KEO ĐẤT-TRUNG TĐM HOẠT ĐỘNG SỐNG CỦA SINH THÂI MễI TRƯỜNG ĐẤT
1. KEO ĐẤT: VAI TRề VĂ í NGHĨA
Keo đất lă những hạt vật chất cú kớch thước 1-100àm vă cú khả năng phđn tõn trong
mụi trường đất. Do kớch thước của chỳng rất nhỏ nớn cú thể chui qua giấy lọc. Tuy nhiớn, chỳng khụng bị thẩm tõch nghĩa lă khụng thấm qua măng động vật được.
Nếu ta gọi đất lă thịt, kết cấu đất lă xương, nước vă dung dịch đất lă mõu thỡ cõc hạt keo đất đúng vai trị lă những trung tđm hoạt động sống, trong phĩp nhđn cõch hụ cú thể xem nú lă “quả tim” của mụi trường sinh thõi đất. Nhă khoa học người Âo F.Corniu coi trọng trạng thõi keo của vật chất trớn bề mặt thạch quyển. Cịn V.I Vernadski thỡ cho rằng keo lă trạng thõi đặc trưng của “địa quyển nhiệt động thõi” lớp bề mặt.
2. THĂNH PHẦN, CẤU TẠO VĂ ĐẶC TÍNH CỦA KEO ĐẤT 2.1. Thănh phần keo đất 2.1. Thănh phần keo đất
Keo đất cú thănh phần cơ bản của 4 loại chủ yếu sau đđy:
a. Keo silicate.
+ Keo sĩt 1:1: Keo sĩt 1:1 gồm chủ yếu lă nhúm kaolinite, ngoăi ra cịn cú halloysite,
nacrite vă dickite. Cõc phiến sĩt của khõng 1:1 cấu tạo bởi một lớp tứ điện sllic kết hợp với một lớp bõt diện nhụm bằng cầu nối Oxigen.
+ Keo sĩt 2:1: Cõc phiến sĩt của khõng 2:1 cấu tạo bởi hai lớp tứ điện sillic vă xen
giữa lă phần gibbsite
Ba loại khõng chủ yếu thuộc loại năy bao gồm : 1. Nhúm Smectite (khụng cú thể trương nở)
2. Nhúm Vermiculite (khụng trương nở cú giới hạn) 3. Nhúm Illite (khụng khơng trương nở)
b. Keo hydroxid Fe, Al
- Gibbsite Al(OH) 3 lă một loại keo hydroxit Al được tỡm thấy do sự phong húa của khụng ngun sinh aluminosilicat.
- Geothite ( FeOOH ) vă hematite (-Fe2O3) cũng lă 2 loại keo hydroxit Fe thường tỡm thấy trong đất, được tạo thănh do khụng silicate ngun sinh cú chứa nhiều sắt
c. Keo vụ cơ vă keo vơ định hỡnh allophane, imogilite
Trong tro nỳi lửa thường chứa một lượng đõng kể 2 loại keo năy với thănh phần cơ bản lă SiO2.Al2O3.nH2O kết tủa ở dạng vụ định hỡnh.
d. Keo hữu cơ
Chất mựn của đất lă một loại keo hữu cơ cú sự sắp xếp giống như khụng sĩt, bao gồm keo mang điện tớch vă được bao chung quanh bởi cõc cation, điện tớch đm trớn khụng sĩt gia tăng vă cú thể lớn đến 400-500 Cmol(+)/kg trớn đất trung tớnh đến kiềm.
2.2. Phđn loại
Cú thể phđn loại hệ keo đất gồm: keo vụ cơ vă keo hữu cơ:
a. Keo vụ cơ: thường lă những chất cơ cơ cú cấu tạo tinh thể như kaolinit, mongmorilonit…đú
lă những khõng thuộc loại aluminosilicat. Keo vơ cơ cịn cú thể lă những khụng vơ định hỡnh như tập hợp cõc phđn tử sắt, nhụm hyđroxit; cõc phđn tử axit silicic…keo đất thường
mang điện thường đm hoăc dương hoặc lưỡng tớnh, nhỡn chung keo dương thường ớt xuất hiện hơn so keo đm. Chẳng hạn:
+ Ở mụi trường axit:
H+ [Al(OH)3]n [Aln(OH)3n-1]+ + OH- keo dương H+ [Fe(OH)3]n [Fen(OH)3n-1]+ + OH- keo dương
+ Ở mụi trường kiềm:
OH-
[Al(OH)3]n [AlnO(OH)3n-1]− + H+ (pH = 8,1)
[Fe(OH)3]n [Fen O(OH)3n-1]− + H+ (pH = 7,1)
Vỡ đất cú xu hướng chua dần, nớn trong nhiều loại đất, cõc keo vơ định hỡnh của sắt, nhụm hyđroxit thường lă keo dương.
b. Keo hữu cơ: thường lă keo mựn (axit humic, axit funvic vă cõc muối của nú thường tớch
điện đm vă cú khả năng hấp phụ trao đổi cation do cú nhúm –COOH. Ion H+ trong cõc nhúm năy cú thể bị thay thế bằng cõc cation khõc.
Cõc chất mựn khi kết hợp với cõc bazơ trong đất tạo ra cõc muối vă khi tương tõc với dung dịch đất lại cú thể trao đổi với cõc cation khõc trong dung dịch:
COO COOK
R Ca + 2KCl R + CaCl2 COO COOK
2. 3. Cấu tạo hạt keo đất
- Nếu giải phẫu hạt keo vơ cựng nhỏ bĩ thỡ người ta thấy chỳng cũng cú cõc phần: + Trong cựng lă nhđn, thường lă hợp chất vơ cơ hay hữu cơ. Cú thể lă axit silisic hoặc oxit Fe, oxit nhụm hoặc KBr.
+ Tiếp vựng thứ hai một lớp mang điện, thường lă điện đm (sẽ lă keo đm) gọi lă lớp ion quyết định thế hiệu của keo.
+ Lớp kế tiếp thứ 3: lă lớp ion mang điện trõi dấu với lớp thứ 2. Đặc tớnh của lớp ion năy lă cố định vă được mang tớn lă ion khơng di chuyển.
+ Lớp thứ 4: lă lớp ion trao đổi cú điện cựng dấu, cựng điện với lớp thứ 3 nhưng cú khả năng trao đổi với mơi trường bớn ngoăi bởi vỡ lực liớn kết đối với nú kĩm bền vững so với lớp thứ 3.
Một số danh từ của cấu tạo hạt keo:
- Lớp 3 vă 4 được gọi chung lă lớp điện bự. - Lớp 2, 3, 4 được gọi chung lă lớp điện kĩp. - Lớp 1 lă lớp nhđn keo.
- Phần nhđn cựng lớp ion quyết định thỡ được gọi lă phần vi lạp. - Phần vi lạp cựng với lớp ion khụng di chuyển gọi lă hạt keo.
Lớ p khu ếch tán Lớ p io n bù bÍt đĩ ng ion xá c định thế Ion bù Lớ p điƯn k ép Mixe n keo TiĨu phân Granul Nhân mixen
Hỡnh 10.2. Cấu tạo hạt keo đất
2.4. Đặc tớnh cơ bản của keo đất
- Keo đất cú tổng diện tớch bề mặt trong một đơn vị thể tớch lớn. Chỳng cú rất nhều hạt nhỏ vỡ vậy tổng diện tớch của tất cả cõc bề mặt của toăn bộ cõc hạt nhỏ ấy sẽ rất lớn.
- Cú năng lượng bề mặt. Vỡ chỳng ở trong dung dịch vă chuyển động trong đú nớn chịu tõc động cõc lực xung quanh lớn bề mặt tạo nớn một năng lượng bề mặt lớn.
- Keo đất thường mang điện, hoặc đm hoặc dương hoặc lưỡng tớnh.
- Cú thể ngưng tụ khi cú tõc dụng của mơi trường chứa chất điện giải, nhất lă cõc ion hõ trị cao, hoặc ngưng tụ do mất nước khi mơi trường q núng, hoặc do ngưng tụ do cõc hạt keo trõi dấu.
3. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA KEO ĐẤT 3.1. Hấp phụ cơ học 3.1. Hấp phụ cơ học
Hấp phụ cơ học xuất hiện khi lọc nước tự nhiớn hoặc nhđn tạo. Khe hở mao quản vă phi mao quản giữ lại cõc hạt tạp chất trong nước cú đường kớnh lớn hơn đường kớnh khe hở, lăm nước sạch hơn. Đú lă ngun nhđn lăm nước ngầm sạch.
3.2. Hấp phụ sinh học
Hấp phụ sinh học xảy ra khi cú mặt động thực vật vi sinh vật. Trong qũ trỡnh sống của mỡnh cõc vi sinh vật năy lấy cõc chất khụng hữu cơ, vơ cơ một cõch chọn lọc, tuỳ từng loăi. Sau khi cõc sinh vật chết đi, mụi trường sinh thõi (MTST) đất được lăm giău nhờ sản phẩm của chỳng. Vớ dụ: vi khuẩn cố định đạm lấy N khớ trời cho MTST đất. Cõc động vật thải ra chất giău nitơ, phospho…vă cõc nguyớn tố vi lượng khõc. Qũ trỡnh sống vă kể cả khi chết đi đờ lăm đất giău lớn, hoạt tớnh mụi trường mạnh hơn
3.3. Hấp phụ phđn tử
Hấp phụ phđn tử xuất hiện trớn bề mặt hạt keo khi giữa chỳng vă mơi trường đất cú chớnh lệch nồng độ phđn tử. Nguyớn nhđn lă do năng lượng bề mặt. Vật chất năo lăm giảm sức căng bề mặt ngoăi dung dịch đất, thỡ sẽ bị hấp phụ văo bề mặt hạt keo. Ngược lại, vật chất năo lăm tăng sức căng bề mặt ngoăi dung dịch đất sẽ bị đẩy ra khỏi hạt keo đất. Cõc phđn tử nhỏ của mơi trường đất cú thể hỳt phđn tử đất cũng cú thể hỳt cõc phđn tử khớ, hơi nước vă cõc phđn tử chất lỏng. Cõc phđn tử cũng cú thể hấp phụ những phđn tử khụng phđn ly thănh cõc ion của cõc vật chất rắn dưới dạng phđn tử.
Vớ dụ: khi dung dịch dầu thấm qua đất thỡ cõc phđn tử trong dầu bị hấp thụ, hoặc một dung dịch mực mău thấm qua mụi trường đất, bị chỳng giữ lại một số lớp phđn tử mang mău nớn mực bị nhạt mău. Đú lă khả năng hấp phụ của đất với mơi trường nước. Cịn với mơi trường khớ, đất cũng cú khả năng đú. Về khả năng năy cũng cú thể xếp theo thứ tự yếu dần: H2Ohơi > NH3 > CO2 > N2
3.4. Hấp phụ trao đổi (hấp phụ ion)
Trong đất cú những hạt nhỏ đường kớnh < 0,001 mm gọi lă hạt keo đất, lớp ion mang điện tớch quanh hạt keo (lớp điện trao đổi) cú khả năng kết hợp với cõc ion trõi dấu lă cơ sở để tạo thănh tớnh hấp phụ của đất. Như ta đờ núi ở phần cấu tạo hạt keo: keo cú thể lă keo đm, keo dương, keo lưỡng tớnh. Với lớp ion bớn ngoăi cú thể dương hoặc đm nớn cú thể xảy ra sự hấp phụ trao đổi ion dương hay đm.
Quan hệ giữa tớnh hấp phụ của đất với nồng độ cõc ion ngoăi dung dịch đất lă quan hệ trao đổi: khi nồng độ cõc ion trong dung dịch tăng cao (lỳc bún phđn) thỡ hạt keo đất sẽ hấp phụ cõc ion vă khi nồng độ ion trong dung dịch giảm đến một giới hạn nhất định thỡ cõc ion từ hạt keo đất được giải phúng ra ngoăi. Như vậy, tớnh hấp phụ của đất cú chức năng giữ vă điều hũa chất dinh dưỡng trong đất rất cần cho sự sinh trưởng vă phõt triển của cđy trồng. éất cú nhiều mựn, nhiều sĩt thỡ khả năng hấp phụ cao.
3.4.1. Hấp phụ trao đổi cation
Nguyớn lý: dạng hấp phụ năy chỉ xảy ra trớn bề mặt tiếp xỳc của keo đm (lớp trao đổi lă ion dương). Vớ dụ: xung quanh keo đất cú Ca2+ sẽ được trao đổi với một cation trong dung dịch đất trớn bề mặt tiếp xỳc, chẳng hạn, với H+ mới xđm nhập văo dung dịch đất. Sự trao đổi năy lă hoạt tớnh rất đặc trưng của keo đất vă của MTST đất, khụng cú ở bất kỡ một mơi trường năo khõc. Nú cũng giốn như sự trao đổi của rễ cđy với dung dịch đất trong mụi trường, nhưng về nguyớn lý thỡ khõc nhau rất nhiều. Cú thể biểu diễn q trỡnh trớn theo sơ đồ sau:
HCl xđm nhập Ca2+ Ca2+ H+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ H+ CO32- Ca2+ CO32- Ca2+ Ca2+ H+
CaCO3 CO32- + 4HCl CaCO3 CO32- + 2CaCl2 Ca2+ H+ CO32- CO32- Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Dung dịch đất Dung dịch đất
Hỡnh 10.3. Sơ đồ trao đổi của hạt keo đất với HCl xđm nhập
b. Cõc quy luật của sự trao đổi
+ Trao đổi theo đương lượng: một đương lượng gam của 1 cation chỉ trao đổi được với một vă chỉ một đương lượng của 1 cation khõc mă thụi. Tương tự 2 đương lượng gam thỡ trao đổi được với 2 đương lượng. Vớ dụ: Q trỡnh trao đổi sau:
(KĐ)Ca2+ + 2NaCl (KĐ)2Na+ + CaCl2
Một đương lượng gồm Ca hõ trị II chỉ đổi đựơc một đương lượng gam của Na+ (tức lă 2 cation Na hõ trị I) hay 40g Ca trao đổi với 46g Na
+ Trao đổi cation theo chiều thuận nghịch: vớ dụ canxi trong dung dịch đất cú thể trao đổi với H+ trớn bề mặt keo đất:
(KĐ)2H+ + CaCl2 (KĐ)Ca2+ + 2HCl
vă cũng tất nhiớn H+ trong dung dịch đất cũng trao đổi được với Ca2+ trớn bề mặt keo đất: (KĐ)Ca2+ + 2HCl (KĐ)2H+ + CaCl2
+ Cường độ trao đổi hoạt tớnh phụ thuộc văo:
- Nếu cựng hụ trị cation năo cú bõn kớnh lớn (tức măng thuỷ hụ bĩ) trao đổi mạnh hơn - vỡ lực hấp phụ theo định luật Culong, F giảm theo bỡnh theo bỡnh phương bõn kớnh
( F = e 1. 2 c . Rc a F F ).
- H+ lă một cation đặc biệt vỡ măng thuỷ hụ rất mỏng nớn khả năng trao đổi khụng những hơn khả năng ion hõ trị I mă cao hơn cả cation hõ trị II.
+ Khả năng trao đổi phụ thuộc nồng độ cation trong dung dịch đất bao quanh hạt keo. Nếu nồng độ căng cao thỡ khả năng trao đổi căng mạnh.
c. Dung tớch hấp phụ trao đổi cation
+ Khả năng hấp phụ của mụi trường đất được đặc trưng bởi dung tớch hấp phụ trao đổi cation của keo đất.
+ Dung tớch hấp phụ lă tổng số cation hấp phụ trong 100g đất, đơn vị lă meq/100g (hay ly đương lượng: lđlg/100g) - kớ hiệu T. Tổng số cation năy bao gồm cả cation kiềm, kiềm thổ (S) vă cation H+ (H).
Vậy: T = S + H
Giõ trị của T phụ thuộc văo:
- Thănh phần keo: T keo monmorilonite = 350 meq/100 > Ilit = 30 – 40 (meq/100) > kaolinite = 5 –15 (meq/100).
- Thănh phần cấp hạt: sĩt > thịt > cõt. - pH mơi trường : pH tăng thỡ T tăng. - Mỗi vựng MTST đất cú một T nhất định.
d. Độ no kiềm của mụi trường đất
Để đặc trưng cho phản ứng vă thănh phần của cation trong mụi trường đất người ta đưa ra khõi niệm độ no kiềm. Đú lă tỷ lệ phần trăm giữa lượng cation kiềm kiềm thổ trớn tổng số cation:
V(%) = ST100 SS H 100 V căng lớn độ no kiềm của mụi trường đất căng lớn.
V < 50%: đúi kiềm 50% < V < 70%: trung bỡnh. V > 70%: no kiềm.
3.4.2. Sự hấp phụ anion của keo đất
Sự hấp phụ xảy ra ở keo dương (vỡ lớp ion trao đổi trớn bề mặt hạt keo lă đm cũn lớp quyết định thế lă dương). Sự hấp phụ năy khơng nhiều vỡ đa số keo đất lă keo đm cũn keo dương q ớt. Tuy vậy tớnh hấp phụ năy cú mấy đặc trưng sau:
a. Về khả năng hấp phụ cú thể cú bất đẳng thức sau
H2PO4– > HCO3– > SCN– > SO42– > Cl– > NO3–
b. Cú thể chia ba nhúm theo khả năng hấp phụ
+ Nhúm 1: hấp phụ mạnh: PO4–, HPO42– , H2PO4–. Do khả năng tạo kết tủa mạnh khi kết hợp Al3+, Fe3+, Ca2+ hoặc trao đổi OH– trớn bề mặt keo cao.
+ Nhúm 2: khơng bị hấp phụ . Vớ dụ: Cl– , NO3– vă NO2– vỡ chỳng lă những muối dễ tan (khơng kết tủa) vỡ vậy chỳng dễ bị rửa trụi.
Tuy nhiớn, cõc nhă khoa học cho rằng nếu mơi trường đất q chua thỡ một lượng nhỏ anion sẽ bị hấp phụ văo đất. Vớ dụ pH = 3,3 lượng Cl– hấp phụ sẽ lă 1,1 meq/100g
+ Nhúm 3: lă nhúm trung gian giữa nhúm 1 vă 2, gồm cú SO42–, SO32–, HCO3– , CO32–, SiO32–. Trong trường hợp cú Ca2+ thỡ SO42– sẽ hấp phụ nhiều hơn để tạo thănh CaSO4 hoặc CaSO4.2H2O (thạch cao).
Khả năng hấp phụ anion phụ thuộc pH mụi trường đất. Đất chua sẽ hấp phụ nhiều anion.
Lă sự hỡnh thănh cõc kết tủa hợp chất hõ học từ cõc chất dễ tan ban đầu trong dung dịch đất. Dạng hấp thu hõ học lă do trong đất cú những phản ứng hụ học xảy ra, lăm biến đổi một số chất tan thănh dạng kết tủa ở lại trong phần rắn của đất (khụng bị rửa trụi). Chẳng hạn:
- Khi photphat I canxi hidrocacbonat trong đất, phản ứng sẽ tạo nớn photphat II hoặc III canxi khụng tan.
Ca(H2PO4)2 + Ca(HCO3)2 = 2H2CO3 + 2CaHPO4 Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 = 4H2CO3 + Ca3(PO4)2
- Ở đất chua vă đất đỏ cú nhiều nhơm, sắt thỡ sự hấp thu hụ học của axit H3PO4 chủ yếu sẽ diễn ra theo hướng tạo thănh photphat của sắt nhơm ớt tan:
Fe(OH)3 + H3PO4 = FePO4 + 3H2O Al(OH)3 + H3PO4 = AlPO4 + 3H2O
Do đú, phản ứng của mụi trường đất (pH của dung dịch đất) cú ảnh hưởng rừ rệt đến sự hấp thu hụ học. Nhờ quả trỡnh năy mă cõc hợp chất mới tạo thănh được hấp phụ trong mụi trường đất (khụng bị rửa trụi).
Sự hấp thu năy chỉ cú lợi trong trường hợp đất cú nhiều sắt, nhơm di động. Nhờ đú cđy khụng bị ngộ độc do hăm lượng cao của cõc ion năy. Tuy nhiớn, trong trường hợp năy lđn dễ tan chuyển thănh dạng kết tủa, cđy trồng sẽ thiếu lđn, hiệu suất phđn lđn sẽ giảm sỳt. Tuy nhiớn cũng
Túm lại, trong cõc kiểu hấp phụ kể trớn thỡ hấp phụ trao đổi lă đặc trưng nhất cho hoạt tớnh MTST đất. Do nú mă mụi trường sinh thõi đất mới dự trữ thức ăn đủ cho sinh vật vă năng lượng cho mụi trường .