Chất hữu cơ là gì? Các công bố khoa học về Chất hữu cơ

Hai bộ cơ sở mở rộng (được gọi là 5–31G và 6–31G) bao gồm các hàm sóng nguyên tử được biểu diễn dưới dạng kết hợp tuyến tính cố định của các hàm Gaussian được trình bày cho các nguyên tố hàng đầu từ cacbon đến flo. Những hàm cơ sở này tương tự như bộ 4–31G [J. Chem. Phys. 54, 724 (1971)] ở chỗ mỗi lớp vỏ hóa trị được chia thành các phần bên trong và ngoài được mô tả tương ứng bằng ba và một hàm Gaussian. Các lớp vỏ bên trong được biểu diễn bởi một hàm cơ sở đơn lẻ, bao gồm tổng của năm (5–31G) hoặc sáu (6–31G) hàm Gaussian. Nghiên cứu với một số phân tử đa nguyên tử cho thấy giảm đáng kể năng lượng tổng tính toán so với bộ 4–31G. Tính toán năng lượng tương đối và hình học cân bằng dường như không thay đổi đáng kể.

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.

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.

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

Chất lượng đất là một thước đo tổng hợp về khả năng của đất trong việc hoạt động và mức độ hiệu quả của nó, so với một mục đích sử dụng cụ thể. Chất lượng đất có thể được đánh giá thông qua một bộ dữ liệu tối thiểu bao gồm các thuộc tính của đất như kết cấu, chất hữu cơ, độ pH, mật độ khối và độ sâu rễ. Chất hữu cơ trong đất có ý nghĩa đặc biệt đối với chất lượng đất vì nó có thể ảnh hưởng đến nhiều thuộc tính khác nhau của đất bao gồm cả các thuộc tính khác của bộ dữ liệu tối thiểu. Đánh giá chất hữu cơ trong đất là một bước quan trọng để xác định chất lượng tổng thể của đất và có thể cung cấp thông tin giá trị đến mức có thể được đưa vào các bộ dữ liệu tối thiểu được sử dụng để đánh giá đất trên toàn cầu. Trong bài tổng quan này, chất hữu cơ trong đất được coi là bao gồm một tập hợp các thuộc tính thay vì là một thực thể đơn lẻ. Các thuộc tính bao gồm và sẽ được thảo luận ở đây là carbon và nitơ hữu cơ tổng số trong đất, phần nhẹ và chất hữu cơ vi mô (hạt), carbon và nitơ có thể khoáng hóa, sinh khối vi sinh vật, carbohydrates và enzyme trong đất. Những thuộc tính này liên quan đến nhiều quá trình của đất, chẳng hạn như những quá trình liên quan đến việc lưu trữ dinh dưỡng, hoạt động sinh học và cấu trúc đất, và có thể được sử dụng để thiết lập các bộ dữ liệu tối thiểu khác nhau để đánh giá chất lượng chất hữu cơ trong đất. Từ khóa: Hoạt động sinh học, bộ dữ liệu tối thiểu, lưu trữ dinh dưỡng, chất hữu cơ trong đất, chất lượng đất, cấu trúc đất

Khối lượng và tỷ lệ luân chuyển của sinh khối và carbon hữu cơ hòa tan trong nước (WSOC) đã được đo tại các thửa đất Breton nơi có tư liệu quản lý dài hạn của đất Gray Luvisol. Các thửa đất (đối chứng, bón phân chuồng và NPKS) đã được trồng theo chu kỳ cây lúa mì-nghỉ hoặc chu kỳ cây lúa mì-yến mạch-lúa mạch-thức ăn-thức ăn trong 50 năm đã được lấy mẫu 13 lần trong các năm 1981 và 1982. Carbon sinh khối và khí nitơ vi sinh vật đã được đo bằng kỹ thuật xông chloroform. Năng suất cây trồng lâu dài đã được sử dụng để xác định nguồn carbon cho các thửa đất. Phân tích hồi quy đã được sử dụng để liên hệ giữa sự biến động theo mùa của các điều kiện môi trường và động lực sinh khối cùng với động lực WSOC. Việc tái nhiễm với đất là không cần thiết nhưng Lysobacter sp. tạo thành tỷ lệ cao hơn của các mẫu phân lập sau khi ủ đất xông hơi so với các mẫu không xông hơi. Rất có khả năng rằng việc tái nhiễm với Lysobacter sp. sẽ cung cấp các kiểm định sinh học chuẩn hóa hơn. Chu kỳ 5 năm có 38% lượng nitơ nhiều hơn nhưng 117% nitơ vi sinh vật nhiều hơn so với chu kỳ 2 năm, và các phương pháp bón phân chuồng có chứa gấp đôi lượng nitơ vi sinh vật so với các thửa đất NPKS hay đối chứng. Một hiệu ứng quản lý đối với chất lượng chất hữu cơ trong đất được chỉ ra. Tỷ lệ luân chuyển trung bình của sinh khối nằm trong khoảng 0.2–3.9 năm⁻¹; nhanh hơn 1.5–2 lần trong chu kỳ 2 năm so với chu kỳ 5 năm. Việc bổ sung thành phần WSOC sẽ phải xảy ra 26–39 lần năm⁻¹ để cung cấp sự luân chuyển của vi sinh vật. Hầu hết sinh khối phải ở trong trạng thái ngủ nghỉ vì lượng carbon hàng năm đầu vào ít hơn hai bậc so với yêu cầu năng lượng duy trì. Các biến đổi theo mùa trong sinh khối có mối liên hệ nhất quán nhất với tổn thất trong quá trình khô kiệt và tái sinh khi được làm ẩm. Tái sinh dường như là một khoản chi phí cho carbon hữu cơ trong đất bản địa. Các thực hành quản lý và điều kiện môi trường do đó ảnh hưởng đến lượng chất hữu cơ bằng cách kiểm soát cả đầu vào carbon và luân chuyển sinh khối. Từ khóa: Các chu kỳ cây trồng, Luvisol, chất hữu cơ, sinh khối, carbon hòa tan, các đoạn đất Breton

Sản xuất từ rễ cây là nguồn chính cung cấp carbon vào đất Chernozemic. Ảnh hưởng của thành phần hóa học ban đầu của rễ ba loài cỏ đến quá trình phân hủy đã được nghiên cứu trong một thí nghiệm ươm trong điều kiện phòng thí nghiệm. Rễ của loài Stipa comata Trin. và Rupr., Stipa spartea Trin. var. curtiseta Hitchc., và Festuca scabrella Torr. được ươm ở nhiệt độ 28°C trong 47 tuần. Sự sản xuất khí carbon dioxide và phần trăm mất mát carbohydrate có mối quan hệ nghịch với [(C:N) (% lignin)] (% carbohydrate^−½). Phần trăm mất mát lignin, tuy nhiên, tỷ lệ thuận trực tiếp với yếu tố này. Mối quan hệ này cũng được tìm thấy phù hợp với dữ liệu trong tài liệu trước đây. Tỷ lệ phân hủy dường như chậm hơn trong phòng thí nghiệm khi không có đất so với tỷ lệ phân hủy báo cáo trong đất nông trường. Dữ liệu được thảo luận với tham chiếu đến động lực học của chất thải thực vật và chất hữu cơ trong hệ thống đất. Có giả thuyết rằng ảnh hưởng của đất trong việc kiểm soát phân hủy có thể lớn như ảnh hưởng của cơ chất.

Các chất ô nhiễm tồn dư bao gồm hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), và các hạt nano carbon (nhựa) không thể tránh khỏi được hình thành trong quá trình nhiệt phân chất thải sinh khối và vẫn tồn tại trên sản phẩm phụ rắn gọi là biochar. Những chất ô nhiễm này có thể gây tác động xấu đến sự phát triển của thực vật cũng như cộng đồng vi sinh vật trong đất. Mặc dù biochar đã được đề xuất như một 'chiến lược âm carbon' để giảm thiểu khí thải nhà kính, nhưng tác động của việc áp dụng nó đối với sự tồn tại lâu dài và khả năng sinh khả dụng của các thành phần nguy hiểm vẫn chưa rõ ràng. Hơn nữa, sự xuất hiện đồng thời của các VOCs có trọng lượng phân tử thấp cùng với PAHs trong biochar có thể gây ra các tác động phytotoxic thêm. Tổng quan này mô tả nhu cầu cơ bản để làm sáng tỏ các cơ chế chính điều khiển sự lưu trữ so với phát thải của các chất hữu cơ này và động lực giữa sorbent (biochar) và vi sinh vật trong đất. Hơn nữa, có một nhu cầu cấp bách về các phương pháp tiêu chuẩn hóa để phân tích định lượng các PAHs và VOCs trong biochar dưới các điều kiện môi trường liên quan. Tổng quan này cũng được mở rộng để bao gồm các khoảng trống trong nghiên cứu hiện tại, bao gồm ảnh hưởng của việc áp dụng biochar lên số phận ngắn hạn và dài hạn của PAH và VOC và các chiến thuật kiểm soát thích hợp cho chất lượng biochar và rủi ro liên quan.

Cần thêm nhiều nghiên cứu để so sánh quá trình phân hủy của biochar với nguyên liệu đầu vào ban đầu và xác định cách mà các phụ gia này ảnh hưởng đến chu trình của chất hữu cơ tự nhiên (NOM) trong các loại đất khác nhau nhằm cải thiện hiểu biết của chúng ta về tiềm năng lưu giữ carbon (C) ròng. Một thí nghiệm ủ kéo dài 510 ngày đã được thực hiện (i) để điều tra sự phát thải CO₂ từ các loại đất được bổ sung bằng fresher corn stover (CS) hoặc biochar được sản xuất từ CS tươi tại nhiệt độ 350 (CS‐350) hoặc 550 °C (CS‐550), và (ii) để đánh giá hiệu ứng kích thích của các phụ gia này đối với sự phân hủy của NOM. Hai loại đất đã được nghiên cứu: Alfisol và Andisol, với tỷ lệ carbon hữu cơ lần lượt là 4% và 10%. Ngoại trừ các mẫu chứng (không có bổ sung C), tất cả các điều trị đều nhận được 7.18 t C ha⁻¹. Chúng tôi đã đo lưu lượng C trong các khoảng thời gian ngắn và dấu hiệu đồng vị của nó để phân biệt giữa C phát thải từ các phụ gia C₄ và _C không chiếm ưu thế C₃ trong NOM. Tỷ lệ phát thải sau đó đã được tổng hợp cho toàn bộ thời gian để bao gồm tổng phát thải. Tổng lượng CO₂-C phát thải từ C gốc trong CS, CS-350 và CS-550 cao hơn ở Andisol (78%, 13% và 14%) so với Alfisol (66%, 8% và 7%). Đối với cả hai loại đất, (i) không có sự khác biệt có ý nghĩa (P > 0.05) nào được quan sát thấy trong tỷ lệ phát thải CO₂ giữa các mẫu chứng và các điều trị biochar; và (ii) tổng lượng CO₂ phát thải từ phụ gia không than cháy cao hơn một cách có ý nghĩa (P < 0.05) so với các điều trị còn lại. Tại Alfisol, một hiệu ứng kích thích positve có ý nghĩa (P < 0.05) đối với sự phân hủy NOM được quan sát thấy khi bổ sung vào bằng CS tươi, trong khi trái ngược lại được phát hiện ở các điều trị biochar. Ở Andisol, không có hiệu ứng kích thích ròng có ý nghĩa (P > 0.05) nào được quan sát thấy. Cân bằng carbon chỉ ra rằng carbon mất đi từ cả quá trình sản xuất và phân hủy biochar 'được bù đắp' với lượng carbon mất đi từ phân hủy dư lượng tươi sau <35 tuần. Điểm 'bù đắp' đã đạt được sớm hơn ở Andisol, nơi mà CS tươi phân giải nhanh hơn. Những kết quả này cung cấp bằng chứng thực nghiệm về tiềm năng của biochar trong việc lưu giữ C và tránh phát thải CO₂ từ nguyên liệu gốc trong khi bảo vệ chất hữu cơ tự nhiên của đất.