H20, CO2
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 17 Chú thích: R: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+
Đây là quá trình biến đổi phức tạp và trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Trước hết các chất hữu cơ phức tạp bị phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản hơn gọi là các sản phẩm trung gian. Ví dụ như từ các phân tử protein bị phân huỷ tạo thành các mạch peptit, sau đó là các axit amin; các hyđratcacbon bị phân huỷ tạo thành các hợp chất đường, sau đó các hợp chất trung gian này tiếp tục bị phân huỷ tạo thành các sản phẩm cuối cùng là các chất khoáng.
Tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường và hoạt động của các vi sinh vật đất mà quá trình khoáng hoá chất hữu cơ có thể diễn ra theo hai con đường khác nhau là thối mục và thối rữa.
- Thối mục là quá trình hiếu khí diễn ra trong điều kiện có đầy đủ oxy. Sản phẩm cuối cùng của quá trình này chủ yếu là các chất ở dạng oxy hoá như CO2, H2O, NO3-, PO43-, SO42-. Đây là quá trình toả nhiệt và kết quả làm tăng nhiệt độ của đất.
- Thối rữa là quá trình kỵ khí diễn ra trong điều kiện thiếu oxy do ngập nước hoặc do các vi sinh vật hiếu khí phát triển nhanh đã sử dụng hết oxy trong đất. Sản phẩm cuối cùng của quá trình thối rữa bên cạnh các chất ở dạng oxy hoá như CO2, H2O còn có một lượng lớn các chất ở dạng khử như CH4, H2S, PH3, NH3…
Tốc độ khoáng hoá các chất hữu cơ trong đất phụ thuộc vào bản chất chất hữu cơ, điều kiện môi trường và hoạt động của sinh vật đất.
Các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, chế độ không khí, thành phần và tính chất dung dịch đất cũng có ảnh hưởng mạnh đến tốc độ của quá trình khoáng hoá. Thông thường ở độ ẩm đất 70%, pH 6,5 – 7,5, nhiệt độ 25 – 30oC và có đủ không khí là thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật đất và do đó quá trình khoáng hoá cũng xảy ra mạnh. Chính vì vậy mà quá trình phân huỷ
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 18 chất hữu cơ ở các đất có thành phần cơ giới nhẹ (đất cát) cũng diễn ra nhanh hơn ở các đất có thành phần cơ giới nặng (đất thịt nặng và đất sét).
Việt Nam với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, quá trình khoáng hóa diễn ra rất mạnh, tạo ra nhiều chất dinh dưỡng cho cây trồng thế hệ sau nhưng cũng chính đó là nguyên nhân làm đất mất độ màu mỡ nhanh (dễ bị bạc màu hóa) khi sử dụng. Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng tích cực đến quá trình khoáng hóa trong đất chính là bản chất chất hữu cơ, mạnh nhất là các loại đường, tinh bột, protit, lipit (các loại cây thân thảo, cây non, cây lá to) trong điều kiện hảo khí, sau đó là xenlulo, sáp nhựa, tanin (các lọai cây thân gỗ lâu năm, cây lá kim, cây bụi gai). * Quá trình khoáng hóa là quá trình tiêu hao chất hữu cơ trong đất. Tuy nhiên nhờ quá trình này chất hữu cơ giải phóng chất dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng.
2.1.4.2 Quá trình mùn hoá xác hữu cơ
Mùn hoá là quá trình tổng hợp những sản phẩm phân giải xác hữu cơ trong đất, dẫn đến sự hình thành hợp chất mùn. Nó là một quá trình phức tạp, xảy ra với sự tham gia của các phản ứng sinh hoá học.
Theo Nguyễn Vy và Trần Khải (1978)[27] thì không phải tất cả chất hữu cơ đều khoáng hóa để tạo thành những sản phẩm phân giải cuối cùng là CO2 và H2O, một phần chất hữu cơ đó thông qua con đường biến đổi khá dài và có những giai đoạn biến thành chất hữu cơ cấu tạo phức tạp và có những đặc tính riêng, đó là những chất mùn và quá trình gọi là quá trình mùn hóa.
Mùn là hợp chất hữu cơ cao phân tử phức tạp, chúng là sản phẩm của quá trình mùn hoá các chất hữu cơ thông thường. Người ta cho rằng, mọi thành phần hữu cơ trong đất (protein, lignin, lipit, axit amin, hydratcacbon…) đều có thể là vật chất tham gia hình thành chất mùn đất. Tuy nhiên về bản chất của quá trình hình thành chất mùn vẫn còn có ý kiến khác nhau.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 19 Những người theo quan điểm hoá học cho rằng quá trình hình thành chất mùn chỉ đơn thuần là các phản ứng hoá học. Đại diện cho quan điểm này như Vacsman, Scheffer. Theo Vacsman (1936) thì hạt nhân của chất mùn được hình thành do lignin kết hợp với các chất khoáng kiềm trong đất, sau đó các phản ứng oxy hoá sẽ gắn kết thêm các axit hữu cơ khác để hình thành chất mùn. Ngoài ra trong quá trình phân giải các xác hữu cơ, một loại sản phẩm màu đen vô định hình, có thành phần phức tạp được hình thành gọi là chất mùn.
Schefer cho rằng sự hình thành axit humic có thể bằng con đường sinh hoá và cũng có thể bằng con đường hoá học đơn thuần. Bằng con đường hoá học, các axit humic được tạo thành từ các phenol, quinol và các aminoaxit thông qua các phản ứng oxy hoá và trùng hợp.
Ngày nay, nhiều bằng chứng cho thấy sự hình thành chất mùn có sự tham gia tích cực của các quá trình sinh hoá, đặc biệt là các vi sinh vật đất. Sự hình thành chất mùn bằng con đường hoá học đơn thuần là rất hạn chế, nó chỉ có thể gặp ở những nơi có điều kiện bất lợi cho các quá trình sinh học như đất quá chua hoặc quá nhiều độc tố. Chúng ức chế các quá trình sinh học xảy ra.
Quan điểm sinh hoá về sự hình thành chất mùn cho rằng chất mùn được hình thành từ sản phẩm phân giải và tái tổng hợp các chất hữu cơ thông thường với sự tham gia tích cực của các phản ứng sinh hoá, đặc biệt là các men do các vi sinh vật tiết ra.
* Quá trình hình thành mùn theo quan điểm hiện đại
Chiurin là người có nhiều đóng góp trong việc nghiên cứu về mùn đất. Ông cho rằng đặc điểm cơ bản của sự mùn hoá là những phản ứng sinh hoá oxy hoá dần dần những hợp chất cao phân tử có mạch vòng khác nhau, trong đó protein, lignin đóng vai trò quan trọng. Những phản ứng oxy này xảy ra khi phân
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 20 giải các tàn tích thực vật dưới ảnh hưởng của oxy không khí, men oxydaza và các chất xúc tác vô cơ khác.
Những hợp chất cao phân tử trên liên kết lại với nhau rồi trùng hợp thành các chất mùn. Trong quá trình sống của mình, vi sinh vật đất sử dụng các sản phẩm phân giải hữu cơ, những sản phẩm trao đổi chất và tổng hợp các hợp chất amin, hợp chất thơm cũng tham gia cấu tạo nên chất mùn.
Hình 2.2. Các con đường hình thành chất mùn từ các xác hữu cơ thông thường ở trong đất (Theo Stevenson, 1982) [32]
Từ sơ đồ trên cho thấy nguồn gốc các chất tham gia cấu tạo nên chất mùn có thể bao gồm tất cả các chất hữu cơ là sản phẩm phân giải trung gian, sản phẩm tái tổng hợp của các cơ thể sinh vật. Chúng có thể là các chất đường, polyphenol, quinol, các chất amin, các hợp chất lignin,... Trong đó các hợp chất chứa vòng thơm như phenol, polyphenol, quinol, polyquinol, các chất lignin có vai trò quan trọng.
Xét một cách tổng quát, quá trình hình thành chất mùn có thể phân chia thành 3 bước cơ bản như sau:
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 21 - Từ các xác hữu cơ mà chủ yếu là xác thực vật bị phân huỷ với sự tham gia tích cực của vi sinh vật đất để hình thành các hợp chất hữu cơ là các sản phẩm trung gian như đường, polyphenol, quinol, các chất amin...
- Tác động của các hợp chất trung gian, hoặc bị phân huỷ tiếp tục hoặc liên kết với nhau để hình thành các chất phức tạp hơn.
- Trùng hợp và liên kết các hợp chất trung gian trên tạo thành các chất mùn. Theo Stevenson (1982)[32] thì có 4 con đường hình thành chất mùn khác nhau: Sự liên kết trùng ngưng giữa các hợp chất đường với các chất amin (con đường 1); giữa các polyphenol là sản phẩm phân huỷ các xác hữu cơ với các chất amin (con đường 2); giữa các chất là sản phẩm phân huỷ lignin với các hợp chất amin (con đường 3); và các chất lignin biến đổi với các chất amin (con đường 4). Các con đường này đều có sự tham gia của các quá trình sinh học.
Theo Selman Waksman (1932)[33] chất mùn được hình thành chủ yếu từ các hợp chất lignin (con đường 4) nên còn được gọi là lý thuyết lignin hình thành chất mùn. Theo thuyết này, trước hết các hợp chất lignin bị biến đổi mất dần các nhóm metoxyl (OCH3). Với sự có mặt của các orthohydroxylphenol và sự oxy hoá các hợp chất béo để hình thành các nhóm cacboxyl (COOH). Các hợp chất lignin này bị biến đổi dần để hình thành các axit mùn. Sự hình thành chất mùn theo con đường 1 là không đáng kể.
Một số tác giả khác trong đó có Stevenson F.J (1982)[32] lại cho rằng chất mùn đất được hình thành theo con đường 2 và 3 là chính và gọi là học thuyết polyphenol hình thành chất mùn. Theo thuyết này, lignin cũng được xem là nguồn gốc quan trọng trước tiên để hình thành chất mùn. Dưới tác động của các enzym sinh học, lignin bị phân huỷ thành các aldehyt phenol và các axit hữu cơ, sau đó chúng chuyển thành các hợp chất quinol rồi trùng hợp lại để hình thành chất mùn.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 22 Ngày nay người ta thừa nhận cả 4 con đường hình thành chất mùn đều diễn ra đồng thời. Tuy nhiên tùy theo điều kiện và tính chất cụ thể của từng loại đất mà một con đường nào đó có thể chiếm ưu thế hơn. Thông thường chất mùn hình thành từ các chất lignin biến đổi (con đường 4) chiếm ưu thế ở các đất thoát nước kém; trong khi hình thành từ polyphenol (con đường 2 và 3) lại có ưu thế ở các đất rừng.
* Những nhân tố ảnh hưởng đến đặc điểm và tốc độ quá trình hình thành mùn đất:
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự mùn hoá là: chế độ nhiệt, không khí và nước của đất, thành phần cơ giới, các tính chất lý, hoá học của đất, thành phần và cường độ hoạt động của vi sinh vật, thành phần xác hữu cơ đất.
- Chế độ nước, không khí ảnh hưởng tới điều kiện hảo khí hoặc yếm khí của đất. Trong điều kiện khô hanh quanh năm, tốc độ mùn hoá chậm, nhưng nếu thường xuyên ngập nước, mùn hoá thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí sẽ sinh ra các axit hữu cơ và chất khử (CH4, H2S...), những chất này kìm hãm sự hoạt động của vi sinh vật làm tốc độ mùn hoá chậm.
- Thành phần vi sinh vật: sự hoạt động của chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phân giải chất hữu cơ và tích luỹ mùn. Hoạt động của vi sinh vật quá mạnh hoặc quá yếu đều không làm tích luỹ nhiều mùn. Mùn được tích luỹ nhiều nhất ở những đất có số lượng vi sinh vật trung bình.
- Thành phần cơ giới đất và lý hoá tính đất: ở đất sét và sét pha quá trình phân giải xác hữu cơ chậm hơn ở đất cát và cát pha nhưng mùn lại được tích luỹ nhiều hơn vì khoáng hoá trong sét, sét pha yếu hơn nhiều, các phân tử nhỏ của đất cũng liên kết và giữ mùn tốt hơn. Đá mẹ chứa nhiều Ca, Mg vừa gây phản ứng trung tính vừa có nhiều dinh dưỡng tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động,
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp……….. 23 vừa liên kết với mùn tạo những hợp chất bền vững giữ mùn trong đất. Đá mẹ giàu SiO2, mùn thô do vi sinh vật hoạt động kém, tạo nên môi trường chua.
- Thành phần xác hữu cơ: xác hữu cơ chứa nhiều protit, gluxit và các nguyên tố tro nhất là Ca, tỉ lệ C/N thấp tạo thành mùn nhuyễn. Với cây thân gỗ nghèo protit, các nguyên tố tro, giàu lignin, sáp tỉ lệ C/N cao cho ta nhiều mùn thô. * Quá trình mùn hóa giúp tích lũy chất dinh dưỡng cho đất từ các chất hữu cơ trong các hợp chất mùn, đồng thời cải thiện nhiều tính chất của đất.