Quá trình khoáng hoá chất hữu cơ

2.3.3.1. Quá trình khoáng hoá chất hữu cơ

- Thuỷ phân các chất tạo ra các hợp chất có trọng lượng phân tử nhỏ hơn.

- Thực hiện các quá trình oxy hoá - khử, khử amin, khử cacbonyl... tạo ra các sản phẩm trung gian như: Axit hữu cơ, axit béo, rượu, andehyt, axit vô cơ, các chất kiềm.

- Khoáng hoá hoàn toàn: Các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục chuyển hoá, tuỳ theo điều kiện ngoại cảnh và loại hình vi sinh vật, để cuối cùng tạo ra các chất vô cơ dễ tan và các chất khí.

Tóm lại: Sự phân huỷ, khoáng hoá các hợp chất hữu cơ trong đất cung cấp nhiều chất dinh dưỡng vô cơ, dễ tiêu cho cây trồng và đồng thời là cơ sở cho việc hình thành mùn.

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khoáng hoá: Tốc độ quá trình khoáng hoá rất khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

- Thành phần chất hữu cơ: Nếu chất hữu cơ nhiều các loại đường đơn, tinh bột, chứa nhiều đạm, nhiều Ca⁺², Mg⁺², K⁺, thì khoáng hoá nhanh. Nếu chứa nhiều lignhin, tanin, dầu sáp và các hợp chất cao phân tử khác thì khoáng hoá chậm hơn.

+ Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho quá trình khoáng hoá mạnh là 25 - 35⁰C. Cao hoặc thấp quá đều hạn chế tốc độ khoáng hoá.

+ pH của đất: trong khoảng 6,5 - 7,5 là thuận lợi cho quá trình khoáng hoá.

+ Thoáng khí: càng thoáng khí khoáng hoá càng mạnh...

Ở Việt Nam do điều kiện nóng ẩm, mưa nhiều nên rất thuận lợi cho quá trình khoáng hoá. Vì vậy chất hữu cơ và mùn trong đất được khoáng hoá mạnh tạo ra nhiều chất dinh dưỡng cho cây trồng, nhưng dẫn đến quá trình tích luỹ mùn ít, làm cho đất nghèo mùn và đạm.

2.3.3.2. Quá trình mùn hoá

Qua hình 2.3. cho thấy sản phẩm phân giải xác hữu cơ bao gồm rất nhiều chất khác nhau, có chất có đạm như axit amin, có chất mạch thẳng, có chất có vòng thơm như quinol, hidroquinol, có chất ở thể khí...

Như vậy quá trình hình thành mùn có 3 bước cơ bản như sau:

+ Xác hữu cơ được phân giải thành các sản phẩm trung gian.

+ Tác động giữa các hợp chất trung gian để tạo thành những chất liên kết hợp chất, đó là các hợp chất phức tạp.

+ Trùng hợp các liên kết trên tạo thành các phân tử mùn.

Phân tử mùn có cấu tạo gồm 4 thành phần chính sau:

- Nhân vòng: Gồm các vòng có nguồn gốc phenol hay quinol như: Benzen, pural, pisol piridin, naftalin, antraxen, indol, quinolin...

- Mạch nhánh: Có thể là cacbuahydro, hoặc chất chứa đạm. Nguồn gốc của chúng là các sản phẩm của quá trình phân giải xác hữu cơ hay cũng có thể là sản phẩm tổng hợp của vi sinh vật đất từ những sản phẩm khoáng hoá.

- Cầu nối: Có thể là một nguyên tử như –O–, –N–,... hoặc một nhóm nguyên tử như: –NH, -CH₂... Các liên kết hợp chất của một phân tử mùn được gắn với nhau bởi các cầu nối này.

Cấu trúc chung của phân tử axit Humic gồm có: Nhân, nhóm định chức và cầu nối:

Axit Humic không có cấu trúc tinh thể, phân tử có dạng hình cầu đường kính 30 – 80 A^o. Nhân của axit Humic thường là hàng loạt các hợp chất thơm, dị vòng. Cầu nối có thể là nguyên tử riêng biệt (-O-, -N-), nhóm các nguyên tử (-NH-, -CH₂-) hoặc các mạch cacbon (- C - C-).

Nhóm định chức chủ yếu: Nhóm Cacboxyl (-COOH), Hydroxyl (-OH), NH₂, OCH₃.

Thành phần các nguyên tố của axit Humic có biến động: C (52 - 58 %), H (3,3 - 4,8 %), N (3,6 - 4,1 %), O (34 - 39 %). Sự biến động thành phần phụ thuộc vào loại đất và điều kiện hình thành (Bảng 2.7). Ngoài ra còn có các nguyên tố tro như: Ca, Mg, K, P, Fe... khoảng 1- 10 %. Các nguyên tố này có thể tham gia vào cấu tạo mùn trong mạng lưới cấu trúc hoặc cation trao đổi với mùn lấy từ ngoài vào mà không tham gia trong mạng lưới cấu trúc.

Axit Humic dễ dàng hoà tan trong dung dịch kiềm loãng,với sự hình thành các muối Humat hoà tan có màu nâu hoặc đen. Axit Humic hoà tan rất yếu và từ từ trong nước, không hoà tan trong axit vô cơ.

Axit humic có cấu tạo phân tử lớn, trọng lượng phân tử biến động từ 10.000 đến 100.000 ĐVC. Dung tích hấp thu T từ 300 - 600 ldl/100g axit humic. Axit humic mang điện âm nên dễ trao đổi cation. Tính đệm lớn, ít bị rửa trôi, nên đất nào có nhiều axit humic thì có kết cấu tốt. Có tính chua (pH = 3,6), nhưng phân tử axit humic nhiều vòng và ít mạch nhánh hơn axit fulvic nên ít chua hơn axit fulvic.

- Trạng thái tồn tại của axit humic: Trong đất, axit humic ít tồn tại ở trạng thái tự do mà liên kết với phần khoáng của đất để tạo ra các hợp chất khác nhau. Khi liên kết với các cation sẽ tạo ra các muối humat. Tuỳ theo mức độ hoà tan mà người ta chia ra 3 nhóm:

+ Nhóm H₁: là dạng liên kết axit humic với các cation hoá trị 1 như NH₄⁺, K⁺, Na⁺ v.v... Nhóm này bao gồm cả dạng axit humic ở trạng thái tự do trong đất. Đặc điểm H₁ là màu nâu, rất dễ hoà tan trong nước để tạo thành các dạng dung dịch hoặc keo ở trạng thái phân tán, rất linh động do vậy dễ bị rửa trôi. Dạng H₁ tạo nên chủ yếu ở đất chua, nghèo Ca⁺², Mg⁺² như đất Potdon, đa số đất Feralit nhiệt đới như nước ta.

+ Nhóm H₂: dạng liên kết của axit humic với các cation hoá trị 2, chủ yếu là các cation Ca²⁺ và Mg²⁺. Đặc điểm dạng này là có mầu nâu sẫm, phân tử lượng lớn hơn H₁, ít hoà tan trong nước và tồn tại trong các trạng thái tụ bền vững với nước. Nó tạo nên màng mỏng bao quanh các phần tử đất, kết gắn đất lại với nhau tạo nên kết cấu viên bền và giàu mùn. Đây là dạng tốt nhất của axit mùn. Dạng này có nhiều ở đất đen nhiệt đới, đất Checnozôm

+ Nhóm H₃: là dạng liên kết với các cation hoá trị 3, chủ yếu là Fe³⁺ và Al³⁺, và liên kết của axit humic với các loại keo sét của đất. Đặc điểm là phân tử lượng rất lớn có màu nâu sẫm hoặc xám đen, khó hoà tan, ít di động và thường được gắn trên mặt các phân tử khoáng tạo thành những hợp chất hữu cơ vô cơ, màng hữu cơ bao bọc lấy phần tử khoáng. Dạng này rất bền vững nên tích luỹ lại nhiều trong đất.

Axit Fulvic:

Là nhóm axit mùn được hình thành trong môi trường axit, có màu vàng sáng (xuất phát từ chữ Fulvo của Hylạp là màu vàng), hoà tan trong môi trường axit loãng, kiềm loãng, cacbonat kiềm. Phân tử lượng thấp từ 800 - 900 ĐVC. Cấu tạo ít vòng thơm nhưng chứa nhiều mạch ngang, nhiều nhóm định chức nhất là COOH và OH. Chua hơn axit humic, pH = 2,6 - 3,0. Dung tích hấp thu đạt từ 280 - 320 ldl/100g axit fulvic. Thành phần các nguyên tố biến động như trong bảng 2.7.

Trong đất feralit vùng nhiệt đới ẩm, axit fulvic thường chiếm ưu thế hơn axit humic (tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic < 1).

Về trạng thái tồn tại của axit fulvic: Nó có thể tồn tại ở trạng thái tự do nhưng không nhiều mà thường ở trạng thái liên kết để tạo thành các fulvat. Thường khi càng liên kết với các cation hoá trị thấp càng dễ tan hơn và dễ bị rửa trôi hơn.

Humin có màu đen, được hình thành trong môi trường kiềm, rất khó hoà tan và ít linh động, nên gọi là mùn trơ của đất.

Dựa vào tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic các nhà nghiên cứu phân loại các kiểu mùn khác nhau (theo thành phần mùn):

- Tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic >3: kiểu mùn humat đặc trưng

- Tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic từ 1- 3: Humat.

- Tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic từ 0.6 – 1: Humat – fulvát

- Tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic từ 0.3 – 0.6: Fulvát – humat

- Tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic < 0.3: Fulvát.

Trong điều kiện nhiệt đới tỉ lệ axit Humic/axit Fulvic càng thấp thì cường độ quá trình Feralit diễn ra càng mạnh mẽ. So sánh hàm lượng các nhóm chức có chứa oxy trong các axit mùn được thể hiện quan bảng 2.8.

Bảng 2.8: Hàm lượng các nhóm chức chứa oxi trong các axit mùn

Hầu hết trong tất cả các trường hợp axit fulvic có nhóm chức axit nhiều hơn đáng kể so với axit humic. Điều này là do khối lượng phân tử của chúng nhỏ hơn và vì thế trong 100 g chế phẩm axit fulvic chứa một số lượng phân tử nhiều hơn một vài lần so với trong 100 g chế phẩm axit humic. Độ axit chung của một chất là do tổng nhóm axit (COOH + OHph) tạo nên; trong các axit fulvic độ axit tổng cộng được xác định bằng sự có mặt của nhóm cacboxylic, ngược lại trong các axit humic ưu thế này hầu như không biểu hiện.

Trong các phân tử axit fulvic hầu như tất cả oxi tập trung trong các nhóm chức, ngược lại trong các axit humic có khoảng 30 - 40 % tổng lượng Ôxi nằm ở các vị trí khác nhau như ở nhóm ete hoặc trong các dị vòng chứa oxi.

2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo mùn

Những yếu tố chủ yếu nhất ảnh hưởng tới đặc điểm quá trình tạo mùn là chế độ nước, không khí và nhiệt của đất, thành phần và đặc điểm xác thực vật, thành phần loài và cường độ hoạt động của vi sinh vật đất, các tính chất lý, hoá học và địa hình của đất.

- Trong điều kiện hảo khí, độ ẩm 60 - 80 % và nhiệt độ thuận lợi 25 - 30⁰C, xác thực vật phân huỷ mạnh mẽ, quá trình khoáng hoá xảy ra mạnh nên trong đất tích luỹ lượng mùn không lớn nhưng giàu nguyên tố tro và đạm. Trong điều kiện thiếu ẩm nghiêm trọng và thường xuyên thì quá trình phân giải và mùn hoá cũng diễn ra chậm. Trong điều kiện thừa ẩm thường xuyên hoặc nhiệt độ thấp quá trình mùn hoá diễn ra rất yếu và tàn dư hữu cơ biến đổi thành than bùn.

Nhìn chung để tích luỹ mùn cao cần có sự phối hợp trong đất, chế độ nhiệt ẩm và không khí, nước tối ưu và cần có thời kì khô hạn nhất định. Trong điều kiện như vậy sự phân giải tàn dư hữu cơ diễn ra từ từ, quá trình mùn hoà diễn ra mạnh và mùn hình thành liên kết chặt với phần khoáng của đất.

- Thành phần xác hữu cơ

Tàn dư cỏ, cây họ đậu, xác vi sinh vật, động vật thường giàu đạm, các nguyên tố tro đặc biệt canxi nên dễ phân giải, quá trình tạo mùn thuận lợi.

Thực vật cây gỗ, đặc biệt cây lá kim so với cây lá rộng thường nghèo đạm, nghèo nguyên tố tro, giàu Lignhin, nhựa, chất sáp nên quá trình phân giải chậm hơn, dễ tích luỹ tạo thành lớp thảm mục trên bề mặt đất. Cũng vì vậy dưới rừng cây lá rộng thảm mục tích luỹ ít hơn và lượng mùn chứa trong đất cao hơn so với rừng cây lá kim.

Trong thành phần xác thực vật nếu tỉ lệ C/N cao quá trình phân huỷ, khoáng hoá và mùn hoá diễn ra chậm, nếu tỉ lệ C/N thấp các quá trình diễn ra mạnh mẽ và thuận lợi.

- Tính chất đất

Thành phần cơ giới và các tính chất hoá học của đất cũng ảnh hưởng lớn tới quá trình tạo mùn. Với đất cát, nghèo dinh dưỡng, thoáng khí, cấp hạt thô quá trình khoáng hoá nhanh, mùn hình thành ít và khó giữ lại trong đất. Đất có thành phần cơ giới nặng, điều kiện khoáng hoá diễn ra từ từ hơn, mùn được hình thành nhiều hơn và có điều kiện thuận lợi giữ lại trong đất.

Các tính chất hoá học, đặc biệt phản ứng đất và hàm lượng Ca²⁺, Mg²⁺ chứa trong đất ảnh hưởng lớn tới quá trình tạo mùn: đất chua, nghèo Canxi, các axit Fulvic hình thành chiếm ưu thế, đất trung tính giàu Canxi ngựơc lại các axit Humic hình thành thuận lợi hơn.

- Sự tích luỹ mùn còn chịu ảnh hưởng của địa hình: càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm, ẩm độ tăng, quá trình khoáng hoá giảm, tích luỹ mùn tăng lên. Nếu địa hình dốc thì mùn bị rửa trôi, xói mòn nên ít và ngược lại ở vùng bằng và trũng hàm lượng mùn cao hơn.

- Thành phần và cường độ hoạt động của vi sinh vật đất ảnh hưởng rất rõ đến quá trình mùn hoá. Sự hoạt động của chúng quá yếu thì chất hữu cơ phân giải yếu dẫn đến mùn hoá chậm, nhưng nếu vi sinh vật hoạt động quá mạnh thì xác hữu cơ lại bị phân giải triệt để, quá trình khoáng hoá chiếm ưu thế và mùn được tích luỹ ít.

Tuy nhiên các điều kiện nhiệt, ẩm, không khí trong đất, các tính chất lí hoá của đất ảnh hưởng trực tiếp tới thành phần và hoạt động của vi sinh vật.

Chất hữu cơ và mùn đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với tất cả các quá trình lý, hoá, sinh học của đất. Trong quá trình thoái hoá đất nhiệt đới, ngoài lý tính thay đổi mạnh mẽ thì yếu tố mùn là yếu tố hoá tính biến đổi rõ nét nhất. Sự khôi phục độ phì đất bị thoái hoá không thể không đề cập tới sự bồi hoàn chất hữu cơ trong đất. Mùn được coi là chỉ tiêu quyết định độ phì nhiêu của đất.

- Mùn là kho thức ăn cho cây và vi sinh vật. Chất hữu cơ và mùn đều chứa một lượng khá lớn các nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng và vi sinh vật như: N, P, K, S, Ca, Mg, và các nguyên tố vi lượng. Trong đó đặc biệt là N. Các nguyên tố dinh dưỡng có ở trong chất hữu cơ và mùn được giải phòng từ từ cho cây trồng, vi sinh vật sử dụng. Ngoài ra mùn còn chứa một số chất kích thích sinh trưởng làm tăng hoạt động của bộ rễ, hạt nảy mầm. Mùn cung cấp chất dinh dưỡng cho cây và vi sinh vật đầy đủ và cân đối nhất.

- Đối với lý tính của đất: Chất hữu cơ và mùn làm cải thiện thành phần cơ giới đất và trạng thái kết cấu đất. Vì vậy đất nhiều mùn thì có chế độ nước, không khí và nhiệt độ tốt phù hợp cho cây sinh trưởng và phát triển và cho năng suất cao.

- Đối với hoá tính đất: Chất hữu cơ và mùn tham gia vào các phản ứng hoá học của đất, nâng cao tính đệm của đất. Mùn ảnh hưởng đến trạng thái oxy hoá - khử của đất, ảnh hưởng đến dung tích hấp thu và chi phối các chỉ tiêu hoá tính khác của đất.

- Đối với sinh tính đất: Mùn nâng cao số lượng, thành phần và hoạt tính của hệ vi sinh vật đất. Đất nhiều mùn số lượng và khả năng hoạt động của các nhóm sinh vật đất được tăng cường.