Giáo trình Khoa học đất - Chương 5, Bài 3: Độ thoáng khí & nhiệt độ đất

Chương 5 bài 3 ĐỘ THOÁNG KHÍ & NHIỆT ĐỘ ĐẤT • TÍNH CHẤT • -quyết định bởi tốc độ trao đổi khí giữa đất và khí quyển • -tỉ lệ không khí trong phần rỗng • -thành phần khí trong đất • -quá trình oxi hóa khử Vai trò: - các hoạt động sinh học trong đất đều cần oxygen. - hạn chế thiếu O2 và ngộ độc CO2. - Thực vật (không ngập) yêu cầu O2 tối thiểu là 10% (khí quyển: 21%) độ thoáng khí của đất được xác định thông qua hàm lượng O2 hữu dụng trong đất, kiểm soát bởi: 1. tỉ lệ đại tế khổng 2. ẩm độ đất 3. mức độ hoạt động của sinh vật (tiêu thụ O2) khả năng chứa và mức độ tiêu thụ O2 cây thiếu O2 khi ẩm độ gần bảo hòa (>80% độ rỗng chứa nước)-ngăn cản thoát CO2 1. thừa ẩm: bảo hòa nước -đất ngập nước -cây trồng chịu ngập-hệ thống dẫn khí 2. trao đổi khí trong đất: sinh vật sử dụng O2 càng nhanh, nhu cầu trao đổi khí càng lớn trao đổi theo cơ chế: (1) dòng chảy khối lượng và (2) khuếch tán-quan trọng các loại khí riêng biệt khuếch tán do chênh lệch áp suất riêng của chúng-mặc dù áp suất chung của không khí như nhau. Áp suất khí quyển: 1atm. (-100kPa), áp suất của O2 : -21kPa Xác định độ thoáng của đất 1. thành phần khí trong đất: so với khí quyển -N2: tương đương - O2 : thay đổi và thấp hơn rất nhiều: lớp đất mặt <20%, tầng sâu <5%, thậm chí 0%. - CO2 : cao gấp 10 lần (0.35%). Nếu vượt 10%, ảnh hưởng đến hoạt động của sinh vật. - CH4, H2S, C2H4: cao hơn do phân giải chất hữu cơ, hoạt động của vi sinh vật yếm khí 2. độ rỗng: -độ thoáng lý tưởng: đất có độ rỗng: 50%, không khí chiếm 50% độ trỗng. -Hoạt động của sinh vật hạn chế nghiêm trọng khi tỉ lệ không khí <20% độ rỗng (10% thể tích đất). nguyên nhân thiếu O2 : nước trong tế không ngăn cản khuêch tán O2(tốc độ khuếch tán O2 trong nước giảm 10.000 lần) 3. điện thế oxi hóa- khử (Eh): đất thoáng khí: các nguyên tố hóa học hiện diện ở trạng thái oxi hóa: Fe(III) trong FeOOH, N(V) trong NO3 -. đất kém thoáng khí; Fe(II) trong FeO, N(III) trong NH4 +. khi các nguyên tố hóa học hiện diện ở dạng khử: chỉ thị đất yếm khí 3.1. phản ứng oxi hóa-khử: (2+) (3+) 2FeO + 2H2O 2FeOOH + 2H + + 2e- Fe(II) Fe(III) Fe(II) chuyển 1 điện tử cho Fe(III). Điện thế chuyển điện tử: điện thế oxi hóa khử- đo bằng 1 điện cực bạch kim đo điện thế oxi hóa-khử: các nguyên tố có khuynh hướng cho/nhận điện tử -đơn vị của Eh: volt (V), mV -qui ước: Eh của nước=0; Eh (H2O)=0V ½ H2 H+ + e - chất nhận e- : chất oxi hóa chất cho e- : chất khử 3.2. Vai trò của oxygen: O2: chất oxi hóa mạnh do nhận e - nhanh, nên có thể oxi hóa các chất hữu cơ và vô cơ (0) (-2) ½ O2 + H + + 2 e- H2O các e- này có thể nhận từ FeO 2FeO 2FeOOH +2H+ +2 e- ½ O2 + H + + 2 e- H2O _________________________________ 2FeO + ½ O2 2FeOOH Eh phụ thuộc: các chất oxi hóa và pH -các chất oxi hóa khác: (5+) (3+) NO3- + 2 e- + 2H+ NO2 - +H2O Fe, Mn, S cũng có các phản ứng tương tự -Ảnh hưởng của pH. Trong khoảng pH: 2-8, khi pH tăng-Eh giảm. Ví dụ: ở pH=6, Eh=500mV, tăng khử NO3 - thành NO2 -, khi Eh=200mV, tăng FeOOH khử thành Fe2 +. đất ngập nước có pH=6, khí metan chỉ hình thành khi Eh< -200mV. N(V) trong NO3 - bị khử thành N(III) trong NO2 -: khi Eh= +280 đến – 220mV trong khoảng Eh này, Mn cũng bị khử. các yếu tố hưởng đến độ thoáng 1. độ rỗng và tỉ lệ đại tế khổng: sa cấu, dung trọng, cấu trúc, % chất hữu cơ, tế khổng sinh học 2. tốc độ hô hấp của sinh vật: O2 và CO2 trong đất phụ thuộc vào hoạt động vi sinh vật, và hoạt động này phụ thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ độ thoáng khi và sinh thái 1. phân giải chất hữu cơ: tốc độ và sản phẩm của quá trình phân giải chất hữu cơ: đủ O2: nhanh, CO2 và H2O thiếu O2: chậm, CO2, ethanol CH3CH2OH, C2H4và các acid hữu cơ gây độc cho cây đây là điều kiện hình thành đất hữu cơ Histosol-than bùn 2. trạng thái các nguyên tố hóa học: 2.1.Các chất dinh dưỡng: nguyên tố oxi hóa khử C CO2, C6H12O6 CH2, C2H2, CH3CH2OH N NO3 - NH4 + S SO4 2- H2S, S 2- Fe Fe3+ Fe2+ Mn Mn4+ Mn2+ 2.2. Các nguyên tố khác: các kim loại nặng như Cr, As, Se 3. màu sắc đất: biến màu của Fe và Mn. đỏ, vàng, nâu đỏ: oxi hóa. xám, xanh: khử đốm, vệt màu: khô, ngập xen kẽ QuẢN LÝ ĐỘ THOÁNG KHÍ Cải thiện cấu trúc đất: • tiêu nước • duy trì chất hữu cơ, dư thừa thực vật • luân canh, xen canh • làm đất hợp lý ĐẤT NGẬP NƯỚC Là đất có tầng mặt bảo hòa nước 1 thời gian dài trong năm, nhưng nhiệt độ vẫn đủ cao hình thành nên trạng thái yếm khí trong đất. Vì vậy đất ngập nước hình thành nên quần thể sinh vật, đất đặc trưng đất ngập nước 1. bảo hòa nước 1 thời gian dài, ngăn cản khuếch tán của oxygen 2. thời gian ngập đất trải qua t2inh trạng khử, chất nhận điện tử trong các phản ứng hóa sinh không phải là O2. 3. biểu hiện các tính chất đặc trưng chỉ thị đất ngập nước 1. động thái, chuyển dạng các nguyên tố Fe, Mn, S, và C. 2. tích lũy C: đất Histosol (than bùn), tầng humic- do tốc độ phân giải chậm hơn tốc độ tích lũy chất hữu cơ 3. Fe bị khử thành Fe(II) hòa tan mạnh, di chuyển đến vùng oxi hóa, kết tủa. Tầng sâu bị khử nên có màu xám, chroma thấp. 4. Fe khử màu xám xanh, oxi hóa màu đỏ-vùng có vệt, đốm màu: vùng oxi hóa-khử. 5. chroma<1: chỉ thị điều kiện khử 6. hình thái oxi hóa-khử: tầng trên của đất ngập nước, tầng sâu (có thể) đất vùng cao) 7. hạt đất màu sáng, xung quang rễ cây màu đỏ: do oxi khuếch tán theo hệ thống dẫn khí 8. thực vật ưa ngập: hệ thống dẫn khí aerenchyma, rễ khí sinh, thân xốp Hóa học đất ngập nước Tính chất chính của đất ngập nước là: O2 hòa tan thấp: chỉ lớp bùn (1-2cm) tầng mặt có tính oxi hóa Eh thấp: đủ để khử Fe hình thành đặc điểm oxi hóa-khử (gley), khử sulphate thành H2S, CO2 thành CH4 Các phản ứng này liên quan đến chu kỳ luân chuyển C, N, và S. NHIỆT ĐỘ ĐẤT 1. Tác động của nhiệt độ đất: 1. Sinh trưởng, phát triển của thực vật. 2. : 25-30oC 3. Hoạt động của vi sinh vật: 35-40oC 2. nhiệt độ đất phụ thuộc: - nhiệt năng đất hấp thu - nhiệt năng cần để thay đổi nhiệt độ đất - nhiệt cần cho quá trình bốc hơi nước 50% bức xạ mặt trời đến bề mặt đất 10% đất hấp thu phần còn lại: phản xạ lại khí quyển Tỉ lệ phản xạ này gọi là: albedo. Albedo: 0.1-0.2: Đất có màu sậm 0.5: đất màu sáng đất màu sậm hấp thu năng lượng cao, nhưng nhiệt độ đất không cao! Do chứa nhiều nước ngoài màu sắc, các yếu tố: hướng dốc, mưa, độ che phủ.. Các tính chất nhiệt của đất 1. Nhiệt riêng: lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ 1 đơn vị trọng lượng đất lên 1oC. nhiệt riêng của nước: 1.oocal/g (cần 1cal để nhiệt độ của 1g nước tăng lên 1oC). Nhiệt riêng của nước> đất 2. Nhiệt và bốc hơi nước. nhiệt cần cho bốc hơi 1 lít nước: 540kcal (2.257J). Ẩm độ đất giảm 1%, nhiệt độ đất giảm 12oC. Nhưng thực tế, năng lượng cần cho bốc hơi được nhận trực tiếp từ năng lượng mặt trời. Nhiệt độ đất ẩm < đất khô: bốc hơi và nhiệt riêng đất ẩm > đất khô xác định nhiệt riêng hay khả năng giữ nhiệt của đất đất A: ẩm độ trọng lượng=10%; đất B= 30% nhiệt riêng của nước=1cal/g nhiệt riêng của đất= 0.2cal/g đất A: 10g nước/100g đất khô; hay 0.1g nước/1g đất khô. để tăng 1oC: 0.1g nước cần: 0.1g*1cal/g= 0.1cal; 1g đất cần: 1g*0.2cal/g= 0.2cal Vậy để tăng 1oC cho 1.1g đất ẩm, cần 0.3cal. nhiệt riêng: đất A= 0.3cal/1.1g đất= 0.237cal/g đất công thức tổng quát tính nhiệt riêng của đất: C(đất ẩm)= (c1m1 +c2m2)/(m1+m2). c1m1: nhiệt riêng và trọng lượng đất khô c2m2: nhiệt riêng và trọng lượng nước Đất B: C= 0.385cal/g Đất B, ẩm hơn, có nhiệt riêng cao hơn, khả năng giữ nhiệt cao hơn Kiểm soát nhiệt độ đất 1. che phủ bằng chất hữu cơ (dư thừa thực vật 2. kiểm soát nước (ẩm độ đất)-không để quá ẩm trong vùng lạnh, quá khô trong vùng nóng.