Giáo trình Vật lý đất (Phần 2)

Nội dung text: Giáo trình Vật lý đất (Phần 2)

1. Chương 3 NHỮNG TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN VÀ CƠ LÝ CỦA ĐẤT Độ phì đất được các nhà khoa học định nghĩa là: Khả năng cung cấp nước, chất dinh dưỡng và các yếu tố khác cần thiết cho cây trong một thời gian sinh trưởng. Dựa vào định nghĩa này ta thấy rõ được vai trò quan trọng của tính chất vật lý và cơ học của đất. Những tính chất này, đặc biệt là dung trọng, tỷ trọng, độ xốp là những chỉ tiêu phản ánh chế độ nước, chế độ không khí, chế độ nhiệt độ đất. Nước và không khí trong bất tồn tại với số lượng nhiều hay ít, tỷ lệ phù hợp hay không, ngoài ảnh hưởng của nguồn cung cấp nước như mưa, tưới thì độ xốp của đất, tỷ lệ giữa khe hở mao quản và phi mao quản có vai trò rất quyết định. Do có ảnh hưởng đến chế độ nước và chế độ không khí đất, nên tính chất vật lý và cơ học đất cũng chi phối sự phân bố các loại vi sinh vật đất như vi sinh vật yếm khí, háo khí và từ đó quy định các quá trình chuyển hoá chất dinh dưỡng trong đất, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất cho cây. Nghiên cứu các tính chất vật lý như: Dung trọng, tỷ trọng, độ xốp còn là cơ sở cho việc thực thi các biện pháp kỹ thuật khác như việc tính toán lượng nước tưới, lượng phân bón, lượng vôi bón cải tạo đất Nghiên cứu về các tính chất cơ lý đất như tính dính, tính dẻo, tính trương eo làm cơ sở cho việc xây dựng chế độ làm đất hợp lý như: Xác định thời gian làm đất, số lần làm đất và năng lượng cần thiết cho làm đất. Ngoài ra nắm được tính trương co của đất sẽ giúp cho việc hạn chế tác hại của trương co tới sự sinh trưởng của rễ cây, khả năng mất nước và chất dinh dưỡng do rửa trôi. 3.1. LÝ TÍNH CƠ BẢN CỦA ĐẤT 3.1.1. Tỷ trọng Tỷ trọng là trọng lượng đạt tính bằng gam của một đơn vị thể tích đất (cm3), đất ở trạng thái khô kiệt và xếp sít vào nhau (ký hiệu tà D - đơn vị là g/cm3). Theo như định nghĩa, đất dùng để tính tỷ trọng không có nước và không khí như vậy tỷ trọng không phụ thuộc vào độ xốp của đất, ẩm độ đất mà chỉ phụ thuộc vào thành phần rắn của đất. Đất được hình thành trên các loại đá mẹ có thành phần khoáng khác nhau, có tỷ trọng khác nhau. Nhìn chung đất hình thành trên đá mẹ macma bazơ có tỷ trọng lớn hơn đất hình thành trên đá mẹ macma axit bởi vì các loại khoáng trong đá macma bazơ có tỷ trọng lớn. Các loại khoáng khác nhau có tỷ trọng rất khác nhau. Vì thế mà thành phần cơ giới đất khác nhau cũng làm cho tỷ trọng đất khác nhau: 44
2. Đất cát có tỷ trọng thường là: 2,65 ± 0,0 1 Đất cát pha: 2,70± 0,02 Đất thịt: 2,7 1 ± 0,02 Đất sét: 2,74 ± 0,03 Tỷ trọng đất lớn hay nhỏ còn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng chất hữu cơ trong đất . Bởi vì tỷ trọng của chất hữu cơ rất nhỏ chỉ khoảng 1 ,2 - 1 ,4 g/cm3 cho nên các loại đất giàu mùn có tỷ trọng nhỏ hơn đất nghèo mùn. Vì thế tỷ trọng của lớp đất mặt nhỏ hơn tỷ trọng của các lớp đất dưới. Mặc dù tỷ trọng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng hầu hết tỷ trọng của các loại đất dao động trong khoảng 2,60 - 2,75 g/cm3. chỉ có một số loại đất có hàm lượng mùn rất cao, có thể tới 15 - 20%, ở các loại đất nà y tỷ trọng < 2,40 g/cm3 (Bảng 3 . 1 ) . Trong thực tiễn sản xuất có thể xem 2,65 là tỷ trọng trung bình của đất. Căn cứ vào tỷ trọng đất mà người ta có thể phần nào đánh giá được hàm lượng mùn trong đất. Tỷ trọng nhỏ thì đất giàu mùn và ngược lại. Tỷ trọng đất được ứng dụng nhiều trong các công thức tính toán như công thức tính độ xốp của đất, công thức tính độ chìm lắng của các cấp hạt đất trong phân tích thành phần cơ giới. Bảng 3.1 : Tỷ trọng của một số khoáng chất, hữu cơ khác nhau Loại Tỷ trọng (g/cm3 ) 1 chất mùn, thán bùn, thảm mục rừng 1 ,25 - 1 ,80 2. Thạch cao 2,30 - 2,35 3. Thạch anh 2,65 4. Kaolinit 2,60 - 2,65 5. Octokla 2,54 - 2,57 6. Micolin 2,55 7. Canxit 2,7 1 8. Dolomit 2,80 - 2,90 9. Mutcovit 2,76 - 3,00 10 Limonit 3,50 - 3,95 Để xác đinh tỷ trọng đất người ta thường dùng phương pháp Picromet (Bình tỷ trọng). Eản chất của phương pháp này là cân đất trong nước để xác định một đơn vị thể tích đất nằm ở trạng thái xếp sít vào nhau. Sau đó chia trọng lượng đất khô kiệt (cũng đã được cân trong bình Picromet) cho thể tích đất nằm ở trạng thái xếp xít vào nhau. Tỷ trọng được tính bằng công thức: 45
3. Trong đó : D: Tỷ trọng của đất (g/cm3 ) P: Trọng lượng đất khô kiệt. B: Trọng lượng bình Picromet + nước. C: Trọng lượng bình Picromet + nước + đất. 3.1.2. Dung trọng Dung trọng đất là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất khô kiệt ở trạng thái tự nhiên, đơn vị là g/cm3 hoặc tân lm3 (ký hiệu là d). Như vậy dung trọng cũng như tỷ trọng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật của đất và hàm lượng chất hữu cơ. Đất giàu mùn, hình thành trên các loại đá mẹ chứa các khoáng vật có tỷ trọng nhẹ như thạch anh, phenpat thì có giá trị dung trọng nhỏ và ngược lại. Nhưng khác với tỷ trọng, dung trọng còn phụ thuộc vào tổng lượng khe hở trong đất Như ta đã biết độ xốp của đất lại phụ thuộc vào kết cấu của đất, thành phần cơ giới đất Với đất cát thường có hàm lượng mùn thấp nên các hạt đất thường nằm sát nhau hơn so với đất sét, nên đất cát thường có dung trọng lớn hơn so với đất sét Nếu xét theo một phẫu diện đất thì dung trọng tăng theo độ sâu của phẫu diện. Điều này có thể là kết quả của hàm lượng mùn giảm dần theo độ sâu, kết cấu kém, rễ càng ít và độ chặt tăng lên do sức nén của lớp đất mặt. Các biện pháp kỹ thuật canh tác khác nhau sẽ có tác dụng thay đổi dung trọng của đất. Với hệ thống cây trồng tăng cường chất hữu cơ cho đất như trồng xen, luân canh, sử dụng cây họ đậu, bón phân hữu cơ sẽ làm giảm dung trọng đất đặc biệt là dung trọng của lớp đất mặt. Nghiên cứu dung trọng đất cho phép ta sơ bộ đánh giá được chất lượng của đất, đặc biệt là đất cho cây trồng cạn. Các loại đất có dung trọng thấp thường là những loại đất có kết cấu tốt, hàm lượng mùn cao. Do đó những loại đất này cũng sẽ có chế độ nước, nhiệt, không khí và dinh dưỡng phù hợp cho cây trồng sinh trưởng và phát triển. Xác định dung trọng đất còn là cơ sở để ta tính toán khối lượng đất trên một đơn vị diện tích. Đây là một chỉ tiêu thường gặp trong các kỹ thuật sử dụng đất Công thức tính là: Trong đó: M: Khối lượng đất trong diện tích s 46
4. s: Diện tích cần xác định tính bằng m2 h: Độ sâu tầng đất tính bằng m d: Dung trọng. Ví dụ: Khối lượng đấtlha với độ sâu tầng canh tác là 20 cm, dung trọng đất là 1,5 sẽ là: 10000m2 x 0,2 m x 1 ,5 = 3000 tấn. Dung trọng và tỷ trọng đất là cơ sở để tính toán độ xốp của đất. ở nước ta dung trọng có thể dao động từ 0,7 - 1,7 g/cm3 tuỳ theo loại đất và tầng đất (như bảng 3.2). Với những loại đất đồi núi có hàm lượng mùn cao, kết cấu tết, dung trọng nhỏ như đất fenasols hình thành trên đá bazan. Ngược lại những đất cát có hàm lượng mùn thấp, dung trọng tầng đất mặt có thể tới 1,5. g/cm3 và ở tầng sâu có thể tới 1 ,7 g/cm3. Để xác định dung trọng người ta thường dùng ống trụ có thể tích bên trong 100 cm3 đóng thẳng góc với mặt đất để lấy mẫu ở trạng thái tự nhiên, rồi đem sấy khô kiệt và tính theo công thức: Trong đó: d: Dung trọng của đất (g/cm3 ) P:Trọng lượng đất khô kiệt trong ống trụ (g) V: Thể tích ông đóng (cm3 ). 3.1.3. Độ xốp Độ xốp là tỷ lệ % các khe hở trong đất so với thể tích đất. Độ xốp đất được tính theo công thức: Trong đó: P: Độ xốp (%) d: Dung trọng đất (g/cm3) D: Tỷ trọng đất (g/cm3) Công thức ( 1 ) có thể được thiết lập như sau : Gọi: d là dung trọng D là tỷ trọng m là trọng lượng phần rắn của đất Vr là thể tích phần rắn của đất 47
5. V là thể tích của đất Ta có: Vr Mà: x 100 là phần trăm thể tích của phần rắn. V Nên % thể tích của khe hở (p) sẽ là: Thay (a) vào (b) ta có: Dựa vào công thức này ta có thể tính được độ xốp của các loại đất khi biết dung trọng và tỷ trọng của chúng. Ví dụ: Đất có dung trọng là 1,50 và tỷ trọng là 2,65 thì: Tổng lượng khe hở trong đất (P%) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất hàm lượng mùn, thành phần cơ giới (Bảng 3.2). Từ số liệu bảng 3.2 cho ta thấy ở những loại đất cố thành phần cơ giới nhẹ, hàm lượng mùn cao như đất Fen asols phát triển trên đá bazan thường có độ xốp cao tới 63 - 71 %. Ngược lại những loại đất có hàm lượng mùn thấp, kết cấu kém (như Fluvisols), thành phần cơ giới thô (như Acrisols trên phù sa cổ), có độ xốp thấp chỉ khoảng 33 - 58 %. Độ xốp của cùng một loại đất ở các độ sâu khác nhau thì khác nhau. Độ xốp giảm dần theo độ sâu. Kích cỡ của khe hở trong đất cũng là một chỉ tiêu quan trọng không kém tầng khe hở. Có nhiều khái niệm khác nhau để phân chia khe hở theo độ lớn nhưng nói chung các tác giả đều thống nhất rằng khe hở đất đều được chia làm 2 loại: Khe hở mao quản (hay còn gọi là khe hở nhỏ) có kích cỡ nhỏ 30 μm hoặc > 60 μm (theo các tác giả trên), chúng có vai trò trong việc thoát nước và chứa không khí cho đất 48
6. Bảng 3.2: Tính chất vật lý cơ bản của các loại đất chính ở Việt Nam Loại đất Đô sâu Dung trọng Tỷ trọng Độ xốp (cm) (g/cm3) (g/cm3) (%) Ferrasols 0 – 20 0,71 - 0,94 2,49 - 2,54 63,0 - 71,0 (trên đá bazan) 20 - 150 0,78 - 0,95 2,50 - 2,59 63,0 - 70,0 Fluvisol 0 - 20 1,10 - 1,28 2,62 - 2,67 51,1 - 56,9 (đất phù sa) 20 - 40 1 ,20 - 1,50 2,64 - 2,68 45,5 - 47,0 40 - 60 1,29 - 1,55 2,65 - 2,67 44,0 - 46,0 Acrisols 0 - 20 1,01 - 1,55 2,56 - 2,83 41,1 - 64,3 (trên phiến thạch sét) 20 - 40 0,94 - 1,48 2.64 - 2,88 61.7 - 67,4 40 - 60 1 ,25 – 1,49 2.64 - 2.75 41,7 - 53,2 Acrisols 0 - 20 1,05 - 1,43 2,65 - 2,73 46,3 - 59,0 (trên gián) 20 - 40 1,24 - 1,30 2,69 - 2,70 49,4 - 54,0 40 - 60 1,35 - 1,63 2,67 - 2,73 49,4 - 52,8 Acrisols 0 - 15 1,08 - 1,55 2,62 – 2,64 41,0 - 58,7 (trên phù sa cổ) 20 - 60 1 ,52 - 1,78 2,65 - 2,70 32,8 - 43,7 60 - 100 1 ,40 - 1 ,76 2,58 - 2,73 33,7 - 48,7 với đất cát tuy có độ xốp nhỏ nhưng do chứa chủ yếu là các khe hở lớn, do vậy đất cát có khả năng thấm nước nhanh, thoát nước tốt, độ thoáng khí cao. Thường chúng ta nhầm tưởng rằng đất cát là đất có độ xốp lớn. Ngược lại với đất cát, đất sét tuy có tổng khe hở lớn hơn đất cát (độ xốp lớn) nhưng do chứa chủ yếu là khe hở mao quản nên sự di chuyển của nước và không khí trong đất chậm, đất giữ nước với hàm lượng cao bằng lực mao quản. Do vậy đất sét thường thấm nước và thoát nước chậm, độ thoáng khí kém. Khi đất có kết cấu tết sẽ khắc phục được yếu điểm của cả 2 loại đất đặc biệt là của đất sét, đất có kết cấu tết sẽ điều hoà được tỷ lệ khe hở mao quản và phi mao quản. Trong đó khe hở mao quản (trong hạt kết) sẽ giữ nước cho đất, đồng thời khe hở phi mao quản (khe hở giữa các hạt kết) chứa không khí và thoát nước cho đất. Theo nhiều tác giả thì tỷ lệ giữa khe hở mao quản và khe hở phi mao quản nếu đạt được 50% là tết. Katrinski (1965) nêu ra thang đánh giá độ xốp chung của đất, tính bằng % như sau (đối với tầng canh tác): Rất tốt: 65 - 55 Bình thường: 55 - 50 Không đạt yêu cầu: < 50 Thông thường đất tầng mặt có độ xốp cao do được cung cấp nhiều xác hữu cơ Các tầng tích tụ phía dưới do bị nén chặt nên độ xốp rất thấp, thường chỉ đạt 25 - 49
7. 40%. Thông thường người ta đánh giá độ xốp của đất theo các cấp sau : P (%) Đánh giá đắt > 70 Quá xốp (đất lún) 60 - 70 Rất xốp 50 - 60 Xốp 40 - 50 Xốp vừa 30 – 40 Kém xốp < 30 Không xốp Độ xốp của đất rất có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất nông lâm nghiệp, vì nước và không khí trong đất di chuyển trong những khoảng trống (độ xốp của đất), những chất dinh dưỡng cho cây được huy động cũng như hoạt động của vi sinh vật đất cũng diễn ra chủ yếu trong những khoảng trống này. Vì vậy, người ta nói độ phì đất phụ thuộc đáng kể vào độ xốp của đất. Ngoài ý nghĩa trên, chúng ta cũng dễ dàng nhận thấy nếu đất tơi xốp thì rễ cây phát triển dễ dàng, cây sinh trưởng sẽ tết. Nếu đất dốc có độ xốp cao thì khi mưa nước sẽ thấm nhanh và hạn chế được xói mòn. 3.2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT Các tính chất cơ lý của đất bao gồm tính dính, tính dẻo, độ cứng, tính trương, lực cản, lực ma sát v.v Một môi trường đất được coi là thuận lợi cho các phương tiện làm đất khi có tính chất cơ lý nằm ở ngưỡng tối ưu. Muốn thiết kế, sản xuất ra được những máy móc nông cụ phục vụ cho việc làm đất, muốn tính độ kháng suất (sức cản riêng) khi làm đất, sử dụng hợp lý, có hiệu quả cao đối với các máy móc công cụ trên đồng ruộng thì cần phải hiểu biết các tính chất này. Những tính chất cơ lý của đất còn có ý nghĩa lớn trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thuỷ lợi, trong công nghiệp làm đổ gốm. Những tính chất cơ lý cua đất ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng, phát triển của hệ thống rễ cây trồng. Tất cả những tính chất cơ lý phụ thuộc vào các tính chất lý hoá học của đất như thành phần cơ giới, kết cấu, độ ẩm, độ chặt, thành phần của chuồn hấp phụ, thành phần và hàm lượng mùn v.v Đất có thành phần cơ giới nặng, bão hoà Na+, không có cấu trúc, ở trạng thái khô sẽ có độ bền liên kết lớn nhất. Các chuồn hấp phụ ảnh hưởng đến tính liên kết và tính dính của đất theo dãy tăng dần sau đây: Ca++ < Mg++ < K+ < Na+ Cũng những chuồn này nhưng ảnh hưởng đến kết cấu đất thì ngược lại: 50
8. Ca++ > Mg++ > K+ > Na+ Trong khi làm đất chúng ta gặp lực cản của đất. Lực cản này xuất hiện do lực ma sát, lực kết dính giữa các phần tử đất với máy móc nông.cụ; sự kết dính liên kết giữa các phần tử đất với máy móc nông cụ; sự kết dính liên kết ngay giữa các phần tử đất với nhau. Những tính chất cơ lý của đất thể hiện rõ trong những giới hạn nhất định của ẩm độ đất và khi có sự tác động của những lực bên ngoài. Tỷ số giữa thể rắn và thể lỏng gọi là độ sệt, tính cơ động (thay đổi trạng thái lý học) của đất được xác định do độ sệt này. ở những thời kỳ khác nhau trong năm, đất có trạng thái ẩm khác nhau, làm cho độ loãng, khả năng chống xói mòn của đất v.v khác nhau và đều liên quan mật thiết với những tính chất cơ lý. 3.2.1. Tính trương co của đất Tính trương hay tính co của đất là sự tăng thể tích khi ướt hoặc giảm thể tích khi khô. Đơn vị tính : % so với thể tích. Tính trương co gây bất lợi cho sự phát triển của bộ rễ. Khi trương, đất bị giảm về độ xốp, tăng độ chặt, giảm khả năng thoát nước và không khí gây ảnh hưởng xấu tới hoạt động của vi sinh vật đất và bộ rễ của cây. Từ đó tính trương ảnh hưởng đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cửa cây. Trên những loại đất thịt nặng và sét, khi bão hòa nước sẽ trương lấp hết các khe hở làm giảm khả năng thấm nước của đất, do vậy sẽ thúc đẩy quá trình hình thành nước chảy bề mặt, gây nên xói mòn đất. Hiện tượng này đặc biệt xấu ở những vùng đất dốc. Khi co, đất tạo nên các vết nứt dọc ngang. Điều này có thể làm đứt rễ cây đặc biệt ảnh hưởng tới các loại cây có kích thước rễ nhỏ. Ngoài ra các vết nứt sẽ gây nên quá trình rửa trôi dinh dưỡng và các hạt sét xuống tầng sâu. Tính trương hay co của đất thực chất được gây nên bởi quá trình hút nước hay mất nước ở nước màng bao bọc quanh các keo đất hay các chuồn. Đất trương co mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng keo đất, chủng loại keo đất và các chuồn trên bề mặt keo. Thông thường đất chứa các loại keo có loại hình 1:1 như keo kaonilit. Loại keo này có tính hút nước kém, trương co ít. Ngược lại đất chứa keo loại hình 2:1 như keo monmorilonit có tính trương co lớn hơn rất nhiều. Đất sét do có hàm lượng sét cao nên khả năng hút nước lớn, trương co mạnh hơn nhiều so với đất cát (Bảng 3.3). Cùng một loại đất nhưng nếu đất bão hoà ton Na+ có tính trương co lớn hơn nhiều so với đất bão hoà ton Ca2+ 3.2.2. Tính liên kết của đất Tính liên kết của đất được tạo bởi sức hút giữa các hạt đất để tránh bị tan rã từ tác động của lực bên ngoài. Đơn vị tính: g/cm2. 51
9. Như vậy tính liên kết có liên quan đến khả năng đâm xuyên của rễ cây, lực tác động cần thiết để làm đất. Đất có sức liên kết lớn thì rễ cây phát triển kém, cày bừa tốn công. Bảng 3.3: Tính trương co của các loại đất theo thành phần cơ giới TT Loại đất Độ trương co (%) 1 Đất cát 0,5 - 1,0 Đất cát pha 1 ,0 – 1,5 3 Đất thịt nhẹ 1,5 - 3,0 4 Đất thịt trung bình 3,0 - 4,5 5 Đất thịt nặng 4,5 - 6,0 6 Đất sét 6,0 - 8,0 7 Đất sét nặng 8,0 - 10,0 Tính liên kết của đất lớn hay nhỏ phụ thuộc vào thành phần cơ giới, hàm lượng mùn, kết cấu đất, độ ẩm của đất và thành phần cation bị hấp phụ trên bề mặt keo. Đất có thành phần cơ giới nặng, hạt nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa các hạt đất lớn nên tính liên kết cao. Vì vậy tính liên kết của đất sét lớn hơn đất thịt và lớn hơn đất cát. Thông thường các loại đất có hàm lượng mùn cao, kết cấu tốt thì có diện tích tiếp xúc giữa các hạt đất nhỏ nên tính liên kết nhỏ và ngược lại. Độ ẩm có ảnh hưởng rõ rệt nhất tới tính liên kết của đất. Khi đất đạt tới độ ẩm quá độ ẩm toàn phần sức liên kết của đất gần bằng không. Điều này thể hiện rằng khi ở độ ẩm cao, hạt đất hút nước tạo nên các màng nước dày bao quanh làm phân cách các hạt đất. Tuy nhiên khi độ ẩm giảm dần từ độ ẩm bão hoà thì tính liên kết của đất sét tăng lên, ngược lại tính liên kết của đất cát có xu hướng giảm. Thành phần chuồn hấp thụ có ảnh hưởng tới tính liên kết của đất. Đất giàu ion Ca2+ có sức liên kết yếu khi đất khô. Nhưng tính liên kết tăng khi độ ẩm tăng. Ngược lại đất giàu ton Na+ có tính liên kết cao khi khô nhưng khi ẩm tính liên kết giảm do khi ẩm ton Na+ nhanh chóng tạo nên màng nước dày bao bọc quanh các hạt đất. 3.2.3. Tính dính của đất Tính dính của đất là khả năng kết dính của đất với những vật tiếp xúc từ bên ngoài vào. Đơn vị tính: g/cm2. Tính dính được thể hiện như đất bám dính vào cày, bừa hay chân tay con người. Như vậy tính dính cao cũng sẽ gây khó khăn cho làm đất và hoạt động của máy móc, con người trên đồng ruộng. Tính dính của đất phụ thuộc vào thành phần cơ giới, hàm lượng mùn, kết cấu đất, độ ẩm và thành phần chuồn hấp phụ. Đất nhiều sét, hàm lượng mùn thấp, kết cấu kém thì tính dính cao và ngược lại. 52
10. Độ ẩm có ảnh hưởng trực tiếp tới tính tính của đất. Đất quá ẩm hay quá khô tính dính ít. Đất chỉ xuất hiện tính dính khi ở một độ ẩm nhất định. Tuy nhiên trị số độ ẩm và tính đính còn phụ thuộc vào từng loại đất. Ví dụ: Đất cát dính kém ở mọi độ ẩm, đất thịt tính dính tăng dần khi độ ẩm tăng (trừ khi đất quá ẩm). Đất có kết cấu tết chỉ có tính dính khi có độ ẩm cao (60 - 70 % trở lên) trong khi đất có kết cấu kém thì độ ẩm thấp (40 - 50 %) đã xuất hiện tính dính. Nếu cùng một loại đất, khi đất giàu chuồn Na+ thì tính dính cao hơn nhiều so với đất giàu ton Ca2+. Tính dính xác định bằng lực (g/cm2 ) cần để lôi mảnh kim loại khi tiếp xúc hoàn toàn với đất, ra khỏi đất. Theo mức độ dính, đất có thể. chia thành các nhóm như sau: Đất rất dính: > 5 g/cm2 - Đất đính nhiều: 2 - 3 g/cm2 - Đất dính trung bình: 0,5 - 2 g/cm2 - Đất dính ít: 0,1 - 0,5 g/cm2 - Đất hơi dính: < 0,1 g/cm2 3.2.4. Tính dẻo của đất Tính dẻo của đất là chỉ khả năng của đất có thể biến dạng mà không bị vỡ vụn khi có lực tác động từ bên ngoài vào. Như vậy tính dẻo được hình thành chính do sức hút lẫn nhau của các phân tử đất Khi đất khô, đất không có tính dẻo. Khi độ ẩm đất tăng lên đến khi có tính dẻo thì tại thời điểm độ ẩm này người ta gọi là giới hạn dưới của tính dẻo. Khi độ ẩm tăng đến khi đất nhão ra và bắt đầu mất tính dẻo, người ta gọi trị số này là giới hạn trên của tính dẻo. Hiệu của giới hạn trên và giới hạn dưới là trị số dẻo. Tính dẻo phụ thuộc vào loại hình và số lượng keo sét. Đất chứa nhiều keo monmorilinit có tính dẻo cao hơn đất chứa nhiều keo kaolinit. Nhìn chung đất sét có trị số dẻo cao hơn đất thịt và cao hơn đất cát (Bảng 3.4). Tuy chất hữu cơ làm thay đổi giới hạn trên và dưới của tính dẻo nhưng ít ảnh hưởng đến trị số dẻo (Bảng 3.5). Đất có tính dẻo nhiều sẽ gây khó khăn cho việc làm đất. Bởi vì khi làm đất khó tạo ra các hạt đất theo yêu cầu mà đất biến dạng và tồn tại ở các hạt đất có kích thước lớn. Chọn độ ẩm thích hợp để khắc phục hiện tượng này là rất cần thiết. 53
11. Bảng 3.4: Chỉ tiêu về tính dẻo của một số loại đất theo thành phần cơ giới (Theo Ngô Nhật Tiến, 1967) Loại đất sét vật lý Giới hạn dưới Giới hạn trên Trị số dẻo (%) (%) sét > 40 16-19 34-40 18-21 Thịt 28-40 1 8-20 31-32 12-16 Thịt nhẹ 24-30 20 31 10 cát < 25 22 30 8 Bảng 3.5: Hàm lượng chất hữu cơ ảnh hưởng tới các chỉ tiêu của tính dẻo (Cao Liêm và cộng sự, 1975) Loại đất Giới hạn dưới (%) Giới hạn trên (%) Trị số dẻo I 5% chất hữu cơ 36,5 41,5 5,0 - Không chất hữu cơ 19,8 25,1 5,3 II 7% chất hữu cơ 52,2 63,0 10,8 - Không chất hữu cơ 27,7 36,8 9,1 3.2.5. Sức cản của dết Khi làm đất như cày, bừa, tức là tạo ra những lực cần thiết để thắng được sức cản của đất và lực đó gọi là lực cản riêng của đất. Vậy lực cản riêng của đất là lực cần phí tổn để cắt mảnh đất có tiết diện ngang 1 cm2 và ớưữc biểu thị là kg/cm2. Như vậy ta phải thắng được sức liên kết của đất để cắt, lật đất. Đồng thời ta phải vượt qua tính dính của đất, tính dẻo của đất làm vỡ vụn đất. Ngoài ra còn liên quan đến các lực khác như trọng lực, lực ma sát Như vậy, xác định độ ẩm thích hợp để có tính liên kết, tính dính, tính dẻo ở trị số phù hợp nhất cho có sức cản bé nhất khi làm đất là rất quan trọng. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cản riêng của đất như thành phần cơ giới đất và độ ẩm đất. Nói chung đất có thành phán cơ giới càng nặng thì sức cản càng lớn và ngược lại. Đa số các loại đất có sức cản riêng khi làm đất nhỏ nhất ở trị số độ ẩm 20 - 25 % hoặc đất ngập nước (với lúa nước) (Bảng 3.6). 54
12. Bảng 3.6: ảnh hướng của độ ẩm đến khả năng làm đất Độ ấm chỉ tiêu 55% Khô Tối thích Ngập nước Trạng thái đất cứng, rắn Giòn Dẻo Lỏng Sức cản riêng Rất cao Nhỏ c00 Nhỏ nhất Khả năng làm đất Khó, tốn công Dễ làm, thích Khó, không Dễ làm, thích hợp thích hợp hợp Câu hỏi ôn tập: 1. Tỷ trọng đât 1à gì? 2. Trình bày dung trọng đất, ứng dụng dung trọng đất trong thục tiễn? 3. Độ xốp của đất 1à gì?Độ xốp của đất phụ thuộc vào những yếu tố nào? 4. Nêu vai trò của việ nghiên cứu các tính chât cơlý đât? 5.Trình bày tính trương co của đất? 6. Trình bày tính liên kết của đất? 7. Trình bày tính dính của đất? 8. Trình bày tính dẻo của đất? 9. Trình bày sức cản của đất?Cần 1àm đất khi nào để đất có sức cản riêng nhỏ nhất? 55
13. Chương 4 NƯỚC TRONG ĐẤT 4.1.VỊ TRÍ VÀ VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG ĐẤT Nước là nguồn gốc của sự sống trên Trái đất. ý nghĩa của nước ở trong đất có thể tóm tắt ở các điểm sau đây: Đó là vai trò không thể thiếu được của nước với tính chất đất và hoạt động sống của sinh vật. Là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ; làm hoà tan các chất dinh dưỡng trong đất. Nước bảo đảm cho sự hoạt động của các quá trình sinh hoá ở nhiều dạng khác nhau. Nước phục vụ cho quá trình bốc hơi sinh học (thoát nước), nhờ có quá trình thoát hơi này mà các chất dinh dưỡng từ đất thâm nhập vào cây. Nước điều hoà chế độ nhiệt cho cây. Nước có liên quan đến một loạt các tính chất của đất như quá trình phong hoá đá, hoà tan chất dinh dưỡng, quá trình xói mòn và rửa trôi, chế độ không khí và nhiệt độ đất, hoạt động của vi sinh vật đất và cả các tính chất cơ lý như tính dính, tính dẻo, trương co của đất. Nắm được các đặc tính của nước trong đất giúp ta điều tiết nước một cách hợp lý theo chiều hướng bồi dưỡng và bảo vệ đất, đáp ứng được nhu cầu về nước cho cây. Do vị trí, tầm quan trọng của nước đối với sản xuất nông nghiệp nên từ lâu nhân dân ta đã đúc kết thành ca dao, tục ngữ "Nhất nước, nhì phân". Và cũng do tầm quan trọng của nước nên nhà bác học Nga Vưxotski đã ví nước trong đất như "máu' trong cơ thể. 4.2. ĐẶC ĐIỂM VỀ CẤU TRÚC CỦA PHÂN TỬ NƯỚC VÀ LỰC TÁC ĐỘNG VÀO NƯỚC TRONG ĐẤT Nước là Sự kết hợp hoá học Của hyđro và ôxy, trọng lượng của nước gồm xấp xỉ 89% ôxy và 1 1 % hyđrô. Dạng công thức hoá học tổng quát của nước là H2O. Do đặc trưng về cấu tạo của phân tử nước là có 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy liên kết với nhau theo sơ đồ cấu trúc như hình vẽ, tạo nên phân tử nước có tính phân cực. Phía cực của nguyên tử oxy mang điện tích âm và ngược lại điện tích dương ở phía cực của nguyên tử hydro (Hình 4.l). Chính do tính phân cực của phân tử nước, mà phân tử nước trong đất chịu tác động của một số lực như sau: - Sức hút lẫn nhau giữa các phân tử nước: 56
14. Hình 4.1 : Sơ đồ cấu tạo của phân tử nước Đó là sự thu hút của các đầu mang điện tích âm (phía nguyên tử oxy) của phân tử nước này với đầu mang điện tích dương (phía nguyên tử hydro) của phân tử nước khác tạo nên sự liên kết giữa các nguyên tử nước với nhau thông qua liên kết hydro. Nhờ liên kết hydro mà nước có một số tính chất đặc trưng khác hẳn với Các hợp chất hydro với các các kim khác như H2S. Những đặc trưng đó là: Trung tính, có nhiệt độ sôi cao, nhiệt dung cao, sức căng bề mặt lớn Sức hút lẫn nhau giữa các phân tử nước và các phân tử nước với phần tử rắn là cơ sở để tạo nên sức hút mao quản. - Các ion và keo đất hút các phân tử nước: Với các chất mang điện tích dương (cation, keo dương ) sẽ hút phân tử nước ở phía cực của oxy có điện tích âm và ngược lại các chất mang điện tích âm (khoáng sét, keo hữu cơ ) sẽ hút các phân tử nước ở phía cực của nguyên tử hydro có điện dương tạo ra màng nước có tính phân cực. Màng nước có tính phân cực này lại hút các phân tử nước khác, cứ như vậy tạo nên một số lớp nước bao quanh các chất tan và phần tử rắn của đất. Quá trình này làm tăng quá trình hoà tan các muối vào dung môi nước và sức hút nước bởi các chất tan trong dung dịch tạo nên áp suất thẩm thấu của dung dịch (Hình 4.2). Hình 4.2: Sự hút các phân tử nước của các con và keo đất Áp suất thẩm thấu có thể coi là sức lôi kéo của các chất tan trong dung dịch có nồng độ cao từ nước nguyên chất hay các dung dịch có nồng độ chất tan thấp hơn. 57
15. - Sức hút mao quản: Lực mao quản được hình thành từ 2 lực, đó là: Lực hút các phân tử nước của các chất rắn ở thành mao quản và lực hút giữa các phân tử nước. Cơ chế của lực hút mao quản được minh họa trên hình 4.3 : Khi ta đặt một ống nhỏ vào nước thì nước sẽ dâng cao lên trong ống, ứng càng nhỏ thì mực nước dâng càng cao. Đó chính là tác động của lực hút mao quản. Trước tiên các phân tử nước được lôi kéo lên phía trên bởi lực hấp dẫn hay lực hút do mang điện trái dấu giữa thành ống và cực của phần tử nước. Đồng thời do nước có lực hút lẫn nhau nên các phân tử nước không tiếp xúc với thành ống cũng được hút lên tạo nên sự dâng cao của nước trong ống. Độ cao của cột nước mao quản trong ống được quyết định bởi lực hút của thành ống. Lực hút lẫn nhau giữa các phân tử nước và trọng lực tác động ngược chiều. Hình 4.3: Mô tả cơ chế của lực hút mao dẫn Chiều cao của cột nước trong mao quản được tính theo công thức: Trong đó: H: Chiều cao cột nước mao quản. T: Sức căng bề mặt của chất lỏng. r: Bán kính mao quản g: Gia tốc tự do d: Nồng độ của chất lỏng. Với nước nguyên chất được tính theo công thức: Như vậy độ cao của cột nước phụ thuộc hoàn toàn vào bán kính mao quản. 58
16. Mao quản càng nhỏ thì cột nước mao quản càng cao. Tuy nhiên, trong đất cột nước mao quản thường nhỏ hơn so với tính toán bởi thành mao quản thường gồ ghề, bán kính mao quản không đều, nước ở thể dung dịch - Sức hút trọng lực: Đó là lực hút có hướng vào tâm trái đất. Sức hút trọng lực làm giảm độ cao của cột nước trong mao quản. Khi đất quá ẩm, nước chứa trong các khe hở lớn của đất, khi đó do bán kính khe hở nên sức hút trọng lực lớn hơn sức hút mao quản, do vậy nước di chuyển nhanh xuống sâu theo hướng tác động của trọng lực. 4.3. CÁC DẠNG NƯỚC TRONG ĐẤT Nước trong đất có thể tồn tại ở các thể khác nhau như thể rắn, thể khí, thể lỏng. Đồng thời nước cũng chịu tác động của các lực khác nhau trong đất như lực hút phân tử, sức hút của các chất có mang điện (cation, keo lực hút giữa các phân tử nước với nhau, trọng lực Căn cứ vào trạng thái tồn tại và lực tác động vào phân tử nước, có thể chia nước trong đất thành các dạng sau: - Nước ở thể rắn (nước đóng băng). - Nước ở thể hơi (hơi nước trong không khí đất). - Nước liên kết (nước liên kết hoá học và nước liên kết lý học). - Nước tự do (nước mao quản, nước trọng lực, nước ngầm). 4.3.1. Nước ở thể rắn Nước nguyên chất đóng băng khi nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 00C. Tuy nhiên ở trong đất nước có hoà tan một lượng muối khoáng nhất định do vậy điểm đông đặc của nước thường nhỏ hơn 00C. Dạng nước này chỉ tồn tại ở các vùng ôn đới, núi cao hay Bắc cực. Nó ít có ý nghĩa với đời sống của cây, các tính chất của đất. Mặc dù vậy khi nước đóng băng, thể tích nước tăng lên tạo nên áp lực phá huỷ đá trong phong hoá lý học và góp phần tạo nên kết cấu đất. 4.3.2. Nước ở thể hơi Đây chính là hơi nước trong đất, thuộc vào thành phần không khí đất. Hơi nước trong đất tuy có thành phần rất nhỏ chỉ khoảng 0,001% so với trọng lượng đất nhưng rất linh động, di chuyển nhanh. Do vậy hơi nước có vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho cây, phân bố lại lượng nước trong phẫu diện đất (Brandy, 1984). Sự di chuyển của hơi nước trong đất là nhờ vào 2 quá trình chính là quá trình khuếch tán của hơi nước và nhờ vào sự di chuyển của cả khối không khí đất. Quá trình khuếch tán hơi nước trong đất xảy ra là nhờ sự chênh lệch về lượng hơi nước giữa các vùng. Hơi nước di chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Quá trình khuếch tán hơi nước còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ đất. Hơi 59
17. nước luôn có xu hướng khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Chính có sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm mà ban đêm do có khí quyển lạnh nên lớp đất mặt mất nhiệt do phát xạ vào khí quyển. Nhiệt độ lớp đất mặt về đêm thường nhỏ hơn nhiệt độ tầng dưới nên hơi nước di chuyển từ dưới lên trên và ngưng tụ trên bề mặt đất thành các hạt sương. Về ban ngày do mặt trời đốt nóng lớp đất mặt nên lượng nước đọng lại về ban đêm trên bề mặt bốc hơi vào khí quyển, hơi nước ở tầng mặt di chuyển xuống sâu Chính cơ chế này đã làm cho hơi nước có vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho cây, duy trì độ ẩm của tầng đất mặt, đặc biệt vào mùa khô nhiệt độ thấp ở nước ta. Nhưng cũng chính do quá trình này mà một lượng nước đáng kể thường xuyên bị mất vào khí quyển do sự bốc hơi bề mặt. Để tránh mất nước qua hiện tượng này thì việc áp dụng các biện pháp kỹ thuật như che phủ mặt đất, xới xáo đất để cắt đứt mao quản vận chuyển nước lên mặt đất là những biện pháp kỹ thuật có hiệu quả. 4.3.3. Nước liên kết Nước liên kết được phân ra thành hai loại là nước liên kết hoá học và nước liên kết lý học. - Nước liên kết hoá học: Đây là dạng nước ít có ý nghĩa với tính chất đất và hoạt động sống của cây. Nó có tham gia trực tiếp vào mạng lưới tinh thể của khoáng vật (nước hoá hợp), như Fe(OH)3, Fe2O3 ,H2O (limonit), Al203.3H2O (gipxit). Loại nước này chỉ có thể bị loại trừ ở nhiệt độ cao 200 - 8000c Và khi đó tinh thể khoáng bị phá vỡ. Nước cũng có thể liên kết với các chất với lực yếu hơn như trong CaSO4.2H2O, Na2SO4.10H2O (nước kết tinh). Dạng nước này bị loại trừ ở nhiệt độ khoảng 100 – 2000C. Khi loại trừ dạng nước này, cấu trúc của khoáng không bị phá vỡ mà khoáng chỉ bị thay đổi một số tính chất vật lý như tăng về thể tích, tính dẻo . . . Ví dụ: Thể tích tăng 33% Không dẻo Có tính dẻo Nước liên kết vật lý: Đây là lượng nước được hấp thu trên bề mặt của các phần tử rắn trong đất bằng lực hút phân tử, sức hút tĩnh điện giữa các phân tử rắn trong đất với các phân tử nước và giữa các phân tử nước với nhau. Tuỳ vào sức liên kết của nước với các phần tử rắn trong đất mà nước hấp thu vật 60
18. lý được chia làm 2 loại: + Nước liên kết chặt và nước liên kết hờ (Hình 4.4). Hình 4.4: Nước hấp thu lý học trong đất + Nước liên kết chặt (nước dính): Là một hay một vài lớp đơn phân tử nước được hấp thụ trên bề mặt của các phân tử khoáng bởi lực hút phân tử hay sức hút tĩnh điện. Loại nước này bị các hạt đất giữ chặt, không di chuyển được. Nước này bị tách ra và bay hơi ở nhiệt độ 105 – 1100C toạc. Lượng nước liên kết chặt lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng chất hữu cơ và thành phần cơ giới đất. Đất sét nhiều mùn có hàm lượng nước hấp thu chặt lớn hơn ở đất cát ít mùn. Cây không sử dụng được lượng nước này. + Nước liên kết hờ (nước màng): Là màng nước gồm nhiều lớp đơn phân tử nước được giữ trên lớp nước liên kết chặt bởi lực hút có định hướng giữa các phân tử nước hoặc lực hút giữa phân tử nước với phân tử khoáng. Loại nước này có thể di chuyển được, nhưng rất chậm chỉ khoảng 1 - 2 mm/giờ. Chúng di chuyển từ nơi có màng dày (ẩm độ cao) tới nơi có màng mỏng (ẩm độ thấp). Do tốc độ di chuyển chậm, bị giữ với sức hút lớn, nên cây khó có thể sử dụng được dạng nước này. 4.3.4. Nước tự do Nước tự do không chịu sự chi phối của lực hút phân tử mà chịu sự chi phối trực tiếp của lực hút mao quản và trọng lực. Chúng được chia làm 3 loại: - Nước mao quản: Là dạng nước tự do được chứa trong các khe hở mao quản của đất. Khe hở mao quản là các khe hở có kích thước 0,001 - 0,1 mm. Khi khe hở có kích thước < 0,001 mm thì chúng sẽ bị lấp đầy nước hấp thu nên không có sự di chuyển nước do sức hút mao quản. 61
19. Lượng nước mao quản nhiều hay ít có liên quan chặt chẽ tới tổng khe hở trong đất (độ xốp) và kích cỡ của khe hở (Philip, 1964). Các khe hở của đất có kích cỡ > 0, 1 tâm thì lực mao quản hầu như không có, do vậy chúng không có khả năng giữ nước bằng lực mao quản. Các khe hở này chủ yếu là chứa không khí đất (đó là khe hở phi mao quản). Với đất sét có tổng lượng khe hở lớn, kích cỡ khe hở nhỏ chiếm đa số nên lượng nước mao quản nhiều hơn so với ở đất cát có độ xốp nhỏ và khe hở có kích cỡ lớn. Tuỳ vào nguồn nước cung cấp cho mao quản mà nước mao quản lại được chia ra: + Nước mao quản leo: Là lượng nước mao quản do nước ngầm leo cao. Đây là lượng nước thường xuyên cung cấp cho tầng đất mặt. Nó đặc biệt quan trọng trong mùa khô, ở những vùng đất khô hạn. Tuy nhiên lượng nước mà nguồn cung cấp qua mao quản leo thường có lượng oxy thấp, có thể chứa lượng muối hoà tan cao. Số lượng nước mao quản leo trong đất tuỳ thuộc vào độ cao mực nước ngầm và thành phần cơ giới. đất. Nếu mực nước ngầm ở độ cao thì lượng nước cung cấp cho lớp đất mặt qua mao quản leo cao và ngược lại. Vì vậy việc xây dựng các hồ nước nhỏ ở vùng núi có tác dụng duy trì mực nước ngầm phù hợp là rất có ý nghĩa trong việc điều tiết chế độ nước trong đất đồi núi. Tuy nhiên nếu mực nước ngầm quá cao sẽ ảnh hưởng xấu tới chế độ không khí đất. Theo Brady N.C.(1984) đất có thành phần cơ giới nặng như đất thịt nặng, đất sét thì nước mao quản leo có thể leo cao hơn nhưng với tốc độ chậm hơn so với đất cát (Đồ thị 4.l). + Nước mao quản treo: Nước mao quản treo là lượng nước mao quản được cung cấp từ nước mưa hay nước tưới. Đây là lượng nước tốt nhất cho cây bởi có lượng không khí hoà tan cao. Lượng nước mao quản treo nhiều hay ít phụ thuộc vào khả năng thấm nước và giữ nước cho đất. Với đất có kết cấu tốt, khi mưa hoặc tưới, nước sẽ ngấm nhanh vào đất qua các khe hở có kích cỡ lớn sau đó lại được giữ lại trong các khe hở mao quản trong cả phẫu diện đất. Trái lại với đất sét, sức thấm nước kém, một lượng nước lớn sẽ bị mất qua nước chảy bề mặt và gây lên xói mòn đất Với đất cát chủ yếu là các khe hở có kích cỡ lớn nên nước thấm nhanh, giữ nước kém, nước sẽ mất mát qua rửa trôi. 62
20. Độ cao (cm) Đồ thị 4.1: Tốc độ và độ cao của nước ngầm leo trong mao mạch - Nước trọng lực: Nước trọng lực là lượng nước di chuyển trong đất theo chiều từ trên xuống dưới do tác động của trọng lực. Nước trọng lực phát sinh khi lượng nước trong đất lớn hơn sức chứa mao quản. Có nghĩa là lúc này nước được chứa cả vào các khe hở lớn của đất. Do trong các khe hở lớn, sức hút mao quản nhỏ nên nước di chuyển nhanh xuống nước ngầm bởi sự tác động và chi phối của trọng lực. Do nước trọng lực di chuyển nhanh, thời gian tồn tại trong đất ngắn nên cây trồng ít có khả năng sử dụng lại nước này. - Nước ngầm: Nước trọng lực di chuyển xuống dưới sâu khi gặp tầng đất hay đá không thấm nước sẽ đọng lại tạo thành nước ngầm. Do khi thấm qua đất, nước hoà tan và vận chuyển xuống nước ngầm một lượng muối nhất định nên nước ngầm thường chứa các muối hoà tan. Do vậy để khai thác nước ngầm làm nước sinh hoạt hoặc nước tưới tiêu cần phải xác định nồng độ muối của nước ngầm. Mực nước ngầm nông hay sâu có ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng cung cấp nước của nước ngầm cho tầng đất mặt. Độ sâu của nước ngầm bị chi phối bởi một số yếu tố như lượng mưa ở các mùa, địa hình, rừng Thường ở mùa mưa mực nước ngầm cao hơn ở mùa khô. Nơi có địa hình thấp, nơi có rừng thường có mực nước ngầm cao. Những vùng đất rộng lớn thung lũng thấp, nơi có rừng bị lầy thụt là những ví dụ điển hình. 4.4. SỰ DI CHUYỀN CỦA NƯỚC Ở TRONG ĐẤT Trong đất, nước có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác theo những quy luật nhất định. Những quy luật về đặc trưng, tính chất của nước di chuyển trong mao quản đã được thể hiện bằng một số định luật hoặc bằng các công thức toán học như công thức Laplace, định luật Jurin, định luật Darcy. Để đặc trưng cho sự chuyển vận nước trong đất có thể sử dụng phương trình tổng quát của Darcy: 63
21. Trong đó: V: Vận tốc dòng chảy Darcy, k: Hệ số thấm, dp/dl: Gradien áp lực ẩm (tổng thế năng). Gradien áp lực ẩm là sự chênh lệch về áp lực ẩm ở hai điểm. Nước sẽ chuyển vận từ những nơi có áp lực ẩm lớn hơn (hàm lượng ẩm lớn hơn) đến những nơi có áp lực ẩm nhỏ hơn (hàm lượng ẩm nhỏ hơn). Cho đến nay, những hiện tượng về nước màng và nước mao quản chỉ được mô tả trong những mao quản dạng hình ống hoặc bằng những model chưa phản ánh được thực chất của đất. Chúng ta biết rằng đất là một môi trường đa phân tán, là một môi trường dị tướng. Vì vậy những lỗ hổng trong đất rất phức tạp, chúng có thể có nhiều hình dạng và đại lượng khác nhau. Các khoảng hổng trong đất tạo thành những mặt cong và những lớp màng hấp phụ. Dưới các lớp nước màng và dưới các mặt cong này sẽ xuất hiện áp lực âm. Chính áp lực âm này quyết định hướng chuyển động của chất lỏng và áp lực âm càng lớn (áp lực ẩm của đất càng nhỏ) thì độ dâng lên mao quản càng cao, có nghĩa là sự chuyển vận của nước trong đất càng lớn. Từ đây khái niệm thê năng mao quản đã được xuất hiện, có người gọi là "áp lực mao quản", được xác định bằng hiệu số (độ chênh lệch) của áp lực mao quản ở hai khu vực thấm ướt tiếp giáp nhau. Hiệu số này càng lớn thì thế năng mao quản càng lớn, chính vì vậy mà sự chuyển vận của độ ẩm mao quản đi từ khu vực có áp lực ẩm lớn đến những khu vực có áp lực ẩm nhỏ hơn. Tuy nhiên, trong đất không chỉ có mao quản mà còn có nhiều lực khác nữa như lực phân tử, lực thẩm thấu, lực hoá trị, lực hấp phụ và nhiều lực khác. Để đặc trưng cho tổng hợp lực này người ta đã đưa ra khái niệm về áp lực ẩm trong đất và được trình bày chi tiết ở mục 4.5 "Lực hút nước của đất". Phương trình đặc trưng về sự chuyển vận của nước trong đất (Phương trình tổng quát của Darcy) trên đây, trong đó thế năng mao quản là hợp phần trong tổng hợp lực này. Đất có thành phần cơ giới khác nhau, khả năng chuyển vận của nước trong đất sẽ khác nhau. Ví dụ: nghiên cứu quan hệ phụ thuộc vào hệ số dẫn nước và áp lực ẩm trong đất cát pha có thành phần cơ giới nhẹ và đất feralit nâu đỏ phát triển trên đá bazan có thành phần cơ giới nặng được thể hiện ở bảng 4.1. Từ những dẫn liệu được trình bày ở bảng 4.1. cho thấy : - Cùng một điều kiện áp lực ẩm như nhau, đất có thành phần cơ giới càng nhẹ hệ số dẫn ẩm càng kém. Ví dụ: Cùng một áp lực ẩm (-0,05) - (0,l0) átmôtphe, ở đất,cát pha hệ số dẫn ẩm = l,3.1010; trong khi đó ở đất bazan trị số này = 4,0 .1010. 64
22. - Cùng một loại đất, ở điều kiện áp lực ẩm càng nhỏ thì hệ số dẫn ẩm càng nhỏ. Bảng 4.1 : Quan hệ phụ thuộc của hệ số dẫn nước và áp lực ẩm trong đất Loại đất Phạm vi áp lực ấm Hệ số dẫn nước của đất (Atmotphe) ( 0,01) - (-0,05) 4,0. 10-10 ( 0,05) - (-0,l0) 1,3.10-10 Đất cát pha ( 0,l0) - (-0,20) 5,0.10-11 ( 0,20) - (-0,40) 5,0.10-12 (-0,40) - (-0,60) 4,0. 10-12 (-0,50) - (-0,l0) 6,0.10-1(} Đất feralit nâu đỏ trên (-0,10) - ( 0,15) 4,0. 10-10 bazan ( ferralsols), Tây ( 0,15) - (-0,25) 1,6.10-10 Hiếu, Nghệ An ( 0,25) - (-0,30) 1,2.1-10 (-0,30) - (-0,45) 3,0 .10-11 ( 0,45) - (-0,60) 1,5.10-11 (Nguồn: Trân Kông Tấu, 1990) Loại đất nào có khả năng chuyển vận tốt nước trong đất sẽ ảnh hưởng tích cực đến cây trồng vì nhờ khả năng này mà hệ thống rễ cây trồng có thể huy động được nước trong đất. Tuy nhiên chúng cũng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực do bốc hơi. Chính vì vậy cần có những biện pháp thích ứng chống bốc hơi cho đất, đặc biệt vào mùa khô. 4.5. TÍNH THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT 4.5.1. Khái niệm Tính thấm nước của đất là quá trình đất tiếp nhận nước và để cho nước vận chuyển tự do trong đất. Đây là một tính chất quan trọng cửa đất có liên quan đến hàng loạt các tính chất khác nhau của đất. Tính thấm nước của đất giúp phân phối lại chất dinh dưỡng trong đất đồng thời rửa trôi các chất độc hại xuống sâu. Tuy nhiên đó cũng chính là quá trình rửa trôi các chất dinh dưỡng xuống tầng sâu đặc biệt là các chất khoáng dễ tan, linh - + + động như NO3 , K , Na Quá trình thấm nước trong đất giúp cho quá trình trao đổi khí giữa không khí đất và không khí khí quyển diễn ra một cách thuận lợi. Như ta đã biết nước và không khí được chứa chung trong các khe hở của đất, khi thấm, nước dần dần chiếm hoàn toàn chỗ của không khí trong các khe hở và đẩy không khí ra ngoài khí quyển. Tuy nhiên, nước không tồn tại lâu ở trong đất mà di chuyển nhanh xuống nước ngầm trả lại chỗ cho không khí từ khí quyển di chuyển vào. Quá trình này làm thay đổi cơ bản thành 65
23. phần không khí đất theo hướng tăng nồng độ oxy và giảm nồng độ CO2 song song với quá trình này, nước còn hoà tan và vận chuyển một lượng không khí nhất định vào đất. Tính thấm nước của đất có những đặc điểm sau đây: - Độ thấm của đất thường giảm theo thời gian. Nguyên nhân của sự thay đổi giảm dần này là do tính trương của đất, đồng thời do hiện tượng ma sát của nước tăng dần, lúc đầu thì ma sát với đất, sau đó là ma sát với những màng nước bao bọc xung quanh hạt đất. Đôi khi có hiện tượng không tuân theo "quy luật độ thấm giảm dần theo thời gian", có nghĩa là ở một thời điểm nào đó đi thấm đang giảm dần lại đột ngột tăng rồi sau đó lại giảm theo quy luật như cũ. Nguyên nhân được giải thích là do lớp không khí "ẩn" ở trong đất. khi lớp không khí "ẩn" này bị "tống đuổi" ra do nước lấn chiếm thì cường độ thấm ở thời điểm đó đột ngột tăng lên và tạo nên một đoạn đường cong lồi trên đồ thị nhưng cuối cùng cũng sẽ giảm dần theo thời gian. - Độ thấm của đất tự thay đổi rất nhanh, phụ thuộc vào trạng thái gồ ghề hay bằng phẳng của bề mặt thấm, hoặc trong đất có những hang hổng, những lối đi của giun và của các động vật đất, rễ cây mục, những khe nứt nẻ v.v Do vậy cùng một loại đất như nhau nhưng độ thấm sẽ thay đổi trong một phạm vi khá rộng và nước thấm trong đất sẽ không đồng đều. Về phương điện sản xuất nông nghiệp, độ thấm được đánh giá là tốt khi chúng biểu hiện một cách đồng đều trên đồng ruộng. Với trạng thái đồng đều như vậy, sau khi mưa toàn bộ cánh đồng sẽ được thấm như nhau. Khi tưới, dễ dàng tính lượng nước cần tưới theo những độ sâu cần thiết. Đánh giá độ thấm của đất theo bảng 4.2. 4.5.2. Nguyên lý tính thấm Quá trình thấm nước vào đất có thể chia thành 2 giai đoạn: + Giai đoạn I: Giai đoạn hút nước. Giai đoạn này do đất chưa bão hoà nước nên nước được hút bởi lực thẩm thấu, lực mao quản và trọng lực tới tận khi nước được chứa đầy trong các khe hở của đất. Bảng 4.2. Đánh giá độ thấm của đất Độ thấm (mm) ở giờ đầu nghiên cứu Đánh giá > 1000 Quá mạnh 1000 - 500 Quá cao 500 - 100 Tốt nhất 100 - 70 Tốt 70 - 30 Trung bình < 30 Không tốt (Nguồn: Trần Kông Tấu, 1990) + Giai đoạn II: Giai đoạn thấm nước qua đất. 66
24. Giai đoạn này nước di chuyển trong các khe hở lớn của đất theo hướng ít trên xuống dưới hoàn toàn do tác động của trọng lực. Lượng nước thấm vào đất được tính theo công thức của Darcy như sau: Trong đó: Q: Lượng nước thấm (lưu lượng), cm3; K: Hệ số thấm; S: Tiết diện thấm, cm2; T: Thời gian thấm, giây, phút, giờ hoặc ngày đêm; h: Độ chênh lệch (hiệu số) áp lực ở đầu trên và đầu dưới của cột thấm, có người gọi là chênh lệch đầu nước và ký hiệu là Δh; l: Chiều dài đoạn đường thấm, cm. Phương trình tốc độ thấm nước của đất dựa theo Định luật Darcy có thể được biểu thị như sau: Trong đó: V: Tốc độ thấm nước của đất (cm3 nước qua lcm2 trong 1 giây). K: Hệ số thấm. I: Độ chênh lệch áp lực thấm. Trong đó: h: Bề dày của lớp nước trên bề mặt đất a: Bề dày của lớp đất nước thấm qua Để phản ánh tốc độ thấm khác nhau do tác động của thành phần cơ giới, năm 1952, A.H. Cotchiakop đưa ra công thức: Trong đó, a dao động từ 1 đến 0,5 tuỳ thuộc vào thành phần cơ giới đất. 4.5.3. Yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ thấm nước của đất Thành phần cơ giới đất có ảnh hưởng rất rõ rệt tới tốc độ thấm nước của đất Với 67
25. đất cát có nhiều khe hở lớn nên nước thấm nhanh, thấm nhiều hơn so với đất sét. Ngoài ra với đất sét tốc độ thấm còn bị giảm nhanh do khi gặp nước sét trương ra lấp kín khe hở trong đất. Kết cấu đất ảnh hưởng không những tới tốc độ thấm tại một thời điểm mà còn có tác dụng duy trì tốc độ thấm trong cả một quá trình. Với đất có kết cấu tết, độ bền của hạt kết cao thì nước thấm nhanh và duy trì được tốc độ thấm. Ngược lại với đất có kết cấu kém, độ bền kém khi mưa hay tưới kết cấu đất bị phá vỡ, các hạt cơ giới sẽ lấp đầy các khe hở trong đất làm cho tốc độ thấm giảm rõ rệt. Ngoài ra thành phần keo đất và chuồn hấp phụ trên bề mặt keo cũng có liên quan tới tốc độ thấm nước của đất. Các loại keo sét khác nhau có tính trương co khác nhau. Đất chứa các loại keo có độ trương co lớn như keo monmorilonit thì tốc độ thấm chậm và giảm nhanh hơn so với đất chứa keo kaolinit. Đất chứa nhiều can xi có tốc độ thấm lớn hơn so với đất chứa nhiều natri. Tốc độ thấm phụ thuộc vào nhiệt độ. Hệ số thấm phụ thuộc vào tính chất của đất, đồng thời phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng (nước) - tức là độ nhớt của chúng, mà độ nhớt trước hết phụ thuộc vào nhiệt độ và mức độ khoáng hoá. Khi nhiệt độ giảm thì độ nhớt sẽ tăng và như vậy sẽ làm giảm tốc độ thấm và ngược lại. Xác định tính thấm của đất trong điều kiện nhiệt độ thay đổi thì không thể so sánh được, do vậy được quy về điều kiện tiêu chuẩn ở toác bằng cách tính hệ số thấm với việc sử dụng "hệ số điều chỉnh nhiệt độ" của Hazen: 0,7 + 0,03t. Hệ số thấm theo nhiệt độ điều chỉnh được tính theo công thức: Trong đó: K10 - hệ số thấm ở điều kiện toạc. Kt - hệ số thấm ở điều kiện nhiệt độ với thời điểm xác định; t - nhiệt độ nước sử dụng khi xác định. 4.6.KHẢ NĂNG BỐC HƠI NƯỚC CỦA ĐẤT VÀ CỦA THỰC VẬT Nước thâm nhập vào đất (do tưới, do mưa hoặc bằng các con đường khác), một phần di chuyển xuống các tầng dưới, một phần được giữ lại, một phần tiêu hao trong quá trình bốc hơi được chia thành bốc hơi lý học (còn gọi là bốc hơi khoảng trống, bốc hơi từ bề mặt đất) và bốc hơi sinh học (còn gọi là thoát hơi hoặc bốc hơi mặt lá). Bốc hơi lý học cộng với bốc hơi sinh học gọi là bốc hơi tổng số. 4.6.1. Bốc hơi lý học Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi nước bao gồm: - Tốc độ gió: Gió càng mạnh thì bốc hơi càng mạnh và ngược lại. 68
26. - Sự gồ ghề của mặt đất: Càng gồ ghề càng bốc hơi mạnh. - Hướng dốc : Tuỳ theo hướng mà tốc độ đất nóng sẽ khác nhau: Phía Nam > Tây > Đông > Bắc. Quy luật này gây nên sự giảm cường độ ảnh hưởng mặt trời cũng như do ảnh hưởng của gió. Hướng dốc phía Nam ấm, phía Bắc lạnh, phía Tây khô, phía Đông ẩm. - Màu sắc của đất ảnh hưởng đến cường độ hấp phụ nhiệt và cường độ bốc hơi nước. Cường độ phản xạ của mặt đất theo thứ tự. Trắng > vàng > đỏ > xanh > đen Sự đốt nóng của đất và khả năng bốc hơi của chúng tăng dần theo xu hướng ngược lại. 4.6.2. Bốc hơi sinh học Chúng ta biết rằng một trong những yếu tố cơ bản của đời sống cây trồng là nước. Nước cần thiết để cấu tạo cơ thể thực vật, nhưng nước trực tiếp để thực hiện chức năng trên hao tổn với một lượng không lớn lắm (chỉ khoảng 2% so với tổng lượng nước hao phí). Khối lượng nước chủ yếu (98%) mà thực vật tiêu dùng là qua sự thoát hơi nước. Nước lấy từ hệ thống rễ, di chuyển trong cây rồi thoát hơi qua lá. Việc thoát hơi nước là cần thiết để điều hoà nhiệt độ cho thực vật Nghiên cứu quá trình thoát hơi, nhiều tác giả đề nghị sử dụng phương trình Danton: Trong đó : V: Lượng thoát hơi nước (cm3/diện tích/ngày) k: Hệ số khuếch tán e:Áp lực hơi nước bão hoà trong khoảng không gian xung quanh bề mặt bốc hơi ở nhiệt độ đã cho f: áp lực hơi nước ở môi trường xung quanh P: áp lực không khí S: Diện tích của bề mặt bốc hơi. Đôi khi được nhân thêm vào công thức ảnh hưởng của tốc độ gió. Nếu công thức của Danton phù hợp với lý luận về hiện tượng bốc hơi thì sự thoát hơi nước (bốc hơi sinh học) phải tỷ lệ thuận với diện tích mặt lá.Vấn đề này nhiều tác giả cũng nhất trí và khẳng định thêm rằng nhu cầu nước đối với cây trồng cần phải song song với sự phát triển bề mặt lá. Thí nghiệm ở cây ăn quả (cây mận) F. Vimaer cũng tìm thấy sự liên quan thuận giữa lượng nước thoát hơi với diện tích lá. Tuy nhiên 69
27. không phải tác giả nào cũng đều thống nhất với những kết luận trên. Vấn đề này A. M. Alpachiev viết như sau: Phủ nhận mối liên quan giữa lượng thoát hơi nước với bề mặt thoát hơi của thực vật là sai lầm. Như vậy sẽ mâu thuẫn với nhiều thí nghiệm đã thu được trong phòng thí nghiệm cũng như ngoài đồng ruộng. Ngược lại, nếu công nhận theo tỉ lệ như vừa nêu, theo Alpachiev cũng sai lầm vì bề mặt lá càng lớn thì lá bị nung đốt càng ít và tính ra trên một đơn vị diện tích càng ít hơn. Quy luật sinh học tương đối tổng quát về khả năng thoát hơi nước đối với cây trồng một năm, cho rằng ở giai đoạn ra hoa thực vật đòi hỏi một lượng nước lớn nhất. Một trong những đặc trưng về nhu cầu nước đối với cây trồng là hệ số thoát hơi, tức là tỉ sô giữa lượng nước do thực vật thoát ra với tổng lượng của chất khô tạo nên Nói một cách khác, hệ số thoát hơi nước là số lượng nước (tính bằng trọng lượng) mà thực vật tổn phí để tạo ra một đơn vị chất khô. Cây trồng khác nhau, thậm chí cùng một loại nhưng giống khác nhau, hệ số thoát hơi nước của chúng cũng khác nhau (Bảng 4.3). Sử dụng hệ số thoát hơi sẽ gặp một số nhược điểm, ví dụ không xác định được ảnh hưởng của mật độ gieo trồng, chưa tính đến hiệu quả của phần sản phẩm thu hoạch. Do vậy gần đây khi tính toán nhu cầu nước đối với cây trồng thường dùng hệ số nhu cầu nước. Hệ số nhu cầu nước (còn gọi là hệ số cần nước) là tổng lượng nước đã tổn phí (bao gồm cả bốc hơi sinh học và bốc hơi lý học) trên một héc ta cây trồng để tạo ra một đơn vị sản lượng thu hoạch. Nhu cầu nước (lượng nước cần) biểu thị bằng m3!ha cho thời kỳ sinh trưởng, biểu thị lượng nước tổn phí để tạo nên 1 tấn (hoặc 1 tạ) sản phẩm sau thời kì sinh trưởng. 70
28. Bảng 4.3: Hệ số thoát hơi của những loại cây trồng khác nhau Cây trồng Hệ số thoát hơi K Theo dẫn liệu của Liên Xô(cũ) Theo dẫn liệu của Lúa mì 271( -ũ 639) 437M - ỹ559 Đại mạch 404 - 664 501 - 556 Yến mạch 432 - 876 559 - 622 Kê 277 - 367 628 - 341 Ngô 239 - 495 - Cao lương (lúa miến) 239 - 303 285 - 467 Lúa 395 - 811 - Cỏ ba lá (Trifolium) 330 - 731 789 - 805 Cỏ linh lăng (Medicago) 668 - 1.068 65 1 - 953 Bông 368 - 650 - Khoai tây 285 - 575 - Cải bắp 250 - 600 - Cà chua 500 - 650 - Cây ăn quả 250 - 500 - 4.6.3. Bốc hơi tổng số Bốc hơi tổng số bao gồm bốc hơi lý học và bốc hơi sinh học. Trên đồng ruộng nếu không có cây trồng thì quá trình xảy ra chủ yếu là quá trình bốc hơi lý học. Khi có cây trồng che phủ nhưng mới chỉ ở những giai đoạn đầu thì quá trình bốc hơi lý học vẫn chiếm ưu thế. Nhờ quá trình sinh trưởng, phát triển cây trồng dần dần che phủ mặt đất làm cho quá trình bốc hơi lý học giảm dần. Sở dĩ như vậy là do những nguyên nhân sau đây: Ban ngày mặt đất ít bị đốt nóng do được che phủ. - Cây trồng làm giảm tốc độ gió trên mặt ruộng - Độ ẩm tương đối không khí ở khu vực có cây trồng mọc cao hơn so với ở những khu vực đất trống. Trong suốt thời kỳ sinh trưởng, lượng bốc hơi lý học bằng khoảng 1/2 đến 1/3 lượng bốc hơi sinh học, trong suốt cả năm hai trị số này tương đương như nhau. Hệ số nhu cầu nước cũng như hệ số thoát hơi thay đổi phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh, phụ thuộc vào đặc trưng của thực vật, tính chất của đất, kỹ thuật canh tác, sản lượng thu hoạch Khả năng bốc hơi của đất là một trong những yếu tố vật lý đất và môi trường tác 71
29. động mạnh mẽ đến sự vận chuyển các nguyên tố dinh dưỡng khoáng hoặc các nguyên tố hoá học khác từ đất vào cây. 4.6.4. Tiềm năng bốc hơi lớn nhất Tiềm năng thoát hơi nước của cây (Potential Evapotransspiration, ký hiệu là PET) là lượng nước bốc hơi từ mặt thoáng tự do. Để xác định được lượng bốc hơi này người ta thường đặt 1 thùng bốc hơi có bán kính khoảng 40 cm, độ cao (độ sâu của thùng) khoảng 60 cm. Đổ đầy nước, mặt nước cách miệng thùng khoảng 10 - 15 cm, mực nước trong thùng được cố định nhờ một kim định vị. Một thùng đo mưa có kích thước tương tự được đặt ngay bên cạnh để theo dõi lượng mưa. Điều kiện môi trường xung quanh ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bốc hơi này: Nhiệt độ càng cao, không khí càng bị đất nóng thì lượng bốc hơi càng lớn. Ngược lại ẩm độ không khí càng cao thì khả năng bốc hơi càng ít. Phương trình Ivanov xác định tiềm năng bốc hơi lớn nhất như sau: Trong đó: PETth: Tiềm năng bốc hơi lớn nhất trong 1 tháng (mm); t: Nhiệt độ không khí trung bình tháng (00C); a: ẩm độ không khí trung bình tháng (%); 0,0018: Hệ số thực nghiệm Công thức tính tiềm năng thoát hơi nước của cây có thể được trình bày dưới dạng rút gọn sau: Trong đó: PET: Tiềm năng thoát hơi nước của cây, k: Hệ số phù hợp cho mỗi loại cây trồng, ETo: ảnh hưởng của bức xạ nhiệt mặt trời, tốc độ gió và áp suất khí quyển. PET phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên đặc thù của mỗi vùng. Ví dụ PET của cây ngũ cốc tại tỉnh Saskatchewan, Canada là 50 cm/năm, đối với đồng cỏ chăn nuôi PET là 70 cm/năm. Đối với Việt Nam, tiềm năng thoát hơi nước PET lớn nhất là các tỉnh Nam Trung bộ trở vào vì đây là khu vực gần đường xích đạo có nhiệt độ bình quân cao nhất làm cho lượng bốc hơi đạt trị số cao nhất. Ngược lại, các khu vực phía Bắc, đặc biệt là vùng núi cao như Sa Pa và Tam Đảo - nơi có nhiệt độ không khí thấp, ẩm độ không 72
30. khí cao làm cho lượng thoát hơi nước PET có trị số nhỏ nhất. Hiệu quả sử dụng nước trong đất của cây trồng: Khi ẩm độ đất thấp, sự thoát hơi nước thực tế của cây AET (actual evapotranspiration) thường thấp hơn so với PET, kết quả là năng suất cây trồng thường giảm so với năng suất tiềm tàng theo tỷ lệ chênh lệch thực tế giữa AET/PET: Năng suất = k x Năng suất tiềm tàng x (AET/PET) Trong đó: k- hệ số cho mỗi loại cây trồng, PET- tiềm năng thoát hơi nước của cây (Potential Evapotransspiration), AET- sự thoát hơi nước thực tế của cây (actual evapotranspiration). Hiệu quả sử dụng nước của cây trồng WUE (water use efficiency) thường phụ thuộc vào số lượng chất khô mà cây trồng tạo ra trên 1 đơn vị nước mà cây đã sử dụng (ví dụ: kg hạt/ha/cm nước sử dụng). Công thức tính WUE có thể được cụ thể hoá như sau: WUE = Năng suất chất khô / tổng lượng nước đã tiêu tốn WUE thường được tính toán theo tổng số chất khô được tạo ra (hoặc sản lượng thu hoạch) chia cho lượng nước được cung cấp trong cả quá trình sinh trưởng của cây. WUE phụ thuộc vào loại cây trồng, đất đai, địa hình, điều kiện thời tiết và chế độ canh tác. Bảng 4.5. Hiệu quả sử dụng nước của lúa mì mùa xuân tại Swift Current, Canada (Dễ long, 1997) Phương thức canh tác Năng suất (kg/ha) WUE (kg lúa/ha/cm nước tiêu tốn) Trồng lúa mì trên đất bỏ hóa 1.899 69 Trồng lúa mì liên tục 1.355 57 4.7. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐÁNH GIÁ TÍNH GIỮ NƯỚC VÀ ĐỘ ẨM ĐẤT Độ trữ ẩm (sức chứa nước) thể hiện khả năng giữ (chứa) nước của đất. Độ trữ ẩm là một hằng số nước, còn độ ẩm là một biến số. Trị số này phụ thuộc vào thời tiết, thời gian. Độ trữ ẩm thể hiện khả năng của đất có thể hút nước, thấm nước đồng thời giữ lại nước trong đất. Các loại đất khác nhau về thành phần cơ giới, số lượng và chủng loại keo, hàm lượng mùn, kết cấu đất sẽ giữ được lượng nước trong đất khác nhau. Thường đất giàu mùn, đất có hàm lượng sét cao, có kết cấu tết thì khả năng giữ nước tốt và ngược lại. Để biểu thị lượng nước được giữ lại trong đất, người ta dùng khái niệm về độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. 73
31. Tính giữ nước là một đặc trưng quan trọng, nó đặc trưng cho từng loại đất đất có giữ nước tốt cây mới được cung cấp nước đầy đủ và thường xuyên. Đất giữ nước bằng nhiều lực như: Lực hấp thụ, mao quản. Các đại lượng đánh giá ẩm độ đất thường sử dụng bao gồm: 4.7.1. Độ ẩm mao quản Là lượng nước được giữ trong khe hở mao quản, phụ thuộc vào chiều dày độ chặt của lớp đất và độ sâu mực nước ngầm. Nước ngầm càng nông thì lượng nước mao quản càng lớn. 4.7.2. Độ ẩm bão hoà (ẩm độ toàn phần) Là độ ẩm đạt được ở thời gian tưới hay mưa to. ở độ ẩm này, nước chứa đầy trong các khe hở của đất, kể cả khe hở mao quản và khe hở phi mao quản, lúc này bắt đầu xuất hiện nước trọng lực (còn gọi là độ trữ ẩm cực đại). Đây là trạng thái ẩm không có lợi cho cây và vi sinh vật đất do đất ở trong tình trạng yếm khí hoàn toàn. Tuy nhiên ở các loại đất cạn có mực nước ngầm ở sâu thì độ ẩm đồng ruộng lớn nhất không tồn tại lâu do nước trong các khe hở lớn sẽ di chuyển nhanh xuống dưới sâu do tác động của trọng lực. Bảng 4.6: Đánh giá độ ẩm cực đại của đất (theo Katrinski) Đất có thành phần cơ giới nặng Đất có thành phần cơ giới nhẹ Độ trữ ẩm (% so Đánh giá với đất khô 40 - 50 Tốt nhất Đất cát pha (đất trồng trọt) ở tầng đất cày có 30 - 40 Tốt độ trữ âm cực đại từ 20 trên 25% được coi la 25 - 30 Trung bình tốt hoặc rất tốt < 25 Không đạt yêu cầu Đối với cây trồng thích nghi ở đất cát, độ trữ (đối với tầng canh ẩm không được nhỏ hơn 10%. tác) Đối với cây rừng thích nghi ở đất cát, độ trữ ẩm cực đại không được nhỏ hơn 3 - 5% 4.7.3. Độ ẩm tuyệt đối Là lượng nước được biểu thị bằng đơn vị phần trăm (%) so với trọng lượng đất khô kiệt hay thể tích nước so với thể tích đất và được tính theo công thức: Trong đó : At: độ ẩm tuyệt đối tính theo trọng lượng 74
32. Wn: trọng lượng nước trong đất Wd: trọng lượng đất khô kiệt. Độ ẩm tuyệt đối tính theo thể tích theo công thức: Trong đó: Av: độ ẩm tuyệt đối tính theo thể tích At: độ ẩm tuyệt đối tính theo trọng lượng d: dung trọng đất Độ ẩm tuyệt đối là cơ sở để tính toán số liệu phân tích lượng nước trong đất khối lượng nước cần tưới và cả độ ẩm tương đối. 4.7.4. Độ ẩm tương đối Là tỉ lệ tính theo đơn vị phần trăm giữa lượng nước trong đất so với độ ẩm toàn phần (là độ ẩm khi đất no nước - nước chứa đầy trong toàn bộ các khe hở của đất - bão hoà nước). Độ ẩm tương đối được tính theo công thức sau: Độ ẩm tương đối được các nhà nông học sử dụng rất rộng rãi. Khi dùng độ ẩm tương đối không những cho ta biết được về tình trạng chế độ nước mà còn cho ta biết cả tình trạng yếm khí hay hảo khí của đất. Thể tích không khí đất được tính thông qua độ ẩm tương đối như sau: Thường khi cùng độ ẩm tuyệt đối thì độ ẩm tương đối ở đất cát lớn hơn độ ẩm tương đối ở đất sét và độ ẩm tương đối ở đất không có kết cấu lớn hơn ở đất có kết cấu. Tính giữ nước hay sức giữ ẩm phụ thuộc vào thành phần cơ giới, tỷ lệ mùn. Đất sét giữ nước tốt hơn đất cát. Đất giàu mùn giữ nước tết hơn đất nghèo mùn. 4.7.5. Độ ẩm cây héo Ở một độ ẩm thấp nào đó cây không hút đủ nước theo nhu cầu sinh trưởng và bắt đầu bị héo. Trong nhiều trường hợp nước trong đất được giữ với những lực nhất định. 75
33. Cây muốn hút được nước cần tạo lực (Fl) để thắng lực giữ nước của đất (F2) Fl >F2 : cây hút được nước. Fl < F2 : cây không hút được nước (có thể bị mất nước) Độ ẩm cây héo bao gồm 2 dạng sau : Độ ẩm cây héo tạm thời: Là giai đoạn cây bắt đầu héo nhưng cây có thể phục hồi về ban đêm hoặc khi được tưới. - Độ ẩm cây héo vĩnh cửu: Là giới hạn về nước khi đó cây héo và không thể phục hồi khi được cung cấp nước. Độ ẩm cây héo phụ thuộc vào lực giữ nước của đất. Lực giữ nước này phụ thuộc vào thành phần cớ giới đất. Bình thường lực giữ nước có thể đạt 16kg/cm2. Đất cát lượng nước ở độ ẩm cây héo thường là 4 - 5 gương đất, ở đất thịt là 13 - 15 g và đất mùn là 50g/100g đất. Với đất có hàm lượng sét cao, chủ yếu keo monmorilonit sức giữ nước lớn, độ ẩm cây héo rất cao có thể tới 15 – 20 %. Trong khi đó với đất cát, độ ẩm cây héo chỉ khoảng 5 - 8 %. Các loại cây trồng có sức hút nước tốt, thoát nước mặt lá ít thì có độ ẩm cây héo nhỏ và ngược lại. 4.7.5. Độ ẩm đồng ruộng (khả năng chứa ẩm đồng ruộng) Là độ ẩm được hình thành sau khi độ ẩm đồng ruộng cao nhất đã mất lượng nước trong các khe hở lớn qua nước trọng lực, thường khoảng 2 - 3 ngày sau mưa hoặc tưới đẫm. Như vậy ở độ ẩm đồng ruộng, các khe hở lớn không còn chứa nước mà chứa không khí đất. Nước được chứa trong các khe hở mao quản (khe hở nhỏ) tất nhiên lúc này vẫn còn rất ít do sự di chuyển của nước trong khe hở mao quản được điều khiển bởi sức hút mao quản. Đây là độ ẩm phù hợp nhất cho cây, ở độ ẩm này cây hút nước một cách dễ dàng đồng thời đất cũng có một lượng không khí phù hợp cho cây và vi sinh vật đất. Độ ẩm đồng ruộng được coi là giới hạn trên của lượng nước hữu hiệu. 4.7.6. Lượng nước hữu hiệu cây trồng Lượng nước hữu hiệu là lượng nước trong đất mà cây trồng có thể sử dụng được Là hiệu số của lượng nước ở độ ẩm đồng ruộng và lượng nước ở độ ẩm cây héo. Được tính theo công thức sau : Trong nhiều tài liệu độ ẩm cây héo thể hiện ở công thức trên được tính theo ẩm độ cây héo vĩnh cửu (Dồn Scott, 2000). Để đánh giá khả năng giữ ẩm của đất và xác định được tiềm năng dự trữ lượng nước hữu hiệu đối với cây trồng cho mỗi loại đất, công thức trên có thể được diễn đạt 76
34. như sau: Trong đó: PAWC (plant available water capacity): Tiềm năng nước có thể sử dụng được bởi cây trồng FC (field capacity): Khả năng chứa ẩm đồng ruộng PWP (permanent wilting point): Độ ẩm cây héo vĩnh cửu. Xác định các thông số trên trong phòng thí nghiệm thường sử đụng áp suất để đẩy nước ra khỏi đất đến khi đạt trị số về ẩm độ tương ứng. Các mẫu đất bão hòa nước được đặt trong các bình áp suất, tăng dần áp suất không khí trong bình Để đẩy nước ra khỏi đất. Thông thường khả năng chứa ẩm đồng ruộng của đất (field capacity) có thể xác định ở mức áp suất là 0,033 Mpa. Độ ẩm cây héo (pennanent wilting point) xác định được ở áp suất là 1 ,5 Mpa. Tuy nhiên các giá trị ẩm độ xác định trên đây chỉ mang tính chất tương đối Khả năng sử dụng nước của cây còn phụ thuộc vào từng loại cây và tính chất đất. Cây chịu hạn có bộ rễ ăn sâu có khả năng sử dụng nước cao. PAWC ở đất cát thấp hơn so với đất thịt và đất sét (Dồn Scott, 2000). Lượng nước hữu hiệu có thể được thể hiện bằng đơn vị đo chiều cao cột nước!bề dày tầng đất lem nước/cm đất), hoặc có thể đo bằng khối lượng nước/ khối lượng đất (g/g). Lượng nước hữu hiệu có quan hệ chặt chẽ với thành phần cơ giới đất (Đồ thị 4.2). Từ đồ thị 4.2 cho thấy, với đất cất, cả độ ẩm đồng ruộng và độ ẩm cây héo đều nhỏ, độ chênh lệch giữa hai giá trị này không lớn nên lượng nước hữu hiệu trong đất không đáng kể. Với đất sét thì độ ẩm đồng ruộng lớn, tuy nhiên do hàm lượng sét cao, sức giữ nước lớn nên độ ẩm cây héo cao, kết quả là lượng nước hữu hiệu cũng không cao. Đất có lượng nước hữu hiệu cao hơn cả là đất thịt. Ẩm độ (%) 77
35. Các hằng số nước của một số loại đất chính ở Việt Nam được thể hiện ở bảng 4.7. Số liệu ở bảng 4.7 cho thấy đất có thành phần cơ giới nặng thì sức giữ nước lớn. Theo thứ tự từ lớn đến nhỏ về sức giữ nước có thể xếp: Ferralsols > Acrisols (trên gnai) > Acrisols (trên phù sa cổ) Với đất Ferralsols có sức chứa ẩm đồng ruộng lớn nhưng độ ẩm cây héo cao nên lượng nước hữu hiệu thấp. Đặc biệt là đất Acrisols trên đá vôi có lượng nước hữu hiệu thấp nhất. Ngược lại đất Fluvisols có sức chứa ẩm không lớn nhưng độ ẩm cây héo nhỏ nên lượng nước hữu hiệu đạt giá trị cao nhất. 4.8. CÂN BẰNG NƯỚC TRONG ĐẤT Cân bằng nước trong đất biểu hiện chế độ nước của nó về mặt số lượng. Nó phụ thuộc vào lượng nước đến và đi khỏi đất trong một giai đoạn. Cân bàng đó được biểu diễn bằng phương trình sau: Trong đó : Wo: Độ ẩm đất lúc bắt đầu nghiên cứu G: Lượng nước giáng thuỷ (mưa) Sĩ : Lượng nước ngầm từ nơi khác chảy đến Ni: Lượng nước vào đất từ mạch nước ngầm qua mao quản Ng: Lượng nước ngưng tụ từ hơi nước Dm1 : Lượng nước do dòng chảy bề mặt từ nơi khác đến Bvl: Lượng nước bay hơi vật lý Bsv: Lượng nước bay hơi sinh vật (cây hút nước từ đất rồi nhả vào không khí) N2: Lượng nước thấm từ trên xuống mạch nước ngầm Dm2: Lượng nước mất đi do dòng chảy bề mặt S2: Lượng nước mất đi do dòng chảy ngang trong lòng đất Wc : Độ ẩm đất cuối thời kỳ nghiên cứu. Bảng 4.7: Những hằng số nước của các loại đất chính ở Việt Nam (theo Tôn Thất Chiểu và cộng sự - 1996) 78
36. Lượng nước vào đất và đi khỏi đất bằng nhau thì cân bằng được giữ vững. Cân bằng này có tính chu kỳ theo năm. Nghĩa là nếu chu kỳ nghiên cứu đúng 1 năm thì đường A1 = A2 Trong cùng dạng tiểu địa hình thì S1 = S2 Lượng nước ngưng tụ từ hơi nước quá bé so với những loại khác nên Nó được bỏ qua. Từ đó, phương trình cân bằng nước trên đây có thể rút gọn lại như sau: Cân bằng nó có thể được áp dụng cho từng tầng đất riêng biệt hoặc cho cả phẫu diện đất. Đơn vị của nó thường là milimet hoặc m3/ha tham hoặc 1mm hoặc là 10m3/ha). Lượng nước dự trữ của tầng phát sinh có thể được tính bằng công thức: 79
37. Trong đó: W: Lượng nước dự trữ (m3/ha) a: Độ ẩm (% trọng lượng) d: Dung trọng đất (g/cm3) H: Chiều dày tầng đất (cm) Trữ lượng nước trong đất phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa hình, thực vật, tính chất đất . . . Nói chung nó phụ thuộc vào nguồn nước đến và nguồn nước mất đi khỏi đất Căn cứ vác đó, người ta chia thành các chế độ nước khác nhau. G - Lượng nước giáng thuỷ, ở Việt Nam chủ yếu do mưa 4.9. CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT CẢI THIỆN CHẾ ĐỘ NƯỚC Trên cơ sở nghiên cứu về các tính chất của nước trong đất và đặc điểm của chế độ nước từng vùng cần đề ra các biện pháp kỹ thuật nông học phù hợp sao cho hạn chế được tác hại của hạn hán, ngập úng, giữ và điều hoà được chế độ nước trong đất để đạt được lượng nước hữu hiệu cao nhất. 4.9.1. Các biện pháp canh tác Bố trí cơ cấu cây trồng hợp lý, là cơ cấu cây trồng phù hợp với chế độ nước từng vùng như bố trí các loại cây lâm nghiệp, cây ăn quả, cây công nghiệp có bộ rễ ăn sâu, chịu hạn tết trên các vùng đồi núi, đất khô hạn ít có khả năng xây dựng các công trình thuỷ lợi. Chọn tạo cơ cấu giống cây chịu hạn như tập đoàn giống lúa, ngô, đỗ tương 80
38. chống chịu hạn cho các vùng đất có khả năng tưới tiêu không thuận lợi và cơ cấu giống lúa chịu úng cho các vùng ngập úng thường xuyên. . . Bố trí lịch gieo trồng cho các loại cây trồng sao cho giảm tối đa ảnh hưởng của úng lụt hay hạn tới sự sinh trưởng và năng suất của cây. 4.9.2. Các biện pháp điều tiết chế độ nước trong đất Điều tiết chế độ nước chính là quá trình tưới và giữ ẩm cho các vùng đất khô hạn và thoát nước cho các vùng ngập úng. Để làm tăng lượng nước hữu hiệu cho các vùng đất cạn cần tìm cách giúp cho quá trình thấm nước nhanh và nhiều khi mưa hoặc tưới sau đó giữ thiếc trong cả phẫu diện đất, hạn chế lượng nước bốc hơi bề mặt là những biện phút chủ đạo. Áp dụng các biện pháp nông lâm kết hợp, trồng xen, trồng gối, cải thiện kết cấu đất, canh tác như tăng cường bón phân hữu cơ và vôi, che phủ mặt đất bằng các loại cây trồng hay tủ cho đất bằng rơm rạ, cỏ khô, xây dựng các hồ chứa nước nhỏ, đặc biệt là ở vùng núi, các biện pháp kỹ thuật về thuỷ lợi bảo vệ đất v.v . Đó là những biện pháp kỹ thuật được chứng minh là rất có hiệu quả trong việc làm tăng tính thấm nước cho đất. Hạn chế bốc hơi nước bằng các biện pháp che phủ mặt đất, xới đất sau khi mưa hoặc tưới để cắt đứt mao quản dẫn nước lên bề mặt, trồng rừng và đai rừng để hạn chế tốc độ gió Câu hỏi ôn tập: 1. Nêu vị trí và vai trò của nước trong đất? 2. Tại sao nước tại bị hấp phụ vào các phần tử đất và dâng tên trong mao quản? 3. Trình bày các dạng nước trong đất? 4. Nêu tính thấm nước của đất? 5. Khả năng bốc hơi nước của đất và của thực vật ? 6. Trình bày cân bằng nước trong đất? 7. Trình bày các đại lượng đánh giá ẩm độ của đất? 8. Trình bày các biện pháp kỹ thuật với chê độ nước trong đất? 81
39. Chương 5 KHÔNG KHÍ TRONG ĐẤT Chế độ không khí đất có vai trò quan trọng trong độ phì nhiêu của đất. Rễ cây hút oxy và giải phóng ra khí cacbonnic qua quá trình hô hấp. Hầu hết các loại thực vật (trừ một số cây đặc biệt như lúa nước) quá trình vận chuyển oxy qua thân lá xuống rễ không đáp ứng được nhu cầu oxy của rễ. Do vậy quá trình trao đổi giữa không khí ngoài khí quyển với không khí đất nhằm đáp ứng nhu cầu oxy của rễ là rất quan trọng. Ngoài ra vi sinh vật đất cũng có quá trình hô hấp, hấp thụ oxy và giải phóng ra cacbonnic nên trong điều kiện đất thiếu oxy thì quá trình tranh chấp oxy giữa rễ cây và vi sinh vật diễn ra rất mãnh liệt. Chính vì vậy, chế độ không khí đất ảnh hưởng không những tới khả năng sinh trưởng và phát triển của cây mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới quần thể vi sinh vật trong đất, tới tốc độ các phản ứng sinh học và hóa sinh trong đất. 5.1. VỊ TRÍ VÀ VAI TRÒ CỦA KHÔNG KHÍ TRONG ĐẤT Không khí trong đất nằm chủ yếu trong các khe hở của đất (ở các khe sở mao quản và phi mao quản khi không có nước). Không khí là một thành phần không thể thiếu trong đất (Hình 5.1). Thể tích không khí trong đất được thể hiện qua công thức sau Trong đó: Va: Thể tích không khí đất (%) p: Độ xốp đất (%) Vn: Thể tích nước trong đất (%) Bởi thể tích không khí trong đất phụ thuộc rất nhiều vào thể tích nước trong đất 82
40. chính vì vậy các chỉ số về độ trữ khí của đất thường được xác định và mô tả kèm theo những chỉ số về chế độ nước. Thường người ta đo đếm độ trữ khí của đất ở độ ẩm đồng ruộng bé nhất (Field capacity) - độ ẩm mà tại đó nước ở các khe hở phi mao quản đã thoát hết. Độ trữ khí đo được tại độ ẩm đồng ruộng bé nhất được gọi là độ trữ khí đồng ruộng (Field-air capacity). Độ trữ khí đồng ruộng được xác định là phần trăm thể tích không khí trong đất tại độ ẩm đồng ruộng bé nhất. Độ trữ khí trước tiên phụ thuộc chặt chẽ vào thành phần cơ giới đất. Trị số này thường lớn hơn 25% với đất cát, 15 - 20% với đất thịt và nhỏ hơn 10% với đất sét Độ trữ khí của đất với cùng một thành phần cơ giới thay đổi rất nhiều khi có sự thay đổi về kết cấu đất. Khi đất có kết cấu tốt, đặc biệt là kết cấu viên với đường kính lớn hơn 5 tâm thì đất có lượng khe hở phi mao quản nhiều và những khe hở này thoát nước nhanh để lại lượng khe hở chứa không khí nhiều sau khi mưa hoặc tưới. Với những loại đất có kết cấu tốt độ trữ khí đồng ruộng có thể đạt 20 - 30% dù là đất sét. Ngược lại khi kết cấu bị phá vỡ, nhiều khe hở mao quản sẽ biến mất, đất bị bí chặt và độ thoáng khí đồng ruộng nhỏ (nhỏ hơn 5% với đất sét) Hầu hết các quá trình sinh học trong đất đều cần và tiêu hao một lượng oxy trong đất đồng thời giải phóng ra khí cácbonic. Có thể xem xét 2 quá trình sinh học quan trọng nhất xảy ra trong đất, đó là hô hấp của thực vật và phân giải xác hữu cơ trong đất bởi vi sinh vật. Hai quá trình này có nhiều khía cạnh khác nhau nhưng có chung một cơ chế là oxy hoá các hợp chất hữu cơ. Phương trình rút gọn của cả 2 quá trình có thể biểu diễn như sau: (Chất hữu cơ) Như vậy cả 2 quá trình đều tiêu thụ O2 Và giải phóng CO2 Nếu đất không có khả năng lưu thông không khí để bù đắp lại lượng O2 bị tiêu hao thường xuyên và hạ thấp sự tích luỹ CO2 trong đất thì sẽ kìm hãm sự phát triển của thực vật và vi sinh vật. Không khí đất đóng vai trò quan trọng đối với sinh vật: Thành phần không khí đất có ảnh hưởng lớn tới sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng đặc biệt là hoạt động của bộ rễ. Các loại cây trồng khác nhau có yêu cầu khác nhau về không khí đất cho hoạt động sinh học bình thường của bộ rễ cây. Như ngô, đậu đỗ cần độ thoáng khí cao. Ngay đối với một loại cây trồng thì nhu cầu về lượng không khí đất cũng khác nhau tuỳ theo giai đoạn sinh trưởng và sự phát triển của cây. Khi nghiên cứu về quan hệ giữa sự phát triển của rễ táo và điều kiện không khí đất, Boynton (1938) đã công bố, để có thể tồn tại rễ táo cần 3 % oxy trong không khí đất, rễ phát triển bình thường cần 5 - 10 %. Trong khi đó để có thể tạo ra rễ mới thì lượng oxy trong không khí đất phải đạt được 12 % . Mặc dù kết quả nghiên cứu về không khí đất có nhiều điểm chưa thống nhất 83
41. nhưng hầu hết các tác giả đều nhận thấy rằng khi nồng độ oxy trong không khí đất nhỏ hơn 10% sẽ ảnh hưởng xấu tới sinh trưởng và phát triển của hầu hết các loại cây trồng. Khi thiếu oxy thì quá trình hút nước và dinh dưỡng của cây bị giảm nghiêm trọng (Bảng 5.) Sự giảm đáng kể lượng nước và dinh dưỡng mà cây hút được khi thiếu oxy có thể lý giải ở 3 lý do sau: Thiếu oxy sẽ kìm hãm quá trình hô hấp giải phóng năng lượng cũng như các con + - dùng để trao đổi trên bề mặt rễ như H , HCO3 Do vậy thiếu năng lượng cần thiết cho quá trình hút nước và dinh dưỡng. - Thiếu oxy tạo ra môi trường khử kìm hãm hoạt động của vi sinh vật. Quá trình khoáng hoá chất hữu cơ bị kìm hãm, làm giảm lượng chất dễ tiêu cung cấp cho cây. Đồng thời chất hữu cơ được phân giải theo con đường yếm khí sẽ tạo ra các chất độc như H2S, CH4, rượu ảnh hưởng tới hoạt động sinh lý của bộ rễ. - Nồng độ oxy trong đất cũng ảnh hưởng đến dạng tồn tại của các chất. Thiếu oxy, các chất dinh dưỡng tồn tại ở dạng khử có thể độc với cây. Bảng 5.1 : Hàm lượng oxy trong đất ảnh hường tới năng suất bông và lượng hấp thụ N, P, K của cây (Theo Meek và cộng sự, 1980) Hàm lượng 02 Năng suất Tổng dinh dưỡng / 5 cây(mg) trong đất (%) (g/cây) N P K 1,6 57 724 85 1.091 8,3 108 1.414 120 2.069 13,2 157 2.292 156 3.174 Cũng như các loại thực vật, vi sinh vật trong đất cũng có quá trình hô hấp sử dụng oxy và thải ra cacbonnic. Do vậy trong điều kiện thiếu oxy trong đất sẽ dẫn tới sự cạnh tranh gay gắt oxy giữa vi sinh vất đất với bộ rễ của cây trồng. Chế độ không khí đất sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới số lượng và thành phần vi sinh vật đất Với các loại đất có kết cấu tơi xốp thoáng khí số lượng vi sinh vật rất nhiều, cân đối giữa vi sinh vật hảo khí và yếm khí. Vi sinh vật hảo khí hoạt động thúc đẩy quá trình khoáng hoá chất hữu cơ cung cấp dinh dưỡng cho cây thuận lợi. Đồng thời vi sinh vật yếm khí xúc tiến quá trình tổng hợp mùn, nâng cao độ phì nhiêu của đất. Không khí đất đóng vai trò quan trọng đối với đất: Không khí trong đất tham gia vào quá trình hình thành đất và quá trình chuyển 84
42. hoá các chất trong đất. Đất thiếu không khí gây yếm khí và tích luỹ các hợp chất khử. Trong đất yếm khí quá trình phân giải chất hữu cơ chậm chạp. Trong đất háo khí quá trình chuyển hoá vật chất hữu cơ xảy ra mãnh liệt và nhiều khi lại làm cho tích luỹ mùn thấp Bảng 5.2 cho chúng ta thấy ở trạng thái đất thoáng hoặc yếm khí các chất tồn tại ở dạng khác nhau. Bảng 5.2: Dạng tồn tại của một số nguyên tố dinh dưỡng Nguyên tố Trong đất thoáng khí Trong đất ngập nước Cácbon CO2 CH4 - + Đam NO3 NH4 ,N2 2- 2- Lưu huỳnh SO4 N2S, S Sắt Fe3+ Fe2+ Ma ngan Mn4+ Mn2+ - - Trong điều kiện yếm khí quá trình phản đạm hoá (chuyển từ NO3 tới NO2 tới N2O tới N2). Kết quả của quá trình này là làm mất N của đất. Phương trình biểu diễn quá trình này như sau: Cũng tương tự như vậy sắt chuyển từ dạng hoá trị dương 3 sang hoá trị dương 2, ma ngan từ dương 4 sang dương 2 như sau: Các chất hữu cơ cũng bị phân giải trong điều kiện yếm khí tạo ra nhiều sản phẩm trung gian và rất nhiều sản phẩm trung gian này lại gây độc cho cây trồng và vi + sinh vật như H2S, CH4 C2H6 và một số loại axit như acetic, butyric. Ví dụ: 5.2. THÀNH PHÂN KHÔNG KHÍ ĐẤT Trong đất thông khí tết thì thành phần không khí đất tương đối giống với thành phần không khí của khí quyển bởi quá trình trao đổi ví giữa không khí đất và khí quyển xảy ra thuận lợi. Quá trình này giúp bổ sung lượng oxy thiếu hụt trong đất do quá trình hô hấp của rễ, vi sinh vật đồng thời giải phóng lượng cacbonnic sinh ra trong đất ra khí quyển. Chủng loại khí trong đất về cơ bản giống như chủng loại khí trong khí quyển sát mặt đất như N2, CO2, O2 nhưng khác nhau về phần trăm của mỗi loại khí. Nhiều nghiên cứu về không khí khí quyển cho thấy thành phần của các loại khí 85
43. trong khí quyển ít thay đổi theo địa phương và thời gian trong năm. Sự dao động về hàm lượng các loại khí chính là không đáng kể. Trái lại thành phần không khí đất luôn luôn biến đổi phụ thuộc vào mùa vụ, nhiệt độ và ẩm độ đất, độ sâu tầng đất, sinh trưởng của cây, hoạt động của vi sinh vật đất, và nhân tố tác động mạnh nhất là tốc độ trao đổi khí giữa không khí đất và khí quyển (Bảng 5.3). Bảng 5.3: Thành phân các loại khí trong khí quyển và không khí đất (%) Loại khí Tỷ lệ các loại khí (%) Trong khí quyền Trong không khí đất Nitơ (N2) 78,08 78,08 - 80,42 Oxy (O2) 20,95 20,95 - 0,00 Argon (Ar) 0,93 - Cacbonic (CO2) 0,03 0,03 - 20,00 Các khí khác 0 04 - Hơi nước Không bão hoà Bão hoà Như vậy so với thành phần khí quyển thì ngơ tự do có thành phần bằng hoặc cao hơn chút ít. Thành phần oxy và khí cacbonic có sự dao động lớn. Sự dao động theo hướng giảm nồng độ oxy và tăng nồng độ khí cacbonic trong đất Sự giảm nồng độ oxy và tăng nồng độ khí cacbonic phụ thuộc vào nhiều yếu tố Đất có trị số độ xốp lớn có nghĩa là tổng khe hở trong đất lớn, trong đó các khe hở phi mao quản (khe hở chứa không khí) chiếm ưu thế và ẩm độ nhỏ thì lượng oxy trong đất cao và ngược lại. Nếu đất có độ xốp nhỏ và ẩm độ lớn có nghĩa là tổng lượng không khí trong đất ít, lượng oxy trong đất ít do vậy hàm lượng oxy trong đất giảm rất nhanh do hoạt động hô hấp của bộ rễ cũng như quá trình phân giải xác hữu cơ bởi vi sinh vật. Đất có khe hở lớn là chủ yếu, lượng nước ít sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán của O2 vào trong đất cũng như cho quá trình trao đổi cả khối không khí đất với khí quyển. Lượng oxy trong đất nhiều hay ít phụ thuộc vào độ sâu tầng đất. Thường lượng oxy của tầng đất mặt đạt gần tới 20 %. Tuy nhiên trị số này giảm nhanh theo độ sâu đặc biệt ở những loại đất có mực nước ngầm cao, kết cấu kém, ở tầng sâu của những loại đất thoát nước kém trị số này chỉ khoảng 5%. Lượng oxy trong đất còn phụ thuộc vào tốc độ sinh trưởng của cây và các phản ứng sinh học trong đất. Hàm lượng oxy giảm mạnh ở mùa cây sinh trưởng bởi độ hô hấp của rễ lớn. Với những đất bón nhiều phân hữu cơ, đặc biệt là các loại phân hữu cơ chưa hoạt mục thì lượng oxy giảm nhanh do quá trình phân giải xác hữu cơ trong đất. Nguyên nhân chính của thành phần không khí đất dao động mạnh theo mùa vụ trong năm là do các mùa vụ khác nhau có nhiệt độ, độ ẩm khác nhau do đó ảnh hưởng khác nhau tới số lượng và hoạt động của vi sinh vật đất, sinh trưởng của cây và tốc độ 86
44. hô hấp của bộ rễ. Theo Hillel (1998), hô hấp của đất trong mùa hè thường lớn gấp 10 lần trong mùa đông, hô hấp của buổi chiều thường lớn gấp đôi so với buổi sáng trong cùng một ngày do sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các mùa và trong cùng một ngày. Tuy nhiên cùng một nhiệt độ thì hô hấp ở mùa xuân lớn hơn ở mùa thu, do ở mùa xuân ẩm độ thuận lợi hơn và thức ăn cho vi sinh vật cũng nhiều hơn. Một điểm khác biệt quan trọng nữa giữa không khí đất và không khí ngoài khí quyển là không khí đất thường có độ ẩm không khí cao đạt tới gần 100% độ ẩm không khí bão hoà trừ tầng sát mặt đất hoặc đất khô cạn lâu ngày. 5.3. TRẠNG THÁI CỦA KHÔNG KHÍ Ở TRONG ĐẤT Theo trạng thái lý học, không khí đất chia thành: 5.3.1. Không khí ở trạng thái tự do Không khí ở trạng thái tự do nằm trong những khoảng hổng phi mao quản và mao quản lớn. Không khí nằm trong những khoảng hổng tim phi mao quản có tác dụng tết nhất đối với sự sinh sống của cây trồng. Những khoảng hổng này là nguyên nhân tạo ra sự thông thoáng của đất. Đất càng khô thì lượng không khí càng tăng và khi đất khô tuyệt đối thì cuối cùng từ hệ thống 3 thể (lỏng + rắn + khí) sẽ biến thành hệ thống 2 thể: Rắn và khí. Không khí trong những khoảng hổng phi mao quản dễ dàng chuyển động và hữu hiệu đối với cây trồng. Sự chuyển động của không khí giảm khi đường kính khe hở đất giảm. Không khí kín - hay còn gọi là không khí ẩn là một phần của không khí tự do chứa trong những lỗ hổng bị đóng kín không liên hệ với khí quyển, thực vật sử dụng chúng ngay tại chỗ. Thể tích của không khí kín trong đất được xác định bằng hiệu số giữa độ hổng chung và thể tích các lỗ hổng do nước chiếm khi độ ẩm ở trạng thái độ trữ ẩm toàn phần. 5.3.2. Không khí ở trạng thái hấp phụ Đất khô có khả năng hấp phụ một lượng lớn không khí chứa trong đất. Khí được đất hấp phụ có thể chia thành một số quá trình. - Quá trình hấp phụ lý học: Do việc tập trung khí trên bề mặt của những hạt đất. - Quá trình hấp phụ hoá học: Do tác động hoá học tương hỗ giữa đất và khí, ví dụ khi tác động của H2O + CO2 lên CaCo3 tạo ra Ca(HCO3)2. Sự hấp phụ khí phụ thuộc vào cấu tạo của chúng. Chất khí cũng là những phân tử có cực.Sự hấp phụ càng mạnh khi tính lưỡng cực của chúng càng cao. Sự hấp phụ khí tỷ lệ thuận với áp suất của chúng và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, ngoài ra còn phụ thuộc vào bản chất của chất hấp phụ. Mùn và R2O3 Có khả năng hấp phụ lớn sau đó đến. thạch anh, đá vôi và thạch cao. Sự hấp phụ khí trong đất xuất hiện 87
45. khi độ ẩm nhỏ hơn độ hút ẩm cực đại. ở đất khô tuyệt đối, sự hấp phụ đạt đến trị số lớn nhất. 5.3.3. Không khí ở trạng thái hoà tan Các khí khác nhau có độ hoà tan khác nhau trong nước. Các khí như NH3, H2S Và CO2 Có độ hoà tan lớn nhất. áp suất hơi tăng, nhiệt độ giảm thì sự hoà tan của khí trong nước tăng. Khi tăng CO2 trong không khí đất thì sẽ tăng CO2 trong dung dịch đất và do đó tăng độ hoà tan của cacbonat, photphat, thạch cao và những phần khoáng khác của đất. Những tính chất ôxy hoá - khử của dung dịch đất được xác định bằng sự hoà tan trong dung dịch các chất khí như O2, H2, N2, H2S Và những khí khác. Ví dụ nước mưa có chứa ôxy hoà tan, ôxy này sẽ gây nên tính chất ôxy hoá của dung dịch đất. Càng xuống sâu ôxy càng giảm hụt đi do hô hấp của động vật đất của rễ cây, của vi sinh vật; dung dịch đất sẽ có tính chất khử trội hơn. Trong phẫu diện đất sẽ phân chia thành ranh giới ôxy hoá - khử. Trên ranh giới này là quá trình ôxy hoá, dưới là quá trình khử chiếm ưu thế. Các điều kiện ôxy hoá - khử gây ảnh hưởng lớn đến các quá trình trong đất như việc khoáng hoá các chất hữu cơ, chuyển sắt từ dạng hoá trị 2 sang hoá trị 3 và ngược lại, chuyển vận chúng xuống các tầng sâu hơn; làm phân tán hoặc làm thay đổi cấu trúc của đất. Quá trình này ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của thực vật và hoạt động của vi sinh vật trong đất. 5.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ ĐẤT Phương pháp xác định số lượng không khí trong đất là thông qua thể tích các khe hở chứa không khí (air-filled porosity). Việc xác định thường được tiến hành bằng cách lấy mẫu đất ở trạng thái tự nhiên. Sau đó lượng không khí trong đất có thể đo trực tiếp bằng thiết bị An Pycnometer hay là hiệu số của độ xốp tổng số và phần trăm thể tích nước đo được ở mẫu thí nghiệm. Độ xốp tổng số (%) được tính toán thông qua dung trọng và tỷ trọng (Chương 3) và phán trăm thể tích nước trong đất của mẫu thí nghiệm được xác định qua phương pháp sấy. Thành phần phần trăm của mỗi loại khí trong đất thường được xác định bằng phương pháp sắc ký khí (Gas Chromatograph). Đây là phương pháp phân tích hiện đại, đòi hỏi kỹ thuật phân tích tốt và thiết bị hiện đại. Chi tiết xác định phần trăm các loại khí trong không khí đất có thể tham khảo tại Bremmer và Blackmer (1982). 5.5. SỰ TRAO ĐỔI KHÍ GIỮA KHÔNG KHÍ ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN Sự trao đổi khí giữa không khí đất và khí quyển là quá trình xảy ra một cách thường xuyên, liên tục và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc điều hoà chế độ không khí đất. Quá trình trao đổi giữa không khí đất và khí quyển xảy ra nhờ sự kết nối liên tục của các khe hở chứa không khí. Khi sự thông nhau giữa các khe hở chứa 88
46. không khí bị gián đoạn do đất quá chặt hay đất bị ngập nước thì quá trình trao đổi này bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Quá trình trao đổi khí diễn ra mạnh hay yếu là do sự tác động của một số yếu tố như sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm đất. Sự trao đổi khí giữa không khí đất và khí quyển xảy ra theo 2 cơ chế, đó là quá trình khuếch tán của các phân tử khí và quá trình di chuyển của cả khối khí. - Quá trình khuếch tán: Đây là quá trình trao đổi khí chính của đất. Sự khuếch tán của mỗi loại khí phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của chúng. Đó là trị số được quyết định bởi tốc độ chuyển động nhiệt và chiều dài bước nhảy tự do. Chiều hướng khuếch tán của các phân tử khí phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ giữa không khí đất và khí quyển. Phân tử khí sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Như vậy oxy luôn có xu hướng khuếch tán từ khí quyển vào đất và ngược lại cácboníc khuếch tán từ không khí đất ra ngoài khí quyển. Quá trình khuếch tán nhanh hay chậm do nhiệt độ quyết định. Khi nhiệt độ tăng thì chuyển động của các phần tử khí tăng nhanh nên tốc độ khuếch tán nhanh hơn. Sự khuếch tán của các phân tử khí trong. đất nhanh hay chậm còn phụ thuộc vào tổng lượng khe hở và ẩm độ đất. Tốc độ khuếch tán xảy ra nhanh ở những loại đất có độ xốp lớn, kích cỡ khe hở lớn (như đất cát) và ẩm độ nhỏ. Hệ số khuếch tán của một số loại khí trong điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn (250C) và áp suất khí quyển như bảng 5.4. Quan sát bảng 5.4 ta thấy hệ số khuếch tán của các loại khí trong môi trường không khí nhanh hơn tới khoảng 10.000 lần so với trong môi trường nước. Điều này cho thấy khi đất có độ ẩm cao, các khe hở trong đất chứa đầy nước thì quá trình khuếch tán của oxy từ khí quyển vào trong đất hay khuếch tán của cacbonnic từ trong đất ra khí quyển là rất khó khăn và không đáng kể. -Sự di chuyển của cả khối khí: Đây là quá trình di chuyển của cả khối khí từ khí quyển vào đất hoặc ngược lại, góp phần thay đổi thành phần không khí đất. Quá trình luân chuyển này phụ thuộc vào nhiều tác nhân như sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất, ẩm độ đất, gió Nói chung quá trình này xảy ra do sự chênh lệch về áp suất giữa khối không khí đất và khí quyển. Khối khí sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp. Vì áp suất của khí quyển là tương đối ổn định nên tất cả các quá trình làm tăng áp suất của khối không khí đất như tăng nhiệt độ đất, tăng ẩm độ do mưa hay tưới, sự hình thành các loại khí do quá trình sinh học hay hoá học đều đẩy khối không khí đất ra ngoài khí quyển. Ngược lại các quá trình làm giảm áp suất của khối không khí đất như giảm nhiệt độ, ẩm độ, sự tiêu hao oxy qua hô hấp của sinh vật sẽ tạo nên sự di chuyển của khối không khí từ khí quyển vào đất. 89
47. Bảng 5.4. Hệ số khuếch tán ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn Loại khí Hệ số khuếch tán Trong môi trường không khí -5 C02 1,64 x 10 -5 O2 1,98 x 10 Hơi nước 2,56 x 10-5 Trong môi trường nước -9 C02 1,6 x 10 -9 O2 1,9 x 10 -9 N2 2,3 x 10 Sự di chuyển của dòng không khí trong đất có điểm giống và khác so với sự di chuyển của nước trong đất. Sự giống nhau của sự di chuyển của dòng không khí và nước là tốc độ và chiều hướng di chuyển của chúng đều phụ thuộc vào sự chênh lệch về áp suất. Sự khác nhau của sự di chuyển của dòng khí và dòng nước có nhiều nguyên nhân. Ví dụ: Nước bị ảnh hưởng nhiều của trọng lực nên luôn có xu hướng di chuyển xuống tầng sâu khi lực giữ nước của đất nhỏ hơn trọng lực, nhưng không khí ít bị ảnh hưởng của trọng lực do có tỷ trọng nhỏ. Mặt khác nước thường bị đất hút với lực tương đối lớn tạo ra lực hút mao quản nhưng lực hút của đất với không khí là không đáng kể 5.6. TÍNH CHẤT CỦA KHÔNG KHÍ ĐẤT Những tính chất quan trọng của không khí đất bao gồm độ trữ khí, tính thấm khí, tính dẫn khí, v.v 5.6.1. Độ trữ khí Độ trữ khí là khả năng của đất có thể chứa được một lượng khí xác định trong nó. Đơn vị tính: % thể tích đất. Độ trữ khí phụ thuộc vào trạng thái của đất và của khí được chứa trong nó cũng như tất cả các điều kiện môi trường. Đất càng ẩm, càng chặt, nhiệt độ càng cao, độ trữ khí càng giảm. Độ hổng (độ xốp) trong đất có thể biến động trong khoảng 25 - 80%, trong đất than bùn và tầng thảm mục rừng độ xốp có thể tới 90% thể tích của đất Bởi vậy độ trữ khí của đất khô có thể đạt tới 25 - 90% thể tích đất. Tuy nhiên trong đất bao giờ cũng có một lượng ẩm nhất định, vì vậy thực tế độ trữ khí nhỏ hơn con số đã đưa. Độ trữ khí ở trạng thái ẩm đồng ruộng bé nhất của đất có ý nghĩa lớn. Đây là chỉ số rất quan trọng của đất, nó phụ thuộc nhiều vào kết cấu đất. Độ trữ khí của đất được đánh giá là đủ lớn để các hoạt động của các quá trình trong đất diễn ra bình thường nếu nó lớn hơn 15% thể tích chung của đất. 90
48. Nếu thể tích những khoảng hổng do không khí chiếm ở điều kiện độ trữ ẩm cực đại bằng 10 - 15% so với thể tích đất thì độ thoáng của đất sẽ không đủ. Trong trường hợp này cần thiết phải áp dụng những biện pháp thuỷ lợi hoặc những biện pháp canh tác thích hợp để làm tăng thêm độ thông thoáng. Độ trữ khí lớn nhất khi đất khô tuyệt đối, ở trạng thái này không khí hấp phụ và không khí tự do chiếm tất cả những khoảng hổng trong đất. 5.6.2. Tính thấm khí Tính thấm khí là khả năng của đất để cho không khí đi qua nó. Tính thấm khí là tất yếu và tối cần thiết cho sự trao đổi không khí giữa đất và không khí trong khí quyển. Tính thấm khí càng lớn, sự trao đổi không khí giữa đất và khí quyển càng tăng, hàm lượng O2 trong đất càng tăng và CO2 càng giảm. Nghĩa là thành phần của không khí đất càng gần với thành phần của không khí trong khí quyển nếu tính thấm khí tăng. Trong đất, không khí được vận chuyển nhanh trong các khe hở liên tục và không chứa nước. Các khe hở càng lớn, sự thấm khí càng thuận lợi. Những đất có kết cấu, vừa có nhiều khe hở phi mao quản, sẽ có tính thấm khí cao. Tính thấm khí của đất còn chịu sự ảnh hưởng của áp suất khí quyển. áp suất khí càng lớn, không khí từ khí quyển vào đất càng nhiều. Đơn vị để biểu diễn tính thấm khí của đất là số lượng không khí tính bằng mililit (mi) đi qua lớp đất có tiết diện 1 cm2, độ dày 1 cm2 trong một đơn vị thời gian. Tính thấm khí của đất còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, tốc độ hướng gió, sự khuếch tán của khí. 5.7. BIỆN PHÁP ĐIỀU TIẾT CHẾ ĐỘ KHÔNG KHÍ ĐẤT Do nước và không khí “sống chung trong một ngôi nhà” đó là độ xốp đất do vậy các biện pháp cơ bản để điều tiết chế độ không khí như sau: - Điều tiết chế độ nước của đất thực chất cũng là điều tiết chế độ không khí đất. Nước ít hay nhiều không những ảnh hưởng tới tổng lượng không khí đất mà sự thay đổi ẩm độ đất còn thúc đẩy sự trao đổi của cả khối khí. Các biện pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ xốp đất, kết cấu đất và tỷ lệ thích hợp giữa khe hở mao quản và khe hở phi mao quản cũng là những biện pháp kỹ thuật nâng cao độ thoáng khí của đất. Biện pháp cơ bản của khâu kỹ thuật này là tăng cường lượng chất hữu cơ cho đất qua trồng xen, trồng gối, nông lâm kết hợp, tận dụng sản phẩm phụ làm phân bón và bón vôi. Các biện pháp kỹ thuật canh tác như lên luống, xới xáo, cày ải, bón các loại phân có hàm lượng oxy cao như K2SO4, (NH4)2SO4 làm cỏ sục bùn với đất lúa nước có ảnh hưởng trực tiếp tới lượng oxy trong đất và sinh trưởng, năng suất của các loại cây 91
49. trồng. Câu hỏi ôn tập: 1 Nêu vị trí và vai trò của không khí trong đất? 2. Nên thành phần không khí đất? 3. Không khí trong đất tồn tại như thê nào? 4. Nêu sở trao đổi khí giữa không khí đất và khí quyển ? 5. Trình bày tính chất của không khí đất? 6. Trình bày các biện pháp điều tiết chê độ không khí đất ? 92
50. Chương 6 NHIỆT ĐỘ ĐẤT 6.1. VAI TRÒ VÀ NGUỒN NHIỆT CUNG CẤP CHO ĐẤT Nhiệt độ có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất. Nhiệt độ khác nhau thì quá trình hình thành đất khác nhau. Sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm và giữa các mùa là cơ sở cho phong hoá lý học đá và khoáng vật. Đây là quá trình phong hoá đá chính tạo đất ở vùng ôn đới. Nhiệt độ cũng là yếu tố thúc đẩy tốc độ của các phản ứng hoá học và sinh học trong đất. Do nhiệt độ cao nên quá trình phong hoá hoá học và sinh học thường xảy ra mạnh mẽ ở vùng nhiệt đới. Ngoài tác động đến quá trình phong hoá đá, tạo đất, nhiệt độ còn có tác động đến nhiều quá trình như chiều hướng và tốc độ của quá trình trao đổi nhiệt và không khí giữa đất và khí quyển, quá trình bốc hơi nước nên liên quan chặt chẽ với quá trình hình thành kết von đá ong. Chính nhiệt độ đã tạo ra các loại đất vùng ôn đới và đất vùng nhiệt đới có thành phần và tính chất rất khác nhau. Nhiệt độ đất cũng như nhiệt độ không khí có ảnh hưởng rõ rệt tới tốc độ sinh trưởng và phát triển của cây. Trong ca dao Việt Nam có câu: “Mạ chiêm ba tháng chưa già, Mạ mùa một tháng ắt là chẳng non” Sự thúc đẩy tốc độ sinh trưởng cây của nhiệt độ được thể hiện ở 2 khía cạnh: + Khía cạnh thứ nhất là nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt động sinh lý của cây. Mỗi loại cây trồng có thể sinh trưởng và phát triển trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Như ngô có thể nảy mầm ở nhiệt độ 70 – 100C nhưng nhiệt độ tối thích là 380 - 400C. Ngược lại các cây trồng ôn đới có nhiệt độ tối thích thấp hơn, chỉ vào khoảng 160C - 210C. Khi nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều làm ngừng trệ hoạt động sinh lý của cây, ức chế quá trình sinh trưởng và phát triển. + Khía cạnh thứ hai là nhiệt độ và không khí còn ảnh hưởng gián tiếp tới sinh trưởng và phát triển của cây thông qua ảnh hưởng tới tính chất đất. Nhiệt độ cao về mùa hè thúc đẩy các phản ứng lý hoá sinh trong đất như quá trình khoáng hoá chất hữu + - + cơ và mùn cung cấp các chất khoáng dễ tiêu như NH4 , NO3 , K cho cây. Nhiệt độ đất cũng làm tăng khả năng hoà tan các chất dinh dưỡng trong đất Như vậy khi nhiệt độ tăng, về cơ bản là làm tăng khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất. Đất thường có khả năng cung cấp chất dinh dưỡng ở mùa hè lớn hơn so với ở mùa đông. Nguồn nhiệt cung cấp cho đất là từ ánh sáng mặt trời, từ các phản ứng sinh học trong đất, từ lòng đất và các chất phóng xạ Nhiệt độ đất bị chi phối bởi các yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình hấp thu và mất nhiệt của đất như hướng dốc, độ ẩm, thành phần cơ giới, độ che phủ mặt đất 93
51. Nguồn nhiệt chính cung cấp cho đất là từ năng lượng tia sáng mặt trời. Năng lượng tia sáng mặt trời chiếu thẳng góc trên 1 cm2 mặt đất trong 1 phút khoảng 1.946 calo. Tuy nhiên chỉ có một phần lượng nhiệt trên tới được mặt đất một phần lớn khi tới mặt đất bị phản xạ, khúc xạ, hấp thụ bởi mây, bụi và các loại khí trong khí quyển. Người ta dự đoán rằng ở những vùng khí hậu khô, ít mây, có thể có tới 75% năng lượng ánh sáng chiếu tới mặt đất. Ngược lại ở những nơi khí hậu ẩm, nhiều mây chỉ có khoảng 30 - 45% năng lượng mặt trời chiếu tới mặt đất và trung bình toàn cầu xấp xỉ 50%. Khi chiếu tới mặt đất thì khoảng 30 - 45% năng lượng lại bị mất vào khí quyển do quá trình phản xạ hay phát nhiệt của đất. Cây chỉ sử dụng được vào khoảng 3% cho quang hợp và các quá trình trao đổi khác. Đất hút nhiệt và giữ lại trong đất chỉ được khoảng 5 - 15%. Hầu như một số lượng lớn nhiệt còn lại bị tiêu hao do quá trình bốc hơi nước từ mặt đất và thoát hơi mặt lá. Song song với nguồn nhiệt chính cung cấp cho đất từ mặt trời, một nguồn nhiệt khá lớn được sinh ra từ các phản ứng sinh hoá học trong đất. Nguồn nhiệt này chủ yếu được sinh ra từ quá trình phân giải xác hữu cơ bởi vi sinh vật. Nguồn nhiệt này tuy không lớn nhưng rất có ý nghĩa trong việc điều tiết nhiệt độ đất cho các vườn ươm, ruộng mạ và các cây trồng vụ đông xuân ở nước ta.Bón phân hữu cơ cho các cây trồng vụ đông xuân không những cung cấp chất dinh dưỡng cho cây mà còn là điều tiết chế độ nhiệt của đất. Ngoài những nguồn nhiệt trên đây các nguồn nhiệt khác như từ các chất phóng xạ, nhiệt từ lòng đất có vai trò không lớn. Tóm lại: Năng lượng từ ánh sáng mặt trời là có ý nghĩa nhất, nó quyết định tới chế độ nhiệt của đất. ở những vùng gần xích đạo cường độ chiếu sáng lớn thì nhiệt độ đất cao, ngược lại ở những vùng xa xích đạo cường độ chiếu sáng nhỏ nên nhiệt độ đất thấp. Cũng tương tự như vậy đất lạnh vào mùa đông và ấm vào mùa hè. 6.2. CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐẤT 6.2.1. Tính hấp thụ nhiệt của đất Tính hấp thụ nhiệt của đất phản ánh khả năng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời của đất. Đây là một đại lượng đặc trưng cho chế độ nhiệt của đất và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hướng dốc, trạng thái mặt đất, màu sắc đất . Hướng dốc có ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng tiếp nhận ánh sáng mặt trời của đất. Hướng Nam nhận được nhiều ánh sáng nhất, ngược lại hướng Bắc nhận được ít ánh sáng mặt trời nhất. Hướng Đông và hướng Tây nhận được số lượng ánh sáng mặt trời không khác nhau nhiều nhưng hướng Tây có nhiệt độ cao hơn. Điều này xảy ra bởi vì nửa ngày buổi sáng khi hướng Đông nhận được ánh sáng, khi đó ẩm độ đất cao, nên hầu hết lượng nhiệt bị tiêu hao cho sự bay hơi nước. Ngược lại đến buổi chiều khi được chiếu sáng sườn hướng Tây hấp thụ hầu hết lượng nhiệt này bởi độ ẩm đất vào buổi chiều tương đối thấp ở tầng mặt. Từ sự phân tích trên đây, nhiệt độ đất cao nhất ở 94
52. hướng Nam, rồi hướng Tây, hướng Đông và thấp nhất là ở sườn phía Bắc (chênh lệch từ 3 – 500C). Màu . sắc đất khác nhau thì khả năng hấp thụ nhiệt khác nhau. Màu sắc càng đậm thì tính hút nhiệt càng cao. Sức hút nhiệt tuỳ theo màu sắc của đất như sau : Màu đen > màu xanh > màu đỏ > màu vàng> màu trắng. Điều đó không có nghĩa rằng đất màu đen có nhiệt độ cao hơn so với đất màu vàng nhạt. Mà xu hướng ngược lại thường là đúng bởi vì đất màu đen thường là đất nhiều mùn có hàm lượng nước cao. Chính vì vậy đất đen có nhiệt dung ]ớn, khả năng mất nhiệt do bốc hơi nước lớn. Ngoài ra với kết cấu tốt của đất nhiều mùn vì khả năng dẫn nhiệt kém. Với những nguyên nhân đó, đất đen thường có nhiệt độ thấp hơn đất màu xám, màu vàng từ 1 - 20C Vào ban ngày nhưng lại giữ được nhiệt của tầng mặt vào ban đêm. Trạng thái mặt đất bằng phẳng hay gồ ghề quy định của bề mặt tiếp xúc của đất với khí quyển. Đất có bề mặt gồ ghề, có diện tích bề mặt lớn nên hấp thu nhiệt từ ánh sánh mặt trời cao hơn so với đất bằng phẳng, nên có nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên về ban đêm đất có bề mặt gồ ghề lại phát nhiệt mạnh hơn nên lại có nhiệt độ thấp hơn so với đất bằng phẳng. Ẩm độ đất là chỉ tiêu ảnh hưởng lớn tới khả năng hút nhiệt và mất nhiệt của đất. Đất ẩm thường có màu sắc đậm hút được nhiều nhiệt hơn. Tuy nhiên nhiệt độ đất thay đổi chậm bởi đất ẩm có nhiệt dung lớn. Ngoài ra sự bốc hơi nước làm tiêu hao lượng nhiệt trong đất. Để bay hơi được 1 g nước ở 200C Cần khoảng 540 calo. Để làm giảm ẩm độ đất từ 25 % xuống còn 24 % với giả thiết rằng lượng nhiệt được cung cấp hoàn toàn từ đất, thì nhiệt độ đất sẽ giảm khoảng 120C (Brady, 1984). Tóm lại: Đất ẩm có nhiệt độ thấp hơn đất khô vào mùa hè, ban ngày khi đất được chiếu sáng. Nhưng đất ẩm có nhiệt độ cao hơn vào ban đêm, mùa đông khi quá trình mất nhiệt diễn ra (Bảng 6.1). Độ che phủ mặt đất có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thụ và mất nhiệt của đất. Có thể thấy ảnh hưởng của che phủ tới một số chỉ tiêu sau: + Che phủ mặt dết làm giảm khả năng hấp thu nhiệt khi có ánh sáng mặt trời chiếu tới (làm giảm nhiệt độ về mùa hè). + Làm giảm lượng nhiệt bức xạ vào khí quyển (tăng nhiệt độ đất về ban đêm và mùa đông). + Ngoài ra nó làm giảm sự mất nhiệt do gió, bốc hơi bề mặt 95
53. Bảng 6.1 : Nhiệt độ.đất nơi có tưới và không tưới (Theo Ngô Nhật Tiến - 1967) Độ sâu (cm) Tháng 1 (rét) Tháng 6 (nóng) Không tưới Tưới Không tưới Tưới 0 19,4 20,0 39,0 36,8 5 17,0 18,1 32,6 32,4 10 17,3 17, 9 31,2 31,0 20 18,1 18,2 30,1 29,2 40 21,6 29,8 29,9 28,7 80 22,6 22,7 28,2 27,7 160 - - 26,2 26,0 Ngoài các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp trên đây tới khả năng hấp thu và mất nhiệt của đất, một số tính chất đất như thành phần cơ giới đất, hàm lượng mùn trong đất cũng có ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ nhiệt của đất thông qua chế độ nước trong đất. 6.2.2. Nhiệt dung của đất Nhiệt dung của đất là số lượng nhiệt tính bằng calo cần thiết để đốt nóng một đơn vị trọng lượng 1 gam đất khô kiệt lên 10C gọi là nhiệt dung trọng lượng ký hiệu là Ct. Hoặc, nhiệt dung của đất là số lượng nhiệt tính ra cam cần thiết để đốt nóng một 3 0 đơn vị thể tích (l cm ) đất khô kiệt lên 1 C gọi là nhiệt dung thể tích, ký hiệu là Cv. Nhiệt dung trọng lượng và nhiệt dung thể tích quan hệ với nhau bằng công thức: Trong đó: D: Tỷ trọng của đất Ct : Nhiệt dung trọng lượng Nhiệt dung của đất phụ thuộc vào thành phần cơ giới và khoáng vật, độ xốp hàm lượng chất hữu cơ của đất, độ ẩm và hàm lượng không khí đất. Nhiệt dung thể tích của nước gần gấp đôi của phần khoáng. Trong khi đó nhiệt dung thể tích của không khí lại xấp xỉ bằng không. Chính vì thế đất có kết cấu tết khi khô nhiệt dung nhỏ và tăng dần khi độ ẩm tăng. Cùng một loại đất với độ ẩm khác nhau thì nhiệt dung cũng khác nhau. 96