Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 8

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

111
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chất lượng nước 8.1. Giới thiệu và những định nghĩa Những chương trước trong cuốn sách này giải quyết lượng trữ và dòng chảy của nước qua chu trình thuỷ văn, nhưng ít đề cập đến đặc trưng của nước. Thực vậy, trừ ở những vùng riêng biệt mà sự xói mòn đất mạnh, hoặc những nơi xảy ra sự mặn hoá, chỉ tương đối gần đây các nhà thuỷ văn mới chú ý nhiều tới các đặc trưng của nước (Hem, 1985). Tuy nhiên, ngày nay tầm quan trọng của chất lượng nước đang được các nhà thủy văn học...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nguyên lý thủy văn ( NXB ĐH Quốc gia Hà Nội ) - Chương 8

Ch¬ng 8 ChÊt lîng níc 8.1. Giíi thiÖu vµ nh÷ng ®Þnh nghÜa Nh÷ng ch¬ng tríc trong cuèn s¸ch nµy gi¶i quyÕt lîng tr÷ vµ dßng ch¶y cña níc qua chu tr×nh thuû v¨n, nhng Ýt ®Ò cËp ®Õn ®Æc trng cña níc. Thùc vËy, trõ ë nh÷ng vïng riªng biÖt mµ sù xãi mßn ®Êt m¹nh, hoÆc nh÷ng n¬i x¶y ra sù mÆn ho¸, chØ t¬ng ®èi gÇn ®©y c¸c nhµ thuû v¨n míi chó ý nhiÒu tíi c¸c ®Æc trng cña níc (Hem, 1985). Tuy nhiªn, ngµy nay tÇm quan träng cña chÊt lîng níc ®ang ®îc c¸c nhµ thñy v¨n häc nhËn thøc ngµy mét réng r·i, bao gåm c¶ c¸c ®Æc trng ho¸ häc, do vËt chÊt ®îc hoµ tan, vµ c¸c ®Æc trng vËt lý, ch¼ng h¹n nh nhiÖt ®é, vÞ vµ c¸c chÊt r¾n l¬ löng. Do viÖc sö dông vµ « nhiÔm ngµy cµng t¨ng cña c¸c nguån níc bëi c¸c ho¹t ®éng con ngêi, ngêi ta cã thÓ tranh luËn r»ng bµi to¸n vÒ chÊt lîng níc b©y giê thêng lµ khã kh¨n vµ cÇn thiÕt h¬n bµi to¸n vÒ tr÷ lîng níc. Nghiªn cøu chÊt lîng níc b©y giê lµ mét trong nh÷ng khÝa c¹nh ®ang ®îc më réng nhanh chãng nhÊt cña thuû v¨n (Andrew vµ Webb, 1987). Trªn nhiÒu vïng cña thÕ giíi sö dông níc bÞ giíi h¹n bëi chÊt lîng cña nã nhiÒu h¬n lµ bëi tr÷ lîng cña nã. Th«ng tin vµ sù qu¶n lý chÊt lîng níc cã tÇm quan träng lín ®èi víi mét lo¹t c¸c môc tiªu, gåm cã cung cÊp níc vµ søc khoÎ céng ®ång, sö dông níc cho n«ng nghiÖp vµ c«ng nghiÖp. ChÊt lîng níc còng quan träng ®èi víi viÖc gi÷ g×n c¸c m«i trêng sèng ë díi níc cho c¸ vµ c¸c ®éng vËt kh«ng x¬ng sèng, chim vµ ®éng vËt cã vó. V× vËy cÇn ph¶i cã c¸c ho¹t ®éng gi¸m s¸t vµ kiÓm so¸t t¸c ®éng ®ang ngµy mét gia t¨ng cña con ngêi lu«n t¨ng ®èi víi ho¸ häc níc th«ng qua nhiÒu d¹ng « nhiÔm kh¸c nhau. VÒ c¬ b¶n, bèc h¬i cung cÊp mét nguån níc s¹ch (®îc chng cÊt) cho gi¸ng thuû, mµ sau ®ã t¨ng thªm c¸c vËt chÊt hoµ tan khi nã di chuyÓn qua khÝ quyÓn, vµ ë c¸c giai ®o¹n sau ®ã cña chu tr×nh thuû v¨n khi nã ®i vµo tiÕp xóc víi vËt liÖu h÷u c¬, ®Êt vµ ®¸. Thùc tÕ kh«ng cã níc nµo kh«ng chÞu ¶nh hëng cña con ngêi- gi¸ng thuû ë vïng cùc vÉn cã chøa c¸c thµnh phÇn ®îc th¶i vµo trong khÝ quyÓn. §ã vÉn lµ mét vÊn ®Ò lín cÇn ®îc t×m hiÓu vÒ hãa häc cña nh÷ng qu¸ tr×nh tù nhiªn nµy, còng nh c¸c c¬ chÕ vµ ®êng ®i cña c¸c dßng chÊt hoµ tan. Nhµ thuû v¨n nghiªn cøu tèc ®é vµ ®êng dßng cña chuyÓn ®éng níc v× vËy ®îc ®Æt ë mét vÞ trÝ duy nhÊt ®Ó gióp t×m ra c¸c lêi gi¶i cho nh÷ng bµi to¸n nµy. Ch¬ng nµy cung cÊp mét tæng quan tãm t¾t vÒ c¸c nguyªn lý chung vµ nh÷ng th¶o luËn mét sè khÝa c¹nh ®îc lùa chän cña lÜnh vùc nghiªn cøu quan träng nµy; nh÷ng chi tiÕt h¬n n÷a cã thÓ ®îc t×m thÊy trong c¸c cuèn s¸ch chuyªn biÖt (vÝ dô Stumm vµ Morgan, 1996). Tríc khi chuyÓn sang c¸c qu¸ tr×nh chÊt lîng níc ë c¸c giai ®o¹n kh¸c nhau trong chu tr×nh thuû v¨n, ph¶i xem xÐt l¹i c¸c thuéc tÝnh cña níc vµ c¸c b¶n chÊt cña nh÷ng ph¶n øng ho¸ häc. 262
8.1.1. C¸c thuéc tÝnh cña níc Níc chiÕm mét vai trß trung t©m trong vËn chuyÓn c¸c chÊt ho¸ häc quanh bÒ mÆt cña hµnh tinh chóng ta. Nuíc tinh khiÕt lµ níc cã c¸c tÝnh chÊt kh«ng mµu, kh«ng vÞ vµ kh«ng mïi. §ã lµ nh÷ng thuéc tÝnh nhÊt ®Þnh lµm cho nã trë thµnh ®éc nhÊt v« nhÞ. Níc lµ mét hîp chÊt ho¸ häc cña hai nguyªn tè phæ biÕn, hydrogen (H) vµ oxygen (O), nhng kh¸c vÒ ®éng th¸i víi hÇu hÕt c¸c hîp chÊt kh¸c lµ nã ®îc gäi lµ mét hîp chÊt “kh«ng theo quy t¾c” (Leopold vµ Davis, 1970). Mét trong nh÷ng ®Æc trng dÞ thêng nhÊt lµ díi c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu th«ng thêng nã thêng ®îc t×m thÊy ë c¶ ba pha: r¾n (b¨ng), láng vµ khÝ (h¬i níc). Nh÷ng sù thay ®æi vÒ pha (tan ch¶y vµ ®ãng b¨ng, bèc h¬i vµ ngng tô) hÊp thô hay gi¶i phãng nhiÒu Èn nhiÖt h¬n hÇu hÕt c¸c chÊt th«ng thêng kh¸c; níc còng cã nhiÖt dung riªng-lîng n¨ng lîng cÇn thiÕt ®Ó t¨ng nhiÖt ®é níc lªn mét ®¬n vÞ nhiÖt ®é- cùc kú cao. Cïng víi nh÷ng ®iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao níc cã t¸c dông nh mét chÊt nÖm chèng l¹i nh÷ng cùc h¹n nhiÖt ®é. NhiÒu thuéc tÝnh vËt lý vµ ho¸ häc cña nã lµ dÞ thêng, nhng ®iÒu quan träng nhÊt cña nh÷ng nghiªn cøu chÊt lîng níc lµ trªn thùc tÕ gÇn nh tÊt c¶ c¸c chÊt ®Òu cã thÓ hoµ tan tíi mét ph¹m vi nµo ®ã trong níc. Ph©n tö níc (H2O) hÊp dÉn m¹nh tíi hÇu hÕt c¸c chÊt v« c¬ (gåm c¶ chÝnh b¶n th©n níc). Trong thùc tÕ, ngêi ta hoµn toµn cã thÓ t¹o ra vµ lu tr÷ níc tinh khiÕt (Lamb, 1985). C¸c tÝnh chÊt dÞ thêng cña níc cã thÓ ®îc gi¶i thÝch bëi cÊu tróc ph©n tö cña nã. Mçi ph©n tö níc gåm hai nguyªn tö hydro liªn kÕt víi mét nguyªn tö oxy bëi mét c¬ chÕ æn ®Þnh vµ rÊt m¹nh, liªn quan ®Õn viÖc chia sÎ mét cÆp electron, ®îc gäi lµ liªn kÕt ho¸ trÞ. Hai nguyªn tö hydro kh«ng ë c¸c vÞ trÝ hoµn toµn ®èi diÖn nhau cña nguyªn tö oxy mµ ë mét gãc 105 0 (H×nh 8.1(a)). H×nh 8.1. CÊu t¹o cña níc: (a) ph©n tö níc bao gåm mét nguyªn tö oxi vµ 2 nguyªn tö Hydro; (b) hîp nhÊt gi÷a 2 ph©n tö níc; (c) Mèi liªn kÕt cation trong c¸c ph©n tö níc §iÒu nµy t¹o ra mét ph©n tö lìng cùc, t¬ng t¸c dông t¬ng ®¬ng víi mét thanh nam ch©m, víi mét sù ph©n bè ®iÖn tÝch kh«ng c©n b»ng: nguyªn tö oxy trªn mét phÝa cña ph©n tö cã ®iÖn tÝch ©m trong khi phÝa cßn l¹i víi hai nguyªn tö hydro cã ®iÖn tÝch d¬ng. Nh mét hÖ qu¶ cña t¸c dông tÜnh ®iÖn nµy, c¸c ph©n tö níc kÒ nhau cã xu híng t¬ng t¸c bëi mét qu¸ tr×nh ®îc biÕt nh liªn kÕt ion hay liªn kÕt hydro (H×nh 8.1(b)). Nã lµ lùc kÕt hîp cña hai lo¹i liªn kÕt nµy mµ gi¶i thÝch cho Èn 263
nhiÖt vµ nhiÖt dung riªng cña níc lín mét c¸ch dÞ thêng. Nã còng cã vai trß cho ®Æc tÝnh kÕt dÝnh vµ søc c¨ng bÒ mÆt lín cña níc mµ lµm cho nã cã thÓ “lµm ít” c¸c bÒ mÆt vµ chuyÓn ®éng qua c¸c vËt chÊt kh¸c nh chÊt r¾n vµ c¸c th©n c©y b»ng tÝnh mao dÉn. Nh÷ng tÝnh chÊt nµy gi¶i thÝch kh¶ n¨ng hoµ tan cña nhiÒu chÊt trong níc. C¸c nguyªn tö trong nhiÒu chÊt ®îc gi÷ víi nhau kh«ng ph¶i bëi c¸c liªn kÕt ho¸ trÞ m¹nh mµ bëi lùc hót tÜnh ®iÖn yÕu h¬n. Nh÷ng liªn kÕt nµy cã thÓ bÞ lµm yÕu h¬n bëi c¸c ph©n tö níc lìng cùc mµ cã t¸c ®éng ph¸ huû mét phÇn lùc hót tÜnh ®iÖn vµ lµm cho c¸c nguyªn tö ®ã cã thÓ chuyÓn dÞch riªng nh mét nguyªn tö tÝch ®iÖn riªng hoÆc c¸c nhãm ®îc gäi lµ c¸c ion- tÝch ®iÖn d¬ng lµ cation vµ c¸c anion tÝch ®iÖn ©m. Khi c¸c ion nµy ®îc bao quanh bëi c¸c ph©n tö níc vµ cã Ýt ¶nh hëng trùc tiÕp ®Õn nhau, chÊt ®ã ®îc gäi lµ ®îc hoµ tan (H×nh 8.1(c). ChÊt láng (trong trêng hîp nµy lµ níc) ®îc gäi lµ cã kh¶ n¨ng hoµ tan vµ chÊt r¾n bÞ hoµ tan ®îc gäi lµ chÊt hoµ tan. Hçn hîp cña chÊt chÊt cã kh¶ n¨ng hoµ tan vµ chÊt hoµ tan ®îc gäi lµ mét dung dÞch hoµ tan. Ch¬ng nµy tËp trung vµo c¸c dung dÞch hoµ tan do níc , trong ®ã níc lµ chÊt cã kh¶ n¨ng hoµ tan. HÇu hÕt c¸c hîp chÊt v« c¬ cã mÆt trong dung dÞch ph©n ly thµnh c¸c ion khi chóng hoµ tan trong níc, mÆc dï vËy cã thÓ cã mét sè ph¶n øng gi÷a c¸c ion tÝch ®iÖn ngîc dÊu nhau ®Ó h×nh thµnh c¸c ion phøc. C¸c hîp chÊt h÷u c¬ cã mÆt trong dung dÞch hoµ tan nh c¸c ph©n tö kh«ng thay ®æi (Hem, 1985). TÝnh chÊt hßa tan m¹nh mÏ cña níc lµ rÊt cÇn thiÕt cho sù sèng thùc vËt vµ ®éng vËt khi nã cung cÊp m«i trêng vËn chuyÓn c¸c chÊt ho¸ häc vµ c¸c chÊt dinh dìng. Theo c¶m nhËn ®ã nã cã thÓ ®îc xem lµ “tiªn dîc cña sù sèng” (Lamb, 1985). Tuy nhiªn, tÝnh chÊt hßa tan nµy còng ®ång thêi lµm c«ng viÖc vËn chuyÓn c¸c chÊt « nhiÔm cã h¹i vµ c¸c chÊt ®éc qua m«i trêng. 8.1.2. C¸c ®Æc trng chÊt lîng níc. Kh¸i niÖm vÒ “chÊt lîng níc” bao gåm sù xem xÐt vÒ nhiÒu nh©n tè kh¸c nhau. Th«ng thêng nh÷ng sù x¸c ®Þnh ®îc trÝch dÉn gåm cã c¸c ®Æc trng vËt lý nh mµu s¾c, nhiÖt ®é, vÞ vµ mïi, còng nh c¸c ®Æc trng ho¸ häc nh ®é axit, ®é cøng, vµ nång ®é c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau gåm cã nitrat, sulphat vµ oxy hoµ tan vµ c¸c chÊt nhiÔm nh©n t¹o gåm cã thuèc trõ s©u vµ thuèc diÖt cá. Kh«ng cã nh÷ng ®o ®¹c ®¬n thuÇn vÒ ®é tinh khiÕt cña níc, vµ thuËt ng÷ “chÊt lîng” chØ cã ý nghÜa khi liªn hÖ víi mét sè môc tiªu sö dông cña níc . V× vËy, nång ®é cña toµn bé chÊt hoµ tan trong níc th¶i cha xö lý lµ gièng nh nång ®é trong nhiÒu nguån cung cÊp níc ngÇm ®îc sö dông cho níc uèng- c¶ hai ®Òu lµ 99.9% níc tinh khiÕt (Tebbutt, 1977; Clesceri vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1989). Tuy nhiªn nã l¹i hoµn toµn kh¸c nhau nÕu xÐt trªn mét sè khÝa c¹nh c¸c. §ã lµ bªn ngoµi ph¹m vi cña ch¬ng nµy ®Ó gi¶i quyÕt chóng chi tiÕt, nhng mét sè giíi h¹n cña c¸c khÝa c¹nh sÏ ®îc ph¸c th¶o mµ lµ quan träng cho nh÷ng th¶o luËn trong nh÷ng môc sau trong ®ã sè liÖu vµ c¸c kÕt qu¶ tõ nh÷ng ph©n tÝch ®Çy ®ñ ®îc th¶o luËn. V× nhiÒu môc ®Ých nã kh«ng ph¶i lµ lîng tæng céng cña mét nguyªn tè riªng mµ cã thÓ lµ cña sù quan t©m nhng d¹ng ho¸ häc mµ trong ®ã nã cã mÆt. V× vËy, vÝ dô, nit¬ cã thÓ cã mÆt ë mét sè lo¹i, gåm cã nit¬ h÷u c¬, ammoni (NH3), nitrite (NO2) vµ nitrate (NO3), vµ nh÷ng lo¹i nµy cã thÓ cã nh÷ng ¶nh hëng rÊt kh¸c nhau ®Õn sù thÝch hîp cña níc cho nh÷ng môc ®Ých sö dông kh¸c nhau. Cã nhiÒu ph¬ng ph¸p ph©n tÝch ho¸ häc cã s½n ®Ó x¸c ®Þnh vµ ®o ®¹c c¸c nång 264
®é cña nhiÒu nguyªn tè vµ hîp chÊt trong níc. §¬n vÞ ®îc sö dông phæ biÕn nhÊt ®Ó biÓu thÞ nång ®é cña c¸c thµnh phÇn hoµ tan lµ b»ng träng lîng cña chÊt hoµ tan trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch níc, vÝ dô mg/l. Víi mét sè trêng hîp, träng lîng cña chÊt hoµ tan trªn mét ®¬n vÞ träng lîng dung dÞch hoµ tan cã thÓ ®îc sö dông, ®o ®¹c th«ng thêng nhÊt b»ng phÇn triÖu (p.p.m). Víi hÇu hÕt c¸c môc ®Ých thùc tÕ hai hÖ thèng cho c¸c con sè nh nhau; tuy nhiªn, víi níc bÞ kho¸ng ho¸ cao víi c¸c nång ®é chÊt hoµ tan lín h¬n 7000mg/l cÇn sö dông mét sù hiÖu chØnh mËt ®é ®Ó chuyÓn ®æi gi÷a hai sè. Víi sù tÝnh to¸n vÒ khèi lîng cña c¸c chÊt liªn quan trong c¸c ph¶n øng ho¸ häc c¸c nång ®é nµy cã thÓ®îc biÓu thÞ b»ng mol/l, trong ®ã mét mol cña mét chÊt b»ng träng lîng ph©n tö hay nguyªn tö cña nã tÝnh ra gam. Víi c¸c tÝnh to¸n nhiÖt ®éng häc, ®îc m« t¶ ë sau, ®é ho¹t ®éng ho¸ häc ®îc sö dông nhiÒu h¬n lµ nång ®é. Mét hÖ sè hiÖu chØnh, hay hÖ sè ho¹t ®éng thêng biÓu thÞ b»ng  i , ®îc ¸p dông cho c¸c gi¸ trÞ nång ®é ®Ó tÝnh ®Õn ®éng th¸i kh«ng lý tëng cña c¸c ions trong dung dÞch hoµ tan. Gi¸ trÞ cña nã lµ duy nhÊt cho c¸c ®iÒu kiÖn lý tëng; víi c¸c dung dÞch hoµ tan lo·ng (nhá h¬n 50 mg/l c¸c ion hoµ tan) hÖ sè nµy nãi chung lµ >0.95, gièng nh sai sè ®o ®¹c cña nång ®é, nhng víi c¸c nång ®é ion cao h¬n (vÝ dô 500 mg/l) víi mét ®iÖn tÝch hay ho¸ trÞ lín, nã cã thÓ thÊp b»ng 0.7 (Hem, 1985). Trong nhiÒu trêng hîp sÏ lµ h÷u Ých ®Ó biÓu thÞ c¸c lo¹i chÊt ho¸ häc b»ng ®¬ng lîng cña chóng. §©y lµ träng lîng ph©n tö cña ion ®îc hoµ tan trong níc, chia cho ®iÖn tÝch ion. C¸c nång ®é thêng ®îc biÓu thÞ trong c¸c ®¬n vÞ cña mili ®¬ng lîng trªn lÝt (meq/l) hay b»ng mg/l. B¶ng 8.1 Tªn vµ c«ng thøc hãa häc cña mét sè chÊt hãa häc, hãa trÞ cña chóng, träng lîng ph©n tö vµ nång ®é cña chóng trong mét lÝt (dùa theo tµi liÖu cña Hem, 1985) Tªn Nång ®é ChÊt Träng hãa häc lîng (mg/l) (aprox) 3+ Al 26,9 8,994 Nh«m NH4+ 18,0 18,037 Amoniax Ca 2+ 40,1 20,040 Canxi HCO3- 61,0 61,013 Hydro cacbonat CO32- 60,0 30,003 Oxit cacbon Cl- 35,4 35,448 Clo H+ 1,0 1,008 Hydro OH - 17,0 7,007 Hydroxit Fe2+ 55,8 27,925 Ion s¾t Fe3+ 55,8 18,615 Mg2+ 24,3 12,152 Magiª N O3 - 62,0 61,996 Nitrat N O2 46,0 45,995 Nitrit PO43- 95,0 31,656 Phosphat HPO42- 96,0 47,985 Orthoposphat K+ 39,0 39,093 265
Kali SiO2 60,0 - Na + Oxit silic 23,0 22,988 SO42- Natri 96,0 48,031 Sulphat B¶ng 8.1 ®a ra c«ng thøc ho¸ häc cña nhiÒu ion phæ biÕn trong dung dÞch hoµ tan, mµ sÏ ®îc th¶o luËn trong ch¬ng nµy, vµ c¸c hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a c¸c ph¬ng ph¸p kh¸c nhau biÓu diÔn nång ®é. Trong bÊt kú dung dÞch hoµ tan nµo sè tæng céng cña c¸c ®iÖn tÝch d¬ng vµ ©m ph¶i b»ng nhau ®Ó duy tr× trung hoµ vÒ ®iÖn, tøc lµ tæng meq/l c¸c cation ph¶i b»ng tæng meq/l cña c¸c anion. §ßi hái vÒ trung hoµ ®iÖn nµy th× cã Ých cho viÖc kiÓm tra tÝnh chÝnh x¸c cña sù x¸c ®Þnh c¸c nång ®é ion vµ cho viÖc ®¶m b¶o r»ng tÊt c¶ c¸c lo¹i ion chÝnh trong mét dung dÞch hoµ tan ®· ®îc tÝnh. Tuy nhiªn, mét sè ion nh silica (SiO2), kh«ng cã ®iÖn tÝch, vµ do ®ã mét ®¬ng lîng kh«ng thÓ ®îc tÝnh. Mét yÕu tè chÊt lîng níc cã tÇm quan träng lín, do cã ¶nh hëng ®Õn nhiÒu ph¶n øng ho¸ häc, ®ã lµ tÝnh axit cña níc (Drever, 1988). Dï cã hay kh«ng cã c¸c chÊt hoµ tan trong níc, mét sè c¸c ph©n tö níc sÏ ph©n ly thµnh c¸c ion hydrogen (H+) vµ hydroxyl (OH-). V× c¸c nång ®é kÕt qu¶ cña ion H+ lµ rÊt nhá, chóng ®îc biÓu thÞ díi d¹ng lµ pH, hay –log10 cña ®é axit ion H+, tøc lµ: 1 (8.1) pH  log 10 H C¸c dÊu ngoÆc vu«ng biÓu thÞ ®é axit ë mol/l. C¸c gi¸ trÞ cña pH nhá h¬n 7 (10-7 mol/l ion H+) ®îc gäi lµ axit, trong khi gi¸ trÞ ®ã lín h¬n 7 ®îc gäi lµ kiÒm. pH b»ng 7 ë 250C ®îc gäi lµ trung tÝnh nh÷ng khi ®éng th¸i ion hydrogen phô thuéc vµo nhiÖt ®é, gi¸ trÞ nµy gi¶m mét chót cïng víi sù t¨ng nhiÖt ®é. Níc mµ kh«ng bÞ ¶nh hëng bëi sù « nhiÔm nãi chung lµ cã c¸c gi¸ trÞ pH ë gi÷a 6 vµ 8.5 (Hem, 1985). ë ®©y cã thÓ cã mét sù thay ®æi nhá nhng cÇn nhí r»ng v× pH cã mét tû lÖ logarit, mét thay ®æi b»ng mét ®¬n vÞ t¬ng øng víi mét thay ®æi gÊp 10 lÇn trong nång ®é ion H+. ThuËt ng÷ “®é axit” ®îc ¸p dông cho c¸c dung dÞch hoµ tan tõ níc còng cã thÓ ®îc ®Þnh nghÜa b»ng kh¶ n¨ng ph¶n øng víi c¸c ion OH-, vµ cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh b»ng sù chuÈn ®é víi mét alkali (Stumm vµ Morgan, 1996). Nã lµ mét hµm cña mét sè lo¹i chÊt hoµ tan (vÝ dô. s¾t) vµ kh«ng liªn hÖ ®¬n gi¶n víi nång ®é H+. Ngîc l¹i, “®é kiÒm” cña níc (tøc lµ kh¶ n¨ng ph¶n øng víi c¸c ion H+) cã thÓ thêng ®îc sö dông víi nång ®é cña c¸c ion CO32 vµ HCO3 (Hem, 1985). “Søc m¹nh” cña mét axit biÓu thÞ ph¹m vi mµ tíi ®ã nã ph©n ly trong dung dÞch hoµ tan. §Ó hiÓu c¸c qu¸ tr×nh ho¸ häc trong níc tù nhiªn mµ cã ¶nh hëng ®Õn thµnh phÇn cña níc vµ x¸c ®Þnh ®Þnh lîng vÒ chóng cÇn ¸p dông nh÷ng kh¸i niÖm c¨n b¶n nhÊt ®Þnh, mµ trong ®ã mét sè h÷u Ých nhÊt lµ c¸c nguyªn lý vÒ nhiÖt ®éng lùc ho¸ häc. 8.2. C¸c qu¸ tr×nh quy ®Þnh thµnh phÇn ho¸ häc cña níc C¸c qu¸ tr×nh ho¸ häc trong níc tù nhiªn chñ yÕu liªn quan tíi c¸c ph¶n øng trong viÖc pha lo·ng t¬ng ®èi c¸c dung dÞch chÊt hoµ tan tõ níc; nh÷ng qu¸ tr×nh nµy thêng lµ nh÷ng hÖ thèng kh«ng thuÇn nhÊt gåm cã mét pha láng cïng víi mét 266
hoÆc c¶ hai pha r¾n vµ khÝ. Do tÝnh rÊt phøc t¹p cña c¸c hÖ thèng níc tù nhiªn ngêi ta thêng sö dông c¸c m« h×nh ®îc ®¬n gi¶n ho¸ ®Ó minh ho¹ c¸c nh©n tè quy ®Þnh chÝnh kiÓm so¸t thµnh phÇn ho¸ häc cña níc tù nhiªn. NhiÒu ph¶n øng lµ thuËn nghÞch, cã thÓ chuyÓn dÞch theo c¶ hai chiÒu, vµ trong thùc tÕ mét c©n b»ng ®éng sÏ ®îc thiÕt lËp gi÷a hai ph¶n øng ngîc nhau. §éng th¸i cña nh÷ng ph¶n øng thuËn nghÞch nh vËy cã thÓ ®îc nghiªn cøu sö dông c¸c nguyªn lý cña nhiÖt ®éng häc ho¸ häc. §iÒu nµy lµm cho híng cã kh¶ n¨ng cña mét ph¶n øng qua thêi gian cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh vµ nång ®é c¸c chÊt hoµ tan cuèi cïng c©n b»ng trong níc ®îc dù ®o¸n tríc (Sposito, 1981; Stumm vµ Morgan, 1996). Nh÷ng s¶n phÈm cuèi cïng cña mét ph¶n øng bÊt thuËn nghÞch sÏ ®îc x¸c ®Þnh b»ng lîng c¸c chÊt ph¶n øng hiÖn cã. Dung dÞch hoµ tan cña khÝ CO2 trong níc lµ mét ph¶n øng thuËn nghÞch t¹o ra axit carbonic (H2CO3), vµ còng cã thÓ h×nh thµnh c¸c ion HCO3- vµ CO32-: CO2 thÓ khÝ   H 2 O  H 2 CO3 (aq) (8.2) c HCO3  H  (8.3) c CO32  2 H  (8.4) C¸c bíc thø hai vµ thø ba t¹o ra c¸c ion hydrogen (H-) vµ sÏ thay ®æi pH cña dung dÞch. Nh÷ng phÇn ®êng sau ®Ó trong ngoÆc ®¬n trong ch¬ng nµy ¸m chØ tr¹ng th¸i vËt lý cña chÊt: g = thÓ khÝ, aq = h×nh th¸i níc cã mÆt trong dung dÞch nh ®îc viÕt ë trªn vµ c = thÓ r¾n kÕt tinh. T¬ng tù, mét chÊt r¾n cã thÓ hoµ tan trong níc; mét vÝ dô ë ®©y lµ calcite (CaCO3) cã mÆt trong nhiÒu ®¸ carbonate: CaCO3 (c)  H   HCO3  Ca 2 (8.5) Tuú thuéc vµo pH cña níc cã thÓ cã c¸c t¬ng t¸c hÖ qu¶ gi÷a c¸c lo¹i carbonate ®îc hoµ tan, nghÜa lµ: HCO3  CO32  H  (8.6) hay HCO3  H   H 2 CO3 (8.7) H»ng sè c©n b»ng (K) cña ph¶n øng thuËn nghÞch cã mét gi¸ trÞ kh«ng ®æi cho mét sù kÕt hîp nhÊt ®Þnh cña c¸c chÊt ph¶n øng vµ c¸c s¶n phÈm ë mét nhiÖt ®é cho tríc. Nh÷ng gi¸ trÞ nhËn ®îc theo kinh nghiÖm ë nhiÖt ®é chuÈn (thêng lµ 25 0C) th× s½n cã trong c¸c tµi liÖu ho¸ häc. Thay v× ®ã, h»ng sè c©n b»ng cña mét ph¶n øng cã thÓ ®îc tÝnh tõ n¨ng lîng tù do Gibbs (Drever, 1988), sö dông c¸c gi¸ trÞ ®· c«ng bè (vÝ dô Woods vµ Garrels, 1987). Dung dÞch hoµ tan cña CaCO3 trong níc cã thÓ ®îc sö dông ®Ó minh ho¹ viÖc sö dông nh÷ng nguyªn lý nµy ®Ó ®a ra c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng cuèi cïng cña mét tËp hîp c¸c chÊt ph¶n øng. H»ng sè c©n b»ng ®îc tÝnh tõ tû sè cña tÝnh ho¹t ®éng cña c¸c chÊt h×nh thµnh chia cho tÝnh ho¹t ®éng cña c¸c chÊt ph¶n øng, tøc lµ víi ph¶n øng ®îc cho trong ph¬ng tr×nh (8.5), 267
Ca HCO  2  3 (8.8) K CaCO (c)H   3 Trong ®ã gi¸ trÞ K cho ph¶n øng nµy ®· ®îc c«ng bè b»ng 81(Jacobson vµ Langmuir, 1974). TÝnh ho¹t ®éng cña mét chÊt r¾n (ë ®©y lµ CaCO3) ®îc lÊy lµ b»ng 1, v× thÕ ph¬ng tr×nh trë thµnh Ca HCO  2  3 (8.9) 81  H   Do ®ã, nh÷ng ®o ®¹c cña pH, nhiÖt ®é dung dÞch vµ nång ®é calcium (Ca) vµ bicarbonate (HCO3-) cho tríc cã thÓ nãi lµ liÖu hÖ thèng cã c©n b»ng hay kh«ng. NÕu th¬ng sè lµ nhá h¬n h»ng sè c©n b»ng, K, níc cã thÓ hoµ tan thªm calcite (gi¶ sö chÊt r¾n nµy lµ cã mÆt); nÕu nã b»ng K níc lµ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (c¸c nång ®é sÏ kh«ng thay ®æi trõ khi c¸c ¶nh hëng bªn ngoµi thay ®æi, vÝ dô nh thay ®æi nhiÖt ®é); hoÆc nÕu nã lín h¬n K dung dÞch lµ qu¸ b·o hoµ vµ sÏ kÕt tña calcite. Thùc tÕ lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng cuèi cïng phô thuéc vµo lîng c¸c chÊt tham gia ph¶n øng vµ c¸c s¶n phÈm ®îc xem nh quy luËt vÒ t¸c ®éng khèi lîng (Schnoor, 1996). Nã kh«ng cung cÊp th«ng tin ®Þnh lîng vÒ tèc ®é cña mét ph¶n øng, mÆc dï nãi chung nã lµ ph¶n øng cµng c©n b»ng cµng x¶y ra nhanh h¬n . Víi mét ho¸ chÊt ë thÓ khÝ ¸p suÊt riªng phÇn ®îc sö dông trong nh÷ng tÝnh to¸n nh vËy. §©y lµ phÇn (tÝnh b»ng thÓ tÝch) cña khÝ riªng ®ã, nh©n víi ¸p suÊt tæng céng (®îc ®o trong khÝ quyÓn). C¸c ph¶n øng phøc t¹p h¬n cã thÓ ®îc gi¶i quyÕt b»ng viÖc kÕt hîp mét vµi ph¬ng tr×nh c©n b»ng; vÝ dô sù hoµ tan cña CO2 trong níc t¹o ra c¸c ion H+ vµ HCO3-, lµ mét chÊt ph¶n øng vµ mét s¶n phÈm t¬ng øng cña sù hoµ tan calcite. Thªm c¸c ph¬ng tr×nh cho hai ph¶n øng nµy (Drever, 1988) lµm cho tÝnh hoµ tan cña calcite cã thÓ ®îc biÓu thÞ nh mét hµm cña ¸p suÊt riªng phÇn cña CO2 (H×nh 8.2). Trong thùc tÕ cã nhiÒu sù h¹n chÕ ®èi víi viÖc ¸p dông c¸c c«ng côs nhiÖt ®éng lùc trong c¸c trêng hîp thùc v×, bªn ngoµi phßng thÝ nghiÖm ho¸ häc, cßn cã nh÷ng trao ®æi n¨ng lîng vµ c¸c chÊt ph¶n øng víi m«i trêng xung quanh vµ v× thÕ c©n b»ng kh«ng ®¹t ®îc. Ph¹m vi mµ tíi ®ã c¸c hÖ thèng níc tù nhiªn lµ c©n b»ng ho¸ häc cha ®îc biÕt nhiÒu. Nã cã kh¶ n¨ng ®¹t ®îc h¬n ë trong c¸c hÖ thèng níc ngÇm, n¬i mµ tèc ®é chuyÓn ®éng lµ t¬ng ®èi chËm vµ thêi gian c tró lµ dµi, so víi c¸c dßng ch¶y s¸t mÆt nhanh. Tuy vËy, c¸c nguyªn lý nµy ®· gióp Ých rÊt nhiÒu cho viÖc chØ ra híng vµ ph¹m vi lín nhÊt cña c¸c ph¶n øng vµ ®îc ¸p dông mét c¸ch réng r·i. NhiÖt ®éng lùc ®· ®îc xem lµ “mét trong nh÷ng c«ng cô h÷u Ých nhÊt trong lÜnh vùc hãa lý” (Alberty, 1987). Cã s½n mét sè ch¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®Ó lµm cho viÖc tÝnh to¸n c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng trë nªn thuËn lîi h¬n (Nordstrum vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1979; Truesdell vµ Jones, 1974). 268
H×nh 8.2. Dung dÞch CaCO3 ë trong níc t¹i 25oC víi c¸c ¸p suÊt kh«ng khÝ kh¸c nhau cña CO2 Tèc ®é c¸c ph¶n øng ho¸ häc kh¸c nhau còng rÊt kh¸c nhau: mét sè c¸c ph¶n øng nhanh ®Õn møc mµ c©n b»ng cã thÓ ®¹t ®îc gÇn nh ngay lËp tøc, trong khi c¸c ph¶n øng kh¸c l¹i rÊt chËm ®Õn møc mµ mét c©n b»ng kh«ng thÓ ®¹t ®îc tríc nh÷ng thay ®æi ®iÒu kiÖn m«i trêng. Trong khi nhiÖt ®éng häc gi¶i quyÕt c¸c tr¹ng th¸i c©n b»ng, ®éng lùc häc ho¸ häc l¹i quan t©m ®Õn c¬ chÕ vµ tèc ®é cña ho¹t ®éng cña nh÷ng biÕn ®æi ho¸ häc vµ c¸c nh©n tè quy ®Þnh tèc ®é ph¶n øng (Stone vµ Morgan, 1990; Schnoor, 1996). Víi mét ph¶n øng thuËn nghÞch tû sè tèc ®é ph¶n øng thuËn vµ ph¶n øng nghÞch lµ b»ng h»ng sè c©n b»ng. NhiÒu ph¶n øng thuËn nghÞch liªn quan ®Õn mét chuçi c¸c bíc trung gian, mét sè nhanh, mét sè chËm. §éng lùc häc cã thÓ x¸c ®Þnh biÕn ®æi chËm nhÊt hay giíi h¹n mµ x¸c ®Þnh tèc ®é chung cña ph¶n øng ®ã (Drever, 1988; Stumm vµ Morgan, 1996). V× vËy ®éng lùc häc lµ mét khoa häc c¬ b¶n h¬n nhiÖt ®éng häc, nhng do nh÷ng tÝnh rÊt phøc t¹p nã ®îc hiÓu biÕt Ýt h¬n nhiÒu, vµ c¸c nguyªn lý nhiÖt ®éng häc ®îc sö dông phæ biÕn h¬n. Bªn c¹nh nh÷ng sù xem xÐt ho¸ häc nµy vÒ nhiÖt ®éng häc vµ ®éng lùc häc cña c¸c ph¶n øng, thuû v¨n ®ãng mét vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh thµnh phÇn chÊt hoµ tan vµ c¸c nång ®é. Ngoµi tuyÕt vµ b¨ng, vµ víi sù lo¹i trõ cña mét sè hÖ thèng níc ngÇm tÇng s©u, níc nãi chung lµ chuyÓn ®éng liªn tôc. VËn tèc cña nã, vµ v× vËy thêi gian c tró cña nã, sÏ ¶nh hëng m¹nh mÏ cho dï níc ®ã cã c©n b»ng ho¸ häc hay kh«ng cho mét ph¶n øng riªng. NhiÒu ph¶n øng lµ sù khuyÕch t¸n quy ®Þnh (Alberty, 1987), tøc lµ c¸c h»ng sè tèc ®é cña chóng bÞ kiÓm so¸t bëi tèc ®é vËt lý mµ t¹i ®ã c¸c chÊt tham gia ph¶n øng cã thÓ khuyÕch t¸n víi nhau, h¬n lµ bëi tèc ®é cña ph¶n øng ho¸ häc t¹i ®iÓm ®ã. H¬n n÷a, ®Æc tÝnh ®éng lùc häc cña dßng ch¶y, ®Æc biÖt lµ trong ®íi thæ nhìng, cã ý nghÜa lµ trong c¸c thêi kú gi÷a c¸c trËn ma nång ®é chÊt hoµ tan trong níc lç hæng cã thÓ t¨ng khi kho¸ng chÊt ®îc hoµ tan, nhng sau ®ã bÞ pha lo·ng ®i bëi níc míi trong trËn ma kÕ tiÕp. V× vËy tÇn suÊt pha lo·ng vµ thêi kú gi÷a c¸c trËn ma cã thÓ lµ c¸c tham sè quan träng. C¸c môc kÕ tiÕp cña ch¬ng nµy lÇn lît ®Ò cËp tíi c¸c khÝa c¹nh riªng cña chÊt lîng níc g¾n liÒn víi c¸c thµnh phÇn cña chu tr×nh thñy v¨n. Nh÷ng th¶o 269
luËn nµy b¾t ®Çu víi thµnh phÇn cña gi¸ng thuû vµ sau ®ã lµ ®éng th¸i vµ nh÷ng thay ®æi chÊt lîng níc nh níc qua ®Êt vµ níc ngÇm, víi hçn hîp c¸c chÊt ho¸ häc ®îc t×m thÊy trong c¸c s«ng vµ hå. C¶ hai nguån tù nhiªn vµ nh©n t¹o ®Òu ®îc xem xÐt, khi ®ã thêng lµ khã kh¨n hoÆc kh«ng thÓ t¸ch riªng biÖt. Cuèi cïng lµ th¶o luËn vÒ mèi liªn hÖ gi÷a chÊt lîng níc vµ c¸c ®Æc trng cña khu vùc hay lu vùc. 8.3. C¸c chÊt hoµ tan khÝ quyÓn T¹i thêi ®iÓm mµ mét giät níc ®îc h×nh thµnh trong khÝ quyÓn níc lµ rÊt tinh khiÕt, nhng tÝnh chÊt ho¸ häc cña nã sÏ biÕn ®æi nhanh chãng do c¸c ®iÒu kiÖn c¶ bªn trong ®¸m m©y vµ trong khÝ quyÓn gi÷a tÇng m©y vµ bÒ mÆt tr¸i ®Êt. VËt chÊt h¹t cã thÓ ®ãng vai trß lµ c¸c h¹t nh©n cho sù h×nh thµnh giät ma (Môc 2.1), nã x¸c ®Þnh thµnh phÇn ho¸ häc ban ®Çu cña níc, vµ khi gi¸ng thuû chuyÓn ®éng qua khÝ quyÓn nã sÏ tÝch luü thªm c¸c h¹t n÷a bëi sù l«i kÐo vµ nhiÒu khÝ kh¸c nhau trong khÝ quyÓn sÏ hoµ tan trong c¸c giät níc. C¸c h¹t nh©n trong khÝ quyÓn b¾t nguån tõ nhiÒu nguån kh¸c nhau gåm cã tro tõ c¸c nói löa vµ c¸c nhµ m¸y n¨ng lîng vµ bôi bÞ giã cuèn lªn. Mét trong nh÷ng t¸c nh©n quan träng trong viÖc h×nh thµnh m©y ngng tô lµ c¸c son khÝ. Chóng lµ nh÷ng h¹t rÊt nhá (nhá h¬n 1 m ) mµ cã thÓ lµ vËt chÊt láng hay r¾n,cã nguån gèc tõ ®Êt hay biÓn, hay tõ c¸c ph¶n øng ho¸ häc trong khÝ quyÓn. Sù lo¹i bá cña c¸c khÝ vµ h¹t lµ mét qu¸ tr×nh rÊt phøc t¹p, ®îc th¶o luËn chi tiÕt ë c¸c cuèn s¸ch kh¸c (vÝ dô Fowler, 1984). Tuy nhiªn chó ý r»ng viÖc “lau chïi” tù nhiªn cña khÝ quyÓn bëi gi¸ng thuû lµ mét thµnh phÇn chÝnh cã ý nghÜa mµ bëi ®ã kh«ng khÝ ®îc lµm s¹ch c¸c vËt chÊt mµ mÆt kh¸c cã thÓ tÝch tô tíi nh÷ng nång ®é nguy hiÓm (Lamb, 1985). Sù lo¹i bá cña c¸c h¹t nh©n tõ khÝ quyÓn bëi ma lín hay tuyÕt r¬i thêng dÉn tíi t¨ng tíi mét thêi kú cña nhiÒu tÝnh tr«ng thÊy ®îc ®îc c¶i thiÖn nhiÒu. C¸c ®¹i d¬ng chiÕm kho¶ng 70% bÒ mÆt cña tr¸i ®Êt, vµ muèi biÓn lµ nguån chÝnh cña vËt chÊt hoµ tan trong gi¸ng thuû. C¸c giät níc biÓn bÞ l«i cuèn trong khÝ quyÓn khi c¸c sãng ph¸ huû vµ ®îc mang lªn phÝa trªn bëi sù rèi ®éng, ®îc tËp trung t¨ng dÇn nh h¬i níc cña chóng. §iÒu nµy cã thÓ tiÕp tôc chØ tíi khi mét h¹t r¾n bÞ ®Ó l¹i, mang theo trong giã cho tíi khi nã ®îc hoµ tan trong ma. Sù cung cÊp cña muèi biÓn cho khÝ quyÓn thay ®æi theo c¸c ®iÒu kiÖn khÝ tîng vµ tr¹ng th¸i cña mÆt níc. VÝ dô, Skartveit (1982) ®· t×m ra mét liªn hÖ mËt thiÕt gi÷a nång ®é muèi biÓn trong gi¸ng thuû cña mét vïng ven biÓn vµ tèc ®é giã qua biÓn. Mét sè nghiªn cøu ®· vÏ b¶n ®å c¸c nång ®é cña c¸c nguyªn tè ®îc hoµ tan trong gi¸ng thuû (Hingston vµ Gailitis, 1976; Munger vµ Eisenreich, 1983) vµ ®· minh chøng mét sù gi¶m theo kho¶ng c¸ch vµo trong ®Êt liÒn tõ bê biÓn trong c¸c nguyªn tè nµy, gåm cã Na+, Cl-, Mg2+ vµ K+, mµ ®îc lÊy tõ c¸c nguån biÓn (H×nh 8.3(a)). 270
H×nh 8.3a Gi¸ trÞ nång ®é Cl (M eq/l) ë trong níc ma ë Anh. Tµi liÖu n¨m 1986; Ngîc l¹i, c¸c chÊt hoµ tan trong gi¸ng thuû r¬i xuèng c¸c vïng trong ®Êt liÒn ®îc lÊy chñ yÕu tõ c¸c nguån lôc ®Þa, vµ gåm cã Ca2+, NH4+, SO42-, HCO3- vµ NO3- (Cryer, 1986). Nh÷ng ion nµy gåm nh÷ng chÊt tõ c¸c nguån tù nhiªn nh c¸c khÝ tõ c¸c thùc vËt vµ ®Êt vµ bôi bÞ giã cuèn ®i vµ, thªm vµo ®ã, c¸c oxit cña sulphur vµ nitrogen ®îc t¹o ra bëi viÖc ®èt ch¸y c¸c nguyªn liÖu ho¸ th¹ch vµ tõ sù tho¸t ra tõ c«ng nghiÖp vµ c¸c ph¬ng tiÖn giao th«ng. Nh mét hÖ qu¶ cña sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c chÊt hoµ tan lôc ®Þa vµ ®¹i d¬ng, cã nh÷ng sù kh¸c biÖt trong lîng t¬ng ®èi cña c¸c ion, vÝ dô tû sè ion Na+/Cl- t¨ng cïng víi kho¶ng c¸ch tõ ®¹i d¬ng do sù n©ng cao Na tõ c¸c nguån lôc ®Þa, vÝ dô nh bôi (H×nh 8.3(b)). Tû lÖ cña c¸c nång ®é Na/Cl (mg/l) trong níc biÓn lµ kho¶ng 0.56 (hay kho¶ng 0.85 sö dông ®¬n vÞ ®¬ng lîng). C¸c nång ®é t¬ng ®èi cña c¸c ion b¾t nguån tõ ®¹i d¬ng kh¸c nhau trong gi¸ng thuû kh«ng nhÊt thiÕt gièng nh trong níc biÓn do mét sè qu¸ tr×nh g©y nªn sù ph©n ®o¹n vµ sù lµm giµu thªm. C¸c chÊt nhÊt ®Þnh trong biÓn, ch¼ng h¹n nh ièt, bÞ hót tíi c¸c líp vi m« h÷u c¬ trªn bÒ mÆt ®¹i d¬ng vµ sau ®ã bÞ mÊt m¸t theo c¸c tû lÖ lín h¬n tíi khÝ quyÓn. ViÖc t¨ng c¸c bät khÝ cã xu híng gi÷ l¹i c¸c ion víi c¸c tû lÖ ®iÖn tÝch/khèi lîng lín h¬n, ®Èy chóng vµo trong khÝ quyÓn trªn sù vì tung ë trªn mÆt. Sodium, chloride vµ sulphate, ngîc l¹i, xuÊt hiÖn tù nhiªn trong c¸c phÇn t¬ng tù trong gi¸ng thuû nh ë trong c¸c ®¹i d¬ng, mÆc dï nång ®é nhá h¬n so víi trong níc biÓn bëi Ýt nhÊt mét hÖ sè b»ng 1000. Tû sè cña Cl- trªn SO42- trong 271
ma r¬i cã thÓ ®îc so s¸nh víi trong c¸c ®¹i d¬ng ®Ó x¸c ®Þnh ®Çu vµo “vît qu¸” cña sulphate tíi khÝ quyÓn (tøc lµ trªn tû lÖ tõ c¸c nguån ®¹i d¬ng tù nhiªn), gi¶ sö r»ng tÊt c¶ Cl- trong mét mÉu níc ma lµ cã nguån gèc tõ biÓn. H×nh 8.3b Tû sè Na/Cl (mg/l) ë trong níc ma ë Hoa Kú th¸ng 6/1955 ®Õn th¸ng 7/1956 (tµi liÖu khÝ tîng n¨m 1958). B¶ng 8.2 biÓu thÞ sè liÖu, ®îc Meybeck thu thËp (1983) tõ c¸c nguån kh¸c nhau, ®Ó so s¸nh tÝnh chÊt ho¸ häc cña níc ®¹i d¬ng víi gi¸ng thñy díi c¸c t¸c ®éng kh¸c nhau. Nång ®é c¸c ion (®¬n vÞ ®¬ng lîng) ®îc so s¸nh víi nång ®é cña Cl- nh lµ nguyªn tè tham kh¶o. Trong khi cã sù lµm giµu cña mét sè lo¹i trong gi¸ng thuû ®¹i d¬ng, nh÷ng thay ®æi chñ yÕu lµ b»ng chøng cho nh÷ng vÞ trÝ trong ®Êt liÒn (>100 km tõ bê biÓn). VÝ dô, c¸c vïng ®¸ v«i cña tríc d·y Alper ë Ph¸p cung cÊp Ca 2+ vµ Mg2+, vµ bôi ®Êt trong c¸c vïng hoang m¹c cung cÊp c¸c ion nh Ca2+ vµ SO42-. ThÞ trÊn c«ng nghiÖp cña Rouen thÓ hiÖn ¶nh hëng cña sù « nhiÔm, gåm cã khÝ SO2, dÉn tíi c¸c møc ®é SO42- trong ma rÊt cao. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y sù quan t©m ®¸ng kÓ®· xuÊt hiÖn vÒ nh÷ng ¶nh hëng cã thÓ cña sè lîng lín c¸c chÊt « nhiÔm ®îc th¶i vµo trong khÝ quyÓn bëi c¸c ho¹t ®éng con ngêi. Nh÷ng vËt chÊt nguån gèc con ngêi gåm c¶ c¸c h¹t vµ c¸c khÝ, vµ trong khi nhiÒu thµnh phÇn cã mÆt mét c¸ch tù nhiªn thËm chÝ trong khÝ quyÓn “kh«ng bÞ « nhiÔm”, mét sè c¸c chÊt cã thÓ lµ cã h¹i nÕu cã mÆt víi nång ®é ®ñ cao. Nh÷ng lîng ®¸ng kÓ cña sù « nhiÔm trong gi¸ng thuû b¾t ®Çu xuÊt hiÖn trong thÕ kû 19 trong thêi kú Bïng Næ C«ng NghiÖp. C¸c líp ®Êt than bïn gÇn c¸c vïng c«ng nghiÖp ë miÒn b¾c níc Anh chøa nh÷ng sù tÝch tô tr¶i réng cña muéi vµ c¸c kim lo¹i nÆng bªn trong c¸c líp ®îc h×nh thµnh tõ hai tr¨m n¨m tríc. Sù « nhiÔm nµy vµ c¸c khÝ ®i cïng (mµ kh«ng ®îc gi÷ trong ghi nhËn than bïn) ®îc xem lµ chÞu tr¸ch nhiÖm cho nh÷ng thay ®æi chÝnh trong c¸c loµi thùc vËt tù nhiªn ë thêi ®iÓm ®ã trªn nh÷ng vïng réng lín cña cao nguyªn Pennine ë Anh (Ferguson vµ Lee, 1983). Kh«ng cã g× lµ ng¹c nhiªn, quan t©m ban ®Çu vÒ sù « nhiÔm khÝ quyÓn ®îc tËp trung vµo c¸c sù l¾ng ®äng tr«ng thÊy râ rµng cña c¸c h¹t, h¬n lµ c¸c vËt chÊt hoµ tan trong gi¸ng thuû, dÉn nhiÒu ®Êt níc tíi viÖc h×nh thµnh LuËt nh»m gi¶m bít khãi ch¼ng h¹n nh C¸c ®¹o luËt Kh«ng khÝ S¹ch. Tuy nhiªn, rÊt l©u tríc ®©y vµo gi÷a 272
thÕ kû 19, Smith (1852) ®· kh¸m ph¸ ra r»ng nh÷ng nång ®é cao h¬n cña axit sulphuric ®îc t×m thÊy trong gi¸ng thuû ë gÇn khu c«ng nghiÖp cña Manchester ë miÒn b¾c níc Anh. ThuËt ng÷ ma axit cã lÏ ®· ®îc sö dông lÇn ®Çu tiªn vµo thËp niªn 1870 (Smith, 1872). Tríc ®ã trong thËp niªn 1850 Gorham (1958a, 1958b) ®· ®a ra b»ng chøng vÒ nh÷ng liªn kÕt gi÷a sù « nhiÔm khÝ quyÓn vµ ®é axit cña gi¸ng thuû vµ níc trªn mÆt trong c¸c ao hå nhá; tuy nhiªn ý nghÜa cña viÖc nµy ®· kh«ng ®îc nhËn ra bëi nh÷ng chuyªn gia kh¸c ë thêi ®iÓm ®ã. B¶ng 8.2 So s¸nh cÊu t¹o hãa häc cña níc ®¹i d¬ng vµ níc ma theo tØ lÖ cña nång ®é c¸c ion kh¸c nhau so víi Ca2+ Mg2+ Na+ K+ SO22- Cl Ma (mg/l) (mm/n¨m) a. ThÕ giíi Níc ®¹i d¬ng 0,037 0,19 0,85 0,018 0,10 19300 - Ma ®¹i ®¬ng 1,160 0,24 0,86 0,021 0,30 4,0 - b. Nh÷ng vÞ trÝ néi ®Þa Ph¸p - tríc d·y Alps 7,4 0,95 1,15 0,90 4,90 0,6 1380 Arit vµ trung t©m 1,1 0,24 0,80 - 0,68 39,0 150 Asia Vïng Wontario 2,2 0,94 0,83 0,33 3,0 0,36 790 Vïng trung t©m 0,16 0,17 0,90 0,07 0,74 0,49 2250 Amazon c. NhiÔm bÈn nÆng Vïng Rouven, B¾c - - 0,74 0,13 13,7 5,0 450 níc Ph¸p §iÒu ®ã vÉn kh«ng ®îc nhËn ra cho tíi cuèi thËp niªn 1960 khi mét liªn hÖ trùc tiÕp gi÷a “ma axit” vµ ph¸ huû m«i trêng lÇn ®Çu tiªn ®îc x¸c ®Þnh bëi OdÐn, ngêi ®· chØ ra viÖc gi¶m sè lîng c¸ ë Scandinavia lµ mét hÖ qu¶ cña sù axit ho¸ cña c¸c hå vµ s«ng níc ngät (Havas, 1986). V× sù axit ho¸ thêi gian ®ã cña níc ngät ®· ®îc thÊy ë c¸c n¬i kh¸c trªn thÕ giíi, ®Æc biÖt lµ ë ch©u ¢u vµ ë miÒn ®«ng B¾c Mü (Rhode, 1989), vµ ngêi ta ®· nhËn thÊy ¶nh hëng tíi c¸c rõng, vïng canh t¸c vµ ®Êt (Cresser vµ Edwards, 1987; Innes, 1987). Sù l¾ng ®äng axit tù nhiªn, vÝ dô tõ c¸c khÝ nói löa, lµ cã tÇm quan träng thø yÕu trong sù so s¸nh víi c¸c nguån tõ con ngêi. C¸c chÊt « nhiÔm khÝ quyÓn trong c¸c b«ng tuyÕt ®îc gi¶i phãng tõ viÖc tan ch¶y, nhng do sù lµm giµu cña c¸c chÊt hoµ tan trong níc tan ch¶y ®Çu tiªn (sù ph©n ®o¹n) tÝnh khèc liÖt cña ®é axit cña níc tuyÕt tan ®Çu tiªn ®îc t¨ng cêng (Brimblecome vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1985). Nh÷ng lîng axit sulphuric kho¶ng 60-70% ®é axit trung b×nh hµng n¨m cña gi¸ng thuû ë t©y b¾c ch©u ¢u vµ B¾c Mü, vµ hÇu hÕt phÇn cßn l¹i ®ã lµ do axit nitric (Fowler vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1982; Seip vµ Tollan, 1985). C¸c chÊt « nhiÔm ho¸ häc c¬ b¶n lµ sulphur dioxide (SO2) vµ nitrogen oxides NO vµ NO2 (thêng viÕt trung lµ NOx) mµ ®îc t¹o ra bëi viÖc ®èt ch¸y cña c¸c nguyªn liÖu ho¸ th¹ch. Nh÷ng sù oxy ho¸ ®· tr¶i qua trong khÝ quyÓn, tíi axit sulphuric (H2SO4) vµ axit nitric (HNO3), trong mét sè c¸c ph¶n øng phøc t¹p liªn quan ®Õn ¸nh s¸ng mÆt trêi, h¬i Èm, c¸c chÊt oxy ho¸ vµ c¸c chÊt xóc t¸c mµ vÉn cha ®îc hiÓu biÕt râ. NhiÒu ph¶n øng ho¸ häc liªn quan ®Õn c¸c chÊt oxy ho¸ quang ho¸, gåm cã ozone (O3), gèc hydroxyl (OH-) vµ hydrogen peroxide (H2O2). 273
C¸c ph¶n øng díi d¹ng ®îc ®¬n gi¶n ho¸ rÊt nhiÒu cã thÓ ®îc xem nh: (8.10a) NO  O3  NO 2  O2 NO2  OH   HNO3  NO3  H  (8.10b) SO2  O2  SO3 H H 2 SO4  SO4   2 H  2O 2 (8.10c)  Axit sulphuric lµ nguyªn nh©n chÝnh cña sù l¾ng ®äng axit bëi v× sulphur ®îc tho¸t ra víi lîng lín h¬n nhiÒu so víi nitrogen, vµ ph©n tö axit sulphuric trong dung dÞch gi¶i phãng hai ion H+ trong khi axit nitric gi¶i phãng mét (Swedish Ministry of Agriculture, 1982). Tuy nhiªn cã b»ng chøng r»ng khi nh÷ng sù ph¸t ra sulphur ë Hoa Kú gi¶m nh mét phÇn cña chÝnh s¸ch gi¶m sù « nhiÔm Hoa Kú, tÇm quan träng t¬ng ®èi cña sù ph¸t ra nitrogen cho sù axit ho¸ ®ang t¨ng (DETR, 1997). MÆc dï thuËt ng÷ “ma axit” ®îc sö dông réng r·i nã lµ mét c¸i tªn nhÇm lÉn (Seip vµ Tollan, 1985), vµ c¸c côm tõ ch¼ng h¹n nh ®Çu vµo axit hay sù l¾ng ®äng axit lµ chÝnh x¸c h¬n vµ lµ ®îc a thÝch h¬n. Do sù hoµ tan cña CO2 khÝ quyÓn thËm chÝ níc tinh khiÕt còng cã mét pH “axit” b»ng kho¶ng 5.6 (UNEP, 1995) tøc lµ thÊp díi pH trung tÝnh b»ng 7. Gi¸ trÞ nµy ®· ®îc sö dông nh møc tham kh¶o cho viÖc ph©n biÖt ma “trung tÝnh” víi ma “axit” bÞ « nhiÔm. Tuy nhiªn, c¸c vËt chÊt tù nhiªn kh¸c, gåm cã c¸c sol khÝ ®îc hoµ tan vµ c¸c khÝ nói löa, còng cã thÓ ¶nh hëng ®Õn ®é pH, dÉn tíi c¸c gi¸ trÞ vÉn thÊp h¬n. H¬n n÷a, trong khi ma thêng lµ c¬ chÕ quan träng nhÊt mµ bëi ®ã níc khÝ quyÓn chuyÓn c¸c chÊt « nhiÔm tíi ®Êt nã kh«ng chØ lµ mét. Trong c¸c vïng tuyÕt lµ mét thµnh phÇn quan träng cña gi¸ng thuû, trong khi ë c¸c vïng cao nguyªn vµ ven biÓn thêng nhiÒu m©y vµ cã s¬ng mï cã thÓ cung cÊp mét sù ®ãng gãp ®¸ng kÓ cho sù axit ho¸. C¸c giät níc nhá cña s¬ng mï vµ m©y cã thÓ chøa c¸c nång ®é axit cao h¬n nhiÒu so víi c¸c giät ma lín h¬n (Bator vµ Clllett, 1997). Nh mét hÖ qu¶, sù l¾ng ®äng cña nh÷ng giät níc mÞn nµy cã thÓ g©y nªn mét ®Çu vµo ho¸ chÊt quan träng h¬n nhiÒu vÒ mÆt tû lÖ so víi lîng níc ®îc l½n ®äng ®· ®Ò nghÞ. §iÒu nµy ®îc gäi lµ sù l¾ng ®äng huyÒn bÝ cã nhiÒu ¶nh hëng h¬n ®Õn c¸c bÒ mÆt nh¸m vÒ mÆt khÝ ®éng häc ch¼ng h¹n nh c¸c thùc vËt cao, theo ®óng c¸ch gièng nh c¸c bÒ mÆt ®ã cã nh÷ng tæn thÊt ng¨n gi÷ níc lín h¬n do nhiÔu ®éng kh«ng khÝ ®îc n©ng cao. C¸c d¹ng cña l¾ng ®äng Èm (ma, tuyÕt vµ s¬ng mï) lµ c¸c qu¸ tr×nh hiÖu dông cho viÖc lo¹i bá vËt chÊt tõ khÝ quyÓn, nhng bÞ h¹n chÕ cho c¸c thêi gian khi sù ngng tô vµ gi¸ng thuû x¶y ra. Sù l¾ng ®äng Èm cã thÓ lµ “chia ra thµnh tõng ®o¹n”. VÝ dô trong 1 n¨m kho¼ng 30% tæng sù l¾ng ®äng cña c¸c ion H+ ë Goonhilly ë t©y nam níc Anh diÔn ra chØ vµo 5 ngµy ma (Watt Committee on Energy, 1984). Còng nh lîng ma r¬i tæng céng lín vµo nh÷ng ngµy nµy, nång ®é cña c¸c chÊt « nhiÔm lµ rÊt cao, c¸c khèi kh«ng khÝ di chuyÓn tíi vÞ trÝ ®ã sau khi ø ®äng trong mét sè thêi gian qua c¸c vïng cã sù th¶i ra cao. TÇm quan träng cña lo¹i h×nh thêi tiÕt vµ híng giã trong viÖc x¸c ®Þnh hµm lîng ion cña gi¸ng thuû ®· ®îc th¶o luËn bëi Davies vµ nh÷ng ngêi kh¸c (1991) vµ Metcalfe vµ nh÷ng ngêi kh¸c (1995). Sù l¾ng ®äng axit ®¸ng kÓ còng diÔn ra díi d¹ng cña l¾ng ®äng kh« cña c¸c khÝ vµ c¸c h¹t sol khÝ trªn bÒ mÆt ®Êt, thùc vËt vµ khèi níc. Qu¸ tr×nh chÝnh lµ bëi sù hÊp thô cña c¸c khÝ, nh SO2 vµ NO2, h¬n lµ c¸c h¹t nh©n (Cape vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1987), vµ sÏ phô thuéc vµo ¸i lùc ho¸ häc vµ vËt lý cña mçi khÝ cho mét bÒ mÆt riªng (Fowler, 1984). Ngîc l¹i víi ®Æc tÝnh gi¸n ®o¹n cña sù l¾ng ®äng Èm, ®©y lµ mét qu¸ tr×nh liªn tôc, mÆc dï 274
tèc ®é cña sù l¾ng ®äng cã thÓ gi¶m khi bÒ mÆt thu thËp ®¹t tíi “b·o hoµ” (Fowler vµ Cape, 1984). Sù oxy ho¸ tiÕp sau cho SO42- vµ NO3- diÔn ra trªn c¸c bÒ mÆt thæ nhìng vµ thùc vËt khi chóng ®îc lµm ít bëi ma hay s¬ng. Thªm vµo ®ã, c¸c khÝ còng cã thÓ ®i vµo trong khÝ khæng thùc vËt vµ ®îc chuyÓn ho¸. TÇm quan träng t¬ng ®èi cña sù l¾ng ®äng kh« vµ ít thay ®æi theo c¸c nh©n tè ch¼ng h¹n nh vÞ trÝ ®Þa lý vµ mïa (do nh÷ng sù kh¸c biÖt trong lîng ma r¬i vµ cña nh÷ng sù ph¸t ra nh©n t¹o). Nh×n chung, sù l¾ng ®äng kh« chiÕm u thÕ gÇn c¸c nguån ph¸t ra vµ l¾ng ®äng ít lµ quan träng h¬n ë nh÷ng kho¶ng c¸ch lín h¬n. Tríc khi th¶o luËn tèc ®é l¾ng ®äng chi tiÕt h¬n cÇn xem xÐt qua mét sè nh÷ng khã kh¨n gÆp ph¶i trong viÖc ®o ®¹c hay ®¸nh gi¸ vÒ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau. C¸c d¹ng kh¸c nhau cña sù l¾ng ®äng axit ®· t¹o ra nh÷ng bµi to¸n lín trong viÖc thiÕt kÕ nh÷ng thiÕt bÞ ®o ®¹c (Barrett, 1987). HÇu hÕt c¸c thiÕt bÞ ®o cã s½n dùa trªn c¸c m¸y thu thËp khèi lîng-c¸c dông cô ®o ma lîng tr÷ thu thËp gi¸ng thuû, vµ bÊt kú vËt chÊt ®îc l¾ng ®äng kh« trªn phÔu m¸y ®o mµ trë nªn ®îc röa s¹ch. Còng nh c¸c bµi to¸n vÒ ®¸nh gi¸ ®é s©u ®iÓm vµ kh¶ n¨ng thay ®æi theo vïng cña ma, ®· ®îc th¶o luËn trong ch¬ng 2, ®ã lµ nh÷ng bµi to¸n chÊt lîng níc. Ngoµi c¸c nguån « nhiÔm râ rµng, ch¼ng h¹n nh ph©n chim, tèc ®é l¾ng ®äng kh« cña c¸c khÝ vµ c¸c sol khÝ trªn bÒ mÆt dông cô ®o ma cã thÓ lµ rÊt kh¸c víi x¶y ra trong c¸c vïng ®Êt vµ thùc vËt gÇn kÒ. V× lý do nµy c¸c m¸y thu thËp “chØ Èm” víi mét líp phñ cã kh¶ n¨ng di ®éng mµ ®îc më khi mét bé phËn c¶m øng nhËn thÊy ma r¬i cã thÓ ®îc sö dông, nhng chóng rÊt ®¾t, vµ thiªn vÒ mÊt phÇn ban ®Çu cña trËn ma ®ã, mµ thêng cã c¸c nång ®é chÊt hoµ tan cao nhÊt. Sù l¾ng ®äng kh« cña c¸c khÝ vµ c¸c h¹t nh©n lµ cùc kú khã kh¨n ®Ó ®o ®¹c. C¸c vËt liÖu h¹t bÞ l¾ng ®äng ®· ®îc ®o ®¹c b»ng viÖc sö dông c¸c thiÕt bÞ läc kh«ng khÝ, vµ tèc ®é l¾ng ®äng cña c¸c khÝ cã thÓ ®îc suy ra tõ sù gi¶m trong nång ®é cña chóng gÇn tíi mÆt ®Êt. Sù l¾ng ®äng khÝ phô thuéc vµo c¸c ®Æc trng vËt lý vµ ho¸ häc cña khÝ ®ã, vµ lo¹i vµ ®é nh¸m cña bÒ mÆt, vµ cã thÓ thay ®æi theo nhiÖt ®é vµ sù cã mÆt cña h¬i Èm trªn bÒ mÆt (Fowler, 1984). Ngêi ta ®· t×m ra r»ng c¸c chÊt « nhiÔm cã thÓ ®îc mang ®i nhiÒu tr¨m kilomet trong khÝ quyÓn tríc khi bÞ l¾ng ®äng. Sù l¾ng ®äng kh« thêng x¶y ra trong hai hay ba ngµy vµ lµ lín nhÊt gÇn víi nguån cña sù tho¸t ra, trong khi ®ã nÕu c¸c chÊt « nhiÔm vÉn gi÷ l©u h¬n trong khÝ quyÓn ®ã lµ c¬ héi lín cña viÖc bÞ oxy ho¸ thµnh axit sulphuric vµ nitric; nh÷ng axit nµy sau ®ã ®îc hoµ tan trong gi¸ng thñy. §iÒu nµy cã thÓ ®îc lµm næi bËt bëi viÖc so s¸nh ®Æc tÝnh cña sù l¾ng ®äng x¶y ra trong mét níc c«ng nghiÖp ch¼ng h¹n nh Anh víi mét níc n«ng nghiÖp chiÕm u thÕ nh Thuþ §iÓn. ë Anh nh mét tæng thÓ, sù l¾ng ®äng kh« cña ®é axit vît qu¸ bëi sù l¾ng ®äng Èm, vµ 75% cña sulphur ®îc l¾ng ®äng b¾t nguån tõ c¸c nguån « nhiÔm níc Anh (Barrett, 1987). ë Thôy §iÓn, ngîc l¹i, cã khu c«ng nghiÖp Ýt h¬n nhiÒu, nhng ®ã lµ ngîc víi mét sè níc c«ng nghiÖp ho¸. HÖ qu¶ lµ, ngêi ta nhËn thÊy r»ng sù l¾ng ®äng Èm cña ®é axit lµ tréi h¬n, vµ chØ 20-25% cña sulphur ®· l¾ng ®äng lÊy tõ c¸c nguån cña Thuþ §iÓn (Bé n«ng nghiÖp Thuþ §iÓn, 1982). Tuy nhiªn d¹ng cña sù l¾ng ®äng axit kh«ng liªn hÖ ®¬n gi¶n víi sù ph©n bè cña c¸c nguån. ë Anh, lµ vÝ dô, trong khi nh÷ng ®Çu vµo lín nhÊt bëi sù l¾ng ®äng kh« lµ trong c¸c khu c«ng nghiÖp cña ®Êt níc, nh÷ng t¶i träng lín nhÊt cña sù l¾ng ®äng Èm trong thùc tÕ lµ xu«i chiÒu giã cña c¸c nguån ph¸t ra (Fowler vµ nh÷ng 275
ngêi kh¸c, 1985). Chóng lµ nh÷ng vïng cao nguyªn ë xa cña miÒn b¾c vµ t©y cña ®Êt níc trong ®ã, bÊt chÊp nh÷ng nång ®é thÊp cña ion H+ trong ma, ®Çu vµo tæng céng lµ lín nhÊt do lîng ma r¬i cao (H×nh 8.4; so víi H×nh 2.4). Trong c¸c vïng xa ch¼ng h¹n nh c¸c vïng nµy vµ c¸c phÇn cña Scandinavia n¬i mµ sù l¾ng ®äng Èm lµ næi tréi vµ gi¸ng thuû lµ cao, cã thÓ cã mét sù ®ãng gãp ®¸ng kÓ cho sù l¾ng ®äng axit tõ nh÷ng nguån rÊt c¸ch nhau, hoÆc tõ ch©u ¢u hoÆc tõ B¾c Mü (Watt Committee on Energy, 1984). TÇm quan träng t¬ng ®èi cña sù l¾ng ®äng Èm vµ kh« sÏ bÞ t¸c ®éng bëi nh÷ng nh©n tè ®Þa ph¬ng gåm cã ®Þa h×nh vµ c¸c ®iÒu kiÖn khÝ tîng thÞnh hµnh, nhng trong c¸c d¹ng chung tû sè sù l¾ng ®äng kh«/Èm gi¶m cã hÖ thèng tõ kho¶ng 10 gÇn c¸c nguån « nhiÔm tíi
c¸c tæn thÊt bèc h¬i tõ c¸c rõng cao h¬n nhiÒu so víi tõ c¸c ®ång cá do c¸c tæn thÊt ng¨n gi÷ níc lín h¬n cña c©y cao h¬n vµ nh¸m h¬n vÒ mÆt khÝ ®éng häc. Tæn thÊt nµy sÏ ®ãng vai trß lµm t¨ng nång ®é c¸c chÊt hoµ tan cña níc ®¹t tíi thÒm rõng nh lîng níc r¬i trong kh«ng gian hay dßng ch¶y th©n c©y, mÆc dï nã sÏ kh«ng ¶nh hëng ®Õn c¸c t¶i träng chÊt hoµ tan. Tuy nhiªn, thùc vËt còng cã thÓ ¶nh hëng trùc tiÕp ®Õn tæng lîng c¸c chÊt hoµ tan ®¹t tíi mÆt ®Êt theo mét vµi c¸ch thøc. Ngêi ta ®· chØ ra (Môc 3.8) r»ng c©y cèi cung cÊp c¸c bÒ mÆt thu thËp hiÖu qu¶ cho sù l¾ng ®äng c¸c giät s¬ng mÞn, mµ cã thÓ cã nång ®é c¸c chÊt hoµ tan cao h¬n nhiÒu so víi ma r¬i. Chóng còng cã thÓ nhËn ®îc sù l¾ng ®äng cña c¸c vËt chÊt h¹t, mµ ®îc hoµ tan hÖ qu¶ trong ma ®Ó ®¹t tíi mÆt ®Êt nh sù röa s¹ch . Thªm vµo ®ã, c¸c c©y cã thÓ hÊp thô c¸c khÝ vµo trong l¸ cña chóng b»ng sù hÊp thô khÝ khæng vµ vËt chÊt nµy, cïng víi c¸c chÊt dinh dìng ®îc di chuyÓn tõ rÔ cña chóng vµ ®îc thÊm qua c¸c l¸ c©y, cã thÓ ®îc chuyÓn tíi níc ma ®i qua chóng, nh sù läc qua vßm l¸. Trong mét nghiªn cøu vÒ nh÷ng thay ®æi ho¸ häc níc trong t¸n l¸ cña mét rõng c©y l¸ kim ë miÒn b¾c níc Anh, Cape vµ nh÷ng ngêi kh¸c (1987) ®· nhËn ra r»ng t¶i träng sulphate trong ma r¬i trªn c¸c c©y íc tÝnh chØ 30% cña t¶i träng ®¹t tíi mÆt ®Êt th«ng qua lîng r¬i trong kh«ng gian c¸c c©y vµ dßng ch¶y th©n c©y ®· kÕt luËn r»ng khèi lîng cña sù thu ®îc nµy lµ do viÖc läc cña SO22- tõ t¸n l¸ vµ vËt chÊt nµy ®îc b¾t nguån tõ khÝ SO2 lÊy tõ lç khÝ vµ tö c¸c phÈn tö chøa SO42- ®· l¾ng ®äng bªn ngoµi trªn thùc vËt. Sù nh×n nhËn r»ng c¸c c©y cã thÓ läc c¸c chÊt « nhiÔm tõ kh«ng khÝ ®îc x©y dùng bëi Mayer vµ Ulrich (1974), ngêi ®· ®Ò nghÞ r»ng sù lµm t¨ng trong c¸c dßng ho¸ chÊt gi÷a ma bªn trªn t¸n c©y vµ lîng r¬i trong kh«ng gian c¸c c©y (vµ dßng ch¶y th©n c©y) bªn díi lµ b»ng víi sù l¾ng ®äng kh« cña c¸c phÇn tö khÝ còng nh sù l¾ng ®äng s©u kÝn bëi s¬ng mï. Tuy nhiªn rÊt khã ph©n t¸ch sù t¨ng thªm thùc cña vËt chÊt khÝ quyÓn bëi sù l¾ng ®äng ít vµ röa s¹ch cña sù l¾ng ®äng kh«, tõ viÖc quay vßng cña c¸c vËt chÊt bëi sù läc vßm l¸ (Miller vµ Miller, 1980). Trong khi nh÷ng sù gia t¨ng trong tÝnh axit díi c¸c rõng c©y l¸ kim ®· ®îc lu ý trong nhiÒu nghiªn cøu (Cape vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1987; Skeffington, 1987), ®©y kh«ng lu«n lu«n lµ trêng hîp, vµ mét sè nhµ ®iÒu tra ®· nhËn thÊy Ýt cã sù chªnh lÖch trong ®é axit gi÷a gi¸ng thuû vµ lîng níc r¬i trong kh«ng gian c¸c c©y (Miller, 1984; Reynolds vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1986). Mét vµi nghiªn cøu vÒ níc r¬i trong kh«ng gian c¸c c©y díi c¸c lo¹i c©y kh¸c nhau ®· nhËn thÊy ®é axit díi c¸c c©y l¸ kim lín h¬n so víi díi c¸c c©y th©n gç, mµ cã thÓ lµ do viÖc “läc” hiÖu dông hín h¬n cña c¸c chÊt « nhiÔm tõ khÝ quyÓn bëi c¸c c©y l¸ kim tèt h¬n vµ kh¶ n¨ng trao ®æi cation lín h¬n cña c¸c c©y th©n gç (Joslin vµ nh÷ng ngêi kh¸c, 1987). Khi níc ma ®i qua t¸n l¸ cña rõng c©y rông l¸ ë miÒn ®«ng b¾c Hoa Kú, cã mét sù gia t¨ng lín trong nång ®é c¸c chÊt hoµ tan vµ phÇn lín tÝnh axit ®îc trung hoµ (Bormann vµ Likens, 1994). ViÖc gia t¨ng ®é axit cña ma r¬i sÏ cã xu híng thóc ®Èy viÖc läc cña nhiÒu cation tõ t¸n l¸ vµ sù trao ®æi cña H+ nµy cho c¸c cation cã thÓ, trong mét sè trêng hîp, dÉn tíi níc ma dÇn dÇn trë nªn Ýt axit h¬n khi nã ®i qua t¸n c©y (Watt Committee on Energy, 1984). Tuy vËy,sù trung hoµ nh vËy cña c¸c ®Çu vµo axit sÏ vÉn dÉn ®Õn sù axit ho¸ cña hÖ thèng thùc vËt-thæ nhìng nãi chung khi nh÷ng cation nµy cuèi cïng ®îc dÉn tõ ®íi rÔ c©y vµ sÏ mÊt trong tho¸t níc. D¹ng ho¸ chÊt ®i vµo bÒ mÆt ®Êt díi c¸c c©y cã vÎ lµ rÊt biÕn ®éng theo kh«ng gian. NÕu t¸n l¸ lµ kh«ng liªn tôc sÏ cã gi¸ng thuû tíi trùc tiÕp gi÷a c¸c vßm c©y vµ 277
n©ng cao ®Çu vµo cña vËt chÊt ®îc läc díi t¸n l¸. Dßng ch¶y th©n c©y cã thÓ cung cÊp c¸c nång ®é chÊt hoµ tan cao trong níc tíi mét ®íi rÊt côc bé ngay xung quanh nÒn cña mçi gèc c©y. Vai trß cña thùc vËt trong ho¸ häc níc kh«ng kÕt thóc khi níc ®¹t tíi mÆt ®Êt do vai trß mËt thiÕt cña thùc vËt trong c¸c hÖ thèng ho¸ häc ®Êt, liªn quan ®Õn vËt liÖu h÷u c¬ vµ vßng tuÇn hoµn dinh dìng, còng nh trong c¸c qu¸ tr×nh vËt lý gåm cã cÊu tróc ®Êt mµ ¶nh hëng tíi chuyÓn ®éng cña níc trong ®Êt. 8.5. Níc trong ®Êt vµ níc ngÇm Tríc khi th¶o luËn c¸c qu¸ tr×nh chÊt lîng níc ho¹t ®éng trong c¸c ®íi díi mÆt nµy cÇn ®a ra mét sè sù chó ý tíi ®Æc tÝnh cña c¸c m«i trêng mµ trong ®ã níc c tró vµ qua ®ã nã ®i qua, v× chóng cã thÓ cung cÊp nh÷ng nguån quan träng vµ c¸c bån röa cho c¸c chÊt hoµ tan. Sù t¬ng ®èi phong phó cña c¸c nguyªn tè trong c¸c líp bÒ mÆt cña tr¸i ®Êt ®îc x¸c ®Þnh bëi thµnh phÇn cña líp vá tr¸i ®Êt; c¸c vËt chÊt trong c¸c ®¸ vµ ®Êt lÊy trùc tiÕp hay gi¸n tiÕp tõ c¸c kho¸ng chÊt ®¸ h×nh thµnh ban ®Çu díi c¸c ®iÒu kiÖn cña cùc h¹n nhiÖt vµ nhiÖt ®é, vµ ®îc t×m thÊy trong c¸c ®¸ mac ma vµ mét sè ®¸ biÕn chÊt. ViÖc lµm nguéi m¾c ma h×nh thµnh c¸c vËt chÊt c¬ b¶n nh kho¸ng chÊt Fenspat, th¹ch anh vµ mica. Ngoµi th¹ch anh, mµ rÊt chÞu nhiÖt, tuy nhiªn chóng lµ kh«ng æn ®Þnh ë bÒ mÆt cña tr¸i ®Êt, vµ cã thiªn híng tíi sù gia t¨ng ho¸ chÊt cho c¸c vËt chÊt thø cÊp æn ®Þnh h¬n, ch¼ng h¹n nh ®Êt sÐt vµ oxit s¾t. Thªm vµo ®ã, sù ho¹t ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh sinh ho¸ h×nh thµnh nh÷ng vËt chÊt míi ch¼ng h¹n nh calcite. Kho¶ng 75% bÒ mÆt ®Êt cña ®Þa cÇu bao gåm nh÷ng ®¸ trÇm tÝch t¸i t¹o, mµ quan träng h¬n nhiÒu cho viÖc gi÷ vµ vËn chuyÓn níc so víi c¸c ®¸ biÕn chÊt vµ ®¸ m¾c ma cã ®é rçng nhá vµ t¬ng ®èi kh«ng thÊm. 8.5.1. Sù phong ho¸ cña ®¸ GÇn 99% träng lîng líp vá cña tr¸i ®Êt chØ gåm 8 nguyªn tè: 47% oxy (O), 28% silic (Si), 8% nh«m (Al), 5% s¾t (Fe), 3.5% canxi (Ca), 3% natri (Na), 2.5% kali (K) vµ 2% magiª (Mg). C¸c chÊt ho¸ häc nµy ®îc kÕt hîp thµnh c¸c vËt chÊt, cã mét thµnh phÇn ho¸ häc x¸c ®Þnh. Mèi quan t©m cña c¸c nhµ thuû v¨n tËp trung vµo viÖc phong ho¸ cña c¸c vËt chÊt nµy ®Ó t¹o ra c¸c chÊt s½n cã ®Ó ®i vµo trong dung dÞch hoµ tan vµ ®éng th¸i cña c¸c hÖ thèng ®Êt vµ ®¸, chu tr×nh vµ sù läc cña nh÷ng chÊt ho¸ häc nµy. Mèi quan t©m trong ®Êt ®¸ phong ho¸ ®· ®a ra mét sù thóc ®Èy to lín bëi sù ph¸t triÓn cña kh¸i niÖm t¶i träng tíi h¹n , mµ ®a ra ®Ó lµm næi bËt luËt ph¸p ch©u ¢u vÒ sù « nhiÔm kh«ng khÝ (Nilsson vµ Grennfelt, 1988). §iÒu nµy cã thÓ ®îc ®Þnh nghÜa lµ “sù l¾ng ®äng lín nhÊt cña mét hîp chÊt x¸c ®Þnh mµ sÏ kh«ng g©y nªn nh÷ng ¶nh hëng dµi h¹n ®Õn cÊu tróc vµ chøc n¨ng hÖ sinh th¸i, theo hiÓu biÕt cho tíi hiÖn t¹i”. Nãi c¸ch kh¸c ®ã lµ mét ngìng tèc ®é l¾ng ®äng mµ c¸c hÖ sinh th¸i cã thÓ chÞu ®ùng mµ kh«ng cã ph¸ huû dµi h¹n. §iÒu nµy cã nghÜa r»ng c¸c ®Çu vµo axit kh«ng nªn vît qu¸ s¶n phÈm baz¬ trong ®Êt – vÒ c¬ b¶n lµ s¶n phÈm cña c¸c cation c¬ b¶n bëi viÖc phong ho¸ kho¸ng vËt. Sverdrup vµ De Vries (1994) ®· m« t¶ mét c¸ch tiÕp cËn ®Ó tÝnh to¸n t¶i träng tíi h¹n. Trong thùc tÕ cã nhiÒu khã kh¨n trong viÖc ¸p dông kh¸i niÖm nµy (Schnoor, 1996). VÝ dô, c¸c chÊt « nhiÔm nµo lµ tíi h¹n nhÊt, vµ chóng t¬ng t¸c nh thÕ nµo ®Ó g©y nªn ph¸ huû sinh th¸i? C¸c nguyªn tè nµo cña m«i trêng chóng ta ®ang cè b¶o vÖ – hå nh¹y c¶m nhÊt ë mét khu vùc hay mét môc tiªu mµ v× thÕ mét sè nguån cã thÓ bÞ tæn thÊt? 278
C¬ chÕ h÷u dông nhÊt cña viÖc phong ho¸ ho¸ häc lµ ph¶n øng cña níc ma, chøa c¸c axit hoµ tan, trªn c¸c kho¸ng vËt ®¸. Nguån chÝnh cña ®é axit tù nhiªn trong m«i trêng ®îc cung cÊp bëi dung dÞch hoµ tan cña CO2 trong níc ®Ó h×nh thµnh axit carbonic (H2CO3). Sù ph©n ly trong níc nµy (c¸c ph¬ng tr×nh 8.2 tíi 8.4) ®Ó h×nh thµnh bicarbonate, vµ tíi mét ph¹m vi Ýt h¬n carbonate, c¸c ion vµ ph¸t sinh c¸c ion H+: H 2 O  CO2  H 2 CO3  H   HCO3 c CO32  H  (8.11) CO2 ®îc hoµ tan tõ khÝ quyÓn nhng, do sù h« hÊp tõ thùc vËt vµ sù ph©n huû c¶ vËt liÖu h÷u c¬, nång ®é cña CO2 trong kh«ng khÝ trong c¸c lç hæng ®Êt cã thÓ lín h¬n gÊp 100 lÇn trong khÝ quyÓn. §iÒu nµy dÉn tíi mét nång ®é axit carbonic trong níc trong ®Êt cao h¬n nhiÒu so víi t×m thÊy trong níc bÒ mÆt ch¼ng h¹n nh c¸c s«ng vµ hå. Trong nh÷ng vïng Èm ít nhÊt kh¸c, nh÷ng axit m¹nh h¬n còng cã thÓ lµ quan träng, gåm H2SO4 rÊt lo·ng vµ HNO3, còng nh c¸c axit h÷u c¬ ®îc h×nh thµnh tõ ph©n huû thùc vËt. C¬ chÕ chÝnh cña phong ho¸ vËt chÊt lµ bëi sù thuû ph©n axit, bëi ®ã c¸c ion H+ thay thÕ c¸c cation trong chÊt ®ã, dÉn tíi mét sù më réng vµ sù ph©n huû cña cÊu tróc silicate cña nã. Mét vÝ dô cña ho¹t ®éng ho¸ häc nh vËy lµ sù phong ho¸ cña kho¸ng chÊt Octocla Fenspat, ®îc t×m thÊy trong c¸c ®¸ m¾c ma, tíi kho¸ng chÊt sÐt, caolinit: 2 KAlSi3O8 (c)  2 H  (aq)  9 H 2 O  Al 2 Si2 O5 (OH ) 4 (c)  4H 4 SiO4 (aq)  2 K  (aq) Fenspat Axit Caolinit (trong dung dÞch) (kho¸ng chÊt nguyª n thuû) (Kho¸ng chÊt thø cÊp) (8.12) MÆc dï vÒ mÆt ho¸ häc mét ph¶n øng thuËn nghÞch, trong thùc tÕ vÒ b¶n chÊt nã lµ kh«ng thuËn nghÞch bëi v× fenspat kh«ng thÓ ®îc t¸i t¹o l¹i cho mét ph¹m vi ®¸ng kÓ bÊt kú nµo mµ kh«ng chÞu nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt rÊt lín. Silic vµ Kali bÞ lo¹i bá trong dung dÞch tíi níc ngÇm vµ s«ng ngßi, ®Èy ph¶n øng vÒ bªn ph¶i, vµ ®Êt sÐt caolinit tÝch luü nh mét phÇn cña líp phñ ®Êt. C¸c kho¸ng chÊt thø cÊp nh vËy kh«ng nhÊt thiÕt biÓu thÞ c¸c s¶n phÈm phong ho¸ cuèi cïng v× chóng chØ æn ®Þnh trong nh÷ng giíi h¹n pHvµ cã thÓ, díi nh÷ng ®iÒu kiÖn thÝch hîp, tr¶i qua sù phong ho¸ ho¸ chÊt h¬n n÷a tíi c¸c d¹ng ho¸ chÊt æn ®Þnh h¬n. Mét vÝ dô kh¸c vÒ sù phong ho¸ ho¸ chÊt ®îc ®a ra bëi ph¬ng tr×nh 8.5 m« t¶ dung dÞch hoµ tan ho¸ häc cña calcite (Mét thµnh phÇn chÝnh cña ®¸ v«i). Tèc ®é cña sù phong ho¸, vµ nång ®é c¸c chÊt hoµ tan dÉn tíi s«ng suèi vµ ®i qua níc trong mét ph¶n øng nhÊt ®Þnh, sÏ phô thuéc vµo mét sè c¸c nh©n tè gåm cã nhiÖt ®é vµ dßng níc. Nh×n chung, tèc ®é ph¶n øng t¨ng cïng víi sù t¨ng nhiÖt ®é, vµ tèc ®é cña sù phong ho¸ vµ sù lµm s¹ch trong c¸c vïng nhiÖt ®íi lín h¬n vµi lÇn trong c¸c vïng «n ®íi. §Êt ë vïng nhiÖt ®íi cã hµm lîng sÐt cao h¬n nhiÒu (thêng lµ 60% hoÆc h¬n) so víi c¸c vïng «n ®íi (vÝ dô 35% sÐt ®îc xem lµ cao ë Anh), vµ mét sè c¸c t¸c gi¶ kh¸c ®· viÖn chøng lÞch sö sù phong ho¸ m¹nh h¬n nhiÒu nµy ®Ó gi¶i thÝch t¹i sao c¸c t¶i träng chÊt hoµ tan cña s«ng suèi trong c¸c vïng nhiÖt ®íi lµ thÊp h¬n nhiÒu so víi trong c¸c vïng «n ®íi (Norticliffe, 279
1988). Tuy nhiªn nh÷ng kh¸c biÖt vÒ ®Þa lý trong lo¹i ®¸ cã thÓ lµ quan träng h¬n trong viÖc gi¶i thÝch nh÷ng sù kh¸c biÖt nµy (Walling vµ Webb, 1983). Tèc ®é cña sù phong ho¸ còng sÏ bÞ ¶nh hëng bëi dßng níc, lo¹i bá c¸c s¶n phÈm trong dung dÞch vµ mang níc míi trong sù liªn hÖ víi c¸c kho¸ng chÊt nµy. Trong mét sè trêng hîp tèc ®é cña sù hoµ tan cã thÓ ®¹t tíi mét giíi h¹n trªn, ®îc quy ®Þnh bëi c¸c qu¸ tr×nh ho¸ häc bÒ mÆt. Tèc ®é cña sù cung cÊp c¸c kho¸ng chÊt bëi sù phong ho¸ ho¸ häc cña c¸c ®¸ râ rµng lµ chËm, vµ nÕu kh«ng cã c¬ chÕ cho viÖc gi÷ l¹i c¸c chÊt trong dung dÞch chóng sÏ nhanh chãng bÞ röa s¹ch trong níc tho¸t ra. Tuy nhiªn, nh÷ng c¬ chÕ nh vËy tån t¹i thùc sù vµ liªn quan chÆt chÏ víi sù ho¹t ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh sinh häc vµ cã mét sù ®iÒu khiÓn quan träng qua ®éng häc chÊt hoµ tan ng¾n h¹n. 8.5.2. C¸c ph¶n øng trao ®æi vµ kÕt hîp Khi c¸c thùc vËt ®Þnh c m¶nh vôn ®¸ bÞ phong ho¸ chóng cã mét ¶nh hëng vËt lý trùc tiÕp bëi viÖc quy ®Þnh sù lo¹i bá cña c¸c s¶n phÈm phong ho¸ c¸c h¹t bëi sãi mßn, vµ chóng còng dÉn tíi mét sè nh÷ng thay ®æi ho¸ häc. C¸c c©y cèi lÊy c¸c khÝ khÝ quyÓn vµo trong l¸ cña chóng vµ c¸c kho¸ng chÊt hoµ tan vµo trung c¸c hÖ rÔ cña chóng vµ chuyÓn c¸c ho¸ chÊt tíi ®Êt nh sù lµm s¹ch vßng l¸ (xem Môc 8.4) hay nh sù läc l¸ c©y vµ c©y cèi bÞ ph©n huû mét phÇn vÉn cßn l¹i kh¸c, ®îc biÕt nh lµ mïn . Mïn ®ã kÕt hîp víi ®Êt sÐt trong ®Êt ®Ó h×nh thµnh c¸c phøc chÊt keo mµ mµ cã diÖn tÝch lín trªn mét ®¬n vÞ träng lîng. Nh÷ng bÒ mÆt cña chóng cã nh÷ng ®iÖn tÝch ®iÖn mµ lµm cho chóng cã thÓ hÊp dÉn vµ hÊp thô mét “®¸m ®«ng” c¸c ion ®· hoµ tan (H×nh 8.5). Sù hÊp dÉn tÜnh ®iÖn cña c¸c ion bÞ hÊp thô nµy lµ ®ñ yÕu cho chóng ®îc trao ®æi dÔ dµng víi c¸c ion kh¸c trong dung dÞch. Sù trao ®æi cña c¸c ion gi÷a c¸c bÒ mÆt trao ®æi ®Êt vµ dung dÞch ®Êt lµ mét qu¸ tr×nh liªn tôc. Tèc ®é cña sù trao ®æi nãi chung lµ nhanh vµ, theo sau mét sù thay ®æi trong thµnh phÇn cña dung dÞch ®Êt, chØ ®ßi hái mét Ýt phót cho mét c©n b»ng míi ®îc thiÕt lËp gi÷a c¸c ion bÞ hÊp thô vµ c¸c ion kh¸c trong dung dÞch. Lîng mét ion cho tríc mµ bÞ hÊp thô tuú thuéc vµo sù phong phó cña c¸c ion kh¸c trong c¸c dung dÞch, kh¶ n¨ng trao ®æi ion cña ®Êt sÐt hay mïn vµ søc m¹nh t¬ng ®èi cña sù hÊp thô cña c¸c ion kh¸c nhau. Víi sù lo¹i trõ cña caolinit (mµ cã ®iÖn tÝch bÒ mÆt Ýt nhÊt), c¸c bÒ mÆt ®Êt sÐt vµ mïn cã nhiÒu ®iÖn tÝch ©m h¬n lµ ®iÖn tÝch d¬ng vµ hÖ qu¶ lµ hÊp dÉn nhiÒu cation h¬n lµ anion (Plant vµ Raiswell, 1983). Kh¶ n¨ng trao ®æi cation (CEC) ®· ®o ®¹c trong meq trªn 100g hay centimol/kg (cmol/kg) thay ®æi tõ kho¶ng 10 cho calinit tíi 100-150 cho monmorilonit, vµ c¸c chÊt keo h÷u c¬ cã kh¶ n¨ng b»ng 200 hay thËm chÝ lµ lín h¬n. C¸c gi¸ trÞ cña CEC cho ®Êt trªn cïng thay ®æi ®iÓn h×nh trong ph¹m vi tõ kho¶ng 5 cmol/kg cho ®Êt c¸t lªn tíi 50 cmol/kg cho mét ®Êt sÐt nÆng víi mét hµm lîng vËt liÖu h÷u c¬ cao. Søc m¹nh t¬ng ®èi cña sù hÊp thô cña c¸c lo¹i ion kh¸c nhau t¨ng theo ®iÖn tÝch cña chóng vµ gi¶m theo b¸n kÝnh ion ®îc hydrat ho¸ cña chóng (tøc lµ ion tÝch ®iÖn ®îc bao xung quanh bëi mét “vá” cña c¸c ph©n tö níc cã cùc). V× vËy víi c¸c nång ®é b»ng nhau cña c¸c ion trong dung dÞch (trong ®¬n vÞ ®¬ng lîng) søc m¹nh t¬ng ®èi cña sù hÊp thô cña c¸c cation lµ: Al3+>H +>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+ 280
H×nh 8.5 Sù trao ®æi ion gi÷a c¸c cation ë tron hçn hîp nhiÔm bÈn vµ cation trong mÉu chÊt Kh¶ n¨ng cña mét bÒ mÆt trao ®æi cho tríc cho sù gi÷ c¸c cation kh«ng ph¶i lµ h»ng sè, nhng thay ®æi theo pH cña cña dung dÞch. Khi ®é axit t¨ng, vÝ dô do sù tÝch luü cña c¸c vËt liÖu h÷u c¬, cã mét sù t¨ng trong sè c¸c ion H+ trong dung dÞch. C¸c ion H+ nµy bÞ hÊp thô m¹nh trªn c¸c bÒ mÆt trao ®æi vµ hÖ qu¶ lµ sÏ thay thÕ mét sè c¸c cation ®· ®îc hÊp thô tríc ®©y – trõ Al ®îc gi÷ qu¸ m¹nh. ViÖc t¨ng ®é axit còng t¨ng tû lÖ cña Al cung cÊp cho dïng dÞch tõ sù phong ho¸ kho¸ng chÊt. V× cã mét c©n b»ng ®éng gi÷a Al ®îc hÊp thô vµ Al trong dung dÞch mµ mét sè Al nµy bÞ hÊp thô trªn c¸c bÒ mÆt nh Al3+ hay c¸c ion Al-hydroxy (Al(OH)x). C¸c ion H vµ Al cã xu híng lµm næi bËt c¸c ®Êt axit, vµ lµm cho nång ®é H+ trong dung dÞch – c¸c ion H trùc tiÕp vµ c¸c ion Al gi¸n tiÕp bëi hydrolysis, gi¶i phãng c¸c ion H+: Al3- (aq) - H2O= Al(OH)2+ (aq) - H+ (8.13a) Al(OH)2+ (aq) - H2O = Al(OH)+ (aq) - H+ (8.13b) + + Al(OH) (aq) + H2O = Al(OH)3 + H (8.13c) Díi c¸c ®iÒu kiÖn pH thÊp Al trë thµnh cã thÓ hoµ tan díi d¹ng cña Al3+ vµ c¸c cation Al hydroxy mµ bÞ hÊp thô rÊt m¹nh mÏ trªn c¸c bÒ mÆt trao ®æi. T¹i c¸c ®iÒu kiÖn pH cao h¬n nh÷ng ion Al nµy ph¶n øng víi c¸c ion OH- ®Ó h×nh thµnh Al(OH)3 kh«ng tan, t¹o ra nh÷ng bÒ mÆt trao ®æi s½n cã cho c¸c cation kh¸c. Ngîc l¹i víi Al vµ H nh÷ng cation c¬ b¶n nµy, mµ chñ yÕu gåm Ca, Mg, K vµ Na, ®ãng vai trß trung hoµ tÝnh axit vµ lµm tréi CEC trong c¸c ®Êt trung tÝnh vµ ®Êt kiÒm. Trong c¸c ®Êt axit, Al vµ H cã xu híng lµ c¸c cation tréi do sù hÊp thô lín h¬n cña chóng bëi ®Êt, trong khÝ Ca, Mg, K vµ Na ®îc läc s¹ch trong dung dÞch. Tû lÖ phÇn tr¨m cña CEC ®îc gi¶i thÝch bëi c¸c cation c¬ b¶n ®îc biÕt nh sù hoµ tan c¬ b¶n, vµ c¸c ®Êt axit mµ do ®ã nghÌo nµn trong nh÷ng chÊt dinh dìng thùc vËt nµy cã mét sù hoµ tan c¬ b¶n thÊp. Sù läc s¹ch cña nh÷ng cation nµy phô thuéc c¶ vµo sù c©n b»ng gi÷a c¸c cation trong dung dÞch vµ vµo c¸c bÒ mÆt trao ®æi, vµ còng vµo sù cã mÆt cña mét anion linh ®éng, ch¼ng h¹n nh SO4- hay NO3-, mµ b¶n th©n nã kh«ng thùc sù ®îc gi÷ trªn c¸c bÒ mÆt ®Êt hay ®îc lÊy bëi thùc vËt vµ cã thÓ vËn chuyÓn c¸c cation ®îc gi¶i phãng tõ ®Êt vµo dung dÞch (vÝ dô nh C¸O4 hay MgSO4) trong níc tho¸t ®i. C¸c anion còng cã thÓ bÞ hÊp thô trªn c¸c phÇn tö ®Êt, nhng tíi mét ph¹m vi nhá 281