Tại sao pH đất có tầm quan trọng trong đất nông nghiệp? pH là tính chất của đất rất dễ thay đổi, là yếu tố kiểm sóat hóa học và các phản ứng trong dung dịch đất. Ngòai pH, điện thế oxi hóa khử (redox) cũng là 1 tính chất dễ thay đổi khác của đất.
Hóa học đất thực chất là hóa học của dung dịch đất, hóa học của bề mặt keo đất chỉ xảy ra khi tiếp xúc với dung dịch đất
Tại sao pH đất là quan trọng? Do pH ảnh hưởng đến tất cả các tính chất của đất, bao gồm các tính chất vật lý, hóa học và sinh học, ảnh hưởng đến CEC, khả năng hòa tan các khóang, dạng hóa học của các nguyên tố, khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng, họat động của vi sinh vật, sinh trưởng của rễ, phân giải chất hữu cơ.
Là nồng độ tương đối của H+ và OH- trong dung dịch, hay mức độ chua hay kiềm của dung dịch đất. pH được diễn tả bằng Logarith âm của họat độ ion H+
Trong đất, do nồng độ các ion thường rất thấp nên họat độ ion tương đương với nồng độ ion.
pH của nước nguyên chất: H2O → H+ + OH-
Do H+ và OH- phải luôn cân bằng, vì vậy nên nước có cả hai tính chất: acid yếu và kiềm yếu. Nồng độ cân bằng của H+ và OH- là 0.0000001 mol/L . Trên thang logarith, nồng độ của chúng là 10-7 mol/L.
Tóm lại, logarith âm của nồng độ (pH) được sử dụng như là đơn vị để đo độ chua của dung dịch. pH = 7 đối với nước nguyên chất, nước có cả 2 tính chất: acid yếu và base yếu
1 dung dịch có pH =7 được xem là trung tính, pH = 7 và pOH = 7.
Do là thang logarith, nên khi thay đổi 1 đơn vị pH thì nồng độ thay đổi 10 lần, nên dung dịch có pH 6, chua hơn 10 lần so với pH 7, và dung dịch có pH 5, chua hơn 100 lần so với pH 7.
pH của 1 số sản phẩm phổ biến
|
Sản phẩm |
pH |
|
Thuốc tẩy |
>12 |
|
MgCO3 |
10,5 |
|
Nước biển |
8,5 |
|
Nước nguyên chất |
7,0 |
|
Sửa tươi |
6,5 |
|
Bia |
4,5 |
|
Mưa acid |
<4,0-4,5 |
|
Cà phê |
4,0 |
|
Giấm ăn |
3,0 |
|
Nước chanh |
2,0 |
Phần lớn đất có pH từ 2 đến 10, nhưng biên độ pH trong đất nông nghiệp hẹp hơn nhiều, khỏang 4-9.
Độc tố Al là yếu tố hạn chế sinh trưởng của cây trồng trên đất chua. Khi pH đất <5.5, Al hòa tan cao sẽ ức chế sinh trưởng của rễ, làm rễ ngắn, dày…hạn chế hấp thu dinh dưỡng. Ngòai Al, H+ có thể trực tiếp gây độc cho rễ, nhưng thường nồng độ H+không đủ cao cho đến khi pH <4, và các độc chất Al, Mn, Fe, ảnh hưởng cho cây trồng trước đó. Ngòai ảnh hưởng bởi pH thấp, sự sinh trưởng của cây trồng cũng bị ảnh hưởng của pH cao, thường khi pH cao, sự gây độc bởi Na và Cl, tăng độ mặn và làm giảm khả năng hút nước của cây, làm cây thiếu dinh dưỡng.
Phần lớn các lọai cây trồng sinh trưởng tốt trên đất có pH 6 - 7
Các cây họ đậu sinh trưởng tốt trên đất trung tính
Có lọai cây thích ứng với pH 5.5 – 7, nhiều lọai cây rừng sinh trưởng tốt trên đất có pH 5 - 6, thông, dương, chịu được điều kiện chua, có cây chống chịu được điều kiện Al cao như
trà, thanh trà có thể sinh trưởng tốt trên đất chua (pH <5)
Các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, trung lượng thường kém hữu dụng khi pH đất giảm. Khả năng hữu dụng của N, P, K, Ca, Mg, S giảm khi pH <6, Mo cũng kém hữu dụng khi pH thấp. Ngược lại P và B kém hữu dụng khi pH> 7.
Các nguyên tố vi lượng thường tăng khả năng hữu dụng trong điều kiện chua như Fe, Mn, Zn, Cu. Do đó triệu chứng thiếu dinh dưỡng vi lượng có thể xảy ra khi pH cao (pH >7),
ví dụ, lá bạc do thiếu Fe, cây trồng cũng có thể bị ngộ độc cũng có thể xảy ra khi pH thấp (pH <5.5), do khả năng hòa tan các nguyên tố vi lượng cao, như ngộ độc do Mn
Thường không có 1 giá trị pH tối hảo cho tất cả các lọai cây trồng, tất cả các chất dinh dưỡng. Trong khỏang pH mà khả năng hữu dụng của tất cả các chất dinh dưỡng là tốt nhất được xem là khỏang pH tối hảo.
Do P là nguyên tố dinh dưỡng có khả năng hữu dụng giãm khi pH qua thấp hoặc quá cao nên thường chọn khỏang pH mà khả năng hữu dụng của P là tốt nhất, pH 5.5 hay 6 - 7
Khỏang pH tối hảo phụ thuộc và lọai cây trồng, hệ thống luân canh, và các điều kiện khác, ví dụ cây họ đậu, pH trung tính (7), khoai tây trồng trên đất có pH< 5.3 hạn chế bệnh ghẽ trên củ, cải bông và các cây họ thập thự khác trồng trên đất có pH >7 hạn chế nảy mầm của các bào tử nấm.
Sự sinh trưởng của nhiều lọai vi khuẩn và xạ khuẩn bị ức chế khi pH < 6, nấm sinh trưởng tốt trên khỏang pH rất rộng. Vì vậy nấm là lọai chiếm ưu thế trong điều kiện đất chua. Ít có sự cạnh tranh giữa vi khuẩn và xạ khuẩn.
Giun đất họat động tốt khi pH >6.5, nitrate hóa bị kiềm hãm nghiêm trọng khi pH <5.5, nitrate hóa là tiến trìnhbiến đổi NH4+ thành NO3- . Cố định N sinh học bị hạn chế khi pH <6. Sự phân giải các dư thừa thực vật và chất hữu cơ có thể bị chậm trong điều kiện đất chua (pH <5.5)
Ký hiệu hay công thức trong dấu ngoặc được biểu thị là nồng độ, ví dụ [H2SO4] = nồng độ của sulfuric acid
Thủy hợp: ngậm nước, ví dụ. Al3+ trong dung dịch thực tế là 1 phức thủy hợp Al(H2O)63+
Ion Hydrogen luôn được thủy hợp, nên pH thực sự được đo là họat độ của H3O+ hơn là H+
Họat độ hay nồng độ. Họat độ ion là "nồng độ hữu hiệu" của 1 ion, tính cả ảnh hưởng của các ion khác trong dung dịch đến khả năng phản ứng của ion đó.
Thủy hợp và họat độ là những khái niện quan trọng trong hóa học đất. Nếu nghiên cứu sâu về đất, chúng ta sẽ gặp nguyên lý này
H và Al là nguồn gốc chính của đất chua. Độ chua được đo bằng nồng độ H+, nhưng họat độ Al3+ có nguồn gốc chính từ H+
1.1 Nguồn gốc hình thành Hydrogen.
Trong đất ion H có thể hình thành từ các hợp chất sau:
-Chất hữu cơ trong đất, từ các nhóm Carboxylic acid và phenolic trong hợp chất hữu cơ, các nhóm này họat động như 1 acid yếu, và giải phóng H+. Ví dụ R- COOH → R- COO - + H+. Tương tự các phản ứng chúng ta đã thảo luận trong phần CEC. Điện tích hình thành trên bề mặt chất hữu cơ là điện tích phụ thuộc pH. Tầm quan trọng phụ thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ trong đất
-Các khóang sét và khóang oxide. H+ phân ly từ các cạnh vỡ của khóang sét và bề mặt oxide Al và Fe. Ví dụ. Cạnh vỡ sét- Al, Si - O H H+ → cạnh vỡ sét- Al, Si - O H+ H+ → cạnh vỡ sét- Al, Si - O - + H+ .
H+ là 1 cation có thể trao đổi với Ca2+ hay các cation khác, nên có thể làm tăng độ chua trong dung dịch. Nhưng H+ trao đổi thường thấp trong đất, do đó độ chua trao đổi phần lớn liên quan đến Al trong đất.
1.2 Aluminum và độ chua của đất.
Al3+ hấp phụ được trao đổi và giải phóng ra dung dịch, trong dung dịch được thủy phân hình thành H+
Al3+ + H2O → AlOH2+ + H+
Một lọat các phản ứng thủy phân có thể xảy ra, phụ thuộc vào pH
AlOH2+ + H2O → Al(OH)2+ + H+
Al(OH)2+ + H2O → Al(OH)3 + H+
Al(OH)3 + H2O → Al(OH)4- + H+
Tương tự, thủy phân Fe cũng có thể xảy ra. Ví dụ Fe3+ + H2O → FeOH2+ + H+ . Nhưng thủy phân Fe không phải là yếu tố chính hình thành độ chua, cho đến khi tất cả Al không còn phản ứng thủy phân nữa.
Các ion Al hydroxy được hấp phụ và phản ứng như các cation trao đổi, ví dụ AlOH2+ và Al(OH)2+
Rất ít khi Al3+ hiện diện khi pH> 5. Ngòai ra Al cũng có thể hình thành các phức Al hydroxy không trao đổi. Các phức Al có điện tích dương cao, hấp phụ rất chặt như Al(OH)3 không tan (gibbsite). Rất ít Al hòa tan ở pH >7
1.3 Các nguồn gốc khác hình thành độ chua của đất
- Thủy phân Fe, ví dụ Fe3+ + H2O → FeOH2+ + H+
- Phân bón hóa học, như phân NH4-N khi bón vào đất sẽ hình thành H+ trong quá trình biến đổi (nitrate hóa) NH4+ thành NO3- . Bao gồm cả phân N khi bón vào đất sẽ hình thành ammonium, như Urea. Theo lý thuyết, cần 1.8 kg. CaCO3 để trung hòa độ chua do 1kg phân NH4-N gây ra. Ngòai ra phân P cũng có thể gây chua cục bộ xung quanh vùng bón phân.
1.4 Cây hấp thu và sự rữa trôi các cation base.
Khi cây hấp thu hay bị rửa trôi, các cation base như Ca, Mg, K, Na được thay thế bởi H và Al để cần bằng điện tích.
1.5 Sự phân giải các dư thừa hữu cơ.
Quá trình phân giải chất hữu cơ sẽ hình thành các acid hữu cơ
1.6 Hô hấp của sinh vật giải phóng CO2
Nước mưa khi cân bằng với áp súất không khí có pH= 5.7, do CO2 trong khí quyển, H2O + CO2 → H2CO3 ; H2CO3 → HCO3- + H+
Khi nước mưa có pH ≤5 được gọi là mưa acid, do bầu khí quyển bị ộ nhiễm các khí NO, SO2, CO….
Nguồn gốc hình thành đất phèn do khoáng pyrite (FeS2) có trong xác bã hữu cơ của thực vật rừng ngập mặn, khi bị oxi hóa sẽ giải phóng 1 lượng lớn sulfuric acid là cho đất cực kỳ chua, và các khoáng sét bị phá hủy, giải phóng Al hòa tan vào dung dịch đất.
FeS2 +7/2O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4.
Phá hủy các khoáng sét silicate và giải phóng Al trong mạng lưới tinh thể và hình thành muối hòa tan Al2 (SO4)3.
III. Nguồn gốc độ kiềm của đất
- Các cation kiềm như Ca2+, Mg2+, K+, Na+
Ví dụ. bề mặt sét/OM - Ca2+ + H2O → bề mặt sét/OM - 2H+ + Ca2+ + 2OH-
- Carbonates và bicarbonates, tích lũy trong vùng khô hạn
Ví dụ. NaHCO3 + H2O → Na+ + H2CO3 + OH-
- Đất là 1 hệ thống đệm, chống lại sự thay đổi pH, do các thành phần của đất phản ứng để thiết lập lại trạng thái cân bằng
- Các cơ chế đệm pH. Các phản ứng đã thảo luận trong phần đất chua và đất kiềm
- Các thành phần chính của tính đệm pH, tính đệm của đất thực hiện do các phản ứng của Al và hydroxy Al, trao đổi Cation, sự phân ly thuận nghịch của H+ từ các vị trí trao đổi phụ thuộc pH (chất hữu cơ, cạnh khóang sét, bề mặt khóang oxide), và các phản ứng của carbonates và bicarbonates.
Đệm pH bởi các hợp chất Al. Al là nguyên tố hóa học lưỡng tính, vừa mang tính acid, vừa mang tính base.
Khi là 1 base, các hợp chất Al sẽ trung hòa H+
Al(OH)3 + H+ → Al(OH)2+ + H2O
Al(OH)2+ + H+ → AlOH2+ + H2O
AlOH2+ + H+ → Al3+ + H2O
Al(OH)3 + 3H+ →Al3+ + 3H2O
Khi là 1 acid, các hợp chất Al có thể trung hòa OH-
Al3+ + OH- → AlOH2+
AlOH2+ + OH- → Al(OH)2+
Al(OH)2+ + OH- → Al(OH)3
Al(OH)3 + OH- → Al(OH)4-
Do có tính đệm pH của đất, nên độ chua của đất gồm có 2 lọai, độ chua họat động và độ chua tiềm tàng.
là nồng độ H+ trong dung dịch đất, là nồng độ ta đo pH. Độ chua họat động là 1 phần rất nhỏ của tổng độ chua của đất
Là tổng độ chua của đất, bao gồm độ chua họat động và độ chua được hấp phụ trên các thành phần rắn của đất. Độ chua tiềm tàng chứa đựng khả năng đệm của đất, còn được gọi là độ chua “dự trử”, độ chua quan trọng trong quản lý pH đất,
nhu cầu bón vôi phụ thuộc vào khả năng đệm pH của đất
Trong độ chua tiềm tàng, 1 phần có thể trao đổi với các cation khác như K+, được gọi là độ chua trao đổi:
Keo đất-H+ + K+ Cl- ↔ keo đất-K+ + H+ Cl
pH đất và sản xuất cây trồng.
Mặc dù pH đất 6,5-7 được xem là tối hảo cho sinh trưởng của cây trồng, nhưng thực tế chỉ cần bón vôi để nâng pH lên khoảng 6 và làm giảm Al3+ trao đổi <1% CEC. Đối với đất già cổi (Ultisol và Oxisol) nếu bón vôi nâng pH đến 7 có thể làm giảm sinh trưởng của cây, do làm giảm tính thấm của đất, hạn chế hấp thu của nhiều chất dinh dưỡng như P và các nguyên tố vi lượng.
VIII. Các vật liệu chứa vôi sử dụng trong nông nghiệp.
Là các vật liệu có khả năng trung hòa độ chua của đất, bao gồm Calcium Oxide (CaO), còn gọi là vôi bột, vôi nung, vôi sống, vôi phản ứng nhanh; Calcium Hydroxide (Ca(OH)2 hay vôi tôi, vôi chết; Calcium Carbonate (CaCO3) đá vôi nghiền; Calcium/Magnesium Carbonate (Ca,MgCO3) đá dolomite nghiền.
Để trung hòa 1 đương lượng acid, cần 1 đương lượng vôi, khả năng trung hòa hóa học của các loại vôi là đương lượng OH- được hình thành do phản ứng của vôi, ví dụ:
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 OH-
CaCO3 + H2O → Ca2+ + 2 OH- + CO2
CaO + H2O → Ca2+ + 2 OH-
CaSiO3 + H2O → Ca2+ + HSiO3- + OH-
CaSO4 → Ca2+ + SO42-
CaSO4 không phải là vôi.
Đánh giá chất lượng vôi dựa vào khả năng trung hòa của loại vôi đó.
Khả năng trung hòa hay đương lượng CaCO3-Calcium Carbonate Equivalent (CCE) Giá trị trung hòa của các loại vôi được so sánh với khả năng trung hòa của CaCO3.
1 Eq. CaCO3 = 1 Eq. bất cứ loại vôi nào
Ví dụ: MgCO3
MgCO3 = 84 g/mole hay 42 g/ eq.
CaCO3 = 100 g/mole hay 50 g/ eq.
|
Loại vôi |
% giá trị trung hòa |
|
CaCO3 nguyên chất |
100 |
|
MgCO3 |
119 |
|
(Ca,Mg)CO3 |
109 |
|
CaO |
179 |
|
Ca(OH)2 |
136 |
|
CaSiO3 |
86 |
|
đá vôi nghiền thương mại |
90 |
Độ mịn quyết định tốc độ phản ứng của vôi, đá vôi nghiền càng mịn, phản ứng càng nhanh. Không thể tăng khả năng trung hòa của vôi bằng độ mịn, nhưng vôi nghiền càng mịn càng tốt, do phản ứng nhanh, nhưng trong thực tế không thể nghiền quá mịn.
- Lợi ích của bón vôi trên đất chua.
6.1. Lợi ích trực tiếp.
-Giảm tính độc của Al, Mn…, Al3+ chỉ hiện diện khi pH<5,5.,
6.2. Lợi ích gián tiếp.
- Tăng khả năng hữu dụng của P.
- Tăng khả năng hữu dụng và giảm khả năng gây độc của nhiều nguyên tố vi lượng.
- Tăng tiến trình nitrate hóa,
- Tăng khả năng cố định N sinh học,
- Cải thiện tính chất vật lý của đất,
- Hạn chế 1 số tác nhân gây bệnh cho cây (nấm).
- Bón trước khi gieo trồng 1 thời gian đủ để vôi phản ứng trong đất
- Vãi đều trên mặt đất
- Chu kỳ bón: đo pH hằng năm, sử dụng đường cong nhu cầu vôi
- Hiệu chỉnh theo độ sâu cần bón
- Luôn duy trì pH tối hảo cho cây trồng
- Chú ý duy trì hàm lượng tối hảo của Mg (60 ppm) và K (100 ppm)
- Đừng quá lo lắng về tỉ lệ các nguyên tố này, cho đến khi xảy ra:
- Mg:Ca >1, K:Mg>1
- Ít khi xảy ra
