Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 10 ppt

Vai trò của không khí trong đất Các chất khí trong đất rất cần thiết cho sự sống của các sinh vật sống trong đất, cho các quá trình sinh học tiến hành thuận lợi Trong số các chất khí,

Chương X KHÔNG KHÍ VÀ NHIỆT TRONG ÐẤT

1 Không khí trong đất

1.1 Vai trò của không khí trong đất

Các chất khí trong đất rất cần thiết cho sự sống của các sinh vật sống trong đất, cho các quá trình sinh học tiến hành thuận lợi

Trong số các chất khí, đặc biệt là ôxy và cacbonic có tác động về nhiều mặt đến các tính chất đất, làm ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến năng suất cây trồng

a Vai trò của ôxy (O 2 )

 Ôxy tác động trực tiếp đến hô hấp của cây trồng Thiếu ôxy quá trình

hô hấp yếu, cây thiếu năng lượng hoạt động dẫn đến năng suất giảm

 Ðất thoáng khí (nhiều ôxy) rễ cây phát triển thuận lợi, lấy nước và thức ăn mạnh, cây sinh trưởng và phát triển nhanh Ðặc biệt giai đoạn nảy mầm, cây cần nhiều ôxy nhất

 Ôxy ảnh hưởng đến điện thế ôxy hoá khử

 Thiếu ôxy quá trình khử xảy ra mạnh sinh ra một số chất độc trong đất, giảm trữ lượng chất dinh dưỡng, ảnh hưởng xấu tới cây trồng

 Trong đất đầy đủ ôxy các quá trình háo khí xảy ra, tạo cho đất có nhiều đặc tính tốt

b Vai trò của khí cacbonic (CO 2 )

 Thành phần tham gia quá trình quang hợp

 Tham gia vào các phản ứng hoá học trong đất, nhất là các phản ứng hoà tan, góp phần tăng cường thức ăn cho cây Ví dụ, nếu dung dịch bão hoà CO2 thì sẽ hoà tan rất nhiều CaCO3,, MgCO3

 Nếu trong đất có quá nhiều khí CO2 thì ảnh hưởng xấu đến quá trình

hô hấp của sinh vật, đặc biệt là đối với sự nảy mầm và sự phát triển của rễ cây non

1.2 Thành phần và hàm lượng không khí trong đất

Không khí trong đất chiếm tất cả các khe hở không chứa nước, do

đó về số lượng nó phụ thuộc chặt chẽ vào tổng số độ hổng và độ ẩm đất Nếu cấu tạo của đất ổn định thì có thể nói rằng trong đất nhiều nước thì không khí ít Nói cách khác, về khối lượng, nước và không khí trong đất đối kháng nhau

Phần thể tích mà không khí chiếm trong đất ở độ ẩm hiện tại gọi là

độ chứa khí của đất hay độ thông khí của đất, được tính theo phần trăm so với thể tích chung của đất Vì độ hổng và độ ẩm đất luôn luôn thay đổi nên độ chứa khí của đất cũng là một đại lượng biến động trong từng loại đất khác nhau, theo mùa khác nhau và trạng thái canh tác đất Ðộ hổng trong các loại đất khác nhau biến động từ 25 % đến 90 % nên độ chứa khí cũng biến động trong khoảng ấy nhưng thấp hơn 2 giới hạn trên một ít

vì trong độ hổng còn chứa nước ít hoặc nhiều

Về nguồn gốc không khí đất gồm các chất khí trong không khí khí quyển và không khí được sinh ra trong quá trình sinh học, hoá học xảy

ra trong đất

Về thành phần không khí đất có khác so với không khí trong khí quyển (bảng 10.1)

Nhiều nghiên cứu cho thấy thành phần không khí khí quyển là ổn định, đây chính là sự khác biệt so với thành phần không khí đất So với thành phần không khí khí quyển, thành phần không khí đất chứa ít ôxy hơn nhưng cacbonic nhiều hơn và chúng luôn luôn thay đổi, ngay cả nitơ

có khối lượng lớn nhất Lượng nitơ thay đổi do hoạt động biến đổi chất hữu cơ của vi sinh vật, do các quá trình nitơrát hoá hay phản nitơrát hoá xảy ra trong đất

Bảng 10.1 Thành phần khí quyển và không khí đất (% thể tích)

Các chất khí Trong khí

quyển

Trong không khí đất

Nitơ (N2)

Ôxy (O2)

Argon (Ar)

Cacbonic (CO2)

Các khí khác(Ne, He,

CH4, O3, Xe)

78,08 20,95 0,93 0,03 0,04

78,08- 80,42 20,90- 0,00

- 0,03- 20,00

-

Lượng chứa nhiều cacbonic, ít ôxy và sự biến động lớn của chúng

là vì:

 Do tiêu hao nhiều ôxy mà sinh ra nhiều cacbonic (như quá trình hô hấp, phân giải chất hữu cơ, các phản ứng hoá học, quá trình quang hợp )

 Do sự thay đổi tốc độ trao đổi không khí giữa đất và khí quyển, giữa các tầng đất, giữa các mùa trong năm và cả chế độ canh tác

Ở những tầng đất mặt thoáng khí, tỷ lệ ôxy trong không khí đất gần ngang với trong khí quyển Còn ở những tầng quá trình trao đổi khó khăn như đất glây, đất ngập nước thì lượng ôxy giảm xuống rất mạnh, thậm chí còn lại phần vạn Lượng chứa CO2 thì ngược lại tăng lên

Theo Monthei và cộng sự (1964) cho rằng: dòng khí CO2 là 1,5 g/ngày vào mùa đông và 6,7 g/ngày vào mùa hè trên đất sét trống Currie (1970) xác định giá trị của khí này là 1,2 g/ngày vào mùa đông

và 16 g/ngày vào trong mùa hè trên đất trống; còn trên đất trồng cải xoăn giá trị ứng với các mùa này là 3,0 và 35 g/ngày

Năm 1967, Kemper đưa ra giá trị tiêu hao O2 trong khoảng 2,5 và 5,0 g/ m2/ ngày trên đất trống và giá trị này lớn gấp 2 lần trên đất có canh tác Cũng theo Currie (1970) tỷ số tiêu hao O2 là giữa 60 và 75 % của tỷ số CO2 được tạo thành đạt tối đa là 24 g/m2 dưới cây cải xoăn vào mùa hè

Ngoài các chất khí kể trên, trong đất còn có thể một số chất khí khác được sinh ra như: NH3, H2S, CH3

Trong đất các chất khí biến hoá liên tục và được cân bằng theo phương trình sau:

Khối lượng theo thể tích chất khí đi vào qua diện tích x y* tại z trong thời gian t = khối lượng chất khí thoát ra qua diện tiện tích x y tại z+z trong thời gian t

+ Khối lượng chất khí tăng lên theo thể tích được giữ lại trong thời gian t

+ Khối lượng chất khí theo thể tích mất trong thời gian t bằng con đường phản ứng hoá học hay sinh học

1.3 Tính thông khí của đất

Tính thông khí của đất là khả năng di chuyển của không khí qua các tầng đất Là nhân tố thường xuyên quyết định tốc độ trao đổi khí giữa đất và khí quyển, nghĩa là quyết định lượng O2 và CO2 trong đất, do đó ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của vi sinh vật, của các phản ứng xảy

ra trong đất, ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp tới đời sống cây trồng

Sự di chuyển không khí trong đất chính là quá trình khuếch tán của khí tiến hành ở các khe hở liên tục, không bị tắc và không chứa nước Khe hở càng lớn tính thông thoáng càng cao Theo kết quả nghiên cứu ngoài đồng ruộng của Học viện nông nghiệp Timiriazev (CHLB Nga) thì điều kiện tiên quyết đối với tính thông khí là độ hổng phi mao quản lớn Nếu nó đạt trên 10 % thì sự thông khí thực hiện hoàn toàn, khi đó độ ẩm

dù có tăng đến độ ẩm bão hoà thì tính thông cũng không giảm đáng kể Ðất sét không có kết cấu nên độ hổng phi mao quản thấp thì tính thông khí thấp và có thể giảm tới zero ngay cả khi độ ẩm chưa đạt mức bão hoà Ðất có kết cấu tốt (độ hổng mao quản và phi mao cao), tính thông khí lớn cho dù khi độ ẩm rất cao

W A Jury và cộng sự (1986) đã cải biên định luật khuếch tán chất khí trong tự nhiên của Fick để xác định dòng khí trong đất như sau:

J g=

z

C D z

C

D g a g g s g

g















Trong đó D a

g s

g D là hệ số khuếch tan chất khí trong đất; g là hệ số uốn khúc < 1; g= a, khi  là hằng số, a là hằng số khí theo thể tích,

a

g

D là hệ số khuếch tán không khí trong tự nhiên

g được Millingt và Quirk (1961) mô hình hoá thành:

g= a 10/ 3 /  2

Trong đó:  là độ hổng đất và a phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo đoàn lạp của đất, theo Penma (1940) lấy trong khoảng 0,195< a < 0,676 hoặc theo Flegg (1953) trong đất 0,35<a < 0,75, có thể lấy < 0, 89 trong đất đoàn lạp tốt

1.4 Biện pháp điều tiết không khí trong đất

Muốn điều tiết chế độ không khí trong đất có lợi cho cây trồng và các sinh vật khác, ta cần áp dụng những biện pháp làm tăng hàm lượng

và cải thiện thành phần các chất khí, điều chỉnh tính thông khí của đất bằng tổng hợp các biện pháp sau:

- Tăng cường và cải thiện kết cấu đất, làm tăng độ hổng mao quản và phi mao quản bằng việc cày sâu kết hợp bón nhiều phân hữu cơ hay trả lại phế phụ phẩm nhiều nhất cho đất

- Làm tăng độ thoáng khí bằng cách lên luống, làm cỏ sục bùn, xới xáo (đặc biệt là xới đất phá váng sau khi mưa)

- Xếp ải là biện pháp rất tốt để cải thiện thành phần không khí đất, làm tăng hàm lượng các hợp chất ôxy hoá, giảm chất khử, chất độc

- Ðối với những chân ruộng trũng, không có điều kiện làm ải (thời gian ngắn) nên làm dầm rồi sau đó bừa kỹ

2 Nhiệt trong đất

2.1 Nguồn nhiệt trong đất và vai trò của nhiệt

Nguồn nhiệt chính cung cấp cho đất là năng lượng từ tia nắng mặt trời Hằng số năng lượng mặt trời năng lượng của tia nắng mặt trời chiếu thẳng góc đến 1 cm2 đất trong 1 phút, khi trái đất cách mặt trời một

khoảng trung bình Hằng số này là 1964 Calo/cm2/phút Các quá trình hao tổn dọc đường phụ thuộc rất nhiều yếu tố: độ dài đường đi, nồng độ khí, mây mù, góc chiếu Trong thực tế năng lượng này ít hơn nhiều do quá trình khúc xạ vào khí quyển và phản xạ từ mặt đất A Geiger (1965)

và Chang (1961) cho rằng chỉ khoảng 45 % năng lượng mặt trời đi tới

mặt đất, trong đó lại chỉ có 67 % cung cấp cho đất, phần còn lại hao tổn theo các con đường khác nhau như: phản xạ, hấp phụ trong không trung (hình 10.1)

Song song với nguồn nhiệt chính nói trên còn có nguồn nhiệt sinh

ra từ các phản ứng hoá học, sinh học xảy ra trong đất và những nguồn nhiệt khác như nhiệt thấm ướt, nhiệt từ trong lòng đất, từ các nguyên tố phóng xạ Tuy nhiên vai trò của các nguồn nhiệt này bé hơn nhiều so với bức xạ mặt trời

Chế độ nhiệt thông qua nhiệt độ rất quan trọng đối với quá trình hình thành và biến đổi của đất, nhiệt độ quan hệ chặt chẽ với quá trình lý học, hoá học và sinh học xảy ra trong đất

Nhiệt độ trong đất còn ảnh hưởng trực tiếp đến tất cả các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng Ví dụ, sự phát triển của bộ rễ và nốt sần ở cây họ đậu, sự phát triển của thân, lá, hoa, kết trái và độ chín của quả đều đòi hỏi ở nhiệt độ phù hợp

Trong đất sự hoạt động của các vi sinh vật trong các khoảng nhiệt

độ là khác nhau Nhìn chung nhiệt độ thích hợp cho các quá trình phát triển của nhiều loài sinh vật là 25 đến 300C

Hình 10.1 Phân bố bức xạ ngoài và trên mặt đất trong mùa hè

A A Geiger (1965) và Chang (1961)

2.2 Ðặc tính nhiệt trong đất

Các tính chất cơ bản của nhiệt trong đất là: Khả năng hấp thụ nhiệt, nhiệt dung, tính dẫn nhiệt và khả năng phóng nhiệt

a Tính hấp thụ nhiệt

Tính hấp thụ nhiệt là khả năng thu nhận nhiệt từ tia nắng mặt trời của đất, được đặc trưng bằng "suất phản xạ"(Albedo) "Suất phản xạ" A

là tỷ số phần trăm của năng lượng phản xạ từ mặt đất hay cây Hf so với tổng số năng lượng ánh sáng chiếu xuống đất Hr

A (%) = 100

H

H

r f

A là đặc trưng cho chế độ nhiệt trong đất và phụ thuộc vào các yếu

tố (bảng 10.2) sau:

Bảng 10.2 Quan hệ trạng thái mặt đất với suất phản xạ

Ðặc trưng mặt A (%) Ðặc trưng mặt A (%)

Phản xạ (28%)

Hấp phụ (16%) Tia trực

tiếp (19%) Bức xạ toàn cầu (45%)

Bức xạ khí quyển (25%) Khuyếch tán

Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển (100%)

Phản xạ (16%) Bức xạ ra

ngoài hữu ích (17%)

Bốc hơi phát tán

Nhiệt cảm ứng Bức xạ hữu hiệu (67%)

Dòng nhiệt vào đất (0%)

(11%)

100%

(37%) mây

đất đất

Phủ tuyết trắng*

Ðụn cát sáng*

Ðồng cỏ và hoa

màu*

Rừng*

Mặt nước*

Ðất xám khô**

Ðất xám ướt**

Ðất sét khô**

Ðất sét ướt**

75-95 30-60 12-30 5-20 3-10 25-30 10-12

23

16

Ðất đen khô**

Ðất đen ướt**

York)++

Mía (Hawai)++

Dứa (Hawai)++

Khoai tây (LB Nga)++

14

8 23,5 5-18 5-8 15-25

Nguồn: * Geiger (1965); ** Chudnovskii (1966); ++ Chang (1968) Suất phản xạ phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

 Màu sắc đất Ðất màu tối thu nhiệt tốt làm giảm giá trị của A Vì thế đất giàu mùn phản xạ nhiệt ít, nhận được nhiều nhiệt hơn đất nghèo mùn

 Thành phần cơ giới đất Ðất nặng chứa nhiều sét, khả năng hấp phụ nước và các vật chất khác cao hơn đất nhẹ Chứa nhiều nước dẫn đến suất phản xạ của đất nhỏ

 Ðộ ẩm đất Ðất ẩm có suất phản xạ bé hơn đất khô do nước có nhiệt dung lớn hơn đất

Ngoài ra, quá trình bốc hơi nước tiêu hao khá nhiều nhiệt Vì vậy, đất

ẩm vào mùa đông ấm, ngược lại vào mùa hè mát

 Trạng thái mặt đất Mặt đất bằng phẳng giá trị A càng lớn

 Thảm thực vật Mức độ ngăn cản ánh nắng mặt trời phụ thuộc vào loại cây và mật độ của cây

 Hướng dốc cũng ảnh hưởng đáng kể đến suất phản xạ Dốc theo hướng Nam sẽ có giá trị của A bé hơn

 Vĩ độ Vĩ độ càng cao thì suất phản xạ càng lớn do hai nguyên nhân Trước hết là trên đường đến mặt đất xa hơn bức xạ bị hao tổn do các yếu tố sẽ lớn hơn Thứ hai, góc tới của bức xạ càng lớn suất phản xạ càng cao

b Nhiệt dung của đất

Nhiệt dung riêng của đất là số calo cần thiết để đốt nóng 1 gam đất hay 1 cm3 đất lên 10C Ðất cấu tạo bao gồm pha rắn, pha lỏng và pha

khí Trong đó chất khí có nhiệt dung riêng rất thấp (0,000306 calo/g

đất) Vì thế nhiệt dung riêng của đất là do hạt rắn và nước trong đất

quyết định Nhiệt dung riêng của nước là 1 cal/g (4,18 jun/g), quân bình của đất khô kiệt là 0,2 cal/g (gần 0,8 jun/g) Các loại đất có nhiệt dung riêng khác nhau Ví dụ, theo A.H Xabanhin nhiệt dung riêng A các đất đen, xám và đỏ lần lượt là: 0,230; 0,217 và 0,248

Ðể tính chính xác nhiệt dung riêng của đất ta dùng công thức sau:

Cđất= Xa Ca+XwCw+ 



N

J

si

si C X

1

(1)

Trong đó: X phần thể tích, C là nhiệt dung riêng theo thể tích và a,

w, si chỉ không khí, nước, và loại hạt rắn i trong đất Và được de Vries (1963) mô hình hoá như sau:

Cđất=   0 , 461 X0 0 , 60X0 (2)

Trong đó: X0 là thể tích phần chất hữu cơ;  là độ hổng;  là lượng nước theo thể tích; - X0 là phần thể tích của tất cả các loại khoáng vật

c Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt qua các tầng đất hay các

vùng trong đất Sự di chuyển của nhiệt tương tự như nước trong đất, tỷ

số dòng nhiệt có thể xác định bằng lực truyền (driving force) và bằng sự thoát với dòng nhiệt qua đất Tỷ số này được biễu diễn theo định luật

Fourier:

J Hc = -

dz

dT λ

Trong đó: J Hc là dòng dẫn nhiệt,  là hằng số sức dẫn nhiệt; T là

nhiệt độ

 phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

 Ðộ ẩm đất Ðộ ẩm càng cao sức dẫn nhiệt của đất càng lớn do nước truyền nhiệt cao hơn không khí

 Ðộ chặt của đất Ðất chặt, các hạt đất xếp sít vào nhau trong khi các hạt khoáng dẫn nhiệt tốt hơn nước do đó đất ẩm bị nén chặt dẫn nhiệt tốt hơn

 Thành phần và số lượng cấp hạt Có thể xếp sức dẫn nhiệt theo thứ tự sau: cát > thịt > sét > than bùn

Có thể tham khảo sức dẫn nhiệt của một số loại đất có ẩm độ khác nhau do Geiger (1965) đưa ra trong bảng 10.3

Bảng 10.3 Sức dẫn nhiệt của các loại đất khác nhau

Ðất  (10-3 cal cm-1 s-1

0

C-1)

Ðất  (10-3 cal cm-1 s-1

0

C-1) Cát ướt

Cát khô

Sét ướt

Sét khô

4,00 0,55 3,50 0,17

Ðất thịt ướt Ðất thịt khô Than bùn ướt

Than bùn khô

-

- 0,85 0,20

2.3 Cân bằng nhiệt ở mặt đất

Cân bằng nhiêt ở mặt đất là cân bằng giữa lượng nhiệt đi vào mặt đất và lượng nhiệt đi ra khỏi mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định

Nếu ta xem nhiệt đi vào làm thay đổi nhiệt độ mặt đất thì có thể viết cân bằng năng lượng nhiệt trạng thái ổn định ở mặt đất như sau:

Năng lượng thực đi vào mặt đất = năng lượng thực thoát khỏi mặt đất

Thành phần của cân bằng năng lượng nhiệt Tồn tại 3 quá trình

vận chuyển nhiệt chủ yếu khỏi mặt đất Một, dòng nhiệt đối lưu hay

dòng nhiệt mẫn cảm S biểu hiện không khí ấm đi lên từ vùng bề mặt vào

khí quyển bên trên Quá trình này trước hết xảy ra do sự đối lưu hỗn

loạn của không khí Thứ hai, gọi là dòng nhiệt của đất J H biểu thị dòng nhiệt thẳng đứng đi vào đất Thứ ba, đối lưu nhiệt do bốc hơi phát tán và hơi nước tiếp tục rời khỏi mặt đất vào khí quyển phía trên và được gọi là