1.3.1. Sơ lược về chất hữu cơ
1.3.1.1. Định nghĩa về chất hữu cơ[8], [10], [11], [16]
Chất hữu cơ của đất là một chỉ tiêu về độ phì và ảnh hưởng đến tính chất của đất như khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, khả năng hấp phụ, giữ nhiệt và kích thích sinh trưởng cây trồng.
Chất hữu cơ là nguồn cung cấp trực tiếp nhiều dinh dưỡng cho cây trồng: N, P, K, Ca,... là yếu tố làm tăng lượng và chất trao đổi caiton của các loại chất khoáng hoặc đất), tăng kết cấu đất, cải thiện tính chất vật lí, khả năng giữ ẩm của đất.
Chất hữu cơ của đất là một trong 4 hợp phần cơ bản của đất: phần khoáng, phần chất hữu cơ, phần không khí đất và phần dung dịch đất.
1.3.1.2. Thành phần của chất hữu cơ[10]
Gồm hai thành phần chính:
- Xác hữu cơ chưa bị phân giải trong đất (rễ cây, thân lá cây rụng,...)
- Các chất hữu cơ của đất: sản phẩm phân giải chất hữu cơ bao gồm hợp chất hữu cơ đơn giản chứa cacbon và nitơ như gluxit, protit, lipit...và hợp chất hữu cơ phức tạp là mùn.
1.3.1.3. Nguồn gốc của chất hữu cơ
Nguồn tạo chất hữu cơ của đất là tàn tích sinh vật bao gồm xác động vật, thực vật và vi sinh vật đất.
a. Nguồn gốc từ thực vật[10]
Thực vật màu xanh là sinh khối chính tạo tàn tích sinh vật trong đất, chiếm 4/5 tổng lượng xác hữu cơ của đất.
Tùy thuộc vào vùng sinh thái tự nhiên, loại thảm thực vật của từng vùng và tác động của con người mà lượng chất xanh trả lại cho đất hàng năm sẽ khác nhau. Ví dụ, vùng sinh thái nhiệt đới nóng ẩm với các loại thực vật phong phú, phát triển nhanh quanh năm sẽ có lượng xác thực vật lớn gấp bội vùng sinh thái bán khô hạn chỉ có cây bụi và xương rồng.
Ngoài ra, các loại thực vật khác nhau thì tàn tích thực vật sẽ khác nhau. Chẳng hạn như: xác các loại cỏ hàng năm vùng thảo nguyên ôn đới sẽ phong phú và có chất lượng hữu cơ tốt hơn là xác của các cây lá kim của rừng Taiga hoặc xác cây bụi lúp xúp của vùng khô hạn.
Các loại đất khác nhau nên có độ màu mỡ khác nhau dẫn đến sinh khối thực vật khác nhau. Đất phù sa sông có hàm lượng và thành phần sinh khối phong phú hơn đất bạc màu và đất cát ven biển.
Tàn tích thực vật quyết định đến sự hình thành tầng thảm mục, tầng tích lũy mùn của phẫu diện đất cũng như hàm lượng và thành phần của mùn. Những đất có tầng thảm mục và tầng tích lũy dày, thành phần xác hữu cơ là các cây thân thảo thường có hàm lượng và thành phần mùn tốt hơn hẳn những đất trống đồi trọc, hoặc chỉ có những cây bụi, gai, lá kim.
b. Nguồn gốc từ động vật và vi sinh vật[6], [10], [11]
So với tàn tích của thực vật thì số lượng tàn tích của động vật và vi sinh vật đất ít hơn hẳn, song thành phần chất hữu cơ thì rất cao, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ chứa nitơ.
Các động vật chính trong đất như: giun, kiến, mối, sâu bọ,... Hệ vi sinh vật đất gồm: nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn,...
Các vi sinh vật đất có vai trò quan trọng trong các quá trình như sau:
- Phân hủy các chất hữu cơ: các vi sinh vật đất có khả năng phân hủy và tiêu hóa các tàn dư thực vật và các chất hữu cơ khác qua các hoạt động hóa học với sự trợ giúp của các enzym. Các enzym này tham gia mạnh mẽ vào quá trình chuyển hóa vật chất trong đất, góp phần khép kín các vòng tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên như chu trình nitơ, chu trình cacbon...
- Khoáng hóa các chất hữu cơ: qua quá trình khoáng hóa các nguyên tố dinh dưỡng nằm trong cấu trúc sinh hóa của các chất hữu cơ bị phân giải và chuyển sang dạng hữu dụng mà cây trồng có thể hấp thụ được. Thí dụ: chất hữu cơ chứa nitơ (protein, axit amin) thông qua quá trình amôn hóa, quá trình nitrat hóa.
Chất hữu cơ NH4+ NO2- NO3-
Quá trình phản nitrat hóa:
NO3- NO2- NO N
- Cố định đạm (tiến trình chuyển hóa nitrogen trong khí quyển thành dạng mà cây có thể hấp thụ).
Ví dụ: Vi khuẩn cố định đạm Rhizobium sống trong nốt sần của rễ cây họ đậu, có khả năng hút và chuyển hóa nitơ tự nhiên trong không khí thành nitơ cung cấp cho cây. Sau khi cây chết và bị phân giải, chúng sẽ cung cấp và làm gia tăng hàm lượng nitơ trong đất. Vi khuẩn nốt sần của cây họ đậu có thể cố định được từ 55 – 144 kg N/ha/vụ.
- Ngoài ra, vi sinh vật đất còn có khả năng yểm trợ cho sự hữu dụng, hấp thu của lân (photpho) và các dưỡng chất khác.
Một loại nấm có tên là Mycorrhiza có thể thâm nhập vào mô vỏ của rễ cây, sử dụng các loại thức ăn do rễ tạo ra và đồng thời sinh ra một mạng lưới sợi nấm kết dính keo
Vi khuẩn Vi khuẩn Vi khuẩn
đất bao quanh rễ. Từ đó, các nguyên tố dinh dưỡng như photpho bám lên màng này và rễ cây có thể hấp thu dễ dàng.
1.3.1.4. Vai trò của chất hữu cơ [6], [8]
Hàm lượng chất hữu cơ của đất và độ bền cấu trúc liên quan rất chặt chẽ với nhau. Hằng năm, việc bổ sung xác hữu cơ thực vật đã duy trì có hiệu quả độ bền cấu trúc của đất. Ở đất chứa hàm lượng mùn thấp hơn 3,4% thì cấu trúc đất bị suy giảm hơi nhiều so với đất có chứa 4,3% mùn.
- Chất hữu cơ nhỏ hơn 3% thì không thích hợp sản xuất lâu dài cho cây có hạt vì độ bền cấu trúc sẽ suy giảm nhanh.
- Trong đất, quá trình suy thoái chất hữu cơ nhanh hơn quá trình tích lũy
Ví dụ: Một loại đất chứa 3% chất hữu cơ, tức là khoảng 75 tấn chất hữu cơ trên diện tích 1 ha với độ sâu 15cm. Nếu hằng năm bổ sung 2 tấn/ha xác thực vật thì sẽ mất gần 100 năm để tăng đất này đến 4% chất hữu cơ.
Cường độ phân hủy và tích lũy chất hữu cơ đất xảy ra xen kẽ, trong trạng thái cân bằng động.
Ví dụ: Jenkinson và Ladd (1938) nhận xét: ở đất trồng lúa mì liên tục tại Rothamstes( Anh) có 26 tấn/ha cacbon hữu cơ tiêu hao và hằng năm có 1,2 tấn bổ sung thì sự luân chuyển (trạng thái bền vững) của chất hữu cơ sẽ là:
= = 21,67 năm Như vậy, chất hữu cơ này sẽ luân chuyển qua gần 22 năm.
1.3.2. Sơ lược về mùn
1.3.2.1. Khái niệm về mùn[11]
Mùn là hợp chất cao phân tử được hình thành từ quá trình phân giải và tổng hợp hữu cơ trong đất.
C hữu cơ trong đất(tấn/ha) Lượng C hữu cơ đưa vào (tấn/ha.năm)
26 1,2
1.3.2.2. Quá trình hình thành mùn[8], [10], [17]
Xác hữu cơ trong đất rất phức tạp gồm protein, lipit, gluxit,... những chất này thực vật không thể hấp thu trực tiếp mà phân giải chúng thành những hợp chất đơn giản hơn. Sự phân giải là một quá trình phức tạp có sự tham gia của vi sinh vật, oxi, nước.
Mùn được hình thành thông qua hai quá trình: Quá trình khoáng hóa:
Quá trình khoáng hóa là quá trình phân hủy hoàn toàn xác hữu cơ dưới tác dụng của quần thể vi sinh vật háo khí để tạo ra các sản phẩm như muối khoáng, CO2, H2O từ đó cung cấp nguồn năng lượng lớn cho đất.
Quá trình khoáng hóa chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: khí hậu, tính chất đất và đặc điểm xác hữu cơ.
Quá trình mùn hóa:
Quá trình mùn hóa là quá trình phân giải xác hữu cơ do hệ vi sinh vật phân giải tạo nên các hợp chất hữu cơ trung gian và quá trình tổng hợp các hợp chất trung gian đó thành hợp chất hữu cơ cao phân tử.
Quá trình mùn hóa gồm các giai đoạn:
+ Từ các hợp chất hữu cơ như protit, lipit,... của các sinh vật và sản phẩm tổng hợp của vi sinh vật phân giải, chúng được phân hủy thành các sản phẩm hữu cơ trung gian.
+ Dưới tác động của các vi sinh vật tổng hợp, các hợp chất hữu cơ trung gian tạo thành các hợp chất phức tạp: nhân vòng thơm, mạch nhánh và các nhóm định chức.
+ Các hợp chất phức tạp được các vi sinh vật tổng hợp trùng ngưng lại thành các hợp chất cao phân tử giống như chuỗi xích bền vững gồm: nhân vòng, mạch nhánh, nhóm định chức đó gọi là mùn.
Quá trình mùn hóa phụ thuộc vào các nhân tố khác nhau của môi trường
+ Nhân tố sinh học: các men trong xác động thực vật, số lượng và chất lượng của vật bị mùn hóa và các vi sinh vật, động vật đất.
+ Ngoài ra, quá trình mùn hóa còn phụ thuộc vào các phản ứng và các chất dễ tiêu của đất.
1.3.2.3. Thành phần của mùn [8], [10], [17]
Chất mùn gồm 3 thành phần chính: axit humic, axit fulvic và các humin
a. Axit humic
Axit humic là một axit hữu cơ cao phân tử chứa nitơ hình thành trong môi trường trung tính, có cấu tạo vòng, không tan trong nước và axit vô cơ nhưng lại dễ tan trong dung dịch kiềm loãng: NaOH, Na2CO3,.. và có màu nâu sẫm hoặc nâu đen. Thành phần bao gồm các nguyên tố:
C: 50 – 62% H: 2,8 – 6% O: 31 – 41% N: 2 – 6%
Các nguyên tố khác: P, S, Al, Fe... 1%
- Nguyên tắc cấu tạo: thuộc loại hợp chất cao phân tử, gồm những monome, những monome này lại được tạo thành từ những đơn vị cấu trúc cơ bản. Như vậy, một đơn vị cấu trúc là hạt nhân của axit humic.
- Một đơn vị cấu trúc bao gồm: nhân, cầu nối và những nhóm định chức
+ Nhân vòng thơm là các dị vòng chứa nitơ, các axit cacbon thơm và các andehyt thơm chiếm 50 - 60% trọng lượng phân tử mùn.
+ Các hợp chất vòng no và mạch thẳng là các aminoaxit, cacbua hydro và các quinol chiếm 25 - 40% trọng lượng phân tử.
+ Các nhóm định chức: cacboxyl, cacbonyl, fenolhydroxyl, metoxyl chiếm 10 - 25%.
- Các cầu nối liên kết giữa các vòng làm cho phân tử axit humic trở nên “xốp” dễ thấm nước. Những cầu nối này có thể là những phân tử riêng biệt (-O-), hoặc là nhóm (-NH2- ), (-CH2-) cũng có thể liên kết qua nguyên tử cacbon (C-C).
- Phân tử lượng lớn: 50.000 - 190.000 đơn vị cacbon. Phân tử có dạng hình cầu với cấu tạo nhân theo một trật tự nhất định.
Axit humic có một số tính chất cơ bản như: tính axit thấp (do nhân vòng > mạch nhánh), ít di động, mức độ ngưng tụ cao do trọng lượng phân tử lớn, ít bị rữa trôi khỏi đất, khả năng hấp phụ keo mùn cao, từ 300 - 600 me/100g keo. Tính đệm cao, ít chua.
Trạng thái tồn tại: tồn tại ở dạng các muối humat kiềm – là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Do đó, muối humat của cation hóa trị I rất dễ bị rửa trôi (do tan nhiều trong nước), còn muối humat của Ca, Mg sẽ được tích lũy ở nơi hình thành ra chúng, vì thế ở lớp đất mặt có chứa nhiều loại muối này.
Axit humic là thành phần mùn có giá trị nhất, là nguồn dự trữ dinh dưỡng (nhất là nitơ) cho đất, khi phân giải axit humic thu được nhiều chất khoáng giúp đất có độ phì cao. Axit humic cùng với các axit mùn khác bón vào đất có tác dụng kích thích sự phát triển của hệ rễ để hấp thu chất dinh dưỡng tốt hơn, cây sinh trưởng phát triển mạnh hơn. Nếu được hấp thu trực tiếp qua lá chúng sẽ giúp tăng cường sự quang hợp của cây do kích thích sự hoạt động của các men tham gia trong quá trình quang hợp. Cường độ quang hợp mạnh cây sẽ sinh trưởng nhanh và ngược lại. Ngoài ra, axit humic còn làm tăng sức đề kháng của cây với sâu bệnh và các điều kiện bất lợi như nóng, rét, hạn, úng, chua phèn. Với các tác dụng trên, axit humic đang được khai thác
sử dụng phổ biến trong các chế phẩm phân bón vào gốc và bón vào lá, chất kích thích sinh trưởng cây trồng và thuốc trừ bệnh cây.
Tóm lại, axit humic là một tổ hợp mùn tốt nhất của hợp chất mùn vì nó có những đặc tính quí như: ít chua, bền vững, hàm lượng nitơ cao, khả năng hấp phụ trao đổi ion lớn, các hợp chất kết hợp với cation và khoáng sét bền. Vì vậy, đất giàu axit humic có độ phì cao.
b. Axit fulvic:
Là axit hữu cơ cao phân tử chứa nitơ hình thành trong môi trường chua, dễ tan trong nước, axit, bazơ và nhiều dung môi hữu cơ khác, cho dung dịch màu vàng rơm và rất chua ( pH = 2,6 - 2,8) Thành phần các nguyên tố hóa học chính: C: 40 – 52% H: 3,5 – 5% O: 40 – 48% N: 2,4% Các nguyên tố khác từ 7 – 10%
Cấu tạo phân tử: ít nhân vòng thơm và nhiều mạch nhánh hơn axit humic nên axit fulvic có tính ưa nước, khả năng ngưng tụ keo kém, độ phân tán cao, khả năng di động lớn, tính chua, có khả năng hấp phụ trao đổi ion cao.
Phân tử lượng: 10.000 - 20.000 đơn vị cacbon.
Đối với các loại đất khác nhau thì tỷ lệ axit fulvic trong mùn cũng khác nhau. Đối với đất trung tính, ít chua: tỉ lệ axit fulvic cao hơn, càng xuống sâu, tỉ lệ này càng cao. Các axit fulvic khi kết hợp với các cation hóa trị I, II tạo thành các fulvat. Chúng là nguyên nhân làm rửa trôi các chất màu và phá hủy sét rất nhanh do chúng dễ tan trong nước, axit, kiềm nên dễ di chuyển theo chiều sâu của phẫu diện đất.
Người ta nhận thấy rằng: đất mùn trên núi cao, đất đỏ vàng, đất phèn là các loại đất giàu chất hữu cơ.
Tóm lại, axit fulvic là một tổ hợp mùn xấu hơn axit humic. Vì vậy, đất giàu axit fulvic thường bị chua, dễ bị nghèo mùn, các nguyên tố trong đất dễ bị rữa trôi dưới dạng muối fulvat dễ hòa tan.
c. Các humin
Các humin là tổ hợp các chất mùn được cấu tạo bởi các liên kết giữa các axit humic, axit fulvic và các khoáng sét trong đất. Các humin có màu đen, không tan trong dung dịch kiềm, có phân tử lượng lớn, bền vững trong đất, cây trồng không sử dụng được.
Humin không hòa tan do liên kết với khoáng như các silicat, setquioxyt và khoáng sét – phức humat với khoáng sét.
Ngoài ra thành phần chất mùn còn có nhiều axit amin có tính axit, bazơ, trung tính và các axit amin chứa lưu huỳnh.
1.3.2.4. Vai trò của mùn[9], [10], [22]
a. Vai trò của mùn đối với đất
- Chất mùn giúp cải thiện cấu trúc của đất, cải thiện tỉ số không khí và nước ở vùng rễ làm tăng khả năng giữ nước của đất. Do vậy, nếu đất giàu mùn sẽ ít mẫn cảm với tình hình khô hạn.
- Chất mùn cải thiện thành phần cơ giới nhẹ của đất cát và thành phần cơ giới nặng của đất sét.
- Chất mùn tạo khả năng thu nhiệt và giữ nhiệt, điều hòa nhiệt độ của đất, tránh sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ của đất cho cây.
- Đất mùn có khả năng hấp phụ trao đổi cation cao làm cho đất có tính chịu nước, chịu phân cao.
- Đất giàu mùn có tính đệm cao, chống chịu với những thay đổi đột ngột về pH đất, đảm bảo các phản ứng hóa học và oxi hóa khử xảy ra bình thường, không gây hại cho cây trồng.
- Chất mùn là chỉ tiêu biểu thị đất khác đá mẹ, đất màu mỡ...
- Hợp chất mùn chứa nhiều nguyên tố dinh dưỡng lại có khả năng khoáng hóa chậm và thường xuyên thành các chất vô cơ đơn giản cho cây trồng sử dụng liên tục như: nitơ, photpho, kali... Vì vậy, đất giàu mùn nếu không có nguồn phân vô cơ bổ sung thì thường đất vẫn có năng suất ổn định.
- Chất mùn ngăn chặn sự tái hợp hấp phụ kali trong đất.
- Chất mùn làm tăng số vi sinh vật đất, bao gồm cả vi sinh vật có lợi.