3. éất là cơ sở sinh sống và phỏt triển thực vật, là tư liệu sản xuất cơ bản của nụng
3.2. Khả năng hấp phụ của đất
3.2.3. Hấp phụ trao đổi ion
a. Hấp phụ trao đổi cation
* Hấp phụ cation xảy ra ở những keo õm vỡ tầng ion trao đổi của keo chứa cation nờn cú thể trao đổi với những cation trong dung dịch tiếp xỳc với nú. Keo õm chiếm đa số trong đất nờn tỏc dụng hấp phụ cation là chủ yếu. Vớ dụ khi bún đạm sunphat thỡnh4+ được hấp phụ theo phản ứng sau:
[Ké]Ca2+ + (NH4)2SO4 ⇄ [Ké]2NH4+ + CaSO4
Một phần nhỏ cation hấp phụ như K+, NH4+, Ca2+, Mg2+ cú thể khụng trao đổi được, nghĩa là khụng bị cation của dung dịch muối đẩy ra ngoài. Nguyờn nhõn của hiện tượng này cú thể khỏc nhau. Nhiều thớ nghiệm cho thấy K+ mất khả năng trao đổi do keo đất quỏ già và phần nào đó kết tinh. K+ đó tham gia cấu tạo lưới tinh thể do đú khụng trao đổi được nữa, hoặc cú thể do cation đi vào khe hở giữa cỏc lớp tinh thể khoỏng vật như montmorilonit, baydelit, sau đú đất khụ đi hay bị bao bọc xung quanh bởi cỏc hạt keo khỏc nhau như Fe(OH)3, Al(OH)3 hoặc cỏc chất hữu cơ nờn cation đú mất khả năng trao đổi. Nguyờn nhõn rừ nhất và phổ biến nhất là do cỏc cation đó liờn kết hoỏ học để tạo thành cỏc hợp chất khụng tan. Sự hấp thụ cation do vi sinh vật cũng là nguyờn nhõn làm cho cation mất khả năng trao đổi.
* Sự hấp phụ cation tuõn theo những qui luật nhất định:
+ Sự hấp phụ cation tuõn theo quan hệ đương lượng: 1 đương lượng gam cation này trao đổi với một đương lượng gam cation khỏc. Vớ dụ trong phản ứng:
[Ké]Ca2+ + 2 NaCl ⇄ [Ké]2Na+ + CaCl2
thỡ 1 đương lượng gam Ca (20 g) trao đổi với 1 đương lượng gam Na (23 g). Do trao đổi bằng đương lượng (me) cho nờn nếu cú 3% Ca thỡ phải tớnh
20 1000 . 3
= 150 me,
muốn trao đổi Na cũng cần cú 1000
23 . 150
= 3,45% Na mới trao đổi với 3% Ca được.
+ Trao đổi cation cú thể tiến hành theo chiều thuận và nghịch phụ thuộc nồng độ và đặc tớnh cation trong dung dịch đất.
+ Trao đổi xảy ra rất nhanh: cỏc phản ứng trao đổi cation trong đất tiến hành rất nhanh, cú khi chỉ sau 5 phỳt đó thực hiện xong. éiểm này cú ý nghĩa thực tiễn khi bún
phõn chứa cation và bún vụi khử chua. Cần chỳ ý là phải tạo điều kiện cho tiếp xỳc đều giữa cation với đất bằng cỏch bừa kỹ, sục bựn để trộn đều, hoặc bún phõn kết hợp với vun gốc cho cõy.
+ Trao đổi cation phụ thuộc hoỏ trị, độ lớn và mức độ thuỷ hoỏ của cation:
Hoỏ trị của cation càng cao, khả năng trao đổi càng mạnh, nghĩa là khả năng trao đổi của cation hoỏ trị III > cation hoỏ trị II > cation hoỏ trị I.
Nếu cựng hoỏ trị thỡ cation nào cú bỏn kớnh lớn (tức bỏn kớnh thuỷ hoỏ bộ) thỡ trao đổi mạnh hơn. Trừ H+ do cú màng thuỷ hoỏ rất mỏng nờn khả năng trao đổi của H+ khụng những vượt cỏc cation hoỏ trị I mà cũn vượt cả cation hoỏ trị II (bảng 3.4).
Bảng 3.4. Quan hệ giữa hoỏ trị, bỏn kớnh và bỏn kớnh thuỷ hoỏ của cation với khả năng trao đổi cation
Cation Hoỏ trị Bỏn kớnh cation (Å) Bỏn kớnh thuỷ hoỏ (Å) Thứ tự trao đổi
Li+ 1 0,78 10,03 6 Na+ 1 0,98 7,90 5 NH4+ 1 1,43 5,37 4 Mg2+ 2 0,78 13,30 3 Ca2+ 2 1,06 10,00 2 H+ 2 - - 1
+ Khả năng trao đổi phụ thuộc nồng độ ion trong dung dịch. Núi chung, nồng độ ion trong dung dịch đất càng cao thỡ phản ứng trao đổi càng mạnh.
* Dung tớch trao đổi cation và độ no bazơ của đất + Dung tớch trao đổi cation của đất
Dung tớch trao đổi cation của đất (dung tớch hấp phụ) là tổng số cation hấp phụ (kể cả cation kiềm và khụng kiềm) trong 100 gam đất, tớnh bằng ly đương lượng gam, ký hiệu bằng chữ CEC (cation exchange capacity).
Dung tớch trao đổi cation được xỏc định bằng cỏch phõn tớch trực tiếp hoặc tớnh theo cụng thức: CEC = S + H. Trong đú S là tổng số cation kiềm, kiềm thổ hấp phụ (chủ yếu là Ca2+, Mg2+, K+ và Na+), H là tổng số ion H+ và Al3+ hấp phụ (độ chua thuỷ phõn). Tất cả đều tớnh bằng đơn vị lđl/100 g đất.
Dung tớch trao đổi cation của đất phụ thuộc thành phần keo, thành phần cơ giới đất, tỷ lệ SiO2/R2O3 và pH.
Bảng 3.5. Dung tớch hấp phụ của một số loại keo đất
Loại keo CEC (lđl/100 g)
Fe(OH)3 và Al(OH)3 Rất bộ
Kaolinit 5 - 15
Montmorilonit 80 - 150
Illit 20 - 40
Axit humic 350
Như vậy, đất càng nhiều mựn và nhiều montmorilonit thỡ CEC càng lớn. - Thành phần cơ giới đất càng nặng CEC càng lớn (bảng 3.6)
Bảng 3.6. Cỏc cấp hạt khỏc nhau và CEC của đất
Cấp hạt (mm) CEC (lđl/100 g đất) 0,25 - 0,005 0,3 0,005 - 0,001 15,0 0,001 - 0,0025 37,2 < 0,0025 69,9 - Tỷ lệ SiO2/R2O3 càng lớn thỡ CEC càng lớn (Bảng 3.7)
Bảng 3.7. Quan hệ giữa tỷ lệ SiO2/R2O3 và CEC của đất Tỷ lệ SiO2/R2O3 CEC (lđl/100 g đất) 3,18 70,0 2,68 42,6 1,98 21,5 1,40 7,7 0,42 2,1
- pH đất tăng lờn thỡ CEC tăng lờn (Bảng 3.8)
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của pH đến CEC của một số keo sột
Keo Kaolinit Montmorilonit
pH 2,5 - 6,0 7,0 2,5 - 6,0 7,0
CEC (lđl/100 g đất) 4 10 95 100
Bảng 3.9. CEC của một số loại đất Việt Nam
Loại đất CEC (lđl/100 g đất)
éất đỏ nõu phỏt triển trờn đỏ bazan 8 - 10 éất đỏ vàng phỏt triển trờn đỏ phiến sột 7 - 8 éất đỏ phỏt triển trờn đỏ vụi 6 - 8 éất đỏ vàng phỏt triển trờn đỏ liparit (riolit) 4 - 6
éất macgalit - feralit 30 - 40
éất phốn 10 - 12
éất bạc màu 4 - 6
+ éộ no bazơ (độ bóo hồ bazơ) của đất
Núi chung CEC cú giỏ trị càng cao thỡ đất càng tốt vỡ chứa nhiều keo. Tuy nhiờn dung tớch trao đổi cation chỉ núi lờn khả năng trao đổi cation mà chưa núi lờn thành phần cation hấp phụ. Thực tế một số đất tuy cú CEC lớn nhưng do nhiều H+ nờn đất chua. Vỡ thế, cần cú CEC lớn nhưng tỷ lệ cation bazơ (bao gồm cả cỏc cation kiềm và kiềm thổ) cũng lớn đất mới tốt. Bởi vậy người ta cũn dựng chỉ tiờu "độ no bazơ" để đỏnh giỏ độ phỡ nhiờu đất.
éộ no bazơ của đất là tỷ lệ phần trăm cỏc cation kiềm, kiềm thổ chiếm trong tổng số cation hấp phụ, ký hiệu là BS (Base saturation), đơn vị % và được tớnh theo cụng thức:
BS (%) = (S x 100)/CEC = (S x 100)/(S + H)
trong đú, S: tổng số cation bazơ trao đổi, H: độ chua thuỷ phõn, CEC: dung tớch trao đổi cation của đất, cả ba đại lượng này đều tớnh bằng lđl/100g đất. BS cú giỏ trị càng lớn thỡ đất càng bóo hồ bazơ. Người ta đỏnh giỏ như sau:
BS < 50% : đất đúi bazơ
BS = 50 - 75%: đất cú độ no bazơ trung bỡnh BS > 75% : đất no bazơ
Ở nước ta, phần lớn đất đồi nỳi và một số đất phự sa chua do bị rửa trụi cỏc chất kiềm, kiềm thổ mạnh nờn thường cú BS < 50%. Vỡ vậy việc bún vụi kết hợp với bún phõn cho những đất này là cần thiết.
a. Hấp phụ trao đổi anion
éất khụng những cú khả năng hấp phụ cation mà cũn cú khả năng hấp phụ anion. Sự hấp phụ anion xảy ra trong trường hợp keo mang điện dương. Tỷ lệ keo dương trong đất khụng nhiều nờn hấp phụ cation vẫn là chủ yếu. Sự hấp phụ anion của đất phụ thuộc vào cỏc yếu tố: đặc điểm của cỏc anion, tỷ lệ SiO2/R2O3 và phản ứng mụi trường đất.
+ Anion khỏc nhau xảy ra sự hấp phụ khỏc nhau. Khả năng hấp phụ anion cú thể sắp xếp như sau: H2PO4- > HCO3- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-. Dựa vào khả năng hấp phụ cú thể chia cỏc anion trong đất làm 3 nhúm:
- Nhúm thứ nhất: gồm cú những anion cú thể bị hấp phụ rất mạnh bằng cỏch tạo thành kết tủa khú tan với cỏc cation trong dung dịch đất như Ca2+, Fe3+... éú là kiểu hấp phụ hoỏ học đó núi ở phần trờn. Nhúm này cú cỏc anion của axit phosphorit như PO43-, HPO42- và H2PO4- và anion của một số axit hữu cơ. Ngoài việc liờn kết với cation hỡnh thành cỏc hợp chất khụng tan, cỏc ion này cú thể bị hấp phụ vào keo đất bằng cỏch trao đổi với anion OH- trờn bề mặt keo đất như trường hợp kaolinit.
- Nhúm thứ hai: gồm những anion hầu như khụng bị hấp phụ. Nhúm này cú NO3-, NO2- và Cl-. Nguyờn nhõn khụng cú sự hấp phụ cỏc anion này là vỡ chỳng khụng tạo thành với cỏc cation của dung dịch đất những chất khú tan. Chỳng cũng khụng được giữ chặt bởi keo dương do tớnh dễ hoà tan, trừ trường hợp đất rất chua, chứa rất nhiều secqui oxit, một lượng nhất định cỏc ion này sẽ được hấp phụ. Dựa vào tớnh dễ di động của Cl- cú thể dựng nước ngọt để rửa Cl- cho cỏc đất mặn và chỳ ý khi sử dụng phõn đạm, nhất là cỏc loại phõn cú chứa NO3- để hạn chế sự mất đạm do NO3- dễ bị rửa trụi.
- Nhúm thứ ba: gồm cỏc anion cú khả năng hấp phụ trung gian giữa 2 nhúm trờn, đú là SO42-, HCO3-, CO3 2- và SiO32-. Cỏch chia như thế chỉ cú ý nghĩa tương đối vỡ ngay cả những anion này tuỳ điều kiện của mụi trường đất cú thể cú khả năng hấp phụ cao. Vớ dụ, SO42- bị hấp phụ rất ớt, chỉ trong điều kiện đất cú nhiều canxi và độ ẩm đất thấp mới tạo thành CaSO4 hoặc CaSO4.2H2O ở dạng kết tủa. Cỏc muối SO42- khỏc (Mg, K, Na) đều dễ tan, cỏc anion CO32-, HCO3- hấp phụ hoỏ học với canxi tạo thành những chất cacbonat khú tan.
+ Khả năng hấp phụ anion phụ thuộc tỷ lệ SiO2/R2O3. Tỷ lệ này càng thấp (tức tỷ lệ keo dương tăng) thỡ hấp phụ anion càng nhiều (bảng 3.10).
Bảng 3.10. Quan hệ giữa SiO2/R2O3 với hấp phụ anion (Matxơn)
SiO2/R2O3 PO43- SO42- Cl-
lđl/100 g đất
3,82 0,52 - -
2,82 0,93 0,04 -
1,89 1,15 0,15 0,03
0,55 1,60 0,27 0,04
+ Khả năng hấp phụ anion cũn phụ thuộc vào phản ứng mụi trường. éất cú phản ứng càng chua, tỷ lệ keo dương trong đất sẽ càng tăng, vỡ vậy sự hấp phụ anion của đất cũng sẽ tăng lờn (bảng 3.11).
Bảng 3.11. Quan hệ giữa pH với hấp phụ anion (lđl/100 g đất) theo Matxơn
Kaolinit Montmorilonit
pH Cl- pH SO42- pH PO43- pH Cl- pH PO43-
7,2 0,0 7,2 0,0 7,5 29,7 6,8 0,0 6,5 32,4 6,7 0,3 6,9 0,7 6,7 40,8 5,6 0,0 5,1 36,3 6,1 1,1 6,6 2,9 6,1 46,5 3,2 0,1 4,8 38,7 5,8 2,4 6,2 4,6 5,5 56,1 3,1 0,1 4,0 47,4 5,3 3,8 5,9 6,6 4,6 75,0 3,0 0,1 3,3 60,6 4,0 5,9 5,0 10,5 3,8 92,1 2,8 0,4 2,9 81,0