Bài giảng môn học Thổ nhưỡng - Võ Thanh Phong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NAM CẦN THƠ Bài giảng môn học: THỔ NHƯỠNG Dành cho sinh viên đại học Ngành Quản lý đất đai Biên soạn: ThS. Võ Thanh Phong Cần Thơ, 2016. i Phần 1: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT VÀ PHÌ NHIÊU ĐẤT ........................ 1 1.1 Khái niệm về đất ...................................................................................................... 1 1.2 Quá trình hình thành đất ........................................................................................ 1 1.2.1 Sự phong hoá đá và khoáng vật .................................................................... 2 1.2.2 Vỏ phong hoá ................................................................................................. 4 1.2.3 Tuần hoàn vật chất và sự hình thành đất ....................................................... 5 1.3 Các yếu tố hình thành đất ....................................................................................... 6 1.3.1 Khí hậu ........................................................................................................... 6 1.3.2 Sinh vật .......................................................................................................... 7 1.3.3 Địa hình .......................................................................................................... 8 1.3.4 Mẫu chất ........................................................................................................ 9 1.3.5 Thời gian ...................................................................................................... 11 1.4 Một số quá trình xảy ra trong đất ........................................................................ 12 1.4.1 Quá trình hình thành đá ong và kết von ...................................................... 12 1.4.2 Quá trình glây .............................................................................................. 13 1.4.3 Quá trình hình thành đất phèn ..................................................................... 15 1.5 Phẫu diện đất ......................................................................................................... 19 1.5.1 Quá trình thành lập tầng đất ......................................................................... 19 1.5.2 Các tầng đất và đặc điểm của chúng ........................................................... 20 THỰC HÀNH: MÔ TẢ PHẪU DIỆN ĐẤT ................................................................. 22 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 26 Phần 2: THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CUẢ ĐẤT ............................................ 27 2.1 Thành phần cấu tạo đất ........................................................................................ 27 2.1.1 Thành phần rắn ............................................................................................ 27 2.1.2 Thành phần lỏng .......................................................................................... 30 2.1.3 Thành phần khí ............................................................................................ 34 2.2 Vật lý đất ................................................................................................................ 36 2.2.1 Sa cấu đất ..................................................................................................... 36 2.2.2 Dung trọng và tỷ trọng ................................................................................. 39 2.2.3 Tế khổng và độ xốp ..................................................................................... 42 2.3 Hình thái đất .......................................................................................................... 44 2.3.1 Màu đất ........................................................................................................ 44 2.3.2 Cấu trúc đất .................................................................................................. 48 2.4 Hoá học đất............................................................................................................. 54 2.4.1 Thành phần hóa học và dinh dưỡng trong đất ............................................. 54 2.4.2 Một số tính chất hóa học của đất ................................................................. 55 ii 2.5 Sinh học đất ............................................................................................................ 62 2.5.1 Vi sinh vật đất .............................................................................................. 62 2.5.2 Động vật đất ................................................................................................. 66 2.5.3 Thực vật ....................................................................................................... 68 2.6 Sử dụng các nhóm đất chính ................................................................................ 69 2.6.1 Phân loại các nhóm đất chính ở Đồng bằng Sông Cửu Long ...................... 69 2.6.2 Đặc điểm và sử dụng nhóm đất chính ở Đồng bằng Sông Cửu Long ......... 71 THỰC HÀNH: - XÁC ĐỊNH DUNG TRỌNG, TỶ TRỌNG VÀ ĐỘ XỐP CỦA ĐẤT - XÁC ĐỊNH pH ĐẤT VÀ EC ĐẤT ............................................................................ 81 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 83 1 Phần 1: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Đây là môn học nghiên cứu về các yếu tố và các tiến trình thành lập đất. Nó bao gồm việc mô tả và giải thích các phẫu diện đất, các thành phần cấu tạo nên đất và cách thể hiện của đất trên bề mặt của trái đất. Một cách tổng quát thì nó được nghĩ như là việc nghiên cứu cách hình thành đất trên mặt đất đai của trái đất. Tuy vậy, một số nhà khoa học đất cũng muốn nới rộng thêm là bao gồm cả nguyên vật liệu khác nằm dưới nước mà các vật liệu này có hỗ trợ cho động vật và thực vật để sống. Một số nhà địa chất trước đây còn muốn tính cả các trầm tích không ổn định vào trong đất. Do đó các loại đất được gọi tên như: đất mang đến do băng hà, do gió xói mòn mang đến, đất dốc tụ, đất phù sa cách gọi này vẫn còn hiện hữu trong các tài liệu thổ nhưỡng. Nguồn gốc hình thành đất là môn học nghiên cứu về sự phát triển của đất từ các mẫu chất. 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT Đất trong thuật ngữ chung là các vật chất nằm trên bề mặt trái đất, có khả năng hỗ trợ sự sinh trưởng của thực vật và phục vụ như là môi trường sinh sống của các dạng sự sống động vật từ các vi sinh vật tới các loài động vật nhỏ. Đất không những hỗ trợ cho sự phát triển của cây trồng mà còn là vùng (thổ quyển) với nhiều tương tác của các yếu tố khí hậu (nước, không khí, nhiệt độ); môi trường sống (vi sinh vật, thực vật, động vật) và xác bả của sinh vật cùng với mẫu chất hình thành nên đất. Trong suốt quá trình hình thành phát triển, phẫu diện đất phân thành những lớp khác nhau có cùng một số tính chất gọi là tầng đất. Các nhà thổ nhưỡng học đặt trọng tâm nghiên cứu đến các tiến trình thành lập đất (sự hình thành và sự phát triển của đất), tính chất cơ bản của đất (vật lý đất, hoá học đất và sinh học đất), mối liên hệ giữa tự nhiên và lịch sử của đất đai cũng như dự đoán những thay đổi trong việc sử dụng đất. Các nhà nông học hiểu rõ rằng đất canh tác là kết quả của sự phát triển của nhiều yếu tố trong hàng ngàn năm và họ chủ yếu tập trung nghiên cứu vào những tính chất của đất có ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng cây trồng. Ngày nay, hai khuynh hướng nghiên cứu này thường được kết hợp với nhau hình thành nên một ngành đó là khoa học đất. 1.2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT Đất là kết quả của nhiều tiến trình thổ nhưỡng trong quá khứ mà ta có thể nhận thấy được mặc dù trong một số trường hợp thì người ta khó quan sát và xác định được. Vì vậy, các kiến thức về cổ sinh thái, cổ địa lý, địa lý băng hà và cổ khí hậu thì rất quan trọng cho việc nhận dạng và hiểu tiến trình hình thành đất và có thể dự đoán những thay đổi của đất trong tương lai. Trong đất, các đặc tính quan trọng của hạt đất là số lượng, kích thước, hình dáng và sự sắp xếp của chúng. Mỗi đặc tính này có mối quan hệ với các đặc tính khác và nó đặc trưng cho tính chất cơ bản của tầng đất, mức độ tác động của con người và các ảnh hưởng khác như: độ dốc, địa mạo, thời gian. Các đặc tính này có thể quan sát và đo lường được. 2 Tóm lại, đất có thể được xem như là một đồ biểu tổng hợp, là một bộ phận của thiên nhiên, nó ghi nhận tổng hợp lại các sự việc đã xảy ra tại vị trí đó. Đất có thể có chứa các hạt thạch anh có tuổi hàng tỷ năm, các tinh thể calcite mới hình thành, các mảnh vỡ đồ sứ một ngàn năm tuổi, một chất hữu cơ năm ngàn năm về trước và cũng có những chất thải của cây rừng trong vài tuần qua. Với ý nghĩa này, đất là một đồ biểu tổng hợp. Thử thách được đặt ra cho các nhà khoa học đất là học để đọc đồ biểu này. 1.2.1 Sự phong hoá đá và khoáng vật Dưới sự tác động của nước, các chất khí như O2, CO2... và nguồn năng lượng bức xạ mặt trời, các khoáng vật và đá lộ ra ở phía ngoài cùng của vỏ trái đất bị phá huỷ. Quá trình phá huỷ khoáng vật và đá được gọi là quá trình phong hoá. Có 3 loại phong hoá đá và khoáng vật là phong hoá vật lý, phong hoá hoá học và phong hoá sinh học. Sự phân chia các loại phong hoá chỉ là tương đối vì trong thực tế các yếu tố ngoại cảnh đồng thời tác động lên đá và khoáng vật, do vậy 3 loại phong hoá đồng thời cùng diễn ra. Các quá trình phong hoá liên quan mật thiết và hỗ trợ cho nhau, tuỳ điều kiện cụ thể mà một trong 3 quá trình xảy ra mạnh hơn. * Phong hoá vật lý Phong hoá vật lý là sự vỡ vụn của các loại đá thành các hạt cơ giới có kích thước khác nhau nhưng chưa có sự thay đổi về thành phần khoáng vật, thành phần hoá học của các đá ban đầu. Nguyên nhân gây nên việc phá vỡ khoáng vật và đá là do sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất và sự tác động của các hoạt động địa chất ngoại lực như nước chảy, gió thổi xảy ra trên bề mặt vỏ trái đất. Sự thay đổi nhiệt độ làm cho các khoáng vật có trong đá bị giãn nở không đều dẫn đến kết quả đá bị vỡ ra. Các khoáng vật khác nhau có hệ số giãn nở rất khác nhau. Ví dụ: Tên khoáng vật Hệ số giãn nở Thạch anh Octoclaz Mica Calcite 0,00031 0,00017 0,00035 0,00020 Một loại đá được cấu tạo bởi nhiều khoáng vật khác nhau, do đó nhiệt độ thay đổi các khoáng vật co giãn không giống nhau làm đá bị vỡ vụn. Như vậy thành phần khoáng vật của đá càng nhiều thì đá càng dễ bị vỡ vụn. Những đá cấu tạo bởi một loại khoáng vật (đá đơn khoáng) cũng bị vỡ do hệ số nở dài theo các phương khác nhau. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm, giữa các mùa trong năm càng lớn thì phong hoá vật lý diễn ra càng mạnh. Ví dụ, vùng sa mạc thường có sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm lớn nên vào ban đêm có thể nghe được tiếng nổ vỡ của đá trong vùng. Trong đá thường có các lỗ hổng và các vết nứt nguyên sinh chứa đầy khí hay nước. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới 0 oC, nước ở thể lỏng chuyển thành thể rắn (nước đóng băng) làm tăng thể tích tạo áp suất lớn có khi tới hàng ngàn atmosphere lên thành khe nứt làm cho đá bị vỡ ra. Các mảnh vụn sinh ra có thể di chuyển đi nơi khác theo dòng nước chảy hoặc gió thổi sẽ phá huỷ các đá trên đường di chuyển của chúng. 3 Phong hoá vật lý có tính chất tiên phong, tạo điều kiện thuận lợi cho phong hoá hoá học và sinh học. * Phong hoá hoá học Do sự tác động của H2O, O2, CO2... các khoáng vật và đá bị phá huỷ, thay đổi về hình dạng, kích thước, thành phần và tính chất hoá học. Có thể nói, phong hoá hoá học chính là các phản ứng hoá học diễn ra do sự tác động của H2O, O2, CO2 lên đá và khoáng vật. Phong hoá hoá học được chia thành các quá trình chính là: thuỷ hoá, thuỷ phân, oxy hoá, khử hoá, hòa tan, vôi hoá. + Quá trình thuỷ hoá Là quá trình nước tham gia vào mạng lưới tinh thể của khoáng vật, thực chất đây là quá trình nước kết hợp với khoáng vật làm thay đổi thành phần hoá học của khoáng vật. Ví dụ: CaSO4 CaSO4.2H2O Anhydrite Thạch cao Fe2O3 Fe2O3.nH2O Hematite Limonite + Sự thủy phân Là do sự phân lìa nước thành ion H+ và ion OH-. Nó có thể có tác dụng như một acid hay một base trên các tinh khoáng. Sự phân lìa này càng mạnh nếu nhiệt độ càng lớn. K2O.Al2O3.6SiO2 + 3H2O  Al2O3.2SiO2.2H2O + 2KOH + 4SiO2 Trực tràng Kaolinite + Quá trình oxy hoá Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào sự xâm nhập của O2 tự do trong không khí và O2 hòa tan trong nước. Quá trình oxy hoá làm cho khoáng vật và đá bị biến đổi, bị thay đổi về thành phần hoá học. Ví dụ: Khoáng vật pyrite bị oxy hoá và biến đổi như sau: FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 12FeSO4 + 3O2 + 6H2O = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3 Quá trình ôxy hoá diễn ra rất mạnh với hầu hết các nguyên tố hoá học có trong khoáng vật và đá, đặc biệt là các nguyên tố hoá trị cao, ví dụ mangan. Sự oxy hoá đi kèm với sự thủy hoá hoặc thủy phân. + Sự khử hoá Xảy ra nơi mà các vật liệu đất bị bão hòa nước (oxy không thể thâm nhập thành phần của các khoáng) Fe2O3 + 4SO42- + 8CH2O + 1/2O2  2FeS2 + 8HCO3- + 4H2O pyrite + 2 H2O + n H2O 4 + Quá trình hòa tan: Là quá trình các khoáng vật và đá bị hòa tan trong nước. Hầu như tất cả các khoáng vật và đá bị hòa tan trong nước, nhưng mạnh nhất là các khoáng vật của lớp carbonate và lớp muối mỏ. Ví dụ: CaCO3 (đá vôi) bị hòa tan như sau: CaCO3 + H2O + CO2  Ca(HCO3)2 Các khoáng vật và đá bị hòa tan tạo thành các dung dịch thật. + Quá trình sét hoá: Các khoáng vật silicate như nhôm silicate do tác động của H2O, CO2 sẽ bị biến đổi tạo thành các khoáng sét (keo sét). Các chất kiềm và kiềm thổ trong khoáng vật bị H+ chiếm chỗ trong mạng lưới tinh thể được tách ra dưới dạng hòa tan. Như vậy thực chất của quá trình sét hoá là các quá trình hòa tan, hydrate hoá chuyển các khoáng vật silicate, nhôm silicate thành các khoáng vật thứ sinh, các muối và oxide. Ví dụ: K2Al2Si6O16 + H2O + CO2  H2Al2Si2O8.2H2O + K2CO3+ SiO2.nH2O Fenspat-kali (orthoclaz) Kaolinite Opan * Phong hoá sinh học Hoạt động của sinh vật bậc thấp, bậc cao cũng tham gia phá huỷ các khoáng vật và đá. Rễ cây xuyên vào các khe nứt hút nước và các chất khoáng, theo thời gian, rễ to dần phá vỡ đá. Mặt khác rễ cây tiết H2O và CO2 tạo H2CO3 để hòa tan đá và khoáng vật. Khi chết xác sinh vật bị phân huỷ sinh ra các acid hữu cơ góp phần hòa tan các khoáng vật và đá. Do vậy, bản chất của phong hoá sinh học là phong hoá vật lý và hoá học do sự tác động của sinh vật lên khoáng vật và đá. Cũng trong quá trình này mẫu chất được tích luỹ chất hữu cơ do xác sinh vật để lại sau khi chết, làm cho mẫu chất xuất hiện những thuộc tính mới được gọi chung là độ phì và mẫu chất biến đổi thành đất. Nhà khoa học nổi tiếng người Nga Vecnatxki cho rằng: "Hoạt động hoá học của vỏ trái đất, gần 99% có liên quan tới quá trình sinh hoá học". 1.2.2 Vỏ phong hoá Các sản phẩm phong hoá là kết quả của quá trình phá huỷ các khoáng vật và đá, do vậy chúng rất phong phú và đa dạng. Phong hoá vật lý tạo thành các hạt vô cơ có kích thước khác nhau. Phong hoá hoá học tạo thành các hợp chất dễ tan, oxide, hydroxide và các loại keo sét. Phong hoá sinh vật ngoài sự tạo thành các sản phẩm trên còn tạo sự tích luỹ chất hữu cơ trong mẫu chất. Các loại sản phẩm phong hoá tích đọng lại tạo thành vỏ phong hoá. Vỏ phong hoá là lớp vật chất nằm ở phía ngoài cùng của vỏ trái đất. Sản phẩm phong hoá biến đổi tạo thành mẫu chất, mẫu chất chịu tác động sâu sắc của sinh vật dần dần trở thành đất. Các vật liệu phong hoá thì không thể đứng yên dưới tác động của các yếu tố khí hậu (mưa, gió...) mà chúng bị mang đi và tích tụ lại một nơi nào đó, thí dụ như: chúng rơi xuống từ trên cao do trọng lực, nước cuốn đi do dòng chảy, gió mang đi... Như vậy, vật liệu phong hoá sẽ được tích tụ lại một nơi nào đó tùy theo yếu tố mang chúng đi. Vì tầm quan trọng của các yếu tố di chuyển các vật liệu phong hoá đến đặc tính của 5 đất sau này nên các nhà khoa học dùng chúng để đặt tên cho “mẫu chất” và mẫu chất có thể hình thành đất khi có điều kiện. Chúng ta có các loại mẫu chất như sau: Hình 1: Các yếu tố làm di chuyển vật liệu phong hoá và các mẫu chất tương ứng. Như kết quả trên cho thấy, đất được hình thành qua hai giai đoạn: sự hình thành mẫu chất và sự hình thành đất. Như vậy, khi mẫu chất bị xáo trộn ở một mức độ nhất định thì được gọi là đất. Sự xáo trộn này được thể hiện bằng sự phân tầng trong mặt cắt theo chiều dọc của đất (gọi phẫu diện đất). Theo V. M. Fritland (1964), Việt Nam có các loại vỏ phong hoá sau: - Vỏ phong hoá feralit: Phổ biến ở vùng trung du và núi thấp, các khoáng vật thứ sinh chủ yếu là kaolinite, gibbsite, goethite. Trên vỏ phong hoá này hình thành nên nhóm đất feralit - đất đỏ vàng ở nước ta. - Vỏ phong hoá alit: gặp ở vùng núi cao từ 1700 m trở lên, điển hình nhất là ở độ cao >2000 m. Khí hậu ẩm ướt, sắt bị rửa trôi mạnh nhưng nhôm được tích luỹ do không bị rửa trôi như sắt. - Vỏ phong hoá macgalit - feralit: Gặp ở Phủ Quỳ - Nghệ An trên đá bọt bazan - Vỏ phong hoá trầm tích sialit: Gặp ở các vùng đồng bằng tạo bởi quá trình lắng đọng phù sa của hệ thống sông ngòi nước ta. Thành phần là các loại keo sét, ngoài ra còn gặp các khoáng vật nguyên sinh như thạch anh, fenspat, mica. - Vỏ phong hoá clorua, sulphate - sialit còn gặp ở vùng ven biển. 1.2.3 Tuần hoàn vật chất và sự hình thành đất Ta có thể chia quá trình hình thành đất làm 2 giai đoạn: - Đá bị phong hoá thành mẫu chất: giai đoạn này được gọi là quá trình phong hoá. - Mẫu chất biến thành đất: giai đoạn này được gọi là quá trình hình thành đất. Vật liệu phong hoá Phong hoá tại chỗ Do nước cuốn đi Do băng hà di chuyển Di chuyển do gió Tích tụ do trọng lực Lắng tụ ở hồ Lắng tụ do dòng chảy Lắng tụ ở biển Trầm tích hồ Phù sa Trầm tích biển Trầm tích do băng hà Trầm tích ở cửa sông, phù sa, trầm tích biển Trầm tích do gió cuốn Sườn tích, tụ thổ Tên mẫu chất 6 Mẫu chất đã có khả năng thấm, giữ nước và khí nhưng còn thiếu phần quan trọng nhất để trở thành đất đó là chất hữu cơ. Khi trên trái đất chưa có sự sống, lúc đó mới chỉ có các quá trình phong hoá lý, hoá học. Các sản phẩm phong hoá một phần nằm lại tại chỗ, phần khác theo nước di chuyển xuống chỗ trũng, đại dương. ở những nơi đó chúng lại trầm lắng, chịu sự tác động của áp suất và các yếu tố khác và hình thành nên đá trầm tích. Do sự vận động địa chất, khối đá trầm tích này lại được nâng lên phong hoá theo một vòng mới khác. Quá trình đó cứ lặp đi lặp lại trong một phạm vi lớn và kéo dài tới hàng tỷ năm, nên được gọi là "Đại tuần hoàn địa chất". Bản chất của vòng đại tuần hoàn địa chất là quá trình tạo lập đá đơn thuần xảy ra rộng khắp và theo một chu trình khép kín. Khi sinh vật xuất hiện lúc đầu là các vi sinh vật và các thực vật hạ đẳng, chúng sử dụng các chất dinh dưỡng khoáng để nuôi cơ thể, chết đi chúng trả lại toàn bộ cho đất. Cứ như vậy sinh vật ngày càng phát triển và lượng chất hữu cơ tích luỹ trong đất ngày một nhiều, nó đã biến mẫu chất trở thành đất. Vòng tuần hoàn này do sinh vật thực hiện và diễn ra trong thời gian ngắn, phạm vi hẹp nên được gọi là "Tiểu tuần hoàn sinh vật". Bởi vậy "Đại tuần hoàn địa chất" là cơ sở của quá trình hình thành đất, còn "Tiểu tuần hoàn sinh vật" là bản chất của nó. Đất được hình thành kể từ khi xuất hiện sinh vật. 1.3 CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH ĐẤT Yếu tố hình thành đất có thể là một tác chất, lực, điều kiện hoặc mối liên hệ hoặc là sự kết hợp giữa các yếu tố đó lại. Các yếu tố có thể đang tác động hoặc đã tác động đến mẫu chất để hình thành đất. Có thể có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành đất nhưng các nhà nghiên cứu về nguồn gốc chỉ chọn 5 yếu tố đó là: mẫu chất, địa hình, khí hậu, sinh vật và thời gian