Keo đất và khả năng hấp phụ của đất

• Đất bao gồm các hạt có kích thước khác nhau; dựa vào kích thước người ta chia thành các cấp hạt đất.
• Cấp hạt có kích thước từ 1 – 250 micro mét (0,0002 mm) có những đặc tính của hạt keo, khác hẳn các cấp hạt có kích thước lớn hơn và khi hòa tan chúng trong nước thì tạo ra dung dịch có đặc tính của một dung dịch keo. Những hạt đất trong phạm vi kích thước như vậy được gọi là keo đất.
• Keo đất là hạt đất có kích thước rất nhỏ, có thể chui qua được giấy lọc thông thường, không lắng đọng trong nước mà ở trạng thái huyền phù (lơ lửng).

• Keo đất có tỷ diện lớn: Tỷ diện là tổng diện tích tiếp xúc của một đơn vị thể tích. Cùng một đơn vị thể tích nếu hạt càng nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc càng lớn.
• Keo đất có năng lượng bề mặt lớn: Trên bề mặt keo đất các phân tử và ion luôn luôn ở trạng thái tiếp xúc với thể lỏng và thể khí bao quanh, nên chúng chịu lực tác động trong và ngoài khác nhau, sinh ra một năng lượng tự do gọi là năng lượng bề mặt. Do keo đất có tỷ diện lớn nên tạo ra năng lượng bề mặt rất lớn.
• Keo đất có mang điện: Có 3 loại keo đất: Keo âm, keo dương và keo lưỡng tính. Phần lớn keo đất mang điện âm, chỉ có một ít mang điện dương hoặc lưỡng tính.

• Tính ưa nước và ghét nước của keo đất: Nước là phân tử lưỡng cực, hạt keo đất luôn mang điện, nên thường tạo được một màng nước bao quanh, gọi là màng nước thủy hóa (hay hydrat hóa). Nếu hạt keo chỉ tạo quanh nó được một màng nước mỏng thì gọi là keo ghét nước và nếu màng nước dày thì gọi là keo ưa nước.
• Keo đất có tính ngưng tụ và phân tán: Keo đất có thể tồn tại ở 2 trạng thái:
  •  Nếu các hạt keo đứng riêng rẽ không liên kết với nhau thì gọi là sự phân tán keo (trạng thái sol hay hydrosol).
  • Nếu các hạt keo riêng rẽ liên kết với nhau để tạo thành hạt có kích thước lớn hơn thì gọi là sự ngưng tụ keo (trạng thái gel) và quá trình này gọi là quá trình tụ keo.

Hình: Cấu tạo của hạt keo đất

•  Hấp phụ là đặc tính của đất có thể thu giữ các chất (rắn, lỏng, khí) làm thay đổi nồng độ hoặc số lượng của các chất trên bề mặt đất.
• Trong đất có chứa nhiều hạt đất kích thước càng nhỏ, sẽ có tỷ diện lớn, năng lượng bề mặt lớn thì khả năng hấp phụ cao. Như vậy keo đất là cơ sở tạo ra sự hấp phụ của đất, đất càng nhiều hạt keo thì khả năng hấp phụ càng cao. Khả năng hấp phụ của đất sét bao giờ cũng lớn hơn đất thịt và đất cát, đất thịt lớn hơn đất cát do phụ thuộc vào số lượng hạt keo đất.
• Khả năng hấp phụ của đất cao hay thấp phụ thuộc vào hàng loạt các tính chất lý, hóa học, sinh học của mỗi loại đất, phụ thuộc vào hàm lượng và bản chất keo đất, phụ thuộc vào thành phần cơ giới và nồng độ ion trong dung dịch bao quanh keo,.v.v…

• Dạng hấp phụ này do sinh vật đảm nhiệm.
• Vi sinh vật cố định đạm sống trong đất đã lấy đạm khí trời làm giàu đạm cho đất.
• Sự thu hút các cation và anion trong đất vào trong cơ thể sinh vật đất (vi sinh vật, thực vật và động vật sống trong đất) để biến thành chất hữu cơ trong cơ thể chúng, sau khi chúng chết đi xác của chúng làm cho chất hữu cơ của đất tăng lên và sau khi được vi sinh vật phân giải thì các cation, anion đó được trả lại cho đất, tạo ra một vòng tuần hoàn sinh học: ion trong đất > sinh vật > trả lại cho đất.
• Đặc tính của hấp phụ sinh học là hấp phụ có tính chọn lọc.

2.2.2 Hấp phụ cơ học:

• Là khả năng của đất có thể giữ lại các hạt vật chất nhờ các khe hở giữa các hạt đất. Đây là hiện tượng thu giữ các chất hoàn toàn cơ học.
• Điều kiện của sự hấp phụ này là:
  • Khe hở của đất có kích thước nhỏ hơn kích thước hạt vật chất bị hấp phụ.
  • Khe hở của đất có kích có thể lớn, nhưng bờ khe hở gồ ghề hay ngoằn ngoèo, đã cản trở sự di chuyển của các hạt vật chất và các hạt nhỏ được giữ lại ở những chỗ gồ ghề hay những chỗ cong của bờ khe hở đó.
  • Các hạt sét có điện tích trái dấu với ion điện tích nằm trên bề mặt hạt đất nên bị hút giữ lại.

• Tác dụng của sự hấp phụ này là:
  • Nhờ hấp phụ cơ học mà đã tạo ra các tầng khác nhau trong phẫu diện đất.
  • Khi trời mưa, nhờ đất có khả năng hấp phụ cơ học nên các phần tử thô được giữ lại trên mặt, các phần tử nhỏ được đưa xuống dưới, tạo ra một tầng đất rắn chắc, nhờ đó mà hạn chế được sự rửa trôi các chất dinh dưỡng và hạn chế được sự thấm nước xuống tầng sâu của đất.
  • Nhờ có hấp phụ cơ học mà người ta có thể dùng biện pháp lọc nước biển để làm muối, hoặc lọc nước đục qua một thùng cát để lấy nước trong. Nhưng mặt trái của quá trình này là: nếu sự hấp phụ này quá nhiều sẽ làm cho đất bí, chặt, lý tính đất trở nên xấu đi, đồng thời gây ra lầy lội cho đất.

2.2.3 Hấp phụ lý học (hấp phụ phân tử):

• Là sự hấp phụ xảy ra khi có sự chênh lệch nồng độ vật chất trên bề mặt keo đất và nồng độ của các chất trong dung dịch đất, làm tăng hoặc giảm nồng độ phân tử vật chất trên bề mặt hạt đất.
• Nguyên nhân của sự hấp phụ này là do hạt keo đất có năng lượng bề mặt. Tỷ diện hạt đất càng lớn thì năng lượng bề mặt càng lớn, sự hấp phụ lý học càng mạnh. Hấp phụ lý học chỉ hấp phụ được các chất khí, hơi nước và một số ion, nhưng khả năng hấp phụ không giống nhau: Hơi nước > NH₃ > CO₂ > O₂ > N₂

2.2.4 Hấp phụ hóa học:

• Là sự tạo thành các chất khó tan (kết tủa) từ những chất dễ tan trong dung dịch đất thông qua các phản ứng hóa học, nhờ đó mà các chất kết tủa được giữ lại trong đất.
• Tác dụng: Nhờ có hấp phụ hóa học mà các chất dễ tan được giữ lại trong đất không bị rửa trôi khỏi đất. Đây cũng là nguyên nhân tích lũy các chất trong đất như: Al, Fe, P, S, Ca…trong đó có những nguyên tố có lợi cho cây trồng như P, Ca, S hoặc giảm được sự gây độc của một số nguyên tố như Al chẳng hạn.
• Tác hại: Hiện tượng hấp phụ hóa học của đất gây nên một số bất lợi, như làm tăng khả năng giữ chặt một số chất dinh dưỡng, gây nên hiện tượng hàm lượng chất tổng số trong đất cao nhưng chất dễ tiêu vẫn nghèo, cây trồng vẫn bị thiếu dinh dưỡng.

2.2.5 Hấp phụ lý hóa học (hấp phụ trao đổi ion):

• Là đặc tính của đất có thể trao đổi các cation (ion dương) và anion (ion âm) trên bề mặt hạt keo đất với các cation hoặc anion trong dung dịch đất làm thay đổi thành phần và nồng độ ion của dung dịch đất.

  [KĐ]Ca²⁺ + 2NH₄Cl ↔ [KĐ]2NH₄⁺ + CaCl₂

• Hiện tượng hấp phụ trao đổi ion này chỉ xảy ra ở keo đất khi có sự chênh lệch nồng độ ion giữa bề mặt hạt keo và dung dịch đất bao quanh. Ví dụ: như khi bón phân vào đất, hoặc khi có sự thay đổi độ ẩm của đất.
• Sự trao đổi ion xảy ra ở lớp ion khuếch tán của hạt keo đất. Cation trên lớp ion khuếch tán sẽ được thay thế bởi cation trong dung dịch, anion trên lớp ion khuếch tán sẽ được thay thế bởi anion trong dung dịch.
  • Keo âm thì ở lớp ion khuếch tán sẽ là các cation, như vậy sự trao đổi cation (hấp phụ cation) là do keo âm đảm nhiệm.
  • Keo dương thì ở lớp ion khuếch tán sẽ là các anion, như vậy sự trao đổi anion (hấp phụ anion) là do keo dương đảm nhiệm. Trong đất do lượng keo âm chiếm tỷ lệ lớn nên hiện tượng hấp phụ trao đổi cation là chủ yếu.

2.2.5.1 Sự hấp phụ trao đổi cation

• Là hiện tượng hấp phụ xảy ra ở keo âm. Các cation ở tầng ion khuếch tán của các keo âm sẽ trao đổi với các cation trong dung dịch đất khi tiếp xúc.
• Sự trao đổi cation trong đất tuân theo những quy luật nhất định:
  • Sự hấp phụ trao đổi cation tuân theo đương lượng. Tức là một đương lượng gam của cation này trao đổi với một đương lượng gam của một cation khác.

    [KĐ]Ca²⁺ + 2Na⁺ + 2Cl^– ↔ [KĐ]2Na⁺ + CaCl₂

  • Sự hấp phụ trao đổi cation tiến hành theo 2 chiều thuận nghịch. Chiều của phản ứng thuận hay nghịch phụ thuộc vào nồng độ và đặc tính của cation trong dung dịch đất. Phản ứng sẽ dừng lại khi keo đất và dung dịch đất hình thành sự cân bằng về nồng độ cation, song trong thực tế không bao giờ có sự cân bằng này, vì thành phần và nồng độ cation trong dung dịch đất luôn luôn bị thay đổi (do dinh dưỡng cây, vi sinh vật, bón phân, tưới tiêu,…).
  • Sự hấp phụ cation phụ thuộc vào nồng độ cation trong dung dịch đất. Nồng độ cation trong dung dịch đất càng cao thì trao đổi của keo đất càng mạnh, ngược lại nồng độ ion của dung dịch đất càng nhỏ thì các cation bị đẩy từ keo đất vào dung dịch đất càng dễ.

    [KĐ]2H⁺ + Ca(OH)₂ ↔ [KĐ]Ca²⁺ + H₂O

  • Sự hấp phụ trao đổi cation xảy ra rất nhanh. Các phản ứng trao đổi thường xảy ra rất nhanh, chỉ sau một thời gian rất ngắn sự cân bằng động các ion giữa keo đất và dung dịch đất đã được hình thành. Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào đặc tính cation, phụ thuộc vào tỷ lệ keo đất và dung dịch đất, vào nồng độ dung dịch đất và cả nhiệt độ của đất.
  • Sự hấp phụ cation phụ thuộc vào hóa trị, bán kính cation và độ dày màng thủy hóa của các cation. Các cation cùng hóa trị thì cation nào có bán kính lớn, tức là độ dày màng thủy hóa mỏng sẽ trao đổi mạnh hơn. Sự hấp phụ cation có thể xếp theo thứ tự như sau: Li+ < Na+ < NH₄⁺ < K⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < H⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺
  • Các cation bị keo đất hấp phụ càng dễ thì chúng bị đẩy ra khỏi keo đất càng khó.
• Khả năng trao đổi cation (CEC – Cation Exchangeable Capacity): là tổng số các cation kiềm và không kiềm được keo đất hấp phụ.
  • Đất chua chủ yếu là H⁺, Al³⁺
  • Đất trung tính chủ yếu là Mg²⁺, Ca²⁺
  • Đất mặn Na+ > Mg²⁺và Ca²⁺
  • CEC của mùn > đất sét > đất thịt > đất cát

Hình: Sự hấp phụ của keo đất ở điều kiện đất khác nhau

2.2.5.2 Sự hấp phụ trao đổi anion của keo đất

• Các anion trong đất được chia thành 3 nhóm theo khả năng hấp phụ khác nhau:
  • Nhóm 1: Là nhóm anion không bị đất hấp phụ, gồm những anion NO₃^–, NO₂^– và Cl^–. Chỉ trong trường hợp rất đặc biệt khi trong đất hàm lượng keo secquy oxit cao và có pH rất chua, nồng độ Cl^– và NO₃^– trong dung dịch đất cao mới có sự hấp phụ anion này, nhưng trong thực tế không có trường hợp này.
  • Nhóm 2: Là nhóm anion bị hấp phụ với mức trung bình, đó là các anion: SO₄^2-, CO₃^2-, HCO₃^–.
  • Nhóm 3: Là nhóm anion bị hấp phụ mạnh, gồm các anion của gốc phosphat (H₂PO₄^–, HPO₄^2- và PO₄^3-) và OH^–.
• Trong đất chua thì Fe(OH)₃ và Al(OH)₃ là những keo dương nên có khả năng hấp phụ trao đổi ion PO₄^3-.
• Keo sét cũng có khả năng hấp phụ trao đổi anion với phosphat.
• Các quá trình hấp phụ lân nói trên đã gây nên sự giữ chặt lân trong đất, làm cho cây bị thiếu lân và làm giảm hiệu lực của các dạng phân lân bón vào đất.

• Nhờ có khả năng hấp phụ mà các chất được giữ lại trong đất, làm tăng độ phì nhiêu cho đất. Vì thế cho nên đất có khả năng hấp phụ cao bao giờ cũng phì nhiêu hơn, có khả năng giữ nước, giữ phân tốt hơn, có tính đệm cao hơn. Khả năng hấp phụ thấp là một trong những nguyên nhân làm cho đất chóng bị thoái hóa, nghèo dinh dưỡng vì các chất không được hấp phụ sẽ dễ bị rửa trôi.
• Thành phần cation hấp phụ khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái kết cấu của đất bền hay không bền, phân tán hay ngưng tụ.
• Sự hấp phụ anion phosphate sẽ ảnh hưởng đến chế độ lân trong đất và hiệu lực của phân lân.

3.2 Đối với chế độ bón phân bồi dưỡng cải tạo đất.

• Thông qua khả năng hấp phụ của đất, người ta dùng biện pháp bón phân để tăng các chất dự trữ cho keo đất, đồng thời cải tạo thành phần ion của keo đất (khử chua, khử mặn,…) đây là nguyên lý của biện pháp hóa học cải tạo đất.
• Căn cứ vào khả năng hấp phụ của đất cao hay thấp mà người ta đề ra quy trình bón phân cho thích hợp, cụ thể là: Đất có dung tích hấp phụ cao thì có thể dùng biện pháp bón phân dự trữ (nghĩa là tăng lượng phân trong một lần bón, mà có thể giảm số lần bón trong một vụ để khỏi tốn công); Ngược lại, đối với đất có dung tích hấp phụ thấp thì phải giảm lượng phân trong một lần bón, nhưng tăng số lần bón trong một vụ.

Vậy làm sao để tăng khả năng hấp phụ của đất nhằm nâng cao độ phì của đất?

Bổ sung chất hữu cơ cho đất là biện pháp hữu hiệu nhất để giúp đất tăng khả năng hấp phụ của đất. Sản phẩm phân hủy cuối cùng của các chất hữu cơ là mùn, mùn có khả năng hấp phụ tốt nhất. Đồng thời, chất hữu cơ giúp tăng khả năng trao đổi cation (CEC) giúp đất tăng khả năng hấp phụ và giữ các chất dinh dưỡng cho đất, nhằm tăng độ phì nhiêu cho đất. Hãy cùng tìm hiểu thêm Tầm quan trọng của chất hữu cơ trong đất.