Chương 5. NƯỚC TRONG ĐẤT
1.3.3. Điện thế oxi hóa khử (redox). Một tính chất hóa học quan trọng của đất liên quan đến độ thoáng khí là trạng thái oxi hóa-khử của các nguyên tố hóa học trong đất.
Các nguyên tố này sẽ thay đổi trạng thái khi độ thoáng thay đổi.
a. Phản ứng oxi hóa-khử.
Ví dụ: 2FeO +2H2O 2FeOOH +2H+ + 2e-.
Fe(II) Fe(III)
Fe(II) mất 1e- thành Fe(III), và hình thành ion H+. Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng chuyển e- từ chất này sang chất khác.
Điện thế oxi hóa khử (Eh) được đo bằng 1 điện cực Pt.
Vậy đo Eh là để xác định các nguyên tố có khuynh hướng cho và nhận e-. Đơn vị của Eh là volt. Eh của nước được qui định=0V.
b. Vai trò của Oxygen. O2 là chất oxi hóa mạnh do nhận e- nhanh. O2 Có thể oxi hóa cả chất hữu cơ và vô cơ. O2 Oxi hóa 1 chất khác, nên O2 là chất bị khử.
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O
(0) (-2)
O2 có điện tích = 0 trong O2, khi nhận 2e-, thành (-2) trong phân tử nước. Các e- này có thể được cho bởi 2 phân tử FeO khi xảy ra phả ứng oxi hóa khử.
2FeO + 2 H2O 2FeOOH + 2H+ +2e-
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 2FeO +½ O2 + H2O 2FeOOH
Eh phụ thuộc vào (1) hàm lượng O2, các chất oxi hóa khác và pH đất.
c. Các chất nhận e- khác. Ví dụ Nitrogen NO3- + 2e- + 2H+ NO2- H2O
(5+) (3+)
d. Ảnh hưởng của pH đến các phản ứng oxi hóa khử. Trong khoảng pH từ 2-8, khi pH tăng, Eh sẽ giảm. Ở pH=6, Eh < +500mV, nitrate khử thành nitrite, khi Eh = +
200mV, FeOOH khử thành Fe2+. Khí metan hình thành trong đất ngập nước khi pH=6, yêu cầu Eh < -200mV.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ thoáng khí của đất.
1.4.1. Khả năng tiêu nước của đất. Phụ thuộc vào tỉ lệ đại tế khổng trong đất.
1.4.2. Tốc độ hô hấp của sinh vật đất.
1.4.3. Độ thoáng khí trong các tầng đất. tầng sâu luôn có độ thoáng kém hơn tầng mặt.
1.4.4. Tính không đồng nhất về độ thoáng. Ngoài tính không đồng nhất theo độ sâu (phẩu diện), độ thoáng còn không đồng nhất do làm đất, sự phân bố đại tế khổng, do phát triển của rễ cây, theo mùa…
1.5. Các ảnh hưởng về mặt sinh thái của độ thoáng khí.
1.5.1. Phân giải dư thừa thực vật. Độ thoáng kém sẽ làm chậm tiến trình phân giải chất hữu cơ, vì vậy đất ngập nước thường có sự tích kuy4 chất hữu cơ cao hơn so với đất thoáng khí.
Tốc độ phân giải chất hữu cơ phụ thuộc vào nồng độ O2 trong đất. Khi đủ O2 , vi sinh vật hảo khí hoạt động mạnh và chất hữu cơ được phân giải nhanh.
Khi thiếu O2 , vi sinh vật yếm khí sẽ thực hiện việc phân giải chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm.
C6H12O6 2CO2 + 3CH3CH2OH
Vì vậy đất có độ thoáng kém thường chứa nhiều sản phân bán phân giải như ethylen, rượu, các acid hữu cơ có thể gây ngộ độc cho cây. Ảnh hưởng này rất có ý nghĩa trong hình thành đất than bùn.
1.5.2. Trạng thái các nguyên tố hóa học.
a. Các chất dinh dưỡng.
Các dạng oxi hóa và khử của các nguyên tố dinh dưỡng.
Nguyên tố Dạng trong đất thoáng khí Dạng trong đất bị khử Carbon CO2, C6H12O6 CH4, C2H2, CH3CH2OH
Đạm NO3- N2, NH4+
S SO42- H2S, S
2-Fe Fe3+ Fe2+
Mn Mn4+ Mn2+
b. các nguyên tố khác.Eh kiểm soát trạng thái các nguyên tố vi lượng khác như Cr, Se, As…
1.5.3. Màu sắc đất. Màu sắc của đất chịu ảnh hưởng lớn bởi màu của Fe, Mn. Màu đỏ, vàng, nâu đỏ là chỉ thị của trạng thái oxi hóa. Màu xám, xanh chỉ thị tình trạng thiếu O2. Những đốm, vệt màu trong đất chỉ thị tình trạng tiêu nước không hoàn toán của đất.
1.5.4. Hình thành khí metan. Khí góp phần gây hiệu ứng nhà kính. Hình thành do CO2
bị khử. Khí metan hình thành khi Eh < -200mV. Thường xảy ra trên đất lúa nước.
1.6. Quản lý độ thoáng khí của đất. Tiêu nước là kỹ thuật quan trọng nhất để duy trì độ thoáng của đất. Ngoài ra còn có các kỹ thuật khác như:
1.6.1. Cải thiện cấu trúc đất.
1.6.2. Luân canh, xen canh cây trồng (nhất là cây họ đậu) 1.6.3. Kỹ thuật làm đất. Làm đất tối thiểu.
2. Đất ngập nước.
2.1. Định nghĩa. Đất ngập nước là các loại đất có tầng mặt bảo hòa nước 1 thời gian dài trong năm, nhưng nhiệt độ vẫn đủ cao hình thành nên tình trạng yếm khí trong đất.
2.2. Tính chất.
2.2.1. Đất bảo hòa nước 1 thời gian dài, ngăn cản sự khuếch tán O2 vào đất;
2.2.2. Thời gian ngập kéo dài, đất trải qua tình trạng khử, các chất nhận e- trong các phản ứng hóa sinh không phải là O2;
2.2.3. Và biểu hiện ra bên ngoài các tính chất đặc trưng.
2.3. Chỉ thị đất ngập nước. Phần lớn chỉ thị đất ngập nước dễ dàng quan sát ngoài đồng. Bao gồm các yếu tố liên quan đến việc rửa trôi, tích lũy, chuyển dạng (màu sắc) của các nguyên tố Fe, Mn, S và C. Sự tích lũy C dễ dàng nhận thấy trên đất hữu cơ, tầng chẩn đoán Humic.
2.3.1.Đặc điểm hình thái oxi hóa-khử. Khi Fe(II) bị khử trở nên hòa tan và di chuyển đến vùng oxi hóa, bị kết tủa và tích lũy tạo đó. Vì vậy vùng khử hàm lượng Fe bị giảm. Tầng đất sâu bị khử thường có màu xám, độ chói thấp. Fe bị khử biến thành màu xanh. Sự tương phản về màu sắc của Fe, màu xám xanh trong điều kiện khử, màu đỏ trong điều kiện oxi hóa, hình thành nên những đốm màu được gọi là đặc điểm hình thái oxi hóa-khử. Mn trong điều kiện khử thường hiện diện dưới dạng kết von màu đen. Trong điều kiện khử mạnh, toàn bộ bề mặt phẩu diện có độ chói rất thấp, gọi là hiện tượng Gley. Gley có độ chói <1. Đặc điểm hình thái oxi hóa-khử chỉ xuất hiện các tầng đất phía trên của đất ngập nước.
2.3.2. Thực vật ưa nước (chịu ngập). Các loài thực vật phát triển trong điều kiện ngập nước luôn hình thành các bộ phận đặc biệt dẫn oxy từ khí quyển vào rễ như rễ khí sinh, rễ hoặc thân xốp, hệ thống dẫn khí trong lá (aerenchyma).
2.4. Hóa học đất ngập nước. Đất ngập nước có các tính chất hóa học sau.
2.4.1. Nồng độ O2 hòa tan thấp, chỉ có 1 lớp bùn mỏng ngay trên mặt là lớp oxi hóa, phần còn lại luôn trong trạng thái khử.
2.4.2. Điện thế oxi hóa khử thấp. Eh đủ thấp để khử Fe, hình thành đặc điểm oxi hóa khử, khử S thành H2S, CO2 thành CH4.
3. Nhiệt độ đất.
3.1. Vai trò của nhiệt độ đất.
3.1.1. Các tiến trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng và phát triển của cây trồng khoảng 25-30oC.
3.1.2. Các hoạt động của vi sinh vật thích hợp khoảng 35-40oC.
3.2. Hấp thu và mất năng lượng của đất.
Nhiệt độ đất phụ thuộc vào:
- lượng nhiệt năng đất hấp thu;
-nhiệt năng cần thiết làm thay đổi nhiệt độ đất; và -năng lượng cần cho bốc thoát hơi nước.
3.3. Các tính chất nhiệt của đất.
3.3.1. Nhiệt riêng của đất. Lượng nhiệt cần thiết để 1 đơn vị trọng lượng đất tăng lên 1oC. Nhiệt riêng của nước là 1 cal/g nước; nhiệt riêng của đất: 0.2 cal/g đất.
3.3.2. Nhiệt và bốc hơi. Nhu cầu nhiệt để bốc hơi 1 lít nước là 540kcal (hay 2.257J).
Năng lượng này được cung cấp tực tiếp từ bức xạ mặt trời. Đất ẩm thường có nhiệt độ thấp hơn đất khô, do bốc hơi nước và do nhiệt riêng của đất ẩm cao hơn đất khô. Nhiệt độ tầng đất ẩm thường thấp hơn đất khô 3-6oC.
3.4. Kiểm soát nhiệt độ đất. Hai kỹ thuật chính dùng để kiểm soát nhiệt độ đất:
3.4.1. kiểm soát độ ẩm đất; Không để đất quá ẩm trong vùng lạnh và quá khô trong vùng nóng
3.4.2. Phủ đất bằng vật liệu hữu cơ.
Phủ đất bằng plastic có thể làm tăng nhiệt độ đất.
Câu hỏi nghiên cứu.
1. Nêu 2 loại khí chính có liên quan đến độ thoáng khí của đất. Hàm lượng tương đối của chúng biến động như thế nào theo độ sâu?
2. Vai trò của hệ thống dẫn khí của thực vật sinh trưởng trong điều kiện ngaa65p nước?
3. tại sao khi ngập nước, nhiệt độ đất phải đủ cao mới có thể hình thành các tính chất đặc trưng của đất ngập nước?
4. Nếu cần xác định vùng đất ngập và không ngập nước, anh chị dựa vào 3 tính chất và 3 chỉ thị nào để tiến hành?
5. Trạng thái của Nitơ, phospho, kali, Fe, trong điều kiện ngập nước.