Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của ph, một số ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất lúa huyện Thanh trì, Hà Nội

ch âm dư thừa được bù bằng cách thay thế 1 trong các ion oxi bằng nhóm hidroxyl. Baydelit có công thức là: Al3Si3O9(OH)3.nH2O. Còn nontronit, trong các khối bát diện của nó, ion Al3+ hoàn toàn được thay thế bằng ion Fe3+. Nontronit có công thức: (Al,Fe)2Si4O10(OH)2.nH2O. Tỷ lệ Si: Al (hoặc Fe) = 2:1. - Khác với kaolinit, khoảng cách giữa các paket của montmorilonit thay đổi rất mạnh từ 9,6 đến 28,4 Å, phụ thuộc vào lượng nước được hút vào khe hở giữa các paket. Khi hút nước keo sét montmorilonit trương ra. - Hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra phổ biến: Al3+ thay thế Si4+ trong khối tứ diện của phiến oxit silic, Mg2+ hoặc Fe2+ thế Al3+ trong khối bát diện của phiến gipxit. Kết quả là keo mang điện âm có thể hấp phụ cation. - Lực liên kết giữa các lớp tinh thể của montmorilonit kém chặt nên có thể giãn nở khi hút thêm nước và cation. - Do những đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ cation của nhóm keo này rất cao (CEC = 80 - 150 lđl/100 g keo). Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo đất nhóm montmorilonit thì tính giữ phân và nước khá cao. Hình 8: Sơ đồ cấu trúc montmorilonit + Nhóm hydromica - Chiếm một lượng lớn trong số các keo sét của đất, bao gồm các loại sau: Hydro mica trắng (hydromuscovit hoặc illit), hydro mica đen (hydrobiotit)và các dạng khác của mica bị hydrat hoá. - Hydromica có cấu trúc loại hình 2:1 tương tự montmorilonit (hình 9). - Công thức của hydromuscovit KAl2(Al.Si3O10)(OH)2. Hình 9: Sơ đồ cấu trúc của hydromica - Khoảng cách giữa các paket không đổi và bằng 10 Å. - Có hiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể, chủ yếu là sự thay thế của Si4+ trong phiến khối tứ diện bằng ion Al3+, kết quả làm cho nó mang điện âm có thể hấp phụ cation đặc biệt là K+ phân bố ở khe hở giữa các paket. - Do lực liên kết giữa các lớp tinh thể khá bền vững vì vậy keo thường có tính trương thấp và khả năng hấp phụ không cao. - Khả năng hấp phụ của hydromica khoảng 20 - 40 lđl/100g keo. + Trong đất cũng thường gặp vermiculit gần giống hydromica, giữa các paket của mạng lưới tinh thể của keo này tồn tại lớp kép các phân tử nước bao quanh các kim loại, thường là Mg. Vermiculit là magiealuminsilicat, Mg có trong các khối bát diện. Trong các khối bát diện Mg2+ có thể được thay thế bằng Fe2+, còn trong các khối tứ diện Si4+ được thay thế bằng Al3+. Công thức tổng quát của vermiculit như sau: (Mg2+,Fe2+)3(Si,Al)4O10(OH)2.4(H2O) Vermiculit có dung tích hấp phụ khá cao, CEC của nó dao động từ 60 – 150 lđl/100g keo. Trong đất còn gặp các keo dạng lớp hỗn hợp. Trong mạng lưới tinh thể của chúng xen kẽ các lớp khối bát diện của các khoáng vật khác nhau: Montmorilonit với illit, kaolinit với muscovit, vermiculit với clorit... c. Keo sét trong đất Việt Nam Qua các kết quả nghiên cứu thành phần keo sét trong đất Việt Nam của các tác giả: Phạm Gia Tu, Nguyễn Vi và Trần Khải, Cao Liêm, Ðào Châu Thu, Nguyễn Hữu Thành... bằng phương pháp hoá học, phương pháp quang phổ, phương pháp nhiệt, phương pháp quang tuyến X và phương pháp hiển vi điện tử có thể khái quát về sự phân bố của chúng như sau: + Ðối với đất vùng đồi núi: Keo sét chủ yếu trong các loại đất của vùng này là keo kaolinit, gơtit và gipxit, ngoài ra tuỳ theo loại đất có thể gặp các loại keo sét: Hydromica (đất đỏ vàng trên đá granit, đất feralit mùn trên núi trên đá philit, đất đen trên đá vôi...), montmorilonit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt), vermiculit (đất đen trên đá vôi, đất đen trên đá bọt, đất feralit mùn trên philit). + Ðối với đất đồng bằng: Keo sét chủ yếu của các loại đất vùng đồng bằng là kaolinit và hydromica. Vermiculit gặp ở các đất phù sa trung tính ít chua, đất mặn trung tính, đất phèn, đất cát biển. Ngoài ra có thể gặp gipxit (đất phù sa chua, đất bạc màu, đất cát biển) và gơtít (đất bạc màu). 1.3. Ảnh hưởng của một số tính chất lý hóa đến đặc tính keo của khoáng sét trong đất Sự tồn tại của các cation và khoáng sét trong đất phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố lý – hóa đất. Sự kết hợp các tính chất đất sẽ đặc trưng cho nguồn gốc phát sinh và khả năng giữ các chất dinh dưỡng cũng như các chất ô nhiễm trong đất, trong đó các cation và anion hữu cơ. Chúng tồn tại dưới dạng dung dịch các muối và có mặt trong các cấu trúc tinh thể khoáng. Khi đất có TPCG nặng, chứng tỏ đất chứa lượng lớn cấp hạt sét, đồng thời hàm lượng cation lớn, một phần do chúng có mặt trong cấu trúc tinh thể của sét, mặt khác cation được các hạt sét hấp phụ lên bề mặt mang điện tích âm. Các cation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chế trung hòa điện tích bề mặt và làm giảm lớp điện kép của các hạt sét. Sự có mặt của các cation hóa trị cao hơn trong dung dịch thường làm cho sét bị keo tụ nhanh hơn. Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2009) đã chứng minh rằng các cation tác động đến tốc độ keo lắng của mẫu khoáng sét (chứa chủ yếu illit) theo thứ tự cation hóa trị III > hóa trị II > hóa trị I. Trong khi đó các anion được nhìn nhận là một trong những nguyên nhân thúc đẩy sự tán keo. Sự có mặt của các anion này làm biến đổi một phần lớp điện kép thông qua hai cơ chế: làm tăng điện tích âm trên bề mặt, hoặc cạnh tranh hấp phụ vào các vị trí mang điện tích dương trên “bề mặt rìa”. Các anion hữu cơ (humat) là keo âm, do đó khi bị hấp phụ bởi khoáng sét sẽ làm điện tích âm tổng thể của khoáng sét tăng thêm. Kết quả là các anion hữu cơ có mặt càng nhiều thì sự tán keo càng được thúc đẩy. Ảnh hưởng của các anion hữu cơ đến sự phân tán khoáng sét cũng đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu (Shanmuganathan và Oades, 1983; Penner và Lagaly, 2001; Frenkel và nnk, 1992). Tejada và Gonzalez (2007) đã chứng minh các anion hữu cơ làm giảm tính ổn định của cấu trúc đất. Trong đất giàu hữu cơ, khoáng sét bị rửa trôi với tốc độ nhanh hơn. Hiện tượng này là do sự tán keo của khoáng sét trong dung dịch đất dưới sự ảnh hưởng của chất hữu cơ hòa tan trong đất. Trong môi trường có phản ứng axit, các anion vô cơ thường bị hấp phụ trên “bề mặt rìa”, nơi có các vị trí mang điện tích dương. Liên kết “anion – bề mặt rìa”. Vì vậy, trạng thái tán keo được thúc đẩy. Các anion hóa trị càng cao thì khả năng cạnh tranh hấp phụ vào bề mặt rìa càng lớn, và càng thúc đẩy quá trình tán keo. Khả năng thúc đẩy trạng thái tán keo tuân theo thứ tự sau: PO43- > SO42- > Cl-. Axit humic mang điện tích âm bị hấp phụ trên bề mặt sét làm giảm khả năng keo tụ của sét. Khi pH tăng, axit humic âm điện hơn do đó sẽ làm tăng thêm sự phân tán của sét. Độ chua của đất ảnh hưởng đến các quá trình xảy ra trong đất. Đối với khoáng sét, pH ảnh hưởng đến sự chuyển hóa từ khoáng này sang dạng khoáng khác, cho nên pH là nguyên nhân quan trọng trong sự tạo thành khoáng sét của đất cùng với sự kết hợp của các yếu tố khác như khí hậu, địa hình, nhiệt độ Dưới tác động của điều kiện tự nhiên khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều, địa hình cao, dốc, đá mẹ dễ phong hóa, đặc biệt các loại đá trung tính (vôi), kiềm (mắc ma bazơ), trầm tích sét bị phá hủy triệt để; các cation kiềm (K, Na) và kiềm thổ (Ca,) cùng axit silicic bi rửa trôi mạnh (pH chua) thì sự tạo thành khoáng sét chủ yếu là kaolinit. Điều này phù hợp với quy luật hình thành và chuyển hóa khoáng sét của đất ferralit nhiều nhà khoáng sét và thổ nhưỡng thế giới đã nghiên cứu và khẳng định (Corens, 1938; Caller, 1950; Hardon, 1950; Groocbnop, 1974; Jackson, 1968). Ảnh hưởng của độ ẩm lên khoáng sét thể hiện rõ nhất khi trong đất tồn tại khoảng trương nở 2:1 (montmorillonit). Cấu trúc đất khi đủ ẩm rất tốt, do các khoáng này kết hợp với mùn dạng humatcanxi lên cũng khá bền vững. Nếu đất quá khô montmorillonit sẽ co lại mạnh làm đất nứt lẻ, khô cứng, độ ẩm cây héo lớn làm ảnh hưởng đến sự sống của thực vật. Còn nếu đất quá ướt và thời gian quá lâu thì sự trương nở sẽ phá vỡ cấu trúc đất, gây bí và thiếu oxy. Ngoài ra sự có mặt của các ion trong đất cũng làm ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của khoáng sét. Khoáng sét hấp phụ cation hay anion tùy thuộc vào bản chất mang điện. Nếu lượng ion để hấp phụ quá lớn thì bản thân khoáng sét có sự chọn lọc các yếu tố mang điện tích phù hợp và đẩy những ion mang điện không phù hợp. [11] Như vậy giữa các tính chất lý – hóa học đất và khoáng sét trong đất có mối liên hệ hết sức mật thiết. Tương tác qua lại giữa khoáng sét và các thành phần khác nhau trong đất cùng với những tác động đến đặc tính keo của cấp hạt sét sẽ được tìm hiểu kỹ trong nghiên cứu này. CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu. Đất được lấy tại khu vực canh tác lúa nước của xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội vào tháng 03/2013. Tọa độ: 20o54'40,38" VB; 105o48'41,76" KĐ. Mẫu đất được lấy theo độ sâu (0 ÷ 25, 25 ÷ 50, 50 ÷ 75 và 75 ÷ 100 cm). Đất ở khu vực nghiên cứu là đất phù sa sông Hồng có tầng glây. Đất ít được bón phân hữu cơ và thuốc trừ sâu. Người dân chủ yếu dùng phân đạm và lân, sử dụng nước tưới từ sông Nhuệ. Lúa được trồng 2 vụ/năm rồi bỏ hoang. Nước sông Nhuệ được lấy tại 3 vị trí khác nhau (gần khu vực trạm bơm để lấy nước tưới vào ruộng): - Vị trí 1 (M1): 20o55’59,94’’ VB – 105o48’24,19’’ KĐ - Vị trí 2 (M2): 20o54’17,70’’ VB – 105o48’49,35’’ KĐ - Vị trí 3 (M3): 20o56’16,71’’ VB – 105o48’12,41’’ KĐ 2.2. Nội dung nghiên cứu. Nghiên cứu thành phần cơ giới và một số đặc tính lý hóa học cơ bản của đất lúa xã Đại Áng (TPCG, CEC, CHC, hàm lượng sắt, nhôm tổng số). Nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH, các ion (Na+, Ca2+, Al3+, Cl-, SO42-, PO43-) và chất hữu cơ hòa tan (axit humic) đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu. Đánh giá thực tế trạng thái keo sét trong đất lúa huyện Thanh Trì dưới ảnh hưởng của nước tưới từ sông Nhuệ. 2.3. Phương pháp nghiên cứu. 2.3.1. Tách cấp hạt sét. Cấp hạt sét (< 2µm) được tách ra khỏi các cấp hạt có kích thước lớn hơn trong mẫu đất lúa Thanh Trì theo phương pháp phân tán và gạn trong cột lắng. Cấp hạt sét tách ra từ cột lắng được sấy khô rồi pha trong nước cất 2 lần để tạo dung dịch có hàm lượng sét ~ 10 mg.mL-1 phục vụ cho các thí nghiệm tán phân tán trong ống nghiệm. Quy trình thực hiện cụ thể như sau: 50g mẫu đất được hòa vào 1L nước cất và lắc trên máy lắc trong 24h. Sau đó huyền phù được chuyển vào cột lắng có độ cao 40 cm. Sau 23h11’ phần dung dịch ở phía trên (0 – 30cm) chứa duy nhất cấp hạt sét được hút ra qua ống hút. Quá trình này lặp lại 4 lần để đạt hiệu suất tách sét lớn nhất. Dung dịch huyền phù chứa cấp hạt sét được đem đi ly tâm (3000 vòng/phút) trong vòng 15 phút, sau đó được cho vào tủ sấy (105oC) để thu được sét khô. Lấy 5g sét khô pha loãng với 500 ml nước cất 2 lần để có được 500 ml dung dịch làm việc với hàm lượng 10 mg.ml-1 (*), dung dịch (*) sẽ được sử dụng cho các thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm. 2.3.2. Xác định các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất. Các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất được xác định bằng các phương pháp sau: + TPCG được xác định bằng phương pháp cột lắng. + pH trao đổi được chiết với KCl và xác định bằng máy đo pH. + CHC tổng số được xác định theo phương pháp Walkley – Black. + CEC xác định theo phương pháp Scheffer. + Hàm lượng sắt, nhôm tổng số được xác định theo phương pháp Complexon. 2.3.3. Tách chiết axit humic Axit humic (AH) được tách chiết bằng phương pháp Swift (1996) cải tiến. Quy trình như sau: Mẫu đất được lắc và để yên qua đêm với dung dịch tách chiết là NaOH 1M (tỉ lệ 1:10). Phần dung dịch chứa AH hòa tan được tách ra qua giấy lọc. Sau đó được xử lý với HCl 2M để tạo dung dịch chứa AH kết tủa, để lắng qua đêm ở nhiệt độ phòng. Sau khi ly tâm, axit fulvic tồn tại ở thể lỏng được gạn ra và thu được phần AH kết tủa. Tiếp tục rửa kết tủa nhiều lần với nước cất 2 lần để loại bỏ HCl dư. AH sau khi thu được lại tiếp tục được hòa tan trong dung dịch NaOH 0,01M để chuẩn bị các dung dịch AH có nồng độ khác nhau. 2.3.4. Xác định thành phần khoáng sét Phương pháp nhiễu xạ định hướng (Oriented – mount) được sử dụng để xác định thành phần khoáng sét trong mẫu đất. Theo phương pháp này các chùm tia X song song được chiếu vào lớp mỏng mẫu bột phân tán trên một mặt phẳng (thường là mặt lam kính). Các chùm tia X bị phân tách bởi một detector mà mỗi nhiễu xạ hình chóp được phân biệt trên một cung tròn riêng rẽ. Do vậy mà một loạt các giải nhiễu xạ được ghi lại thành một đường liên tục. Cường độ nhiễu xạ hoặc được ghi lại trên giấy hoặc được ghi lại trên đĩa. Quy trình được thực hiện như sau: Mẫu sét được bão hòa với các cation K+ và Mg2+ và được nhỏ lên trên bề mặt lam kính. Giữ yên, sau khi mẫu khô đem đi phân tích nhiễu xạ trên máy Siemens D5005. Xử lý ethylenglycol với mẫu sét bão hòa Mg và xử lý nhiệt ở 5500C với mẫu bão hòa K trước khi phân tích nhiễu xạ tia X cũng được tiến hành nhằm xác định rõ thêm sự có mặt của nhóm smectit, clorit và kaolin. 2.3.5. Thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm a, Ảnh hưởng của cation Ảnh hưởng của các cation đối với sự phân tán của cấp hạt sét trong dung dịch được xác định theo phương pháp Lagaly cải biên với quy trình như sau: + Hút 2 ml dung dịch sét nồng độ 10 mg.ml-1 cho vào ống nghiệm, thêm vào 1 ml dung dịch chưa các cation với các nồng độ xác định (Na+: 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800 mmolc.L-1; Ca2+: 2,5; 5; 7,5; 10; 15; 20 mmolc.L-1; Al3+: 1; 1.5; 2; 3; 5 mmolc.L-1). + Sau đó thêm nước cất đến 10 ml. Mẫu được phân tán bằng rung siêu âm (Elma S30h) trong thời gian 30s, giữ yên trong 3h, sau đó hút 2 ml dung dịch ở phần trên cùng của ống nghiệm vào curvet. Độ truyền qua (T%) của dung dịch được xác định tại bước sóng 600 nm. Độ truyền qua lớn biểu thị cho dung dịch không bị vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở tráng thái gel (tụ keo). Ngược lại độ truyền qua nhỏ chứng tỏ dung dịch vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở trạng thái sol (tán keo). b, Ảnh hưởng của anion Các anion: PO43-, SO42-, Cl- được pha ở các nồng độ khác nhau (PO43-: 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 mmolc.L-1; SO42-: 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 mmolc.L-1; Cl-: 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 mmolc.L-1). Quy trình thí nghiệm được tiến hành tương tự như thí nghiệm ảnh hưởng của cation (a). c, Ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của pH tới đặc tính keo sét được xác định trong môi trường có giá trị pH 1 – 10 với quy trình như sau: + Hút 2 ml dung dịch làm việc (*) đưa vào ống nghiệm. Sử dụng HCl 0,01M và NaOH 0,01M điều chỉnh về các giá trị pH làn lượt: 1, 2, 3, 4, 5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10. Sau đó mẫu được xử lý qua rung siêu âm và tiến hành xác định độ truyền qua của dung dịch tương tự như thí nghiệm ảnh hưởng của cation (a). d, Ảnh hưởng của axit humic Thí nghiệm ảnh hưởng của axit humic tới đặc tính keo sét được tiến hành như sau: + Axit humic được hòa tan bằng dung dịch NaOH 0,01M ra các nồng độ: 0,5; 1; 2; 3; 4; 5 mg.L-1. Hút 2 ml dung dich làm việc (*) cho vào ống nghiệm. Dung dịch Na – humat được bổ sung vào ống nghiệm để có tổng thể tích các dung dịch trong ống nghiệm là 10 ml. Sau đó mẫu được xử lý rung siêu âm và tiến hành xác định độ truyền qua tương tự thí nghiệm ảnh hưởng của cation (a). CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu Những đặc tính lý hóa học cơ bản của đất (TPCG, pH, CEC, CHC, hàm lượng sắt nhôm tổng số) đều có những ảnh hưởng nhất định tới tính chất keo sét. Keo đất phổ biến là axit humic, axit silicic, hydroxit sắt, nhôm và keo sét. Nói chung hàm lượng keo phụ thuộc tỷ lệ sét và mùn trong đất, đất càng nhiều sét và mùn thì càng chứa nhiều keo. Các yếu tố pH, TPCG hay CHC có ảnh hưởng tới dung tích trao đổi cation (CEC) của keo đất, từ đó gây ra nhưng ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tán keo – tụ keo của khoáng sét. Kết quả một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu dưới đây sẽ làm rõ hơn vấn đề này: Bảng 3: Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu tại xã Đại Áng Độ sâu (cm) pHKCl CEC (cmol/kg) CHC (%C) SiO2 Fe2O3 Al2O3 (%) 0 - 25 6,34 18,10 1,70 58,36 6,39 16,41 25 - 50 6,66 15,31 1,67 60,06 6,55 15,93 50 - 75 7,00 14,20 1,30 63,80 6,39 15,85 75 - 100 6,87 13,26 1,47 62,84 6,55 16,81 pHKCl của các mẫu đất dao động từ 6,34 ÷ 7,00 Kết quả này cho thấy đất có phản ứng trung tính. Hàm lượng CHC nhìn chung khá giàu ở các mẫu đất (> 1,3%) và giảm dần theo độ sâu tầng đất, hàm lượng cacbon nhỏ nhất cũng đã lên tới 1,3% (tầng 3); hàm lượng cao nhất đạt 1,7% (tầng 1). Hàm lượng CHC trong các mẫu đất tầng mặt khá cao. Điều này có thể là do sự tích tụ vật liệu hữu cơ từ nước thải hoặc do tàn dư thực vật bị phân hủy chậm dưới điều kiện yếm khí, dẫn đến xu hướng tích tụ CHC. Hàm lượng CHC có ảnh hưởng trực tiếp tới dung tích trao đổi cation (CEC). CEC là lượng ion lớn nhất mà đất hấp phụ có khả năng trao đổi và được biểu thị bằng cmol.Kg-1. Đây chính là quá trình hấp phụ nhờ keo đất. CEC phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như nồng độ và bản chất keo đất, phản ứng đất, TPCG, hàm lượng CHC Từ kết quả cho thấy CEC trong đất nghiên cứu dao động trong khoảng 13,26 cmol.Kg-1 (tầng 4) – 18,10 cmol.Kg-1 (tầng 1), CEC giảm dần theo chiều sâu của phẫu diện, phụ thuộc vào khả năng có mặt của CHC trong từng tầng đất, hàm lượng CHC càng cao thì điện tích keo đất âm tăng lên do đó khả năng trao đổi CEC tăng dẫn tới lượng cation hấp phụ trên bề mặt keo sét càng nhiều, điều này thúc đẩy sự liên kết giữa các hạt keo hay gia tăng khẳ năng tụ keo của khoáng sét trong đất. Trong đất nghiên cứu hàm lượng sắt tổng số dao động từ 6,39 – 6,55% trong khi hàm lượng nhôm tổng số từ 15,85 – 16,81%. Điều này có thể giải thích do các hợp chất sắt, nhôm (oxit và hydroxit) khó bị rửa trôi. Theo thời gian, tỷ lệ tương đối của chúng chiếm thành phần chủ yếu trong đất. Dựa vào cách phân loại đất theo TPCG của Mỹ, có thể xác định TPCG của các mẫu đất nghiên cứu như sau: Bảng 4: Thành phần cấp hạt của các tầng đất (USDA) Độ sâu (cm) Thành phần cấp hạt (%) TPCG Sét (< 0,002 mm) Limon (0,002-0,05 mm) Cát (> 0,05 mm) 0 - 25 27 55 18 Thịt sét pha limon 25 - 50 29 53 18 Thịt sét pha limon 50 - 75 32 45 23 Thịt sét 75 - 100 40 45 15 Sét pha limon Bảng 4 cho thấy trong mẫu đất nghiên cứu, hàm lượng sét và limon khá cao (27 ÷ 40% sét và 45 ÷ 55% limon), cát chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (15 ÷ 23%); sự phân hóa về thành phần cấp hạt giữa các tầng đất khá nhỏ. Như vậy, đất nghiên cứu nhìn chung có TPCG nặng. Trong điều kiện ngập nước, đất luôn ở tình trạng yếm khí. Điều này khiến cho Fe3+ bị chuyển hóa thành Fe2+. Fe2+ giải phóng làm tăng nồng độ nền điện ly và thúc đẩy sự keo tụ, giảm tính linh động của khoáng sét trong đất. Ngoài ra, tác dụng cơ học của hoạt động cày bừa đã làm gia tăng các cấp hạt mịn, giảm các cấp hạt thô ở tầng đế cày. 3.2. Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với cấp hạt sét tách ra từ mẫu đất tầng 0 ÷ 25 cm cho thấy khoáng sét trong đất khá phức tạp với thành phần chủ yếu gồm: illit, kaolinit, clorit (hình 10). Khoáng kaolinit được xác định bởi các hiệu ứng ở 0,7 và 0,3 nm. Khoáng này không bền nhiệt và khi xử lý ở nhiệt độ cao, sự mất nước sẽ làm cấu trúc lớp của kaolinit bị phá hủy. Trong tất cả các nhiễu xạ đồ trên, các hiệu ứng ở 0,7 và 0,3 nm đều bị mất đi khi mẫu được bão hòa K+ và xử lý tại 550oC, như vậy có thể khẳng định trong mẫu đất có sự hiện diện của kaolinit. Hiệu ứng ~1,4 nm cho biết thành phần khoáng có thể bao gồm các nhóm 2:1 (smectit, vermiculit) hay 2:1:1 (clorit). Khi solvat hóa mẫu với ethylen glycol không cho thấy sự dịch chuyển của hiệu ứng 1,4 nm lên giá trị cao hơn trên nhiễu xạ đồ, do đó có thể khẳng định trong mẫu đất không có sự hiện diện của khoáng trương nở (smectit). Các hiệu ứng ở 1,4 và 0,4 nm cho biết trong mẫu nghiên cứu có thể có vermiculit hoặc clorit. Việc nhận biết vermiculit dựa vào sự giảm cường độ của hiệu ứng 1,4 nm và sự tăng lên tương ứng của đỉnh 1,0 nm khi mẫu bão hòa K+ so với mẫu bão hòa Mg2+. Trong mẫu đất nghiên cứu không quan sát thấy hiện tượng này do đó vermiculit cũng không có mặt trong mẫu đất nghiên cứu. Hình 10: Nhiễu xạ đồ X-ray của mẫu đất nghiên cứu (độ sâu 0 – 25 cm) a) bão hòa Mg kết hợp xử lý với ethylenglycol; b) bão hòa trong Mg; c) bão hòa trong K; d) bão hòa K kết hợp xử lý nhiệt ở 5500C. Clorit là một khoáng khá bền vững và không thay đổi khi xử lý mẫu với các cation hay solvat hóa với ethylen glycol. Xử lý nhiệt có ảnh hưởng nhất định đến các peak nhiễu xạ của khoáng này. Nhiễu xạ đồ hình 10 cho thấy, khi mẫu sét bão hòa K+ và xử lý ở nhiệt độ 550oC, hiệu ứng 1,4 nm bị biến dạng và xuất hiện các hiệu ứng ở lân cận trong khoảng 1,0 ÷ 1,4 nm. Đây là dấu hiệu cho sự có mặt của clorit trong mẫu. Hiệu ứng ở 1,0 và 0,5 nm tương ứng với phản xạ [001] và [002] của khoáng 2:1 không trương nở là illit. Đây là khoáng sét bền vững không bị ảnh hưởng bởi sự bão hòa các cation, solvat hóa với cation hữu cơ hay xử lý mẫu ở nhiệt độ cao (550oC). Nhiễu xạ đồ trên cho thấy cả bốn phương pháp xử lý đều không làm mất đi hiệu ứng 1,0 và 0,5 nm. Do đó có thể khẳng định sự có mặt của illit trong cấp hạt sét Dựa vào cường độ (độ cao) của các hiệu ứng đặc trưng cho từng loại khoáng được phát hiện thấy ở trong mẫu nghiên cứu có thể định hướng một cách tương đối hàm lượng của các loại khoáng này theo thứ tự giảm dần như sau: illit > kaolinit > clorit. Tuy nhiên, các loại khoáng trên (illit, kaolinit và clorit) đều có khả năng hấp phụ kém. Đây là các khoáng có khả năng trương nở và trữ nước kém, chúng đều thuộc nhóm có CEC thấp đặc biệt là kaolinit, có điện tích cấu trúc cao, khả năng hydrat hóa hạn chế, kích thước cấp hạt lớn và bề mặt ít âm điện nên khả năng phân tán kém. Ngoài ra, thành phần của khoáng sét cũng có vai trò quan trọng đến tính chất cơ lý của đất như TPCG, độ xốp, tính dẻo... các yếu tố này sẽ gây ra những ảnh hưởng tới đặc tính keo sét trong đất. 3.3. Ảnh hưởng của pH, các ion và chất hữu cơ hòa tan đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu 3.3.1. Ảnh hưởng của pH Trong môi trường axit, bề mặt rìa của khoáng sét tích điện dương thúc đẩy sự hình thành cấu trúc liên kết bề mặt – rìa – bề mặt (Van Olphen, 1977), do đó quá trình tụ keo diễn ra nhanh chóng. Ngược lại, ở pH lớn hơn, quá trình cho proton tại các vị trí bề mặt rìa của khoáng sét làm cho lưới điện tích bề mặt có xu hướng âm điện hơn. Vì vậy các hạt sét có xu hướng đẩy nhau và duy trì trạng thái phân tán trong dung dịch. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng pH dưới đây sẽ chứng minh cho nhận định này. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của pH đến khả năng phân tán của khoáng sét được tiến hành với các giá trị pH khác nhau trong khoảng 1 – 10. Mẫu được lắng để sau 3h rồi tiến hành đo độ truyền qua (T%). Kết quả được thể hiện rõ trong đồ thị sau: Bảng 5: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của pH pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T (%) 88,1 87,3 84,5 13,7 0,96 0,93 0,93 0,93 0,92 0,92 Hình 11: Ảnh hưởng của pH lên khả năng phân tán của khoáng sét Kết quả cho thấy trong môi trường có phản ứng axit mạnh (pH 1 – 3) mẫu khoáng sét keo tụ rất nhanh, độ truyền qua T ~ 90%. Nhưng khi ở các giá trị pH > 4 mẫu sét chuyển về trạng thái phân tán (T ~ 1%). Mật độ truyền qua thay đổi rõ rệt trong khoảng pH 3 – 4. Đây là khoảng bước nhảy chuyển trạng thái từ tụ keo sang tán keo (T: 84 – 10%). Khoảng bước nhảy này cũng khá tương đồng với điểm điện chuyển (pH 5 – 5,5) tại đó các vị trí mang điện tích biến thiên trên bề mặt khoáng sét có thể chuyển từ tích điện âm sang tích điện dương hoặc ngược lại (Van Olphen, 1977). Như vậy pH ảnh hưởng tới quá trình tụ keo của khoáng sét theo chiều giảm dần, pH càng cao thì sự phân tán các hạt sét trong dung dịch tăng lên. Điều này có thể giải thích rằng bề mặt âm của khoáng sét (chứa điện tích vĩnh cửu) được cho là tác nhân ảnh hưởng số một đến sự phân tán – keo tụ của khoáng sét. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy phần rìa của khoáng sét (nơi chứa các điện tích biến thiên) cũng có vai trò nhất định đến sự liên kết giữa các đoàn lạp đất. Phần rìa thường chứa các nhóm OH- có khả năng cho, nhận proton tùy thuộc theo điều kiện môi trường (pH). Điện tích của phần rìa này có thể là âm hoặc dương nên được gọi là điện tích biến thiên. Ở môi trường pH chua thì phần rìa này mang điện tích dương. Đây là cơ sở để hình thành nên các liên kết tĩnh điện rìa khoáng sét (dương) và bề mặt khoáng sét (âm). Kết quả là cấu trúc “card house” được tạo thành (Van Olphen, 1977), và tạo sự keo tụ nhanh chóng. Cấu trúc này có vai trò rất quan trọng đối với đặc tính cơ học trong đất trong điều kiện đất có phản ứng axit. 3.3.2. Ảnh hưởng của cation Các cation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chế trung hòa điện tích bề mặt và làm giảm lớp điện kép của các hạt sét. Sự có mặt của các cation sẽ thúc đẩy liên kết giữa các hạt sét trong dung dịch. Cation có hóa trị càng cao thì sự liên kết càng mạnh, điều này giúp cho khoáng sét keo tụ nhanh hơn. Thí nghiệm phân tích ảnh hưởng của các cation lên đặc tính keo của khoáng sét trong dung dịch được tiến hành trong ống nghiệm với sự có mặt của các cation khác nhau (Na+, Ca2+, Al3+) ở các nồng độ khác nhau. Dưới đây là các biểu đồ thể h