Tài liệu Keo ðất và khả năng hấp phụ của ðất

Chương V KEO ÐẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA ÐẤT 1. Keo đất 1.1. Khái niệm Ðất là một hệ thống đa phân tán phức tạp bao gồm các hạt có kích thước khác nhau. Keo đất là những hạt rất ít tan trong nước, có đường kính rất nhỏ. Về kích thước của hạt keo giữa một số tác giả không thống nhất. Ðường kính hạt keo dao động từ 0,01 - 10 m (1 m = 10-6 m) (Garrison Sposito), hoặc nhỏ hơn 1 m (Nyle C. Brady, Ray R. Well, Hinrich L. Bohn, Brian L. McNeal, George A. O'connor), hoặc nhỏ hơn 0,2 m (A.E. Vozbutskaia) hoặc bán kính nhỏ hơn 1 m (Van Olphen),... Do kích thước của keo nhỏ như thế nên chúng thường lơ lửng trong dung dịch, có thể chui qua giấy lọc phổ thông và chỉ quan sát được cấu tạo của chúng bằng kính hiển vi điện tử. Số lượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 - 2% (đất cát) đến 40 - 50% khối lượng đất (đất sét nặng). Ngay cả khi có hàm lượng rất nhỏ trong đất, keo đất vẫn là đại diện chủ yếu cho khả năng hấp phụ của đất Trong đất có keo vô cơ, keo hữu cơ và keo phức tạp hữu cơ- vô cơ. Những keo vô cơ được tạo thành do tác dụng phong hoá đá hoặc do sự ngưng tụ các phân tử trong dung dịch, keo hữu cơ tạo thành do quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất. Keo vô cơ kết hợp với keo hữu cơ thành keo hữu cơ - vô cơ. Cấu tạo chung của keo đất (hình 5.1) như sau: phần trong cùng của hạt keo (mixen keo) là nhân keo, đó là một hợp chất phức tạp có cấu tạo vô định hình hoặc tinh thể. Thông thường keo vô cơ có nhân là axit silisic, nhôm silicat, oxyt sắt, oxyt nhôm... Keo vô cơ bền, nó chỉ bị phá huỷ sau một thời gian dài. Keo hữu cơ có nhân là axit humic, axit fulvic, prôtit hoặc cenlulo. Keo hữu cơ kém bền, nó có thể bị phá huỷ rồi lại tạo thành ngay từ các sản phẩm phân giải xác động vật, thực vật. - - + + + keo - - quanh - dÞch + - + ng Du dÞc h yÓn chu Ion quy Õt Nh© n - + Ion kh« ng Õ h th ®Þn xe nk eo H¹ t keo V i l¹ p khu Õch n t¸ bï ®iÖn p Lí p kÐ iÖn p® Lí Mi Ion + + + Hình 5.1. Sơ đồ cấu tạo mixen keo (theo N.I. Gorbunov) Theo Gorbunov keo đất có cấu tạo như sau: trong cùng là nhân keo, trên mặt nhân keo có lớp điện kép, lớp nằm sát hạt nhân gọi là lớp ion quyết định thế, lớp ion ngoài mang điện trái dấu gọi là lớp ion bù. Ða số ion của lớp ion bù nằm sát lớp ion quyết định thế gọi là tầng ion không di chuyển, những ion còn lại nằm xa cách tầng ion quyết định thế làm thành tầng ion khuếch tán. Ða số keo đất có lớp ion quyết định thế mang điện âm. Ðiều cần lưu ý là trong đất những ion trên lớp điện bù có thể trao đổi với những ion trong dung dịch tiếp xúc với nó nên gọi là "tầng ion trao đổi". Tổng số cation trên tầng ion trao đổi tính bằng số ly đương lượng gam (meq) trong 100 gam đất khô gọi là dung tích hấp phụ của đất. Keo đất giữ vai trò rất quan trọng vì chúng quyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá hoc, đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất. Bởi vậy những lý luận về keo được vận dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân loại đất, cải tạo đất và bón phân cho đất. 1.2. Ðặc tính cơ bản của keo đất Khi nghiên cứu keo đất người ta thấy có 4 đặc tính quyết định nhiều tính chất cơ bản của đất, đó là: a. Keo đất có tỷ diện lớn Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn khối lượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3). Diện tích bề mặt của các hạt có kích thước khác nhau được thể hiện ở bảng 5.1. Keo đất có kích thước rất bé nên tỷ diện của nó rất lớn. Theo số liệu ở bảng 5.1, số lượng keo đất chỉ bằng 4% khối lượng pha rắn của đất, nhưng có diện tích bề mặt bằng 80% tổng diện tích bề mặt của đất. Như vậy đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là đất cát. Bảng 5.1. Vai trò của kích thước hạt trong sự hình thành diện tích bề mặt của đất thịt trung bình Kích thước hạt (mm) 0,25 - 0,05 0,05 - 0,01 0,01 - 0,005 0,005 - 0,001 0,001 - 0,0001 0,0001 Tổng số Hàm lượng (%) 17 50 20 6 3 4 100 Diện tích bề mặt (m2/1g đất) % bề mặt tổng số 0,5 4,1 9,9 12,7 18,8 194,0 240,0 0,2 1,7 4,1 5,2 7,8 81,0 100,0 b. Keo đất có năng lượng bề mặt Các phân tử trong hạt keo chịu những lực tác động xung quanh như nhau nên không có gì đặc biệt. Phân tử trên bề măt hạt keo chịu các lực tác động xung quanh khác nhau vì nó tiếp xúc với thể lỏng hoặc thể khí bên ngoài. Do các lực này không thể cân bằng lẫn nhau được, từ đó sinh ra năng lượng tự do, sinh ra năng lượng bề mặt chỗ tiếp xúc giữa các hạt keo với môi trường xung quanh. Thành phần cơ giới đất càng nặng thì tỷ diện càng lớn và do đó năng lượng bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ vật chất càng cao. c. Keo đất có mang điện Ðây là một đặc tính rất quan trọng của keo đất mà các hạt đất có kích thước lớn không có. Do hạt keo có kích thước rất nhỏ nên hạt nhân của keo có thể hấp phụ lên trên bề mặt các ion khác nhau. Sự hấp phụ này phụ thuộc vào bản chất của keo. Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất có thể mang điện âm hoặc điện dương. Trong đất có keo âm, keo dương và keo lưỡng tính. Phần lớn keo đất mang điện âm d. Keo đất có tác dụng ngưng tụ Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khác nhau: trạng thái keo tán (sol) và trạng thái keo tụ (gel). Khi những hạt keo phân bố trong một thể tích nước thì chúng nằm xa cách nhau, đó là trạng thái sol (hay hydrosol). Trong trường hợp này môi trường phân tán là nước, tướng phân tán là các hạt keo. Như thế sol chỉ keo ở trạng thái lơ lửng trong chất lỏng. Hiện tượng này do các nguyên nhân: do thế điện động (điện thế zeta) làm cho các hạt keo đẩy nhau không tiến lại gần nhau được, hoặc do màng nước bao bọc ngoài keo ngăn cản không cho chúng dính liền nhau. Song trong thiên nhiên lại có cả quá trình ngưng tụ, nghĩa là quá trình biến sol thành gel. Quá trình này chỉ xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy. Sự ngưng tụ keo có thể do những nguyên nhân chính sau: + Keo ngưng tụ do tác dụng của chất điện giải: đây là nguyên nhân chủ yếu. Ion chất điện giải tiếp xúc với hạt keo, điện của keo sẽ bị trung hoà bởi ion mang điện trái dấu. Ta biết, đa số keo đất mang điện âm nên nói chung chúng bị ngưng tụ do có cation trong dung dịch đất. Do chất điện giải là một muối, các ion của muối này hydrat hoá lấy nước của hạt keo, làm giảm bề dày màng nước giúp cho chúng có thể gần nhau; mặt khác ion muối ngăn cản khả năng điện phân của các cation trao đổi làm giảm điện thế zeta. Cả 2 nguyên nhân đó dẫn tới hiện tượng keo đất liên kết với nhau mà ngưng tụ. Hoá trị của cation càng cao thì sức ngưng tụ keo càng mạnh. Nghiên cứu sự ngưng tụ keo sét Gedroiz thấy rằng sức ngưng tụ của cation hoá trị 2 lớn gấp 25 lần cation hoá trị 1, cation hoá trị 3 gấp 10 lần cation hoá trị 2 (bảng 5.2). Các cation hoá trị 1 như Na +, K+, H+ có tác dụng ngưng tụ nhưng không bền, khi chất điện giải trong dung dịch bị rửa trôi thì xảy ra hiện tượng tán keo. Bảng 5.2. Sự ngưng tụ keo sét phụ thuộc hoá trị chất điện giải Hoá trị 1 1 1 2 2 3 3 Chất điện giải NaCl NH4Cl KCl MgCl2 CaCl2 AlCl3 FeCl3 Nồng độ chất điện giải khi keo bắt đầu ngưng tụ (N) 0,015 - 0,0125 0,025 - 0,0125 0,025 - 0,0125 0,0012 - 0,0005 0,0012 - 0,0005 < 0,000125 < 0,000125 + Keo ngưng tụ do hiện tượng mất nước: tuỳ khả năng giữ nước người ta chia keo thành keo ưa nước và keo ghét nước. Keo ưa nước trên bề mặt có những phân tử nước hoặc chất lỏng như dung dịch đất. Những keo ưa nước như gelatin, axit silicic, nhựa cây, một vài chất hữu cơ trong đất, một số keo sét... Keo ghét nước như hydroxít sắt, kaolinit... Chúng không có màng nước xung quanh nên dễ ngưng tụ, chỉ cần dùng dung dịch muối nồng độ thấp. Trái lại các keo ưa nước chỉ ngưng tụ trong trường hợp chất điện giải ở nồng độ cao. Những lúc thời tiết hanh khô hoặc hạn hán kéo dài làm cho đất khô thì keo ưa nước cũng có thể ngưng tụ do màng nước quanh nó bị mất. + Keo ngưng tụ do sự liên kết hai hạt keo mang điện trái dấu Như trên đã nói, đa số keo đất mang điện âm. Tuy nhiên vẫn gặp một số keo mang điện dương như keo Fe(OH)3, Al(OH)3, khi keo âm và keo dương kết hợp với nhau, sau lúc trung hoà điện tạo thành gel hỗn hợp. Nếu số lượng keo âm nhiều gấp bội keo dương thì các keo âm bao bọc keo dương tạo thành màng bảo vệ mang điện âm, kết quả lại tạo thành sol. 1.3. Phân loại keo đất Những keo đất phổ biến là axit humic, axit silicic, hydroxyt sắt, nhôm và keo sét. Nói chung hàm lượng keo phụ thuộc tỷ lệ sét và mùn trong đất, đất càng nhiều sét và mùn thì càng chứa nhiều keo. Dựa vào tính mang điện, thành phần hoá học người ta phân loại keo đất như sau: a. Dựa vào tính mang điện Theo tính mang điện của keo, có thể chia keo đất thành các loại: keo âm, keo dương và keo lưỡng tính, + Keo âm (asidoit) Trên mặt nhân keo mang điện âm hay nói cách khác là lớp ion quyết định thế là những anion. Các ion trên lớp điện bù là H+ hoặc các cation khác. Ký hiệu keo âm là XH. Trong đất, keo âm chiếm đa số. Thường gặp là axit silicic, axit humic, keo sét...Ví dụ cấu tạo keo axit silicic như hình 5.2. Phân tử axit silicic trên bề mặt hạt nhân phân ly thành các ion: H2SiO3 = 2H+ + SiO322Anion SiO3 được hấp phụ ngay trên bề mặt hạt nhân làm thành tầng ion quyết định thế. H+ là ion bù phân phối ở tầng ion không di chuyển và khuếch tán khuÕch t¸ n kh«ng di chu yÓ Ion n q.®thÕh iÖu n Io Nh© n SiO 2Ion + + SiO2 yH2O SiO32- + SiO32- + + H+ 3 SiO32H+ + + + H+ H+ H+ H+ H+ H+ Hình 5.2. Sơ đồ cấu tạo keo âm (theo Gorbunov) + Keo dương (Basidoit) Trên lớp ion quyết định thế hiệu là các cation, còn ở lớp điện bù là ion OH- và các anion khác. Ký hiệu keo dương là X-OH. Các keo dương thường gặp trong đất là Fe(OH)3, Al(OH)3 (trong môi trường axit). Cũng có thể là kaolinit do quá trình ion hoá tạo thành keo dương: ...O3SiO2(OH)Al2(OH)3 D ...O3SiO2(OH)Al2(OH)2]+ + OH- Ví dụ cấu tạo keo Fe(OH)3 (hình 5.3) Hình 5.3. Sơ đồ cấu tạo keo dương (theo Gorbunov) khuÕch t¸ n kh«ng di chu n yÓn o I t ® q. hÕh iÖu n Io Nh© n + FeO+ Ion - FeO+ + Fe(OH)3 + - - + + - Cl- FeO FeO+ Cl- + Cl- FeO+ - Cl- Cl- Keo này tạo thành do sự thuỷ phân FeCl3 FeCl3 + 3H2O D Fe(OH)3 + 3HCl Hạt nhân keo tạo nên do nhiều phân tử Fe(OH)3. Những phân tử Fe(OH)3 trên bề mặt hạt nhân phản ứng với HCl tạo thành FeOCl: Fe(OH)3 + HCl D FeOCl + H2O FeOCl là chất điện giải nên ion hoá: FeOCl D FeO+ + ClCation FeO+ được hấp phụ ngay trên bề mặt hạt nhân làm thành lớp ion quyết định thế. Các anion Cl- được phân bố ở tầng ion trao đổi. + Keo lưỡng tính (Ampholitoit) Keo này mang điện âm hay dương phụ thuộc vào phản ứng của môi trường xung quanh. Các ion trao đổi có thể là H+, OH- hoặc các ion khác. Ký hiệu keo này là X-O-H. Các keo lưỡng tính trong đất thường gặp là Fe(OH)3, Al(OH)3,... Ví dụ: đối với keo Fe(OH)3, khi pH< 7,1 biểu hiện keo dương, nhưng khi pH > 7,1 biểu hiện keo âm (keo này có điểm đẳng điện tại pH=7,1): Fe(OH)3 + HCl  Fe(OH)2+ + Cl- +H2O (keo dương) Fe(OH)3 + NaOH  Fe(OH)2O- + Na+ + H2O (keo âm) Ðối với keo Al(OH)3 khi pH < 8,1 biểu hiện keo dương, khi pH >8,1 là keo âm (điểm đẳng điện của keo tại pH=8,1): Al(OH)3 + HCl  Al(OH)2+ + Cl- + H2O (keo dương) Al(OH)3 + NaOH  Al(OH)2O- + Na+ + H2O (keo âm) b. Dựa vào thành phần hoá học Dựa vào thành phần hoá học có thể chia keo đất thành các loại: keo hữu cơ, keo vô cơ và keo hữu cơ-vô cơ + Keo hữu cơ Keo hữu cơ tạo thành do sự biến hoá xác sinh vật trong đất. Nói chung lớp đất mặt chứa nhiều keo hữu cơ hơn các lớp dưới. Các keo hữu cơ thường gặp là axit humic, axit fulvic, lignin, protit, xellulo, nhựa và các hợp chất hữu cơ phức tạp khác. Những nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên keo hữu cơ là C, H, O, N, S, P và một lượng nhỏ Na, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si... Ví dụ cấu tạo keo axit humic (hình 5.4) khuÕch t¸ n d kh«ng i chu yÓ Ion n q.®thÕh iÖu n Io Nh© n COOIon + + H+ COO R(COOH)n COO H+ OH CO OH - O H+ + - O CO + H+ + + + H+ + H H+ Hình 5.4. Sơ đồ cấu tạo keo axit humic (theo Gorbunov) + Keo vô cơ (keo khoáng) Chủ yếu là keo nhôm silicat được hình thành do kết quả phá huỷ đá và khoáng vật tạo thành. Thành phần hoá học của keo này gồm: SiO2 = 40% - 60% Al2O3 = 10% - 25% Fe2O3 = 5% - 10% và một ít Ca, Mg, Ti, Mn, K, Na, P, S cùng các nguyên tố vi lượng như B, Zn, Mo, Cu... Tỷ lệ các nguyên tố ấy phụ thuộc đá mẹ, điều kiện hình thành, khí hậu, thời gian, thực bì, vi sinh vật... Ví dụ cấu tạo keo nhôm silicat (hình 5.5) + Keo hữu cơ-vô cơ Các keo hữu cơ ít ở trạng thái tự do mà thường liên kết chặt với các chất khoáng hoặc các keo vô cơ tạo thành keo hữu cơ-vô cơ phức tạp. Theo L.N. Alexandrova các hợp chất hữu cơ vô cơ trong đất được chia thành 3 nhóm: các muối dị cực, các muối phức dị cực và các phức chất hấp phụ. khuÕch t¸ n d kh«ng i chu yÓ Ion n q.®thÕh iÖu n Io 2- Ca2+ Nh© n SiO 3 Ion + 2 )n + 2 3 - H+ Ca2+ H+ SiO 2- + SiO3 2- O3 Si 2Si O 3 + (Si O = = = + = + )m l O3 (A 2 + + = + Mg2+ H+ H+ + Hình 5.5. Sơ đồ cấu tạo keo nhôm silicat (theo Gorbunov) - Muối dị cực (muối đơn giản): khi các axit mùn phản ứng với phần vô cơ của đất tạo thành các muối dị cực hay các humat hoặc fulvat. Các muối này có công thức cấu tạo chung như sau: (COO)nMem R (O)pMeq trong đó: Me là Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+.... Các muối dị cực cũng có thể được hình thành do sự tương tác giữa các axit mùn với các khoáng vật sét qua cầu nối canxi có cấu tạo như sau: Si O Ca OOC COO Ca O Si COO Ca O Si R Si O Ca OOC Các humat canxi không tan có thể kết tủa và hình thành các màng trên bề mặt các hạt keo. - Muối phức dị cực được hình thành do phản ứng giữa các ion sắt, nhôm với axit mùn để hình thành muối phức, trong muối này kim loại tham gia vào phần anion của phân tử. Hợp chất phức này vẫn còn các nhóm cacboxyl và nhóm hydroxyl phenol tự do, các nhóm này có thể tiếp tục phản ứng với phần vô cơ của đất để tạo thành các muối dị cực đơn giản. L.N. Alexandrova gọi những hợp chất có bản chất kép như vậy là muối phức dị cực. Muối này có cấu tạo như sau: H2O OH OOC Me H2O OH (COOH)n-1 R HO (OH)m-1 trong đó Me là Fe3+, Al3+. Các nhóm cacboxyl và nhóm hydroxyl phenol tự do có thể phản ứng với các cation kiềm và kiềm thổ trong đất. - Phức chất hấp phụ là các sản phẩm của sự tương tác giữa các chất mùn với các khoáng vật dạng tinh thể hoặc vô định hình của đất hoặc các sản phẩm hữu cơ vô cơ hấp phụ các chất mùn bằng phần vô cơ. Các phức hệ sét mùn cũng là phức chất hấp phụ. Ðại diện cho các phức hấp phụ trong đất là phức mùn với nhôm và sắt (a), phức mùn silic (b) và phức hệ sét mùn (c) Me(OH)3 (COOH)n-1 OOC OH R Me OH (OH)m-1 OH (COOH)n H2O ...R (OH)m SiO2.nH2O COO H2O ...[RMe] Me1+ OH (a) Phức mùn nhôm, sắt (b) Phức mùn silic (COOH)n O- ...R (OH)m Si O COO OH ...[RMe] Me O (COOH)n-1 OOC Al Al R (OH)m-1 O O OH ...R (COOH)n (OH)m Si O- ...[RMe] COO Me O (c) Phức hệ sét mùn 1.4. Các loại keo sét trong đất Các keo sét thuộc loại keo vô cơ, là các khoáng vật thứ sinh alumin silicat, được hình thành do sự biến đổi từ các khoáng vật nguyên sinh trong quá trình phong hoá hình thành đất, phân bố rộng rãi trong các loại đất. Các khoáng vật này là thành phần chủ yếu của cấp hạt sét vì vậy chúng được gọi là các khoáng vật sét. chúng được phân biệt với nhau bởi mức độ phân tán cao, không tan trong nước Trong đất có nhiều loại keo sét, nhưng trong chúng có vai trò quan trọng nhất là các keo sét nhóm kaolinit, montmorilonit và hydromica a. Ðặc điểm chung của keo sét Ðặc điểm chung của các keo sét là chúng có cấu tạo lớp giống như mica và sự thay thế đồng hình. + Cấu tạo lớp của keo sét được tạo thành do sự liên kết của phiến khối tứ diện (bốn mặt) oxit silic và phiến khối bát diện (tám mặt) gipxit. - Phiến oxit silic được tạo thành do sự gắn liền các khối tứ diện oxit silic với nhau. Mỗi khối tứ diện ở chính giữa là một nguyên tử silic, bốn đỉnh là bốn nguyên tử oxi. Như thế thì khi ghép thành phiến hai bên là hai lớp oxi, giữa là lớp silic, - Phiến gipxit: phiến này được tạo thành do sự gắn liền các khối bát diện với nhau. Mỗi khối bát diện chính giữa có một nguyên tử Al, xung quanh có 6 oxi hay 6 OH- hoặc vừa oxi vừa OH- (hình 5.6). + Hiện tượng thay thế đồng hình - Ở một số khoáng vật, trong đó có các khoáng vật sét (keo sét) có hiện tượng một số nguyên tố trong mạng lưới tinh thể của chúng có thể bị các nguyên tố khác ở bên ngoài vào thay thế. Sự thay thế này không làm thay đổi hình dạng của khoáng vật mà chỉ thay đổi tính chất. Vì thế gọi là hiện tượng thay thế đồng hình. oxi Si Si oxi 7 oxi Al Hình 5.6. Sơ đồ cấu tạo khối tứ diện oxit silic, phiến oxit silic và khối bát diện, phiến gipxit - Ðiều kiện quan trọng của sự thay thế là: 2 ion muốn thay thế nhau phải có bán kính tương đương, Ví dụ Al3+ trong tinh thể có bán kính R = 0,57 Ǻ có thể bị Fe3+ có R = 0,67 Ǻ thay thế chứ không thể bị Li+ có R = 1,22 Ǻ thay thế. Sự thay thế này xảy ra phổ biến ở một số keo sét, ví dụ trong khối tứ diện oxit silic: Si4+ thường bị Al3+ thế, có trường hợp Mn3+ hoặc P5+ thay thế Si4+ song rất ít; trong khối bát diện Al3+ bị Mg2+ hoặc Fe2+ thế. - Ðặc điểm của sự thay thế là: nếu hoá trị của 2 ion thay thế tương đương nhau thì không những không thấy điểm gì khác trên tinh thể mà còn làm cho khoáng vật trung hoà điện. Nếu hóa trị của chúng chênh lệch nhau thì khoáng vật mang điện âm hoặc dương. Ví dụ Al3+ thế cho Si4+ thì khoáng vật mang điện âm, P5+ thế cho Si4+ khoáng vật mang điện dương. Hiện tượng thay thế đồng hình thường gặp ở keo sét là Al3+ thế Si4+ hoặc Mg2+ thế Al3+ vì vậy keo sét mang điện âm có thể hấp phụ cation. b. Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính + Nhóm kaolinit: - Nhóm này gồm keo kaolinit và haluzit, metahaluazit, dikkit và nakrit. - Cấu trúc tinh thể loại hình 1:1, mỗi lớp tinh thể (tinh tầng) gồm một phiến oxit silic và một phiến gipxit. Những lớp tinh thể như vậy chồng xếp lên nhau, giữa chúng có các khe hở làm cho kaolinit có cấu trúc lớp (hình 5.7). - Theo hình vẽ cấu trúc của kaolinit, nhân cơ bản của mạng lưới tinh thể keo trung hoà về điện và có công thức tương ứng là Al2Si2O5(OH)4, nhưng bề mặt sườn lộ trần khi phá huỷ có hoá trị không bão hoà gây ra sự hấp phụ các ion từ môi trường xung quanh. Haluazit khác với kaolinit bởi sự tồn tại của nước trong mạng lưới tinh thể, cấu trúc của nó phù hợp với công thức Al2Si2O5(OH)4.2H2O. Haluazit khi bị hydrat hoá sẽ biến thành metahaluazit Al2Si2O5(OH)4.4H2O. Dikkit và nakrit khác với kaolinit bởi các góc lệch của từng paket.Tỷ lệ Si:Al = 1:1 - Khoảng cách giữa các paket không đổi và bằng 7,2 Ǻ. - Rất ít hoặc không có hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể. - Lực liên kết giữa các lớp tinh thể tầng trong kaolinit rất chặt nên không thể co giãn để mở rộng khe hở hút nước và không có khả năng trương. - Do các đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ của kaolinit thường thấp (CEC = 5 - 15 lđl/100g keo). Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo nhóm kaolinit thì tính giữ phân và giữ nước kém. ° 0,2A ° 7,2A PhiÕn gipxit PhiÕn oxit silic 6(OH) 4Al 4O + 2(OH) 4Si 6O Hình 5.7. Sơ đồ cấu trúc kaolinit + Nhóm montmorilonit - Nhóm này gồm keo montmorilonit, baydenlit và nontronit. - Cấu trúc tinh thể loại hình 2:1, nghĩa là mỗi lớp tinh thể gồm 2 phiến oxit silic nằm ở 2 bên và một phiến gipxit ở giữa (hình 5.8). - Cấu trúc của montmorilonit phù hợp với công thức Al2Si4O10(OH)2.nH2O. Baydelit khác với montmorilonit ở chỗ, 1 trong 4 ion Si4+ của lớp khối tứ diện oxit silic bị thay thế bằng Al3+, điện tích âm dư thừa được bù bằng cách thay thế 1 trong các ion oxi bằng nhóm hidroxyl. Baydelit có công thức là: Al3Si3O9(OH)3.nH2O. Còn nontronit, trong các khối bát diện của nó, ion Al3+ hoàn toàn được thay thế bằng ion Fe3+. Nontronit có công thức: (Al,Fe)2Si4O10(OH)2.nH2O. Tỷ lệ Si: Al (hoặc Fe) = 2: 1. - Khác với kaolinit, khoảng cách giữa các paket của montmorilonit thay đổi rất mạnh từ 9,6 đến 28,4 Å, phụ thuộc vào lượng nước được hút vào khe hở giữa các paket. Khi hút nước keo sét montmorilonit trương ra. - Hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra phổ biến: Al3+ thay thế Si4+ trong khối tứ diện của phiến oxyt silic, Mg2+ hoặc Fe2+ thế Al3+ trong khối bát diện của phiến gipxit. Kết quả là keo mang điện âm có thể hấp phụ cation. - Lực liên kết giữa các lớp tinh thể của montmorilonit kém chặt nên có thể giãn nở khi hút thêm nước và cation. - Do những đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ cation của nhóm keo này rất cao (CEC = 80 - 150 lđl/100 g keo). Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo đất nhóm montmorilonit thì tính giữ phân và nước khá cao. ° 9,6-21,4 A 4 A° PhiÕn oxit silic PhiÕn gipxit PhiÕn oxit silic 6O 4Si 4O + 2(OH) 4Al 4O + 2(OH) 4Si 6O Hình 5.8. Sơ đồ cấu trúc montmorilonit + Nhóm hydromica - Chiếm một lượng lớn trong số các keo sét của đất, bao gồm các loại sau: hydro mica trắng (hydromuscovit hoặc illit), hydro mica đen (hydrobiotit)và các dạng khác của mica bị hydrat hoá - Hydromica có cấu trúc loại hình 2:1 tương tự montmorilonit (hình 5.9) - Công thức của hydromuscovit KAl2(Al.Si3O10)(OH)2. ° 10 A yK 6O (4-y)Si.yAl 2OH + 4O Al4.Fe4.Mg4Mg6 2OH + 4O (4-y)Si - yAl yK Hình 5.9. Sơ đồ cấu trúc của hydromica - Khoảng cách giữa các paket không đổi và bằng 10 Ǻ. - Có hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể, chủ yếu là sự thay thế của Si4+ trong phiến khối tứ diện bằng ion Al3+, kết quả làm cho nó mang điện âm có thể hấp phụ cation đặc biệt là K+ phân bố ở khe hở giữa các paket. - Do lực liên kết giữa các lớp tinh thể khá bền vững vì vậy keo thường có tính trương thấp và khả năng hấp phụ không cao. - Khả năng hấp phụ của hydromica khoảng 20 - 40 lđl/100 g keo. + Trong đất cũng thường gặp vermiculit gần giống hydromica, giữa các paket của mạng lưới tinh thể của keo này tồn tại lớp kép các phân tử nước bao quanh các kim loại, thường là Mg. Vermiculit là magiealuminsilicat, Mg có trong các khối bát diện. Trong các khối bát diện Mg2+ có thể được thay thế bằng Fe2+, còn trong các khối tứ diện Si4+ được thay thế bằng Al3+. Công thức tổng quát của vermiculit như sau: (Mg2+,Fe2+)3(Si,Al)4O10(OH)2.4(H2O). Vermiculit có dung tích hấp phụ khá cao, CEC của nó dao động từ 60 - 150lđl/100 g keo. Trong đất còn gặp các keo dạng lớp hỗn hợp. Trong mạng lưới tinh thể của chúng xen kẽ các lớp khối bát diện của các khoáng vật khác nhau: montmorilonit với illit, kaolinit với muscovit, vermiculit với clorit... c. Keo sét trong đất Việt Nam Qua các kết quả nghiên cứu thành phần keo sét trong đất Việt Nam của các tác giả: Phạm Gia Tu, Nguyễn Vi và Trần Khải, Cao Liêm, Ðào Châu Thu, Nguyễn Hữu Thành... bằng phương pháp hoá học, phương pháp quang phổ, phương pháp nhiệt, phương pháp quang tuyến X và phương pháp hiển vi điện tử có thể khái quát về sự phân bố của chúng như sau: + Ðối với đất vùng đồi núi: keo sét chủ yếu trong các loại đất của vùng này là keo kaolinit, gơtit và gipxit, ngoài ra tuỳ theo loại đất có thể gặp các loại keo sét: hydromica (đất đỏ vàng trên đá granit, đất feralit mùn trên núi trên đá philit, đất đen trên đá vôi...), montmorilonit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt), vermiculit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt, đất feralit mùn trên philit). + Ðối với đất đồng bằng: keo sét chủ yếu của các loại đất vùng đồng bằng là kaolinit và hydromica. Vermiculit gặp ở các đất phù sa trung tính ít chua, đất mặn trung tính, đất phèn, đất cát biển. Ngoài ra có thể gặp gipxit (đất phù sa chua, đất bạc màu, đất cát biển) và gơtít (đất bạc màu). 2. Khả năng hấp phụ của đất 2.1. Khái niệm chung Hấp phụ là đặc tính của các hạt đất có thể hút được chất rắn, chất lỏng, chất khí hoặc làm tăng nồng độ các chất đó trên bề mặt. Bemmelen (Hà Lan) lần đầu tiên chỉ ra rằng keo đất là cơ sở của tác dụng hấp phụ, tác dụng này phụ thuộc chất mùn, hydroxyt sắt và oxit silicic trong đất. Năm 1908, Gedroiz (Liên xô cũ) tìm ra quy luật hấp phụ, khẳng định khái niệm hấp phụ một cách chính xác. Gedroiz cho rằng, tính hấp phụ của đất liên quan đến phức hệ hấp phụ, phức hệ ấy không tan trong nước, thành phần khoáng của nó là nhôm silicat, thành phần hữu cơ của nó chủ yếu là mùn, đó là các loại keo đất. Gedroiz chia khả năng hấp phụ của đất thành 5 dạng: hấp phụ sinh học, hấp phụ cơ học, hấp phụ lý học, hấp phụ hoá học và hấp phụ lý hoá học. 2.2. Các dạng hấp phụ của đất a. Hấp phụ sinh học Hấp phụ sinh học là khả năng sinh vật (thực vật và vi sinh vật) hút được cation và anion trong đất. Những ion dễ di chuyển trong đất được rễ cây và vi sinh vật hút biến thành những chất hữu cơ không bị nước cuốn trôi. Rễ cây, thân cây sau lúc chết đi sẽ tích luỹ xác hữu cơ trong đất. Vi sinh vật phân giải xác hữu cơ này, do đó có quá trình hấp phụ sinh học. Vi sinh vật cố định đạm cũng là một hình thức hấp phụ sinh vật. Sự trao đổi cation giữa đất và rễ cây đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Nhiều thí nghiệm khẳng định rằng, ngoài hiện tượng cây hút thức ăn dưới dạng ion từ dung dịch đất, cation và anion có thể đi từ đất vào cây theo quá trình trao đổi ion. Do rễ cây hô hấp thải ra CO2. CO2 kết hợp với H2O trong đất tạo thành H2CO3. Axit này phân li: H2CO3  H+ + HCO3-. H+ khuếch tán đến keo đất và tại đó nó trao đổi với Ca2+, Mg2+, K+ và cation khác hấp phụ ở keo đất, Còn các anion HCO3- trao đổi với NO3-, SO42-, và PO43-. H2CO3 còn có tác dụng hoà tan các muối khoáng khác (phosphat, sulfat...) có trong đất giúp cho cây có thể hút được các ion này. b. Hấp phụ cơ học Hấp phụ cơ học là đặc tính của đất có thể giữ lại những vật chất nhỏ ở trong khe hở của đất, ví dụ: những hạt sét, xác hữu cơ, vi sinh vật... Ðây là dạng hấp phụ phổ biến trong đất. Hiện tượng này thấy rõ nhất khi mưa, nước mưa đục do lẫn cát, sét... nhưng khi thấm sâu xuống các tầng đất dưới, nước mạch chảy vào giếng, nước trở nên trong, vì khi thấm qua các tầng đất, các chất lơ lửng trong nước đã bị hấp phụ cơ học. Nguyên nhân của hấp phụ cơ học do kích thước khe hở trong đất bé hơn kích thước các vật chất hoặc bờ khe hở gồ ghề làm cản trở sự di chuyển các hạt hoặc các vật chất mang điện trái dấu với bờ khe hở nên bị hút giữ lại. Có trường hợp hấp phụ cơ học không lợi cho quá trình hình thành đất như làm xuất hiện trong đất những lớp quá nhiều keo sét, đất trở lên chặt do đó lý tính xấu. Nhưng mặt khác, nhờ tính hấp phụ này mà các phần tử đất không bị rửa trôi xuống sâu. c. Hấp phụ lý học (hấp phụ phân tử) Hấp phụ lý học là sự thay đổi nồng độ của các phân tử chất tan trên bề mặt các hạt đất. Nguyên nhân của hiện tượng hấp phụ lý học do tác dụng của năng lượng bề mặt phát sinh ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt đất với dung dịch đất (hoặc không khí). Năng lượng bề mặt phụ thuộc sức căng bề mặt và diện tích bề mặt. Vật chất nào làm giảm sức căng mặt ngoài của dung dịch đất sẽ tập trung trên mặt hạt keo, đây là sự hấp phụ dương. Ví dụ axit axetic có tác dụng làm giảm sức căng mặt ngoài của dung dịch đất sẽ được tập trung trên mặt hạt đất. Vật chất nào làm tăng sức căng mặt ngoài của dung dịch đất thì bị đẩy ra khỏi keo đất để đi vào dung dịch, sự hấp phụ này gọi là hấp phụ âm. Ví dụ phân tử đường làm tăng sức căng mặt ngoài của dung dịch đất sẽ bị đẩy ra khỏi keo đất để đi vào dung dịch đất. Tóm lại, bất kỳ một sự chênh lệch nào về nồng độ ở chỗ tiếp xúc giữa hạt keo với môi trường xung quanh cũng sinh ra tác dụng hấp phụ lý học. Ngoài phân tử các chất hoà tan, đất còn hấp phụ chất khí. Ðất khô hấp phụ không khí rất chặt. Khả năng hấp phụ các chất khí từ mạnh đến yếu thứ tự như sau: hơi nước, NH3, CO2, O2, N2. Ðất càng nhiều mùn càng hấp phụ nhiều NH3, CO2, và nước. Khả năng hút khí và hơi nước của đất phụ thuộc thành phần chất rắn trong đất (bảng 5.3). Vì vậy đất có khả hấp phụ khí NH3 sinh ra trong quá trình phân giải chất hữu cơ chứa đạm. Ở đây ta càng thấy rõ lợi ích của việc trộn đất bột khô với phân chuồng khi ủ phân. Ðất bột hút NH3 được tạo ra trong quá trình ủ phân, làm giảm sự mất đạm. Bảng 5.3. Khả năng hút khí và hơi nước của đất (ml /100 g chất hút) Thành phần đất Thạch anh CaCO3 Kaolinit Fe(OH)3 Mùn CO2 12 14 166 3526 1264 NH3 145 320 947 5278 24228 Hơi nước 197 278 3172 19236 19772 d. Hấp phụ hoá học Hấp phụ hoá học là sự tạo thành trong đất những muối không tan từ những muối dễ tan. Ví dụ: Na2SO4 + CaCl2  CaSO4 + 2NaCl, Na2SO4 + Ca(HCO3)2  CaSO4 + 2NaHCO3, hoặc NH4H2PO4 + 3Ca(HCO3)2  Ca3(PO4)2 + 2NH3 + 6CO2 + 6H2O Fe3+ + PO43-  FePO4 Al3+ + PO43-  AlPO4 Sự hấp phụ hoá học là nguyên nhân tích luỹ P và S trong đất, làm cho 2 nguyên tố này bị "giữ chặt" trong đất. e. Hấp phụ lý hoá học (hấp phụ trao đổi) Hấp phụ lý hoá học là đặc tính của đất có thể trao đổi ion trong phức hệ hấp phụ với ion của dung dịch đất tiếp xúc. Trong dung dịch đất, các axit vô cơ và muối của chúng phân ly thành cation và anion. Khi dung dịch đất tác động với keo đất, keo đất không những chỉ hấp phụ các phân tử (hấp phụ lý học) mà còn hấp phụ cả ion nữa. Nếu lấy một ít đất đỏ (chua) tác động với dung dịch NH4Cl rồi lọc ta sẽ phát hiện trong dịch lọc chứa nhiều H+ còn NH4+ thì giảm. Quá trình trao đổi ion này có thể biểu thị bằng phản ứng sau: [ KÐ]H+ + NH4Cl ⇄ [KÐ]NH4+ + HCl Từ đó ta thấy thực chất của hấp phụ lý hoá học là sự trao đổi ion trên keo đất với ion trong dung dịch quanh keo. Hiện tượng này xảy ra khi thay đổi độ ẩm, khi bón phân, khi nước ngầm dâng lên, khi tưới nước cho đất, nghĩa là khi có sự chênh lệch nồng độ của phản ứng thuận nghịch. Trong đất có keo âm và keo dương nên đất có khả năng hấp phụ cả cation và anion nhưng hấp phụ cation là chủ yếu vì phần lớn keo đất là keo âm. Hấp phụ trao đổi ion có ảnh hưởng rất lớn tới độ phì nhiêu đất, các tính chất vật lý, hoá học đất cũng như dinh dưỡng cây trồng. Vì vậy cần nghiên cứu sâu hơn dạng hấp phụ này ở phần tiếp theo. 2.3. Hấp phụ trao đổi ion a. Hấp phụ trao đổi cation * Hấp phụ cation xảy ra ở những keo âm vì tầng ion trao đổi của keo chứa cation nên có thể trao đổi với những cation trong dung dịch tiếp xúc với nó. Keo âm chiếm đa số trong đất nên tác dụng hấp phụ cation là chủ yếu. Ví dụ khi bón đạm sunphat thì NH4+ được hấp phụ theo phản ứng sau: [KÐ]Ca2+ + (NH4)2SO4 ⇄ [KÐ]2NH4+ + CaSO4 Một phần nhỏ cation hấp phụ như K+, NH4+, Ca2+, Mg2+ có thể không trao đổi được, nghĩa là không bị cation của dung dịch muối đẩy ra ngoài. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể khác nhau. Nhiều thí nghiệm cho thấy K+ mất khả năng trao đổi do keo đất quá già và phần nào đã kết tinh. K+ đã tham gia cấu tạo lưới tinh thể do đó không trao đổi được nữa, hoặc có thể do cation đi vào khe hở giữa các lớp tinh thể khoáng vật như montmorilonit, baydelit, sau đó đất khô đi hay bị bao bọc xung quanh bởi các hạt keo khác nhau như Fe(OH)3, Al(OH)3 hoặc các chất hữu cơ nên cation đó mất khả năng trao đổi. Nguyên nhân rõ nhất và phổ biến nhất là do các cation đã liên kết hoá học để tạo thành các hợp chất không tan. Sự hấp thụ cation do vi sinh vật cũng là nguyên nhân làm cho cation mất khả năng trao đổi. * Sự hấp phụ cation tuân theo những qui luật nhất định: + Sự hấp phụ cation tuân theo quan hệ đương lượng: 1 đương lượng gam cation này trao đổi với một đương lượng gam cation khác. Ví dụ trong phản ứng: [KÐ]Ca2+ + 2 NaCl ⇄ [KÐ]2Na+ + CaCl2 thì 1 đương lượng gam Ca (20 g) trao đổi với 1 đương lượng gam Na (23 g). Do trao đổi bằng đương lượng (me) cho nên nếu có 3% Ca thì phải tính trao đổi Na cũng cần có 3.1000 = 150 me, muốn 20 150.23 = 3,45% Na mới trao đổi với 3% Ca được. 1000 + Trao đổi cation có thể tiến hành theo chiều thuận và nghịch phụ thuộc nồng độ và đặc tính cation trong dung dịch đất. + Trao đổi xảy ra rất nhanh: các phản ứng trao đổi cation trong đất tiến hành rất nhanh, có khi chỉ sau 5 phút đã thực hiện xong. Ðiểm này có ý nghĩa thực tiễn khi bón phân chứa cation và bón vôi khử chua. Cần chú ý là phải tạo điều kiện cho tiếp xúc đều giữa cation với đất bằng cách bừa kỹ, sục bùn để trộn đều, hoặc bón phân kết hợp với vun gốc cho cây. + Trao đổi cation phụ thuộc hoá trị, độ lớn và mức độ thuỷ hoá của cation: Hoá trị của cation càng cao, khả năng trao đổi càng mạnh, nghĩa là khả năng trao đổi của cation hoá trị III > cation hoá trị II > cation hoá trị I. Nếu cùng hoá trị thì cation nào có bán kính lớn (tức bán kính thuỷ hoá bé) thì trao đổi mạnh hơn. Trừ H+ do có màng thuỷ hoá rất mỏng nên khả năng trao đổi của H+ không những vượt các cation hoá trị I mà còn vượt cả cation hoá trị II (bảng 5.4). Bảng 5.4. Quan hệ giữa hoá trị, bán kính và bán kính thuỷ hoá của cation với khả năng trao đổi cation Cation Li+ Na+ NH4+ Mg2+ Ca2+ H+ Hoá trị 1 1 1 2 2 2 Bán kính cation (Å) 0,78 0,98 1,43 0,78 1,06 - Bán kính thuỷ hoá (Å) 10,03 7,90 5,37 13,30 10,00 - Thứ tự trao đổi 6 5 4 3 2 1 + Khả năng trao đổi phụ thuộc nồng độ ion trong dung dịch. Nói chung, nồng độ ion trong dung dịch đất càng cao thì phản ứng trao đổi càng mạnh. * Dung tích trao đổi cation và độ no bazơ của đất + Dung tích trao đổi cation của đất Dung tích trao đổi cation của đất (dung tích hấp phụ) là tổng số cation hấp phụ (kể cả cation kiềm và không kiềm) trong 100 gam đất, tính bằng ly đương lượng gam, ký hiệu bằng chữ CEC (cation exchange capacity). Dung tích trao đổi cation được xác định bằng cách phân tích trực tiếp hoặc tính theo công thức: CEC = S + H. Trong đó S là tổng số cation kiềm, kiềm thổ hấp phụ (chủ yếu là Ca2+, Mg2+, K+ và Na+), H là tổng số ion H+ và Al3+ hấp phụ (độ chua thuỷ phân). Tất cả đều tính bằng đơn vị lđl/100 g đất. Dung tích trao đổi cation của đất phụ thuộc thành phần keo, thành phần cơ giới đất, tỷ lệ SiO2/R2O3 và pH. - Thành phần keo khác nhau thì CEC của đất khác nhau (bảng 5.5) Bảng 5.5. Dung tích hấp phụ của một số loại keo đất Loại keo Fe(OH)3 và Al(OH)3 Kaolinit Montmorilonit Illit Axit humic CEC (lđl/100 g) Rất bé 5 - 15 80 - 150 20 - 40 350 Như vậy, đất càng nhiều mùn và nhiều montmorilonit thì CEC càng lớn. - Thành phần cơ giới đất càng nặng CEC càng lớn (bảng 5.6) Bảng 5.6. Các cấp hạt khác nhau và CEC của đất Cấp hạt (mm) 0,25 - 0,005 0,005 - 0,001 0,001 - 0,0025 < 0,0025 CEC (lđl/100 g đất) 0,3 15,0 37,2 69,9 - Tỷ lệ SiO2/R2O3 càng lớn thì CEC càng lớn (Bảng 5.7) Bảng 5.7. Quan hệ giữa tỷ lệ SiO2/R2O3 và CEC của đất Tỷ lệ SiO2/R2O3 3,18 2,68 1,98 1,40 0,42 CEC (lđl/100 g đất) 70,0 42,6 21,5 7,7 2,1 - pH đất tăng lên thì CEC tăng lên (Bảng 5.8) Bảng 5.8. Ảnh hưởng của pH đến CEC của một số keo sét Keo pH CEC (lđl/100 g đất) Kaolinit 2,5 - 6,0 7,0 4 10 Montmorilonit 2,5 - 6,0 7,0 95 100 Bảng 5.9. CEC của một số loại đất Việt Nam Loại đất Ðất đỏ nâu phát triển trên đá bazan Ðất đỏ vàng phát triển trên đá phiến sét Ðất đỏ phát triển trên đá vôi Ðất đỏ vàng phát triển trên đá liparit (riolit) Ðất macgalit - feralit CEC (lđl/100 g đất) 8 - 10 7-8 6-8 4-6 30 - 40 Ðất phèn Ðất bạc màu Ðất phù sa sông Hồng 10 - 12 4-6 10 - 15 + Ðộ no bazơ (độ bão hoà bazơ) của đất Nói chung CEC có giá trị càng cao thì đất càng tốt vì chứa nhiều keo. Tuy nhiên dung tích trao đổi cation chỉ nói lên khả năng trao đổi cation mà chưa nói lên thành phần cation hấp phụ. Thực tế một số đất tuy có CEC lớn nhưng do nhiều H+ nên đất chua. Vì thế, cần có CEC lớn nhưng tỷ lệ cation bazơ (bao gồm cả các cation kiềm và kiềm thổ) cũng lớn đất mới tốt. Bởi vậy người ta còn dùng chỉ tiêu "độ no bazơ" để đánh giá độ phì nhiêu đất. Ðộ no bazơ của đất là tỷ lệ phần trăm các cation kiềm, kiềm thổ chiếm trong tổng số cation hấp phụ, ký hiệu là BS (Base saturation), đơn vị % và được tính theo công thức: BS (%) = (S x 100)/CEC = (S x 100)/(S + H) trong đó, S: tổng số cation bazơ trao đổi, H: độ chua thuỷ phân, CEC: dung tích trao đổi cation của đất, cả ba đại lượng này đều tính bằng lđl/100g đất. BS có giá trị càng lớn thì đất càng bão hoà bazơ. Người ta đánh giá như sau: BS < 50% : BS = 50 - 75%: BS > 75% : đất đói bazơ đất có độ no bazơ trung bình đất no bazơ Ở nước ta, phần lớn đất đồi núi và một số đất phù sa chua do bị rửa trôi các chất kiềm, kiềm thổ mạnh nên thường có BS < 50%. Vì vậy việc bón vôi kết hợp với bón phân cho những đất này là cần thiết. a. Hấp phụ trao đổi anion Ðất không những có khả năng hấp phụ cation mà còn có khả năng hấp phụ anion. Sự hấp phụ anion xảy ra trong trường hợp keo mang điện dương. Tỷ lệ keo dương trong đất không nhiều nên hấp phụ cation vẫn là chủ yếu. Sự hấp phụ anion của đất phụ thuộc vào các yếu tố: đặc điểm của các anion, tỷ lệ SiO2/R2O3 và phản ứng môi trường đất. + Anion khác nhau xảy ra sự hấp phụ khác nhau. Khả năng hấp phụ anion có thể sắp xếp như sau: H2PO4- > HCO3- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-. Dựa vào khả năng hấp phụ có thể chia các anion trong đất làm 3 nhóm: - Nhóm thứ nhất: gồm có những anion có thể bị hấp phụ rất mạnh bằng cách tạo thành kết tủa khó tan với các cation trong dung dịch đất như Ca2+, Fe3+... Ðó là kiểu hấp phụ hoá học đã nói ở phần trên. Nhóm này có các anion của axit phosphorit như PO43-, HPO42- và H2PO4- và anion của một số axit hữu cơ. Ngoài việc liên kết với cation hình thành các hợp chất không tan, các ion này có thể bị hấp phụ vào keo đất bằng cách trao đổi với anion OH- trên bề mặt keo đất như trường hợp kaolinit. - Nhóm thứ hai: gồm những anion hầu như không bị hấp phụ. Nhóm này có NO3-, NO2- và Cl-. Nguyên nhân không có sự hấp phụ các anion này là vì chúng không tạo thành với các cation của dung dịch đất những chất khó tan. Chúng cũng không được giữ chặt bởi keo dương do tính dễ hoà tan, trừ trường hợp đất rất chua, chứa rất nhiều secqui oxit, một lượng nhất định các ion này sẽ được hấp phụ. Dựa vào tính dễ di động của Cl- có thể dùng nước ngọt để rửa Cl- cho các đất mặn và chú ý khi sử dụng phân đạm, nhất là các loại phân có chứa NO3- để hạn chế sự mất đạm do NO3- dễ bị rửa trôi. - Nhóm thứ ba: gồm các anion có khả năng hấp phụ trung gian giữa 2 nhóm trên, đó là SO42-, HCO3-, CO3 2- và SiO32-. Cách chia như thế chỉ có ý nghĩa tương đối vì ngay cả những anion này tuỳ điều kiện của môi trường đất có thể có khả năng hấp phụ cao. Ví dụ, SO42- bị hấp phụ rất ít, chỉ trong điều kiện đất có nhiều canxi và độ ẩm đất thấp mới tạo thành CaSO4 hoặc CaSO4.2H2O ở dạng kết tủa. Các muối SO42- khác (Mg, K, Na) đều dễ tan, các anion CO32-, HCO3- hấp phụ hoá học với canxi tạo thành những chất cacbonat khó tan. + Khả năng hấp phụ anion phụ thuộc tỷ lệ SiO2/R2O3. Tỷ lệ này càng thấp (tức tỷ lệ keo dương tăng) thì hấp phụ anion càng nhiều (bảng 5.10). Bảng 5.10. Quan hệ giữa SiO2/R2O3 với hấp phụ anion (Matxơn) SiO2/R2O3 3,82 2,82 1,89 0,55 PO43- SO42lđl/100 g đất 0,04 0,15 0,27 0,52 0,93 1,15 1,60 Cl0,03 0,04 + Khả năng hấp phụ anion còn phụ thuộc vào phản ứng môi trường. Ðất có phản ứng càng chua, tỷ lệ keo dương trong đất sẽ càng tăng, vì vậy sự hấp phụ anion của đất cũng sẽ tăng lên (bảng 5.11). Bảng 5.11. Quan hệ giữa pH với hấp phụ anion (lđl/100 g đất) theo Matxơn pH 7,2 6,7 6,1 5,8 5,3 4,0 Cl0,0 0,3 1,1 2,4 3,8 5,9 Kaolinit pH SO427,2 0,0 6,9 0,7 6,6 2,9 6,2 4,6 5,9 6,6 5,0 10,5 pH 7,5 6,7 6,1 5,5 4,6 3,8 PO4329,7 40,8 46,5 56,1 75,0 92,1 pH 6,8 5,6 3,2 3,1 3,0 2,8 Montmorilonit ClpH 0,0 6,5 0,0 5,1 0,1 4,8 0,1 4,0 0,1 3,3 0,4 2,9 PO4332,4 36,3 38,7 47,4 60,6 81,0 3. Ảnh hưởng của keo đất, khả năng hấp phụ đến tính chất đất và chế độ bón phân và cải tạo đất 3.1. Quan hệ giữa keo đất với quá trình hình thành đất + Kaolinit là keo sét điển hình cho quá trình hình thành đất nhiệt đới ẩm, montmorilonit đặc trưng cho quá trình hình thành đất ôn đới. Keo sét đặc trưng của một số loại đất thế giới như sau (theo J. Toth) Loại đất Ðất tundra Ðất nâu hạt dẻ Ðất chernozem Ðất đồng cỏ ẩm Ðất potzon Ðất đỏ vàng potzon hoá Ðất feralit nhiệt đới Ðất mùn gley Ðất mùn cacbonat Ðất phù sa và đất mặn Keo sét đặc trưng Illit Montmorilonit Illit + Montmorilonit Montmorilonit Illit Kaolinit Kaolinit + halluazit Montmorilonit Montmorilonit + kaolinit Illit + kaolinit + haluazit + Càng lên cao nhiệt độ càng giảm, cường độ phá huỷ đá giảm, quá trình hình thành đất cũng thay đổi, tỷ lệ keo sét giảm nhưng tỷ lệ keo hữu cơ tăng. + Tỷ lệ SiO2/Al2O3 trong keo sét liên quan mật thiết với mức độ phong hóa, rửa trôi và mức độ biến đổi trong quá trình hình thành đất: