BIẾN ĐỔI KHOÁNG VẬT ĐẤT

3. NHIỆM VỤ CỦA HÓA HỌC ĐẤT

1.4. 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 đất thay đổi theo thời gian. Những thay đổi này được phản ánh một cách rõ nét nhất qua sự phát triển về mặt hình thái của các tầng đất, nhưng chúng cũng biểu hiện rất rõ ràng về mặt khoáng vật 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 trong quá trình phát triển phẫu diện đất. Các thay đổi này được nhận biết chung là các giai đoạn phong 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, cacbonat và các silicat nguyên sinh, trừ thạch anh và muscovit trong nhóm hạt sét của đất. Các khoáng vật này chỉ có thể tồn tại nếu phần lớn thời gian đất rất khô hoặc rất lạnh hoặc rất ẩm - tức là nếu 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 sinh chiếm ưu thế trong nhóm hạt sét. Những khoáng vật này có thể tồn tại trong đất dưới tác động của các điều kiện rửa trôi nhưng không không làm suy kiệt silic đioxit và các nguyên tố đa lượng và không dẫn đến sự oxi hoá hoàn toàn ion sắt [Fe(II)] là ion được liên kết chặt chẽ vào ilit và smectit. Phong hoá giai đoạn cuối thường kết hợp với các điều kiện rửa trôi mãnh liệt và oxi 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.

Các giai đoạn phong hoá Jackson-Sherman Khoáng vật đặc trưng trong Các điều kiện vật lý và hoá học đặc trưng của đất nhóm hạt sét của đất Giai đoạn đầu Thạch cao Hàm lượng nước và chất hữu cơ rất thấp, rửa trôi rất it Cacbonat Môi trường khử Olivin/pyroxen/amphibol Thời gian phong hoá hạn chế Mica mang Fe(II) Fenspat Giai đoạn trung gian Thạch anh Giữ Na, K, Ca, Mg, Fe(II) và silic đioxit: Mica bát diện kép/ilit

33

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 Smectit Các silicat dễ bị thuỷ phân Sự keo tụ của silic đioxit, vận chuyển silic đioxit đến vùng phong hoá Giai đoạn cuối cùng (cấp cao) Kaolinit Sự di chuyển của Na, K, Ca, Mg, Fe(II) và silic đioxit: Gipxit Rửa trôi mạnh, nước ngọt Oxit sắt Sự oxi hoá Fe(II) (gơtit, hematit) Hợp chất có tính axit, pH thấp Oxit titan Sự phân tán của silic đioxit (anataza, rutil, ilmenit) Polyme Al-hydroxy

Thứ tự tăng dần của độ bền của các khoáng vật đất được liệt kê trong bảng 1.5 theo chiều từ trên xuống cả giữa các giai đoạn lẫn trong một giai đoạn phong hoá. Vì vậy các khoáng vật nguyên sinh có khuynh hướng xuất hiện ở vị trí cao hơn trong danh sách này so với các khoáng vật thứ sinh và các khoáng vật nguyên sinh có thể được liên kết với các khoáng vật thứ sinh bằng một số các phản ứng hoá học. Phản ứng quan trọng nhất trong số các phản ứng này là phản ứng thuỷ phân.

Có thể minh hoạ bằng những phương trình hoá học sau:

NaAlSi3O8(rắn) + 8H2O(lỏng) = (albit) Na+(dd) + Al(OH)2+(dd) + 3Si(OH)4o(dd) + 2OH-(dd) (1.2)

NaAlSi3O8(rắn) + 8H2O(lỏng) = Al(OH)3(rắn) + Na+(dd) + 3Si(OH)4o + OH-(dd) (albit) (1.3) (gipxit)

Trong cả hai phản ứng này được tiến hành từ trái qua phải, sự hoà tan của của fenspat, albit do phản ứng hoá học với nước để hình thành các chất hoà tan (ký hiệu “dd” – dung dịch). Phương trình 1.2 được gọi là sự hoà tan tương hợp bởi vì sản phẩm tạo thành chỉ là các chất hoà tan. Trong khi đó phương trình1.3 được gọi là sự hoà tan không tương hợp vì có một sản phẩm pha rắn – gipxit được hình thành. Phản ứng phong hoá quan trọng khác là sự tạo phức của các anion với các khoáng vật đất, ví dụ: K2[Si6Al2]Al4O20(OH)4(rắn) + 6C2O4H2(dd) + 4H2O (lỏng) = (muscovit) 2K+(dd) + 6C2O4Al+(dd) + 6Si(OH)4o(dd) + 8OH-(dd) (1.4)

Hợp chất hữu cơ ở bên trái của phương trình 1.4, axit oxalic, phân ly và giải phóng một ion, C2O42-, ion này hình thành một phức chất hoà tan với Al3+ để làm tăng sự hoà tan tương hợp của muscovit do sự thuỷ phân. Phức chất hoà tan này, C2O4Al+, giúp ngăn cản sự thuỷ phân của Al3+ nếu không có thể sẽ dẫn đến sự hình thành kết tủa gipxit như ở phản ứng 1.3.

34

Chương II

THÀNH PHẦN HỮU CƠ CỦA ÐẤT 2.1. Phân loại chất hữu cơ đất

2.1.1. Khái niệm chung về chất hữu cơ trong đất

Dấu hiệu cơ bản làm đất khác đá mẹ là đất có chất hữu cơ. Số lượng và tính chất của chúng tác động mạnh mẽ đến quá trình hình thành đất, quyết định nhiều tính chất: lý, hoá, sinh và độ phì nhiêu của đất. Chất hữu cơ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự hình thành đất và độ phì nhiêu của đất. Toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất được gọi là chất hữu cơ của đất.

2.1.2. Phân loại

Chất hữu cơ của đất có thể chia làm 2 phần: những tàn tích hữu cơ chưa bị phân giải (rễ, thân, lá cây, xác động vật) vẫn giữ nguyên hình thể và những chất hữu cơ đã được phân giải. Phần hữu cơ sau có thể chia thành 2 nhóm: nhóm những hợp chất hữu cơ ngoài mùn và nhóm các hợp chất mùn.

Nhóm hữu cơ ngoài mùn gồm những hợp chất có cấu tạo đơn giản hơn như: protit, gluxit, lipit, lignin, tanin, sáp, nhựa, este, rượu, axit hữu cơ, anđehit... Nhóm này chỉ chiếm 10% - 15% chất hữu cơ phân giải nhưng có vai trò rất quan trọng với đất và cây trồng.

Nhóm các hợp chất mùn bao gồm các hợp chất hữu cơ cao phân tử, có cấu tạo phức tạp (sẽ trình bày ở phần mùn), nhóm này chiếm 85% - 90% chất hữu cơ được phân giải.

Ðất khác nhau có hàm lượng chất hữu cơ khác nhau. Ở đất đen (chernozem), đất mùn núi cao hàm lượng chất hữu cơ có thể đến 10% hoặc hơn nữa, song ở đất bạc màu, đất cát lượng hữu cơ lại chỉ 1% hoặc thấp hơn. Số lượng, đặc điểm hình thái, tính chất của chất hữu cơ của đất rừng và đất trồng trọt rất khác nhau.

Chất hữu cơ là phần quý nhất của đất, nó không chỉ là kho dinh dưỡng cho cây trồng mà còn có thể điều tiết nhiều tính chất đất theo hướng tốt, ảnh hưởng lớn đến việc làm đất và sức sản xuất của đất.

Vai trò của chất hữu cơ lớn đến mức vấn đề chất hữu cơ của đất luôn luôn chiếm một trong những vị trí trung tâm của thổ nhưỡng học và đã dành được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.

Trong đất tự nhiên nguồn hữu cơ cung cấp duy nhất cho đất là tàn tích sinh vật bao gồm xác thực vật, động vật và vi sinh vật. Ðối với đất trồng trọt ngoài tàn tích sinh vật còn có một nguồn hữu cơ bổ sung thường xuyên đó là phân hữu cơ.

+ Sinh vật sống trong đất, lấy chất dinh dưỡng từ đất để sinh trưởng, phát triển, khi chết để lại những tàn tích hữu cơ (xác hữu cơ). Trong tàn tích sinh vật, chủ yếu (tới 4/5) là tàn tích thực vật màu xanh. Trong quá trình sống chúng quang hợp tạo chất hữu cơ và khi chết chúng để lại cho đất: thân, rễ, cành, lá, quả và hạt.

35

+ Thực vật màu xanh có nhiều loại, số lượng và chất lượng chất hữu cơ chúng đưa vào đất cũng khác nhau. Cây gỗ sống lâu năm cung cấp chủ yếu là cành, lá khô và quả rụng tạo thành trên mặt đất một tầng thảm mục ở đất rừng, sau đó mới bị phân giải bởi vi sinh vật đất. Cây thân cỏ cho lượng chất hữu cơ nhiều và tốt hơn, lượng hữu cơ mà chúng để lại trong đất chủ yếu lại là rễ. Ở vùng đồng cỏ lượng rễ để lại trong đất ở tầng mặt (0- 1 m) hàng năm 8 - 28 tấn/ha. Ðối với cây thân cỏ hàng năm, lượng rễ để lại trong đất ít hơn, khoảng 3 - 5 tấn/ha; lượng thân, lá khoảng 0,5 - 13 tấn/ha, phần lớn thân lá của chúng bị người và súc vật sử dụng, vì vậy lượng tàn tích hữu cơ để lại trong đất để hình thành mùn không nhiều.

+ Ngoài thực vật màu xanh còn có xác động vật và vi sinh vật, lượng của chúng không nhiều, thường không vượt quá 100 - 200 kg/ha/năm trong đa số các loại đất, song chất lượng lại rất tốt đối với dinh dưỡng cây trồng.

+ Thành phần hoá học của những tàn tích hữu cơ rất khác nhau tuỳ thuộc vào nguồn gốc của chúng. Nhìn chung các tàn tích hữu cơ chứa đến 75 - 90% là nước. Trong thành phần chất khô, ngoài các chất gluxit, protit, lipit, lignin, tanin, nhựa, sáp, tàn tích hữu cơ còn chứa một lượng nhất định các nguyên tố vô cơ (bảng 4.1). Phần lớn các hợp chất hữu cơ trong cây là những hợp chất cao phân tử, ví dụ phân tử lượng protit: 105 - 106, polisacarit: 106. Tỷ lệ giữa các nhóm hợp chất chính trong các tàn tích hữu cơ khác nhau cũng rất khác nhau.

Bảng 4.1. Thành phần hoá học của sinh vật, % chất khô (A.E. Vozbutskaia)

Sinh vật Tro Protit

Gluxit Lignin Lipit và các hợp chất tanin Cenluloa Hemicenluloa và gluxit khác Vi khuẩn 2-10 40-70 - có - 1-40 Rong 20-30 10-15 5-10 50-60 - 1-3 Rêu 2-6 3-5 5-10 60-80 8-10 1-3 Dương xỉ 6-7 4-5 20-30 20-30 20-30 2-10 Cây lá kim: Thân Lá 0,1-1 2-5 0,5-1 3-8 45-50 15-20 15-25 15-20 25-30 20-30 2-12 15-20 Cây lá rộng: Thân Lá 0,1-1 3-8 0,5-1 4-10 40-50 15-25 20-30 10-20 20-25 20-30 5-15 5-15 Cỏ lâu năm: Họ hoà thảo 5-10 5-12 25-40 25-35 15-20 2-10

36

Họ đậu 5-10 10-20 25-30 15-25 15-20 2-10

Ngoài hợp chất hữu cơ trong tàn tích sinh vật có chứa một lượng các nguyên tố tro. Lượng chứa và tỷ lệ giữa chúng phụ thuộc vào từng loại sinh vật và điều kiện sống của chúng. Trong thành phần tro có K, Ca, Mg, Si, P, S, Fe... Chúng được chứa nhiều ở các cây thân cỏ.

+ Sau khi chết, xác sinh vật đi vào đất hoặc bị phân giải hoặc được chuyển hoá thành các hợp chất mùn

Ðối với đất trồng trọt, nhất là những nơi có mức độ thâm canh cao thì phân hữu cơ là một nguồn lớn bổ sung chất hữu cơ cho đất. Trong các thập niên 70, 80 của thế kỷ 20, ở nhiều vùng đất, người dân thu hoạch cả hạt lẫn cây, vì vậy phân hữu cơ gần như nguồn chính để tăng lượng mùn trong đất. Hiện nay có nhiều loại phân hữu cơ: phân chuồng, phân bắc, phân rác, phân xanh, bùn ao... Số lượng và chất lượng của chúng tuỳ theo trình độ kỹ thuât canh tác, thâm canh cây trồng ở mỗi nơi.

2.2. Các hợp chất hữu cơ không đặc trưng

Các hợp chất không đặc trưng là nhóm các chất hữu cơ rất quan trọng; trong đó bao gồm nhiều chất phổ biến trong sinh hoá được đưa vào đất từ các tàn dư thực vật, động vật bị phân giải, hoặc do rễ cây tiết ra...Một phần các hợp chất không đặc trưng có thể được hình thành do sự phân giải các chất mùn đặc trưng.

Ví dụ, các axit mùn dưới tác dụng của các men có thể bị phân giải thành các axit amin, các đường đơn chuyển vào dung dịch đất. Nhóm này bao gồm các chất như: lignin, xelluloza, protit, đường đơn, sap, axit béo, ...nghĩa là các thành phần của mô thực vật và động vật hoặc là thành phần của các chất thải hoạt động sống của sinh vật.

Các hợp chất không đặc trưng có mặt trong đất ở trạng thái tự do hoặc liên kết với các phần vô cơ của đất. Phần lớn các hợp chất không đặc trưng phản ứng nhanh nhất khi thay đổi các điều kiện ngoại cảnh, nhiều chất dễ dàng được vi sinh vật đồng hoá và phân giải, vì thế người ta coi chúng là nguồn hoạt tính của mùn đất.

Đất là một môi trường chứa đầy các vi sinh vật. 10 g đất phì nhiêu có thể chứa một lượng vi khuẩn bằng dân số loài người hiện nay. Một kg đất có thể chứa 500 tỷ vi khuẩn, 10 tỷ xạ khuẩn và khoảng 1 tỷ nấm. Ngoài ra số lượng động vật sống trong đất cũng có thể đạt 500 triệu con trong 1 kg đất. lượng sinh khối của vi sinh vật được tăng thêm bởi lượng rễ thực vật mà chiều dài của nó ở lớp đất mặt có thể vượt quá 600 km.

Vi sinh vật đất đóng vai trò cơ bản trong xúc tác cho các phản ứng oxy hoá khử. Các dịch do vi sinh vật và rễ thực vật tiết ra đóng vai trò quan trọng đối với độ chua của đất và đối với chu trình của các nguyên tố vết trong đất. Trong số các dịch này, các axit hữu cơ là đặc trưng nhất.

37

5 axit hữu cơ béo thường được tìm thấy cùng với hoạt tính vi sinh vật hoặc hoá học vùng rễ. Các axit này có đặc điểm cấu trúc chung là có chứa nhóm COOH- nhóm cacboxyl. Nhóm cacboxyl này dễ dàng bị phân ly thành proton trong phạm vi pH bình thường của đất. Các ion được phân ly ra có thể tấn công các khoáng vật của đất gây ra sự phá huỷ chúng (phương trình 2.2; 2.3; 2.5) và anion cacboxyl (COO-) còn lại có thể hình thành các phức chất hoà tan với các caction kim loại được giải phóng do quá trình phong hoá khoáng vật. Nồng độ tổng số của các axit hữu cơ trong dung dịch đất dao động từ 0,01 đến 5 mol m-3, quá lớn so với nồng độ của các nguyên tố vết ( 1 mmol m-3). Những axit này có thời gian tồn tại trong đất rất ngắn (có thể chỉ hàng giờ), nhưng chúng lại được tạo ra liên tục do chu trình sống của thế giới vi sinh vật. Axit formic (axit metanoic) là một axit monocacboxylic được tạo ra do vi khuẩn và được tìm thấy trong dịch rễ cây ngũ cốc. Axit axetic (axit etanoic) cũng được tạo ra bởi vi sinh vật đặc biệt dưới điều kiện yếm khí và nó cũng được tìm thấy trong dịch rễ của các loại cỏ và cây thân thảo. Nồng độ của axit formic và axit axetic trong dung dịch đất dao động từ 2 đến 5 mol m-3. Axit oxalic (axit etandioic) và axit tartaric (axit D-2,3-dihydroxibutandioic) là các axit Glyxin Alanin Aspartic Glutamic Arginin Lysindicacboxylic được bài tiết bởi rễ của các cây ngũ cốc; nồng độ của chúng trong dung dịch đất dao động từ 0,05 đến 1 mol m-3. Axit tricacboxylic xitric (axit 2-hydroxypropan-1,2,3-tricacboxylic) được tạo ra bởi nấm và bài tiết bởi rễ thực vật. Nồng độ của nó trong dung dịch đất < 0,05 mol m-3.

Ngoài các hữu cơ béo này, dung dịch đất còn chứa các axit thơm mà đơn vị cấu trúc cơ bản của nó là 1 vòng benzen. Các nhóm cacboxyl (các axit benzen cacboxylic) hoặc nhóm hydroxyl (các axít phenolic) có thể được liên kết với vòng benzen này theo cách sắp xếp khác nhau. Nồng độ của các axit này trong dung dịch đất dao động từ 0,05 đến 0,3 mol m-3. Các axit hữu cơ có công thức hoá học chung R-CHNH2-COOH gọi là các axit amin, trong đó R là một đơn vị hữu cơ như CH3. Nồng độ của những axit này trong dung dịch đất dao động trong khoảng 0,05-0,6 mol m-3, có thể chiếm tới 1/2 lượng N trong mùn của đất. Một số axit amin có số lượng nhiều nhất trong đất được liệt kê ở bảng 3.3. Glyxin và alanin là các axit amin trung tính, đối với chúng gốc R không chứa cả nhóm cacboxyl lẫn nhóm amin. Các axit này là trung tính vì nhóm COOH đóng góp điện tích âm do tách một proton, trong khi nhóm NH2 đóng góp điện tích dương do nhận một proton để trở thành NH3+. Các axit trung tính chiếm khoảng 2/3 số axit amin của đất. Các axit amin mang tính axit là những axit có gốc R chứa nhóm cacboxyl (axit aspartic và axit glutamic) và các axit