Đang tải... (xem toàn văn)
Hoá học môi trường
86 ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4.1 Khái niệm đất Đất lớp mỏng khoáng vật bề mặt Trái đất bị phong hóa kết hợp với thành phần hữu Thực vật phát triển đất, đất yếu tố nông nghiệp Với người hầu hết sinh vật cạn, đất thành phần tối quan trọng địa Mặc dù lớp mỏng so với kích thước Trái đất, song đất lại môi trường sản sinh lương thực, thực phẩm cho hầu hết dạng sinh vật Bên cạnh vai trò sản xuất lương thực thực phẩm, đất nơi tiếp nhận lượng lớn chất gây ô nhiễm Một số chất người đưa vào đất phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật,… góp phần làm nhiễm mơi trường đất, nước khơng khí Vì vậy, nói đất khâu quan trọng chu trình hóa học mơi trường Đất tạo thành phong hóa đá gốc, trình tự nhiên bao gồm trình địa chất, thủy văn sinh học kết hợp lại Đất xốp phân thành tầng theo độ sâu Sự phân tầng sản phẩm trình thấm nước xuống đất, trình sinh học bao gồm tạo thành phân hủy sinh khối Có thể nói đất vật thể thiên nhiên tạo thành nhờ kết hợp sáu yếu tố đá, sinh vật (gồm động vật thực vật), khí hậu, địa hình, nước thời gian Các loại đá cấu tạo nên vỏ Trái đất, tác dụng khí hậu, địa hình, nước, sinh vật, trải qua thời gian lâu dài, bị phá hủy, vụn thành đất Nhiều nhà nghiên cứu cho có lồi người, người yếu tố đặc biệt quan trọng tác động đến hình thành thối hóa đất Đất hệ mở, hệ thường xuyên trao đổi chất lượng với khí quyển, thủy sinh Trên quan điểm sinh thái học mơi trường, xem đất thể sống có nhiều sinh vật khác như: vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật, động vật Do đó, đất tuân thủ quy luật sống: phát sinh, phát triển, thối hóa già cỗi Thực tế người quan tâm tới vỏ Trái đất có độ sâu khoảng 16 km 4.2 Bản chất thành phần đất Đất hỗn hợp chất khống, chất hữu nước, có khả trì sống cho thực vật bề mặt Trái đất Trong đất có chứa khơng khí, nước chất rắn Chất rắn thành phần chủ yếu đất, chiếm gần 100% khối lượng đất chia thành hai loại: chất rắn vô chất rắn hữu Đất canh tác khơ thường có chứa khoảng 5% chất hữu 95% chất vô Một số loại đất, đất than bùn chứa đến 95% chất hữu Một số loại đất khác chứa khoảng 1% chất hữu Hợp phần hữu đất chứa: − Sản phẩm phân hủy giai đoạn khác sinh khối động thực vật, − Vi khuẩn, nấm mốc động vật côn trùng, giun đất,… Thông thường đất phân bố thành tầng theo độ sâu Các tầng đất hình thành tương tác phức tạp trình xảy suốt q trình phong hóa Nước mưa thấm qua đất kéo theo chất tan hạt keo rắn xuống tầng khác bên tích tụ lại Các q trình sinh học, ví dụ phân hủy sinh khối thực vật tác dụng vi sinh vật tạo CO2, axit hữu cơ, hợp chất tạo phức Sau đó, chất bị nước mưa lôi kéo xuống tầng đất bên dưới, chúng phản ứng với đất sét loại khoáng khác làm thay đổi tính chất loại khống 87 Tầng đất dày khoảng vài đến vài chục centimet, gọi tầng A, hay gọi tầng đất mặt Đây lớp đất chứa nhiều chất hữu vùng đất có vi sinh vật hoạt động mạnh Ion kim loại hạt sét tầng A dễ bị theo nước Tầng đất gọi tầng B, hay tầng đất Tầng tiếp nhận chất hữu cơ, loại muối, hạt sét từ tầng đất mặt Tầng C tạo thành từ đá gốc phong hóa (sản phẩm từ hình thành đất) Thực vật Tầng A (tầng đất mặt) Tầng B (tầng đất cái) Tầng C (tầng đá gốc bị phong hóa) Đá gốc Hình 4.1 Các tầng đất Có nhiều loại đất có đặc tính khác nhau, sử dụng loại đất vào mục đích sử dụng riêng, ví dụ đất canh tác, đất làm đường, đất làm bãi chơn lấp Loại đá gốc từ tạo thành đất định thành phần tính chất đất tạo thành 4.2.1 Các thành phần vô đất Các chất rắn vô thành phần chủ yếu đất, chiếm 97 - 98% đất khô [14] Thành phần nguyên tố hóa học có mặt đất trình bày Bảng 4.1 Năm nguyên tố cuốí bảng H, C, S, P N cần cho trồng, nguyên tố chứa đá đất Cacbon đất nhiều đá đến 20 lần, nitơ gấp 10 lần, mà đất trồng ni sống Ion oxalat, tạo thành q trình đồng hóa nấm mốc, tồn đất dạng muối canxi; nước đất chứa ion oxalat hòa tan số khống, thúc đẩy q trình phong hóa, làm gia tăng ion dinh dưỡng cho thực vật Phản ứng tạo phức ion oxalat ion sắt hay nhơm khống biểu diễn phương trình phản ứng sau: 3H+ + M(OH)3(r) + 2CaC2O4(r) ⇌ M(C2O4)2−(dd) + 2Ca2+(dd) + 3H2O đó, M Al hay Fe Khoáng vật chứa nguyên tố thường gặp vỏ Trái đất oxy, silic, nhôm, sắt, canxi, natri, kali magiê thành phần khống đất Các loại khoáng phổ biến đất thạch anh (SiO2), orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), epidote (4CaO.3(AlFe)2O3.6SiO2.H2O), geothite (FeO(OH)), magnetite (Fe3O4), canxi magiê cacbonat (CaCO3, CaCO3.MgCO3) oxit mangan titan Các khoáng sét loại khoáng 88 quan trọng đất Khống sét có cơng thức chung nSiO2.Al2O3.mH2O; khống sét kaolinite có tỷ lệ n:m = 2:2; khống sét montmorillonite có tỷ lệ n:m = 4:2; khoáng sét illite dạng trung gian loại khoáng trên, gần với montmorillonite Các khoáng hấp thụ mạnh cation Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, nên cation khơng bị nước rửa trơi mà giải phóng dần vào đất làm thức ăn cho Một sản phẩm cuối q trình phong hóa đá gốc hạt keo vơ Các hạt keo đóng vai trò quan trọng đất Hạt keo giữ nước chất dinh dưỡng cho thực vật hấp thụ Ngồi ra, hạt keo đất có chất vơ cịn hấp thụ chất độc đất, chúng đóng vai trị tác nhân làm giảm độc tính chất gây độc cho thực vật Bản chất mật độ hạt keo vô yếu tố quan trọng để xác định suất sinh học đất Sự hấp thụ chất dinh dưỡng rễ thường liên quan đến tương tác phức tạp với nước pha vơ đất Ví dụ, chất dinh dưỡng bị hạt keo vô giữ phải vượt qua bề mặt phân cách khống/nước, sau bề mặt phân cách nước/rễ Quá trình thường bị ảnh hưởng mạnh cấu trúc ion chất vô nước Bảng 4.1 Hàm lượng nguyên tố hóa học đá đất (‰ w/w) [6] Nguyên tố Đá Đất Oxy 47,2 49,0 Silic 27,6 33,0 Nhôm 8,8 7,13 Sắt 5,1 3,8 Canxi 3,6 1,37 Natri 2,64 0,63 Kali 2,6 1,36 Magiê 2,1 0,6 Titan 0,6 0,46 Hydro 0,15 − Cacbon 0,1 2,0 Lưu huỳnh 0,09 0,08 Photpho 0,08 0,09 Nitơ 0,01 0,1 4.2.2 Các thành phần hữu đất Mặc dù chiếm 5% thành phần đất canh tác, hợp phần hữu đóng vai trị quan trọng yếu tố định chất lượng mặt suất sinh học Các chất hữu đất nguồn thức ăn vi sinh vật, chúng tham gia vào phản ứng hóa học phản ứng trao đổi, đồng thời ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất Một số chất hữu cịn tham gia vào q trình phong hóa chất khoáng tạo thành đất Một số nấm mốc đất tạo axit citric axit hữu có khả tạo phức, chất phản ứng với khống silicat, giải phóng kali ion kim loại khác cần cho thực vật Một số vi khuẩn đất tạo axit 2-ketogluconic có khả tạo phức mạnh hịa tan nhiều ion kim loại làm phong hóa khống vật Axit hòa tan hợp chất photphat khơng tan, giải phóng ion photphat 89 Trong đất chứa số hợp chất hữu hoạt động sinh học polysaccarit, đường amino, nucleotic, hợp chất hữu chứa lưu huỳnh, photpho Điều đáng ý có mặt hợp chất đa vòng ngưng tụ (PAH), fluoranthene, pyrene chrysene đất Các hợp chất xếp vào loại chất có khả gây ung thư Các hợp chất phát sinh đất nguồn tự nhiên (đồng cỏ cháy) lẫn nguồn nhân tạo (đốt chất thải, nguồn thải gây ô nhiễm khác) Sự tích tụ chất hữu đất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ lượng oxy Ở vùng có nhiệt độ thấp, chất hữu bị phân hủy sinh học chậm tích lũy đất nhiều Trong nước đất úng nước, chất hữu khơng có đủ oxy để phân hủy Vì vậy, vùng đất úng nước có nhiều thực vật phát triển phân hủy, thành phần hữu đất lên đến 90% Khi chiết đất hỗn hợp ete rượu thu dung dịch chứa sắc tố bcarotein, chlorophyll xanthophyll Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu đất [14] Loại hợp chất Thành phần Ghi Mùn Phần lại khó phân hủy xác thực vật Chủ yếu chứa C, H O Là thành phần hữu phổ biến nhất, cải thiện tính chất vật lý đất, khả trao đổi chất dinh dưỡng, nơi lưu giữ lượng N sinh cố định đạm Chất béo, chất nhựa sáp Các chất béo chiết dung môi hữu Thường chiếm vài % so thành phần hữu cơ, có hại cho đất khơng thấm nước, độc hại trồng Saccarit Cellulose, tinh bột, hemi-cellulose, chất gôm Nguồn thức ăn cho vi sinh vật, làm ổn định độ liên kết đất Hợp chất hữu chứa N Mùn chứa N, amino axit, đường amino, chất khác Cung cấp nitơ làm cho đất màu mỡ Hợp chất photpho Các este photphat, inositol photphat (axit phytic), photpholipit Nguồn cung cấp P cho thực vật Dưới tác động khơng khí, nước, nhiệt độ vi sinh vật, chất hữu từ xác động vật thực vật bị biến đổi theo hai q trình: q trình khống hóa q trình mùn hóa • Q trình khống hóa Khống hóa q trình phân hủy hợp chất hữu để tạo thành chất vô đơn giản, muối khống, khí CO2, H2S, NH3, H2O • Q trình mùn hóa Q trình tạo thành mùn gọi q trình mùn hóa Mùn thành phần hữu quan trọng đất Mùn sản phẩm lại phân hủy xác thực vật vi khuẩn nấm mốc có đất Mùn gồm phần hòa tan kiềm axit humic, axit fulvic phần không tan gọi humin Sinh khối thực vật chứa cellulose bị phân hủy lignin (là hợp chất cao phân tử chứa nhiều cacbon cellulose) khó bị phân hủy 90 Trong trình mùn hóa, vi sinh vật chuyển hóa chất hữu thành CO2 lấy lượng từ trình Vi sinh vật cịn liên kết nitơ với hợp chất tạo thành trình phân hủy Tỷ lệ nitơ/cacbon tăng từ 1/100 sinh khối thực vật tươi đến 1/10 mùn trình mùn hóa kết thúc Vì vậy, mùn chứa nhiều hợp chất nitơ hữu Mặc dù chiếm vài phần trăm thành phần đất, hợp chất mùn có ảnh hưởng mạnh đến tính chất đất: − Có khả liên kết mạnh với ion kim loại, giữ nguyên tố kim loại vi lượng đất − Có tính axit bazơ nên cịn đóng vai trị tác nhân đệm pH đất − Mùn liên kết hạt đất làm tăng khả giữ ẩm khả hấp thụ chất hữu đất 4.3 Nước khơng khí đất 4.3.1 Nước đất Thơng thường, hạt đất có kích thước nhỏ, đồng thời đất cịn có mao quản lỗ xốp nhỏ, nên nước đất không tồn hoàn toàn độc lập với phần chất rắn đất Thực vật sử dụng nước lỗ xốp lớn đất, loại nước chảy thoát khỏi đất Nước chứa lỗ xốp nhỏ lớp khoáng sét bị giữ chặt hơn, thực vật khó hấp thụ phần nước Đất chứa nhiều chất hữu thường giữ lượng nước nhiều loại đất khác, thực vật khó sử dụng lượng nước này, bị hấp phụ vật lý hóa học lên thành phần hữu Nước tương tác mạnh với khoáng sét đất Nước bị hấp phụ lên bề mặt hạt sét Do có diện tích bề mặt riêng lớn nên hạt keo sét giữ lượng nước lớn Nước cịn bị giữ lớp sét biến tính, khống sét montmorillonite Khi bị úng nước, tính chất lý, hóa, sinh đất bị biến đổi: − Oxy đất bị suy kiệt nhanh chóng hoạt động hô hấp vi sinh vật tham gia trình phân hủy chất hữu − Liên kết hạt keo đất bị bẻ gãy, cấu trúc đất bị phá vỡ − Nước dư thừa đất gây hại cho trồng, lúc đất không chứa đủ lượng khơng khí cần thiết cho rễ Ngoại trừ lúa, hầu hết lương thực khác phát triển đất úng nước − pE đất giảm (chuyển sang môi trường khử) tác dụng chất khử hữu tác dụng xúc tác vi sinh vật pE giảm mạnh xuống khoảng nhỏ (so với giá trị 13,7 pH điều kiện nước cân với khơng khí) Hậu thay đổi di động sắt mangan, oxit khơng tan mức oxy hóa cao chúng bị khử dạng sắt (II) mangan (II) tan được: MnO2 + 4H+ + 2e− → Mn2+ + 2H2O Fe2O3 + 6H+ + 2e− → Fe2+ + 3H2O Mangan tan dạng ion Mn2+, sắt (II) tan thường tồn dạng ion phức tích điện âm với phối tử hữu Do sắt (II) tạo phức mạnh với axit fulvic đất, nên sắt (III) dễ bị khử thành sắt (II) điều kiện Cùng với số ion khác, Fe2+ Mn2+ nồng độ cao ion độc hại với thực vật Q trình oxy hóa ion tạo thành oxit không tan Fe2O3, MnO2 gây tượng 91 “nước phèn” đóng thành váng mặt đất (“đóng phèn”) 4.3.2 Khơng khí đất Trong loại đất thông thường, lỗ xốp chứa khơng khí chiếm khoảng 35% tổng thể tích đất Thành phần khơng khí đất hồn tồn khác khơng khí bình thường (chứa khoảng 21% O2 0,03% CO2 tính theo thể tích) Nguyên nhân khác biệt giải thích phân hủy chất hữu đất: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O Quá trình tiêu thụ oxy tạo thành CO2 Do hàm lượng oxy khơng khí đất giảm xuống cịn khoảng 15%, lúc hàm lượng CO2 tăng lên đến khoảng vài phần trăm Sự phân hủy làm tăng CO2 nước ngầm, làm giảm pH làm tăng phong hóa khoáng cacbonat, đặc biệt khoáng canxi cacbonat CO làm chuyển dịch cân hấp thụ ion kim loại rễ [10]: Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ cây) + 2HCO3− Khi trình trao đổi chất đất khí khơng tốt bên cạnh CO 2, khơng khí đất cịn chứa khí khác NO2, NO, H2, CH4, C2H4, H2S 4.4 Dịch đất Dịch đất phần nước đất chứa chất tan tạo thành từ q trình hóa học sinh học đất, từ trình trao đổi đất với thủy sinh Dịch đất vận chuyển chất hóa học đến khỏi hạt đất Ngoài tác dụng cung cấp nước cho phát triển thực vật, dịch đất tạo điều kiện cần thiết cho trình trao đổi chất dinh dưỡng rễ hạt đất Rất khó thu dịch đất phần lớn dịch đất giữ mao quản tạo thành lớp màng mỏng bề mặt hạt đất Một cách trực tiếp để lấy dịch đất thu nước rỉ từ đất Ngồi ra, tách dịch đất từ đất ẩm cách thay nước với chất lỏng không trộn lẫn với nước, dùng biện pháp học ly tâm, nén ép hay xử lý chân khơng Hầu hết chất khống hịa tan dịch đất tồn dạng ion Các cation chủ yếu thường H+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Các ion Fe2+, Mn2+, Al3+ thường có mặt với nồng độ thấp, chúng thường dạng hydrat hóa FeOH +, hay dạng tạo phức với hợp chất hữu mùn Các anion dịch đất thường gặp HCO3−, CO32−, SO42−, Cl− F− Các anion tạo phức với ion kim loại, AlF 2+ Các cation anion đa hóa trị kết hợp tạo thành cặp ion hợp chất CaSO4, FeSO4 4.5 Phản ứng axit-bazơ phản ứng trao đổi ion đất 4.5.1 Sự tạo thành axit vơ đất Khống pyrite (FeS2) có mặt số loại đất tiếp xúc với khơng khí bị ơxi hóa thành axit sulfuric FeS2 + 7/2O2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2H+ + 2SO42− + 7H2O lúc đất chứa nhiều sulfat axit gọi đất sulfat-axit (acid-sulfate soil) Các vùng đất hình thành từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, bị chuyển thành đất sulfat-axit tiếp xúc với khơng khí Các mỏ khống sản có chứa FeS ngừng hoạt động tạo thành loại đất tương tự đất sulfat-axit từ trầm tích biển Nếu khơng xử lý thích hợp khơng thể canh tác đất sulfat-axit loại đất chứa yếu tố bất lợi có pH thấp, nồng độ H 2S cao gây hại cho rễ cây, chứa ion Al3+ độc thực vật 92 4.5.2 Điều chỉnh độ axit đất Hầu hết loại thực vật phát triển tốt đất có pH gần trung tính Đất chua thường xử lý vôi CaCO3: Đất}(H+)2 + CaCO3 ⇌ Đất}Ca2+ + CO2 + H2O Ở vùng có lượng mưa thấp, đất có mơi trường kiềm chứa muối bazơ Có thể xử lý đất kiềm muối nhôm sắt sulfat, muối tan vào nước bị thủy phân tạo môi trường axit 2Fe3+ + 3SO42− + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 (r) + 6H+ + 3SO42− Cũng sử dụng lưu huỳnh để xử lý đất kiềm Vi khuẩn đất ơxi hóa lưu huỳnh thành axit sulfuric Đây phương pháp có hiệu mặt kinh tế, lưu huỳnh sử dụng sản phẩm phụ dồi cơng nghệ tách loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu hóa thạch (nhằm mục đích giảm thiểu nhiễm khơng khí SO2) 4.5.3 Cân trao đổi ion đất − Khả trao đổi cation tính chất quan trọng đất Nhờ q trình trao đổi cation đất mà đất có ion đa lượng kali, canxi, magiê ion vi lượng khác cho thực vật Khi ion kim loại rễ hấp thụ, H + thay vị trí ion kim loại, ví dụ: Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ) + HCO3− Do trình nên canxi, magiê ion kim loại khác đất bị nước chứa axit cacbonic rửa trơi đất bị chua hóa Để đánh giá khả trao đổi cation đất người ta sử dụng thông số CEC (cationexchange capacity: khả trao đổi cation) CEC số mili đương lượng gam (meq) cation mang điện tích +1 trao đổi 100 g đất khô CEC đất thay đổi theo pE pH Cả khoáng sét thành phần hữu đất có khả trao đổi cation CEC loại đất có thành phần hữu khác thường dao động khoảng 10 – 30 meq/100 g Mùn có khả trao đổi cation cao CEC than bùn lên đến 300 – 400 meq/100 g − Trên bề mặt oxit khống đất cịn xảy trình trao đổi anion Cơ chế trình giải thích ví dụ minh họa với kim loại M trình bày Ở pH thấp, bề mặt oxit kim loại có điện tích dương, chúng giữ anion (ví dụ Cl−) lực hút tĩnh điện: + O H Cl M OH2 Ở pH cao, bề mặt oxit kim loại có điện tích âm, phân tử nước bị giữ bề mặt oxit H+ tạo thành OH−: O M OH Lúc anion HPO42− thay vị trí OH− để liên kết trực tiếp lên bề mặt oxit: O O M OH− + HPO 2− ⇌ M OPO H2− + OH− 93 4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng đa lượng đất Cung cấp chất dinh dưỡng đa lượng vi lượng chức quan trọng đất Chất dinh dưỡng đa lượng chất có mặt thực vật hay dịch thực vật mức nồng độ cao Trong lúc đó, chất dinh dưỡng vi lượng có mặt mức nồng độ thấp lại cần thiết cho hoạt động enzim thực vật 4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng Cacbon, hydro, ôxi, nitơ, photpho, kali, canxi, magiê lưu huỳnh xem chất dinh dưỡng đa lượng thực vật Thực vật hấp thụ cacbon, hydro ôxi từ khí Các nguyên tố đa lượng khác hấp thụ từ đất Trong số đó, nitơ, photpho kali chất dinh dưỡng quan trọng ảnh hưởng đến phát triển thực vật, suất vụ mùa, thường khơng có đủ đất nên phải bổ sung dạng phân bón Thường gặp loại đất thiếu canxi Bón vơi để xử lý đất chua cung cấp lượng đáng kể canxi cho thực vật Đất chua chứa lượng lớn canxi, cạnh tranh ion canxi ion hydro nên thực vật hấp thụ lượng canxi Xử lý độ chua đất khắc phục tình trạng thiếu canxi Trong đất kiềm, ion natri, magiê, kali có mặt nồng độ lớn cạnh tranh với canxi, gây tình trạng thiếu canxi Hầu hết magiê vỏ Trái đất (2,1%) liên kết bền với khoáng Thục vật hấp thụ dạng magiê trao đổi liên kết với chất hữu hay khoáng sét Magiê đất có đủ cho thực vật hay khơng cịn phụ thuộc vào tỷ số Ca/Mg Nếu tỷ số cao, đất bị thiếu magiê Tương tự vậy, đất có chứa nhiều natri, kali gây thiếu magiê Thực vật hấp thụ lưu huỳnh dạng SO42− Ngồi ra, vùng khơng khí bị nhiễm SO2, lưu huỳnh cịn hấp thụ qua Thực vật phát triển chậm vùng đất thiếu lưu huỳnh nguyên tố thành phần số amino axit cần thiết, thiamin biotin Ion sulfat thường tồn đất dạng khống sulfat di động khơng tan, dạng muối tan Không trường hợp kali, sulfat bị đất hấp thụ phần (liên kết theo kiểu trao đổi ion), nên mặt ngăn chặn tình trạng rửa trôi, mặt khác cung cấp sulfat cho thực vật hấp thụ Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh phát tồn giới Trong đó, hầu hết loại phân bón thị trường lại khơng chứa, chứa lưu huỳnh Cùng với xu hướng sử dụng phân bón thiếu lưu huỳnh nay, khả lưu huỳnh trở thành yếu tố dinh Thực vật Phân Động vật dưỡng giới hạn xảy đạm số nơi cố định Nitơ cố định Như trình sấm chớp bày trên, FeS2 phản ứng với axit đất sulfat-axit giải phóng đạm Xác thực vật H2S độc với trồng, đám cháy có khả tiêu diệt nhiều vi sinh vât có lợi Khí H2S H2S độc hại tạo thành từ phản ứng khử ion sulfat chất hữu cơ, tác dụng xúc tác vi sinh vật Có thể ngăn chặn tạo thành H 2S đất ngập nước tác nhân oxy hóa, KNO3 chất ơxi hóa sử dụng hiệu N2 4.6.1.1 Nitơ N2O Phân Nước tiểu N hữu Hình 4.2 trình bày chuyển hóa nitơ đất Trong hầu hết loại đất, Xác 90% nitơ tồn dạng nitơ hóa Các hợp chất hữu chứa nitơ sản phẩm sơ cấp Đề nitrat hữu quácây phân hủy xác động, thực vật Các sản phẩm cuối bị phân hủy thành trình Rễ + NH3hấp thụ sau bị oxy hóa tác dụng vi khuẩn đất thành NO2− NO3− , NH4 , NO2− NO3 − Thấm thất Nitrat hóa NH4+ Trao đổi ion, Giữ NH + NH4+ {đất} 94 Hình 4.2 Sự chuyển hóa nitơ đất Khơng photpho kali, q trình phong hóa khơng tạo nhiều hợp chất nitơ Các loại vi sinh vật có khả cố định đạm không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phát triển tối đa thực vật Vì vậy, lượng lớn phân bón chứa nitơ sử dụng nông nghiệp Các hợp chất nitơ vơ từ phân bón từ nước mưa dễ bị thất rửa trơi Do gắn kết chặt chẽ với mùn đất, nên nitơ hợp chất mùn đóng vai trị quan trọng độ phì đất Mùn nguồn chứa hợp chất nitơ đất Các hợp chất bị phân hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ Quá trình phân hủy xảy gần song song với phát triển thực vật, nhanh vào mùa ấm (lúc thực vật phát triển mạnh) chậm vào tháng mùa Đông Thực vật ngũ cốc phát triển đất có giàu nitơ khơng cho suất cao mà cung cấp sản phẩm giàu protein chất dinh dưỡng Thông thường thực vật hấp thụ nitơ dạng nitrat Một số loại thực vật, ví dụ lúa, hấp thụ nitơ dạng amoni Khi bón phân dạng amoni, vi khuẩn có đất chuyển hóa amoni thành nitrat Thực vật hấp thụ tích lũy lượng dư nitrat, tượng thường xảy loại đất bón nhiều phân điều kiện khô hạn gọi tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation) Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ nhiều nitrat độc hại động vật nhai lại trâu, bò, cừu Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ loại thực vật này, người chế biến bị ngộ độc NO2 sinh từ trình khử nitrat Trong thực tế, người ta ghi nhận nhiều trường hợp tử vong nguyên nhân Khoảng 30 đến 40% [14] lượng nitơ thực vật hấp thụ nitơ tổng hợp có liên quan đến nguồn nhân tạo, bao gồm loại phân bón, nitơ cố định từ việc đốt nhiên liệu có chứa nitơ việc tăng cường canh tác họ đậu có khả cố định đạm Trước có phân bón nhân tạo chứa nitơ, nitơ đất cung cấp chủ yếu từ trình cố định đạm họ đậu Vi khuẩn cộng sinh rễ loại (đậu tương, cỏ linh lăng, cỏ ba lá,…) có khả cố định nitơ từ khí Lượng nitơ cố định qua đường lớn, 10 pound/mẫu Anh.năm (≈ 11,2 kg/ha.năm) [14], tương đương 95 với lượng nitơ từ phân bón nhân tạo sử dụng nông nghiệp Việc sử dụng nhiều phân bón nitơ gây số hậu mặt môi trường Các hợp chất nitơ bị vi sinh vật đất chuyển hóa thành N 2O, NO NO2 gây nhiễm khơng khí Nguồn nước mặt nước ngầm vùng nơng nghiệp bị ô nhiễm nitrat Hậu tác nhân gây nhiễm trình bày chương nhiễm khơng khí nhiễm nước 4.6.1.2 Photpho Mặc dù chiếm tỷ lệ nhỏ thành phần sinh khối thực vật, photpho chất dinh dưỡng thiếu thực vật Cũng nitơ, photpho trồng hấp thụ dạng vô Thực vật hấp thụ dạng octophotphat khác Ở pH hầu hết loại đất, octophotphat thường tồn chủ yếu dạng H2PO4− HPO42− Thực vật hấp thụ octophotphat tốt pH gần trung tính Người ta cho rằng, trongđất chua, octophotphat tạo kết tủa với Al(III) Fe(III) Trong đất kiềm, octophotphat phản ứng với canxi cacbonat tạo thành hydroxyapatite tan: 3HPO42− + 5CaCO3(r) + 2H2O → Ca5(PO4)3(OH)(r) + 5HCO3− + OH− Do phản ứng mà phân bón photpho bị rửa trơi Vì vậy, việc sử dụng phân bón photpho gây tình trạng nhiễm nước 4.6.1.3 Kali Để phát triển thực vật cần hấp thụ lượng lớn kali Kali cần thiết cho hoạt động số enzim đóng vai trị quan trọng cân nước thực vật Nguyên tố cần cho số chuyển hóa cacbohydrat Khi đất thiếu kali, suất trồng giảm mạnh Sản lượng thu hoạch cao kali đất bị giảm sút Sử dụng nhiều phân nitơ để tăng suất trồng làm giảm kali đất Vì vậy, kali trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn đất bổ sung nhiều chất dinh dưỡng khác Kali số nguyên tố phổ biến lớp vỏ Trái đất (chiếm 2,6%), kali thường liên kết chặt khống silicat, ví dụ khống leucite K2O.Al2O3.4SiO2, thực vật khơng thể hấp thụ Thực vật hấp thụ dạng kali trao đổi liên kết khoáng sét 4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng Bo, clo, đồng, sắt, mangan, molipden kẽm nguyên tố vi lượng cần thiết cho phát triển thực vật, nhiên nồng độ cao chúng lại gây hại cho trồng Hầu hết nguyên tố tham gia vào thành phần enzim quan trọng Mangan, sắt, clo kẽm có liên quan đến trình quang hợp thực vật Natri, silic coban nguyên tố vi lượng cần thiết số thực vật Một số loại thực vật tích lũy lượng lớn nguyên tố kim loại vi lượng Nguyên tố vi lượng gọi tích lũy cao (hyperaccumulators) hàm lượng sinh khối thực vật khơ lớn mg/g Một số lồi thực vật tăng tích lũy (hyperaccumulate) niken đồng Một ví dụ điển hình cho tượng loại Aeolanthus biformifolius DeWild, phát triển vùng đất có hàm lượng đồng cao vùng Shaba, Zaire tích lũy đến 1,3% đồng tính theo khối lượng khơ, hoa gọi “Hoa đồng” Hiện tượng tăng tích lũy số nguyên tố kim loại thực vật làm nảy sinh ý tưởng sử dụng thực vật có khả tích lũy cao để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại Cải bắp Trung Hoa (Brassica juncea Brassica chinensis) phát triển đất bị nhiễm uranium tích lũy đến mg uranium g bắp cải khô Đặc biệt thêm citrat vào đất, ion tạo phức tan với uranium nên thực vật cịn tích lũy lượng 96 uranium cao Phần đọc thêm: Phân bón [14] Phân bón dùng nơng nghiệp chứa thành phần nitơ, photpho kali Ngồi ra, phân bón cịn chứa magiê, sulfat nguyên tố vi lượng Phân bón ký hiệu số thành phần trăm (w/w) nitơ (tính theo N), photpho (tính theo P2O5) 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 ủ để phân hủy sinh học giải phóng cấu tử vơ thực vật hấp thụ (NO3−, HxPO4x-3 K+) • Phân nitơ: hầu hết loại phân nitơ ngày tổng hợp dựa vào phản ứng: N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 có mặt xúc tác thích hợp nhiệt độ 500°C, áp suất 1000 atm Có thể đưa trực tiếp NH3 vào đất tan nước tạo ion amoni, NH3 khí độc, nên phải dùng thiết bị đặc biệt cho mục đích Trong số trường hợp, người ta sử dụng dung dịch NH3 30% (w/w) để thêm trực tiếp vào nước thủy lợi Phân nitơ thường có thị trường amoni nitrat (NH4NO3) dạng hạt nhỏ phủ lớp chất chống ẩm Amoni nitrat chứa 33,5% nitơ Mặc dù thuận tiện cho việc sử dụng, sản xuất bảo quản loại phân cần phải tn theo chế độ an tồn nghiêm ngặt NH4NO3 dễ phát nổ Hỗn hợp amoni nitrat dầu nhiên liệu loại chất nổ thường sử dụng xây dựng khai thác đá Bên cạnh amoni nitrat, ngày urê dạng phân nitơ dùng phổ biến Phân urê tổng hợp dựa vào phản ứng: CO2 + 2NH3 ⇌ CO(NH2)2 + H2O Một số hợp chất dùng làm phân bón nitơ natri nitrat, canxi nitrat, kali nitrat, amoni photphat, amoni sulfat Các nitrat kim loại kiềm có xu hướng kiềm hóa đất, lúc amoni sulfat lại làm chua đất • Phân lân: nhiều loại phân lân sản xuất từ loại khống photphat Trong đó, fluorapatite, Ca5(PO4)3F, loại khoáng sử dụng nhiều Thực vật khơng hấp thụ photphat fluorapatite Khống thường xử lý 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 nước tốt fluorapatite nhiều Sản phẩm phụ HF phản ứng gây nhiễm khơng khí Các khống photphat chứa nhiều nguyên tố vi lượng cần cho thực vật bo, đồng, mangan, molipden kẽm Nhưng tiếc q trình xử lý khống photphat để sản xuất phân bón, hầu hết nguyên tố vi lượng bị thất thoát phần đáng kể Amoni photphat loại phân lân tốt, tan nhiều nước Phân amoni polyphotphat lỏng chứa muối amoni pyrophotphat, triphotphat lượng nhỏ anion polyphotphat Các polyphotphat tạo phức với sắt ion kim loại vi lượng, giúp cho thực vật hấp thụ chúng thuận lợi • Phân kali: loại phân kali muối kali, sử dụng phổ biến 97 phân kali clorua Có thể sản xuất phân kali clorua cách điều chế nhân tạo, khai thác từ nước ót trình sản xuất muối ăn từ nước biển Một số loại trồng thường hấp thụ lượng kali vượt nhu cầu cần thiết để phát triển Hiện tượng làm lượng lớn kali từ đồng ruộng sau vụ mùa trường hợp sản phẩm thu hoạch hay thân 4.7 Sự xói mịn thối hóa đất Đất nguồn tài nguyên nhạy cảm Đất bị xói mịn nước, gió, bị thối hóa đến mức sử dụng cho nông nghiệp 4.7.1 Xói mịn đất Cả nước gió gây xói mịn đất, xói mịn nước thường xảy phổ biến mức độ cao Hàng năm, sơng Mississippi xói mịn hàng triệu đất tầng mặt chúng biển Một phần ba đất tầng mặt Mỹ bị xói mịn trơi đại dương kể từ lục địa bắt đầu có hoạt động canh tác Hiện nay, số liệu tính tốn cho thấy năm, mẫu Anh (1 acre ≈ 4047 m2) Mỹ bị 14 đất tầng mặt, tốc độ xói mịn đáng phải ý Ngun nhân chủ yếu tình trạng đất bị xói mịn hoạt động canh tác khơng hợp lý Xói mịn xảy mạnh đồng ruộng trồng theo luống Khoảng đất trống không phủ thực vật luống dễ bị nước gió Ngoài ra, việc tổ chức thâm canh liên tục nhiều năm, khơng dành thời gian cho q trình tự khôi phục, làm đất trở nên kiệt quệ để trì suất phải tăng lượng phân bón sử dụng Xói mịn gió thường xảy vùng đất cao bị ảnh hưởng tình trạng khơ hạn Để ngăn chặn tình trạng xói mịn đất gió, trồng cỏ để bảo vệ lớp đất tầng mặt Bộ rễ cỏ tác nhân bảo vệ mặt học cho lớp đất tầng mặt Một số biện pháp khác áp dụng nông nghiệp để chống xói mịn, ví dụ biện pháp trồng tiếp vụ mùa phần đất canh tác năm trước không loại bỏ loại rơm rạ, thân lại vụ mùa trước; biện pháp trồng ruộng bậc thang, quy hoạch ruộng theo đường viền cao độ Trồng lấy gỗ biện pháp vừa chống xói mịn hữu hiệu,vừa mang lại lợi ích kinh tế cao Bằng cách chọn giống tốt, sản lượng sinh khối khơ thu hàng năm hecta lên đến 30 Gỗ thu được dùng vào nhiều mục đích khác nhau, khoảng 50% (w/w) sinh khối cellulose Có thể thủy phân cellulose để sản xuất glucose dùng làm thực phẩm, lên men glucose sản xuất rượu dùng làm nhiên liệu (gasohol) hay dùng để cung cấp nguồn cacbon lượng cho men sử dụng quy trình sản xuất protein 4.7.2 Sa mạc hóa Sa mạc hóa trình gắn liền với tình trạng bạc màu, hạn hán, đất khơng cịn khả ni sống trồng Ngun nhân chủ yếu tình trạng sa mạc hóa tồn cầu hoạt động người Ni thả gia súc ăn cỏ vùng đất khô hạn cằn cỗi nguyên nhân đáng ý tượng sa mạc hóa Achentina, Sahara, Uzbekistan, vùng Tây Nam nước Mỹ, Syria Mali vùng đất bị sa mạc hóa mạnh hoạt động nhân tạo Một cách tổng qt, sa mạc hóa q trình có liên quan đến nhiều yếu tố như, xói mịn, thay đổi thời tiết, tình trạng khơ hạn, giảm màu mỡ hàm lượng mùn, thối hóa thành phần hóa học đất Nạn phá rừng vấn đề có liên quan đến tình trạng sa mạc hóa Nạn phá rừng xảy mức độ đáng báo động, đặc biệt vùng rừng nhiệt đới, nơi có mặt hầu hết 98 lồi động thực vật tồn Trái đất Cùng với biến loài này, nạn phá rừng cịn dẫn đến suy thối đất xói mịn thất chất dinh dưỡng 4.7.3 Đất tài nguyên nước Bảo tồn đất có liên quan chặt chẽ trực tiếp đến việc bảo vệ tài nguyên nước Hầu hết lượng nước bề mặt Trái đất xuất phát từ nước mưa rơi mặt đất Vùng đất thu nước mưa trước chảy vào sông suối gọi vùng lưu vực Tính chất tình trạng đất lưu vực khơng có ảnh hưởng định đến tính chất nước mà cịn đóng vai trị quan trọng việc giữ nước Lưu vực định hướng, tốc độ dòng chảy, mức độ thấm nước vào túi nước ngầm Tốc độ dòng chảy lớn, làm hạn chế trình thấm, gây lũ quét, làm xói mịn đất Các biện pháp cải thiện khả sử dụng đất vùng lưu vực thường thực nhằm mục đích hạn chế xói mịn đất Có nhiều biện pháp để thực mục đích như, điều chỉnh độ dốc lưu vực; tạo cấu bậc thang; xây đường dẫn nước; tạo hồ chứa Đường dẫn nước phủ cỏ loại có khả cản nước Tạo hành lang xanh theo đường viền cao độ, trồng rừng kiểm soát hoạt động chăn thả súc vật có tác dụng vừa bảo tồn đất vừa bảo tồn tài ngun nước 4.8 Ơ nhiễm mơi trường đất Trong trình sinh hoạt sản xuất, người đưa vào đất nhiều chất thải chất gây ô nhiễm Các chất gây tình trạng nhiễm đất mà cịn ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước tự nhiên, bao gồm nước mặt nước ngầm 4.8.1 Ảnh hưởng hoạt động nông nghiệp Trong số hoạt động nhân tạo, sản xuất nông nghiệp xem hoạt động gây nhiều ảnh hưởng đến môi trường đất 4.8.1.1 Sử dụng phân bón Chế độ thâm canh nơng nghiệp làm suy giảm nguồn chất dinh dưỡng đất Để bổ sung nguồn dinh dưỡng cho trồng, người sử dụng phân bón hóa học với số lượng ngày gia tăng, điều làm thay đổi tính chất, thành phần tự nhiên đất dẫn đến nhiều hậu xấu Việc sử dụng phân hóa học vào nơng nghiệp giới ngày tăng (trung bình tăng khoảng triệu /năm) Người ta ước tính có khoảng 50% nitơ bón vào đất trồng sử dụng, lượng cịn lại nguồn gây nhiễm mơi trường Nói chung, bón phân hóa học vào đất, có phần phân trồng sử dụng, phần giữ lại đất bị hấp phụ chuyển hóa hóa học, phần bị rửa trôi vào nguồn nước mặt hay ngấm vào nguồn nước ngầm phần khác bị bay vào khơng khí dạng khí 4.8.1.2 Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật Để tăng sản lượng lương thực, giảm bớt tác động phá hoại sâu bệnh (trung bình hàng năm có khoảng 10 − 20% sản lượng lương thực bị sâu bệnh phá hại), lượng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng nơng nghiệp ngày tăng Trung bình có khoảng 50% lượng thuốc trừ sâu phun rơi xuống đất, tồn đất bị lôi vào chu trình đất−cây−động vật−người Trên giới sử dụng khoảng 1000 loại thuốc bảo vệ thực vật, chúng bị phân hủy nước chậm (từ tháng đến năm) nên tạo dư lượng đáng kể đất Ví dụ: dư lượng DDT sau phun năm 80%, lindan 60%, aldrin 20% Vì vậy, dư lượng loại thuốc trừ sâu đất, đặc biệt sản phẩm nông 99 nghiệp nhiều tổ chức quốc tế quan tâm [6] Các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ bị phân hủy đất, q trình phân hủy loại hóa chất bảo vệ thực vật không giống phụ thuộc nhiều vào điều kiện mơi trường, có mặt loại vi sinh vật đất, Do đó, ảnh hưởng chúng đến mơi trường khác Hiện nay, nhiều quốc gia yêu cầu phải công bố rõ thông tin khả trình phân hủy trước cấp phép lưu hành loại thuốc trừ sâu Các yếu tố quan trọng thường xem xét là, hấp phụ thuốc trừ sâu đất; khả rửa trôi thuốc trừ sâu vào nguồn nước (liên quan đến khả gây ô nhiễm nguồn nước); ảnh hưởng thuốc trừ sâu đến hệ sinh vật vi sinh vật đất; khả phân hủy tạo thành sản phẩm độc hại Khả bị hấp phụ vào đất yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ mức độ phân hủy loại thuốc trừ sâu Khả bị hấp phụ tốc độ phân hủy lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như, độ tan, độ bay hơi, điện tích, độ phân cực, khối lượng kích thước phân tử Q trình phân hủy loại thuốc trừ sâu đất xảy chủ yếu nhờ ba đường: phân hủy hóa học, phân hủy quang hóa quan trọng phân hủy sinh học 4.8.1.3 Chế độ tưới tiêu Bên cạnh việc sử dụng phân bón hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật, chế độ tưới tiêu bất hợp lý làm biến đổi thành phần hóa học tính chất lý đất Các hệ thống tưới tiêu hoạt động mạnh mùa khơ làm hạ thấp mức nước ngầm dẫn đến nguy xâm nhập mặn vào nước ngầm Mặt khác, tưới nhiều nước gây ngập úng, xói mịn, rửa trôi Một hậu đáng quan tâm việc tưới khơng hợp lý muối hóa đất (salinization of soil), làm giảm suất trồng, số trường hợp làm khả sử dụng đất nơng nghiệp Hình 4.3 Muối tích tụ bề mặt đất vùng canh tác [19] Nguyên nhân tượng muối hóa giải thích gồm giai đoạn sau: − Nước tưới thấm sâu vào lòng đất, − Nước hòa tan muối thấm lên bề mặt lực mao quản, 100 − Nước bay để lại muối bề mặt đất 4.8.2 Ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt công nghiệp Sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải nguồn gây nhiễm khơng khí mà cịn ảnh hưởng xấu đến mơi trường đất Ví dụ: − SO2 tạo thành đốt nhiên liệu chứa lưu huỳnh thải vào khí Trong khơng khí SO2 tham gia nhiều trình khác tạo thành SO42− theo nước mưa lắng đọng xuống đất − Các oxit nitơ bị cuyển hóa thành nitrat khí theo nước mưa vào đất Mặt khác, đất hấp thụ khí NO NO khí bị oxy hóa chuyển thành nitrat đất − Bụi chì khí thải từ động đốt phương tiện giao thông lắng xuống tích tụ mặt đất dọc theo đường có mật độ tơ lại cao − Ở vùng khai khoáng mỏ, kim loại từ mỏ phát tán vùng đất xung quanh, làm cho đất vùng bị nhiễm nhiều kim loại Các chất thải rắn công nghiệp sinh hoạt (rác sinh hoạt, chất xỉ, giấy, gỗ, kim loại, cao su, gạch vữa, chất thải khai thác mỏ, bùn sinh học xử lý nước thải ) đưa vào đất làm cho đất bị nhiễm bẩn, làm thay đổi thành phần đất gây ô nhiễm nước, nước ngầm, gây bụi mùi làm nhiễm khơng khí Ở số nước quy định chôn lấp chưa chặt chẽ, chất gây ô nhiễm từ khu vực chôn lấp rị rỉ vào đất Đáng ý khu gần khu công nhiệp Nhiều chất hữu dễ bay (Volatile organic compounds – VOC) benzene, toluene, xylene, diclorometan phát đất gần khu công nghiệp Để hạn chế nguồn gây ô nhiễm chất thải rắn, người ta phải xử lý chất thải rắn cách nghiêm ngặt phân loại chất thải, thu hồi tái sử dụng chất thải Các chất thải độc hại nguy hiểm phải thiêu đốt chôn cất hố chôn theo kỹ thuật, có lớp ngăn cách với đất, có lớp bao phủ bề mặt, có đường tiêu nước bề mặt , hạn chế khai thác bừa bãi, sử dụng hợp lý vùng mỏ khai thác nhằm hạn chế ô nhiễm đất ... 6-1 2-8 chứa 6% N, 12% P2O5, 8% K2O Phân chuồng có thành phần gần tương đương với phân 0, 5-0 ,2 4-0 ,5 Phân chuồng cần ủ để phân hủy sinh học giải phóng cấu tử vơ thực vật hấp thụ (NO3−, HxPO4x-3... chứa nhiều sulfat axit gọi đất sulfat-axit (acid-sulfate soil) Các vùng đất hình thành từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, bị chuyển thành đất sulfat-axit tiếp xúc với khơng khí Các mỏ khống... H2O Ở vùng có lượng mưa thấp, đất có mơi trường kiềm chứa muối bazơ Có thể xử lý đất kiềm muối nhơm sắt sulfat, muối tan vào nước bị thủy phân tạo môi trường axit 2Fe3+ + 3SO42− + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3