Thổ nhưỡng - Đặc điểm hóa học của đất

Đặc điểm hóa học đất
Thành phần hóa học của đất
Các nguyên tố hoá học chứa chủ yếu trong phần khoáng, hữu cơ của đất.
Nguồn gốc của chúng có từ đá và khoáng tạo thành đất.
Trong đất có khoảng hơn 45 nguyên tố khoáng
Những nguyên tố hóa học phổ biến trong vỏ trái đất (Gabler et al, 1991)
Sự hòa tan các khoáng trong đất
Các khoáng hòa tan sẽ giải phóng dinh dưỡng vào dung dịch đất

Trong dung dịch đất, các khoáng hòa tan có thể bị kết tủa trở lại
Định luật tác động khối lượng
Hằng số sản phẩm hòa tan Ksp càng nhỏ, khả năng hòa tan của khoáng càng thấp.
CaSO4 Gypsum Ksp = 1.95 x 10-4
Al(OH)3 Aluminum Hydroxide Ksp = 1.6 x 10-34


Các khoáng phổ biến trong đất
Calcium Carbonate
Ksp CaCO3 = 0.87 x10-8
Aluminum Hydroxide
Ksp Al(OH)3 = 1.6x 10-34
Sắt Hydroxide
Ksp Fe(OH)3 = 1.6x 10-37
pH là yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của các khoáng này



Chất hữu cơ của đất
soil organic mater (SOM)
Là thành phần quan trọng nhất của đất,
Đánh giá độ phì của đất
Hôïp chaát raát phöùc taïp
Raát khoù xaùc ñònh tính chaát hoùa hoïc
Quaù trình hình thaønh ñöôïc kieåm soaùt bôûi caùc tieán trình sinh hoïc
Raát bieán ñoäng
Raát nhaïy caûm vôùi ñieàu kieän moâi tröôøng


Thành phần của chất hữu cơ
Sinh khối
Rễ cây
Giun đất và côn trùng
Vi sinh vật
Dư thừa, xác bã
Dư thừa thực vật tươi (chưa phân giải)
Bắt đầu phân giải
Bán phân giải
Phân giải hòan toàn
Mùn

Chất hữu cơ không đặc trưng


Chiếm 10 – 15% tổng số SOM của đất
Có nguồn gốc từ :
- động thực vật: xác ĐTV, VSV
Các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy: protein, mỡ, sáp, celluloza,
Khi phân hủy giải phóng chất dinh dưỡng cho TV
Kích thích hay kiềm hãm sinh trưởng của cây


Chất mùn
Acid humic
Acid fluvic
Humin

Acid humic
Tính chất hóa học
C : 50 – 62%
H : 2,8 – 6%
O : 31 – 41%
N : 2 – 6%
Ngoài ra còn có 1 - 10% :P, S, Fe, Al
Acid humic
Tính chất cơ bản
Tính acid thấp
Ít di động, ít bị rửa trôi
Khả năng hấp phụ cao
Liên kết với khoáng sét của đất tạo nên keo phức vô cơ – hữu cơ
Acid fluvic
Thành phần hóa học
C : 40 – 52%
H : 3,5 – 5,5%
O : 40 – 48%
N : 2 – 4%
Hàm lượng các nguyên tố tro từ 7 – 10%
pH : 2,6 – 2,8
Acid fluvic
Là acid hữu cơ cao phân tử chứa nito hình thành trong môi trường chua, dễ tan trong nước, acid, bazo
Khả năng ngưng tụ kém, Di động
Đất giàu acid fluvic: chua, nghèo mùn, các nguyên tố trong đất dễ bị rửa trôi dưới dạng các muối fluvat dễ hòa tan
Humin
Là tổ hợp của các chất mùn được cấu tạo bởi các liên kết giữa acid humic, acid fluvic và các khoáng sét trong đất
Humin có màu đen, không tan trong dung dịch kiềm, bền trong đất, cây trồng không sử dụng được
Vai trò của chất hữu cơ
Tham gia vào quá trình tạo thành đất
Cải thiện tính chất vật lý đất
Khả năng trao đổi hấp phụ ion cao
Là nguồn cung cấp thức ăn cho cây trồng


Quá trình phân giải chất hữu cơ
Quá trình khoáng hóa chất hữu cơ: phân hủy hoàn toàn SOM tạo ra các sản phẩm như muối khoáng, CO2 và H2O
Quá trình mùn hóa: quá trình phân giải chất hữu cơ thành hợp chất mùn (hợp chất cao phân tử, màu đen)
Đánh giá mùn trong đất
Tỷ lệ C/N : tỷ lệ C/N càng thấp thì SOM, mùn bị phân giải nhanh
Loại đất C/N
Vàng đỏ 12
Đỏ nâu 9
Phù sa 12
Mùn trên núi 16
C/N > 20
Quá trình mùn hóa > quá trình khoáng hóa
Đất yếm khí, SOM phân giải chậm
C/N < 20
Quá trình mùn hóa < quá trình khoáng hóa
Trao đổi ion
Sự hấp phụ các ion trong dung dịch với bề mặt keo đất mang điện tích
Điện tích trong hệ thống phải luôn luôn cân bằng
Các ions này có thể trao đổi với các ions khác để luôn duy trì sự cân bằng điện tích
Lực hấp phụ thay đổi

Trao đổi cation
Xảy ra trên keo điện tích âm. Có 2 loại keo:
Keo vô cơ
Keo hữu cơ
Keo hữu cơ - vô cơ
Nguồn gốc điện tích trên keo vô cơ
Sét silicate cấu trúc dạng phiến
Tứ diện silica
Bát điện Aluminum
Thay thế đồng hình
Al 3+ thay Si 4+ trong phiến tứ diện = thừa -1
Mg 2+ hay Fe 2+ thay Al 3+ trong phiến bát diện = thừa -1
Diện tích bề mặt
10 - 800 m2/g keo sét


Kaolinite Al2Si2O3(OH)4

Kiểu sét 1:1. 1 tứ diện silica và 1 bát diện aluminum
Rất ít có thay thế đồng hình
Kaolinite
Lực liên kết rất chặt nên không thể co dãn để hút thêm cation hoặc nước ? giữ nước, phân kém
CEC thấp: 1 - 10 meq/100g (cmolc/kg)
Phổ biến trên các loại đất feralit, đất phù sa chua, đất xám bạc màu trên phù sa cổ, đất cát ven biển

2. Sét Mica (illite và vermiculite)

Kiểu 2:1. 2 tứ diện silica xếp trên và dưới 1 phiến bát diện aluminum
Thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trên phiến tứ diện, vì vậy điện tích nằm trên bề mặt sét, nên lực giữ rất mạnh.

Sét Mica (illite và vermiculite)

CEC tương đối thấp: 15 - 40 meq/100g (cmolc/kg)
Cố định K - Điện tích và kích thước
Phổ biến trên đất dốc tụ, phù sa.

3. Sét Smectite

Kiểu 2:1. 2 tứ diện silica nằm 2 phía của 1 bát diện aluminum
Thay thế đồng hình xảy ra chủ yếu trên phiến bát diện, vì vậy điện tích hình thành ở mặt trong của sét, nên mật độ điện tích mặt trong thấp hơn bề mặt ngoài của sét.

Sét Smectite

Kiểu sét này được gọi là sét trương nở. Có thể co ngót hay trương nở rất mạnh trong điều kiện khô, ẩm: khi nước vào/ra trong khoảng liên tầng.
CEC cao: 80 - 120 meq/100g (cmolc/kg)
Không phổ biến trên các loại đất ở VN.

So sánh cấu trúc các keo
4. Oxides ngậm nước

Các khoáng sét oxide ngậm nước phổ biến là: Fe và aluminum.
Đây là các loại khoáng sét rất quan trọng trên đất phong hóa mạnh vùng nhiệt đới.
Điện tích trên các khoáng sét này không hình thành do thay thế đồng hình như trong sét aluminosilicate dạng phiến.
Điện tích hình thành do quá trình ion hóa các gốc hydroxide trong khoáng. Đây là điện tích phụ thuộc pH.
Hydroxides là các loại sét có điện tích thay đổi theo pH.

Keo hữu cơ
Chủ yếu là keo mùn như acid humic, fluvic
Keo hữu cơ – vô cơ:
Keo hữu cơ ít tồn tại độc lập mà kết hợp với keo vô cơ
Quy luật sự trao đổi cation
Những ion có hóa trị càng lớn  khả năng trao đổi càng mạnh

Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+

Những ion có cùng hóa trị: ion nào có khối lượng càng lớn thì khả năng trao đổi càng mạnh
K+ > Na+ ;
Ca2+ > Mg2+



Quy luật sự trao đổi cation
Những ion có kích thước càng lớn thì khả năng trao đổi càng mạnh

Nồng độ ion trong dung dịch càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh

Nồng độ trong keo đất càng lớn khả năng khuếch tán càng mạnh

Sự trao đổi cation của rễ cây
Đơn tử diệp
10 – 30 lđl/100 g rễ
Song tử diệp
40 – 100 lđl/100 g rễ

Trao đổi anion
Những ion có hóa trị càng lớn khả năng hấp phụ càng mạnh

Với ion có cùng hóa trị, khối lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ lớn hơn
HPO42- > H2PO4- > SO42- > Cl-

Những ion trong môi trường acid ở dạng hòa tan
Al, Fe, Mn
Do Al hấp thụ PO4  AlPO4 không hòa tan
Trong môi trường acid cây trồng dễ bị thiếu dinh dưỡng
Các dạng hấp phụ trong đất
Khả năng đất hấp phụ các ion và các phân tử các chất khác nhau từ dung dịch và giữ chúng lại gọi là khả năng hấp phụ.
Không phải tất cả các muối đều bị đất hấp phụ. Sự hấp phụ của đất quyết định độ phì nhiêu của đất.
Khả năng hấp phụ của đất phụ thuộc vào thành phần cơ giới, loại keo đất, độ xốp.
Ca?c da?ng h�?p phu?:
H�?p phu? co ho?c
H�?p phu? ly? ho?c
H�?p phu? ho?a ho?c
H�?p phu? sinh ho?c
H�?p phu? trao dơ?i
Hấp phụ cơ học
Là khả năng của đất giữ lại các hạt vật chất nhỏ như xác hữu cơ, hạt sét, vi sinh vật..
Điều kiện của sự hấp phụ này là:
Kích thước khe hở bé hơn các vật chất bị hấp phụ.
Bề mặt đất càng gồ ghề thì sự hấp phụ càng lớn.
Hạt keo bị hấp phụ có điện tích trái dấu với bề mặt hạt đất.
Hấp phụ lý học
Là khả năng của đất giữ lại các chất trên bề mặt hạt keo nhờ năng lượng bề mặt. Có hai dạng hấp phụ:
Hấp phụ dương những chất làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch đất bao quanh và làm tăng nồng độ các chất trên bề mặt hạt đất. Các phần tử của nhiều hợp chất hữu cơ (rượu, acid hữu cơ, kiềm và chất hữu cơ cao phân tử bị hấp phụ lý học dương.
Hấp phụ âm những chất làm tăng sức căng bề mặt ngoài của dung dịch đất bao quanh và làm giảm nồng độ các chất trên bề mặt hạt đất. Những ion Cl-, NO3-dễ bị rửa trôi do nước.
Hấp phụ hóa học

Là khả năng của đất giữ lại các chất hoà tan ở dạng kết tủa hay tan ít. cố định những nguyên tố có lợi cho cây trồng như: P, Ca, S ; tích luỹ các chất trong đất như Al, Fe, S,
Các ion Cl-, NO3- với các cation khác không tạo thành, Cl-, NO3-có tính linh động cao.
CO32- , SO42- với cation hoá trị 1 tạo thành muối hoà tan, còn với cation hoá trị 2 tạo thành hợp chất khó hoà tan (với Ca, Mg)
Các anion photphat (H2PO4- , HPO42- ) với cation hoá trị 1 tạo thành muối hoà tan, với cation hoá trị 2 và 3 thì khác nhau về độ hoà tan. Với cation Al, Fe, Ca, Mg tạo thành hợp chất khó hoà tan.
Cường độ hấp phụ hoá học phụ thuộc vào loại đất : đất đen < đất xám < đất potzon đồng cỏ < đất đỏ.
Hấp phụ sinh học
Là khả năng sinh vật hút cation và anion trong đất rể cây tiết ra ion H+ để trao đổi chất dinh dưỡng ở dạng cation.
Vi sinh vật và rể cây hút có chọn lọc những ion di chuyển trong đất để biến thành những chất hữu cơ không bị nước rửa trôi. Chúng hấp phụ từ dung dịch đất nitơ và các nguyên tố khác và chuyển chúng thành các hợp chất hữu cơ.
Hấp phụ sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hoá phân nitơ trong đất,
Cường độ hấp phụ sinh học phụ thuộc vào độ ẩm, độ thoáng khí, tính chất đất, số lượng và thành phần hữu cơ.
Hấp phụ trao đổi

Là phản ứng giữa keo đất với ion trong dung dịch đất.
Sự hấp phụ chỉ xảy ra khi keo đất tích điện và có sự chênh lệch nồng độ giữa bề mặt hạt keo và dung dịch đất bao quanh.
Hấp phụ trao đổi đóng vai trò quan trọng trong các quá trình thổ nhưỡng, quyết định tính chất lý hoá học của đất, phản ứng, tính đệm của đất, đặc biệt có ý nghĩa khi tác dụng đất với phân bón.
Hấp phụ trao đổi

Việc bón vào đất phân hoà tan (N, K) ở mức độ lớn bị hấp phụ trao đổi.
Mỗi loại đất ở trạng thái tự nhiên chứa một số lượng nhất định cation hấp phụ trao đổi: Ca2+, Mg2+ , H+ , Na+ , K2+, NH4+, Al3+
Trong đa số các đất chiếm ưu thế là Ca2+, sau đó là Mg2+ trong thành phần cation trao đổi.
Đất chua chứa lượng lớn H+

Phản ứng oxy hóa khử
Đây là phản ứng xảy ra phổ biến trong đất, giữ vai trò quan trọng đối với độ phì nhiêu của đất.
có sự tham gia của vi sinh vật.
dùng để đánh giá độ thông khí và khả năng cung cấp dưỡng chất trong đất.
Điện thế ở đất cây trồng cạn tốt nhất là 200 -700mV, nếu cao hơn thì một số chất chuyển sang trạng thái oxyhoá không hoà tan, nên cây không hút được dưỡng chất. Nếu quá thấp sẽ gây độc cho cây vì sinh ra chất H2S

Phản ứng oxy hóa khử
Biện pháp điều chỉnh điện thế oxy hoá khử:
Rút nước phơi ruộng,
phá váng sau khi mưa hoặc tưới,
làm cỏ, cày ải, bừa kỹ.
Bón phân hữu cơ và bón vôi để cho đất tơi xốp.
pH đất và các tính chất đi cùng với pH đất có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng và độ phì nhiêu của đất.