Bài giảng Chương IV Chất hữu cơ của đất

Chia sẻ: Cao Văn Tùng | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

182
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Chương IV Chất hữu cơ của đất trình bày: Khái niệm chung về chất hữu cơ trong đất, nguồn gốc chất hữu cơ đất, quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất, thành phần mùn đất và đặc điểm của chúng, vai trò chất hữu cơ và mùn trong đất, chất hữu cơ của đất Việt Nam, biện pháp duy trì và nâng cao,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương IV Chất hữu cơ của đất

Chương IV CHẤT HỮU CƠ CỦA ÐẤT 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. Toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất được gọi là chất hữu cơ của đất. Có thể chia chất hữu cơ của đất 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. 2. Nguồn gốc chất hữu cơ đất 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. 2.1. Tàn tích sinh vật + 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. + 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) Gluxit Lipit và Sinh vật Tro Protit Cenluloa Hemicenluloa Lignin các hợp và gluxit khác chất tanin Vi khuẩn 210 4070 có 140 Rong 2030 1015 510 5060 13 Rêu 26 35 510 6080 810 13 Dương xỉ 67 45 2030 2030 2030 210 Cây lá kim: Thân 0,11 0,51 4550 1525 2530 212 Lá 25 38 1520 1520 2030 1520 Cây lá rộng: Thân 0,11 0,51 4050 2030 2025 515 Lá 38 410 1525 1020 2030 515 Cỏ lâu năm: Họ hoà thảo 510 512 2540 2535 1520 210 Họ đậu 510 1020 2530 1525 1520 210 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 2.2. Phân hữu cơ 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.
3. Quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất Sự biến hoá xác hữu cơ trong đất là một quá trình sinh hoá học phức tạp, xảy ra với sự tham gia trực tiếp của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước. Xác thực vật tồn tại trên mặt đất hoặc trong các tầng đất, trong quá trình phân giải chúng mất cấu tạo, hình dạng ban đầu và biến thành những hợp chất hoạt tính hơn, dễ hoà tan hơn. Một phần những hợp chất này được khoáng hoá hoàn toàn, sản phẩm của quá trình này là nước, một số khí và những hợp chất khoáng đơn giản, trong số đó có nhiều chất dinh dưỡng cho thực vật thế hệ tiếp sau. Một phần được vi sinh vật dùng để tổng hợp protit, lipit, gluxit và một số hợp chất mới, xây dựng cơ thể chúng và khi chúng chết đi lại được phân huỷ. Phần thứ ba biến thành những hợp chất hữu cơ cao phân tử có cấu tạo phức tạp đó là những hợp chất mùn. Những hợp chất mùn này lại có thể bị khoáng hoá. Như vậy xác hữu cơ trong đất chịu sự tác động của 2 quá trình song song tồn tại, tuỳ theo điều kiện đất, khí hậu, thành phần xác sinh vật mà một trong hai quá trình ấy chiếm ưu thế. Hai quá trình này là: quá trình khoáng hoá xác hữu cơ và quá trình mùn hoá xác hữu cơ. Sự biến hoá xác hữu cơ trong đất có thể được khái quát bằng sơ đồ sau: Xác hữu cơ Quá trình mùn hoá Quá trình khoáng hoá Khoáng hoá từ từ Hợp chất mùn Muối khoáng, khí Mùn hoá Hình 4.1. Sơ đồ quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất 3.1. Quá trình khoáng hoá xác hữu cơ * Khái niệm khoáng hoá chất hữu cơ là gì? Khoáng hoá là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ tạo thành các hợp chất khoáng đơn giản, sản phẩm cuối cùng là những hợp chất tan và khí. * Ðặc điểm của quá trình khoáng hoá xác hữu cơ Theo L.N. Alexandrova quá trình khoáng hoá xác hữu cơ trong đất xảy ra theo 3 giai đoạn: + Các hợp chất hoá học phức tạp là thành phần cơ bản của xác hữu cơ: protit, gluxit, lipit, lignin, tanin, nhựa do tác động của các men do vi sinh vật đất tiết ra bị thuỷ phân để hình thành các sản phẩm có cấu tạo đơn giản hơn: đường hexoza, pentoza, saccaroza, cenluloa, axit amin mạch vòng và mạch thẳng, amin, các gốc purin và pirimidin, axit uronic, axit béo, glixerin, polyphenol... + Do tác dụng của các phản ứng oxi hoá khử, khử amin, khử cacboxyl... các sản phẩm của giai đoạn 1 tiếp tục bị biến đổi thành các axit hữu cơ mạch vòng và
mạch thẳng, axit vô cơ, axit béo, axit hữu cơ dạng bay hơi, axit không no, andehit, rượu, các sản phẩm oxi hoá khử dạng phenol, quinol. + Giai đoạn khoáng hoá hoàn toàn Trong điều kiện hảo khí các sản phẩm trung gian trên bị biến đổi hoàn toàn thành các sản phẩm: R3PO4, R2SO4, RNO2, RNO3, NH3, H2O, CO2 (R là Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+). Trong điều kiện yếm khí sản phẩm cuối cùng tạo thành từ các sản phẩm trung gian bao gồm: NH3, H2O, CO2, CH4, H2, N2, H2S, PH3. * Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khoáng hoá + Thành phần xác hữu cơ: quá trình khoáng hoá các hợp chất hữu cơ khác nhau không giống nhau. Khoáng hoá mạnh nhất là các loại đường, tinh bột, sau đó đến protit, hemicenlulo và cenlulo, bền vững hơn cả là lignin, sáp, nhựa, cho nên đối với những tàn tích sinh vật khác nhau, có thành phần hoá học khác nhau thì tốc độ các quá trình khoáng hoá không thể giống nhau. + Ðặc điểm của đất và khí hậu: tốc độ khoáng hoá cũng phụ thuộc vào độ pH, thành phần cơ giới đất, độ ẩm, nhiệt độ... Khoáng hoá cần điều kiện thoáng khí, nước, nhưng nếu độ ẩm cao quá gây ra yếm khí, vi sinh vật khó hoạt động. Kết quả hiện nay cho thấy ở các điều kiện ẩm độ 70%, đủ ánh sáng, pH 6,5 7,5, nhiệt độ 25˚ 30˚C là thích hợp cho sự hoạt động của vi sinh vật, và do đó khoáng hoá xảy ra mạnh mẽ. Những điều kiện này thích hợp với đất có nhiệt độ, ẩm độ như ở Việt Nam, cho nên ở ta các quá trình khoáng hoá rất mạnh, phân giải ra nhiều chất dinh dưỡng cho cây trồng, nhưng đồng thời chất hữu cơ và mùn trong đất bị phá huỷ nhanh chóng làm cho đất không nhiều mùn và ít đạm, vì vậy đối với đất nhẹ, cần có biện pháp giảm tốc độ khoáng hoá. 3.2. Quá trình mùn hóa xác hữu cơ * Khái niệm Mùn hoá là quá trình tổng hợp những sản phẩm phân giải xác hữu cơ dẫn đến sự hình thành những hợp chất mùn. Mùn là những hợp chất hữu cơ cao phân tử phức tạp mà phân tử bao gồm nhiều đơn vị cấu tạo khác nhau, chúng được nối với nhau bằng các cầu nối. Mỗi đơn vị cấu tạo bao gồm nhân vòng, mạch nhánh, chúng chứa nhiều nhóm định chức khác nhau và mang tính axit. Dragunop đã đưa ra sơ đồ cấu tạo phân tử axit humic (hình 4.2) C6H11O5 HO HOOC CH2 O H2 HO OH H2 H CH C O H CH C H O C O C C O C C O O H H N N H H H O H3CO O H2C OH CO NH C8H18O3N Hình 4.2. Sơ đồ cấu tạo phân tử axit humic * Quan điểm về sự hình thành mùn Ngày nay, người ta thống nhất rằng mùn được cấu tạo từ protit, lignin, tanin và những thành phần khác nhau của xác sinh vật, nhưng bản chất của các quá trình
mùn hoá còn có những ý kiến khác nhau, nổi bật là 2 quan điểm hoá học và quan điểm sinh hoá học về sự hình thành mùn. + Những người theo quan điểm hoá học cho rằng sự hình thành mùn chỉ trải qua một loạt những phản ứng hoá học đơn thuần, mà không có sự tham gia của vi sinh vật. Ðại diện cho quan điểm này là Vacsman, F. Scheffer... Ví dụ, Vacsman (Mỹ) cho rằng hạt nhân mùn được hình thành do lignin kết hợp với các chất khoáng kiềm trong đất, sau đấy các phản ứng oxy hoá đã kết gắn thêm các axit hữu cơ khác và hình thành mùn. Hoặc theo Scheffer axit humic có thể được hình thành theo con đường sinh hoá mà cũng có thể bằng con đường hoá học đơn thuần. Bằng con đường hoá học, axit humic được tạo thành từ các phenol, quinol và aminoaxit qua các phản ứng oxi hoá và trùng hợp. Quan điểm hoá học ngày càng ít được các nhà nghiên cứu về mùn ủng hộ. + Quan điểm sinh hoá của việc hình thành mùn khẳng định rằng: mùn được hình thành nhất thiết phải là sản phẩm phân giải xác hữu cơ và tổng hợp những hợp chất được phân giải của vi sinh vật đất, những phản ứng xảy ra trong quá trình tạo mùn là những phản ứng sinh hoá, có tác động bởi các men do vi sinh vật tiết ra. Quan điểm này được nhiều nhà nghiên cứu đất nổi tiếng trình bày một cách hệ thống: Traxop, Docuchaev, Viliam, Tiurin, Kononova, Alexandrova và các học giả phương tây khác: Posong, Bestremio, Sephe, Laatso, Baso, Focsaito, Piusk, Alison... Quan điểm này đương là quan điểm thống soái ngày nay và ngày càng được nhiều người ủng hộ. * Quá trình hình thành mùn theo quan điểm hiện đại (sinh hoá) + Theo Docuchaev, Viliam và Tiurin, Kononova, Alexandrova đặc điểm cơ bản của sự mùn hoá là những phản ứng sinh hoá oxy hoá dần dần những hợp chất cao phân tử có mạch vòng khác nhau, trong đó protit, lignin, tanin đóng vai trò quan trọng. Những phản ứng oxy hóa này xảy ra khi phân giải các tàn tích sinh vật dưới ảnh hưởng của oxy không khí, men oxydaza và các xúc tác vô cơ khác. Những hợp chất cao phân tử kể trên liên kết lại với nhau dưới tác dụng của phản ứng trùng hợp dẫn tới việc hình thành những hợp chất mùn cao phân tử và bền vững. + Tham gia vào quá trình mùn hoá ngoài protit, lignin, tanin còn có những sản XÁC HỮU CƠ phẩn khác của quá trình phân giải xác hữu cơ đất. Trong quá trình sống của mình, vi sinh vật đất sử dụng những sản phẩm phân giải hữu cơ, những sản phẩm trao đổi chất và tổng hợp của vi sinh vật như axit, đường, amin, hợp chất thơm... cũng tham gia cấu tạo nên phân tử mùn. Cenluloa và Protit Lipit, tanin... gluxit khác Vi sinh vật Hợp chất phenol (sản Axit amin, peptit (sản phẩm Hợp chất phenol (sản phẩm trao đổi chất) phân giải và tổng hợp) phẩm phân giải) Oxi hoá Oxi hoá 2e 2e + 2H 2H+
NH2 H C COOH R O O HO OH Trùng hợp HO OH O O Hình 4.3. Sơ đồ quá trình mùn hoá (theo Kononova) + Quá trình hình thành mùn xảy ra theo ba bước: Bước 1: từ protit, gluxit, lignin, tanin... (trong xác hữu cơ, hoặc là sản phẩm tổng hợp của vi sinh vật) phân giải thành các sản phẩm trung gian. Bước 2: tác động giữa các hợp chất trung gian để tạo thành những liên kết hợp chất, đó là những hợp chất phức tạp. Bước 3: trùng hợp các liên kết trên tạo thành các phân tử mùn * Cấu tạo của hợp chất mùn: phân tử mùn hình thành được xem như một chuỗi xích, gồm nhiều mắt xích khác nhau, chúng được nối với nhau qua các cầu nối. Mỗi mắt xích là một liên kết hợp chất, trong mỗi liên kết này, không nhất thiết phải có sự tham gia của tất cả bốn hợp chất chính (protit, gluxit, lipit, lignin tanin) nhưng nhất thiết phải có nhân vòng, mạch nhánh, trong đó bao gồm cả các nhóm định chức khác nhau. + Nhân vòng (nhân thơm): đây là vấn đề phức tạp nhất trong việc hình thành nên phân tử mùn, Theo quan niệm hiện nay nhân vòng có nguồn gốc phenol hay quinol như các loại: benzen, furan, pirol, piridin, naftalin, antraxen, indol, quinolin. Hiện nay đa số học giả cho rằng một trong những nguồn gốc nhân thơm của axit mùn là lignin, vai trò của chúng khá lớn. Lignin là một chất trùng hợp, trong đó chứa nhân thơm là dẫn xuất của fenylpropan. N Benzen Naftalin Antraxen Fural N N N N H H Pirol Indol Piridil Quinolin Hình 4.4. Công thức cấu tạo nhân vòng Nguồn gốc của nhân thơm trong các hợp chất mùn cũng có thể là cacbuahidro và các hợp chất khác dạng không no. Các hợp chất này nhờ vi sinh vật phân giải,
tổng hợp thành polifenola thứ sinh. Ngày nay nhiều công trình nghiên cứu bằng cacbon đồng vị C14 đã chứng minh điều này. + Mạch nhánh: có thể là cacbuahidro, có thể là hợp chất chứa nitơ, chúng là sản phẩm của quá trình phân giải xác hữu cơ và cũng có thể là sản phẩm tổng hợp của vi sinh vật đất từ những sản phẩm khoáng hoá. + Nhóm định chức: gồm có những nhóm sau: COOH (cacboxyl), OH (hydroxyl), OCH3 (metoxyl) và CO (cacbonyl). Những nhóm này hoặc gắn trực tiếp với nhân vòng hoặc gắn với mạch nhánh. Các liên kết hợp chất được gắn với nhau bằng các cầu nối. Cầu nối có thể là 1 nguyên tử ( O , N ,...) hoặc 1 nhóm nguyên tử ( NH , CH2 ,...). * Những nhân tố ảnh hưởng đến đặc điểm và tốc độ quá trình hình thành mùn đất Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự mùn hoá là: chế độ nhiệt, không khí và nước của đất, thành phần cơ giới và các tính chất lý hoá học của đất, thành phần và cường độ hoạt động của vi sinh vật, thành phần xác hữu cơ đất. + Chế độ nước, không khí ảnh hưởng đến điều kiện hảo khí hoặc yếm khí. Trong điều kiện khô hanh quanh năm, tốc độ mùn hoá chậm, nhưng nếu thường xuyên ngập nước, mùn hoá thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí sẽ sinh ra những axit hữu cơ và các chất khử (CH4, H2S...), những chất này kìm hãm sự hoạt động của vi sinh vật làm cho tốc độ mùn hoá chậm hẳn và xác hữu cơ biến thành than bùn. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình mùn hoá là 25° 30°C. Người ta nhận thấy trong điều kiện có mùa ẩm và mùa khô xen kẽ, thì mùn được tích luỹ nhiều nhất. Ở mùa ẩm nóng, hảo khí, khoáng hoá chiếm ưu thế, khi khô và lạnh các hợp chất hữu cơ đã hình thành khi phân giải ở mùa ẩm được vi sinh vật chuyển hoá, trùng hợp lại, tạo thành mùn. + Thành phần vi sinh vật và sự hoạt động của chúng đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân giải chất hữu cơ và tích luỹ mùn. Người ta nhận thấy, đi từ cực bắc đến xích đạo, số lượng vi sinh vật trong đất và số loại cũng như cường độ hoạt động tăng dần. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ hoạt động sinh học đất quá mạnh hoặc quá yếu đều không làm tích luỹ nhiều mùn. Mùn được tích luỹ nhiều nhất ở những đất có số lượng vi sinh vật trung bình (số lượng này gọi là chỉ tiêu sinh học đất tính bằng số vi sinh vật/1 gam mùn đất) như đối với các loại đất đen (chernozem). + Về thành phần cơ giới và lý hoá tính đất, ta thấy ở đất sét và sét pha, quá trình phân giải xác hữu cơ có chậm hơn ở đất cát và cát pha, song mùn lại được tích luỹ nhiều hơn vì khoáng hoá trong đất sét, sét pha yếu hơn nhiều, các phần tử nhỏ của đất cũng liên kết và giữ mùn tốt hơn. Ðất chứa nhiều Ca, Mg vừa gây phản ứng trung tính vừa có nhiều dinh dưỡng tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động, vừa liên kết tốt với mùn tạo những hợp chất bền vững giữ mùn trong đất. Nhóm keo khoáng giữ mùn tốt hơn cả là montmorilonit và vermiculit. + Một điều kiện ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mùn hoá là thành phần xác hữu cơ. Xác hữu cơ chứa nhiều protit, gluxit và các nguyên tố tro nhất là Ca, tỉ lệ C/N thấp, tạo thành mùn nhuyễn. Với cây thân gỗ nghèo protit, các nguyên tố tro, giàu lignin, sáp, nhựa, tỉ lệ C/N cao cho ta nhiều mùn thô.
4. Thành phần mùn đất và đặc điểm của chúng Nhiều tác giả đã đề ra những phương pháp nghiên cứu khác nhau nhằm tách mùn ra những thành phần khác nhau. Phương pháp được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng là phương pháp hoá học. Bằng phương pháp hoá học người ta dùng dung dịch kiềm loãng cho tác động vào đất để tách mùn đất thành 2 phần: phần không tan là các xác hữu cơ chưa phân giải và hợp chất humin, phần hoà tan là các axit mùn. Axit hoá phần hoà tan bằng axit H2SO4 thu được 2 phần: phần kết tủa (màu xẫm) đó là axit humic và phần hoà tan (màu vàng hoặc vàng nhạt) là axit fulvic. Như vậy từ hợp chất mùn của đất bao gồm 3 thành phần chính: axit humic, axit fulvic và hợp chất humin. 4.1. Axit humic + Axit humic hoà tan tốt trong các dung dịch kiềm loãng NaOH, Na2CO3, Na4P2O7.10H2O... Tuỳ theo nồng độ và loại đất mà các dung dịch thu được có màu anh đào đến màu đen. Axit humic không hoà tan trong nước và axit vô cơ. + Thành phần nguyên tố của axit humic Thành phần nguyên tố của axit humic chủ yếu bao gồm C, H, O, N. Hàm lượng các nguyên tố này khác nhau phụ thuộc vào loại đất, thành phần hoá học của tàn tích sinh vật, điều kiện mùn hoá và phương pháp tách axit humic khỏi đất. Theo L. N. Alexandrova hàm lượng bình quân của C, H, O, N trong axit humic của một số loại đất chính ở Liên Xô (cũ) như sau: C: 56,2% 61,9% H: 3,4% 4,8% O: 29,5% 34,8% N: 3,5% 4,7% Ngoài 4 nguyên tố chính kể trên, axit humic còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố tro (P, S, Al, Fe, Si). Hàm lượng tổng số của chúng có thể đạt từ 1 đến 10%. Những nguyên tố này không nhất thiết phải có tất cả trong thành phần phân tử axit humic. + Phân tử lượng Ở những điều kiện khác nhau, nguồn gốc và phương thức hình thành axit humic khác nhau nên axit humic không có công thức và phân tử lượng cố định. Nhiều công trình nghiên cứu cho biết phân tử lượng của axit humic có thể dao động từ 400 100.000, trung bình khoảng 50.000 90.000 đơn vị cacbon (theo D. X. Orlop, A. M. Amoxov, G. I. Glebova, E. I. Gorskopva, N. P. Sin, M. L. Coresnhicop). + Cấu trúc của axit humic Theo các tác giả trên phân tử axit humic bao gồm nhiều mạng lưới cấu trúc. Mỗi mạng lưới cấu trúc bao gồm nhiều đơn vị cấu trúc. Ðơn vị cấu trúc là phần phân tử axit humic hình thành khi phân huỷ chúng và có cấu tạo tương đối đơn giản. Mạng lưới cấu trúc là một phần phân tử axit humic chứa tất cả các đơn vị cấu trúc, công thức và kích thước của các loại này khi phân huỷ axit humíc bằng benzolcacbonic như bảng sau: Bảng 4.2. Công thức và phân tử lượng của đơn vị và mạng cấu trúc mùn của một số loại đất Ðơn vị cấu trúc Mạng lưới cấu trúc Loại đất Phân tử Phân tử Công thức Công thức lượng lượng Ðất Potzon C16H17O8N 354 C173H183O92N11 3885
Ðất xám C14H14O7N 299 C71H59O32N4 2090 + Về hình thái axit humic không có cấu tạo tinh thể, song những nghiên cứu điện di và quang phổ rơnghen cho thấy chúng cấu tạo bằng những mạng lưới xếp lớp. Quá trình mùn hoá càng phát triển thì những mạng này xếp càng khít. Theo những nghiên cứu gần đây nhất về hình dạng axit humic không đối xứng, chúng có dạng dài, tỷ lệ các trục từ 1:6 đến 1:12. + Trong đất, cơ bản axit humic là keo ở dạng gel, nhưng chúng rất dễ bị tán bởi các dung dịch kiềm để tạo thành dung dịch phân tử hoặc dung dịch keo. Vì ở dạng keo nên axit humic có khả năng hấp phụ cao. Dung tích hấp phụ (CEC) từ 300 600 lđl/100g axit humic. Trong đó nhóm COOH và OH phenol đóng vai trò quyết định. Tính đệm của axit humic cũng rất cao cho nên ở đất giàu humic thì pH đất ổn định hơn. Axit humic trong đất ít chua hơn axit fulvic vì nó ít mạch nhánh hơn mà lại nhiều nhân vòng hơn. + Trạng thái tồn tại của axit humic Chỉ có một phần rất nhỏ axit humic tồn tại ở dạng tự do, phần lớn chúng liên kết với phần vô cơ của đất. Tác động tương hỗ giữa axit humic và phần vô cơ của đất dẫn đến việc hình thành những hợp chất hữu cơvô cơ khác nhau. Phụ thuộc vào hoạt tính của các hợp chất được hình thành mà có quá trình tích luỹ các chất mùn và các chất vô cơ liên kết với nó, hoặc là quá trình rửa trôi các hợp chất đó... Có những dạng liên kết chính sau: Liên kết với các cation hoá trị 1 hoặc hoá trị 2 ở trong dung dịch đất hay nằm trên bề mặt các khoáng sét với H+ của nhóm COOH hoặc OH phenol của axit humic hình thành các humát NH4, Na, K, Ca, Mg là các muối đơn giản (dị cực). (COOH)m COOM(COOH)m1 R + 2M+ R + 2H+ (OH)n OM(OH)n1 Humat của các cation 1 hoá trị hoà tan vào nước tạo thành các dung dịch thật vì vậy dễ bị rửa trôi, nhất là humat Na. Cho nên đất chứa nhiều humat Na (đất mặn) thường nghèo mùn. Humat Ca, Mg không hoà tan vào nước và tồn tại ở dạng gel bền vững với nước, tạo thành màng mỏng bao quanh các phần tử đất, kết gắn chúng với nhau cho nên đất giàu humat Ca có kết cấu viên bền vững và giàu mùn. Liên kết với các ion Fe, Al hoặc một số nguyên tố vi lượng, nguyên tố gây độc hoặc ô nhiễm đất (Pb, Cd, Mn, Cu, Zn...) để hình thành các muối phức (chứa các ion kim loại ở phần anion của phân tử), ví dụ: (COOH)n COO (COOH)nx R + xM+ R M + xH+ (OH)m OH (OH)mx trong đó M là Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH)2+
Hợp chất phức này vẫn còn các nhóm COOH và OH phenol tự do, vì vậy có thể tiếp tục phản ứng với các ion K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ để hình thành các muối dị cực đơn giản: COO COOH+ COO COOM1 R M + 2M1+ R M + 2H+ OH OH OH+ OM1 Các phức chất của axit humic bền vững hơn các phức chất của axit fulvic. Sự hình thành các hợp chất này làm thay đổi tính hoà tan, sự phân bố, di động, tích luỹ và mức độ dễ tiêu của các hợp chất của các kim loại đa hoá trị, đặc biệt ở các đất có chứa nhiều chất hữu cơ. Sự liên kết với các kim loại độc như Al, Pb, Cd, Ni,...làm giảm tác dụng độc của các nguyên tố này trong đất. Tương tác với các khoáng sét hoặc các khoáng vật dạng vô định hình hoặc tinh thể khác để hình thành các phức chất hấp phụ. Sự hình thành các phức chất hấp phụ có thể bằng các liên kết giữa các phân tử, liên kết ion hoặc liên kết hiđro,... Ví dụ phản ứng xảy ra giữa các nguyên tử oxi hoặc các nhóm OH trên bề mặt khoáng vật và các nhóm OH hoặc các nhóm NH2 của axit humic: Phản ứng của khoáng sét với nhóm O Kho¸ ng sÐt O... OH CH R COOH Phản ứng của khoáng sét với nhóm OH Kho¸ ng sÐt O... OH R H Phản ứng của khoáng sét với nhóm NH2 Kho¸ ng sÐt O... H N R O Kho¸ ng sÐt O... O CH R Phản ứng của khoáng sét với nhóm este R Dạng liên kết này đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành các hợp chất hữu cơvô cơ của pha rắn và tầng tích luỹ mùn, sự hình thành hạt kết, vi hạt kết và sự ổn định nhiều đặc tính hoá học, lý hoá và lý học của đất. 4.2. Axit fulvic + Là axit mùn có màu vàng, dễ tan trong nước, axit hoặc kiềm loãng + Thành phần nguyên tố Cũng như axit humic thành phần nguyên tố của axit fulvic khác nhau ở những đất khác nhau. Theo L. N. Alexandrova hàm lượng bình quân của C, H, O, N trong axit fulvic của một số loại đất chính ở Liên Xô (cũ) như sau: C: 44,7 49,8% H: 3,4 5,1% O: 43,8 47,3% N: 2,3 4,2%
+ Như vậy nếu so với axit humic thì C và N trong axit fulvic chiếm tỷ lệ ít hơn, trong khi H và O nhiều hơn. Ngoài ra axit fulvic cũng chứa một số nguyên tố tro như đã trình bày ở phần axit humic. + Phân tử lượng Phân tử lượng của axit fulvic nhỏ hơn phân tử lượng axit humic rất nhiều. Trung bình phân tử lượng của axit fulvic đạt 10000 12000 đơn vị cacbon cho nên hoạt tính lớn hơn, mặt khác chúng lại dễ bị phân chia nhỏ nên hoạt tính càng mạnh. + Cấu trúc của axit fulvic Nguyên tắc và thành phần cấu trúc của axit fulvic cũng giống như đối với axit humic. Ðiều khác nhau giữa chúng là phân tử axit fulvic ít nhân vòng hơn, trái lại mạch nhánh nhiều hơn, số nhóm định chức đặc biệt là nhóm COOH và OH phenol nhiều hơn, vì thế axit fulvic chua hơn nhiều. Theo Alexandrova một phần axit fulvic được hình thành do kết quả của quá trình mùn hoá xác hữu cơ, phần khác được hình thành do sự biến đổi axit humic thành axit fulvic. Cũng như axit humic nhiều nhà nghiên cứu cho rằng phân tử của axit fulvic bao gồm nhiều mạng lưới cấu trúc và đơn vị cấu trúc. + Axit fulvic ở trạng thái tự do không nhiều và so với axit humic, chúng có phân tử lượng nhỏ hơn, mặt khác nhiều mạch nhánh và nhóm định chức vì vậy về mặt tính chất axit của axit fulvic lớn hơn axit humic. Dung dịch của axit này có pH 2,6 2,8. Chúng có khả năng hấp phụ và tính đệm thấp hơn axit humic. Do có phân tử lượng nhỏ hơn nên axit fulvic hoạt tính hơn, dễ di chuyển và do đó cũng dễ bị rửa trôi khỏi đất. + Trạng thái tồn tại của axit fulvic Axit fulvic ít tồn tại ở trạng thái tự do, phần lớn chúng ở trạng thái liên kết. Ở trạng thái liên kết chúng cũng gồm 3 dạng như axit humic. Fulvat của tất cả các kim loại hoá trị 1 và 2 đều hoà tan và di động dù ở phản ứng axit, trung tính, hay kiềm yếu. Các hợp chất axit fulvic với Fe, Al có tính tan phụ thuộc vào tỷ lệ giữa các phân tử kết hợp và nồng độ chúng trong dung dịch. Nếu tỷ lệ R2O3/axit fulvic càng thấp tức là tỷ lệ axit fulvic càng nhiều thì hợp chất Fe, Al của axit fulvic càng trở nên hoạt tính hơn. Người ta cũng thấy hợp chất Fe fulvic hoạt tính hơn nhiều so với hợp chất Al fulvic. Hoạt tính của các hợp chất Fe Al fulvic có thể giải thích cho sự rửa trôi Al và Fe trong quá trình tạo đất potzon và đất bạc màu. Với điều kiện thừa ẩm những hợp chất này chuyển động xuống dưới theo phẫu diện đất, cho đến lúc gặp điều kiện phá huỷ chúng và R2O3 kết tủa, tạo tầng tích tụ. Ngoài ra 1 phần axit fulvic gắn với axit humic tồn tại trong đất. 4.3. Hợp chất humin Humin là phần không hoà tan của hợp chất mùn, nó bao gồm các axit mùn liên kết chặt chẽ với phần vô cơ của đất, các hợp chất mùn đã bị khử cacboxyl mất đi khả năng hoà tan trong dung dịch kiềm, các hợp chất hữu cơ không đặc trưng không hoà tan. Như vậy humin là nhóm các hợp chất hữu cơ khác nhau, chúng phân biệt với các nhóm khác chủ yếu bởi tính chất không hoà tan trong môi trường axit lẫn môi trường kiềm.
5. Vai trò chất hữu cơ và mùn trong đất Có thể nói chất hữu cơ và mùn đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với tất cả quá trình xảy ra trong đất và hầu hết các tính chất lý, hoá, sinh của đất. Vai trò của chúng được thể hiện ở những điểm chính sau: 5.1. Ðối với quá trình hình thành và tính chất đất + Chất hữu cơ và mùn trong đất là dấu hiệu cơ bản phân biệt đất với đá mẹ. Sự tích luỹ của chất hữu cơ và mùn trong đất gắn liền với sự phát sinh đất. + Sự tích luỹ chất hữu cơ và mùn tập trung ở tầng đất mặt là dấu hiệu hình thái quan trọng biểu thị độ phì nhiêu của đất. + Với lý tính đất: chất hữu cơ và mùn có tác dụng cải thiện trạng thái kết cấu đất, các keo mùn gắn các hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết tốt, bền vững, từ đó ảnh hưởng đến toàn bộ lý tính đất như chế độ nước (tính thấm và giữ nước tốt hơn), chế độ khí, chế độ nhiệt (sự hấp thu nhiệt và giữ nhiệt tốt hơn), các tính chất vật lý phổ biến của đất, việc làm đất cũng dễ dàng hơn. Nhờ đó mà nếu đất giàu chất hữu cơ người ta có thể trồng trọt tốt cả nơi đất có thành phần cơ giới quá nặng hoặc quá nhẹ. + Với hoá tính đất: chất hữu cơ xúc tiến các phản ứng hoá học, cải thiện điều kiện oxy hoá, gắn liền với sự di động và kết tủa của các nguyên tố vô cơ trong đất. Nhờ có nhóm định chức các hợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói chung làm tăng khả năng hấp phụ của đất, giữ được các chất dinh dưỡng, đồng thời làm tăng tính đệm của đất. 5.2. Chất hữu cơ và mùn là kho thức ăn cho cây trồng và vi sinh vật + Chất hữu cơ đất (kể cả các chất mùn và ngoài mùn) đều chứa một lượng khá lớn các nguyên tố dinh dưỡng: N, P, K, S, Ca, Mg và các nguyên tố vi lượng, trong đó đặc biệt là N. Những nguyên tố này được giữ một thời gian dài trong các hợp chất hữu cơ, vì vậy chất hữu cơ đất vừa cung cấp thức ăn thường xuyên vừa là kho dự trữ dinh dưỡng lâu dài của cây trồng cũng như vi sinh vật đất. + Chất hữu cơ còn là nguồn lớn cung cấp CO2 cho thực vật quang hợp. + Chất hữu cơ đất chứa một số chất có hoạt tính sinh học (chất sinh trưởng tự nhiên, men, vitamin...) kích thích sự phát sinh và phát triển của bộ rễ, làm nâng cao tính thẩm thấu của màng tế bào, huy động dinh dưỡng... Theo L.A. Horistreva nồng độ dung dịch thật của axit humic ở nồng độ một vài phần nghìn, phần vạn có tác dụng kích thích sinh trưởng thực vật, nhưng nếu tăng đến một vài phần trăm thì trái lại có tác dụng kìm hãm sinh trưởng. 5.3. Chất hữu cơ đất có tác dụng duy trì bảo vệ đất + Chất hữu cơ chứa các hợp chất kháng sinh cho thực vật chống lại sự phát sinh sâu bệnh và là môi trường rất tốt làm tăng hoạt tính của hầu hết vi sinh vật đất. + Tăng cường sự phân giải của vi sinh vật hoặc xúc tác cho sự phân giải các thuốc bảo vệ thực vật trong đất. + Cố định các chất gây ô nhiễm trong đất, làm giảm mức độ dễ tiêu của các chất độc cho thực vật.
6. Chất hữu cơ của đất Việt Nam, biện pháp duy trì và nâng cao 6.1. Ðánh giá số lượng, chất lượng chất hữu cơ và mùn trong đất * Về số lượng Về mặt số lượng chất hữu cơ, chỉ tiêu cơ bản nhất để đánh giá là tỷ lệ % OC (cac bon hữu cơ tổng số) hoặc tỷ lệ % mùn hoặc OM (chất hữu cơ tổng số = OC x 1,72) so với đất khô kiệt. Giá trị các chỉ tiêu này càng cao thì đất càng tốt. W. Siderius (International Institute for Aerospace Survey and Earth Science, 1992) đã đánh giá hàm lượng chất hữu cơ trong đất (phân tích theo WalkleyBlack) theo tiêu chuẩn sau: Mức độ OC (%) OM (%) Rất giàu > 3,50 > 6,0 Giàu 2,51 3,50 4,3 6,0 Trung bình 1,26 2,51 2,2 4,3 Nghèo 0,60 1,26 1,0 2,2 Rất nghèo
+ Tỷ lệ C/N cũng là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng chất hữu cơ đất. Tỷ số này càng thấp chất lượng càng tốt, nó chứng tỏ xác hữu cơ được phân giải mạnh, giải phóng nhiều đạm là nguyên tố mà vi sinh vật hấp thụ để tổng hợp các hợp chất chứa đạm và là nguyên tố cần thiết cho dinh dưỡng của cây trồng. Tỷ lệ C/N trong đất dao động trong khoảng 8 20. C.a.h + Tỷ lệ , tỷ lệ này càng cao chất lượng mùn càng tốt. C.a. f 6.2. Chất hữu cơ và mùn trong đất Việt Nam Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, thực vật phong phú và tươi tốt quanh năm, lượng chất hữu cơ được tạo ra trên một vị diện tích hàng năm rất lớn, tàn tích sinh vật để lại cho đất rất khác nhau giữa các đất hoang, đất trồng trọt và đất rừng. Quá trình mùn hoá thực hiện với tốc độ nhanh, song quá trình khoáng hoá cũng rất mạnh mẽ dẫn đến chất hữu cơ nói chung, mùn nói riêng bị phân giải nhanh chóng. Thêm vào đó, các quá trình feralit, quá trình xói mòn, rửa trôi và việc sử dụng đất không hợp lý ở một số nơi đã ảnh hưởng rất lớn tới số lượng cũng như chất lượng hữu cơ và mùn trong đất. * Về số lượng Hàm lượng hữu cơ và mùn biến động rất lớn giữa các loại đất, nhìn chung các loại đất nông nghiệp có hàm lượng hữu cơ và mùn không cao. Theo Thái Phiên (2000), đa số đất đồi núi của nước ta có hàm lượng chất hữu cơ từ 1 2%, có khoảng 20% diện tích đất có hàm lượng chất hữu cơ
Ghi chú: * theo Phan Liêu, các số liệu còn lại theo Nguyễn Vi, Trần Khải * Về chất lượng + Nhiều nghiên cứu đều thống nhất là đất mùn trên núi, đất lầy thụt có lượng hữu cơ tổng số cao nhưng lại chứa nhiều mùn thô. Trong thành phần của hợp chất mùn thì tỷ lệ nhóm humin cao hơn nhiều so với tỷ lệ axit humic và axit fulvic. + Tỷ lệ giữa cacbon của axit humic và cacbon của axit fulvic trong hầu hết các loại đất đều
Bảng 4.4. Tỉ lệ giữa cacbon axit humic và axit fulvic một số loại đất C.a.h Loại đất Tỷ lệ C.a. f Ðất macgalitferalit* 1,43 Ðất mùn alit trên núi* 0,57 Ðất feralit mùn trên núi* 0,56 Ðất feralit đỏ thẫm* 0,18 Ðất feralit vàng đỏ* 0,22 Ðất lúa phù sa** 0,60 Ghi chú: * theo V. M. Fritland, ** theo Nguyễn Ðức Thọ + Nhiều nghiên cứu cũng thấy rằng các axit humic của đất Việt Nam hầu hết thuộc nhóm axit humic di động và rất gần với axit fulvic vì nhân thơm của chúng thể hiện kém, đó cũng là đặc điểm chung của đất nhiệt đới (Zonn, Lý Khánh Quỳ, Nhiễu Chí Viên, Tiurin, Fritland). Theo chiều sâu phẫu diện đất, càng xuống sâu, đất càng chứa ít bazơ hơn, nên axit humic hình thành càng ít. + Tỷ số C/N của mùn trong đất Việt Nam dao động từ 7,5 23,0. Tỷ lệ này càng cao mùn đất càng thô. 6.3. Biện pháp duy trì và nâng cao chất hữu cơ trong đất Trên đây chúng ta thấy rõ vai trò của chất hữu cơ nói chung đối với sự hình thành đất, cấu tạo phẫu diện đất và các tính chất đất, vì vậy việc nghiên cứu các biện pháp để nâng cao mùn trong đất cả về số lượng lẫn chất lượng, bảo vệ chất hữu cơ đất là rất cần thiết, nhất là trong điều kiện nước ta chất hữu cơ và mùn dễ bị khoáng hoá và rửa trôi khỏi đất. * Biện pháp sinh vật: biện pháp này giữ vị trí rất quan trọng + Biện pháp thường xuyên và có hiệu lực nhất hiện nay là bón phân hữu cơ cho đất (phân chuồng, phân rác, phân bắc, nước giải, phân gia cầm, bùn ao, các loại phân chế biến khác). Bón phân hữu cơ, đặc biệt là phân chuồng không những tăng chất lượng hữu cơ cho đất, nguồn thức ăn đầy đủ các chất, mà còn cung cấp cho đất một lượng vi sinh vật phong phú. + Trồng cây phân xanh (bèo dâu, điền thanh, các loại muồng, các loại đậu, lạc, cốt khí, điêu tử, tử vân anh, trinh nữ, cỏ stilo, cỏ pangola, các loại cỏ khác...). Ở vùng đồi núi tuỳ theo loại đất, khí hậu độ cao và độ dốc mà chọn cây phân xanh cho thích hợp. Cây phân xanh có thể trồng xen, phủ đồi trọc hoặc đồi mới khai hoang. Ngoài cây phân xanh trồng các loại cây, cỏ và cây rừng là biện pháp rất tốt để bảo vệ đất đồi, núi, nhất thiết không được để đồi, núi trọc. Nơi đã có rừng phải bảo vệ và khai thác có kế hoạch, vừa tăng chất hữu cơ cho đất vừa chống xói mòn đất. Ở đồng bằng, ngoài việc trồng các loại cây phân xanh mà chủ yếu là bèo dâu và điền thanh, trong hệ thống luân canh để tăng cường chất hữu cơ cho đất có thể trồng các loại cây cho nhiều chất xanh như lạc, khoai, khi thu hoạch để thân lại đồng ruộng, hoặc gặt lúa xong ở những ruộng dầm nên cầy vùi rạ. * Bón vôi, đặc biệt bón vôi kết hợp với bón phân hữu cơ là biện pháp tạo mùn ở dạng humatCa hoặc fulvatCa ít tan tránh được rửa trôi, đồng thời điều hòa phản ứng đất tạo điều kiện cho vi sinh vật đất hoạt động mạnh. * Biện pháp canh tác
Muốn tạo điều kiện cho xác hữu cơ phân giải tốt, tạo nhiều mùn cho đất ta phải làm đất thoáng vừa phải bằng các biện pháp canh tác như cày bừa, xới xáo, tưới tiêu... hợp lý và kịp thời để đất luôn có độ ẩm thích hợp. Câu hỏi ôn tập 1. Khái niệm, nguồn gốc và quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất 2. Thành phần mùn đất và đặc điểm của chúng 3. Vai trò của chất hữu cơ và mùn trong đất 4. Chất hữu cơ của đất Việt Nam, biện pháp duy trì và nâng cao số lượng và chất lượng mùn và chất hữu cơ cho đất.