Soil Science Society of America Journal

Một phương trình mới và tương đối đơn giản cho đường cong áp suất chứa nước trong đất, θ(h), được giới thiệu trong bài báo này. Dạng cụ thể của phương trình này cho phép đưa ra các biểu thức phân tích dạng khép kín cho độ dẫn thủy lực tương đối, K_r, khi thay thế vào các mô hình độ dẫn dự đoán của N.T. Burdine hoặc Y. Mualem. Các biểu thức thu được cho K_r(h) chứa ba tham số độc lập có thể được xác định bằng cách điều chỉnh mô hình giữ nước trong đất đã đề xuất với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả thu được từ các biểu thức khép kín dựa trên lý thuyết Mualem được so sánh với dữ liệu độ dẫn thủy lực quan sát cho năm loại đất có đặc tính thủy lực khác nhau. Độ dẫn thủy lực không bão hòa được dự đoán tốt trong bốn trên năm trường hợp. Kết quả cho thấy rằng việc mô tả hợp lý đường cong giữ nước trong đất ở mức chứa nước thấp là quan trọng để dự đoán chính xác độ dẫn thủy lực không bão hòa.

Một phương pháp kiểm tra đất DTPA đã được phát triển để nhận diện các loại đất gần trung tính và đất vôi có hàm lượng Zn, Fe, Mn, hoặc Cu không đủ cho năng suất cây trồng tối đa. Chất triết suất gồm 0.005M DTPA (axit diethylenetriaminepentaacetic), 0.1M triethanolamine, và 0.01M CaCl₂, với pH là 7.3. Phương pháp kiểm tra đất bao gồm việc lắc 10 g đất khô không khí với 20 ml chất triết suất trong 2 giờ. Dung dịch được lọc, và hàm lượng Zn, Fe, Mn, và Cu được đo lường trong dung dịch lọc bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử.

Phương pháp kiểm tra đất đã phân biệt thành công 77 loại đất ở Colorado dựa trên sự phản ứng của cây trồng với phân bón kẽm, sắt và mangan. Mức độ dinh dưỡng quan trọng phải được xác định riêng biệt cho từng loại cây trồng sử dụng quy trình tiêu chuẩn hóa cho việc chuẩn bị đất, nghiền và triết suất. Các mức độ quan trọng cho ngô sử dụng quy trình báo cáo trong nghiên cứu này là: 0.8 ppm cho Zn, 4.5 ppm cho Fe, tạm thời 1.0 ppm cho Mn, và 0.2 ppm cho Cu.

Việc phát triển phương pháp kiểm tra đất một phần dựa trên các cân nhắc lý thuyết. Chất triết suất được đệm tại pH 7.30 và chứa CaCl₂ để cân bằng với CaCO₃ tại mức CO₂ cao hơn khoảng 10 lần so với mức trong không khí. Nhờ đó, chất triết suất tránh việc hòa tan CaCO₃ và phát thải các dưỡng chất bị mắc kẹt thường không có sẵn cho cây trồng. DTPA được chọn làm chất tạo phức vì có khả năng hiệu quả chiết xuất cả bốn kim loại vi lượng. Các yếu tố như pH, nồng độ chất tạo phức, thời gian lắc, và nhiệt độ triết suất ảnh hưởng đến lượng vi lượng được chiết xuất và được điều chỉnh để đạt hiệu quả tối đa.

Chúng tôi đã phân tích các yếu tố khí hậu và kết cấu ảnh hưởng đến carbon hữu cơ (C) và nitơ (N) trong đất tại vùng Đại Bình nguyên của Hoa Kỳ. Chúng tôi đã sử dụng một mô hình về số lượng và thành phần chất hữu cơ trong đất (SOM) để mô phỏng mức độ chất hữu cơ ổn định tại 24 địa điểm đồng cỏ trong khu vực này. Mô hình có khả năng mô phỏng tác động của các gradient khí hậu đến SOM và năng suất. Kết cấu đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với động lực học của chất hữu cơ. Mô hình đã dự đoán một cách chính xác sản lượng thực vật trên mặt đất cũng như mức độ C và N trong đất qua các loại kết cấu đất (cát, trung bình và mịn); tuy nhiên, mô hình có xu hướng đánh giá quá mức mức độ C và N trong đất thuộc loại kết cấu mịn từ 10 đến 15%. Tác động của việc chăn thả đối với hệ thống đã được mô phỏng và cho thấy rằng các mức C và N trong đất ổn định nhạy cảm với cường độ chăn thả, với mức C và N trong đất giảm khi tần suất chăn thả tăng lên. Các xu hướng vùng trong SOM có thể được dự đoán bằng bốn biến cụ thể cho địa điểm, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, kết cấu đất và hàm lượng lignin trong thực vật. Các đầu vào nitơ cũng cần phải được xác định. Cường độ chăn thả trong quá trình phát triển đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với các mức SOM ổn định, và do ít dữ liệu có sẵn về việc chăn thả trước khi định cư, một số sự không chắc chắn là bất khả kháng trong các dự đoán của mô hình.

Phân bố không gian của các đặc tính đất ở quy mô đồng ruộng và lưu vực có thể ảnh hưởng đến tiềm năng năng suất, phản ứng thủy văn, và khả năng vận chuyển thuốc diệt cỏ và NO⁻₃ tới bề mặt hoặc nước ngầm. Nghiên cứu của chúng tôi mô tả các phân bố theo quy mô đồng ruộng và xu hướng không gian cho 28 đặc tính đất khác nhau tại hai địa điểm trong một lưu vực ở trung Iowa. Hai trong số 27 thông số đo được tại một địa điểm và 10 trong số 14 thông số đo được tại địa điểm thứ hai có phân bố chuẩn. Biến đổi không gian được nghiên cứu thông qua các bán phương sai và tỷ lệ giữa phần ngẫu nhiên và tổng bán phương sai, được biểu thị dưới dạng phần trăm, được sử dụng để phân loại sự phụ thuộc không gian. Tỷ lệ <25% cho thấy sự phụ thuộc không gian mạnh, từ 25 đến 75% cho thấy sự phụ thuộc không gian trung bình, và >75% cho thấy sự phụ thuộc không gian yếu. Mười hai tham số tại Địa điểm một, bao gồm carbon hữu cơ, tổng nitơ, pH, và phân đoạn lớn, và bốn tham số tại Địa điểm hai, bao gồm carbon hữu cơ và tổng nitơ, có sự phụ thuộc không gian mạnh. Sáu tham số tại Địa điểm một, bao gồm carbon và nitơ sinh khối, mật độ khối và quá trình khử nitrat, và 9 tham số tại Địa điểm hai, bao gồm carbon và nitơ sinh khối và mật độ khối, có sự phụ thuộc không gian trung bình. Ba tham số tại Địa điểm một, bao gồm nitrat N và ergosterol, và một tham số tại Địa điểm hai, nitơ liên kết khoáng, có sự phụ thuộc không gian yếu. Phân bố của canxi hoán đổi và magiê tại Địa điểm một không có sự phụ thuộc không gian. Phân bố theo không gian cho một số đặc tính đất là tương tự ở cả hai địa điểm đồng ruộng. Chúng tôi sẽ có thể khai thác những sự tương đồng này để cải thiện khả năng suy diễn thông tin lấy từ một đồng ruộng tới các đồng ruộng khác trong những cảnh quan tương tự.

Những thay đổi trong các phân số photpho (P) vô cơ và hữu cơ do 65 năm canh tác trong quy trình gieo trồng lúa mì – lúa mì – nghỉ đông đã được nghiên cứu bằng kỹ thuật chiết xuất tuần tự. Hàm lượng P tổng trong đất canh tác thấp hơn 29% so với đất cỏ thường xuyên liền kề; mất mát chính về P (74% tổng lượng P mất) là từ P hữu cơ và P còn lại. Trong tổng lượng P mất, 22% đến từ các dạng P hữu cơ có thể chiết xuất, trong khi 52% đến từ P ổn định.

Các nghiên cứu ủ đã được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi P theo mùa trong quá trình nghỉ đông mô phỏng với và không có việc bổ sung dư lượng và phân bón P. Chín lần bổ sung hàng tháng cellulose (765 µg C · g⁻¹ đất) có hoặc không có P (9 µg · g⁻¹ đất) đã làm thay đổi đáng kể mức độ P hữu cơ có thể chiết xuất và P vô cơ trong đất được ủ. Bằng chứng cho thấy hoạt động của vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối lại P thành các dạng khác nhau trong đất.

Nhiều mô hình đã được xây dựng nhằm cố gắng mô tả động lực của sự tuần hoàn hợp chất hữu cơ trong đất (SOM), phần lớn trong số đó bao gồm 2 đến 3 bể chứa hợp chất hữu cơ được định nghĩa về động học. Việc xác định vật lý và hóa học của các bể chứa SOM được khái niệm này đã gặp nhiều khó khăn. Chúng tôi mô tả một phương pháp đơn giản để phân tán đất nhằm tách biệt một phần hợp chất hữu cơ dạng hạt (POM) có thể đại diện cho một bể chứa SOM quan trọng trong đất đồng cỏ. Phần POM được tách ra bằng cách phân tán đất trong dung dịch hexametaphosphate 5 g L⁻¹ và lọc các mẫu đất đã phân tán qua một lưới 53 µm. Chúng tôi so sánh C POM và C liên kết khoáng trong ba biện pháp canh tác (20 năm canh tác) và một đồng cỏ chưa bị xáo trộn tại Sidney, NE. C POM trong cỏ native đại diện cho 39% tổng hợp chất hữu cơ trong đất. Hai mươi năm quản lý bỏ hoang, trồng trọt nông sản và không cày đã giảm hàm lượng C trong phần này xuống còn 18, 19 và 25%, tương ứng, so với tổng hợp chất hữu cơ. Phần hợp chất hữu cơ liên kết khoáng không cho thấy sự giảm hàm lượng C trong biện pháp bỏ hoang so với đất đồng cỏ nhưng tăng lên trong biện pháp không cày và trồng mật. Động lực nitơ nói chung phản ánh những gì quan sát được ở C. Phân tích phần POM về hàm lượng lignin và cellulose chỉ ra rằng phần này có 47% lignin và có chỉ số lignocellulose là 0,7. Thành phần đồng vị C ổn định của phần POM gợi ý rằng POM có nguồn gốc từ lúa mì phân hủy nhanh hơn so với POM có nguồn gốc từ cỏ. Chúng tôi cho rằng phần POM rất gần với các đặc tính của một bể chứa SOM được mô tả khác nhau là hợp chất hữu cơ phân hủy chậm, có khả năng phân hủy, hoặc đã ổn định.

Phần trăm không gian lỗ đất được lấp đầy bằng nước (phần trăm lỗ chứa nước, % WFP), được xác định bởi độ ẩm và tổng độ rỗng, dường như có liên quan chặt chẽ đến hoạt động vi sinh vật trong đất dưới các chế độ cày xới khác nhau. Đất được ủ trong phòng thí nghiệm với 60% WFP hỗ trợ hoạt động vi sinh vật hiếu khí tối đa được xác định qua sản xuất CO₂ và hấp thụ O₂. Tại hiện trường, % WFP của đất bề mặt không cày xới (0–75 mm) ở bốn địa điểm tại Hoa Kỳ trung bình là 62% tại thời điểm lấy mẫu, trong khi đó đối với đất đã cày xới là 44%. Sự khác biệt này trong % WFP được phản ánh qua sản xuất CO₂ và N₂O lần lượt cao hơn 3.4 và 9.4 lần từ các đất không cày xới bề mặt trong 24 giờ so với đất đã cày xới. Ở độ sâu từ 75 đến 150 mm, các giá trị % WFP tăng lên ở cả đất không cày xới và đất đã cày xới, trung bình khoảng 70% đối với đất không cày xới so với 50 đến 60% đối với đất đã cày xới. Sản xuất CO₂ trong các đất đã cày xới được cải thiện bởi % WFP tăng lên, dẫn đến ít hoặc không có sự khác biệt trong sản xuất CO₂ giữa các phương pháp xử lý đất. Tuy nhiên, sản xuất nitrous oxide vẫn cao hơn trong điều kiện không cày xới. Lượng lớn nitrous oxide được sản xuất từ các đất bón phân N, bất kể phương pháp cày xới. Sản xuất CO₂ và N₂O chủ yếu liên quan đến % WFP của các phương pháp cày xới, mặc dù trong một số trường hợp, C hòa tan trong nước và mức NO⁻₃ cũng quan trọng. Các phép tính về hoạt động vi sinh vật hiếu khí tương đối giữa đất không cày xới và đất đã cày xới, dựa trên sự khác biệt về % WFP liên quan đến hoạt động tối đa ở 60%, chỉ ra mối quan hệ tuyến tính cho sản xuất CO₂ và N₂O giữa các giá trị WFP từ 30 đến 70%. Dưới 60% WFP, nước giới hạn hoạt động vi sinh vật, nhưng trên 60%, hoạt động vi sinh vật hiếu khí giảm — dường như là kết quả của việc giảm không khí thông qua đất.

Phân tích thủy văn thường liên quan đến việc đánh giá sự thấm nước trong đất, độ dẫn nước, khả năng lưu trữ và mối quan hệ giữa thực vật và nước. Để xác định các ảnh hưởng của nước trong đất đến thủy văn, cần ước lượng các đặc tính nước trong đất cho tiềm năng nước và độ dẫn thuỷ lực bằng cách sử dụng các biến đất như kết cấu, vật chất hữu cơ (OM) và cấu trúc. Việc đo đạc tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm thường khó khăn, tốn kém và thường không thực tế cho nhiều phân tích thủy văn. Các mối tương quan thống kê giữa kết cấu đất, tiềm năng nước trong đất và độ dẫn thuỷ lực có thể cung cấp những ước lượng đủ chính xác cho nhiều phân tích và quyết định. Nghiên cứu này đã phát triển các phương trình đặc tính nước trong đất mới từ cơ sở dữ liệu đất hiện có của USDA chỉ bằng cách sử dụng các biến dễ dàng thu thập như kết cấu đất và OM. Các phương trình này tương tự như những phương trình đã được Saxton và cộng sự báo cáo trước đó nhưng bao gồm nhiều biến và phạm vi ứng dụng hơn. Chúng được kết hợp với các mối quan hệ đã được báo cáo trước đó cho độ căng và độ dẫn cũng như tác động của mật độ, sỏi và độ mặn để hình thành một hệ thống dự đoán đặc tính nước trong đất toàn diện cho quản lý nước nông nghiệp và phân tích thủy văn. Việc xác minh được thực hiện bằng cách sử dụng các tập dữ liệu độc lập cho một phạm vi rộng các kết cấu đất. Hệ thống dự đoán được lập trình cho một mô hình máy tính đồ họa để cung cấp ứng dụng dễ dàng và giải pháp nhanh chóng và có sẵn tại http://hydrolab.arsusda.gov/soilwater/Index.htm

Công trình này bổ trợ mô hình khái niệm phân lớp về cấu trúc tập hợp đất đã được Tisdall và Oades (1982) trình bày, mở rộng nó ra thực tiễn đất cỏ ở Bắc Mỹ, và làm rõ những khía cạnh liên quan đến ảnh hưởng của canh tác lên việc mất mát chất hữu cơ trong đất. Phân bố kích thước tập hợp quan sát được cho các loại đất của chúng tôi rất giống với những loại đất ở Úc, chỉ ra rằng mô hình vi tập hợp - đại tập hợp có thể áp dụng cho nhiều loại đất cỏ trên toàn thế giới. Việc sử dụng hai phương pháp tưới nước trước khi rây cho thấy đất sod tự nhiên có các đặc tính cấu trúc chung tương tự như đất canh tác nhưng các đại tập hợp thì ổn định hơn. Khi bị nở ra, đất tự nhiên và đất canh tác thuộc các kích thước vi tập hợp có ít C hữu cơ, N và P hơn so với đất còn lại ở dạng đại tập hợp, ngay cả khi được biểu diễn trên cơ sở không có cát. Hơn nữa, tỷ lệ C/N, C/P và N/P của vi tập hợp hẹp hơn so với các kích thước đại tập hợp. Có sự mất mát C và N nhiều hơn P trong điều kiện của nghiên cứu này. Sự khác biệt theo yếu tố trong các quá trình chuyển hóa vi sinh vật so với hoạt động enzym ngoại bào và sự kiểm soát phản hồi đi kèm được suy diễn để giải thích cho sự khác biệt này. Khi các đại tập hợp bị nghiền nát đến kích thước của các vi tập hợp, C có thể khoáng hóa tính theo phần trăm tổng C hữu cơ thường lớn hơn cho các đại tập hợp so với vi tập hợp vào giai đoạn đầu của quá trình ủ trong đất canh tác, và trong suốt thời gian ủ cho đất sod tự nhiên. N có thể khoáng hóa tính theo phần trăm tổng N hữu cơ lớn nhất trong các đại tập hợp ngay cả khi các đại tập hợp không bị nghiền nát. Mô hình khái niệm đại tập hợp - vi tập hợp được áp dụng để giúp giải thích sự tích lũy chất hữu cơ trong đất trong điều kiện tự nhiên và sự mất mát của nó khi canh tác.

Carbon đen (BC) có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng giữ lại dinh dưỡng và đóng vai trò quan trọng trong một loạt các quá trình địa hóa sinh học trong đất, đặc biệt là trong chu trình dinh dưỡng. Các loại đất nhân tạo (Anthrosols) ở Amazon Braxin (từ 600 đến 8700 năm trước) với hàm lượng BC từ sinh khối cao có khả năng trao đổi cation (CEC đo ở pH 7) lớn hơn so với các loại đất lân cận có hàm lượng BC thấp. Kỹ thuật quang phổ hấp thụ tia X với cấu trúc vi mô gần bề mặt (NEXAFS) dựa trên đồng bộ và phương pháp hiển vi tia X truyền dẫn quét (STXM) đã giải thích nguồn gốc của độ sạc bề mặt cao hơn của BC so với không-BC bằng cách lập bản đồ các vùng cắt ngang của các hạt BC có đường kính từ 10 đến 50 μm cho các dạng carbon. Các vùng cắt ngang lớn nhất bao gồm C hữu cơ có độ thơm cao hoặc chỉ hơi bị oxi hóa, rất có thể bắt nguồn từ chính BC, với một đỉnh đặc trưng tại 286.1 eV, không thể tìm thấy trong các chiết xuất chất humic, vi khuẩn hoặc nấm. Sự oxi hóa tăng đáng kể từ lõi của các hạt BC đến bề mặt của chúng, như được chỉ ra bởi tỷ lệ carboxyl-C/aromatic-C. Các mẫu phân bố không liên tục và rải rác của các nhóm chức năng C đã oxy hóa cao với các đặc điểm hóa học rõ rệt khác nhau trên bề mặt các hạt BC (chuyển đỉnh tại 286.1 eV sang năng lượng cao hơn tại 286.7 eV) chỉ ra rằng không-BC có thể được hấp phụ trên bề mặt các hạt BC tạo ra bề mặt oxy hóa cao. Do cả quá trình oxi hóa các hạt BC bản thân và sự hấp phụ vật chất hữu cơ lên bề mặt BC, mật độ điện tích (CEC tiềm năng trên mỗi đơn vị bề mặt) lớn hơn ở các loại đất nhân tạo giàu BC so với các loại đất lân cận. Thêm vào đó, diện tích bề mặt riêng cao có thể được quy cho sự hiện diện của BC, điều này có thể góp phần vào CEC cao tìm thấy ở các loại đất giàu BC.