Bài giảng Khoa học đất - Chương 6: Trao đổi ion

Chương 6. bài 2
TRAO ĐỔI 
ION
Cây trồng hấp thu 
dinh dưỡng từ đất 
như thế nào
Mục tiêu
Mô tả tiến trình trao đổi ion và động lực 
thúc đẩy tiến trình này
khả năng trao đổi cation (CEC) của đất
Giải thích sự tương quan giữa CEC và khả 
năng cung cấp dinh dưỡng của đất
Trao đổi Ion
Sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác trên bề 
mặt ngoài hay mặt trong của tinh thể khoáng 
sét, mùn (chất keo)
 Trao đổi Cation (vd., Ca2+ trao đổi K+)
 Trao đổi Anion (vd., H2PO4
- trao đổi NO3
-)
Ý nghĩa của trao đổi ion
Làm chậm quá trình ô nhiễm nước ngầm
ảnh hưởng đến tốc độ thấm nước thải. 
ảnh hưởng đến khả năng hữu dụng của các chất 
dinh dưỡng (cung cấp liên tục, hạn chế rửa trôi)
“sau quang hợp và hô hấp, có lẽ không có tiến 
trình nào trong tự nhiên có tầm quan trọng đến 
sự sống còn của sinh vật là sự trao đổi ion giữa 
đất và rễ cây trồng” 
Nyle C. Brady
Các yếu tố kiểm soát trao đổi ion
Lực hấp phụ- trao đổi 
 Liên quan đến bán kính và hóa trị (điện tích) ion
Bán kính càng nhỏ và hóa trị càng lớn, lực hấp phụ của ion 
càng mạnh. 
Nồng độ tương đối của ion trong dung dịch đất
r2
điện tích
F =Định luật Coulomb 
ái lực trao đổi
Giữ chặt Giữ yếu
“lực hấp phụ-trao đổi”
H+ Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4
+ = K+ > Na+
Lực hấp phụ tỉ lệ thuận với hóa trị (điện 
tích) và ÷ với bán kính ion khi ngậm 
nước
Định nghĩa
 cation: 1 ion mang điện tích (+)
 anion: 1 ion mang điện tích (-)
 Trao đổi cation : tiến trình – các cations trong dung 
dịch được trao đổi với các cations trên các vị trí trao 
đổi của khoáng hay chất hữu cơ
 Khả năng trao đổi cation (CEC) : tổng cation có thể 
trao đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định
 Khả năng trao đổi anion (AEC) : tổng anion có thể trao 
đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định
Trao đổi Ion - CEC
Đất thịt pha 
cát
Đất rất 
chua
Cần bao nhiêu ion để 
trung hòa các điện tích 
này???
NH4
+
Ca2+
H+
Mg2+
K+
NO3
-
Cl-
H+
H+
NO3
-
NO3
-
NO3
-
H+
HSO4
-
H+
Cạnh tinh thể
CEC = 7; 
AEC = 2
Khả năng trao đổi cation (CEC)
 Tổng điện tích cations có khả năng trao đổi, 1 loại 
đất có thể hấp phụ. 
 Được xác định trong phòng thí nghiệm
 Được diễn tả bằng điện tích (+) được hấp phụ trên 1 
đơn vị trọng lượng đất [cmolsđiện tích/kgđất], lđl/100g 
đất
 Nếu : CEC = 10 cmolc/kg vậy :
đất hấp phụ 10 cmol ion H+ , có thể được trao đổi 
với 10 cmol K+, hay 5 cmol Ca2+
Số lượng điện tích, không phải số lượng ion, đó là 
vấn đề của trao đổi ion
1 mol = 6.022 X 1023 nguyên tử/điện tích
Trọng lượng khác nhau do trọng lượng nguyên tử
(1 cmol = 1/100 mol)
Khả năng trao đổi cation của đất
 hầu hết các loại đất, 99% 
cation được hấp phụ trên bề 
mặt keo đất (sét và mùn) và 
1% hòa tan trong dung dịch. 
 Cations trong đất (chủ yếu là 
Ca++, Mg++, K+ và Na+) duy 
trì sự cân bằng giữa phần hấp 
phụ trên các vị trí điện tích âm 
và phần trong dung dịch đất. 
 Sự cân bằng này hình thành 
sự trao đổi – khi 1 cation rời 
khỏi vị trí hấp phụ, 1 cation 
khác sẽ thay thế vào vị trí đó. 
 Vì vậy, các vị trí mang điện 
tích âm được gọi là các vị trí 
trao đổi cation. 
 Tổng các vị trí trao đổi được 
gọi là khả năng trao đổi 
cation- CEC
CEC phụ thuộc vào
Hàm lượng sét và 
chất hữu cô (keo đất)
Kiểu sét hiện diện 
trong đất 
(vd. kaolinites, smectites, vermiculites, micas, 
chlorites)
CE
C 
(c
m
ol
c/
kg
 )
Mùn 
trong đất
Phân ủ
hoai
Thịt-
sét
Điện tích trên keo đất*
Loại keo Điện tích (-) Điện tích (+)
Mùn (chất hữu 
cơ)
Sét Silicate
Oxides Al và Fe 
200 cmolc/kg 0 cmolc/kg
100 cmolc/kg 0 cmolc/kg
4 cmolc/kg 5 cmolc/kg
Vậy ion nào sẽ được hấp phụ trên các điện tích (-)?
Cạnh vỡ của tinh thể 
kaolinite phơi bày các 
nguyên tử oxygen như là 
nguồn gốc hình thành
ĐIỆN TÍCH (-)
Nguồn gốc điện tích trên sét 1:1
Điện tích này là điện tích phụ thuộc pH
Cạnh tinh thể
Nguồn gốc điện tích của sét smectites
ở đây có sự thay thế 
đồng hình, trong phiến 
bát diện, hình thành 
nên ĐIỆN TÍCH (-) 
THẬT
Đây là điện tích thường xuyên
Nguồn gốc điện tích trên micas
3. Mất cân bằng địên 
tích chủ yếu ở các cạnh 
của khoáng
K+K+
2. K+ trung hòa điện 
tích và “đóng chặt” cấu 
trúc không có sự trao 
đổi ở bề mặt trong của 
khoáng 
1. Thay thế đồng 
hình trong phiến tứ 
diện
Điện tích thường xuyên
Lieân taàng
Điện tích (-) trên mùn
đơn vị trung tâm của 
1 keo mùn
(chủ yếu là C và H)
TẬP TRUNG ở diện tích bề mặt! (nhưng 
không có bề mặt trong – tất cả ở các cạnh)
Điện tích phụ thuộc pH
Điện tích (-) Ions được 
hấp phụ
So sánh điện tích bề mặt
13/ 18 “vị trí” 
là điện tích (-) 
(72%) 
3 / 9 “vị trí” là 
điện tích (-) 
( 33%) 
Sét silicate 1:1 Sét oxide Fe, Al
Các cation được hấp phụ trên các loại đất khác nhau
Bộ đất “cation chua”
(H+, Al3+)
“cation base”
(các cation khác, vd., 
Ca2+, Mg++, K+, Na+
vv.)
Ultisol
Alfisol
Mollisol
45 55
65 35
30 70
Các cation hấp phụ
Đất vùng khí hậu ẩm Đất vùng khô hạn
H+
H+
H+
Al3+
K+
K+
Ca2+
Mg2+
H+
Mg2+
NH4
+
pH thấp (chua) pH cao (kiềm)
Ví dụ về trao đổi cation
+ 2K+
Ca2+
+ Ca2+ 
K+
K+
Al3+
+ 3K+ 
K+
K+
K+
+ Al3+
Sự trao đổi giữa 1 cation trong dung dịch đất với 1 
cation hấp phụ trên bề mặt keo đất phải CÂN BẰNG 
ĐIỆN TÍCH. 
Giöõ chaët Giöõ yeáu
H+ Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4
+ = K+ > Na+
ỨNG DỤNG THỰC TIỂN:
Cần bón bao nhiêu vôi để nâng pH (giảm 
độ chua) --
CaCO3 + 2H
+ H2O + CO2 + Ca
2+
Mùn có CEC cao nhất
Sét 2:1
Sét 1:1
Đất có lượng sét thấp
Khoáng oxide phong hóa cao
CE
C 
(c
m
ol
c/
kg
)
CEC (cmolc/kg): bộ đất
Ultisols
Alfisols 9.0
Mollisols 18.7
Vertisols 35.6
Histosols
Thấp
cao
Sét 1:1
Sét 2:1
Chất hữu cơ
pH tb
128.0
3.5
Xác định CEC
Bảo hòa với
ammonium
Rửa NH4+
Không hấp 
phụ
Rửa NH4
+
hấp phụ
Xác định 
NH4+ 
Dung dòch
ñaát
Giaáy 
loïc
Tính CEC
• Mỗi điện tích là 1 đơn vị hấp phụ trao đổi
• 4 cmolc/kg = 2 Ca
2+ hay 4 K+ hay 1 Al3+ và 1 H+
Ghi nhớ, CEC phụ thuộc vào
Hàm lượng sét và chất hữu cơ
Kiểu khoáng sét hiện diện trong đất
Cách tính dễ nhớ
CEC = (% O.M. x CECOM) + (% sét x (CECsét)
CECOM=200meq/100g và 
của khoáng sét thay đổi từ 3 đến 150!
Chất hữu cơ và CEC
(c
m
o
l c
/k
g
)
Nồng độ chãt hữu cơ 
phổ biến trong tầng A 
đất canh tác ~4%
Nên : y (CEC) = (4.9 * X ) + 2.4; . 
k
4
y (CEC) = 4.9X + 2.4y (CEC) = 4.9X + 2.4
y (CEC) = 22 cmolc/kgC
EC
C hữu cơ (%)
(cmolc/kg)
Thấp
Rất cao
cao
CEC của một số khoáng sét
phổ biến trong đất
Khoáng sét
Tính toán mẫu
Tính điện tích (-) của 1 mẫu đất có chứa 5% chất hữu 
cô (OM) và 20% sét montmorillonite (smectite).
Điện tích (-) thật = (% OM * CECOM) + (% sét * CECsét smectite)
Điện tích (-) thật =
[(5/100) kg * 200 cmolc/kg] + [(20/100) kg * 100 cmolc/kg]
CEC OM ~ 200 cmolc/kg
CEC montmorillonite ~100 cmolc/kg
10 cmolc/kg + 20 cmolc/kg = 30 cmolc/kg
Ví dụ khác. . .
 đất nào sau đây có CEC cao hơn, 
(a) Đất có 5% O.M và 20% sét kaolinite, hay, 
(b) Đất có 1% O.M và 20% sét montmorillonite?
(0.05 * 200) + (0.20 * 3) = 10.6
(0.01 * 200) + (0.20 * 100) = 22
CEC
Thấp
cao
3 8
pH đất
CEC và pH
H+ hấp phụ 
chặt, khó trao 
đổi
Na+ hấp phụ yếu, dễ 
trao đổi
Điện tích trên cạnh
= điện tích bề mặt trong
Ảnh hưởng của pH đến CEC của 
smectite và mùn
Keo hữu cơ
Điện tích phụ thuộc pH
Điện tích thường xuyên
pH đất
C
E
C
Các tính chất của điện tích
Loại keo 
đất
Tổng 
điện tích
Không 
đổi (%)
Thay đổi 
(%)
Điện tích 
(+)
Chất hữu 
cơ
200
Smectite 200
Kaolinite 8
10 90 0
5 95 2
95 5 0
Điện tích 
Thường xuyên
Điện tích 
phụ thuộc pH
CEC và cường độ phong hóa
Alfisols, 
Vertisols, 
Argiudolls
Ultisols Oxisols
Khả năng trao đổi 
anion
Khả năng trao đổi 
cation
Đ
iệ
n 
tí
ch
 t
rê
n 
ke
o 
sé
t
Yếu Trung bình
Cường độ phong hóa
Mạnh
Sét 2:1 Sét 1:1
Oxide Fe, Al
Độ bảo hòa (độ no) Base-BS
Tỉ lệ các cations base chiếm giữ trên các vị 
trí trao đổi (trên CEC) 
cations base là các ion không hình thành 
acid
 Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4
+. . .,
 Các ions KHÁC VỚI H+ và Al3+
Công thức tính độ bảo hòa base
100
,...,,, 4
22
  
CEC
NHKMgCa
tionBaseSatura
“cations acid”
(H+, Al3+)
“cations Base”
(các cation khác, vd., 
Ca2+, Mg2+, K+, Na+.)
BS(%)= 100* (Ca +Mg +K+Na)/CEC
Tại sao chúng ta phải chăm sóc
cây trồng.
Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng
Độ bảo hòa cation: nếu cao, khả năng cung 
cấp dinh dưỡng dễ dàng
Ảnh hưởng của sự bổ sung các cation hấp 
phụ: nếu các ions được giữ mạnh hơn, chất 
dinh dưỡng dễ dàng hữu dụng hơn. 
Ảnh hưởng của kiểu sét: 1 số dễ dàng, số 
khác thì không (vd., illite)
Độ bảo hòa Cation
• So sánh khả năng hữu dụng của 
• 6 cmolc Ca
2+/kg đất (CEC = 8 cmolc/kg)
• 6 cmolc Ca
2+/kgđất (CEC = 30 cmolc/kg)
• 6/8 = 75% & 6/30 = 20%
• Nhu cầu của cây trồng khác nhau: 
– Cây họ đậu có nhu cầu độ bảo hòa 
Ca2+ ~ 80%.
Ca2+ thay thế dễ 
dàng hơn và nhanh 
hơn
Các cation bổ sung
 Cần nhớ lực hấp phụ-trao đổi??
 Có thể chúng ta sợ thiếu NH4
+ trong đất chua hay đất kiềm 
(base) (nhiều Na+)? 
pH = 5
- Al3+
- H+
- H+
- H+
- NH4
+
+ NO3
-
pH = 8.5
- Na+
- Na+
- Na+
- Ca2+
- NH4
+
- Ca2+
Khả năng hữu dụng của chấ dinh dưỡng phụ thuộc vào nồng độ tương đối 
Của các ion khác trong dung dịch đất
Giữ mạnh Giữ yếu
H+ Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4
+ = K+ > Na+
Chỉ chú ý đến 
ái lực
Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng:cơ chế
 Ions H+ được giải phóng từ lông hút của rễ 
và hô hấp của vi sinh vật sẽ thay thế các 
cation dinh dưỡng trên phức hệ trao đổi
Các chất dinh dưỡng được giải phóng vào 
dung dịch đất, ở đây chúng sẽ được hấp thu 
bởi rễ cây, hay bị mất do rửa trôi. 
Cơ chế trao đổi cation
Khả năng hữu dụng của K bị hạn chế do sự hiện diện của các cation khác 
trong dung dịch đất
Các cation bị giữ yếu Các cation bị giữ chặt
Keo đất Keo đất
Rễ hấp thu chất dinh dưỡng
• dòng chảy 
khối lượng
• khuếch tán
• tiếp xúc trực 
tiếp
Keođất
Rễ
Khuếch tán
Dòng chảy khối lượng
Tiếp xúc trực tiếp