ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT
4.6. Chất dinh dưỡng vi lượng và đa lượng trong đất
Cung cấp các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng là chức năng quan trọng nhất của đất. Chất dinh dưỡng đa lượng là các chất có mặt trong thực vật hay dịch thực vật ở mức nồng độ khá cao. Trong lúc đó, các chất dinh dưỡng vi lượng chỉ có mặt ở mức nồng độ rất thấp nhưng lại cần thiết cho hoạt động của các enzim của thực vật.
4.6.1. Chất dinh dưỡng đa lượng
Cacbon, hydro, ôxi, nitơ, photpho, kali, canxi, magiê và lưu huỳnh được xem là các chất dinh dưỡng đa lượng đối với thực vật.
Thực vật hấp thụ cacbon, hydro và ôxi từ khí quyển. Các nguyên tố đa lượng khác được hấp thụ từ đất. Trong số đó, nitơ, photpho và kali là các chất dinh dưỡng rất quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật, năng suất của vụ mùa, nhưng thường không có đủ trong đất nên phải được bổ sung dưới dạng phân bón.
Thường rất ít gặp loại đất thiếu canxi. Bón vôi để xử lý đất chua cũng đã cung cấp một lượng đáng kể canxi cho thực vật. Đất chua có thể vẫn chứa một lượng lớn canxi, nhưng do sự cạnh tranh giữa ion canxi và ion hydro nên thực vật không thể hấp thụ được lượng canxi này. Xử lý độ chua của đất sẽ khắc phục được tình trạng thiếu canxi này. Trong đất kiềm, các ion natri, magiê, và kali có mặt ở nồng độ lớn có thể cạnh tranh với canxi, gây ra tình trạng thiếu canxi.
Hầu hết magiê trong vỏ Trái đất (2,1%) được liên kết rất bền với các khoáng. Thục vật chỉ có thể hấp thụ được dạng magiê trao đổi liên kết với các chất hữu cơ hay khoáng sét.
Magiê trong đất có đủ cho thực vật hay không còn phụ thuộc vào tỷ số Ca/Mg. Nếu tỷ số này quá cao, đất sẽ bị thiếu magiê. Tương tự như vậy, nếu đất có chứa nhiều natri, kali cũng sẽ gây ra thiếu magiê.
Thực vật hấp thụ lưu huỳnh dưới dạng SO42−. Ngoài ra, ở những vùng không khí bị ô nhiễm SO2, lưu huỳnh còn có thể được cây hấp thụ qua lá.
Thực vật phát triển chậm ở những vùng đất thiếu lưu huỳnh do nguyên tố này là thành phần của một số amino axit cần thiết, thiamin và biotin. Ion sulfat thường tồn tại trong đất dưới dạng khoáng sulfat di động không tan, hoặc dạng muối tan. Không như trường hợp kali, sulfat bị đất hấp thụ một phần (liên kết theo kiểu trao đổi ion), nên một mặt ngăn chặn được tình trạng rửa trôi, mặt khác vẫn cung cấp được sulfat cho thực vật hấp thụ.
Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh được phát hiện trên toàn thế giới. Trong khi đó, hầu hết các loại phân bón trên thị trường lại không chứa, hoặc chứa rất ít lưu huỳnh. Cùng với xu hướng sử dụng phân bón thiếu lưu huỳnh hiện nay, khả năng lưu huỳnh trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn có thể xảy ra ở một số nơi.
Như đã trình bày ở trên, FeS2 phản ứng với axit trong đất sulfat-axit có thể giải phóng H2S rất độc với cây trồng, H2S cũng có khả năng tiêu diệt nhiều vi sinh vât có lợi. Khí H2S độc hại có thể được tạo thành từ phản ứng khử ion sulfat bởi các chất hữu cơ, dưới tác dụng xúc tác của vi sinh vật. Có thể ngăn chặn sự tạo thành H2S trong đất ngập nước bằng các tác nhân oxy hóa, KNO3 là chất ôxi hóa được sử dụng hiệu quả nhất.
4.6.1.1. Nitơ
Hình 4.2 trình bày sự chuyển hóa của nitơ trong đất. Trong hầu hết các loại đất, trên 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ là các sản phẩm sơ cấp của quá trình phân hủy xác động, thực vật. Các sản phẩm này cuối cùng bị phân hủy thành NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tác dụng của các vi khuẩn trong đất thành NO2− rồi NO3−. .
Phân đạm Nitơ được cố định do sấm chớp hoặc
các đám cháy
Đề nitrat hóa
Nitrat hóa
N hữu cơ
Phân Nước tiểu
Xác Thực vật
cố định
đạm Xác thực vật
Động vật
NH+ {đất}
Rễ cây hấp thụ
Trao đổi ion, N2 N2O
NO2
−
NO− NH+
Hình 4.2. Sự chuyển hóa của nitơ trong đất
Không như photpho và kali, quá trình phong hóa không tạo ra nhiều các hợp chất nitơ.
Các loại vi sinh vật có khả năng cố định đạm cũng không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phát triển tối đa của thực vật. Vì vậy, hiện nay một lượng lớn phân bón chứa nitơ đang được sử dụng trong nông nghiệp.
Các hợp chất nitơ vô cơ từ phân bón hoặc từ nước mưa rất dễ bị thất thoát do rửa trôi.
Do được gắn kết chặt chẽ với mùn trong đất, nên nitơ trong các hợp chất của mùn đóng vai trò rất quan trọng đối với độ phì của đất. Mùn là nguồn chứa các hợp chất nitơ của đất. Các hợp chất này bị phân hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ. Quá trình phân hủy này xảy ra gần như song song với sự phát triển của thực vật, nhanh vào mùa ấm (lúc thực vật phát triển mạnh) và chậm vào các tháng mùa Đông.
Thực vật và ngũ cốc phát triển trên đất có giàu nitơ không những chỉ cho năng suất cao mà còn cung cấp sản phẩm giàu protein và chất dinh dưỡng.
Thông thường thực vật hấp thụ nitơ ở dạng nitrat. Một số loại thực vật, ví dụ cây lúa, có thể hấp thụ nitơ ở dạng amoni. Khi bón phân ở dạng amoni, vi khuẩn có trong đất sẽ chuyển hóa amoni thành nitrat. Thực vật có thể hấp thụ và tích lũy một lượng dư nitrat, hiện tượng này thường xảy ra đối với loại đất được bón quá nhiều phân trong điều kiện khô hạn và được gọi là hiện tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation). Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ quá nhiều nitrat có thể độc hại đối với động vật nhai lại như trâu, bò, cừu. Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ các loại thực vật này, người chế biến cũng có thể bị ngộ độc do NO2 sinh ra từ quá trình khử nitrat. Trong thực tế, người ta đã ghi nhận nhiều trường hợp tử vong do nguyên nhân này.
Khoảng 30 đến 40% [14] lượng nitơ được thực vật hấp thụ là nitơ tổng hợp có liên quan đến các nguồn nhân tạo, bao gồm các loại phân bón, nitơ cố định được từ việc đốt nhiên liệu có chứa nitơ và cả việc tăng cường canh tác các cây họ đậu có khả năng cố định đạm.
Trước khi có phân bón nhân tạo chứa nitơ, nitơ trong đất được cung cấp chủ yếu từ quá trình cố định đạm của các cây họ đậu. Vi khuẩn cộng sinh trên rễ các loại cây này (đậu tương, cỏ linh lăng, cỏ ba lá,…) có khả năng cố định nitơ từ khí quyển. Lượng nitơ cố định được qua con đường này cũng rất lớn, 10 pound/mẫu Anh.năm (≈ 11,2 kg/ha.năm) [14], tương đương
với lượng nitơ từ phân bón nhân tạo sử dụng trong nông nghiệp.
Việc sử dụng nhiều phân bón nitơ đã gây ra một số hậu quả về mặt môi trường. Các hợp chất của nitơ bị các vi sinh vật trong đất chuyển hóa thành N2O, NO và NO2 gây ô nhiễm không khí. Nguồn nước mặt và nước ngầm ở các vùng nông nghiệp có thể bị ô nhiễm do nitrat. Hậu quả của các tác nhân gây ô nhiễm này đã được trình bày trong các chương về ô nhiễm không khí và ô nhiễm nước.
4.6.1.2. Photpho
Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong thành phần sinh khối thực vật, nhưng photpho là chất dinh dưỡng không thể thiếu được đối với thực vật. Cũng như nitơ, photpho chỉ được cây trồng hấp thụ dưới dạng vô cơ. Thực vật hấp thụ các dạng octophotphat khác nhau. Ở pH của hầu hết các loại đất, octophotphat thường tồn tại chủ yếu ở dạng H2PO4− và HPO42−. Thực vật hấp thụ octophotphat tốt nhất ở pH gần trung tính. Người ta cho rằng, trongđất chua, octophotphat vẫn có thể tạo kết tủa với Al(III) và Fe(III). Trong đất kiềm, octophotphat phản ứng với canxi cacbonat tạo thành hydroxyapatite ít tan:
3HPO42− + 5CaCO3(r) + 2H2O → Ca5(PO4)3(OH)(r) + 5HCO3− + OH−
Do phản ứng này mà phân bón photpho ít bị rửa trôi. Vì vậy, việc sử dụng phân bón photpho ít gây ra tình trạng ô nhiễm nước.
4.6.1.3. Kali
Để phát triển thực vật cần hấp thụ một lượng lớn kali. Kali cần thiết cho hoạt động của một số enzim và đóng một vai trò rất quan trọng trong cân bằng nước của thực vật. Nguyên tố này cũng rất cần cho một số chuyển hóa cacbohydrat. Khi đất thiếu kali, năng suất cây trồng sẽ giảm mạnh. Sản lượng thu hoạch càng cao thì kali trong đất càng bị giảm sút. Sử dụng nhiều phân nitơ để tăng năng suất cây trồng cũng làm giảm kali của đất. Vì vậy, kali có thể trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn khi đất được bổ sung nhiều chất dinh dưỡng khác.
Kali là một trong số các nguyên tố rất phổ biến trong lớp vỏ Trái đất (chiếm 2,6%), tuy vậy do kali thường liên kết chặt trong các khoáng silicat, ví dụ trong khoáng leucite K2O.Al2O3.4SiO2, do đó thực vật không thể hấp thụ được. Thực vật chỉ hấp thụ được các dạng kali trao đổi liên kết trong khoáng sét.
4.6.2. Chất dinh dưỡng vi lượng
Bo, clo, đồng, sắt, mangan, molipden và kẽm là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của thực vật, tuy nhiên ở nồng độ cao chúng lại gây hại cho cây trồng.
Hầu hết các nguyên tố này tham gia vào thành phần của các enzim quan trọng.
Mangan, sắt, clo và kẽm có liên quan đến quá trình quang hợp của thực vật. Natri, silic và coban cũng là các nguyên tố vi lượng cần thiết đối với một số thực vật.
Một số loại thực vật có thể tích lũy một lượng rất lớn các nguyên tố kim loại vi lượng.
Nguyên tố vi lượng được gọi là tích lũy cao (hyperaccumulators) khi hàm lượng của nó trong sinh khối thực vật khô lớn hơn 1 mg/g. Một số loài thực vật có thể tăng tích lũy (hyperaccumulate) niken và đồng. Một trong những ví dụ điển hình cho hiện tượng này là loại cây Aeolanthus biformifolius DeWild, phát triển trên vùng đất có hàm lượng đồng cao ở vùng Shaba, Zaire có thể tích lũy đến 1,3% đồng tính theo khối lượng khô, do đó hoa của nó được gọi là “Hoa đồng”.
Hiện tượng tăng tích lũy một số nguyên tố kim loại của thực vật đã làm nảy sinh ý tưởng sử dụng thực vật có khả năng tích lũy cao để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại. Cải bắp Trung Hoa (Brassica juncea và Brassica chinensis) khi phát triển trên đất bị ô nhiễm uranium có thể tích lũy đến 5 mg uranium trong 1 g bắp cải khô . Đặc biệt khi thêm citrat vào đất, ion này sẽ tạo được phức tan với uranium nên thực vật còn có thể tích lũy được một lượng
uranium cao hơn.
Phần đọc thêm: Phân bón [14]
Phân bón dùng trong nông nghiệp chứa các thành phần chính là nitơ, photpho và kali. Ngoài ra, phân bón còn có thể chứa magiê, sulfat và các nguyên tố vi lượng.
Phân bón được ký hiệu bằng các con số lần lượt chỉ thành phần trăm (w/w) của nitơ (tính theo N), photpho (tính theo P2O5) và kali (tính theo K2O). Ví dụ, phân bón 6-12-8 chứa 6% N, 12% P2O5, 8% K2O. Phân chuồng có thành phần gần tương đương với phân 0,5-0,24-0,5. Phân chuồng cần được ủ để phân hủy sinh học và giải phóng ra các cấu tử vô cơ thực vật có thể hấp thụ được (NO3−, HxPO4x-3 và K+).
• Phân nitơ: hầu hết các loại phân nitơ ngày nay đều được tổng hợp dựa vào phản ứng:
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3
khi có mặt xúc tác thích hợp ở nhiệt độ 500°C, áp suất 1000 atm.
Có thể đưa trực tiếp NH3 vào đất vì nó có thể tan trong nước tạo ra ion amoni, nhưng do NH3 là một khí độc, nên phải dùng thiết bị đặc biệt cho mục đích này. Trong một số trường hợp, người ta đã sử dụng dung dịch NH3 30% (w/w) để thêm trực tiếp vào nước thủy lợi.
Phân nitơ thường có trên thị trường là amoni nitrat (NH4NO3) ở dạng hạt nhỏ được phủ một lớp chất chống ẩm. Amoni nitrat chứa 33,5% nitơ. Mặc dù thuận tiện cho việc sử dụng, nhưng khi sản xuất và bảo quản loại phân này cần phải tuân theo các chế độ an toàn nghiêm ngặt vì NH4NO3 dễ phát nổ. Hỗn hợp amoni nitrat và dầu nhiên liệu là một loại chất nổ thường được sử dụng trong xây dựng và khai thác đá.
Bên cạnh amoni nitrat, ngày nay urê là dạng phân nitơ được dùng khá phổ biến.
Phân urê được tổng hợp dựa vào phản ứng:
CO2 + 2NH3 ⇌ CO(NH2)2 + H2O
Một số hợp chất cũng được dùng làm phân bón nitơ như natri nitrat, canxi nitrat, kali nitrat, amoni photphat, amoni sulfat. Các nitrat kim loại kiềm có xu hướng kiềm hóa đất, trong lúc đó amoni sulfat lại làm chua đất
• Phân lân: nhiều loại phân lân được sản xuất từ các loại khoáng photphat.
Trong đó, fluorapatite, Ca5(PO4)3F, là loại khoáng được sử dụng nhiều nhất. Thực vật không hấp thụ được photphat trong fluorapatite. Khoáng này thường được xử lý bằng axit photphoric hay axit sulfuric để sản xuất supephotphat:
2Ca5(PO4)3F(r) + 14H3PO4 + 10H2O → 2HF(k) + 10Ca(H2PO4)2.H2O 2Ca5(PO4)3F(r) + 7H2SO4 + 3H2O → 2HF(k) + 3Ca(H2PO4)2.H2O + 7CaSO4
Supephotphat tan trong nước tốt hơn fluorapatite nhiều. Sản phẩm phụ HF của các phản ứng trên có thể gây ô nhiễm không khí.
Các khoáng photphat còn chứa nhiều nguyên tố vi lượng cần cho thực vật như bo, đồng, mangan, molipden và kẽm. Nhưng rất tiếc là trong quá trình xử lý các khoáng photphat để sản xuất phân bón, hầu hết các nguyên tố vi lượng này đều bị thất thoát một phần đáng kể.
Amoni photphat là loại phân lân rất tốt, tan nhiều trong nước. Phân amoni polyphotphat lỏng chứa muối amoni của pyrophotphat, triphotphat và một lượng nhỏ anion polyphotphat. Các polyphotphat có thể tạo phức với sắt và các ion kim loại vi lượng, giúp cho thực vật có thể hấp thụ được chúng thuận lợi hơn.
• Phân kali: các loại phân kali là các muối kali, trong đó được sử dụng phổ biến
nhất là phân kali clorua. Có thể sản xuất phân kali clorua bằng cách điều chế nhân tạo, hoặc khai thác từ nước ót trong quá trình sản xuất muối ăn từ nước biển.
Một số loại cây trồng thường hấp thụ một lượng kali vượt quá nhu cầu cần thiết để phát triển. Hiện tượng này làm mất một lượng lớn kali từ đồng ruộng sau các vụ mùa trong trường hợp sản phẩm thu hoạch là lá hay thân cây.