Nước vă không khí trong đất 93

4. ĐỊA QUYỂN VĂ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 89

4.3. Nước vă không khí trong đất 93

Thông thường, do câc hạt đất có kích thước nhỏ, đồng thời trong đất còn có câc mao quản vă lỗ xốp nhỏ, nín nước trong đất không tồn tại hoăn toăn độc lập với phần chất rắn của đất. Thực vật chỉ sử dụng được nước trong câc lỗ xốp lớn của đất, loại nước năy có thể chảy thoât khỏi đất. Nước chứa trong câc lỗ xốp nhỏ giữa câc lớp khoâng sĩt bị giữ chặt hơn nín thực vật khó hấp thụ phần nước năy.

Đất chứa nhiều chất hữu cơ thường giữ một lượng nước nhiều hơn câc loại đất khâc, nhưng thực vật khó sử dụng lượng nước năy, do nó bị hấp phụ vật lý vă hóa học lín câc thănh phần hữu cơ.

Nước tương tâc rất mạnh với khoâng sĩt trong đất. Nước bị hấp phụ lín bề mặt câc hạt sĩt. Do có diện tích bề mặt riíng lớn nín câc hạt keo sĩt giữ được một lượng nước khâ lớn. Nước còn bị giữ bởi câc lớp sĩt biến tính, như khoâng sĩt montmorillonite.

Khi bị úng nước, tính chất lý, hóa, sinh của đất sẽ bị biến đổi:

− Oxy trong đất sẽ bị suy kiệt nhanh chóng do hoạt động hô hấp của vi sinh vật khi tham gia quâ trình phđn hủy câc chất hữu cơ.

− Liín kết giữa câc hạt keo đất bị bẻ gêy, cấu trúc đất bị phâ vỡ.

− Nước dư thừa trong đất gđy hại cho cđy trồng, lúc năy đất không chứa đủ lượng không khí cần thiết cho rễ cđy. Ngoại trừ lúa, hầu hết câc cđy lương thực khâc không thể phât triển được trong đất úng nước.

− pE của đất giảm (chuyển sang môi trường khử) do tâc dụng của câc chất khử hữu cơ dưới tâc dụng xúc tâc của vi sinh vật. pE giảm mạnh xuống chỉ còn khoảng 1 hoặc nhỏ hơn (so với giâ trị 13,7 ở pH 7 trong điều kiện nước cđn bằng với không khí).

Hậu quả của sự thay đổi năy chính lă sự di động của sắt vă mangan, do câc oxit không tan ở mức oxy hóa cao hơn của chúng bị khử về dạng sắt (II) vă mangan (II) tan được:

MnO2 + 4H+ + 2e−

→ Mn2+ + 2H2O Fe2O3 + 6H+ + 2e− → Fe2+ + 3H2O

Mangan tan dưới dạng ion Mn2+, còn sắt (II) tan thường tồn tại dưới dạng ion phức tích điện đm với câc phối tử hữu cơ. Do sắt (II) tạo phức mạnh với axit fulvic trong đất, nín sắt (III) dễ bị khử thănh sắt (II) hơn trong điều kiện năy.

Cùng với một số ion khâc, Fe2+ vă Mn2+ở nồng độ cao lă câc ion độc hại với thực vật. Quâ trình oxy hóa câc ion năy tạo thănh câc oxit không tan Fe2O3, MnO2 gđy ra hiện tượng “nước phỉn” hoặc đóng thănh vâng trín mặt đất (“đóng phỉn”).

4.3.2. Không khí trong đất

Trong câc loại đất thông thường, câc lỗ xốp chứa không khí chiếm khoảng 35% tổng thể tích đất. Thănh phần không khí trong đất hoăn toăn khâc không khí bình thường (chứa khoảng 21% O2 vă 0,03% CO2 tínhtheo thể tích). Nguyín nhđn của sự khâc biệt năy được giải thích do sự phđn hủy câc chất hữu cơ trong đất:

{CH2O} + O2 → CO2 + H2O

Quâ trình năy tiíu thụ oxy vă tạo thănh CO2. Do đó hăm lượng oxy của không khí trong đất giảm xuống còn khoảng 15%, trong lúc đó hăm lượng CO2 tăng lín đến khoảng văi phần trăm. Sự phđn hủy năy cũng lăm tăng CO2 trong nước ngầm, lăm giảm pH vă lăm tăng sự phong hóa câc khoâng cacbonat, đặc biệt lă khoâng canxi cacbonat. CO2 còn lăm chuyển dịch cđn bằng hấp thụ câc ion kim loại của rễ cđy [11]:

Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ cđy) + 2HCO3−

Khi quâ trình trao đổi chất giữa đất vă khí quyển không tốt thì bín cạnh CO2, không khí trong đất còn chứa câc khí khâc như NO2, NO, H2, CH4, C2H4, H2S.

4.4. Dịch đất

Dịch đất lă phần nước trong đất chứa câc chất tan tạo thănh từ câc quâ trình hóa học vă sinh học trong đất, cũng như từ câc quâ trình trao đổi giữa đất với thủy quyển vă sinh quyển. Dịch đất vận chuyển câc chất hóa học đến vă đi khỏi câc hạt đất. Ngoăi tâc dụng cung cấp nước cho sự phât triển của thực vật, dịch đất còn tạo điều kiện cần thiết cho quâ trình trao đổi câc chất dinh dưỡng giữa rễ cđy vă câc hạt đất.

Rất khó thu được dịch đất vì phần lớn dịch đất được giữ trong câc mao quản hoặc tạo thănh lớp măng mỏng trín bề mặt hạt đất. Một trong những câch trực tiếp để lấy dịch đất lă thu nước rỉ từđất. Ngoăi ra, có thể tâch dịch đất từ đất ẩm bằng câch thay thế nước với câc chất lỏng không trộn lẫn với nước, hoặc dùng câc biện phâp cơ học như ly tđm, nĩn ĩp hay xử lý bằng chđn không. Hầu hết câc chất khoâng hòa tan trong dịch đất tồn tại ở dạng ion. Câc cation chủ yếu thường lă H+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+. Câc ion Fe2+, Mn2+, Al3+ thường chỉ có mặt với nồng độ rất thấp, chúng thường ở dưới dạng hydrat hóa như FeOH+, hay dạng tạo phức với câc hợp chất hữu cơ trong mùn.

Câc anion trong dịch đất thường gặp lă HCO3−, CO32−

, SO42−

, Cl− vă F−. Câc anion cũng có thể tạo phức với câc ion kim loại, như AlF2+. Câc cation vă anion đa hóa trị có thể kết hợp tạo thănh câc cặp ion hoặc câc hợp chất như CaSO4, FeSO4.

4.5. Phản ứng axit-bazơ vă phản ứng trao đổi ion trong đất 4.5.1. Sự tạo thănh axit vô cơ trong đất 4.5.1. Sự tạo thănh axit vô cơ trong đất

Khoâng pyrite (FeS2) có mặt trong một số loại đất khi tiếp xúc với không khí có thể bị oxy hóa thănh axit sulfuric

FeS2 + 7/2O2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2H+ + 2SO42− + 7H2O

lúc năy đất chứa nhiều sulfat vă axit do đó được gọi lă đất sulfat-axit (acid-sulfate soil). Câc vùng đất được hình thănh từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, có thể bị chuyển thănh đất sulfat-axit khi tiếp xúc với không khí. Câc mỏ khoâng sản có chứa FeS2đê ngừng hoạt động cũng tạo thănh loại đất tương tự nhưđất sulfat-axit từ trầm tích biển.

Nếu không được xử lý thích hợp thì không thể canh tâc được trín đất sulfat-axit do loại đất năy chứa câc yếu tố bất lợi như có pH thấp, nồng độ H2S cao gđy hại cho rễ cđy, chứa ion Al3+ rất độc đối với thực vật.

4.5.2. Điều chỉnh độ axit của đất

Hầu hết câc loại thực vật chỉ phât triển tốt trín đất có pH gần trung tính.

Đất chua thường được xử lý bằng vôi hoặc CaCO3:

Đất}(H+)2 + CaCO3 ⇌ Đất}Ca2+ + CO2 + H2O

Ở câc vùng có lượng mưa thấp, đất có thể có môi trường kiềm do chứa câc muối bazơ. Có thể xử lý đất kiềm bằng muối nhôm hoặc sắt sulfat, câc muối năy khi tan văo nước thì bị thủy phđn vă tạo ra môi trường axit.

2Fe3+ + 3SO42− + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 (r) + 6H+ + 3SO42−

Cũng có thể sử dụng lưu huỳnh để xử lý đất kiềm. Vi khuẩn trong đất oxy hóa lưu huỳnh thănh axit sulfuric. Đđy lă một phương phâp có hiệu quả về mặt kinh tế, do lưu huỳnh sử dụng ở đđy chính lă sản phẩm phụ rất dồi dăo của công nghệ tâch loại lưu huỳnh ra khỏi nhiín liệu hóa thạch (nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm không khí do SO2).

4.5.3. Cđn bằng trao đổi ion trong đất

− Khả năng trao đổi câc cation lă một trong những tính chất quan trọng của đất. Nhờ quâ trình trao đổi cation của đất mă trong đất có câc ion đa lượng như kali, canxi, magií vă câc ion vi lượng khâc cho thực vật. Khi ion kim loại được rễ cđy hấp thụ, H+ sẽ thay thế vị trí của ion kim loại trong đất, ví dụ:

Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ) + HCO3−

Do quâ trình năy nín khi canxi, magií vă câc ion kim loại khâc trong đất bị nước chứa axit cacbonic rửa trôi thì đất sẽ bị chua hóa.

Để đânh giâ khả năng trao đổi cation của đất người ta sử dụng thông số CEC (cation- exchange capacity: khả năng trao đổi cation). CEC lă số mili đương lượng gam (meq) cation mang điện tích +1 có thể trao đổi trín 100 g đất khô. CEC của đất thay đổi theo pE vă pH.

Cả câc khoâng sĩt vă thănh phần hữu cơ trong đất đều có khả năng trao đổi cation. CEC của câc loại đất có thănh phần hữu cơ khâc nhau thường dao động trong khoảng 10 – 30 meq/100 g. Mùn có khả năng trao đổi cation rất cao. CEC của than bùn có thể lín đến 300 – 400 meq/100 g.

− Trín bề mặt câc oxit trong khoâng của đất còn có thể xảy ra quâ trình trao đổi câc anion. Cơ chế của quâ trình năy được giải thích bằng ví dụ minh họa với kim loại M trình băy dưới đđy.

Ở pH thấp, bề mặt câc oxit kim loại có thể có câc điện tích dương, do đó chúng có thể giữđược câc anion (ví dụ Cl−) bằng lực hút tĩnh điện:

H+

O M

OH2

Ở pH cao, trín bề mặt oxit kim loại có câc điện tích đm, do câc phđn tử nước bị giữ trín bề mặt oxit mất H+ vă tạo thănh OH−:

Lúc năy anion như HPO42− có thể thay thế vị trí của OH−để liín kết trực tiếp lín bề mặt oxit: OH− + HPO42− ⇌ OPO3H2− + OH− M O M O

4.6. Chất dinh dưỡng vi lượng vă đa lượng trong đất

Cung cấp câc chất dinh dưỡng đa lượng vă vi lượng lă chức năng quan trọng nhất của đất. Chất dinh dưỡng đa lượng lă câc chất có mặt trong thực vật hay dịch thực vật ở mức nồng độ khâ cao. Trong lúc đó, câc chất dinh dưỡng vi lượng chỉ có mặt ở mức nồng độ rất thấp nhưng lại cần thiết cho hoạt động của câc enzim của thực vật.

4.6.1. Chất dinh dưỡng đa lượng

Cacbon, hydro, oxy, nitơ, photpho, kali, canxi, magií vă lưu huỳnh được xem lă câc chất dinh dưỡng đa lượng đối với thực vật.

Thực vật hấp thụ cacbon, hydro vă oxy từ khí quyển. Câc nguyín tố đa lượng khâc được hấp thụ từđất. Trong sốđó, nitơ, photpho vă kali lă câc chất dinh dưỡng rất quan trọng ảnh hưởng đến sự phât triển của thực vật, năng suất của vụ mùa, nhưng thường không có đủ trong đất nín phải được bổ sung dưới dạng phđn bón.

Thường rất ít gặp loại đất thiếu canxi. Bón vôi để xử lý đất chua cũng đê cung cấp một lượng đâng kể canxi cho thực vật. Đất chua có thể vẫn chứa một lượng lớn canxi, nhưng do sự cạnh tranh giữa ion canxi vă ion hydro nín thực vật không thể hấp thụ được lượng canxi năy. Xử lý độ chua của đất sẽ khắc phục được tình trạng thiếu canxi năy. Trong đất kiềm, câc ion natri, magií, vă kali có mặt ở nồng độ lớn có thể cạnh tranh với canxi, gđy ra tình trạng thiếu canxi.

Hầu hết magií trong vỏ Trâi đất (2,1%) được liín kết rất bền với câc khoâng. Thục vật chỉ có thể hấp thụ được dạng magií trao đổi liín kết với câc chất hữu cơ hay khoâng sĩt. Magií trong đất có đủ cho thực vật hay không còn phụ thuộc văo tỷ số Ca/Mg. Nếu tỷ số năy quâ cao, đất sẽ bị thiếu magií. Tương tự như vậy, nếu đất có chứa nhiều natri, kali cũng sẽ gđy ra thiếu magií.

Thực vật hấp thụlưu huỳnh dưới dạng SO42−. Ngoăi ra, ở những vùng không khí bị ô nhiễm SO2, lưu huỳnh còn có thểđược cđy hấp thụ qua lâ.

Thực vật phât triển chậm ở những vùng đất thiếu lưu huỳnh do nguyín tố năy lă thănh phần của một số amino axit cần thiết, thiamin vă biotin. Ion sulfat thường tồn tại trong đất dưới dạng khoâng sulfat di động không tan, hoặc dạng muối tan. Không như trường hợp kali, sulfat bịđất hấp thụ một phần (liín kết theo kiểu trao đổi ion), nín một mặt ngăn chặn được tình trạng rửa trôi, mặt khâc vẫn cung cấp được sulfat cho thực vật hấp thụ.

Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh được phât hiện trín toăn thế giới. Trong khi đó, hầu hết câc loại phđn bón trín thị trường lại không chứa, hoặc chứa rất ít lưu huỳnh. Cùng với xu hướng sử dụng phđn bón thiếu lưu huỳnh hiện nay, khả năng lưu huỳnh trở thănh yếu tố dinh dưỡng giới hạn có thể xảy ra ở một số nơi.

Nhưđê trình băy ở trín, FeS2 phản ứng với axit trong đất sulfat-axit có thể giải phóng H2S rất độc với cđy trồng, H2S cũng có khả năng tiíu diệt nhiều vi sinh vđt có lợi. Khí H2S độc hại có thểđược tạo thănh từ phản ứng khử ion sulfat bởi câc chất hữu cơ, dưới tâc dụng xúc tâc của vi sinh vật. Có thể ngăn chặn sự tạo thănh H2S trong đất ngập nước bằng câc tâc nhđn oxy hóa, KNO3 lă chất oxy hóa được sử dụng hiệu quả nhất.

4.6.1.1. Nitơ

Hình 4.2 trình băy sự chuyển hóa của nitơ trong đất. Trong hầu hết câc loại đất, trín 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ. Câc hợp chất hữu cơ chứa nitơ lă câc sản phẩm sơ cấp của quâ trình phđn hủy xâc động, thực vật. Câc sản phẩm năy cuối cùng bị phđn hủy thănh NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tâc dụng của câc vi khuẩn trong đất thănh NO2−

rồi NO3− . .

ển hóa của nitơ trong đất. Trong hầu hết câc loại đất, trín 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ. Câc hợp chất hữu cơ chứa nitơ lă câc sản phẩm sơ cấp của quâ trình phđn hủy xâc động, thực vật. Câc sản phẩm năy cuối cùng bị phđn hủy thănh NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tâc dụng của câc vi khuẩn trong đất thănh NO2−

rồi NO3− . . Thực vật Động vật cốđịnh đạm Xâc thực vật Đề nitrat hóa Nitrat hóa N hữu cơ Phđn Nước tiểu Xâc NH4 + {đất} Rễ cđy hấp thụ Trao đổi ion, Giữ NH4+ N2 N2O NO2− NO3− NH4 + Thấm thất thoât Phđn đạm Nitơđược cốđịnh do sấm chớp hoặc

câc đâm chây

Hình 4.2. Sự chuyển hóa của nitơ trong đất

Không như photpho vă kali, quâ trình phong hóa không tạo ra nhiều câc hợp chất nitơ. Câc loại vi sinh vật có khả năng cốđịnh đạm cũng không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phât triển tối đa của thực vật. Vì vậy, hiện nay một lượng lớn phđn bón chứa nitơ đang được sử dụng trong nông nghiệp.

Câc hợp chất nitơ vô cơ từ phđn bón hoặc từ nước mưa rất dễ bị thất thoât do rửa trôi. Do được gắn kết chặt chẽ với mùn trong đất, nín nitơ trong câc hợp chất của mùn đóng vai trò rất quan trọng đối với độ phì của đất. Mùn lă nguồn chứa câc hợp chất nitơ của đất. Câc hợp chất năy bị phđn hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ. Quâ trình phđn hủy năy xảy ra gần như song song với sự phât triển của thực vật, nhanh văo mùa ấm (lúc thực vật phât triển mạnh) vă chậm văo câc thâng mùa Đông.

Thực vật vă ngũ cốc phât triển trín đất có giău nitơ không những chỉ cho năng suất cao mă còn cung cấp sản phẩm giău protein vă chất dinh dưỡng.

Thực vật vă ngũ cốc phât triển trín đất có giău nitơ không những chỉ cho năng suất

Câc dẫn xuất halogen của hydrocacbon 35

Sương khói kiểu Los Angeles 47