Chương 3 HÓA HỌC ĐẤT NN410-3 Mục đích của chương: Tính chất, vai trò của keo đất, pH, các chất dinh dưỡng trong đất 3. Khoáng sét và khoáng oxyt Có hai loại khoáng cần phân biệt là: dạng tinh thể hoàn chỉnh và dạng vô định hình của các oxide và hydroxide. Trong hydroxide Fe và Al, ion OH chiếm tất cả hoặc một phần các vị trí của ion-O nằm cả ở trên và dưới của mặt phẳng của tinh thể. Các khoáng sét trong đất thì chiếm ưu thế trong việc thể hiện về mặt lý - hóa tính của đất do diện tích bề mặt rất lớn và có liên kết với cấu trúc mạng lưới tinh thể của chúng.
Các khoáng silicate này thuộc vào nhóm phyllosilicate, đây là nhóm khoáng thứ sinh. Trong nhóm này có hai nhóm khoáng sét chính cần được phân biệt: (1) Khoáng 2:1 bao gồm hai lớp tứ diện SiO4 (tetrahedron), tất cả tứ diện của hai lớp đều đối đỉnh với nhau và lớp dưới cùng lại đối đỉnh với lớp bát diện (octahedron) [AlO4(OH)2] nằm ở giữa (Hình 3.1), bề dày của ba lớp này khoảng 10 angstrom và (2) khoáng 1:1, các tứ diện (SiO4) trong khoáng đối đỉnh với lớp bát diện AlO4(OH)2. Bề dày của khoáng này khoảng 7 angstrom. Sự kết hợp trên là do hiện tượng mất nước (Hình 3.1: Sự kết hợp giữa phiến tứ diện và phiến bát diện trong tinh thể sét 63 Hình 3.2: Cách liên kết các phiến tứ diện với phiến bát diện trong khoáng 1:1 và 2:1 Trong cả hai loại khoáng, ion Mg có thể chiếm vị trí của hai ion Al trong lớp bát diện, sự thay thế này đưa đến hai loại sét cần phân biệt: tri-octahedral và di-octahedral (Hình 3.3: Cấu tạo của hai phiến Trioctahedral và Dioctahedral trong bát diện 3.
Khoáng Silicate Tốc độ phân hủy của nhóm khoáng này tỷ lệ thuận với diện tích riêng bề mặt (diện tích bề mặt trên mỗi đơn vị trọng lượng). Do đó khoáng có kích thước lớn thường còn giữ lại tính chất của mẫu chất (khoáng nguyên sinh) khi quá trình phong hóa phát triển mạnh cùng với thời gian thì chỉ có các khoáng nguyên sinh thật bền tồn tại (thí dụ như thạch anh, zireone); trong khi đó các khoáng kém bền sẽ bị phong hóa dần, sản phẩm phong hóa được rửa trôi xuống các vùng bên dưới hay cuốn theo nước hoặc bị cây trồng hấp thu và cũng có thể kết hợp lại nhau thành các khoáng thứ sinh, các khoáng này trở nên tương đối bền trong môi trường đất. Các khoáng silicate trong thành phần của sét trong đất thường là sản phẩm của sự thành lập thứ cấp như kể trên. Thành phần cấu tạo 64 hóa học, khoáng học của các hạt thô (thịt và cát) có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng, đặc biệt ở những đất đầu tư kém, vì nó được xem như nguồn dinh dưỡng lâu dài thông qua quá trình phong hóa và phân giải cho ra khoáng sét.
Điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều đặc tính đất, hầu hết các đặc tính này rất quan trọng cho việc quản lý đất đai. Các loại khoáng hiện diện trong đất tùy thuộc vào mẫu chất (nguồn cung cấp các thành phần cấu tạo nên đất), tùy thuộc vào môi trường (khí hậu, thảm thực vật) và tuổi của đất. Đặc tính và sự xuất hiện của 5 nhóm khoáng quan trọng nhất sau: 3. Montmorillonite Có điện tích bề mặt cao nhất so với các loại khoáng khác trong đất, có lẽ là do sự thay thế đồng hình xảy ra rất sâu bên trong tinh thể, cầu nối giữa các phiến montmorillonite thì yếu ớt và thay đổi.
Vì cầu nối giữa các phiến yếu nên ta có thể phân tán keo (là hiện tượng làm cho keo sét rời ra không còn kết lại với nhau) với Na và khoảng cách giữa các phiến có thể bằng 10 angstrom, nhưng với ẩm độ thấp và với các ion hóa trị 2 và 3 chung quanh (ion ngoại hấp), các tinh thể lớn có thể được hình thành với các khoảng cách giữa các phiến rất khác nhau. Do vậy mà khoáng này còn được gọi là “sét nới rộng được giữa các phiến”, nếu bão hòa montmorillonite với Na, diện tích bề mặt có thể đạt 800 m2/gram (do các phiến bị tách ra thành các phiến nhỏ hơn) và có sự thay thế đồng hình rất cao và khoáng này có khả năng hấp phụ và trương nở cao nhất, do đó khoáng này thường được chọn làm mẫu để nghiên cứu bản chất của sét. Serpentine Một trong các khoáng của nhóm này được khảo sát nhiều nhất là kaolinite; có kiểu hình 1:1 (1 phiến oxide silic và 1 phiến gibbsite). Kaolinite hiện diện trong nhiều loại đất trên thế giới, là sản phẩm của sự khử silicate, xảy ra rất phổ biến trong đất tương đối phát triển (Ferralsols; Acrisols, Nitosols) tùy theo sự phong hóa kéo dài và sự phân hủy do acid, các oxide Al và Fe cũng được thành lập.
Kaolinite có diện tích bề mặt thấp vì vậy mà khả năng trao đổi cation (CEC) chỉ thay đổi từ 1-5 meq/100g. Mica Mica trong đất xuất phát từ mẫu chất, khoáng có kiểu hình 2:1 (2 phiến oxide silic, 1 phiến gibbsite). Một vài vị trí trong phiến oxide Si được thay thế bằng Al, kết quả gây ra mất cân đối về điện tích, phần lớn sự mất cân đối này được trung hòa do các ion K. Trong quá trình phong hóa, K có thể được thay thế bằng các cations khác, khi sự thay thế này xảy ra hoàn toàn sẽ làm khoáng thay đổi tính chất và có thể xếp vào nhóm khác 65 như nhóm illite rất giống mica, là các khoáng sét thường gặp trong phù sa sông rạch.
Mica trong thành phần sét tương đối trẻ, có mặt ở các nhóm đất thuộc kỷ đệ tứ, một số khoáng khác như muscovite tồn tại rất lâu trong thành phần của thịt và cát, cũng có thể hiện diện với một lượng khá nhiều ngay cả ở các đất phong hóa tương đối nhiều như Ferralsols, khả năng trao đổi cation của mica rất thấp vì K có năng lượng cao (rất khó trao đổi) và sự hiện diện của ion K giữa các lớp oxidesilic và gibbsite. Đôi khi illite có thể đạt CEC = 40 meq/100g do sự kém phát triển về tinh thể và do thời gian phong hóa của khoáng làm cho các cation nằm giữa các phiến xen kẽ trở nên dễ trao đổi (Hình 4. Tuy nhiên, các khoáng này có thể vẫn còn tính chọn lọc cao đối với các cations như là K+ và NH4+ do đó ở các loại đất sét giàu illite có thể cố định những nguyên tố này, khi bón phân lần đầu trên đất kiệt dinh dưỡng.8: Sự thay thế Mg và các cation khác trong Mica, để hình thành các khoáng khác (Brady&Weil, 1996) 3. Vermiculite Có kiểu hình 2:1 và thường có mặt ở nhiều vùng trên thế giới, thường là sản phẩm phong hóa do acid ở mức độ bình thường của khoáng mica.
Nguyên tố trong lớp xen kẽ trong mica phải được thay thế do các cation khác và được đẩy ra khỏi cấu trúc. Khi quá trình phong hóa và phân hủy do acid trở nên mạnh mẽ, vermiculite có thể thành lập các liên kết giữa Al-OH và sản phẩm cuối cùng là hình thành các dạng kaolinite. Vermiculite đại diện cho nhóm khoáng có khả năng trao đổi cation cao nhất trong các khoáng cấu tạo thành đất. Với vermiculite tinh khiết CEC = 150-200 meq/100g, sự hiện diện của hydroxyl-Al giữa các lớp xen kẽ có thể làm giảm khả năng trao đổi cation, cũng có thể xảy ra sự hấp phụ chặt đối với các ion như K và NH4, hoặc trở nên cố định trong lớp 66 xen của lá sét, trong đó một phần của cấu trúc vermiculite vẫn còn là cấu trúc của mica nằm ở trung tâm của vài loại khoáng.
Smectite Có kiểu hình 2:1 trong đó sự thay thế đồng hình khác chất đã xảy ra ở một số vị trí trong phiến bát diện và phiến tứ diện. Phổ biến nhất là montmorillonite cứ 3 vị trí trong phiến bát diện thì có một nguyên tố Mg. Nhưng điều kiện cho sự thành lập và ổn định của smectite là hàm lượng cao của Si và tiềm năng trao đổi các cation. Mặc dù smectite tương đối giàu trong đất và phần lớn hiện diện trong đất thoát thủy kém của các đồng bằng phù sa, ở đất ít có sự rửa trôi vì có địa hình thấp trũng, do đó có hàm lượng Si và các base cao được rửa trôi từ các vùng lân cận có địa hình cao hơn hay ở vùng bán khô cạn (semi-arid), trong quá trình phân hủy do acid, smectite mất dần Al, Al trở nên hấp phụ trên bề mặt trao đổi và cuối cùng liên kết với các gốc OH tạo thành phiến xen (interlayer).
Phiến xen của Al-OH xuất hiện giữa hai phiến của smectite cuối cùng tạo ra chlorite. Khả năng trao đổi cations của smectite tương đối cao, khoảng 40 meq/100g, smectite không có sự hấp phụ chọn lọc đối với ion K và NH4. Đất có hàm lượng cao smectite thì có thành phần hóa học tương đối giàu do có khả năng trao đổi cations lớn, làm giảm sự rửa trôi các cations, ngoài ra còn do điều kiện ổn định của môi trường đối với sự thành lập smectite. Một số đất giàu smectite liên quan đến sự mặn hóa và kiềm hóa.
Vấn đề chính của đất giàu smectite là đặc tính vật lý của nó, trong điều kiện ẩm ướt nó có khả năng hấp phụ một lượng nước gấp vài lần trọng lượng của nó, điều này gây ra sự trương nở của khoáng sét và tạo thành lớp đất nén chặt với khả năng dẫn nước và khả năng thấm rất kém, hậu quả gây ra sự xói mòn do chảy tràn và sự trượt đất ở các triền dốc. Trong điều kiện khô hạn, đất co lại tạo thành các kẻ nứt rất rộng. * Chlorite Là sản phẩm phân hủy do acid từ các nhóm smectite, có nhiều đặc tính gần gũi với kaolinite hơn là smectite. Khoáng này được coi như là khoáng 2:1:1 vì có một phiến xen (thường là polymer Al).
* Allophane Là nhóm không tinh thể gồm nhóm silicate là sản phẩm đầu tiên của quá trình phong hóa tro núi lửa. Vì vậy đất giàu allophane có thể xem như đất núi lửa trẻ. Đặc tính quan trọng nhất của đất giàu allophane là khả năng trao đổi các cations, tùy thuộc 67 lớn vào mức độ pH; hàm lượng nước, độ chặt, có dung trọng thấp và khả năng cố định P cao. Khoáng sét của đất Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL): (Brinkman và csv 1986) Bốn mươi ba mẫu đất từ 13 điểm khác nhau của một phần diện tích ĐBSCL đã được phân tích khoáng.
Tất cả các mẫu có hàm lượng khoáng tương tự như sau: 50% thành phần sét là illite; một phần ba là Kaolinite và một phần sáu là smectite, một phần nhỏ smectite biến thành chloride, không tìm thấy vermiculite.