2.2. Các tính chất nông hoá của đất
2.2.2. Tính chua, tính kiềm và phản ứng của dung dịch đất
Phản ứng của dung dịch đất có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển thực vật và vi sinh vật đất, đến tốc độ và chiều hướng của các quá trình sinh hoá, hoá học trong đất. Sự đồng hoá các chất dinh dưỡng của thực vật, hoạt động của vi sinh vật đất, sự khoáng hoá của các chất hữu cơ, quá trình phân huỷ các chất khoáng và sự hoà tan các hợp chất khó tan, việc kết tụ và phân tán keo và những quá trình hoá lí khác, phần lớn phụ thuộc vào phản ứng của đất. Nó cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân bón trong đất. Mặt khác, phân bón có thể làm thay đổi phản ứng của dung dịch đất như axit hoá hoặc kiềm hoá dung dịch đất.
Phản ứng của dung dịch đất phụ thuộc vào tỉ số ion H+ và OH-. Nồng độ ion H+ trong dung dịch được biểu thị bằng chỉ số pH (pH = -log[H+]).
Bảng 2.2. Các loại phản ứng dung dịch đất (phân loại dựa vào nồng độ ion H+ - giá trị pH)
Phản ứng pH Nồng độ ion H+ (g/l)
Chua mạnh 3 – 4 10-3 – 10-4
Chua 4 – 5 10-4 – 10-5
Ít chua 5 – 6 10-5 – 10-6
Trung tính 7 10-7
Kiềm yếu 7 – 8 10-7 – 10-8
Kiềm 8 – 9 10-8 – 10-9
Kiềm mạnh 9 - 11 10-9 – 10-11
Trong điều kiện tự nhiên, phản ứng dung dịch đất thường không vượt quá giới hạn pH = 4 ÷ 8.
Phần lớn đất trồng cây lương thực, rau, hoa quả và cây công nghiệp ở nước ta là đất chua không thuận lợi cho sự phát triển thực vật và vi sinh vật có ích trong đất.
Do đó, việc làm sáng tỏ bản chất độ chua của đất và nghiên cứu phương pháp khử chua là những vấn đề có ý nghĩa khá quan trọng.
* Độ chua và nguyên nhân gây ra độ chua:
Đất chua là đất có chứa nhiều H+ không những hiện tại có trong dung dịch đất mà chủ yếu là trên bề mặt keo đất ở trạng thái hấp phụ có nhiều H+ và Al3+.
Dựa vào trạng thái tồn tại của H+ trong đất, người ta chia độ chua của đất thành 2 loại: độ chua hiện tại và độ chua tiềm tàng.
- Độ chua hiện tại: là độ chua của dung dịch đất, gây nên do nồng độ của ion H+ cao hơn so với ion OH-.
Độ chua hiện tại có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của thực vật và vi sinh vật đất.
Nguyên nhân gây ra độ chua hiện tại là do trong đất thường xuyên có sự hình thành khí CO2. Khí CO2 hoà tan vào dung dịch đất tạo ra H2CO3, phân ly thành ioh H+ và HCO3-
. Nồng độ CO2 trong phần khí của đất càng cao, hoà tan vào dung dịch đất càng nhiều, dung dịch càng bị axit hoá. Song một phần axit cacbonic được tạo ra bị trung hoà bởi bazơ hấp phụ (Ca2+, Mg2+, Na+) và canxi, magie cacbonat trong đất:
CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2
KĐ ]Ca2+ + 2H2CO3 = KĐ HH + Ca(HCO3)2
Ngoài ra, dung dịch còn bị axit hoá bởi các axit hữu cơ tan và cả muối nhôm thuỷ phân tạo thành axit và bazơ yếu.
Vậy, độ chua hiện tại là độ chua của dung dịch đất tạo nên bởi axit cacbonic, các axit hữu cơ tan trong nước và các muối axit thuỷ phân. Độ chua hiện tại được xác định bằng cách đo pH nước chiết của đất.
- Độ chua tiềm tàng: được phân thành độ chua trao đổi và độ chua thuỷ phân.
Độ chua trao đổi: Ngoài độ chua hiện tại, đất còn có độ chua tiềm tàng tạo nên sự có mặt của ion H+ hoặc ion Al3+ ở trạng thái hấp phụ. Một số ion H+ ở trạng thái hấp phụ có thể tách ra từ dung dịch do trao đổi với các cation của muối trung tính.
Chẳng hạn, khi xử lí đất bằng dung dịch KCl, cation K+ bị hấp phụ bởi đất và ion H+ từ trạng thái hấp phụ chuyển ra dung dịch:
KĐ ]H+ + KCl = KĐ ]K+ + HCl
Các ion H+ được tách ra làm cho dung dịch đất bị axit hoá. Ngoài ion H+ ở trạng thái hấp phụ, ở các loại đất chua còn có Al3+ hấp phụ cũng có thể chuyển ra dung dịch, khi đất tương tác với các muối trung tính.
K+
KĐ ]Al3+ + 3KCl = KĐ K+ + AlCl3 K+
Trong dung dịch, nhôm clorua bị thuỷ phân tạo ra bazơ yếu và axit mạnh AlCl3 + 3H2O = Al(OH)3 + 3HCl
Do đó, độ chua trao đổi là độ chua tạo nên bởi các ion H+, Al3+ từ đất tách ra dung dịch, khi xử lý đất bằng dung dịch muối trung tính.
Do đó độ chua có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, khi bón một lượng lớn phân vô cơ tan vào đất. Lúc này, độ chua tiềm tàng chuyển thành độ chua hiện tại và trực tiếp ảnh hưởng âm đến sự phát triển của cây trồng và vi sinh vật có mẫn cảm với độ chua. Đặc biệt Al3+ chuyển vào dung dịch sẽ gây độc cho nhiều loại cây trồng. Do đó việc bón vôi vào đất chua cần thiết không chỉ để đảm bảo trung hoà độ chua hiện tại mà còn cả độ chua trao đổi.
Người ta xác định độ chua trao đổi bằng cách xử lí lượng cân đất bằng dung dịch KCl 1N. Sau đó đo giá trị pH của nước chiết bằng phương pháp so màu hoặc chuẩn độ nước chiết bằng kiềm và biểu diễn giá trị độ chua trao đổi (pHKCl) bằng số mđlg/100g đất. Trong giá trị của độ chua trao đổi bao gồm cả độ chua hiện tại. Do đó, độ chua trao đổi của đất thường lớn hơn độ chua hiện tại.
Độ chua thuỷ phân: Khi xử lý đất bằng dung dịch muối trung tính thì không thể tách được toàn bộ ion H+ ở trạng thái hấp phụ ra dung dịch, nên độ chua trao đổi chưa thể hiện được toàn bộ độ chua tiềm tàng. Các ion H+ ở trạng thái hấp phụ có thể tách hoàn toàn hơn, khi xử lý đất bằng dung dịch muối kiềm thuỷ phân, (chẳng hạn, natri axetat CH3COONa 1N). Trong nước, muối này bị thuỷ phân tạo ra axit axetic phân li yếu và bazơ mạnh, do đó dung dịch trở nên kiềm (pH 8,5)
CH3COONa + H2O CH3COOH + Na+ + OH-
Phản ứng kiềm của dung dịch muối này chính là nguyên nhân chủ yếu để tách ion H+ hoàn toàn hơn khỏi trạng thái hấp phụ trên bề mặt keo đất.
Khi dung dịch CH3COONa tương tác với keo đất, các ion H+ từ bề mặt keo đất trao đổi với Na+. Các ion H+ đi ra dung dịch và liên kết với ion OH- để tạo H2O.
[KĐ]H+ + CH3COOH + Na+ + OH- [KĐ]Na+ + CH3COOH + H2O
Đất hấp phụ ion Na+ càng nhiều và ion OH- trong dung dịch được liên kết với ion H+ càng nhiều thì cân bằng của phản ứng thuỷ phân CH3COONa càng chuyển dịch sang phải. Do vậy, axit axetic được tạo ra càng lớn.
Có thể xác định lượng axit axetic trong dung dịch bằng chuẩn độ với kiềm.
Dạng độ chua này được thể hiện nhờ các muối kiềm thuỷ phân, nên được gọi là độ chua thuỷ phân.
Dưới tác dụng của muối trung tính (khi xác định độ chua trao đổi) chỉ có một phần ion H+ trên bề mặt keo đất được tách ra. Các ion H+ còn lại trên bề mặt keo đất không tham gia vào phản ứng trao đổi này. Còn dưới ảnh hưởng dung dịch kiềm của CH3COONa (khi xác định độ chua thuỷ phân), các ion H+ ở phức hệ hấp phụ (keo đất) được tách ra hoàn toàn hơn. Vì thế, độ chua nhận được khi xử lý đất bằng dung dịch CH3COONa lớn hơn độ chua trao đổi.
Độ chua thuỷ phân được biểu thị bằng số mđlg trong 100g đất.
Tuy nhiên, đôi khi kết quả xác định độ chua thuỷ phân nhỏ hơn độ chua trao đổi. Có thể giải thích là do một vài loại đất có nhiều keo dương (đất đỏ) có khả năng hấp phụ các anion của axit axetic và trao đổi bằng ion OH- của keo dương, vì vậy mà độ chua của nước chiết giảm đi. Trong trường hợp này, sử dụng phương pháp thường dùng để xác định độ chua thuỷ phân là không thuận lợi.
Nói chung, độ chua thuỷ phân có giá trị gần đúng với độ chua tiềm tàng của đất, nên nó là một cơ sở quan trọng cho việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế sử dụng phân bón.
* Độ kiềm của đất:
Ngoài đất chua, còn có những loại đất có giá trị pH cao (pH>7): đất kiềm.
Phản ứng của loại đất này cũng không thuận lợi cho sự phát triển của thực vật và
vi sinh vật đất. Những đất có chứa nhiều Na+ ở trạng thái hấp phụ (KĐ]Na+) thuộc vào loại đất kiềm.
Sự có mặt của nhiều ion Na+ trong số các cation trao đổi có liên quan với tính mặn của đất do các muối natri (ví dụ: NaCl, Na2SO4, Na2CO3).
Trong dung dịch các đất kiềm thường có chứa Na2CO3, NaHCO3, do đó pH>8, nên phản ứng của loại đất này không thuận lợi cho đa số cây trồng.
Sự hình thành Na2CO3 trong dung dịch đất có thể giải thích bằng phản ứng trao đổi giữa Na+ với dung dịch axit cacbonic trong đất:
KĐ NaNa + H2CO3 KĐ HH + Na2CO3
Tuỳ thuộc vào hàm lượng Na+ hấp phụ và có thể trao đổi trong đất, người ta phân loại đất kiềm như sau:
- Đất solonet có hàm lượng Na+ trao đổi > 20%
- Đất thuộc loại solonet… 10- 20%
- Đất thuộc loại solonet yếu 5- 10%
- Đất không thuộc loại solonet…. < 5%
Đất có chứa một lượng lớn ion Na+ trao đổi (trên 5% so với dung lượng hấp phụ) thường gây ra những ảnh hưởng xấu đến các tính chất lí học, làm giảm năng suất cây trông và gây khó khăn cho việc cày bừa, làm đất.