Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 9

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

235
lượt xem 77
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương IX NƯỚC TRONG ÐẤT 1. Vai trò của nước trong đất Trước hết nước tham gia vào sự phong hoá các loại đá và khoáng vật ở giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành đất. Các tầng đất trong phẫu diện được tạo ra ngoài kết quả của các quá trình hoá học, lý học, sinh hoá học; quá trình vận chuyển vật chất do nước cũng giữ một vai trò quyết định. Nước còn là nhân tố điều hoà nhiệt và không khí trong đất. Các tính chất cơ lý đất như tính liên kết, độ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 9

Chương IX NƯỚC TRONG ÐẤT 1. Vai trò của nước trong đất Trước hết nước tham gia vào sự phong hoá các loại đá và khoáng vật ở giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành đất. Các tầng đất trong phẫu diện được tạo ra ngoài kết quả của các quá trình hoá học, lý học, sinh hoá học; quá trình vận chuyển vật chất do nước cũng giữ một vai trò quyết định. Nước còn là nhân tố điều hoà nhiệt và không khí trong đất. Các tính chất cơ lý đất như tính liên kết, độ chặt, tính dính, tính dẻo, tính trương và co... đều do nước chi phối. Nước cũng liên quan chặt chẽ tới sự hình thành chất mới sinh như kết von, đá ong, vệt muối.... Sự di chuyển của nước có thể gây ảnh hưởng xấu đến độ phì nhiêu đất, vì nó làm các chất dinh dưỡng bị rửa trôi, phá vỡ kết cấu và gây xói mòn ở vùng đất dốc. Nhờ có nước hoà tan các chất dinh dưỡng, cây trồng và các sinh vật khác mới hút được. Cây trồng nông nghiệp muốn tạo ra 1 gram chất khô cần phải hút từ 250 đến 1062 gram nước, tuỳ theo từng loài và từng miền khí hậu. Tóm lại, nước rất quan trọng đối với các quá trình hoá học, lý học, sinh hoá học xảy ra trong đất. 2. Tính chất của nước trong đất 2.1. Cấu tạo và khả năng liên kết của phân tử nước Ðặc tính nước có liên quan tới tính chất hoá lý của nước. Phân tử nước bao gồm 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy. Các nguyên tử này sắp xếp không cân xứng, khoảng cách từ proton hydro đến proton oxy là 0,97 Å, giữa 2 proton hydro là 1,54 Å, chúng tạo ra góc H-O-H = 1050. Từ đó phân tử nước có số proton tích điện âm bằng số proton tích điện dương, nó là trung tính. Tuy nhiên, do trung tâm tích điện dương được dịch chuyển về trung tâm tích điện âm, phân tử nước có momen lưỡng cực gây ra điện trường trong vùng phụ cận của phân tử. Kết quả phân tử nước tác động với nhau, với ion hoà tan, với điện trường của các khoáng vật, của chất hữu cơ trong đất. Ðiện trường momen phân cực của
phân tử nước bên cạnh làm tăng lực tác động hình thành mối liên kết hydro yếu bên trong phân tử giữa proton của nguyên tử hydro của 1 phân tử và nguyên tử oxy của phân tử khác. Tác động của lực hút yếu hình thành nên hạt hiệu ứng làm cho các phân tử liên kết lại với nhau. Do mối liên kết hydro yếu, các phân tử giao động nhiệt, tác động của môi trường xung quanh nên phân tử nước ở trạng thái rắn có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nhất và do đó ổn định. Khi nhiệt độ trên 00C, đá tan, liên kết hydro giảm (độ dài giữa các proton hydro lên đến khoảng 2,9Å), tỷ trọng nước tăng dần đến khi nhiệt độ đạt 40C. Ở trạng thái lỏng mỗi phân tử nước có 5 hay hơn phân tử khác bao quanh bởi liên kết hydro, cấu trúc phân tử ổn định. Chỉ có trạng thái hơi làm phân tử nước hoàn toàn mất liên kết hydro bên trong. Do mối liên kết cân bằng điện giữa các nguyên tử oxy và hydro của các phân tử độc lập bền vững, hạt nhân hydro có năng lực giới hạn tiếp nhận năng lượng nhiệt để phá vỡ lực hút với điện tích của nó và để ion hoá tạo thành hydroxôni H3O+ với phân tử nước có liên kết hydro. Ðơn hydroxyl (OH-) còn lại mất proton tích điện dương từ một trong số các nguyên tử hydro tạo nên phân tử nước trung hoà, nó sẽ tích điện âm. Phản ứng ngược chiều như sau: 2H2O  H3O+ + OH- Ion hoá lượng nhỏ các phân tử nước; hạt tích điện này có điện trường khác với phân cực của phân tử không phân ly. Kết quả, lượng phân ly không lớn có ảnh hưởng đến hoạt tính của hạt tích điện (khoáng tích điện) khi tiếp xúc với dung dịch và với rất nhiều phản ứng hoá học xảy ra trong đất. Hằng số điện ly (Kw) đối với phản ứng ion hoá được viết theo phương trình: Kw = [H]+[OH]- = 10-14 Nguyên nhân phân ly là rõ ràng, tồn tại một sự khác biệt nhỏ giữa hoạt tính với nồng độ của các ion hydro và oxy. Xác định mức độ ion hoá của nước được gọi là pH và bằng âm logarit thập phân nồng độ mol ion hydro [H]+: pH = - log10 [H]+
2.2. Tính chất của nước ở thể lỏng  Tính chất nhiệt học và cơ học Nước là chất lỏng đặc biệt. Nước có điểm sôi và điểm tan cao, tỷ trọng bé, pha lỏng nặng hơn pha rắn. Nước yêu cầu nhiệt lượng lớn được gọi là nhiệt nóng chảy. Lượng nhiệt làm nước bốc hơi còn lớn hơn gọi là nhiệt bốc hơi. Nước có hằng số cách điện cao, tạo ra tính cách đảo điện cao và nhiệt dung riêng lớn. Ta có thể tóm tắt một số tính chất cơ lý trong bảng 9.1. Bảng 9.1 Một số tính chất vật lý của nước tinh khiết Tính chất Giá trị Ðơn vị tính Nhiệt độ (0C) g/cm3 Tỷ trọng: lỏng 0,998 20 g/cm3 rắn 0,910 0 1,73. 10-5 g/cm3 hơi 20 3,34. 10-8 Nhiệt nóng chảy erg/g 0 2,54.10-9 Nhiệt bốc hơi erg/g 20 erg/g/0C Nhiệt dung riêng 0,999 20 Hằng số điện ly 80 - 20 6,03. 103 erg/cm/s/g/0 Sức dẫn nhiệt 20 C -2 Ðộ nhớt 1,0. 10 erg/cm/s 20 erg/cm2 Áp suất bề mặt 72,7 20 William A. Jury và cs (1991) Sức căng bề mặt và đường cong mặt trong Khi nước tiếp xúc với hạt đất hay với không khí sẽ tạo ra mặt trong giữa hai vật chất. Các phân tử ở gần mặt trong sẽ chịu lực tác động khác so với những phân tử trong phạm vi cùng chất lỏng. Ví dụ, ở mặt trong của không khí và nước, phân tử trong khối lỏng từ mặt trong ra sẽ liên kết hydro với phân tử bên cạnh và thể hiện yếu lực kéo trực tiếp ra khỏi nước. Vì thế phân tử ở mặt trong không khí-nước xuất hiện sức hút đi vào dung môi làm cho mật độ các phân tử nước ở phía không khí bé hơn
phía chất lỏng. Lực hút không cân bằng đã phá vỡ liên kết hydro của các phân tử trên mặt cong trong và tạo ra tính chất "màng" đối với bề mặt, thể tích tăng làm căng giống như "da". Kết quả các phân tử nước đòi hỏi năng lượng để tồn tại trên mặt cong trong. Năng lượng lớn theo đơn vị diện tích bề mặt để giữ lại các phân tử trên mặt cong được gọi là sức căng bề mặt. Cũng có thể định nghĩa là năng lượng tính theo đơn vị diện tích cần có để tăng diện tích bề mặt của mặt trong hoặc là lực tính theo đơn vị độ dài để giữ bề mặt với nhau. Ðường cong của mặt trong nước-không khí ở thế cân bằng có quan hệ với sự chênh lệch lực cắt ngang mặt trong. Nếu nước tinh khiết và mặt trong là mặt phẳng ngang thì áp lực ở trên và dưới mặt là như nhau. Khi mặt trong là đường cong, áp lực sẽ lớn hơn ở phía mặt lõm của mặt trong do tổng hợp mà lực đó phụ thuộc vào đường kính đường cong và áp lực bề mặt của dung môi. Ðối với mặt trong của hình cầu có đường kính R, chênh lệch lực p giữa mặt không khí và mặt chất lỏng của mặt trong là: 2 p = R (1) Trong đó: : áp lực bề mặt Trong đó p = Pa - Pl khi đường cong của mặt trong đối với dung môi (có nghĩa là không khí sủi bọt trong nước và p = Pl - Pa khi đường cong mặt trong lồi về phía chất khí có nghĩa giọt nước ở trong không khí. Hình 9.1 mô tả quan hệ giữa đường cong và chênh lệch áp suất đối với các mặt trong khác nhau.
khÝ chất lỏng Pkhí > Plỏng chất lỏng Pkhí = Plỏng khÝ R khÝ chất lỏng Pkhí < Plỏng Hình 9.1 Quan hệ giữa đường cong mặt trong và độ chênh lệch áp suất trên mặt pha rắn và pha khí  Góc tiếp xúc Khi chất lỏng có ở trong hệ 3 pha gồm cả thể khí và thể rắn, góc đo từ bề mặt trong rắn- lỏng đến bề mặt trong lỏng- khí gọi là góc tiếp xúc . Khi chất lỏng hấp dẫn (được hút) đối với chất rắn mạnh hơn đối với hấp dẫn dính giữa các phân tử chất lỏng thì góc sẽ bé và chất lỏng gọi là "làm ướt" chất rắn. Ngược lại lực dính của chất lỏng lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn hút đối với chất rắn thì góc sẽ lớn và chất lỏng gọi là ghét chất rắn (hình 9.2). chấ t khí chất khí chấ t   lỏng ` chất lỏng chất rắn chất rắn Hình 9.2 Hình biểu diễn góc tiếp xúc
a) Góc tiếp xúc bé ở đất làm ướt; b) Góc tiếp xúc lớn ở đất "ghét" nước  Leo cao trong mao dẫn Khi chất lỏng tiếp xúc với ống mao dẫn hở, chất lỏng sẽ leo lên trong ống mao dẫn. Trên bề mặt cột nước xuất hiện mặt cong trong nước- không khí (hình 9.3). Giả thiết mao dẫn là ống thuỷ tinh, có bán kính R. Ta có, chênh lệch áp suất là: p = Pl - Pa = 2 . Với thể tích AH, khi A = R2 là diện tích mặt R cắt ngang và H là chiều cao dâng lên của nước trong mao dẫn. Lúc đó: Fup = pA = R2p = 2 R; lực đẩy lên thẳng là: lực đi xuống là trọng lực của cột nước (Mg), khi M = w V là khối lượng nước F down = w V = R2w Hg. Tại trạng thái cân bằng, 2 lực bằng nhau, từ đó ta có thể tính: H = 2δ ρwgR (2) Phương trình (2) cho ta chiều cao cột nước có thể dâng lên trong mao dẫn với bán kính R và góc tiếp xúc zero. Khi góc tiếp xúc không phải zero, chiều cao của cột nước tới hạn sẽ bé hơn giá trị này. Trên hình 9.3, bán kính của đường cong mặt trong r = R/ cos . Khi đó chênh lệch áp lực là: 2δ cos γ p = 2δ = = R R 2δ cos γ và cân bằng lực lúc này diễn ra: H = ρwgR (3) Trong trường hợp thứ 2 chiều cao cột nước bé hơn.
R  r K h«ng khÝ Gãc tiÕp xóc  èng thuû tinh s¹ch níc Hình 9.3. Cột nước trong ống mao dẫn Ðến đây ta có thể kết luận rằng, đường kính mao dẫn càng bé thì cột nước leo trong đó càng cao. Cũng cần chú ý rằng trong đất các khe hở có kích thước và hình dạng rất khác nhau. Chỉ những khe hở liên tục và kích thước trong giới hạn (0,1- 0,001 mm) trong đất có cấu tạo hạt kết thì được xem là những mao dẫn. Những khe hở bé hơn giới hạn trên không cho phép nước dâng cao vì lực hấp phụ của các hạt đất đối với các phân tử nước lớn hơn nhiều, tuy chúng vẫn liên tục.  Ðộ nhớt Do các phân tử nước đứng cạnh nhau hút lẫn nhau, chúng chống lại xu thế làm tăng số lượng của nước trong phạm vi chất lỏng khi có lực tác động lên nó. Lực cản này được gọi là lực kéo hay lực cắt. Trên hình 9.4 trình bày thí nghiệm xác định độ nhớt của nước.
Mặt chuyển động Lực F V = Vmax Mặt đứng yên Chất lỏng Hình 9.4 Tấm nhỏ trên mặt nước được đẩy sang phải bằng lực F đạt vận tốc tối đa Vmax.Tốc độ tăng lên tuyến tính theo hướng y Nước tiếp xúc với tấm khối lượng bé sẽ chuyển động với Vmax, và nước tiếp xúc đáy không chuyển động, tạo ra sự thay đổi tuyến tính của tốc độ nước theo chiều thẳng đứng.Tỷ số giữa lực đo bằng đơn vị diện tích của tấm (lực tiếp tuyến theo đơn vị diện tích, hoặc lực cắt ) và gradient tốc độ thẳng đứng cho chuyển động (phương trình Vmax / L) được gọi hệ số độ nhớt  (những đơn vị khối lượng trên độ dài trên thời gian): F/A = FL = (4) V max A AV max x Biểu thức tổng quát của mối quan hệ giữa lực hãm và tốc độ được gọi là định luật độ nhớt của Newton  y  = F/ A = - dV/ (5) khi y là mặt thẳng đứng với dòng chất lỏng.  Áp suất thẩm thấu Từ chỗ các phân tử nước có momen lưỡng cực, các ion trong dung dịch bị cuốn hút bởi điện trường xung quanh các phân tử nước độc lập và hướng tập trung gần chúng. Tác động của sự chụm có trạng thái năng lượng thấp hơn của nước. Nếu màng thấm đối với nước nhưng không thấm đối với chất tan trong nước được sử dụng để tách nước sạch khỏi dung dịch chứa ion, nước từ phía sạch của màng sẽ đi sang phía dung dịch. Khối lượng di chuyển này sẽ tiếp tục không giới hạn trừ phi có lực đối kháng. Nếu dung dịch được ngăn bên trong một hộp dẻo như màng
cao su, lúc đó nước đi vào hộp sẽ làm tăng thể tích và gây ra sự tăng lên của áp suất thuỷ tĩnh, kết quả là ngừng dòng nước. Cuối cùng áp suất thuỷ tĩnh của dung dịch cân bằng lực hút ion của nước tại điểm cân bằng, áp suất đó được gọi là áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) . Ðối với dung dịch loãng, áp suất này được tính gần đúng theo công thức:  = CsRT (6) Trong đó  là áp suất thẩm thấu theo erg trên cm2; Cs là nồng độ mol trên cm2; T nhiệt độ Kelvin và R là hằng số khí (8,32. 107 erg/ mol deg). Phương trình dùng cho tổ hợp hình thành bởi các phần tử đơn ion. Ví dụ, dung dịch HCl có nồng độ 0,001M ở T= 3000K. Dùng công thức (6) ta có:  = (10-5 mol/ cm3) (300) (8,32 x 107) (erg/ mol) = 2,5 x 104 erg/ cm3  0,25 atm. 3. Các dạng nước trong đất Do đặc điểm cấu tạo, nước có thể liên kết với các hạt đất hay độc lập trong các khe hở. Khi xâm nhập vào đất nó chịu tác động của nhiều lực khác nhau như lực hấp phụ, lực thẩm thấu, lực mao dẫn và trọng lực. Bởi vậy nước được giữ lại bằng các lực khác nhau, tạo nên nhiều dạng nước trong đất. 3.1. Nước liên kết hoá học Nước liên kết hoá học gồm nước cấu tạo và nước kết tinh. Nước cấu tạo là dạng nước tham gia vào thành phần cấu tạo của khoáng vật dưới dạng nhóm OH-. Nước này chỉ mất đi khi nung nóng khoáng vật ở nhiệt độ cao từ 5000C trở lên, khi đó khoáng vật bị phá huỷ hoàn toàn. Nước kết tinh là dạng nước tham gia vào sự hình thành tinh thể khoáng vật dưới dạng phân tử nước liên kết với khoáng vật (ví dụ thạch cao - CaSO4; limonit - Fe2O3.3H2O). Có tài liệu cho rằng, nước kết tinh bị mất khi nung khoáng vật từ 1050C đến 2000C. Dưới tác dụng của nhiệt độ, các phân tử nước nước kết tinh không mất đi ngay cùng một
lúc mà mất dần theo từng bước nhảy, mỗi phân tử nước mất ở nhiệt độ thích hợp. Ví dụ, khi nung thạch cao thì phân tử nước thứ nhất bị mất ở 1070C, còn phân tử thứ 2 mất ở nhiệt độ 1700C. Khi nước kết tinh bị mất khoáng vật không bị phá huỷ nhưng một số tính chất vật lý thay đổi. Nước liên kết hoá học không di chuyển. Thực vật không thể sử dụng được dạng nước này. 3.2. Nước ở thể rắn Khi nhiệt độ dưới 00C nước trong các khe hở chuyển sang thể rắn, không di chuyển được và cây trồng cũng không sử dụng được. 3.3. Nước ở thể khí (hơi nước) Bình thường nước luôn tồn tại ở thể hơi trong không khí khí quyển và trong không khí trong đất. Giữa thể rắn, lỏng và khí tồn tại trạng thái cân bằng tức thời. Trạng thái này phụ thuộc và ẩm độ của đất, nồng độ dung dịch đất, nhiệt độ và hàm lượng sét. Trong đất hơi nước nằm trong không khí, một phần bị các hạt đất giữ lại trên bề mặt bằng lực hấp phụ. Hơi nước trong đất rất linh động và có thể di chuyển được do 2 nguyên nhân:  Do chênh lệch áp suất nên hơi nước di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp hơn, do đó cũng di chuyển từ nơi ẩm sang nơi khô hơn. Khi nhiệt độ của đất hạ xuống, hơi nước di chuyển đến nơi nhiệt độ thấp hơn. Chính nhờ khả năng di chuyển nên có sự trao đổi tỷ lệ hơi nước giữa không khí trong đất và không khí khí quyển sát mặt đất.  Hơi nước di chuyển thụ động do gió thổi. Thực vật chỉ sử dụng được khi hơi nước đã chuyển sang thể lỏng. Thực ra hàm lượng nước ở thể hơi trong đất không nhiều, nhất là ở đất bão hoà nước, vì lúc đó phần lớn khe hở đã bị nước chiếm. 3.4. Nước hấp phụ Là dạng nước được các hạt đất hút và giữ lại trên bề mặt của chúng nhờ lực hấp phụ. Lực hấp phụ bao gồm:  Phân tử nước và nguyên tử oxy trên bề mặt hạt đất (đặc biệt là hạt keo) hình thành liên kết Hydro. Lực hấp phụ này khá lớn, có thể đạt
hàng ngàn atmotphe, nhưng phạm vi tác động của chúng chỉ ở cự ly ngắn.  Do bề mặt hạt keo mang điện âm nên vành ngoài của chúng hút các ion trái dấu và ở đó phát sinh ra điện trường tĩnh. Phân tử nước lưỡng cực nên được hút trong điện trường đó, và giữa các phân tử nước cũng hút lẫn nhau qua liên kết hydro. Lực hấp phụ này có khoảng cách tác động hữu hiệu lớn hơn nên lực hút bé hơn, thậm chí chỉ đạt vài atmotphe ở vành ngoài cùng. Nước hấp phụ ở sát bề mặt hạt đất có đặc điểm là: tỷ trọng lớn hơn nước bình thường (có thể đạt 1,4- 1,5), nhiệt dung bé (0,5- 0,8 Calo/cm3), không có khả năng hoà tan vật chất (như: đường, axit, bazơ...), tính dẫn điện rất kém gần như bằng 0, điểm đóng băng rất thấp (- 780C) và không di chuyển. Dạng nước hấp phụ này mất hẳn tính vận động nhiệt, vì vậy trong quá trình hấp phụ giải phóng nhiệt lượng được gọi là "nhiệt ẩm ướt". Nước hấp phụ ở các lớp ngoài chịu lực hút nhỏ hơn, có tính chất gần giống với nước bình thường nhưng độ nhớt của nó vẫn lớn hơn, điểm đóng băng vẫn thấp hơn, di chuyển rất chậm, các ion ở lớp khuếch tán của keo đất có thể được phân bố trong đó. Lực hấp phụ nước trong đất được quyết định bởi tỷ diện hoà tan của đất, loại keo, lượng keo và ion hấp phụ cùng với lượng chất hoà tan (vì ảnh hưởng tới trạng thái tụ keo hay tán keo). Thành phần cơ giới càng nặng, keo hữu cơ và keo sét loại hình 2:1 càng nhiều, keo càng phân tán thì lực hấp phụ càng lớn, lượng nước được giữ lại càng nhiều. Hình 9.5 mô tả các dạng nước, giới hạn nước được giữ lại trong các khe hở bằng các lực (pF) khác nhau.
Đất cát Nước cây không Nước hấp phụ Đất thịt lấy được Hy max Điểm cây héo Nước cây Nước mao quản treo Nước bão hoà khó l ấy Nước hiệu lực Sức chứa ẩm đồng ruộng Nước thấm qua Nước trọng lực Nước thấm nhanh g H2O/100g đất Hình 9.5 Ðường cong hấp phụ của nước trong đất cát và đất thịt (H. Uggla) (m là đường kính của các mao dẫn) Nước hấp phụ chia làm 2 loại: nước hấp phụ chặt và nước hấp phụ hờ.  Nước hấp phụ chặt: Là nước được giữ chặt bởi lực hấp phụ xuất hiện ở bề mặt hạt đất. Các phân tử nước bám quanh hạt đất tạo thành các lớp mỏng, có chiều dày bằng 2- 3 đường kính phân tử nước và chỉ di chuyển khi biến sang dạng hơi. Khi lớp đơn phân tử nước còn đứt đoạn, chưa vây kín hạt đất thì gọi là "nước hấp phụ bé" và có ký hiệu là Hy. Trường hợp này xảy ra khi đất khô ở trạng thái bình thường. Nếu xác định độ ẩm lúc này ta được độ ẩm đất khô không khí. Khi để đất khô trong không khí bão hoà
hơi nước (không khí chứa  94,2 % hơi nước), các phân tử nước bị hấp phụ sẽ vây kín xung quanh hạt đất tạo thành một lớp đơn tử nước, được gọi là "nước hấp phụ tối đa", có ký hiệu là Hymax. Ðối với một loại đất, Hymax là một hằng số. Người ta thấy rằng cây chỉ có thể hút được nước khi lượng nước trong đất gấp 1,5 lần giá trị của Hymax trở lên. Từ đó người ta có thể tính độ ẩm cây héo bằng công thức sau: Wc.h (%) = 1,5 Hymax Nước hấp phụ bị mất khi ta sấy đất ở nhiệt độ 105- 1100C.  Nước hấp phụ hờ (nước màng) Nước màng là nước được đất giữ lại bên ngoài lớp nước hấp phụ chặt bằng lực phân tử định hướng và do sức hút của các ion trên bề mặt hạt đất (lực thuỷ hoá). Lớp nước này có bề dày gấp hàng chục lần đường kính phân tử nước bao gồm nhiều lớp đơn phân tử nước. Lực giữ nước trong trường hợp này yếu hơn nhiều so với lực giữ nước hấp phụ chặt. Dạng nước này có thể di chuyển được từ hạt đất có màng dày sang hạt đất có màng mỏng hơn đứng cạnh bên cho đến khi độ dày của hai màng cân bằng nhau. Tuy nhiên sự di chuyển này là rất chậm chạp, khoảng 2,4 mm/giờ. Thực tế cây trồng không sử dụng được dạng nước này. 3.5. Nước tự do Là dạng nước không liên kết với đất, không bị giữ chặt bằng lực liên kết hoá học hay lực hấp phụ. Nước này di chuyển được do tác dụng của lực mao quản hay trọng lực, từ đó được chia ra 2 dạng: nước mao quản và nước trọng lực.  Nước mao quản: Nước mao quản di chuyển trong các ống mao quản có đường kính bé, theo các hướng khác nhau, và cây trồng dễ dàng hút được nước này. Tính chất vật lý và hoá học của dạng nước mao quản hoàn toàn giống nước tự do, nó bị giữ lại bởi lực bé, chỉ khoảng mười lăm atmotphe đến một vài phần trăm atmotphe. Nước mao quản di chuyển dễ dàng nhất trong các mao quản đường kính khoảng 0,002- 0,850 mm ( = 0,2- 8,5 m) Nếu ống mao quản bé hơn 0,002 mm thì chứa đầy nước hấp phụ, làm cho sự di chuyển của nước trong mao quản gặp khó khăn. Nước mao quản có thể nối liền với nước ngầm và thường xuyên được nước
ngầm cung cấp gọi là "nước mao quản leo". Khi mạch nước ngầm ở quá sâu hoặc hạn hán lâu ngày nước ngầm không tồn tại, nước trong mao quản không được nước ngầm cung cấp ta gọi là "nước mao quản treo". Nước mao quản là nguồn nước chủ yếu cung cấp cho cây trồng, vì thế cần bảo vệ và nâng cao hàm lượng nước này trong đất bằng các biện pháp phù hợp như bón phân hữu cơ tạo kết cấu, tăng cường xới xáo, che phủ chống bốc hơi nước...  Nước trọng lực Là nước ngấm sâu khi mưa, khi tưới hay từ nguồn nước khác, dưới tác động của trọng lực và di chuyển nhanh trong các khe hở lớn và đọng lại trên một tầng đất không thấm nước đó là nước ngầm. Nước ngầm được chia ra thành 2 loại: nước ngầm tạm thời và nước ngầm vĩnh cửu. - Nước ngầm tạm thời là nước được đọng lại ở độ sâu nhất định (không lớn lắm), tầng đất này được gọi là tầng chứa nước. Ngoài địa hình, nó còn phụ thuộc khá chặt chẽ vào thời tiết. Nếu mưa nhiều thì mạch nước ngầm dâng lên cao, ngược lại hạn hán lâu ngày thì mạch nước ngầm hạ xuống sâu thậm chí không tồn tại. - Nước ngầm vĩnh cửu là nước nằm giữa 2 tầng đất không thấm nước. Dạng nước này không phụ thuộc vào thời tiết mà phụ thuộc vào địa hình, địa mạo và đá mẹ... Muốn khai thác nước ngầm vĩnh cửu ta phải khoan sâu hàng chục hoặc hàng trăm mét. Nhìn chung cây trồng ít sử dụng được nước trọng lực vì nó di chuyển đi xuống quá nhanh. Tuy nhiên nếu nước ngầm tạm thời nằm không quá sâu thì nó trở thành nguồn cung cấp nước dưới dạng nước mao quản leo. Khi nước ngầm tạm thời nằm nông, chiếm đầy các khe hở trong đất lâu ngày thì gây ra hiện tượng yếm khí, có hại cho cây trồng và các sinh vật hữu ích khác. 4. Khái niệm năng lượng của nước trong đất Sự tồn tại và di chuyển trong đất, hút và vận chuyển trong cây, sự mất vào không khí của nước đều là những hiện tượng có liên quan tới năng lượng. Các loại năng lượng khác nhau đều liên quan với nhau, bao hàm cả động năng và thế năng. Ðộng năng là nhân tố rất quan trọng tạo ra dòng chảy mãnh liệt của dòng sông, nhưng di chuyển của nước trong đất rất chậm chạp nên thành tố động năng thường dễ bị bỏ qua còn thế
năng trở nên có ý nghĩa. Thế năng hết sức quan trọng trong việc xác định trạng thái và sự di chuyển của nước trong đất. Ðể đơn giản hoá, trong mục này ta dùng thuật ngữ năng lượng dành cho thế năng. Khi xem xét năng lượng, ta cần phải hiểu rằng tất cả các vật chất bao gồm cả nước di chuyển hay biến đổi là thay đổi trạng thái năng lượng từ cao sang thấp. Vì thế, nếu biết các mức năng lượng chính xác ở các điểm khác nhau trong đất, ta có thể đoán trước được hướng di chuyển của nước. Ðó là sự chênh lệch mức năng lượng từ vị trí tiếp xúc đến các vị trí khác gây tác động tới sự di chuyển của nước. 4.1. Các lực tác động thế năng Trong thảo luận nêu ở phần trên, cấu trúc và đặc tính của nước đã đưa ra 3 yếu tố rất quan trọng tác động đến mức năng lượng của nước trong đất. Thứ nhất, sự xâm nhập hay sự lôi kéo nước vào thể rắn của đất (matrix) gây ra do lực matric (liên quan đến sự hấp phụ và mao dẫn) làm giảm trạng thái năng lượng của nước ở bề mặt hạt đất một cách rõ ràng. Thứ 2, sự lôi kéo nước đối với các ion và các chất tan khác, kết quả tạo ra lực thẩm thấu, dẫn đến làm giảm trạng thái năng lượng của nước trong dung dịch đất. Di chuyển của nước sạch qua màng bán thẩm thấu vào dung dịch biểu hiện trạng thái năng lượng thấp của dung dịch. Thứ 3, chủ yếu là trọng lực tác động lên nước, luôn luôn kéo nước đi thẳng xuống. Mức năng lượng của nước trong đất tại một độ cao nào đó trong phẫu diện là cao hơn của nước ở độ cao thấp hơn. Sự chênh lệch mức năng lượng tạo ra dòng đi xuống. 4.2. Thế năng của nước trong đất Sự chênh lệch mức năng lượng của nước từ một điểm hay một điều kiện so với điểm khác hay điều kiện khác (nghĩa là trong đất khô hay đất ướt) quyết định hướng, tỷ số nước di chuyển trong đất và trong cây. Trong đất ướt phần lớn nước được giữ lại trong khe hở lớn hoặc trong màng nước dày quanh hạt đất. Do đó các phân tử nước không bám chặt và không phủ kín hạt rắn (matrix). Ở điều kiện này các phân tử nước di chuyển tự do, vậy mức năng lượng của chúng gần tương đương mức năng lượng của các phân tử trong nguồn nước sạch (tinh khiết) bên ngoài đất. Trong đất khô, nước tồn tại trong các khe hở bé và trong các màng nước mỏng, và vì thế được các hạt đất giữ chặt. Như vậy trong đất
khô các phân tử nước di chuyển khó khăn, mức năng lượng của chúng thấp hơn nhiều so với nước trong đất ướt. Nếu mẫu đất khô tiếp xúc với mẫu đất ướt, nước sẽ di chuyển từ mẫu ướt (trạng thái năng lượng cao hơn) sang mẫu khô (trạng thái năng lượng thấp hơn). Xác định mức năng lượng tuyệt đối của nước ở trong đất là rất khó, đôi khi không thể. Rất may, ta không nhất thiết phải biết mức năng lượng tuyệt đối của nước để có thể dự đoán trước di chuyển như thế nào trong đất và trong môi trường. Tuy nhiên, giá trị tương đối năng lượng của nước trong đất là cần thiết. Thường thường trạng thái năng lượng của nước trong đất tại vị trí quan tâm trong phẫu diện được so sánh với nước ở trạng thái sạch có áp suất và nhiệt độ chuẩn không chịu ảnh hưởng của đất và được đặt ở độ cao tham chiếu. Sự chênh lệch mức năng lượng giữa nước sạch ở trạng thía tham chiếu và nước trong đất được gọi là thế nước trong đất (xem thêm hình 9.5), thuật ngữ thế giống như thuật ngữ áp suất ám chỉ sự chênh lệch trạng thái năng lượng. Nếu tất cả giá trị của thế nước được xem xét có điểm tham chiếu chung (trạng thái năng lượng của nước sạch) sự chênh lệch thế của nước ở 2 mẫu đất trong thực tế sẽ phán ánh sự chênh lệch mức năng lượng tuyệt đối của chúng. Ðiều này có nghĩa là nước sẽ di chuyển từ vùng đất có thế nước cao sang vùng có thế nước thấp hơn. Thế nước trong đất liên quan tới một số lực, mà mỗi một trong số đó là thành tố của thế tổng thể t của nước trong đất. Các thành tố này liên quan tới chênh lệch mức năng lượng do lực trọng trường, lực matric, thuỷ lực hỗn hợp, lực thẩm thấu và chúng được gọi là thế trọng lực (g), thế matric (m), thế ngập nước và thế thẩm thấu (o). Quan hệ tổng quát của thế nước trong đất với các mức năng lượng được biểu diễn trên hình 9.6 và theo phương trình: t = g + m + o +....... * (7) * các dấu chấm (...) hàm ý là các thế thành phần khác chưa đưa vào đây Thế năng của nước trong đất ở ng lượng cao hơn ham chiếu chuẩn mức cao hơn trạng thái tham chiếu chuẩn + Dương Thế
Hính 9.6 Quan hệ giữa thế năng của nước sạch ở trạng thái tham chiếu tiêu chuẩn (áp suất, nhiệt độ và độ cao và nước trong đất) (N.C. Brady, R.R. Well) Trên hình, nếu nước trong đất chứa muối và các chất tan khác, sức hút tương hỗ giữa các phân tử nước và các hoá chất đó sẽ làm giảm thế năng của nước, mức giảm đó được gọi là thế thẩm thấu. Tương tự, tương tác giữa các hạt rắn (matrix) và các phân tử nước cũng làm giảm thế năng của nước. Từ đó cả hai tương tác làm giảm mức thế năng của nước so với của nước sạch, sự thay đổi mức năng lượng (thế thẩm thấu, thế matric) của cả 2 là âm. Ngược lại, sự chênh lệch năng lượng có liên quan tới trọng lực (thế trọng lực) là luôn luôn dương. Ðiều này được tạo ra do độ cao tham chiếu của nước sạch được thiết kế tại điểm có chủ
định trong phẫu diện bên dưới nước trong đất. Rễ cây gắng sức làm di chuyển nước từ đất ẩm thì phải vượt qua cả 3 lực hợp lại. Thế trọng lực Lực của trọng trường tác động lên nước cũng giống như lên các vật khác, lực này hướng vào tâm trái đất. Thế trọng lực g của nước có thể biểu diễn theo toán học là: g = gh (8) Nơi g là gia tốc, h là chiều cao của nước trong đất bên trên độ cao tham chiếu. Ðộ cao nước tham chiếu thường được chọn trong phạm vi phẫu diện hoặc tại ranh giới dưới để đảm bảo rằng thế trọng lực trên điểm tham chiếu sẽ luôn luôn dương. Sau mưa hoặc tưới, trọng lực giữ vai trò rất quan trọng đối với sự di chuyển của nước từ tầng trên và đối với sự động nước ngầm phía dưới phẫu diện. Thế áp suất (bao gồm thế ngập nước và thế matric) Thành tố này được xem là kết quả của tác động lên thế nước của tất cả các nhân tố ngoài trọng lực và các mức hoà tan. Nó bao hàm chung nhất (1) áp suất thuỷ lực dương (positive) liên quan trọng lượng nước trong đất bão hoà và dung môi, và (2) áp suất âm liên quan tới lực hút giữa nước và thể rắn hay matrix. Áp suất thuỷ lực tăng lên đến giới hạn thường được gọi là thế ngập nước sr, thành tố mà chỉ được thể hiện đối với nước trong vùng bão hoà nằm dưới mặt nước ngầm. Ðã có người nhảy xuống đáy bể bơi để nhận thấy áp suất thuỷ lực đè lên màng nhĩ. Sự hút kéo nước đến bề mặt pha rắn làm tăng thế matric mr mà luôn đạt giá trị âm do nước bị các hạt đất hút có trạng thái năng lượng thấp hơn so với của nước sạch. (Những áp lực âm này đôi khi được xem là sức hút hoặc sức căng). Thế matric tồn tại trong đất không bão hoà bên trên mạch nước ngầm trong lúc thế ngập nước xảy ra đối với nước trong đất bão hoà hoặc nằm dưới mạch nước ngầm (hình 9.7). Trong khi mỗi một áp lực này là đáng kể ở mỗi điều kiện đồng ruộng cụ thể, thì thế matric mr là kết quả từ hiện tượng xâm nhập (hay hấp phụ) và mao dẫn, ảnh hưởng tới sự duy trì ẩm tốt nhất khi nước
di chuyển. Ðộ chênh lệch giữa thế m của 2 vùng đất kế nhau tăng cường sự di chuyển của nước từ vùng ẩm (trạng thái năng lượng cao) đến vùng khô (trạng thái năng lượng thấp) hay từ khe hở lớn đến khe hở bé. Tuy nhiên, sự di chuyển này rất chậm, nhưng rất quan trọng nhất là đối với việc cung cấp nước cho cây. Thế áp suất Chiều Thế matric sâu có giá trị âm phẫu Mực nước ngầm diện Thế ngập nước có giá trị dương Hình 9.7. Thế matric và thế ngập nước (N.C. Brady, R.R. Weil) Trên hình, cả 2 thế matric và thế ngập nước đều là thế áp suất góp phần vào thế tổng thể của nước. Thế matric luôn luôn âm, thế ngập nước luôn luôn dương. Khi nước trong đất không bão hoà nằm trên mạch nước ngầm (đỉnh của vùng bão hoà) chịu ảnh hưởng của các thế matric. Nước ở dưới mạch nước ngầm trong đất bão hoà chịu ảnh hưởng của thế ngập nước. Trong ví dụ này thế matric giảm tuyến tính tới điểm bên trên mạch nước, rõ ràng nước dâng lên bằng lực hút mao dẫn từ mạch nước là nguồn cung cấp duy nhất trong phẫu diện. Mưa hay tưới có sự đổi khác hoặc đường cong trở nên rõ ràng, nhưng không thay đổi quan hệ cơ bản đã được mô tả. Thế matric lại là quan trọng ở tất cả các đất không bão hoà vì ở đây có sự tương hỗ đồng thời giữa các pha rắn và nước. Sự di chuyển của nước trong đất, khả năng cung cấp nước cho cây, và các dung dịch đối với nhiều vấn đề kỹ thuật cần được xác định để mở rộng nghiên cứu bằng thế matric. Như vậy thế matric sẽ được chấp nhận là mối quan tâm trước hết, tiếp theo là thế trọng lực và thế thẩm thấu.
Thế thẩm thấu Thế thẩm thấu o biểu hiện sự có mặt của chất tan trong dung dịch đất. Các chất tan này có thể là chất vô cơ hay chất hữu cơ. Sự có mặt của chúng làm giảm thế năng của nước, cơ bản do giảm sự di động tự do của các phân tử nước bao quanh các ion hay phân tử chất tan. Nồng độ chất tan càng cao thì thế thẩm thấu càng thấp. Lúc nào cũng vậy, nước sẽ di chuyển đến nơi mức năng lượng của nó thấp hơn, trong trường hợp này nước đi chuyển đến vùng có nồng độ chất tan cao hơn. Tuy nhiên, nước thể lỏng sẽ di chuyển trong mối quan hệ tới sự chênh lệch thế thẩm thấu (quá trình được gọi là thẩm thấu) chỉ khi có màng bán thẩm thấu giữa 2 vùng thế thẩm thấu cao và thấp cho phép nước đi qua nhưng ngăn cản sự di chuyển của chất tan. Nếu không có màng, chất tan lại khác với nước, nói chung là di chuyển để cân bằng nồng độ. Vì các vùng đất nhìn chung không bị ngăn cách bằng màng, thế thẩm thấu o ảnh hưởng nhỏ đến khối lượng di chuyển của nước. Ảnh hưởng chính của nó là sự hút nước qua tế bào rễ cây được ngăn cách với dung dịch đất bởi màng tế bào bán thẩm thấu. Ở đất có nhiều muối tan thế thẩm thấu o là thấp hơn (có giá trị âm lớn hơn) so với trong tế bào rễ. Ðiều này dẫn đến sự kìm hãm việc lấy nước của cây. Trong đất quá nhiều muối thế thẩm thấu của nước trong đất thấp đến nỗi gây ra hiện tuợng chảy dịch (plasmolyze) ở cây non khi nước di chuyển từ tế bào ra vùng đất có thế thẩm thấu thấp hơn. Sự di chuyển tự nhiên của các phân tử nước gây ra do một số thoát khỏi thể lỏng đi vào không khí và trở thành hơi nước. Từ đó, sự có mặt của muối tan chống lại sự di chuyển của nước, số phân tử phân tử nước thoát sẽ ít hơn khi nồng độ chất tan của nước tăng. Vì thế áp suất hơi nước sẽ thấp hơn ở không khí trên vùng nước mặn so với ở không khí trên vùng nước sạch. Bằng sự ảnh hưởng của áp suất hơi nước, o tác động đến sự di chuyển hơi nước trong đất. 4.3. Các phương pháp biểu diễn mức năng lượng Một số đơn vị có thể được sử dụng để biểu diễn sự chênh lệch mức năng lượng của nước trong đất. Thứ nhất là chiều cao cột nước (thường là centimet) mà trọng lượng của nó tương đương với thế dưới điều kiện nghiên cứu. Ta luôn gặp nội dung biểu diễn này từ độ cao h trong phương