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

Thêm vào BST

Báo xấu

256
lượt xem 52
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:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

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
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
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
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
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
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
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
% 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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