HỢP CHẤT MÙN

Mùn là thành phần trong tổng chất hữu cơ trong đất, tương đối bền đối với sự phân giải của vi sinh vật, là sản phẩm hình thành trong quá trình phân giải chất hữu cơ và tái tổng hợp bởi các sản phẩm phân giải này với các thành phần khác trong đất thông qua hoạt động của vi sinh vật. Mùn thường có màu nâu, đen.

Hàm lượng chất hữu cơ có thể biến đổi từ <0.1% trong các loại đất vùng sa mạc cho đến gần 100% trong đất hữu cơ và bởi vì chất hữu cơ luôn kết hợp với thành phần vô cơ, nên hợp chất mùn phải được trích ra khỏi đất trước khi chúng ta xác định tính chất của chúng. Một dung dịch NaOH loãng thường được sử dụng để trích hợp chất mùn này, nhưng do khả năng biến chất của các polymers mùn rất dễ dàng. Nên cần chú ý là quá trình trích nên thực hiện trong điều kiện kín, không có tác động của áp lực không khí (dùng khí nitrogen). Một phương pháp thích hợp khác là dùng dung dịch 0.1M sodium pyrophosphate trung tính (pH7). Phương pháp sau này hiện đang sử dụng phổ biến trong việc trích các hợp chất mùn. Nhiều phương pháp khác cũng đã được đề nghị sử dụng, nhưng với 2 phương pháp dùng NaOH và Sodium pyrophosphate được nhiều phòng phân tích chấp nhận và tính hiệu quả của chúng cũng như dễ thực hiện nên hiện nay người ta không cần nghiên cứu thêm các phương pháp khác để trích mùn trong đất.

1. Trích và phân lập các thành phần của mùn

- Nghiền, rây đất tách các thành phần chất hữu cơ: sinh khối (động vật, rễ cây…), tế bào chất (lá, rác…), và mùn.

- Xử lý với dung dịch kiềm (NaOH): mùn được tách làm 2 phần:

• Phần không hòa tan: Humin, có tỉ trọng cao, tạo phức với sét.

• Phần hòa tan

- Phần hòa tan tiếp tục xử lý với acid (pH=1.0): thu được 2 phần:

• Humic acid, màu nâu sậm hay đen, trọng lượng phân tử cao, nằm bên dưới.

• Fulvic acid, màu vàng đỏ, trọng lượng phân tử thấp, nằm phía trên hỗn hợp.

Các hợp chất mùn cũng có thể được trích phân đoạn thành những thành phần cấu tạo nhỏ hơn nữa bằng cách lợi dụng mức độ hòa tan khác nhau của chúng trong những dung môi khác nhau. Phương pháp phân lập được sử dụng rộng rãi là kết tủa humic acids từ dung dịch trích, khi dung dịch này được làm chua hóa đến pH = 1. Thành phần còn lại trong dung dịch này (không kết tủa) được gọi là fluvic acid.

Fluvic acid thường ngưng tụ kém hơn nhưng có tính oxy hóa cao hơn humic acid (có nhiều gốc chức năng chứa Oxygen hơn) và có trọng lượng phân tử thấp hơn là humic acid. Fluvic acid được coi là hợp chất trẻ nhất, có tính di động nhất và là thành phần hoạt động nhất của hợp chất mùn trong đất, vì vậy chúng được xem là thành phần có ý nghĩa nhất trong các tiến trình hình thành đất. Ví dụ, sự tích lũy chất hữu cơ trong tầng Spodic của đất Spodosols là do sự tích lũy Al, các phức chất Al và Fe với fluvic acids.

Humic acid thể hiện mức độ mùn hóa cao, tính ngưng tụ cao và thành phần già hơn của hợp chất mùn trong đất. Chúng ít di động hơn nhưng liên kết chặt hơn với các sét silicate có cấu trúc dạng lớp. Vì những lý do này và do có trọng lượng phân tử cao hơn, nên humic acid được xem là thành phần chính tạo sự ổn định hạt kết của đất và là thành phần ít nhạy cảm với sự phân giải của vi sinh vật.

Việc xác định hàm lượng tương đối của humic acid và fluvic acid (tỉ lệ FA/HA) trong đất được dùng để phân loại đất và cùng lúc đó chúng cũng có thể giúp ta xác định động thái của hợp chất mùn trong đất. Có 1 số nghiên cứu về vấn đề này trên các loại đất nhiệt đới cho thấy rằng có sự tương quan giữa khí hậu và tỉ lệ của 2 dạng acids này trong hợp chất mùn. Trong điều kiện rửa trôi mạnh sẽ có xu hướng hình thành fluvic acid. Fluvic acid có thể được tích lũy trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa hơn là điều kiện khí hậu ẩm. Spodosols và Oxisols có tỉ lệ FA/HA tối thiểu trong những mùa khô. Tỉ lệ này gia tăng trong mùa mưa nhưng sau đó sẽ thấp trở lại khi đất bị ngập

nước. pH và hàm lượng sét vô định hình (Sesquioxides) các oxides Si, Fe, Al của đất cũng góp phần làm tăng mức độ polymer hóa các hợp chất mùn như diễn biến trong đất Andisols.

2. Đặc điểm của mùn. Dựa trên các phương pháp phân tích hóa học, các gốc chức năng có chứa Oxygen của dịch trích FA và HA từ các loại đất khác nhau được trình bày trong bảng sau.

Hàm lượng các gốc chức năng của Humic acid và Fluvic acid được trích từ các loại đất hình thành trong các điều kiện khí hậu khác nhau.

Gốc chức năng Ôn đới Á nhiệt đới Nhiệt đới

HA FA HA FA HA FA

Tổng độ chua 5.7-8.9 8.9-14.2 6.3-7.7 6.4-12.3 6.2-7.5 8.2-10.3 COOH 1.5-5.7 6.1-8.5 4.2-5.2 5.2-9.6 6.2-7.5 7.2-11.2 Phenolic - OH 3.2-5.7 2.8-5.7 2.1-2.5 1.2-2.7 2.3-3.0 0.3-2.5 Alcoholic - OH 2.7-3.5 3.4-4.6 2.9 6.9-9.5 0,2-1.6 2.6-5.2 Carbonyl, C = O 0.1-1.8 1.7-3.1 0.8-1.5 1.2-2.6 0.3-1.4 1.6-2.7 Methoxyl, OCH3 0.4 0.3=0.4 0.3-0.5 0.8-0.9 0.6-0.8 0.9-1.2

Các gốc chức năng caboxylic và phenolic –OH thường phân ly ở khoảng pH đất hình thành nên CEC của đất, nên chúng có tầm quan trọng trong việc lưu giữ và giải phóng các cations dinh dưỡng.

Tổng độ chua của hợp chất mùn thể hiện tổng lực phản ứng của mùn. Tổng độ chua bao gồm các gốc chức năng mang tính acid như carboxyls COOH) và phenolic OH), các gốc chức năng khác như alcoholic OH), carbonyl (=CO) và methoxyl (-OCH3), mặc dù không góp phần vào tổng độ chua nhưng chúng góp phần vào sự hình thành các phức chất bằng cách tạo các nối giữa chất hữu cơ với các nguyên tố cation kim loại và các khoáng silicates.

Do các loại đất nhiệt đới thường có tính kiềm tương đối thấp (Oxisols và Ultisols), nên các hợp chất mùn trong thành phần hữu cơ của đất là nguồn chủ yếu duy trì độ phì của đất. Các biện pháp kỹ thuật quản lý đất phải là các biện pháp hướng trực tiếp đến việc cải thiện hàm lượng chất hữu cơ của đất.

Chất hữu cơ trong đất thực tế không hòa tan được trong nước, mặc dù có 1 phần rất nhỏ có thể tạo huyền phù trong nước nguyên chất. Chất hữu cơ có khả năng hòa tan mạnh trong dung dịch kiềm loãng và 1 phần có thể phân ly trong dung dịch acid loãng.

Một trong những tính chất quan trọng của chất hữu cơ là hàm lượng đạm chứa trong chất hữu cơ, hàm lượng đạm này thường biến động từ 3-6%. Tuy nhiên hàm lượng đạm có thể thấp hay cao hơn hàm lượng trung bình này. Nhưng do hàm lượng carbon ít biến động hơn và thường chiếm khỏang 58%. Vì vậy, để tính hàm lượng chất hữu cơ trong đất, chúng ta xác định hàm lượng % carbon và hàm lượng chất hữu cơ là %C

*1.724. Tỉ lệ giữa C và N (C/N) trong đất thường là 10 - 12. Tỉ lệ này thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc của thành phần hữu cơ, giai đoạn phân giải của chất hữu cơ, tính chất, độ sâu của đất và các điều kiện khí hậu, môi trường khác nơi đất được hình thành. Chất hữu cơ của đất cũng là nơi dự trữ quan trọng của lân và lưu hùynh hữu cơ.

Cũng như N hữu cơ, P và S hữu cơ sẽ được giải phóng trong quá trình khoáng hóa chất hữu cơ. Cả 2 chất P và S đều trải qua quá trình khoáng hóa và hấp thu sinh học tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và tỉ lệ tương đối của chúng với carbon cao hay thấp.

Một tính chất khác quan trọng của chất hữu cơ là khả năng trao đổi cation cao của chúng (200me/100g). Khả năng trao đổi cation thường có liên quan đến các gốc chức năng như carboxul (-COOH) và phenolic – hydroxyl.

Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến CEC của một số loại đất

Đất Tầng %O.M. CEC của O.M. (meq/100g)

1 Mặt 3.56 198

2 Mặt 3.22 190

B 0.81 193

3 Mặt 4.94 179

B 2.54 177

4 Mặt 4.0 198

B 2.7 198

5 Mặt 2.17 199

B 1.66 198

6 Mặt 3.37 196

B 1.2 196

7 Mặt 3.59 199

B 2.31 190

Phản ứng trao đổi cation của mùn được trình bày theo phương trình sau:

R-C-OH + KCl ↔ R-C-OK + HCl

Phương trình cho thấy KCl hòa tan trong nước phản ứng với các gốc chức carboxyl của chất hữu cơ. Ion K trao đổi với ion H của gốc carboxyl. Ion K được hấp phụ với

một lực đủ mạnh để làm hạn chế sự mất ion này do quá trình rửa trôi trong đất, nhưng lực giữ ion K này vẫn còn đủ yếu để rễ cây có thể hấp thu trao đổi được.

Chất hữu cơ trong đất có khả năng hấp phụ một lượng nước rất lớn nên chúng có tính co ngót và trưong nở mạnh. Tuy nhiên, nếu chúng bị mất nước hoàn toàn thì lực hấp thu nước bị giảm mạnh. Chất hữu cơ trong đất còn có là một yếu tố quan trọng trong việc hình thành các hạt kết, nên chúng sẽ làm tăng tốc độ thấm nước ban đầu của đất, sẽ làm giảm được nguy cơ xói mòn của đất. Ngoài ra, hàm lượng các gốc chức năng cao sẽ tạo điều kiện dễ dàng cho sự hình thành các phức chất với các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng, làm cho các nguyên tố này có thể di chuyển dễ dàng trong suốt phẩu diên đất, nhất là khi chúng kết hợp với các hợp chất mùn có trọng lượng phân tử thấp và di động cao.