intTypePromotion=1
ADSENSE

Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 3: Các quan hệ cơ bản giữa đất và cây trồng

Chia sẻ: Vi Đinh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

230
lượt xem
50
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 3: Các quan hệ cơ bản giữa đất và cây trồng trình bày những nội dung như sự chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong đất, tổng quát về các tiến trình trong môi trường đất, sự trao đổi ion trong đất

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 3: Các quan hệ cơ bản giữa đất và cây trồng

  1. CHƯƠNG 3 CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN GIỮA ĐẤT VÀ CÂY TRỒNG BÀI 1: SỰ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT DINH DƯỠNG TRONG ĐẤT 1 Tổng quát về các tiến trình trong môi trường đất Sự tương tác của các tính chất vật lý, hóa học và vi sinh vật của đất sẽ quyết định   khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất đối với cây trồng. Nghiên cứu các  tiến trình vật lý, hóa học và sinh học trong đất giúp chúng ta có khả năng quản lý đất một   cách thích hợp để  tăng cường sự  hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất và khả  năng sản xuất của cây trồng. Mục đích của bài này là tóm tắt các phản ứng trao đổi ion  trong đất, sự di chuyển của ion trong dung dịch đất và sự hấp thu ion của cây trồng. Sự cung cấp chất dinh dưỡng đến rễ cây trồng là một tiến trình động. Cây hấp thu  các chất dinh dưỡng (cation và anion) từ  dung dịch đất và giải phóng một lượng tương   ứng các ion như  H+, OH­, HCO3­. Khi có sự  thay đổi nồng độ  ion trong dung dịch đất,  dung dịch đất sẽ được đệm (cung cấp) bởi các ion bị hấp thụ bề mặt trên các khoáng sét   trong đất. Khi có sự  mất đi của các ion trong dung dịch đất sẽ  dẫn đến sự  giải phóng   một phần tương ứng các ion từ bề mặt khoáng sét này. Đất luôn có chứa các khoáng chất   có thể tái bổ sung vào dung dịch đất với nhiều loại ion khác nhau. Ngược lại khi nồng độ  các ion trong dung dịch đất  tăng lên do bón phân hay do các nguyên nhân khác thì nhờ tính   đệm này có thể dẫn đến sự hấp thụ hay kết tủa các ion này.  Các tiến trình vi sinh vật trong đất rất biến động các vi sinh vật hấp thu  các ion  trong dung dịch đất thành chất dinh dưỡng cho chúng từ đó chúng tổng hợp thành các mô   của riêng chúng, khi các vi sinh vật này chết đi các ion này sẽ được giải phóng trả lại cho   dung dịch đất. Chính sự hoạt động của các vi sinh vật sẽ hình thành và phân giải các chất   hữu cơ  thành mùn trong đất. Các tiến trình động này phụ  thuộc rất nhiều vào sự  cung  cấp năng lượng (carbon) của chất hữu cơ, các chất khoáng, và nhiều yếu tố khác. Rễ cây  trồng và vi sinh vật đều sử  dụng O2 từ  trong đất và thải ra CO2 cho các hoạt động trao  đổi chất của chúng. Kết quả là nồng độ  CO2 trong môi trường đất thường cao hơn môi  trường không khí bên trên. Sự khuếch tán các chất khí này trong đất chịu ảnh hưởng rất   lớn bởi ẩm độ đất và các yếu tố khác, các yếu tố này làm thay đổi pH dung dịch đất, sự  hữu dụng của các chất dinh dưỡng trong đất, và khả  năng hấp thụ chất dinh dưỡng bởi   cây. Nhiều yếu tố môi trường và các hoạt động của con người có thể ảnh hưởng đến  nồng độ các ion trong dung dịch đất, nồng độ này  sẽ tương tác với các tiến trình hóa học   và sinh học trong đất. Tất cả các tiến trình trên đều rất quan trọng, quyết định đến khả  năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng, tuy nhiên tùy thuộc vào từng  chất dinh dưỡng riêng biệt, tiến trình này có thể quan trọng hơn tiến trình khác và ngược  lại. Ví dụ, các tiến trình của vi sinh vật khá quan trọng đối với sự hữu dụng của N và S  hơn là các phản ứng trao đổi bề mặt của các khoáng, ngược lại đối với K, Ca và Mg các   phản ứng trao đổi bề mặt có thể là quan trọng hơn cả. Dĩ nhiên, các tiến trình này diễn   ra rất phức tạp nên trong phần này chỉ có thể mô tả một cách tổng quát về sự hữu dụng   của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng. 1
  2. Dinh dưỡng hấp  thu bởi cây trồng Không khí trong  1 đất 1 Các ion trao đổi và  2 hấp thụ bề mặt 3 10 9 1 4 Dung  1 dịch  8 đất 11 6 5 Chất hữu cơ và  7 12 1 Các phần rắn và  vi sinh vật khoáng trong đất Nước trong đất Hình 3.1 Các tiến trình  trong dung dịch đất 2 Sự trao đổi ion trong đất Sự  trao đổi ion trong đất xảy ra trên bề  mặt của các khoáng sét, các hợp chất vô   cơ, chất hữu cơ, và rễ  cây. Sự  kết hợp của các ion với các bề  mặt này phụ  thuộc vào   loại khoáng hiện diện trong thành phần dung dịch đất và có tính chuyên biệt cho từng   loại ion là một tiến trình thuận nghịch trong đó 1 cation hay 1 anion trong thành phần rắn  được trao đổi với 1 cation hay 1 anion khác trong thành phần dung dịch. Nhưng nếu 2  thành phần rắn tiếp xúc với nhau, sự trao đổi ion cũng có thể xảy ra giữa các bề mặt của   chúng. Sự  trao đổi cation thường được xem là quan trọng hơn,  bởi vì khả  năng trao đổi   anion của phần lớn đất nông nghiệp rất thấp so với khả năng trao đổi cation. Các phản  ứng trao đổi ion trong đất có ý nghĩa rất quan trọng đến sự hữu dụng của các chất  dinh dưỡng đối với cây trồng. Vì vậy, chúng ta phải tìm hiểu được bản chất của sự  trao đổi ion trong đất.  2.1 Sự trao đổi cation 2.1.1 Các loại khoáng sét Thành phần rắn chiếm khoảng 50 % thể  tích đất, phần thể  tích còn lại được   chiếm giữ bởi nước và không khí. Phần rắn gồm các chất vô cơ và các chất hữu cơ với  các mức độ mùn hóa khác nhau. Thành phần vô cơ bao gồm các hạt cát, thịt và sét. Trong   một số loại đất luôn hiện diện một số mảnh vụn và thô với hàm lượng khác nhau. Thành  phần sét bao gồm chủ yếu là khoáng silicate được hình thành từ  sự kết hợp của tứ diện   silica và bát diện aluminum. Cấu trúc của tứ diện silica là một cation Si 4+ nối với 6 anion  2
  3. OH­. Một chuỗi dài hay là một tầng của tứ  diện và bát diện được nối kết với nhau để  hình thành các tầng silicate. Các khoáng sét silicate trong đất có cấu trúc dạng lớp (tầng) và có 3 nhóm chính là:  2:1,   2:1:1   và   1:1.   Sét   1:1   bao   gồm   nhiều   tầng   mỗi   tầng   chứa   1   lá   silica   và   một   lá  aluminum. Kaolinite là khoáng sét quan trọng nhất trong nhóm này. Sét 2:1 cũng gồm  nhiều tầng, mỗi tầng chứa 2 lá silica ở giữa là một lá aluminum, ví dụ sét 2:1 là smectite   (montmorillonite,   mica   illite)   và   vermiculite.   Mica   muscovite   và   biotite   là   các   khoáng  nguyên sinh 2: 1 thường có nhiều trong thành phần thịt và cát của đất. Chlorite cũng là sét silicates có dạng tầng thường tìm thấy trong đất các sét này ngoài cấu   trúc 2:1 đã nói ở trên còn có một lá hydroxide là tầng trung gian nên còn gọi là sét 2:1:1. 2.1.2 Nguồn gốc và điện tích trên keo đất Nguồn điện tích (­) chủ  yếu liên kết với các silicates tầng bắt nguồn từ  sự  thay   thế  hoặc là các cation Si4+ hay Al3+ với các cation có điện tích nhỏ  hơn. Sự  thay thế các  cation trên các khoáng được gọi là sự  thay thế  đồng dạng và xảy ra chủ  yếu trên các   khoáng 2: 1, ít có sự  thay thế  trên các khoáng 1: 1. Sự  thay thế đồng dạng xảy ra trong   thời gian hình thành các khoáng (hàng nghìn năm) vì vậy nên nó không bị ảnh hưởng bởi   các điều kiện môi trường hiện tại.  Trong Mica sự thay thế của 1 Al3+ cho mỗi  cation Si4+ trong một tầng tứ diện dẫn  đến cân bằng một điện tích (­). Trong montmorillonite Mg2+ hay Fe2+ thay thế cho 1 Al3+  trong các tầng bát diện dẫn đến sự cân bằng một điện tích (­) cho mỗi sự thay thế. Trong   các khoáng vermiculite 2: 1 sự thay thế đồng dạng xảy ra trên cả hai tầng tứ diện và bát  diện chia xẻ các tính chất đặc biệt của khoáng này nên có thể ảnh hưởng đến số lượng   thật của điện tích bề mặt (­). Bảng 4.1 tóm tắt các tính chất này, ví dụ, thường sự  thay  thế đồng dạng xảy ra trên tầng tứ diện định vị điện tích (­) gần với bề mặt khoáng hơn   là sự thay thế trong tầng bát diện. Điện tích bề mặt (­) cao kết hợp với hình dạng đồng  nhất của các tầng tứ  diện cho phép các cation K+  trung hòa điện tích (­) giữa hai tầng   trong khoáng 2: 1. Kết quả là các khoáng mica thể  hiện một khoảng trống nhỏ để  hấp   dẫn các cations. Vì thế  mica có khả  năng trao đổi cation thấp hơn là montmorillonite do   các bề mặt của tầng trung gian không phơi bày ra ngoài. 2.1.2 Các loại điện tích trên keo đất Điện tích âm (­) do sự  thay thế  đồng dạng được phân bố  đồng đều trên bề  mặt   của các khoáng sét được gọi là điện tích thường xuyên, điện tích này không bị ảnh hưởng  bởi pH của dung dịch. Nguồn điện tích (­) khác có thể hiện diện trên các khoáng sét là do  các cạnh bị  vỡ  của các silicate tầng. Số  lượng điện tích (­) hay (+) trên các cạnh bị  vỡ  này tùy thuộc vào pH của dung dịch đất. Điện tích các cạnh bị  vỡ  gọi là điện tích phụ  thuộc pH. Trong những điều kiện chua (pH thấp) cạnh bị vỡ mang điện tích dương bởi vì  các ion H+ thừa do các gốc Si – OH và Al – OH bị phơi bày ra. Khi pH dung dịch đất tăng,   một số ion H+ này bị trung hòa và điện tích âm trên các cạnh bị vỡ tăng. Khi pH > 7 dẫn  đến sự trung hòa gần như toàn bộ H+ trên các gốc Si – OH và Al – OH trong trường hợp  đó điện tích âm do cạnh bị vỡ là tối đa. Chỉ có 5 – 10 % điện tích âm trên các sét 2: 1 là điện tích phụ thuộc pH, ngược lại   có hơn 50 % điện tích âm trên các khoáng sét 1: 1 là điện tích phụ thuộc pH.  Nguồn điện tích âm phụ  thuộc pH khác được cung cấp bởi các phân tử  hữu cơ  phức tạp có liên quan đến mùn hay chất hữu cơ trong đất. 3
  4. Phần lớn điện tích âm bắt nguồn từ sự phân ly H+ từ các gốc carboxylic acid  (­COOH ­COO­ + H+) và phenolic (C6H4OH  C6H4O­ + H+). Khi pH tăng một số  ion H+ bị trung hòa nên điện tích âm trên bề mặt của các phân tử lớn này gia tăng. 2.1.3 Khả năng trao đổi cation của đất Khả  năng trao đổi cation của đất được thể  hiện bằng tổng điện tích âm (­) hữu  hiệu để  thu hút các ion có điện tích dương (+) trong dung dịch. Đó là một trong những   tính chất hóa học quan trọng của đất và có ảnh hưởng mạnh mẽ  đến sự  hữu dụng của   các   chất   dinh   dưỡng   trong   đất.   CEC   của   đất   được   diễn   tả   bằng   ly   đương   lượng  (milliequivalents) điện tích (­)/100 g đất khô (meq/100 g đất). CEC cũng thể  hiện tổng  meq/100g các cation được giữ  trên các điện tích âm. Đơn vị  meq được dùng thay cho   trọng lượng bởi vì CEC thể hiện điện tích và vì các cation khác nhau mang điện tích khác   nhau nên thường dùng đương lượng hay tổng điện tích để định lượng hóa CEC của đất.  Các định nghĩa về đương lượng và trọng lượng đương lượng như sau. Trọng lượng nguyên tử: trọng lượng gram của 6.1023 nguyên tử của một chất. Một  mole của một chất có 6.1023 nguyên tử, phân tử, ions, hợp chất vì vậy đơn vị  của trọng   lượng nguyên tử là grams/mole. Trọng lượng đương lượng: khối lượng của một chất (ví dụ  cation, anion, hợp  chất sẽ  phản  ứng thay thế 1gram H +, tương đương với số  lượng điện tích avogadro (+  hay ­). Trọng lượng này bằng với trọng lượng gram của 6.10 23 điện tích, vì vậy đơn vị  của trọng lượng đương lượng là gram / đương lượng (g/eq) Tóm tắt các định nghĩa về trọng lượng nguyên tử và trọng lượng đương lượng tương tự  nhau: Trọng lượng nguyên tử = gram/6.1023 ion hay phân tử Trọng lượng đương lượng = gram/6.1023 điện tích.  Sử dụng đương lượng trong hóa học đất là cách thuận lợi để  diễn tả  hàm lượng  các ion trao đổi trong đất. Trong trao đổi các cation các vấn đề về trọng lượng nguyên tử  và trọng lượng đương lượng có quan hệ như sau: Trọng lượng đương lượng của chất “A” = trọng lượng nguyên tử của “A”/hóa trị A. Ví dụ: Trọng lượng đương lượng của K+ = 39 g/mole/(1 eq/mole) = 39 g/eq Trọng lượng đương lượng của Ca = 40 g/mole/(2 eq/mole) = 20 g/eq Trọng lượng đương lượng của AL = 27 g/mole/(3 eq/mole) = 9 g/eq Vì hệ thống đơn vị SI thường được sử dụng trong khoa học. Vì thế  meq/100 g trở  thành  cmol/ kg trong đơn vị SI; centimole điện tích / 1 kg đất. Sự chuyển đổi 1 meq/100 g đất =   cmol/ 1 kg đất. Trong phần này chúng ta sử  dụng đơn vị  meq/ 100 g vì phần lớn các  phòng phân tích sử dụng đơn vị này để diễn tả CEC. Nếu một loại đất có chứa 1 mole ion Ca 2+(6.1023 ion) do đó nó sẽ  có 2.6.1023 điện tích.  Theo định nghĩa trọng lượng đương lượng thì trọng lượng của 6.10 23 điện tích, có nghĩa  là 1 đương lượng của Ca2+ nặng 20 g/eq hay 20 g/6.10 23 điện tích. Cần nhớ rằng 1 mole   Ca2+ nặng 40 g/6.1023 ion. Sử  dụng đương lượng để  diễn tả  nồng độ  hay hàm lượng của các chất dinh   dưỡng trong đất rất thuận lợi bởi vì nó chính là bản chất của các phản ứng trao đổi nói  chung  và trao đổi cation nói riêng. Nếu Ca 2+ thay thế  K+ trên phức trao đổi mỗi cation  Ca2+ sẽ thay thế 2 cation K+, nhưng một đương lượng Ca2+ chỉ thay thế một đương lượng  4
  5. K+  hay một đương lượng của cation nào khác. Vì vậy: một đương lượng chất A = 1   đương lượng chất B, với A, B là các cation, hợp chất. Khái niệm này rất quan trọng để hiểu và định lượng hóa nhiều phản ứng hóa học  trong nghiên cứu độ phì phân bón. Để xác định trọng lượng đương lượng của một hợp chất cần phải hiểu các phản  ứng liên quan của hợp chất đó. Ví dụ: CaCO3 +2HCl  Ca2+ +2Cl­ +H2O +CO2 Như vậy trọng lượng đương lượng của CaCO3 trong phản  ứng này là: một mole CaCO3  trung hòa hết 2 mole HCl vì thế  trọng lượng đương lượng = trọng lượng phân tử  /2=   100/2 = 50 g/eq. CEC của các khoáng sét phổ biến và chất hữu cơ được trình bày trong  bảng 3.1. Các loại  đất có hàm lượng sét 2:1 chiếm  ưu thế  sẽ  có khả  năng trao đổi cation cao hơn đất chủ  yếu chứa sét 1 :1. Bảng 3.1 CEC của một số keo đất phổ biến Khoáng sét Kiểu tầng  Điện   tích  CEC  Điện tích phụ  tầng  (cmol/kg)  thuộc pH Kaolinitc 1:1 0 1 – 10 Cao Mica (illinite) 2:1 1,0 20 – 40 Thấp Vermiculite 2:1 0,8 120 – 150 Thấp Montmorillonite 2:1 0,4 80 – 120 Thấp c Chlorite  2:1:1 1,0 20 – 40 Cao Chất hữu cơ 100 – 300 Cao CEC chịu ảnh hưởng rất lớn bởi bản chất và hàm lượng khoáng sét và keo hữu cơ  hiện diện trong đất. Các loại đất có hàm lượng sét và chất hữu cơ  cao sẽ  có khả  năng   trao đổi CEC cao hơn đất cát và đất có hàm lượng chất hữu cơ thấp. Các ví dụ về giá trị CEC của các loại đất có sa cấu khác nhau như sau: Cát (màu sáng) 3­5 meq/100 g Cát (màu tối) 10­ 20 meq/100 g Thịt 10 – 15 meq/100 g Thịt nặng 15 – 25 meq/100 g Sét và thịt pha sét 20 ­50 meq/100 g Đất hữu cơ 50 ­100 meq/100 g 2.1.4 Các cation hấp thụ ­ trao đổi chính trong đất Các cation chủ yếu có liên quan với CEC của các thành phần rắn khác nhau. Ngoại   trừ Al , hầu hết các cation trao đổi là các chất dinh dưỡng của cây trồng. Trong đất chua  3+ các cation này chủ yếu là Al3+, H+, Ca2+, Mg2+, K+, và một lượng nhỏ Na+. Trong đất trung  tính và kiềm cation chủ  yếu là Ca2+, Mg2+, K+, Na+  và một lượng rất nhỏ  Al3+. Cation  được giữ  trên các vị  trí trao đổi có các lực hấp phụ  khác nhau, vì thế  các cation bị  giữ  yếu trên đó sẽ  dễ  dàng bị  thay thế  hay trao đổi với các cation khác. Với hầu hết các   khoáng trong đất lực hấp phụ cation (hay lyotropic series) theo thứ tự như sau: Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ Các tính chất của cation quyết định lực hấp phụ  hay giải phóng của cation đó.  Đầu tiên lực hấp phụ tỉ lệ thuận với điện tích trên các cation. Ion H+ là duy nhất vì kích  5
  6. thước rất nhỏ của nó và mật độ điện tích cao nên có áp lực hấp phụ mạnh, lực hấp phụ  của nó nằm giữa Al3+ và Ca2+. Kế đến lực hấp phụ của các cation có điện tích tương tự  thì được quyết định bởi kích thước hay bán kính của cation khi ngậm nước (bảng 3.2).  Khi kích thước cation ngậm nước tăng thì khoảng cách giữa cation và bề  mặt sét tăng.   Các cation ngậm nước có kích thước lớn thì không thể nằm gần vị trí trao đổi như là các  ion có kích thước nhỏ hơn, kết quả là các cation này bị giảm lực hấp phụ. Bảng 3.2 Bán kính một số nguyên tố Nguyên tố  Trọng lượng  Trọng lượng  Bán kính ion (nm) nguyên tử  đương  Không ngậm  Ngậm nước (g/mol) lượng (g/eq)  nước  3+ Al 27 9 0,051 + H 1 1 2+ Ca 40 20 0,099 0,96 2+ Mg 24 12 0,066 1,08 + K 39 39 0,133 0,53 NH4+ 18 18 0,143 0,56 + Na 23 23 0,097 0,79 ­ H2PO4 97 97 2­ SO4 96 48 ­ NO3 62 62 ­ Cl 35 35 ­ OH 17 17 Sự  trao đổi của một cation này với một cation khác chủ  yếu được thực hiện bởi  hàm lượng (nồng độ) các cation được cho vào. Nguyên lý này được sử dụng để xác định   CEC các loại đất trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, khi chỉ  có một lượng nhỏ  cation  được thêm vào, sự  giải phóng hay trao đổi chịu  ảnh hưởng bởi cation bổ  sung có liên  quan. Ảnh hưởng của cation bổ sung xảy ra khi sự trao đổi một cation này với một cation  khác trở nên dễ dàng hơn vì áp lực của cation thứ ba hay cation bổ sung gia tăng. Ví dụ,   sự trao đổi của NH4+ với Ca2+ xảy ra hoàn toàn hơn khi Al3+ chiếm ưu thế trong hệ thống,  so với hệ thống có cation bổ sung là Na+. Bởi vì Na+ được trao đổi với NH4+ dễ hơn, vậy  sẽ  có ít NH4+ trao đổi với Ca2+. Vì NH4+ không dễ  trao đổi với Al3+ vì vậy sẽ  có nhiều  NH4+ tồn tại trong dung dịch để trao đổi với Ca2+.  2.1.5 Xác định CEC Một phương pháp cổ điển để đo CEC là trích mẫu đất với dung dịch 1N Amonium   acetate trung tính. Tất cả các cation trao đổi trên keo đất được thay thế bởi các ion NH4+  và CEC trở nên bão hòa với NH4+. Nếu đất đã được bảo hòa NH4+ được trích tiếp tục với  một dung dịch muối như là muối KCl 1N. Các ion K+ sẽ thay thế các ion NH4+ đuợc hấp  6
  7. phụ trước đó, nếu huyền phù đất­KCl được lọc thì dịch lọc sẽ chứa các ion NH4+ bị đất  hấp phụ trước đó. Hàm lượng NH4+ là số đo của CEC.    H+ H+ Ca2+ Ca2+ Đất Mg2+ + 9NH4Oac  Đất 9NH4+ + Mg2+ K+ K+ Al3+ Al3+ Dung dịch  đất Đất 9K+  + 9NH4+ + 9Cl Đất­ Đất 9NH4+ + 9KCl  Dung dịch  Đất Ví dụ, giả sử nồng độ NH4+ trong dung dịch lọc là 270 ppm (20 g đất được trích với 200   ml dung dịch KCl) CEC được tính như sau: 270 ppm NH4+ = 270 mgNH4+/L 270 mg NH4+/L x (0,2 L/20 gram đất) = 2,7 mg NH4+/g đất (2,7 mg NH4+/g đất)/(18 mg NH4+ /meq) = 0,15 meq CEC/g đất 0,15 meq CEC/g đất x 100 = 15 meq /100g đất CEC = 15 meq/100 g đất 2.1.6 Độ bảo hòa base Một đặc tính quan trọng của đất là độ  bão hòa base, được định nghĩa là % tổng   CEC được chiếm giữ  bởi các cation kiềm ( Ca2+, Mg2+, K+, Na+) để  diễn tả  độ  bão hòa  base, giả  sử  rằng các cation sau đây được đo trong dịch trích 200 ml NH4Oac thu được  trong 20 g đất. Ca2+ = 100 ppm Mg2+ = 30 ppm K+ = 78 ppm Na+=23 ppm Trọng lượng đương lượng của các cation này tra trong bảng 3.2. Các tính sau đây  được sử  dụng để  diễn tả  các nồng độ  cation bằng đơn vị  của CEC và xác định độ  bão   hòa base. Ca2+ =100 ppm = 100 mg/L x(0,2L/20 g đất)/(20 mg/meq)x100/100 = 5 meq Ca2+ Mg2+ =30 ppm =100 mg/Lx(0,2 L/20 g đất)/(12 mg/meq)x100/100 =2,5 meq Mg2+ K+ =78 ppm = 100 mg/L x(0,2 L/20 g đất)/(39 mg/meq)x100/100 = 2 meq K+ Na+ =23 ppm = 100 mg/L x(0,2 L/20 g đất)/(23 mg/meq)x100/100 = 1 meq Na+ Tổng số = 10,5 meq base / 100g Độ bão hòa base % =(tổng các base/ CEC) x100 = |(10,5 meq/100 g)/(15 meq/100 g)| x100 = 70% 7
  8. % độ  bão hòa của bất cứ  cation nào cũng có thể  tích tương tự. Ví dụ, từ  các số  liệu   trước, % độ bảo hòa của Mg2+ = (2,5 meq Mg/10,5 meq CEC) x100 = 23,8 %Mg. Theo qui luật chung, độ bão hòa base (% BS) của các loại đất bình thường không  canh tác, đất vùng khô hạn cao hơn các loại đất trong vùng khí hậu ẩm, hoặc canh tác lâu   năm. Mặc dù điều này không phải luôn đúng, nhất là trong các vùng khí hậu ẩm, và BS %   của các loại đất được hình thành từ đá vôi hay các loại đá phún xuất kiềm thì lại cao hơn   là đất hình thành trên sa thạch hay các loại đá phún xuất chua. Sự  hữu dụng của các cation dinh dưỡng như  Ca 2+, Mg2+, và K+ đối với cây trồng  gia tăng theo sự gia tăng của BS %. Ví dụ, một loại đất có BS là 80 % có thể sẽ cung cấp  các cation cho cây trồng đang sinh trưởng dễ dàng hơn nhiều so với đất có BS là 40 %.   Sự quan hệ giữa BS % và sự hữu dụng của các cation bị  thay đổi bởi bản chất của keo   đất. Theo qui luật đất có hàm lượng keo hữu cơ  hay keo 1: 1 cao có thể  cung cấp các   cation cho cây trồng với lượng lớn  ở  1 BS % thấp hơn nhiều so v ới đất có hàm lượng   keo 2: 1 cao. BS % luôn có quan hệ với pH đất. Khi % Ca2+, Mg2+ và K+ trên các vị  trí trao đổi  tăng, pH sẽ tăng. Trong ví dụ này, pH5,5 tương đương với khoảng 50 % BS và pH: 7,0,   tương đương với 90 % BS. Sự tương quan giữa pH và BS có khác nhau giữa các loại đất khác nhau. Tuy nhiên, việc  xác lập mối tương quan này có thể  hữu ích cho việc đánh giá nhu cầu bón vôi cho các  loại đất chua. 2.2 Sự trao đổi anion 2.2.1 Nguồn điện tích dương (+) Các anion trong dung dịch đất cũng chịu sự hấp phụ  trên các vị  trí mang điện tích  (+) trên các bề mặt của khoáng sét và chất hữu cơ. Các điện tích dương (+) có tác dụng  hấp phụ tĩnh điện và trao đổi các anion có nguồn gốc trong các nối của khoáng sét bị phá   vỡ, chủ  yếu là trong lá bát diện aluminum, sự  phơi bày các gốc OH ­  ra ngoài trên các  cạnh khoáng sét. Sự  trao đổi anion cũng có thể  xảy ra trên các gốc OH ­  trên bề  mặt  hydroxyl của sét kaolinite. Sự  thay thế các ion OH­ từ các oxide Fe, Al ngâm nước được  xem là một cơ  chế  quan trọng đối với sự  trao đổi anion, đặc biệt là trong các loại đất   phong hóa mạnh của vùng nhiệt đới và á nhiệt đới và những loại đất này có khả  năng  trao đổi anion rất lớn. 2.2.2 Khả năng trao đổi anion Khả năng trao đổi anion (AEC) tăng khi pH giảm. Ngoài các loại đất có chứa sét 1:   1 cao và các loại đất có chứa oxide Fe, Al ngậm nước cao thì sự  trao đổi anion lớn hơn   trong các loại đất chứa sét 2: 1 cao. Các khoáng sét montmorillonite thường có AEC  43 meq/100 g ở pH: 4,7. Các loại đất sản xuất   nông nghiệp có giá trị pH cao hơn giá trị  này nên AEC của các loại đất không có ý nghĩa   nhiều trong sự trao đổi anion. 2.2.3 Các anion hấp thụ ­ trao đổi trong đất Các anion như Cl­, NO3­ có thể bị hấp phụ, mặc dù không phổ biến như là H2PO4­  và SO42­. Thứ  tự  hấp phụ  anion là H2PO4­ > SO42­ >NO3­ = Cl­ . Trong phần lớn các loại  đất thì H2PO4­ là anion chính bị  hấp phụ, mặc dù trên một số  loại đất chua hàm lượng   SO42­ cũng bị hấp phụ đáng kể. 8
  9. Các cơ  chế  có tác dụng làm cho các anion được giữ  lại trong đất phức tạp hơn  nhiều, ngoài lực hấp phụ tĩnh điện đơn giản có liên quan đến phần lớn các phản ứng trao  đổi cation thì các anion cũng có thể  được giữ  lại do các hạt đất thông qua sự  hấp phụ  đặc biệt hay các phản ứng hấp phụ hóa học, sự hấp phụ này không phải là hấp phụ tĩnh  điện.  2.3 Khả năng đệm của đất 2.3.1 Định nghĩa khả năng đệm của đất Sự  hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng tùy thuộc vào nồng độ  của các chất dinh dưỡng trong dung dịch đất, nhưng quan trọng hơn là tùy thuộc vào khả  năng duy trì nồng độ các chất dinh dưỡng của đất. Khả năng đệm thể hiện khả năng của   đất tái cung cấp một ion nào đó vào dung dịch đất. Khả năng đệm có liên quan đến tất cả  các phần rắn hay các vị  trí trao đổi hay hấp phụ  các cation/ anion. Do đó pH của dung  dịch đất được đệm bởi H+ trao đổi và sẽ  không tăng cho đến khi có một lượng lớn các   acid trao đổi được trung hòa. Tương tự như thế, khi rễ cây trồng hấp thu hay lấy đi các   chất dinh dưỡng như K+, thì K+ trao đổi sẽ được giải phóng để tái cung cấp K + cho dung  dịch đất. Với một số chất dinh dưỡng như H 2PO4­ các khoáng lân ở dạng rắn sẽ hòa tan   để tái cung cấp hay đệm H2PO4­ cho dung dịch đất. Khả  năng đệm (BC) cũng được diễn tả  bằng tỉ lệ  của nồng độ  bị  hấp phụ  (∆Q)  và nồng độ ion trong dung dịch (∆I): BC = (∆Q/∆I) 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng đệm của đất  BC trong đất tăng khi CEC tăng, chất hữu cơ  tăng. Ví dụ, BC của đất chứa sét  montmorillonite có hàm lượng chất hữu cơ  cao sẽ  lớn hơn đất chứa sét kaolinite và có  hàm lượng chất hữu cơ thấp. Vì CEC tăng theo hàm lượng sét nên đất có sa cấu mịn sẽ  có BC cao hơn đất có sa cấu thô. Ví dụ, nếu K+ trao đổi giảm do cây trồng hấp thu, thì  khả  năng đệm K+ sẽ bị giảm khi nồng độ  trong dung dịch giảm. Chất dinh dưỡng sẽ bị  thiếu và cần phải bón phân K+ để  tăng K+ trao đổi. Bón phân P sẽ  làm tăng H2PO4­ trao  đổi, nhưng quan trọng hơn là một số  H2PO4­ sẽ  bị  kết tủa dưới dạng các hợp chất rắn  góp phần làm tăng khả năng đệm P của đất. BC là tính chất quan trọng của đất, có ảnh  hưởng rất lớn đến sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng và sự quản lý phân bón. 2.4 Khả năng trao đổi cation của rễ cây Rễ cây trồng có CEC biến thiên từ 10 – 30 meq/100g  ở các cây 1 lá mầm như  họ  hòa thảo và từ 40 – 100 meq/100g ở các cây hai lá mầm. Các tính chất trao đổi ở rễ chủ  yếu do các gốc carboxyl (­ COOH), tương tự các vị trí trao đổi trên mùn và chiếm 70 – 90   % khả năng trao đổi cation của rễ. Các cây họ  đậu và các cây khác có CEC cao thường có xu hướng hấp thu nhiều   cation có hóa trị 2 như Ca2+ hơn là các cation có hóa trị 1, trong khi đó các cây họ hòa thảo  thì có xu hướng ngược lại. Các tính chất trao đổi cation của rễ này giúp ta giải thích tại   sao trong một đồng cỏ  gồm hỗn hợp cây họ  hòa thảo và cây họ  đậu trồng trên loại đất  có K+ thấp thì cây họ  hòa thảo tồn tại nhưng cây họ đậu lại chết. Các cây họ  hòa thảo  được xem là loại cây hấp thu K+ hiệu quả hơn cây họ đậu. Bảng 3.3 Khả năng trao đổi CEC của rễ cây trồng Stt Giống CEC (meq/100 g rễ khô) 9
  10. 1 Lúa mì 23 2 Bắp 29 3 Đậu 54 4 Cà chua 62 3 Khả năng và cơ chế cung cấp chất dinh dưỡng của đất Trong nông nghiệp lớp đất mặt (là lớp đất chủ yếu cung cấp chất dinh dưỡng cho   cây trồng) từ  0 – 20 cm được quan tâm nhiều hơn các tầng khác, trong khối lượng đất   trồng trọt/ha có chứa trung bình số lượng các chất dinh dưỡng như thể hiện ở bảng 3.4 Bảng 3.4 Khả năng cung cấp một số chất dinh dưỡng của đất Nguyên tố dinh dưỡng Tỉ lệ (%) Số lượng (kg/ha) Đạm (N) 0,04 – 0,2 1200 – 6000 Lân (P2O5) 0,02 – 0,2 600 – 6000 Kali (K2O) 0,5 – 3,0 15000 – 90000 Bảng 3.4 số  lượng chất dinh dưỡng đạm, lân, kali trong đất có khả  năng hình   thành một khối lượng nông sản khổng lồ bằng năng suất trung bình thu hoạch liên tục   trong hàng trăm năm nhưng trong thực tế sản xuất nông nghiệp cây trồng vẫn thường bị  thiếu chất dinh dưỡng, do đó cần thiết phải được bón phân. Bên cạnh đó nhiều chất dinh  dưỡng trong đất ở  dạng khó tiêu phải phụ  thuộc vào quá trình thoái hóa của vi sinh vật   mới được chuyển thành chất dinh dưỡng dễ tiêu cây có khả năng hấp thu được. Hầu hết   đạm  ở  trong đất là dạng đạm hữu cơ trong thành phần mùn, chỉ  khi mùn bị  khoáng hóa   giải phóng đạm NH4+, NO3­ thì cây mới sử  dụng được. Quá trình chuyển hóa chất dinh   dưỡng trong đất không đáp ứng kịp thời đòi hỏi của cây trồng. tỉ lệ các chất dinh dưỡng   trong đất không cân đối, ba chất dinh dưỡng chính là đạm, lân, kali trong đất thường   không cân đối với nhau, do đó cần phải bổ sung các chất dinh dưỡng giúp cây trồng sinh  trưởng và phát triển. 4 Sự hấp thụ các chất dinh dưỡng của đất Chất dinh dưỡng trong đất bị hấp thụ chủ yếu ở các dạng chính sau: 4.1 Hấp thu sinh học Sự hấp thu sinh học là quá trình chuyển hóa các hợp chất vô cơ hòa tan thành các   hợp chất hữu cơ không hòa tan của cơ thể các sinh vật trong đất. Quá trình hấp thu sinh   học có ý nghĩa rất lớn đến việc hình thành đất và bón phân cho cây trồng. Sự  hấp thụ  sinh học trong điều kiện dung dịch đất có chứa nhiều chất dinh dưỡng, cây không sử  dụng hết, là quá trình có lợi. Ngược lại trong điều kiện đất nghèo chất dinh dưỡng nếu   vi sinh vật phát triển quá nhiều, hiện tượng hấp thu sinh học xảy ra sẽ làm cho cây thiếu  chất dinh dưỡng. Ví dụ, khi bón nhiều chất hữu cơ  chưa hoai vào trong đất (tỉ  lệ  C/N  cao) các vi sinh vật phân hủy cellulose phát triển nhanh cạnh tranh N, P2O5, K2O với cây  trồng, có thể dẫn đến cây trồng bị thiếu các khoáng này. Đó là quá trình bất lợi nhất thời   đối với cây trồng, vì phải qua một thời gian các vi sinh vật này chết đi cơ thể bị khoáng  10
  11. hóa mới cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Vi sinh vật sống trong đất càng nhiều   thì hấp thu sinh học càng lớn.  4.2 Hấp thu cơ học Đó là quá trình các khoáng bị hấp thu vào khe hở hay mao quản của các hạt, điều  này thể hiện ở các vùng đất bồi có khả năng giữ được các hạt phù sa có chứa nhiều chất   dinh dưỡng. Khi bón bột apatit hay phosphoric những hạt này được giữ lại không bị nước  cuốn trôi nhờ có khả năng hấp thụ cơ học của đất. Cũng nhờ có những mao quản này mà  đất có khả năng giữ lại các vi sinh vật trong đất không bị nước cuốn trôi đi.  4.3 Hấp thụ lý học (hấp thụ phân tử) Đây là hình thái hấp thu trên bề mặt hạt keo, keo đất là các hạt vô cùng nhỏ, mỗi  hạt keo gồm rất nhiều phân tử, các phân tử  này có sức hút các phân tử  khác trong dung   dịch đất. Nhờ  có loại hấp thu này đất có khả  năng giữ  lại trên bề  mặt hạt keo những   phân tử nhiều loại chất. Cường độ hấp thu này phụ thuộc tổng điện tích các hạt keo. Khi   tổng số  các hạt keo tăng lên thì diện tích tăng lên và cỡ  hạt giảm xuống. Vì vậy, trong   đất nếu tỉ  lệ  hạt sét càng cao thì khả  năng hấp thu lý học càng lớn. Những phân tử  các   chất hòa tan trong dung dịch đất bị  hạt đất hấp thu mạnh hơn là phân tử  nước, cho nên,  trong dung dịch bọc xung quanh bề mặt hạt đất, nồng độ của chất đó cao hơn là ở những   chỗ khác. Trong trường hợp đó, xảy ra sự hấp thu phân tử  dương, còn gọi là hấp thu lý   học dương. Đây là cơ  chế  của sự  hấp thu nhiều loại hợp chất hữu cơ, như  các loại  rượu, acid hữu cơ, các chất cao phân tử. Về phương diện hấp thu lý học dương trong số  các loại hợp chất khoáng, đất chỉ  hấp thu bazơ. Đối với những chất khoáng tan trong  nước, có hiện tượng hấp thu âm. Hiện tượng hấp thu âm thường xảy ra khi đất gặp   những dung dịch Cl, NO3­. Ví dụ, ta rửa đất khô bằng dung dịch NaNO 3 thì không những  trong nước rửa nồng độ nitrate sẽ không hạ thấp mà trái lại tăng lên. Lý do là vì đất hấp   thu những phân tử  nước, cho nên cũng lượng nitrate đó lại  ở  trong một lượng nước ít   hơn, cho nên nồng độ cao hơn. Nhờ có hiện tượng hấp thu lý học âm Cl và NO 3­ cho nên  những chất này rất dễ di chuyển trong đất đồng thời với nước. Khi độ ẩm trong đất cao   lên thì sự rửa trôi Cl và NO3­ sẽ có thể trôi nhanh xuống những lớp sâu. Vì vậy, khi ta bón   NH4Cl cho đất thì Cl­ bị  rửa trôi và không có khả  năng tích lũy trong đất nhiều làm  ảnh   hưởng xấu đến cây trồng, trái lại nitrate bị rửa trôi nhiều thì hiệu lực phân đạm sẽ kém,   do đó nitrate chủ yếu dùng để bón thúc mà Cl nên bón sớm trước khi gieo trồng.  4.4 Hấp thu hóa học Sự  hấp thu hóa học là quá trình chuyển hóa một số  chất trong đất từ  thể  hòa tan  sang thể rắn, ít tan hơn và lẫn vào trong thành phần rắn của đất. Sự hấp thu hóa học chỉ  xảy ra với các chất có khả  năng tạo thành hợp chất khó tan. Ion NO3­  và Cl­  trong đất  không bị  hấp thu vì những loại này có khả  năng tạo ra với các cation trong đất thành  những hợp chất dễ  hòa tan. Trái lại, lân rất dễ  bị  hấp thu hóa học vì dễ  hình thành các   hợp chất ít tan.  Sự  hấp thu hóa học khác hấp thu lý học  ở  chỗ  trong quá trình này các loại muối   biến đổi hẳn tính chất và chỉ  trở  lại tình trạng cũ trong điều kiện nhất định đồng thời   thành phần muối trong dung dịch thay đổi hẳn, nồng độ muối giảm. Sự hấp thu hóa học  có khi có lợi cũng có khi có hại. Sự chuyển biến lân từ  dạng dễ tiêu sang dạng khó tiêu   11
  12. khiến cho hiệu suất sử dụng phân lân giảm đi, gọi là lân bị giữ chặt. Sự cố định một số  chất vi lượng trong điều kiện đất quá chua hoặc quá kiềm, dẫn đến hiện tượng cây bị  thiếu vi lượng ở một vài loại đất. Nhưng kết tủa một phần nhôm, măngan trong đất chua   bằng biện pháp bón vôi hoàn toàn có lợi, vì nồng độ  nhôm, măngan quá cao gây độc hại   cho cây. Kết tủa một phần Al còn làm tăng hiệu lực phân lân.  4.5 Hấp thu lý hóa học Là sự  trao đổi ion nằm trong dung dịch đất và ion nằm trên bề  mặt keo. Các hạt   keo đất, keo hữu cơ hoặc keo vô cơ có thể hấp thu một số chất hòa tan trên bề mặt hạt  keo của nó. Người ta gọi đó là hấp thu lý hóa học. Keo đất thường mang điện âm, một số  trường hợp mang điện dương do đó trong đa số  trường hợp nó có thể  hút một ít ion   dương. Trong điều kiện nhất định các ion đó có thể  thoát ra khỏi keo đất và trở  lại vào  trong dung dịch đất. Thông thường việc hấp thu ion của một chất sẽ đẩy ra khỏi keo đất  một số ion khác. Tổng lượng cation hấp thu tương  ứng với lượng cation bị đẩy ra, một  số  cation này thay thế  một số cation khác trong keo đất và nồng độ  ion trong dung dịch  không thay đổi. Vì vậy quá trình hấp thu này còn gọi là hấp thu trao đổi. Tính chất của đất khi tiếp xúc với một dung dịch muối nào đó có thể trao đổi  cation với dung dịch, gọi là tính hấp thu trao đổi, hay tính hấp thu lý hóa học. Tùy theo  tính điện của keo mà nó có khả năng hấp thu anion hay cation. Phần lớn keo đất có điện  âm vì vậy cation được hấp thu là chủ yếu. 12
  13. BÀI 2: HẤP THU DINH DƯỠNG CỦA RỄ CÂY TRỒNG Bộ rễ có khả năng thu nhận các chất vô cơ hoặc hữu cơ từ các dạng ion hoặc các   dạng liên kết, dạng ion như  nitơ: N­NO3­ hoặc N­NH4+, HPO42­, H2PO4­. Giữa rễ  và keo  đất luôn xảy ra quá trình trao đổi ion. Các ion có thể  liên kết chặt trong keo đất hoặc  ở  dạng khó tan nhưng nhờ rễ cây chuyển hóa vào đất nhiều loại acid hữu cơ ( a. malic, a.  xitric…) và acid cacbonic biến các chất khó tan thành các chất dễ tan cho rễ cây hấp thụ.   Hoặc nhờ  bộ  rễ  có khả  năng tiết ra một số  enzym như  amilase, protease, phosphatase,   urease… có thể phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản dễ hấp thụ.  1 Sự di chuyển của các ion từ đất đến rễ cây trồng Để  được hấp thu bởi rễ  cây trồng các ion phải tiếp xúc với rễ  cây trồng. thông  thường các ion có thể di chuyển đến bề mặt của rễ bằng ba cách Ion tiếp xúc trực tiếp với rễ Dòng chảy khối lượng của nước có chứa các ion trong dung dịch Sự khuếch tán các ion trong dung dịch đất. Hàm lượng chất dinh dưỡng được cung cấp do sự  khuếch tán thường được xác định   bằng sự chênh lệch giữa tổng dinh dưỡng do cây hấp thu và số lượng được cung cấp do  tiếp xúc trực tiếp và dòng chảy khối lượng. 1.1 Sự tiếp xúc trực tiếp của rễ Sự  tiếp xúc trực tiếp của rễ  là một cơ  chế  hấp thu được tăng cường do sự  sinh  trưởng của các rễ  mới xuyên suốt khối lượng đất và cũng có thể  do sự  lan truyền của   các loại nấm trong vùng rễ. Khi hệ thống rễ phát triển và ăn sâu vào trong đất nhiều hơn,  thì dung dịch đất và các bề mặt đất có giữ các ion hấp thụ sẽ tiếp xúc với khối lượng rễ,  và sự hấp thu các ion này xảy ra do cơ chế trao đổi tiếp xúc. Các ion trên bề mặt lông hút  của rễ  (như  H+) có thể  trao đổi với các ion bị  giữ  trên bề  mặt các sét và chất hữu cơ  trong đất bởi vì sự tiếp xúc trực tiếp giữa rễ và các hạt đất. Các ion bị  giữ  bởi lực tĩnh  điện   ở  các vị  trí này có xu hướng dao động trong một thể  tích nhất định. Khi thể  tích   giao động của 2 ion trùng lấp nhau các ion sẽ trao đổi vị trí. Bằng cách này, Ca 2+ trên bề  mặt sét có thể được hấp thu và được sử dụng bởi cây trồng.  Hàm lượng chất dinh dưỡng rễ  cây trồng hấp thu do tiếp xúc trực tiếp là hàm  lượng có trong một thể tích đất bằng với thể tích của rễ. Rễ  chiếm 
  14. các tế bào rễ các cấu trúc nhỏ gọi là arbuscules được hình thành. Các cấu trúc arbuscules  được xem như là vị trí vận chuyển các chất dinh dưỡng từ nấm đến các cây chủ. Sự hấp thu dinh dưỡng của rễ gia tăng là do bề mặt hấp thu của rễ lớn hơn khi có   sự hiện diện của các loại nấm này. Điều này được xác định là lớn hơn đến 10 lần so với   các rễ không có sự hiện diện của nấm. Các sợi nấm vươn rộng đến 8 cm vào trong đất   xung quanh rễ  vì thế  làm gia tăng sự  hấp thu dinh dưỡng, đặc biệt là các chất dinh  dưỡng có độ khuếch tán kém như P. Sự  hấp thu lân được tăng cường chủ  yếu là do sự  sinh trưởng của rễ  được cải   thiện nhờ nấm mycorrhiza. Sự cải thiện sinh trưởng này có thể dẫn đến sự  hấp thu các  nguyên tố khác nhanh hơn nữa. 1.2 Dòng chảy khối lượng  Sự  di chuyển các ion trong dung dịch đất đến bề  mặt của rễ  cây do dòng chảy   khối lượng  cũng là một yếu tố  quan trọng trong sự cung cấp các chất dinh dưỡng cho   cây trồng. Dòng chảy khối lượng xảy ra khi các ion dinh dưỡng và các chất hòa tan khác   được vận chuyển trong dòng chảy của nước đến rễ, là kết quả  của quá trình thoát hơi   của cây trồng. Dòng chảy khối lượng cũng có thể xảy ra do sự bốc hơi và thấm lậu của   nước trong đất. Hàm lượng các chất dinh dưỡng di chuyển đến rễ do dòng chảy khối lượng được   quyết định bởi lưu lượng nước hay sự  tiêu thụ  nước của cây trồng, và nồng độ  trung  bình của các chất dinh dưỡng trong dòng nước đó. Dòng chảy khối lượng cung cấp một   lượng rất lớn Ca2+, Mg2+ trong nhiều loại đất, cũng như phần lớn các chất dinh dưỡng di  động khác như NO3­ và SO42­. Khi ẩm độ đất giảm (lực giữ nước của đất tăng), thì sự di  chuyển của nước bị  giảm dần. Vì vậy sự  di chuyển của nước đến bề  mặt rễ  cũng bị  chậm lại. Sự di chuyển do dòng chảy khối lượng sẽ giảm khi nhiệt độ thấp do nhu cầu  thoát hơi nước của cây trồng thấp so với  ở  nhiệt độ  cao. Ngoài ra, sự  vận chuyển của  các ion trong dòng chảy của nước bị bốc hơi ở mặt đất cũng sẽ giảm ở nhiệt độ thấp. 1.3 Cơ chế khuếch tán Sự khuếch tán xảy ra khi một ion chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng   độ thấp hơn. Phần lớn các chất dinh dưỡng P và K trong đất di chuyển đến rễ  là do sự  khuếch tán. Khi rễ cây hấp thụ các chất dinh dưỡng từ dung dịch đất ngay bề mặt rễ, thì  nồng độ chất dinh dưỡng ngay bề mặt rễ bị giảm thấp rất nhiều so với nồng độ  trong   dung dịch của toàn bộ khối đất. Vì vậy, sự chênh lệch về nồng độ được hình thành làm   cho các ion di chuyển đến rễ cây. Một loại cây có nhu cầu cao đối với chất dinh dưỡng   nào đó sẽ dẫn đến sự chênh lệch nồng độ lớn, làm tăng tốc độ khuếch tán ion đó từ dung   dịch đất đến bề mặt rễ. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán của các chất   dinh dưỡng trong đất, trong đó yếu tố  quan trọng nhất là mức độ  chênh lệch nồng độ.   Phương trình sau đây diễn tả mối quan hệ này (định luật Fick) dC/dt = De A dC/dX với: dC/dt là tốc độ khuếch tán ( sự thay đổi nồng độ theo thời gian) dC/dX là sự chênh lệch nồng độ theo khoảng cách De là hệ số khuếch tán hữu hiệu A diện tích ion khuếch tán Phương trình khuếch tán trên cho thấy rằng tốc  độ  khuếch tán của chất dinh   dưỡng (dC/dt) tỉ lệ thuận với độ chênh lệch nồng độ (dC/dX). Khi sự khác nhau về nồng   14
  15. độ  chất dinh dưỡng giữa bề  mặt rễ  và dung dịch khối đất tăng thì tốc độ  khuếch tán   cũng tăng. Tương tự, khi diện tích mà ion khuếch tán qua tăng thì dC/dt tăng.  Tốc độ  khuếch tán cũng tỉ  tệ  với hệ  số  khuếch tán De, hệ  số  này khống chế  khoảng cách mà  chất dinh dưỡng có thể khuếch tán đến rễ. Với một khoảng cách cố định giữa các rễ, thì  De quyết định thành phần các chất dinh dưỡng trong đất có thể đi đến rễ trong một thời  kỳ sinh trưởng nhất định của cây trồng De được diễn tả như sau: De = Dwθ(b/T) Với Dw là hệ số khuếch tán trong nước,  θ là ẩm độ theo thể tích đất, T là yếu tố  khúc khuỷu, uốn khúc (tortuosity), b là khả năng đệm của đất. Tương quan trên cho thấy rằng khi  ẩm độ  tăng thì D e tăng, điều này sẽ làm tăng tốc độ  khuếch tán, dC/dt. Khi  ẩm độ trong đất giảm, các màng nước bao quanh các hạt đất trở  nên mỏng hơn và sự khuếch tán các ion thông qua các màng trở nên quanh co hơn. Sự vận  chuyển các chất dinh dưỡng đến bề mặt rễ có thể hữu hiệu nhất  ở độ  ẩm đồng ruộng.   Vì thế, khi tăng  θ  sẽ làm giảm sự quanh co của chiều dài đường đi của các ion khuếch  tán nên làm tăng dC/dt. Sự  uốn khúc của T cũng có tương quan với sa cấu của đất, sự  khuếch tán chất  dinh dưỡng trong đất có sa cấu càng mịn thì đường đi của ion đến rễ càng quanh co hơn.   Vì T tăng theo hàm lượng sét nên 1/T giảm nên hệ  số  khuếch tán giảm và vì thế  dC/dt  giảm. Vì vậy các ion khuếch tán thông qua ẩm độ đất trong các loại đất sét tương tự như  các ion sẽ bị hút vào các vị trí hấp thu trên sét hơn là trên đất cát. Hệ  số  khuếch tán trong đất De  có tương quan thuận với hệ  số  khuếch tán của   cùng một chất dinh dưỡng đó trong nước D w. Gắn liền với Dw là yếu tố nhiệt, nên nhiệt  độ tăng thì Dw, De và dC/dt tăng. Hệ số khuếch tán có tương quan nghịch với BS của đất.  BC của đất tăng sẽ làm giảm De và sẽ làm giảm tốc độ khuếch tan chất dinh dưỡng. Vì  vậy, BC giảm do tăng nồng độ  dinh dưỡng trong dung dịch cũng sẽ  làm tăng sự  chênh  lệch nồng độ, dC/dt, nên góp phần làm tăng tốc độ khuếch tán.  Sự  hấp thụ  các ion  ở  bề  mặt rễ  tác động đến quá trình hình thành và duy trì sự  chênh lệch nồng độ, chịu tác động mạnh mẽ bởi nhiệt độ. Trong khoảng nhiệt độ từ  20  – 30 oC khi nhiệt độ tăng 10oC thì tốc độ hấp thu tăng 2 lần hay cao hơn. Sự khuếch tán   các ion dinh dưỡng   thường chậm trong hầu hết các trường hợp và xảy ra trong một  khoảng cách rất gần xung quanh bề mặt rễ. Khoảng cách trung bình cho sự khuếch tán là  1 cm đối với đạm, 0,02 cm đối với lân, và 0,2 cm đối với kali. Khoảng cách trung bình   giữa các rễ bắp trong khoảng 15 cm đất mặt là 0,7 cm, cho thấy rằng một số chất dinh   dưỡng  có thể  cần phải được khuếch tán đến ½ khoảng cách này là 0,35 cm trước khi  chúng được hấp thu bởi rễ cây trồng. Rễ không hấp thu tất cả các chất dinh dưỡng cùng  tốc độ. Vì vậy, một số ion có thể  tích lũy  ở  bề  mặt rễ, đặc biệt là trong giai đoạn cây  trồng hấp thu nước nhanh, điều này dẫn đến một số hiện tượng được gọi là khuếch tán   ngược, trong đó có sự chênh lệch nồng độ và vì thế một số ion sẽ di chuyển xa dần bề  mặt rễ  và đi ngược trở  lại dung dịch đất. Sự  khuếch tán ngược này thường thấp hơn  nhiều so với sự khuếch tán đến bề  mặt rễ, tuy nhiên khi nồng độ  chất dinh dưỡng cao  trong vùng rễ có thể ảnh hưởng đến sự hấp thu các chất dinh dưỡng khác. Sự khuếch tán và dòng chảy khối lượng trong sự cung cấp ion đến bề mặt rễ phụ  thuộc vào khả năng cung cấp các ion này của các thành phần rắn của đất cho dung dịch   đất. Nồng độ các ion trong dung dịch  chịu ảnh hưởng rất lớn bởi bản chất của các thành   phần keo đất và mức độ bảo hòa cation của các keo này. Ví dụ, mức độ giải phóng Ca từ  keo đất do sự hấp thu của cây trồng biến động theo thứ tự: tan bùn > kaolinite > illinite >  15
  16. montmorillonite >. Sét 2: 1 bảo hòa 80 % Ca sẽ  cung cấp % Ca giải phóng bằng với  kaolinite bảo hòa 35 % Ca hay than bùn bảo hòa 25 % Ca. Nghiên cứu các cơ chế dòng chảy khối lượng và khuếch tán cũng quan trọng trong   việc quản lý phân bón. Các loại đất có tốc độ  khuếch tán thấp do BC cao, độ  ẩm thấp,  hay hàm lượng sét cao có thể  cần được bón các chất dinh dưỡng không di động gần rễ  cây để tối đa sự hữu dụng  của các chất dinh dưỡng và hấp thu của cây trồng. 2 Sự hấp thu ion của rễ cây trồng  Sự hấp thu ion của rễ cây trồng từ dung dịch đất gồm hai tiến trình: hấp thu chủ  động và hấp thu thụ động. Hấp thu thụ động là tiến trình các ion di chuyển một cách thụ  động đến “ranh giới” từ đó các ion sẽ được vận chuyển một cách chủ  động đến các bộ  phận trong tế  bào của cây trồng. Thành phần dung dịch hay nồng độ  ion bên ngoài  ảnh  hưởng rất lớn đến các tiến trình và mỗi tiến trình đều có tầm quan trọng nhất định đối   với dinh dưỡng khoáng và sự sinh trưởng của cây trồng. 2.1 Sự hấp thu thụ động Một phần rất lớn tổng diện tích của rễ  có khả  năng tiến hành hấp thu thụ  động  các ion. Gian bào ( outer space) nơi sự  khuếch tán và trao đổi ion xảy ra, được định vị  trong các màng của tế bào biểu bì (epidermis) và vỏ  ( cortex) của rễ, và các màng nước  trong khoảng trống giữa các tế bào. Các màng của tế bào là nơi định vị chủ yếu của gian   bào. Các khoảng trống này,  ở  bên ngoài màng ngoài cùng (casparian) là một rào cản sự  khuếch tán và trao đổi. Các ion trong dung dịch đất đi vào mô rễ qua các tiến trình khuếch tán và trao đổi  ion. Nồng độ  các ion trong gian bào thường thấp hơn nồng độ  các ion trong dung dịch  đất, vì thế  khuếch tán xảy ra do sự  chênh lệch nồng độ. Bên phía trong của tế  bào vỏ  mang điện tích âm (­) nên tạo lực hấp dẫn đối với cation. Sự  trao đổi các cation sẽ  dễ  dàng xảy ra dài theo bề mặt của tế bào ngoài cùng của rễ và điều này giải thích tại sao   cây trồng hấp thu lượng cation thường vượt cao hơn sự hấp thu anion. Nh ưng để duy trì  sự trung hòa điện tích tế bào rễ  phải giải phóng ion H + nên làm giảm pH dung dịch đất  gần rễ. Sự khuếch tán và trao đổi là các tiến trình thụ động bởi vì sự hấp thu vào gian bào   được kiểm soát bởi nồng độ ion (khuếch tán) và sự khác nhau về điện tích (trao đổi ion).   Các tiến trình này không có sự chọn lọc và không cần năng lượng. Hấp thụ động xảy ra   bên ngoài dãy caspirian và nguyên sinh chất (plasmalemma) đó là ranh giới các màng hay  các rào cản sự khuếch tán và trao đổi ion. Các gian bào của tế  bào ngoài cùng của phần thịt lá cũng là nơi các ion có khả  năng khuếch tán và trao đổi. Nhưng phần lớn các ion dinh dưỡng đi đến gian bào của lá  qua mạch mộc (xylem) từ rễ. Các ion khoáng trong nước mưa, nước tưới và trong phân  bón lá thấm vào trong lá thông qua khí khổng và biểu bì (cuticle) để vào bên trong lá, nơi   đây chúng sẵn sàng cho sự hấp thu của các tế bào lá. Sự di chuyển các ion từ rễ đến thân được quyết định bởi tốc độ  hấp thu nước và   thoát hơi nước điều này cho thấy dòng chảy khối lượng có vai trò rất quan trọng trong sự  di chuyển các ion. 2.2 Sự hấp thụ ion chủ động  16
  17. Một lớp màng có tác dụng như ranh giới giữa gian bào và nguyên sinh chất, các ion   được hấp thu thụ động chiếm giữ các khoảng không giữa các tế  bào. Tuy nhiên nguyên  sinh chất sẽ ngăn chặn sự vận chuyển thụ động của các chất dinh dưỡng vào bên trong  tế bào. Bởi vì nồng độ ion bên trong tế bào cao hơn bên ngoài tế bào nên sự vận chuyển   ion qua màng nguyên sinh chất phải do sự chênh lệch hóa điện. Vì vậy sự  vận chuyển   ion qua màng nguyên sinh chất vào trong tế bào chất (cytoplasm) cần có năng lượng tạo  ra từ  sự  trao đổi chất của tế  bào. Các bộ  phận khác trong tế  bào cũng được bao quanh   bởi màng không thấm. Ví dụ, tonoplast là một màng chắn đối với không bào, không bào   điều chỉnh hàm lượng nước trong tế bào và có tác dụng như  một nơi dự  trữ  các ion vô   cơ, đường, và các amino acid. Cơ  chế chất mang ion (ion carrier) là một chất được hình thành do trao đổi chất,  sẽ kết hợp với các ion tự do. Phức chất mang ion này sau đó có thể xuyên qua các màng  và các vật cản không thấm. Sau khi vận chuyển hoàn tất, phức chất mang ion bị đứt các   nối hóa học, ion được giải phóng vào không bào và trong một số trường hợp chất mang   được cho là được giữ lại trong không bào. Sự  vận chuyển ion chủ  động là một tiến trình chọn lọc, nên chỉ  các ion chuyên   biệt được vận chuyển hay được “mang” xuyên qua màng nguyên sinh chất do các chất   mang chuyên biệt. Ví dụ, mặc dù kali (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) có sự  cạnh tranh  cùng một chất mang nhưng chúng không cạnh tranh với các nguyên tố  khác như  Ca,   strontium (Sr), và barium (Ba). Tuy nhiên ba nguyên tố sau lại có sự cạnh tranh với nhau  về  chất mang. Selenium (Se) cạnh tranh với SO42­, nhưng không cạnh với phosphate hay  các anion có hóa trị  1. Có một điều đặc biệt là H2PO4­ và HPO42­ có chất mang riêng và  không cạnh tranh với chất khác để đi vào trong không bào. Các tính chất hấp thu vận chuyển và sử  dụng chất dinh dưỡng khoáng trong cây   trồng phần lớn do di truyền quyết định. Các kiểu di truyền trong các giống có thể  rất   khác nhau về tốc độ hấp thu và vận chuyển các chất dinh dưỡng, hiệu quả sử dụng các   chất trao đổi chất, thích  ứng với điều kiện nồng độ  các chất dinh dưỡng cao và nhiều   yếu tố khác.  17
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2