bắt đầu héo để giữ ẩm độ suốt thời gian ban ngày Đầu tiên, thực vật lấy lại sinh lực vào đêm, cuối chúng giữ tình trạng héo vào ban ngày ban đêm Mặc dù không chết, bây giờ, thực vật điều kiện héo thường xuyên chết nước không cung cấp Dưới điều kiện nầy, đo lường áp lực nước đất (φ) trình bày trò số vào khoảng 15 bars cho hầu hết trồng, hoa màu Vài thực vật chòu hạn (xerophytes) tiếp tục lấy nước thời điểm nầy có áp lực âm (negative potential) 4.5.4 Hệ số hút ẩm Nước lúc dần đất nên chiều dày váng nước bò giảm Khi ẩm độ đất hạ thấp điểm héo, phân tử nước cầm giữ chặt, hầu hết bò hấp phụ bề mặt keo đất Một cách ước lượng, khí bên mẫu đất bảo hoà thực (98% ẩm độ tương đối) với nước cân thiết lập Trương lực hệ số hút ẩm 31 atmosphere, điểm nầy nước cầm giữ chặt (-31 bars) hầu hết chúng xem không chất lỏng (nonliquid) di chuyển pha bốc (vapor phase) Hàm lượng ẩm độ đất thời điểm nầy đặt tên hệ số hút ẩm (hygroscopic coefficient) Khi bề dầy của màng nước bò giảm thêm trương lực đến 10.000 atmosphere Đất có nhiều chất keo điều kiện nầy cầm giữ nước nhiều so với đất cát đất có nhiều chất mùn sét (Bảng 4.5.4) Bảng 4.5.4 Lượng nước theo thể tích (θ) dung tích đồng hệ số hút ẩm ba loại đất đại diện nước mao dẫn tính toán Chú ý đất sét giữ hầu thời điểm dung tích đồng, nhiều phần lượng nước cầm giữ chặt đất điểm áp lực –31 bars keo đất Thể tích (%) Cây xương rồng thí dụ điển hình vùng khô hạn sa mạc Phần nước bao bọc xung quanh cấu tử đất (xem Hình 6.5) _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Đất Bột pha cát Bột pha thòt Sét Dung tích đồng (-0.3 bars) 12 30 35 Hệ số hút ẩm (-31 bars) Nước mao dẫn (col – col 2) 10 18 20 17 Khả cầm giữ nước (trương lực) đất khác chúng có sa cấu khác Trong đó, đất cát có trương lực Hình 6.5.4 minh họa khả cầm giữ tình trạng nườc nước ba loại sa cấu đất: cát, thòt, sét Hình 4.5.4 Minh họa cho thấy đường cong tương đối ba loại sa cấu đất: cát, thòt, sét Đất cát có phần trăm nước không hữu dụng gần tương đượng nước hữu dụng, hai lượng nầy thấp, lượng nước thẩm lậu chảy tràn lớn khả bảo hòa nước nhanh lượng nước bảo hòa lớn Đất thòt có vẽ vừa phải với lượng nước không hữu dụng khoảng 10% lượng hữu dụng gần gấp đôi (khoảng 16%) Đối với đất sét, cho thấy lượng nước không hữu dụng cao, mức nước hữu dụng đạt trung bình Trong thực tế, tự nhiên thông thường đất có sa cấu hỗn hợp (thí dụ như: thòt pha sét, cát pha thòt ), đó, đo trương lực thiết lập đường riêng cho nhóm đất khác _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Lực cầm giữ nước (pF) pF Hy W c Nước C a ù t10 T h òt 15 atm I 20 Fc 30 Sét Chú thích: 50 Vol % Ẩm độ thoát Nước thẩm lậu Thẩm lậu – chảy tràn Cá t Thò t 1/3 atm 40 Không hữu dụng Hữu dụng thủy Nước cầm giữ I S e ù t KhO hữu dụng Hữu dụng Không hữu dụng Nước không hữu dụng Nước hữu dụng Nước thẩm lậu chảy tràn Thẩm lậu – chảy tràn Hữu dụng Thẩm lậu – chảy tràn Hy: hệ số hút ẩm (Hygroscopic coefficient) Wc: hệ số héo (Wilting coefficient) Fc: hệ số dung tích đồng (Field coefficient) _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất 4.5.5 Áp lực lượng ẩm độ Khi ẩm độ đất giảm từ dung tích đồng đến hệ số hút ẩm, đường cong ẩm độ – áp lực mô tả Hình 6.5.5 hiển nhiên Mối quan hệ minh họa Hình 4.5.5 trình bày mối quan hệ lượng ẩm độ - áp lực đất thòt nhận dạng dãy biến thiên áp lực cho điều kiện đất đồng mô tả Biểu đồ phía phải hình minh họa đề nghò xếp theo hệ thống phân loại vật lý sinh học cho nước đất Tuy nhiên, biểu đồ nầy ghép đôi với đường cong ẩm độ – áp lực để nhấn mạnh thực dạng xác đònh rõ ràng nước đất Chỉ có thay đổi từ từ áp lực với lượng ẩm độ Ẩm độ đất (θ) (Thể tích %) 60 50 Nước trọng lực 40 Dung tích đồng (Fc) 30 Hữu dụng nhanh 20 Vùng tối hảo 10 Nước hữu dụng Hệ số héo (Wc) Hữu dụng chậm Hệ số hút ẩm Nước mao dẫn Nước hút ẩm - 0.01 -0.1 -1 (Cao) -10 - 100 - 15 - 31 - 1000 - 10 000 (Thấp) Áp lực ẩm độ đất (θ) (bars, log scale) Hình 4.5.5 Đường cong ẩm độ tiềm tàng đất thòt liên quan đến thuật ngữ khác sử dụng để mô tả nước đất Những đường sóng biểu đồ phía bên phải gợi ý việc đo dung tích đồng không đònh lượng Sự thay đổi từ từ áp lực với thay đổi ẩm độ đất ngăn cản khái niệm “các thể” khác nước đất Ngay thời gian, thuật ngữ trọng lực hữu dụng có mặt mô tả chất lượng sử dụng ẩm độ đất _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất 4.6 Sự xếp hệ thống phân loại ẩm độ theo quy ước Trên sở quan sát tương quan thực vật nước đất, hai loại xếp hệ thống phân loại nước đất phát triển: lý học sinh học 4.6.1 Phân loại lý học Từ quan điểm lý học, thuật ngữ nước trọng lực, mao dẫn, hút ẩm xác đònh Hình 4.5.5 Nước vượt dung tích đồng (-0.1 đến –0.3 bar hướng lên trên) gọi trọng lực Cho dù lượng cầm giữ có thấp, nước trọng lực bò sử dụng có giới hạn diện đất thời gian ngắn, và, lúc đó, đại tế khổng bò nước chiếm tất cả, làm cho đất không thoáng khí Di chuyển nước trọng lực bên cách thoát thủy điều kiện cần thiết cho thực vật sinh trưởng tối hảo Như tên đề nghò, nước mao dẫn cầm giữ tế khổng mao quản (có kích thước nhỏ – vi tế khổng) tác động theo quy luật mao dẫn Những nước bao gồm hầu hút thu thực vật sinh trưởng sử dụng áp lực -0.1 -0.3 bar Nước hút ẩm nước gắn chặt đất rắn giá trò áp lực thấp –31 bars Thực chất chất lỏng di chuyển cách bốc Những thực vật bậc cao hấp thu nước hút ẩm, hoạt động vài vi khuẩn đất quan sát cho thấy chứa nước hút ẩm 4.6.2 Phân loại sinh học Có nối quan hệ rõ ràng cầm giữ ẩm độ việc sử dụng ẩm độ thực vật Nước trọng lực sử dụng có giới hạn có hại Ngược lại, ẩm độ giữ lại đất dung tích đồng (-0.1 đến –0.3 bar) hệ số héo (-15 bars) đượïc xem sử dụng thực vật trường hợp nầy gọi nước hữu dụng (available water) Nước cầm giữ áp lực thấp –15 bars xem không hữu dụng (unavailable) hầu hết thực vật (Hình 4.5.5) Những thuật ngữ thay đổi dùng để mô tả nước đất theo lý học sinh học hữu dụng phương pháp thực tế, điều kiện tốt chúng đònh lượng sơ Cho thí dụ, việc đo dung tích đồng có khuynh hướng tùy tiện, giá trò nhận bò ảnh hưởng yếu tố ẩm độ đất ban đầu phẩu diện trước ẩm ướt, việc di chuyển nước thực vật, bốc bề mặt suốt giai đoạn _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất chảy xuống Cũng thế, xác đònh di chuyển nước xuống bên trọng lực ngừng tùy tiện Những yếu tố nầy nhấn mạnh lần rằng: đường ranh giới rõ ràng dạng khác nước đất 4.7 Những yếu tố ảnh hưởng lượng ẩm độ đất hữu dụng cho thực vật Lượng nước đất hữu dụng cho thực vật hấp thu đònh số yếu tố, bao gồm liên quan áp lực ẩm độ (nền thẩm thấu), chiều sâu đất, phân tầng phân lớp 4.7.1 p lực p lực ảnh hưởng lượng ẩm độ đất mà trồng hấp thu ảnh hưởng lượng nước dung tích đồng hệ số héo Hai đặc tính nầy, mà chúng đònh số lượng nước đất cung cấp cho thực vật sinh trưởng, bò ảnh hưởng sa cấu, cấu trúc, lượng chất hữu đất Ảnh hưởng tổng quát sa cấu trình bày Hình 4.7.1 Chú ý sa cấu mòn có gia tăng dự trữ ẩm độ hữu dụng từ cát đến bột bột pha thòt Tuy nhiên, đất sét thường xuyên cung cấp nước hữu dụng đất bột pha thòt có kết cấu hạt tốt Khả cầm giữ nước hữu dụng so sánh trình bày ở hình nầy Ảnh hưởng chất hữu đáng ý đặc biệt Đất khoáng thoát thủy tốt chứa khoảng 5% chất hữu có lượng ẩm độ hữu dụng cao đất khoáng chứa 3% chất hữu Người ta thừa nhận cách sai lầm yếu tố thuận lợi nầy kết lượng nước hữu dụng cao chất hữu Trường hợp không Hầu hết ích lợi chất hữu quy cho ảnh hưởng thuận lợi cấu trúc đất thể tích tế khổng Mặc dù chất mùn có lượng ẩm độ cao dung tích đồng hệ số héo cao cách tương ứng Và rồi, đóng góp chất mùn hướng ẩm độ hữu dụng chủ yếu thông qua ảnh hưởng chất hữu cấu trúc đất _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất Ẩm độ đất (θ) (Thể tích %) Hình 4.7.1 Mối quan hệ tổng quát đặc tính ẩm độ đất sa cấu đất Chú ý hệ số héo gia tăng sa cấu trở nên mòn Dung tích đồng gia tăng có sa cấu bột pha thòt, đường cong nằm ngang; đất riêng khác có giá trò khác so với biểu đồ 40 32 Dung tích đồng Nước hữu dụng 24 16 Hệ số héo Nước không hữu dụng 4.7.2 p lực thẩm thấu Sự diện pha cát pha thòt pha sét muối đất, áp dụng phân bón hợp chất muối tự nhiên, ảnh hưởng đến hấp thu nước đất p lực thẩm thấu (φo) ảnh hưởng dung dòch đất có khuynh hướng làm giảm phạm vi ẩm độ hữu dụng đất gia tăng lượng nước đất thời điểm thực vật bò héo thường xuyên (ngay điểm héo) Đối với đất có lượng muối cao, ứng suất ẩm độ bao gồm áp lực áp lực thẩm thấu dung dòch đất Ở hầu hết đất vùng ẩm ướt, ảnh hưởng áp lực thẩm thấu nầy không quan trọng Ngược lại, chúng trở nên quan trọng đáng kể vào loại đất vùng khô hạn bán khô hạn, đặc biệt vùng có lượng muối đáng kể Cát Sét Bột Bột Bột Bột 4.7.3 Chiều sâu phân lớp đất Tất yếu tố khác xem nhau, đất sâu có tổng khả cầm giữ ẩm độ hữu dụng đất lớn đất cạn Đối với thực vật có rễ sâu, điều nầy có ý nghóa thực tiễn, đặc biệt vùng bán ẩm bán khô _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất hạn mà vùng nầy khả dẫn thủy bổ sung thực Tầng đất lớp đất ảnh hưởng rõ rệt nước hữu dụng di chuyển nước đất Những lớp không thấm (impervous layers) làm chậm tốc độ di chuyển xuống bên nước làm giới hạn xâm nhập rễ thực vật, không lấy ẩm độ đất Những lớp cát hoạt động chắn di chuyển nước đất từ lớp sa cấu mòn bên Sự phát triển kẻ nứt rộng ăn sâu vào phẩu diện đất khô có hàm lượng sét cao (đặc biệt đất Vertisols) ảnh hưởng rõ rệt thấm nước vào bên đất nầy Giai đoạn đầu, thấm nước mưa nước dẫn thủy nhanh chóng, nước dường rót xuống kẻ nứt Sự si chuyển cho phép lượng đáng kể nước vào đất di chuyển xuống sâu bên phẩu diện đất Tuy nhiên, nhanh sau đó, sét bò ướt trương nở, tạo lực đóng khe nứt lại Sự thấm nước chậm sau Tuy nhiên, may mắn ẩm độ đất đáng kể có đất để thực vật sử dụng sau Khả dự trữ ẩm độ hữu dụng đất xác đònh phạm ích lợi ẩm độ cho nông nghiệp thực hành Khả nầy thường vật đệm khí hậu bất lợi sản xuất hoa màu Nó trở nên có ý nghóa sử dụng nước cho tất mục đích - công nghiệp gia đình nông nghiệp - bắt đầu đánh thuế cung cấp tất tài nguyên tự nhiên quan trọng trọng nầy 4.8 Sự cung cấp nước cho thực vật Bất lúc nào, tỷ lệ nhỏ nước đất gần bề mặt rễ thực vật hấp phụ Và rồi, làm rễ thực vật lấy lượng nứớc khổng lồ cần cho bốc qua chồi hoa màu sinh trưởng mạnh khỏe Hai tượng giải thích cho việc lấy nước nầy: di chuyển mao dẫn nước đất đến rễ thực vật phát triển rễ vào đất ẩm 4.8.1 Tốc độ di chuyển mao dẫn Khi rễ thực vật hấp phụ nước, chúng giảm lượng ẩm độ, giảm áp lực đất tức sung quanh chúng Đáp ứng với áp lực thấp nầy, nước co khunh hướng di chuyển hướng rễ thực vật Tốc độ di chuyển tùy thuộc vào biên độ áp lực _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất dẫn suất tế khổng đất Với đất cát, điều chỉnh nhanh chóng luồng chảy nầy thấy Ở đất sét có sa cấu mòn kết cấu hạt di chuyển nước chậm chạp lượng nước nghèo nàn chuyển đến Tổng khoảng cách mà nước mao dẫn di chuyển ngày qua ngày khoảng vài centimeters Điều nầy làm cho người ta tin di chuyển nước mao dẫn biện pháp có ý nghóa việc nâng cao ẩm độ cho thực vật hấp thu Tuy nhiên, rễ thực vật xâm nhập vào sâu bên đất, di chuyển nước khoảng cách lớn không cần thiết Ngay giai đoạn thời tiết khô nóng, nhu cầu bốc cao, di chuyển nước mao dẫn biện pháp quan trọng cung cấp nước cho thực vật Nó mang ý nghóa quan trọng giai đoạn đất có ẩm độ thấp mà mở rộng vùng rễ thực vật tối thiểu 4.8.2 Tốc độ mở rộng vùng rễ Sự di chuyển nước mao dẫn bổ sung tốc độ mở rộng vùng rễ nhanh chóng Sự mở rộng rễ bảo đảm sựï tiếp xúc đất rễ (new roots) thiết lập Sự xâm nhập rễ nhanh đủ để lấy hầu cần cho thực vật sinh trưởng ẩm độ tối hảo Những rễ, rễ lông tơ vùng đồng cỏ thí dụ hệ thống rễ tồn thực vật Bảng 6.8.2 cung cấp số liệu chiều dài rễ đậu nành khu thí nghiệm Sự giới hạn chủ yếu mở rộng rễ tỷ lệ nhỏ đất với rễ nằm vùng tiếp xúc Mặc dù bề mặt rễ đáng kể, trình bày Bảng 6.8.2, tiếp xúc đất rễ giải thích 1% tổng diện tích bề mặt đất Điều nầy gợi ý hầu phải di chuyển từ đất đến rễ khoảng cách di chuyển không vài milimeters Nó cho thấy bổ sung mao quản mở rộng rễ phương tiện cung cấp nước đất cho thực vật Bảng 4.8.2 Chiều dài rễ đậu nành chiều sâu đất khác đất bột pha thòt (Typic Fragiudult) Arkansas Chiều dài rễ (km/m3) Chiều sâu đất Không tưới Được tưới (cm) – 16 76 89 16 – 32 30 37 _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất 32 – 48 21 48 - 64 14 Nguoàn: Brown csv (1985) 17 16 4.8.3 Sự phân bố rễ Sự phân bố rễ phẩu diện đất đònh phần đáng kể khả thực vật hấp phụ nước đất vài trồng, bắp, đậu nành, hầu hết rễ chúng phân bố khoảng 25 – 30 cm tính từ mặt đất phẩu diện (Bảng 6.8.3) Ngược lại, hoa màu lâu năm cỏ alfalfa ăn trái có hệ thống rễ sâu hấp phụ tỷ lệ đáng kể ẩm độ tử tầng đất bên Tuy nhiên, trường hợp nầy, phần nhiều hấp phụ rễ lớp đất nên lớp nầy cung cấp nước tốt Ở khía cạnh khác, lớp đất bên thiếu ẩm độ để cung cấp cho rễ thực vật, hoa màu bắp đậu nành hấp phụ nước tầng đất thấp Bảng 4.8.3 Phần trăm khối rễ ba loại hoa màu tần có độ sâu từ - 30 cm so sánh với độ sâu 30 – 180 cm Phần trăm rễ (%) Hoa màu Trên 30 cm 30 – 180 cm Đậu nành 71 29 Bắp 64 36 Sorghum 86 14 Nguồn: Mayaki va csv (1976) 4.9 Cân nước tỷ lệ cục Trong trường hợp nơi có nhiều cao, nước mưa rơi xuống gần tất bò chặn lại thực vật phần lại rơi trực tiếp đất Khi lượng nước vượt qua nhu cầu làm ướt thân cây, nhiểu giọt xuống đất từ vòm chảy dọc theo thân Nước giữ lại vòm bò bốc hơi, khoảng 1/4 lượng mưa rộng mùa khô _ Giáo trình: Xử lý ô nhiễm đất ... nhiễm đất Chương 4: Vai trò nước đất 32 – 48 21 48 - 64 14 Nguồn: Brown csv (1985) 17 16 4. 8.3 Sự phân bố rễ Sự phân bố rễ phẩu diện đất. .. thực vật Khi mà áp suất nước làm thấp diện chất hòa tan, áp lực thẩm thấu ảnh hưởng đến di chuyển nước 4. 4 Tương quan đất nước 4. 4.1 Tổng quát Trong mối tương quan đất nước có chi phối lượng Nhờ... hút phân tử nước với Do đó, có lực kéo xuống phân tử mặt nước, kết giống có màng nén màng nhầy mặt nước Hiện tượng nầy gọi áp lực bề mặt 4. 2 Những mao dẫn nước đất 4. 2.1 Nước đất Nước đất thường