Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Soil as a System, and Soil Degradation
Soil as a system. Soil is an open system. Its inputs are weathered parent material, organic matter from dead plants and animals, precipitation, energy, and gases. Its outputs are leaching, uptake by plants, erosion, and gases released by respiration and denitrification. Transfers include leaching, the movement of biological material by soil organisms, and water moving through pores. Transformations include decomposition, weathering and nutrient cycling. Framing soil this way is what allows a candidate to explain degradation as a change in the balance of inputs and outputs rather than as a vague loss of quality.
The profile. Read it downwards, following the water. Horizon O is undecomposed organic litter. Horizon A, the topsoil, is humus-rich and holds most roots, but it is also the zone of leaching, since percolating water carries dissolved substances and fine clay downwards. Horizon B is the zone of accumulation, where that material is deposited. Horizon C is weathered parent material, and R is bedrock.
Composition and texture. By volume, a productive soil is roughly 45 per cent mineral, 25 per cent water, 25 per cent air and 5 per cent organic matter. Water and air compete for the same pore space, which is why waterlogging kills roots: it excludes the oxygen roots need for respiration. Texture is decided by particle size. Sand has large particles and large pores, so it drains too fast and retains little water or nutrients, but it is well aerated. Clay has minute particles, so it drains too slowly and waterlogs, holds a lot of water but much of it too tightly for plants to extract, and retains nutrients extremely well. Loam, a balanced mixture, is optimal because it combines the drainage of sand with the retention of clay.
Why clay holds nutrients. Because the particles are so small, a given mass of clay has an enormous total surface area, and those surfaces carry a negative charge that attracts and holds positively charged nutrient ions such as potassium, calcium and ammonium, preventing them from leaching away.
Degradation. Erosion by wind and water is accelerated by overgrazing, deforestation, ploughing up and down slopes, monoculture and the removal of hedgerows. Salinisation occurs where irrigation in a hot climate leaves dissolved salts behind as water evaporates, and where a rising water table then allows capillary action to draw more salt to the surface. Desertification is the end state where degradation crosses a threshold. Conservation works by keeping soil covered and slowing water: contour ploughing, terracing, windbreaks, cover crops, crop rotation, reduced tillage, mulching and agroforestry.
Đất như một hệ thống. Đất là một hệ mở. Đầu vào của nó gồm vật liệu đá mẹ đã phong hoá, chất hữu cơ từ xác thực vật và động vật, giáng thuỷ, năng lượng và các chất khí. Đầu ra gồm rửa trôi, phần cây hấp thụ, xói mòn, và các khí thoát ra từ hô hấp cùng phản nitrat hoá. Chuyển vận gồm rửa trôi, việc sinh vật đất di chuyển vật liệu sinh học, và nước di chuyển qua lỗ rỗng. Chuyển hoá gồm phân huỷ, phong hoá và tuần hoàn dinh dưỡng. Đóng khung đất theo cách này là điều cho phép thí sinh giải thích thoái hoá đất như một thay đổi trong cán cân giữa đầu vào và đầu ra, thay vì như một sự mất chất lượng chung chung.
Phẫu diện. Đọc từ trên xuống theo dòng đi của nước. Tầng O là thảm mục hữu cơ chưa phân huỷ. Tầng A, tức tầng mặt, giàu mùn và chứa phần lớn rễ, nhưng cũng là tầng bị rửa trôi, vì nước thấm xuống mang theo các chất hoà tan và hạt sét mịn. Tầng B là tầng tích tụ, nơi những vật liệu đó lắng lại. Tầng C là đá mẹ đã phong hoá, và R là đá gốc.
Thành phần và thành phần cơ giới. Tính theo thể tích, một loại đất có năng suất gồm khoảng 45% khoáng, 25% nước, 25% không khí và 5% chất hữu cơ. Nước và không khí cạnh tranh cùng một khoảng trống lỗ rỗng, và đó là lý do đất úng làm chết rễ: nước đẩy hết ôxy mà rễ cần cho hô hấp ra ngoài. Thành phần cơ giới do cỡ hạt quyết định. Cát có hạt lớn và lỗ rỗng lớn nên thoát nước quá nhanh, giữ nước và giữ dinh dưỡng đều kém, nhưng thoáng khí tốt. Sét có hạt cực nhỏ nên thoát nước quá chậm và dễ úng, giữ được nhiều nước nhưng phần lớn bám quá chặt để cây hút ra được, và giữ dinh dưỡng rất tốt. Đất thịt, tức hỗn hợp cân đối, là tối ưu vì nó kết hợp khả năng thoát nước của cát với khả năng giữ của sét.
Vì sao sét giữ dinh dưỡng tốt. Vì hạt rất nhỏ nên cùng một khối lượng sét có tổng diện tích bề mặt khổng lồ, và các bề mặt đó mang điện tích âm nên hút và giữ các ion dinh dưỡng mang điện tích dương như kali, canxi và amoni, ngăn chúng bị rửa trôi.
Thoái hoá. Xói mòn do gió và nước bị đẩy nhanh bởi chăn thả quá mức, phá rừng, cày theo hướng dốc, độc canh và việc phá bỏ các hàng rào cây. Nhiễm mặn xảy ra ở nơi việc tưới trong khí hậu nóng để lại muối hoà tan khi nước bốc hơi, và ở nơi mực nước ngầm dâng lên rồi mao dẫn kéo thêm muối lên mặt. Hoang mạc hoá là trạng thái cuối khi thoái hoá vượt qua một ngưỡng. Bảo tồn đất hoạt động bằng cách giữ đất luôn được che phủ và làm chậm dòng nước: cày theo đường đồng mức, làm ruộng bậc thang, trồng đai chắn gió, trồng cây che phủ, luân canh, giảm cày xới, phủ gốc và nông lâm kết hợp.
Một vùng đồi trồng ngô độc canh trên sườn dốc 12 độ, cày theo hướng lên xuống dốc, đất để trần từ sau thu hoạch tới vụ sau. Sau mười năm, tầng mặt mỏng đi rõ rệt và năng suất giảm. Hãy giải thích cơ chế và đề xuất biện pháp theo thứ tự hiệu quả.
Cơ chế 1 — đất trần trong mùa mưa. Đây là nguyên nhân lớn nhất và cũng dễ sửa nhất. Khi không có lớp phủ thực vật, hạt mưa đập trực tiếp xuống mặt đất và phá vỡ cấu trúc kết cấu đất, làm các hạt nhỏ bung ra và bịt kín lỗ rỗng. Bề mặt bị nén chặt lại, khả năng thấm giảm mạnh, nên tỷ lệ nước đi bằng dòng chảy tràn mặt tăng vọt — và chính dòng tràn mặt mới là thứ cuốn đất đi.
Cơ chế 2 — cày theo hướng lên xuống dốc. Mỗi luống cày trở thành một rãnh dẫn nước chảy thẳng xuống dốc, làm tăng cả tốc độ lẫn khối lượng dòng chảy. Vì khả năng cuốn trôi vật liệu tăng rất nhanh theo tốc độ dòng nước, việc cày sai hướng làm lượng đất mất đi tăng nhiều lần so với cày theo đường đồng mức.
Cơ chế 3 — độc canh làm giảm chất hữu cơ. Trồng một loại cây liên tục, thu hoạch mang toàn bộ sinh khối đi, và cày xới thường xuyên khiến vi sinh vật phân huỷ nhanh phần mùn còn lại. Mùn là chất kết dính các hạt đất thành cấu trúc bền; mất mùn thì đất tơi rời và bị cuốn đi dễ hơn nhiều. Đây là một vòng phản hồi dương: đất mất cấu trúc nên xói nhiều hơn, xói nhiều hơn nên mất thêm tầng giàu mùn.
Biện pháp 1 — trồng cây che phủ trong mùa nghỉ. Đứng đầu vì nó tác động vào nguyên nhân lớn nhất với chi phí thấp nhất. Lớp phủ chắn hạt mưa, rễ giữ đất, và khi vùi xuống thì nó bổ sung chất hữu cơ. Cây họ đậu còn cố định đạm nên giảm nhu cầu phân bón.
Biện pháp 2 — cày theo đường đồng mức và làm ruộng bậc thang ở đoạn dốc nhất. Cày theo đường đồng mức gần như không tốn thêm chi phí và cắt đứt các rãnh dẫn nước dọc dốc. Ruộng bậc thang hiệu quả nhất nhưng đòi lao động và vốn lớn, nên chỉ nên áp dụng ở phần dốc nhất.
Biện pháp 3 — giảm cày xới và phủ gốc bằng tàn dư cây trồng. Giữ tàn dư trên mặt ruộng thay vì đốt hoặc cày vùi vừa che chắn mặt đất vừa trả lại chất hữu cơ. Giảm cày xới còn bảo vệ mạng lưới nấm và giun đất vốn tạo ra cấu trúc bền cho đất.
Biện pháp 4 — luân canh và trồng đai chắn gió. Luân canh cắt vòng đời sâu bệnh và đa dạng hoá bộ rễ ở các độ sâu khác nhau. Đai chắn gió chỉ cần thiết nếu xói mòn do gió cũng đáng kể.
Nguyên tắc để trả lời mọi câu hỏi dạng này. Xói mòn xảy ra khi đất trần gặp nước chảy nhanh. Vì vậy mọi biện pháp hiệu quả đều làm một trong hai việc: giữ cho đất được che phủ, hoặc làm chậm dòng nước. Sắp xếp câu trả lời theo hai nhóm này thay vì liệt kê rời rạc là cách trình bày được điểm cao nhất.
Một vùng tưới ở khí hậu khô nóng ghi nhận độ mặn đất tăng đều trong hai mươi năm, dù nguồn nước tưới có độ mặn thấp và không đổi. Hãy giải thích, và cho biết vì sao việc tăng lượng nước tưới lại làm tình hình xấu đi.
Bước 1 — mọi nguồn nước tưới đều mang muối. Ngay cả nước sông trong vắt cũng chứa muối hoà tan, vì nước đã chảy qua đất đá và hoà tan khoáng chất trên đường đi. Nồng độ có thể rất thấp, nhưng điểm mấu chốt là nó khác không.
Bước 2 — nước đi, muối ở lại. Trong khí hậu khô nóng, phần lớn nước tưới bốc hơi hoặc thoát qua lá thay vì thấm sâu xuống dưới. Bốc hơi mang đi nước tinh khiết và để lại toàn bộ muối. Đây là lý do nồng độ thấp vẫn gây hậu quả: mỗi vụ tưới thêm một lượng muối nhỏ, và không có gì mang nó đi.
Bước 3 — tích luỹ, và đây là câu trả lời cho câu hỏi vì sao nặng dần. Muối không phân huỷ và không bay hơi. Nếu lượng nước thấm sâu không đủ để rửa muối xuống dưới vùng rễ, muối cộng dồn qua từng vụ. Sau hai mươi năm, tổng lượng muối tích lại bằng hai mươi năm nhân với lượng mỗi năm — nên độ mặn tăng gần như tuyến tính dù nguồn nước không hề đổi.
Bước 4 — mực nước ngầm dâng và mao dẫn, phần bị bỏ sót nhiều nhất. Tưới quá mức trong thời gian dài làm nước tích lại dưới đất và mực nước ngầm dâng dần lên gần mặt. Khi nó đủ gần, mao dẫn kéo nước mặn ngược lên tầng mặt, ở đó nước lại bốc hơi và để lại thêm muối. Từ lúc này, muối không chỉ đến từ nước tưới mới mà còn được bơm ngược lên từ kho muối đã tích trong đất.
Vì sao tăng lượng nước tưới làm tình hình xấu đi — vòng phản hồi dương. Đất mặn làm tăng áp suất thẩm thấu của dung dịch đất, nên rễ cây khó hút nước hơn và cây có biểu hiện héo dù đất vẫn ẩm. Phản ứng tự nhiên của nông dân là tưới nhiều hơn. Nhưng tưới nhiều hơn vừa mang thêm muối vào, vừa đẩy mực nước ngầm lên cao hơn và do đó làm mao dẫn mạnh hơn. Kết quả là biện pháp ứng phó làm nguyên nhân nặng thêm.
Vì sao rửa mặn đơn thuần không giải quyết được. Rửa mặn bằng lượng nước dư chỉ đẩy muối xuống dưới vùng rễ. Nếu không có hệ thống tiêu nước ngầm, lượng nước dư đó lại làm mực nước ngầm dâng thêm, và mao dẫn sẽ kéo chính lượng muối vừa đẩy xuống quay trở lên. Vì vậy thứ tự đúng là tiêu nước ngầm trước, rửa mặn sau — làm ngược lại thì tốn nước mà tình hình vẫn xấu đi.
Bẫy 2 — nói sét là loại đất tốt vì giữ nước và dinh dưỡng tốt. Sét giữ nước nhiều nhưng phần lớn bám quá chặt để cây hút ra, và nó dễ úng làm rễ ngạt. ĐẤT THỊT mới là tối ưu vì kết hợp được thoát nước của cát với khả năng giữ của sét.
Bẫy 3 — liệt kê biện pháp chống xói mòn rời rạc. Hãy nhóm theo cơ chế: mọi biện pháp hiệu quả đều hoặc GIỮ ĐẤT ĐƯỢC CHE PHỦ hoặc LÀM CHẬM DÒNG NƯỚC. Trình bày theo hai nhóm này cho điểm cao hơn hẳn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Soil Systems and Terrestrial Food Production Systems and Societies gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.