2.6.1 Sự hình thành đất nhiễm mặn
Định nghĩa về đất mặn được chấp nhận rộng rãi nhất là đất mặn có độ dẫn điện (Electrical conductivity - EC) của chất ly trích lúc đất bão hòa lớn hơn 4 mS/cm, ở 250
C (U.S Salinity Laboratory, 1954). EC đất là độ dẫn điện của dung dịch đất, dung dịch càng có nồng độ muối tan cao sẽ có độ dẫn điện cao.
Muối trong đất mặn có thể có nguồn gốc tại chổ từ trầm tích hoặc do xâm nhập mặn của nước biển hay được cung cấp vào bởi việc sử dụng nước mặn (James Camberato, 2001). Theo Brouwer et al., (1985), sự tích tụ của muối trong đất bắt đầu xuất hiện khi lượng nước bốc hơi vượt quá lượng nước cung cấp vào đất do hầu hết nước tưới có chứa một lượng muối hòa tan. Sau khi tưới, nước bổ sung vào đất được cây trồng sử dụng hoặc bay hơi trực tiếp nhưng muối được giữ lại trong đất. Nếu không được lấy đi, muối tích tụ trong đất. Quá trình này được gọi là sự mặn hóa (Hình 2.3).
Theo Brouwer et al., (1985) cho rằng nước mặn ngầm cũng có thể đóng góp cho sự nhiễm mặn. Khi mực nước dâng cao, nước mặn ngầm có thể đạt
(Nguồn: Brouwer et al., 1985)
đến các lớp đất phía trên, do đó mang muối tới vùng rễ cây trồng. Đất mặn tích lũy nhiều loại muối khác nhau, trong đó các muối Clorua chiếm ưu thế. Đất mặn cũng được hình thành do sản phẩm bồi tụ của sông ngòi và biển chịu ảnh hưởng của quá trình nhiễm mặn do thủy triều (Nguyễn Vy và Đỗ Đình Thuận, 1977).
2.6.2 Tính chất và phân loại đất nhiễm mặn
Đất nhiễm mặn chứa các thành phần muối chủ yếu bao gồm canxi (Ca2+), magiê (Mg2+), natri (Na+), kali (K+), chloride (Cl-), bicarbonate (HCO3
-
) hoặc sulfate (SO4
2-). Sự hiện diện của các muối trong đất được xác định bằng nồng độ Na+
, Ca2+, Mg2+ và khả năng sodic hóa của đất được xác định thông qua việc tính toán tỉ số hấp phụ của Na+
trên keo sét (Sodium adsorption ratio - SAR) và phần trăm Na+ trao đổi (Exchangeable sodium percentage - ESP) (Ann McCauley, 2005).
Tùy thuộc vào trị số EC, SAR, ESP và pH, đất nhiễm mặn được phân thành đất mặn, đất sodic, đất mặn - sodic với các đặc trưng theo Bảng 2.2. Bảng 2.2 Phân loại đất nhiễm mặn
Phân loại EC (mS.cm-1) pH ESP SAR Đất mặn > 4 < 8.5 < 15 < 13 Đất sodic < 4 > 8.5 > 15 > 13 Đất mặn sodic > 4 < 8.5 > 15 >13
(Nguồn: Brouwer et al., 1985)
2.6.2.1 Đất mặn
Đất mặn là đất có sự vượt quá nồng độ các muối hòa tan do đó EC của đất thường cao hơn 4 mS/cm. Đất mặn có chứa carbonate hòa tan, muối clorua và sulfate ở nồng độ cao. Mặc dù các muối không hòa tan như carbonate Ca và Mg không ảnh hưởng đến EC, các muối này thường hiện diện trong đất mặn. Đất mặn có nồng độ muối cao đưa đến các đặc tính bất lợi về mặt vật lý, hóa học và sinh học đất (Abrol et al., 1988).
Đất mặn có chứa hàm lượng ion Na+
cao trên phức hệ hấp thu của đất, gây xáo trộn và mất cân đối về sự hấp thu nước và dưỡng chất cho cây trồng và bất lợi về tính chất vật lý đất (Agar, 2011).
2.6.2.2 Đất sodic
Trái ngược với đất mặn, đất sodic có EC thấp nhưng hàm lượng Na+
trên hệ hấp phụ của đất cao do Na+
thay thế các cation base hấp phụ trên keo sét (ESP > 15 và SAR > 13). Đất sodic có EC tương đối thấp, nhưng một lượng lớn Na+
hiện diện trên bề mặt keo đất, thường làm cho đất có pH bằng hoặc trên 8,5. Lượng ion Na+
hấp phụ cao làm cho các keo đất phân tán (Hình 2.5 B). Sự phân tán của keo đất làm tắc nghẽn tế khổng của đất, làm giảm khả năng vận chuyển nước và không khí của đất. Kết quả là đất có độ thấm nước thấp và giảm tốc độ thấm của nước vào đất (Ann McCauley, 2005). Các điều kiện này có xu hướng ức chế cây con mọc mầm và cản trở sự sinh trưởng của cây trồng. Đất bị sodic cũng dễ trương nở và co rút trong suốt giai đoạn khô và ướt gây phá vỡ cấu trúc đất. Lớp đất bên dưới của đất sodic thường rất rắn chắc, ẩm ướt và dính do sự kết hợp của đất có cấu trúc cột lại với nhau. Đất có cấp hạt mịn với hàm lượng sét cao dễ bị phân tán hơn so với đất thô bởi tốc độ trực di và thấm nước chậm. Các đặc tính khác của đất sodic bao gồm: lượng nước hữu dụng cho cây ít, lớp đất trồng trọt mỏng và độ thoáng khí kém.
(Nguồn: Brady and Weil, 2002)
Hình 2.5 Vai trò của Ca2+ và Na+ trong sự kết tụ keo đất (A) và sự phân tán keo đất (B)
2.6.2.3 Đất mặn - sodic
Đất mặn - sodic là loại đất kết hợp cả hai đặc tính trên (EC > 4 mS.cm- 1
, pH < 8.5 và ESP > 15) (Melida Leth and David Burrow, 2002). Vì vậy, tăng trưởng của cây trong đất mặn - sodic bị ảnh hưởng bởi cả muối và Na+
vượt mức. Những đặc tính vật lý của đất mặn - sodic là trung gian giữa đất mặn và đất sodic. Đất có chứa nhiều muối Ca2+
và Mg2+ giúp làm giảm hoạt động phân tán của Na+
và cấu trúc đất không kém như ở đất sodic. Độ pH của đất mặn - sodic thường thấp hơn 8,5.
Sự hiện diện của các loại cation trong đất có ảnh hưởng đến tình trạng vật lý đất. Sự hiện diện của Ca2+
và Mg2+ giúp cho đất kết tụ và sự hiện diện của Na+
gây ra sự phân tán các hạt đất. Sự giảm khả năng thấm rút nước trên đất mặn có thể được ước tính bằng việc xác định tỉ số hấp phụ của Na (Sodium adsorption ratio - SAR) và độ dẫn điện (electrical conductivity - EC) của nước. SAR liên quan đến nồng độ của Na với nồng độ của Ca và Mg trong dung dịch của đất theo biểu thức sau:
2 2 [ ] [ ] 2 Na SAR Ca Mg Hàm lượng Na+
càng cao trong hệ hấp phụ so với Ca2+ và Mg2+ thì SAR càng cao và khả năng thấm rút nước càng giảm. Ảnh hưởng của SAR trên sự thấm rút nước trong đất cũng phụ thuộc vào EC của nước tưới. Cùng với SAR, độ dẫn điện của EC càng thấp thì khả năng thấm rút nước càng giảm và ngược lại, EC càng cao sự thấm rút nước càng tốt.
Trị số phần trăm Na+
trao đổi (exchangeable sodium percentag - ESP) cũng được sử dụng để ước tính có hay không hàm lượng của Na+
vượt cao quá mức làm đất trở nên kém thoáng khí và giảm khả năng thấm rút nước. ESP được định nghĩa như là phần trăm của Na+
trao đổi trên khả năng trao đổi cation của đất: [ ] (%) Na 100 ESP x CEC Đơn vị tính nồng độ là Cmol/kg.
ESP >15% hoặc SAR >13 cho thấy rằng Na+
hiện diện trong đất với hàm lượng cao có khả năng làm giảm tính thấm hút của đất đối với nước và không khí.
2.6.3 Những bất lợi của mặn lên đặc tính môi trường đất 2.6.3.1 Ảnh hưởng lên cấu trúc của đất 2.6.3.1 Ảnh hưởng lên cấu trúc của đất
Theo Warrence et al., (2003), đất mặn có thể ảnh hưởng đến tính chất vật lý của đất do các cation kiềm Ca2+
và Mg2+ có vai trò làm cho các hạt đất mịn kết dính với nhau trong một khối. Quá trình này được gọi là keo tụ và có lợi về mặt thoáng khí đất, thuận lợi cho quá trình xâm nhập và sinh trưởng của rễ. Tăng hàm lượng các cation Ca2+
và Mg2+ của dung dịch đất có ảnh hưởng tích cực lên sự ổn định cấu trúc và đoàn lạp của đất, ở mức độ mặn cao có thể có tác động tiêu cực và có khả năng gây chết cây.
(Nguồn:Warrence et al., 2003)
Hình 2.6 Ảnh hưởng của Na+
lên sự phân tán keo đất trên đất nhiễm mặn Natri có tác động ngược lại, gây phân tán keo đất, sự trương nở của đoàn lạp và phiến sét. Các lực liên kết những hạt sét lại với nhau bị phá vỡ khi có quá nhiều ion Na+
hiện diện giữa các phiến sét. Khi sự trương nở xảy ra, khoảng cách giữa các hạt sét mở rộng gây ra sự phân tán đất. Sự phân tán đất làm cho các hạt đất bít các tế khổng trong đất, dẫn đến giảm tốc độ thấm nước của đất. Khi đất bị ướt và khô nhiều lần thì sự phân tán keo đất xảy ra, đất trở nên cứng gần giống như xi măng với cấu trúc đất ít hoặc không có. Ba vấn đề chính mà Na+ tạo ra sự phân tán là: giảm tính thấm, giảm tính dẫn nước và tạo váng trên bề mặt đất (Warrence et al., 2003). Theo Warrence et al., (2003) cho rằng các muối góp phần vào độ mặn như Ca2+
và Mg2+ không gây ra tác động này do các cation này có xu hướng tụ họp các hạt keo sét lại gần hơn nên giúp các keo đất kết tụ. Tăng lượng Ca2+
và Mg2+ có thể làm giảm lượng Na+ và cải thiện sự phân tán của đất.
2.6.3.2 Ảnh hưởng lên tốc độ thấm nước của đất
Đất phân tán không chỉ làm giảm lượng nước vào đất mà còn ảnh hưởng đến thủy lực của đất. Thủy lực được đề cập là tốc độ của nước chảy xuyên qua
đất. Loại đất có cấu trúc tốt sẽ chứa một số lượng lớn các tế khổng cho phép lưu lượng nước xuyên qua đất nhanh chóng. Khi Na+
tạo ra sự phân tán đất gây mất cấu trúc đất, thủy lực cũng sẽ giảm. Nếu nước không thể đi qua đất, các lớp đất mặt có thể trương nở và nước bị giữ lại. Kết quả là đất không thoáng khí, có thể làm giảm hoặc ngăn chặn sự sinh trưởng của cây trồng, giảm tốc độ phân hủy chất hữu cơ (Olk and Casman, 2002). Sự phân hủy chất hữu cơ là nguyên nhân làm cho đất trở nên cằn cỗi, đất bị kiềm hóa và bạc màu (Warrence et al.,
2003).
Sự hình thành lớp váng trên bề mặt đất là sự biểu hiện của đất bị ảnh hưởng Na+
. Sự hình thành lớp váng này là do sự phân tán hóa học phụ thuộc vào độ mặn và sự sodic hoá của đất, kết hợp tác động của giọt mưa hoặc nước tưới. Khi các hạt keo sét phân tán trong dung dịch đất, chúng di chuyển vào các tế khổng lớn ở tầng đất mặt, chặn nước và rễ di chuyển xuyên qua đất. đồng thời tạo thành một lớp váng bề mặt khi đất khô. Lớp váng bề mặt này hạn chế tính thấm nước và sự nảy mầm của cây trồng.
2.6.3.4 Ảnh hưởng bất lợi của đất mặn đến sinh trưởng cây trồng
Theo Camberato (2001), mặn làm chậm sự nảy mầm của hạt và giảm sinh trưởng của cây trồng do quá trình thấm lọc làm hạn chế khả năng hấp thu nước của rễ cây. Nồng độ muối cao trong vùng rễ làm giảm lượng nước hữu hiệu cho cây trồng và làm tiêu hao năng lượng hơn trong việc hấp thu nước hoặc bị nước làm mất ra khỏi tế bào thực vật gây hiện tượng co rút và khô héo tế bào (Brady and Weil, 2002).
(Nguồn: B. D. Seelig, 2000)
Hình 2.7 Ảnh hưởng của muối trên sự hấp thu nước của cây. Hấp thu nước của cây ở đất không mặn (A) và ở đất mặn (B).
Độ mặn trong đất cũng có thể ảnh hưởng đến cây trồng do gián tiếp tác động đến sự thiếu hụt dưỡng chất hoặc mất cân bằng dinh dưỡng trong cây, như tỷ lệ Na+
/Ca2+ vượt ngưỡng sự thiếu hụt Ca2+
1999), hoặc trực tiếp gây độc cho cây trồng bởi các ion như Na+
, Cl-, B+, SO4
2-
, (E.V. Maas, 1996; Balba, 1995; T.A. Bauder et al., 2004; Anna Sheldon, 2004). Ảnh hưởng chính của mặn đối với đất nông nghiệp là ảnh hưởng trên mối quan hệ nước và cây. Muối dư thừa trong vùng rễ làm giảm lượng nước hữu dụng cho cây và là nguyên nhân làm cho cây trồng tốn nhiều năng lượng để loại bỏ muối và hấp thu nước (Hình 2.7).
2.6.3.5 Ảnh hưởng bất lợi của mặn đến sinh trưởng cây lúa a. Ảnh hưởng bất lợi của mặn đến sinh trưởng cây lúa
Ảnh hưởng của mặn đến sự sinh trưởng và trao đổi chất do những tác động thẩm thấu gây xáo trộn sự cân bằng chất tan cùng với sự hấp thu dưỡng chất cần thiết. Cây lúa trồng ở đất mặn phải chịu stress thẩm thấu cao, nồng độ cao của các ion độc tố như Na+
và Cl- mà cuối cùng gây ra sự giảm sinh trưởng (Martinez and Lauchli, 1993). Sự hấp thu ion làm cho việc điều chỉnh thẩm thấu dễ dàng nhưng có thể dẫn đến ngộ độc ion và mất cân bằng dinh dưỡng. Sự ức chế của muối gây ra mất cân bằng dinh dưỡng có thể được cải thiện nếu cung cấp dinh dưỡng hợp lý cho cây trồng (Aslam et al., 2000).
Theo Zelensky (1999) có 2 loại đất mặn được hình thành do Cl- và SO4
2-, nhưng gốc Cl trong dạng NaCl thì ảnh hưởng bất lợi đến đặc tính đất nhiều nhất. Sự gia tăng nồng độ muối đưa đến giảm tích lũy chất khô của cây, giảm hấp thu dưỡng chất và giảm năng suất hạt. Mặn gây ra những triệu chứng chính cho cây lúa như đầu lá trắng theo sau bởi sự cháy chóp lá (đất mặn), màu nâu của lá và chết lá (đất sodic), sinh trưởng của cây bị ức chế, số chồi thấp, sinh trưởng của rễ kém, lá cuộn lại, tăng số hạt bất thụ, số hạt trên bông thấp, giảm trọng lượng 1.000 hạt, thay đổi khoảng thời gian trổ, chỉ số thu hoạch thấp, năng suất hạt thấp (Tagawa and Ishizaka, 1965). Theo Akbar
et al., (1972) trong suốt giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng, số chồi, chiều cao cây, sinh khối rơm và trọng lượng rễ và chiều dài rễ tất cả đều bị ảnh hưởng bất lợi do mặn.
b. Ảnh hưởng giai đoạn nảy mầm và đầu giai đoạn mạ
Các giống lúa chống chịu được mặn trong thời gian nảy mầm. Độ mặn làm chậm sự nảy mầm nhưng không làm giảm đáng kể phần trăm hạt nảy mầm cuối cùng (Akbar and Yabuno, 1974). Cây lúa chống chịu mặn trong thời gian sinh trưởng dinh dưỡng (Iwaki, 1956; Kaddah and Fakhry, 1961; Pearon and Bernstein, 1959). Khi cây già hơn sự chống chịu của chúng gia tăng. Ở 90 ngày, cây hầu như không bị ảnh hưởng bởi mặn trong đất cao bằng 10‰. Theo Paerson and Bernstein (1959), cũng đã báo cáo tính chống chịu mặn của cây mạ gia tăng dần lên từ 1 tuần, 3 tuần đến 6 tuần tuổi.
Sự nảy mầm khoảng 80 - 100% xảy ra ở EC = 25 - 30 mS.cm-1
ở 25o
C của dung dịch mặn sau 14 ngày (Paerson et al., 1966). Nồng độ muối cao cho thấy việc ức chế và giảm đáng kể sự nảy mầm cuối cùng. Thời gian nảy mầm kéo dài với việc gia tăng nồng độ muối vì nó liên quan trực tiếp đến lượng nước được hạt hấp thu.
Cây lúa mẫn cảm nhiều trong giai đoạn cây mạ non (2 - 3 lá) hơn trong thời gian nảy mầm (Akbar and Yabuno, 1974; Paerson et al., 1966). Giá trị EC làm giảm 50% số cây ở 1 tuần tuổi sau khi cấy dao động từ 20 - 30 mS.cm-1
trong khi mức tới hạn (LD50) của mặn cho sinh trưởng của cây mạ khoảng 5 mS.cm-1 (Paerson et al., 1966). Những thông số sinh trưởng như: vật chất khô, chiều cao cây mạ, chiều dài rễ và sự xuất hiện rễ mới giảm một cách có ý nghĩa ở 5 - 6 mS.cm-1
. LD50 cho phần trăm nảy mầm và những đặc điểm của cây mạ khác nhau giữa các giống lúa (Ota et al., 1958; Paerson et al., 1966).
Đầu giai đoạn mạ mặn gây ra sự khô và cuộn tròn lá, màu nâu của chóp lá và cuối cùng là sự chết cây mạ (Tagawa and Ishizaka, 1965). Nói chung, triệu chứng gây hại của mặn xuất hiện trước hết trên lá thứ nhất, sau đó đến lá thứ hai và cuối cùng đến lá trưởng thành. Mặn ngăn cản sự kéo dài lá và sự hình thành lá mới (Akbar, 1975). Sự sinh trưởng giảm với việc gia tăng áp suất thẩm thấu (Shimose, 1963a) cũng như giảm hấp thu nước (Tagawa and Ishizaka, 1965), Na+, Cl- trong lá và thân gia tăng (Ota and Yasue, 1962; Shimose, 1963a), sự hấp thu bề mặt của K+
và Ca2+ bởi cây lúa giảm (Shimose, 1963b). Chức năng quang hợp và hàm lượng chlorophyll giảm tỷ lệ với việc gia tăng nồng độ muối (Ota and Yasue, 1962), giảm kích cỡ khí khẩu cho thấy nồng độ CO2 trong lá thấp chứa nhiều NaCl dẫn đến tỷ lệ quang hợp giảm (Ota and Yasue, 1962). Mặn cũng ảnh hưởng bất lợi sự phát triển của rễ,