1.1.2 .Quỏ trỡnh phong hoỏ đỏ hỡnh thành đất
3.4. Dung dịch đất
3.4.3. Đặc tớnh cơ bản của dung dịch đất
Dung dịch đất cú nhiều đặc tớnh quan trọng như phản ứng dung dịch đất, tớnh đệm và tớnh oxy hoỏ - khử.
3.4.3.1. Phản ứng của dung dịch đất
Phản ứng dung dịch đất là biểu thị tớnh chua, kiềm hay trung tớnh của dung dịch đất. Nú cú liờn quan trực tiếp đến cỏc quỏ trỡnh lý, hoỏ, sinh trong đất. Mức độ chua của đất phụ thuộc vào nồng độ của cation H+, Al3+ trong đất. Ngược lại, mức độ kiềm của đất phụ thuộc vào hàm lượng cỏc cation kiềm như Ca2+, Na+.. trong đất.
Phản ứng chua
Nguyờn nhõn làm đất chua:
Đất chua là sản phẩm của cỏc yếu tố và quỏ trỡnh hỡnh thành đất. Đú là sự tớch luỹ cỏc cation H+ và Al3+ và sự rửa trụi cỏc cation kiềm, kiềm thổ như Ca2+, Mg2+, K+ ... trong quỏ trỡnh hỡnh thành, phỏt triển và sử dụng đất.
Đất chua cú thể do những nguyờn nhõn sau:
+ Do cõy hỳt chất dinh dưỡng từ đất: Hàng năm cõy hỳt một lượng chất dinh dưỡng nhất định từ đất. Trong đú chủ yếu là cỏc cation kiềm, kiềm thổ như K+, NH4+, Ca2+, Mg2+ đồng thời thải vào đất một lượng H+ tương ứng gõy chua đất. Đõy là nguyờn nhõn khụng quan trọng vỡ cõy sẽ hoàn trả lại những chất mà nú hỳt từ đất qua tiểu tuần hoàn sinh vật. Tuy nhiờn, với đất canh tỏc một lượng lớn cation kiềm và kiềm thổ bị mất khỏi đất trong sản phẩm thu hoạch làm đất chua nhanh hơn so với cỏc loại đất dưới rừng tự nhiờn. Bún phõn và vụi vừa làm tăng năng suất cõy trồng, vừa đảm bảo duy trỡ dinh dưỡng và độ chua bảo vệ độ phỡ nhiờu của đất.
+ Do bún cỏc loại phõn chua và phõn sinh lý chua: Đất cú thể bị chua nếu ta bún cỏc loại phõn như supe lõn vỡ trong thành phần loại phõn này cú chứa một lượng axit nhất định (phõn chua). Cỏc loại phõn sinh lý chua như K2SO4, KCl, NH4Cl, (NH4)2SO4 ... Trong thành phần của phõn cú chứa cỏc gốc axit khi bún vào đất chỳng phõn ly trong dung dịch. Cation kiềm được cõy hỳt hay keo đất hấp thu. Gốc axit cũn lại sẽ gõy chua cho đất.
+ Do xúi mũn rửa trụi: Đõy là nguyờn nhõn quan trọng nhất gõy chua cho đất đặc biệt là cỏc loại đất đồi nỳi vựng nhiệt đới. Đú là sự xúi mũn và rửa trụi cation kiềm linh động như Ca2+, Mg2+ , K+ ... và tớch tụ H+ và Al3+ trong đất. Cỏc loại đất chua mạnh pH = 4 - 5 phổ biến ở cỏc loại đất nhiệt đới kể cả cỏc loại đất được hỡnh thành trờn đỏ mẹ giàu cation kiềm như đất đỏ vàng trờn đỏ vụi, macma bazơ là những vớ dụ điển hỡnh.
+ Do sự phõn giải xỏc hữu cơ trong điều kiện yếm khớ: Đõy là nguyờn nhõn cơ bản gõy chua ở cỏc loại đất thường xuyờn ngập nước như đất lầy thụt, đất chiờm trũng ở nước ta. Quỏ trỡnh phõn giải xỏc hữu cơ trong điều kiện yếm khớ tạo ra cỏc sản phẩm trung gian như axit hưũ cơ, H2S ... tớch luỹ một lượng H+ đỏng kể gõy chua cho đất.
Ngoài 4 nguyờn nhõn trờn, ở những vựng đất mặn sỳ vẹt phỏt triển mạnh, thõn lỏ cú hàm lượng lưu huỳnh cao khi chỳng được phõn giải trong điều kiện yếm khớ tạo ra H2S sau đú được oxy hoỏ tạo ra H2SO4 gõy chua.
Cỏc loại độ chua:
Đất chua là đất cú chứa một lượng H+ và Al3+ , chỳng cú thể tồn tại ở ngoài dung dịch hay trờn bề mặt keo đất. Khi tồn tại ở ngoài dung dịch, chỳng cú ảnh hưởng trực tiếp tới cõy và vi sinh vật. Chớnh vỡ vậy, độ chua được quyết định bởi H+ và Al3+ trong dung dịch đất được gọi là độ chua hoạt tớnh. Trỏi lại, độ chua tiềm tàng được xỏc định bởi lượng H+ và Al3+ trờn bề mặt keo đất, chỳng chỉ ảnh hưởng tới cõy trồng và vi sinh vật khi chỳng được đẩy ra ngoài dung dịch đất.
- Độ chua hoạt tớnh
Độ chua hoạt tớnh khụng phụ thuộc vào tổng lượng axit hay kiềm trong dung dịch đất mà nú phụ thuộcvào tỉ lệ giữa nồng độ H+ và nồng độ OH- trong dung dịch được biểu thị bằng trị số pH (H2O) và được tớnh theo cụng thức:
pH = - lg H+
Như ta đó biết trong nước tinh khiết hay bất cứ một dung dịch nào tớch số của luụn bằng một hằng số và bằng 10-14 ion gam/lit
H+ x OH- = 10-14 ion gam/lit
Trong mụi trường trung tớnh thỡ : H+ = OH- = 10-7 và khi đú pH = 7 Trong mụi trường chua: H+ > OH- và H+ > 10-7 và khi đú pH < 7 Ngược lại, trong mụi trường kiềm thỡ pH > 7.
Tuy nhiờn pH đất thường dao động từ 3 - 9 do đất cú tớnh đệm. Dựa vào pH của nước ta cú thể chia đất theo cỏc cấp độ chua như bảng 3.6.
Bảng 3.6. Phõn chia đất theo cỏc cấp độ chua
PH (H2O) Cấp đỏnh giỏ < 4,5 Đất chua nhiều 4,6 - 5,5 Đất chua vừa 5,6 - 6,5 Đất chua ớt 6,6 - 7,5 Đất trung tớnh 7,6 - 8,0 Đất kiềm yếu 8,1 - 8,5 Đất kiềm vừa 8,6 - 10,0 Đất kiềm mạnh (Nguyễn Thế Đặng và Nguyễn Thế Hựng, 1999)
Ở nước ta do đa số cỏc loại đất vựng đồi nỳi được hỡnh thành cú quỏ trỡnh tớch luỹ Fe, Al tương đối - rửa trụi cỏc cation kiềm Ca2+ , Mg2+ , Na+ và tớch luỹ Fe, Al rong quỏ trỡnh hỡnh thành đất nờn đất đều chua. Ngoài ra cỏc loại đất như đất bạc màu, đất chiờm trũng, lầy thụt cũng cú phản ứng chua.
- Độ chua tiềm tàng
Trong đất ngoài H+ và Al3+ trong dung dịch đất, cũn một lượng đỏng kể H+ và Al3+ tồn tại trờn bề mặt keo đất. Độ chua tiềm tàng là lượng H trong đất và được xỏc định khi ta tỏc động một dung dịch muối vào đất để đẩy H+ và Al3+ trờn bề mặt keo đất vào dung dịch đất. Do H+ và Al3+ được giữ trờn bề mặt keo với những lực khỏc nhau do vậy khi tỏc
động vào đất những muối khỏc nhau ta sẽ xỏc định được độ chua tiềm tàng với giỏ trị khỏc nhau. Dựa theo loại muối tỏc động vào đất, độ chua tiềm tàng được phõn ra làm 2 loại độ chua: độ chua trao đổi và độ chua thuỷ phõn.
+ Độ chua trao đổi (ldl/100g đất):
Độ chua trao đổi được xỏc định khi ta dựng một muối trung tớnh, muối của axit mạnh (như NaCl, BaCl2...) để đẩy H+ và Al3+ trờn bề mặt keo vào dung dịch đất. Quỏ trỡnh trao đổi xảy ra như sơ đồ sau:
H+ 4Na+
KĐ. + 4NaCl KĐ. + HCl + AlCl3
Al3+
Sau đú: AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + 3HCl
Do cơ chế để xỏc định độ chua trao đổi xảy ra giống như quỏ trỡnh bún cỏc loại phõn sinh lý chua vaũ đất, do vậy độ chua trao đổi được sử dụng để xỏc định chế độ phõn bún hợp lý. Nếu độ chua trao đổi lớn, đú là dấu hiệu của sự thay đổi đột ngột pH khi ta bún phõn khoỏng như K2SO4 , KCl, NH4Cl... Để hạn chế tỏc động tiờu cực của bún phõn khoỏng ở những loại đất cú độ chua trao đổi cao, cần bún phõn làm nhiều lần để trỏnh sự thay đổi đột ngột của độ chua hoặc bún vụi trước khi bún phõn khoỏng để trung hoà bớt độ chua sinh ra do bún phõn khoỏng.
+ Độ chua thuỷ phõn:
Khỏc với việc xỏc định độ chua trao đổi, khi xỏc định độ chua thuỷ phõn ta dựng một muối thuỷ phõn: muối của bazơ mạnh và axit yếu (thường dựng là muối Ch3COONa), để tỏc động vào đất đẩy ion H+ và Al3+ trờn bề mặt keo đất ra ngoài dung dịch. Quỏ trỡnh trao đổi xảy ra như sau:
H+ 4Na+
KĐ. + CH3COONa KĐ. + Al3+ + H+ + 4CH3COO- Al3+
Do trong dung dịch muối thuỷ phõn thường cú sự phõn ly: Ch3COONa + H2O CH3COOH + NaOH
Sau đú do CH3COOH là axit yếu ớt phõn ly cũn NaOH là bazơ mạnh phõn ly hoàn toàn nờn ion Na+ trong muối thuỷ phõn cú sức đẩy lớn hơn nhiều so với cation trong muối trao đổi. Chớnh vỡ vậy độ chua thuỷ phõn thường được dựng để phản ỏnh toàn bộ lượng H+ và Al3+ trong cả dung dịch đất và keo đất (tiềm năng gõy chua cho đất), và đõy là cơ sở tớnh toỏn lượng vụi bún cải tạo đất chua. Thường độ chua thuỷ phõn lớn hơn độ chua trao đổi.
Tớnh kiềm của đất
Phản ứng kiềm được hỡnh thành do sự tớch luỹ cỏc ion OH- trong đất. Sự tớch luỹ cỏc ion OH- cú thể do cỏc nguyờn nhõn như đất chứa nhiều CaCO3, do sự trao đổi giữ keo đất và dung dịch đất đặc biệt là ở đất mặn, do việc bún phõn khoỏng hay tro bếp….
Tuy nhiờn đất kiềm gõy nờn chủ yếu do sự tớch luỹ Na2CO3 trong đất. Sự tớch luỹ Na2CO3 cú thể do cỏc nguyờn nhõn sau đõy:
- Quỏ trỡnh hoỏ học.
CaCO3 + 2NaCl + CO2 + H2O 2NaHCO3 + CaCl2 Sau đú:
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O
- Do sự trao đổi nờn ion Na+ bị đẩy khỏi phức hệ hấp phụ:
Na+ H+
KĐ. + H2O + 2CO2 KĐ. + 2NaHCO3 Na+
Sau đú:
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O - Do tỏc động của vi sinh vật trong điều kiện yếm khớ:
Na2SO4 + 2C Na2S + 2CO2 Na2S + 2H2CO3 2NaHCO3 + H2O
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O
Sự tớch luỹ Na2CO3 trong đất ảnh hưởng xấu tới cõy và tớnh chất đất.
Khi nồng độ Na2CO3 > 0,01 % cú thể gõy độc cho nhiều loại cõy trồng. Na2CO3 đặc biệt cú ảnh hưởng xấu tới lý tớnh đất. Đất chứa nhiều Na2CO3 thường khụng cú kết cấu bớ chặt, mựn ở dạng hoà tan nờn dễ bị mất qua xúi mũn rửa trụi, chế độ nước và khụng khớ đất khụng được điều hoà.
3.4.3.2. Tớnh đệm của đất
Tớnh đệm là chỉ khả năng của đất cú thể giữ cho pH ớt bị thay đổi khi cú thờm một lượng ion H+ hay OH- tỏc động vào đất. Núi rộng hơn thỡ tớnh đệm của đất là khả năng đất chống lại sự thay đổi nồng độ cỏc chất tan trong dung dịch đất khi nồng độ cỏc chất tan tăng lờn hay giảm đi do tỏc động nào đú.
Như vậy tớnh đệm cú vai trũ rất quan trọng với cõy trồng và vi sinh vật đất. Nhờ cú tớnh đệm mà pH và nồng độ cỏc chất tan trong dung dịch đất khụng đột ngột thay đổi với trị số lớn, ảnh hưởng xấu tới cõy trồngà vi sinh vật (thực tế pH đất nhờ cú tớnh đệm chỉ biến thiờn từ 3 đến 10). Để ổn định nồng độ cỏc chất tan trong dung dịch thỡ một loạt cỏc quỏ trỡnh sẽ xảy ra theo chiều hướng làm giảm hay tăng nồng độ một chất nào đú khi chất đú được bổ sung hay mất đi trong quỏ trỡnh hỡnh thành, phỏt triển và sử dụng đất. Cỏc quỏ trỡnh đú cú thể là quỏ trỡnh trao đổi giữa keo đất và dung dịch đất, quỏ trỡnh hoà tan hay kết tủa, cỏc phản ứng hoỏ học trong đất...
Nguyờn nhõn đất cú tớnh đệm
- Do tỏc động trao đổi giữa keo đất và dung dịch đất. Đõy là phản ứng thuận nghịch xảy ra một cỏch thường xuyờn và liờn tục, đảm bảo duy trỡ nồng độ cỏc chất tan trong đất.
Vớ dụ: Khi cú một lượng H+ sinh ra trong đất:
KĐ. + 2HCl KĐ. + CaCl2 (muối trung tớnh) H+
Khi cú một lượng OH sinh ra thỡ:
Ca2+ Ca2+ KĐ. + NaOH KĐ. + H2O (chất ớt phõn ly) H+ Na+ Khi bún phõn: Ca2+ 2K+ KĐ. + K2SO4 KĐ. + CaSO4 H+ H+
Rừ ràng khi cú H+ , Na+ , K+ được bổ sung vào đất thỡ phản ứng thuận xảy ra, cation này bị giữ trờn bề mặt keo, nồng độ của chỳng trong dung dịch ớt thay đổi so với trị số ban đầu.
Ngược lại nếu nồng độ cỏc cation này giảm xuống trong dung dịch đất cú thể do rửa trụi, xúi mũn hay cõy hỳt chất dinh dưỡng thỡ phản ứng theo chiều hướng ngược lại sẽ xảy ra và cỏc cation trờn bề mặt keo đất sẽ được giải phúng vào dung dịch để duy trỡ nồng độ ban đầu.
- Do tỏc dụng đệm của cỏc axit hữu cơ, axit amin, axit mựn. - Vớ dụ: Khi cú thờm một lượng axit:
NH2 NH3Cl
R – CH + HCl R – CH
COOH COOH
Khi cú thờm lượng kiềm thỡ:
NH2 NH3
R – CH + NaOH R – CH + H2O
COOH COONa
Đõy cũng là phản ứng thuận nghịch, cú thể đệm cả với axit và kiềm, cả khi nồng độ của chỳng tăng lờn hay giảm đi.
- Do tỏc dụng đệm của nhụm di động.
Theo R.H.Scofin thỡ khi pH < 4 nhụm di động được bao bọc bởi 6 phõn tử nước. Khi cú một lượng OH- được thờm vào trong đất, thỡ cỏc phõn tử nước trờn bề mặt của nhụm sẽ phõn ly giải phũng ra H+ để trung hoà OH- trong dung dịch. Phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:
[Al(H2O)6]3+ + OH– [Al(H2O)5OH]2+ + H2O [Al(H2O)5OH]3+ + OH– [Al(H2O)4(OH)2]+ + H2O
Nhụm di động Al(H2O)63 chỉ cú thể đệm với OH- trong mụi trường chua. Bởi trong mụi trường kiềm, nhụm sẽ bị kết tủa dưới dạng Al(OH)3.
Vớ dụ: Đất giàu CaCO3 khi cú một lượng axit chỳng sẽ trung hoà như sau: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2
Qua 4 quỏ trỡnh trờn ta thấy nếu đất giàu sột, giàu mựn, cú khả năng trao đổi và hấp thụ lớn thỡ tớnh đệm tốt. Tớnh đệm phụ thuộc vào cỏc chất trung hoà trong đất và cỏc cation trờn bề mặt keo. Nếu trờn bề mặt keo đất chủ yếu là cỏc cation kiềm, kiềm thổ thỡ đất đệm tốt với axit. Ngược lại nếu trờn bề mặt keo chứa chủ yếu cỏc cation H+ và Al3+ thỡ đệm tốt với kiềm.
Nghiờn cứu về tớnh đệm của cỏc loại đất giỳp cỏc nhà nụng học tớnh toỏn lượng phõn khoỏng bún phự hợp cho cỏc loại đất. Với đất cú tớnh đệm tốt như đất sột, đất giàu mựn thỡ cú thể bún một lượng phõn lớn, bún tập trung hơn so với đất cú tớnh đệm kộm như đất cỏt, đất bạc màu. Cũng tương tự như vậy, tớnh toỏn lượng vụi bún cải tạo đất chua cần căn cứ vào độ chua của đất. Thụng thường để cải tạo đất cú cựng độ chua, đất cú tớnh đệm tốt phai bún vụi với lượng nhiều gấp 1,2 – 1,5 lần so với đất cú tớnh đệm kộm.
Biện phỏn kỹ thuật để làm tăng tớnh đệm cho đất chủ yếu là làm tăng về số lượng và chất lượng keo đất, lượng chất hữu cơ cho đất và thành phần cation trờn bề mặt keo.
Bún phõn hữu cơ và vụi, cày sõu lật sột hay tưới bằng nước phự sa hạt mịn là những biện phỏp thiết thực vừa tăng được số lượng keo đất, vừa thay đổi được thành phần cation trờn bề mặt keo.