Chất hữu cơ trong đất trải qua một quá trình biến đổi phức tạp, chịu tác động trực tiếp từ sinh vật đất và các yếu tố môi trường. Một phần chất hữu cơ bị khoáng hóa hoàn toàn thành các chất khoáng đơn giản. Một phần khác được sinh vật đất sử dụng để tổng hợp các hợp chất như protein, lipit, đường, xây dựng cơ thể. Phần còn lại trải qua quá trình biến đổi phức tạp và tái tổng hợp thành chất mùn. Nói cách khác, khi chất hữu cơ đi vào đất, hai quá trình khoáng hóa và mùn hóa diễn ra đồng thời, cạnh tranh nhau. Tùy thuộc vào điều kiện đất đai và hoạt động của sinh vật đất, một trong hai quá trình có thể chiếm ưu thế. Ngay cả sau khi hình thành, chất mùn vẫn tiếp tục bị phân giải chậm để tạo thành các chất khoáng.
Mục Lục
Quá Trình Khoáng Hóa Chất Hữu Cơ (Vô Cơ Hóa)
Khoáng hóa là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các chất khoáng đơn giản như CO2, H2O, NO3-, NH4+, Ca2+, Mg2+, K+… Quá trình này diễn ra phức tạp và trải qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên, các chất hữu cơ phức tạp bị phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản hơn, gọi là các sản phẩm trung gian. Ví dụ, protein bị phân hủy thành các mạch peptit, sau đó thành các axit amin; hydratcacbon bị phân hủy thành đường. Các hợp chất trung gian này tiếp tục bị phân hủy tạo thành các sản phẩm cuối cùng là các chất khoáng.
Tùy thuộc vào điều kiện môi trường và hoạt động của vi sinh vật đất, quá trình khoáng hóa chất hữu cơ có thể diễn ra theo hai con đường khác nhau: thối mục và thối rữa.
-
Thối mục: Quá trình hiếu khí diễn ra trong điều kiện có đầy đủ oxy. Sản phẩm cuối cùng chủ yếu là các chất ở dạng oxy hóa như CO2, H2O, NO3-, PO43-, SO42-. Đây là quá trình tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của đất.
-
Thối rữa: Quá trình kỵ khí diễn ra trong điều kiện thiếu oxy do ngập nước hoặc do vi sinh vật hiếu khí sử dụng hết oxy. Sản phẩm cuối cùng bên cạnh các chất ở dạng oxy hóa như CO2, H2O còn có các chất ở dạng khử như CH4, H2S, PH3, NH3…
Tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, điều kiện môi trường và hoạt động của sinh vật đất. Các hợp chất đường và tinh bột dễ bị khoáng hóa nhất, sau đó là protein, hemixenlulô, xenlulô. Lignin, nhựa và sáp khó bị phân hủy hơn.
Sơ đồ quá trình khoáng hóa và tổng hợp chất mùn trong đất.
Các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, chế độ không khí, thành phần và tính chất dung dịch đất cũng ảnh hưởng mạnh đến tốc độ khoáng hóa. Độ ẩm đất khoảng 70%, pH 6,5 – 7,5, nhiệt độ 25 – 30oC và đủ không khí là điều kiện thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật đất, thúc đẩy quá trình khoáng hóa. Trong điều kiện này, chất hữu cơ bị phân giải nhanh chóng và mùn ít được tích lũy. Do đó, quá trình phân hủy chất hữu cơ ở các đất có thành phần cơ giới nhẹ (đất cát) diễn ra nhanh hơn so với đất có thành phần cơ giới nặng (đất thịt nặng và đất sét).
Quá Trình Mùn Hóa
Mùn hóa là quá trình phân giải và tái tổng hợp các chất hữu cơ, tạo thành chất mùn với sự tham gia của sinh vật đất. Mùn là hợp chất hữu cơ cao phân tử phức tạp, sản phẩm của quá trình mùn hóa các chất hữu cơ thông thường. Mọi thành phần hữu cơ trong đất như protein, lignin, lipit, axit amin, hydratcacbon đều có thể tham gia hình thành chất mùn. Tuy nhiên, bản chất của quá trình hình thành chất mùn vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau.
Sơ đồ thể hiện con đường tích lũy chất hữu cơ sau một năm bón vào đất.
Quan điểm hóa học cho rằng quá trình hình thành chất mùn chỉ là các phản ứng hóa học đơn thuần. Vacsman (1936) cho rằng hạt nhân của chất mùn được hình thành do lignin kết hợp với các chất khoáng kiềm trong đất, sau đó các phản ứng oxy hóa sẽ gắn kết thêm các axit hữu cơ khác. Scheffer cho rằng axit humic có thể được tạo thành từ phenol, quinol và aminoaxit thông qua các phản ứng oxy hóa và trùng hợp.
Ngày nay, nhiều bằng chứng cho thấy sự hình thành chất mùn có sự tham gia tích cực của các quá trình sinh hóa, đặc biệt là vi sinh vật đất. Sự hình thành chất mùn bằng con đường hóa học đơn thuần chỉ xảy ra ở những nơi có điều kiện bất lợi cho các quá trình sinh học như đất quá chua hoặc quá nhiều độc tố, ức chế hoạt động sinh học.
Quan điểm sinh hóa về sự hình thành chất mùn cho rằng chất mùn được hình thành từ sản phẩm phân giải và tái tổng hợp các chất hữu cơ thông thường, với sự tham gia của các phản ứng sinh hóa, đặc biệt là các enzyme do vi sinh vật tiết ra.
Quá Trình Hình Thành Mùn Theo Quan Điểm Hiện Đại
Chiurin có nhiều đóng góp trong việc nghiên cứu về mùn đất. Ông cho rằng đặc điểm cơ bản của sự mùn hóa là những phản ứng sinh hóa oxy hóa dần dần những hợp chất cao phân tử có mạch vòng khác nhau, trong đó protein và lignin đóng vai trò quan trọng. Những phản ứng oxy này xảy ra khi phân giải các tàn tích thực vật dưới ảnh hưởng của oxy không khí, enzyme oxydaza và các chất xúc tác vô cơ khác.
Các hợp chất cao phân tử này liên kết lại với nhau rồi trùng hợp thành chất mùn. Trong quá trình sống, vi sinh vật đất sử dụng các sản phẩm phân giải hữu cơ, các sản phẩm trao đổi chất và tổng hợp các hợp chất amin, hợp chất thơm, cũng tham gia cấu tạo nên chất mùn.
Sơ đồ mô tả các con đường hình thành chất mùn từ xác hữu cơ trong đất.
Các Con Đường Hình Thành Chất Mùn
Sơ đồ trên cho thấy nguồn gốc các chất tham gia cấu tạo nên chất mùn có thể bao gồm tất cả các chất hữu cơ là sản phẩm phân giải trung gian, sản phẩm tái tổng hợp của các cơ thể sinh vật. Chúng có thể là đường, polyphenol, quinol, amin, lignin… Trong đó, các hợp chất chứa vòng thơm như phenol, polyphenol, quinol, polyquinol, lignin có vai trò quan trọng.
Xét một cách tổng quát, quá trình hình thành chất mùn có thể phân chia thành 3 bước cơ bản:
-
Phân hủy xác hữu cơ (chủ yếu là xác thực vật) với sự tham gia của vi sinh vật đất để hình thành các hợp chất hữu cơ trung gian như đường, polyphenol, quinol, amin…
-
Các hợp chất trung gian hoặc bị phân hủy tiếp tục hoặc liên kết với nhau để hình thành các chất phức tạp hơn.
-
Trùng hợp và liên kết các hợp chất trung gian trên tạo thành chất mùn.
Theo Stevenson, có 4 con đường hình thành chất mùn khác nhau:
- Liên kết trùng ngưng giữa đường và amin (con đường 1).
- Liên kết giữa polyphenol (sản phẩm phân hủy xác hữu cơ) và amin (con đường 2).
- Liên kết giữa sản phẩm phân hủy lignin và amin (con đường 3).
- Lignin biến đổi với amin (con đường 4).
Tất cả các con đường này đều có sự tham gia của các quá trình sinh học. Selman Waksman cho rằng chất mùn được hình thành chủ yếu từ lignin biến đổi (con đường 4), gọi là lý thuyết lignin hình thành chất mùn. Theo thuyết này, lignin bị biến đổi mất dần các nhóm metoxyl (OCH3), đồng thời oxy hóa các hợp chất béo để hình thành các nhóm cacboxyl (COOH), tạo thành axit mùn.
Một số tác giả khác lại cho rằng chất mùn đất được hình thành theo con đường 2 và 3 là chính, gọi là học thuyết polyphenol hình thành chất mùn. Theo thuyết này, lignin cũng được xem là nguồn gốc quan trọng, dưới tác động của enzyme sinh học, lignin bị phân hủy thành aldehyde phenol và axit hữu cơ, sau đó chuyển thành quinol rồi trùng hợp lại để hình thành chất mùn.
Ngày nay, người ta thừa nhận cả 4 con đường hình thành chất mùn đều diễn ra đồng thời. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện và tính chất cụ thể của từng loại đất mà một con đường nào đó có thể chiếm ưu thế hơn. Chất mùn hình thành từ lignin biến đổi (con đường 4) thường chiếm ưu thế ở các đất thoát nước kém, trong khi hình thành từ polyphenol (con đường 2 và 3) lại có ưu thế ở các đất rừng.