Hoá lý sinh học đất

HOÁ LÝ SINH HỌC ĐẤT Võ Thị Gương vtguong@ctu.edu.vn Yêu cầu của môn học: - Một số đặc tính cơ bản về hoá học đất. - Các tính chất lý học và sinh học liên quan đến chất lượng đất, sự phát triển của cây trồng. Sức SX của đất (Soil productivity) Nước Nhiệt độ Độ phì nhiêu của đất Chất lượng đất Tíên trình Hoá học đất Tiến trình VLý đất Tiến trình sinh họcđất Quản lý của con người Năng suất Cấu trúc tứ diện: 4 oxygen 1 Si Si hoặc Al, Fe, Mn ở giữa, 6 gốc OH xung quanh Cấu trúc sét 2:1 (Illite, Smectite, Montmorilonite) Điện tích tuỳ thuộc vào pH Điện tích âm Điện tích dương Cường độ khử Eh (mV) - NT 1(Ba vụ) -148,1 c - NT 2 (Phơi đất 3 tuần) -84,4 ab - NT 3 (Phơi đất 3 tuần+ PHC) -111,9 bc - NT 4 (2L-1Màu) -86,2 ab - NT 5 (Phơi đất 4 tuần) -53,1a (Huỳnh Đào Nguyên, 2008) Tính chất hoá học đất ngập nước • Đất có pH cao: CaCO3, CaMgCO3, MgCO3, FeCO3 CaCO3 + 2H+ Æ Ca2+ + CO2 (log K = 9.79) • Hệ thống CO2- H2O CO2 + H2O Æ H2CO3 H2CO3Æ HCO3- + H+ (pH 8-9) HCO3-Æ CO32- + H+ (pH 12-13) Sinh học đất Ảnh hưởng đến chất lượng đất Vi sinh vật đất , thành viên không thấy được, quan trọng trong sức sản xuất của đấtÆ chuyển hoá C, N, hợp chất khác trong thãi thực động vậtÆ hữu dụng cho cây trồng. Liên quan đến đặc tính vật lý đất, độ phì nhiêu đất Tæång quan giæîa âaûm khoaïng hoaï vaì hä háúp âáút N khoaïng hoaï sau 7 ngaìy uí (mg/kg) H ä h á ú p â á ú t ( C O 2 m g / k g ) -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Tương quan giữa hô hấp đất và hàm lượng đạm khoáng hoá. R2 = 0,65 (p < 0,01) (T.A.Thư, VT.Gương, 2006) • Trong điều kiện đất thoáng khí, sự phân huỷ rơm rạ do nấm hiệu quả hơn hẳn so với VK . • Có sự tương quan thuận giữa số lương dòng nấm và sự giảm trọng lượng của rơm rạ. Sự hiện diện của các dòng VK không làm tăng sự phân huỷ rơm rạ. Sự phân huỷ rơm rạ Cộng đồng VSV đất có vai trò trong tạo ra các chất ô nhiễm trong đất: Phân huỷ CHC tươi hoặc tăng hoạt động VSV Æ tiết ra chất gây độc cho cây. acetic acid,patulin, acid hữu cơ khác Các chất ô nhiễm chỉ hiện diện trong thời gian ngắn VSV có vai trò trong phân huỷ thuốc BVTV • Phân huỷ các hợp chất vòng tạo CO2 và các khoáng khácÆ VSV sử dụng năng lượng và C đưa vào cơ thể. • Enzyme qua nhiều giai đoạn, nhiều dòng VK, nấm tham gia (Pseudomonas sp.) • VSV sử dụng N,P,S • Enzyme phân huỷ thuốc BVTV: Esterases, Cytochrome P-450 monooxygenases (Streptomyces sp.), acylamidase (Pseudomonas striata), Amidase (Bacilus, Pseudomonas, và Fusarium) có thể phân huỷ hợp chất cấu trúc gần giống nhau. PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Benzene Anthracene Phenanthrene Fluoranthene Pyrene Chrysene Benzo(b)fluoranthene Benzo(a)pyrene Indenol(1,2,3-cd)pyrene Nhiều nhân vòngÆ Càng ổn định, ít hoà tan trong nước, độc tính cao, khó bị VSV phân huỷ (Dirk Springel, 2005) Naphthalene FluoreneAcenaphtene PAH-degrading soil bacteria PHENANTHRENE FLUORANTHENE PYRENE CHRYSENE BENZO(A)PYRENE FLUORENE NAPHTHALENE ANTHRACENE Pseudomonas, Ralstonia, Rhodococcus, … Sphingomonas, Terrabacter Sphingomonas, Pseudomonas, Mycobacterium, … Sphingomonas, Mycobacterium Mycobacterium, Rhodococcus, Sphingomonas, … Mycobacterium Mycobacterium DGGEAmplified16S rRNA genes PCR amplification Gel electrophoresisDNA 16S rRNA genes PCR – DGGE TECHNIQUE Cloning & Sequencing DNA isolation PAH-degrading community Cells 1. Development new detection tools1. Development new detection tools PAH-degrading soil bacteria MYCOBACTERIUM SPHINGOMONAS Xác định được 2 dòng VK Phân huỷ PAH PAH-degrading communityTăng cộng đồng VSV Phân huỷ sinh học PAH ô nhiễm đất - - Dinh dưỡng N / P - CHC Mật số VSV trong đất PAH-degrading community Bioaugmentation Thêm vào đất các dòng VK đặc biệt ?VK có sẳn trong đất Mycobacterium : Micro-scale analysisMycobacterium : icro-scale analysis Giả thuyết: VK phân huỷ hiện diện trong đất bị ô nhiễm PAHs? 1µm → Mycobacterium spp. especially in clay fraction of PAH contaminated soil 0 1 2 3 4 5 6 7 8 coarse sand fine sand loam clay total soil Soil fractions l o g M P N ( D N A c o p i e s / g d r y s o i l ) Eubacteria Mycobacterium 1,2 1 1,2 2 1,2A A A B B → Phenanthrene and pyrene degraders especially in clay fraction of PAH contaminated soil → PAH degraders in clay fraction are especially Mycobacterium 0 1 2 3 4 5 6 7 8 coarse sand fine sand loam clay total soil Soil fractions l o g M P N ( P A H d e g r a d e r s / g d r y s o i l ) Phenanthrene Pyrene 1 1 2 3 3A A B B General conclusions ● Development new detection methods = successful Sphingomonas sp. EPA505 Mycobacterium M. frederiksbergense Sphingomonas ● Mycobacterium and Sphingomonas = naturally omnipresent in PAH-contaminated soils ● PAH-concentrations↗ = Sphingomonas diversity ↘ Mycobacterium more abundant in soils with low PAH conc. Sphingomonas more abundant in soils with high PAH conc. ● Micro-scale : Mycobacterium associated with soil fraction enriched in PAH ???? Model niche Mycobacterium/Sphingomonas • Better understanding of in situ ecology of PAH-degrading bacteria – New possibilities & New things still to be discovered Tính chất vật lý đất- Ảnh hưởng chất lượng đất • Các yếu tố Vật lý đất liên quan đến SXNN Æ Liên hệ Đất-Nước : Vận chuyển nước, dinh dưỡng, khí, phát triển của rễ, nẩy mầm Thành phần cơ giới (Cấp hạt- Texture). Cấu trúc đất (Structure), Độ bền đoàn lạp (Aggregate stability): Mao dẫn (Capillarity). Dung trọng (Bulk density), Khả năng giữ nước (Water holding capacity), Đường cong pF, Thuỷ dung ngoài đồng (Field capacity), Điểm héo (Wilting point) khả năng thấm (Hydraulic conductivity), Độ nén dẽ (Soil compaction), Lực cản của đất (Soil strength resistance) Sand Sandy loam Loam Silt loam Clay loam Clay Fineness of texture -----------------> Soil moisture (%) 8 16 24 32 Field capacity Wilting coefficient Unavailable water Available water Đường cong pF (pF curve) pF Tính lượng nước hữu dụng trong đất Độ dầy 30 cm, dung trọng 1,55g/cm3 Thuỷ dung ngoài đồng (FC) 8,8g/100g, Điểm héo 3,2g/100g ? Nước hữu dụng: (8,8g – 3,2g)/100g x 1,55g/cm3 = 8,68gnước/100cm3 = 8,68 cm3/100cm3 Æ 8,68/100 x 300mm = 26 mm nước • Lượng nước được trữ tại điểm FC (mm nước) = Thể tích nước (cm3/ cm3) x độ sâu đất (mm). • Lượng nước trữ tích luỷ Độ sâu (mm) Lượng nước trữ (mm) Nuoc hd o WP Nuoc hd o FC Lượng nước cây trồng cần thiết Hô hấp, các phản ứng biến dưỡng trong cây • Cây bắp : 372 kg/ kg chất khô • Bông vải: 562 “ • Shorgo: 271 • Alfalfa: 858 • Đậu nành: 500 • Lúa: Cao nhất giai đoạn đâm chồi – vào chắc 600-800mm Trung bình 500 kg/kg chất khô. • Cân bằng nước: tính toán sự bốc thoát hơi nước do cây trồng, sự bốc hơi nước tử đất, khả năng giữ nước, lượng nước hữu dụng trong đất, vũ lượng, lượng nước tưới. • Vùng sản xuất dựa vào nước trời 01 2 3 4 5 6 7 8 7 9 16 26 33 Tuổi liếp (năm) Đ ộ n é n d ẽ ( M P a ) 0-15 cm 15-30 cm 30-45 cm Nén dẽ: 3MPa 2.5 MPa: hạn chế phát triển của rễ Độ nén dẽ của đất .1,21 aVCơ + HCơ + Tricô 1,22 aVCơ + HCơ 1,77 bVô cơ 1,95 bĐối chứng Lực cản (MPa) Nghiệm thức Lực cản của đất vườn CChôm vào cuối vụ Chỉ số độ bền đoàn lạp aa a b 0 20 40 60 80 100 120 Đối chứng Bình linh Đậu xanh Phân chuồng + bã bùn mía Nghiệm thức Đ ộ b ề n đ o à n l ạ (Võ Thị Gương, Châu Minh Khôi, 2007) Câu hỏi thảo luận 1. Hãy giải thích tại sao đất có pH thấp, nhiều oxid Fe, Al khi tăng nồng độ muối bằng xác định pH KCl, pH đất lại cao hơn? 2. Tìm số liệu NC chứng minh hoạt động sinh học đất giúp tăng cường độ phì nhiêu đất? 3. Tìm số liệu NC chứng minh cải thiện đặc tính vật lý đất giúp cải thiện độ phì nhiêu đất và hoạt động sinh học đất ?