Giáo trình -Thổ nhưỡng học - chương 8 ppt

Khái niệm về cấp hạt cơ giới và thành phần cơ giới đất Kết quả của quá trình hình thành đất đã tạo ra được các hạt đơn đất có kích thước và hình dạng khác nhau.. Dựa trên tỷ lệ của các

Chương VIII THÀNH PHẦN CƠ GIỚI VÀ KẾT CẤU ĐẤT

1 Thành phần cơ giới đất

1.1 Khái niệm về cấp hạt cơ giới và thành phần cơ giới đất

Kết quả của quá trình hình thành đất đã tạo ra được các hạt đơn đất

có kích thước và hình dạng khác nhau Những hạt đơn đất đó được gọi là

"phần tử cơ giới đất" hay còn gọi là hạt cơ giới đất Như vậy các phần tử

cơ giới đất có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ hay vô cơ- hữu cơ Nhưng trong đất phần lớn các hạt đất có nguồn gốc vô cơ trừ các loại đất được gọi là đất hữu cơ (có từ 16 % cacbon hữu cơ trở lên)

Những phần tử cơ giới nằm trong một phạm vi kích thước nhất định thì có đặc tính và thành phần hoá học khác với những hạt trong phạm vi kích thước khác Người ta gọi những hạt có phạm vi cùng kích thước đó là cấp hạt cơ giới Ta có 3 cấp hạt cơ giới cơ bản, đó là: cấp hạt cát, cấp hạt bụi còn gọi là Limon và cấp hạt sét

Hàm lượng các cấp hạt đựơc biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm khối

lượng Tỷ lệ tương đối giữa các cấp hạt cơ giới gọi là thành phần cơ giới đất hay còn gọi là thành phần cấp hạt Dựa trên tỷ lệ của các cấp hạt đó tên đất được gọi là đất cát,đất thịt hoặc đất sét Nhiều khi người ta cũng gọi là đất nhẹ, đất trung bình hoặc đất nặng

Cũng cần lưu ý rằng, các phần tử cơ giới của đất là những hạt độc lập riêng rẽ Trong trường hợp các hạt cơ giới liên kết lại với nhau thì đó

là một đối tượng nghiên cứu khác được gọi là kết cấu đất hay cấu trúc đất (structure) Vì vậy trong quá trình xác định các cấp hạt để nghiên cứu thành phần cơ giới đất cần tách triệt để các hạt đơn đất ra bằng việc kết hợp các phương pháp phù hợp như tán, lắc, khuấy, đun sôi, các hoá chất phân tán

1.2 Phân chia cấp hạt cơ giới

Tiêu chuẩn phân chia cấp hạt cơ giới của các nước trên thế giới có khác nhau nhưng vẫn có một "mốc" chung Tại mốc này sự thay đổi về kích thước các hạt đất sẽ dẫn tới sự thay đổi đột ngột về tính chất đặc biệt

là tính chất vật lý của đất Ví dụ, tính mao dẫn xuất hiện ở mốc 1,0- 2,0

mm hay mốc 0,1- 0,2 mm là mốc bắt đầu có tính dính, tính dẻo và đất khó thấm nước Ta có thể so sánh sự khác nhau trong việc phân chia cấp hạt của các nước trên thế giới qua bảng 8.1

Bảng 8.1 Cấp hạt cơ giới của Liên Xô (cũ), Bộ Nônghiệp Mỹ

(USDA), FAO- UNESCO (mm)

3-1

Cuội

> 2

Sỏi 64- 4

Sỏi

2-1

Sạn 4-2

Cát thô

1- 0,5

Cát thô 1- 0,5

Cát rất thô 1-2

Cát trung bình 0, 5-

0,25

Cát trung bình 0, 5- 0,25

Cát thô 1-0,5

Cát mịn 0,25-

0.05

Cát mịn 0,25- 0.02

Cát trung bình 0,5- 0,25

0,2- 0,05

Cát mịn 0,25- 0,1

0,1- 0,05 Bụi thô

0,05- 0,01

Bụi 0,05-,005

Bụi 0,05- 0,002

trương (giãn nở) và tính co, tính dính, tính dẻo Sét vật lý là những hạt

có kích thước < 0,01 mm Những hạt này thể hiện rõ tính vật lý của hạt sét như tính dẻo, tính trương, tính co, tính thấm nước kém, tính mao dẫn lớn, lúc ướt thì dẻo quánh, lúc khô thì rắn chắc Cũng nên lưu ý rằng sự phân chia như trên được thực hiện trong quá trình phân tích cấp hạt, còn trong thực tiễn áp dụng vào phân loại đất theo thành phần cơ giới thì người ta chỉ xét theo 3 cấp hạt chủ yếu là cát, bụi và sét Các cấp hạt chi tiết chỉ được ứng dụng khi nghiên cứu đất ở các cấp phân vị thấp nhất như cấp chủng của Liên Xô (cũ), cấp series của Mỹ, cấp phases của

FAO- UNESCO

Cho đến nay ở Việt Nam vẫn áp dụng bảng phân chia cấp hạt của Liên Xô (cũ) và một số trường hợp dùng bảng của Liên Hiệp Quốc

(LHQ) hay của Bộ Nông nghiệp Mỹ Tuy nhiên bảng của FAO-

UNESCO (1970) được áp dụng phổ biến vì hai lý do: thứ nhất, trong thực tế phân tích cấp hạt người ta được phép đơn giản hoá số cấp hạt còn lại 3 cấp cơ bản; thứ hai, phương pháp phân loại đất theo FAO-

UNESCO đang ngày càng được áp dụng rộng rãi So với bảng của LHQ năm 1927, bảng của FAO- UNESCO có một ít thay đổi, từ 7 cấp tăng lên 11 cấp chủ yếu ở các cấp lớn hơn 2 mm

1.3 Thành phần và đặc tính của các cấp hạt cơ giới

Các tài liệu nghiên cứu cho thấy thành phần hoá học của các cấp hạt khác nhau rất khác nhau, đặc biệt là tỷ lệ 3 nguyên tố silic, nhôm và sắt Ðiều này rất phù hợp với thành phần khoáng vật trong đất Ta có thể thấy rõ qua số liệu của N.A Kachinxki (1970) ở bảng 8.2

Bảng 8.2 Thành phần hoá học của các cấp hạt cơ giới trong đất

rừng xám sáng

Cấp hạt

(mm)

Tỷ lệ các chất (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O P2O5 0,05- 0,01 87,57 5,72 3,43 0,46 0,53 1,43 Vệt

Nhìn chung cấp hạt càng mịn, tỷ lệ các nguyên tố (trừ silic) trong đó

có cả nguyên tố dinh dưỡng càng cao Tuy nhiên các nguyên tố dinh dưỡng N và P thì không phải lúc nào cũng tuân theo quy luật này vì bản thân các hạt sét không chứa các nguyên tố đó Do vậy ở những loại đất sét ta không bón phân năng suất cây trồng rất thấp

Ta càng thấy sự khác nhau rõ nét của các cấp hạt đất qua một số tính chất vật lý của chúng được V.V Okhotin và V G Trasuc trình bày

trong bảng 8.3

Ta dễ dàng nhận thấy các cấp hạt từ to đến nhỏ như sau:

 Ðộ ẩm phân tử cực đại tăng dần lên

 Khả năng thấm nước giảm dần

 Cột nước trong mao dẫn tăng cao dần

 Từ 0,25 mm thì bắt đầu có tính trương (giãn nở) và tăng nhanh

 Tính co biểu hiện rất chậm và chỉ xuất hiện ở những cấp hạt bé nhất

 Từ 0,25 mm xuất hiện tính dẻo và tăng dần

Sức chống nén và sức dính chỉ xuất hiện ở các cấp hạt mịn hơn 0,01 mm

và tăng nhanh

Bảng 8.3 lần nữa chứng minh về mốc xuất hiện các tính chất vật lý một cách đột ngột là mốc 1,0 mm và mốc 0,01 mm và cũng ở những mốc như vậy các tính chất hoá lý của đất có sự thay đổi nhất định

Bảng 8.3 Tính chất vật lý của các cấp hạt cơ giới

Cấp hạt

Ðộ

ẩm

Ðộ thấ

Cột nướ

Giã

n

Co the

Ðộ ẩm (%) theo

Sức chốn

Sức dính

(mm) phân

tử cực đại (%)

m nướ

c (cm/

s)

c mao dẫn (cm)

nở the

o thể tích (%)

o thể tích (%)

Giới hạn chảy

Giới hạn nặn đượ

c

g nén tạm thời (G/c

m2)

cực đại (G/cm2)

1.4 Phân loại đất theo thành phần cơ giới

Trong thực tiễn sản xuất vai trò của thành phần cơ giới rất quan

trọng Nông dân ta từ xưa đã dựa vào những nhận xét ngoài đồng ruộng trong quá trình sản xuất để chia đất ra thành các loại: đất cát già, cát non, thịt pha cát, thịt nhẹ, thịt nặng, đất sét, đất gan gà, đất gan trâu Mỗi loại đất chỉ phù hợp với một số loaị cây trồng nhất định và cần có biện pháp canh tác thích hợp Khi ngành thổ nhưỡng học hình thành và phát

triển việc phân loại đất theo thành phần cơ giới đã đưa ra tiêu chuẩn cụ thể trên cơ sở tỷ lệ tuơng đối giữa các cấp hạt Việc phân loại đất theo thành phần cơ giới cũng đồng nghĩa với việc gọi tên đất Cần lưu ý rằng phân loại đất theo thành phần cơ giới khác với việc phân loại đất (soil classification) theo nguồn gốc và quá trình hình thành đất

Trên thế giới có nhiều bảng phân loại đất theo thành phần cơ giới khác nhau, nhưng phổ biến nhất là bảng của Liên Xô (cũ), của USDA và của FAO- UNESCO.Trước đây Liên Xô và LHQ thường trình bày dưới dạng bảng để đối chiếu và phân loại đất theo thành phần cơ giới Gần đây FAO- UNESCO tương tự như USDA trình bày trên tam giác đều Sau đây ta tìm hiểu các bảng phân loại đó

Bảng phân loại đất theo thành phần cơ giới của Liên Xô dựa vào 2 cấp hạt: sét vật lý và cát vật lý và được áp dụng cho các nhóm đất

potzôn, đất thảo nguyên, đất đỏ, đất vàng, đất mặn riêng biệt Ðây là sự khác với bảng phân loại đất theo thành phần cơ giới của USDA và của FAO- UNESCO áp dụng cho mọi loại đất không phân biệt nguồn gốc và quá trình hình thành

Cách sử dụng bảng này để gọi tên đất cũng rất đơn giản Ví dụ, một loại đất potzôn có các cấp hạt:

Sét vật lý( < 0,01 mm) Cát vật lý( > 0,01 mm)

Loại đất

Ðất potzôn

Ðất thảo nguyên, đất đỏ, đất vàng

Ðất mặn

Ðất potzôn

Ðất thảo nguyên, đất đỏ, đất vàng

Ðất mặn

Ðất cát rời 0- 5 0- 5 0- 5 100-

95

100- 95 100-

95 Ðất cát dính 5- 10 5- 10 5- 10 95- 90 95- 90 95- 90 Ðất cát pha 10- 20 10- 20 10-

Tra bảng 8.4, ta dễ dàng gọi tên đất này là đất thịt trung bình

Ðể tiện lợi cho việc sử dụng USDA cũng như FAO- UNESCO đã xây dựng tam giác đều, trên đó các phần diện tích tương ứng với những tên đất đã được tính toán theo bảng phân loại (hình 8.1 và hình 8.2) Theo đó, ở Mỹ theo thành phần cơ giới đất có 12 tên gọi khác nhau

% cát

60 50 40 30 20 10

10 20 30 40 50 60 70 80 90

10

USDA (Harry Bucknam- Nyle

C Brady, 1980)

Muốn xác định tên gọi của đất trên sơ đồ này, ta làm như sau: Trên các cạnh theo chiều tăng dần của sét, limon và cát, lấy 3 điểm ứng với tỷ

lệ các cấp Từ 3 điểm ta kẻ 3 đường thẳng song song với 3 cạnh: cát, sét

và limon Ðiểm gặp của 3 đường ở miền nào ta có tên gọi của đất ở đó

Ví dụ, đất A có 15 % sét + 25 % limon + 60 % cát; lần lượt ta kẻ đường xuất phát từ 15 % sét song song với cạnh cát; từ điểm 25 % limon ta kẻ đường thứ 2 song song với cạnh sét và từ điểm 60 % cát ta kẻ đưòng song song với cạnh limon Ba đường này gặp nhau tại miền số 7, ta có tên đất là đất thịt pha cát

Năm 1976 FAO- UNESCO có sự thay đổi nhỏ trong việc phân loại đất theo thành phần cơ giới, kết quả được trình bày trên sơ đồ tam giác

cơ giới (hình 8.2) Tương tự, ta cũng sử dụng kỹ thuật nêu trên để tìm và gọi tên đất theo thành phần cơ giới trong sơ đồ hình tam giác đều FAO- UNESCO đưa ra Theo đó đất có 6 tên gọi chính được chia thành 16 tên phụ ứng với 16 miền trên sơ đồ

100

clay- sét (%)

Limon (%)

50 40 30 20 10

50 60 70 80 90

Sét rất mịn

Sét pha

Sét pha limon

Sét mịn Sét

Hình 8.2 Sơ đồ xác định thành phần cơ giới đất

của FAO- UNESCO

1.5 Tính chất các loại đất có thành phần cơ giới khác nhau và biện

pháp cải tạo

Do thành phần hoá học cũng như tính chất của các cấp hạt khác nhau

nên các loại đất có thành phần cơ giới khác nhau có độ phì nhiêu khác

nhau Từ đó việc sử dụng cũng như biện pháp cải tạo chúng đựoc áp

dụng khác nhau cho phù hợp và hiệu quả Sau đây ta so sánh 3 loại đất

có thành phần cơ giới khác nhau: đất cát, đất sét và đất thịt

+ Ðất cát

Là loại đất trong đó tỷ lệ cấp hạt cát lớn, có thể đạt tới 100 % Ðất

cát có những ưu nhược điểm sau:

 Do các hạt có kích thước lớn nên tổng thể tích khe hở, lớn nhất là khe

hở phi mao quản, từ đó nước dễ thấm xuống sâu và đồng thời cũng

dễ bốc hơi nên dẫn tới đất dễ bị khô hạn

 Trong đất cát điều kiện ôxy hoá tốt nên chất hữu cơ bị khoáng hoá

mạnh dẫn đến đất nghèo mùn

 Ðất cát dễ bị đốt nóng vào mùa hè và cũng dễ mất nhiệt trở nên nguội lạnh vào mùa đông, bất lợi cho cây trồng và vi sinh vật phát triển

 Ðất cát rời rạc, dễ cày bừa giảm công làm đất, nhưng nếu mưa to hay tưới ngập, đất thường bị lắng rẽ, bí chặt

 Ðất cát chứa ít keo nên khả năng hấp phụ thấp, khả năng giữ nước giữ phân (chất dinh dưỡng) kém Vì vậy nếu bón nhiều phân tập trung vào một lúc cây không sử dụng hết, một phần lớn bị rửa trôi do đó gây lãng phí Trên đất cát khi bón phân hữu cơ nhất thiết phải vùi sâu

Thực tế sản xuất trên đất cát, do cơ sở vật chất không cho phép

chúng ta cải tạo thành phần cơ giới bằng đưa sét vào Muốn đạt năng suất cao nhất chỉ có thể bố trí những loại cây trồng phù hợp với đất cát đồng thời áp dụng những kỹ thuật canh tác hợp lý Tuy vậy một số vùng đất cát trong phẫu diện dưới tầng cát có tầng sâu(subsoil horizon) với tỷ

lệ sét cao, ta có thể cày sâu lật sét lên tầng mặt Lúc đó nhất thiết phải tăng cường phân bón nhất là phân hữu cơ để cải thiện được độ phì và cho năng suất cao

+ Ðất sét

Ðất sét là loại đất trong đó cấp hạt sét chiếm tỷ lệ cao, ngược lại

tỷ lệ cát thấp hoặc không có Khi xét về đất sét ta cần lưu ý đến trạng thái kết cấu của đất Nếu đất sét không có kết cấu hay kết cấu kém thì

có những ưu nhược điểm dưới đây:

 Hạt sét bé nên khe hở giữa chúng nhỏ dẫn đến thoát nước kém dễ bị úng gây tác hại cho cây trồng cạn

 Ðộ thoáng khí thấp nên dễ gây ra glây hoá, xác hữu cơ phân giải chậm, lượng chất hữu cơ tích luỹ nhiều hơn

 Ðất chứa nhiều sét hơn nên sức cản lớn, tính dính cao gây khó khăn hơn cho việc làm đất

 Do nhiều sét nên đất có khả năng hấp phụ lớn, các chất ít bị rửa trôi, tính đệm cao

hơn Ngoài ra độ ẩm cây héo cao hơn nhiều đã làm giảm lượng nước hữu hiệu so với đất cát

 Tuy nhiên, nếu đất sét chứa nhiều chất hữu cơ trở nên có kết cấu tốt thì lại là một loại đất lý tưởng nhờ khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, nước, không khí được cải thiện thoả mãn cho cây trồng

+ Ðất thịt

Ðất thịt là loại đất có tỷ lệ của các cấp hạt cũng như các đặc tính lý hoá học nằm trung gian giữa 2 loại đất cát và đất sét Thường đất thịt có mặt đầy đủ cả 3 cấp hạt cát, limon và sét Nếu là đất thịt nhẹ thì tỷ lệ cấp hạt cát lớn, ngược lại đất thịt nặng tỷ lệ cấp hạt cát giảm mà tỷ lệ cấp hạt sét tăng

Nói chung đất thịt trung bình là tốt vì vừa có những đặc tính lý, hoá học và sinh học phù hợp cho nhiều loại cây trồng vừa dễ làm đất và

chăm bón lại có năng suất cao

1.6 Phương pháp phân tích thành phần cơ giới

Sau khi đã áp dụng các phương pháp thích hợp để phân tán các phần

tử cơ giới, ta tiến hành tách các cấp hạt từ mẫu đất Có 2 nhóm phương

pháp cơ sở, đó là sa lắng và dòng chảy Thuộc nhóm thứ nhất có các

phương pháp của Atterberga, phương pháp pipet (ống hút) của Koln-

Kachinxki, phương pháp tỷ trọng kế của Bouyoucos được Cassagrande

và Proszynski cải tiến; thuộc nhóm thứ hai có phương pháp của Schony

và phương pháp của Kopexki Gần đây người ta áp dụng phương pháp li

tâm để tách các cấp hạt bé nhất

Hiện nay phương pháp pipet được dùng phổ biến ở Việt Nam, trong

một số trường hợp người ta cũng sử dụng cả phương pháp li tâm

 Phương pháp pipet

Ðịnh luật sa lắng của Stockes nói rằng, tồn tại một sự phụ thuộc

giữa lực cản vật rơi trong môi trường phân tán (w) với kích thước vật

rơi, với tốc độ rơi và với độ nhớt chất lỏng

w = 6  k r v

(1)

Trong đó: w tính theo dyn, r theo cm, v theo cm/s và k theo g/cm/s

Khi vật rơi trong nước lực đẩy Archimedes (F) được tính theo công

M1 là khối lượng chất lỏng do vật rơi chiếm = 4/ 3  r3

C; độ nhớt của nước là 0,0101 g/cm/s; gia tốc rơi tự do là 981 cm/ s2

Sau khi biến đổi ta thu được:

t- thời gian vật rơi

h với d là bán kính vật rơi (cm)

(7)

Như vậy nếu định sẵn tại thời điểm đo nào đấy, ta sẽ thu được các

hạt rơi trong phạm vi kích thước d với giả thiết vật rơi tròn

Phương pháp pipet chính xác đối với các cấp hạt từ 0,1 mm đến 0,001

mm Vì thế các cấp hạt lớn hơn ta dùng phương pháp rây còn những cấp

hạt bé hơn ta nên dùng phương pháp li tâm

D D r 9

2

1 2 1 2

kh 9 )

( t 2

-kh 9 r

D D g

D

2 2 1

2

D Dtr

2 2

2

-kh 9 d

2.1 Khái niệm chung về kết cấu

Ta gọi một trạng thái ở đó đất có cấu tạo hạt kết (đoàn lạp-

Aggregate) đảm bảo cho cây trồng có điều kiện thích hợp về chế độ nước, không khí và nhiệt là kết cấu đất

Trong đất có kết cấu, tồn tại một trạng thái cân bằng, kết quả là các khe hở và các đoàn lạp được duy trì Ngược lại trạng thái này bị phá vỡ thì đất mất kết cấu Một trạng thái cân bằng như vậy chỉ có thể tồn tại ở những môi trường thổ nhưỡng nhất định Con người có thể tác động vào

đất thông qua những kỹ thuật canh tác thích hợp như làm đất tối thiểu, phân bón, thuỷ lợi và đặc biệt là hệ thống cây trồng để tạo ra một trạng thái kết cấu tốt

Khái niệm kết cấu trong thực tế nông nghiệp được hiểu là "cấu tạo đất có hạt kết" (có đoàn lạp) Nhưng kết cấu hiểu đúng bao gồm:

 Cấu tạo hạt kết (đoàn lạp)

 Hệ thống và độ hổng đất

Biểu hiện bề ngoài của kết cấu đất là cấu tạo hạt kết Ở một số loại

đất, ngay cả trong một phẫu diện đất các hạt kết (đoàn lạp) không được hình thành, ví dụ, trong đất cát thô hay trong mẫu chất Ðất như vậy ta gọi là đất không hạt kết Từ đó, ta có thể phân biệt 2 dạng cấu tạo đất như sau:

 Cấu tạo không hạt kết (rời rạc và khối đặc)

 Cấu tạo hạt kết (cấu tạo đoàn lạp) Cấu tạo hạt kết lại chia ra cấu tạo

tự nhiên và cấu tạo nhân tạo (trong đất trồng trọt)

Hình 8.3 Ðất cấu tạo hạt kết tự nhiên a- hạt kết hạt, b- hạt kết viên hạt, c- hạt kết cục có góc cạnh,

d- hạt kết lăng trụ, e- hạt kết hình cột và hình trụ, f- hạt kết tấm (vỉa)