Khái niệm
Khi ta cho một lượng nhỏ axit hoặc bazơ vào nước cất rồi xác định pH ta thấy pH nước thay đổi nhiều nhưng khi ta cho một lượng như vậy axit hoặc bazơ vào đất rồi xác định pH của đất thì pH của đất vẫn ổn định hoặc thay đổi không đáng kể. Ðiều này chứng tỏ đất có khả năng chốnglại sự thay đổi pH.
Vậy: "tính đệm của đất là khả năng của đất có thể chống lại sự thay đổi pH khi có một
lượng axit hay bazơ nhất định tác động vào đất"
Nguyên nhân tạo nên tính đệm của đất
Có nhiều nguyên nhân khác nhau:
+ Trong đất có chứa một số chất như muối cacbonat, muối phosphat Fe, Al, Ca, các hydroxyt Fe, Al, Mn... có khả năng trung hoà axit làm cho pH đất ổn định (đệm một chiều)
Ví dụ: CaCO3 + 2HNO3→ Ca(NO3)2 + H2O
+ Do trong đất có các các axit hữu cơ (axit mùn và các axit amin). Các axit này có cả gốc axit và bazơ (- OH, - COOH, - NH2) nên có thể đệm đuợc cả axit và bazơ (đệm hai chiều)
- Ðệm do axit humic:
R CH - COOH + HCl → R - CH COOH + H2O OH Cl
R CH - COOH + NaOH → R -CH COONa + H2O OH OH
- Ðệm do axit amin:
R CH - COOH + HCl → R -CH COOH NH2 NH3Cl
R CH - COOH + NaOH → R - CH COONa + H2O NH2 NH2
Ðất chứa nhiều mùn và các chất hữu cơ có khả năng đệm cao + Do hoạt động trao đổi cation trong đất
Trên bề mặt keo đất, đặc biệt là keo âm thường hấp phụ các cation kiềm và không kiềm. Các cation này có thể trao đổi với H+ hoặc Na+ làm cho pH dung dịch đất không đổi.
Ví dụ: [KÐ]Ca2+ + HCl →[KÐ]2H+ + CaCl2
[KÐ]H+ + NaOH →[KÐ]Na+ + H2O
Như vậy, số lượng keo âm trong đất càng nhiều thì tác dụng trao đổi cation càng mạnh, hay nói cách khác: hàm lượng mùn càng cao và thành phần cơ giới càng nặng thì tính đệm của đất càng lớn.
+ Tác dụng của Al3+ di động trong đất:
Theo R. K. Schofield lúc pH <5,5, cation Al3+ ở trạng thái xung quanh có 6 phân tử H2O bao bọc [Al(H2O)6]3+. Nếu có kiềm xâm nhập thì một số phân tử nước của ion
[Al(H2O)6]3+ phân ly tạo H+ và OH-, H+ sẽ trung hoà chất kiềm còn OH- được giữ trên bề mặt cation Al3+ làm cho pH của đất ổn định. Al3+ di động chỉ có khả năng đệm khi pH<5,5 và chỉ đệm một chiều với chất kiềm.
2[Al(H2O)6]3+ + 2OH- →[Al(OH)2(H2O)8]4+ + 4H2O
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O OH- OH- Al- Al- 4+
Nếu chất kiềm tiếp tục xâm nhập vào đất thì các phân tử nước trên đó lại tiếp tục phân ly ra ion H+ để trung hoà làm ion nhôm kép trở nên phức tạp hơn.
H2OH2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O OH- OH- Al- Al- 6+ H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O OH- OH- Al- Al- OH- OH-
Lúc pH >5,5 thì ion nhôm kết tủa dưới dạng Al(OH)3 và mất khả năng đệm. Như vậy nhôm chỉ có khả năng đệm khi pH của đất dưới 5,5 và chỉ đệm với bazơ (đệm một chiều.).
Qua các nguyên nhân nói trên ta có thể rút ra một nhận xét rằng: Tính đệm của đất phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng mùn và thành phần cơ giới đất
Ðất giàu mùn > đất sét > đất thịt > đất cát
Thí nghiệm đơn giản sau đây có thể khẳng định thêm kết luận trên: Với 3 loại đất (đất cát, đất sét và đất giàu mùn); mỗi loại đất ta dùng 6 ống nghiệm, trong mỗi ống nghiệm chứa 5 g đất bột. Ðổ lần lượt vào các ống nghiệm lượng vôi bột CaO tương ứng 5, 10, 15, 20, 25, 30mg, thêm 25ml nước cất, lắc đều trong 10 phút rồi xác định pH và biểu diễn kết quả trên đồ thị. Qua đồ thị ta thấy muốn đưa pH từ 5 lên 7 cho 1 ha thì phải dùng 9.000 kg vôi đối với đất đen giàu mùn, 4.500kg vôi đối với đất sét và chỉ 1.500kg đối với đất cát.
bón cho đất phải tính tới khả năng đệm của đất để có mức bón phù hợp. Ðối với đất có thành phần cơ giới nhẹ, nghèo mùn ta có thể giảm bớt lượng vôi bón, đối với đất giàu mùn, có thành phần cơ giới nặng phải tăng lượng vôi bón lên 1,2-1,5 lần theo con số tính lý thuyết.
Câu 17. Phản ứng Ôxi hoá - Khử
Phản ứng oxy hoá khử của đất Khái niệmvề phản ứng oxy hoá khử
Oxy hoá khử là quá trình diễn ra phổ biến trong đất, đặc biệt là đất lúa nước. Quá trình này giữ một vai trò quan trọng đối với độ phì nhiêu đất. Oxy hoá là kết hợp với oxy hay mất hydro. Trái lại khử oxy là mất oxy hay kết hợp với hyđro. Quá trình oxy hoá khử cũng liên quan đến sự chuyển dịch điện tử (electron)… Các chất oxy hoá (ký hiệu là ox) là những chất nhận điện tử. Quá trình chất oxy hoá nhận điện tử gọi là quá trình khử. Các chất khử (ký hiệu là Red) là những chất cho điện tử, quá trình chất khử cho điện tử là quá trình oxy hoá. Cả hệ thống oxy hoá khử ký hiệu là Redox.
Trong một phản ứng cụ thể chất oxy hoá và chất khử tạo thành cặp oxy hoá khử và được gọi là một hệ thống oxy hoá - khử trong đất.
Ví dụ: Fe3+ + e ↔ Fe2+ hoặc Fe2+ - e ↔ Fe3+
Trong đất có các chất oxy hoá là O2, NO3-, Fe3+, Mn4+, Mn3+, Cu2+ và vi sinh vật hiếu khí. Những chất khử là H2, Fe2+, Mn2+, Cu+ vi sinh vật yếm khí và các sản phẩm phân giải xác hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Tất cả các phản ứng oxy hoá khử đều có sự tham gia của vi sinh vật.
Dù trong điều kiện oxy hoá hay điều kiện khử oxy, chất hữu cơ vẫn được phân huỷ chỉ khác nhau về tốc độ phản ứng và sản phẩm phân giải:
Ảnh hưởng của trạng thái oxy hoá khử đến các dạng sản phẩm phân giải xác hữu cơ
Thành phần chất hữu cơ Sản phẩm oxy hoá (ox) Sản phẩm khử (Red) C N S P Fe Mn Cu CO2 NO2-, NO3- SO42- PO43- Fe3+ Mn3+, Mn4+ Cu2+ CH4, CO NH3, N2 H2S PH3 Fe2+ Mn2+ Cu+
Cường độ oxy hoá khử được xác định bằng điện thế oxy hoá khử, ký hiệu Eh, đơn vị là milivon (mV), tính theo công thức:
Eh (mV) = Eo + 59/ n.lg (ox)/ (red)
Trong đó Eo là điện thế tiêu chuẩn, nghĩa là điện thế phát sinh ở các điện cực nằm trong dung dịch có chất oxy hoá và chất khử oxy nồng độ 1N và là hằng số với mỗi hệ oxy hoá khử. Ví dụ: Fe3+ + e - _↔ Fe2+ Mn4+ + 2e -↔ Mn2+ Mn3+ + e -↔ Mn2+ Eo = 770 mV Eo = 344 mV Eo = 1510 mV
MnO4- + 4H+ + 3e -↔ MnO2 + 2H2O Eo = 1640 mV Còn [ox] là nồng độ đương lượng của chất oxy hoá
[Red] là nồng độ đương lượng của chất khử
Ví dụ: trong đất cụ thể nào đó có [Fe2+] = 0,1 N và [Fe3+] = 0,001 N thì Eh = 770 + 59 lg0,001/ 0,1 = 625 mV
Hiện nay để xác định Eh đất người ta thường dùng các máy đo (Eh meter) cho kết quả nhanh và chính xác hơn việc xác định nồng độ các chất oxy hoá, khử.
Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá khử
+ Trong đất có thể chứa nhiều hệ thống oxy hoá khử có nồng độ khác nhau nhưng Eh của đất sẽ tương đương với trị số Eh của hệ thống oxy hoá khử có nồng độ chất khử và chất oxy hoá cao nhất.
+ Trong đất thoáng khí quá trình oxy hoá khử trong đất được quyết định bởi nồng độ O2 tự do trong không khí đất và O2 hoà tan trong dung dịch đất. Nồng độ oxy trong không khí đất và trong dung dịch đất càng cao thì Eh càng cao.
+ Ðộ ẩm đất: đất khô có quá trình oxy hoá mạnh nên Eh cao, đất ẩm hoặc dư ẩm thì quá trình khử mạnh nên Eh của đất thấp.
+ Cây trồng: Eh đất phụ thuộc và loại cây trồng, mật độ cây. Eh xung quanh rễ cây cũng khác nhau. Ví dụ: gần rễ cây lúa mỳ Eh giảm vì rễ cây lúa mỳ tiết ra chất khử, gần rễ cây lúa nước Eh tăng do rễ lúa tiết ra oxy.
+ Eh của đất có sự liên quan chặt chẽ với pH. Nếu trong dung dịch đất có nhiều ion H+ sẽ diễn ra quá trình:
2 H+ + 2e - = H2
Khi thay đổi 1 đơn vị pH thì Eh thay đổi từ 57-59mV.
Klak đề nghị biểu thị điện thế oxy hoá khử trong đất là rH2 theo công thức: rH2 (mV) = Eh/ 30 + 2 pH
+ Các biện pháp canh tác:
- Luân canh cây trồng cạn với cây trồng nước làm cho Eh thay đổi rất mạnh. - Ðiều tiết độ ẩm đất làm cho Eh đất thay đổi.
- Cày sâu kết hợp với bón nhiều phân hữu cơ làm cho Eh giảm, xới xáo đất làm tăng tính thông khí thì Eh tăng.
- Phơi ải đất lúa làm cho Eh tăng.
- Mật độ cây trồng: rễ lúa nước tiết ra oxy làm Eh của đất vùng xung quanh rễ tăng. Vì vậy lúa nước cấy càng dày thì mật độ rễ càng cao, Eh càng tăng và hàm lượng các chất khử càng giảm.
Ý nghĩa thực tiễn của phản ứng oxy hoá khử
+ Ðiện thế oxy hoá khử là chỉ tiêu đánh giá tính thông khí và tình hình cung cấp dinh dưỡng trong đất. Các chất dinh dưỡng như NH4+, NO3-, PO43-, SO42-... được hình thành do tác động của hệ vi sinh vật đất trong những điều kiện cụ thể về pH, hoặc Eh nào đấy.
Ví dụ: khi pH = 7, Eh khoảng 400mV thì NO3- bị khử mạnh thành NO2 cây không dùng được.
+ Các loại đất khác nhau có Eh khác nhau, trong một phẫu diện Eh của các tầng khác nhau và thường giảm theo chiều sâu. Eh phù hợp với sản xuất nông nghiệp biến động trong phạm vi 200-700 mV (đất lúa nước từ 200-300mV). Eh quá cao chứng tỏ quá trình oxy hoá
Ngược lại nếu Eh quá thấp nghĩa là quá trình khử diễn ra mạnh, sinh ra một số chất độc như H2S, CH4....
+ Khi thay đổi Eh sẽ dẫn tới sự thay đổi một loạt trạng thái dinh dưỡng trong đất. Thí dụ: khi đổ ải, đất chuyển từ trạng thái oxy hoá sang trạng thái khử, Eh giảm mạnh. Lúc đó Fe3+ trong các hợp chất bị khử thành Fe2+ (như Fe(OH)2 và FeHPO4) làm đất giảm tính chua trong thời gian khoảng 1 tháng, hàm lượng lân dễ tiêu tăng lên, hàm lượng NH4+ cũng tăng (do chất hữu cơ phân giải trong điều kiện yếm khí tạo ra NH4+)... đây là một quá trình có lợi vì cung cấp nhiều dinh dưỡng cho cây.
Ðiều tiết phản ứng oxy hoá - khử
Eh của đất quá cao hay quá thấp đều không tốt, để điều chỉnh Eh có nhiều biện pháp khác nhau:
+ Ðiều chỉnh độ ẩm đất, không để đất khô hạn hoặc dư ẩm trong thời gian dài, làm cho quá trình oxy hoá và khử diễn ra hài hoà:
- Luân canh cây trồng cạn - nước theo công thức 2 lúa một màu (vụ đông)
- Rút nước phơi ruộng, làm cỏ sục bùn: Sau khi trời mưa hoặc tưới nước cần rút nước xới phá váng đất để đất được thoáng khí. Khi làm cỏ phải sục bùn để oxy hoá những chất khử có tính độc, chuyển chúng ra dạng không độc và tạo bước nhảy vọt Eh để sau đó Eh giảm xuống sẽ có tác dụng giải phóng chất dinh dưỡng như, tăng NH4+, tăng lân dễ tiêu, giảm chua... Vì thế nhân dân ta có câu "Công cấy là công bỏ, công làm cỏ là công ăn".
- Cày ải sau vụ mùa đối với đất chuyên trồng lúa. Trong quá trình phơi ải sẽ khử các chất độc như H2S, CH4, tăng cường phân giải chất hữu cơ tăng nhiệt độ đất, tăng cường hoạt động của các vi sinh vật hảo khí, tăng Eh. Khi đổ ải (cho nước vào) Eh đất từ cao sẽ giảm xuống giải phóng NH4+, P2O5 dễ tiêu, giảm chua do trong đất sinh ra Fe(OH)2 và NH4OH... và như vậy đúng là "một hòn đất nỏ bằng một giỏ phân". Mặt khác nếu đất được phơi ải triệt để thì lúc đổ ải bừa rất dễ nên chất lượng làm đất sẽ rất tốt. Ngoài ra phơi ải là quá trình oxy hoá hút nhiệt nên lúc đổ ải sẽ toả nhiệt làm cho ôn độ đất tạm thời tăng lên cũng có tác dụng nhất định trong quá trình sinh trưởng của lúa mới cấy trong thời tiết lạnh của vụ đông xuân.
+ Bón phân hữu cơ và bón vôi làm tăng kết cấu đất, tăng độ tơi xốp của đất, đất thông khí tốt thích hợp với cây trồng cạn. Bón vôi để thay đổi pH ở đất chua vì pH ảnh hưởng đến Eh như đã nói ở trên.
+ Bón phân hữu cơ làm giảm Eh, nếu làm cỏ xới đất tiếp theo thì Eh không giảm đột ngột.