Độ mặn

Xem xét về môi trường, Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S‰ (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) là tổng lượng (tính theo gram) các chất hòa tan chứa trong 1 kg nước. Trong hải dương học, người ta sử dụng độ muối (salinity) để đặc trưng cho độ khoáng của nước biển, nó được hiểu như tổng lượng tính bằng gam của tất cả các chất khoáng rắn hòa tan có trong 1 kg nước biển. Vì tổng nồng độ các ion chính (11 ion, bao gồm: Na, Ca, Mg, Fe, NH₄, Cl, SO₄, HCO₃, CO₃, NO₂, NO₃) chiếm tới 99,99% tổng lượng các chất khoáng hoà tan nên có thể coi độ muối nước biển chính bằng giá trị này. Điều đó cũng có nghĩa là đối với nước biển khơi, độ muối có thể được tính toán thông qua nồng độ của một ion chính bất kỳ.

Độ mặn là lượng muối hòa tan trong nước (xem độ mặn của đất). Thường được đo bằng $\frac{g\left(\text{muối}\right)}{kg(\text{nước biển})}$  (lưu ý rằng đây là không có kỹ thuật về mặt kỹ thuật). Độ mặn là một yếu tố quan trọng trong việc xác định nhiều khía cạnh của hóa học của nước tự nhiên và các quá trình sinh học bên trong nó, và là một biến trạng thái nhiệt động lực, cùng với nhiệt độ và áp suất, chi phối các đặc tính vật lý như mật độ và khả năng nhiệt của nước.

Đường cùng độ mặn được gọi là đường đẳng mặn (isohaline - hoặc đôi khi là isahale).

Độ mặn là một trong những yếu tố nghiêm trọng nhất làm hạn chế năng suất cây trồng nông nghiệp, có ảnh hưởng xấu đến sự nảy mầm, sức sống thực vật và năng suất cây trồng (R Munns & Tester, 2008). Mặn hóa ảnh hưởng đến nhiều khu vực thủy lợi chủ yếu là do việc sử dụng nước lợ. Trên khắp thế giới, hơn 45 triệu ha đất bị tưới đã bị hư hại do muối và 1,5 triệu ha được đưa ra sản xuất mỗi năm do mức độ mặn cao trong đất (R Munns & Tester, 2008). Độ mặn cao ảnh hưởng đến thực vật bằng nhiều cách: stress nước, nhiễm độc ion, rối loạn dinh dưỡng, stress oxy hóa, thay đổi quá trình trao đổi chất, xáo trộn màng tế bào, giảm sự phân chia và mở rộng tế bào, độc tính di truyền (Hasegawa, Bressan, Zhu, & Bohnert, 2000, R. Munns, 2002, Zhu, 2007). Cùng nhau, những ảnh hưởng này làm giảm sự tăng trưởng, phát triển và sống còn của cây.

Trong quá trình bắt đầu và phát triển stress muối trong thực vật, các quá trình như quang hợp, tổng hợp protein, chuyển hóa năng lượng và lipid đều bị ảnh hưởng (Parida & Das, 2005). Khi tiếp xúc ban đầu với độ mặn, thực vật gặp phải stress nước, dẫn đến giảm sự mở rộng lá. Tác động osmotic của stress về độ mặn có thể quan sát ngay sau khi áp dụng muối và tiếp tục trong suốt thời gian phơi nhiễm, ức chế sự giãn nở của tế bào và phân chia tế bào cũng như đóng cửa khí quản (TJ Flowers, 2004, R. Munns, 2002). Trong thời gian tiếp xúc lâu dài với độ mặn, thực vật gặp stress ion, có thể dẫn đến sự lão hóa sớm của lá trưởng thành, giảm diện tích quang hợp để hỗ trợ sự tăng trưởng liên tục (Cramer & Nowak, 1992). Thực tế cho thấy, natri dư thừa và chloride quan trọng có thể ảnh hưởng đến enzyme thực vật, gây sưng tế bào, giảm sản xuất năng lượng và các thay đổi sinh lý khác (Larcher 1980). Sự căng thẳng ion dương dẫn đến lão hóa sớm của lá già và các triệu chứng độc tính (hooc-môn, hoại tử) ở lá trưởng thành do nồng độ Na+ cao, ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp protein và can thiệp vào hoạt động của enzym (Hasegawa, Bressan, Zhu, & Bohnert, 2000, R Munns, 2002, R Munns & Termaat, 1986). Nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển cơ chế hoặc loại bỏ muối khỏi tế bào hoặc làm cho chúng chịu được sự hiện diện của muối trong tế bào. Trong chương này, chúng tôi thảo luận chủ yếu về độ mặn trong đất, tác động của nó đối với cây trồng và cơ chế tồn tại cho phép cây chịu được căng thẳng, đặc biệt là cân bằng ion, Na+. Hơn nữa, chúng tôi cung cấp một tổng quan tổng quát về hai phương pháp chính đã được sử dụng để nâng cao khả năng chịu đựng của cây trước căng thẳng: sử dụng biến thể di truyền tự nhiên và tạo ra cây chuyển gen với gen mới hoặc điều chỉnh mức độ của các gen hiện có. Việc hiểu biết cơ bản về sinh học và hiểu biết về tác động của stress muối đối với thực vật là cần thiết để cung cấp thông tin bổ sung cho việc phát triển cây trồng chống lại độ mặn và khả năng áp dụng trong tương lai để cải thiện tác động của độ mặn lên thực vật, đồng thời cả về sức khỏe con người và tính bền vững trong nông nghiệp.

Khái niệm

Độ mặn là sự hiện diện của các loại muối hoà tan trong nước và đất. Nhiều loại thuốc tẩy và phân bón thông dụng là hỗn hợp của các loại muối. Các thành phần muối này được gọi là chất hòa tan, có nghĩa là chúng tan trong nước. Tên và ký hiệu hóa học của các chất hòa tan thông dụng và các loại muối được liệt kê dưới đây:

Bảng 1: Tên và ký hiệu hóa học của các chất hòa tan thông dụng và các loại muối.

Độ mặn trong sông, hồ và biển rất đơn giản về mặt khái niệm, nhưng để đo chính xác là một thử thách kỹ thuật. Về mặt khái niệm, độ mặn là lượng muối hoà tan trong nước. Muối là các hợp chất như natri chloride, magie sulfat, kali nitrat và natri bicarbonate tan thành ion. Nồng độ các ion clorua hòa tan đôi khi được gọi là độ clo. Chất hòa tan được định nghĩa là chất có thể đi qua một bộ lọc có màng lọc rất mịn (trước đây là một bộ lọc có kích thước lỗ là 0,45 μm, nhưng ngày nay thường là 0,2 μm). [2] Độ mặn có thể được biểu thị dưới dạng tỷ lệ khối (mass fraction), có nghĩa là khối lượng của vật liệu hòa tan trong một đơn vị khối lượng dung dịch.

Nước biển thường có độ mặn khoảng 35 g/kg, mặc dù các giá trị thấp hơn thường xuất hiện gần bờ biển, nơi các sông đổ vào đại dương. Sông và hồ có thể có nhiều mức độ mặn khác nhau, từ dưới 0,01 g/kg [3] lên đến vài g/kg, tuy nhiên có nhiều nơi có độ mặn cao hơn. Ví dụ, Biển Chết có độ mặn lên đến trên 200 g/kg.

Cho dù kích thước của bộ lọc được sử dụng có thay đổi, giá trị độ mặn của mẫu nước tự nhiên không thay đổi nhiều hơn vài phần trăm (%). Các nhà hải dương học vật lý làm việc ở vùng biển sâu thường xuyên đánh giá tính chính xác và sự phù hợp của các phép đo với các nhà nghiên cứu khác nhau tại các thời điểm khác nhau, thường cần đến hàng năm chữ số quan trọng [5]. Nước biển được đóng chai, được biết đến với tiêu chuẩn IAPSO, được sử dụng để chuẩn hóa các phép đo bởi các nhà hải dương học với độ chính xác cần thiết.

Phương pháp đo độ mặn thông qua đo dẫn điện

Các chất hòa tan có thể mang điện tích dương (+) hoặc âm (-). Do đó, độ mặn có thể được đo thông qua cường độ dòng điện đi qua dung dịch. Nếu dung dịch chứa nhiều muối hòa tan, sẽ có cường độ dòng điện lớn đi qua, cho thấy mức độ muối cao. Các thiết bị đo dẫn điện cầm tay, hay còn gọi là 'EC meter', rất phổ biến và dễ dàng sử dụng. Đơn vị đo độ mặn quốc tế chuẩn là deci-Siemens mỗi mét (dS/m).

Tổng số chất rắn hòa tan và tỷ lệ phân tích

Tỉ lệ chất rắn hòa tan hoàn toàn (Total dissolved solids - TDS) hay còn gọi là nồng độ là lượng muối có trong một dung tích nước nhất định. Thường được tính bằng miligrams (mg), dung tích bằng lit (L), và nồng độ tính bằng miligram trên mỗi lit (mg/L). Tuy nhiên, phân bón thường ghi thành phần tương đối của các chất chính như nitơ (N), phospho (P) và kali (K) dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%), tức là trọng lượng kilogram của N, P, K trong mỗi trăm kilogram phân bón. Hình 2 thể hiện nồng độ dung dịch có thể được làm đậm khi thêm muối hoặc làm loãng khi thêm nước.

Thường không đo nồng độ trực tiếp, mà thường được tính từ độ dẫn điện. Các hệ số quan trọng để chuyển đổi từ đơn vị đo lường này sang các đơn vị khác nhau và từ nồng độ sang độ dẫn điện được cung cấp trong Bảng 2.

Bảng 2: Các hệ số chuyển đổi sang deci-Siemens mỗi mét (dS/m) dựa trên Rengasamy và Bourne (1977)

Thành phần

Các vấn đề đo lường và định nghĩa phát sinh do nước tự nhiên có chứa một hỗn hợp phức tạp các yếu tố từ các nguồn khác nhau (không phải tất cả là muối hòa tan) trong các dạng phân tử khác nhau. Tính chất hóa học của từng dạng này phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Đo lường chính xác các dạng này khó và phân tích hóa học toàn diện không thực tế đối với nhiều mẫu. Các định nghĩa khác nhau về độ mặn là kết quả của các nỗ lực giải quyết các vấn đề này với mức độ chính xác khác nhau, mặc dù vẫn dễ sử dụng và hợp lý.

Vì lý do thực tế, độ muối thường được liên kết với tổng khối lượng của các chất hòa tan (gọi là dung dịch muối) thay vì khối lượng muối không xác định đã được thêm vào (ngoại trừ nước biển nhân tạo). Đối với nhiều mục đích, tổng lượng này có thể được giới hạn trong một tập hợp các ion chính trong nước tự nhiên, mặc dù nước biển có độ chính xác cao nhất cũng chứa thêm 7 ion nhỏ [5]. Các ion chủ yếu chiếm ưu thế trong thành phần vô cơ của hầu hết các vùng nước tự nhiên (nhưng không phải tất cả). Các ngoại lệ bao gồm một số hồ và nước từ một số suối nước nóng.

Nồng độ các khí tan như oxy và nitơ thường không được sử dụng để mô tả độ mặn [2]. Tuy nhiên, carbon dioxide, khi hòa tan thành cacbonat và bicacbonat, lại được sử dụng. Silicon ở dạng axit silicic, thường tồn tại như một phân tử trung tính trong dải pH của hầu hết các vùng nước tự nhiên, cũng có thể được áp dụng cho một số mục đích (ví dụ, khi nghiên cứu mối quan hệ giữa độ mặn và mật độ).

Nước biển

Thuật ngữ 'độ mặn' thường được các nhà hải dương học liên kết với một trong những kỹ thuật đo lường cụ thể. Khi các kỹ thuật này tiếp tục phát triển, các mô tả về độ mặn cũng khác nhau. Sự phân biệt giữa các mô tả này rất quan trọng với các nhà hải dương học vật lý, nhưng có thể là mơ hồ và khó hiểu đối với những người không chuyên.

Độ mặn thường được đo bằng phương pháp chuẩn trước những năm 1980. Sử dụng bạc nitrat để chuẩn độ các ion halide (chủ yếu là clo và brôm) để tạo thành độ clo. Kết quả của 'độ mặn Knudsen' được biểu thị bằng các đơn vị trên mỗi nghìn (ppt hoặc ‰).

Việc sử dụng phép đo tính dẫn điện để ước tính hàm lượng ion trong nước biển đã dẫn tới việc phát triển thang đo độ mặn thực tế năm 1978 (PSS-78). Độ mặn được đo bằng PSS-78 không có đơn vị cụ thể. Đôi khi PSU (practical salinity unit) được sử dụng để bổ sung giá trị đo PSS-78, mặc dù điều này không được khuyến khích chính thức.

Vào năm 2010, một tiêu chuẩn mới về các tính chất của nước biển, gọi là phương trình nhiệt động lực của nước biển 2010 (TEOS-10), đã được ra đời. Tiêu chuẩn này bao gồm thang đo mới gọi là thang đo độ mặn của thành phần tham chiếu. Độ mặn tuyệt đối trên thang đo này được tính bằng phần trăm khối lượng, tính bằng gram trên mỗi kilogram dung dịch. Độ mặn trên thang đo này được xác định bằng cách kết hợp các phép đo tính dẫn điện với các thông tin khác có thể giải thích sự biến đổi địa phương trong thành phần của nước biển. Nó cũng có thể được xác định bằng cách đo mật độ trực tiếp.

Một mẫu nước biển với độ clo 19,37 ppt sẽ có độ mặn Knudsen khoảng 35,00 ppt, độ mặn thực tế PSS-78 khoảng 35,0 và độ mặn tuyệt đối TEOS-10 khoảng 35,2 g/kg. Độ dẫn điện của nước ở nhiệt độ 15 °C là 42,9 mS/cm.

Sông và hồ

Các nhà nghiên cứu về Limnologists và nhà hóa học thường xác định độ muối dựa trên khối lượng muối trong một đơn vị thể tích, được biểu thị bằng mg/l hoặc lít. Mặc dù không nói rõ, giá trị này chỉ áp dụng chính xác ở một số nhiệt độ tham chiếu. Các giá trị này thường chính xác với mức độ 1%. Limnologists cũng sử dụng tính dẫn điện hoặc 'độ dẫn tham chiếu' như một đại lượng thay thế cho độ mặn. Phương pháp đo này có thể được điều chỉnh cho các hiệu ứng nhiệt độ và thường được biểu diễn bằng các đơn vị μS/cm.

Nước sông hoặc hồ có độ mặn khoảng 70 mg/l thường có độ dẫn điện ở 25 °C dao động từ 80 đến 130 μS/cm. Độ dẫn thực tế thường biến đổi khoảng 2% mỗi độ Celsius, do đó độ dẫn điện đo được ở 5 °C chỉ có thể nằm trong khoảng từ 50 đến 80 μS/cm.

Các phép đo mật độ trực tiếp cũng được áp dụng để ước lượng độ mặn, đặc biệt là trong các hồ nước mặn cao [4]. Đôi khi, mật độ được đo ở nhiệt độ cụ thể được sử dụng như một chỉ số thay thế cho độ mặn. Trong những trường hợp khác, mối quan hệ giữa mật độ muối và mật độ thực nghiệm đã được phát triển để ước lượng độ mặn của các mẫu từ mật độ được đo.

Hệ thống phân loại nước dựa trên độ mặn

Nước biển là biển của đại dương, cũng được gọi là biển euhaline. Độ mặn của biển euhaline dao động từ 30 đến 35. Các khu vực biển hoặc vùng nước lợ có độ mặn từ 0,5 đến 29 được gọi là biển mesohaline, trong khi biển metahaline có độ mặn từ 36 đến 40. Những vùng nước này được xem là thalassic do có nguồn gốc từ đại dương và được định nghĩa là homoiohaline nếu độ mặn không thay đổi nhiều theo thời gian. Bảng bên phải, được sửa đổi từ Por (1972), [13] theo 'hệ thống Venice' (1959).

Ngược lại với môi trường homoiohaline, môi trường poikilohaline (cũng có thể là thalassic) có sự biến đổi độ mặn có ý nghĩa về mặt sinh học [15]. Độ mặn nước poikilohaline có thể dao động từ 0,5 đến hơn 300. Đặc điểm quan trọng là các vùng nước này có xu hướng thay đổi độ mặn theo mùa hoặc trên một khoảng thời gian tương đối ngắn và có ý nghĩa sinh học.

Nước biển cao muối, do đó muối tinh khiết (hoặc gần đó) được gọi là nước muối.

Xét về môi trường

Độ mặn là một yếu tố sinh thái quan trọng, ảnh hưởng đến các sinh vật sống trong các môi trường nước. Nó cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của các loại cây trồng trong nước hoặc trên đất bị ảnh hưởng bởi nước (hoặc nước ngầm) [16]. Cây thích nghi với môi trường nước muối được gọi là halophyte. Một loại halophyte có thể chịu được muối natri cacbonat còn lại được gọi là glasswort hoặc saltwort hoặc barilla. Các sinh vật (đặc biệt là vi khuẩn) có thể tồn tại trong môi trường nước mặn cao được phân loại là halophilic hay osmophilic. Một sinh vật có thể chịu được một loạt các mức độ mặn được gọi là euryhaline.

Muối là một vấn đề chi phí để loại bỏ khỏi nước, và hàm lượng muối là một yếu tố quan trọng đối với việc sử dụng nước (ví dụ như sản xuất năng suất).

Độ mặn trong đại dương là một yếu tố quan trọng trong tuần hoàn đại dương toàn cầu, nơi mật độ thay đổi do sự biến đổi của độ mặn và sự thay đổi nhiệt độ ở bề mặt đại dương tạo ra sự thay đổi về lượng nổi, gây ra sự trôi dạt và tăng khối lượng nước. Sự thay đổi độ mặn của các đại dương được cho là đóng góp vào sự biến đổi toàn cầu của carbon dioxide vì nhiều nước biển ít hòa tan với carbon dioxide. Ngoài ra, trong thời kỳ băng giá, thủy văn là một yếu tố có thể làm giảm sự lưu thông đại dương bằng cách sản xuất phân tầng. Do đó, trong trường hợp này, việc lưu thông thermohaline trở nên khó khăn.