Các thành phần cấu tạo đất

Đất, hay thổ nhưỡng, không phải là một vật thể trơ mà là một thực thể tự nhiên phức tạp và năng động, hình thành ở lớp vỏ ngoài cùng của thạch quyển.Nó được định nghĩa là một hệ thống mở, liên tục trao đổi vật chất và năng lượng với khí quyển, thủy quyển và sinh quyển, được đặc trưng bởi một thuộc tính quan trọng nhất là độ phì.Để hiểu được bản chất của đất, cần phải phân tích cấu trúc nền tảng của nó, vốn được tạo thành từ bốn thành phần hay bốn pha cốt lõi: pha rắn, pha lỏng, pha khí và các sinh vật sống trong đó.

Để canh tác nông nghiệp hiệu quả, một trạng thái cân bằng giữa các thành phần này là vô cùng quan trọng. Các nhà khoa học đất đã đưa ra một mô hình đất lý tưởng, thường là đất thịt (loam), với tỷ lệ thể tích được chấp nhận rộng rãi là: 45% khoáng chất, 5% chất hữu cơ, 25% nước và 25% không khí. Hai thành phần lỏng và khí cùng chiếm khoảng 50% thể tích đất, tồn tại trong một không gian chung là hệ thống lỗ rỗng.

Pha rắn

Pha rắn là bộ khung vật chất của đất, bao gồm thành phần vô cơ (khoáng chất) và hữu cơ. Sự tương tác phức tạp giữa hai thành phần này quyết định phần lớn các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của đất.

Thành phần khoáng chiếm tỷ lệ lớn nhất trong đất, có nguồn gốc từ sự phong hóa của đá mẹ. Nó bao gồm các hạt có kích thước khác nhau, từ những mảnh đá nhỏ đến các hạt cát, limon và sét siêu nhỏ. Các loại khoáng sét khác nhau quyết định những đặc tính hóa học quan trọng của đất, đặc biệt là khả năng trao đổi cation và tính co giãn. Ba nhóm khoáng sét chính bao gồm:

• Nhóm Kaolinite: Có cấu trúc tinh thể dạng phiến 1:1, bao gồm một lớp tứ diện silic (SiO₄) liên kết với một lớp bát diện nhôm (Al(OH)₆). Các phiến này liên kết chặt chẽ với nhau bằng liên kết hydro, tạo ra một cấu trúc ổn định, không co giãn khi thay đổi độ ẩm. Do đó, khoáng Kaolinite có Khả năng Trao đổi Cation (CEC) thấp.
• Nhóm Smectite (ví dụ: Montmorillonite): Có cấu trúc tinh thể dạng phiến 2:1, gồm một lớp bát diện nhôm bị kẹp giữa hai lớp tứ diện silic. Liên kết giữa các phiến 2:1 này rất yếu, cho phép các phân tử nước và các cation dễ dàng đi vào không gian giữa các lớp. Điều này làm cho khoáng có khả năng trương nở mạnh khi ướt và co lại khi khô. Hiện tượng thay thế đồng hình (ion có hóa trị thấp hơn thay thế ion có hóa trị cao hơn trong mạng lưới) diễn ra phổ biến, tạo ra một lượng lớn điện tích âm. Do đó, Montmorillonite có khả năng trao đổi cation (CEC) rất cao.
• Nhóm Illite (Hydromica): Cũng có cấu trúc 2:1 tương tự Montmorillonite, nhưng trong không gian giữa các lớp có các ion kali (K⁺) bị kẹp chặt, đóng vai trò như những chiếc cầu nối, ngăn cản sự trương nở mạnh. Do đó, Illite có tính co giãn và khả năng trao đổi cation ở mức trung bình, cao hơn Kaolinite nhưng thấp hơn đáng kể so với Montmorillonite.

Chất hữu cơ trong đất (Soil Organic Matter - SOM), mặc dù thường chỉ chiếm một phần nhỏ về khối lượng và thể tích, lại được coi là "linh hồn" của đất, là động cơ cho các quá trình sinh-hóa và là yếu tố quyết định độ phì nhiêu bền vững. Nguồn gốc chính của SOM là các tàn dư của sinh vật, bao gồm lá, thân, rễ cây, xác động vật và chất thải của chúng sau khi chết và rơi xuống hoặc được trả lại cho đất. Những vật liệu hữu cơ tươi này sau đó trải qua một quá trình biến đổi phức tạp được thực hiện bởi một đội quân đông đảo các sinh vật đất, từ vi khuẩn, nấm đến giun đất. Quá trình này diễn ra theo hai hướng đồng thời:

• Khoáng hóa (Mineralization): Sinh vật đất phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp để lấy năng lượng. Quá trình này giải phóng các chất dinh dưỡng ở dạng vô cơ đơn giản (như NH₄^+​, NO₃⁻​, PO₄^3−​...) mà cây trồng có thể hấp thụ trực tiếp, đồng thời thải ra khí cacbonic (CO₂), nước và năng lượng.
• Mùn hóa (Humification): Song song với khoáng hóa, một phần các sản phẩm phân hủy trung gian được các vi sinh vật tái tổng hợp thành các hợp chất hữu cơ mới, phức tạp, có khả năng chống chịu sự phân hủy cao hơn. Quá trình này tạo ra mùn (humus), thành phần ổn định nhất của chất hữu cơ trong đất.

Mùn là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học, là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ cao phân tử, có màu nâu sẫm đến đen, vô định hình và tương đối bền vững. Về mặt hóa học, mùn không phải là một chất duy nhất mà là một tập hợp phức tạp các hợp chất, thường được phân loại dựa trên khả năng hòa tan trong axit và kiềm:

• Axit humic: Là phần mùn tan được trong dung dịch kiềm nhưng kết tủa khi môi trường trở nên axit. Chúng có phân tử lượng lớn, đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết các hạt đất để tạo thành cấu trúc đất ổn định, là thành phần chính của mùn (humus) trong đất. Cấu trúc của chúng chứa các nhóm chức quan trọng như carboxyl (-COOH) và phenol (-OH), mang lại khả năng trao đổi ion, giữ nước và chelate hóa (liên kết) các chất dinh dưỡng.
• Axit fulvic: Là phần mùn hòa tan trong nước ở mọi điều kiện pH (axit, trung tính, kiềm), trong khi axit humic chỉ tan trong môi trường kiềm. Chúng có phân tử lượng nhỏ hơn, linh động hơn trong đất, chứa nhiều nhóm chức axit và có hoạt tính sinh học cao hơn axit humic. Nó là chất chelate (tạo phức) tự nhiên mạnh nhất, có khả năng liên kết với các ion khoáng và biến chúng thành dạng hữu cơ sinh học mà cây trồng có thể hấp thụ ngay lập tức.
• Humin: Là phần mùn không tan trong nước ở bất kỳ độ pH nào, dù là môi trường axit hay kiềm. Humin có khối lượng phân tử lớn nhất và phức tạp nhất, được cho là liên kết chặt chẽ với các khoáng sét và oxit kim loại trong đất. Chính vì tính trơ và bền vững này, humin đóng vai trò như "bộ xương" của chất hữu cơ trong đất. Humin hoạt động như một chất keo kết dính, liên kết các hạt đất sét, mùn, cát lại với nhau để tạo thành các kết cấu đất ổn định. Điều này giúp đất trở nên tơi xốp, tăng độ thoáng khí cho vùng rễ và chống lại sự xói mòn.

Việc đánh giá pha rắn không thể chỉ dừng lại ở các con số định lượng (% sét, % hữu cơ). Chất lượng của các thành phần này mới là yếu tố quyết định. Một loại đất có 40% sét nhưng chủ yếu là Kaolinite (CEC thấp) sẽ có độ phì nhiêu và khả năng giữ dinh dưỡng kém xa một loại đất cũng có 40% sét nhưng chủ yếu là Montmorillonite (CEC cao). Tương tự, việc bổ sung các loại vật liệu hữu cơ khác nhau (ví dụ: rơm rạ có tỷ lệ C:N cao so với phân chuồng có tỷ lệ C:N thấp) sẽ dẫn đến các quá trình phân hủy và các loại mùn hình thành khác nhau, ảnh hưởng khác nhau đến dinh dưỡng và cấu trúc đất. Do đó, một sự hiểu biết sâu sắc về loại khoáng sét và bản chất của chất hữu cơ là cần thiết cho việc quản lý đất một cách khoa học và hiệu quả.

Pha lỏng

Nước và không khí, hai thành phần lưu chất, cùng tồn tại trong hệ thống lỗ rỗng của đất. Sự cân bằng và động lực học của chúng là yếu tố sống còn đối với cây trồng và toàn bộ hệ sinh thái đất. Nước trong đất không chỉ là nước tinh khiết mà là một dung dịch chứa các muối khoáng, khí và các chất hữu cơ hòa tan. Nó là mạch máu của hệ sinh thái đất.

Nước trong đất tồn tại dưới các dạng khác nhau, được phân biệt bởi lực liên kết của chúng với các hạt đất rắn:

• Nước trọng lực (Gravitational water): Là lượng nước chứa trong các lỗ rỗng lớn (macropores). Dạng nước này không bị giữ lại bởi các hạt đất mà di chuyển tự do xuống các tầng sâu hơn dưới tác động của trọng lực. Nó thường thoát đi nhanh chóng sau khi mưa hoặc tưới (trong vòng 24-48 giờ) và cây trồng chỉ có thể sử dụng một cách tạm thời.
• Nước mao quản (Capillary water): Đây là dạng nước quan trọng nhất đối với cây trồng. Nó được giữ lại trong các lỗ rỗng có kích thước nhỏ và trung bình (micropores và mesopores) nhờ vào lực mao dẫn, một lực có khả năng chống lại trọng lực. Đây chính là nguồn cung cấp nước chủ yếu và bền vững cho rễ cây.
• Nước hút ẩm (Hygroscopic water): Là lớp màng nước cực mỏng bám chặt vào bề mặt của các hạt đất bởi lực hút phân tử rất mạnh. Lực liên kết này lớn đến mức rễ cây không thể nào hút được. Do đó, dạng nước này không hữu dụng cho cây trồng.

Dựa trên các dạng nước này, các nhà khoa học xác định các ngưỡng độ ẩm quan trọng để đánh giá trạng thái nước trong đất:

• Độ ẩm bão hòa (Saturation): Trạng thái mà tất cả các lỗ rỗng trong đất, cả lớn và nhỏ, đều được lấp đầy bởi nước. Tình trạng này thường xảy ra ngay sau một trận mưa lớn hoặc tưới đẫm.
• Độ ẩm đồng ruộng (Field Capacity): Là lượng nước tối đa mà đất có thể giữ lại sau khi toàn bộ nước trọng lực đã thoát đi hết. Tại điểm này, các lỗ rỗng lớn chứa không khí, trong khi các lỗ rỗng nhỏ vẫn chứa đầy nước mao quản. Đây được coi là giới hạn trên của lượng nước hữu dụng cho cây.
• Độ ẩm héo cây (Permanent Wilting Point): Là mức độ ẩm của đất mà tại đó lực giữ nước của các hạt đất trở nên quá lớn, vượt qua khả năng hút nước của rễ cây. Cây sẽ bị héo và không thể phục hồi ngay cả khi được đặt trong môi trường ẩm 100%. Đây là giới hạn dưới của lượng nước hữu dụng.
• Nước hữu dụng cho cây trồng (Plant Available Water - PAW): Là lượng nước chênh lệch giữa Độ ẩm đồng ruộng và Độ ẩm héo cây. Đây chính là "bể chứa" nước mà cây có thể khai thác để sinh trưởng và phát triển.

Sự tồn tại và di chuyển của nước trong đất được chi phối bởi hai lực phân tử cơ bản: Lực kết dính (Cohesion) là lực hút giữa các phân tử nước với nhau, giúp chúng tạo thành các giọt nước và duy trì sức căng bề mặt và Lực dính (Adhesion) là lực hút giữa các phân tử nước với bề mặt của các vật thể khác, trong trường hợp này là bề mặt của các hạt khoáng và chất hữu cơ trong đất. Sự tương tác của hai lực này tạo ra hiện tượng mao dẫn (Capillarity), một cơ chế vật lý cực kỳ quan trọng. Trong các ống có đường kính nhỏ (tương tự như các lỗ rỗng nhỏ trong đất), lực dính giữa nước và thành ống mạnh hơn lực kết dính giữa các phân tử nước, khiến cho nước "leo" lên dọc theo thành ống, chống lại lực hấp dẫn. Hiện tượng này giải thích tại sao đất có thể giữ lại nước mao quản và cho phép nước di chuyển không chỉ từ trên xuống mà còn từ dưới lên hoặc theo chiều ngang, từ vùng ẩm hơn đến vùng khô hơn.

Vai trò của nước đối với hệ sinh thái đất là không thể thay thế: nó là dung môi phổ quát giúp hòa tan các chất dinh dưỡng vô cơ để rễ cây có thể hấp thụ , tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp, duy trì áp suất trương cho các tế bào thực vật giúp cây đứng vững, và điều hòa nhiệt độ cho cả cây và đất.

Pha khí

Không khí trong đất, hay khí quyển đất, lấp đầy các lỗ rỗng không bị chiếm giữ bởi nước. Nó là một thành phần thiết yếu, đảm bảo sự sống cho các sinh vật hiếu khí trong đất.

Thành phần của không khí trong đất có những điểm tương đồng nhưng cũng có những khác biệt rất lớn so với khí quyển bên trên. Nồng độ O₂ thường thấp hơn một chút so với khí quyển (~20,6%). Nồng độ CO₂ trong đất cao hơn đáng kể so với khí quyển (~0,25%). Nguyên nhân chính của sự chênh lệch nồng độ O₂​ và CO₂ là do hoạt động hô hấp không ngừng của hàng tỷ vi sinh vật và hệ thống rễ cây trong đất. Chúng liên tục tiêu thụ O₂ và thải ra CO₂​, biến đất thành một "lò phản ứng sinh học" khổng lồ.

Sự thông khí (aeration) là quá trình trao đổi khí hai chiều giữa đất và khí quyển, đảm bảo cung cấp liên tục O₂​​ cho đất và loại bỏ lượng CO₂​ dư thừa. Cơ chế chính điều khiển quá trình này là sự khuếch tán (diffusion). Do sự chênh lệch nồng độ, O₂​​​ sẽ tự động di chuyển từ khí quyển (nồng độ cao) vào đất (nồng độ thấp), và ngược lại, CO₂​ sẽ di chuyển từ đất (nồng độ cao) ra khí quyển (nồng độ thấp). Sự thông khí kém, thường xảy ra ở đất bị nén chặt hoặc úng nước, sẽ làm giảm nồng độ O₂​ và tích tụ CO₂​ đến mức độc hại, ức chế sự phát triển của cây và làm suy giảm độ phì của đất.

Một phân tích sâu hơn cho thấy hệ thống lỗ rỗng của đất có vai trò kiểm soát kép đối với các pha lưu chất. Kích thước của lỗ rỗng là yếu tố quyết định. Các lỗ rỗng lớn (macropores) chủ yếu chịu sự chi phối của trọng lực, cho phép nước thoát đi nhanh và không khí dễ dàng lưu thông. Ngược lại, các lỗ rỗng nhỏ (micropores) lại chịu sự chi phối của lực mao dẫn, có khả năng giữ nước lại rất chặt, chống lại trọng lực. Điều này tạo ra một sự đánh đổi cơ bản: đất cát với nhiều macropores sẽ thông khí tốt nhưng giữ nước kém, trong khi đất sét với nhiều micropores sẽ giữ nước tốt nhưng thông khí kém. Một loại đất lý tưởng, như đất thịt, sở hữu một sự phân bố cân bằng giữa các kích thước lỗ rỗng, cho phép nó vừa thoát nước thừa để tránh úng, vừa giữ lại đủ nước mao quản cho cây sử dụng trong mùa khô.

Lưới thức ăn trong đất

Lưới thức ăn này mô tả mối quan hệ "ai ăn ai" trong cộng đồng sinh vật đất, qua đó cho thấy dòng chảy năng lượng và vật chất. Nó bao gồm nhiều cấp độ dinh dưỡng:

• Thực vật là nguồn năng lượng chính, chúng quang hợp để tạo ra các hợp chất hữu cơ. Rễ cây sống và các tàn dư thực vật chết là nguồn thức ăn cơ bản cho toàn bộ lưới thức ăn.
• Sinh vật phân giải và ăn thực vật là nhóm đông đảo nhất, bao gồm vi khuẩn và nấm, có nhiệm vụ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp từ tàn dư thực vật. Ngoài ra còn có các sinh vật ăn thực vật sống như tuyến trùng ăn rễ.
• Sinh vật săn mồi cấp thấp ăn các sinh vật ở cấp 2. Ví dụ, động vật nguyên sinh (protozoa) và một số tuyến trùng chuyên ăn vi khuẩn. Các loại tuyến trùng và vi chân khớp khác lại chuyên ăn nấm.
• Sinh vật săn mồi cấp cao bao gồm các sinh vật lớn hơn như tuyến trùng săn mồi, côn trùng, nhện, giun đất, và các động vật có xương sống như chuột chũi.

Độ phì của đất không đến từ một kho dự trữ tĩnh, mà đến từ một quá trình tái chế năng động gọi là chu trình dinh dưỡng, được vận hành chủ yếu bởi lưới thức ăn trong đất. Cây trồng không thể hấp thụ trực tiếp hầu hết các chất dinh dưỡng bị khóa trong các khoáng chất của đá mẹ hay trong các hợp chất hữu cơ phức tạp. Chính các vi sinh vật đã thực hiện công việc "mở khóa" này.

Vi khuẩn và nấm tiết ra các enzyme để phân hủy chất hữu cơ và phong hóa khoáng chất, hấp thụ các chất dinh dưỡng vào sinh khối của chúng. Khi các sinh vật này bị các loài săn mồi ở cấp cao hơn (như động vật nguyên sinh, tuyến trùng) ăn, các chất dinh dưỡng dư thừa sẽ được thải ra môi trường đất ở dạng ion hòa tan, là dạng mà rễ cây có thể hấp thụ ngay lập tức.Đây là cơ chế cốt lõi của việc khoáng hóa và cung cấp dinh dưỡng.

Thực vật đóng một vai trò tích cực trong việc nuôi dưỡng hệ sinh thái này. Chúng có thể tiết ra tới 30-40% tổng lượng đường quang hợp được (dưới dạng các chất tiết - exudates) qua rễ để thu hút và nuôi các cộng đồng vi khuẩn và nấm có lợi. Đây là một mối quan hệ cộng sinh: cây "đầu tư" carbon để đổi lấy các chất dinh dưỡng thiết yếu mà các vi sinh vật "khai thác" và cung cấp cho chúng.

Chu trình dinh dưỡng không phải là một quá trình thụ động mà là một "nền kinh tế" cộng sinh. Thay vì xem đất là một kho dinh dưỡng tĩnh để khai thác, cách tiếp cận hiện đại xem đất như một thị trường sinh học. Sức khỏe cây trồng phụ thuộc vào khả năng "giao dịch" hiệu quả với các đối tác vi sinh vật. Việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật có thể phá vỡ "nền kinh tế" này, làm cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố đầu vào nhân tạo. Ngược lại, các phương pháp canh tác tái tạo tập trung vào việc nuôi dưỡng sự đa dạng của cộng đồng vi sinh vật, từ đó xây dựng một hệ thống tự duy trì và bền vững hơn.

Kết luận

Mỗi thành phần, từ hạt sét siêu nhỏ đến cộng đồng vi sinh vật đông đúc, đều đóng một vai trò không thể thiếu trong việc quyết định các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học, và cuối cùng là độ phì nhiêu của đất. Cần nhấn mạnh rằng đất là một "tài nguyên sống" cần được nuôi dưỡng và bảo vệ, chứ không chỉ đơn thuần là một "tư liệu sản xuất" để khai thác. Việc hiểu rõ về các thành phần và quá trình diễn ra trong lòng đất là bước đầu tiên để xây dựng một nền nông nghiệp bền vững và đảm bảo an ninh lương thực lâu dài cho quốc gia.