Giới thiệu chung về hóa học đất

Giới thiệu chung về hóa học đất

PHẦN MỞ ĐẦU

Đất là một hệ thống động trong đó dung dịch đất là môi trường của các quá trình vậtlý, hoá học và sinh học trong đất Dung dịch đất tồn tại ở trạng thái cân bằng động với các chấtvô cơ, chất hữu cơ, vi sinh vật và không khí đất Vì thế nó đóng vai trò quan trọng trong sựchuyển hoá và vận chuyển các phân tử và các ion cần thiết cũng như các phân tử và các ion cóhại trong một hệ sinh thái.

Hoá học đất bao gồm các phản ứng và các quá trình hoá học của đất gắn liền với sựsinh trưởng của thực vật, động vật và môi trường phát tiển của con người Các quá trình hoáhọc đất là nền tảng cho sự tiến hoá của địa quyển, sinh quyển và môi trường sống của conngười Vì vậy hoá học đất đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của tài nguyên thiênnhiên, bảo vệ môi trường và sự bền vững của hệ sinh thái Việc nắm vững bản chất của cácphản ứng và các quá trình hoá học đất ở các mức độ nguyên tử, phân tử và vi mô là rất cầnthiết đối với các chiến lược quản lý nguồn tài nguyên mới phát triển và để hiểu được và điềuchỉnh các hoạt động của hệ sinh thái trên mặt đất trong phạm vi vùng và toàn cầu.

1 Sơ lược phát triển của hoá học đất

Sự phát triển của hoá học đất cũng như nhiều khoa học khác đã bắt đầu từ xa xưa.Đầu tiên đó là sự tích luỹ các kinh nghiệm và kiến thức tập thể về các đặc điểm của đất và cácđặc tính của chúng theo mức độ phát triển của sản xuát nông nghiệp Trong thực tiễn của sảnxuất nông nghiệp người ta đã sử dụng nhiều phương pháp hoá học để cải thiện tính chất đất.Theo nhà thổ nhưỡng hoc - nhà sử học I A Krupenikov (Liên Xô) vào đầu những năm 2000trước công nguyên ở Atxyri, Babylon, Shumer người ta đã sử dụng nhiều biện pháp để chốngsự tái mặn hoá đất Cũng trong khoảng thời gian này nhân dân ở vùng Trung Mỹ đã sử dụngmacnơ để làm giảm độ chua cho đất Các nhà triết học và nông dân của La Mã cổ đại biết rấtrõ về các đất mặn, chúng đã được đi vào trong các tác phẩm thi ca của thời kì này Nhà thựcvật học Hy Lạp cổ đại Feofrast (khoảng năm 372-287 trước công nguyên) đã tách riêng cácđất mặn với các đất sét và đất cát Liên quan đến khả năng hấp thụ của đất nhà triết học HyLạp cổ đại Aristot (năm 384-322 trước công nguyên) đã viết về hiện tượng độ mặn của nướcgiảm xuống sau khi cho nó tiếp xúc với đất Hiện tượng này được nhà triết học duy vật La MãTit Lukretsii Kar (năm 99-55 trước công nguyên) mô tả rất sinh động trong tác phẩm “Về bảnchất của các vật” Tư tưởng của Tit Lukretsii Kar biểu thị giả thuyết cơ bản về cơ chế trao đổication Thực tế người dân ở vùng Tây Bắc châu Phi đã sử dụng khả năng trao đổi cation đểlàm giảm độ mặn của nước biển.

Trong thức tiễn sản xuất nông nghiệp, từ rất lâu người ta đã nghiên cứu các đất chua vàbiết cách cải thiện chất lượng của nó Hơn 2000 năm về trước, ở Anh người dân đã biết sửdụng đá phấn, macnơ, sét cacbonat làm phân bón Liên quan đến các tài liệu đầu tiên về bónvôi cho đất ở Anh, nhà văn và nhà tự nhiên học La Mã Plinhie Starshi (năm 24-79) đã viếttrong tác phẩm “Lịch sử tự nhiên” các dạng macnơ và cách sử dụng Các luật và hợp đồng chothuê của thế kỉ 12-13 quy định các điều kiện khai thác và sử dụng macnơ trong sản xuất nôngnghiệp của nước Anh đến nay vẫn được giữ Vai trò của việc bón vôi cho đất cũng được phổbiến ở nhiều nước khác.

Từ thế kỉ 15 đến 16 bắt đầu hình thành các khái niệm rõ ràng hơn về các đặc tính hoáhọc của đất, xuất hiện tài liệu tham khảo về nông nghiệp, trong đó đã hệ thống hoá các kiếnthức tích luỹ được và dẫn ra các thông tin về các thực nghiệm đầu tiên nghiên cứu các đặc tínhhoá học đất Năm 1580 ở Pháp đã xuất bản cuốn sách của B Palissi viết về macnơ Trong sáchnày không chỉ mô tả các loại đá mác nơ khác nhau và các mỏ của chúng mà còn dẫn các quy

phạm điều tra mỏ, khai thác macnơ và bón cho đồng ruộng Nhà triết học duy vật, nhà hoạtđộng quốc gia người Anh F Bekon (1561-1626) đã có những đóng góp to lớn trong nghiêncứu đất Dựa trên kinh nghiệm của nhân dân, F Bekon đã đặt các thí nghiệm chuyên môn vàđã làm giảm được độ mặn của nước biển sau khi cho nó đi qua 20 bình có đất Đây là nghiêncứu thực nghiệm đầu tiên về khả năng hấp thụ của đất.

Những nghiên cứu một cách hệ thống đầu tiên về các đặc tính hoá học của đất và cácchất cấu thành của nó thuộc thế kỉ 18 Nhiều nghiên cứu của cuối thế kỉ 18 - đầu thế kỉ 19 cóảnh hưởng quyết định đến tiến trình phát triển sau này của khoa học Cơ bản là việc nghiên cứuba vấn đề quan trọng nhất: Mùn đất, khả năng hấp thụ của đất và lý thuyết về dinh dưỡngkhoáng của thực vật.

Trong số các vấn đề quan trọng nhất này phải kể đến công trình của F Ahard (1786) làngười đã nhận được dung dịch màu nâu thẫm khi tác động dung dịch kiềm vào đất và than bùn.Thêm axit sunfuric vào dịch chiết kiềm gây ra sự kết tủa màu đen Sau này người ta gọi chấtmàu đen đó là axit humic, còn phương pháp chiết rút nó do Ahard sử dụng với một vài cải tiếnvẫn còn được giữ đến ngày nay Khoảng mười năm sau L Vokelen đã chiết rút một hợp chấttương tự từ thân cây du già bằng cách tác động dung dịch kiềm vào nhựa của cây này Vàonăm 1807, T Tomson gọi chất này là ulmin (từ ulmus nghĩa là cây du).

Việc tiến hành các thực nghiệm tách và phân tích các hợp chất hữu cơ có màu nâu thẫmđặc trưng từ đất ở một mức độ nhất định gắn liền với học thuyết mùn dinh dưỡng của thực vậtdo nhà bác học Thuỵ Điển Y Vallerius đưa ra trong cuốn sách “Các cơ sở của hoá học nôngnghiệp” (1761) Ông cho rằng mùn là hợp chất dinh dưỡng chính đối với thực vật, còn cácphần cấu thành khác của đất chỉ tạo ra các điều kiện thuận lợi cho sự hấp thụ mùn của thựcvật Giáo sư của đại học tổng hợp Beclin A Teier cũng đi theo học thuyết này, nhưng sau cácnghiên cứu của Z B Bussengo ở Pháp và Iu Libikh ở Đức các nhà nông hoá học không còncông nhận thực vật có khả năng đồng hoá trực tiếp các hợp chất chất hữu cơ phức tạp của đất,mặc dù sau đó vấn đề này vẫn gây ra nhiều tranh cãi Các nghiên cứu của những năm 60-70của thế kỉ 20, với việc sử dụng các hợp chất mùn được đánh dấu C14 đã khẳng định khả năngthực vật hấp thụ các axit mùn có khối lượng phân tử cao qua hệ thống rễ.

Các nghiên cứu của Ahard và những người đồng thời với ông có ý nghĩa không chỉ có ýnghĩa về mặt nông học mà còn có ý nghĩa về hoá học đất Từ đầu thế kỉ 19 đã xuất hiện mộtloạt các nghiên cứu thực nghiệm các hợp chất hữu cơ đặc biệt còn ít được biết trong thời gianđó – các axit mùn mà người ta đã chiết được từ đất hoặc nước tự nhiên.

Các nghiên cứu tương tự về thành phần, độ hoà tan, tương tác của các axit mùn với cácmuối và amoniac đã được nhiều nhà khoa học thực hiện: Y Diobereiner (1822), K Shprengel(1826), I I Bertselius (1833), G Mulder và nhà nghiên cứu người Nga R German (từ1840-1860) Trong các thí nghiệm, nhiều nhà khoa học cũng đã nhận được các axit humic nhântạo (Bulle, Malaguti…).

Cũng cần nhấn mạnh rằng ở các thế kỉ 18 và thế kỉ 19 các vấn đề hoá học nông nghiệpvà nói riêng hoá học đất là trung tâm chú ý của nhiều nhà hoá học vĩ đại Trong số đó có I A.Bertselius, người đã nghiên cứu chi tiết các đặc tính của các axit mùn.

Ienx Iakov Bertselius (1779-1848) là nhà bác học nổi tiếng người Thụỵ Điển, mộttrong những nhà hoá học giỏi nhất thời đại của ông Ông là viện sĩ của nhiều viện hàm lâm,trong đó có viện hàn lâm khoa học Peterburxki (Nga) Bertselius đã sáng lập lý thuyết điện hoácủa các hợp chất hoá học, xác định khối lượng phân tử của khoảng 50 nguyên tố với độ chínhxác cao, xác nhận quy luật tỷ lệ bội và không đổi, thành lập bảng khối lượng nguyên tử, phátminh một số nguyên tố mới, đưa ra các phương pháp phân tích và dụng cụ mới cho nghiên cứu

hoá học Ông cũng đưa ra danh mục đề nghị các kí hiệu của các nguyên tố hoá học và phươngpháp viết các công thức hoá học cho đến nay vẫn được sử dụng với chút ít thay đổi Đối vớihoá học đất ông quan tâm nhiều nhất đến nghiên cứu khoáng vật Ông là người đầu tiên sửdụng thuật ngữ “silicat” đối với các khoáng vật có chứa silíc và đã nhận thấy tỷ lệ các oxit kimloại và silíc trong các silicat khác nhau và bằng 1:1, 1:2 và 1:3 Điều này đã cho phép chia cácsilicat thành ba nhóm lớn Phương pháp biểu thị thành phần khoáng vật theo số lượng các oxitcó trong khoáng vật do ông đề nghị đến nay vẫn không thay đổi Hướng quan trọng thứ hai đốivới thổ nhưỡng trong các công trình của Bertselius là nghiên cứu các axit mùn Từ nước tựnhiên ông đã tách ra được hai chất mới và đề nghị đặt tên cho chúng là axit “krenic” và“anokrenic”, còn từ gỗ đang phân giải ông tách được axit humic Trong “sách giáo khoa hoáhọc” (1839) Bertselius đã dành hẳn một chương lớn cho hoá học hợp chất mùn Ông nghiêncứu các quá trình biến đổi tàn dư thực vật thành mùn, mô tả đặc tính của các axit mùn táchđược và các hợp chất của chúng với kali, natri, amoni, bari, canxi, magiê, nhôm oxit, mangan,sắt, chì, đồng, thuỷ ngân và bạc.

Giai đoạn quan trọng thứ hai trong sự phát triển của hoá học đất thực nghiệm gắn liềnvới sự nghiên cứu khả năng trao đổi cation của đất Điền chủ người Anh G S Tompson đã xácđịnh rằng nếu rửa một cột đất bằng nước mà trước đó có thêm (NH4)2SO4, thì trong dungdịch chảy ra từ cột đất xuất hiện CaSO4 Các kết quả thí nghiệm đã được công bố năm 1850.Đồng thời Tompson cũng thông báo thí nghiệm của mình cho nhà hoá học của hội nông nghiệphoàng gia Dz T Uei Không chậm chễ, nhà hoá học này đã tiến hành các nghiên cứu thựcnghiệm vào năm 1850 và năm 1852 đã công bố các kết quả nhận được Uei đã đưa ra nhữngkết luận quan trọng sau đây:

(1) Các cation Na+, K+, NH4+ bổ sung vào trong đất dưới dạng các muối của các axitmạnh được đất hấp thụ và thay vào chỗ của chúng trong dung dịch xuất hiện số lượng tươngđương muối của canxi, có nghĩa là đã diễn ra phản ứng được mô tả bằng phương trình

trao đổi ion Vai trò của các công trình của Uei đối với sự phát triển sau này của khoa học lớnđến mức giáo sư trường đại học tổng hợp bang Kentukki (Mỹ) G Tomas đã gọi ông là “chacủa hoá học đất”.

Phát minh về sự trao đổi ion không ngay lập tức và hoàn toàn không được những ngườiđương thời đánh giá một cách đầy đủ Thậm chí cả nhà hoá học uyên bác, đầy kinh nghiệm nhưIu Libikh đã không công nhận các thí nghiệm đúng, khoảng 30 năm sau đó mới đạt được bướcmới trong nghiên cứu các quy luật trao đổi Vào năm 1887-1988 Van Bemmelen đã chỉ ra rằngcác cation, trừ Ca2+ có thể được tách ra khỏi đất bằng các dung dịch muối.

Iakob-Marten van Bemmelen (1830-1911) – nhà hoá học nổi tiếng người Hà Lan, mộttrong những người sáng lập ra học thuyết hấp phụ đã tiến hành những nghiên cứu sâu rộng hoáhọc các chất thiên nhiên, đã nghiên cứu đất và nước tự nhiên Trên cơ sở đặc tính của hệ thốngkeo nói chung Bemmelen cho rằng trạng thái vật lý của các hạt đất nhỏ có vai trò đặc biệttrong sự hình thành khả năng hấp thụ của đất Theo ông, trong các đất có chứa nhiều chất keovô định hình là những hợp chất có thành phần thay đổi, không phụ thuộc vào quy luật tỷ lượng.Bemmelen đã gọi loại hợp chất như vậy là hợp chất hấp phụ Ông cũng chỉ ra các silicat tươngtự zeolit, keo axit silisic, các hydroxit sắt, mùn, các tàn dư sinh vật là các đại diện cụ thể củakhả năng hấp thụ của đất.

Sự phát triển các hiểu biết về các đặc tính chua của đất thuộc về đầu thế kỉ 19 Vàonăm 1813 đã xuất bản cuốn sách của nhà hoá học người Anh Gemfr Devi (1778-1829), saunày là chủ tịch hội Hoàng gia Luân Đôn “Các cơ sở của hoá học nông nghiệp” Trong cuốnsách này Gemfr Devi đã nhấn mạnh vai trò đặc biệt của vôi Theo ông vôi hoà tan nguyên liệuthực vật, hơn nữa còn có tác dụng cải thiện các điều kiện dinh dưỡng của thực vật và thúc đẩyviệc tạo thành cấu trúc tốt cho đất Ông đã đề nghị phương pháp xác định cacbonat canxi trongđất bằng cách xử lý đất bằng axit, sau đó xác định canxi trong dịch chiết axit (bằng phươngpháp kết tủa), hoặc theo lượng khí cacbonic thoát ra Nhà nghiên cứu người Mỹ E Ruffin đãthử áp dụng phương pháp của Devi cho các đất của Mỹ và nhờ các thí nghiệm này ông đã rútra kết luận rằng: vai trò của bón vôi là trung hoà độ chua của đất Mặc dù cuốn sách củaRuffin “các nghiên cứu về phân bón có vôi” đã được xuất bản năm 1832, nhưng chỉ đến đầuthế kỉ 20 các nghiên cứu về độ chua đất mới được tiếp tục.

Sự phát triển khuynh hướng thứ ba của hoá học đất – lý thuyết dinh dưỡng khoáng củathực vật - gắn liền với tên tuổi của Iu Libikh Iuxtux Fon Libikh (1803-1873) đóng vai trò tolớn trong sự phát triển của hoá học đất lý thuyết và hoá học đất thực nghiệm Các nghiên cứucủa Libikh rất đa dạng; ông thường quan hệ với các chuyên gia trong lĩnh vực hoá hữu cơ vàngười ta cho rằng cống hiến của ông cho sự phát triển của hoá hữu cơ chỉ có thể so sánh vớivai trò của các công trình của Bertselius trong hoá học vô cơ Cùng với điều này, khó mà cóthể đánh giá dược hết vai trò của các công trình nghiên cứu của ông đối với sự phát triển củahoá lý, sinh hoá và nông hoá Libikh đã tiến hành nhiều phân tích thực vật và các thí nghiệm vềảnh hưởng của các muối kali và phốt phát đến sự phát triển của cây trồng trên đất cát Trongcuốn sách “Hoá học hữu cơ ứng dụng cho nông nghiệp và sinh lý” (1840) ông đã chỉ ra rằngcây trồng cần không chỉ khí cacbonic, oxi, hydro và nitơ còn cả phốt pho, kali, canxi, lưuhuỳnh, magiê, sắt và thậm chí cả silic Khi nghiên cứu các vấn đề nông hoá, Libikh không dừnglại chỉ giải quyết các vấn đề lý luận, mà trên cơ sở sự nấu chảy cacbonat kali và natri ông đãtạo ra phân nhân tạo Các loại phân bón đầu tiên do nhà máy sản xuất, thực tế, dường nhưkhông có hiệu quả Trong lĩnh vực nông hoá học, các công trình nghiên cứu của Libikh có ýnghĩa không chỉ đối với vấn đề dinh dưỡng khoáng của thực vật và bón phân mà còn có ảnhhưởng đến sự phát triển sau này các vấn đề sự huy động các nguyên tố dinh dưỡng khoáng của

Đầu tiên các nghiên cứu hệ thống bản chất của độ chua đất gắn liền với các công trìnhnghiên cứu được công bố của nhà nghiên cứu người Mĩ T P Veitr (1904) và nhà bác họcngười Nhật G Daikuhara về tương tác của đất chua với dung dịch muối trung tính NaCl (hoặcmuối tương tự) Bản chất của các phản ứng xảy ra khi này đến nay vẫn còn được tranh luận đãtừng tồn tại hai giả thuyết đối nghịch nhau giải thích bản chất của độ chua trao đổi Một giảthuyết là giả thuyết hydro trao đổi giải thích độ chua bằng sự có mặt của các ion hydro có khảnăng trao đổi và sự xuất hiện trong dịch chiết Al3+ gắn liền với phản ứng hoà tan sau đó cáchợp chất của nhôm Giả thuyết thứ hai - giả thuyết nhôm trao đổi mà bản chất của nó là côngnhận sự chiết trực tiếp Al3+ trao đổi và sự làm chua hoá sau đó dung dịch cân bằng do sự thuỷphân của các muối nhôm.

Những người ủng hộ giả thuyết hydro trao đổi trong những năm 1930-1950 bao gồmK K Gedroits X N Aleshin, N P Remezov Các nhà bác học A V Xokolov, H Kappen, K.Marshall… đã phát triển giả thuyết nhôm trao đổi Nghiên cứu cơ bản của vấn đề này đã đượcnhà bác học xô viết (Liên Xô) V A Trernov hoàn thành Cuốn sách “Về bản chất độ chuađất” (năm 1947) của ông đã quyết định hướng nghiên cứu tiếp theo được thực hiện trongnhững năm sau bởi các nhà khoa học nổi tiếng của nhiều nước Theo Trernov ion Al3+ traođổi chiếm ưu thế trong hầu hết các đất chua, ngược lại ion H+ trao đổi chiếm ưu thế trong cácđất giàu mùn và đất than bùn Quan điểm này, mặc dù còn tiếp tục được tranh cãi, trong thờigian hiện nay vẫn được phổ biến rộng rãi nhất.

Vấn đề độ chua đất được nghiên cứu không chỉ về mặt lý thuyết mà còn về mặt thựchành Đóng góp lớn nhất trong thực tế điều chỉnh độ chua của các đất nông nghiệp thuộc về D.L Axkinazi - một trong những người khởi xướng việc bón vôi cho đất và là tác giả đầu tiêncủa quy phạm bón vôi ở Liên Xô Ông là người đầu tiên xác định ảnh hưởng của pH đến dungtích hấp thụ và chỉ ra rằng bón vối ảnh hưởng đến chế độ phốt phát của đất Sự phát triển tiếptheo các vấn đề độ chua đất gắn liền với các vấn đề cấp bách hiện nay là độc thực vật và vấnđề sinh thái được trình bày trong chuyên khảo của các nhà bác học người Bungari T Palaveevvà T Totev “Độ chua đất và các phương pháp khắc phục” (1983).

Các nghiên cứu về khả năng hấp thụ của đất gắn liền với tên tuổi của A N Xabinin(1847-1920)- trưởng bộ môn nông học, đại học tổng hợp Maxcova Lĩnh vực khoa họcXabinin quan tâm rất rộng Ông đã nghiên cứu thành phần các hạt, chế độ nhiệt của đất, axithumic Năm 1908 ông đã công bố bài báo về khả năng hấp thụ của đất, chia thành ba dạng hấpthụ: Hoá học, lý học và lý hoá học Sau đó, sự phân loại này đã được K K Gedroits phát triển.Xabinin cũng đưa ra không ít các phương pháp nghiên cứu đất Các phương pháp phân tíchthành phần cơ giới và hàm lượng mùn trong đất hiện nay là được cải biên từ các phương phápphân tích do Xabinin đề nghị.

Sự phát triển tiếp theo của các nghiên cứu trong lĩnh vực nghiên cứu keo đất và khảnăng hấp thụ của đất gắn liền chặt chẽ với tên tuổi của viện sĩ K K Gedroits KonxtantinKaetanovitr Gedroits (1872-1932) là nhà bác học, nhà nông hoá học, nhà lý hoá học, nhà thổnhưỡng học xô viết nổi tiếng đã tạo ra các cơ sở hoá học và phân tích hoá học đất Các nghiêncứu đất của ông đều hướng tới nắm vững đất để điều khiển các đặc tính của nó, nâng cao độphì nhiêu đất và năng suất cây trồng.

Năm 1922 ông đã xuất bản cuốn sách “Học thuyết về khả năng hấp thụ của đất” quyếtđịnh phương hướng phát triển của lý hoá học đất và có ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển củakhoa học thế giới Gedroits cũng đóng vai trò to lớn trong việc đánh giá nhu cầu của đất vềphân bón, mức độ dễ tiêu của các nguyên tố khác nhau đối với thực vật và biện pháp cải tạohoá học đất.

Năm 1925 ông đã đưa ra các nguyên tắc phân loại đất trên cơ sở thành phần cation hấpthụ, đã soạn thảo giả thuyết lý hoá học phát sinh các đất solonet Các kết quả nghiên cứu củaGedroits về ảnh hưởng của các cation trao đổi trong đó có các nguyên tố vi lượng đến thực vậtlà cơ sở phương pháp luận cho nghiên cứu sau này về các nguyên tố vi lượng và định mức kimloại nặng trong đất.

Gedroits đã đóng góp rất nhiều cho sự phát triển phân tích hoá học đất Năm 1923 ôngđã cho xuất bản sách “Phân tích hoá học đất” – cuốn sách dược sử dụng rộng rãi trong cácphòng thí nghiệm đất và nông hoá Năm 1929 ông được bầu là viện sĩ viện hàm lâm khoa họcLiên Xô và trở thành viện trưởng viện Thổ nhưỡng (Liên Xô) Vì uy tín khoa học của ông nổitiếng trên toàn thế giới nên ông đã được bầu là chủ tịch hội Thổ nhưỡng quốc tế.

Trong những năm đầu tiên của thế kỉ 20 nhà bác học Thuỵ Sĩ G Vigner (1833-1935)và nhà bác học Thuỵ Điển S E Mattson (1886-1945) đã đóng góp rất nhiều cho lý thuyết hoákeo đất và sự trao đổi ion Các quan điểm của Vigner và Mattson có ảnh hưởng sâu sắc đến sựphát triển của hoá học đất và trong một thời gian dài là quan điểm phổ biến nhất trong các vấnđề hoá keo và sự trao đổi cation trong đất.

Trong các năm 30-40 của thế kỉ 20, các nhà khoa học tăng cường nghiên cứu khả nănghấp thụ của đất gắn liền với việc mở rộng sử dụng các loại phân khoáng, sử dụng và cải tạo cácđất solonet và đất bị mặn hoá, tìm tòi các phương trình mô tả quy luật trao đổi cation trongđất Các nhà bác học xô viết E N Gapon, I N Antipov-Karataev, B P Nikolxki có nhiềuđóng góp trong giải quyết các vấn đề này Sự quan tâm lớn hơn được giành cho phân tích lýhoá học các quá trình và sử dụng các phương pháp động thái nhiệt hoá học cho những nghiêncứu tiếp theo các vấn đề khả năng hấp thụ của đất và khoáng vật đất Đóng góp lớn nhất choxu hương này có các nhà bác học xô viết: N I Gorbunov, M B Minkin E A Xokolenko, Ia.A Patrepxki, L A Vorobieva và nhiều nhà bác học người Mỹ: U L Lindsei, G Sposito, K.X Tan.

Trong những năm 30 của thế kỉ 20 bắt đầu phát triển học thuyết về các quá trình oxihoá khử trong đất Những nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên trong xu hướng này do N P.Remezov (1899-1961) thực hiện Ông còn quan tâm đến nhiều vấn đề khác: Phát sinh học đấtvà chu trình sinh học các nguyên tố, độ chua và tính đệm của đất, bón vôi và đặc tính oxi hoákhử của đất, thành phần chất hữu cơ và cation trao đổi trong các loại đất ở Liên Xô Ngoài raông còn cho xuất bản cuốn sách “Mô tả các phương pháp mới phân tích đất” (năm 1955) vàchuyên khảo “Keo đất và khả năng hấp thụ của đất” (năm 1957) Các nghiên cứu quá trình oxihoá khử của đất trong những thập kỉ sau này của Remezov với quy mô đặc biệt rộng gắn liềnvới sự phát triển của các biện pháp tưới, tiêu, các nghiên cứu đất lúa ngập nước và đất của cáccánh đồng có tưới Hai khía cạnh chính của vấn đề này được nghiên cứu.

Khía cạnh thứ nhất là phân loại chế độ oxi hoá khử, ảnh hưởng của chúng đến các đặctính của đất và vai trò của các điều kiện khử đến sự phát triển của quá trình tích tụ-glây Giáosư học viện nông nghiệp mang tên Timiriazev I X Kauritrev và các học trò của ông đã đưa racách giải quyết về lý thuyết đầu tiên trong hướng này dựa trên cơ sở các thực nghiệm đồngruộng và thí nghiệm được thự hiện từ năm 1947.

Khía cạnh thứ hai của vấn đề oxi hoá khử của đất gắn liền với ảnh hưởng của các chếđộ oxi hoá khử đến trạng thái và sự biến đổi các hợp chất của các nguyên tố hoá học có hoá trị

thay đổi trong đất được nghiên cứu bởi các nhà bác học xô viết và nước ngoài khác như G.Briumer, S V Zon, F Ponnamperuma, U Patric, D Makleod, I P Xerdobolxki, U.Lindsei…

Cùng với các vấn đề lý hoá học đất, các vấn đề hoá học, sinh hoá học chất hữu cơ đấtcũng được nghiên cứu nhiều vào nửa đầu của thế kỉ 20 Các nghiên cứu này được tiến hànhtheo nhiều xu hướng khác nhau Hai nhà bác học người Mỹ O Shreiner và E Shori vào năm1908 đã nhận dạng được trong thành phần một tập hợp các hợp chất hữu cơ riêng biệt, trongsố đó có các gluxit, axit hữu cơ, andehit, lipit và nhiều chất khác Tổng số họ đã tìm được hơn40 hợp chất khác nhau Đại diện cho một hướng nghiên cứu khác là S Oden gắn liền vớinghiên cứu các đặc tính hoá keo của hợp chất mùn trong khoảng thờI gian từ 1912-1914 Sauđó ít lâu, giáo sư trường đại học tổng hợp Maxcơva V V Gemmerling đưa ra giả thuyết gốcvề tính đa phân tán được chứng minh bằng các dạng keo khác nhau và giải thích màu sắckhông giống nhau của các axit mùn được tách từ các đất khác nhau bằng mức độ phân tán củachúng Tư tưởng của V V Gemmerling được khẳng định bằng thực nghiệm trong những năm1950-1960, ví dụ như đã xác được sự phụ thuộc của màu sắc của các axit mùn vào khối lượngphân tử của chúng Các quan điểm lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm về nguồn gốc các hợpchất mùn đã được trình bày và thực hiện trong phần tư đầu của thế kỉ 20 gắn liền với tên tuổicủa các nhà bác học: L Maiard, A G Truxov, A A Shmuk, E P Troitski, A N Xabanin, F.Fisher và G Shrader.

Nghiên cứu mùn đất diễn ra rất mạnh trong những năm 1940-1950 đến nay dưới ảnhhưởng viện sĩ I V Tiurin và các học trò của ông Ivan Vladimirovitr Tiurin (1892-1962) –Nhà thổ nhưõng-di truyền học và nhà thổ nhưỡng-hoá học Xô viết vĩ đại Ông đã tạo ra hệthống hoàn chỉnh các quan điểm về chất hữu cơ đất, nghiên cứu các phương pháp xác định cáchợp chất hữu cơ của cacbon và nitơ trong đất, xác định mùn theo Tiurin là một trong nhữngphương pháp chủ yếu hiện nay và được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm Nghiêncứu mùn đất của Tiurin gắn liền chặt chẽ với các nhiệm vụ thực tiễn của sản xuất nông nghiệp.Tiurin và các học trò của ông đã xây dựng học thuyết về thành phần nhóm và phân đoạn củamùn, là những người đầu tiên đưa ra các đặc điểm chất lượng của mùn đất.

Từ năm 1940 đến 1950 ba xu hướng cơ bản được hình thành trong nghiên cứu mùn đấtlà: Sinh thái-sinh hoá, phân tích cấu trúc và tổng hợp Xu hướng tổng hợp được đặc trưng bởitìm kiếm cách tổng hợp các axit humic từ các hợp chất monome đơn giản: Phenol, quinon,đường đơn, aminoaxit Đại diện cho xu hướng này là nhà bác học người Đức V Fliaig Xuhướng phân tích cấu trúc được đặc trưng bởi các nghiên cứu sâu về thành phần và cấu trúc củacác chế phẩm của các axit mùn chiết được từ đất Đóng góp to lớn cho sự phát triển của xuhướng này có nhiều nha bác học: A A Shmuk, X X Dragunov, V I Kaxatotrkin, T A.Kukharenko, L N Alekxandrova (Liên Xô) V Fliaig, G Beitelshpaher (cộng hoà liên bangĐức), G Felbek, V Forsit (mỹ), M Shnittser (Canađa), T Haaisi, T Nagai, K Kumada (NhậtBản)…Xu hướng sinh thái-sinh hoá học nghiên cứu các quá trình chuyển hoá các tàn dư hữucơ và các hợp chất mùn và ứng dụng các thành tựu của hoá học đất cho mục đích này Thànhtựu quan trọng nhất trong xu hướng này là hai giả thuyết hình thành axit humic do M M.Kononova và L N Alekxandrova đưa ra Các thành công trong nghiên cứu chất hữu cơ củađất trong giai đoạn 1940-1980 gắn liền với ba nhà bác học nổi tiếng của Liên Xô: M M.Kononova, V V Ponomareva và L N Alekxandrova.

Trong những năm 1970-1980 nhiều nhà khoa học Xô Viết đã tham gia vào các nghiêncứu mùn đất như: I D Komixxarov, D X Orlov, L A Grishina, M I Dergatreva, T A.Plotnikova Nhiều công thức mới của axit humic đã được đưa ra và người ta đã tìm cách giảiquyết vấn đề các thông số của hợp chất humic Trong những năm này hợp chất humic được sự

quan tâm của các nhà khoa học: Địa chất học, đại dương học, hoá học, nông học, y học vànhiều chuyên gia trong các lĩnh vực khác.

Một trong những vấn đề nghiên cứu của hoá học đất được phát triển đáng kể trongnhững năm cuối thập kỉ 40 và những năm đầu thập kỉ 50 của thế kỉ 20 là vấn đề nguyên tố vilượng Các công trình nghiên cứu vấn đề vi lượng gắn liền với tên tuổi của các viện sĩ Xô Viết:V I Vernadxki, A P Vinogradov, K K Gedroits và Ia V Peive.

Các thành công trong nghiên cứu các nguyên tố vi lượng ở một mức độ đáng kể đượctạo nên do việc áp dụng rộng trong thổ nhưỡng các phương pháp phân tích nhanh Sự hoànthiện các kỹ thuật nghiên cứu được bắt đầu từ những năm 40 và tăng nhanh trong các năm50-60 của thế kỷ 20 Trong nghiên cứu thổ những đã ứng dụng các phương pháp phân tích cựcphổ, quang phổ, phổ phát xạ, phổ hấo thụ nguyên tử, phân tích rơn gen-huỳnh quang…

Sự phát triển như vũ bão của công nghiệp, giao thông vận tải, việc sử dụng rộng rãiphân bón, các chất độc hoá học đã đặt cho hoá học đất một nhiệm vụ mới Nhiệm vụ này trởnên đặc biệt nghiêm trọng vào những năm từ 1960-1970 (ở các nước phát triển) và hiện nay ởnhững nước đang phát triển như nước ta Đó là vấn đề ô nhiễm có nguồn gốc từ công nghệ hoáhọc xung quanh môi trường, trong đó có đất Trong số các chất gây ô nhiễm đất có các sảnphẩm cháy của các nhiên liệu khác nhau, các khí thải của các xí nghiệp, nhà máy sản xuất côngnghiệp, nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt, sự rửa trôi các thành phần của phân bónvà nhiều nguyên nhân khác Hiện nay các nhà khoa học đang tập trung tìm tòi các cách ngănngừa tác động độc hại của các chất ô nhiễm đến năng suất, chất lượng của sản phẩm, nghiêncứu các biện pháp cải tạo đất bị ô nhiễm.

Nhìn chung, sự phát triển của hoá học đất từ 1900 đến 1980 có thể nhận thấy như sau:Thời kì này đã hình thành các luận điểm cơ bản của hoá học đất, nghiên cứu chi tiết thành phầnhoá học của các loại đất chính, thành phần của nhóm hạt bùn của chúng, xác định cấu trúc tinhthể của các khoáng vật của nhóm hạt mịn phân tán và xác định thành phần khoáng vật của đất.Đã làm sáng tỏ các quy luật quan trọng của sự trao đổi cation, sự hấp thụ phốt phát của đất,khám phá bản chất và các dạng độ chua đất, nghiên cứu thành phần dung dịch đất Đã nêu rõquy luật mùn hoá, làm rõ tính không đồng nhất về chất lượng của mùn ở các loại đất khácnhau, đã phát hiện các nguyên tố quan trọng nhất của cấu trúc axit mùn Cuối cùng, đã hìnhthành hệ thống các phương pháp phân tích hoá học và định rõ đặc tính hoá học của đất Nhữngvấn đề hoá học đất này không chỉ do các nhà hoá học mà còn do nhiều chuyên gia trong cáclĩnh vực phát sinh học đất, địa lý, nông hoá và nông học thực hiên.

2 Hoá học đất ngày nay, nội dung và nhiệm vụ của nó

2.1 Hoá học đất là khoa học có nhiệm vụ giải quyết các vấn đề có liên quan đến phát

sinh, các đặc tính và sử dụng đất Vì vậy hoá học đất chính là một phần của thổ nhưỡng họcnghiên cứu các cơ sở hoá học của quá trình hình thành đất và độ phì nhiêu của đất Nghiên cứuthành phần, các đặc tính của đất và các quá trình diễn ra trong đất ở các mức độ phân tử, ionvà keo là cơ sở để giải quyết các vấn đề này Đồng thời hoá học đất cũng tham gia vào việcnghiên cứu nhiều vấn đề khác có liên quan đến một số các khoa học: thổ nhưỡng học, sinh tháihọc, địa chất học, sinh địa hoá học, hoá học hữu cơ và hoá học vô cơ

2.2 Đối tượng nghiên cứu của hoá học đất là đất tự nhiên bao gồm các thành phần vô cơ,

hữu cơ, hữu cơ-vô cơ của đất, cũng như các phản ứng và các quá trình diễn ra trong đất.

2.3 Hoá học đất sử dụng các phương pháp địa lý so sánh, phẫu diện - phát sinh cũng như

các phương pháp và các chỉ tiêu đặc trưng cho các đặc tính đặc biệt của đất như: thành phầnmùn, sự phân bố theo phẫu diện của các nguyên tố, sự phân bố các nguyên tố theo nhóm diđộng và mức độ dễ tiêu đối với cây trồng, khả năng nitrat hoá

2.4 Giải quyết đúng đắn vấn đề hoá học đất trong hệ thống các khoa học có ý nghĩa

phương pháp luận rất quan trọng vì nó quyết định con đường phát triển của hoá học đất, vaitrò của nó trong việc giải quyết các nhiệm vụ của nền kinh tế quốc dân.

2.5 Ngày nay hoá học đất được chia thành bốn hướng chính: hoá học các chất của đất,

hoá học các quá trình của đất, các cơ sở hoá học của độ phì nhiêu đất và hoá học phân tích đất.Nội dung cụ thể của các hướng này bao gồm:

+ Các quá trình hoá học phân hoá phẫu diện đất.

+ Sự di động và tích luỹ các hợp chất hoá học trong đất.

+ Sự phụ thuộc của các đặc tính và thành phần của đất vào các điều kiện thuỷ nhiệt vàsinh học.

* Các cơ sở hoá học của độ phì nhiêu đất:

+ Trữ lượng các nguyên tố dinh dưỡng: trữ lượng tổng số, nguồn dự trữ các nguyên tốdinh dưỡng.

+ Cân bằng các nguyên tố dinh dưỡng: cân bằng các nguyên tố trong đất hoang, cânbằng các nguyên tố trong đất nông nghiệp.

+ Các cơ sở hoá học của tính di động và mức độ dễ tiêu của các nguyên tố dinh dưỡngđối với thực vật, dạng các hợp chất và tính di động của chúng, các cơ sở động thái nhiệt củatính di động và mức độ dễ tiêu của các nguyên tố.

+ Các biện pháp hoá học điều chỉnh độ phì nhiêu đất.* Hoá học phân tích đất

+ Các phương pháp nhận dạng và xác định số lượng các nguyên tố và chất (các phươngpháp thông thường).

+ Các phương pháp đo các đặc tính của đất: xác định pH, đo thế năng oxy hoá, xác địnhcác đặc trưng hoá keo.

+ Các phương pháp xác định các chỉ tiêu đất đặc trưng: thành phần nhóm và phân đoạncủa mùn, các cation trao đổi, thành phần nhóm của các cấu tử vô cơ, các dạng độ chua vàkiềm của đất.

Câu hỏi ôn tập

1 Sơ lược phát triển của hoá học đất

2 Hoá học đất ngày nay, nội dung và nhiệm vụ của nó

Chương 1

THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA ĐẤT1.1 Thành phần nguyên tố

1.1.1 Chu trình vận chuyển của các nguyên tố trong tự nhiên

+ Đất là lớp tơi xốp được tạo ra ở trên mặt của vỏ trái đất dưới tác động của các quátrình phong hoá bắt nguồn từ các hiện tượng sinh học, địa chất và nước Đất không giống đádù là đá đã bị phong hoá sâu sắc, vì ở đất xuất hiện sự phân tầng gần như theo chiều thẳngđứng xảy ra do tác động liên tục của sự thấm nước và các hoạt động sống của sinh vật.

Đứng trên quan điểm hoá học, đất là hệ sinh địa hoá học mở đa thành phần, bao gồm

Hình 1.1 Các thành phần kho chứa các nguyên tố (hình chữ nhật) và thành phần vận

chuyển (hình elíp) trong chu trình toàn cầu của một nguyên tố hoá học H Sigel,1986.

các chất rắn, chất lỏng và các chất khí Đất là hệ thống mở có nghĩa là đất trao đổi cả vật chấtlẫn năng lượng với khí quyển, sinh quyển và thuỷ quyển xung quanh Những dòng vật chất vànăng lượng này đến đất hoặc từ đất đi thay đổi mạnh về thời gian và không gian nhưng chúnglà những dòng chủ yếu dẫn đến sự phát triển của các phẫu diện đất và chi phối độ phì nhiêucủa đất.

Bảng 1.1 Các thành phần vận chuyển toàn cầu (hình 1.1) của một vài nguyên tố hoá

ROAO

b- F J Stevenson, 1986.

c- B Bolin và R B Cook, 1983.d- O Nriagu, 1978.

e- O Nriagu, 1979.

- Vì là hệ thống mở, đất đã trải qua những biến đổi hoá học, sinh học liên tục, chínhnhững sự biến đổi này đã gắn liền đất theo các qui luật tự nhiên với khí quyển và thuỷ quyểnnhư minh hoạ ở hình 1.1

+ Chúng ta hình dung vũ trụ là kho chứa các nguyên tố trong đó đất đai (land), sông(river), đại dương (ocean), khí quyển (atmosphere) là các bộ phận của kho Sự vận chuyển vậtchất giữa 4 bộ phận của kho được trình bày trong hình theo những mũi tên chỉ, trong đó vậnchuyển từ khí quyển đến đất (AL), vận chuyển từ đất đến sông (LR), vận chuyển này thườngbằng những vận chuyển từ sông đến đại dương (RO), vận chuyển từ khí quyển đến đại dương(AO), vận chuyển từ đại dương đến khí quyển (OA) và vận chuyển từ đất đến khí quyển (LA).Quy mô của những thành phần vận chuyển này trên phạm vi toàn cầu được ước tính như số liệutrình bày ở bảng 1.1 đối với 6 nguyên tố hoá học quan trọng có trong đất.

Số liệu trong bảng cho biết khối lượng của một nguyên tố đã vận chuyển mỗi năm từbộ phận kho này đến bộ phận kho khác trên phạm vi toàn thế giới.

Với oxy, dạng hoá học của nguyên tố này có số lượng vận chuyển lớn nhất là nước, sốliệu trong bảng 1.1 có liên quan với pha lỏng này Vì vậy thành phần vận chuyển đối với oxyđược dẫn trong bảng này thực tế giống như chu trình nước toàn cầu Chú ý rằng, sự vậnchuyển đến và đi khỏi đại dương đóng vai trò chủ yếu trong chu trình này (AO và OA) và chutrình được cân bằng AL = LA + LR = LA + RO, AO + RO = OA…

Với cacbon tổng số, các tiểu chu trình liên quan với các vận chuyển đât-đại dương (ALvà LA) và đại dương-khí quyển (OA và AO) có xu hướng cân bằng tách biệt nhau, bởi vì chỉcó một phần tương đối nhỏ của cacbon này bị đưa ra biển Khoảng 6% vận chuyển LA hiện tạido đốt nhiên liệu hoá thạch và phá rừng trên phạm vi toàn cầu gây ra Sự chênh lệch tương đốinhỏ giữa AO và OA có ý nghĩa khá lớn và phản ánh sự tích tuỹ của cacbon trong các cặn củađáy đại dương.

Đối với lưu huỳnh, có một thành phần lớn của vận chuyển LA (70%) được tạo ra do sựđốt cháy và các quá trình chịu tác động của con người khác và sự tăng lên của vận chuyển ALphản ánh sự lắng đọng axit Sự phong hoá cung cấp cho thành phần RO đáng kể và sự chênhlệch giữa OA và (AO + RO) chứng tỏ sự tích luỹ lưu huỳnh trong cặn của đại dương.

Chu trình phốt pho giống như chu trình của bất kỳ nguyên tố hoá học tương đối khótan nào trong đất bị chi phối bởi sự vận chuyển của các dạng hạt từ sông ra biển (RO) và từ đấtđến khí quyển (LA) Đại dương đóng vai trò như một đầm lầy lớn chứa đựng các cặn lắng,bằng chứng là sự chênh lệch vô cùng lớn giữa (RO + AO) và OA Chu trình chì cũng có có cácđặc điểm tương tự, nhưng có điểm đặc biệt là 90% của thành phần LA có nguồn gốc từ cáchoạt động công nghiệp và khai thác mỏ của con người Nguyên tố độc này đặc trưng cho sựrủi ro môi trường quan trọng nhất trên phạm vi toàn cầu Đồng theo một viễn cảnh như chì vớikhoảng 80% của thành phần LA có nguồn gốc do tác động của con người và với một lượngkhổng lồ ở dạng hạt đổ ra biển, ở đó chúng được tích luỹ trong các cặn đại dương.

1.1.2 Đặc điểm của thành phần nguyên tố của đất

+ Khác với sinh vật và đá, khoáng vật Sinh vật được tạo thành từ các nguyên tố chủyếu: C, N, H, P, S Đá và khoáng vật chứa ít nhất 2 nguyên tố Đất chứa tất cả các nguyên tốtự nhiên theo bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev

+ Thành phần nguyên tố của đất phụ thuộc vào loại đất, thành phần cấp hạt, độ sâutầng đất, các đặc tính đặc biệt của các nguyên tố hoá học (ví dụ: đất có thành phần cơ giới nhẹcó hàm lượng Si cao, hàm lượng các nguyên tố khác giảm thấp, trừ oxy; CaCO3 có nhiềutrong đất không bị rửa trôi và đất phát triển trên đá vôi; ở đất đỏ và đất đỏ vàng hàm lượng Fevà Al tăng cao

1.1.3 Vai trò của thành phần nguyên tố

+ Dùng để đánh giá chiều hướng và kết quả của quá trình hình thành đất, dựa vàothành phần nguyên tố người ta có thể chia đất thành các tầng phát sinh khác nhau (ví dụ, tầngmùn thường có hàm lượng C, N, P cao hơn các tầng khác) Thành phần nguyên tố là dấu hiệuchẩn đoán, nhận dạng các tầng phát sinh.

+ Dùng để đánh giá độ phì tiềm tàng của đất Đất có hàm lượng N cao là đất có độ phìcao, đất tích luỹ nhiều Cl- là đất bị mặn nhiều, không thuận lợi cho sinh trưởng của cây trồng.Thực vật chỉ có thể sử dụng được một phần các nguyên tố dinh dưỡng trong đất Các nguyêntố này có trong các hợp chất aluminsilicat, các muối khó tan, các hợp chất hữu cơ Khi các hợpchất này bị phá huỷ một phần hay toàn bộ cấu trúc ban đầu sẽ chuyển sang dạng các hợp chấtdễ tan hơn cây trồng có thể sử dụng được Ví dụ: đất chernozem điển hình của nước Nga, ởlớp đất mặt 0 - 20 cm trữ lượng N có thể đạt 6 - 11 tấn/ha, P: 1,6 - 4,5 tấn/ha, K: 40 - 60tấn/ha; nếu trồng lúa mì với năng suất 3 tấn/ha, đất có thể cung cấp N cho cây lúa mì trongkhoảng từ 60 - 105 năm, P: 85 - 250 năm và K: 530 - 870 năm.

+ Nghiên cứu và chọn lựa các phương pháp phân tích: mỗi loại đất có chứa một tậphợp các nguyên tố, thêm vào đó hàm lượng của chúng dao động rất lớn, có thể từ hàng chục %đến 10-9 - 10-10 % Nhiều nguyên tố có trong đất có tác dụng ngăn cản lẫn nhau khi phân tíchhoá học, giữa các nguyên tố gây cản và nguyên tố cần xác định thường có những chuyển biếnbất lợi, vì vậy khi phân tích hoá học người ta thường hay sử dụng phương pháp cô đặc hoặccác phương pháp khác để tách nguyên tố cần xác định khỏi các nguyên tố cản khác.

1.1.4 Phân nhóm các nguyên tố: người ta có thể phân nhóm các nguyên tố theo nhiều cách:

* Dựa vào hàm lượng tuyệt đối của các nguyên tố trong đất, người ta chia các nguyêntố thành các nhóm:

+ Nhóm 1: gồm Si và O2 chiếm hàm lượng cao nhất, có thể tới vài chục phần trăm.Khối lượng cả nhóm chiếm 80 - 90 % khối lượng đất.

+ Nhóm 2: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng ở trong đất dao động từ 0,1 đến vài% như các nguyên tố: Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C.

+ Nhóm 3: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng trong đất dao động từ vài phần trămđến vài phần nghìn như: Ti, Mn, P, S, H.

+ Nhóm 4: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng trong đất dao động từ n x 10-10 đếnn x 10-3 % như: Ba, Sr, B, Rb, Cu, Co, Ni

Các nguyên tố của 2 nhóm đầu được gọi là các nguyên tố đa lượng Các nguyên tốthuộc nhóm 4 được gọi là các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng Các nguyên tố của nhóm 3là các nguyên tố chuyển tiếp Việc phân loại trên trong một số trường hợp chỉ có tính chất ướclệ, phụ thuộc vào hàm lượng của nguyên tố đó trong đất và trong thực vật Thông thườngnhững nguyên tố vi lượng là những nguyên tố có trong cơ thể sinh vật ở một lượng nhỏ nhưngchúng lại thực hiện những chức năng sinh lý rất quan trọng Một số nguyên tố trong trườnghợp này là nguyên tố đa lượng, trong trường hợp khác lại là nguyên tố vi lượng Ví dụ: Catrong đất là nguyên tố đa lượng (0,3 – 5,0 %) nhưng trong cơ thể sinh vật nó thể hiện chứcnăng của nguyên tố đa lượng khi tham gia vào cấu tạo của thành vách tế bào, còn khi tham giavào thành phần của men amilaza nó thể hiện vai trò của nguyên tố vi lượng Đối với Fe và Mgở trong đất chúng là nguyên tố đa lượng (Fe = 0,5 – 6,0 %, Mg = 0,1 – 2,0 %) nhưng đối vớisinh vật chúng là các nguyên tố vi lượng điển hình tham gia vào thành phần của hemoglobin vàchlorophyl.

Bảng 1.2.a Hàm lượng trung bình của một số nguyên tố trong đất

* Phân loại địa hoá: chia các nguyên tố của vỏ trái đất thành 4 nhóm chính:

+ Litophyl: bao gồm các nguyên tố có ái lực hoá học mạnh với oxy hình thành cáckhoáng vật loại oxyt và hydroxit hoặc muối của các a xít vô cơ như: Si, Ti, S, P, F, Cl,

+ Khancophyl: bao gồm các nguyên tố có khả năng kết hợp với lưu huỳnh để tạo thànhcác hợp chất khác nhau như: Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn,

+ Xiderophyl: bao gồm những nguyên tố có khả năng hoà tan trong sắt và tạo thànhhợp kim với sắt như: Pt, Sn, Mo,

+ Atmophyl: gồm các nguyên tố có trong khí quyển như: H, N, O, He * Phân loại các nguyên tố theo con đường di động của chúng trong tự nhiên

Bảng 1.2.b Hàm lượng trung bình của một số nguyên tố trong đất

Nguồn: M B Kyrkhem, 1979, trích từ Hoá học đất, D S Orlov, 1992.

A.I Perelman đã chia các nguyên tố thành 2 nhóm: nhóm di động khí và nhóm di động nước.+ Nhóm di động khí: gồm các nguyên tố thụ động (khí trơ) như: He, Ne, Ar, Kr,Xe, và các nguyên tố chủ động là những nguyên tố có khả năng hình thành các hợp chất hoáhọc trong điều kiện sinh quyển như: O, H, C, I.

+ Nhóm các nguyên tố di động theo nước: được chia thành những nhóm phụ theo tínhdi động trong tự nhiên và theo ảnh hưởng của điều kiện oxy hoá khử đến tính di động của cácnguyên tố:

- Các nguyên tố di động mạnh và rất mạnh: Cl, Br, S, Ca, Na, Mg, F, - Các nguyên tố di động yếu: K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, Si, P, Sn,

- Các nguyên tố di động trong môi trường glây, khử: Fe, Mn, Co

- Các nguyên tố di động và di động yếu trong môi trường glây và oxy hoá và trơ trongmôi trường H2S khử: Zn, Cu, Ni, Cd, Pb.

- Các nguyên tố nhóm lantan ít di động trong tự nhiên: Al, Ti, Cr, Bi * Phân nhóm theo mức độ sinh vật sử dụng:

+ Nguyên tố được sinh vật sử dụng cực đại: C+ Nguyên tố được sinh vật sử dụng cao: N, H.

+ Nguyên tố được sinh vật sử dụng trung bình: O, S, P, B, + Nguyên tố được sinh vật sử dụng ít: Fe, Al.

1.2 Thành phần pha của đất

Tập hợp các phần đồng thể của một hệ dị thể có thành phần và các đặc tính động tháinhiệt giống nhau không phụ thuộc vào khối lượng được gọi là pha Đất được coi là một hệthống ba pha: pha rắn, pha lỏng và pha khí.

1.2.1 Các pha rắn trong đất

+ Vật chất rắn chiếm khoảng 1/2 đến 2/3 khối lượng đất Trong vật chất rắn này cótrên 90 % là các hợp chất vô cơ, trừ các đất than bùn và đất được bón nhiều phân chuồng, ở đósố lượng chất hữu cơ có thể chiếm > 50 % khối lượng của chất rắn.

+ Các pha rắn vô cơ trong đất thường xuyên ở trạng thái biến đổi từ cấu trúc nguyên tửkhông đều, không đồng nhất sang cấu trúc đều, đồng nhất hơn do kết quả của các quá trìnhphong hoá.

Một số pha rắn có thành phần khá đồng nhất (các khoáng vật) trong đất đã được nhậndạng Bảng 1.3 liệt kê những khoáng vật phổ biến nhất.

Hai nguyên tố có nhiều nhất trong đất là ôxi và silíc, chúng kết hợp với nhau để hìnhthành 15 silicát phổ biến được liệt kê trong bảng 1.3 Sáu silicát đầu tiên trong bảng này là cáckhoáng vật nguyên sinh Liên kết Si-O trong các khoáng vật này cộng hoá trị nhiều hơn vàmạnh hơn các liên kết kim loại-ôxi điển hình Độ bền vững tương đối của các khoáng vật nàyđối với các quá trình phong hoá liên quan chặt chẽ với tỷ số mol Si/O của đơn vị cấu trúcsilicat cơ bản của khoáng vật Tỷ số này càng lớn có nghĩa là càng ít cần kết hợp với các cationkim loại hơn vào cấu trúc khoáng vật để trung hoà điện tích của anion ôxi, khoáng vật sẽchống chịu với tác động phá huỷ của môi trường đất tốt hơn Đối với 6 silicát đầu tiên trongbảng 1.3, các tỷ số mol Si/O của các đơn vị cấu trúc cơ bản như sau: 0,50 (thạch anh vàfenspat, SiO2); 0,40 (mica, Si2O5); 0,36 (amphibol, Si4O11); 0,33 (pyroxen, SiO3) và 0,25

(olivin, SiO4) Theo thứ tự giảm dần của tỷ số mol Si/O tương tự cũng quan sát thấy thứ tựgiảm dần của sự chống chịu với phong hoá hoá học trong các nhóm hạt cát và limon của đất.

Các khoáng vật epidot, tuốcmalin, zircon, rutin có khả năng chống chịu cao đối với sựphong hoá của môi trường đất.

Các khoáng vật từ kaolinit đến thạch cao được gọi là các khoáng vật thứ sinh, chúng làkết quả của quá trình phong hoá các khoáng vật nguyên sinh.

+ Các chất hữu cơ đặc biệt là các hợp chất mùn cũng là một thành phần quan trọng củapha rắn của đất Các chất mùn có cấu tạo phức tạp, có màu đen, được hình thành do sự chuyểnhoá các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật Hai hợp chất mùn được nghiên cứu nhiều nhất là a xíthumic và a xít fulvic.

+ Các nguyên tố vết trong đất cũng là một trong những thành phần quan trọng của pharắn Nguyên tố vết là nguyên tố hoá học có nồng độ trong pha rắn£ 100 mg/kg Các khoángvật của đất giải phóng các nguyên tố vết một cách từ từ vào dung dịch đất khi diễn ra quá trìnhphong hoá khoáng vật.

Bảng 1.3 Những khoáng vật phổ biến trong đất

Fenspat (Na,K)AlO2[SiO2]3CaAl2O4[SiO2]2

Có nhiều trong đất không bị rửa trôimạnh

Nguồn ka li của đất

Amphibol (Ca,Na,K)2,3(Mg,Fe,Al)5(OH)2[(Si,Al)4O11]2

Dễ bị phong hoá thành các khoángvật sét và các oxít

Pyroxen (Ca,Mg,Fe,Ti,Al)(Si,Al)O3 Dễ bị phong hoá

Epidot Ca2(Al,Fe)3(OH)Si3O12Tuốcmalin NaMg3Al6B3Si6O27(OH,F)4

Rất bền vững đối với phong hoá hoáhọc; thường được sử dụng làm"khoáng vật chỉ thị "trong nghiêncứu thổ nhưỡng

Kaolinit Si4Al4O10(OH)8Smectit

Mx(Si,Al)8(Al,Fe,Mg)4O20(OH)4Trong đó M: cation giữa các lớp

Có nhiều trong sét là sản phẩm củaquá trình phong hoá; nguồn của cáccation trao đổi trong đất

Alophan Si3Al4O12.nH2OImogolit Si2Al4O10.5H2O

Có nhiều trong các đất phát triểntrên tàn tích tro núi lửa

Birnesit (Na,Ca)Mn7O14.2.8H2O Có rất nhiều oxít Mn

Quá trình giải phóng các nguyên tố vết ra dung dịch đất phụ thuộc nhiều vào các đặctính lý hoá học đất như: pH, thế năng ôxi hoá khử, hàm lượng nước Một số nguyên tố vết cóthể là nguyên tố dinh dưỡng vi lượng đối với cây: Cu, Mo ; một số khác có thể là nguyên tốđộc: Cd, Pb

1.2.2 Không khí và nước trong đất

+ Các pha lỏng trong đất chiếm 1 đến 2 phần 3 thể tích đất Pha lỏng chứa khí (khôngkhí đất) chủ yếu là hỗn hợp khí giống như không khí của khí quyển

+ Do các hoạt động sinh học trong đất, tỷ lệ các thành phần của không khí đất có thểkhác đáng kể so với thành phần của không khí khí quyển (781 ml N2; 209 ml O2; 9,3 ml Ar và0,31 ml CO2 trong 1 lít không khí khô) Ví dụ: đất rất thoáng khí chứa 180 - 205 ml O2 trong1 lít không khí đất, lượng khí này có thể giảm xuống còn 100 ml/lit ở độ sâu 1 m so với mặtđất sau khi bị ngập nước do mưa hoặc tưới, hoặc thậm chí giảm xuống còn 20 ml/lít ở tiểu môitrường đất bị cô lập, gần rễ cây Tương tự thể tích CO2 trong không khí đất dao động trongkhoảng 3 - 30 ml/lít, nhưng có thể tăng lên 100 ml/lit ở độ sâu 1 m ở vùng gần rễ cây hoặc saukhi đất bị ngập nước Hàm lượng cao hơn của CO2 trong không khí đất liên quan với hàmlượng CO2 trong khí quyển có ảnh hưởng đáng kể đến độ chua và hoá học cacbonat của đất.Không khí đất cũng chứa các thành phần khí hay thay đổi nhưng quan trọng như: NO, N2O,NH3, CH4 và H2S do vi sinh vật tạo ra trong điều kiện hàm lượng oxy thấp (điều kiện yếmkhí).

+ Nước được tìm thấy trong đất chủ yếu ở dạng ngưng tụ, mặc dù hàm lượng hơi nướcở trong không khí đất có thể đạt 30 ml/lit ở các đất ẩm Nước của đất là kho chứa các chất rắnvà các chất khí hoà tan, chính vì vậy nó được gọi là dung dịch đất Các chất rắn hoà tan có khảnăng phân ly thành các ion trong dung dịch đất đóng vai trò quan trọng nhất đối với hoá họcđất Những nguyên tố hoá học hình thành ion mà nồng độ của nó trong dung dịch đất không bịô nhiễm nhỏ hơn 1.0 mmol/m3 được gọi là các nguyên tố vi lượng, còn những nguyên tố khácgọi là các nguyên tố đa lượng.

+ Sự hoà tan của các khí từ không khí đất vào dung dịch đất là một quá trình quantrọng góp phần vào chu trình các nguyên tố hoá học của môi trường đất Khi cân bằng tồn tạigiữa không khí và nước trong đất đối với một loại khí giữa hai pha và nếu nồng độ của khí đótrong dung dịch đất thấp, thì cân bằng có thể được mô tả dưới dạng định luật Henry:

trong đó KH là hằng số Henry (mol/m3atm), [A(dd)] là nồng độ của khí A trong dung dịchđất

(mol/m3) và PAlà áp suất riêng phần của khí A trong không khí đất (atm).

Ví dụ, theo phương trình 1.1, KH = 34,06 mol/m3atm ở 25oC đối với CO2 nếu áp suấtriêng phần của CO2 trong không khí đất là 0,03 atm và [CO2(dd)] trong dung dịch đất là 1,02

Bảng 1.4 Các giá trị của hằng số Henry ở 25oC

Nguồn: W Stumm và J.J.Morgan, 1981.

mol/m3 Bảng 1.4 liệt kê các giá trị KH ở 25oC của một vài khí tìm thấy trong không khí đất.

1.3 Sự biến đổi khoáng vật đất

Nếu đất không phải là hệ thống mở thì các khoáng vật của đất sẽ không bị phong hoá.Sự thay đổi thường xuyên của nước, sinh khối và năng lượng mặt trời trong đất đã làm cho đấtthay đổi theo thời gian Những thay đổi này được phản ánh một cách rõ nét nhất qua sự pháttriển về mặt hình thái của các tầng đất, nhưng chúng cũng biểu hiện rất rõ ràng về mặt khoángvật học của nhóm hạt sét của đất.

Ở bảng 1.5 tóm lược các thay đổi về mặt khoáng vật học của nhóm hạt sét quan sát được trongquá trình phát triển phẫu diện đất Các thay đổi này được nhận biết chung là các giai đoạnphong hoá Jackson-Sherman, có thể được chia thành "giai đoạn đầu", "giai đoạn trung gian" và"giai đoạn cuối" Phong hoá giai đoạn đầu được nhận biết nhờ vai trò của các sunfat, cacbonatvà các silicat nguyên sinh, trừ thạch anh và muscovit trong nhóm hạt sét của đất Các khoángvật này chỉ có thể tồn tại nếu phần lớn thời gian đất rất khô hoặc rất lạnh hoặc rất ẩm - tức lànếu đất thiếu nước, không khí và năng lượng nhiệt là những điểm đặc trưng của hệ thống mở.Phong hoá giai đoạn trung gian đặc trưng cho thạch anh, muscovit và các aluminsilicat thứ sinhchiếm ưu thế trong nhóm hạt sét Những khoáng vật này có thể tồn tại trong đất dưới tác độngcủa các điều kiện rửa trôi nhưng không không làm suy kiệt silic đioxit và các nguyên tố đalượng và không dẫn đến sự oxi hoá hoàn toàn ion sắt [Fe(II)] là ion được liên kết chặt chẽ vàoilit và smectit Phong hoá giai đoạn cuối thường kết hợp với các điều kiện rửa trôi mãnh liệt vàoxi hoá mạnh, trong điều kiện như vậy chỉ có các oxit ngậm nước của nhôm, ion sắt [Fe(III)]và titan còn lại cuối cùng.

Bảng 1.5 Các giai đoạn phong hoá Jackson-Sherman

Khoáng vật đặc trưng trong

nhóm hạt sét của đất Các điều kiện vật lý và hoá học đặc trưng của đất

Giai đoạn đầu

Thạch cao Hàm lượng nước và chất hữu cơ rất thấp, rửa trôi rất it

Olivin/pyroxen/amphibol Thời gian phong hoá hạn chếMica mang Fe(II)

Giai đoạn trung gian

Thạch anh Giữ Na, K, Ca, Mg, Fe(II) và silic đioxit:

Mica bát diện kép/ilit Rửa trôi không gây tác động mạnh, có tính kiềm

Vecmiculit/clorit Đá macma giàu Ca, Mg, Fe(II) nhưng không có Fe(II) oxit