Tình hình chung về đất lúa nước

1 Chương 1 TÌNH HÌNH CHUNG VỀ ĐẤT LÚA NƯỚC 1.1 Đất lúa nước trên thế giới Theo số liệu của FAO (2004) sản lượng lúa của thế giới năm 2003 đạt 589 triệu tấn. Nó vượt xa sản lưọng lúa mì và chiếm khoảng 28,4% tổng sản lượng ngũ cốc của thế giới. Những năm gần đây sản lượng ngô trội hơn lúa, nhưng chủ yếu dùng để làm thức ăn gia súc chứ không phải dùng trực tiếp cho con người. Lúa là lương thực chính và đóng vai trò quan trong đối với người dân ở châu Á, một phần châu Phi và châu Mỹ, nuôi dưỡng khoảng gần một nửa số dân của thế giới hiện nay. Theo Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI, 2002) khoảng 11% tổng diện tích canh tác lúa của thế giới là ở vùng đất dốc, diện tích còn lại là đất ngập nước như: Đất lúa nhờ mưa, đất lúa ngập nước sâu, đất lúa có tưới. Lúa tuy có mặt ở nhiều nước trên thế giới, nhưng tập trung chủ yếu ở châu Á. Theo số liệu thống kê của IRRI, diện tích lúa trên thế giới năm 2004 như sau: Bảng 1.1 Diện tích lúa (gần đúng) trên thế giới từ năm 2000 đến năm 2004 (1000 ha) Năm Thế giới Châu Á Nam Mỹ Bắc và Trung Mỹ Châu Phi Châu Âu 2000 154121 138141 5652 1965 7616 606 2001 151654 136174 5119 2024 7584 568 2002 147578 131453 5028 1999 8384 557 2003 152241 134325 5181 1871 10238 573 2004 153257 134544 5799 2026 10220 594 Nguồn: //www. Irri.org/science/ricestat/15.6-2006 1.2 Đất lúa nước ở Việt Nam 2 Chương 2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT LÚA NƯỚC Do canh tác trong điều kiện ngập nước, trạng thái khử chiếm ưu thế trong đất làm cho tính chất của đất diễn biến theo chiều hướng khác nhiều so với đất ban đầu chưa trồng lúa, hình thành loại đất mới với những đặc tính đặc trưng. 2.1 Học thuyết thế năng oxi hoá khử Quá trình oxy hoá khử là quá trình liên quan đến thu hoặc nhưòng oxy, hydro hoăc điện tử. Trong đó quá trình oxy hoá là quá trình nhận oxy hoặc loại hydro hoặc điện tử và làm tăng số oxy hoá. Ngược lại quá trình khử oxy là quá trình loại oxy hoặc nhận hydro hoặc điện tử và làm giảm số oxy hoá. Hai quá trình này liên hệ tương hỗ với nhau, chất cho điện tử bị oxy hoá, chất nhận điện tử bị khử oxy. Thế oxy hoá khử là mức đo trình độ oxy hoá khử của một hệ thống đo được nhờ một điện cực có tính trơ như cực bạch kim hay vàng tiếp xúc với hệ thống đo. Đối với một hệ thống như: Chất oxy hoá + n.e chất khử oxy Ví dụ, Fe3+ + e Fe2+, trong nhiệt động học, thế oxy hoá khử tính theo biểu thức sau đây: Eh =Eo + (RT/nF) ln(aOx/aRed) = Eo + (0,059/n) log(aOx/aRed) trong đó Eh: Thế năng oxy hoá khử (tính bằng von-V), Eo: Thế năng oxy hoá khử tiêu chuẩn khi hoạt độ chất oxy hoá bằng hoạt độ chất khử bằng 1, R: Hằng số khí lý tưởng (universal), T: nhiệt độ tuyệt đối, n: số điện tử trao đổi, F: Hằng số Faraday, aOx: Hoạt độ của chất oxy hoá (oxidant), aRed: Hoạt độ của chất khử (reductant). Sự hình thành các ion phức và sự biến đổi của nồng độ ion hydro làm thay đổi đáng kể thế oxy hoá khử. Sự hình thành các ion phức làm cho một phần chất oxy hoá hoặc chất khử bị mất hoạt tính. Ví dụ khi cho NaF vào hệ thống Fe3+ - Fe2+, do Fe3+ biến thành ion phức FeF63- làm cho Eh từ 0,73V giảm xuống đến 0V. Hoặc khi có mặt của các chất hữu cơ, vì Fe và Mn có khả năng tạo thành các phức càng của với một vài thành phần hữu cơ nên thế oxy hoá khử của hệ thống sắt và mangan bị thay đổi nhiều. Hình 2.1 Biểu đồ Eh-pH (Yamane và Koseki, 1976, dẫn theo Masakazu Mizutani, 1999). Đường chấm chỉ các hệ thống không tồn tại. Sự thay đổi của nồng độ ion hydro có thể do ion hydro tham gia vào tác dụng oxy hoá khử mà ảnh hưởng trực tiếp đến thế oxy hoá khử hoặc do ion hydro ảnh hưởng đến cân bằng ion mà ảnh hưởng gián tiếp đến thế oxy hoá khử. Do pH = -lgaH+ nên khi nồng độ ion hydro thay đổi làm pH thay đổi, kéo theo sự thay đổi của Eh. Mối quan hệ giữa Eh và pH được biểu thị bằng biểu đồ Eh-pH (hình 2.1). dEh/dpH là độ dốc của đường biểu diễn Eh-pH. Khi pH biến thiên một đơn vị thì Eh sẽ biến thiên từ 0 đến 0,06V. Trong đất, do sự có mặt của hệ hỗn tạp các chất hữu cơ và vô cơ, sự phụ thuộc Eh – pH càng thêm phức tạp. Vì vậy, ảnh hưởng của độ pH đến thế oxy hoá khử không thể lập thành một quy luật tổng quát được. Thế oxy hoá khử của một vài hệ thống biến thiên theo độ pH, hiện tượng này có ý nghĩa rất lớn trong việc giải thích hiện tượng oxy hoá khử của đất – nó có thể làm 3 thay đổi rất nhiều vị trí tương đối của một hệ thống về thứ tự oxy hoá khử, trong thứ tự đó, hệ oxy và hệ hydro đứng ở hai đầu. Ví dụ thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ: MnO2 + 4H+ + 2e Mn2+ + H2O và hệ NO3- + H2O + 2e NO2- + 2OH- là 1,23V và 0,00V. Điểm này chứng tỏ rằng chỉ sau khi một lượng lớn MnO2 bị khử thì muối nitrat mới bị khử thành muối nitrit. Nhưng khi đổi thành pH 7,0 thì thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ MnO2 – Mn2+ biến thành 0,43V và thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ NO3- - NO2- bị biến thành 0,41V. Do đó, ở pH 7,0 MnO2 và NO3- hầu như đồng thời bị khử. Ảnh hưởng của độ pH đến vị trí tương đối về thứ tự oxy hoá khử của hệ sắt càng rõ rệt hơn. Thế điện cực của hệ Fe3+ - Fe2+ là 0,77V. cho nên, trên lý luận, khi điện thế hạ thấp đến mức đủ để cho NO3- bị khử rõ rệt, thì trước đó rất lâu Fe3+ đã bị khử. Nhưng một số kết quả nghiên cứu trong đất yếm khí cho thấy, cho đến khi NO3- hầu như hoàn toàn mất đi, mà Fe2+ vẫn chưa xuất hiện với một số lượng rõ rệt. Khi điều chỉnh điện thế tiêu chuẩn đến pH 7,0 để so sánh thì hiện tượng không bình thường đó biến mất. Điện thế tiêu chuẩn của hệ NO3- - NO2- là 0,41V, của hệ Fe3+ - Fe2+ là 0,10V. Đất là một hệ thống oxy hoá khử phức tạp bao gồm các hệ thống oxy hoá khử khác nhau, ví dụ: Phản ứng điện hoá Eo (V) Eo lúc pH=7,0 (V) O2 + 4H+ + 4e 2H2O 1,23 0,82 Fe3+ + e Fe2+ 0,77 - MnO2 + 4H+ + 2e Mn2+ + 2H2O 1,23 0,43 NO3- + H2O + 2e NO2- + 2OH- 0,00 0,41 Fumarat + 2H+ + 2e Suxinat -0,03 Oxalaxetat + 2H+ + 2e Malat -0,10 Fe(OH)3 + e Fe2+ + 3OH- 0,77 -0,10 Pyruvat + 2H+ + 2e Lắctat -0,18 Axetaldehyt + 2H+ + 2e Etanol -0,19 SO32- + 3H2O + 6e S2- + 6OH- -0,61 -0,20 2H+ + 2e H2 0,00 -0,41 SO42- + H2O SO32- + 2OH- -0,60 -0,49 Trong bảng này, điện thế oxy đại biểu mức cao nhất của tác dụng oxy hoá, còn điện thế hydro đại biểu mức cao nhất của tác dụng khử oxy. Trên lý thuyết, trong bảng này, bất cứ một hệ thống nào cũng đều có thể xảy oxy hoá hệ đứng dưới nó. Qua trên thấy rõ: Trong đất được thoát nước tốt và được thông khí, ở pH = 7,0 hệ thống có thể tác dụng là những hệ thống mà điện thế của chúng khi ở pH = 7,0 là dương so với hệ Fumarat – Suxinat. Trong những hệ thống này, oxy rõ ràng là quan trọng nhất. Trong đất thoát nước tốt, oxy được cung cấp vô hạn với một áp suất riêng phần rất cao. Cho nên hệ oxy có chiều hướng chi phối điện thế. Hệ sắt gần như là một hệ quan trọng thứ hai trong đất do: (a) Trong đất có nhiều hợp chất sắt. (b) Khi trong đất bị ngập nước nồng độ của sắt hai tăng lên. (c) Khi chuẩn độ điện thế, dịch chiết đất bằng axit sunfuric biểu hiện rất giống như hệ Fe3+ - Fe2+; (d) Điện thế của đất nằm trong điện thế của hệ sắt. Trong đất thoáng khí, hệ sắt không được thừa nhận là hệ chủ đạo, đó là vì nồng độ của nó thấp và bị hệ oxy mạnh hơn che lấp và khi pH lớn hơn 2,5 điện thế của hệ sắt sẽ quyết định bởi suất riêng phần của oxy và nồng độ của ion H+. Nói một cách khác, trong đất được thông khí tốt hệ sắt được thay thế bằng hệ oxy. Trong đất được tháo nước tốt, ngoài hệ sắt ra còn lại hệ MnO2 – Mn2+ và hệ NO3- - NO2-, hai hệ này cũng thay đổi theo hệ oxy. Hệ MnO2 – Mn2+ có tầm quan trọng nhất định. Tầm quan trọng đó là ở chỗ hệ này rất phổ biến trong đất. Độ hoà tan của Mn2+ lớn hơn độ hào tan của Fe3+ và Fe2+, hơn nữa thế oxy hoá khử tiêu chuẩn ở pH = 7,0 của hệ này gần với điện thế ở cùng độ pH quan sát được trong đất được thoát nước tốt. Điều khó khăn là cũng giống như Fe2+, Mn2+ bị oxy trong không khí oxy hoá rất nhanh cho nên nồng độ của Mn2+ là quyết định bởi áp suất oxy và pH. Theo Hemstock và Low (1953), khi độ pH=2,7, oxy trong không khí vẫn có thể oxy hóa Mn2+ 4 (nồng độ là 0,00027% dung dịch đất), cho nên trong đất được thông khí tốt, cũng giống như hệ Fe3+ - Fe2+, hệ MnO2 – Mn2+ bị che lấp bởi hệ oxy. Về thứ tự oxy hoá khử, hệ NO3- - NO2- hầu như ngang bằng với hệ MnO2 – Mn2+. Điện thế của hệ này nằm trong phạm vi điện thế của đất. Ngoài ra, nó là hệ thống có nồng độ thường là cao nhất trong dung dịch đất. Tuy nhiên hệ này có nhược điểm là: trong nhiệt động học hệ NO3- - NO2- không thuận nghịch. Có lẽ, cũng vì nguyên nhân đó, nên khi nghiên cứu thế oxy hoá khử của đất, hệ NO3- - NO2- rất ít được người ta chú ý đến. Nhưng do ảnh hưởng của men, tế bào vi sinh vật và các chất keo tồn tại trong đất, những vật mang năng lượng làm trở ngại đến tính thuận nghịch tương hỗ, đều có thể bị loại trừ và hệ NO3- - NO2- càng phát sinh tính thuận nghịch của nó. Vì vậy hệ NO3- - NO2- có ảnh hưởng rõ rệt đến điện thế của hệ oxy hoá khử đất. Ngoài ra trong đất còn tồn tồn tại các hệ oxy hoá khử vô cơ khác: Cu2+ - Cu+, Co3+ - Co2+, SO42- - S2-… Hệ Oxalaxetat – Malat của hệ khử oxy là một thành phần của vòng tuần hoàn tricacboxylic trong sự hô hấp không có oxy, do khử hydro của axit suxinic theo phương trình: CH2COOH-CH2COOH CH2COOH=CH2COOH +2H+ + 2e và thông qua quá trình trung gian của chất chuyển vận hydro để kết hợp với oxy không khí. Trong điều kiện yếm khí, ngoài oxy không khí ra, các chất khác cũng có thể là chất nhận hydro (ví dụ, muối nitrat). Hệ Oxalaxetat – Malat cũng giống như hệ Fumarat – Malat, tồn tại rộng rãi trong các hệ thống sinh vật, nó là một thành phần trong chu trình Krebs. Tuy rằng hệ này cũng giống như các hệ tương tự với nó, có thể cung cấp hydro hoạt tính, nhưng vì cân bằng của hệ này rất kém, cho nên đóng góp của nó cho hệ oxy hoá khử không thể lớn hơn được. Trong các hệ hữu cơ của đất, quan trọng nhất là hai hệ yếm khí điển hình: Pyruvat – Lactat, Axetaldehyt - Etanol. Trong điều kiện hiếu khí, khi sự phân giải đường sinh ra DPN (điphosphopyriđin nucleotit) có tính khử oxy, qua quá trình trung gian của chất vận chuyển hydro, bị oxy không khí oxy hoá. Khi điều kiện trở thành yếm khí, DPN có tính khử oxy hoá trở lại, còn axit pyruvic hoặc sản phẩm của axit pyruvic bị khử oxy. Như thế là đã xảy ra hai loại hệ oxy hoá khử, hệ Pyruvat – Lactat, và hệ Axetaldehit - Etanol: CH3COCOOH + 2H+ + 2e CH3CHOHCOOH CH3CHO + 2H+ + 2e C2H5OH Căn cứ vào sự tồn tại rộng rãi của các hệ này, và dựa vào nồng độ tương đối cao phát hiện trong điều kiện yếm khí trong đất ngập nước, chúng có thể có đóng góp nhất định đối với hệ oxy hoá - khử của đất. Các nhân tố ảnh hưởng đến điện thế oxy hoá khử của đất là mức độ thoáng khí, hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân giải và dạng gốc muối của đất. Mức độ thoáng khí của đất ảnh hưởng rõ rệt đến điện thế oxy hoá khử. Thông khí tốt và do đó giữ được nồng độ oxy cao có thể sinh ra điện thế cao, còn bất kỳ nhân tố nào làm cho nồng độ của oxy giảm thấp đều đưa đến kết quả ngược lại. Bảng 2.1 Biến thiên của nồng độ oxy và Eh của bùn hồ ở những độ sâu khác nhau Độ sâu (cm) 0 1.2 2.4 4.8 Oxy hoà tan (mg/l) 4,0 0,4 0,1 0,0 Eh ở pH=7 (V) 4,5 0,2 -0,1 -0,1 Nguồn: Mortiemer (1942) Chất hữu cơ trong đất cũng ảnh hưởng lớn đến điện thế oxy hoá khử của đất, đặc biệt khi trong đất chứa nhiều chất hữu cơ dễ oxy hoá, khi ngập nước làm cho Eh hạ thấp một cách rõ ràng. Pha keo của đất cũng có thể ảnh hưởng đến hệ oxy hoá khử của đất. Thực nghiệm đã chứng minh được rằng thể keo của đất ít nhất cũng có thể ảnh hưởng đến quan hệ Eh – pH của đất. Kohnke (1934) phát hiện đường cong Eh – pH của hệ Fe3+ - Fe2+ khác rất nhiều so với đất, nhưng khi cho đất sét đã điện phân vào hệ thống thì đường cong Eh – pH của hệ Fe3+ - Fe2+ gần với đường cong Eh – pH của đất. 5 Thế oxy hoá khử là một tính chất hoá lý giản đơn nhất dùng để đánh giá mức độ oxy hoá khử của đất. Đất khô, thoát nước, thoáng khí, chứa nhiều chất dạng oxy hoá được thể hiện bằng thế oxy hoá khử cao và ngược lại, đất ngập nước, bí, chặt, trong đất chứa nhiều chất khử được biểu hiện qua thế oxy hoá khử thấp. Theo U. Kh. Patric (dẫn theo D. X. Orlov,. Hoá học đất. 1992) có thể phân loại quá trình oxy hoá khử của đất dựa vào giá trị Eh như sau: Quá trình khử mạnh: (-0,30) – (-0,10)V Quá trình khử trung bình: (-0,10) – (+0,15)V Quá trình khử yếu: (+0,15) – (+0,45)V Quá trình oxy hoá: (+0,45) – (+0,70)V 2.2 Đặc tính đất trong điều kiện ngập nước 2.2.1 Hình thái phẫu diện của đất lúa nước Phẫu diện đất lúa thường bao gồm các tầng sau: (1) Tầng canh tác: Ký hiệu Ac, dày từ 10 đến 20 cm, là tầng chịu ảnh hưởng sâu sắc của con người. Ở đây vật chất và năng lượng thay đổi lớn, vi sinh vật đất cũng hoạt động rất mạnh. Vì thế, đây là tầng có vai trò rất quan trọng đối với sinh trưởng và phát triển của cây lúa. Tầng này chia thành hai lớp: Hình 2.2 Phẫu diện đất lúa nước + Lớp oxy hoá (lớp bùn lỏng): Chỉ dày vài milimet, gồm các hạt đất rất mịn nên có thể kết thành váng khi cạn nước. Lớp đất này luôn ở tình trạng oxy hoá (Eh từ 250 đến 400 mV) vì thế thường có mầu nâu vàng. Chất hữu cơ ở đây phân giải tương đối mạnh. + Lớp khử oxy (lớp bùn nhão): Do bị ngập nước và xác hữu cơ phân giải trong điều kiện yếm khí nên sinh ra nhiều chất khử làm cho Eh ở đây thấp (< 200 mV). Sự hình thành hai lớp oxy hoá và khử oxy có ý nghĩa nhất định trong việc sử dụng phân đạm. Nếu bón đạm amôn vào lớp oxy hoá sẽ biến thành NO3-. NO3- không được keo đất hấp phụ nên thấm xuống lớp khử oxy, sau đó bị khử thành NO2- rồi thành N2 bay đi. Đó là hiện tượng mất đạm trong đất lúa (quá trình phản nitrat hoá). Muốn khắc phục tình trạng này cần kết hợp sục bùn, vùi đạm xuống sâu và phá huỷ lớp oxy hoá. Dựa vào màu sắc tầng canh tác có thể đánh giá mức độ thuần thục của đất. Ví dụ đất có màu đen hoặc xám đen là thuần thục và giàu mùn; đất có màu xám gio hoặc xám trắng là xấu vì đất nghèo mùn và chất dinh dưỡng trong đó có sắt bị rửa trôi. Khi cạn nước mà tầng canh tác có màu nâu đỏ bọc quanh thành các khe hở là đất khá thuần thục (nông dân Trung Quốc gọi là đất huyết lươn). (2) Tầng đế cày: Ký hiệu là P, thường ở độ sâu từ 10 đến 20 cm tiếp theo tầng canh tác. Tầng này được hình thành do quá trình trồng lúa nước lâu đời, các hạt sét từ tầng canh tác lắng xuống cộng thêm tác dụng cơ học của máy kéo, cày, bừa, trâu, bò và người làm cho tầng này trở nên chặt, ít thấm nước và khí. Thời gian trồng lúa càng lâu đời thì tầng này xuất hiện càng rõ và mỏng dần đến ổn định (chiều dày từ 5 đến 10 cm). Lớp ôxi hoá Lớp khử Tầng canh tác AA Tầng đế cầy P Tầng tích tụ B Tầng Gley G 6 Sự hình thành tầng đế cày có ý nghĩa quan trọng đối với độ phì đất lúa. Nó có thể ngăn cản nước thấm quá nhanh bảo đảm cho tầng canh tác giữ được nước trong thời gian tương đối lâu, các chất dinh dưỡng ít bị thấm trôi đi. Tuy nhiên, nếu tầng này quá chặt thì nước lại thấm khó, ảnh hưởng xấu đến sự đổi mới hoàn cảnh dinh dưỡng ở tầng canh tác, cản trở bộ rễ phát triển. (3) Tầng tích tụ: Ký hiêu là B. Nếu trồng lúa nước lâu đời, mức độ thoát nước tốt thì tầng tích tụ xuất hiện vệt loang lổ đỏ, vàng, trắng, đen…của sắt và mangan và hàm lượng sét cao. Vì vậy tầng này còn gọi là tầng loang lổ. Nếu bí nước, nước ngầm cao thì tầng này thường có màu xám hoặc glây mạnh. Độ dày của tầng tích tụ tuỳ thuộc vào mức độ phát triển của đất lúa và mực nước ngầm cao thấp. Nếu mức độ phát triển cao, thời gian cannh tác lâu dài và nước ngầm thấp thì tầng B dày. (4) Tầng glây: Ký hiệu là G. Tầng này hình thành do ảnh hưởng thường xuyên của nước ngầm làm cho đất bí, các hợp chất của Fe hoá trị 3 bị khử oxy thành hợp chất Fe hoá trị 2 làm cho đất có màu xanh xám, xanh lơ. Nếu đất thoát nước tốt thì ngoài màu xanh ra còn điểm thêm một số vệt đỏ, vàng. Tầng G thường có hàm lượng sét cao và điện thế oxy hoá khử, Eh rất thấp. Mực nước ngầm càng cao thì tầng glây xuất hiện càng nông. Ở các đất trũng glây thường ở độ sâu 30 - 40 cm so với mặt đất, thậm chí xuất hiện ngay trên tầng canh tác. Tầng glây ở độ sâu 60 – 80 cm là thích hợp nhất cho sự phát triển của cây lúa. Nếu ở nông hơn 60 cm đất thường bị lầy, bí. Nếu sâu hơn 80 cm (do nước ngầm ở sâu) thì khó giữ nước trên mặt không phù hợp với sự sinh trưởng của cây lúa. Tuy nhiên ở những nơi chủ động về nước tưới thì tầng glây ở độ sâu dưới 80 cm cây lúa vẫn có thể sinh trưởng tốt và cho năng suất cao. 2.2.2 Đặc tính vật lý của đất ngập nước Một trong những ảnh hưởng trực tiếp của việc dẫn nước vào ruộng là sự giảm rất mạnh quá trình trao đổi khí thông thường giữa đất và không khí. Mức ảnh hưởng đó có thể thấy rất rõ thông qua trị số tương đối của hệ số khuyếch tán D trong không khí và nước. Trong phương trình: V = - aD(T/To)2dp/dl trong đó: V: Tốc độ khuếch tán, cm3 cm-2giây-1. a: Tỷ lệ khe hở dp/dl: Gradian áp lực. T: nhiệt độ tuyệt đối. Đối với oxy, tỷ số Dnước/Dkhông khí là 10-4. Do đó sự xâm nhập của oxy (và những chất khí khác trong không khí) bị hạn chế nhiều. Các chất khí của đất cũng bị ảnh hưởng với một mức độ như thế khi thoát ra ngoài do tác dụng khuyếch tán. Kết quả cuối cùng là nồng độ oxy trong đất giảm xuống đến một trị số rất thấp, mà nồng độ các chất khí của đất, chủ yếu là CO2 thì lại tăng lên, đặc biệt là trong những điều kiện có lợi cho các sinh vật hoạt động. Tuy rằng, quan hệ giữa nồng độ của O2 và CO2 không nhất định là nghịch đảo với nhau, nhưng chắc chắn là nồng độ của CO2 trong đất ngập nước cao hơn nồng độ CO2 của đất bình thường. Sự giảm sút của O2 và sự tích luỹ của CO2 sẽ đưa lại hậu quả quan trọng, điểm này về sau sẽ thảo luận sau. Hạn chế ở mức độ cao sự khuyếch tán của oxy, không có nghĩa là trên toàn phẫu diện của đất ngập nước đều không có oxy. Ở lớp đất mặt (vài mm đến 1 cm) và dưới một độ sâu nhất định, nồng độ của oxy có thể tương đối lớn. Giữa hai lớp đó là lớp đất hầu như không có oxy. Có thể do sự phát triển mạnh của rễ cây ở vùng này làm giảm giảm lượng oxy (do hô hấp của rễ cây). Việc giảm oxy đi liền với sự tăng thêm các sản phẩm khí điển hình như metan và nitơ do sự phân giải yếm khí các chất hữu cơ. Theo Harrison và Aiyer (1913) tỷ lệ tương đối của các chất khí đó thay đổi rất lớn: Tổng lượng metan thay đổi từ 15% đến 75%, nitơ khoảng từ 7 10% đến 95%. Khí cacbonic thường cùng tồn tại với một ít oxy và hydro. Tỷ lệ CO2 thay đổi từ 1% đến 20%, trung bình là 5%. Khí oxy rất ít. Hydro thường là không có, nhưng trong một vài nơi đất chưa trồng trọt có thể cao đến 10%. Ngập nước cũng có ảnh hưởng đến các tính chất vật lý khác của đất như: kết cấu, tính chất cơ lý và nhiệt độ đất, tuy rằng không rõ ràng như những tác dụng đã nói ở trên. Sturgis (1936) nhấn mạnh rằng ngập nước có ảnh hưởng phá hoại kết cấu của đất. Theo ông trong tình trạng trồng lúa lâu dài, sự phân tán của đất là nguyên nhân làm cho năng suất tụt xuống. Nhưng nguyên nhân của nó có phải là do bản thân ngập nước hay là do tích luỹ những chất có tính kiềm do nước dẫn vào ruộng, điều đó chưa rõ lắm. Ngập nước ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất như tính dính, tính dẻo và tính liên kết. Đứng về sự sinh trưởng của lúa mà nói, sự thay đổi quan trọng duy nhất có lẽ là làm giảm các trở ngại cơ giới gặp phải trong đất cạn. Ảnh hưởng của ngập nước đối với nhiệt độ của đất tuân theo hai tính chất nhiệt học quan trọng của nước, đó là nhiệt dung và nhiệt bốc hơi lớn của nước. Nhiệt dung của nước lớn ngăn cản không cho nhiệt độ đất ngập nước thay đổi nhiều; nhiệt bốc hơi cao làm cho đất ngập nước mát hơn đất khô. Tác dụng làm nguội của việc dẫn nước làm giảm tác hại của nhiệt độ cao ở những vùng nóng, còn tác dụng làm ổn định nhiệt độ đất của nước thì làm giảm tác hại của nhiệt độ thấp ban đêm. 2.2.3 Đặc tính hoá lý của đất ngập nước Sự ngập nước của đất có thể gây ra một loạt thay đổi tính chất về lý hoá, trong đó sự biến đổi quan trọng nhất là độ pH tăng cao, tính dẫn điện tăng cao và điện thế oxy hoá khử hạ thấp. * Sự tăng cao của pH Sự ngập nước của đất làm cho pH tăng cao dần. Sự thay đổi đó lớn hay nhỏ hầu như là quyết định bởi pH ban đầu, bởi hàm lượng chất hữu cơ và thời gian ngập nước. Conner (1918) và Gillespie (1920) là những người đầu tiên phát hiện ảnh hưởng của việc ngập nước đến độ chua của đất. Độ chua của đất chịu ảnh hưởng của hàm lượng nước một cách rõ rệt. Sự thay đổi của độ chua của đất đi đôi với sự thay đổi của vài thành phần, đặc biệt là nồng độ của sắt và mangan. Độ chua hạ thấp rõ rệt cùng với sự tăng lên của hàm lượng nước trong đất. Dennett (1932) quan sát thấy rằng độ pH của đất trồng lúa khô và đất được dẫn nước khác nhau rất rõ rệt: Khi đất ở trạng thái khô pH là 4,5-5,0, khi ngập nước pH là 6,5-7,0. Khi tháo cạn nước đi, sự thay đổi đó sẽ ngược lại. Ông là người đầu tiên chú ý đến ảnh hưởng của cân bằng Fe3+- Fe2+ đối với pH của đất. Joffre (1935), Reed và Sturgis (1939) có những kết luận tương tự. Khi pH ban đầu thấp, sự ngập nước làm tăng pH càng rõ và khi đất có chứa nhiều chất hữu cơ thì pH tăng càng nhiều. Độ pH tăng cao trong đất ngập nước gắn liền với sự tăng cao nồng độ của NH3, Fe2+, Mn2+. Các hydroxit của chúng đều là những bazơ yếu có thể trung hoà ion hydro của đất làm cho độ chua của đất giảm xuống. * Tính dẫn điện Đất ngập nước hoà tan rất nhiều chất, nồng độ của các chất hoà tan tăng làm cho độ dẫn điện của đất cũng tăng lên. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do sự tăng nồng độ của sắt, mangan, NH3 và các muối khác được giải phóng ra từ trong bùn có tính khử. Thí nghiệm của Mortimer (1941) đã khẳng định điều trên và ông thấy rằng độ dẫn điện suốt trong 117 ngày không ngừng tăng lên sau đó bắt đầu hạ xuống. Ông cho rằng sự kết tủa của sắt hai sunfua là nguyên nhân làm cho độ dẫn điện hạ xuống. Cần chú ý rằng khi ngập nước do tác dụng phản nitrat hoá làm cho NO3- mất đi, do tác dụng khử oxy và sự hình thành sunfua khó hoà tan dẫn đến SO42- giảm đáng kể, nhưng bù lại, nồng độ CO2 tăng lên mạnh làm tăng độ dẫn điện của đất có chứa quá nhiều canxi. 2.2.3 Đặc tính hoá học 8 Lúc ngập nước, tính chất hoá học của đất có một sự chuyển hoá mạnh mẽ. Những thành phần oxy hoá như Fe3+, Mn4+, NO3-, SO42- đặc trưng của đất được thoát nước tốt, hầu như mất đi và thay thế bởi các thành phần tương ứng có tính khử oxy như Fe2+, Mn2+, NH4+ và S2-. Quá trình phân giải của các chất hữu cơ cũng không sinh ra CO2 mà là sinh ra các axit hữu cơ và metan. Những biến đổi đó là kết quả hoá học và sinh hoá học của sự thiếu oxy trong điều kiện ngập nước. * Sự khử sắt: Trong đất, nguyên tố sắt tồn tại ở dạng khoáng vật nguyên, sắt oxit ngâm nước và những sản phẩm hữu cơ và vô cơ của chúng; trong đó sắt oxit ngậm nước là quan trọng nhất vì trong đất chúng là thể chủ yếu. Trong các đất thoát nước, những hợp chất đó hầu như tồn tại ở dạng sắt ba, có mầu nâu hoặc màu đỏ. Chúng rất khó hoà tan trong nước và có khả năng cố định rất mạnh đối với các ion phốt phát (lân) hoà tan. Nhưng khi ngập nước xảy ra những sự biến đổi rõ rệt, màu nâu hoặc đỏ biến thành mầu lam lục hoặc đen, một lượng sắt lớn chuyển vào dung dịch đất và khả năng cố định lân giảm xuống rõ rệt. Đó là do kết quả của việc hợp chất sắt ba bị khử thành sắt hai do sự giảm thấp của điện thế oxy hoá khử và nồng độ oxy trong đất ngập nước. Sự khử sắt còn là kết quả hoạt động của vi sinh vật hoặc tác động của các sản phẩm của sự phân giải các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật. Sự ngập nước của đất là điều kiện rất thích hợp để tạo ra sự khử oxy và sự hoà tan sắt, nhất là khi có các chất hữu cơ dễ phân giải tồn tại. Tuy nhiên, khi đất ngập nước một lượng lớn sắt ba bị khử, nhưng do sự kết tủa của sắt hai hydroxit, sắt hai cacbonat, sắt hai sunfua, nồng độ ion sắt hai tự do trong dung dịch đất vẫn tương đối thấp. Phản ứng kết tủa chịu sự chi phối của cân bằng ion, trong cân bằng này có Fe2+ và ion OH-, CO2 và H2S. Tích số hoà tan của sắt hai hydroxit trung bình vào khoảng 6,4 .10-18. Căn cứ vào điều này, một loại đất ngập nước khử oxy cao độ, ở pH 7, trong dung dịch sẽ có chừng 0,001 mol/lít ion sắt hai. Quan hệ giữa nồng độ Fe2+ trong dung dịch và pH có thể biểu thị như sau: pFe2+ = 2pH – 10,8. Trong đất ngập nước, nhất là ở điều kiện khử oxy mạnh, nồng độ của CO2 bằng mấy trăm lần nồng độ của nó trong không khí. Vì vậy, CO2 có thể có ảnh hưởng rất lớn đến sự kết tủa và hoà tan sắt hai. Tích số hoà tan của sắt hai cacbonat là 3,5 .10-11. Giả sử, áp suất của CO2 là 0,1 at (đối với đất ngập nước, đây là một trị số hợp lý), lúc ở pH 7,0 nồng độ CO32- vào khoảng 6 .10-5 mol/lít. Nồng độ CO32- như thế này đủ để làm cho Fe2+ có nồng độ 6 .10-7 mol/lít kết tủa. Cân bằng khống chế sự tác dụng tương hỗ của Fe2+ và H2S là: FeS Fe2+ + S2- Ks = 3,7 .10-19 H2S H+ + HS- K1 = 9,1 .10-8 HS- H+ + S2- K2 = 1,2 .10-15 Tích số hoà tan của sắt hai sunfua rất thấp, khi nồng độ của Fe2+ là 10-3 mol/lít thì sẽ làm cho nồng độ ion của sunfua thấp hơn 3,7 10-16 mol/lít. Quan hệ giữa Fe2+ và H2S có một ý nghĩa thực tế tương đối lớn, biểu thị bằng công thức sau: K1K2/Ks = [H+]2 / [Fe2+][H2S] hoặc pFe2+ = -3,52 + 2pH – pH2S Qua phương trình trên có thể thấy: Ở pH = 7,0 và nồng độ Fe2+ khoảng 10-13 mol/lít nồng độ H2S khoảng 10-8 mol/lít. Cho nên sự tồn tại của sắt làm cho nồng độ của H2S hạ xuống đến một trị số rất thấp. Vì vậy ảnh hưởng có hại của H2S đối với lúa chỉ xảy ra trong những đất lúa thoái hoá có chưa sắt và mangan rất thấp. Fe2+ không chỉ tồn tại ở dạng ion tự do trong đất, nó dễ dàng phản ứng với chất hữu cơ để hình thành phức chất, đặc biệt dạng phức càng cua (chelat) rất bền trong dung dịch đất. Sự phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí đã cung cấp các chất hình phức càng cua như: Metahydroxyl axit, đicacboxyl axit, hydroxy đicacboxyl axit, đicacboxyl amin axit và amino axit chứa lưu huỳnh-xystein… Như thế, số lượng sắt hai có thể giữ được trong dung dịch đất ngập nước vượt xa số lượng mà cân bằng ion cho phép. Đồng thời, cũng không thể gạt bỏ khả 9 năng hình thành phức chất hữu cơ không hoà tan của sắt hoá trị thấp. Ngoài ra một phần Fe2+ được giữ trên bề mặt keo đất ở dạng cation trao đổi. * Sự khử mangan. Sự chuyển hoá của mangan do ngập nước gây ra cũng giống như sự chuyển hóa của sắt, hai sự chuyển hoá này khác nhau rất ít, nói rằng đó là sự khác nhau về mức độ đúng hơn là nói rằng khác nhau về hình thức. Trong đất thoát nước tốt, mangan tồn tại dưới dạng các oxit có hoá trị tương đối cao (MnO2, Mn2O3, Mn3O4), mangan hoá trị hai (Mn2+ trao đổi và Mn2+ trong dung dịch) và phức chất của mangan hoá trị hai, hoá trị ba. Một điểm giống nhau giữa mangan hoá trị tương đối cao và sắt ba oxit là độ hoà tan trong nước rất thấp, chỉ khác là mangan dễ bị khử hơn. Trái lại, vì mangan hoá trị hai, đối với oxy ổn định hơn so với sắt hai và dễ hoà tan hơn, cho nên trong đất được thoát nước tốt, nồng độ mangan hoá trị hai cao hơn sắt. Quan hệ định lượng giữa nồng độ Mn2+, nồng độ ion H+ và áp suất oxy được biểu thị bằng công thức sau: pMn2+ = 2pH – 1/2pO2 Công thức này là kết quả hợp nhất phương trình điện thế của hệ MnO2 – Mn2+ và O2 – H2O. Trong công thức này, pMn2+ và pO2 là số logarit âm của nồng độ Mn2+ tính bằng mol/lít và áp suất riêng phần của oxy trong không khí. Qua phương trình này có thể thấy một cách rõ ràng rằng, trong đất được thoát nước tốt, ở pH 7, nồng độ Mn2+ tuy rất thấp, nhưng so với nồng độ của sắt trong điều kiện giống như thế (10-16 mol/lít) cao hơn tới 100 lấn. Tác dụng khử các mangan oxyt hoá trị cao do nồng độ ion H+ tăng, áp suất oxy hạ thấp và kết quả hoạt động của sinh vật. Tác dụng oxy hoá Mn2+ thành dạng có giá trị cao hơn do nồng độ độ ion H+ giảm, áp suất oxy tăng và hoạt động của một số vi khuẩn oxy hoá Mn2+ thành MnO2. Trong đất ngập nước, do oxy hầu như không có, tác dụng oxy hoá bị ức chế, nếu tồn tại nhiều chất hữu cơ dễ phân giải có lợi cho sự hoạt động của sinh vật thì quá trình khử oxy sẽ tiến hành thuận lợi. Sau khi khử oxy, sự chuyển hoá của mangan trong đất ngập nước có thể xem tương tự như sắt hai. Cho nên, trong đất ngập nước mangan có thể tồn tại ở dạng hydroxit, cacbonat, bicacbonat và sunfat. Nhưng vì độ hoà tan của những chất này so với độ hoà tan của hợp chất sắt hai tương ứng thì lớn hơn, vì vậy một phần mangan có tính khử tồn tại ở dạng ion trao đổi trong pha rắn. Mặt khác, do mangan dễ hình thành chất phức hữu cơ- kim loại, nên cũng như sắt, một lượng lớn mangan khử có thể tồn tại ở dạng hợp chất phức. * Sự tăng độ hoà tan của phốt phát. Khi đất ngập nước, hàm lượng phốt phát hoà tan trong nước tăng lên. Sự tăng của phốt phát hoà tan trong nước có thể là do: (1) Sắt ba phốt phát bị khử thành sắt hai phốt phát; (2) Vì độ bazơ tăng lên làm cho sắt ba và nhôm phốt phát bị thuỷ phân; (3) Khi lân trong sắt ba phốt phát và nhôm phốt phát bị phân giải yếm khí thì sẽ được thay thế bằng những phức chất mới sinh ra; (4) Sự trao đổi ion giữa các anion hữu cơ và phốt phát hấp phụ trên các hạt sét; (5) Sự hydrat hoá của nhôm phốt phát, sắt phốt phát. Trong những nhân tố trên, sự khử oxy của sắt ba phốt phát có thể là quan trọng nhất. * Sự khử sunfat Trong đất sau khi đã được ngập nước một thời gian nhất định, đều có tồn tại các sunfua. Chúng chủ yếu là sinh ra từ sự khử sunfat. Sunfat khử thành sufua là do tác dụng của một nhóm nhỏ vi khuẩn gây ra. Sunfat là chất chuyên nhận hydro trong sự oxy hoá, nó có cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất của những vi khuẩn trên. Bởi vì chúng là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc, cho nên chỉ trong điều kiện điện thế oxy hoá khử vô cũng thấp, chúng mới có tác dụng. Trong phạm vi pH 5,5-8,5 chúng hoạt động mạnh nhất, và lấy năng lượng từ trong các chất hữu cơ dễ phân giải và trong phân tử hydro. Theo ý kiến Baars, sự khử oxy tiến hành theo các bước sau: H2SO4 – H2SO3 – H2SO2 – H2SO – H2S. Thời gian tồn tại của các sản phẩm trung gian vô cùng ngắn. H2S hình thành trong đất ngập nước bình thường, hầu như hoàn toàn mất đi bằng con đường kết tủa của sắt hai sunfua, vì vậy trong đất chứa sắt rất ít, H2S có thể tích luỹ đến một lượng có hại cho cây lúa. Căn cứ vào tính nhạy cảm của vi khuẩn khử sunfat đối với độ chua, tác hại của amon sunfat trong một 10 số đất (do chuyển hoá thành H2S) có thể giảm nhẹ bằng cách khống chế pH ở 5,0 - 5,5, nếu bón vôi thì làm cho tác hại càng nặng thêm. * Sự chuyển hoá của nitơ Đặc điểm của tình trạng nitơ trong đất ngập nước là sự vắng mặt của nitrat và sự tích luỹ NH4+. Trong đất ngập nước, nitrat biến mất có thể do sự hấp thụ của thực vật, do bị rửa trôi, do phản nitrat hoá và khử oxy. Một số lượng nhất định của NO3- có thể bị vi sinh vật cố định lại. Sự phản nitrat hoá tức là sự chuyển hoá nitrat thành khí nitơ hoặc chuyển hóa thành oxit của nó, sự khử oxy đối với nitrat chuyển hoá nó thành NH3. Hai quá trình này về bản chất có thể là các quá trình sinh hoá. Sự phản nitrat hóa là một hiện tượng phổ biến trong đất ngập nước do phản ứng sinh hoá giữa nitrat và các sản phẩm của sự trao đổi chất yếm khí gây ra. Vì vậy, áp suất oxy thấp và sự có mặt của các chất hữu cơ dễ phân giải là các điều kiện thuận lợi cho sự phản nitrat hoá. Theo kết quả nghiên cứu của Broadbent và Stojanovic (1952) về ảnh hưởng của áp suất oxy và sự có mặt của chất hữu cơ đối với sự phản nitrat hoá cho thấy: Khi áp suất oxy là 0,1% trong đất nghiên cứu được 10 ngày nitrat mất đi 80%’ khi áp suất oxy là 19% nitrat mất đi 16%; Khi kết hợp áp suất oxy thấp (0,1%) và mức chất hữu cơ cao (2% lá ngô) thì sự tổn thất nitơ là lớn nhất. Nhân tố thứ ba ảnh hưởng đến tác dụng phản nitrat hoá là pH. Nhìn chung phản ứng của đất từ trung tính đến kiềm có lợi cho sự phản nitrat hoá, nhưng phạm vi pH thích hợp nhất thì chưa được nhất trí. Sản phẩm của sự phản nitrat hoá là NO, N2O và N2, trong đó N2O là sản phẩm chủ yếu. pH có ảnh hưởng rất lớn đến chất khí nitơ được sinh ra do tác dụng phản nitrat hoá, khi pH > 7 thì N2O là sản phẩm chủ yếu, nhưng nếu để N2O nằm lại trong hệ thống thì nó sẽ bị khử thành khí N2. Sự phản nitrat hoá có thể xảy ra theo cơ chế như sau: NO3- → NO2- → RNH2 → H2NNO2 → N2 ↘ ↗ ⇅ R-NO2 N2O (H2NNO2: Aminnitrit là sản phẩm trung gian) Lượng tổn thất nitrat do nitrat bị khử thành khí NH3 không lớn, theo Broadbent và Stojanoyic lượng tổn thất này chỉ khoảng từ 0 – 6%. Nitrit là sản phẩm trung gian của sự phản nitrat hoá và sự khử oxy của nitrat, nó lúc nào cũng có mặt trong đất ngập nước, với hàm lượng không cao (≤ 3ppm) Sự tích luỹ NH4+ ctrong đất cũng là một đặc trưng của sự chuyển hoá nitơ trong đất ngập nước. Trong điều kiện thoáng khí sự chuyển hoá của nitơ hữu cơ diển ra như sau: Protit → Polypeptit → Aminoaxit → Amon → Nitrit → Nitrat. Giai đoạn phân giải đến amon là tác dụng của các vi sinh vật dị dưỡng thông thường: Nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn. Tác dụng nitrat hoá tiếp theo do tác tác dụng của vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí rất chuyên tính. Lúc ngập nước tác dụng nitrat hoá bị ức chế, nhưng quá trình amon hoá vẫn tiếp tục, tuy rằng phương thức tiến hành có thay đổi một ít. Vì vậy trong đất ngập nước có sự tích luỹ amon. Trong đất thoáng khí, sự amon hoá do một loạt vi sinh vật gây ra, trong đó tác dụng của nấm là mạnh nhất. Khi ngập nước, nấm được thay bởi vi khuẩn yếm khí ít hoạt động hơn cho nên tác dụng amon hoá và tác dụng cố định đạm đều bị trở ngại. Sự ngập nước của đất còn làm cho quá trình amon hoá nhạy cảm hơn đối với pH. Trong điều kiện thoáng khí quá trình amon hoá không chịu ảnh hưởng rõ rệt của pH vì khi này amon hoá xảy ra do tác dụng của một số loại vi sinh vật có phạm vi thích nghi pH khác nhau. Trong đất ngập nước, quần hệ vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn, hơn nữa lại chỉ bó hẹp trong vài nhóm vi khuẩn có pH thích hợp trong khoảng gần trung tính hơi kiềm. Vì vậy ở đất lúa nước có phản ứng trung tính hơi kiềm quá trình amon hoá sẽ diễn ra mạnh hơn. * Sự phân giải yếm khí chất hữu cơ Khác với sự phân giải chất hữu cơ trong điều kiện thoáng khí do nhiều loại vi sinh vật cùng với hệ động vật đất thực hiện, sự phân giải chất hữu cơ trong đất ngập nước chỉ do tác 11 dụng của vi sinh vật yếm khí nên tốc độ phân giải diễn ra chậm hơn, sản phẩm cuối cùng tạo thành cũng rất khác nhau. Trong đất thoáng khí, sản phẩm cuối cùng của sự phân giả xác hữu cơ là CO2, NO3-, SO4, bã khô mục. Trong đất ngập nước, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CO2, CH4, H2, amon, các axit hữu cơ, amin, thioalcol, H2S và bã khó phân huỷ. Cho đến trước khi hình thành axit pyruvic - sản phẩm cuối cùng của sự phân giải đường nhờ men thì sự biến đổi của hydratcacbon trong điều kiện hảo khí và yếm khí có thể đều như nhau. Trong đất thoát nước tốt, một số axit cacboxylic sinh ra do tác dụng khử amon của axit pyruvic và aminoaxit có thể oxy hoá thành CO2 qua chu trình Krebs, còn ion H+ và electron sinh ra, qua các chất trung gian cuối cùng của men oxy hoá mà kết hợp với oxy không khí. Trong đất ngập nước, do áo suất oxy thấp, tác dụng hô hấp cuối cùng bị ức chế, làm cho axit pyruvic và DPN (diphosphopyridin nucleotit) khử do sự phân giải đường nhờ men men sinh ra, có xu hướng tích luỹ lại. Khi đó xảy ra các phản ứng: axit pyruvic bị DPN khử thành axit lăctic: CH3COCOOH + DPN khử CH3CHOHCOOH + DPN và axit pyruvic bị khử cacboxyl thành axetaldehyt, sau đó axetaldehyt bị khử oxy thành rượu etylic: CH3COCOOH → CH3CHO + CO2 CH3CHO + DPN khử CH3CH2OH + DPN. Các phản ứng này không có sự tham gia của các vi sinh vật, vì chúng là đặc tính chung của sự hô hấp không có oxy.Sản phẩm của những phản ứng này có thể bị chuyển hoá với sự tham gia của những vi khuẩn đặc biệt, ví dụ: B. fossicularum biến đổi axit lăctic thành axit propionic, CO2 và H2: 2CH3CHOHCOOH CH3CH2COOH + 2CO2 + 2H2, hoặc B. methanicus có thể biến rượu etylic và axit butyric thành axit axetic và mêtan: 2CH3CH2OH → CH3COOH + 2CH4 CH3CH2CH2COOH + 2H2O + CO2 → 4CH3COOH + CH4. Sự phân giải chất hữu cơ có chứa N như protit dẫn đến sự hình thành amon, axit cacboxylic, amin, thioalcol và H2S. Mùi thối của đất ngập nước có thể do tetrametyldiamin sinh ra từ arginin, pentametyldiamin sinh ra từ aminohexanoic axit cùng với thioalcol và H2S sinh ra từ xystin và xystein. * Sự tăng độ hoà tan của silic Trong đất ngập nước hàm lượng silic dễ tiêu tăng lên do pH tăng cao và tác dụng khử oxy của phức silic-sắt làm có tác dụng giải phóng silic vào nước. 2.2.4 Đặc tính sinh vật học trong điều kiện ngập nước Điều kiện ngập nước liên tục của ruộng lúa làm thay đổi đặc tính sinh học của đất, đặc biệt khu hệ vi sinh vật trong đất. Vi sinh vật trong đất lúa (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, tảo) có thể được chia thành ba loại: (1) Vi sinh vật hảo khí tuyệt đối, (2) Vi sinh vật yếm khí không bắt buộc (tuỳ ý) và (3) Vi sinh vật yếm khí tuyệt đối. Khi đất lúa được giữ ngập nước, sự giảm thấp Eh xuất hiện do sự thiếu oxy. Điều này dẫn đến sự thay đổi từ từ khu hệ vi sinh vật đất từ vi sinh vật hảo khí lấy năng lượng cho hoạt động sống thông qua hô hấp thành vi sinh vật yếm khí lấy năng lượng thông qua sự lên men. Các thành phần chính của xác hữu cơ trong đất là hydratcacbon (xelluloza, hemixelluloza…), lignin và protit. Các vi sinh vật hảo khí trở nên hoạt động và hô hấp bằng oxy từ chất hữu cơ là chất cho điện tử ở lớp đất cày. Hầu hết các vi sinh vật hảo khí tạo thành enzim thuỷ phân (như xelluaza, proteaza…) và tiết ra ngoài cơ thể chúng để phân giải các tàn dư thực vật.. Các nguyên liệu dễ tan trong nước như: Monosaccarit, aminoaxit và axit hữu cơ có thể chiếm tới 10% khối lượng khô của thực vật và chúng dễ dàng tách khỏi tàn dư thực vật. Chúng nhanh chóng được các vi sinh vật đất sử dụng và có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động vi sinh vật ở vùng rễ. 12 Sau sự tiêu thụ oxy của các vi sinh vật hảo khí, vi sinh vật yếm khí bắt buộc bắt đầu phân giải chất hữu cơ bằng sự khử nitrat, oxit và hydroxit của mangan và sắt ba. Nhìn chung, trong đất lúa hàm lượng của ion sắt ba nhiều hơn nhiều so với hàm lượng của nitrat và mangan. Theo thời gian ngập nước ion sắt hai và pH tăng lên cùng với sự giảm của Eh. Sau khi giảm đến giá trị Eh mà tại đó chỉ có vi khuẩn yếm khí tuyệt đối sống được, vi khuẩn khử sunphat và vi khuẩn hình thành metan trở nên hoạt tính và chúng hình thành sunfua hydro và metan. So với đất cao không ngập nước, trong đất lúa nước ở Nhật Bản số lượng vi khuẩn yếm khí không bắt buộc và yếm khí tuyệt đối nhiều hơn, còn số lượng xạ khuẩn hảo khí, nấm và vi khuẩn nitrat hoá ít hơn (bảng 2.2). Bảng 2.2 Sự phân bố theo chiều sâu của vi sinh vật trong đất lúa và đất dốc ở Nhật (Các số liệu trong bảng là logarit của CFU trên một gam đất khô kiệt) Lớp đất 1 2 3 Loại đất Đất lúa Đất dốc Đất lúa Đất dốc Đất lúa Đất dốc Vi khuẩn nitrat hoá 4,1 4,9 0,0 5,3 0,0 2,7 Xạ khuẩn 6,3 6,7 5,9 6,2 5,6 5,5 Nấm 4,9 5,4 4,2 4,6 3,8 4,0 VK yếm khí tuỳ ý 7,5 7,3 7,1 6,8 6,9 6,2 VK yếm khí tuyệt đối 6,4 6,2 6,1 5,8 5,3 5,2 VK phản nitrat hoá 5,5 4,7 5,2 4,4 5,1 0,0 VK khử sunphat 4,9 3,0 4,2 2,8 3,6 1,5 Nguồn: Masakazu Mizutani và những người khác, 1999