Hóa học đất: Bài giảng Khoa học đất

Hóa học đất

• pH

• EC - Độ dẫn điện

• CEC - Khả năng trao đổi cation

• 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

pH đất

Vùng khí hậu ẩm

Vùng khí hậu khô

Đất than bùn chua

Đất có chứa các khoáng kiềm

C(cid:1)n bón thêm vôi cho cây

Yếu Yếu Rất (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) Mạnh (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) mạnh →→→→ Mạnh →→→→ Rất mạnh Chua - Acid Kiềm - Alkaline

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+ + H2O ---> Al(OH)2 Al(OH)2

---> Al(OH)2+ + H+ + + H+ + + H20 ---> Al(OH)3 + H+

NH4

- + H2O + 2H+

Ammonium thành Nitrate (oxy hóa NH4 + + 2O2 ---> NO3 * do sự phân hủy chất hữu cơ: R-COOH---> R-COO- + H+ Phóng thích: CO2 + H2O ---->

* do Nitric hóa (Nitrification):

• 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-

H2CO3 = H+ + HCO3

pH và tính hữu dụng của dinh dưỡng

NRCS Data

Soil pH of Europe

Đất phèn -Acid Sulfate Soils

Australia

'QASSIT, Qld Department of Natural

Resources and Mines'

EC - Độ dẫn điện Mức độ dẫn điện của đất

• Đơn vị tính là S/cm hay mS/cm (S = Siemen)

1/R = moh

Độ cản trở dòng điện - điện trở: R = ohm (ρ = l.R/S) Độ dẫn điện: • Đơn vị tính là S/cm hay moh/cm (S = Siemen)

Khả năng trao đổi cation – CEC (Cation Exchange Capacity)

Lông rễ

• Là khả năng mà đất giữ dinh dưỡng và chống lại sự rửa trôi

Hạt mùn

TRAO ĐỔI

Vùng có hoạt động sinh học

+...

• Các cation là các ion mang điện dương như Ca2+, Mg2+, K+, NH4

Hạt sét

TRAO ĐỔI

• Đất có CEC cao thì có độ phì cao.

CECCEC

• Trao đổi cation trong dung dịch và các cation khác trên bề mặt âm điện của khoáng sét hay chất hữu cơ

CEC chịu ảnh hưởng bởi:

1) Độ hấp phụ mạnh hay yếu:

H+ Đất Ca2+ +2H+ + Ca2+ H+ Keo đất Keo đất Dung dịch đất Dung dịch đất

Giữ chặt --------------------------> dễ bị thay thế

2) Hàm lượng của các cation trong dung dịch đất

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

CEC

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 phân tử hoặc nguyên tử (g) Trọng lượng đương lượng = 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

Điện tích

Na+ 1

Ca2+ Mg2+ K+ 1 2 2

Đương lượng

Mili đương lượng

23/1=23 39/1=39 40/2=20 24/2 = 12 .039 .02 .012 .023

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

CEC

• Phần trăm bazơ bão hòa (%BS):

Tổng cation kiềm trao đổi

x 100

%BS =

CEC

Σ (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) ở dạng trao đổi

x 100

%BS =

CEC

CEC và EC • Phần trăm natri trao đổi (ESP):

Na+

trao đổi

x 100

ESP =

CEC

• Tỷ số natri hấp phụ (SAR)

[Na trao đổi]

x 100

SAR =

½ [Ca2+ +Mg2+]

• Đất bị sodic hóa có: EC > 4 mS/cm, ESP >15%, SAR >13%

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

Keo sét

Kích thước < 1 µµµµm hay 0,001 mm

Sét <0,002

Các loại keo sét

1. Sét Silicate 2. Sét Hydrous Oxide – Fe, Al

Khoáng sét

Bát diện nhôm [Al(OH)6]

Tứ diện silic (SiO4)

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

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

Keo sét

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

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: Vùng bán ẩm ướt: Vùng khô hạn:

H+ Ca2+ Mg2+ Ca2+ Mg2+ Na+ K+ H+ Na+ nhiều hơn Ca2+

+ > Na+

Thứ tự liên kết chặt giữa cation với keo đất: Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4

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

Đơn vị tinh thể

Ít hoặc không có sự hấp phụ ở giữa các phiến sét(2)

ụ h p p ấ H

Đơn vị tinh thể

Phiến Silic Phiến Nhôm Khoảng hở Phiến Silic Phiến Nhôm

) 1 ( i à o g n t ặ m ề b ở

Tỷ lệ của phiến Si và Al là 1:1 Khoáng không trương nở

(1): External Adsorptive Surfaces (2): Internal Adsorptive Surfaces

Nhóm Montmorillonite

Đơn vị tinh thể

Phiến Silic Phiến Nhôm Phiến Silic

Khoảng hở

Hấp phụ ở giữa các phiến sét

ụ h p p ấ H

i à o g n t ặ m ề b ở

Đơn vị tinh thể

Phiến Silic Phiến Nhôm Phiến Silic

Tỷ lệ của phiến Si và Al là 2:1 Khoáng trương nở

CEC lớn hơn 0 – 20 lần so với Kaolinite

Hydrous Micas Illite

Phân bố của các khoáng theo vùng địa lý:

Khoáng 2:1 K – được giữ trong khoáng

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

Khí hậu lạnh khô

Chua nhiều

Khí hậu nóng ẩm

MấtKhoàn toàn

Illite Mất ít K

Khí hậu nóng

Kaol. Oxid Trung tính hoặckiềm yếu Mont. Mất Si Chua nhiều Khoáng nguyên sinh chứa Si Muscovite 2:1

Nguyên nhân âm điện của sét silicate

1. Do nhóm Hydroxyl (OH-)

Lực liên kết yếu

O-

H+

H trao đổi

Nguyên nhân âm điện của sét silicate

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 O = Al - O - H

Mg2+ for Al3+ - O - Mg - O - H

Phiến Silic O = Si = O Al3+ for Si4+ - O - Al = O

Thay đổi thành phần hóa học

Kaolinite -

Mg Al4Si10 (OH)8 [Si2O3OHO2Al2(OH)3]2 1:1

Montmorillite - Al4Si8 (OH)4

2:1 [Si2O3OHO2Al2OH2Si2O3]2

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

4. Có CEC cao hơn sét

5. Không bền như sét – luôn hình thành rồi phân hủy

Oxygen(O) (Khoáng silicate: Aluminum (Al) Silicon (Si) and Oxygen (O))

CEC

CEC = các ion base trao đổi + acid trao đổi (H)

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

(changeable bases + exchangeable acidity)

(Milliequivalent)

CEC của chất mùn và khoáng sét

Thành phần

CEC (meq/100g)

Chất mùn Montmorillonite Illite Kaolinite

200 100 30 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

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

Nguyên tố thiết yếu đa lượng

vi lượng

Từ đất

Từ không khí và nước Carbon Nitrogen Copper Calcium Zinc Hydrogen Phosphorus Chlorine Magnesium Iron Manganese Boron Molybdenum Oxygen Potassium Sulfur

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

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

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

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

Nguyên tố - Hữu dụng

Nitrogen cycle

Nitrogen (N)

Liên kết hữu cơ, protein, amino acid Muối ammonium Muối nitrite Muối nitrate NH4 NO2 NO3 Phosphorus (P)

2- HPO4 H2PO4

Ca, K và Mg phosphate Apatite Ca, Fe, Al phosphate nucleic acid Kali (K)

Ion K hấp phụ bởi keo sét Muối K K+ Feldspar, Mica Clay, Illite

Tạo phức - Ít hữu dụng

Nguyên tố - Hữu dụng

Calcium (Ca) Calcite, Dolomite Ion Ca hấp phụ bởi keo Muối Ca Ca2+

Magnesium (Mg) Mica, Dolomite, Hornblend Ion Mg hấp phụ bởi keo Muối Mg Mg2+

Oxidation

Sulfur (S)

Pyrite và Gypsum Dạng hữu cơ Sulfate Ca, K, Mg sulfate SO3 SO4

Sự chuyển đổi của các nguyên tố sang dạng hữu dụng

Ammonium Nitrite Nitrate N hữu cơ (protein, amino acid) NH4 NO2 NO3

Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 Dạng hòa tan Dạng hòa tan Ca3(PO4) + 4H2O + 4CO2 Dạng không 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 Keo đất Keo đất Ca + 2H2CO3 + Ca(HCO3)2 H

Sulfur Organic sulfur Sulfides Sulfites Sulfates 2- 2- Protein H2S SO3 SO4

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)

Hàm lượng muối tan trong dung dịch đất

Tăng Hàm lượng muối

Độ ẩm đất Giảm

Dinh dưỡng với pH đất

t ấ h c g n ỡ ư d

a ủ c g n ụ d u ữ h ộ Đ

Zn Mo Fe Mg Ca P Mn

3 5 7 9 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 - Mg

NH4 -

- K

2. Muối trong dung dịch đất

KCl K+ + Cl-

Dạng ion mà cây trồng hấp thụ

2-, SO4 2-, HCO3

-, CO2

+, NO2

-, NO3 -

2-, H2PO4

Nguyên tố Ký hiệu Dạng cây trồng hấp thụ

Sulfur Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Phosphorus Potassium Calcium Magnesium S C4+ H+ O2- N P5+ K+ Ca2+ Mg2+ SO3 CO3 H2O O2 NH4 HPO4 K+ Ca2+ Mg2+

Dạng ion mà cây trồng hấp thụ (tt)

Dạng cây trồng hấp thụ

Fe2+, Fe3+ MoO4 Mn2+, Mn4+ Cu+, Cu2+ Zn2+ 2- BO3 Cl- H+, OH- Ký hiệu Fe Mo6+ Mn Cu Zn2+ B Cl- H2O Nguyên tố Iron Molybdenum Manganese Copper Zinc Born Chlorine Water O2 và CO2 không khí trong đất và trong khí quyển