Bài giảng Thổ nhưỡng - ThS. Võ Thanh Phong

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thổ nhưỡng được biên soạn bởi ThS. Võ Thanh Phong nhằm cung cấp đến các bạn sinh viên những kiến thức về quá trình hình thành đất và phì nhiêu đất, quá trình hình thành đất, các yếu tố hình thành đất, một số quá trình xảy ra trong đất, phẫu diện đất; thành phần và tính chất của đất, vật lý đất, hình thái đất, hóa học đất...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thổ nhưỡng - ThS. Võ Thanh Phong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Bài giảng môn học: THỔ NHƯỠNG Dành cho sinh viên đại học Ngành Quản lý đất đai Biên soạn: ThS. Võ Thanh Phong Cần Thơ, 2016.
Phần 1: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT VÀ PHÌ NHIÊU ĐẤT ........................ 1 1.1 Khái niệm về đất ...................................................................................................... 1 1.2 Quá trình hình thành đất ........................................................................................ 1 1.2.1 Sự phong hoá đá và khoáng vật .................................................................... 2 1.2.2 Vỏ phong hoá ................................................................................................. 4 1.2.3 Tuần hoàn vật chất và sự hình thành đất ....................................................... 5 1.3 Các yếu tố hình thành đất ....................................................................................... 6 1.3.1 Khí hậu ........................................................................................................... 6 1.3.2 Sinh vật .......................................................................................................... 7 1.3.3 Địa hình.......................................................................................................... 8 1.3.4 Mẫu chất ........................................................................................................ 9 1.3.5 Thời gian ...................................................................................................... 11 1.4 Một số quá trình xảy ra trong đất ........................................................................ 12 1.4.1 Quá trình hình thành đá ong và kết von ...................................................... 12 1.4.2 Quá trình glây .............................................................................................. 13 1.4.3 Quá trình hình thành đất phèn ..................................................................... 15 1.5 Phẫu diện đất ......................................................................................................... 19 1.5.1 Quá trình thành lập tầng đất ......................................................................... 19 1.5.2 Các tầng đất và đặc điểm của chúng ........................................................... 20 THỰC HÀNH: MÔ TẢ PHẪU DIỆN ĐẤT ................................................................. 22 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 26 Phần 2: THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CUẢ ĐẤT ............................................ 27 2.1 Thành phần cấu tạo đất ........................................................................................ 27 2.1.1 Thành phần rắn ............................................................................................ 27 2.1.2 Thành phần lỏng .......................................................................................... 30 2.1.3 Thành phần khí ............................................................................................ 34 2.2 Vật lý đất ................................................................................................................ 36 2.2.1 Sa cấu đất ..................................................................................................... 36 2.2.2 Dung trọng và tỷ trọng ................................................................................. 39 2.2.3 Tế khổng và độ xốp ..................................................................................... 42 2.3 Hình thái đất .......................................................................................................... 44 2.3.1 Màu đất ........................................................................................................ 44 2.3.2 Cấu trúc đất .................................................................................................. 48 2.4 Hoá học đất............................................................................................................. 54 2.4.1 Thành phần hóa học và dinh dưỡng trong đất ............................................. 54 2.4.2 Một số tính chất hóa học của đất ................................................................. 55 i
2.5 Sinh học đất ............................................................................................................ 62 2.5.1 Vi sinh vật đất .............................................................................................. 62 2.5.2 Động vật đất ................................................................................................. 66 2.5.3 Thực vật ....................................................................................................... 68 2.6 Sử dụng các nhóm đất chính ................................................................................ 69 2.6.1 Phân loại các nhóm đất chính ở Đồng bằng Sông Cửu Long ...................... 69 2.6.2 Đặc điểm và sử dụng nhóm đất chính ở Đồng bằng Sông Cửu Long ......... 71 THỰC HÀNH: - XÁC ĐỊNH DUNG TRỌNG, TỶ TRỌNG VÀ ĐỘ XỐP CỦA ĐẤT - XÁC ĐỊNH pH ĐẤT VÀ EC ĐẤT ............................................................................ 81 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 83 ii
Phần 1: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Đây là môn học nghiên cứu về các yếu tố và các tiến trình thành lập đất. Nó bao gồm việc mô tả và giải thích các phẫu diện đất, các thành phần cấu tạo nên đất và cách thể hiện của đất trên bề mặt của trái đất. Một cách tổng quát thì nó được nghĩ như là việc nghiên cứu cách hình thành đất trên mặt đất đai của trái đất. Tuy vậy, một số nhà khoa học đất cũng muốn nới rộng thêm là bao gồm cả nguyên vật liệu khác nằm dưới nước mà các vật liệu này có hỗ trợ cho động vật và thực vật để sống. Một số nhà địa chất trước đây còn muốn tính cả các trầm tích không ổn định vào trong đất. Do đó các loại đất được gọi tên như: đất mang đến do băng hà, do gió xói mòn mang đến, đất dốc tụ, đất phù sa cách gọi này vẫn còn hiện hữu trong các tài liệu thổ nhưỡng. Nguồn gốc hình thành đất là môn học nghiên cứu về sự phát triển của đất từ các mẫu chất. 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT Đất trong thuật ngữ chung là các vật chất nằm trên bề mặt trái đất, có khả năng hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật và phục vụ như là môi trường sinh sống của các dạng sự sống động vật từ các vi sinh vật tới các loài động vật nhỏ. Đất không những hỗ trợ cho sự phát triển của cây trồng mà còn là vùng (thổ quyển) với nhiều tương tác của các yếu tố khí hậu (nước, không khí, nhiệt độ); môi trường sống (vi sinh vật, thực vật, động vật) và xác bả của sinh vật cùng với mẫu chất hình thành nên đất. Trong suốt quá trình hình thành phát triển, phẫu diện đất phân thành những lớp khác nhau có cùng một số tính chất gọi là tầng đất. Các nhà thổ nhưỡng học đặt trọng tâm nghiên cứu đến các tiến trình thành lập đất (sự hình thành và sự phát triển của đất), tính chất cơ bản của đất (vật lý đất, hoá học đất và sinh học đất), mối liên hệ giữa tự nhiên và lịch sử của đất đai cũng như dự đoán những thay đổi trong việc sử dụng đất. Các nhà nông học hiểu rõ rằng đất canh tác là kết quả của sự phát triển của nhiều yếu tố trong hàng ngàn năm và họ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào những tính chất của đất có ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng cây trồng. Ngày nay, hai khuynh hướng nghiên cứu này thường được kết hợp với nhau hình thành nên một ngành đó là khoa học đất. 1.2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Đất là kết quả của nhiều tiến trình thổ nhưỡng trong quá khứ mà ta có thể nhận thấy được mặc dù trong một số trường hợp thì người ta khó quan sát và xác định được. Vì vậy, các kiến thức về cổ sinh thái, cổ địa lý, địa lý băng hà và cổ khí hậu thì rất quan trọng cho việc nhận dạng và hiểu tiến trình hình thành đất và có thể dự đoán những thay đổi của đất trong tương lai. Trong đất, các đặc tính quan trọng của hạt đất là số lượng, kích thước, hình dáng và sự sắp xếp của chúng. Mỗi đặc tính này có mối quan hệ với các đặc tính khác và nó đặc trưng cho tính chất cơ bản của tầng đất, mức độ tác động của con người và các ảnh hưởng khác như: độ dốc, địa mạo, thời gian. Các đặc tính này có thể quan sát và đo lường được. 1
Tóm lại, đất có thể được xem như là một đồ biểu tổng hợp, là một bộ phận của thiên nhiên, nó ghi nhận tổng hợp lại các sự việc đã xảy ra tại vị trí đó. Đất có thể có chứa các hạt thạch anh có tuổi hàng tỷ năm, các tinh thể calcite mới hình thành, các mảnh vỡ đồ sứ một ngàn năm tuổi, một chất hữu cơ năm ngàn năm về trước và cũng có những chất thải của cây rừng trong vài tuần qua. Với ý nghĩa này, đất là một đồ biểu tổng hợp. Thử thách được đặt ra cho các nhà khoa học đất là học để đọc đồ biểu này. 1.2.1 Sự phong hoá đá và khoáng vật Dưới sự tác động của nước, các chất khí như O2, CO2... và nguồn năng lượng bức xạ mặt trời, các khoáng vật và đá lộ ra ở phía ngoài cùng của vỏ trái đất bị phá huỷ. Quá trình phá huỷ khoáng vật và đá được gọi là quá trình phong hoá. Có 3 loại phong hoá đá và khoáng vật là phong hoá vật lý, phong hoá hoá học và phong hoá sinh học. Sự phân chia các loại phong hoá chỉ là tương đối vì trong thực tế các yếu tố ngoại cảnh đồng thời tác động lên đá và khoáng vật, do vậy 3 loại phong hoá đồng thời cùng diễn ra. Các quá trình phong hoá liên quan mật thiết và hỗ trợ cho nhau, tuỳ điều kiện cụ thể mà một trong 3 quá trình xảy ra mạnh hơn. * Phong hoá vật lý Phong hoá vật lý là sự vỡ vụn của các loại đá thành các hạt cơ giới có kích thước khác nhau nhưng chưa có sự thay đổi về thành phần khoáng vật, thành phần hoá học của các đá ban đầu. Nguyên nhân gây nên việc phá vỡ khoáng vật và đá là do sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất và sự tác động của các hoạt động địa chất ngoại lực như nước chảy, gió thổi xảy ra trên bề mặt vỏ trái đất. Sự thay đổi nhiệt độ làm cho các khoáng vật có trong đá bị giãn nở không đều dẫn đến kết quả đá bị vỡ ra. Các khoáng vật khác nhau có hệ số giãn nở rất khác nhau. Ví dụ: Tên khoáng vật Hệ số giãn nở Thạch anh 0,00031 Octoclaz 0,00017 Mica 0,00035 Calcite 0,00020 Một loại đá được cấu tạo bởi nhiều khoáng vật khác nhau, do đó nhiệt độ thay đổi các khoáng vật co giãn không giống nhau làm đá bị vỡ vụn. Như vậy thành phần khoáng vật của đá càng nhiều thì đá càng dễ bị vỡ vụn. Những đá cấu tạo bởi một loại khoáng vật (đá đơn khoáng) cũng bị vỡ do hệ số nở dài theo các phương khác nhau. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm, giữa các mùa trong năm càng lớn thì phong hoá vật lý diễn ra càng mạnh. Ví dụ, vùng sa mạc thường có sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm lớn nên vào ban đêm có thể nghe được tiếng nổ vỡ của đá trong vùng. Trong đá thường có các lỗ hổng và các vết nứt nguyên sinh chứa đầy khí hay nước. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới 0 oC, nước ở thể lỏng chuyển thành thể rắn (nước đóng băng) làm tăng thể tích tạo áp suất lớn có khi tới hàng ngàn atmosphere lên thành khe nứt làm cho đá bị vỡ ra. Các mảnh vụn sinh ra có thể di chuyển đi nơi khác theo dòng nước chảy hoặc gió thổi sẽ phá huỷ các đá trên đường di chuyển của chúng. 2
Phong hoá vật lý có tính chất tiên phong, tạo điều kiện thuận lợi cho phong hoá hoá học và sinh học. * Phong hoá hoá học Do sự tác động của H2O, O2, CO2... các khoáng vật và đá bị phá huỷ, thay đổi về hình dạng, kích thước, thành phần và tính chất hoá học. Có thể nói, phong hoá hoá học chính là các phản ứng hoá học diễn ra do sự tác động của H2O, O2, CO2 lên đá và khoáng vật. Phong hoá hoá học được chia thành các quá trình chính là: thuỷ hoá, thuỷ phân, oxy hoá, khử hoá, hòa tan, vôi hoá. + Quá trình thuỷ hoá Là quá trình nước tham gia vào mạng lưới tinh thể của khoáng vật, thực chất đây là quá trình nước kết hợp với khoáng vật làm thay đổi thành phần hoá học của khoáng vật. Ví dụ: + 2 H2 O CaSO4 CaSO4.2H2O Anhydrite Thạch cao Fe2O3 + n H2 O Fe2O3.nH2O Hematite Limonite + Sự thủy phân Là do sự phân lìa nước thành ion H+ và ion OH-. Nó có thể có tác dụng như một acid hay một base trên các tinh khoáng. Sự phân lìa này càng mạnh nếu nhiệt độ càng lớn. K2O.Al2O3.6SiO2 + 3H2O  Al2O3.2SiO2.2H2O + 2KOH + 4SiO2 Trực tràng Kaolinite + Quá trình oxy hoá Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào sự xâm nhập của O2 tự do trong không khí và O2 hòa tan trong nước. Quá trình oxy hoá làm cho khoáng vật và đá bị biến đổi, bị thay đổi về thành phần hoá học. Ví dụ: Khoáng vật pyrite bị oxy hoá và biến đổi như sau: FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 12FeSO4 + 3O2 + 6H2O = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3 Quá trình ôxy hoá diễn ra rất mạnh với hầu hết các nguyên tố hoá học có trong khoáng vật và đá, đặc biệt là các nguyên tố hoá trị cao, ví dụ mangan. Sự oxy hoá đi kèm với sự thủy hoá hoặc thủy phân. + Sự khử hoá Xảy ra nơi mà các vật liệu đất bị bão hòa nước (oxy không thể thâm nhập thành phần của các khoáng) Fe2O3 + 4SO42- + 8CH2O + 1/2O2  2FeS2 + 8HCO3- + 4H2O pyrite 3
+ Quá trình hòa tan: Là quá trình các khoáng vật và đá bị hòa tan trong nước. Hầu như tất cả các khoáng vật và đá bị hòa tan trong nước, nhưng mạnh nhất là các khoáng vật của lớp carbonate và lớp muối mỏ. Ví dụ: CaCO3 (đá vôi) bị hòa tan như sau: CaCO3 + H2O + CO2  Ca(HCO3)2 Các khoáng vật và đá bị hòa tan tạo thành các dung dịch thật. + Quá trình sét hoá: Các khoáng vật silicate như nhôm silicate do tác động của H2O, CO2 sẽ bị biến đổi tạo thành các khoáng sét (keo sét). Các chất kiềm và kiềm thổ trong khoáng vật bị H+ chiếm chỗ trong mạng lưới tinh thể được tách ra dưới dạng hòa tan. Như vậy thực chất của quá trình sét hoá là các quá trình hòa tan, hydrate hoá chuyển các khoáng vật silicate, nhôm silicate thành các khoáng vật thứ sinh, các muối và oxide. Ví dụ: K2Al2Si6O16 + H2O + CO2  H2Al2Si2O8.2H2O + K2CO3+ SiO2.nH2O Fenspat-kali (orthoclaz) Kaolinite Opan * Phong hoá sinh học Hoạt động của sinh vật bậc thấp, bậc cao cũng tham gia phá huỷ các khoáng vật và đá. Rễ cây xuyên vào các khe nứt hút nước và các chất khoáng, theo thời gian, rễ to dần phá vỡ đá. Mặt khác rễ cây tiết H2O và CO2 tạo H2CO3 để hòa tan đá và khoáng vật. Khi chết xác sinh vật bị phân huỷ sinh ra các acid hữu cơ góp phần hòa tan các khoáng vật và đá. Do vậy, bản chất của phong hoá sinh học là phong hoá vật lý và hoá học do sự tác động của sinh vật lên khoáng vật và đá. Cũng trong quá trình này mẫu chất được tích luỹ chất hữu cơ do xác sinh vật để lại sau khi chết, làm cho mẫu chất xuất hiện những thuộc tính mới được gọi chung là độ phì và mẫu chất biến đổi thành đất. Nhà khoa học nổi tiếng người Nga Vecnatxki cho rằng: "Hoạt động hoá học của vỏ trái đất, gần 99% có liên quan tới quá trình sinh hoá học". 1.2.2 Vỏ phong hoá Các sản phẩm phong hoá là kết quả của quá trình phá huỷ các khoáng vật và đá, do vậy chúng rất phong phú và đa dạng. Phong hoá vật lý tạo thành các hạt vô cơ có kích thước khác nhau. Phong hoá hoá học tạo thành các hợp chất dễ tan, oxide, hydroxide và các loại keo sét. Phong hoá sinh vật ngoài sự tạo thành các sản phẩm trên còn tạo sự tích luỹ chất hữu cơ trong mẫu chất. Các loại sản phẩm phong hoá tích đọng lại tạo thành vỏ phong hoá. Vỏ phong hoá là lớp vật chất nằm ở phía ngoài cùng của vỏ trái đất. Sản phẩm phong hoá biến đổi tạo thành mẫu chất, mẫu chất chịu tác động sâu sắc của sinh vật dần dần trở thành đất. Các vật liệu phong hoá thì không thể đứng yên dưới tác động của các yếu tố khí hậu (mưa, gió...) mà chúng bị mang đi và tích tụ lại một nơi nào đó, thí dụ như: chúng rơi xuống từ trên cao do trọng lực, nước cuốn đi do dòng chảy, gió mang đi... Như vậy, vật liệu phong hoá sẽ được tích tụ lại một nơi nào đó tùy theo yếu tố mang chúng đi. Vì tầm quan trọng của các yếu tố di chuyển các vật liệu phong hoá đến đặc tính của 4
đất sau này nên các nhà khoa học dùng chúng để đặt tên cho “mẫu chất” và mẫu chất có thể hình thành đất khi có điều kiện. Chúng ta có các loại mẫu chất như sau: Tên mẫu chất Lắng tụ ở hồ Vật liệu Do nước cuốn đi Trầm tích hồ Lắng tụ do dòng chảy phong hoá Phù sa Lắng tụ ở biển Trầm tích biển Do băng hà di chuyển Trầm tích do băng hà Trầm tích ở cửa sông, phù sa, trầm tích biển Di chuyển do gió Phong hoá Trầm tích do gió cuốn tại chỗ Tích tụ do trọng lực Sườn tích, tụ thổ Hình 1: Các yếu tố làm di chuyển vật liệu phong hoá và các mẫu chất tương ứng. Như kết quả trên cho thấy, đất được hình thành qua hai giai đoạn: sự hình thành mẫu chất và sự hình thành đất. Như vậy, khi mẫu chất bị xáo trộn ở một mức độ nhất định thì được gọi là đất. Sự xáo trộn này được thể hiện bằng sự phân tầng trong mặt cắt theo chiều dọc của đất (gọi phẫu diện đất). Theo V. M. Fritland (1964), Việt Nam có các loại vỏ phong hoá sau: - Vỏ phong hoá feralit: Phổ biến ở vùng trung du và núi thấp, các khoáng vật thứ sinh chủ yếu là kaolinite, gibbsite, goethite. Trên vỏ phong hoá này hình thành nên nhóm đất feralit - đất đỏ vàng ở nước ta. - Vỏ phong hoá alit: gặp ở vùng núi cao từ 1700 m trở lên, điển hình nhất là ở độ cao >2000 m. Khí hậu ẩm ướt, sắt bị rửa trôi mạnh nhưng nhôm được tích luỹ do không bị rửa trôi như sắt. - Vỏ phong hoá macgalit - feralit: Gặp ở Phủ Quỳ - Nghệ An trên đá bọt bazan - Vỏ phong hoá trầm tích sialit: Gặp ở các vùng đồng bằng tạo bởi quá trình lắng đọng phù sa của hệ thống sông ngòi nước ta. Thành phần là các loại keo sét, ngoài ra còn gặp các khoáng vật nguyên sinh như thạch anh, fenspat, mica. - Vỏ phong hoá clorua, sulphate - sialit còn gặp ở vùng ven biển. 1.2.3 Tuần hoàn vật chất và sự hình thành đất Ta có thể chia quá trình hình thành đất làm 2 giai đoạn: - Đá bị phong hoá thành mẫu chất: giai đoạn này được gọi là quá trình phong hoá. - Mẫu chất biến thành đất: giai đoạn này được gọi là quá trình hình thành đất. 5
Mẫu chất đã có khả năng thấm, giữ nước và khí nhưng còn thiếu phần quan trọng nhất để trở thành đất đó là chất hữu cơ. Khi trên trái đất chưa có sự sống, lúc đó mới chỉ có các quá trình phong hoá lý, hoá học. Các sản phẩm phong hoá một phần nằm lại tại chỗ, phần khác theo nước di chuyển xuống chỗ trũng, đại dương. ở những nơi đó chúng lại trầm lắng, chịu sự tác động của áp suất và các yếu tố khác và hình thành nên đá trầm tích. Do sự vận động địa chất, khối đá trầm tích này lại được nâng lên phong hoá theo một vòng mới khác. Quá trình đó cứ lặp đi lặp lại trong một phạm vi lớn và kéo dài tới hàng tỷ năm, nên được gọi là "Đại tuần hoàn địa chất". Bản chất của vòng đại tuần hoàn địa chất là quá trình tạo lập đá đơn thuần xảy ra rộng khắp và theo một chu trình khép kín. Khi sinh vật xuất hiện lúc đầu là các vi sinh vật và các thực vật hạ đẳng, chúng sử dụng các chất dinh dưỡng khoáng để nuôi cơ thể, chết đi chúng trả lại toàn bộ cho đất. Cứ như vậy sinh vật ngày càng phát triển và lượng chất hữu cơ tích luỹ trong đất ngày một nhiều, nó đã biến mẫu chất trở thành đất. Vòng tuần hoàn này do sinh vật thực hiện và diễn ra trong thời gian ngắn, phạm vi hẹp nên được gọi là "Tiểu tuần hoàn sinh vật". Bởi vậy "Đại tuần hoàn địa chất" là cơ sở của quá trình hình thành đất, còn "Tiểu tuần hoàn sinh vật" là bản chất của nó. Đất được hình thành kể từ khi xuất hiện sinh vật. 1.3 CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH ĐẤT Yếu tố hình thành đất có thể là một tác chất, lực, điều kiện hoặc mối liên hệ hoặc là sự kết hợp giữa các yếu tố đó lại. Các yếu tố có thể đang tác động hoặc đã tác động đến mẫu chất để hình thành đất. Có thể có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành đất nhưng các nhà nghiên cứu về nguồn gốc chỉ chọn 5 yếu tố đó là: mẫu chất, địa hình, khí hậu, sinh vật và thời gian. Đất = f(cl, o, r, p, t) 1.3.1 Khí hậu Khí hậu là yếu tố ảnh hưởng bao trùm lên các yếu tố khác, trong đó nó ảnh hưởng rất mạnh mẽ lên các phản ứng hoá học để hình thành đất. Khí hậu có sự tác động tới sự hình thành đất vừa trực tiếp thông qua nhiệt độ, lượng mưa, vừa gián tiếp thông qua sinh vật. Nhiệt độ và lượng mưa là hai yếu tố quan trọng đầu tiên trong sự phong hoá đá, khoáng. Hai yếu tố này còn chi phối tất cả các quá trình khác trong đất: quá trình rửa trôi xói mòn, tích tụ, mùn hoá, khoáng hoá,... Cường độ, chiều hướng của chúng góp phần chi phối quá trình hình thành đất. Lượng mưa ảnh hưởng lớn tới độ chua và hàm lượng kiềm trao đổi trong đất. Theo Jenny khi nghiên cứu đất vùng nhiệt đới (đảo Mabrikia) thì lượng mưa hàng năm càng tăng, độ pH và tổng các cation kiềm trao đổi càng giảm. Điều này giải thích lý do đất Việt Nam đặc biệt là đất rừng thường chua và độ no kiềm thấp. 6
Bảng l: Ảnh hưởng của lượng mưa đến một số tính chất của đất Lượng mưa Nhiệt độ [H+] Tồng số cation pH hàng năm (oC) (meq/100g đất) kiềm trao đổi (mm) (meq/100g đất) 600 - 1.300 29,5 5,5 24,0 6,8 1.300 - 1.900 26,2 11,2 15,0 6,3 1.900 - 2.500 22,9 14,7 8.2 5,9 2.500 - 3.200 22,3 16,6 5.5 5,7 3.200 - 3.800 20,6 19,6 4,0 5,6 Nguồn: Nguyễn Thế Đặng & Nguyễn Thế Hùng (1999). Ở vùng khí hậu nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, sự phong hoá thường rất mạnh. Chất SiO2 và các base bị phóng thích từ các đá và dễ bị cuốn trôi theo nước, chỉ còn lại các oxide Fe và oxide Al trong đất. Nhờ vậy, phẫu điện đất ở vùng cao miền nhiệt đới rất sâu, có khi đến hàng chục mét mới gặp tới đá. Ở vùng khí hậu sa mạc, chỉ có sự hủy hoại cơ học làm đá bị vỡ hay bể do sự khác biệt lớn về nhiệt độ. Ở vùng khí hậu ôn đới, các quá trình phong hoá hoá học dĩ nhiên không mạnh bằng ở vùng nhiệt đới, do đó phẫu diện đất thường sâu chỉ có vài mét. Trên trái đất có những đai khí hậu khác nhau: Hàn đới, ôn đới, nhiệt đới. Tại những đai đó, những sinh vật tương ứng được hình thành và bởi vậy xuất hiện những đai đất đi kèm. Điều đó nói lên vai trò của khí hậu với sự hình thành đất thông qua sinh vật. Ví dụ: - Vùng lạnh, khô đặc trưng là kiểu rừng lá kim nên hình thành đất podzol chua và nghèo dinh dưỡng. - Vùng lạnh ẩm hình thành đồng cỏ hoặc rừng lá rộng ôn đới nên có đất đen ôn đới (Checnozom). - Vùng nhiệt đới nóng ẩm hình thành loại rừng lá rộng, thường xanh nên có đất đỏ vàng. 1.3.2 Sinh vật Sinh vật là yếu tố chủ đạo cho quá trình hình thành đất vì sinh vật cung cấp chất hữu cơ, yếu tố quan trọng nhất để biến mẫu chất thành đất. Đất là môi trường sôi động của sự sống, là địa bàn sinh sống của vi sinh vật, thực vật, động vật. * Vi sinh vật Một gam đất chứa hàng chục triệu thậm chí hàng ti vi sinh vật. Trung bình 1 gam đất của Việt Nam chứa khoảng 60 - 100 x 106 vi sinh vật, chúng có vai trò rất lớn đối với quá trình hình thành đất, cụ thể: 7
- Cung cấp chất hữu cơ cho đất: Vi sinh vật là những sinh vật đi tiên phong, chúng là sinh vật đầu tiên sống trên mẫu chất và chết đi cung cấp lượng chất hữu cơ nhỏ nhoi nhưng vô cùng quý giá đầu tiên cho mẫu chất để biến mẫu chất thành đất. - Đóng vai trò quan trọng trong việc phân giải và tổng hợp chất hữu cơ: Cây chỉ có thể hút các dinh dưỡng từ đất dưới dạng các chất khoáng đơn giản do vậy các chất hữu cơ và ngay cả một số loại phân bón khi được bổ sung vào đất đều phải nhờ vi sinh vật phân giải cây mới có khả năng hấp thụ. Mặt khác, trong quá trình phân giải chúng lại tổng hợp nên một dạng hữu cơ đặc biệt, rất quan trọng trong đất đó là hợp chất mùn. - Cố định đạm từ khí trời: Trong đá mẹ, mẫu chất thiếu một yếu tố dinh dưỡng cơ bản đó là N. Vi sinh vật cố định đạm góp phần tạo ra đạm mà mẫu chất không có. Tuy nhiên ngoài mặt có lợi vi sinh vật đất còn có một số mặt hại như: làm mất đạm, thải ra một số khí độc, làm giảm pH đất, gây bệnh cho cây... * Thực vật Thực vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất. Tuỳ theo thảm thực bì số lượng cũng như chất lượng chất hữu cơ trả lại cho đất khác nhau. Thường một ha rừng trả lại cho đất 10 tấn cành khô, lá rụng/năm, khoảng 80% lượng chất hữu cơ trong đất có nguồn gốc từ thực vật. Một số loại thực vật được dùng làm cây chỉ thị cho một số tính chất đất. Ví dụ: Cây sim, mua chỉ thị đất chua; cây sú, vẹt chỉ thị cho đất mặn... Tóm lại tác dụng của thực vật thể hiện ở các mặt sau: - Cung cấp chất hữu cơ, tăng hàm lượng mùn, cải thiện các tính chất lý, hoá và sinh học đất. - Tập trung dinh dưỡng ở tầng sâu lên tầng đất mặt. - Hút và trả lại cho đất các chất dinh dưỡng phù hợp hơn với thế hệ sau do hút dinh dưỡng có chọn lọc. - Che phủ mặt đất, chống xói mòn. * Động vật Có nhiều loại động vật sinh sống trong đất từ nguyên sinh động vật, giun, dế, kiến, mối đến chuột... Tác dụng của chúng thể hiện qua các mặt sau: - Chúng chết đi cung cấp chất hữu cơ cho đất, tuy số lượng ít nhưng có chất lượng cao. - Chuyển hoá chất hữu cơ tạo thành các chất dễ tiêu cho cây. - Xới xáo làm cho đất tơi xốp. Đại diện như giun đất là "anh thợ cày" tích cực, mỗi ha đất tốt có bón phân có thể có tới 2,5 triệu con giun. 1.3.3 Địa hình Ðịa hình cũng ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự hình thành đất. - Ảnh hưởng trực tiếp: Các đặc trưng của địa hình như dáng đất, độ cao, độ dốc... ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều quá trình diễn ra trong đất. Vùng đồi núi, vùng đồng bằng cao quá trình rửa trôi xói mòn diễn ra mạnh. Ngược lại trong các thung lũng ở vùng đồi núi hoặc ở vùng đồng bằng trũng diễn ra quá trình tích luỹ các chất. Lượng 8
nước trong đất cũng phụ thuộc địa hình; vùng cao thường thiếu nước, quá trình oxy hoá diễn ra mạnh; vùng trũng thường dư ẩm, quá trình khử chiếm ưu thế... kết quả ở các địa hình khác nhau hình thành nên các loại đất khác nhau. - Ảnh hưởng gián tiếp: địa hình ảnh hưởng gián tiếp đến sự hình thành đất thông qua yếu tố khí hậu và sinh vật. Càng lên cao nhiệt độ càng giảm dần theo quy luật độ cao tăng 100 m, nhiệt độ giảm 0,5 oC, đồng thời ẩm độ tăng lên. Sự thay đổi khí hậu kéo theo sự thay đổi của sinh vật. Ở các độ cao khác nhau có các đặc trưng khí hậu và sinh vật khác nhau. Các nhà thổ nhưỡng đã phát hiện được quy luật phát sinh đất theo độ cao. Các đặc tính của đất sau đây có liên quan đến địa hình cho bất kỳ một vùng nào đó: (a) chiều dày của solum; (b) chiều dày và hàm lượng hữu cơ trong tầng mặt A; (c) ẩm độ tương đối của phẫu diện; (d) màu của phẫu diện đất; (e) mức độ phát triển của các tầng; (f) pH của đất; (g) hàm lượng muối hòa tan; (h) loại và mức độ phát triển của các tầng đế cày (pan); (i) nhiệt độ và (j) đặc tính của mẫu chất. Bảng 2: Quy luật hình thành đất theo độ cao trên dãy núi Hoàng Liên Sơn Ðộ cao (m) Loại đất Dưới 1000 Ðất feralít 1000 - 1800 Ðất feralít - mùn trên núi 1800 - 2300 Ðất mùn alít trên núi cao 2300 - 2900 Ðất mùn thô trên núi Trên 2900 Ðất mùn thô than bùn trên núi Nguồn: Cao Liêm (1968) Địa hình tác động đến quá trình hình thành đất Việt Nam thể hiện ở chỗ: - Ở các vùng cao có nhiệt độ thấp hơn nhưng ẩm độ cao hơn. Càng lên cao xuất hiện nhiều cây lá nhỏ, chịu lạnh, đất có hàm lượng mùn tăng, quá trình feralít giảm. Đây là lý do các vùng cao như Đà Lạt, Mộc Châu, Sapa có khí hậu mát mẻ và đất có hàm lượng mùn khá hơn. - Địa hình còn làm thay đổi tiểu vùng khí hậu do nhiều nơi địa hình quyết định hưởng và tốc độ của gió, làm thay đổi độ ẩm, thảm thực bì của đất rất lớn. Do bị chắn bởi dãy Trường Sơn mà một số vùng bị ảnh hưởng của gió phơn tây nam rất mạnh như: Hoà Bình, Lai Châu, Thanh Hoá, Nghệ An... - Địa hình trong khu vực nhỏ trực tiếp góp phần phân bố lại vật chất, làm thay đổi độ ẩm, nhiệt độ, độ tăng trưởng của sinh vật, sự vận chuyển nước trên bề mặt và trong lòng đất. Những nơi địa hình cao, dốc, nước chảy bề mặt nhiều, nước thấm ít, độ ẩm đất thấp hơn chỗ trũng. Do dòng chảy bề mặt lớn, đất bị xói mòn, rửa trôi xuống các vũng trũng nên các chỗ trũng, bằng phẳng thường có tầng đất dày hơn, hàm lượng dinh dưỡng khá hơn so với nơi dốc nhiều. 1.3.4 Mẫu chất Mẫu chất (parent material) được xem là một yếu tố hình thành đất rất quan trọng, trước đây (1800 -1810) các nhà thổ nhưỡng thường dùng thuật ngữ “đất granite” hoặc “đất băng hà” để chỉ nguồn gốc địa chất của nó và thành phần của các vật liệu ban đầu (vật liệu nguyên sinh là - vật liệu phóng thích ra từ đá mà không qua quá trình tái tổng 9
hợp). Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện và kết luận rằng mẫu chất là yếu tố quan trọng, nó chi phối mọi yếu tố khác. Mẫu chất bao gồm nhiều loại đá khác nhau (đá magma, đá biến chất, đá trầm tích). Đá lại gồm nhiều tinh khoáng. Các tinh khoáng này có chỉ số phong hoá theo thứ tự (weathering sequence) (Theo Jakson và Sherman). Nhóm thạch cao (trong đó có thể kể thêm: muối mỏ, nitrate natri). Nhóm calcite (kể cả dolomite, aragonite, apatite). Nhóm hornblende (trong đó có thể kể: pyroxene, olivine). Nhóm biotite. Nhóm albite (kể cả anorthite, khiếm tràng, microcline). Nhóm thạch anh. Nhóm muscovite Nhóm vermiculite. Nhóm montmorillonite. Nhóm kaolinite (halloysite). Nhóm gibbsite (boehmite, allophan). Nhóm hematite (goethite, limonite). Nhóm anatase (zircon, rutile, corindon...) Khi đá có sự kết hợp tinh khoáng chặt chẽ thì nó khó bị hủy hoại. Trái lại khi đá mềm hoặc có nhiều lỗ hổng thì các lỗ hổng này hấp thu ẩm độ, oxy, carbonic khiến cho sự hủy hoại nhanh hơn. Chẳng hạn, nếu đá xếp hình như những lá thì rất dễ bị phong hoá. Một đá phiến thạch có các mặt phẳng phiến nghiêng với mặt đất thì nước và rễ cây sẽ xen vào đá dễ hơn và sự phong hoá cũng diễn ra nhanh hơn. Tóm lại, đá lớn sẽ bị vỡ thành đá nhỏ và đá nhỏ vẽ vỡ vụn thành tinh khoáng. Như vậy, với sự phong hoá cơ học, đá lớn sẽ vỡ ra các tinh khoáng. Những tinh khoáng dưới tác dụng cơ học, hoá học (sự thủy phân và thủy hoá của nước) sẽ trở nên mềm hơn. Một phần chất sắt trong tinh khoáng bị oxy hoá và thủy hoá nên đất có màu đỏ hay màu nâu vàng. Cùng với các thay đổi này, những cation như Ca2+, Mg2+, K+ và Na+ cũng bị carbonate hoá và hòa tan. Dần dần, các chất này sẽ bị cuốn trôi theo nước, các tinh khoáng sơ khởi trong đá mất đi và nhường chỗ cho những vật liệu khác nhỏ hơn như các loại sét và các chất oxide Fe và Al. Chua nhiều Khoáng Khí hậu lạnh nguyên sinh Mất ít khôIllite Khí hậu chứa Mất K K nóng ẩm Si hoàn toàn Muscovite 2:1 Trung tính Mont. Chua Mất hoặc kiềm yếu Kaol. Oxide nhiều Si Khí hậu nóng Hình 2: Sơ đồ chuyển hóa khoáng trong đất 10
Nói một cách tổng quát thì đất càng trẻ thì sự liên hệ của nó đến mẫu chất càng nhiều vì các yếu tố khác chưa ảnh hưởng mạnh mẽ đến đất. Khi các tiến trình thổ nhưỡng và phong hoá tác động lên mẫu chất càng nhiều thì ảnh hưởng của mẫu chất càng ít đi. Ở đất phong hoá mạnh và đất già cỗi thì ảnh hưởng của mẫu chất rất ít. Khi nghiên cứu về mẫu chất thì cần chú ý đến yếu tố nào vẫn còn ảnh hưởng cả về lượng lẫn về loại. Thường thì việc nghiên cứu tác động của mẫu chất rất khó, do tính phức tạp của môi trường trong quá khứ và khó có thể tách ảnh hưởng của mẫu chất ra khỏi ảnh hưởng của những yếu tố khác (tiêu nước, khí hậu, thực vật). Ảnh hưởng của loại đá nơi mà mẫu chất xuất phát có ảnh hưởng quan trọng đến thành phần của đất. Theo con đường di chuyển hoặc kết hợp với nguồn gốc của mẫu chất có các loại sau: Mẫu chất là trầm tích do băng hà Mẫu chất là trầm tích do gió cuốn tạo nên Mẫu chất là trầm tích đồng bằng ven biển Mẫu chất là trầm tích cổ từ đá vôi và dolomite Mẫu chất từ đá thô hạt Mẫu chất từ đá phiến sét Mẫu chất từ granite và granite gneiss Mẫu chất từ schist Mẫu chất từ các loại đá tối màu giàu sắt, mangan Mẫu chất có từ tro núi lửa 1.3.5 Thời gian Mối liên hệ giữa đất và thời gian có thể được thảo luận với các yếu tố (1) giai đoạn phát triển tương đối; (2) định tuổi tuyệt đối của các tầng và phẫu diện đất; (3) mức độ phát triển; (4) thời gian phát triển của các độ dốc, dạng của đất đai và các dạng phức do phong hoá tạo nên và (5) sự khám phá từ thí nghiệm do con người sau đó ứng dụng ra ngoài đồng ruộng và từ ngoài đồng tác động trở lại trong phòng thí nghiệm. * Giai đoạn phát triển tương đối Các từ vựng đã được dùng để diễn tả thời gian tương đối là: trẻ, trưởng thành và già. Các từ này được đặt ra để mô tả và nhận diện các địa mạo, sau đó đã sử dụng cho đất. Từ đã sử dụng như là azonal soils bao gồm bộ Entisols (trẻ) và Inceptisols (bắt đầu phát triển) các đất này có thể được xem là đất trẻ. Đất chưa trưởng thành có thuật ngữ để chỉ là intrazonal soils, sự phát triển của đất này được thể hiện qua các yếu tố: có nhiều nước, muối hoặc carbonate. Đất trưởng thành còn được gọi là zonal soils, đất này được phát triển trong một môi trường cân bằng (hoặc ổn định). Đất già là loại đất có sự tích tụ của oxide kim loại trơ (nó không còn phản ứng với các chất khác nữa) và các kim loại nặng. Các chiều hướng phát triển của đất theo thời gian có thể là: - Vẫn còn giữ mãi là zonal soils, phẫu diện của nó vẫn còn giữ được trong lớp mẫu chất nguyên thủy vì tốc độ xói mòn nhanh đồng thời với việc thành lập đất. - Đất trở nên bị già cỗi. - Trở nên là mẫu chất của loại đất khác do sự thay đổi đột ngột của sinh vật, khí hậu hoặc các hoạt động địa chất khác. - Bị chôn vùi. - Biến mất do xói mòn và là mẫu chất ở một nơi khác. 11
* Tuổi của các tầng đất và phẫu diện Thường có hai cách để định tuổi của một tầng đất đó là dựa vào sự phát triển của cây cổ thụ và sử dụng chất carbon 14C. Các vùng đồi nhiều vôi ở Anh Quốc được định tuổi dựa vào cây Salix Repens và thời gian để rửa trôi vôi (ở vùng này khoảng 300 năm). Để có một lượng chất hữu cơ ổn định trong đất thường mất khoảng 240 năm. Các vùng đắp đê ngăn mặn ở Hà Lan thường mất một thời gian tương tự để rửa trôi lượng vôi. Nhiều vùng đất rừng ở Alaska, đất phát triển trên mẫu chất có nguồn gốc do băng hà tạo nên, ở đây có lớp hữu cơ trên mặt có tuổi khoảng 15 năm (đến năm 1969), bên dưới là tầng A màu nâu, có thành phần cơ giới là loam pha thịt có tuổi là 250 năm và một biểu loại đất Podzol có chiều dày là 25 cm có tuổi là 1.000 năm. Các loại đất phát triển trên loại đá trơ có tuổi khoảng 2.000 năm và các loại đất ở vùng Bắc Âu có tuổi khoảng 72.000 năm và một số có tuổi khoảng 112.000 năm (các đất này có mẫu chất khác nhau). Thí dụ ở Đồng Bằng Sông Cửu Long thuộc vào kỷ đệ tứ (Quaternary), có hai loại trầm tích chính (tính theo thời gian) là Holocene (phù sa mới) và Pleistocene (phù sa cổ). Cần phân biệt tuổi địa chất và tuổi thổ nhưỡng, thí dụ: Đồng Bằng Sông Cửu Long có tuổi địa chất từ 10.000 - 20.000 năm nhưng nhiều nơi đất có tuổi về thổ nhưỡng thậm chí khoảng 20 - 30 năm. Câu hỏi cần đặt ra là phải mất bao lâu mới có thể thành lập được từ 2 - 3 cm đất. Các nhà thổ nhưỡng thì không tính theo chiều dày là cm mà tính theo tầng đất, solum và phẫu diện. Một cách tổng quát, để thành lập được một tầng đất thì phải mất một thời gian rất lâu trừ đất phèn. 1.4 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG ĐẤT 1.4.1 Quá trình hình thành đá ong và kết von Quá trình này còn được gọi là quá trình tích lũy tuyệt đối Fe, Al. * Quá trình hình thành đá ong Về mùa mưa các chất Fe bị hòa tan trong nước dưới dạng oxide và hydroxide Fe hoá trị 2, Al thì tồn tại trong các keo sét, chúng được di chuyển theo nước. Sự di chuyển bằng 2 đường chính là từ nước chảy tràn trên mặt đất và từ nước ngầm. Tất cả được trôi xuống nước ngầm tích đọng lại ở chân đồi núi. Đến mùa khô, khi lớp đất trên mặt bị khô hạn, nước ngầm theo khe mao quản bốc lên tầng mặt đất, rồi bị oxy hoá thành oxide và hydroxide Fe hoá trị 3 kết tủa lại thành vệt sắt dưới dạng HFeO2 (geothite) hoặc Fe(OH)3, Fe2O3.nH2O (limonite). Các vệt sắt này được tích lũy rồi lớn dần lên và nhiều ra nối liền lại với nhau làm thành một mạng lưới sắt dày đặc, bao bọc ở giữa nhiều ổ keo kaolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O), tạo nên đá ong. Khi ở dưới đất, đá ong còn mềm, khi lộ ra ngoài mặt đất các vệt oxide Fe bị oxy hoá thêm và bị khử nước, nên tiếp tục kết tinh cứng rắn lại, các ổ kaolinite mềm nên bị ăn mòn đi để lại những lỗ như tổ ong, nên gọi là đá ong. Thành phần chủ yếu của đá ong là oxide và hydroxide sắt. Đá ong có 3 loại: Tổ ong, hạt đậu và phiến. Đá ong tổ ong thường gặp ở các vùng đồi thấp tiếp giáp với đồng bằng. Đồi càng trọc, càng trơ trụi thì đá ong càng nhiều và sự xuất hiện càng nông, thậm chí tạo thành c ác bãi đá ong lộ thiên. Ở những vùng núi đá vôi, Fe gặp môi trường trung tính hay kiềm sẽ kết tủa lại các hạt sắt tròn, lâu ngày 12
các hạt sắt tròn nối liền với nhau kết gắn lại tạo nên đá ong hạt đậu. Trong trường hợp nhiều lớp sắt chồng chất lên nhau thì tạo ra đá ong dạng phiến. Loại này ít gặp và nguyên nhân chưa rõ. Như vậy đá ong hình thành là do nước ngầm và sự bốc hơi của nước ngầm quyết định. Vì thế ở những nơi nước ngầm không tích lũy được (ở đỉnh núi đồi hoặc sườn núi đồi) hoặc ở vùng đồng bằng thường xuyên có nước trên mặt (hạn chế được sự bốc hơi của nước ngầm) thì không hình thành đá ong. Sự xuất hiện đá ong là dấu hiệu của sự thoái hoá đất. Những đất có đá ong thì chua, nghèo dinh dưỡng ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng phát triển của nhiều loại cây trồng. Đá ong sẽ làm c ho tầng đất mặt mỏng dần, thậm chí không thể canh tác được nữa. * Quá trình hình thành kết von Về cơ chế hình thành cũng do Fe2+ bị oxy hoá thành Fe3+ tích lũy trong đất ở dạng Fe(OH)3 hoặc Fe2O3.nH2O, tạo nên những giáp sắt bao quanh vật thể nào đó hoặc kết tủa sắt ở dạng viên, gọi là những hạt kết von. Như vậy về nguồn gốc hình thành khô ng phải chỉ từ nước ngầm, mà có thể ngay từ dung dịch đất, vì bản thân trong đất nhiệt đới ẩm vốn dĩ chứa nhiều sắt. Dựa vào hình dạng và nguyên nhân tạo kết von mà chia ra: Kết von tròn, kết von hình ống, kết von gạc nai hoặc củ gừng và kết von giả. Kết von tròn có một nhân ở giữa và sắt tạo thành những vòng cầu đồng tâm xung quanh nhân, thường được kết tủa từ dung dịch thật, có màu nâu đen, nếu màu đen và mềm là kết von MnO2, kết von hình ống thường rỗng ở giữa, kết von giả là các mảnh đá hay khoáng vật được sắt bao bọc xung quanh. Quy luật phân bố của kết von: - Ở những đồi thấp chỗ nào cũng có kết von, nhưng nhiều nhất là ở chân đồi (vì nơi ấy tụ đọng được nhiều sắt). - Ở vùng núi ít có kết von (hoặc chỉ có kết von giả mà thôi). - Những nơi tiếp giáp với đá vôi hoặc đất có nhiều vỏ sò, hến thì hàm lượng kết von tăng vọt (chứng tỏ cation kiềm có ảnh hưởng lớn đến việc kết tủa sắt). - Những vùng đất thấp bằng thì ít có kết von hoặc chỉ gặp kết von tròn mà thôi; Đất ngập nước quanh năm thì không có kết von. Nếu kết von còn ít từ 10 - 15% và ở sâu thì chưa ảnh hưởng lớn, thậm chí một số cây lại mọc tốt trên loại đất này (như cây dứa). 1.4.2 Quá trình glây Quá trình glây (gley) là hiện tượng đặc trưng xảy ra trong đất yếm khí, đất ngập nước dài ngày (đất thừa ẩm), phổ biến ở vùng đất đồng bằng và một số đất ngập nước vùng đồi núi như: đất lầy thụt, đất thung lũng dốc tụ trồng lúa nước... Bản chất của quá trình glây là quá trình khử sinh vật rất phức tạp trong điều kiện yếm khí, với sự tham gia c ủa vi sinh vật yếm khí. Một đặc điểm quan trọng của quá trình glây là s ự tích lũy các sản phẩm khử: Fe thành Fe2+ do kết quả hoạt động của vi sinh vật yếm khí (nhóm vi sinh vật khử Fe 3+ và vi khuẩn Clostridium), cùng với sự khử Mn4+ thành Mn2+ và các sản phẩm phân 13
giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí (CH4, H2, H2S...). Fe2+ sau khi được hình thành, nếu đất tiếp tục bị yếm khí thì nó cùng với silicat và khoáng sét tái tổng hợp ra silicat thứ sinh, trong đó Fe ở dạng hoá trị 2 làm cho các khoáng này có màu xanh, xanh lơ, hay xanh thẫm. Tầng đất chứa nhiều khoáng thứ sinh này sẽ có màu xanh đặc trưng và có mùi tanh hôi, gọi là tầng glây (sét gan trâu). Nếu tình trạng ẩm của đất không kéo dài thì tầng glây không hình thành mà chỉ hình thành những vệt glây, tầng đất có rải rác những vệt glây gọi là tầng bị glây hoá. Sản phẩm xuất hiện đầu tiên trong quá trình khử sắt là Fe(HCO3)2. Hợp chất sắt Fe(HCO3)2 rất dễ di động và háo khí, khi gặp oxy nó bị oxyhoá thành Fe3+. 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3 + 8CO2 Quá trình này tạo nên lớp váng có màu đỏ trên mặt ruộng ngập nước lâu ngày và những vệt đỏ vàng loang lổ xen kẽ với các vệt xám xanh trong đất có điều kiện khô và ẩm xen kẽ. Nếu điều kiện khô hạn kéo dài thì tạo thành kết von rải rác với các vệt glây. Quá trình glây còn sinh ra Mn2+ là ion dễ bị rửa trôi như sắt. Đó là hiện tượng tầng canh tác của đất phù sa bị nhạt dần từ màu nâu sang màu nâu nhạt, là do Fe2+ và Mn2+ bị rửa trôi nhiều, tạo ra đất gọi là đất "bạc điền" hay đất "gan gà". Trong quá trình glây còn tạo ra H2S và FeS. H2S tạo ra nhiều trong điều kiện đất có nhiều chất hữu cơ, lúc đó sẽ gây độc cho cây. Đó là hiện tượng xảy ra ở đất bạc màu nếu vùi nhiều cây phân xanh mà cấy ngay thì sẽ làm cho rễ lúa bị thối đen. FeS sinh ra nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng Fe trong đất, nhưng FeS không hại cho cây trồng nhiều vì nó rất khó tan. Quá trình glây này còn hình thành một số khoáng rất khó bị oxyhoá như FeCO3 (xiđêrit), Fe3(PO4)2.8H2O (vivianit), gây ra hiện tượng đất giàu lân tổng số nhưng nghèo lân dễ tiêu. Trong quá trình glây, đạm cũng bị biến đổi nhiều. NO3- bị khử thành N2 làm mất đạm của đất. Còn đối với lân thì phosphate sắt 3 bị khử thành phosphate sắt 2 dễ tan hơn lại có lợi cho cây. Vì vậy bón dạng lân khó tan (như apatit, phostphorite) một lượng lớn sẽ có tác dụng lâu dài cho nhiều vụ sau. Như vậy: Quá trình glây xảy ra mạnh ở những đất ngập nước lâu ngày, như đất lầy, đất phù sa úng nước, đất phèn... Ở những đất như đất cát, đất bạc màu, đất đỏ vàng trồng lúa nước, đất trồng một vụ lúa và một vụ màu thì trong phẫu diện đất có thể xuất hiện tầng bị glây hoá mà thôi. Tùy theo thời gian ngập nước, mức độ yếm khí trong đất và độ sâu của mực nước ngầm mà tầng glây dày hay mỏng và ở nông hay sâu. Đặc điểm chung của tầng đất glây là có thành phần cơ giới nặng, dẻo, dính, bí chặt, không có kết cấu, đất chua, nhiều chất độc cho cây trồng như CH4, H2S... Đất bị glây mạnh, tầng glây ở nông thì ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng và phát triển của cây, kể cả những cây ưa nước như lúa. Vì vậy ở những đất bị glây mạnh ta phải thay đổi môi trường đất từ trạng thái khử sang trạng thái oxy hoá. 14
1.4.3 Quá trình hình thành đất phèn * Tiến trình hình thành đất phèn tiềm tàng Tiến trình khử trong điều kiện đầm lầy lợ - mặn Trầm tích được lắng tụ dưới nước thường có chứa chất hữu cơ mịn, chất hữu cơ này có lẫn với trầm tích trước khi lắng tụ. Ở đất có chu kỳ bão hòa nước hoặc lũ thường có lượng chất hữu cơ giảm theo độ sâu. Thành phần chất hữu cơ gồm các rễ cây chết, chất thải, phân của động vật... chúng là những chất dễ phân hủy. Thành phần này phân bố rất thất thường(1), khác nhau cả về lượng và thành phần so với các khoảng cách trên mặt đất. Các vi sinh vật sử dùng chất hữu cơ này như là nguồn năng lượng cho chúng. Bất kỳ oxygen nào hiện diện cũng đóng vai trò của chất nhận điện tử. Suốt tiến trình hô hấp của vi sinh vật, CO2 và H2O được sinh ra từ chất hữu cơ và O2. Khi toàn bộ O2 hiện diện bị khử, việc khuếch tán của O2 từ không khí xuyên qua nước mặt và xuyên qua đất bão hòa nước là tiến trình rất chậm. Lượng O 2 cung cấp do khuếch tán chỉ đủ cho vi sinh vật hoạt động ở độ sâu vài mm ở mặt đất. Ở các độ sâu trong phẫu diện, O2 bị sử dụng hết trong khoảng vài ngày cho đến khoảng 1 tuần sau khi ngập nước trong điều kiện nhiệt đới. Điện thế oxy hóa khử là một chỉ thị cho thấy sự chiếm ưu thế của hợp chất oxy hóa trên chất khử và trị số này bắt đầu giảm sau khi ngập nước. Khi O2 không còn nữa, vi sinh vật sử dụng theo trình tự các chất nhận điện tử khác nhau để oxy hóa chất hữu cơ và làm cho điện thế oxy hóa khử tiếp tục giảm. Đầu tiên các hợp chất nitrate NO3- và Mn(IV) bị khử, nhưng mà hai chất này hiện diện dưới một lượng nhỏ. Fe(III) hydroxide và oxide thường rất nhiều ở các loại đất có chu kỳ khô và ướt, chất này bị khử kế tiếp để cho ra Fe2+ ở trị số điện thế oxy hóa khử thấp. Trong khi đó đất trung tính, thoát nước tốt có thể có điện thế oxy hóa khử khoảng 350 tới 550 mV, còn ở các loại đất có oxide sắt đang bị khử có Eh khoảng +100 đến +200mV. Khi các oxide sắt có thể khử được bị khử hết, hoặc trong các trường hợp nơi mà hoạt động của vi sinh vật quá cao và việc khử oxide sắt không còn đáp ứng được cho hoạt động của vi sinh vật thì SO42- được sư dụng như chất nhận điện tử, lúc này thì Eh sẽ nhỏ hơn 0. Cuối cùng, trong những trường hợp khử cực mạnh, sự lên men của chất hữu cơ có thể xảy ra. Trong tiến trình này, một phần chất hữu cơ có thể bị oxy hoá trong khi một phần khác thì bị khử cho ra methane (CH4). Sự hô hấp ở trị số Eh tiếp tục thấp nó cung cấp cho vi sinh vật một lượng ít năng lượng và liên tục trên mỗi đơn vị chất hữu cơ bị oxy hóa, một lượng lớn năng lượng duy trì trong các sản phẩm có phản ứng khử của các chất nhận điện tử. Các sản phẩm tạo ra lúc đất bị khử Các phản ứng sinh ra lúc đất bị khử bao gồm khí N2 và khí N2O từ nitrat, các Mn , Fe2+ trao đổi và hòa tan từ oxide Mn(IV) và Fe(III), H2S từ sự khử SO42-. Trong 2+ sự hiện diện của Fe2+, H2S bị trầm hiện dưới dạng FeS được hình thành. Trong điều kiện có sự oxy hóa nhẹ, không liên tục như trong trường hợp lên xuống của thủy triều, FeS2 được hình thành từ FeS và H2. Thực ra, nếu có FeS hiện diện trong đất thì cũng với nồng độ thấp, trong khi đó ở nhiều loại đất ven biển có chứa một lượng lớn (vài %) Thất thường ở đây muốn chỉ rằng trong phẫu diện đất chất hữu cơ hiện diện không theo tầng, mà chúng phân (1) bố nơi nhiều nơi ít trong phẫu diện 15
pyrite. Sản phẩm sinh ra do sự lên men chất hữu cơ bao gồm H2, CH4, NH4+, H2S và CO2 và một ít carbonate. Pyrite ở các đất ven biển được tích tụ trong điều kiện mặn hoặc lợ thường có thảm thực vật bên trên là đước ở các vùng nhiệt đới hoặc lao sậy ở các vùng ôn đới. SO42- xuất phát từ nước biển và được thủy triều cung cấp. Rễ cây đước hoặc sậy chết là nguồn cung cấp hữu cơ cho việc khử sulphate. Pyrite thì thường được tập trung trong các mặt vở của rễ hoặc các thân cây bán phân hủy. Oxide sắt cần cho việc hình thành FeS2 thì thường hiện diện trong trầm tích. Các hợp chất khử và oxyt hóa được hình thành theo trình tự khi đất bị khử. Nồng độ Fe2+ không giữ cao mãi mà nó giảm sau khi đạt đỉnh cao do sự hình thành sulphide-Fe nếu đất tiếp tục bị khử. Các dấu hiệu cho thấy đất bị khử Trong điều kiện háo khí, đất có chứa các hợp chất sắt trầm hiện, do đó đất có màu thay đổi từ đỏ đến nâu nhạt khi nó không có sự hiện diện màu xám của chất hữu cơ. Trong điều kiện khử, màu đất có thể thay đổi từ màu xám đến xám xanh. Tùy thuộc vào lượng hợp chất Fe2+ hoặc đôi khi có màu đen do màu của FeS nhuộm nền đất. Pyrite không ảnh hưởng đến màu của đất, tuy nhiên ở chất hữu cơ bán phân hũy, trong đó có FeS2 hiện diện thì có màu xám tối hoặc đốm đen trong màu xám của nền nếu sét chứa FeS2. Tuy nhiên không phải đất có nhiều FeS2 lại có đốm như vậy. Khi đất bị ướt cả năm đất bị bão hòa nước, đất bị khử khi có sự hiện diện của một ít chất hữu cơ như là nguồn năng lượng (chỉ vài %). Không có chất hữu cơ sẽ không có hoạt động của vi sinh vật yếm khí. Chính sự hô hấp của vi sinh vật làm cho đất bị khử. Ngay cả khi đất bị khử, lượng oxide sắt dưới dạng của các đốm hiện diện hầu như không bị mất đi. Màu của nền đất do đó mà là một dấu hiệu tốt để chỉ tình trạng khử và oxy hóa của đất hơn là màu của đốm hiện diện. Sự tích tụ pyrite Trong phần lớn đất phèn tìêm tàng, pyrite hiện diện dưới dạng Fe(II) sulfide. Hàm lượng pyrite trong đất phền tiềm tàng nằm trong khoảng 1 đến 5% theo khối lượng. Pyrite thường hiện diện trong đất dưới dạng như chùm nho và có kích thước từ 2 đến 40 m đường kính, cũng có thể hiện diện dưới dạng viên riêng lẽ có kích thước từ 0.1 đến 5 m đường kính. Pyrite bền trong một khoảng rộng pH và trong điều kiện khử mạnh. Sự hình thành pyrite được bắt đầu từ sự khử sulphate. Suốt thời gian khử sulphate vi khuẩn sử dụng sulphate để oxy hóa chất hữu cơ và từ từ sulphate bị khử để cho ra S(-II) đây chính là dạng lưu huỳnh trong H2S. FeS màu đen có thể được hình thành trước, nhưng vì hợp chất này không bền về mặt nhiệt động học cho nên nó chuyển thành dạng pyrite. Pyrite cũng có thể trầm hiện trực tiếp từ dung dịch. Pyrite là chất có hai lưu huỳnh, trong hợp chất này S có trạng thái oxy hoá cao hơn (S(-I)) so với S trong H2S hoặc S trong FeS (S(-II)), do vậy một tác nhân oxy hóa thì cần thiết để hình thành pyrite, nghĩa là trong suốt qúa trình khử phải có sự xen kẻ oxy hóa, thí dụ như đất bị khử mà có thủy triều lên xuống sẽ tạo ra cho đất có một thời gian ngắn bị oxy hóa. Oxygen thì cần thiết hơn cả để làm tác nhân oxy hóa. Tóm lại sự hình thành pyrite bao gồm các bước sau: (1) khử sulphate thành sulfide do vi khuẩn tạo nên (2) oxit hóa sulfide dể cho ra disulfide và phản ứng của disulfide với sắt. 16
Nếu Fe2O3 là nguồn cung cấp Fe thì phản ứng hình thành pyrite có thể viết như sau: Fe2O3 + 4SO42- + 8CH2O + 1/2O2  2FeS2 + 8HCO3- + 4H2O Trong đó CH2O tượng trưng cho chất hữu cơ. Như vậy để hình thành được pyrite cần thiết phải có: - sulphate - khoáng có chứa sắt - chất hữu cơ có thể đồng hóa được - vi khuẩn khử sulphate - trong môi trường yếm khí có sự háo khí có giới hạn (nhẹ). Trong môi trường nước ngọt nồng độ sulphate quá ít để hình thành một lượng pyrite đáng kể. Trong môi trường đầm lầy rừng sát có biến động của triều có nguồn sulphate dồi dào từ nước mặn và từ xác bã rừng sát và nơi đây có khả năng hình thành một lượng lớn pyrite. Điều này không có nghĩa là tất cả các rừng sát đều có hàm lượng pyrite cao. Sự hình thành pyrite thì tương đối nhanh trong diều kiện rừng sát có biến động của triều xuyên qua các tế khổng sinh học trong đất. Sự hình thành pyrite thì rất chậm ở các vùng nước bị tù đọng thí dụ như tầng dưới của đất nơi mà triều không còn ảnh hưởng tới hoặc ở những vùng có ít kênh, rạch. Có nhiều lí do để gỉai thích tại sao pyrite được hình thành nhiều ở những nơi có sự biến động của triều: (1) biến động của triều cung cấp một lượng đủ O2 (tạo ra sự oxy hoá nhẹ) cần cho sự hình thành pyrite, (2) triều lên xuống lấy di một lượng bicarbonate làm tăng pH và do đó mà tăng tốc độ hình thành pyrite. b. Tiến trình hình thành đất phèn hoạt động Sự oxyt hóa pyrite, sự hình thành và thủy hóa jarosite Pyrite trong đất trầm tích biển thường xuất hiện ở dạng chùm, tròn tích tụ thành các cụm (ổ) chỉ thấy được dưới kính hiển vi, mỗi cụm có các tinh thể pyrite. Các hạt này giống như dạng chùm nho dưới kính hiển vi, có thiết diện riêng cao. Khi không khí thâm nhập vào đất có pyrite, pyrite bị oxy hóa một cách nhanh chóng do tác động của vi khuẩn lưu huỳnh (Thiobacillus Spp), nó sử dụng pyrite như nguồn năng lượng. Sản phẩm cuối cùng của việc oxy hóa pyrite là Fe(OH)3 và H2SO4. Trong vài ngày đến vài tuần sau khi bắt đầu oxyt hóa, pH trong đất giảm đến trị số cực thấp thường từ 2.5 - 3.5. Không phải tất cả pyrite đều bị oxyt hóa khi không khí thâm nhập vào đất. Một phần do bị đóng kín trong rễ cây chết hoặc gỗ, cấu trúc của nó thì gần như không có không khí vào được. Đặc biệt là ở đất nằm trên các mỏ than đá, một phần pyrite có thể ở dưới dạng tinh thể hình khối, có thiết diện riêng thấp. Chất này có thể tồn tại dưới điều kiện oxyt hóa trong nhiều năm. Một chất trung gian quan trọng trong khi oxyt hóa pyrite là jarosite đó là một potassium-sắt (III) sulphate, KFe3(SO4)2(OH)6. Chất này có thể được hình thành ở pH dưới 4 và hoạt tính của K+ cao và K+ thì thường xuất hiện ở đất có nguồn gốc biển, qua công thức cho thấy jarosite chính nó thì không quan trọng cho đặc tính hóa học của đất và cho cây trồng, nhưng nó là một chỉ thị tốt cho đất phèn hoạt động hoặc các tầng phèn với màu vàng nhạt (vàng rơm). Khi pH lại gia tăng ở tầng có jarosite thí dụ như do rửa trôi H2SO4, jarosite trở nên không ổn định và bị thủy phân. Sản phẩm của sự 17