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%