Bài giảng Đệm và acid hóa đất

Soil 5Đệm và acid hóa đất Nguyễn Kim Thanh 2010 * Tính đệm của đất 1. pH và đệm Trong nước H2O  H+ + OH- pH = - log [H+] 2. Acid và Base HCl  Cl- + H+ NH4+  NH3 + H+ * VD chuẩn độ acid mạnh và yếu 14 12 10 8 pH 6 4 2 Thêm vào OH- Acid mạnh Acid yếu Acid yếu: KA=1.8*10-5 pKA=? pH = pKA + log ([muoi]/[acid]) - monoprotic * Hằng số ion hóa của 1 số acid yếu ở 25oC * Buffer Capacity - Nhắc lại Chỉ số buffer β=(dCB/dpH)=-(dCA/dpH) - Là tỷ số mole acid mạnh hoặc bazơ mạnh cần thêm vào để thay đổi pH 1 đơn vị Trong đó CT=[HA]+[A-] của dd đệm Ví dụ: có dd đệm là 0.2M acid acetic và 0.1M muối acetate. Người ta thêm NaOH vào để pH đạt 5. Hỏi cần bao nhiêu mol NaOH thêm vào nữa để pH đạt 5.1? * Trong đất có các acid yếu điển hình Gọi là Lewis acid: Al(H2O)63+ và Fe(H2O)63+ (quá trình hydrate hóa) Al(H2O)63+ ↔ AlOH(H2O)52+ + H+ K1= ([Al(OH)2+][H+])/[Al3+] và pK1=5 (và Fe(H2O)63+ cũng tương tự K1= ([Fe(H2O)62+][H+])/[Fe3+]; pK1 = 2.2) Tiếp tục: AlOH(H2O)52+ ↔ Al(OH)2(H2O)4+ + H+ và Al(OH)2(H2O)4+ ↔ Al(OH)3 + H2O + H+ Khi thêm bazờ vào thì tạo ra proton (H+) và khi thêm acid vào thì Al(OH)3 tạo lập. Và cả 2 trường hợp vẫn giữ cho pH không đổi (nhiều). Đây là đặc tính buffer của đất. * Đối với sắt thì đệm các phản ứng ở pH thấp hơn (pK1=2.2) Do tính đệm, nên pH chưa nói lên được tính acid của đất. Để phản ánh đầy đủ tính acid người ta dùng thuật ngữ “khả năng trung hòa bazơ” – BNC (base neutralizing capaciy) để chỉ độ acid (bằng cách thêm 1 lượng bazơ mạnh nào đó cho đến khi đạt pH định trước). Và ANC để biểu thị độ bazơ. * Soil pH và khả năng đệm (Xem cách đo pH đất) Các thành phần ảnh hưởng đến pH đất: Carbonate: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-; CaCO3 + H+ + HCO3- ↔ Ca(HCO3)2 – rửa trôi khi mưa nhiều 2. Trao đổi ion, sự tách proton từ dd: M+đất + H+ ↔ H+đất + M+ - lấy đi bởi cây trồng, rửa trôi 3. Humic acid: -COO- + H+ ↔ -COOH; >CO + H+ ↔ >COH 4. Aluminium và ferous (xem phần trên) 5. Hấp phụ proton bởi sét ôxýt nhôm và sắt >AlO- + H+ ↔ >AlOH; >AlOH + H+ ↔ AlOH2+ * Soil pH và cả năng đệm (2) 6. Thủy phân khoáng chất 4KAlSi3O8 + 4H+ + 18H2O Si4Al4O10(OH)8 + 4K+ + 8Si(OH)4. Sự thủy phân này H+ được lọai bỏ. Tuy nhiên tất cả các quá trình trên khi pron bị mất đi, pH sẽ giảm xuống đến 1 mức nào đó tùy thuộc vào khả năng đệm của đất. * Tóm tắt Các đặc tính đệm pH của đất 1. các phản ứng của các acid với Ca and Mg carbonate 2. trao đổi ion 3. hấp phụ proton bởi sét, mùn, hydrate Al và oxyt Fe; 4. hấp phụ proton bởi các ion nhôm 5. sự hòa tan các khóang * Phần trăm bazơ bão hòa Trong đất base cations: Ca2+, Mg2+, Na+, K+. Sự tích điện âm được cân bằng bởi các inon trên và các ion H+, Al3+, AlOH2+, Al(OH)2+ (còn gọi là cation acid) Nếu sử dụng ECEC thực tế hơn do pH của đất thay đổi (sử dụng KCl) để thay tòan bộ cation của đất khi không đệm) Sử dụng phần trăm bazờ bão hòa và pH để có thể nói lên mức độ acid hóa của đất. Và trong sách người ta nói thế nào?.... * Cách tính: Bão hòa Base và pH % bão hòa Base - meq bases/CEC x 100 % bão hòa Hydrogen - meq H/CEC x100 Ví dụ: Ap Soil Horizon Cations-- H+ Ca++ Mg++ K+ Na+ 9.4 14 3 0.5 0.1 CEC = 27 meq/100g (sum of cations) % bão hòa base = 17.6/27 x 100 = 65% % bão hòa hydrogen = 9.4/27 x100 = 35% * pH vs. Base Saturation * Khả năng đệm (Buffering Capacity) Khả năng của đất chống lại sự thay đổi của in pH. Lượng H+ trong dung dịch đất nhỏ so với lượng “H+, Al 3+” hấp thụ trên KEO đất (reserve) Sự trung hòa (=thêm bases) dung dịch H+ (VD loại bỏ H+) tạo ra 1 sự thay thế nhanh H+ from the exchangeable H+ on the soil colloid. CaCO3 when added to soil will neutralize H+. CaCO3 = Lime (dolomitic = MgCO3 & CaCO3) * Why apply lime ? 1. Sẽ giúp nutrients trở thành dễ tiêu cho cây trồng (solubility vs. pH) 2. Cải thiện cấu trúc đất 3. Cung cấp nutrients for plant growth 4. khuyến khích sự phát triển của các microorganisms có ích 5. giải quyết vấn đề effects of fertilizers 6. giảm thiểu độc tính kim lọai đối với cây trồng (solubility vs. pH) * Lime needs and Soil Texture 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Soil pH 7 6 5 4 % OM CEC Sands 2.5 5 sandy loams 3 12 loams 4 18 SiCl 5 25 * Sample % BS Problem Tính lượng BS là CaCO3 cần phải bón cho 1 arce (đất cày) để nâng độ no base đạt đến 90% SOIL = CEC of 17meq/100g Và độ no base BS = 32% Giả thiết = takes 1000 lbs CaCO3/acre to neutralize 1 meq of H+/100 g) * Sample % BS Problem (2) 90% - 32% = 58% change in BS 0.58 x 17 meq/100g = 9.86 meq/100g of H+ to neutralize or 9.86/100 X 1000 lbs CaCO3/100g = 9860 lbs OR 9.86 meq x 0.05g/meq = .493g/100g and 0.493/100g is to X / 2,000,000lbs or X = 9860 lbs. Divided by 2000 lb/ton = 4.9 tons * In the SE US, if fertilizer and lime is applied to raise the base saturation of a kaolinitic soil to 85 percent as commonly done in the Midwest, the resulting pH would be between 7.1 and 7.5- due to low CEC from Kaolinite Soil pH values in that range would result in a major problem with zinc and manganese deficiency. Tifton soils formed in loamy sediments of marine origin. Cotton, peanuts,soybeans, and corn are the principal crops grown on these soils in Georgia * Ví dụ khác Calculate the tons of CaCO3 which must be added to an acre furrow slice of this soil to raise the soil’s base saturation to 90% if the CEC is now 27 instead of 17 SOIL = CEC of 27meq/100g and BS = 32% 90-32=58%change in base or .58x27=15.66 me of H+ to neutralize 15.66 x 1000lbs = 15660/2000lbs/ton= 7.8 * Do CEC của đất tương đối không đổi, trừ phi thêmvào 1 lượng lớn chất hữu cơ, và thông thường nó ít được đo đạc khi thử mẫu đất. Một số phòng thí nghiệm đất thì thường đề xuất một tỷ lệ lý tưởng giữa calcium và magnesium thêm vào để cho cây trồng phát triển Tuy nhiên, hầu hết các cây trồng thích nghi với 1 dãi rộng về tỷ lệ calcium/magnesium. Sự điều chỉnh tỷ lệ calcium/magnesium trên phức trao đổi bằng cách thêm vào calcium sulfate hoặc muối Epsom (magnesium sulfate) không cho thấy có tác dụng tốt đối với cây trồng. Gypsum chủ yếu là để cải tạo đất để làm cho cải thiện sự thấm và tăng lượng calcium trong đất. * Các quá trình acid hóa đất Như đã đề cập: các base cations: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ là các cation cơ bản của đất. Sự mất đi do rửa trôi hoặc lấy đi chính thức/tạm thời của cây trồng và trả lại proton (H+), các ion Al (AlOH; AlOH2+) sẽ làm acid hóa đất. Tuy nhiên còn các nguồn và nguyên nhân khác: Nguồn của acid hóa và kiềm hóa của đất. I. Acidity Thêm các hóa chất và các chất sẽ tạo acid từ khí quyển Lấy đi cation > anion bởi cây trồng Sự thu họach mùa màng và rửa trôi Qua trình oxy hóa VD như nitrification Sản xuất của VSV tạo các acid hữu cơ Tăng hợp chất mùn trong đất Sự bay hơi ammonia từ các hợp chất amonium * Nguyên nhân gây acid hóa đất (1) Source: NSW education * II. Alkalinity Thêm vào từ khí quyền các nguồn carbonate và các khóang dưới hình thức là bụi Lấy anion > cation bởi cây trồng Phong hóa khóang chất Thủy phân các ion Na trao đổi sau quá trình tưới với nước nhiễm mặn. Soil (6) Thực vật (5) (2) (4) (1) (1) (7) (3) * 1. kết quả từ khí quyển 2. kết quả từ cây trồng 3. các quá trình oxy hóa khử * 4. Sự gia tăng của mùn 5. Sự khóang hóa các khóang chất * Sự ảnh hưởng của acid hóa đến cây trồng 1. Suy giảm các nguồn dinh dưỡng cung cấp: Ca2+, Mg2+…; N, P và S còn lại lâu trong mùn đất; 2. Gia tăng các ion kim lọai trong dd, đặc biệt là Al và Mn, Cr, Cu, Ni, Zn, mà có thể là độc chất; 3. Sự hấp thụ của cây trồng đối với P và molydate suy giảm; 4. Hình thức hấp thụ của cây trồng đối với N là NH4+ thay vì NO3- bởi vì sự cản trở của quá trình nitrate hóa 5. Sự cố định đạm của cây họ đậu sẽ suy giảm (trừ phi Rhizobium là “tương thích với mt acid) * Mưa acid 1. Nguồn acid 2. Sự lắng đọng của acid từ không khí * Acid hóa hệ sinh thái 1. Sự mất carbonate và calcium tự do 2. Một số ví dụ về thay đổi pH * Đọc thêm - OM Humus:  highly altered decay productComplex, resistant mixture of brown or black, amorphous, colloidal substances  modified from original tissues or synthesized by soil organismsGroupings Based on solubility in acid/base, organic solvents Fulvic AcidSoluble in acid (pH 2) Lowest molecular weight (<1,000)Least resistant to decay Humic Acid Soluble in base (pH 10)  Intermediate molecular weight (<10,000) more resistant * Humin chỉ hòan tan trong acid or base, phân tử lượng cao nhất (<100,000) Hầu hết khó phân hủy có chứa nhiều nhóm aromatic Có nhiều nhóm chức năng negative charge Hầu hết phần còn lại là dạng protein (đã ổn định N) Characteristics of HumusHigh surface areaSmall size (colloid)Negative charge (hydroxy, carboxylic phenolic groups) - adsorbs cationsHigh CEC (150 - 300 cmol+/Kg) pH dependent, dominates most soilHigh water holding capacity - improves sandsLow Plasticity - reduces clay effect; helps sand structureEncourages granulation, structure, drainage in all soils * Organic Matter CycleLinked fast and   slow cycles Plant residues: bao gồm proteins bền hoặc recalcitrant (e.g. lignin) Các thành phần đơn giản(cursory): gãy vỡ nhanh Resistant Components   (recalcitrant) phân hủy chậm tạo thành humus hoặc 1 số phần đơn giản tích hợp vào sinh khối của VSV Microorganisms : breakdown, incorporate, rework humusincorporate Breakdown: các thành phần đơn giản (fast), humus (slow) và tạo ra từ VSV sẽ khoáng hóa và đi vào dung dịch đất * Chu trình carbon Nguồn: * Fate of Fresh Residue – sự tồn tại của chất hữu cơ tươi Fresh residues – các hợp chất nhanh chóng đồng hóa thành CO2 Microorganisms – cộng đồng mở rộng từ nguồn thực phẩm, suy giảm ở giai đoạn cuối Resistant Components – thêm vào thành phần humus * Composition of plants - thành phần của thực vậtMostly C, H, O -90% on a dry weight basis         Remaining 8-10% is mostly N,  S and Cations Carbohydrates (60%) Sugars - (e.g. glucose) cursory (decompose rapidly)Starch - chains of sugars (cursory)Cellulose - (wood fibers; cell wall) more recalcitrant chains of glucose Proteins (10%)-chains of amino acids - contain most of plant N - (cursory) Fats, Oils, Waxes   -   C chains - somewhat recalcitrantLignins    -   many polyphenols - very recalcitrant * Sources of Organic Matter – nguồn chất hữu cơ Sản phẩm của thực vật: largest inputPhần trên:  50 - 80% of annual input, có thể bị lấy đi khi thu họachRễ: 20 - 50%, hầu hết là ở lại đặc biệt là dạng cỏKhí hậu: các biến số kiểm soát chính – khu vực có rừng sẽ có tới 100x nhập liệu đầu vào của sa mạc Animal Bodies + Waste: nguồn ít hơnMicroorganism: quan trọng hơn, cùng với động vật sử dụng nguồn thực vật ban đầu. * làm gì trong tuần tới? làm bài tập phần soil 4 – bổ sung Xem lại tính chất của dung dịch đất, tr 91-97. tính đệm do những tác nhân chính nào? Chương 10, có mấy hình thức phân lọai đất? Nước ta đang áp dụng hệ thống phân lọai đất nào? Đọc phần 2; bắt đầu từ xói mòn đất. * Ví dụ đọc thêm Source: * * * * * * After fire! Why? *