Khoa học đất - Hóa học đất

1Hóa học đất • pH • EC - Độ dẫn điện • CEC - Khả năng trao đổi cation pH • pH đất là tính chất hóa học quan trọng của đất • Khi biết pH sẽ xác định được đất có thích hợp cho cây trồng phát triển và những chất dinh dưỡng nào bị giới hạn pH = - log[H+] ở pH = 6 lượng ion H+ gấp 10 lần so với ở pH = 7 và ở pH = 5 lượng ion H+ hơn 100 lần so với pH = 7 2pH đất Chua - Acid Kiềm - Alkaline Vùng khí hậu ẩm Vùng khí hậu khô Đất than bùn chua C
n bón thêm vôi cho cây Đất có chứa các khoáng kiềm Rất
Mạnh
Yếu mạnh Yếu → Mạnh → Rất mạnh Một số giá trị pH thông dụng Sự hình thành mưa acid Nguồn của H+ trong đất *do cation Hydrogen (H+) ở pH ≥ 6 và Aluminum (Al) ở pH < 6 Al3+ + H20 ---> Al(OH) 2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O ---> Al(OH)2 + + H+ Al(OH)2 + + H20 ---> Al(OH)3 + H+ 3 * do Nitric hóa (Nitrification): Ammonium thành Nitrate (oxy hóa NH4 +) NH4 + + 2O2 ---> NO3 - + H2O + 2H + * do sự phân hủy chất hữu cơ: R-COOH---> R-COO- + H+ Phóng thích: CO2 + H2O ----> H2CO3 = H+ + HCO3- • do hấp thụ các cation kiềm trong dung dịch đất như Ca2+, Mg2+, K+ và phóng thích ion H+ * do rửa trôi các cation kiềm Ca2+ + 2H20 ---> Ca(OH)2 + 2H + -----> Ca2+ + 2OH- 4NRCS Data pH và tính hữu dụng của dinh dưỡng Soil pH of Europe Đất phèn -Acid Sulfate Soils 5Australia 'QASSIT, Qld Department of Natural Resources and Mines' Australia EC - Độ dẫn điện Mức độ dẫn điện của đất • Đơn vị tính là S/cm hay mS/cm (S = Siemen) Độ cản trở dòng điện - điện trở: R = ohm (ρ = l.R/S) Độ dẫn điện: 1/R = moh • Đơn vị tính là S/cm hay moh/cm (S = Siemen) 6Khả năng trao đổi cation – CEC (Cation Exchange Capacity) • Là khả năng mà đất giữ dinh dưỡng và chống lại sự rửa trôi • Các cation là các ion mang điện dương như Ca2+, Mg2+, K+, NH4 +... • Đất có CEC cao thì có độ phì cao. Hạt sét Hạt mùn Lông rễ TRAO ĐỔI TRAO ĐỔI Vùng có hoạt động sinh học CEC • Trao đổi cation trong dung dịch và các cation khác trên bề mặt âm điện của khoáng sét hay chất hữu cơ Đất Keo đất Ca2+ +2H+ H+ H+ + Ca2+ Dung dịch đất Keo đất Dung dịch đất CEC chịu ảnh hưởng bởi: 1) Độ hấp phụ mạnh hay yếu: Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ > H+ Giữ chặt --------------------------> dễ bị thay thế 2) Hàm lượng của các cation trong dung dịch đất 7CEC 1) số lượng cation hấp phụ trên khối lượng đất hay 2) tổng cation trao đổi mà đất có thể hấp phụ * đơn vị tính: mili đương lượng trên 100 g đất khô (meq) Trọng lượng đương lượng = Trọng lượng phân tử hoặc nguyên tử (g) Điện tích mili đương lượng (meq) 1 meq của CEC có 6.02 x 10 20 nguyên tố meq của một số Cation Nguyên tố Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Điện tích 1 1 2 2 Đương lượng 23/1=23 39/1=39 40/2=20 24/2 = 12 Mili đương lượng .023 .039 .02 .012 CEC • gồm các cation trao đổi: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, H+, Al3+ Đất ĐBSCL có CEC: - Đất sét: 16 – 25 meq - Đất cát có <15 meq 8CEC • Phần trăm bazơ bão hòa (%BS): %BS = x 100 %BS = x 100 Tổng cation kiềm trao đổi CEC Σ (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) ở dạng trao đổi CEC CEC và EC • Phần trăm natri trao đổi (ESP): ESP = x 100 • Tỷ số natri hấp phụ (SAR) SAR = x 100 • Đất bị sodic hóa có: EC > 4 mS/cm, ESP >15%, SAR >13% Na+trao đổi CEC [Na trao đổi] ½ [Ca2+ +Mg2+] Keo đất Ở trạng thái rắn khi trong dung dịch (lơ lửng) Tham gia hầu hết các phản ứng trong đất Gồm: - Keo vô cơ: Sét - Keo hữu cơ: Mùn 9Keo sét Kích thước < 1 µm hay 0,001 mm Sét <0,002 Các loại keo sét 1. Sét Silicate 2. Sét Hydrous Oxide – Fe, Al Khoáng sét Tứ diện silic (SiO4) Bát diện nhôm [Al(OH)6] 10 Sự kết hợp giữa phiến tứ diện và phiến bát diện trong tinh thể sét Khoáng 1:1 Khoáng 2:1 Cách liên kết các phiến tứ diện với phiến bát diện Sự thay thế đồng hình 11 Sự thay thế đồng hình Khoáng sét mang điện tích âm Tính trương nở của các khoáng sét Cấu tạo của phiến tứ diện, bát diện và của khoáng sét nhìn trên mặt phẳng 12 Sét Silicate Hình dạng – nhiều phiến mỏng chồng lên nhau Diện tích bề mặt: lớn do kích thước hạt nhỏ Điện tích: mang điện tích âm Keo sét Hấp phụ cation là sự liên kết giữa các cation trên bề mặt keo sét và dung dịch đất chứ không thay thế bên trong nó trong phức hệ keo sét 1. Các hạt keo không bị hòa tan 2. Lực giữ các cation không chặt Trao đổi cation - sự thay thế một cation hấp phụ bằng một cation khác Sự hiện diện của các Cation Các cation ở từng điều kiện khí hậu: Vùng ẩm: H+ Ca2+ Mg2+ Vùng bán ẩm ướt: Ca2+ Mg2+ Na+ K+ H+ Vùng khô hạn: Na+ nhiều hơn Ca2+ Thứ tự liên kết chặt giữa cation với keo đất: Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ 13 Tính chất khoáng học của sét silcate Cấu trúc tinh thể: – Phân tích bằng tia X – Xem dưới kính hiển vi điện tử Ba nhóm sét Silicate chính: (Dựa trên cấu trúc tinh thể) 1. Kaolinite 2. Montrmorillonite 3. Illite (Hydrous Micas) Nhóm Kaolinite Ít hoặc không có sự hấp phụ ở giữa các phiến sét(2) Tỷ lệ của phiến Si và Al là 1:1 Khoáng không trương nở Phiến Silic Phiến Nhôm Khoảng hở Đơn vị tinh thể Phiến Silic H ấp ph ụ ở bề m ặt n go ài (1) Phiến Nhôm Đơn vị tinh thể (1): External Adsorptive Surfaces (2): Internal Adsorptive Surfaces Nhóm Montmorillonite Phiến Silic Phiến Nhôm Đơn vị tinh thể Phiến Nhôm Phiến Silic Đơn vị tinh thể Phiến Silic Phiến Silic Khoảng hở Hấp phụ ở giữa các phiến sétH ấ p p h ụ ở b ề m ặt n g o à i Tỷ lệ của phiến Si và Al là 2:1 Khoáng trương nở CEC lớn hơn 0 – 20 lần so với Kaolinite 14 Hydrous Micas Illite Khoáng 2:1 K – được giữ trong khoáng Phân bố của các khoáng theo vùng địa lý: Nóng ẩm - Kaolinite Lạnh - Illite Vùng bán ầm đến bán khô hạn - Montmorillonite Phân loại các sét Silicate Hình thành từ Feldspar - Mica - Amphiboles - Pyrexenes Khoáng nguyên sinh chứa Si Muscovite 2:1 Mất ít K Illite Trung tính hoặckiềm yếu Mont. Mất Khoàn toàn Kaol. Chua nhiều Chua nhiều Oxid Mất Si Khí hậu nóng ẩm Khí hậu nóng Khí hậu lạnh khô Nguyên nhân âm điện của sét silicate 1. Do nhóm Hydroxyl (OH-) Al O- H+ Lực liên kết yếu H trao đổi 15 2. Sự thay thế đồng hình: thay thế của các cation có điện tích nhỏ hơn cho cation có điện tích lớn hơn ở bên trong tinh thể sét Khoáng Montmorillonite Phiến Nhôm Mg2+ for Al3+ O = Al - O - H - O - Mg - O - H Phiến Silic Al3+ for Si4+ O = Si = O - O - Al = O Nguyên nhân âm điện của sét silicate Thay đổi thành phần hóa học Mg Kaolinite - Al4Si10 (OH)8 [Si2O3OHO2Al2(OH)3]2 1:1 Montmorillite - Al4Si8 (OH)4 2:1 [Si2O3OHO2Al2OH2Si2O3]2 Mg Mg Al Illite - K Al2Si4O10 (OH)2 Chất mùn (Humus) - Keo hữu cơ 1. Mang điện âm thay đổi 2. Hấp phụ cation trên mạng lưới bề mặt 3. Thành phần: Carbon(C) Hydrogen(H) and Oxygen(O) (Khoáng silicate: Aluminum (Al) Silicon (Si) and Oxygen (O)) 4. Có CEC cao hơn sét 5. Không bền như sét – luôn hình thành rồi phân hủy 16 CEC CEC = các ion base trao đổi + acid trao đổi (H) (changeable bases + exchangeable acidity) Được tính bằng điện tích trao đổi (độ âm điện) trên tinh thể khoáng sét hoặc trên chất mùn Đơn vị: meq Mili đương lượng (Milliequivalent) CEC của chất mùn và khoáng sét Thành phần CEC (meq/100g) Chất mùn 200 Montmorillonite 100 Illite 30 Kaolinite 8 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật 1. Ánh sáng 2. Nền đất 3. Sức nóng 4. Không khí 5. Nước 6. Chất dinh dưỡng 17 Các nguyên tố thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng Có 16 nguyên tố 1. Khi thiếu các nguyên tố này, cây trồng không thể hoàn thành giai đoạn sinh trưởng và sinh sản được. 2. Nguyên tố bị thiếu không thể thay thế bằng nguyên tố khác 3. Các nguyên tố này là dinh dưỡng của cây, bên cạnh đó chúng cũng ảnh hưởng đến điều kiện hóa sinh trong đất. Các nguyên tố thiết yếu và nguồn cung cấp chúng Nguyên tố thiết yếu đa lượng Từ không khí Từ đất và nước Carbon Nitrogen Calcium Hydrogen Phosphorus Magnesium Oxygen Potassium Sulfur Nguyên tố thiết yếu vi lượng Iron Copper Manganese Zinc Boron Chlorine Molybdenum Nguyên tố thiết yếu từ không khí và nước C từ CO2 H từ H2O O từ O2 CO2 + H2O C6H12O6 94 - 95% tế bào thực vật tươi 18 Nguyên tố thiết yếu từ đất Đa lượng: N, P, K, Ca, Mg, S - N, P, K, S từ phân xanh hay phân hóa học - Ca, Mg từ vôi Vi lượng: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Cl dùng với lượng nhỏ nhưng không có nghĩa là ít thiết yếu Nhu cầu dinh dưỡng 1. Hàm lượng 2. Dạng (hình thức) và khả năng hữu dụng 3. Dung dịch đất Nhu cầu dinh dưỡng 1. Hàm lượng N, P - lượng nhỏ trong đất K, Ca, Mg - lượng nhỏ trong đất chua - lượng lớn trong đất kiềm S - hiện diện với lượng nhỏ nhưng hữu dụng rất nhanh 19 Nhu cầu dinh dưỡng 2. Dạng và khả năng hữu dụng Có 2 dạng: - nguyên tố (dễ hữu dụng) - tạo phức (khó tan) Dạng nguyên tố (dạng dễ hữu dụng) 1. mất đi do rửa trôi hay thấm lậu 2. dinh dưỡng cho vi sinh vật 3. dinh dưỡng cho thực vật 4. có thể chuyển sang dạng phức Dạng phức hữu cơ 1. bị giữ bởi chất hữu cơ trong đất 2. được phóng thích khi chất hữu cơ bị phân hủy 3. nitrogen, sulfur và phosphorous 20 Dạng phức vô cơ 1. đa số K, Ca, Mg tồn tại ở dạng này 2. cây trồng chỉ có thể sử dụng khi chúng chuyển sang dạng dễ hữu dụng Tạo phức - Ít hữu dụng Nitrogen (N) Liên kết hữu cơ, protein, amino acid Phosphorus (P) Apatite Ca, Fe, Al phosphate nucleic acid Kali (K) Feldspar, Mica Clay, Illite Nguyên tố - Hữu dụng Muối ammonium NH4+ Muối nitrite NO2- Muối nitrate NO3- Ca, K và Mg HPO42- phosphate H2PO4- Ion K hấp phụ bởi keo sét Muối K K+ Nitrogen cycle Tạo phức - Ít hữu dụng Calcium (Ca) Calcite, Dolomite Magnesium (Mg) Mica, Dolomite, Hornblend Sulfur (S) Pyrite và Gypsum Dạng hữu cơ Nguyên tố - Hữu dụng Ion Ca hấp phụ bởi keo Muối Ca Ca2+ Ion Mg hấp phụ bởi keo Muối Mg Mg2+ Sulfate SO32- Ca, K, Mg sulfate SO42- Oxidation 21 Sự chuyển đổi của các nguyên tố sang dạng hữu dụng N hữu cơ Ammonium Nitrite Nitrate (protein, amino acid) NH4+ NO2- NO3- Ca3(PO4) + 4H2O + 4CO2 Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 Dạng không tan Dạng hòa tan Dạng hòa tan (Tri Ca Phosphate) của phosphate (Calcium Bicarbonate) 2KAlSi3O8 + H2CO3 + H2O H4Al2Si2O9 + K2CO3 + 4SiO2 Microcline Carbonic Hydrated Dạng hòa tan feldspar acid silicate 1. Cây trồng hấp thụ 2. Rửa trôi 3. Hấp phụ Sự chuyển đổi của các nguyên tố sang dạng hữu dụng H Ca + 2H2CO3 + Ca(HCO3)2 H Sulfur Organic sulfur Sulfides Sulfites Sulfates Protein H2S SO32- SO42- Keo đất Keo đất Nhu cầu dinh dưỡng 3. Dung dịch đất Hai thuật ngữ: 1. Nước trong tế khổng, phụ thuộc vào lượng nước hiện diện 2. Nước hòa tan các hạt đất thành dạng lỏng (dung dịch) 22 Hàm lượng muối tan trong dung dịch đất Hàm lượng muối Độ ẩm đất Giảm Tăng Dinh dưỡng với pH đất 3 5 7 9 P Zn Mo Fe Mg Ca Mn Đ ộ hữ u dụ n g củ a dư ỡ n g ch ất pH đất Dạng dưỡng chất mà cây trồng có thể sử dụng được từ đất 2 dạng dinh dưỡng dễ hữu dụng trong đất: 1. Dưỡng chất hấp phụ trên keo -Ca NH4 - - Mg - K 2. Muối trong dung dịch đất KCl K+ + Cl- 23 Dạng ion mà cây trồng hấp thụ Nguyên tố Ký hiệu Dạng cây trồng hấp thụ Sulfur S SO32-, SO42- Carbon C4+ CO32-, HCO3-, CO2 Hydrogen H+ H2O Oxygen O2- O2 Nitrogen N NH4+, NO2-, NO3- Phosphorus P5+ HPO42-, H2PO4- Potassium K+ K+ Calcium Ca2+ Ca2+ Magnesium Mg2+ Mg2+ Dạng ion mà cây trồng hấp thụ (tt) Nguyên tố Ký hiệu Dạng cây trồng hấp thụ Iron Fe Fe2+, Fe3+ Molybdenum Mo6+ MoO42- Manganese Mn Mn2+, Mn4+ Copper Cu Cu+, Cu2+ Zinc Zn2+ Zn2+ Born B BO32- Chlorine Cl- Cl- Water H2O H+, OH- O2 và CO2 không khí trong đất và trong khí quyển Dạng muối vô cơ -Từ phân bón KCl K+ + Cl- NaNO3 Na+ + NO3- NH4NO3 NH4 + NO3- 24 Nitrogen, Phosphorus và Sulfur Nitrogen NH4+, NO3- Cây trồng sử dụng NO2- Độc cho cây Phosphorous Tùy thuộc vào pH Kiềm HPO42- Chua nhẹ tới trung bình HPO42- và H2PO4- Chua H2PO4- Sulfur SO42- ion sulfate Các nguyên tố khác K+, Ca2+, Zn2+, Mg2+, Cl-: hiện diện ở dạng ion Fe, Mn and Cu: phụ thuộc vào điều kiện oxy hóa khử của đất Fe3+ + e- Fe2+ oxidation reduction ic ous Các nguyên tố khác Đất thoáng khí Fe3+ (Ferric oxide) Mn4+ (Manganic oxide) Đất thoát thủy kém Fe2+ (Ferrous oxide) Mn2+ (Manganous oxide) Gây độc