Chương V keo ðẤt và khả NĂng hấp phụ CỦA ÐẤT

2.2. Các dạng hấp phụ của đất

a. Hấp phụ sinh học

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 H₂CO_3. 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^-, SO₄^2-, và PO₄^3-. 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

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)

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.

d. Hấp phụ hoá học

Na₂SO₄ + CaCl₂  CaSO_4¯ + 2NaCl,

Na₂SO₄ + Ca(HCO₃)₂  CaSO_4¯ + 2NaHCO₃,

hoặc

Fe³⁺ + PO₄^3-  FePO_4¯

Al³⁺ + PO₄^3-  AlPO_4¯

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)

[ 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

[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 = 150 me, muốn trao đổi Na cũng cần có = 3,45% Na mới trao đổi với 3% Ca được.

+ 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).

+ 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)

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

- Tỷ lệ SiO₂/R₂O₃ càng lớn thì CEC càng lớn (Bảng 5.7)

- pH đất tăng lên thì CEC tăng lên (Bảng 5.8)

+ 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% :	đất đói bazơ
BS = 50 - 75%:	đất có độ no bazơ trung bình
BS > 75% :	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

+ Anion khác nhau xảy ra sự hấp phụ khác nhau. Khả năng hấp phụ anion có thể sắp xếp như sau: H₂PO₄^- > HCO₃^- > SCN^- > SO₄^2- > 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 PO₄^3-, HPO₄^2- 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 SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃ ^2- và SiO₃^2-. 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, SO₄^2- 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 SO₄^2- khác (Mg, K, Na) đều dễ tan, các anion CO₃^2-, 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).

+ 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).