CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN GIỮA ĐẤT VÀ CÂY TRỒNG

Tổng quát về các tiến trình trong môi trường đất Sự tương tác của các tính chất vật lý, hóa học và vi sinh vật của đất sẽ quyết định khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất đối với cây trồng. Nghiên cứu các tiến trình vật lý, hóa học và sinh học trong đất giúp chúng ta có khả năng quản lý đất một cách thích hợp để tăng cường sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất và khả năng sản xuất của cây trồng. Mục đích của bài này là tóm tắt các phản ứng trao đổi ion trong đất, sự di chuyển của ion trong dung dịch đất và sự hấp thu ion của cây trồng. 1 Sự hấp thu dinh dưỡng của cây trồng Sự cung cấp chất dinh dưỡng đến rễ cây trồng là một tiến trình động. Cây hấp thu các chất dinh dưỡng (cation và anion) từ dung dịch đất và giải phóng một lượng tương ứng các ion như H+, OH, HCO3. Trong quá trình hô hấp rễ cây thải ra khí CO2 chất này kết hợp với H2O trong đất tạo thành axit cacbonic (H2CO3) và đồng thời cây cũng giải phóng ra các axit hữu cơ, trong dung dịch đất các axit này bị phân ly thành các ion dương và ion âm. Khi một ion bị thải ra ngoài dung dịch đất tạo nên trạng thái mất cân bằng về điện tích và một ion cùng dấu từ dung dịch đất sẽ di chuyển vào trong rễ cây để bù đắp sự mất cân bằng này và tạo nên một sự cân bằng mới. Quá trình này liên tục tạo nên dòng chất thải ra từ rễ cây trồng và dòng ion từ đất vào trong rễ cây. Nhờ các axit tiết ra từ rễ nên có thể hoà tan một số chất dinh dưỡng trong vùng rễ từ đó rễ có thể hấp thụ dễ dàng các chất này. Quá trình hấp thụ phụ thuộc một phần vào quá trình hô hấp của cây, cường độ hô hấp càng cao thì các ion thải ra càng tăng và dòng dinh dưỡng hấp thụ vào càng mạnh. Khi có sự thay đổi nồng độ ion trong dung dịch đất, dung dịch đất sẽ được đệm (cung cấp) bởi các ion bị hấp thụ bề mặt trên các khoáng sét trong đất. Khi có sự mất đi của các ion trong dung dịch đất sẽ dẫn đến sự giải phóng một phần tương ứng các ion từ bề mặt khoáng sét này. Đất luôn có chứa các khoáng chất có thể tái bổ sung vào dung dịch đất với nhiều loại ion khác nhau. Ngược lại khi nồng độ các ion trong dung dịch đất tăng lên do bón phân hay do các nguyên nhân khác thì nhờ tính đệm này có thể dẫn đến sự hấp thụ hay kết tủa các ion này. Các tiến trình vi sinh vật trong đất rất biến động các vi sinh vật hấp thu các ion trong dung dịch đất thành chất dinh dưỡng cho chúng từ đó chúng tổng hợp thành các mô của riêng chúng, khi các vi sinh vật này chết đi các ion này sẽ được giải phóng trả lại cho dung dịch đất. Chính sự hoạt động của các vi sinh vật sẽ hình thành và phân giải các chất hữu cơ thành mùn trong đất. Các tiến trình động này phụ thuộc rất nhiều vào sự cung cấp năng lượng (carbon) của chất hữu cơ, các chất khoáng, và nhiều yếu tố khác. Rễ cây trồng và vi sinh vật đều sử dụng O2 từ trong đất và thải ra CO2 cho các hoạt động trao đổi chất của chúng. Kết quả là nồng độ CO2 trong môi trường đất thường cao hơn môi trường không khí bên trên. Sự khuếch tán các chất khí này trong đất chịu ảnh hưởng rất lớn bởi ẩm độ đất và các yếu tố khác, các yếu tố này làm thay đổi pH dung dịch đất, sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất, và khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng bởi cây. Nhiều yếu tố môi trường và các hoạt động của con người có thể ảnh hưởng đến nồng độ các ion trong dung dịch đất, nồng độ này sẽ tương tác với các tiến trình hóa học và sinh học trong đất. Tất cả các tiến trình trên đều rất quan trọng, quyết định đến khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng, tuy nhiên tùy thuộc vào từng chất dinh dưỡng riêng biệt, tiến trình này có thể quan trọng hơn tiến trình khác và ngược lại. Ví dụ, các tiến trình của vi sinh vật khá quan trọng đối với sự hữu dụng của N và S hơn là các phản ứng trao đổi bề mặt của các khoáng, ngược lại đối với K, Ca và Mg các phản ứng trao đổi bề mặt có thể là quan trọng hơn cả. Dĩ nhiên, các tiến trình này diễn ra rất phức tạp nên trong phần này chỉ có thể mô tả một cách tổng quát về sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng.

CHƯƠNG 3 CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN GIỮA ĐẤT VÀ CÂY TRỒNG

BÀI 1: SỰ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT DINH DƯỠNG TRONG ĐẤT

I Tổng quát về các tiến trình trong môi trường đất

Sự tương tác của các tính chất vật lý, hóa học và vi sinh vật của đất sẽ quyết định khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất đối với cây trồng Nghiên cứu các tiến trình vật lý, hóa học và sinh học trong đất giúp chúng ta có khả năng quản lý đất một cách thích hợp để tăng cường sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất và khả năng sản xuất của cây trồng Mục đích của bài này là tóm tắt các phản ứng trao đổi ion trong đất, sự

di chuyển của ion trong dung dịch đất và sự hấp thu ion của cây trồng

1 Sự hấp thu dinh dưỡng của cây trồng

Sự cung cấp chất dinh dưỡng đến rễ cây trồng là một tiến trình động Cây hấp thu các chất dinh dưỡng (cation và anion) từ dung dịch đất và giải phóng một lượng tương ứng các ion như H + , OH - , HCO 3 - Trong quá trình hô hấp rễ cây thải ra khí CO2 chất này kết hợp với

H2O trong đất tạo thành axit cacbonic (H2CO3) và đồng thời cây cũng giải phóng ra các axit hữu cơ, trong dung dịch đất các axit này bị phân ly thành các ion dương và ion âm Khi một ion bị thải ra ngoài dung dịch đất tạo nên trạng thái mất cân bằng về điện tích và một ion cùng dấu từ dung dịch đất sẽ di chuyển vào trong rễ cây để bù đắp sự mất cân bằng này và tạo nên một sự cân bằng mới Quá trình này liên tục tạo nên dòng chất thải ra từ rễ cây trồng và dòng ion từ đất vào trong rễ cây Nhờ các axit tiết ra từ rễ nên có thể hoà tan một số chất dinh dưỡng trong vùng rễ từ đó rễ có thể hấp thụ dễ dàng các chất này

Quá trình hấp thụ phụ thuộc một phần vào quá trình hô hấp của cây, cường độ hô hấp càng cao thì các ion thải ra càng tăng và dòng dinh dưỡng hấp thụ vào càng mạnh

Khi có sự thay đổi nồng độ ion trong dung dịch đất, dung dịch đất sẽ được đệm (cung cấp) bởi các ion bị hấp thụ bề mặt trên các khoáng sét trong đất Khi có sự mất đi của các ion trong dung dịch đất sẽ dẫn đến sự giải phóng một phần tương ứng các ion từ bề mặt khoáng sét này Đất luôn có chứa các khoáng chất có thể tái bổ sung vào dung dịch đất với nhiều loại ion khác nhau Ngược lại khi nồng độ các ion trong dung dịch đất tăng lên do bón phân hay do các nguyên nhân khác thì nhờ tính đệm này có thể dẫn đến sự hấp thụ hay kết tủa các ion này

Các tiến trình vi sinh vật trong đất rất biến động các vi sinh vật hấp thu các ion trong dung dịch đất thành chất dinh dưỡng cho chúng từ đó chúng tổng hợp thành các mô của riêng chúng, khi các vi sinh vật này chết đi các ion này sẽ được giải phóng trả lại cho dung dịch đất Chính sự hoạt động của các vi sinh vật sẽ hình thành và phân giải các chất hữu cơ thành mùn trong đất Các tiến trình động này phụ thuộc rất nhiều vào sự cung cấp năng lượng (carbon) của chất hữu cơ, các chất khoáng, và nhiều yếu tố khác Rễ cây trồng và vi sinh vật đều sử dụng O2 từ trong đất và thải ra CO2 cho các hoạt động trao đổi chất của chúng Kết quả là nồng độ CO2 trong môi trường đất thường cao hơn môi trường không khí bên trên Sự khuếch tán các chất khí này trong đất chịu ảnh hưởng rất lớn bởi ẩm độ đất và các yếu tố khác, các yếu tố này làm thay đổi pH dung dịch đất, sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất, và khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng bởi cây

Nhiều yếu tố môi trường và các hoạt động của con người có thể ảnh hưởng đến nồng

độ các ion trong dung dịch đất, nồng độ này sẽ tương tác với các tiến trình hóa học và sinh học trong đất Tất cả các tiến trình trên đều rất quan trọng, quyết định đến khả năng hữu

dưỡng riêng biệt, tiến trình này có thể quan trọng hơn tiến trình khác và ngược lại Ví dụ, các tiến trình của vi sinh vật khá quan trọng đối với sự hữu dụng của N và S hơn là các phản ứng trao đổi bề mặt của các khoáng, ngược lại đối với K, Ca và Mg các phản ứng trao đổi

bề mặt có thể là quan trọng hơn cả Dĩ nhiên, các tiến trình này diễn ra rất phức tạp nên trong phần này chỉ có thể mô tả một cách tổng quát về sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng

Hình 3.1 Các tiến trình trong dung dịch đất

2 Sự trao đổi ion trên keo đất

Sự trao đổi ion trong đất xảy ra trên bề mặt của các khoáng sét, các hợp chất vô cơ, chất hữu cơ, và rễ cây Sự kết hợp của các ion với các bề mặt này phụ thuộc vào loại khoáng hiện diện trong thành phần dung dịch đất và có tính chuyên biệt cho từng loại ion là một tiến trình thuận nghịch trong đó 1 cation hay 1 anion trong thành phần rắn được trao đổi với 1 cation hay 1 anion khác trong thành phần dung dịch Nhưng nếu 2 thành phần rắn tiếp xúc với nhau, sự trao đổi ion cũng có thể xảy ra giữa các bề mặt của chúng Sự trao đổi cation

thường được xem là quan trọng hơn, bởi vì khả năng trao đổi anion của phần lớn đất nông

nghiệp rất thấp so với khả năng trao đổi cation Các phản ứng trao đổi ion trong đất có ý

nghĩa rất quan trọng đến sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng Vì

vậy, chúng ta phải tìm hiểu được bản chất của sự trao đổi ion trong đất

2.1 Sự trao đổi cation

2.1.1 Các loại khoáng sét

Thành phần rắn chiếm khoảng 50 % thể tích đất, phần thể tích còn lại được chiếm giữ bởi nước và không khí Phần rắn gồm các chất vô cơ và các chất hữu cơ với các mức độ mùn hóa khác nhau Thành phần vô cơ bao gồm các hạt cát, thịt và sét Trong một số loại

Dung dịch đất

Các phần rắn và khoáng trong đất

Các ion trao đổi và hấp thụ bề mặt

Không khí trong

đất

Chất hữu cơ và

vi sinh vật

Dinh dưỡng hấp thu bởi cây trồng

2

1

1

4

1

6

1

5

10

9

12 11

8

7

3

1

Nước trong đất

2

đất luôn hiện diện một số mảnh vụn và thô với hàm lượng khác nhau Thành phần sét bao gồm chủ yếu là khoáng silicate được hình thành từ sự kết hợp của tứ diện silica và bát diện aluminum Cấu trúc của tứ diện silica là một cation Si4+ nối với 6 anion OH- Một chuỗi dài hay là một tầng của tứ diện và bát diện được nối kết với nhau để hình thành các tầng silicate

Các khoáng sét silicate trong đất có cấu trúc dạng lớp (tầng) và có 3 nhóm chính là: 2:1, 2:1:1 và 1:1 Sét 1:1 bao gồm nhiều tầng mỗi tầng chứa 1 lá silica và một lá aluminum Kaolinite là khoáng sét quan trọng nhất trong nhóm này Sét 2:1 cũng gồm nhiều tầng, mỗi tầng chứa 2 lá silica ở giữa là một lá aluminum, ví dụ sét 2:1 là smectite (montmorillonite, mica illite) và vermiculite Mica muscovite và biotite là các khoáng nguyên sinh 2: 1 thường

có nhiều trong thành phần thịt và cát của đất

Chlorite cũng là sét silicates có dạng tầng thường tìm thấy trong đất các sét này ngoài cấu trúc 2:1 đã nói ở trên còn có một lá hydroxide là tầng trung gian nên còn gọi là sét 2:1:1

2.1.2 Nguồn gốc và điện tích trên keo đất

Nguồn điện tích (-) chủ yếu liên kết với các silicates tầng bắt nguồn từ sự thay thế hoặc là các cation Si4+ hay Al3+ với các cation có điện tích nhỏ hơn Sự thay thế các cation trên các khoáng được gọi là sự thay thế đồng dạng và xảy ra chủ yếu trên các khoáng 2: 1, ít

có sự thay thế trên các khoáng 1: 1 Sự thay thế đồng dạng xảy ra trong thời gian hình thành các khoáng (hàng nghìn năm) vì vậy nên nó không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường hiện tại

Trong Mica sự thay thế của 1 Al3+ cho mỗi cation Si4+ trong một tầng tứ diện dẫn đến cân bằng một điện tích (-) Trong montmorillonite Mg2+ hay Fe2+ thay thế cho 1 Al3+ trong các tầng bát diện dẫn đến sự cân bằng một điện tích (-) cho mỗi sự thay thế Trong các khoáng vermiculite 2: 1 sự thay thế đồng dạng xảy ra trên cả hai tầng tứ diện và bát diện chia xẻ các tính chất đặc biệt của khoáng này nên có thể ảnh hưởng đến số lượng thật của điện tích bề mặt (-) Bảng 4.1 tóm tắt các tính chất này, ví dụ, thường sự thay thế đồng dạng xảy ra trên tầng tứ diện định vị điện tích (-) gần với bề mặt khoáng hơn là sự thay thế trong tầng bát diện Điện tích bề mặt (-) cao kết hợp với hình dạng đồng nhất của các tầng tứ diện cho phép các cation K+ trung hòa điện tích (-) giữa hai tầng trong khoáng 2: 1 Kết quả là các khoáng mica thể hiện một khoảng trống nhỏ để hấp dẫn các cations Vì thế mica có khả năng trao đổi cation thấp hơn là montmorillonite do các bề mặt của tầng trung gian không phơi bày ra ngoài

2.1.2 Các loại điện tích trên keo đất

Điện tích âm (-) do sự thay thế đồng dạng được phân bố đồng đều trên bề mặt của các khoáng sét được gọi là điện tích thường xuyên, điện tích này không bị ảnh hưởng bởi

pH của dung dịch Nguồn điện tích (-) khác có thể hiện diện trên các khoáng sét là do các cạnh bị vỡ của các silicate tầng Số lượng điện tích (-) hay (+) trên các cạnh bị vỡ này tùy thuộc vào pH của dung dịch đất Điện tích các cạnh bị vỡ gọi là điện tích phụ thuộc pH Trong những điều kiện chua (pH thấp) cạnh bị vỡ mang điện tích dương bởi vì các ion H+

thừa do các gốc Si – OH và Al – OH bị phơi bày ra Khi pH dung dịch đất tăng, một số ion

H+ này bị trung hòa và điện tích âm trên các cạnh bị vỡ tăng Khi pH > 7 dẫn đến sự trung hòa gần như toàn bộ H+ trên các gốc Si – OH và Al – OH trong trường hợp đó điện tích âm

do cạnh bị vỡ là tối đa

Chỉ có 5 – 10 % điện tích âm trên các sét 2: 1 là điện tích phụ thuộc pH, ngược lại có hơn 50 % điện tích âm trên các khoáng sét 1: 1 là điện tích phụ thuộc pH

Nguồn điện tích âm phụ thuộc pH khác được cung cấp bởi các phân tử hữu cơ phức tạp có liên quan đến mùn hay chất hữu cơ trong đất

Phần lớn điện tích âm bắt nguồn từ sự phân ly H+ từ các gốc carboxylic acid

(-COOH -COO- + H+) và phenolic (C6H4OH  C6H4O- + H+) Khi pH tăng một số ion H+ bị trung hòa nên điện tích âm trên bề mặt của các phân tử lớn này gia tăng

2.1.3 Khả năng trao đổi cation của đất

Khả năng trao đổi cation của đất được thể hiện bằng tổng điện tích âm (-) hữu hiệu

để thu hút các ion có điện tích dương (+) trong dung dịch Đó là một trong những tính chất hóa học quan trọng của đất và có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất CEC của đất được diễn tả bằng ly đương lượng (milliequivalents) điện tích (-)/100 g đất khô (meq/100 g đất) CEC cũng thể hiện tổng meq/100g các cation được giữ trên các điện tích âm Đơn vị meq được dùng thay cho trọng lượng bởi vì CEC thể hiện điện tích và vì các cation khác nhau mang điện tích khác nhau nên thường dùng đương lượng hay tổng điện tích để định lượng hóa CEC của đất Các định nghĩa về đương lượng và trọng lượng đương lượng như sau

Trọng lượng nguyên tử: trọng lượng gram của 6.1023 nguyên tử của một chất Một mole của một chất có 6.1023 nguyên tử, phân tử, ions, hợp chất vì vậy đơn vị của trọng lượng nguyên tử là grams/mole

Trọng lượng đương lượng: khối lượng của một chất (ví dụ cation, anion, hợp chất sẽ phản ứng thay thế 1gram H+, tương đương với số lượng điện tích avogadro (+ hay -) Trọng lượng này bằng với trọng lượng gram của 6.1023 điện tích, vì vậy đơn vị của trọng lượng đương lượng là gram / đương lượng (g/eq)

Tóm tắt các định nghĩa về trọng lượng nguyên tử và trọng lượng đương lượng tương tự nhau:

Trọng lượng nguyên tử = gram/6.1023 ion hay phân tử

Trọng lượng đương lượng = gram/6.1023 điện tích

Sử dụng đương lượng trong hóa học đất là cách thuận lợi để diễn tả hàm lượng các ion trao đổi trong đất Trong trao đổi các cation các vấn đề về trọng lượng nguyên tử và trọng lượng đương lượng có quan hệ như sau:

Trọng lượng đương lượng của chất “A” = trọng lượng nguyên tử của “A”/hóa trị A

Ví dụ:

Trọng lượng đương lượng của K+ = 39 g/mole/(1 eq/mole) = 39 g/eq

Trọng lượng đương lượng của Ca = 40 g/mole/(2 eq/mole) = 20 g/eq

Trọng lượng đương lượng của AL = 27 g/mole/(3 eq/mole) = 9 g/eq

Vì hệ thống đơn vị SI thường được sử dụng trong khoa học Vì thế meq/100 g trở thành cmol/ kg trong đơn vị SI; centimole điện tích / 1 kg đất Sự chuyển đổi 1 meq/100 g đất = cmol/ 1 kg đất Trong phần này chúng ta sử dụng đơn vị meq/ 100 g vì phần lớn các phòng phân tích sử dụng đơn vị này để diễn tả CEC

Nếu một loại đất có chứa 1 mole ion Ca2+(6.1023 ion) do đó nó sẽ có 2.6.1023 điện tích Theo định nghĩa trọng lượng đương lượng thì trọng lượng của 6.1023 điện tích, có nghĩa là 1 đương lượng của Ca2+ nặng 20 g/eq hay 20 g/6.1023 điện tích Cần nhớ rằng 1 mole Ca2+

nặng 40 g/6.1023 ion

Sử dụng đương lượng để diễn tả nồng độ hay hàm lượng của các chất dinh dưỡng trong đất rất thuận lợi bởi vì nó chính là bản chất của các phản ứng trao đổi nói chung và trao đổi cation nói riêng Nếu Ca2+ thay thế K+ trên phức trao đổi mỗi cation Ca2+ sẽ thay thế

2 cation K+, nhưng một đương lượng Ca2+ chỉ thay thế một đương lượng K+ hay một đương lượng của cation nào khác Vì vậy: một đương lượng chất A = 1 đương lượng chất B, với A,

B là các cation, hợp chất

4

Khái niệm này rất quan trọng để hiểu và định lượng hóa nhiều phản ứng hóa học trong nghiên cứu độ phì phân bón

Để xác định trọng lượng đương lượng của một hợp chất cần phải hiểu các phản ứng liên quan của hợp chất đó

Ví dụ: CaCO3 +2HCl  Ca2+ +2Cl- +H2O +CO2

Như vậy trọng lượng đương lượng của CaCO3 trong phản ứng này là: một mole CaCO3

trung hòa hết 2 mole HCl vì thế trọng lượng đương lượng = trọng lượng phân tử /2= 100/2 =

50 g/eq

CEC của các khoáng sét phổ biến và chất hữu cơ được trình bày trong bảng 3.1 Các loại đất

có hàm lượng sét 2:1 chiếm ưu thế sẽ có khả năng trao đổi cation cao hơn đất chủ yếu chứa sét 1 :1

Bảng 3.1 CEC của một số keo đất phổ biến

Khoáng sét Kiểu tầng Điện tích

tầng

CEC (cmol/kg)

Điện tích phụ thuộc pH

CEC chịu ảnh hưởng rất lớn bởi bản chất và hàm lượng khoáng sét và keo hữu cơ hiện diện trong đất Các loại đất có hàm lượng sét và chất hữu cơ cao sẽ có khả năng trao đổi CEC cao hơn đất cát và đất có hàm lượng chất hữu cơ thấp

Các ví dụ về giá trị CEC của các loại đất có sa cấu khác nhau như sau:

Cát (màu sáng) 3-5 meq/100 g

Cát (màu tối) 10- 20 meq/100 g

Thịt 10 – 15 meq/100 g

Thịt nặng 15 – 25 meq/100 g

Sét và thịt pha sét 20 -50 meq/100 g

Đất hữu cơ 50 -100 meq/100 g

2.1.4 Các cation hấp thụ - trao đổi chính trong đất

Các cation chủ yếu có liên quan với CEC của các thành phần rắn khác nhau Ngoại trừ Al3+, hầu hết các cation trao đổi là các chất dinh dưỡng của cây trồng Trong đất chua các cation này chủ yếu là Al3+, H+, Ca2+, Mg2+, K+, và một lượng nhỏ Na+ Trong đất trung tính

và kiềm cation chủ yếu là Ca2+, Mg2+, K+, Na+ và một lượng rất nhỏ Al3+ Cation được giữ trên các vị trí trao đổi có các lực hấp phụ khác nhau, vì thế các cation bị giữ yếu trên đó sẽ

dễ dàng bị thay thế hay trao đổi với các cation khác Với hầu hết các khoáng trong đất lực hấp phụ cation (hay lyotropic series) theo thứ tự như sau:

Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+

Các tính chất của cation quyết định lực hấp phụ hay giải phóng của cation đó Đầu tiên lực hấp phụ tỉ lệ thuận với điện tích trên các cation Ion H+ là duy nhất vì kích thước rất nhỏ của nó và mật độ điện tích cao nên có áp lực hấp phụ mạnh, lực hấp phụ của nó nằm giữa Al3+ và Ca2+ Kế đến lực hấp phụ của các cation có điện tích tương tự thì được quyết định bởi kích thước hay bán kính của cation khi ngậm nước (bảng 3.2) Khi kích thước cation ngậm nước tăng thì khoảng cách giữa cation và bề mặt sét tăng Các cation ngậm

nước có kích thước lớn thì không thể nằm gần vị trí trao đổi như là các ion có kích thước nhỏ hơn, kết quả là các cation này bị giảm lực hấp phụ

Bảng 3.2 Bán kính một số nguyên tố

Nguyên tố Trọng lượng

nguyên tử (g/mol)

Trọng lượng đương lượng (g/eq)

Bán kính ion (nm) Không ngậm

nước

Ngậm nước

Sự trao đổi của một cation này với một cation khác chủ yếu được thực hiện bởi hàm lượng (nồng độ) các cation được cho vào Nguyên lý này được sử dụng để xác định CEC các loại đất trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, khi chỉ có một lượng nhỏ cation được thêm vào, sự giải phóng hay trao đổi chịu ảnh hưởng bởi cation bổ sung có liên quan Ảnh hưởng của cation bổ sung xảy ra khi sự trao đổi một cation này với một cation khác trở nên dễ dàng hơn vì áp lực của cation thứ ba hay cation bổ sung gia tăng Ví dụ, sự trao đổi của

NH4+ với Ca2+ xảy ra hoàn toàn hơn khi Al3+ chiếm ưu thế trong hệ thống, so với hệ thống có cation bổ sung là Na+ Bởi vì Na+ được trao đổi với NH4 dễ hơn, vậy sẽ có ít NH4 trao đổi với Ca2+ Vì NH4+ không dễ trao đổi với Al3+ vì vậy sẽ có nhiều NH4+ tồn tại trong dung dịch

để trao đổi với Ca2+

2.1.5 Xác định CEC

Một phương pháp cổ điển để đo CEC là trích mẫu đất với dung dịch 1N Amonium acetate trung tính Tất cả các cation trao đổi trên keo đất được thay thế bởi các ion NH4 và CEC trở nên bão hòa với NH4+ Nếu đất đã được bảo hòa NH4+ được trích tiếp tục với một dung dịch muối như là muối KCl 1N Các ion K+ sẽ thay thế các ion NH4 đuợc hấp phụ trước đó, nếu huyền phù đất-KCl được lọc thì dịch lọc sẽ chứa các ion NH4+ bị đất hấp phụ trước đó Hàm lượng NH4+ là số đo của CEC

6

Đất

H +

Ca 2+

Mg2+

K +

Al 3+

Đất 9NH4+

H +

Ca 2+

Mg2+

K +

Al 3+

Dung dịch đất

Đất

Dung dịch

Đất

+ 9KCl

Ví dụ, giả sử nồng độ NH4+ trong dung dịch lọc là 270 ppm (20 g đất được trích với 200 ml dung dịch KCl) CEC được tính như sau:

270 ppm NH4+ = 270 mgNH4+/L

270 mg NH4 /L x (0,2 L/20 gram đất) = 2,7 mg NH4 /g đất

(2,7 mg NH4+/g đất)/(18 mg NH4+ /meq) = 0,15 meq CEC/g đất

0,15 meq CEC/g đất x 100 = 15 meq /100g đất

CEC = 15 meq/100 g đất

2.1.6 Độ bảo hòa base

Một đặc tính quan trọng của đất là độ bão hòa base, được định nghĩa là % tổng CEC được chiếm giữ bởi các cation kiềm ( Ca2+, Mg2+, K+, Na+) để diễn tả độ bão hòa base, giả sử rằng các cation sau đây được đo trong dịch trích 200 ml NH4Oac thu được trong 20 g đất

Ca2+ = 100 ppm

Mg2+ = 30 ppm

K+ = 78 ppm

Na+=23 ppm

Trọng lượng đương lượng của các cation này tra trong bảng 3.2 Các tính sau đây được sử dụng để diễn tả các nồng độ cation bằng đơn vị của CEC và xác định độ bão hòa base

Ca2+ =100 ppm = 100 mg/L x(0,2L/20 g đất)/(20 mg/meq)x100/100 = 5 meq Ca2+

Mg2+ =30 ppm =100 mg/Lx(0,2 L/20 g đất)/(12 mg/meq)x100/100 =2,5 meq Mg2+

K+ =78 ppm = 100 mg/L x(0,2 L/20 g đất)/(39 mg/meq)x100/100 = 2 meq K+

Na+ =23 ppm = 100 mg/L x(0,2 L/20 g đất)/(23 mg/meq)x100/100 = 1 meq Na+

Tổng số = 10,5 meq base / 100g

Độ bão hòa base % =(tổng các base/ CEC) x100

= |(10,5 meq/100 g)/(15 meq/100 g)| x100 = 70%

% độ bão hòa của bất cứ cation nào cũng có thể tích tương tự Ví dụ, từ các số liệu trước, %

độ bảo hòa của Mg2+ = (2,5 meq Mg/10,5 meq CEC) x100 = 23,8 %Mg

Theo qui luật chung, độ bão hòa base (% BS) của các loại đất bình thường không canh tác, đất vùng khô hạn cao hơn các loại đất trong vùng khí hậu ẩm, hoặc canh tác lâu năm Mặc dù điều này không phải luôn đúng, nhất là trong các vùng khí hậu ẩm, và BS % của các loại đất được hình thành từ đá vôi hay các loại đá phún xuất kiềm thì lại cao hơn là đất hình thành trên sa thạch hay các loại đá phún xuất chua

Sự hữu dụng của các cation dinh dưỡng như Ca2+, Mg2+, và K+ đối với cây trồng gia tăng theo sự gia tăng của BS % Ví dụ, một loại đất có BS là 80 % có thể sẽ cung cấp các cation cho cây trồng đang sinh trưởng dễ dàng hơn nhiều so với đất có BS là 40 % Sự quan

hệ giữa BS % và sự hữu dụng của các cation bị thay đổi bởi bản chất của keo đất Theo qui luật đất có hàm lượng keo hữu cơ hay keo 1: 1 cao có thể cung cấp các cation cho cây trồng với lượng lớn ở 1 BS % thấp hơn nhiều so với đất có hàm lượng keo 2: 1 cao

-BS % luôn có quan hệ với pH đất Khi % Ca2+, Mg2+ và K+ trên các vị trí trao đổi tăng, pH sẽ tăng Trong ví dụ này, pH5,5 tương đương với khoảng 50 % BS và pH: 7,0, tương đương với 90 % BS

Sự tương quan giữa pH và BS có khác nhau giữa các loại đất khác nhau Tuy nhiên, việc xác lập mối tương quan này có thể hữu ích cho việc đánh giá nhu cầu bón vôi cho các loại đất chua

2.2 Sự trao đổi anion

2.2.1 Nguồn điện tích dương (+)

Các anion trong dung dịch đất cũng chịu sự hấp phụ trên các vị trí mang điện tích (+) trên các bề mặt của khoáng sét và chất hữu cơ Các điện tích dương (+) có tác dụng hấp phụ tĩnh điện và trao đổi các anion có nguồn gốc trong các nối của khoáng sét bị phá vỡ, chủ yếu

là trong lá bát diện aluminum, sự phơi bày các gốc OH- ra ngoài trên các cạnh khoáng sét

Sự trao đổi anion cũng có thể xảy ra trên các gốc OH- trên bề mặt hydroxyl của sét kaolinite

Sự thay thế các ion OH- từ các oxide Fe, Al ngâm nước được xem là một cơ chế quan trọng đối với sự trao đổi anion, đặc biệt là trong các loại đất phong hóa mạnh của vùng nhiệt đới

và á nhiệt đới và những loại đất này có khả năng trao đổi anion rất lớn

2.2.2 Khả năng trao đổi anion

Khả năng trao đổi anion (AEC) tăng khi pH giảm Ngoài các loại đất có chứa sét 1: 1 cao và các loại đất có chứa oxide Fe, Al ngậm nước cao thì sự trao đổi anion lớn hơn trong các loại đất chứa sét 2: 1 cao Các khoáng sét montmorillonite thường có AEC < 5 meq/100

g Ngược lại kaolinite có AEC > 43 meq/100 g ở pH: 4,7 Các loại đất sản xuất nông nghiệp

có giá trị pH cao hơn giá trị này nên AEC của các loại đất không có ý nghĩa nhiều trong sự trao đổi anion

2.2.3 Các anion hấp thụ - trao đổi trong đất

Các anion như Cl-, NO3- có thể bị hấp phụ, mặc dù không phổ biến như là H2PO4- và

SO42- Thứ tự hấp phụ anion là H2PO4- > SO42- >NO3- = Cl- Trong phần lớn các loại đất thì

H2PO4- là anion chính bị hấp phụ, mặc dù trên một số loại đất chua hàm lượng SO42- cũng bị hấp phụ đáng kể

Các cơ chế có tác dụng làm cho các anion được giữ lại trong đất phức tạp hơn nhiều, ngoài lực hấp phụ tĩnh điện đơn giản có liên quan đến phần lớn các phản ứng trao đổi cation thì các anion cũng có thể được giữ lại do các hạt đất thông qua sự hấp phụ đặc biệt hay các phản ứng hấp phụ hóa học, sự hấp phụ này không phải là hấp phụ tĩnh điện

2.3 Khả năng đệm của đất

2.3.1 Định nghĩa khả năng đệm của đất

Sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng tùy thuộc vào nồng độ của các chất dinh dưỡng trong dung dịch đất, nhưng quan trọng hơn là tùy thuộc vào khả năng duy trì nồng độ các chất dinh dưỡng của đất Khả năng đệm thể hiện khả năng của đất tái cung cấp một ion nào đó vào dung dịch đất Khả năng đệm có liên quan đến tất cả các phần rắn hay các vị trí trao đổi hay hấp phụ các cation/ anion Do đó pH của dung dịch đất được đệm bởi H+ trao đổi và sẽ không tăng cho đến khi có một lượng lớn các acid trao đổi được trung hòa Tương tự như thế, khi rễ cây trồng hấp thu hay lấy đi các chất dinh dưỡng như

K+, thì K+ trao đổi sẽ được giải phóng để tái cung cấp K+ cho dung dịch đất Với một số chất dinh dưỡng như H2PO4- các khoáng lân ở dạng rắn sẽ hòa tan để tái cung cấp hay đệm

H2PO4- cho dung dịch đất

8

Khả năng đệm (BC) cũng được diễn tả bằng tỉ lệ của nồng độ bị hấp phụ (∆Q) và nồng độ ion trong dung dịch (∆I): BC = (∆Q/∆I)

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng đệm của đất

BC trong đất tăng khi CEC tăng, chất hữu cơ tăng Ví dụ, BC của đất chứa sét montmorillonite có hàm lượng chất hữu cơ cao sẽ lớn hơn đất chứa sét kaolinite và có hàm lượng chất hữu cơ thấp Vì CEC tăng theo hàm lượng sét nên đất có sa cấu mịn sẽ có BC cao hơn đất có sa cấu thô Ví dụ, nếu K+ trao đổi giảm do cây trồng hấp thu, thì khả năng đệm K+ sẽ bị giảm khi nồng độ trong dung dịch giảm Chất dinh dưỡng sẽ bị thiếu và cần phải bón phân K+ để tăng K+ trao đổi Bón phân P sẽ làm tăng H2PO4- trao đổi, nhưng quan trọng hơn là một số H2PO4- sẽ bị kết tủa dưới dạng các hợp chất rắn góp phần làm tăng khả năng đệm P của đất BC là tính chất quan trọng của đất, có ảnh hưởng rất lớn đến sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng và sự quản lý phân bón

2.4 Khả năng trao đổi cation của rễ cây

Rễ cây trồng có CEC biến thiên từ 10 – 30 meq/100g ở các cây 1 lá mầm như họ hòa thảo và từ 40 – 100 meq/100g ở các cây hai lá mầm Các tính chất trao đổi ở rễ chủ yếu do các gốc carboxyl (- COOH), tương tự các vị trí trao đổi trên mùn và chiếm 70 – 90 % khả năng trao đổi cation của rễ

Các cây họ đậu và các cây khác có CEC cao thường có xu hướng hấp thu nhiều cation có hóa trị 2 như Ca2+ hơn là các cation có hóa trị 1, trong khi đó các cây họ hòa thảo thì có xu hướng ngược lại Các tính chất trao đổi cation của rễ này giúp ta giải thích tại sao trong một đồng cỏ gồm hỗn hợp cây họ hòa thảo và cây họ đậu trồng trên loại đất có K+

thấp thì cây họ hòa thảo tồn tại nhưng cây họ đậu lại chết Các cây họ hòa thảo được xem là loại cây hấp thu K+ hiệu quả hơn cây họ đậu

Bảng 3.3 Khả năng trao đổi CEC của rễ cây trồng

2.5 Khả năng và cơ chế cung cấp chất dinh dưỡng của đất

Trong nông nghiệp lớp đất mặt (là lớp đất chủ yếu cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng) từ 0 – 20 cm được quan tâm nhiều hơn các tầng khác, trong khối lượng đất trồng trọt/ha có chứa trung bình số lượng các chất dinh dưỡng như thể hiện ở bảng 3.4

Bảng 3.4 Khả năng cung cấp một số chất dinh dưỡng của đất

Nguyên tố dinh dưỡng Tỉ lệ (%) Số lượng (kg/ha)

Bảng 3.4 số lượng chất dinh dưỡng đạm, lân, kali trong đất có khả năng hình thành một khối lượng nông sản khổng lồ bằng năng suất trung bình thu hoạch liên tục trong hàng trăm năm nhưng trong thực tế sản xuất nông nghiệp cây trồng vẫn thường bị thiếu chất dinh dưỡng, do đó cần thiết phải được bón phân Bên cạnh đó nhiều chất dinh dưỡng trong đất ở dạng khó tiêu phải phụ thuộc vào quá trình thoái hóa của vi sinh vật mới được chuyển thành

chất dinh dưỡng dễ tiêu cây có khả năng hấp thu được Hầu hết đạm ở trong đất là dạng đạm hữu cơ trong thành phần mùn, chỉ khi mùn bị khoáng hóa giải phóng đạm NH4 , NO3- thì cây mới sử dụng được Quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng trong đất không đáp ứng kịp thời đòi hỏi của cây trồng tỉ lệ các chất dinh dưỡng trong đất không cân đối, ba chất dinh dưỡng chính là đạm, lân, kali trong đất thường không cân đối với nhau, do đó cần phải bổ sung các chất dinh dưỡng giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển

3 Sự khoáng hoá các chất dinh dưỡng trong đất

4 Sự hấp thụ các chất dinh dưỡng của đất

Chất dinh dưỡng trong đất bị hấp thụ chủ yếu ở các dạng chính sau:

4.1 Hấp thu sinh học

Sự hấp thu sinh học là quá trình chuyển hóa các hợp chất vô cơ hòa tan thành các hợp chất hữu cơ không hòa tan của cơ thể các sinh vật trong đất Quá trình hấp thu sinh học

có ý nghĩa rất lớn đến việc hình thành đất và bón phân cho cây trồng Sự hấp thụ sinh học trong điều kiện dung dịch đất có chứa nhiều chất dinh dưỡng, cây không sử dụng hết, là quá trình có lợi Ngược lại trong điều kiện đất nghèo chất dinh dưỡng nếu vi sinh vật phát triển quá nhiều, hiện tượng hấp thu sinh học xảy ra sẽ làm cho cây thiếu chất dinh dưỡng Ví dụ, khi bón nhiều chất hữu cơ chưa hoai vào trong đất (tỉ lệ C/N cao) các vi sinh vật phân hủy cellulose phát triển nhanh cạnh tranh N, P2O5, K2O với cây trồng, có thể dẫn đến cây trồng

bị thiếu các khoáng này Đó là quá trình bất lợi nhất thời đối với cây trồng, vì phải qua một thời gian các vi sinh vật này chết đi cơ thể bị khoáng hóa mới cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng Vi sinh vật sống trong đất càng nhiều thì hấp thu sinh học càng lớn

4.2 Hấp thu cơ học

Đó là quá trình các khoáng bị hấp thu vào khe hở hay mao quản của các hạt, điều này thể hiện ở các vùng đất bồi có khả năng giữ được các hạt phù sa có chứa nhiều chất dinh dưỡng Khi bón bột apatit hay phosphoric những hạt này được giữ lại không bị nước cuốn trôi nhờ có khả năng hấp thụ cơ học của đất Cũng nhờ có những mao quản này mà đất có khả năng giữ lại các vi sinh vật trong đất không bị nước cuốn trôi đi

4.3 Hấp thụ lý học (hấp thụ phân tử)

Đây là hình thái hấp thu trên bề mặt hạt keo, keo đất là các hạt vô cùng nhỏ, mỗi hạt keo gồm rất nhiều phân tử, các phân tử này có sức hút các phân tử khác trong dung dịch đất Nhờ có loại hấp thu này đất có khả năng giữ lại trên bề mặt hạt keo những phân tử nhiều loại chất Cường độ hấp thu này phụ thuộc tổng điện tích các hạt keo Khi tổng số các hạt keo tăng lên thì diện tích tăng lên và cỡ hạt giảm xuống Vì vậy, trong đất nếu tỉ lệ hạt sét càng cao thì khả năng hấp thu lý học càng lớn Những phân tử các chất hòa tan trong dung dịch đất bị hạt đất hấp thu mạnh hơn là phân tử nước, cho nên, trong dung dịch bọc xung quanh bề mặt hạt đất, nồng độ của chất đó cao hơn là ở những chỗ khác Trong trường hợp

đó, xảy ra sự hấp thu phân tử dương, còn gọi là hấp thu lý học dương Đây là cơ chế của sự hấp thu nhiều loại hợp chất hữu cơ, như các loại rượu, acid hữu cơ, các chất cao phân tử Về phương diện hấp thu lý học dương trong số các loại hợp chất khoáng, đất chỉ hấp thu bazơ Đối với những chất khoáng tan trong nước, có hiện tượng hấp thu âm Hiện tượng hấp thu

âm thường xảy ra khi đất gặp những dung dịch Cl, NO3- Ví dụ, ta rửa đất khô bằng dung dịch NaNO3 thì không những trong nước rửa nồng độ nitrate sẽ không hạ thấp mà trái lại tăng lên Lý do là vì đất hấp thu những phân tử nước, cho nên cũng lượng nitrate đó lại ở trong một lượng nước ít hơn, cho nên nồng độ cao hơn Nhờ có hiện tượng hấp thu lý học

10