Giáo trình Thổ nhưỡng học - Chương IX: Nước trong đất

161 trang ngocly 3940

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thổ nhưỡng học - Chương IX: Nước trong đất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tho_nhuong_hoc_chuong_ix_nuoc_trong_dat.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thổ nhưỡng học - Chương IX: Nước trong đất

Chương IX NƯỚC TRONG ÐẤT 1. Vai trị của nước trong đất Trước hết nước tham gia vào sự phong hố các loại đá và khống vật ở giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành đất. Các tầng đất trong phẫu diện được tạo ra ngồi kết quả của các quá trình hố học, lý học, sinh hố học; quá trình vận chuyển vật chất do nước cũng giữ một vai trị quyết định. Nước cịn là nhân tố điều hồ nhiệt và khơng khí trong đất. Các tính chất cơ lý đất như tính liên kết, độ chặt, tính dính, tính dẻo, tính trương và co đều do nước chi phối. Nước cũng liên quan chặt chẽ tới sự hình thành chất mới sinh như kết von, đá ong, vệt muối Sự di chuyển của nước cĩ thể gây ảnh hưởng xấu đến độ phì nhiêu đất, vì nĩ làm các chất dinh dưỡng bị rửa trơi, phá vỡ kết cấu và gây xĩi mịn ở vùng đất dốc. Nhờ cĩ nước hồ tan các chất dinh dưỡng, cây trồng và các sinh vật khác mới hút được. Cây trồng nơng nghiệp muốn tạo ra 1 gram chất khơ cần phải hút từ 250 đến 1062 gram nước, tuỳ theo từng lồi và từng miền khí hậu. Tĩm lại, nước rất quan trọng đối với các quá trình hố học, lý học, sinh hố học xảy ra trong đất. 2. Tính chất của nước trong đất 2.1. Cấu tạo và khả năng liên kết của phân tử nước Ðặc tính nước cĩ liên quan tới tính chất hố lý của nước. Phân tử nước bao gồm 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy. Các nguyên tử này sắp xếp khơng cân xứng, khoảng cách từ proton hydro đến proton oxy là 0,97 Å, giữa 2 proton hydro là 1,54 Å, chúng tạo ra gĩc H-O-H = 1050. Từ đĩ phân tử nước cĩ số proton tích điện âm bằng số proton tích điện dương, nĩ là trung tính. Tuy nhiên, do trung tâm tích điện dương được dịch chuyển về trung tâm tích điện âm, phân tử nước cĩ momen lưỡng cực gây ra điện trường trong vùng phụ cận của phân tử. Kết quả phân tử nước tác động với nhau, với ion hồ tan, với điện trường của các khống vật, của chất hữu cơ trong đất. Ðiện trường momen phân cực của phân tử nước bên cạnh làm tăng lực tác động hình thành mối liên kết hydro yếu bên trong phân tử giữa proton của nguyên tử hydro của 1 phân tử và nguyên tử oxy của phân tử khác. Tác động của lực hút yếu hình thành nên hạt hiệu ứng làm cho các phân tử liên kết lại với nhau. Do mối liên kết hydro yếu, các phân tử giao động nhiệt, tác động của mơi trường xung quanh nên phân tử nước ở trạng thái rắn cĩ cấu trúc tinh thể hồn chỉnh nhất và do đĩ ổn định. Khi nhiệt độ trên 00C, đá tan, liên kết hydro giảm (độ dài giữa các proton hydro lên đến khoảng 2,9Å), tỷ trọng nước tăng dần đến khi nhiệt độ đạt 40C. Ở trạng thái lỏng mỗi phân tử nước cĩ 5 hay hơn phân tử khác bao quanh bởi liên kết hydro, cấu trúc phân tử ổn định. Chỉ cĩ trạng thái hơi làm phân tử nước hồn tồn mất liên kết hydro bên trong. Do mối liên kết cân bằng điện giữa các nguyên tử oxy và hydro của các phân tử độc lập bền vững, hạt nhân hydro cĩ năng lực giới hạn tiếp nhận năng lượng nhiệt để phá vỡ + lực hút với điện tích của nĩ và để ion hố tạo thành hydroxơni H3O với phân tử nước cĩ liên kết hydro. Ðơn hydroxyl (OH-) cịn lại mất proton tích điện dương từ một trong số các nguyên tử hydro tạo nên phân tử nước trung hồ, nĩ sẽ tích điện âm. Phản ứng ngược chiều như sau: + - 2H2O ⇔ H3O + OH Thổ nhưỡng học
Ion hố lượng nhỏ các phân tử nước; hạt tích điện này cĩ điện trường khác với phân cực của phân tử khơng phân ly. Kết quả, lượng phân ly khơng lớn cĩ ảnh hưởng đến hoạt tính của hạt tích điện (khống tích điện) khi tiếp xúc với dung dịch và với rất nhiều phản ứng hố học xảy ra trong đất. Hằng số điện ly (Kw) đối với phản ứng ion hố được viết theo phương trình: Kw = [H]+[OH]- = 10-14 Nguyên nhân phân ly là rõ ràng, tồn tại một sự khác biệt nhỏ giữa hoạt tính với nồng độ của các ion hydro và oxy. Xác định mức độ ion hố của nước được gọi là pH và bằng âm logarit thập phân nồng độ mol ion hydro [H]+: + pH = - log10 [H] 2.2. Tính chất của nước ở thể lỏng • Tính chất nhiệt học và cơ học Nước là chất lỏng đặc biệt. Nước cĩ điểm sơi và điểm tan cao, tỷ trọng bé, pha lỏng nặng hơn pha rắn. Nước yêu cầu nhiệt lượng lớn được gọi là nhiệt nĩng chảy. Lượng nhiệt làm nước bốc hơi cịn lớn hơn gọi là nhiệt bốc hơi. Nước cĩ hằng số cách điện cao, tạo ra tính cách đảo điện cao và nhiệt dung riêng lớn. Ta cĩ thể tĩm tắt một số tính chất cơ lý trong bảng 9.1. Bảng 9.1 Một số tính chất vật lý của nước tinh khiết Tính chất Giá trị Ðơn vị tính Nhiệt độ (0C) Tỷ trọng: lỏng 0,998 g/cm3 20 rắn 0,910 g/cm3 0 hơi 1,73. 10-5 g/cm3 20 Nhiệt nĩng chảy 3,34. 10-8 erg/g 0 Nhiệt bốc hơi 2,54.10-9 erg/g 20 Nhiệt dung riêng 0,999 erg/g/0C 20 Hằng số điện ly 80 - 20 Sức dẫn nhiệt 6,03. 103 erg/cm/s/g/0C 20 Ðộ nhớt 1,0. 10-2 erg/cm/s 20 Áp suất bề mặt 72,7 erg/cm2 20 William A. Jury và cs (1991) Sức căng bề mặt và đường cong mặt trong Khi nước tiếp xúc với hạt đất hay với khơng khí sẽ tạo ra mặt trong giữa hai vật chất. Các phân tử ở gần mặt trong sẽ chịu lực tác động khác so với những phân tử trong phạm vi cùng chất lỏng. Ví dụ, ở mặt trong của khơng khí và nước, phân tử trong khối lỏng từ mặt trong ra sẽ liên kết hydro với phân tử bên cạnh và thể hiện yếu lực kéo trực tiếp ra khỏi nước. Vì thế phân tử ở mặt trong khơng khí-nước xuất hiện sức hút đi vào dung mơi làm cho mật độ các phân tử nước ở phía khơng khí bé hơn phía chất lỏng. Lực hút khơng cân bằng đã phá vỡ liên kết hydro của các phân tử trên mặt cong trong và tạo ra tính chất "màng" đối với bề mặt, thể tích tăng làm căng giống như "da". Kết quả các phân tử nước địi hỏi năng lượng để tồn tại trên mặt cong trong. Năng lượng lớn theo đơn vị diện tích bề mặt để giữ lại các phân tử trên mặt cong được gọi là sức căng bề mặt. Cũng cĩ thể định nghĩa là năng lượng tính theo đơn vị diện tích cần cĩ để tăng diện tích bề mặt của mặt trong hoặc là lực tính theo đơn vị độ dài để giữ bề mặt với nhau. Thổ nhưỡng học
Ðường cong của mặt trong nước-khơng khí ở thế cân bằng cĩ quan hệ với sự chênh lệch lực cắt ngang mặt trong. Nếu nước tinh khiết và mặt trong là mặt phẳng ngang thì áp lực ở trên và dưới mặt là như nhau. Khi mặt trong là đường cong, áp lực sẽ lớn hơn ở phía mặt lõm của mặt trong do tổng hợp mà lực đĩ phụ thuộc vào đường kính đường cong và áp lực bề mặt của dung mơi. Ðối với mặt trong của hình cầu cĩ đường kính R, chênh lệch lực Δp giữa mặt khơng khí và mặt chất lỏng của mặt trong là: 2δ Δp = (1) R Trong đĩ: δ: áp lực bề mặt Trong đĩ Δp = Pa - Pl khi đường cong của mặt trong đối với dung mơi (cĩ nghĩa là khơng khí sủi bọt trong nước và Δp = Pl - Pa khi đường cong mặt trong lồi về phía chất khí cĩ nghĩa giọt nước ở trong khơng khí. Hình 9.1 mơ tả quan hệ giữa đường cong và chênh lệch áp suất đối với các mặt trong khác nhau. khÝ chất lỏng Pkhí > Plỏng khÝ chất lỏng Pkhí = Plỏng R khÝ chất lỏng Pkhí < Plỏng Hình 9.1 Quan hệ giữa đường cong mặt trong và độ chênh lệch áp suất trên mặt pha rắn và pha khí • Gĩc tiếp xúc Khi chất lỏng cĩ ở trong hệ 3 pha gồm cả thể khí và thể rắn, gĩc đo từ bề mặt trong rắn- lỏng đến bề mặt trong lỏng- khí gọi là gĩc tiếp xúc γ. Khi chất lỏng hấp dẫn (được hút) đối với chất rắn mạnh hơn đối với hấp dẫn dính giữa các phân tử chất lỏng thì gĩc sẽ bé và chất lỏng gọi là "làm ướt" chất rắn. Ngược lại lực dính của chất lỏng lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn hút đối với chất rắn thì gĩc sẽ lớn và chất lỏng gọi là ghét chất rắn (hình 9.2). chất khí chất khí chất γ lỏng chất lỏng γ ` chất rắn chất rắn Thổ nhưỡng học
Hình 9.2 Hình biểu diễn gĩc tiếp xúc a) Gĩc tiếp xúc bé ở đất làm ướt; b) Gĩc tiếp xúc lớn ở đất "ghét" nước • Leo cao trong mao dẫn Khi chất lỏng tiếp xúc với ống mao dẫn hở, chất lỏng sẽ leo lên trong ống mao dẫn. Trên bề mặt cột nước xuất hiện mặt cong trong nước- khơng khí (hình 9.3). Giả thiết mao dẫn là ống thuỷ tinh, cĩ bán kính R. Ta cĩ, chênh lệch áp suất là: Δp = Pl 2δ 2 - Pa = . Với thể tích AH, khi A = πR là diện tích mặt cắt ngang và H là chiều cao R dâng lên của nước trong mao dẫn. Lúc đĩ: lực đẩy lên thẳng là: Fup = ΔpA = πR2Δp = 2 πRδ; lực đi xuống là trọng lực của cột nước (Mg), khi M = ρw V là khối lượng nước 2 F down = ρw V = πR ρw Hg. Tại trạng thái cân bằng, 2 lực bằng nhau, từ đĩ ta cĩ thể tính: H = 2δ (2) ρwgR Phương trình (2) cho ta chiều cao cột nước cĩ thể dâng lên trong mao dẫn với bán kính R và gĩc tiếp xúc zero. Khi gĩc tiếp xúc khơng phải zero, chiều cao của cột nước tới hạn sẽ bé hơn giá trị này. Trên hình 9.3, bán kính của đường cong mặt trong r = R/ cos γ. Khi đĩ chênh lệch áp lực là: 2δ 2δcosγ Δp = = = R R 2δcosγ và cân bằng lực lúc này diễn ra: H = (3) ρwgR Trong trường hợp thứ 2 chiều cao cột nước bé hơn. R γ r Gãc tiÕp xĩc Kh«ng khÝ γ n−íc èng thủ tinh s¹ch Thổ nhưỡng học
Hình 9.3. Cột nước trong ống mao dẫn Ðến đây ta cĩ thể kết luận rằng, đường kính mao dẫn càng bé thì cột nước leo trong đĩ càng cao. Cũng cần chú ý rằng trong đất các khe hở cĩ kích thước và hình dạng rất khác nhau. Chỉ những khe hở liên tục và kích thước trong giới hạn (0,1- 0,001 mm) trong đất cĩ cấu tạo hạt kết thì được xem là những mao dẫn. Những khe hở bé hơn giới hạn trên khơng cho phép nước dâng cao vì lực hấp phụ của các hạt đất đối với các phân tử nước lớn hơn nhiều, tuy chúng vẫn liên tục. • Ðộ nhớt Do các phân tử nước đứng cạnh nhau hút lẫn nhau, chúng chống lại xu thế làm tăng số lượng của nước trong phạm vi chất lỏng khi cĩ lực tác động lên nĩ. Lực cản này được gọi là lực kéo hay lực cắt. Trên hình 9.4 trình bày thí nghiệm xác định độ nhớt của nước. Mặt chuyển động Lực F V = Vmax Chất lỏng Mặt đứng yên Hình 9.4 Tấm nhỏ trên mặt nước được đẩy sang phải bằng lực F đạt vận tốc tối đa Vmax.Tốc độ tăng lên tuyến tính theo hướng y Nước tiếp xúc với tấm khối lượng bé sẽ chuyển động với Vmax, và nước tiếp xúc đáy khơng chuyển động, tạo ra sự thay đổi tuyến tính của tốc độ nước theo chiều thẳng đứng.Tỷ số giữa lực đo bằng đơn vị diện tích của tấm (lực tiếp tuyến theo đơn vị diện tích, hoặc lực cắt τ) và gradient tốc độ thẳng đứng cho chuyển động (phương trình Vmax / L) được gọi hệ số độ nhớt γ (những đơn vị khối lượng trên độ dài trên thời gian): F / A FL τ = = (4) V max A AV max x Biểu thức tổng quát của mối quan hệ giữa lực hãm và tốc độ được gọi là định luật độ nhớt của Newton τ = F/ A = - γ dV/ ∂ y (5) khi y là mặt thẳng đứng với dịng chất lỏng. • Áp suất thẩm thấu Từ chỗ các phân tử nước cĩ momen lưỡng cực, các ion trong dung dịch bị cuốn hút bởi điện trường xung quanh các phân tử nước độc lập và hướng tập trung gần chúng. Tác động của sự chụm cĩ trạng thái năng lượng thấp hơn của nước. Nếu màng thấm đối với nước nhưng khơng thấm đối với chất tan trong nước được sử dụng để tách nước sạch khỏi dung dịch chứa ion, nước từ phía sạch của màng sẽ đi sang phía dung dịch. Khối lượng di chuyển này sẽ tiếp tục khơng giới hạn trừ phi cĩ lực đối kháng. Nếu dung dịch được ngăn bên trong một hộp dẻo như màng cao su, lúc đĩ nước đi vào hộp sẽ làm tăng thể tích và gây ra sự tăng lên của áp suất thuỷ tĩnh, kết quả là ngừng dịng nước. Thổ nhưỡng học
Cuối cùng áp suất thuỷ tĩnh của dung dịch cân bằng lực hút ion của nước tại điểm cân bằng, áp suất đĩ được gọi là áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) π. Ðối với dung dịch lỗng, áp suất này được tính gần đúng theo cơng thức: π = CsRT (6) 2 2 Trong đĩ π là áp suất thẩm thấu theo erg trên cm ; Cs là nồng độ mol trên cm ; T nhiệt độ Kelvin và R là hằng số khí (8,32. 107 erg/ mol deg). Phương trình dùng cho tổ hợp hình thành bởi các phần tử đơn ion. Ví dụ, dung dịch HCl cĩ nồng độ 0,001M ở T= 3000K. Dùng cơng thức (6) ta cĩ: π = (10-5 mol/ cm3) (300) (8,32 x 107) (erg/ mol) = 2,5 x 104 erg/ cm3 ≅ 0,25 atm. 3. Các dạng nước trong đất Do đặc điểm cấu tạo, nước cĩ thể liên kết với các hạt đất hay độc lập trong các khe hở. Khi xâm nhập vào đất nĩ chịu tác động của nhiều lực khác nhau như lực hấp phụ, lực thẩm thấu, lực mao dẫn và trọng lực. Bởi vậy nước được giữ lại bằng các lực khác nhau, tạo nên nhiều dạng nước trong đất. 3.1. Nước liên kết hố học Nước liên kết hố học gồm nước cấu tạo và nước kết tinh. Nước cấu tạo là dạng nước tham gia vào thành phần cấu tạo của khống vật dưới dạng nhĩm OH-. Nước này chỉ mất đi khi nung nĩng khống vật ở nhiệt độ cao từ 5000C trở lên, khi đĩ khống vật bị phá huỷ hồn tồn. Nước kết tinh là dạng nước tham gia vào sự hình thành tinh thể khống vật dưới dạng phân tử nước liên kết với khống vật (ví dụ thạch cao - CaSO4; limonit - 0 Fe2O3.3H2O). Cĩ tài liệu cho rằng, nước kết tinh bị mất khi nung khống vật từ 105 C đến 2000C. Dưới tác dụng của nhiệt độ, các phân tử nước nước kết tinh khơng mất đi ngay cùng một lúc mà mất dần theo từng bước nhảy, mỗi phân tử nước mất ở nhiệt độ thích hợp. Ví dụ, khi nung thạch cao thì phân tử nước thứ nhất bị mất ở 1070C, cịn phân tử thứ 2 mất ở nhiệt độ 1700C. Khi nước kết tinh bị mất khống vật khơng bị phá huỷ nhưng một số tính chất vật lý thay đổi. Nước liên kết hố học khơng di chuyển. Thực vật khơng thể sử dụng được dạng nước này. 3.2. Nước ở thể rắn Khi nhiệt độ dưới 00C nước trong các khe hở chuyển sang thể rắn, khơng di chuyển được và cây trồng cũng khơng sử dụng được. 3.3. Nước ở thể khí (hơi nước) Bình thường nước luơn tồn tại ở thể hơi trong khơng khí khí quyển và trong khơng khí trong đất. Giữa thể rắn, lỏng và khí tồn tại trạng thái cân bằng tức thời. Trạng thái này phụ thuộc và ẩm độ của đất, nồng độ dung dịch đất, nhiệt độ và hàm lượng sét. Trong đất hơi nước nằm trong khơng khí, một phần bị các hạt đất giữ lại trên bề mặt bằng lực hấp phụ. Hơi nước trong đất rất linh động và cĩ thể di chuyển được do 2 nguyên nhân: • Do chênh lệch áp suất nên hơi nước di chuyển từ nơi cĩ áp suất cao đến nơi cĩ áp suất thấp hơn, do đĩ cũng di chuyển từ nơi ẩm sang nơi khơ hơn. Khi nhiệt độ của đất hạ xuống, hơi nước di chuyển đến nơi nhiệt độ thấp hơn. Chính nhờ khả năng di Thổ nhưỡng học
chuyển nên cĩ sự trao đổi tỷ lệ hơi nước giữa khơng khí trong đất và khơng khí khí quyển sát mặt đất. • Hơi nước di chuyển thụ động do giĩ thổi. Thực vật chỉ sử dụng được khi hơi nước đã chuyển sang thể lỏng. Thực ra hàm lượng nước ở thể hơi trong đất khơng nhiều, nhất là ở đất bão hồ nước, vì lúc đĩ phần lớn khe hở đã bị nước chiếm. 3.4. Nước hấp phụ Là dạng nước được các hạt đất hút và giữ lại trên bề mặt của chúng nhờ lực hấp phụ. Lực hấp phụ bao gồm: • Phân tử nước và nguyên tử oxy trên bề mặt hạt đất (đặc biệt là hạt keo) hình thành liên kết Hydro. Lực hấp phụ này khá lớn, cĩ thể đạt hàng ngàn atmotphe, nhưng phạm vi tác động của chúng chỉ ở cự ly ngắn. • Do bề mặt hạt keo mang điện âm nên vành ngồi của chúng hút các ion trái dấu và ở đĩ phát sinh ra điện trường tĩnh. Phân tử nước lưỡng cực nên được hút trong điện trường đĩ, và giữa các phân tử nước cũng hút lẫn nhau qua liên kết hydro. Lực hấp phụ này cĩ khoảng cách tác động hữu hiệu lớn hơn nên lực hút bé hơn, thậm chí chỉ đạt vài atmotphe ở vành ngồi cùng. Nước hấp phụ ở sát bề mặt hạt đất cĩ đặc điểm là: tỷ trọng lớn hơn nước bình thường (cĩ thể đạt 1,4- 1,5), nhiệt dung bé (0,5- 0,8 Calo/cm3), khơng cĩ khả năng hồ tan vật chất (như: đường, axit, bazơ ), tính dẫn điện rất kém gần như bằng 0, điểm đĩng băng rất thấp (- 780C) và khơng di chuyển. Dạng nước hấp phụ này mất hẳn tính vận động nhiệt, vì vậy trong quá trình hấp phụ giải phĩng nhiệt lượng được gọi là "nhiệt ẩm ướt". Nước hấp phụ ở các lớp ngồi chịu lực hút nhỏ hơn, cĩ tính chất gần giống với nước bình thường nhưng độ nhớt của nĩ vẫn lớn hơn, điểm đĩng băng vẫn thấp hơn, di chuyển rất chậm, các ion ở lớp khuếch tán của keo đất cĩ thể được phân bố trong đĩ. Lực hấp phụ nước trong đất được quyết định bởi tỷ diện hồ tan của đất, loại keo, lượng keo và ion hấp phụ cùng với lượng chất hồ tan (vì ảnh hưởng tới trạng thái tụ keo hay tán keo). Thành phần cơ giới càng nặng, keo hữu cơ và keo sét loại hình 2:1 càng nhiều, keo càng phân tán thì lực hấp phụ càng lớn, lượng nước được giữ lại càng nhiều. Hình 9.5 mơ tả các dạng nước, giới hạn nước được giữ lại trong các khe hở bằng các lực (pF) khác nhau. Thổ nhưỡng học
Đất cát ụ c Đất thịt p ph ấ đượ c h y ấ c cây khơng l ướ N ướ N Hy max Điểm cây héo Nước cây khĩ lấy c mao n treo n treo u ả ệ c bão hồ u ướ q c N ướ Sức chứa ẩm c hi ự N l đồng ruộng ướ Nước thấm qua N c ự l g n ọ Nước thấm nhanh c tr ướ N g H2O/100g đất Hình 9.5 Ðường cong hấp phụ của nước trong đất cát và đất thịt (H. Uggla) (μm là đường kính của các mao dẫn) Nước hấp phụ chia làm 2 loại: nước hấp phụ chặt và nước hấp phụ hờ. • Nước hấp phụ chặt: Là nước được giữ chặt bởi lực hấp phụ xuất hiện ở bề mặt hạt đất. Các phân tử nước bám quanh hạt đất tạo thành các lớp mỏng, cĩ chiều dày bằng 2- 3 đường kính phân tử nước và chỉ di chuyển khi biến sang dạng hơi. Khi lớp đơn phân tử nước cịn đứt đoạn, chưa vây kín hạt đất thì gọi là "nước hấp phụ bé" và cĩ ký hiệu là Hy. Trường hợp này xảy ra khi đất khơ ở trạng thái bình thường. Nếu xác định độ ẩm lúc này ta được độ ẩm đất khơ khơng khí. Khi để đất khơ trong khơng khí bão hồ hơi nước (khơng khí chứa ≥ 94,2 % hơi nước), các phân tử nước bị hấp phụ sẽ vây kín xung quanh hạt đất tạo thành một lớp đơn tử nước, được gọi là "nước hấp phụ tối đa", cĩ ký hiệu là Hymax. Ðối với một loại đất, Hymax là một hằng số. Người ta thấy rằng cây chỉ cĩ thể hút được nước khi lượng nước trong đất gấp 1,5 lần giá trị của Hymax trở lên. Từ đĩ người ta cĩ thể tính độ ẩm cây héo bằng cơng thức sau: Wc.h (%) = 1,5 Hymax Nước hấp phụ bị mất khi ta sấy đất ở nhiệt độ 105- 1100C. • Nước hấp phụ hờ (nước màng) Nước màng là nước được đất giữ lại bên ngồi lớp nước hấp phụ chặt bằng lực phân tử định hướng và do sức hút của các ion trên bề mặt hạt đất (lực thuỷ hố). Lớp nước Thổ nhưỡng học
này cĩ bề dày gấp hàng chục lần đường kính phân tử nước bao gồm nhiều lớp đơn phân tử nước. Lực giữ nước trong trường hợp này yếu hơn nhiều so với lực giữ nước hấp phụ chặt. Dạng nước này cĩ thể di chuyển được từ hạt đất cĩ màng dày sang hạt đất cĩ màng mỏng hơn đứng cạnh bên cho đến khi độ dày của hai màng cân bằng nhau. Tuy nhiên sự di chuyển này là rất chậm chạp, khoảng 2,4 mm/giờ. Thực tế cây trồng khơng sử dụng được dạng nước này. 3.5. Nước tự do Là dạng nước khơng liên kết với đất, khơng bị giữ chặt bằng lực liên kết hố học hay lực hấp phụ. Nước này di chuyển được do tác dụng của lực mao quản hay trọng lực, từ đĩ được chia ra 2 dạng: nước mao quản và nước trọng lực. • Nước mao quản: Nước mao quản di chuyển trong các ống mao quản cĩ đường kính bé, theo các hướng khác nhau, và cây trồng dễ dàng hút được nước này. Tính chất vật lý và hố học của dạng nước mao quản hồn tồn giống nước tự do, nĩ bị giữ lại bởi lực bé, chỉ khoảng mười lăm atmotphe đến một vài phần trăm atmotphe. Nước mao quản di chuyển dễ dàng nhất trong các mao quản đường kính khoảng 0,002- 0,850 mm (φ = 0,2- 8,5 μm) Nếu ống mao quản bé hơn 0,002 mm thì chứa đầy nước hấp phụ, làm cho sự di chuyển của nước trong mao quản gặp khĩ khăn. Nước mao quản cĩ thể nối liền với nước ngầm và thường xuyên được nước ngầm cung cấp gọi là "nước mao quản leo". Khi mạch nước ngầm ở quá sâu hoặc hạn hán lâu ngày nước ngầm khơng tồn tại, nước trong mao quản khơng được nước ngầm cung cấp ta gọi là "nước mao quản treo". Nước mao quản là nguồn nước chủ yếu cung cấp cho cây trồng, vì thế cần bảo vệ và nâng cao hàm lượng nước này trong đất bằng các biện pháp phù hợp như bĩn phân hữu cơ tạo kết cấu, tăng cường xới xáo, che phủ chống bốc hơi nước • Nước trọng lực Là nước ngấm sâu khi mưa, khi tưới hay từ nguồn nước khác, dưới tác động của trọng lực và di chuyển nhanh trong các khe hở lớn và đọng lại trên một tầng đất khơng thấm nước đĩ là nước ngầm. Nước ngầm được chia ra thành 2 loại: nước ngầm tạm thời và nước ngầm vĩnh cửu. - Nước ngầm tạm thời là nước được đọng lại ở độ sâu nhất định (khơng lớn lắm), tầng đất này được gọi là tầng chứa nước. Ngồi địa hình, nĩ cịn phụ thuộc khá chặt chẽ vào thời tiết. Nếu mưa nhiều thì mạch nước ngầm dâng lên cao, ngược lại hạn hán lâu ngày thì mạch nước ngầm hạ xuống sâu thậm chí khơng tồn tại. - Nước ngầm vĩnh cửu là nước nằm giữa 2 tầng đất khơng thấm nước. Dạng nước này khơng phụ thuộc vào thời tiết mà phụ thuộc vào địa hình, địa mạo và đá mẹ Muốn khai thác nước ngầm vĩnh cửu ta phải khoan sâu hàng chục hoặc hàng trăm mét. Nhìn chung cây trồng ít sử dụng được nước trọng lực vì nĩ di chuyển đi xuống quá nhanh. Tuy nhiên nếu nước ngầm tạm thời nằm khơng quá sâu thì nĩ trở thành nguồn cung cấp nước dưới dạng nước mao quản leo. Khi nước ngầm tạm thời nằm nơng, chiếm đầy các khe hở trong đất lâu ngày thì gây ra hiện tượng yếm khí, cĩ hại cho cây trồng và các sinh vật hữu ích khác. 4. Khái niệm năng lượng của nước trong đất Sự tồn tại và di chuyển trong đất, hút và vận chuyển trong cây, sự mất vào khơng khí của nước đều là những hiện tượng cĩ liên quan tới năng lượng. Các loại năng lượng khác nhau đều liên quan với nhau, bao hàm cả động năng và thế năng. Ðộng năng là nhân tố rất quan trọng tạo ra dịng chảy mãnh liệt của dịng sơng, nhưng di chuyển của nước trong đất rất chậm chạp nên thành tố động năng thường dễ bị bỏ qua cịn thế năng Thổ nhưỡng học
trở nên cĩ ý nghĩa. Thế năng hết sức quan trọng trong việc xác định trạng thái và sự di chuyển của nước trong đất. Ðể đơn giản hố, trong mục này ta dùng thuật ngữ năng lượng dành cho thế năng. Khi xem xét năng lượng, ta cần phải hiểu rằng tất cả các vật chất bao gồm cả nước di chuyển hay biến đổi là thay đổi trạng thái năng lượng từ cao sang thấp. Vì thế, nếu biết các mức năng lượng chính xác ở các điểm khác nhau trong đất, ta cĩ thể đốn trước được hướng di chuyển của nước. Ðĩ là sự chênh lệch mức năng lượng từ vị trí tiếp xúc đến các vị trí khác gây tác động tới sự di chuyển của nước. 4.1. Các lực tác động thế năng Trong thảo luận nêu ở phần trên, cấu trúc và đặc tính của nước đã đưa ra 3 yếu tố rất quan trọng tác động đến mức năng lượng của nước trong đất. Thứ nhất, sự xâm nhập hay sự lơi kéo nước vào thể rắn của đất (matrix) gây ra do lực matric (liên quan đến sự hấp phụ và mao dẫn) làm giảm trạng thái năng lượng của nước ở bề mặt hạt đất một cách rõ ràng. Thứ 2, sự lơi kéo nước đối với các ion và các chất tan khác, kết quả tạo ra lực thẩm thấu, dẫn đến làm giảm trạng thái năng lượng của nước trong dung dịch đất. Di chuyển của nước sạch qua màng bán thẩm thấu vào dung dịch biểu hiện trạng thái năng lượng thấp của dung dịch. Thứ 3, chủ yếu là trọng lực tác động lên nước, luơn luơn kéo nước đi thẳng xuống. Mức năng lượng của nước trong đất tại một độ cao nào đĩ trong phẫu diện là cao hơn của nước ở độ cao thấp hơn. Sự chênh lệch mức năng lượng tạo ra dịng đi xuống. 4.2. Thế năng của nước trong đất Sự chênh lệch mức năng lượng của nước từ một điểm hay một điều kiện so với điểm khác hay điều kiện khác (nghĩa là trong đất khơ hay đất ướt) quyết định hướng, tỷ số nước di chuyển trong đất và trong cây. Trong đất ướt phần lớn nước được giữ lại trong khe hở lớn hoặc trong màng nước dày quanh hạt đất. Do đĩ các phân tử nước khơng bám chặt và khơng phủ kín hạt rắn (matrix). Ở điều kiện này các phân tử nước di chuyển tự do, vậy mức năng lượng của chúng gần tương đương mức năng lượng của các phân tử trong nguồn nước sạch (tinh khiết) bên ngồi đất. Trong đất khơ, nước tồn tại trong các khe hở bé và trong các màng nước mỏng, và vì thế được các hạt đất giữ chặt. Như vậy trong đất khơ các phân tử nước di chuyển khĩ khăn, mức năng lượng của chúng thấp hơn nhiều so với nước trong đất ướt. Nếu mẫu đất khơ tiếp xúc với mẫu đất ướt, nước sẽ di chuyển từ mẫu ướt (trạng thái năng lượng cao hơn) sang mẫu khơ (trạng thái năng lượng thấp hơn). Xác định mức năng lượng tuyệt đối của nước ở trong đất là rất khĩ, đơi khi khơng thể. Rất may, ta khơng nhất thiết phải biết mức năng lượng tuyệt đối của nước để cĩ thể dự đốn trước di chuyển như thế nào trong đất và trong mơi trường. Tuy nhiên, giá trị tương đối năng lượng của nước trong đất là cần thiết. Thường thường trạng thái năng lượng của nước trong đất tại vị trí quan tâm trong phẫu diện được so sánh với nước ở trạng thái sạch cĩ áp suất và nhiệt độ chuẩn khơng chịu ảnh hưởng của đất và được đặt ở độ cao tham chiếu. Sự chênh lệch mức năng lượng giữa nước sạch ở trạng thía tham chiếu và nước trong đất được gọi là thế nước trong đất (xem thêm hình 9.5), thuật ngữ thế giống như thuật ngữ áp suất ám chỉ sự chênh lệch trạng thái năng lượng. Nếu tất cả giá trị của thế nước được xem xét cĩ điểm tham chiếu chung (trạng thái năng lượng của nước sạch) sự chênh lệch thế của nước ở 2 mẫu đất trong thực tế sẽ phán ánh sự chênh lệch mức năng lượng tuyệt đối của chúng. Ðiều này cĩ nghĩa là nước sẽ di chuyển từ vùng đất cĩ thế nước cao sang vùng cĩ thế nước thấp hơn. Thế nước trong đất liên quan tới một số lực, mà mỗi một trong số đĩ là thành tố của thế tổng thể ψt của nước trong đất. Các thành tố này liên quan tới chênh lệch mức Thổ nhưỡng học
năng lượng do lực trọng trường, lực matric, thuỷ lực hỗn hợp, lực thẩm thấu và chúng được gọi là thế trọng lực (ψg), thế matric (ψm), thế ngập nước và thế thẩm thấu (ψo). Quan hệ tổng quát của thế nước trong đất với các mức năng lượng được biểu diễn trên hình 9.6 và theo phương trình: ψt = ψg + ψm + ψo + * (7) * các dấu chấm ( ) hàm ý là các thế thành phần khác chưa đưa vào đây n Thế năng của nước trong đất ở n ơ ẩ mức cao hơn trạng thái tham chiếu chuẩn u chu ế + ng cao h ng ượ ươ D ng l Thế ă Mức thế năng của nước tinh trọng lực m tham chi c n khiết ở trạng thái tham chiếu ể ứ i đ chuẩn được lấy bằng 0 M O Thế Mức thế năng của nước chứa muối thẩm thấu và các chất hồ tan khác Âm - Thế matric Mức thế năng của nước bị các hạt đất hút - Hính 9.6 Quan hệ giữa thế năng của nước sạch ở trạng thái tham chiếu tiêu chuẩn (áp suất, nhiệt độ và độ cao và nước trong đất) (N.C. Brady, R.R. Well) Trên hình, nếu nước trong đất chứa muối và các chất tan khác, sức hút tương hỗ giữa các phân tử nước và các hố chất đĩ sẽ làm giảm thế năng của nước, mức giảm đĩ được gọi là thế thẩm thấu. Tương tự, tương tác giữa các hạt rắn (matrix) và các phân tử nước cũng làm giảm thế năng của nước. Từ đĩ cả hai tương tác làm giảm mức thế năng của nước so với của nước sạch, sự thay đổi mức năng lượng (thế thẩm thấu, thế matric) của cả 2 là âm. Ngược lại, sự chênh lệch năng lượng cĩ liên quan tới trọng lực (thế trọng lực) là luơn luơn dương. Ðiều này được tạo ra do độ cao tham chiếu của nước sạch được thiết kế tại điểm cĩ chủ định trong phẫu diện bên dưới nước trong đất. Rễ cây gắng sức làm di chuyển nước từ đất ẩm thì phải vượt qua cả 3 lực hợp lại. Thế trọng lực Lực của trọng trường tác động lên nước cũng giống như lên các vật khác, lực này hướng vào tâm trái đất. Thế trọng lực ψg của nước cĩ thể biểu diễn theo tốn học là: ψg = gh (8) Nơi g là gia tốc, h là chiều cao của nước trong đất bên trên độ cao tham chiếu. Ðộ cao nước tham chiếu thường được chọn trong phạm vi phẫu diện hoặc tại ranh giới dưới để đảm bảo rằng thế trọng lực trên điểm tham chiếu sẽ luơn luơn dương. Thổ nhưỡng học
Sau mưa hoặc tưới, trọng lực giữ vai trị rất quan trọng đối với sự di chuyển của nước từ tầng trên và đối với sự động nước ngầm phía dưới phẫu diện. Thế áp suất (bao gồm thế ngập nước và thế matric) Thành tố này được xem là kết quả của tác động lên thế nước của tất cả các nhân tố ngồi trọng lực và các mức hồ tan. Nĩ bao hàm chung nhất (1) áp suất thuỷ lực dương (positive) liên quan trọng lượng nước trong đất bão hồ và dung mơi, và (2) áp suất âm liên quan tới lực hút giữa nước và thể rắn hay matrix. Áp suất thuỷ lực tăng lên đến giới hạn thường được gọi là thế ngập nước ψsr, thành tố mà chỉ được thể hiện đối với nước trong vùng bão hồ nằm dưới mặt nước ngầm. Ðã cĩ người nhảy xuống đáy bể bơi để nhận thấy áp suất thuỷ lực đè lên màng nhĩ. Sự hút kéo nước đến bề mặt pha rắn làm tăng thế matric ψmr mà luơn đạt giá trị âm do nước bị các hạt đất hút cĩ trạng thái năng lượng thấp hơn so với của nước sạch. (Những áp lực âm này đơi khi được xem là sức hút hoặc sức căng). Thế matric tồn tại trong đất khơng bão hồ bên trên mạch nước ngầm trong lúc thế ngập nước xảy ra đối với nước trong đất bão hồ hoặc nằm dưới mạch nước ngầm (hình 9.7). Trong khi mỗi một áp lực này là đáng kể ở mỗi điều kiện đồng ruộng cụ thể, thì thế matric ψmr là kết quả từ hiện tượng xâm nhập (hay hấp phụ) và mao dẫn, ảnh hưởng tới sự duy trì ẩm tốt nhất khi nước di chuyển. Ðộ chênh lệch giữa thế ψm của 2 vùng đất kế nhau tăng cường sự di chuyển của nước từ vùng ẩm (trạng thái năng lượng cao) đến vùng khơ (trạng thái năng lượng thấp) hay từ khe hở lớn đến khe hở bé. Tuy nhiên, sự di chuyển này rất chậm, nhưng rất quan trọng nhất là đối với việc cung cấp nước cho cây. Thế áp suất Chiều Thế matric sâu cĩ giá trị âm phẫu diện Mực nước ngầm Thế ngập nước cĩ giá trị dương Hình 9.7. Thế matric và thế ngập nước (N.C. Brady, R.R. Weil) Trên hình, cả 2 thế matric và thế ngập nước đều là thế áp suất gĩp phần vào thế tổng thể của nước. Thế matric luơn luơn âm, thế ngập nước luơn luơn dương. Khi nước trong đất khơng bão hồ nằm trên mạch nước ngầm (đỉnh của vùng bão hồ) chịu ảnh hưởng của các thế matric. Nước ở dưới mạch nước ngầm trong đất bão hồ chịu ảnh hưởng của thế ngập nước. Trong ví dụ này thế matric giảm tuyến tính tới điểm bên trên mạch nước, rõ ràng nước dâng lên bằng lực hút mao dẫn từ mạch nước là nguồn cung cấp duy nhất trong phẫu diện. Mưa hay tưới cĩ sự đổi khác hoặc đường cong trở nên rõ ràng, nhưng khơng thay đổi quan hệ cơ bản đã được mơ tả. Thế matric lại là quan trọng ở tất cả các đất khơng bão hồ vì ở đây cĩ sự tương hỗ đồng thời giữa các pha rắn và Thổ nhưỡng học
nước. Sự di chuyển của nước trong đất, khả năng cung cấp nước cho cây, và các dung dịch đối với nhiều vấn đề kỹ thuật cần được xác định để mở rộng nghiên cứu bằng thế matric. Như vậy thế matric sẽ được chấp nhận là mối quan tâm trước hết, tiếp theo là thế trọng lực và thế thẩm thấu. Thế thẩm thấu Thế thẩm thấu ψo biểu hiện sự cĩ mặt của chất tan trong dung dịch đất. Các chất tan này cĩ thể là chất vơ cơ hay chất hữu cơ. Sự cĩ mặt của chúng làm giảm thế năng của nước, cơ bản do giảm sự di động tự do của các phân tử nước bao quanh các ion hay phân tử chất tan. Nồng độ chất tan càng cao thì thế thẩm thấu càng thấp. Lúc nào cũng vậy, nước sẽ di chuyển đến nơi mức năng lượng của nĩ thấp hơn, trong trường hợp này nước đi chuyển đến vùng cĩ nồng độ chất tan cao hơn. Tuy nhiên, nước thể lỏng sẽ di chuyển trong mối quan hệ tới sự chênh lệch thế thẩm thấu (quá trình được gọi là thẩm thấu) chỉ khi cĩ màng bán thẩm thấu giữa 2 vùng thế thẩm thấu cao và thấp cho phép nước đi qua nhưng ngăn cản sự di chuyển của chất tan. Nếu khơng cĩ màng, chất tan lại khác với nước, nĩi chung là di chuyển để cân bằng nồng độ. Vì các vùng đất nhìn chung khơng bị ngăn cách bằng màng, thế thẩm thấu ψo ảnh hưởng nhỏ đến khối lượng di chuyển của nước. Ảnh hưởng chính của nĩ là sự hút nước qua tế bào rễ cây được ngăn cách với dung dịch đất bởi màng tế bào bán thẩm thấu. Ở đất cĩ nhiều muối tan thế thẩm thấu ψo là thấp hơn (cĩ giá trị âm lớn hơn) so với trong tế bào rễ. Ðiều này dẫn đến sự kìm hãm việc lấy nước của cây. Trong đất quá nhiều muối thế thẩm thấu của nước trong đất thấp đến nỗi gây ra hiện tuợng chảy dịch (plasmolyze) ở cây non khi nước di chuyển từ tế bào ra vùng đất cĩ thế thẩm thấu thấp hơn. Sự di chuyển tự nhiên của các phân tử nước gây ra do một số thốt khỏi thể lỏng đi vào khơng khí và trở thành hơi nước. Từ đĩ, sự cĩ mặt của muối tan chống lại sự di chuyển của nước, số phân tử phân tử nước thốt sẽ ít hơn khi nồng độ chất tan của nước tăng. Vì thế áp suất hơi nước sẽ thấp hơn ở khơng khí trên vùng nước mặn so với ở khơng khí trên vùng nước sạch. Bằng sự ảnh hưởng của áp suất hơi nước, ψo tác động đến sự di chuyển hơi nước trong đất. 4.3. Các phương pháp biểu diễn mức năng lượng Một số đơn vị cĩ thể được sử dụng để biểu diễn sự chênh lệch mức năng lượng của nước trong đất. Thứ nhất là chiều cao cột nước (thường là centimet) mà trọng lượng của nĩ tương đương với thế dưới điều kiện nghiên cứu. Ta luơn gặp nội dung biểu diễn này từ độ cao h trong phương trình mao dẫn cho ta biết thế matric của nước trong mao dẫn. Ðơn vị thứ 2 là áp suất khơng khí tiêu chuẩn tại mực nước biển cĩ giá trị 760 mm thuỷ ngân hoặc 1020 cm nước. Ðơn vị này được gọi là bar tương đương với áp suất khơng khí tiêu chuẩn. Năng lượng cũng cĩ thể biểu diễn theo đơn vị khối lượng (junes/ kg) hoặc đơn vị theo thể tích (newtons/ m2). Trong hệ các đơn vị Quốc tế (SI), 1 pascal (Pa) tương đương 1 newton tác động trên một diện tích 1 m2. Ở đây ta dùng Pa hoặc kilopascals (kPa) để biểu diễn thế của nước trong đất. Bảng 9.2 trình bày giá trị tương đương trong các phương pháp chung biểu thị thế của nước trong đất. Bảng 9.2. Tương đương gần đúng trong phạm vi biểu diễn thế nước của đất Chiều cao cột nước, cm Thế của nước trong đất, bar Thế của nước trong đất, kPa* 0 0 0 10,2 -0,01 -1 102 -0,1 -10 306 -0,3 -30 Thổ nhưỡng học
1.020 -1,0 -100 15.300 -15 -1.500 31.700 -31 -3.100 102.000 -100 -10.000 * Ðơn vị hệ SI kilopascal (kPa) tương đương với 0,01 bar 4.4. Ðo thế năng nước trong đất Hiện nay cĩ một số phương pháp xác định thế năng của nước trong đất. Các phương pháp này dùng những dụng cụ khác nhau và đo được các dạng thế với giá trị khác nhau. Ví dụ: "ẩm kế nhiệt kép" để đo tổng thế thẩm thấu và thế matric (mà ở mức đĩ thế nước trong rễ cây phải lớn hơn cây mới lấy được nước), "Ẩm kế nhiệt kép" đo được thế với lượng nước bé và đạt mức chính xác ± 5 kPa; Phương pháp dùng Tensiomet đo được thế cĩ giá trị -80 đến 85 kPa; Phương pháp dùng "Màng áp suất" cĩ thể đo được thế matric rất thấp như là -10.000 kPa chẳng hạn Sau đây giới thiệu 2 trong số đĩ. • Phương pháp dùng "Tensiomet". Ðộ vững chắc giữ nước trong đất được biểu diễn theo thế năng của nước ψ. Tensiometer ngồi đồng ruộng là dụng cụ để đo sức hút hay sức căng. Tensiometer là ống đầy nước được bịt kín phía dưới bằng cốc sứ cĩ lỗ, đầu trên được bịt kín hồn tồn (hình 9.8). Ðặt tensiomet vào trong đất, nước trong tensiometer sẽ di chuyển qua lỗ trên cốc sứ vào vùng sát cạnh đĩ cho đến khi thế của nước trong ống và trong đất cân bằng nhau. Khi nước đi xuống, khoảng trống đầu trên sẽ tăng lên, cĩ thể đo được bằng đồng hồ (gauge) hộp chấn lưu điện tử. Nếu mưa hay Đồng hồ đo Buồng chân khơng tưới làm ướt đất, nước sẽ đi ngược sức căng vào tensiomet làm giảm thể tích Mặt đất khoảng trống hoặc sức căng được ghi trên đồng hồ. Tensiomet dùng để đo trong Nước khoảng 0 đến - 85 kPa, khoảng 1/ 2 hay nhiều hơn lượng nước tích luỹ trong đất. Tensiomet trong phịng thí nghiệm được gọi là"tấm căng hay tấm áp lực", đo được trong khoảng thế tương tự. Lỗ cho Khi đất khơ vượt quá -80 đến -85 nước đi kPa, tensiomet sẽ khơng dùng qua được vì khơng khí đi vào ống giảm khoảng khơng Hình 9.8 Tensiomet đo thế nước ngồi đồng ruộng • Phương pháp dùng "Màng áp suất" Thổ nhưỡng học
"Màng áp suất" (hình 9.9) được dùng đo thế matric của nước thấp độ - 10.000 kPa. Khi dùng thế matric đặc trưng đối với một mẫu đất, hàm lượng nước của đất được xác định. Dụng cụ quan trọng này trong phịng tạo ra số đo chính xác Nguồn Áp suất cao Đĩa cĩ hàm lượng nước trên áp hơn khí quyển lỗ nhỏ khoảng rộng của thế matric trong một thời gian tương đối ngắn. Áp kế Áp suất khí quyển Dùng máy này cho kết thuỷ ngân quả cĩ thể xây dựng đường cong nước đặc Hình 9. 9 Dụng cụ màng áp suất. trưng. Dụng cụ này dùng xác định quan hệ thế matric- hàm lượng nước trong đất. Nguồn khí bên ngồi làm tăng áp suất bên trong buồng nhỏ (cell). Nước ép lên mẫu đất qua tấm cĩ lổ trong buồng với áp suất khơng khí. Áp suất kèm theo khi dịng đi xuống khơng ngừng đưa cho số đo của thế nước. Máy cĩ thể đo được giá trị thế thấp hơn (đất khơ) so với tensiomet 5. Sự di chuyển của nước trong đất Mọi sự di chuyển của nước trong đất đều do thế năng của nước quyết định. Tuy nhiên, chủ yếu chỉ sự di chuyển của thể lỏng và thể hơi, nước ở thể rắn khơng di chuyển được trừ khi đã chuyển thể. 5.1. Sự di chuyển nước thể lỏng Trong thực tế, di chuyển của nước trong đất lại phụ thuộc vào trạng thái cấu tạo (kết cấu) và trạng thái ẩm của đất. Nước thể lỏng di chuyển trong các khe hở của đất. Khe hở càng bé nước di chuyển càng khĩ, càng chậm. Tốc độ di chuyển của nước dưới một áp lực nhất định tỷ lệ cấp số mũ với bán kính mao quản r4. Nếu giảm bán kính khe hở giảm đi 1/ 2 thì tốc độ di chuyển của nước chỉ cịn lại bằng 1/16 so với ban đầu. Hình dạng khe hở trong đất ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ và khả năng di chuyển của nước. Trong lúc đĩ khe hở trong đất lại rất đa dạng và phức tạp. Các khe hở lớn bé xen kẽ nhau và nằm theo nhiều hướng khác nhau. Mặt khác, bản thân đất khơng phải là đồng nhất, các khe hở khơng phải là lý tưởng (khơng thẳng, đều và dài). Ðất càng ẩm sự di chuyển của nước càng dễ dàng bởi thế năng của nước càng cao. Ngược lại, đất càng khơ mức năng lượng của các phân tử nước càng thấp do đĩ càng khĩ di chyển. Nĩi cách khác dịng chảy của nước trong đất bão hồ khác với dịng chảy trong đất khơng bão hồ nước. Trong đất ở trạng thái bão hồ, dịng nước chảy qua đất với một khối lượng được Q ΔΨ biểu diễn bằng định luật Darcy như sau: = AK t sat l Trong đĩ: A là diện tích cắt ngang của cột đất nước chảy qua; Ksat là sức dẫn thuỷ lực bão hồ, ΔΨ là biến động của thế nước giữa 2 đầu cột nước; L là chiều dài cột nước Thổ nhưỡng học
103 102 10 Đất cát 1 Đất sét 10-1 c (cm/ngày, logarit ệ -2 ướ 10 l ỷ n t ẫ 10-3 d -4 Độ 10 10-5 10-6 0 -0.001 -0.01 -0.1 -1 -10 -100 (bar) -0,1 -1 -10 -100 -1000 -10000 (kPa) (cao) Thế matric (tỷ lệ logarit) (thấp) Hình 9.10. Quan hệ giữa matric và sức dẫn thuỷ lực Trong đất khơng bão hồ nước. Trong đất bão hồ nước chiếm chỗ hầu hết các loại khe hở cịn trong đất khơng bão hồ nước chỉ chiếm trong các khe hở bé và rất bé, tại đây sự di chuyển của nước khác với sự di chuyển của nước trong đất bão hồ nước. Ở đây sự chênh lệch thế năng khơng phải do trọng lực mà chủ yếu do lực hút. Gradient thế matric là sự chênh lệch thế matric giữa vùng đất khơ và vùng đất ẩm bên cạnh. Nước sẽ di chuyển từ vùng cĩ màng nước dày hơn (thế matric cao, ví dụ khoảng -1 kPa) đến vùng cĩ màng nước mỏng hơn (thế matric thấp hơn, ví dụ khoảng -100 kPa) trong phẫu diện. Thành phần cơ giới cĩ ảnh hưởng rất lớn tới sự di chuyển của nước trong đất khơng bão hồ. Hình 9.10 mơ tả quan hệ tổng quát giữa thế matric Ψm (theo đĩ là hàm lượng nước) và sức dẫn thuỷ lực của đất cát và đất thịt. Dịng bão hồ hình thành ở thế zero hay sát zero, trong khi phần nhiều dịng khơng bão hồ hình thành từ thế -0,1 bar (- 10 kPa) trở xuống Tính xâm nhập và tính thấm Tính xâm nhập (tính lọc- infiltration) và tính thấm là trường hợp đặc biệt, nước tự do đi vào đất từ mặt trong đất- khơng khí khí quyển. Ðây là quá trình chủ yếu xảy ra ở thuỷ địa hình, ảnh hưởng rất lớn tới chế độ ẩm đối với cây và tiềm năng thối hố đất như: rửa trơi, xĩi mịn hay ngập úng. Nguồn nước gây ra là nước mưa hoặc tưới. Quá trình nước đi vào đất và trở thành nước của đất được gọi là tính xâm nhập (infiltration), tỷ số nước cĩ thể xâm nhập vào đất được gọi là khả năng xâm nhập i: Q i = A.t Trong đĩ: Q là thể tích nước xâm nhập (m3), A là diện tích mặt đất biểu hiện sự xâm nhập (m2), t là thời gian (s). Do Q và A cĩ đơn vị là m3 và m2 nên cĩ thể đơn giản hố ta lấy đơn vị của i là m/s hay cm/h. Tỷ số xâm nhập khơng phải là hằng số theo thời gian. Nếu đất khơ hồn tồn khi bắt đầu xâm nhập các lỗ hổng mở lớn sẽ dẫn nước vào. Ở đất giàu sét cĩ độ co giãn lớn, sự xâm nhập lúc đầu cực kỳ mạnh, nước đi vào mạng các kẽ nứt. Vì thế khi các kẽ nứt đã đầy nước thì tỷ số xâm nhập giảm đột ngột sau đĩ giảm từ từ và nhanh chĩng đạt đến hằng số. Thổ nhưỡng học
Sự xâm nhập là hiện tượng chuyển tiếp xảy ra ở mặt đất. Khi nước xâm nhập đầy đủ vào đất, nước di chuyển thẳng xuống trong phẫu diện theo một quá trình được gọi là thấm (percolation). Cả dịng bão hồ và dịng khơng bão hồ đều tham gia vào quá trình thấm và tỷ số thấm liên quan tới sức dẫn thuỷ lực của đất. Trong trường hợp nước xâm nhập vào đất khơ tương đối dấu vết di chuyển của nước cĩ thể quan sát được bằng màu tối khi đất trở nên ướt. Ranh giới khơ ướt đo rất rõ ràng và được gọi là front ướt. Khi mưa lớn hay tưới đẫm di chuyển của nước sát mặt đất xảy ra chủ yếu là dịng bão hồ cĩ liên quan tới trọng lực. Tại front ướt nước di chuyển xuống tầng đất khơ nằm dưới do gradient thế matric cũng như thế trọng lực. Lúc mưa ít cả sự xâm nhập và sự thấm đều tạo ra dịng khơng bão hồ khi nước di xuống bằng lực matric vào các khe hở "bẫy" khơng tích luỹ ở tầng mặt hay trong khe hở lớn. 5.2. Sự di chuyển của hơi nước Hơi nước là thành phần của khơng khí trong đất. Hơi nước di chuyển theo dạng khuếch tán. Trong đất hơi nước di chuyển từ nơi cĩ thế năng cao đến nơi cĩ thế năng thấp tức là từ nơi nĩng đến nơi lạnh hơn hoặc từ nơi độ ẩm tương đối khơng khí cao hơn đến nơi độ ẩm tương đối khơng khí thấp. Như vậy, ban ngày hơi nước đi xuống do lớp đất mặt bị đốt nĩng, ban đêm hơi nước đi lên. Khi đi lên khỏi mặt đất đi vào khơng khí lạnh hơi nước sẽ ngưng tụ thành sương muối. 6. Sự bốc hơi nước của đất Bốc hơi là một trong các hiện tượng làm mất nước của đất. Quá trình bốc hơi nước rất phức tạp và xảy ra với 3 điều kiện: - Thứ nhất, luơn cĩ nhiệt lượng đến mặt đất đủ để nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi). Ở tiêu chuẩn 150C cần khoảng 590 Calo cho 1 gam nước biến thành hơi. - Thứ 2, áp lực hơi nước ở mặt đất cao hơn áp lực hơi nước trong khí quyển. - Thứ 3, mặt đất luơn luơn cĩ ẩm hoặc luơn được cung cấp nước từ tầng dưới lên. Sự bốc hơi nước phụ thuộc vào một số yếu tố sau đây: • Nhiệt độ của đất. Nhiệt độ đất càng cao nước bốc hơi càng nhanh. • Ðộ ẩm đất. Ðộ ẩm đất càng cao nước bốc hơi càng nhanh và càng nhiều. • Thành phần và số lượng keo đất. Ðất giàu keo sét, keo montmorilonit khi khơ cĩ nhiều kẽ nứt lớn và sâu thuận lợi cho sự bốc hơi của nước. • Cấu tạo của đất (hệ thống). Ðất chặt, dí nước bốc hơi nhanh vì thế đất tơi xốp ở tầng mặt sẽ hạn chế nước từ tầng dưới. • Trạng thái vật lý mặt đất. Mặt đất gồ ghề, lượn sĩng, màu sẫm nước bốc hơi mạnh hơn mặt đất bằng phẳng, đất màu sáng. • Ðộ ẩm tương đối khơng khí khí quyển. Ðộ ẩm này càng thấp nước bốc hơi càng mạnh. • Ngồi ra cịn phụ thuộc vào độ che phủ mặt đất, thời gian và cường độ của giĩ. 7. Cách biểu thị độ ẩm đất Ðộ ẩm đất là khái niệm biểu thị mối quan hệ giữa nước trong đất với đất. Nĩi cách khác, độ ẩm biểu thị mức độ chứa nước của đất. Ðộ ẩm đất được dùng để: • xác định lượng nước trong đất, • xác định lượng nước tưới và thời điểm tưới để điều tiết nước cung cấp cho cây trồng. Ta cĩ một số cách biểu thị độ ẩm của đất. Thổ nhưỡng học
7.1. Ðộ ẩm biểu thị theo khối lượng (Wm) - Cĩ thể tính theo khối lượng đất khơ kiệt (một cách tuyệt đối). Lấy khối lượng nước cĩ trong mẫu đất so với khối lượng mẫu đất sấy khơ ở 1050 C M Wma (%) = w 100 Msd Trong đĩ Mw là khối lượng nước, Msd là khối lượng đất khơ kiệt - Cĩ thể tính theo khối lượng đất ẩm (một cách tương đối). Lấy khối lượng nước cĩ trong mẫu đất so với khối lượng mẫu đất ẩm (gồm khối lượng của nước và khối lượng của đất) M w Wmr (%) = 100 M w + Msd Ðể cĩ kết quả đúng với khối lượng đất, ta phải điều chỉnh bằng cách lấy kết quả phân tích nhân với hệ số khơ kiệt K được tính như sau: K = (100 + Wma): 100. Nếu phân tích đất ẩm thì hệ số K được tính: K = 100: (100- Wmr) 7.2. Ðộ ẩm tính theo thể tích Wv Ðộ ẩm biểu thị theo thể tích cũng cĩ thể tính tuyệt đối và tương đối - Theo thể tích tuyệt đối Wva Khi xem nước ở điều kiện bình thường cĩ tỷ trọng bằng 1 nghĩa là 1 cm3 cĩ khối lượng là 1 gam thì quan hệ giữa Wma và Wva như sau: W V M V .M M va = w : w = w sd = sd = D Wma Vsd Msd Vsd .M w Vsd D là dung trọng của đất. Từ đĩ ta cĩ: Wva (%) = Wma (%). D Nếu biết độ hổng, cĩ thể tính Wva bằng cách lấy thể tích nước Vw trong mẫu chia cho hiệu giữa 1 và độ hổng. - Theo thể tích tương đối Wv r V Wvr (%) = w .100 Vs Trong đĩ Vw và Vs là thể tích nước và thể tích đất ẩm (đất ở trạng thái tự nhiên bao gồm thể tích đất, thể tích nước và khơng khí). Tuy nhiên, hiện nay độ ẩm biểu thị theo khối lượng tuyệt đối được dùng phổ biến vì thuận tiện cho tính tốn trong các mơ hình nghiên cứu về nước trong đất. 8. Các phương pháp xác định độ ẩm đất Cĩ nhiều phương pháp xác định độ ẩm đất như phương pháp trọng lượng, phương pháp điện trở, phương pháp phĩng xạ 8.1. Phương pháp trọng lượng (sấy) Lấy mẫu đất từ ngồi đồng ruộng về. Cân mẫu đất ẩm (P1 gam), đưa vào tủ sấy đặt 0 ở nhiệt độ 105 C, sấy cho đến khi trọng lượng khơng đổi rồi đem cân (P2 gam). Hiệu giữa P1 và P2 là lượng nước cĩ trong mẫu đất nghiên cứu. Phương pháp này tuy tốn nhiều thời gian và năng lượng nhưng rất chính xác. 8.2. Phương pháp điện trở Người ta dùng một điện cực thích hợp cắm vào một gĩi đựng các hạt đã chế biến từ thạch cao trong (gĩi bằng nylon hay bơng thuỷ tinh). Sau đĩ chơn gĩi thạch cao vào đất Thổ nhưỡng học
ở độ sâu nghiên cứu. Cả 3 vật liệu: thạch cao, nylon hay bơng thuỷ tinh đều hút nước, chúng hút nước cho đến khi đạt trạng thái cân bằng năng lượng của nước trong vật liệu và của đất. Ðiện cực nĩi trên được nối với một máy đo điện trở. Giữa điện trở và hàm lượng nước trong đất cĩ mối quan hệ nhất định, vì vậy cĩ thể suy ra độ ẩm của đất. Ðây là phương pháp gián tiếp, thích hợp cho đất khơng mặn. 8.3. Phương pháp phĩng xạ Ðặt một "máy đếm" và một nguồn neutron vào trong ống bằng nhổ mồi cắm vào đất (hình 9.11). ống vỏ nhơm Bộ phận của Khi chùm tia neutron phĩng ra máy đếm xung quanh gặp phân tử nước thì đổi hướng và giảm tốc độ thành "neutron chậm", cuối cùng được thu vào "máy đếm". Nước trong đất Phân càng nhiều thì số lượng "neutron tử nước chậm" thu được trong "máy đếm" Nguồn nơtron càng cao. Từ đĩ cĩ thể suy ra độ ẩm đất. Phương pháp này khá chính xác và nhanh nhưng nhược điểm là khơng thực hiện được ở lớp đất quá mỏng hay đất cĩ độ dày quá bé cũng như đất cĩ nhiều chất hữu cơ. Hình 9.11 Sơ đồ máy đo độ ẩm đất bằng nguồn neutron 9. Các giới hạn ẩm đặc trưng trong đất (hay các hằng số nước) Ðây là những mốc giới hạn về độ ẩm, tương ứng với dạng nước của đất. Mỗi một mốc này ở trong một loại đất nhất định sẽ cĩ giá trị khơng đổi hay rất ít thay đổi nên người ta gọi là các hằng số nước của đất. Các giới hạn này cĩ ý nghĩa rất lớn, phản ánh khả năng cung cấp nước cho cây trồng của một loại đất (xem hình 9.5). 9.1. Ðộ hút ẩm tối đa Hymax Giới hạn này được hiểu là lượng nước tối đa mà đất khơ cĩ thể hút được từ khơng khí bão hồ hơi nước (> 96 %) và được ký hiệu là Hymax. Lượng nước này chủ yếu do khả năng hấp phụ của đất quyết định, phụ thuộc vào một số yếu tố như: thành phần và tỷ lệ các loại keo trong đất, thành phần cơ giới, hàm lượng muối tan Nước này cây trồng khơng hút được vì được đất giữ bằng lực hấp phụ rất lớn (nhiều ngàn atmotphe). 9.2. Ðộ ẩm đồng ruộng (sức chứa ẩm đồng ruộng tối đa) Ðộ ẩm đồng ruộng Wdr(%) biểu thị tỷ lệ phần trăm lượng nước tối đa mà đất ở trạng thái tự nhiên cĩ thể giữ lại khơng kể nước trọng lực, hơi nước, tương đương với dạng nước mao quản leo. Thực tế ngồi đồng ruộng đĩ là lượng nước đất giữ lại được ngay sau khi mưa lâu hoặc tưới đẫm, nước ngầm xuất hiện ở độ sâu nhất định nhưng đất khơng bị ngập trong nước. Ðộ ẩm này phụ thuộc rất lớn vào trạng thái cấu tạo của đất (độ hổng). Giá trị độ ẩm này càng lớn cây trồng càng dễ dàng lấy được nước. Ðây là giới hạn trên của lượng nước hữu hiệu đối với cây trồng. Thổ nhưỡng học
9.3. Ðộ ẩm bão hồ (độ ẩm tồn phần) Ðộ ẩm bão hồ biểu thị trạng thái ẩm cao nhất của đất khi tất cả các khe hở đều đã bị nước chiếm. Giá trị của độ ẩm bão hào tương đương với độ hổng. Thực tế ngồi đồng ruộng là lúc đất đã bị ngập trong nước sau một khoảng thời gian nhất định. Khi đất bão hồ nước lâu ngày sẽ gây ra hiện tượng glây hố bất lợi cho cây trồng. 9.4. Ðộ ẩm cây héo (W ch) Ðộ ẩm cây héo là lượng nước cịn lại trong đất khi cây bị héo và được ký hiệu là Wch. Ðây là giới hạn dưới của lượng nước hữu hiệu. Ðộ ẩm cây héo phụ thuộc vào khả năng hấp phụ của đất do đĩ bị chi phối bởi thành phần và tỷ lệ các loại keo, thành phần cơ giới, hàm lượng muối tan trong đất. Ngồi ra, mặc dù khơng phải là chủ yếu nhưng độ ẩm này cịn phụ thuộc vào loại cây và thời kỳ sinh trưởng, phát triển của cây. Nếu xem áp lực hút nước của rễ cây tối đa là 15,2 bar, từ đây trở lên cây khơng cịn khả năng lấy được nước nữa, sẽ bị héo chết. Trên cơ sở đĩ, ta cĩ thể tính gián tiếp độ ẩm cây héo theo cơng thức: Wch (%) = 1,5 Hymax Muốn biết chính xác độ ẩm cây héo của một loại đất đối với cây trồng cụ thể ta tiến hành trồng cây ngồi ruộng hay trong chậu. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà để cho cây bắt đầu héo ở giai đoạn sinh trưởng phát triển nào đĩ rồi lấy mẫu đất phân tích độ ẩm. Từ độ ẩm đồng ruộng và độ ẩm cây héo cĩ thể tính độ ẩm hữu hiệu (Whh) như sau: Whh (%) = Wdr(%) - Wch (%) Như vậy độ ẩm hữu hiệu chính là lượng nước mà cây trồng cĩ thể hút được. Giá trị của Whh phụ thuộc vào giá trị của Wdr và Wch. 10. Cân bằng nước trong đất Cân bằng nước trong đất là chỉ sự "thu, chi" nước trong một thể tích đất nhất định (thường tính ở tầng đất hữu hiệu- tầng đất rễ cây vươn tới). Theo định luật bảo tồn vật chất thì hàm lượng nước trong một thể tích nhất định sẽ khơng tăng thêm nếu khơng cĩ nguồn bổ sung thêm từ ngồi vào (như nước xâm nhập, nước ngầm dâng lên trong mao quản). Ðồng thời, nếu khơng cĩ nước bị hao hụt do bốc hơi, phát tán vào khơng khí hoặc thấm xuống tầng sâu thì lượng nước trong đất cũng khơng bị giảm. Trên đồng ruộng, cân bằng nước cĩ liên quan mật thiết với cân bằng năng lượng vì sự "thu, chi" nước cần cĩ năng lượng, đặc biệt là hiện tượng bốc hơi nước là quá trình tiêu hao năng lượng rất lớn. Vì vậy quá trình bốc hơi là do sự cung cấp đồng thời nước và năng lượng quyết định. Sự cân bằng nước trong đất cho một thời gian nghiên cứu* cĩ thể biểu thị như sau: N1 + N2 + N3 + N4 + N5 + N6 = N7 + N8 + N9 + N10 + N11 +N12 Trong đĩ vế trái cơng thức là các nguồn nước thu vào, bao gồm: N1 là nước cĩ trong đất lúc bắt đầu nghiên cứu, N2 là nước mưa trong thời gian nghiên cứu, N3 là nước ngầm trong thời gian nghiên cứu, N4 là nước ngưng tụ từ khí quyển trong thời gian nghiên cứu, Thổ nhưỡng học
N5 là nước xâm nhập từ mặt đất trong thời gian nghiên cứu, N6 là nước xâm nhập từ mạch ngang trong thời gian nghiên cứu, Vế trái cơng thức là các nguồn nước thu vào, bao gồm: N7 là nước bốc hơi trong thời gian nghiên cứu, N8 là phát tán trong thời gian nghiên cứu, N9 là nước thấm sâu xuống tầng dưới trong thời gian nghiên cứu, N10 là nước chảy tràn bề mặt trong thời gian nghiên cứu, N11 là nước mất đi theo mạch ngang trong thời gian nghiên cứu, N12 là nước cịn lại sau thời gian nghiên cứu. * Thời gian nghiên cứu thường là một năm trịn. Nếu trong hồn cảnh khí hậu ít biến động, qua một chu kỳ nghiên cứu, lượng nước lúc kết thúc bằng lượng nước lúc bắt đầu nghiên cứu (N11 = N1). Trong thực tế nơng nghiệp truyền thống, nước đi vào trong đất chủ yếu là nước mưa (phần thấm vào đất mà thơi) và nước tưới. Do đĩ: Nước thu = Nước mưa + Nước tưới Khi tính tốn cân bằng nước trong đất thường dùng đơn vị là m3/ha hay mm cột nước. Nguyên lý cân bằng nước trong đất được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu đất và nước. Hai thí dụ đơn giản sau đây: Thí dụ 1. Lượng nước trong đất ở tầng hữu hiệu là 50 mm, trong đĩ nước vơ hiệu là 30 mm (cây héo). Lượng mưa thời kỳ này thấp, bình quân 0,6 mm/ ngày; lượng nước do cây trồng tiêu hao là 1,6 mm/ ngày. Nếu khơng cĩ nước ngầm cung cấp và xem lượng nước hữu hiệu cây sẽ hút hết, ta cĩ thể tính sau bao nhiêu ngày nữa phải tưới để đảm bảo cho cây trồng đủ nước theo cách sau: 50 − 30 = 20 ngày 1,6 − 0,6 Thí dụ 2. Tính lượng nước hao hụt hàng ngày trong một tầng đất: hàm lượng nước trong đất tưới lần trước vào ngày 10/ 3 là 89,6 mm, sau đĩ tưới thêm 45 mm, đến ngày 18/ 3 xác định hàm lượng nước trong đất là 100 mm. Trong thời gian từ 10/ 3 đến 18/ 3 trời khơng mưa, vậy lượng nước hao hụt trung bình hàng ngày là: 89,6 + 45 −100 = 4,3 ngày. 18 −10 11. Xác định trữ lượng nước trong đất 11.1. Tính tổng lượng nước dự trữ trong một lớp đất Muốn tính tổng lượng nước dự trữ trong một lớp đất ta dùng cơng thức: W (tấn/ ha) = Wsd. D. h Trong đĩ: Wsd là độ ẩm theo khối lượng đất khơ kiệt (%) D là dung trọng của đất (g/cm3) h là độ dày của lớp đất (cm) 11.2. Tính tổng lượng nước dự trữ trong tầng đất hữu hiệu Muốn tính tổng lượng nước dự trữ trong tầng đất hữu hiệu ta tính lượng nước dự trữ của từng lớp đất riêng rồi cộng lại. Chú ý: lớp đất cĩ thể được xác định theo tầng đất phát sinh hay tầng chẩn đốn cũng cĩ thể lấy bình quân cứ 10-20 cm một lớp tuỳ theo mục đích nghiên cứu. Wt (tấn/ ha) = W1sd. D1. h1 + W2sd. D2. h2 + Wnsd. Dn. hn Trong đĩ: W1sd,W2sd Wnsd là độ ẩm của tầng đất 1, 2 n D1, D2 Dn là dung trọng của tầng đất 1, 2 n Thổ nhưỡng học
h1, h2 hn là độ dày của tầng đất 1, 2 n 12. Biện pháp điều tiết nước trong đất Ðiều tiết nước trong đất bao gồm tổng hợp các biện pháp nhằm tạo điều kiện cung cấp nước thoả mãn nhu cầu cây trồng. Làm thay đổi "thu, chi" nước trong đất sẽ ảnh hưởng đến tổng lượng nước dự trữ và lượng nước hữu hiệu của nĩ. Từ đĩ ta thấy biện pháp điều hồ nước đúng đắn sẽ làm tăng năng suất cây trồng. Muốn tạo điều kiện tốt cho cây phát triển, trước hết phải làm sao cho lượng nước xâm nhập và lượng nước tiêu hao bằng nhau. Ðể điều tiết nước trong đất ta cĩ thể áp dụng một số biện pháp sau: - Làm thuỷ lợi. Ví dụ, tiêu nước cho đất lầy, đất úng hay tưới nước cho đất khơ hạn. Ðây là biện pháp vừa nhanh vừa triệt để. Tuy nhiên địi hỏi đầu tư lớn ban đầu để xây dựng hệ thống kênh mương, đập- hồ chứa nước, trạm bơm - Các biện pháp tăng khả năng giữ nước của đất, làm giảm lượng nước tiêu hao vơ dụng bao gồm: cải tạo kết cấu đất, che phủ đất chống bốc hơi nước bằng các vật liệu khác nhau hay thảm cây cây trồng, gieo trồng đúng thời vụ, chăm sĩc cây như: làm cỏ, xới xáo Tĩm lại, điều hồ chế độ nước trong đất là tổng hợp các biện pháp canh tác, biện pháp cơng trình thuỷ lợi, trồng rừng và bảo vệ rừng. Câu hỏi ơn tập 1. Nêu vai trị của nước trong đất. 2. Nêu những tính chất của nước ở thể lỏng. 3. Cho biết khái niệm về năng lượng và thế năng của nước trong đất. 4. Các phương pháp biểu diễn năng lượng của nước trong đất. 5. Nêu các phương pháp đo thế năng của nước. 6. Nêu vấn đề vận chuyển của nước trong đất bão hồ. 7. Nêu vấn đề vận chuyển của nước trong đất khơng bão hồ. 8. Nêu khái niệm tính xâm nhập và tính thấm của nước. 9. Nêu sự bốc hơi nước và những yếu tố chi phối. 10. Nêu cách biểu thị độ ẩm và cách tính trữ lượng nước trong đất. 11. Những giới hạn đặc trưng của nước trong đất và ý nghĩa của chúng. 12. Nêu phương trình cân bằng nước tổng quát. Thổ nhưỡng học
Chương X KHƠNG KHÍ VÀ NHIỆT TRONG ÐẤT 1. Khơng khí trong đất 1.1. Vai trị của khơng khí trong đất Các chất khí trong đất rất cần thiết cho sự sống của các sinh vật sống trong đất, cho các quá trình sinh học tiến hành thuận lợi Trong số các chất khí, đặc biệt là ơxy và cacbonic cĩ tác động về nhiều mặt đến các tính chất đất, làm ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến năng suất cây trồng. a. Vai trị của ơxy (O2) • Ơxy tác động trực tiếp đến hơ hấp của cây trồng. Thiếu ơxy quá trình hơ hấp yếu, cây thiếu năng lượng hoạt động dẫn đến năng suất giảm. • Ðất thống khí (nhiều ơxy) rễ cây phát triển thuận lợi, lấy nước và thức ăn mạnh, cây sinh trưởng và phát triển nhanh. Ðặc biệt giai đoạn nảy mầm, cây cần nhiều ơxy nhất. • Ơxy ảnh hưởng đến điện thế ơxy hố khử. • Thiếu ơxy quá trình khử xảy ra mạnh sinh ra một số chất độc trong đất, giảm trữ lượng chất dinh dưỡng, ảnh hưởng xấu tới cây trồng. • Trong đất đầy đủ ơxy các quá trình háo khí xảy ra, tạo cho đất cĩ nhiều đặc tính tốt. b. Vai trị của khí cacbonic (CO2) • Thành phần tham gia quá trình quang hợp • Tham gia vào các phản ứng hố học trong đất, nhất là các phản ứng hồ tan, gĩp phần tăng cường thức ăn cho cây. Ví dụ, nếu dung dịch bão hồ CO2 thì sẽ hồ tan rất nhiều CaCO3,, MgCO3 • Nếu trong đất cĩ quá nhiều khí CO2 thì ảnh hưởng xấu đến quá trình hơ hấp của sinh vật, đặc biệt là đối với sự nảy mầm và sự phát triển của rễ cây non. 1.2. Thành phần và hàm lượng khơng khí trong đất Khơng khí trong đất chiếm tất cả các khe hở khơng chứa nước, do đĩ về số lượng nĩ phụ thuộc chặt chẽ vào tổng số độ hổng và độ ẩm đất. Nếu cấu tạo của đất ổn định thì cĩ thể nĩi rằng trong đất nhiều nước thì khơng khí ít. Nĩi cách khác, về khối lượng, nước và khơng khí trong đất đối kháng nhau. Phần thể tích mà khơng khí chiếm trong đất ở độ ẩm hiện tại gọi là độ chứa khí của đất hay độ thơng khí của đất, được tính theo phần trăm so với thể tích chung của đất. Vì độ hổng và độ ẩm đất luơn luơn thay đổi nên độ chứa khí của đất cũng là một đại lượng biến động trong từng loại đất khác nhau, theo mùa khác nhau và trạng thái canh tác đất. Ðộ hổng trong các loại đất khác nhau biến động từ 25 % đến 90 % nên độ chứa khí cũng biến động trong khoảng ấy nhưng thấp hơn 2 giới hạn trên một ít vì trong độ hổng cịn chứa nước ít hoặc nhiều. Về nguồn gốc khơng khí đất gồm các chất khí trong khơng khí khí quyển và khơng khí được sinh ra trong quá trình sinh học, hố học xảy ra trong đất. Về thành phần khơng khí đất cĩ khác so với khơng khí trong khí quyển (bảng 10.1). Thổ nhưỡng học
Nhiều nghiên cứu cho thấy thành phần khơng khí khí quyển là ổn định, đây chính là sự khác biệt so với thành phần khơng khí đất. So với thành phần khơng khí khí quyển, thành phần khơng khí đất chứa ít ơxy hơn nhưng cacbonic nhiều hơn và chúng luơn luơn thay đổi, ngay cả nitơ cĩ khối lượng lớn nhất. Lượng nitơ thay đổi do hoạt động biến đổi chất hữu cơ của vi sinh vật, do các quá trình nitơrát hố hay phản nitơrát hố xảy ra trong đất Thổ nhưỡng học
Bảng 10.1. Thành phần khí quyển và khơng khí đất (% thể tích) Các chất khí Trong khí quyển Trong khơng khí đất Nitơ (N2) 78,08 78,08- 80,42 Ơxy (O2) 20,95 20,90- 0,00 Argon (Ar) 0,93 - Cacbonic (CO2) 0,03 0,03- 20,00 Các khí khác(Ne, He, CH4, O3, Xe) 0,04 - Lượng chứa nhiều cacbonic, ít ơxy và sự biến động lớn của chúng là vì: • Do tiêu hao nhiều ơxy mà sinh ra nhiều cacbonic (như quá trình hơ hấp, phân giải chất hữu cơ, các phản ứng hố học, quá trình quang hợp ). • Do sự thay đổi tốc độ trao đổi khơng khí giữa đất và khí quyển, giữa các tầng đất, giữa các mùa trong năm và cả chế độ canh tác. Ở những tầng đất mặt thống khí, tỷ lệ ơxy trong khơng khí đất gần ngang với trong khí quyển. Cịn ở những tầng quá trình trao đổi khĩ khăn như đất glây, đất ngập nước thì lượng ơxy giảm xuống rất mạnh, thậm chí cịn lại phần vạn. Lượng chứa CO2 thì ngược lại tăng lên. Theo Monthei và cộng sự (1964) cho rằng: dịng khí CO2 là 1,5 g/ngày vào mùa đơng và 6,7 g/ngày vào mùa hè trên đất sét trống. Currie (1970) xác định giá trị của khí này là 1,2 g/ngày vào mùa đơng và 16 g/ngày vào trong mùa hè trên đất trống; cịn trên đất trồng cải xoăn giá trị ứng với các mùa này là 3,0 và 35 g/ngày. 2 Năm 1967, Kemper đưa ra giá trị tiêu hao O2 trong khoảng 2,5 và 5,0 g/ m / ngày trên đất trống và giá trị này lớn gấp 2 lần trên đất cĩ canh tác. Cũng theo Currie (1970) 2 tỷ số tiêu hao O2 là giữa 60 và 75 % của tỷ số CO2 được tạo thành đạt tối đa là 24 g/m dưới cây cải xoăn vào mùa hè. Ngồi các chất khí kể trên, trong đất cịn cĩ thể một số chất khí khác được sinh ra như: NH3, H2S, CH3 Trong đất các chất khí biến hố liên tục và được cân bằng theo phương trình sau: Khối lượng theo thể tích chất khí đi vào qua diện tích Δx Δy* tại z trong thời gian Δt = khối lượng chất khí thốt ra qua diện tiện tích Δx Δy tại z+Δz trong thời gian Δt + Khối lượng chất khí tăng lên theo thể tích được giữ lại trong thời gian Δt + Khối lượng chất khí theo thể tích mất trong thời gian Δt bằng con đường phản ứng hố học hay sinh học. 1.3. Tính thơng khí của đất Tính thơng khí của đất là khả năng di chuyển của khơng khí qua các tầng đất. Là nhân tố thường xuyên quyết định tốc độ trao đổi khí giữa đất và khí quyển, nghĩa là quyết định lượng O2 và CO2 trong đất, do đĩ ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của vi sinh vật, của các phản ứng xảy ra trong đất, ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp tới đời sống cây trồng. Sự di chuyển khơng khí trong đất chính là quá trình khuếch tán của khí tiến hành ở các khe hở liên tục, khơng bị tắc và khơng chứa nước. Khe hở càng lớn tính thơng thống càng cao. Theo kết quả nghiên cứu ngồi đồng ruộng của Học viện nơng nghiệp Timiriazev (CHLB Nga) thì điều kiện tiên quyết đối với tính thơng khí là độ hổng phi Thổ nhưỡng học
mao quản lớn. Nếu nĩ đạt trên 10 % thì sự thơng khí thực hiện hồn tồn, khi đĩ độ ẩm dù cĩ tăng đến độ ẩm bão hồ thì tính thơng cũng khơng giảm đáng kể. Ðất sét khơng cĩ kết cấu nên độ hổng phi mao quản thấp thì tính thơng khí thấp và cĩ thể giảm tới zero ngay cả khi độ ẩm chưa đạt mức bão hồ. Ðất cĩ kết cấu tốt (độ hổng mao quản và phi mao cao), tính thơng khí lớn cho dù khi độ ẩm rất cao. W. A. Jury và cộng sự (1986) đã cải biên định luật khuếch tán chất khí trong tự nhiên của Fick để xác định dịng khí trong đất như sau: a ∂C g s ∂Cg Jg= − ξ D = −D g g ∂z g ∂z s a Trong đĩ D g = ξDg là hệ số khuếch tan chất khí trong đất; ξg là hệ số uốn khúc < 1; a ξg= εa, khi ε là hằng số, a là hằng số khí theo thể tích, Dg là hệ số khuếch tán khơng khí trong tự nhiên. ξg được Millingt và Quirk (1961) mơ hình hố thành: 10/ 3 2 ξg= a / Φ Trong đĩ: Φ là độ hổng đất và a phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo đồn lạp của đất, theo Penma (1940) lấy trong khoảng 0,195< a < 0,676 hoặc theo Flegg (1953) trong đất 0,35<a < 0,75, cĩ thể lấy < 0, 89 trong đất đồn lạp tốt. 1.4. Biện pháp điều tiết khơng khí trong đất Muốn điều tiết chế độ khơng khí trong đất cĩ lợi cho cây trồng và các sinh vật khác, ta cần áp dụng những biện pháp làm tăng hàm lượng và cải thiện thành phần các chất khí, điều chỉnh tính thơng khí của đất bằng tổng hợp các biện pháp sau: - Tăng cường và cải thiện kết cấu đất, làm tăng độ hổng mao quản và phi mao quản bằng việc cày sâu kết hợp bĩn nhiều phân hữu cơ hay trả lại phế phụ phẩm nhiều nhất cho đất. - Làm tăng độ thống khí bằng cách lên luống, làm cỏ sục bùn, xới xáo (đặc biệt là xới đất phá váng sau khi mưa). - Xếp ải là biện pháp rất tốt để cải thiện thành phần khơng khí đất, làm tăng hàm lượng các hợp chất ơxy hố, giảm chất khử, chất độc. - Ðối với những chân ruộng trũng, khơng cĩ điều kiện làm ải (thời gian ngắn) nên làm dầm rồi sau đĩ bừa kỹ. 2. Nhiệt trong đất 2.1. Nguồn nhiệt trong đất và vai trị của nhiệt Nguồn nhiệt chính cung cấp cho đất là năng lượng từ tia nắng mặt trời. Hằng số năng lượng mặt trời năng lượng của tia nắng mặt trời chiếu thẳng gĩc đến 1 cm2 đất trong 1 phút, khi trái đất cách mặt trời một khoảng trung bình. Hằng số này là 1964 Calo/cm2/phút. Các quá trình hao tổn dọc đường phụ thuộc rất nhiều yếu tố: độ dài đường đi, nồng độ khí, mây mù, gĩc chiếu. Trong thực tế năng lượng này ít hơn nhiều do quá trình khúc xạ vào khí quyển và phản xạ từ mặt đất. A. Geiger (1965) và Chang (1961) cho rằng chỉ khoảng 45 % năng lượng mặt trời đi tới mặt đất, trong đĩ lại chỉ cĩ 67 % cung cấp cho đất, phần cịn lại hao tổn theo các con đường khác nhau như: phản xạ, hấp phụ trong khơng trung (hình 10.1). Song song với nguồn nhiệt chính nĩi trên cịn cĩ nguồn nhiệt sinh ra từ các phản ứng hố học, sinh học xảy ra trong đất và những nguồn nhiệt khác như nhiệt thấm ướt, nhiệt từ trong lịng đất, từ các nguyên tố phĩng xạ Tuy nhiên vai trị của các nguồn nhiệt này bé hơn nhiều so với bức xạ mặt trời. Thổ nhưỡng học
Chế độ nhiệt thơng qua nhiệt độ rất quan trọng đối với quá trình hình thành và biến đổi của đất, nhiệt độ quan hệ chặt chẽ với quá trình lý học, hố học và sinh học xảy ra trong đất. Nhiệt độ trong đất cịn ảnh hưởng trực tiếp đến tất cả các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Ví dụ, sự phát triển của bộ rễ và nốt sần ở cây họ đậu, sự phát triển của thân, lá, hoa, kết trái và độ chín của quả đều địi hỏi ở nhiệt độ phù hợp. Trong đất sự hoạt động của các vi sinh vật trong các khoảng nhiệt độ là khác nhau. Nhìn chung nhiệt độ thích hợp cho các quá trình phát triển của nhiều lồi sinh vật là 25 đến 300C. Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển Phản xạ (100%) (28%) (11%) mây Hấp phụ (37%) Khuyếch tán (16%) Tia trực tiếp (19%) Bức xạ khí quyển (25%) Bức xạ tồn cầu (45%) Bốc hơi phát tán Phản xạ (16%) 100% Bức xạ ra ngồi hữu ích Nhiệt (17%) cảm ứng Bức xạ hữu hiệu (67%) Dịng nhiệt vào đất (0%) Hình 10.1 Phân bố bức xạ ngồi và trên mặt đất trong mùa hè A. A. Geiger (1965) và Chang (1961) 2.2. Ðặc tính nhiệt trong đất Các tính chất cơ bản của nhiệt trong đất là: Khả năng hấp thụ nhiệt, nhiệt dung, tính dẫn nhiệt và khả năng phĩng nhiệt a. Tính hấp thụ nhiệt Tính hấp thụ nhiệt là khả năng thu nhận nhiệt từ tia nắng mặt trời của đất, được đặc trưng bằng "suất phản xạ"(Albedo). "Suất phản xạ" A là tỷ số phần trăm của năng lượng phản xạ từ mặt đất hay cây Hf so với tổng số năng lượng ánh sáng chiếu xuống đất Hr H A (%) = f 100 H r A là đặc trưng cho chế độ nhiệt trong đất và phụ thuộc vào các yếu tố (bảng 10.2) sau: Thổ nhưỡng học
Bảng 10.2 Quan hệ trạng thái mặt đất với suất phản xạ Ðặc trưng mặt đất A (%) Ðặc trưng mặt đất A (%) Phủ tuyết trắng* 75-95 Ðất đen khơ 14 Ðụn cát sáng* 30-60 Ðất đen ướt 8 Ðồng cỏ và hoa màu* 12-30 Ngơ (New York)++ 23,5 Rừng* 5-20 Mía (Hawai)++ 5-18 Mặt nước* 3-10 Dứa (Hawai)++ 5-8 Ðất xám khơ 25-30 Khoai tây (LB Nga)++ 15-25 Ðất xám ướt 10-12 Ðất sét khơ 23 Ðất sét ướt 16 Nguồn: * Geiger (1965); Chudnovskii (1966); ++ Chang (1968) Suất phản xạ phụ thuộc vào một số yếu tố sau: • Màu sắc đất. Ðất màu tối thu nhiệt tốt làm giảm giá trị của A. Vì thế đất giàu mùn phản xạ nhiệt ít, nhận được nhiều nhiệt hơn đất nghèo mùn. • Thành phần cơ giới đất. Ðất nặng chứa nhiều sét, khả năng hấp phụ nước và các vật chất khác cao hơn đất nhẹ. Chứa nhiều nước dẫn đến suất phản xạ của đất nhỏ. • Ðộ ẩm đất. Ðất ẩm cĩ suất phản xạ bé hơn đất khơ do nước cĩ nhiệt dung lớn hơn đất. Ngồi ra, quá trình bốc hơi nước tiêu hao khá nhiều nhiệt. Vì vậy, đất ẩm vào mùa đơng ấm, ngược lại vào mùa hè mát. • Trạng thái mặt đất. Mặt đất bằng phẳng giá trị A càng lớn. • Thảm thực vật. Mức độ ngăn cản ánh nắng mặt trời phụ thuộc vào loại cây và mật độ của cây. • Hướng dốc cũng ảnh hưởng đáng kể đến suất phản xạ. Dốc theo hướng Nam sẽ cĩ giá trị của A bé hơn. • Vĩ độ. Vĩ độ càng cao thì suất phản xạ càng lớn do hai nguyên nhân. Trước hết là trên đường đến mặt đất xa hơn bức xạ bị hao tổn do các yếu tố sẽ lớn hơn. Thứ hai, gĩc tới của bức xạ càng lớn suất phản xạ càng cao. b. Nhiệt dung của đất Nhiệt dung riêng của đất là số calo cần thiết để đốt nĩng 1 gam đất hay 1 cm3 đất lên 10C. Ðất cấu tạo bao gồm pha rắn, pha lỏng và pha khí. Trong đĩ chất khí cĩ nhiệt dung riêng rất thấp (0,000306 calo/g đất). Vì thế nhiệt dung riêng của đất là do hạt rắn và nước trong đất quyết định. Nhiệt dung riêng của nước là 1 cal/g (4,18 jun/g), quân bình của đất khơ kiệt là 0,2 cal/g (gần 0,8 jun/g). Các loại đất cĩ nhiệt dung riêng khác nhau. Ví dụ, theo A.H. Xabanhin nhiệt dung riêng A các đất đen, xám và đỏ lần lượt là: 0,230; 0,217 và 0,248. Ðể tính chính xác nhiệt dung riêng của đất ta dùng cơng thức sau: N Cđất= Xa Ca+XwCw+ ∑ X siCsi (1) J =1 Trong đĩ: X phần thể tích, C là nhiệt dung riêng theo thể tích và a, w, si chỉ khơng khí, nước, và loại hạt rắn i trong đất. Và được de Vries (1963) mơ hình hố như sau: Cđất= θ + 0,46()1−φ − X 0 + 0,60X 0 (2) Thổ nhưỡng học
Trong đĩ: X0 là thể tích phần chất hữu cơ; Φ là độ hổng; θ là lượng nước theo thể tích; Φ- X0 là phần thể tích của tất cả các loại khống vật c. Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt qua các tầng đất hay các vùng trong đất. Sự di chuyển của nhiệt tương tự như nước trong đất, tỷ số dịng nhiệt cĩ thể xác định bằng lực truyền (driving force) và bằng sự thốt với dịng nhiệt qua đất. Tỷ số này được biễu diễn theo định luật Fourier: dT J = - λ Hc dz Trong đĩ: JHc là dịng dẫn nhiệt, λ là hằng số sức dẫn nhiệt; T là nhiệt độ. λ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: • Ðộ ẩm đất. Ðộ ẩm càng cao sức dẫn nhiệt của đất càng lớn do nước truyền nhiệt cao hơn khơng khí. • Ðộ chặt của đất. Ðất chặt, các hạt đất xếp sít vào nhau trong khi các hạt khống dẫn nhiệt tốt hơn nước do đĩ đất ẩm bị nén chặt dẫn nhiệt tốt hơn. • Thành phần và số lượng cấp hạt. Cĩ thể xếp sức dẫn nhiệt theo thứ tự sau: cát > thịt > sét > than bùn. Cĩ thể tham khảo sức dẫn nhiệt của một số loại đất cĩ ẩm độ khác nhau do Geiger (1965) đưa ra trong bảng 10.3. Bảng 10.3 Sức dẫn nhiệt của các loại đất khác nhau Ðất λ (10-3 cal cm-1 s-1 0C-1) Ðất λ (10-3 cal cm-1 s-1 0C-1) Cát ướt 4,00 Ðất thịt ướt - Cát khơ 0,55 Ðất thịt khơ - Sét ướt 3,50 Than bùn ướt 0,85 Sét khơ 0,17 Than bùn khơ 0,20 2.3. Cân bằng nhiệt ở mặt đất Cân bằng nhiêt ở mặt đất là cân bằng giữa lượng nhiệt đi vào mặt đất và lượng nhiệt đi ra khỏi mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định. Nếu ta xem nhiệt đi vào làm thay đổi nhiệt độ mặt đất thì cĩ thể viết cân bằng năng lượng nhiệt trạng thái ổn định ở mặt đất như sau: Năng lượng thực đi vào mặt đất = năng lượng thực thốt khỏi mặt đất Thành phần của cân bằng năng lượng nhiệt. Tồn tại 3 quá trình vận chuyển nhiệt chủ yếu khỏi mặt đất. Một, dịng nhiệt đối lưu hay dịng nhiệt mẫn cảm S biểu hiện khơng khí ấm đi lên từ vùng bề mặt vào khí quyển bên trên. Quá trình này trước hết xảy ra do sự đối lưu hỗn loạn của khơng khí. Thứ hai, gọi là dịng nhiệt của đất JH biểu thị dịng nhiệt thẳng đứng đi vào đất. Thứ ba, đối lưu nhiệt do bốc hơi phát tán và hơi nước tiếp tục rời khỏi mặt đất vào khí quyển phía trên và được gọi là dịng nhiệt "ngầm" Hv. ET, trong đĩ ET là bốc hơi phát tán của dịng hơi nước và Hv là nhiệt ngầm của quá trình bốc hơi (chuyển thể của nước). Vận chuyển hơi nước chủ yếu cũng theo con đường đối lưu. Vậy phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định cĩ thể viết: Rn = S+ Hv.ET + JH (3) Rn là nhiệt bức xạ hữu hiệu Mỗi thành phần ở phía phải của phương trình là âm khi chúng đi ra khỏi mặt đất (hình 10.2). Giá trị các thành phần của phương trình trên thể hiện như sau: Thổ nhưỡng học
Thành phần bức xạ Ðất trống khơ Ðất ướt, cây phủ kín S/RN 0,45 0,30 Hv. ET/ RN ± 0 0,70 JH/ RN 0,55 ± 0 Bức xạ hữu hiệu Bốc hơi Nhiệt cảm ứng Mặt đất Nhiệt đất Ban ngày Bức xạ hữu hiệu Nhiệt cảm ứng Bốc hơi Mặt đất Ban đêm Nhiệt đất Hình 10.2 Sơ đồ biểu diễn thành phần của cân bằng năng lượng bề mặt (Tanner 1968) 2.4. Sự thay đổi nhiệt độ đất hàng năm Ngồi đồng ruộng, nhiệt độ thay đổi khơng ngừng. Trên cơ sở mơ hình của phương trình dịng nhiệt ổn định, phương trình tính nhiệt độ hàng năm như sau: T(t) = TA + A sin ωt (4) Trong đĩ: TA nhiệt độ trung bình năm, A là biên độ dao động bề mặt, ω= 2π/τ là tần số gĩc, τ là chu kỳ của sĩng. Giả thiết khi z (độ sâu) giảm đến vơ cùng, ta cĩ thể biến đổi thành lim T(z,t) = TA (5) z→ −∞ Carslaw và Jaeger, 1959 đã mơ hình hố (4) như sau: ()(z / d sin ωt+z / d ) T(z,t) = TA + A − ∞ < z < 0 (6) Thổ nhưỡng học
Trong đĩ: d= 2KT /ω = KTτ /π Một kết quả ứng dụng phương trình (6) ta thu được trên hình 10.3. C) 0 t ( đấ độ t ệ Nhi Hình 10.3 Sơ đồ nhiệt độ tại mặt đất và 3 độ sâu theo hàm thời gian của phương trình (6) 2.5. Ðiều hồ nhiệt trong đất Ðiều hồ nhiệt trong đất là quá trình nhằm điều chỉnh nguồn nhiệt và nhiệt độ theo hướng cĩ lợi cho cây trồng, bao gồm một số biện pháp kỹ thuật, biện pháp cải tạo đất và biện pháp điều hồ khí hậu. a. Các biện pháp kỹ thuật Ðây là những biện pháp tương đối đơn giản nhưng rất hiệu quả như làm đất, chế độ canh tác. Làm đất: Tuỳ theo từng vùng đất, từng mùa mà điều chỉnh mức độ cày sâu hay nơng khác nhau. Nén đất cũng là biện pháp giữ nhiệt tốt cho đất vì càng chặt sự truyền nhiệt càng dễ. Nhờ đĩ mà tầng dưới nhiệt độ cĩ thể tăng 3-5 0C. Việc lên luống làm tăng sự gồ ghề cho mặt đất dẫn đến tăng bức xạ nhiệt. Che phủ đất cũng làm thay đổi khả năng phản xạ và phĩng nhiệt của đất. Che phủ đất bằng nguyên liệu màu đen cĩ thể tăng bức xạ lên 10-15% do đĩ làm đất ấm lên nhất là vào mùa đơng. Ngày nay người ta dùng PE màu sáng cho phép tia hồng ngoại đi qua, tăng được nhiệt cho đất. b. Các biện pháp cải tạo đất Các biện pháp cải tạo đất cĩ ảnh hưởng lâu dài và cơ bản đến chế độ nhiệt trong đất. Ta thường sử dụng những biện pháp như tưới tiêu nước, trồng rừng để thay đổi chế độ nhiệt. Tưới nước làm giảm suất phản xạ đáng kể, cĩ thể tới 20 % thấp hơn khi khơng tưới. Tưới nước cũng làm tăng tính dẫn nhiệt do đĩ nhiệt độ trong đất đều nhau giữa các tầng và các vị trí. Ðất được tưới, nước bốc hơi, từ đĩ bức xạ nhiệt trong khơng khí trên sát mặt ruộng tăng làm tăng nhiệt độ, mạ non khơng bị chết rét. Trồng rừng đầu ngọn giĩ hay đầu bờ ruộng cĩ tác dụng ngăn tốc độ giĩ dẫn đến thay đổi tiểu khí hậu cho vùng cây trồng đứng sau. Thổ nhưỡng học
Bĩn phân nhất là phân hữu cơ cĩ tác dụng làm thay đổi nhiệt độ vì chất hữu cơ dẫn nhiệt kém giữ nhiệt lâu, ngồi ra vi sinh vật phân giải chất hữu cơ giải phĩng nhiều năng lượng. c. Các biện pháp điều hồ khí hậu Ngồi biện pháp cơ bản là trồng rừng, ngày nay con người cĩ thể thay đổi thời tiết nhân tạo. Ví dụ làm mưa kể cả mưa đá, làm giĩ hay phá tan một cơn mưa Tất cả những kỹ thuật này đều ảnh hưởng tới nhiệt độ trong đất. Câu hỏi ơn tập 1. Nêu vai trị của khơng khí trong đất. 2. Giải thích vì sao cĩ sự khác nhau về thành phần giữa khơng khí trong đất và trong khí quyển. 3. Nêu tính thơng khí của của đất và mơ hình tốn tính dịng khí trong đất. 4. Nêu những biện pháp điều tiết khơng khí trong đất. 5. Cho biết những đặc tính nhiệt trong đất và những yếu tố chi phối. 6. Nêu phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định 7. Trình bày mơ hình tốn tính nhiệt độ năm của đất 8. Kể các biện pháp điều hồ nhiệt thường được áp dụng Thổ nhưỡng học
Thổ nhưỡng học
Chương XI MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ LÝ CỦA ĐẤT 1. Khái niệm chung về tính chất vật lý và cơ lý của đất Ðất cĩ một số tính chất vật lý và tính chất cơ lý chủ yếu như tỷ trọng, dung trọng, độ xốp, tính dính, tính dẻo, độ chặt, sức cản Những tính chất này thường được quyết định bởi các thành phần khống vật (nguyên sinh, thứ sinh), thành phần các cấp hạt (cát, limon, sét), thành phần chất hữu cơ cĩ trong đất và tính liên kết giữa các thành phần trên để tạo ra kết cấu của đất. Trong thực tiễn sản xuất nơng nghiệp những tính chất vật lý và cơ lý tính luơn là những yếu tố chi phối trực tiếp đến quá trình canh tác như khả năng làm đất cày, bừa, xới xáo, sức kéo của máy mĩc cơng cụ làm đất ngồi ra các tính chất trên cịn đặc biệt cĩ liên quan và ảnh hưởng đến một số đặc tính lý học khác của đất như chế độ nước, chế độ khơng khí và khả năng sinh trưởng cũng như phát triển của cây trồng, do đĩ trong nghiên cứu đất cần xác định và tìm hiểu rõ về chúng. 2. Một số tính chất vật lý cơ bản của đất 2.1. Tỷ trọng của đất Ðịnh nghĩa: Tỷ trọng của đất là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái rắn, khơ kiệt với các hạt đất xếp sít vào nhau so với khối lượng nước cùng thể tích ở điều kiện nhiệt độ 4oC. Ðể tính tỷ trọng người ta áp dụng cơng thức: d= P / P1 Trong đĩ: d- Tỷ trọng của đất. P- Khối lượng các hạt đất (khơ kiệt, xếp xít vào nhau và khơng cĩ khoảng hổng khơng khí) trong một thể tích xác định (thường được đo bằng g/cm3). 0 o P1- Khối lượng nước được chứa trong cùng thể tích ở điều kiện T : 4 C (g/cm3). Tỷ trọng của các loại khống vật khác nhau cĩ sự giao động khá lớn song nhìn chung biến động trong phạm vi từ 2,40 - 2,80 (bảng 11.1) Bảng 11.1. Tỷ trọng của một số khống vật cĩ trong đất Khống vật Tỷ trọng Thạch anh tinh khiết 2,65 Canxít 2,60 - 2,80 Canxít tinh khiết 2,72 Fenspat K- Na 2,60 - 2,80 Dolomit 2,80- 2,90 Gypxít 2,32 Mica 2,80- 3,10 Khống sét 2,60 - 2,90 Bốcxít (Nhơm ơxit) 2,09 Ơlivin, pyrơxen, amphibole (cĩ chứa sắt) 2,90 - 3,50 Hêmatít 5,30 Thổ nhưỡng học
Quặng chì 7,60 Tỷ trọng của đất được quyết định chủ yếu bởi các loại khống nguyên sinh, thứ sinh và hàm lượng chất hữu cơ cĩ trong đất. Nhìn chung do tỷ lệ chất hữu cơ trong đất thường khơng lớn nên tỷ trọng đất sẽ phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khống vật của đất. Các loại đất cĩ thành phần cơ giới khác nhau cĩ tỷ trọng khác nhau: Loại đất Tỷ trọng Ðất cát 2,65 ± 0,01 Ðất cát pha 2,70 ± 0,017 Ðất thịt 2,70 ± 0,02 Ðất sét 2,74 ± 0,027 Dựa vào tỷ trọng đất, Katrinski đã đưa ra mức đánh giá chung khi xác định tỷ trọng của đất trồng như sau: Tỷ trọng Loại đất 2,70 Ðất giàu sắt Fe2O3 Ý nghĩa thực tiễn: Tỷ trọng đất được sử dụng trong các cơng thức tính tốn độ xốp, cơng thức tính tốc độ, thời gian sa lắng của các cấp hạt đất trong phân tích thành phần cơ giới. Thơng qua tỷ trọng đất người ta cũng cĩ thể đưa ra được những nhận xét sơ bộ về hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét hay tỷ lệ sắt, nhơm của một loại đất cụ thể nào đĩ. 2.2. Dung trọng của đất Ðịnh nghĩa: Dung trọng của đất là khối lượng (g) của một đơn vị thể tích đất (cm3) ở trạng thái tự nhiên (cĩ khe hở) sau khi được sấy khơ kiệt. Dung trọng của đất được người ta xác định bằng cách đĩng ống kim loại hình trụ cĩ thể tích bên trong 100 cm3 thẳng gĩc với bề mặt đất ở trạng thái hồn tồn tự nhiên, sau đĩ đem sấy khơ kiệt rồi tính theo cơng thức sau: D = P / V Trong đĩ: D - Dung trọng của đất (g/cm3); P - Khối lượng đất tự nhiên trong ống trụ đĩng sau khi đã được sấy khơ kiệt (được tính theo g). V - Thể tích của ống đĩng (được tính theo cm3). Như vậy dung trọng của đất thường nhỏ hơn so với tỷ trọng vì thể tích đất khơ kiệt được xác định ở đây bao gồm cả các hạt đất rắn và các khe hở tự nhiên trong đất. Bảng 11.2. Quan hệ giữa dung trọng đất với thành phần cơ giới và thành phần vật liệu cấu tạo ở một số loại đất TPCG đất Dung trọng Thành phần vật liệu cấu tạo đất Dung trọng Cát 1,55 Tro núi lửa 0,85 Thịt pha cát 1,40 Vật liệu hữu cơ 0,50- 0,60 Cát mịn 1,30 Tảo cát 0,60- 0,90 Ðất thịt 1,20 Can xít mềm, xốp 1,60 Ðất thịt mịn 1,15 Than bùn 0,50 Thổ nhưỡng học
Ðất thịt pha sét 1,10 Sét 1,05* Sét vĩn cục 1,00 * Khi sấy khơ bị mất nhiều nước dẫn đến sét cĩ tỷ trọng bé. Như vậy dung trọng của đất phụ thuộc vào cấp hạt cơ giới, độ chặt và kết cấu của đất. Các loại đất tơi xốp, giàu chất hữu cơ và mùn thường cĩ dung trọng nhỏ và ngược lại những loại đất chặt bí kém tơi xốp và nghèo chất hữu cơ thường cĩ dung trọng lớn (bảng 11.2). Trong phẫu diện đất của phần lớn các loại đất, dung trọng cĩ chiều hướng tăng dần khi xuống tầng đất dưới sâu, vì càng xuống sâu hàm lượng mùn của đất càng giảm, mặt khác do quá trình tích tụ sét và các vật liệu mịn bị rửa trơi từ trên xuống lấp đầy các khe hở và bị nén đã làm cho đất bị chặt gí hơn các tầng trên. Katrinski đã đưa ra đánh giá dung trọng của một số loại đất cĩ thành phần cơ giới từ thịt và sét như sau: Dung trọng (g/cm3) Ðánh giá <1 Ðất giàu chất hữu cơ 1,0 - 1,1 Ðất trồng trọt điển hình 1,2 Ðất bị nén ít 1,3 - 1,4 Ðất bị nén chặt 1,4 - 1,6 Những tầng đất bị nén chặt dưới tầng canh tác 1,6 - 1,8 Tầng tích tụ bị nén mạnh Ý nghĩa: Dung trọng của đất được sử dụng trong việc tính độ xốp của đất, tính khối lượng đất canh tác trên 1 ha để xác định trữ lượng các chất dinh dưỡng, lượng vơi cần bĩn cho đất hay trữ lượng nước cĩ trong đất Dựa vào đặc tính nén của đất dung trọng cịn được dùng để kiểm tra chất lượng các cơng trình thủy lợi, đê, bờ mương máng để đảm bảo độ vững của các cơng trình trên địi hỏi dung trọng cần đạt được tối thiểu phải lớn hơn 1,5 g/cm3. 2.3. Ðộ xốp của đất Ðịnh nghĩa: Ðộ xốp của đất là tỷ lệ % các khe hở chiếm trong đất so với thể tích chung của đất (ký hiệu P). Cơng thức tính độ xốp của đất: Do các khe hở trong đất cĩ các hình dạng phức tạp và kích thước rất khác nhau nên việc tính tốn trực tiếp thể tích của các khe hở trong đất là rất khĩ, do đĩ để xác định được độ xốp của đất người ta phải tính một cách gián tiếp từ tỷ trọng và dung trọng của đất theo cơng thức sau: P(%) = (1 - D/ d) x 100 Trong đĩ: P - Ðộ xốp của đất (%); D - Dung trọng đất; d - Tỷ trọng đất. Ðộ xốp của đất cĩ thể biến động từ 30-70% tùy thuộc vào đất rời rạc khơng cĩ kết cấu như đất cát, đất bạc màu cho đến những loại đất cĩ kết cấu viên như đất đỏ vàng đồi núi. Như vậy độ xốp phụ thuộc vào kết cấu, tỷ trọng và dung trọng của đất. Ðộ xốp của đất thường được phân cấp như sau: P (%) Mức độ 60 - 70 Ðất rất xốp 50 - 60 Ðất khá xốp Thổ nhưỡng học
40 - 50 Ðất xốp trung bình 30 - 40 Ðất ít xốp <20 Ðất chặt bí (do hiện tượng glây) Ý nghĩa thực tiễn: Ðộ xốp của đất rất cĩ ý nghĩa đối với sản xuất nơng nghiệp và các loại cây trồng vì nước và khơng khí di chuyển được trong đất nhờ vào những khoảng trống hay độ xốp của đất. Các chất dinh dưỡng của đất cĩ thể huy động được cho cây trồng, các hoạt động của vi sinh vật đất chủ yếu cũng diễn ra ở đây, chính bởi vậy mà người ta nĩi độ phì đất phụ thuộc đáng kể vào độ xốp của đất. Ngồi ý nghĩa trên chúng ta cũng dễ dàng nhận thấy nếu đất tơi xốp thì làm đất cũng dễ dàng, rễ cây phát triển tốt, khả năng thấm, thốt nước và trao đổi khơng khí diễn ra cũng hết sức thuận lợi và nhanh chĩng. Vùng đồi núi nếu đất cĩ độ xốp cao thì phần lớn nước mưa được thấm xuống sâu, hạn chế hiện tượng nước chảy tràn trên mặt đất và do đĩ hạn chế được xĩi mịn trên bề mặt. Bảng 11.3 biểu diễn quan hệ giữa dung trọng, tỷ trọng và độ xốp của một số loại đất. Bảng 11.3 Dung trọng, tỷ trọng và độ xốp của một số loại đất ở việt nam Loại đất Dung trọng Ðộ xốp 3 Tỷ trọng (theo phát sinh) (g/cm ) (%) Ðất cát biển 1,48 - 1,55 2,62 - 2,65 41 - 44 Ðất mặn 0,97 - 1,22 2,43 - 2,65 54 - 61 Ðất phèn 0,64 - 1,07 2,30 - 2,40 55 - 73 Ðất lầy và than bùn 0,12 - 0,74 1,66 - 2,63 72 - 92 Ðất phù sa 0,79 - 1,40 2,41 - 2,75 40 - 69 Ðất bạc màu 1,20 - 1,31 2,52 - 2,66 51 - 53 Ðất đen nhiệt đới 0,80 - 1,18 2,45 - 2,54 53 - 68 Ðất đỏ vàng Feralit 0,76 - 1,30 2,50 - 2,90 51 - 74 Ðất mùn trên núi cao 0,62 - 0,79 1,34 - 1,75 66 - 90 3. Một số tính chất cơ lý của đất 3.1. Tính liên kết của đất Ðịnh nghĩa: Tính liên kết của đất là sự dính kết giữa các phần tử đất với nhau (khi đất khơ tính chất này biểu hiện rõ) những loại đất cĩ tính liên kết lớn thường tạo thành trong đất những kiểu kết cấu tảng cục lớn. Ðơn vị đo tính liên kết của đất được xác định bằng lực ấn vào đất (G/cm2). Những yếu tố ảnh hưởng đến tính liên kết của đất là: thành phần cơ giới, độ ẩm đất, cấu trúc của đất, hàm lượng mùn và thành phần cation hấp phụ trong đất. Ðất cĩ thành phần cơ giới nặng do chứa nhiều sét nên tính liên kết của chúng rất lớn, ngược lại đất cĩ thành phần cơ giới nhẹ như đất cát, do cĩ tỷ lệ các hạt cát cao nên cĩ tính liên kết kém. Ðộ ẩm đất chi phối đến khả năng liên kết của đất, ở những loại đất cĩ tính liên kết lớn như đất sét nếu đất càng khơ thì tính liên kết của đất thể hiện càng mạnh. Hàm lượng mùn cao trong đất cĩ tác động dung hịa rất tốt đến tính liên kết của một số loại đất cĩ kết cấu kém hoặc khơng cĩ kết cấu như đất cát và đất sét nặng. Ngồi ra thành phần cation hấp phụ trong đất cũng là yếu tố ảnh hưởng đến tính liên kết của đất, ví dụ: Ðất mặn do hấp phụ nhiều cation Na+ đã tạo cho đất sức liên kết lớn khi khơ do đĩ đã làm loại đất này thường bị chai cứng khi khơ hạn nhưng tính liên kết này cũng dễ dàng bị mất đi khi đất bão hịa nước. Thổ nhưỡng học
Ý nghĩa thực tiễn: tính liên kết của đất ảnh hưởng rất lớn đến việc làm đất và áp dụng các biện pháp canh tác. Ðất cĩ kết cấu tốt (như dạng kết cấu viên) lực liên kết giữa các hạt đất khơng lớn, do đĩ rất dễ cày, bừa và xới xáo. Ngược lại ở những đất loại đất sét cĩ kết cấu tảng lớn thì việc làm đất rất khĩ khăn, đặc biệt là khi đất bị khơ vừa phải cày bừa và vừa phải đập cho đất vỡ vụn ra. 3.2. Tính dính của đất Ðịnh nghĩa: Tính dính của đất là khả năng kết dính của đất với những vật tiếp xúc với chúng. Tính dính của đất thường làm tăng lực cản đối với các cơng cụ làm đất như cày bừa, những máy mĩc và cơng cụ phay, đập đất do vậy đất cĩ tính dính càng cao thì việc làm đất càng khĩ khăn và càng địi hỏi phải tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc làm đất. Giống như tính liên kết của đất, tính dính phụ thuộc thành phần các cấp hạt trong đất, kết cấu và độ ẩm đất. Những loại đất cĩ tỷ lệ các cấp hạt sét cao với các thành phần khống sét càng cao thì tính dính của chúng càng lớn, trong các thành phần khống sét thì montmorilonit, illit cĩ tính liên kết và tính dính cao hơn hẳn các khống sét kaolinit và các hydroxit sắt. Ngược lại với tỷ lệ sét, khi đất cĩ hàm lượng mùn càng lớn thì càng làm giảm tính dính của đất. Hầu hết đất bắt đầu cĩ tính dính cao khi độ ẩm trong đất đạt 60 - 80% độ trữ ẩm cực đại. Ðộ dính được đo bằng lực cần thiết (G/cm2) để làm dứt rời, tách phần tiếp xúc của đất ra khỏi đĩa, chúng được xác định bằng cơng thức sau: r = P / S Trong đĩ: r - độ dính (G/cm2); P - lực hao tổn để làm rơi phần đất tiếp xúc với đĩa (G); S - diện tích của đĩa kim loại (cm2). 3.3. Tính dẻo của đất Tính dẻo hay độ dẻo của đất thường thể hiện khi đất ở trạng thái ẩm, cĩ khả năng nặn tạo được những hình dạng nhất định và cĩ thể giữ nguyên được hình dạng đĩ khi khơng cĩ lực bên ngồi tác động. Ðất cĩ chứa 15% hàm lượng sét trở lên thì bắt đầu cĩ biểu hiện tính dẻo rõ, tính chất này cĩ liên quan đến bản chất tự nhiên của các hạt sét khi chúng hấp phụ nước. Tính dẻo của đất chỉ thể hiện khi đất cĩ phạm vi độ ẩm nhất định, đất quá khơ hay bão hịa nước đều khơng cĩ tính dẻo. Nếu khơ, hịn đất chỉ cĩ thể nứt vỡ ra cịn nếu ẩm quá thì khoảng cách giữa các hạt đất sẽ lớn, đất bị nhão hay bị lỏng như "cháo" khơng cịn tính dẻo nữa. Tính dẻo của đất phụ thuộc vào thành phần cơ giới đất và thành phần khống sét của đất. Ðất càng giàu sét, đặc biệt là nhĩm khống sét montmorilonit, illit thì đất càng dẻo và ngược lại ở những đất nghèo sét như đất cát hồn tồn khơng cĩ tính dẻo. Phạm vi xuất hiện tính dẻo của đất được xác định bởi hai giới hạn (các giới hạn này cĩ liên quan tới độ ẩm của đất). Giới hạn dưới thể hiện đặc tính đất bắt đầu nặn được hay vê thành dạng như con giun và giới hạn trên (vượt quá tính dẻo), là đất bắt đầu khơng thể nặn được nữa, ở mức giới hạn trên này thường bất lợi cho sản xuất nơng nghiệp (trừ đất trồng lúa nước). Ý nghĩa thực tiễn: đất cĩ tính dẻo cao thường cĩ những ảnh hưởng khơng tốt đến việc làm đất vì ở trạng thái ẩm, ướt khi cày bừa đất sẽ tạo thành tảng lớn chứ khơng Thổ nhưỡng học
khơng tơi vỡ tạo ra các kết cấu thích hợp cho cây trồng. Cịn ngược lại ở trạng thái đất khơ thì lại rất cứng, làm tăng lực cản của đất đối với các cơng cụ làm đất và làm tiêu tốn nhiều năng lượng trong làm đất. Tuy nhiên tính dẻo của đất rất cĩ ý nghĩa trong việc phân loại đất, trong kỹ thuật xây dựng, vì chúng liên quan tới sức chống nén khi xây dựng nhà ở và đường giao thơng. 3.4. Tính trương và tính co của đất Tính trương và tính co của đất là đặc tính thể tích của đất tăng lên khi ẩm và bị co lại khi khơ. Tính trương co của đất cĩ liên quan đến sự xâm nhập và mất nước giữa các tinh tầng khống sét do đĩ đặc tính này phụ thuộc chủ yếu vào thành phần và hàm lượng sét cĩ trong đất và thành phần các cation hấp phụ trong đất. Ví dụ: Ðất cĩ nhiều thành phần khống kaolinit thì ít bị trương co hơn so với đất chứa nhiều khống sét montmorilonit, smectit, trong khi đĩ đất cĩ chứa nhiều khống hydrơxit sắt thì hầu như rất ít bị trương co. Ðất hấp phụ nhiều ion Na+ cĩ tính trương co mạnh hơn so với đất hấp phụ ion Ca2+. Tính co của đất được Till phân cấp ở bảng 11.4 Bảng 11.4 Phân cấp tính co của đất cĩ thành phần cơ giới khác nhau (theo Till) Mức co Thành phần cơ giới đất 0,5 - 1,0% Ðất cát 0,5 - 1,5% Ðất cát pha, thịt nhẹ 3,0 - 4,5% Ðất thịt trung bình 4,5 – 6,0% Ðất thịt nặng 6,0 - 8,0% Ðất sét 8,0 - 10% Ðất sét nặng Ý nghĩa thực tiễn: những loại đất cĩ tính trương và tính co mạnh đều gây ra những bất lợi cho sản xuất. Ðất thịt nặng và sét khi bão hịa nước, đất sẽ bị trương rất nhanh lấp hết các khe hở trong đất làm giảm và mất khả năng thấm theo chiều sâu, tạo nên dịng chảy trên bề mặt gây xĩi mịn rửa trơi mạnh (thường xảy ra ở miền núi). Trong khi ở vùng đồng bằng và vùng ven biển trên những đất phù sa thành phần cơ giới nặng trồng lúa khi bị khơ hạn đất sẽ bị co mạnh làm mặt đất bị nứt nẻ với những kẽ nứt rộng hàng vài ba cm, hiện tượng nứt nẻ bề mặt càng làm tăng quá trình bốc hơi nước trong đất và làm đất mất ẩm nhanh chĩng, bốc mặn lên lớp đất mặt và ngồi ra hiện tượng co mạnh cịn làm đứt rễ các cây trồng gây ra ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh trưởng của cây. 3.5. Sức cản của đất Khi chuẩn bị đất canh tác cần phải tiến hành cày, bừa, phay đất cho tơi nhỏ nhằm tạo ra kết cấu đất thích hợp cho cây trồng. Ðể làm được các cơng việc trên, các cơng cụ làm đất phải tạo ra được những lực cần thiết để thắng sức cản của đất và lực này được đặc trưng bởi lực cản riêng của đất. Lực cản riêng của đất là lực cần để cắt mảnh đất cĩ tiết diện ngang là 1cm2 và được biểu thị là Kg/cm2. Việc nghiên cứu sức cản của đất để nhằm mục đích giảm chi phí và nâng cao chất lượng làm đất. Sức cản (P) cĩ thể đo bằng lực kế lắp sau máy kéo. P = k.a.b Trong đĩ: k - Hệ số chỉ sức cản riêng của từng loại đất, cụ thể: đất cát 0,2 - 0,3 Kg/cm2, đất thịt 0,6 Kg/cm2, đất sét 0,9 Kg/cm2. a - Chiều sâu cày (cm). Thổ nhưỡng học
b - Chiều rộng hoạt động của lưỡi cày (cm). Cĩ nhiều yếu tố chi phối và ảnh hưởng đến lực cản riêng của đất như: thành phần cấp hạt, độ ẩm, hàm lượng mùn và kết cấu đất Về ảnh hưởng của thành phần cơ giới được thể hiện qua hệ số chỉ sức cản riêng của các loại đất cát, thịt, sét Ðộ ẩm đối với sức cản của đất được thể hiện đất ở trạng thái khơ hay ướt, đất khơ cĩ lực cản lớn hơn nhiều so với đất ướt. Ðất cĩ kết cấu thích hợp ở dạng viên thường cĩ sức cản giảm so với đất cĩ kết cấu dạng tảng. Ngồi ra các biện pháp canh tác bĩn vơi và đặc biệt là phân hữu cơ cho đất cĩ tác dụng làm giảm lực cản của đất một cách rõ rệt. Ý nghĩa thực tiễn: việc nghiên cứu lực cản cĩ ý nghĩa rất lớn đối với các biện pháp canh tác vì dựa trên những số liệu đo lực cản cĩ thể nhận định về mức độ làm đất dễ hay khĩ, thành phần cơ giới đất và khả năng phát triển của bộ rễ cây trồng. Ðặc biệt trong vịec làm đất người ta thường dùng trị số về lực cản để lựa chọn các máy mĩc, cơng cụ làm đất cho phù hợp. 4. Ảnh hưởng của biện pháp canh tác tới tính chất vật lý và cơ lý tính của đất Khi đề cập đến các biện pháp canh tác nơng nghiệp cĩ nghĩa là nĩi tới các hoạt động cụ thể trong sản xuất như việc làm đất (cày, bừa, đập, xới xáo đất), bĩn vơi, bĩn phân, xây dựng các cơng thức luân canh cây trồng, thủy lợi tất cả các biện pháp canh tác trên đều cĩ ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất vật lý và cơ lý tính của đất. Cụ thể khi làm đất, cày bừa quá kỹ sẽ làm phá vỡ tính liên kết của đất do đĩ dần dần làm đất bị mất kết cấu, thay đổi độ xốp và dung trọng. Ngược lại việc bĩn đầy đủ phân hữu cơ và vơi cho đất canh tác sẽ làm đất tăng độ xốp, giảm tính liên kết và giảm dung trọng đất. Các biện pháp tưới, tiêu hợp lý sẽ đảm bảo duy trì được độ ẩm thích hợp cho đất và các tính chất cơ lý khác như tính dính, tính dẻo, tính trương và co cũng như sức cản khi làm đất. Việc bố trí các hệ thống cây trồng và các hệ thống canh tác luân canh hay độc canh liên tục trên một mảnh đất cụ thể nào đĩ cũng sẽ tác động và dần dần ảnh hưởng đến các tính chất lý tính và cơ lý tính của đất. Một ví dụ về ảnh hưởng của làm đất bằng máy ở các mức độ nhiều, trung bình, ít và bằng tay đến dung trọng của đất canh tác ở Gana (Bafoe- Bonnie và Quansah. 1975) trên đất sét pha cát cĩ độ dốc 3,5% được trình bày ở bảng 11.5 Bảng 11.5. Ảnh hưởng của các hệ thống làm đất đến dung trọng của đất Cách làm đất Dung trọng đất khơ (1) g/cm3 Ðộ sâu 0- 7,5cm Ðộ sâu 7,5- 15cm Làm đất kỹ (bằng máy) 1,53 1,56 Làm đất trung bình (bằng máy) 1,36 1,46 Làm đất ít (bằng máy) 1,29 1,35 Làm đất bằng tay 1,52 1,50 LTI (0,05) 0,05 0,11 (1) Trị số được xác định sau khi xử lý, làm đất. Ðể điều tiết và cải thiện những tính chất lý học và cơ lý tính của đất người ta cĩ thể áp dụng một số biện pháp canh tác chính dưới đây: Biện pháp thủy lợi: là biện pháp ảnh hưởng và chi phối rất lớn đến tính dính, tính dẻo, tính trương và co cũng như sức cản đất. Ðất thừa hay thiếu ẩm (khơ) đều khơng tốt cho các đặc tính chất cơ lý trên do đĩ việc sử dụng chế độ tưới tiêu hợp lý để Thổ nhưỡng học
điều tiết độ ẩm đất ở mức độ thích hợp cho làm đất nhằm duy trì những đặc tính tốt về cơ lý của đất và khơng phá vỡ kết cấu đất là điều rất cần thiết. Biện pháp sử dụng phân bĩn: trong các loại phân bĩn cho cây, phân hữu cơ và vơi cĩ ảnh hưởng rất tốt cho kết cấu đất, tăng cường khả năng liên kết giữa các hạt đất qua đĩ cải thiện dung trọng, tỷ trọng và đồng thời hạn chế sức cản của đất đối với các cơng cụ làm đất. Biện pháp cây trồng: Các hệ thống cây trồng dài ngày, cây trồng ngắn ngày độc canh, đa canh, luân canh và các biện pháp quản lý chúng đều cĩ ảnh hưởng rất lớn các tính chất vật lý và cơ lý của đất. Nên đối với các hệ thống cây trồng khác nhau cần cĩ những biện pháp quản lý đất thích hợp nhằm duy trì, cải thiện và khơng gây ra các tác hại làm ảnh hưởng xấu đối với các đặc tính vật lý và cơ lý của đất. Biện pháp làm đất: Cần phải xác định các biện pháp làm đất thích hợp cho từng loại đất khác nhau, cĩ những loại đất cần được cày bừa nhiều lần hay cày bừa kỹ (như đất sét, đất thịt nặng) và cĩ những loại nên cày bừa vừa phải như với các loại đất cĩ thành phần cơ giới nhẹ (đất thịt nhẹ, đất cát pha) để vừa nhằm đạt được các mục đích của việc làm đất là tạo ra các kết cấu thích hợp đối với cây trồng vừa đồng thời duy trì bảo vệ được kết cấu và cải tạo được các hạn chế về lý tính của đất. Cày, bừa đất ngồi việc xác định được mức độ cần phải tiến hành cho thích hợp với từng loại đất và cây trồng cần phải biết xác định lựa chọn thời điểm đất cĩ độ ẩm thích hợp để tiến hành làm đất nhằm giảm được cơng và năng lượng chi phí cho việc làm đất đồng thời khơng làm ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và một số đặc tính vật lý của đất canh tác. Hiện nay trên thế giới đang cĩ xu hướng áp dụng các biện pháp làm đất tối thiểu nhằm bảo vệ đất canh tác, thực chất của biện pháp này là hạn chế tới mức thấp nhất các tác động cơ giới đối với đất. Trong thực tế, làm đất tối thiểu là chỉ cày, xới đất ở mức độ hạn chế nhất song vẫn đảm bảo cho cây trồng sinh trưởng, phát triển được. Vì việc làm đất phá vỡ kết cấu và gây xáo trộn đất ít nhất cho nên tác động của các yếu tố canh tác đối với tính chất vật lý (kết cấu, dung trọng ) và cơ lý tính (tính liên kết, tính dính, dẻo ) và đặc biệt là hiện tượng xĩi mịn trên đất dốc được hạn chế ở mức thấp nhất. Các biện pháp này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước tiên tiến như Mỹ, Canađa và ở những nước cĩ nhiều diện tích đất canh tác. Tuy nhiên ở một số nước đang phát triển như Việt Nam biện pháp này mới chỉ được áp dụng cho các vùng đồi dốc, cịn đối với những vùng đồng bằng khĩ cĩ thể áp dụng do diện tích canh tác rất hạn chế, làm đất tối thiểu làm năng suất cây trồng trên một đơn vị diện tích cĩ thể thấp đi và gặp nhiều khĩ khăn trong việc khống chế cỏ dại do đĩ chưa được hưởng ứng rộng. Trên thực tế việc cải tạo các đặc tính vật lý - cơ lý của đất là khơng đơn giản và dễ dàng, tuy nhiên bằng những biện pháp tác động tổng hợp thì từng bước cũng sẽ dần cải thiện và làm thay đổi được những đặc tính vật lý và cơ lý cơ bản của đất. Câu hỏi ơn tập 1. Tỷ trọng của đất là gì? Hãy nêu tỷ trọng của một số loại đất chính? Ý nghĩa thực tiễn của tỷ trọng đất? 2. Dung trọng của đất là gì? Hãy nêu dung trọng của một số loại đất chính? Ý nghĩa thực tiễn của dung trọng đất? 3. Ðộ xốp của đất là gì? Hãy nêu độ xốp của một số loại đất chính? Ý nghĩa của độ xốp đối với đất và cây trồng? Thổ nhưỡng học
4. Thế nào là tính dính, tính dẻo của đất, ảnh hưởng của chúng đến các tính chất đất? 5. Thế nào là tính trương, tính co của đất, ảnh hưởng của chúng đến các tính chất đất và biện pháp làm đất? 6. Ðể cải thiện một số tính chất vật lý và cơ lý của đất trong các biện pháp canh tác người ta thường áp dụng các biện pháp gì? Thổ nhưỡng học
Chương XII XĨI MỊN ĐẤT 1. Khái niệm về xĩi mịn và ý nghĩa của việc nghiên cứu xĩi mịn đất Sự tồn tại của cuộc sống con người phụ thuộc rất nhiều vào lớp đất trồng trọt để sản xuất ra lương thực, thực phẩm và các nguyên liệu sản xuất cơng nghiệp phục vụ cho đời sống của con nguời. Tuy nhiên sự tồn tại của lớp đất cĩ khả năng canh tác này lại luơn chịu những tác động mạnh mẽ của các điều kiện tự nhiên và các hoạt động canh tác do con người cĩ thể làm cho chúng bị thối hĩa và dần mất đi khả năng sản xuất, trong đĩ một trong những nguyên nhân làm cho đất bị thối hĩa mạnh nhất là do xĩi mịn. Hiện tượng mất đất do xĩi mịn mạnh hơn rất nhiều so với sự tạo thành đất trong quá trình tự nhiên, một vài cm đất cĩ thể bị mất đi chỉ trong một vài trận mưa giơng hoặc giĩ lốc trong khi để cĩ được vài cm đất đĩ cần phải cĩ thời gian hàng trăm năm, thậm chí hàng ngàn năm mới tạo ra được. Trên thế giới hầu như khơng cĩ quốc gia nào là khơng chịu ảnh hưởng của xĩi mịn, nhất là ảnh hưởng của xĩi mịn do nước và do giĩ. Các nước thuộc miền nhiệt đới ẩm do cĩ lượng mưa, bão hàng năm lớn tập trung theo mùa, phần lớn đất đai canh tác nằm ở những địa hình dốc nên xĩi mịn do nước mưa là nguy cơ chính tạo ra hiện tượng xĩi mịn ở đây. Trong khi đĩ hiện tượng xĩi mịn do giĩ lại xảy ra chủ yếu ở những vùng khơ hạn và bán khơ hạn, nơi cĩ lượng mưa thấp khơng duy trì được lớp thảm thực vật thường xuyên trên bề mặt đất. Xĩi mịn mạnh cĩ thể làm mất tới 1400 tấn đất/ ha/năm, tương đương với tồn bộ tầng canh tác dày 10cm cĩ dung trọng 1,4 g/cm3 (Benntt 1939). Cịn ở những nơi chịu ảnh hưởng của xĩi mịn do giĩ gây ra thì lượng đất mất cũng thường cao hơn 11,2 tấn/ ha/ năm tương đương với lớp đất dày 0,8cm. Bên cạnh những tác động trực tiếp đến khả năng sản xuất do xĩi mịn gây ra đối với đất canh tác, vấn đề mơi trường cũng sẽ dần xuất hiện khi những vùng đất bị xĩi mịn trở thành những vùng đất trống, đồi trọc trơ sỏi đá hay thậm chí mất đi hẳn lớp đất chỉ cịn lại các đá gốc. Các hạt đất mịn khi bị cuốn đi theo dịng nước cịn gây ra hiện tượng lắng đọng bùn ở dưới vùng hạ lưu các lịng sơng, hồ và đập thủy điện làm ảnh hưởng đến lưu lượng dịng chảy và cĩ thể gây ra lũ lụt. Cĩ thể nhận thấy đối với thực tiễn sản xuất nơng nghiệp khơng cĩ sự thối hĩa đất nào mạnh và hiểm họa hơn xĩi mịn đất bởi nĩ liên quan đồng thời tới các quá trình mất đất, mất chất dinh dưỡng và nước cho cây trồng đồng thời cịn gây ra các tác động xấu đến mơi trường. Do đĩ việc nghiên cứu xĩi mịn là vơ cùng cần thiết cho mọi quốc gia, đặc biệt đối với nước ta là một nước nằm trong vành đai nhiệt đới với 3/4 diện tích đất tự nhiên là đồi núi, thường xuyên phải hứng chịu các hậu quả do xĩi mịn gây ra thì việc khống chế hiện tượng xĩi mịn đất càng trở nên cực kỳ quan trọng để bảo vệ độ phì nhiêu của đất và bảo vệ mơi trường sinh thái. 2. Các kiểu xĩi mịn đất chính Xĩi mịn đất là quá trình làm mất lớp đất trên mặt và phá huỷ các tầng đất bên dưới do tác động của nước mưa, băng tuyết tan hoặc do giĩ. Ðối với đất sản xuất nơng nghiệp thì nước và giĩ là hai tác nhân quan trọng nhất gây ra xĩi mịn và các tác nhân này cĩ mức độ ảnh hưởng tăng giảm khác nhau theo các hoạt động của con người đối với đất đai. 2.1. Kiểu xĩi mịn do nước Kiểu xĩi mịn do nước gây ra do tác động của nước chảy tràn trên bề mặt (nước mưa, băng tuyết tan hay tưới tràn). Hiện tượng xĩi mịn do nước gây ra đối với đất sản Thổ nhưỡng học