Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 10

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

159
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương X KHÔNG KHÍ VÀ NHIỆT TRONG ÐẤT 1. Không khí trong đất 1.1. Vai trò của không khí trong đất Các chất khí trong đất rất cần thiết cho sự sống của các sinh vật sống trong đất, cho các quá trình sinh học tiến hành thuận lợi Trong số các chất khí, đặc biệt là ôxy và cacbonic có tác động về nhiều mặt đến các tính chất đất, làm ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến năng suất cây trồng. a. Vai trò của ôxy (O2)  Ôxy tác động trực tiếp đến hô hấp của...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 10

Chương X KHÔNG KHÍ VÀ NHIỆT TRONG ÐẤT 1. Không khí trong đất 1.1. Vai trò của không khí trong đất Các chất khí trong đất rất cần thiết cho sự sống của các sinh vật sống trong đất, cho các quá trình sinh học tiến hành thuận lợi Trong số các chất khí, đặc biệt là ôxy và cacbonic có tác động về nhiều mặt đến các tính chất đất, làm ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến năng suất cây trồng. a. Vai trò của ôxy (O2)  Ôxy tác động trực tiếp đến hô hấp của cây trồng. Thiếu ôxy quá trình hô hấp yếu, cây thiếu năng lượng hoạt động dẫn đến năng suất giảm.  Ðất thoáng khí (nhiều ôxy) rễ cây phát triển thuận lợi, lấy nước và thức ăn mạnh, cây sinh trưởng và phát triển nhanh. Ðặc biệt giai đoạn nảy mầm, cây cần nhiều ôxy nhất.  Ôxy ảnh hưởng đến điện thế ôxy hoá khử.  Thiếu ôxy quá trình khử xảy ra mạnh sinh ra một số chất độc trong đất, giảm trữ lượng chất dinh dưỡng, ảnh hưởng xấu tới cây trồng.  Trong đất đầy đủ ôxy các quá trình háo khí xảy ra, tạo cho đất có nhiều đặc tính tốt. b. Vai trò của khí cacbonic (CO2)  Thành phần tham gia quá trình quang hợp  Tham gia vào các phản ứng hoá học trong đất, nhất là các phản ứng hoà tan, góp phần tăng cường thức ăn cho cây. Ví dụ, nếu dung dịch bão hoà CO2 thì sẽ hoà tan rất nhiều CaCO3,, MgCO3....  Nếu trong đất có quá nhiều khí CO2 thì ảnh hưởng xấu đến quá trình hô hấp của sinh vật, đặc biệt là đối với sự nảy mầm và sự phát triển của rễ cây non.
1.2. Thành phần và hàm lượng không khí trong đất Không khí trong đất chiếm tất cả các khe hở không chứa nước, do đó về số lượng nó phụ thuộc chặt chẽ vào tổng số độ hổng và độ ẩm đất. Nếu cấu tạo của đất ổn định thì có thể nói rằng trong đất nhiều nước thì không khí ít. Nói cách khác, về khối lượng, nước và không khí trong đất đối kháng nhau. Phần thể tích mà không khí chiếm trong đất ở độ ẩm hiện tại gọi là độ chứa khí của đất hay độ thông khí của đất, được tính theo phần trăm so với thể tích chung của đất. Vì độ hổng và độ ẩm đất luôn luôn thay đổi nên độ chứa khí của đất cũng là một đại lượng biến động trong từng loại đất khác nhau, theo mùa khác nhau và trạng thái canh tác đất. Ðộ hổng trong các loại đất khác nhau biến động từ 25 % đến 90 % nên độ chứa khí cũng biến động trong khoảng ấy nhưng thấp hơn 2 giới hạn trên một ít vì trong độ hổng còn chứa nước ít hoặc nhiều. Về nguồn gốc không khí đất gồm các chất khí trong không khí khí quyển và không khí được sinh ra trong quá trình sinh học, hoá học xảy ra trong đất. Về thành phần không khí đất có khác so với không khí trong khí quyển (bảng 10.1). Nhiều nghiên cứu cho thấy thành phần không khí khí quyển là ổn định, đây chính là sự khác biệt so với thành phần không khí đất. So với thành phần không khí khí quyển, thành phần không khí đất chứa ít ôxy hơn nhưng cacbonic nhiều hơn và chúng luôn luôn thay đổi, ngay cả nitơ có khối lượng lớn nhất. Lượng nitơ thay đổi do hoạt động biến đổi chất hữu cơ của vi sinh vật, do các quá trình nitơrát hoá hay phản nitơrát hoá xảy ra trong đất...
Bảng 10.1. Thành phần khí quyển và không khí đất (% thể tích) Các chất khí Trong khí Trong không quyển khí đất Nitơ (N2) 78,08 78,08- 80,42 Ôxy (O2) 20,95 20,90- 0,00 Argon (Ar) 0,93 - Cacbonic (CO2) 0,03 0,03- 20,00 Các khí khác(Ne, He, 0,04 - CH4, O3, Xe) Lượng chứa nhiều cacbonic, ít ôxy và sự biến động lớn của chúng là vì:  Do tiêu hao nhiều ôxy mà sinh ra nhiều cacbonic (như quá trình hô hấp, phân giải chất hữu cơ, các phản ứng hoá học, quá trình quang hợp...).  Do sự thay đổi tốc độ trao đổi không khí giữa đất và khí quyển, giữa các tầng đất, giữa các mùa trong năm và cả chế độ canh tác. Ở những tầng đất mặt thoáng khí, tỷ lệ ôxy trong không khí đất gần ngang với trong khí quyển. Còn ở những tầng quá trình trao đổi khó khăn như đất glây, đất ngập nước... thì lượng ôxy giảm xuống rất mạnh, thậm chí còn lại phần vạn. Lượng chứa CO2 thì ngược lại tăng lên. Theo Monthei và cộng sự (1964) cho rằng: dòng khí CO2 là 1,5 g/ngày vào mùa đông và 6,7 g/ngày vào mùa hè trên đất sét trống. Currie (1970) xác định giá trị của khí này là 1,2 g/ngày vào mùa đông và 16 g/ngày vào trong mùa hè trên đất trống; còn trên đất trồng cải xoăn giá trị ứng với các mùa này là 3,0 và 35 g/ngày. Năm 1967, Kemper đưa ra giá trị tiêu hao O2 trong khoảng 2,5 và 5,0 g/ m2/ ngày trên đất trống và giá trị này lớn gấp 2 lần trên đất có canh tác. Cũng theo Currie (1970) tỷ số tiêu hao O2 là giữa 60 và 75 % của tỷ số CO2 được tạo thành đạt tối đa là 24 g/m2 dưới cây cải xoăn vào mùa hè.
Ngoài các chất khí kể trên, trong đất còn có thể một số chất khí khác được sinh ra như: NH3, H2S, CH3... Trong đất các chất khí biến hoá liên tục và được cân bằng theo phương trình sau: Khối lượng theo thể tích chất khí đi vào qua diện tích x y* tại z trong thời gian t = khối lượng chất khí thoát ra qua diện tiện tích x y tại z+z trong thời gian t + Khối lượng chất khí tăng lên theo thể tích được giữ lại trong thời gian t + Khối lượng chất khí theo thể tích mất trong thời gian t bằng con đường phản ứng hoá học hay sinh học. 1.3. Tính thông khí của đất Tính thông khí của đất là khả năng di chuyển của không khí qua các tầng đất. Là nhân tố thường xuyên quyết định tốc độ trao đổi khí giữa đất và khí quyển, nghĩa là quyết định lượng O2 và CO2 trong đất, do đó ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của vi sinh vật, của các phản ứng xảy ra trong đất, ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp tới đời sống cây trồng. Sự di chuyển không khí trong đất chính là quá trình khuếch tán của khí tiến hành ở các khe hở liên tục, không bị tắc và không chứa nước. Khe hở càng lớn tính thông thoáng càng cao. Theo kết quả nghiên cứu ngoài đồng ruộng của Học viện nông nghiệp Timiriazev (CHLB Nga) thì điều kiện tiên quyết đối với tính thông khí là độ hổng phi mao quản lớn. Nếu nó đạt trên 10 % thì sự thông khí thực hiện hoàn toàn, khi đó độ ẩm dù có tăng đến độ ẩm bão hoà thì tính thông cũng không giảm đáng kể. Ðất sét không có kết cấu nên độ hổng phi mao quản thấp thì tính thông khí thấp và có thể giảm tới zero ngay cả khi độ ẩm chưa đạt mức bão hoà. Ðất có kết cấu tốt (độ hổng mao quản và phi mao cao), tính thông khí lớn cho dù khi độ ẩm rất cao. W. A. Jury và cộng sự (1986) đã cải biên định luật khuếch tán chất khí trong tự nhiên của Fick để xác định dòng khí trong đất như sau: C g C g Jg= a s   g Dg   Dg z z
Trong đó D sg  D ga là hệ số khuếch tan chất khí trong đất; g là hệ số uốn khúc < 1; g= a, khi  là hằng số, a là hằng số khí theo thể tích, D g là hệ số khuếch tán không khí trong tự nhiên. a g được Millingt và Quirk (1961) mô hình hoá thành: g= a10/ 3/ 2 Trong đó:  là độ hổng đất và a phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo đoàn lạp của đất, theo Penma (1940) lấy trong khoảng 0,195< a < 0,676 hoặc theo Flegg (1953) trong đất 0,35
mặt đất, trong đó lại chỉ có 67 % cung cấp cho đất, phần còn lại hao tổn theo các con đường khác nhau như: phản xạ, hấp phụ trong không trung (hình 10.1). Song song với nguồn nhiệt chính nói trên còn có nguồn nhiệt sinh ra từ các phản ứng hoá học, sinh học xảy ra trong đất và những nguồn nhiệt khác như nhiệt thấm ướt, nhiệt từ trong lòng đất, từ các nguyên tố phóng xạ... Tuy nhiên vai trò của các nguồn nhiệt này bé hơn nhiều so với bức xạ mặt trời. Chế độ nhiệt thông qua nhiệt độ rất quan trọng đối với quá trình hình thành và biến đổi của đất, nhiệt độ quan hệ chặt chẽ với quá trình lý học, hoá học và sinh học xảy ra trong đất. Nhiệt độ trong đất còn ảnh hưởng trực tiếp đến tất cả các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Ví dụ, sự phát triển của bộ rễ và nốt sần ở cây họ đậu, sự phát triển của thân, lá, hoa, kết trái và độ chín của quả...đều đòi hỏi ở nhiệt độ phù hợp. Trong đất sự hoạt động của các vi sinh vật trong các khoảng nhiệt độ là khác nhau. Nhìn chung nhiệt độ thích hợp cho các quá trình phát triển của nhiều loài sinh vật là 25 đến 300C.
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển Phản xạ (100%) (28%) (11%) mây (37%) Khuyếch tán Hấp phụ (16%) Tia trực Bức xạ k hí tiếp (19%) quyển (25%) Bức xạ toàn cầu (45%) Bốc hơi phát tán Phả n xạ 100% (16%) Bức xạ ra ngoài hữu ích Nhiệt (17%) cả m ứ ng Bức xạ hữu hiệu (67%) Dòng nhiệt vào đất (0%) Hình 10.1 Phân bố bức xạ ngoài và trên mặt đất trong mùa hè A. A. Geiger (1965) và Chang (1961) 2.2. Ðặc tính nhiệt trong đất Các tính chất cơ bản của nhiệt trong đất là: Khả năng hấp thụ nhiệt, nhiệt dung, tính dẫn nhiệt và khả năng phóng nhiệt a. Tính hấp thụ nhiệt Tính hấp thụ nhiệt là khả năng thu nhận nhiệt từ tia nắng mặt trời của đất, được đặc trưng bằng "suất phản xạ"(Albedo). "Suất phản xạ" A là tỷ số phần trăm của năng lượng phản xạ từ mặt đất hay cây Hf so với tổng số năng lượng ánh sáng chiếu xuống đất Hr A (%) = H 100 f Hr A là đặc trưng cho chế độ nhiệt trong đất và phụ thuộc vào các yếu tố (bảng 10.2) sau: Bảng 10.2 Quan hệ trạng thái mặt đất với suất phản xạ Ðặc trưng mặt A (%) Ðặc trưng mặt A (%)
đất đất Phủ tuyết trắng* 75-95 Ðất đen khô** 14 Ðụn cát sáng* 30-60 Ðất đen ướt** 8 Ðồng cỏ và hoa 12-30 Ngô (New 23,5 ++ màu* York) 5-20 5-18 ++ Rừng* Mía (Hawai) 3-10 5-8 ++ Mặt nước* Dứa (Hawai) 25-30 15-25 Ðất xám khô** Khoai tây (LB 10-12 Nga)++ Ðất xám ướt** 23 Ðất sét khô** 16 Ðất sét ướt** Nguồn: * Geiger (1965); ** Chudnovskii (1966); ++ Chang (1968) Suất phản xạ phụ thuộc vào một số yếu tố sau:  Màu sắc đất. Ðất màu tối thu nhiệt tốt làm giảm giá trị của A. Vì thế đất giàu mùn phản xạ nhiệt ít, nhận được nhiều nhiệt hơn đất nghèo mùn.  Thành phần cơ giới đất. Ðất nặng chứa nhiều sét, khả năng hấp phụ nước và các vật chất khác cao hơn đất nhẹ. Chứa nhiều nước dẫn đến suất phản xạ của đất nhỏ.  Ðộ ẩm đất. Ðất ẩm có suất phản xạ bé hơn đất khô do nước có nhiệt dung lớn hơn đất. Ngoài ra, quá trình bốc hơi nước tiêu hao khá nhiều nhiệt. Vì vậy, đất ẩm vào mùa đông ấm, ngược lại vào mùa hè mát.  Trạng thái mặt đất. Mặt đất bằng phẳng giá trị A càng lớn.  Thảm thực vật. Mức độ ngăn cản ánh nắng mặt trời phụ thuộc vào loại cây và mật độ của cây.  Hướng dốc cũng ảnh hưởng đáng kể đến suất phản xạ. Dốc theo hướng Nam sẽ có giá trị của A bé hơn.  Vĩ độ. Vĩ độ càng cao thì suất phản xạ càng lớn do hai nguyên nhân. Trước hết là trên đường đến mặt đất xa hơn bức xạ bị hao tổn do các yếu tố sẽ lớn hơn. Thứ hai, góc tới của bức xạ càng lớn suất phản xạ càng cao.
b. Nhiệt dung của đất Nhiệt dung riêng của đất là số calo cần thiết để đốt nóng 1 gam đất hay 1 cm3 đất lên 10C. Ðất cấu tạo bao gồm pha rắn, pha lỏng và pha khí. Trong đó chất khí có nhiệt dung riêng rất thấp (0,000306 calo/g đất). Vì thế nhiệt dung riêng của đất là do hạt rắn và nước trong đất quyết định. Nhiệt dung riêng của nước là 1 cal/g (4,18 jun/g), quân bình của đất khô kiệt là 0,2 cal/g (gần 0,8 jun/g). Các loại đất có nhiệt dung riêng khác nhau. Ví dụ, theo A.H. Xabanhin nhiệt dung riêng A các đất đen, xám và đỏ lần lượt là: 0,230; 0,217 và 0,248. Ðể tính chính xác nhiệt dung riêng của đất ta dùng công thức sau: N Cđất= Xa Ca+XwCw+  X si C si J 1 (1) Trong đó: X phần thể tích, C là nhiệt dung riêng theo thể tích và a, w, si chỉ không khí, nước, và loại hạt rắn i trong đất. Và được de Vries (1963) mô hình hoá như sau: Cđất=   0,461    X 0   0,60 X 0 (2) Trong đó: X0 là thể tích phần chất hữu cơ;  là độ hổng;  là lượng nước theo thể tích; - X0 là phần thể tích của tất cả các loại khoáng vật c. Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt qua các tầng đất hay các vùng trong đất. Sự di chuyển của nhiệt tương tự như nước trong đất, tỷ số dòng nhiệt có thể xác định bằng lực truyền (driving force) và bằng sự thoát với dòng nhiệt qua đất. Tỷ số này được biễu diễn theo định luật Fourier: dT JHc = - λ dz Trong đó: JHc là dòng dẫn nhiệt,  là hằng số sức dẫn nhiệt; T là nhiệt độ.  phụ thuộc vào nhiều yếu tố:  Ðộ ẩm đất. Ðộ ẩm càng cao sức dẫn nhiệt của đất càng lớn do nước truyền nhiệt cao hơn không khí.
 Ðộ chặt của đất. Ðất chặt, các hạt đất xếp sít vào nhau trong khi các hạt khoáng dẫn nhiệt tốt hơn nước do đó đất ẩm bị nén chặt dẫn nhiệt tốt hơn.  Thành phần và số lượng cấp hạt. Có thể xếp sức dẫn nhiệt theo thứ tự sau: cát > thịt > sét > than bùn. Có thể tham khảo sức dẫn nhiệt của một số loại đất có ẩm độ khác nhau do Geiger (1965) đưa ra trong bảng 10.3. Bảng 10.3 Sức dẫn nhiệt của các loại đất khác nhau  (10-3 cal cm-1 s-1  (10-3 cal cm-1 s-1 Ðất Ðất 0 -1 0 -1 C) C) Cát ướt 4,00 Ðất thịt - Cát khô 0,55 ướt - Sét ướt 3,50 Ðất thịt 0,85 Sét khô 0,17 khô 0,20 Than bùn ướt Than bùn khô 2.3. Cân bằng nhiệt ở mặt đất Cân bằng nhiêt ở mặt đất là cân bằng giữa lượng nhiệt đi vào mặt đất và lượng nhiệt đi ra khỏi mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định. Nếu ta xem nhiệt đi vào làm thay đổi nhiệt độ mặt đất thì có thể viết cân bằng năng lượng nhiệt trạng thái ổn định ở mặt đất như sau: Năng lượng thực đi vào mặt đất = năng lượng thực thoát khỏi mặt đất Thành phần của cân bằng năng lượng nhiệt. Tồn tại 3 quá trình vận chuyển nhiệt chủ yếu khỏi mặt đất. Một, dòng nhiệt đối lưu hay dòng nhiệt mẫn cảm S biểu hiện không khí ấm đi lên từ vùng bề mặt vào khí quyển bên trên. Quá trình này trước hết xảy ra do sự đối lưu hỗn loạn của không khí. Thứ hai, gọi là dòng nhiệt của đất JH biểu thị dòng nhiệt thẳng đứng đi vào đất. Thứ ba, đối lưu nhiệt do bốc hơi phát tán và hơi nước tiếp tục rời khỏi mặt đất vào khí quyển phía trên và được gọi là
dòng nhiệt "ngầm" Hv. ET, trong đó ET là bốc hơi phát tán của dòng hơi nước và Hv là nhiệt ngầm của quá trình bốc hơi (chuyển thể của nước). Vận chuyển hơi nước chủ yếu cũng theo con đường đối lưu. Vậy phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định có thể viết: Rn = S+ Hv.ET + JH (3) Rn là nhiệt bức xạ hữu hiệu Mỗi thành phần ở phía phải của phương trình là âm khi chúng đi ra khỏi mặt đất (hình 10.2). Giá trị các thành phần của phương trình trên thể hiện như sau: Thành phần bức Ðất trống khô Ðất ướt, cây phủ xạ kín S/RN 0,45 0,30 Hv. ET/ RN 0,70 0 JH/ RN 0,55 0
Bức xạ hữu hiệu Bốc hơi Nhiệt cảm ứng Mặt đất Nhiệt đất Ban ngày Bức xạ hữu hiệu Nhiệt cảm ứng Bốc hơi Mặt đất Ban đêm Nhiệt đất Hình 10.2 Sơ đồ biểu diễn thành phần của cân bằng năng lượng bề mặt (Tanner 1968) 2.4. Sự thay đổi nhiệt độ đất hàng năm Ngoài đồng ruộng, nhiệt độ thay đổi không ngừng. Trên cơ sở mô hình của phương trình dòng nhiệt ổn định, phương trình tính nhiệt độ hàng năm như sau: T(t) = TA + A sin t (4) Trong đó: TA nhiệt độ trung bình năm, A là biên độ dao động bề mặt, = 2 là tần số góc,  là chu kỳ của sóng. Giả thiết khi z (độ sâu) giảm đến vô cùng, ta có thể biến đổi thành lim T(z,t) = TA (5)
z  Carslaw và Jaeger, 1959 đã mô hình hoá (4) như sau: T(z,t) = TA + A  z / d sin t  z / d   < z
Che phủ đất cũng làm thay đổi khả năng phản xạ và phóng nhiệt của đất. Che phủ đất bằng nguyên liệu màu đen có thể tăng bức xạ lên 10-15% do đó làm đất ấm lên nhất là vào mùa đông. Ngày nay người ta dùng PE màu sáng cho phép tia hồng ngoại đi qua, tăng được nhiệt cho đất. b. Các biện pháp cải tạo đất Các biện pháp cải tạo đất có ảnh hưởng lâu dài và cơ bản đến chế độ nhiệt trong đất. Ta thường sử dụng những biện pháp như tưới tiêu nước, trồng rừng để thay đổi chế độ nhiệt. Tưới nước làm giảm suất phản xạ đáng kể, có thể tới 20 % thấp hơn khi không tưới. Tưới nước cũng làm tăng tính dẫn nhiệt do đó nhiệt độ trong đất đều nhau giữa các tầng và các vị trí. Ðất được tưới, nước bốc hơi, từ đó bức xạ nhiệt trong không khí trên sát mặt ruộng tăng làm tăng nhiệt độ, mạ non không bị chết rét. Trồng rừng đầu ngọn gió hay đầu bờ ruộng có tác dụng ngăn tốc độ gió dẫn đến thay đổi tiểu khí hậu cho vùng cây trồng đứng sau. Bón phân nhất là phân hữu cơ có tác dụng làm thay đổi nhiệt độ vì chất hữu cơ dẫn nhiệt kém giữ nhiệt lâu, ngoài ra vi sinh vật phân giải chất hữu cơ giải phóng nhiều năng lượng. c. Các biện pháp điều hoà khí hậu Ngoài biện pháp cơ bản là trồng rừng, ngày nay con người có thể thay đổi thời tiết nhân tạo. Ví dụ làm mưa kể cả mưa đá, làm gió hay phá tan một cơn mưa... Tất cả những kỹ thuật này đều ảnh hưởng tới nhiệt độ trong đất. Câu hỏi ôn tập 1. Nêu vai trò của không khí trong đất. 2. Giải thích vì sao có sự khác nhau về thành phần giữa không khí trong đất và trong khí quyển. 3. Nêu tính thông khí của của đất và mô hình toán tính dòng khí trong đất.
4. Nêu những biện pháp điều tiết không khí trong đất. 5. Cho biết những đặc tính nhiệt trong đất và những yếu tố chi phối. 6. Nêu phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định 7. Trình bày mô hình toán tính nhiệt độ năm của đất 8. Kể các biện pháp điều hoà nhiệt thường được áp dụng