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 CO 2 thì sẽ hoà tan rất nhiều CaCO 3, , MgCO 3  Nếu trong đất có quá nhiều khí CO 2 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 (N 2 ) Ôxy (O 2 ) Argon (Ar) Cacbonic (CO 2 ) Các khí khác(Ne, He, CH 4 , O 3 , 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 CO 2 thì ngược lại tăng lên. Theo Monthei và cộng sự (1964) cho rằng: dòng khí CO 2 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 O 2 trong khoảng 2,5 và 5,0 g/ m 2 / 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 O 2 là giữa 60 và 75 % của tỷ số CO 2 được tạo thành đạt tối đa là 24 g/m 2 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: NH 3 , H 2 S, CH 3 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 O 2 và CO 2 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 s g g a gg        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 cm 2 đất trong 1 phút, khi trái đất cách mặt trời một khoảng trung bình. Hằng số này là 1964 Calo/cm 2 /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 30 0 C. 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 H f so với tổng số năng lượng ánh sáng chiếu xuống đất H r 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%) H ấ p ph ụ (16%) Tia trực tiếp (19%) Bức xạ toàn cầu (45%) Bức xạ khí quyển (25%) Khuy ế ch tán Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển (100%) Phản xạ (16%) Bức xạ ra ngoài hữu ích (17%) Bố c hơi phát tán Nhiệt cảm ứng B ứ c x ạ h ữ u hi ệ u (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** Ngô (New 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 cm 3 đất lên 1 0 C. 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: C đất = X a C a +X w C w +   N J sisi CX 1 (1) Trong đó: X phần thể tích, C là nhiệt dung riêng theo thể tích và a, w, s i chỉ không khí, nước, và loại hạt rắn i trong đất. Và được de Vries (1963) mô hình hoá như sau: C đất =   00 60,0146,0 XX   (2) Trong đó: X 0 là thể tích phần chất hữu cơ;  là độ hổng;  là lượng nước theo thể tích; - X 0 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 [...]... hơi nước và Hv là nhiệt ngầm của quá trình bốc hơi (chuyển thể của nước) Vận chuyển hơi nước chủ yếu cũng theo con đường đối lưu Vậy phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định có thể viết: Rn = S+ Hv.ET + JH (3) Rn là nhiệt bức xạ hữu hiệu Mỗi thành phần ở phía phải của phương trình là âm khi chúng đi ra khỏi mặt đất (hình 10. 2) Giá trị các thành phần của phương trình trên thể hiện như sau: Thành... t  z / d   < z < 0 (6) Nhiệt độ đất (0C) Trong đó: d= 2 K T /  = K T  /  Một kết quả ứng dụng phương trình (6) ta thu được trên hình 10. 3 Hình 10. 3 Sơ đồ nhiệt độ tại mặt đất và 3 độ sâu theo hàm thời gian của phương trình (6) 2.5 Ðiều hoà nhiệt trong đất Ðiều hoà nhiệt trong đất là quá trình nhằm điều chỉnh nguồn nhiệt và nhiệt độ theo hướng có lợi cho cây trồng, bao gồm một số biện pháp kỹ... Nhiệt đất Ban ngày Bức xạ hữu hiệu Nhiệt cảm ứng Bốc hơi Mặt đất Ban đêm Nhiệt đất Hình 10. 2 Sơ đồ biểu diễn thành phần của cân bằng năng lượng bề mặt (Tanner 1968) 2.4 Sự thay đổi nhiệt độ đất hàng năm Ngoài đồng ruộng, nhiệt độ thay đổi không ngừng Trên cơ sở mô hình của phương trình dòng nhiệt ổn định, phương trình tính nhiệt độ hàng năm như sau: T(t) = TA + A sin t (4) Trong đó: TA nhiệt độ trung... nhiệt tốt cho đất vì càng chặt sự truyền nhiệt càng dễ Nhờ đó mà tầng dưới nhiệt độ có thể tăng 3-5 0C Việc lên luống làm tăng sự gồ ghề cho mặt đất dẫn đến tăng bức xạ nhiệt Che phủ đất cũng làm thay đổi khả năng phản xạ và phóng nhiệt của đất Che phủ đất bằng nguyên liệu màu đen có thể tăng bức xạ lên 1 0-1 5% do đó làm đất ấm lên nhất là vào mùa đông Ngày nay người ta dùng PE màu sáng cho phép tia... của đất và mô hình toán tính dòng khí trong đất 4 Nêu những biện pháp điều tiết không khí trong đất 5 Cho biết những đặc tính nhiệt trong đất và những yếu tố chi phối 6 Nêu phương trình cân bằng nhiệt trạng thái ổn định 7 Trình bày mô hình toán tính nhiệt độ năm của đất 8 Kể các biện pháp điều hoà nhiệt thường được áp dụng . 7 5-9 5 3 0-6 0 1 2-3 0 5-2 0 3-1 0 2 5-3 0 1 0-1 2 23 16 Ðất đen khô** Ðất đen ướt** Ngô (New York) ++ Mía (Hawai) ++ Dứa (Hawai) ++ Khoai tây (LB Nga) ++ 14 8 23,5 5-1 8 5-8 1 5-2 5. (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. 0,04 78,0 8- 80,42 20,9 0- 0,00 - 0,0 3- 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