4.2.1. Nitơ trong đất [7], [8]
Nitơ là nguyên tố cần tương đối nhiều cho các loại cây nhưng trong đất thường chứa ít nitơ. Hàm lượng nitơ tổng số trong các loại đất Việt Nam khoảng 0,1 – 0,2%, có loại dưới 0,1% như đất xám bạc màu. Hàm lượng nitơ trong đất nhiều hay ít chủ yếu phụ thuộc hàm lượng mùn (thường nitơ chiếm 5 – 10% mùn). Yếu tố ảnh hưởng đến mùn, nitơ trong đất gồm thực bì, khí hậu, thành phần cơ giới, địa hình, chế độ canh tác.
4.2.1.1. Vô cơ
Lượng nitơ trong đất ở dạng vô cơ rất ít, ở tầng đất mặt chỉ chiếm 1 – 2% lượng nitơ tổng số, ở tầng dưới có thể chiếm tới 30% lượng nitơ tổng số. Dạng nitơ vô cơ ở trong đất chủ yếu là NH4+ và NO3-, là sản phẩm hoạt động của vi sinh vật, dễ bị cây hút, lại dễ bị nước cuốn trôi nên hàm lượng thay đổi rất nhiều không những theo mùa mà còn thay đổi giữa ban ngày và ban đêm, trong ngày mưa và nắng.
NH4+ được sinh ra do tác dụng amoni hóa của vi sinh vật với hợp chất chứa nitơ. Trong điều kiện háo khí, dễ bị nitrat hóa chuyển thành NO3- nên chỉ trong đất lúa nước NH4+ mới được ổn định và tích lũy.
4.2.1.2. Hữu cơ
Đây là dạng tồn tại chủ yếu của nitơ trong đất, có thể chiếm trên 95% lượng nitơ tổng số. Dựa vào độ hòa tan và khả năng thủy phân mà chia ra ba dạng: nitơ hữu cơ tan trong nước (chiếm dưới 5% nitơ tổng số), nitơ hữu cơ thủy phân (chiếm trên 50% nitơ tổng số), nitơ hữu cơ không thủy phân (chiếm 30 – 50% nitơ hữu cơ).
4.2.2. Chỉ tiêu đánh giá nitơ trong đất [6], [11], [12]
4.2.2.1. Nitơ tổng số
Nitơ tổng số bao gồm toàn bộ ba dạng nitơ: nitơ hữu cơ, nitơ trong các hợp chất hữu cơ đơn giản và nitơ vô cơ. Mức độ đánh giá hàm lượng nitơ tổng số trong đất như sau:
Bảng 4.1. Chỉ tiêu đánh giá hàm lượng nitơ tổng số trong đất [6]
Nts < 0,08% Nghèo
Nts: 0,08 – 0,15% Trung bình
Nts: 0,15 – 0,20% Khá
Nts > 0,2% Giàu
4.2.2.2. Nitơ thủy phân
Cây hút nitơ dạng vô cơ nên khi định lượng NH4+ và NO3- trong đất là xác định lượng nitơ trực tiếp cung cấp cho cây. Song lượng NH4+ và NO3- thay đổi theo mùa và thời kì sinh trưởng của thực vậy. Bởi vậy Tiurin và Kônônôva nêu lên phương pháp xác định lượng đạm thủy phân trong đất. Phương pháp này không những xác định được lượng NH4+ và NO3- mà còn xác định được một phần đạm hữu cơ trong điều kiện nhất định có khả năng thủy phân thành đạm vô cơ cung cấp cho cây.
Khi đạm thủy phân dưới 4 mg/100g đất là rất thiếu, từ 4 – 8 mg/100g đất là thiếu vừa, trên 8 mg/100g đất là thiếu ít hoặc không thiếu.
4.2.2.3. Nitơ dễ tiêu
Là dạng nitơ vô cơ chủ yếu là NH4+ và NO3- mà cây có khả năng lấy trực tiếp và sử dụng dễ dàng.
Ở một số nơi trên thế giới, người ta coi nitơ dễ tiêu là chỉ tiêu đánh giá khả năng cung cấp nitơ cho cây trong đất. Trên cơ sở đó, xác định nhu cầu phân bón cho cây. Ở một số nơi khác như Cộng hòa liên bang Đức cho rằng: nitơ dễ tiêu thay đổi tùy thuộc vào quá trình nitrat hóa trong đất mà quá trình này lại thay đổi tùy thuộc điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, chế độ không khí trong đất và các nhân tố khác), do đó ít coi trọng chỉ tiêu này.
Ở nước ta, do đất có pH thấp, lượng Al3+
lớn, độ no kiềm thấp nên quá trình nitrat hóa trong đất tiến triển chậm. Mặt khác, anion này có khả năng được hấp phụ kém, dễ bị rửa trôi nên hàm lượng NO3- trong đất hầu như không đáng kể.
Bảng 4.2. Chỉ tiêu đánh giá hàm lượng nitơ dễ tiêu trong đất [11]
1 – 2,5 mg NH4+/100g đất Nghèo
2,5 – 7,5 mg NH4+/100g đất Trung bình
> 7,5 mg NH4+/100g đất Giàu
4.2.3. Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong đất [7], [8]
Tùy thuộc vào điều kiện môi trường và khí quyển, nitơ hữu cơ và vô cơ có thể biến đổi theo các quá trình sau đây:
4.2.3.1. Quá trình amoni hóa
Đây là quá trình phân giải các chất hữu cơ chứa nitơ đến dạng amoniac. Sơ đồ của sự chuyển hóa ấy như sau:
Protit, chất mùn → Aminoaxit, amit → Amoniac
Dưới tác dụng của các enzim phân giải do các vi sinh vật tiết ra (xạ khuẩn, actinomyces, nấm mốc) protit bị thủy phân biến thành aminoaxit. Các aminoaxit dễ bị vi sinh vật hấp thụ và dưới tác dụng của các enzim, aminoaxit bị khử amin biến thành amoniac và axit hữu cơ. Ví dụ quá trình amoni hóa từ một aminoaxit đơn giản nhất:
NH2CH2COOH + O2 → HCOOH + CO2 + NH3 NH2CH2COOH + H2O → CH3OH + CO2 + NH3
NH2CH2COOH + H2 → CH3COOH + NH3
Sau quá trình amoni hóa, bốn loại hợp chất được tạo thành là axit hữu cơ, rượu, khí CO2, amoniac. Quá trình xảy ra trong môi trường hiếu khí cũng như trong môi trường yếm khí. Các axit hữu cơ và rượu tiếp tục phân giải và cuối cùng biến thành những hợp chất đơn giản nhất là CO2, H2O, CH4 và H2. Còn amoniac cùng với các axit vô cơ và hữu cơ trong đất tạo thành những muối amoni tương ứng. Các muối amoni ở trong đất tiếp tục bị phân ly thành các ion amoni và các ion gốc axit tương ứng với muối của nó. Một phần ion amoni bị cây hấp phụ, một phần do keo đất hấp phụ:
KĐ]Ca2+
+ (NH4)2CO3 KĐ]2NH4+ + CaCO3
Quá trình amoni hóa xảy ra được là do sự hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí hoặc yếm khí. Amoniac được tạo ra trong các loại đất có độ chua và độ thoáng khác nhau. Tốc độ của quá trình amoni hóa phụ thuộc nhiều vào độ ẩm, nhiệt độ môi trường.
Trong điều kiện yếm khí, chất hữu cơ chứa nitơ chỉ bị phân giải đến amoniac mà thôi. Còn trong điều kiện hiếu khí, các muối amoni bị oxi hóa biến thành nitrat. Sự oxi hóa amoniac đến nitrat được gọi là quá trình nitrat hóa.
4.2.3.2. Quá trình nitrat hóa
Phản ứng này được thực hiện trong đất nhờ nhóm vi khuẩn đặc biệt ưa khí và giải phóng ra năng lượng khá lớn. Các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosocystis và Nitrosospira tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình oxi hóa các muối amoni đến axit nitrơ. Giai đoan thứ hai (oxi hóa tiếp đến axit nitric) xảy ra do sự hoạt động của vi khuẩn thuộc giống Azotobacter.
Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra theo các phản ứng sau đây: 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 158000 cal
Axit nitric được tạo thành trong quá trình này được trung hòa nhờ canxi bicacbonat hay magie bicacbonat hoặc bởi các bazơ hấp phụ trong đất:
2HNO3 + Ca(HCO3)2 → Ca(NO3)2 + 2H2CO3 2HNO3 + KĐ]Ca2+ Ca(NO3)2 + KĐ]2H+
Để quá trình nitrat hóa xảy ra tốt, cần có các điều kiện sau: độ ẩm đất từ 60 – 70% độ ẩm mao quản, nhiệt độ từ 25 – 32°C, pH 6,2 – 9,2, đất giàu NH4+ và Ca2+, có đủ không khí. Trong những điều kiện này, phần lớn đạm amoni trong đất chuyển hóa thành đạm nitrat. Quá trình nitrat hóa xảy ra mạnh hay yếu là biểu hiện độ phì nhiêu của đất cao hay thấp.
4.2.3.3. Quá trình phản nitrat hóa
Đó là quá trình khử nitơ trong nitrat thành nitơ phân tử (N2) do tác dụng của vi sinh vật. Quá trình này khác với sự khử nitrat đến amoniac trong cơ thể thực vật.
Quá trình phản nitrat hóa làm mất nitơ và năng lượng của đất do đó nó là hiện tượng bất lợi cho sản xuất nông nghiệp. Phản ứng có thể xảy ra như sau:
C6H12O6 + 4HNO3 → 6CO2 + 6H2O + 2N2 + 2H2
Quá trình xảy ra trong điều kiện yếm khí, đất kiềm giàu chất hữu cơ chưa phân giải phần lớn là gluxit, xenlulozơ.
4.2.3.4. Quá trình cố định nitơ sinh vật
Khi có một lượng lớn chất hữu cơ trong đất, loại vi sinh vật phân giải chất hữu cơ phải lấy nitơ trong đất để sinh trưởng, phát triển. Trong trường hợp này, xảy ra sự cạnh tranh tạm thời về đạm giữa vi sinh vật và cây trồng. Xét về mặt đạm thì đó là quá trình cố định đạm, chứ không phải là quá trình phản nitrat hóa. Sau khi vi sinh vật chết, chất hữu cơ được phân giải, lượng đạm sẽ tăng
lên.
Trong đất, còn có một số loại vi sinh vật có khả năng hút nitơ không khí. Các vi khuẩn này gồm: Clostridium pasteurianum,
Azotobacter chroococcum, vi khuẩn nốt sần họ đậu, thanh tảo sống tự do và cộng sinh trong bèo hoa dâu…
4.2.3.5. Sự cung cấp đạm của nước mưa
Ở các nước nhiệt đới có mưa nhiều như nước ta, một số nitơ oxit và amoniac theo nước mưa rơi xuống đất tạo nên muối amoni, muối nitrat làm cho cây cối xanh tươi hơn. Nguồn gốc của loại đạm nitrat này được tạo ra từ khí nitơ và oxi của không khí, dưới tác dụng của năng lượng khổng lồ do sấm chớp tỏa ra, được tổng hợp lại thành nitơ oxit và sau khi rơi xuống đất biến thành nitrat. Còn nguồn gốc của đạm amoniac theo nước mưa xuống đất là từ amoniac khá lớn bốc hơi từ đất, dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Khi có mưa, amoniac lơ lửng trong không khí bị hòa tan và kéo xuống đất theo nước mưa. Vì vậy, trong nước mưa có cả hai loại đạm nitrat và amoni là hai loại đạm dễ tiêu, cây hút trực tiếp được.
Theo tài liệu nghiên cứu trước đây của Pháp, ở miền Bắc, hằng năm lượng đạm do nước mưa đem lại khoảng 20kg N/ha (tương ứng với 100kg amoni sunfat) trong đó có 8kg ở vào dạng nitrat, và 12kg ở dạng amoni. So với các nước ôn đới, đó là con số khá lớn, nhưng so với lượng đạm mà thu hoạch hàng năm đã lấy đi của đất thì khá thấp, nhất là trồng cây 2, 3 vụ liên tiếp trong một năm.
4.3. Chu trình biến đổi nitơ trong thiên nhiên và cân bằng đạm trong sản xuất [7], [8] xuất [7], [8]
Trong hoạt động sống, thực vật và vi sinh vật hút ion nitrat và amoni của đất để tạo nên đạm hữu cơ trong cơ thể của chúng. Khi những vi sinh vật chết, đạm hữu cơ phân giải thành amoniac. Ở điều kiện thích hợp, đạm amoniac bị oxi hóa thành đạm nitrat. Trong điều kiện yếm khí, do tác dụng của vi khuẩn, đạm nitrat biến thành nitơ phân tử bay vào khí quyển. Nitơ phân tử trong điều kiện thuận lợi lại biến thành đạm vô cơ. Thực vật tiêu thụ dạng đạm này và biến nó thành đạm hữu cơ (protit). Gặp điều kiện thuận lợi, dạng đạm hữu cơ lại phân giải thành đạm amoni. Cứ như thế, trong thiên nhiên biến đổi thành một chu trình kín.
Trong thiên nhiên, nitơ biến đổi qua nhiều dạng, theo chu trình có tính tuần hoàn phức tạp, nhưng tổng số nitơ là một đại lượng không đổi. Song, về mặt sản xuất nông nghiệp, ta thấy có lúc nitơ ở môi trường này nhiều, ở môi trường kia ít, trong
khi đó sản xuất nông nghiệp lại cần đến nó. Do đó, dựa vào quy luật tuần hoàn nitơ trong thiên nhiên, ta có khả năng điều chỉnh, phân phối lại lượng nitơ hợp lí, phục vụ tốt sản xuất nông nghiệp.
Hình 4.2. Sơ đồ các quá trình biến đổi nitơ trong đất
Đất Việt Nam thường bị rửa trôi, xói mòn nên thường thiếu đạm. Để cung cấp đủ đạm cho cây trồng, cần phải lập bảng cân đối đạm trên cơ sở nghiên cứu nhu cầu đạm của cây trồng, khả năng cung cấp đạm của đất và của thiên nhiên. Nói chung, cần phải xác định hai yếu tố:
• Lượng đạm mà cây trồng hút để tạo ra thu hoạch.
• Lượng đạm được cung cấp. Từ đó, tính lượng đạm hao hụt để cung cấp thêm nhằm đạt được năng suất cây trồng cao và ngày càng ổn định.
CHƯƠNG 5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MÙN VÀ NITƠ TRONG ĐẤT
5.1. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MÙN TRONG ĐẤT [1], [4], [6],
5.1.1. Một số phương pháp xác định hàm lượng mùn trong đất
- Phương pháp Knôp: đốt cháy mùn ở 950°C hoặc oxi hóa cacbon trong mùn bằng dung dịch K2Cr2O7 + H2SO4. Lượng CO2 bay lên từ hai cách đốt khô hoặc đốt ướt nói trên sẽ được thu hồi vào bình đựng KOH hoặc NaOH đã biết trọng lượng. Sau đó, cân bình suy ra trọng lượng CO2, từ đó tính hàm lượng mùn tương ứng trong đất.
Ngoài phương pháp trọng lượng người ta còn sử dụng phương pháp thể tích: CO2
bay lên được thu hồi vào bình đựng dung dịch tiêu chuẩn Ba(OH)2 dư. Sau đó, chuẩn độ lượng Ba(OH)2 dư bằng dung dịch tiêu chuẩn HCl với sự có mặt của chỉ thị thymon xanh từ đó suy ra lượng CO2 và mùn. Phương pháp này tốt nhưng trang bị phiền phức vì thế ít được sử dụng trong các phòng phân tích.
- Phương pháp H2O2: dùng H2O2 oxi hóa cacbon, sau đó cân lại trọng lượng đất, từ chỗ giảm trọng lượng có thể suy ra mùn trong đất.
- Phương pháp so màu: dùng dung dịch NH3 và các dung dịch kiềm khác hòa tan mùn thu được dung dịch màu đen. Từ màu đen có thể suy ra lượng mùn nhiều hay ít. Tuy nhiên, màu sắc của mùn còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác như canxi, độ ẩm… cho nên phương pháp này ít được sử dụng trong các phòng thí nghiệm.
Granam dùng dung dịch K2Cr2O7 oxi hóa cacbon trong mùn. Màu đỏ của Cr6+ sẽ giảm do C khử tạo ra Cr3+
có màu lục. Nhưng phương pháp này gặp khó khăn là chưa tìm ra kính lọc quang thích hợp cho màu lục. Mặt khác, do oxi hóa không triệt để nên khi đất có mùn trên 5% thì kết quả phân tích không tốt.
- Phương pháp G.W.Robinson: ta biết rằng lúc phân tích N tổng số bằng phương pháp Kjeldahl, mùn bị phân giải trong H2SO4. Kết quả phân giải là SO3 bị khử thành SO2. Phương pháp này chỉ đạt 90% lượng mùn trong đất.
- Phương pháp Tiurin: để xác định cacbon trong đất người ta dùng một lượng thừa K2Cr2O7 oxi hóa trong môi trường H2SO4. Lượng K2Cr2O7 sẽ được chuẩn độ bằng muối Mohr tiêu chuẩn. Từ lượng K2Cr2O7 dùng để oxi hóa có thể suy ra
lượng cacbon, từ cacbon suy ra mùn. Phương pháp này chỉ áp dụng với đất có hàm lượng mùn nhỏ hơn 15%. Hiện nay, phương pháp này được sử dụng phổ biến trong phòng phân tích do kết quả thu được nhanh chóng và tương đối chính xác.
5.1.2. Nguyên tắc xác định hàm lượng mùn trong đất bằng phương pháp Tiurin
Để xác định cacbon trong đất, người ta dùng một lượng thừa K2Cr2O7 oxi hóa trong môi trường axit H2SO4 (tỉ lệ 1:1). Không thể dùng axit khác vì nếu dùng HCl thì Cl- sẽ khử một lượng K2Cr2O7 gây sai số. Nếu dùng HNO3 thì tăng thêm tác dụng oxi hóa nên lượng K2Cr2O7 cần dùng sẽ ít hơn, dẫn đến kết quả phân tích mùn sẽ ít hơn.
2K2Cr2O7 + 8H2SO4 + 3C → 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 3CO2 + 8H2O
Lượng thừa K2Cr2O7 sẽ được chuẩn độ bằng lượng muối Mohr tiêu chuẩn
K2Cr2O7 + 7H2SO4 + 6FeSO4.(NH4)2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 6(NH4)2SO4 + 7H2O
Từ lượng K2Cr2O7 dùng để oxi hóa có thể suy ra cacbon, từ cacbon suy ra mùn bằng cách nhân với hệ số 1,724. Trong quá trình chuẩn độ, có thể thêm một lượng nhỏ H3PO4 hoặc muối chứa ion F- để loại trừ ảnh hưởng của Fe3+
(làm ảnh hưởng đến sự chuyển màu chất chỉ thị).
5.2. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG NITƠ TRONG ĐẤT
5.2.1. Nguyên tắc xác định hàm lượng nitơ tổng số theo phương pháp Kjeldahl [13] Kjeldahl [13]
Phương pháp này dùng để xác định hàm lượng N tổng (N-amoni, N-nitrat, N-