Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về độ chua của đất 1. Khái niệm độ chua và phân loại độ chua Độ chua là yếu tố độ phì quan trọng của đất, ảnh hưởng đến các quá trình lý hóa và sinh học trong đất, tác động đến nhu cầu dinh dưỡng và được coi là nhân tố sinh thái giới hạn đối với cây trồng cũng như đời sống sinh vật đất.
Có nhiều nguyên nhân làm gia tăng nồng độ ion H+ trong đất. Tuy nhiên, độ chua chủ yếu được phản ánh thông qua sự hiện diện hoặc trao đổi nồng độ H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất vào trong dung dịch đất. Trong đất nhiệt đới, các dạng nhôm khác nhau và một số nguyên tố, hợp chất khác là nguyên nhân chính gây nên độ chua của đất [Lê Đức, 2006]. Trong canh tác, trước khi gieo trồng, điều đầu tiên cần quan tâm là hiệu chỉnh pH của đất thích hợp với điều kiện sinh trưởng và dinh dưỡng của cây trồng.
Thông thường, độ chua được phân thành 2 loại: - Độ chua hiện tại là độ chua gây nên do các ion H+ tự do trong dung dịch đất và được xác định khi sử dụng nước cất biểu thị ở dạng pHH2O - Độ chua tiềm tàng được xác định thông qua việc chiết rút bằng dung dịch muối. Dựa vào chất chiết rút, độ chua tiềm tàng lại được phân chia thành: Độ chua trao đổi được chiết rút bằng các dung dịch muối trung tính và được sử dụng để xem xét mức độ ảnh hưởng đến nhu cầu cung cấp các chất dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng, cũng như những rủi ro đến đời sống trong đất; Độ chua thủy phân được chiết rút bằng dung dịch muối thủy phân như CH3COONa và được sử dụng để tính toán lượng vôi tối đa cần bón để cải tạo pH đất đến giá trị mong muốn. Nguyên nhân gây ra quá trình axit hóa đất Các nguyên nhân chính gây chua đất liên quan đến quá trình phát sinh học hình thành một số nhóm đất chính; Các quá trình hô hấp đất, chuyển hóa C, N, P, S; Nước thải công nghiệp và khai khoáng; Sử dụng nhiều phân khoáng và mưa axit, … Theo thống kê, Việt Nam có khoảng 20 triệu ha đất đồi núi, 2 triệu ha đất phèn, 450 nghìn ha đất glây và 35 nghìn ha đất than bùn có phản ứng chua đến rất chua. Đất chua vùng đồi núi chiếm hơn 70% diện tích đất toàn quốc với pHKCl tầng mặt dao 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com động trong khoảng 4,0 đến 5,5 và có xu hướng chua hóa tăng lên nhanh chóng (Nguyễn Tử Siêm, 1999).
Các hoạt động công nghiệp và khai thác khoáng sản dẫn đến axit hóa đất do axit được tạo ra từ quá trình oxy hóa pyrite và từ sự lắng đọng axit gây ra bởi sự phát thải của khí lưu huỳnh (S) và nitơ (N). Trong các hệ sinh thái được quản lý, axit hóa đất chủ yếu là do sự giải phóng các proton (H+) trong quá trình biến đổi và tuần hoàn cacbon (C), nitơ và lưu huỳnh. Các phản ứng giải phóng H+ được tăng mạnh từ quá trình sử dụng phân khoáng (Bảng 1. Các quá trình giải phóng và thu H+ trong hệ thống tự nhiên H+ Quá trình Phương trình phản ứng (molc/mol) Lắng đọng axit Oxi hóa lưu huỳnh đioxit 2SO2 + O2 → 2SO3 0 Thủy phân lưu huỳnh trioxit SO3 + H2O → H2SO4 → SO42- + 2H+ +2 Oxi hóa quang hóa oxit nitric O3 + NO → N2O + O2 0 Thủy phân nitơ đioxit 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 → NO3- + H+ +1 Oxi hóa Pyrit Oxi hóa Pyrit bởi oxy 2FeS2 + 7O2 + H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ +2 Oxi hóa ion sắt (II) 4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O −1 Kết tủa ion sắt (III) Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ +3 Oxi hóa Pyrit bởi ion sắt (III) FeS2 + 14Fe3+ + H2O → 15Fe2+ + 2SO42-+ 16H+ Chu trình C Hòa tan cacbon đioxit CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3- +1 Tổng hợp axit hữu cơ C-hữu cơ → RCOOH → RCOO- + H+ +1 Chu trình N Cố định N 2N2 + H2O + 4R-OH → 4R-NH2 + 3O2 0 Khoáng hóa N hữu cơ R-NH2 + H+ + H2O → R-OH + NH4+ −1 Thủy phân urê (NH2)2CO + 3H2O → 2NH4+ + 2OH- + CO2 −1 Đồng hóa amoni NH4+ + R-OH → R-NH2 + H2O + H+ +1 Bay hơi amoniac NH4+ + OH- → NH3↑ + H2O +1 Nitrat hóa NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ +2 Đồng hóa nitrat NO3- + 8H+ + 8e- → NH3 + 2H2O + OH- −1 Phản nitrat hóa 4NO3- + 4H+ → 2N2 + 5O2 + 2H2O −1 Chu trình lưu huỳnh Khoáng hóa lưu huỳnh hữu cơ 2 S-hữu cơ + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ +2 Đồng hóa sunfat SO42- + 8H+ + 8e- → SH2 + 2H2O + 2OH- −2 Oxi hóa S0 2S0 + 2H2O + 3O2 → 2SO42- + 4H+ +2 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sự hiện diện của ion H+ trong dung dịch đất quyết định độ chua của đất và chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất, khí hậu và sinh học.
Lượng mưa cao ảnh hưởng đến tốc độ axit hóa do rửa trôi mạnh các bazơ (Ca2+, Mg2+, K+, Na+ và ion CO32- khỏi đất. Quá trình thủy phân dẫn đến giảm pH của đất khi kim loại kiềm hòa tan trong nước, giải phóng các proton. Sự dịch chuyển thủy phân của các cation bazơ và cung cấp thêm axit từ các phản ứng oxy hóa là nguyên nhân chính của quá trình axit hóa đất [Tandzi và cộng sự, 2018]. Đất bị chua do tăng rửa trôi các ion kim loại kiềm bởi nước mưa, do nước tưới giàu H+, đồng thời quá trình oxy hóa thường sinh ra ion H+.
Các ion NH4+ từ chất hữu cơ hoặc từ phân bón bị oxy hóa bởi vi sinh vật hình thành ion nitrat. Đồng thời, cây trồng hút dinh dưỡng (N, P, K) còn hút khá nhiều (Ca, Mg…) do trồng nhiều vụ/năm, giống năng suất cao, vì thế lượng Ca và Mg trong đất mất đi càng nhiều. Sự phân giải chất hữu cơ thải ra nhiều loại axit Cacbonic (H2CO3), axit Sunfuric (H2SO4), axit Nitric (HNO3), axit Axetic (CH3COOH), …các axit này hòa tan Ca, Mg trong một số khoáng và rửa trôi hai ion trên gây chua đất. Mặt khác, bón phân khoáng phốt pho luôn mang theo một lượng dư ion H+ từ quá trình sản xuất; đồng thời các phân sinh lý chua mang gốc axit như: Phân Sunphat amôn (SA), Kali clorua (KCl), Kali sunphat (K2SO4), Suppe lân…cũng làm đất bị chua.
Phần đáng chú ý là việc sử dụng quá nhiều phân nitơ đã làm tăng mạnh quá trình axit hóa đất liên quan đến sự hình thành ion H+ trong các pha của chu trình chuyển hóa N. Ước tính lượng ion H+ được bổ sung vào đất từ sử dụng phân khoáng khoảng 0,2-2 kg/ha/năm, lắng đọng khí quyển do mưa axit 0,3-2,4 kg/ha/năm và nguồn tự nhiên trung bình từ 0,1-0,7 kg/ha/năm [Dogo và cộng sự, 1994]. Ảnh hưởng của độ chua đến chất lượng đất và năng suất cây trồng Sự tăng độ chua của đất có ảnh hưởng xấu đối với cây trồng do sự thiếu hụt Ca2+ và Mg2+, làm tăng nồng độ của các ion độc hại với thực vật Al3+, Mn2+, H+, làm thay đổi tính chất vật lý của đất và khả năng dễ tiêu của các nguyên tố dinh dưỡng (đa lượng và vi lượng) đối với thực vật [Lê Đức, 2006]. Độ chua của đất là một trong những yếu tố hạn chế năng suất đối với cây trồng.
Khi đất bị axit hóa, pH giảm mạnh sẽ tăng độ hòa tan của các nguyên tố kim loại nặng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độc hại (sắt, đồng, mangan, kẽm và nhôm), thiếu chất dinh dưỡng thiết yếu (phốt pho, magiê, canxi, kali, natri). Do đó khi pH đất < 5 có thể gây dư thừa nhôm, sắt và mangan, gây độc, đồng thời giảm cung cấp dinh dưỡng phốt pho cho cây trồng [Tandzi và cộng sự, 2018]. Theo Nguyễn Tử Siêm, pH đất giảm khoảng 0,5 – 1,0 đơn vị làm Al3+ tăng lên khoảng 4 lần. Nhôm tăng đột ngột nhất là trong khoảng pH từ 5,5 xuống dưới 4 [Nguyễn Tử Siêm, 1999].
Độ axit của đất ảnh hưởng đến sự huy động và dễ tiêu sinh học của các chất dinh dưỡng chính như N, P, S và các cation cơ bản. Độ axit của đất điều chỉnh tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ, làm giảm số lượng các phân tử hữu cơ đơn giản có sẵn để phân hủy tiếp và cuối cùng làm cho N và các nguyên tố cấu thành khác (P và S) hòa tan. Mất chất hữu cơ làm khả năng cố định lân tăng vọt từ vài trăm ppm P lên đến trên 1000 ppm P, dẫn đến giảm hiệu lực phân bón vào đất [Nguyễn Tử Siêm, 1999]. Tính ra, khi đất bị mất 1% C thì khả năng giữ chặt lân tăng lên khoảng 500 ppm P.
Việc giảm pH đất ban đầu làm tăng nồng độ Fe và Al trong dung dịch đất, làm tăng sự hấp phụ/kết tủa của P. Trong điều kiện axit, các khoáng chất mica và fenspat tăng cường giải phóng các ion K+ vào dung dịch đất. Tuy nhiên, việc tăng độ chua trong đất có độ dẫn điện cao làm giảm khả năng hấp phụ các ion K+ của đất dẫn đến nhiều K+ trong dung dịch đất [Kunhikrishnan và cộng sự, 2016]. Độc tính Al hạn chế năng suất nông nghiệp bằng cách giới hạn cây trồng đạt được đến năng suất tiềm năng của chúng.
Độc tính Al (60 đến 300 μg/lít nước trong đất) có thể gây ra tổn thất năng suất 25-80 (%) tùy thuộc vào các loại cây trồng khác nhau. Axit hóa làm tăng độc tính Al và làm giảm sự hấp thu nitơ (N), P và kali (K) dễ tiêu [Tandzi và cộng sự, 2018]. Độ chua có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng cung cấp P dễ tiêu cho cây do sự liên kết của ion PO43- với Al3+ và Fe3+ tạo thành các muối khó hòa tan trong đất. Bên cạnh đó, khi pH < 5,3 thì các kim loại nặng trong đất sẽ hòa tan ở mức cực đại, tạo ra nhiều ion linh động gây độc cho cây trồng và sinh vật đất.
Trong phạm vi nhất định, pH càng thấp tức là đất có phản ứng càng chua thì cường độ hấp thu anion PO43- càng lớn. Hấp thu anion PO43- trong đất diễn ra qua hai quá trình: hấp thu lý-hóa học của những hạt mang điện tích dương và hấp thu hóa học của những cation hóa trị cao để tạo thành các muối PO43- kim loại tương đối bền vững 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com của sắt và nhôm.