Quá trình hình thành đất

Thổ nhưỡng học là môn khoa học cứu về đất trong môi trường tự nhiên của nó. Ngày nay, thổ nhưỡng học được xem là một nhánh của khoa học đất và nhánh khác đó là edaphology (môn khoa học nghiên cứu đất đai như môi trường sinh sống cho thực vật và các sinh vật khác); đôi khi nó được sử dụng như là từ đồng nghĩa với khoa học đất. Thổ nhưỡng học là môn khoa học tự nhiên nghiên cứu nguồn gốc của đất, cấu tạo, thành phần, tính chất, quy luật phân bố, biện pháp sử dụng hợp lý và nâng cao độ phì của đất. 

Đất là một phần của vỏ trái đất, nó là lớp phủ của lục địa mà bên dưới nó là đá và khoáng sinh ra nó, bên trên là thảm thực bì và khí quyển. Đất là lớp mặt tơi xốp của lục địa có khả năng sản xuất ra sản phẩm của cây trồng. Đất có độ phì nhiêu trong khi đá và khoáng lại không có. Độ phì nhiêu là khả năng của đất có thể cung cấp nước, dinh dưỡng và đảm bảo các điều kiện khác để cây trồng sinh trưởng, phát triển và cho năng suất.

Khoáng vật là những hợp chất hóa học tự nhiên, được hình thành do các quá trình lý học, hóa học, địa chất học phức tạp xảy ra trong vỏ Trái đất. Chúng phần lớn gồm 2 nguyên tố trở lên và ở trạng thái rắn, chỉ một số rất ít khoáng vật đơn nguyên tố hoặc thể lỏng. Các đặc trưng của khoáng gồm: màu sắc (tự sắc, ngoại sắc), cát khai (vết vỡ), tỷ trọng, độ cứng, tính giòn, tính dẻo, tính đàn hồi.

Khoáng nguyên sinh là khoáng vật được hình thành đồng thời với đá và hầu như chưa bị biến đối về thành phần và trạng thái: olivin, mica, feldspar, augit, enstatite, garnet, tourmaline, zircon, calcite, dolomite, apatite, vivianite, hematite, manhetit, pyrite, chalcopyrite, pentlandite, thạch cao, thạch anh, halite, sylvine, carnallite, kim cương, kim loại quý...

Khoáng thứ sinh là do khoáng nguyên sinh bị biến đổi về thành phần và trạng thái mà tạo nên: hydromica, serpentine, opal, chlorite, kaolinite, montmorillonite, diaspore, vermiculite, biotite, muscovite, goethite, gibbsite, limonite, manganite, psilomelane...

Các khoáng sét có các đặc tính quan trọng khác, đó là do một số ion Si và Al bị
thay thế bởi các ion có hoá trị thấp hơn, sự thay thế này gọi là sự thay thế đồng hình. Sự thay thế đồng hình này xảy ra trong lúc các khoáng sét được hình thành bởi vì các ion Si và Al không hiện diện đúng một tỉ lệ cần thiết trong lúc hình thành khoáng. Sự thay thế trên có thể là Al thay Si và Mg thay Al, sự thay thế này dẫn đến sự thiếu hụt điện tích dương (dư thừa điện tích âm) của mạng lưới tinh thể.

Đá là một tập hợp nhiều khoáng vật hoặc một khoáng vật và là thành phần chủ yếu tạo nên vỏ Trái đất. Khoáng vật trong đá chiếm trên 5% gọi là khoáng vật tạo đá. Căn cứ vào nguồn gốc, chia đá ra làm 3 nhóm: đá magma, đá trầm tích, đá biến chất.

Đá magma còn gọi là đá núi lửa từ trong lòng đất phun ra ngoài, bị ngưng kết đột ngột tạo thành đá: pegmatite, granite, rhyolite, diorite, andesite, trachyte, selenite, gabbro, basalt, diabaz, dunite, peridotite, pyroxenite.

Đá trầm tích hiện nay chiếm khoảng 75% diện tích vỏ Trái đất, được hình thành từ sản phẩm phá hủy của các đá khác bởi tác động của những yếu tố khác nhau, được lắng đọng và gắn chặt với nhau.

Đá biến chất là đá magma hoặc đá trầm tích chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao hoặc áp suất lớn bị biến đổi sâu sắc về thành phần khoáng vật và kiến trúc khoáng. Do hình thành trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao nên đá biến chất chỉ cấu tạo từ những khoáng vật bền.

Đá và khoáng sau khi hình thành dưới tác động của các yếu tố ngoại cảnh dần bị biến đổi. Tổng hợp những sự biến đổi lâu dài phức tạp làm cho đá, khoáng bị phá huỷ và quá trình đó được gọi là quá trình phong hoá. Kết quả của sự phong hoá là làm cho đá và khoáng bị phá huỷ, biến thành tơi xốp, có khả năng thấm khí và nước tốt. Những chất mới này được gọi là Mẫu chất. Căn cứ vào các yếu tố tác động, phong hoá được chia thành 3 dạng: phong hoá lý học, phong hoá hoá học và phong hoá sinh học.

• Phong hoá vật lý là quá trình phá huỷ đá về mặt cấu trúc, hình dạng nhưng không làm thay đổi về thành phần hoá học. Những yếu tố gây ra phong hoá vật lý thì nhiệt độ là yếu tố phổ biến và quan trọng hơn cả, ngoài ra còn do dòng chảy gió, nước, hoạt động địa chất...
• Phong hoá hoá học là sự phá huỷ đá, khoáng bằng các phản ứng hoá học. Do đó phong hoá hoá học làm thay đổi thành phần và tính chất của đá, khoáng. Những tác nhân quan trọng nhất trong quá trình này là H₂O, CO₂ và O₂. Các quá trình chủ yếu của phong hoá học là: quá trình hoà tan, hydrate hoá, sét hóa và oxy hoá.
• Sự phá huỷ cơ học và sự biến đổi tính chất hoá học của đá, khoáng dưới tác dụng của sinh vật và những sản phẩm từ hoạt động sống của chúng được gọi là sự phong hoá sinh học.

Ở Việt Nam các quá trình phong hóa xảy ra mãnh liệt và triệt để vì chịu ảnh hưởng của điều kiện nhiệt đới ẩm. Trong các dạng phong hóa thì phong hóa hóa học chiếm ưu thế.

Quá trình tác động đến mẫu chất để hình thành đất gọi là quá trình hình thành đất, khác với quá trình phong hóa. 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.

Đất = f(cl, o, r, p, t) / Trong đó: cl = khí hậu; o = sinh vật; r = địa hình; p = mẫu chất và t = thời gian.

• Khí hậu (Climate - Cl) là yếu tố có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng hóa học. Nơi có nhiệt độ cao, quá trình phong hóa và phân giải chất hữu cơ diễn ra nhanh hơn. Nước mưa là tác nhân chính gây phong hóa hóa học, hòa tan khoáng chất và dịch chuyển chúng xuống các tầng đất sâu hơn (quá trình rửa trôi).
• Sinh vật (Organisms - O) gồm Vi sinh vật (vi khuẩn, nấm) phân giải xác thực vật và động vật để tạo ra mùn (humus), một thành phần hữu cơ sẫm màu, giàu dinh dưỡng và rất quan trọng cho độ phì của đất; Thực vật cung cấp nguồn vật chất hữu cơ chính (lá, cành, rễ cây chết). Rễ cây cũng làm nứt vỡ đá và giúp đất tơi xốp; Động vật (giun đất, kiến, mối...) đào hang, xới trộn, làm thoáng khí và giúp phân phối vật chất hữu cơ trong đất.
• Địa hình (Relief - R) như sườn dốc, đất dễ bị xói mòn, rửa trôi nên thường mỏng hơn. Ở vùng trũng, bằng phẳng, vật liệu và nước có xu hướng tích tụ lại, tạo nên tầng đất dày và thường ẩm hơn. Hướng sườn dốc (so với ánh sáng mặt trời) ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ ẩm, từ đó ảnh hưởng đến thảm thực vật và tốc độ hình thành đất.
• Đá mẹ (Parent material - P) là điểm khởi đầu, ảnh hưởng đến độ chua (pH), kết cấu (cát, thịt, hay sét) và nguồn dinh dưỡng khoáng của đất.
• Thời gian (Time - T) hình thành đất rất chậm. Đất "trẻ" thường còn giữ nhiều đặc tính của đá mẹ. Theo thời gian, đất "già" hơn sẽ phát triển các tầng đất khác biệt rõ rệt. Thường có hai cách để định tuổi của một tầng đất đó là dựa vào sự phát triển của cây cổ thụ và sử dụng chất carbon ¹⁴C. Cần phân biệt tuổi địa chất và tuổi thổ nhưỡng. Đồng Bằng Sông Cửu Long có tuổi địa chất từ 10.000-20.000 năm nhưng nhiều nơi đất có tuổi về thổ nhưỡng thậm chí khoảng 20-30 năm.

Sự tương tác của 5 yếu tố trên tạo ra bốn quá trình cơ bản trong đất:

• Phong hóa và Bổ sung (Additions): Đá mẹ bị phá vỡ về mặt vật lý (nhiệt độ thay đổi, đóng băng) và biến đổi về mặt hóa học (nước, oxy, axit) thành các mảnh vụn nhỏ hơn. Vật chất hữu cơ từ thực vật và động vật chết được thêm vào bề mặt đất. Bụi từ khí quyển cũng có thể được bổ sung.
• Mất mát (Losses): Nước mưa hòa tan các khoáng chất và chất dinh dưỡng rồi mang chúng đi xuống sâu hoặc ra khỏi phẫu diện đất (rửa trôi). Lớp đất mặt bị gió hoặc nước cuốn đi (xói mòn).
• Dịch chuyển (Translocations): Vật liệu (như hạt sét, mùn, các oxit sắt) được nước di chuyển từ tầng trên xuống tầng dưới. Đây là quá trình quan trọng tạo ra các tầng đất khác nhau. Động vật như giun đất cũng dịch chuyển vật liệu từ dưới lên.
• Biến đổi (Transformations): Vật chất hữu cơ được vi sinh vật phân giải thành mùn. Các khoáng nguyên sinh (có sẵn trong đá mẹ) phong hóa để tạo thành các khoáng thứ sinh (như khoáng sét).

Từ khi biết canh tác, con người đã tác động sâu sắc vào đất, có thể làm đất màu mỡ hơn hoặc thoái hóa đi. Các hoạt động như khai hoang, quai đê lấn biển có thể tạo ra đất trồng trọt mới, trong khi du canh du cư có thể làm đất kiệt quệ.

Qua hàng ngàn năm, các quá trình trên tạo ra một mặt cắt thẳng đứng của đất gọi là phẫu diện đất, bao gồm các lớp đất nằm ngang gọi là tầng đất. Một phẫu diện đất phát triển đầy đủ thường có các tầng chính từ trên xuống dưới:

• Tầng O (Tầng thảm mục): Lớp bề mặt chứa lá cây, cành cây và các vật chất hữu cơ chưa hoặc đang phân hủy.
• Tầng A (Tầng đất mặt): Lớp đất màu sẫm, giàu mùn và chất dinh dưỡng, là nơi hoạt động sinh học diễn ra mạnh mẽ nhất. Đây là tầng quan trọng nhất cho nông nghiệp.
• Tầng E (Tầng rửa trôi - không phải lúc nào cũng có): Tầng sáng màu do các khoáng sét, sắt, nhôm và mùn đã bị rửa trôi xuống dưới.
• Tầng B (Tầng tích tụ): Nơi các vật liệu bị rửa trôi từ tầng A và E tích tụ lại. Tầng này thường có mật độ sét cao, màu sắc đậm hơn (nâu đỏ, vàng).
• Tầng C (Tầng mẫu chất): Lớp đá mẹ đã bị phong hóa một phần, vỡ vụn nhưng cấu trúc đá gốc vẫn còn nhận ra được.
• Tầng R (Tầng đá gốc): Lớp đá gốc cứng, chưa bị phong hóa.

Đất không phải là vật chất tĩnh mà là một hệ thống động, liên tục phát triển dưới sự tác động tổng hòa của khí hậu, sinh vật, địa hình trên một loại mẫu chất nhất định và trong một khoảng thời gian dài.