TT Chất hữu cơ Khả năng phân hủy Thời gian tồn tại (năm)
1 Chất hữu cơ đất Nhanh đến rất chậm < 5 đến 1000
2 Phân động vật Nhanh < 5
3 Cỏ khô, cỏ và tàn dư Nhanh < 5
4 Tàn dư lá rụng Nhanh < 5 5 Thảm mục rừng tùng bách Trung bình 1 - 10 6 Rơm rạ Trung bình < 1 - 10 7 Lá thơng Trung bình < 1 - 10 8 Vỏ cây Chậm 10 - 100 9 Gỗ Chậm 10 - 100 10 Gluco Rất nhanh < 1 - 10* 11 Xenlulo Trung bình < 1 - 10 12 Linhin Chậm 10 - 100
Ghi chú: (*) ngày Nguồn: Nieder và Benbi (2008)[83]
Tốc độ phân hủy xác hữu cơ do vi sinh vật còn phụ thuộc rất lớn vào chất lượng của tàn dư hữu cơ, đặc biệt là tỷ lệ C/N. Khi tỷ lệ C/N thích hợp sẽ thúc đẩy q trình khống hóa xảy ra mạnh. Khi C/N quá cao (> 30) sẽ ức chế quá trình phân hủy chất hữu cơ. Nếu tỷ lệ C/N cao hơn 20 thì giai đoạn đầu của quá trình phân giải vi sinh vật phải lấy N từ môi trường gây ra sự cạnh tranh N với cây trồng. Tỷ lệ C/N thấp hơn 20, kết hợp với điều kiện mơi trường thuận lợi, q trình phân giải sẽ thuận lợi, môi trường đất sẽ có N tích lũy, vi sinh vật và cây trồng không xảy ra sự cạnh tranh N nhưng lại thúc đẩy q trình khống hóa làm mất chất hữu cơ. Tuy nhiên khi C/N quá thấp (< 10) quá trình phân hủy chất hữu cơ bị đình trệ [9, 102, 115].
1.4.3.2. Quá trình tổng hợp chất mùn trong đất
Chất mùn đất được tạo thành do kết quả của q trình mùn hóa từ các hợp chất hữu cơ thơng thường (protein, lipit, hyđratcacbon) được vi sinh vật phân giải
thành các sản phẩm trung gian và tái tổng hợp thành các chất hữu cơ phức tạp, có vịng nhân thơm, mạch nhánh với các nhóm chức khác nhau. Những hợp chất cao phân tử, bền vững này được gọi là chất mùn.
Theo Stevenson (1982), chất mùn có thể được hình thành theo một trong bốn con đường khác nhau. Các axit amin được hình thành trong đất có thể phản ứng với linhin đã biến đổi (con đường 4) hay ngưng tụ với quinon (con đường 2 và 3) và với sản phẩm đường khử (con đường 1) để tạo thành chất mùn (Hình 1.2).
Hình 1.2. Sơ đồ con đường hình thành chất mùn trong đất [99]
Thành phần và chất lượng của các tàn dư hữu cơ được coi là một trong những yếu tố tiên quyết ảnh hưởng đến chất mùn của đất. Một số các hợp chất hữu cơ đóng vai trị quan trọng trong quá trình hình thành và tích lũy mùn là hemixenlulo, xenlulo và linhin.
Hemixenlulo là những heteropolysacarit có trong thành phần tế bào thực vật, khơng hịa tan trong nước nhưng hịa tan trong dung dịch kiềm, thường chứa từ 50 - 200 đơn vị đường và dễ bị thủy phân bởi axit hơn so với xenlulo để tạo thành gluco, mano, galacto, arabina, xilo. Trong đất, có rất nhiều loại vi sinh vật tiết ra một loạt en ym mana a, silana a, galactana a để phân giải hemixenlulo, điển hình là Bacillus mesentericus, Bacillus subtilis, Clostridium pasteurianum,… Nhìn chung, hemixenlulo thường bị phân hủy nhanh hơn nhiều so với xenlulo và linhin, thời gian bán hủy trong thân cây lúa mì nhỏ hơn 50 ngày, tổng lượng hemixenlulo bị phân hủy hoàn toàn sau 160 đến 200 ngày, trong khi đó chỉ khoảng
80% tổng lượng xenlulo bị phân hủy [9, 102, 115].
Xenlulo là một hợp chất hữu cơ khá bền, có cấu tạo dạng sợi, mỗi sợi thường chứa khoảng 10.000 - 12.000 gốc gluco. Trong cấu trúc của xenlulo chủ yếu là các liên kết ß-(1-4) glucosit, vì vậy để phá hủy cấu trúc của polysacarit này cần có các enzim xenlulaza với những tác động đặc trưng riêng biệt. Hệ enzym tham gia vào q trình phân giải xenlulo gồm endoglucanaza, exoglucanaza và ß- glucozidaza. Các enzym này sẽ phá hủy khơng chọn lọc ß-1,4-glucan thành các mảnh có khối lượng phân tử nhỏ oligoxenlulo, enzym xenlubiosidaza phá hủy tiếp các mảnh nhỏ này thành đường đơn gluco. Trong đất có rất nhiều vi sinh vật có khả năng tiết ra các en ym để phân hủy xenlulo, gồm cả vi sinh vật háo khí và kị khí. Các vi sinh vật háo khí, chủ yếu là các loài vi khuẩn Sporocytophaga,
Cytophaga, Sorangium…Các vi khuẩn yếm khí gồm Bacillus cellulosac hydrrogenicus, Bacillus cellulosac methanicus, Clostridium,…Xenlulo trong rễ
thực vật của các cây ngũ cốc thường bị phân hủy nhanh hơn rơm rạ [9, 96, 107]. Linhin là hợp chất hữu cơ rất phức tạp có cơng thức hóa học là C18H30O15, gồm 500 - 600 đơn vị phenyl propan.Trong linhin có chứa nhiều nhóm định chức khác nhau như metoxin, phenol, rượu. Vì linhin là chất trùng hợp có cấu trúc phức tạp, đa dạng được tạo thành bằng sự khác nhau của đơn vị cấu trúc trùng hợp và các kiểu liên kết khác nhau giữa C-C hoặc C-O-C và có thể xảy ra giữa các vịng thơm, mạch nhánh hoặc các vòng thơm đến các mạch nhánh nên tỷ lệ phân hủy linhin thường chậm hơn rất nhiều so với hemixenlulo và xenlulo, ước tính có thể sau mười đến hàng trăm năm [9, 102, 115].
Quá trình phân hủy linhin thường bắt đầu từ các mạch chứa nhóm chức metoxyl (CH3O-) bị oxi hóa thành CO2 và nhóm chức hyđroxyl bị tách khỏi mạch vòng. Bước tiếp theo là sự khử trùng hợp và giải phóng các hợp chất của phenol ở các mạch nhánh. Sau đó, các mạch nhánh bị phân cắt và nếu các nhóm chức hydroxyl ở vị trí các bon bên cạnh trên vịng thơm thì vịng thơm sẽ bị phá vỡ. Quá trình phá vỡ các vòng benzen của linhin tại vị trí ortho và meta thường xảy ra ở điều kiện hiếu khí, ngược lại trong điều kiện thiếu khí sẽ bị giới hạn và linhin có xu hướng tích lũy lại trong mơi trường [9, 102].
Vi sinh vật phân giải linhin chủ yếu là nấm, xạ khuẩn cùng một số vi khuẩn. Nấm, đặc biệt là nấm đảm có vị trí quan trọng đối với q trình phân hủy linhin. Nấm rễ mục trắng (White-rot-fungi) có khả năng tiết ra en ym lacca a để
phân hủy được tất cả các loại gỗ có chứa linhin và các phân tử hữu cơ phức tạp khác trong đất. Một số enzym tham gia phân hủy linhin cũng có chức năng hình thành hoặc phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong đất [102]. Các sản phẩm phân giải linhin một phần bị oxi hóa, một phần khống hóa và một phần đi vào các q trình chuyển hóa cùng với protein của tế bào vi sinh vật kết hợp với những sản phẩm có nitơ đã được tổng hợp sẽ phản ứng với nhau để hình thành chất mùn trong đất.
1.4.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất
Các yếu tố môi trường đất
Các yếu tố mơi trường có ảnh hưởng đến q trình phân giải và tổng hợp chất mùn trong đất như cấu trúc đất, nhiệt độ, độ ẩm, phản ứng của đất, hàm lượng dinh dưỡng khoáng; thành phần, số lượng và cường độ hoạt động của vi sinh vật cũng như sự có mặt của các tác nhân bất lợi khác… [9, 72, 83, 102].
- Điều kiện nhiệt ẩm: Trong điều kiện thống khí, độ ẩm vừa phải (60 -
80% độ trữ ẩm đồng ruộng), nhiệt độ thích hợp (25 - 300
C) sẽ giúp vi sinh vật phát triển mạnh dẫn đến q trình khống hóa chiếm ưu thế, chất hữu cơ bị phân giải và mùn ít được tích lũy. Ở đất khơ hạn, thực vật phát triển kém, xác hữu cơ cung cấp cho đất ít nên cả q trình mùn hóa và vơ cơ hóa đều xảy ra chậm, mùn ít được tích lũy. Ngược lại trong điều kiện ngập nước, nhiệt độ đất thấp, quá trình khử chiếm ưu thế, quá trình phân giải chất hữu cơ xảy ra chậm và mùn cũng ít được tích lũy. Thường ở đất có sự ln phiên giữa thời gian khơ và ẩm sẽ thuận lợi cho q trình tích lũy chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất.
- Thành phần cơ giới đất: Đất có thành phần cơ giới nhẹ, có độ thống khí cao thì chất hữu cơ thường bị phân hủy nhanh, ngược lại đất có thành phần cơ giới nặng lại chặt bí cản trở hoạt động sinh học đất đều khơng thích hợp cho tích lũy chất mùn. Điều kiện thuận lợi cho tích lũy chất mùn là đất có thành phần cơ giới trung bình, có cấu trúc và bảo đảm điều kiện thuận lợi về chế độ nhiệt, ẩm. Đất phải có tỷ lệ khống sét vừa phải để tạo các liên kết phức hợp với chất hữu cơ đất.
- Tính chất hóa học và khống vật đất: phản ứng của đất, các loại khoáng sét, các ion kim loại kiềm và kiềm thổ, Fe, Al có khả năng liên kết hạn chế rửa trôi mùn. Khi đất quá chua hay kiềm sẽ khơng thích hợp để tích lũy chất hữu cơ. Đất ít chua hoặc trung tính, giàu các kim loại kiềm thổ và có tỷ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp là điều kiện tốt cho sự tích lũy và nâng cao chất lượng mùn.
- Số lượng và chất lượng xác hữu cơ: Nhìn chung những xác hữu cơ chứa nhiều chất dễ phân giải sẽ bị phân hủy nhanh hơn khi gặp điều kiện thuận lợi. Cịn xác hữu cơ chứa nhiều các chất khó phân hủy như nhựa, sáp, tanin thì bị phân hủy chậm. Nguồn chất hữu cơ phong phú sẽ là điều kiện thuận lợi cho q trình mùn hóa. Các tàn dư mùa vụ tồn tại trong hoặc trên bề mặt đất làm giảm xói mịn và mất các bon hữu cơ từ đất vào trầm tích cũng góp phần bảo vệ chất hữu cơ đất.
- Hoạt động của vi sinh vật: Đất có quá nhiều vi sinh vật hoạt động mạnh dẫn đến quá trình phân giải nhanh, mùn ít được tích lũy và ngược lại. Mùn chỉ được tích lũy khi có số lượng và thành phần vi sinh vật ở mức thích hợp. Các bon hữu cơ đất cũng ảnh hưởng tới đa dạng quần thể vi sinh vật đất. Vi khuẩn đất hoạt động mạnh làm mất C do khống hóa, một số nấm như mycorrhi a làm chậm phân hủy chất hữu cơ đất do có sự liên kết với khống sét và các khoáng khác.
Hàm lượng chất hữu cơ trong đất và tỉ lệ C/N
Quá trình phân giải chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ C/N, phản ánh nên mối quan hệ giữa hàm lượng C, N và có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của các nhóm vi sinh vật. Các vi sinh vật dị dưỡng trong đất ln có nhu cầu phân hủy các vật chất hữu cơ để lấy C, N và năng lượng xây dựng lên sinh khối cơ thể, giúp chúng tồn tại phát triển. Các vi sinh vật có tỷ lệ C/N trung bình là 7/1, khi phân giải các chất hữu cơ vi sinh vật thường chỉ sử dụng 1/3 lượng C làm nguồn năng lượng và 2/3 để xây dựng tế bào. Do đó, trung bình vi sinh vật cần tỷ lệ C/N là 21/1 để đáp ứng đủ nhu cầu của chúng. Tuy nhiên tỷ lệ C/N của các sinh vật khác nhau rất xa. Nguyên sinh động vật và giun trịn có C/N < 10, phần lớn các vi khuẩn có C/N = 5, nấm mốc có C/N = 15, tàn dư thực vật họ Ngũ cốc có tỷ lệ C/N cao, thường > 40, cây họ Đậu có C/N < 40; trung bình trong các tàn dư thực vật là 30. Căn cứ vào tỷ lệ C/N cho thấy nhu cầu N của vi khuẩn trong q trình khống hóa chất hữu cơ nhiều hơn nấm [102, 115].
Trong các loại đất khác nhau hoặc ngay cả trong cùng một loại đất ở các tầng phát sinh khác nhau thì tỷ lệ C/N cũng khác nhau. Nhìn chung C/N ở vùng khí hậu nóng nhỏ hơn vùng lạnh dù cùng một lượng mưa. Trong một phẫu diện đất, C/N ở tầng sâu thấp hơn ở tầng mặt, thông thường ở tầng mặt của các loại đất, tỷ lệ C/N dao động 8/1 - 20/1. Ở đất trồng trọt C/N thường có giá trị 8/1 -15/1, phổ biến nhất là 9/1 - 12/1. Đất than bùn tỷ lệ này thường lớn hơn 30/1.
Khi tỷ lệ C/N thấp, hoạt động của các vi sinh vật phân giải xác hữu cơ thấp và lượng CO2 giải phóng ra ít. Nếu đưa vào trong đất một khối lượng xác hữu cơ có tỷ lệ C/N thích hợp sẽ thúc đẩy sự hoạt động và phát triển của các vi sinh vật tăng lên một cách mãnh liệt. Do đó, chất hữu cơ bị phân giải mạnh, lúc này q trình nitrat hóa bị kìm hãm do các vi sinh vật đã lấy nitơ trong đất để tồn tại và cấu tạo nên cơ thể của chúng. Do vậy, mặc dù chất hữu cơ bị phân giải mạnh nhưng trong đất vẫn xảy ra tình trạng thiếu nitơ dễ tiêu. Tình trạng thiếu nitơ kéo dài đến khi q trình mùn hóa dần đến giai đoạn cuối, hoạt động của các vi sinh vật giảm dần do thiếu các bon, nitơ cần thiết cho nhu cầu của vi sinh vật khơng cịn đáng kể. Lúc này quá trình nitrat hóa lại xuất hiện và tăng dần, làm tăng hàm lượng nitơ dễ tiêu cho đất. Sự phân giải chất hữu cơ diễn ra đến khi nó đạt được trạng thái cân bằng thì tỷ lệ C/N cũng được xác định và tương đối ổn định [83, 102].
Ảnh hưởng của kim loại nặng và hợp chất hữu cơ độc hại
Vi sinh vật đất đóng vai trị quan trọng các quá trình chuyển hóa vật chất nhưng khi có tác động của chất ơ nhiễm thì một số chức năng có thể bị ức chế. Các kim loại nặng khơng chỉ tác động lên sinh khối, đa dạng vi sinh vật mà cịn có tác động tổng hợp tới hoạt tính sinh học đất như: cường độ hơ hấp, hoạt tính enzym đất. Hơ hấp chỉ thị cho hoạt động của vi sinh vật đất. Các kim loại ở hàm lượng thích hợp sẽ có tác dụng kích thích q trình hơ hấp của vi sinh vật như: Zn, Cu… Ngược lại, với hàm lượng Cd tăng dần thì quá trình hơ hấp của vi sinh vật có xu hướng giảm đi gây cản trở đến các q trình chuyển hóa chất hữu cơ đất [65, 102].
Trần Thị Tuyết Thu và cộng sự (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của Zn và Cd đến khu hệ vi sinh vật đất trồng chè ở Phú Hộ cho thấy với lượng bổ sung gây ô nhiễm Zn từ 200; 600 và 1.000 ppm; và Cd từ 2; 6 và 10 ppm đã làm giảm đáng kể số lượng vi sinh vật tổng số cũng như vi sinh vật phân giải xenlulo trong đất; hàm lượng Zn và Cd gây nhiễm càng cao thì số lượng vi sinh vật đất giảm càng mạnh, vi khuẩn là nhóm nhạy cảm hơn so với xạ khuẩn và nấm.
Bên cạnh đó, hóa chất bảo vệ thực vật có ảnh hưởng lớn đến khu hệ vi sinh vật đất. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của của thuốc trừ sâu đến thành phần và sự phân bố của các nhóm vi sinh vật chính trong đất trồng chè ở Phú Hộ cho thấy thuốc trừ sâu sinh học Reasegant 3.6 EC ở các liều dùng 10 ml, 50 ml và 100 ml hóa chất/360 m2 có ảnh hưởng rõ đến số lượng vi sinh vật đất. Ở các liều dùng cao chúng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật tổng số và vi sinh vật phân hủy
xenlulo. Ảnh hưởng của thuốc trừ sâu sinh học Reasegant 3.6 EC (hoạt chất Abamectin 3.6%) ở các liều lượng: 15 mg, 75 mg và 150 mg hóa chất/360 m2 làm giảm số lượng nấm tổng số ngay ở liều lượng thấp. Sự suy giảm số lượng vi sinh vật phân hủy xenlulo tỷ lệ thuận với liều lượng sử dụng Reasegant 3.6 EC bổ sung vào đất thí nghiệm. Tác động của Actardor và Reasegant có tính chọn lọc đối với mỗi lồi sinh vật đất và đều có ảnh hưởng ức chế đến các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và tích lũy chất hữu cơ đất (Trần Thị Tuyết Thu, 2012).
1.4.4. Bi n pháp qu n lý ch t h t trên thế giới và Vi t Nam