CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT VÀ CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT 1. Khái niệm Chất hữu cơ trong đất (SOM) nói chung, các bon hữu cơ trong đất (SOC) nói riêng đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ sinh thái cạn.
SOC ảnh hưởng đến cấu trúc đất, khả năng giữ nước của đất, khả năng hình thành các phức chất với các ion kim loại, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Hiện nay, thuật ngữ SOC và SOM thường được sử dụng thay đổi nhau trong một số nghiên cứu. Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ SOC được sử dụng nhiều hơn khi nghiên cứu vòng tuần hoàn các bon toàn cầu. Vòng tuần hoàn này có ảnh hưởng lớn đến giới sinh vật nói chung, loài người nói riêng.
Thuật ngữ SOM được sử dụng để mô tả thành phần hữu cơ của đất. SOM gồm các nguyên tố C, H, O, N, P và S. Do vậy khó có thể đo đạc chính xác hàm lượng SOM, nên SOC được xác định, từ đó ước lượng hàm lượng SOM thông qua hệ số chuyển đổi. Theo Stevenson, chất hữu cơ trong đất là toàn bộ vật liệu hữu cơ trong đất gồm các tàn tích sinh vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, sinh khối vi sinh vật, chất hữu cơ hoà tan, và chất mùn [77].
Trong khi đó, Baldock và Skjemstad cho rằng SOM là thành phân hữu cơ ở trong đất gồm các tàn tích thực vật và động vật ở các giai đoạn phân huỷ khác nhau, các sản phẩm phân huỷ từ các mô động vật và thực vật chết, sinh khối của vi sinh vật đất [28], [81]. Ingham cho rằng SOM bao gồm tất cả các chất hữu cơ trong hoặc trên đất và tỷ lệ giữa các hợp phần SOM được thể hiện trong Hình 1. Trần Văn Chính cũng có cùng quan điểm với Ingham, ông cho rằng hất hữu cơ trong đất cũng được hiểu là toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất [9]. Trần Văn Chính đã chia SOM thành 2 phần gồm: (1) tàn tích hữu cơ chưa bị phân giải (rễ, thân, lá cây, xác động vật) và những chất hữu cơ đã được phân giải (các chất hữu cơ ngoài mùn có cấu tạo đơn giản: protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, sáp, nhựa, este, rượu, axit hữu cơ, anđehit… và (2) các chất hữu cơ mùn có cấu tạo phức tạp.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vi sinh vật sống: < 5% Tàn tích thực vật: < 10% Chất hữu cơ dễ phân huỷ: 33 - 50% Mùn (chất hữu cơ ổn đinh): 33 - 50% Hình 1. Tỷ lệ giữa các hợp phần của chất hữu cơ trong đất (nguồn: [43]) Như vậy, SOM có thể chia thành sinh khối của vi sinh vật đất, tàn tích thực động vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, chất hữu cơ hoà tan và mùn (chất hữu cơ phân huỷ triệt để và có tính ổn định cao). Chú ý, thân và lá rụng trên mặt đất không phải là một phần của SOM. Các bon trong đất tồn tại ở 2 dạng: vô cơ và hữu cơ.
Ngoài đất tích vôi, các bon trong đất tồn tại chủ yếu ở dạng hữu cơ, hay còn gọi là SOC [64]. Các bon là một hợp phần của SOM. Thông thường chất hữu cơ trong đất chứa khoảng 58% lượng các bon hữu cơ. Hệ số Van Bemmelen (1,724) đã được sử dụng nhiều để thể hiện mối quan hệ giữa SOC va SOM, mặc dù Jain và nnk [47] và Westman và nnk [82] đã khẳng định hệ số này không phù hợp cho tất cả các loại đất và theo độ sâu tầng đất.
Như vậy có thể hiểu SOC là lượng các bon tồn tại trong chất hữu cơ ở trong đất. Hàm lượng SOC được quyết định bởi tỷ lệ giữa lượng các bon hữu cơ đầu vào và đầu ra. Lượng các bon hữu cơ đầu vào gồm phân bón hữu cơ và/hoặc tàn tích sinh vật. Lượng các bon đầu ra là do hoạt động phân huỷ của vi sinh vật và quá trình rửa trôi (theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của phẫu diện đất) [28].
Chu trình các bon Chu trình các bon là quá trình chuyển đổi liên tục các hợp chất hữu cơ và vô cơ bởi thực vật, sinh vật giữa đất, thực vật và khí quyển [35]. Thực vật, nấm, rêu, vi khuẩn tự quang hợp, tảo sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi CO 2 từ khí quyển 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thành hydratcacbon. Sau đó, các tàn tích sinh vật trên và trong đất, các chất hữu cơ được giải phóng vào đất khác trong quá trình phát triển của sinh vật sẽ trải qua quá trình phân huỷ chất hữu cơ.Theo Brussaard, quá trình phân huỷ chất hữu cơ là quá trình sinh học phụ thuộc vào yếu tố sinh vật đất, môi trường tự nhiên, và chất lượng chất hữu cơ [29]. Trong quá trình phân huỷ, CO2, năng lượng, nước, các chất dinh dưỡng và các hợp chất các bon hữu cơ được giải phóng.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ở giai đoạn tiếp theo hình thành chất mùn (quá trình mùn hoá). Vi sinh vật đất sử dụng SOM làm thức ăn và phá vỡ các chất hữu cơ này, từ đó các chất dinh dưỡng như N, P, S được giải phóng vào trong đất ở dạng thực vật có thể hấp thu được (quá trình khoáng hoá). Các chất thải được tạo ra bởi các vi sinh vật cũng là SOM nhưng khả năng phân huỷ kém hơn, và chúng có thể được sử dụng bởi các sinh vật khác trong đất. Theo Phan Tuấn Triều, các bon hữu cơ trong đất biến đổi theo chu trình sinh địa hoá gồm nhiều quá trình khác nhau [19].
Các bon hữu cơ trong các tàn tích sinh vật bị chuyển hoá dưới tác động trực tiếp của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước trong đất thành các hợp chất hoạt tính hơn và dễ hoà tan hơn. Sau quá trình chuyển hoá xảy ra 3 quá trình tiếp theo gồm: (1) quá trình khoáng hoá hoàn toàn một số hợp chất thành một số hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số khí, cung cấp dinh dưỡng cho sinh vật; (2) quá trình tổng hợp protit, lipit, gluxit và một số hợp chất mới của các vi sinh vật đất, khi chết xác vi sinh vật tiếp tục quay trở lại tàn tích sinh vật; (3) quá trình mùn hoá tạo thành các hợp chất cao phân tử có cấu tạo phức tạp (mùn). Hợp chất mùn trong đất gồm 3 thành phần chính là axit humic, axit fulvic và hợp chất humin (có khả năng phản ứng với ion kim loại, các oxit, hydroxit, các hợp chất hữu cơ, khoáng, cả chất ô nhiễm để hình hành các phức chất tan và không tan). Quá trình khoáng hoá tàn tích sinh vật là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành các hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số chất khí.
Quá trình khoáng hoá này gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Các tàn tích sinh vật (protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, nhựa) dưới tác động của các men do vi sinh vật tiết ra bị thuỷ phân tạo ra sản phẩm có cấu tạo đơn giản hơn gồm đường hexoza, pentoza, sacaroza, xenluloza, axit amin mạch vòng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com và mạch thẳng, amin, các gốc purin và pirimidin, axit uronic, axit béo, glixerin, polyphenol. - Giai đoạn 2: Dưới tác động của phản ứng oxy hoá khử, các sản phẩm của giai đoạn 1 tiếp tục biến đổi thành các axit hữu cơ mạch vòng và mạch thẳng, axit vô cơ, axit béo, axit hữu cơ dạng bay hơi, axit không no, andehit, rượu, các sản phẩm oxy hoá khử dạng phenol, quinol. (2) Trong điều kiện yếm khí: các sản phẩm ở giai đoạn 2 bị biến đổi thành các sản phẩm NH3, H2 O, CH4, H2 , N2 , H2 S… 1. Các nhân tố ảnh hƣởng đến lƣợng các bon hữu cơ trong đất Li và nnk đã kết luận động học các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác được điều chỉnh bởi 2 quá trình: (1) nhận các bon thông qua lượng tàn tích cây trồng, phân bón hữu cơ được sử dụng và (2) mất các bon do phân huỷ SOC và xói mòn đất [54].
Nhiệt độ Nhiệt độ được xem như là nhân tố điều chỉnh tốc độ phân huỷ các tàn dư thực vật. Tốc độ phân huỷ ở vùng nhiệt đới nhanh hơn vùng ôn đới [35]. Nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật 25° - 30°C, do đó khoáng hoá xảy ra mạnh mẽ. Đây cũng là nhiệt độ thích hợp cho quá trình mùn hoá [19].
Như vậy điều kiện nhiệt độ của nước ta rất thích hợp để quá trình khoáng hoá diễn ra mạnh làm cho chất hữu cơ và mùn trong đất bị phân giải nhanh chóng. Độ ẩm và mức độ bão hoà nước trong đất SOM có xu hướng tăng khi lượng mưa trung bình năm tăng [35]. Không khí trong đất và độ ẩm đất quyết định hoạt động sinh học trong đất. Điều kiện ẩm tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn trong đất là gần với độ ẩm đồng ruộng, tương đương khoảng 60% không gian lỗ hổng trong đất chứa nước [60].
Đất bão hoà nước làm giảm không khí trong đất, ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là các vi sinh vật hiếu khí. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Điều kiện thoáng khí, độ ẩm đất thích hợp có ảnh hưởng tích cực đến quá trình khoáng hoá. Độ ẩm quá cao gây ra yếm khí, vi sinh vật khó hoạt động. Theo Phan Tuấn Triều, độ ẩm không khí khoảng 70% là thích hợp cho quá trình khoáng hoá [19].
Trong điều kiện thường xuyên ngập nước, quá trình mùn hoá được thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí. Kết quả là các axit hữu cơ và các chất khử như CH4, H2S được hình thành. Các chất này kìm hãm sự hoạt động của vi sinh vật làm cho tốc độ mùn hoá chậm hẳn và than bùn dần được hình thành. Thành phần cơ giới đất SOM có xu hướng tăng khi hàm lượng sét trong đất tăng [35].
Liên kết giữa bề mặt hạt sét và chất hữu cơ làm giảm quá trình phân huỷ chất hữu cơ. Thêm vào đó, đất có hàm lượng sét cao làm tăng khả năng hình thành đoàn lạp đất. Theo Rice, các đại đoàn lạp có tác dụng bảo vệ các phân tử chất hữu cơ trong quá trình khoáng hoá chất hữu cơ bởi các vi khuẩn [74]. Prasad và Power đã kết luận, trong cùng điều kiện khí hậu, hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần có giới mịn (hàm lượng sét cao) sẽ cao hơn 2 đến 4 lần hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần cơ giới thô (đất cát - hàm lượng sét thấp) [70].