Bài giảng Đặc tính nền đáy ao

Đặc tính nền đáy ao CHƯƠNG 4 ĐẶC TÍNH NỀN ĐÁY AO Chất lượng nước có liên quan mật thiết đến tính chất nền đáy củ thủy vực, quá trình hấp thụ và giải phóng các chất là biến đổi chất lượng nước, đặc biệt là sự hấp thụ và giải phóng dinh dưỡng của nền đáy. Trong nuôi trồng thủy sản, một số đặc tính của nền đáy ao sau đây được chú ý: Bảng 4-1. Tính chất đất được chọn ảnh hưởng đến việc quản lý ao nuôi trồng thủy sản Tính chất Kết cấu và kích thước hạt pH và phèn Vật chất hữu cơ Hàm lượng N và tỉ lệ C:N Điện thế oxy hoá khử Độ sâu của lớp phù sa Hàm lượng chất dinh dưỡng Các quá trình tác động trong ao Xói mòn và lắng tụ, độ bền vững của bờ ao, thẩm lậu, sự thích hợp của môi trường sống ở đáy ao Nguồn chất dinh dưỡng sẵn có, hoạt động của vi sinh vật, sức sản xuất của sinh vật đáy, độc tính của H+ Độ bền vững của bờ ao, nhu cầu oxygen, cung cấp chất dinh dưỡng, sự thích hợp của môi trường sống ở đáy ao Sự phân hủy của hợp chất hữu cơ, nguồn dinh dưỡng sẵn có Sự sản sinh độc tố, độ hòa tan của chất khoáng Giảm thể tích ao, sự thích hợp của môi trường sống ở đáy ao Nguồn dinh dưỡng sẵn có và năng suất 1 NGUỒN GỐC BÙN AO/PHÙ SA TRONG AO ĐẤT Trong ao nuôi thủy sản, vật chất lắng tụ ở đáy ao bao gồm các chất vô cơ như phù sa, vật chất hữu cơ như phân bón, thức ăn thừa, xác chết của sinh vật... Nguồn gốc của các vật chất lắng tự ở đáy ao bao gồm: - Sự xói mòn và nước rửa trôi từ bờ ao - Sự lắng đọng của các sinh vật kích thước nhỏ - Thức ăn, chất thải của cá - Chất rắn lơ lửng từ nguồn nước vào - Nguồn phân bón, đặc biệt là phân chuồng - Bụi bặm từ không khí - Thực vật bậc cao. 55 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ LẮNG TỤ Tốc độ lắng tụ của vật chất trong trong ao phụ thuộc vào một số nhân tố như kích cỡ hạt, tính chất hóa học của nước, sự chuyển động của nước, và sự khuấy động nền đáy. - Cỡ hạt: vật chất lơ lửng có cỡ hạt khác nhau, vật chất cỡ hạt càng lớn (cát) lắng tụ nhanh hơn những vật chất có cỡ hạt nhỏ (bùn hay sét) - Tính chất hóa học của nước: nước có độ độ cứng và độ mặn cao thì tốc độ lắng càng nhanh. - Sự xáo trộn và chuyển động của nước: thủy vực nước tĩnh như ao hồ thì tốc độ lắng tụ vật chất nhanh hơn những thủy vực nước chảy (sông, suối). Ngoài ra, sóng, gió làm nước chuyển động sẽ làm chậm quá trình lắng tụ của vật chất. - Khuấy động nền đáy: sự chuyển động của động vật (tôm, cá nuôi) hay quá trình tìm mồi của sinh vật cũng làm cho chất lắng tụ tái lơ lửng trong tầng nước. Hình 4.1. Nguồn cung cấp và sự phân bố vật chất trong thủy vực 56 Đặc tính nền đáy ao Hình 4-2. Chuyển động vật lý của nước và vật chất hoà tan trong một ao nuôi trồng thủy sản. 3 ĐIỆN THẾ OXY HOÁ KHỬ (REDOX) - Trong phản ứng chất bị oxy hóa là chất mất điện tử (e ) và chất bị khử là chất nhận điện tử. Vì vậy, chất nhận điện tử được gọi là chất oxy hóa và chất mất điện tử được gọi là chất khử. Fe (chất oxy hóa) + e → Fe (chất khử) Các chất khử trong nước ao: H S, Fe , Mn ..., chất oxy hóa như O (tự nhiên), và các chất oxy hóa nhân tạo dùng trong khử trùng nước như HOCl hay OCl , O ... Điện thế oxy hoá khử của một dung dịch là tỉ lệ thành phần chất oxy hoá và chất khử. được biểu thị bằng giá trị E = +/-V (volt), or mV (milivolt). Máy đo điện cực Platinum được dùng để đo điện thế oxy hóa khử, để đo giá trị này chính xác tốt nhất được đo tại hiện trường (đo tại chỗ). Khi dòng điện tử di chuyển từ dung dịch sang điện cực, dung dịch tồn tại chất khử và giá trị đo được là giá trị âm (-). Ngược lại, dung dịch tồn tại chất oxy hóa dòng điện tử di chuyển từ điện cực sang dung dịch và giá trị đo được là giá trị dương (+). 3+ - 2+ 2+ 2+ 2 2 - 3 57 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình 4-1. Điện thế oxy hoá khử cho ao tôm. 4 VẬT CHẤT HỮU CƠ TRONG BÙN Vật chất hữu cơ (Organic matter -OM) trong bùn có nguồn gốc từ: - Thức ăn thừa - Phân bón (phân chuồng, phân xanh...) - Xác phiêu sinh vật - Chất bài tiêt của cá Thức ăn thừa, xác phiêu sinh vật và chất bài tiết của sinh vật thường chứa nhiều N nên làm chất lượng nước suy thoái nhanh. Phân hữu cơ hàm lượng N thấp nên làm chất lượng nước suy thoái chậm. Trong ao nuôi thủy sản thường tích lũy vật chất hữu cơ cao hơn so với đất nông nghiệp. Vật chất hữu cơ trong bùn biến thiên trong khoảng 1-10% (trung bình khoảng 2 5- % ,)đ ất nông nghiệp có hàm lượng hữu cơ nhỏ hơn 2%. Hàm lượng vật chất hữu cơ tăng dần theo độ sâu, do tầng sâu hàm lượng oxy hòa tan thấp đã hạn chế quá trình phân hủy do vi khuẩn làm tăng sự tích lũy vật chất hữu cơ trong bùn. Ao có nhiều thực vật lớn, ao bón phân chuồng tích lũy nhiều vật chất hữu cơ hơn các ao thông thường. Theo Boyd (1970) vật chất hữu cơ và đạm hữu cơ có mối tương quan theo phương trình sau: 58 Đặc tính nền đáy ao Y = 10 001 + 0,, Trong đó, 0 55X (R 2 = 0,87) Y : phần trăm OM; X: phần trăm đạm hữu cơ Tỉ lệ C:N trong bùn đáy ao thường nằm trong khoảng 6:1 đến 35:1, ao bón phân chuồng thường có C:N là 7:1 đến 14:1 Một số đầm lầy than bùn ở nước lợ hoặc nước ngọt có hàm lượng vật chất hữu cơ cao, khoảng 75% thể tích đất là xác thực vật. Trong điều kiện thiếu oxy, quá trình phân hủy chậm và đất có tính acid cao. 5 SỰ PHÂN HỦY CỦA VẬT CHẤT HỮU CƠ Quá trình phân hủy hiếu khí làm giảm oxy trong ao, một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy hữu cơ gồm: - Nhiệt độ: nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật tùy từng loài. Tốc độ phân hủy tăng dần từ 2-35 C. Nhiệt độ tăng 10 C thì tốc độ phân hủy tăng 2 lần và tiêu thụ oxy gấp đôi. - pH: vi khuẩn thường hoạt động tốt ở môi trường trung tính hay kiềm yếu. Nấm hoạt động tốt trong môi trường acid. Vật chất hữu cơ bị phân hủy nhanh hơn trong môi trường trung tính hay kiềm yếu so với môi trường acid. - DO: Phân hủy hiếu khí xảy ra càng nhanh khi trong môi trường hàm lượng oxy hòa tan đạt đến mức bão hòa Một số vi khuẩn có khả năng phân hủy cả trong điều kiện hiếu khí và yếm khí và một số chỉ phân hủy yếm khí khi oxy hòa tan thấp. Tốc độ phân hủy yếm khí thường chậm và không hoàn toàn (sản phẩm cuối cùng là alcohol hay acid hữu cơ) so với phân hủy hiếu khí (sản phẩm cuối cùng là CO 2) 6 ĐẤT ĐÁY AO 6.1 Kết cấu đất Kết cấu đất chỉ tỉ lệ hạt tương đối với các cỡ khác nhau như cát, phù sa và sét trong đất. Kết cấu ảnh hưởng đến khả năng sử dụng đất, lượng nước và không khí chứa đựng trong đất, tốc độ thấm qua đất của nước. Để xác định kết cấu của một mẫu đất, trước hết phải tách riêng đất mịn có tất cả các hạt nhỏ hơn 2 mm khỏi những hạt lớn hơn như sỏi và đá. Đất mịn là hỗn hợp của cát, bùn và sét. Dùng sàng với kích thước mắc lưới khác nhau để xác định tỉ lệ hạt tương đối và sử dụng sơ đồ tam giác USDA để phân loại đất: o o 59 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Bảng 4-2: Phân loại cỡ hạt đất theo tiêu chuẩn quốc tế và tiêu chuẩn đất nông nghiệp Mỹ. Theo Buckman và Brady (1960), trích dẫn bởi Boyd (1990). Giới hạn cỡ hạt (mm) Tiêu chuẩn quốc tế Lớn hơn 2,0 2,0-0,2 0,2-0,02 0,02-0,002 Nhỏ hơn 0,002 Tiêu chuẩn USDA Lớn hơn 2,00 2,00-1,00 1,00-0,50 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,05 0,05-0,002 Nhỏ hơn 0,002 Loại hạt Sỏi Cát rất thô Cát thô Cát trung bình Cát mịn Cát rất mịn Bùn Sét Bảng 4-3. Kích thước lỗ cho các loại sàng tuân thủ theo những đặc tính kỹ thuật về vật liệu theo tiêu chuẩn Mỹ (ASTM). Tiêu chuẩn USA ASTM 5 10 20 30 40 50 60 Kích thước mắc lưới (mm) 4,75 2,00 0,85 0,60 0,42 0,30 0,25 Tiêu chuẩn USA ASTM 80 100 140 200 270 400 Kích thước mắc lưới (mm) 0,18 0,15 0,106 0,075 0,053 0,038 Hình 4-1. Quá trình tách loại các cỡ hạt đất . 60 Đặc tính nền đáy ao Hình 4-2. Sơ đồ tam giác của các lớp kết cấu đất cơ bản theo kích thước hạt USDA Bảng 4-4. Các lớp kết cấu USDA của đất: Kết cấu đất (phần trăm, trọng lượng khô) Tên tổng quát của đất Đất cát (kết cấu thô) Đất thịt (kết cấu hơi thô) Cát 86 100- 70 86- 50 70- Đất thịt (kết cấu trung bình) 23-52 20 50- 0 20- Đất thịt (kết cấu hơi mịn) Đất sét (kết cấu mịn) 20 45- 45 80- 0 20- 45 65- 0 20- 0 45- Bùn 0 14- 0 30- 0 50- 28 50- 74 88- 88 100- 15 52- 0 8- 40 73- 0 20- 40 60- 0 40- Sét 0 10- 0 15- 0 20- 70 27- 0 27- 0 12- 27 40- 20 35- 27 40- 35 55- 40 60- 40 100- Loại đất Cát Cát pha thịt Thịt pha cát Thịt Thịt pha bùn Bùn Thịt pha sét Thịt pha sét và cát Thịt pha sét và bùn Sét pha cát Sét pha bùn Sét 61 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Bảng 4-5. Sự thích hợp tương đối như là vật liệu để xây bờ của các loại đất khác nhau. Kết cấu Sét Độ thấm nước Hệ số nén Không thấm Sét pha cát Không thấm Thịt Ít thấm đến không thấm Thịt pha cát Ít thấm đến không thấm Cát Than bùn Thấm nước Thấm nước Trung bình Thấp Cao Trung bình đến cao Không đáng kể Độ kết chặt Rất tốt Tốt Thay đổi từ khá tốt đến không tốt Thay đổi từ tốt đến không tốt Tốt Dùng đắp đê Rất tốt Tốt Khá tốt Không tốt Không tốt Rất không tốt 6.2 Đất phèn (Acid Sulfat Soil) pH nước ao thấp hơn 4,5 với nhôm, magiê và sắt hoà tan. Tính acid gây ra bởi sự oxy hóa bùn mang hợp chất có chứa lưu huỳnh, mà chứa lượng acid tiềm tàng lớn hơn nhiều lần bùn trao đổi acid bình thường. Đất phèn tiềm tàng có thể được xác định bởi việc đo acid sulfuric qua sự oxy hoá khử bởi H 2O 2. 6.2.1 Trao đổi acid trong bùn Khả năng trao đổi cation (CEC): số lượng cation hấp thụ trên các hạt keo của bùn và được biểu thị bằng meq cation/100g bùn khô. Hình 4-3. Trao đổi acid trong bùn 62 Đặc tính nền đáy ao Ví dụ: CEC = 5 meq/100g Ca K + 2+ Na + 3+ Al - 1 meq - 0,5 meq - 0,25 meq - 3,25 meq 3+ Độ bảo hoà bazơ (Al ) = 3.25/5 = 0.65 Cation keo đất ⇔ Cation trong dịch đất Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity - CEC) CEC Sét, hữu cơ Cation acid Cation bazơ = meq (cation trong keo đất)/100 g đất > cát = Al , Fe , H+ 3+ 3+ = Ca , Mg , K , Na , NH 2+ 2+ + + + 4 Độ bão hòa bazơ: Tỉ lệ cation acid/tổng cation Sơ đồ sau đây trình bày sự cân bằng giữa các cation bị hút trên các hạt keo bùn và các cation hoà tan trong kẽ nước . Hình 4-4. Sự cân bằng giữa các cation bị hút trên các hạt keo bùn và các cation hoà tan trong kẽ nước. Theo C. E. Boyd (1990). Trao đổi acid có thể là nguồn gây acid như kết quả của các điểm trao đổi các cation acid (Al , Fe , H ). Bùn với CEC lớn hơn có số lượng cation acid lớn hơn. Lược đồ sau đây tình bày sự trung hòa sự trao đổi acid bởi CaCO 3. 3+ 3+ + 63 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình 4-5. Sự trao đổi acid và quá trình trung hòa bởi CaCO 3. Theo C. E. Boyd (1990). 6.2.2 Đất phèn Đất phèn hay đất phèn tiềm tàng chiếm trên 15 triệu ha ở vùng nhiệt đới, bao gồm gần 5 triệu ha ở Nam và Đông Nam Á. Chưa tới 2 triệu ha trong số 15 triệu ha được sử dụng để trồng trọt vì không thích hợp cho nông nghiệp. Tình trạng phèn cũng gây ra nhiều vấn đề được biết đến trong ao nuôi cá: cá tăng trưởng chậm và trong một số trường hợp thì chết hàng loạt. Những vấn đề được tóm lược như sau: - Cá chết do pH thấp (= độ phèn cao) - Thức ăn tự nhiên kém - cá tăng trưởng chậm - Phản ứng kém với phân bón - Ảnh hưởng độc tố của sắt và nhôm - Nhạy cảm với nước mưa acid Các quá trình hóa học sinh ra đất phèn: H S + Fe Æ FeS + 2H 2+ + Æ FeS 2 = PYRITE 2 FeS + S Pyrite khi đó được khử bởi quá trình oxy hoá nếu đất không ngập nước và được giữ ẩm. 2FeS 2 + 7O 2 + 2H 2O Æ2FeSO 4 + 2H 2SO4 Phản ứng này phóng thích axit sulphuric tạo ra tình trạng pH rất thấp. Dưới những điều kiện pH rất thấp, Fe +3 +2 được oxi hoá thành Fe +3 bởi vi khuẩn Thiobacillus ferroxidans. Fe là tác nhân oxy hoá hữu hiệu hơn oxy trong khí quyển: 4FeSO 4 + 2H 2SO 4 + O 2 Æ 2Fe 2(SO 4) 3 + 2H 2O FeS 2 + 7Fe 2(SO 4) 3 + 8H 2O Æ 12Fe 2SO 4 + 8H 2SO4 64 Đặc tính nền đáy ao Vi khuẩn Thiobacillus cũng có thể oxy hoá sulphur thành acid sulphuric: vi khuẩn này hoạt hoá ở pH 2.0-3.5. S + 1,5O 2 + H 2O Æ H 2SO4 Van Breemen (1980) cho rằng đất phèn thực sự và đất phèn tiềm tàng chiếm 5 triệu ha ở Nam và Đông Nam Á và 3,77 triệu ha ở Châu Phi. Mặc dù tìm thấy trong hầu hết các vùng khí hậu nhưng thường ở vùng ven biển vùng nhiệt đới. Thường gắn kết với những đầm phá rừng ngập mặn nhiệt đới ven biển. Sulphur and sulphates có từ nước mặn. Mặc dù sulphate hầu như trơ đối với quá trình khử vô cơ nhưng nó dễ dàng được khử bằng phương pháp sinh học bởi vi khuẩn. Phản ứng đầy đủ dẫn đến sự hình thành H 2S, có thể được tóm tắt như sau: 2C H O + SO + 2H Æ 2CH COCOOH + H S +2H O Vi khuẩn khử sulfate kỵ khí đặc biệt hoạt hóa ở pH gần trung tính. Vì nước biển thường có pH = 8,2-8,4, và pH đất thường khoảng 6,5-7,5, quá trình khử sulphate xúc tiến rất nhanh dưới những điều kiện như vậy nếu có sự hiện diện của vật chất hữu cơ. Đất phèn phát triển từ trầm tích cửa sông và biển; những trầm tích này bền và hình thành đất với hàm lượng hữu cơ cao từ rừng ngập mặn. Do sự xâm nhập của oxy kém, vi khuẩn sử dụng sulphate gây ra sự hình thành sulfide trong trầm tích. Chúng cũng chứa hàm lượng nhôm và sắt trao đổi. Sự phân hủy của hợp chất hữu cơ trong đất (rễ cây rừng…) tiếp tục làm thiếu oxy trong đất và do đó đã hoạt hóa vi khuẩn khử sulfate (những vi khuẩn này phân hủy vật chất hữu cơ cùng một lúc với lấy sulfate từ nước biển cho hô hấp- tạo ra sulfide). Hình thành trong đất dạng H 2S hoặc kết hợp với sắt có sẵn để tạo ra FeS . FeS được chuyển hoá thành pyrite là hợp chất khoáng cho việc hình thành phèn trong đất. Khi bị ngập nước hoặc ở điều kiện yếm khí, đất này gần như có pH trung tính nhưng khi được tháo khô hoặc xây dựng ao, sự oxy hóa dẫn đến sự giải phóng acid sulfuric nếu đất được làm ẩm ướt trở lại. Có nhiều đặc điểm nhân dạng đất phèn tiềm tàng và có thể thực hiện tại hiện trường. Tuy nhiên, không đơn giản để biết mức độ phèn của đất sẽ là bao nhiêu nếu sử dụng để nuôi cá. Có thể nhân dạng đất phèn bằng cách sau: - pH thấp - Có sự hiện diện của những vết lốm đốm màu vàng (jarosite - một loại khoáng sulfat sắt bazơ) = KFe 3(SO 4) 2(OH)6 - Trầm tích sắt (màu hơi đỏ/nâu) - Không có thực vật 65 2 2 6 12 6 4 3 2 2 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản - Có mùi hôi Đối với đất phèn tiềm tàng có những đặc điểm sau: - Mẫu đất hóa chua khi phơi khô - Bùn nhão với hàm lượng hữu cơ cao - Màu đất xám đen tới đen - Có mùi H 2S từ bề mặt bên dưới (khi đất được đào lên) - Có sự hiện diện của những đốm lưu huỳnh và jarosite (có màu vàng) - Cá chết hàng loạt sau khi mưa ( trong những ao mới đào) 66