Giáo trình Khoa học đất - Chương 6, Bài 2: Trao đổi ion. Cây trồng hấp thu dinh dưỡng từ đất như thế nào

Chương 6. bài 2 TRAO ĐỔI ION Cây trồng hấp thu dinh dưỡng từ đất như thế nào Mục tiêu Mô tả tiến trình trao đổi ion và động lực thúc đẩy tiến trình này khả năng trao đổi cation (CEC) của đất Giải thích sự tương quan giữa CEC và khả năng cung cấp dinh dưỡng của đất Trao đổi Ion Sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác trên bề mặt ngoài hay mặt trong của tinh thể khoáng sét, mùn (chất keo) Trao đổi Cation (vd., Ca2+ trao đổi K+) Trao đổi Anion (vd., H2PO4 - trao đổi NO3 -) Ý nghĩa của trao đổi ion Làm chậm quá trình ô nhiễm nước ngầm ảnh hưởng đến tốc độ thấm nước thải. ảnh hưởng đến khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng (cung cấp liên tục, hạn chế rửa trôi) “sau quang hợp và hô hấp, có lẽ không có tiến trình nào trong tự nhiên có tầm quan trọng đến sự sống còn của sinh vật là sự trao đổi ion giữa đất và rễ cây trồng” Nyle C. Brady Các yếu tố kiểm soát trao đổi ion Lực hấp phụ- trao đổi Liên quan đến bán kính và hóa trị (điện tích) ion Bán kính càng nhỏ và hóa trị càng lớn, lực hấp phụ của ion càng mạnh. Nồng độ tương đối của ion trong dung dịch đất r2 điện tích F =Định luật Coulomb ái lực trao đổi Giữ chặt Giữ yếu “lực hấp phụ-trao đổi” H+  Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4 + = K+ > Na+ Lực hấp phụ tỉ lệ thuận với hóa trị (điện tích) và ÷ với bán kính ion khi ngậm nước Định nghĩa  cation: 1 ion mang điện tích (+)  anion: 1 ion mang điện tích (-)  Trao đổi cation : tiến trình – các cations trong dung dịch được trao đổi với các cations trên các vị trí trao đổi của khoáng hay chất hữu cơ  Khả năng trao đổi cation (CEC) : tổng cation có thể trao đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định  Khả năng trao đổi anion (AEC) : tổng anion có thể trao đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định Trao đổi Ion - CEC Đất thịt pha cát Đất rất chua Cần bao nhiêu ion để trung hòa các điện tích này??? NH4 + Ca2+ H+ Mg2+ K+ NO3 - Cl- H+ H+ NO3 - NO3 - NO3 - H+ HSO4 - H+ Cạnh tinh thể CEC = 7; AEC = 2 Khả năng trao đổi cation (CEC)  Tổng điện tích cations có khả năng trao đổi, 1 loại đất có thể hấp phụ.  Được xác định trong phòng thí nghiệm  Được diễn tả bằng điện tích (+) được hấp phụ trên 1 đơn vị trọng lượng đất [cmolsđiện tích/kgđất], lđl/100g đất  Nếu : CEC = 10 cmolc/kg vậy : đất hấp phụ 10 cmol ion H+ , có thể được trao đổi với 10 cmol K+, hay 5 cmol Ca2+ Số lượng điện tích, không phải số lượng ion, đó là vấn đề của trao đổi ion 1 mol = 6.022 X 1023 nguyên tử/điện tích Trọng lượng khác nhau do trọng lượng nguyên tử (1 cmol = 1/100 mol) Khả năng trao đổi cation của đất  hầu hết các loại đất, 99% cation được hấp phụ trên bề mặt keo đất (sét và mùn) và 1% hòa tan trong dung dịch.  Cations trong đất (chủ yếu là Ca++, Mg++, K+ và Na+) duy trì sự cân bằng giữa phần hấp phụ trên các vị trí điện tích âm và phần trong dung dịch đất.  Sự cân bằng này hình thành sự trao đổi – khi 1 cation rời khỏi vị trí hấp phụ, 1 cation khác sẽ thay thế vào vị trí đó.  Vì vậy, các vị trí mang điện tích âm được gọi là các vị trí trao đổi cation.  Tổng các vị trí trao đổi được gọi là khả năng trao đổi cation- CEC CEC phụ thuộc vào Hàm lượng sét và chất hữu cô (keo đất) Kiểu sét hiện diện trong đất (vd. kaolinites, smectites, vermiculites, micas, chlorites) CE C (c m ol c/ kg ) Mùn trong đất Phân ủ hoai Thịt- sét Điện tích trên keo đất* Loại keo Điện tích (-) Điện tích (+) Mùn (chất hữu cơ) Sét Silicate Oxides Al và Fe 200 cmolc/kg 0 cmolc/kg 100 cmolc/kg 0 cmolc/kg 4 cmolc/kg 5 cmolc/kg Vậy ion nào sẽ được hấp phụ trên các điện tích (-)? Cạnh vỡ của tinh thể kaolinite phơi bày các nguyên tử oxygen như là nguồn gốc hình thành ĐIỆN TÍCH (-) Nguồn gốc điện tích trên sét 1:1 Điện tích này là điện tích phụ thuộc pH Cạnh tinh thể Nguồn gốc điện tích của sét smectites ở đây có sự thay thế đồng hình, trong phiến bát diện, hình thành nên ĐIỆN TÍCH (-) THẬT Đây là điện tích thường xuyên Nguồn gốc điện tích trên micas 3. Mất cân bằng địên tích chủ yếu ở các cạnh của khoáng K+K+ 2. K+ trung hòa điện tích và “đóng chặt” cấu trúc không có sự trao đổi ở bề mặt trong của khoáng 1. Thay thế đồng hình trong phiến tứ diện Điện tích thường xuyên Lieân taàng Điện tích (-) trên mùn đơn vị trung tâm của 1 keo mùn (chủ yếu là C và H) TẬP TRUNG ở diện tích bề mặt! (nhưng không có bề mặt trong – tất cả ở các cạnh) Điện tích phụ thuộc pH Điện tích (-) Ions được hấp phụ So sánh điện tích bề mặt 13/ 18 “vị trí” là điện tích (-) (72%) 3 / 9 “vị trí” là điện tích (-) ( 33%) Sét silicate 1:1 Sét oxide Fe, Al Các cation được hấp phụ trên các loại đất khác nhau Bộ đất “cation chua” (H+, Al3+) “cation base” (các cation khác, vd., Ca2+, Mg++, K+, Na+ vv.) Ultisol Alfisol Mollisol 45 55 65 35 30 70 Các cation hấp phụ Đất vùng khí hậu ẩm Đất vùng khô hạn H+ H+ H+ Al3+ K+ K+ Ca2+ Mg2+ H+ Mg2+ NH4 + pH thấp (chua) pH cao (kiềm) Ví dụ về trao đổi cation + 2K+ Ca2+ + Ca2+  K+ K+ Al3+ + 3K+  K+ K+ K+ + Al3+ Sự trao đổi giữa 1 cation trong dung dịch đất với 1 cation hấp phụ trên bề mặt keo đất phải CÂN BẰNG ĐIỆN TÍCH. Giöõ chaët Giöõ yeáu H+  Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4 + = K+ > Na+ ỨNG DỤNG THỰC TIỂN: Cần bón bao nhiêu vôi để nâng pH (giảm độ chua) -- CaCO3 + 2H +  H2O + CO2 + Ca 2+ Mùn có CEC cao nhất Sét 2:1 Sét 1:1 Đất có lượng sét thấp Khoáng oxide phong hóa cao CE C (c m ol c/ kg ) CEC (cmolc/kg): bộ đất Ultisols Alfisols 9.0 Mollisols 18.7 Vertisols 35.6 Histosols Thấp cao Sét 1:1 Sét 2:1 Chất hữu cơ pH tb 128.0 3.5 Xác định CEC Bảo hòa với ammonium Rửa NH4+ Không hấp phụ Rửa NH4 + hấp phụ Xác định NH4+ Dung dòch ñaát Giaáy loïc Tính CEC • Mỗi điện tích là 1 đơn vị hấp phụ trao đổi • 4 cmolc/kg = 2 Ca 2+ hay 4 K+ hay 1 Al3+ và 1 H+ Ghi nhớ, CEC phụ thuộc vào Hàm lượng sét và chất hữu cơ Kiểu khoáng sét hiện diện trong đất Cách tính dễ nhớ CEC = (% O.M. x CECOM) + (% sét x (CECsét) CECOM=200meq/100g và của khoáng sét thay đổi từ 3 đến 150! Chất hữu cơ và CEC (c m o l c /k g ) Nồng độ chãt hữu cơ phổ biến trong tầng A đất canh tác ~4% Nên : y (CEC) = (4.9 * X ) + 2.4; . k 4 y (CEC) = 4.9X + 2.4y (CEC) = 4.9X + 2.4 y (CEC) = 22 cmolc/kgC EC C hữu cơ (%) (cmolc/kg) Thấp Rất cao cao CEC của một số khoáng sét phổ biến trong đất Khoáng sét Tính toán mẫu Tính điện tích (-) của 1 mẫu đất có chứa 5% chất hữu cô (OM) và 20% sét montmorillonite (smectite). Điện tích (-) thật = (% OM * CECOM) + (% sét * CECsét smectite) Điện tích (-) thật = [(5/100) kg * 200 cmolc/kg] + [(20/100) kg * 100 cmolc/kg] CEC OM ~ 200 cmolc/kg CEC montmorillonite ~100 cmolc/kg 10 cmolc/kg + 20 cmolc/kg = 30 cmolc/kg Ví dụ khác. . .  đất nào sau đây có CEC cao hơn, (a) Đất có 5% O.M và 20% sét kaolinite, hay, (b) Đất có 1% O.M và 20% sét montmorillonite? (0.05 * 200) + (0.20 * 3) = 10.6 (0.01 * 200) + (0.20 * 100) = 22 CEC Thấp cao 3 8 pH đất CEC và pH H+ hấp phụ chặt, khó trao đổi Na+ hấp phụ yếu, dễ trao đổi Điện tích trên cạnh = điện tích bề mặt trong Ảnh hưởng của pH đến CEC của smectite và mùn Keo hữu cơ Điện tích phụ thuộc pH Điện tích thường xuyên pH đất C E C Các tính chất của điện tích Loại keo đất Tổng điện tích Không đổi (%) Thay đổi (%) Điện tích (+) Chất hữu cơ 200 Smectite 200 Kaolinite 8 10 90 0 5 95 2 95 5 0 Điện tích Thường xuyên Điện tích phụ thuộc pH CEC và cường độ phong hóa Alfisols, Vertisols, Argiudolls Ultisols Oxisols Khả năng trao đổi anion Khả năng trao đổi cation Đ iệ n tí ch t rê n ke o sé t Yếu Trung bình Cường độ phong hóa Mạnh Sét 2:1 Sét 1:1 Oxide Fe, Al Độ bảo hòa (độ no) Base-BS Tỉ lệ các cations base chiếm giữ trên các vị trí trao đổi (trên CEC) cations base là các ion không hình thành acid Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4 +. . ., Các ions KHÁC VỚI H+ và Al3+ Công thức tính độ bảo hòa base 100 ,...,,, 4 22   CEC NHKMgCa tionBaseSatura “cations acid” (H+, Al3+) “cations Base” (các cation khác, vd., Ca2+, Mg2+, K+, Na+.) BS(%)= 100* (Ca +Mg +K+Na)/CEC Tại sao chúng ta phải chăm sóc cây trồng. Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng Độ bảo hòa cation: nếu cao, khả năng cung cấp dinh dưỡng dễ dàng Ảnh hưởng của sự bổ sung các cation hấp phụ: nếu các ions được giữ mạnh hơn, chất dinh dưỡng dễ dàng hữu dụng hơn. Ảnh hưởng của kiểu sét: 1 số dễ dàng, số khác thì không (vd., illite) Độ bảo hòa Cation • So sánh khả năng hữu dụng của • 6 cmolc Ca 2+/kg đất (CEC = 8 cmolc/kg) • 6 cmolc Ca 2+/kgđất (CEC = 30 cmolc/kg) • 6/8 = 75% & 6/30 = 20% • Nhu cầu của cây trồng khác nhau: – Cây họ đậu có nhu cầu độ bảo hòa Ca2+ ~ 80%. Ca2+ thay thế dễ dàng hơn và nhanh hơn Các cation bổ sung  Cần nhớ lực hấp phụ-trao đổi??  Có thể chúng ta sợ thiếu NH4 + trong đất chua hay đất kiềm (base) (nhiều Na+)? pH = 5 - Al3+ - H+ - H+ - H+ - NH4 + + NO3 - pH = 8.5 - Na+ - Na+ - Na+ - Ca2+ - NH4 + - Ca2+ Khả năng hữu dụng của chấ dinh dưỡng phụ thuộc vào nồng độ tương đối Của các ion khác trong dung dịch đất Giữ mạnh Giữ yếu H+  Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4 + = K+ > Na+ Chỉ chú ý đến ái lực Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng:cơ chế  Ions H+ được giải phóng từ lông hút của rễ và hô hấp của vi sinh vật sẽ thay thế các cation dinh dưỡng trên phức hệ trao đổi Các chất dinh dưỡng được giải phóng vào dung dịch đất, ở đây chúng sẽ được hấp thu bởi rễ cây, hay bị mất do rửa trôi. Cơ chế trao đổi cation Khả năng hữu dụng của K bị hạn chế do sự hiện diện của các cation khác trong dung dịch đất Các cation bị giữ yếu Các cation bị giữ chặt Keo đất Keo đất Rễ hấp thu chất dinh dưỡng • dòng chảy khối lượng • khuếch tán • tiếp xúc trực tiếp Keođất Rễ Khuếch tán Dòng chảy khối lượng Tiếp xúc trực tiếp