Bài 1. Các tính chất của đất liên quan đến sự cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng
Mục tiêu
- Hiểu các dạng và “nguồn cung cấp” dinh dưỡng cơ bản của đất.
- Hiểu sự trao đổi ion và các tính chất của đất quyết định khả năng trao đổi cation của đất.
- Hiểu các tính chất và cấu trúc cơ bản của 1 số lọai khĩang sét
- Đánh giá đúng khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng như là những tiến trình động liên quan đến nhiều tính chất vật lý, hĩa học và sinh học của đất.
I. Các nguồn cung cấp dinh dưỡng trong đất cho cây.
Các mối quan hệ cơ bản giữa các thành phần của đất và cây trồng
Các chất dinh dưỡng trong đất cĩ thể cung cấp cho cây trồng cĩ thể cĩ nguồn gốc từ sự phân giải chất hữu cơ, sự phong hĩa các khĩang trong đất, từ phân bĩn vơ cơ và hữu cơ, từ chất hữu cơ bổ sung (dư thừa thực vật), phân chuồng, phân ủ, chất thải
Dung dịch
đất
Cây hấp thu dinh dưỡng
Ion trao đổi và hấp phụ bề mặt Khơng khí trong đất Chất hữu cơ và vi sinh vật đất Khống nguyên sinh và thứ sinh Mưa, phân bĩn, bốc hơi, tiêu nước
rắn sinh học, từ cố định N sinh học, cây họ đậu…, đá phosphate (apatite), các sản phẩm trung gian trong cơng nghiệp như vơi, thạch cao, hoặc lắng đọng trong khí quyển (N & S), phù sa, xĩi mịn, ngập nước…
Bất kể nguồn gốc phát sinh, tất cả các chất dinh dưỡng trong đã vào trong đất được xem là nguồn dinh dưỡng cung cấp cho cây. Các chầt dinh dưỡng sẽ tương tác với các tính chất vật lý, hĩa học và sinh học của đất, sau đĩ hoặc là được cây trồng hấp thu, hoặc là được di chuyển vào các nguồn cung cấp khác trong đất. Các nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng bao gồm:
1 Dung dịch đất.
Các chất dinh dưỡng dạng hịa tan và dễ dạng hữu dụng đối với cây..
2 Chất hữu cơ.
Chất hữu cơ trong đất được phân giải bởi vi sinh vật và giải phĩng các chất dinh dưỡng vào dung dịch đất. Tầm quan trọng của chất hữu cơ trong đất như là 1 nguồn cung cấp dinh dưỡng, và vai trị của sinh vật đất, chi tiết được trình bày trong phần chu kỳ chất N.
3 Sinh vật đất.
Sinh vật đất cĩ thể hấp thu và giữ tạm thời chất dinh dưỡng trong cơ thể (hấp thu sinh học).
4 Các khĩang trong đất.
Các khĩang khác nhau trong đất rất biến động trong khả năng hịa tan (dễ, khĩ hịa tan) để giải phĩng dinh dưỡng.
5 Hấp phụ trao đổi bề mặt.
Các chất dinh dưỡng được giữ trên bề mặt keo đất bởi các cơ chế khác nhau. Do lực hấp phụ nên khả năng trao đổi các chất dinh dưỡng này cũng biến động: nhanh- chậm hữu dụng
Trao đổi cation. Các cation được hấp phụ trên bề mặt keo đất cĩ khả năng trao đổi với các cation khác trong dung dịch đất. Đây là kiểu phản ứng rất quan trọng trong hấp phụ bề mặt.
II. Các nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng 1 Trao đổi ion 1 Trao đổi ion
Một số thuật ngữ.
Hấp phụ: giữ trên bề mặt Hấp thu: hút vào bên trong
Cations – điện tích dương Anions – điện tích âm
Dạng dễ hữu dụng nhất của các nguyên tố tối cần thiết phần lớn là dạng ion. Trao đổi ion. Ion được hấp phụ trên bề mặt keo đất được trao đổi với 1 ion khác trong dung dịch, trao đổi ion là tiến trình thuận nghịch, tiến trình trao đổi ion giữa bề mặt keo đất và dung dịch đất.
1.1 Trao đổi cation.
Thường quan trọng hơn so với trao đổi anion trên đất nơng nghiệp, do điện tích âm của bề mặt keo đất chiếm ưu thế. Trao đổi cation là phản ứng kiểm sĩat khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng K, Ca, và Mg.
1.1.1 Nguồn gốc của điện tích bề mặt
Các thành phần như khĩang sét, chất hữu cơ, các hợp chất vơ cơ (ví dụ oxide Fe, Al ngậm nước), và rễ cây trồng đều cĩ thể cĩ điện tích trên bề mặt.
a. Điện tích trên khĩang sét. Trong đất, khĩang sét phần lớn là sét silicate dạng
phiến, cấu trúc tinh thể.
- Sét silicate-đơn vị cấu trúc cơ bản: Tứ diện Silica, 1 ion Si4+ nối với 4 ion O2- và bát diện Aluminum, 1 ion Al3+ nối với 6 ion OH-
- Sét silicate – phiến. Các chuổi hay các phiến (lớp) tứ diện Si-và bát diện Al, các đơn vị tứ dịên nối với nhau thơng qua O, và các đơn vị bát dịên nối với nhau thơng qua OH
- Sét silicate – tầng. Các phiến được nối thơng qua nguyên tố O hình thành các tầng Các kiểu sét khác nhau cĩ sự sự sắp xếp khác nhau giữa các phiến tứ diện và bát diện Các tầng được nối với nhau bằng những cơ chế khác nhau và lực nơ1 khác nhau - Kiểu sét. Tùy theo sự sắp xếp các phiến, các loại sét được chia thành các kiểu:
- Sét 1:1. Một tầng sét bao gồm 1 phiến tứ diện và 1 phiến bát diện. Sét 1:1 tiêu biểu là sét Kaolinite, điện tích âm thấp, chiếm tỉ lệ cao trong đất phong hĩa mạnh, khơng trương nở do nối hydrogen giữ các tầng với nhau.
- Sét 2:1. Một tầng sét bao gồm 1 phiến bát diện nằm giữa 2 phiến tứ diện. Các kiểu sét 2:1 tiêu biểu là sét Montmorillonite, illite, vermiculite. Montmorillonite cĩ khả năng trương nở, co ngĩt rất cao, Vermiculite cĩ khả năng trương nở trung bình, và Illite (glauconite) khơng trương nở do K+ giữ chặt 2 tầng sét 2:1 và "đĩng chặt" illite, nên cĩ điện tích âm thấp, nhưng là lọai sét cung cấp K hữu dụng chậm.
- Sét 2:1:1. Một tầng sét bao gồm 1 phiến bát diện nằm giữa 2 phiến tứ diện, nhưng cĩ 1 tầng hydroxide Mg nằm giữa 2 tầng sét. Sét 2:1:1 tiêu biểu là sét Chlorite, 1 kiểu sét khơng trương nở.
Iso = giống nhau, morphic = dạng
Là sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác cĩ hình dạng, kích thước tương tự nhau, nhưng khác nhau về điện tích và sự thay thế này khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể của sét. Si4+ hay Al3+ được thay thế bởi các cation khác cĩ điện tích thấp hơn.
Al3+ thay Si4+ trong tứ diện
Mg2+ hay Fe2+ thay Al3+ trong bát diện
Đây chính là nguồn gốc chính hình thành điện tích âm, chủ yếu trong sét 2:1, là điện tích thường xuyên, xảy ra trong giai đọan hình thành khĩang. Kỹ thuật quản lý khơng làm thay đổi được do điện tích thường xuyên khơng chịu ảnh hưởng của pH
c. Cạnh vỡ khống sét. Điện tích phụ thuộc pH
Cạnh vỡ của sét silicate dạng tầng, cạnh vỡ làm tăng các vị trí mang điện tích (+) khi pH thấp và tăng các vị trí mang điện tích (-) khi pH cao. Do phụ thuộc pH nên các kỹ thuật quản lý cĩ thể làm thay đổi.
Điện tích trên cạnh vỡ sét chịu ảnh hưởng pH: Điều kiện chua – thừa H+
- Si – OH - Al – OH
Điều kiện kiềm –H+ được trung hịa - Si – O-
- Al – O-
d. Điện tích bề mặt chất hữu cơ
Điện tích phụ thuộc pH, do sự phân ly của H+ từ các gốc chức năng carboxylic phenolic acid. Ví dụ - COOH ↔ - COO- + H+
Là hợp chất cĩ điện tích cao/đơn vị trọng lượng
1.1.2. Khả năng trao đổi cation (CEC)
Tổng lượng điện tích âm trong đất, đơn vị Milliequivalents điện tích (-)/100 grams đất
CEC của đất phụ thuộc vào các yếu tố: hàm lượng sét (sa cấu), kiểu sét (sét 2:1 cĩ CEC cao hơn sét 1:1) và hàm lượng chất hữu cơ (hàm lượng chất hữu cơ càng cao CEC càng cao.
CEC của các lọai sét và chất hữu cơ
CEC (meq/100 g)
Montmorillonite 80-120 Illite 20-40 Chlorite 20-40 Kaolinite 1-10 Mùn 100-300
CEC của đất chịu ảnh hưởng của sa cấu và hàm lượng chất hữu cơ
CEC (meq/100 g đất)
cát (mùn thấp) 3-5
cát (mùn cao) 10-20
Thịt mịn (loam) 10-15
Thịt trung bình (Silt loams) 15-25 Sét và thịt pha sét 20-30
Đất than bùn 50-100
1.1.3 Tỉ lệ các cation hấp phụ.
Phụ thuộc vào lực hấp phụ trao đổi của các cation tỉ lệ thận với điện tích và kích thước (khi ngậm nước) ion. Lực hấp phụ như sau: Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ (dãy điện hĩa trị).
Sự cạnh tranh trong hấp phụ và thay thế ion tác động rất lớn đến sự rửa trơi cation và khả năng hữu dụng đối với cây trồng. hấp phụ mạnh, hạn chế rửa trơi, nhưng cĩ thể làm giảm khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng.
1.1.4 Độ bảo hịa base.
Được định nghĩa là % CEC được chiếm giữ bởi các cation base. Các Cation acid bao gồm Al3+ và H+ , các cation cịn lại là base, phổ biến là Ca2+ , Mg2+ , K+ NH4+ , Na+
Độ bảo hịa base chỉ thị khả năng hữu dụng và tỉ lệ thuận với pH. Độ bảo hịa base cao, khả năng hữu dụng các cation base cao và pH càng cao, độ bảo hịa base càng cao. Ví dụ, pH 5.5, độ bảo hịa base 50%, pH 7.0 tương ứng với độ bảo hịa base 90%
1.2.Trao đổi anion.
Anions được hấp phụ trên các vị trí mang điện tích (-). Trao đổi anion xảy ra trên các điện tích phụ thuộc pH, bao gồm cạnh khĩang sét, Oxide Fe, Al ngậm nước. Trên đĩ Anion thay thế gốc OH. Trao đổi anion xảy ra phổ biến trong đất phong hĩa mạnh. Anion được giữ lại khơng đơn thuần do lực hấp thu tĩnh điện, các anion cĩ hấp phụ chuyên biệt, hay hấp phụ hĩa học. Trao đổi anion rất quan trọng đối với H2PO4- , va một số SO42-, rất ít NO3- hay Cl- , Trao đổi anion là phản ứng khơng quan trọng trong đất nơng nghiệp cĩ bĩn vơi.
1.3. Chelate hĩa.
Là phản ứng tạo phức các cation kim lọai bởi các hợp chất hữu cơ. Các hợp
chất hữu cơ được tổng hợp bởi rễ cây trồng, sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật, và một phần của chất hữu cơ trong đất
Chelate = "mĩng, vuốt". Do vậy nên các vị trí nối tăng rất cao, Chelate "bao quanh" ion kim loại
Chelate hịa tan làm tăng khả năng hữu dụng của các cation kim lọai như Fe, Zn, Mn, Cu. Nhờ đĩ nên các ion này được bảo bệ, hạn chế các phản ứng kết tủa và hấp phụ. Nhưng chú ý là nếu Chelate hĩa bởi các chất hữu cơ dạng rắn làm giảm khả năng hữu dụng, ví dụ, khả năng hữu dụng của Cu thấp trong đất than bùn
III.Khả năng đệm. 1. Định nghĩa. 1. Định nghĩa.
Là khả năng duy trì nồng độ các chất dinh dưỡng trong dung dịch đất. Khả năng bù đắp chất dinh dưỡng cho dung dịch đất từ keo đất, khi chất dinh dưỡng trong dung dịch được cây trồng hầp thu. Phân lớn các chất dinh dưỡng được xác định bằng phương pháp phân tích đất là chất dinh dưỡng ở dạng này
2. Ý nghĩa.
Khả năng đệm được diễn tả bằng: BC = Δ Q/ Δ I , trong đĩ, Yếu tố khối lượng (lượng chất dinh dưỡng được hấp phụ trên phần rắn) = Δ Q, bao gồm các ions hấp phụ và các khĩang hịa tan đủ nhanh để cung cấp chất dinh dưỡng trong một mùa vụ. Yếu tố cường độ (chất dinh dưỡng hịa tan trong dung dịch) = Δ I, sự thay đổi về nồng độ các chất dinh dưỡng trong dung dịch đất.
Khi cây trồng hấp thu dinh dưỡng sẽ làm giảm nồng độ dinh dưỡng trong dung dịch, nếu đất cĩ Q cao, nồng độ dinh dưỡng trong dung dịch sẽ được duy trì tốt. Ngược lại nếu I thấp và Q thấp, khả năng duy trì nồng độ dinh dưỡng trong dung dịch khơng cao, cây sẽ thiếu dinh dưỡng.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng đệm.
3.1. CEC đất. CEC đất càng cao, khả năng đệm càng lớn. 3.2. Hàm lượng chất hữu cơ càng cao, khả năng đệm càng cao.
3.3. Hàm lượng sét càng cao, khả năng đệm càng cao. Đất cĩ sa cấu mịn cĩ khả năng đệm cao hơn đất cĩ sa cấu thơ,
3.4. Sét 2:1 cĩ khả năng đệm cao hơn sét 1:1. Đất chứa sét montmorillonite cao, cĩ khả năng đệm cao hơn đất chứa nhiều sét kaolinite.
Tĩm tắt.
1. Các nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng: Các chất dinh dưỡng được rễ hấp thu cần hiện diện trong dung dịch đất. Các nguồn cung cấp chất dinh dưỡng vào dung dịch đất bao gồm: phân bĩn, ion hấp phụ bề mặt keo đất, từ sự phân giải chất hữu cơ và trong cơ thể sinh vật đất, từ sự hịa tan các khống thứ sinh, từ sự phong hĩa các khống nguyên dinh.
2. Trao đổi ion là tiến trình quan trọng trong dinh dưỡng cây trồng trong đất. 3. Trao đổi ion là tiến trình thuận nghịch, các cation và anion được trao đổi giữa
các thành phần rắn và thành phần dung dịch của đất.
4. Trao đổi cation trong đất nơng nghiệp quan trọng hơn trao đổi anion.
5. Khả năng trao đổi cation (CEC) được kiểm sốt bởi hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét và kiểu sét trong đất.
6. Giữa CEC và khả năng đệm của đất cĩ tương quan thuận. 7. Độ bảo hịa base là tỉ lệ các cation chiếm giữ trên CEC của đất.
Bài 2. Vận chuyển và hấp thu dinh dưỡng của rễ cây trồng
Mục tiêu
- Hiểu 3 cơ chế các chất dinh dưỡng trong đất di chuyển đến rễ cây trồng - Hiểu các cơ chế chính cung cấp các chất dinh dưỡng tối cần thiết cho cây
- Hiểu các đặc điểm của rễ và hệ thống rễ ảnh hưởng đến sự hấp thu dinh dưỡng như thế nào
- Cĩ khả năng diễn tả rễ hấp thu các chất dinh dưỡng như thế nào
- Các chất dinh dưỡng phải tiếp cận bề mặt rễ để cây hấp thu được thực hiện bởi sự di chuyển của các chất dinh dưỡng và sự sinh trưởng của rễ cây
I. Sự di chuyển của ion từ đất đến rễ
Các chất dinh dưỡng cung cấp cho rễ cây trồng được thực hiện chủ yếu theo 3 cơ chế chính. Đĩ là: rễ tiếp xúc trực tiếp, dịng chảy khối lượng, và khuếch tán.
Sự tiếp xúc trực tiếp của rễ chỉ đơn thuần là 1 cơ chế cung cấp dinh dưỡng. Dịng chảy khối lượng và khuếch tán là những cơ chế cung cấp & vận chuyển các chất dinh dưỡng đến rễ. Do đĩ cần hiểu các chất dinh dưỡng di chuyển trong đất và đến rễ như thế nào, và điều quan trọng là cần hiểu các tác động của mơi trường đến sự hấp thu dinh dưỡng của rễ cây.
1.Tiếp xúc trực tiếp của rễ
Do rễ sinh trưởng trong đất, cĩ sự tiếp xúc trực tiếp với bề mặt các hạt keo đất, nên bề mặt rễ tiếp xúc với các ion dinh dưỡng được hấp phụ trên bề mặt các hạt keo đất. Do rễ cũng cĩ khả năng trao đổi cation, chủ yếu do các gốc carboxyl (như trong chất hữu cơ -COOH ↔ - COO - + H+ ) nên rễ cĩ khả năng hấp thu dinh dưỡng thơng qua cơ chế trao đổi ion.
1.1 Khả năng trao đổi cation của rễ. Rễ cây 1 lá mầm, cĩ CEC khoảng 10 - 30 meq/100 g rễ. Những cây cĩ CEC rễ thấp như cây 1 lá mầm sẽ hấp thu các cation hĩa trị 1 dễ dàng hơn. Ngược lại cây 2 lá mầm, thường cĩ CEC khoảng 40 - 100 meq/100 g, và cĩ khả năng hấp thu dễ dàng các cation hĩa trị 2.
1.3 Cơ chế trao đổi tiếp xúc:
Lơng hút của rễ H+ ↔ K+ bề mặt sét / chất hữu cơ
Hình 3.2.1. Lơng hút của rễ tiếp xúc trực tiếp các chất dinh dưỡng trong đất. Bảng 3.2.1. CEC của 1 số rễ cây trồng.
Loại cây CEC rễ (meq/100g rễ khơ)
Lúa 23
Bắp 29 Đậu 54
Cà chua 62
1.4 Hàm lượng các chất dinh dưỡng tiếp xúc trực tiếp với rễ phụ thuộc vào:
- Nồng độ chất dinh dưỡng trong đất. Lượng chất dinh dưỡng trong đất càng cao, rễ hấp thu càng cao.
- Thể tích đất được chiếm giữ bởi hệ thống rễ. Hệ thống rễ thường chiếm <1% đến 2%