Nghiên cứu sự linh động của khoáng sét trong đất dốc huyện sóc sơn dưới ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đất

Trạng thái tán keo hay tụ keo của khoáng sét trong đất dốc sự linh động củakhoáng sét một mặt phụ thuộc vào đặc điểm nội tại của khoáng sét ví dụ như thànhphần khoáng, kích thước tinh th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-CHỬ THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU SỰ LINH ĐỘNG CỦA KHOÁNG SÉT TRONG ĐẤT DỐC HUYỆN SÓC SƠN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-CHỬ THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU SỰ LINH ĐỘNG CỦA KHOÁNG SÉT TRONG ĐẤT DỐC HUYỆN SÓC SƠN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN NGỌC MINH

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài luận văn này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Ngọc Minh – Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành bài luận văn này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các cán bộ làm việc trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất đã giúp đỡ, hướng dẫn, giúp tôi trong quá trình thí nghiệm để hoàn thành luận văn.

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, đóng góp ý kiến giúp tôi trong quá trình hoàn thành bài luận văn này.

Luận văn thạc sỹ này nhận được sự hỗ trợ từ đề tài mã số 105.08-2013.01

do Quỹ Nafosted tài trợ.

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Học viên

Chử Thị Loan

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG .iii

DANH MỤC HÌNH .iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu 3

1.1.1 Vị trí địa lý 3

1.1.2 Điều kiện khí hậu - thuỷ văn 3

a Khí hậu 3

b Thuỷ văn 4

1.1.3 Địa hình 4

1.1.4 Đặc điểm địa chất địa mạo 5

1.1.5 Tài nguyên khoáng sản 5

1.1.6 Đặc điểm lớp phủ thực vật 5

1.1.7 Diện tích, cơ cấu các loại đất 6

1.2 Một số đặc điểm của keo sét trong đất 7

1.2.1 Đặc điểm chính của keo đất 7

1.2.2 Phân loại keo đất 9

a Dựa vào tính mang điện 9

b Dựa vào thành phần hoá học 10

1.2.3 Keo sét trong đất 10

a Ðặc điểm chung của keo sét 10

b Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính 12

c Keo sét trong đất Việt Nam 16

1.3 Ảnh hưởng của một số tính chất lý hóa đến đặc tính keo của khoáng sét trong đất 16

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Đối tượng nghiên cứu 20

2.2 Nội dung nghiên cứu 20

2.3 Phương pháp nghiên cứu 21

2.3.1 Xác định các tính chất lý – hóa học cơ bản của đất 21

2.3.2 Chuẩn bị mẫu và các dung dịch làm việc 21

2.3.3 Xác định thành phần khoáng sét 22

2.3.4 Thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm 23

a Ảnh hưởng của cation 23

b Ảnh hưởng của pH 23

c Ảnh hưởng của humat 23

d Ảnh hưởng của axit silicic 24

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Một số đặc tính lý – hóa học cơ bản của đất nghiên cứu 25

3.2 Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu 27

3.3 Ảnh hưởng của pH, các cation, humat và axit silicic đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu 30

3.3.1 Ảnh hưởng của pH 30

3.3.2 Ảnh hưởng của cation 32

3.3.3 Ảnh hưởng của humat 36

3.3.4 Ảnh hưởng của axit silicic 38

3.4 Cơ sở khoa học cho một số giải pháp hạn chế xói mòn đất dựa trên đặc tính keo của khoáng sét trong đất nghiên cứu 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

1 Kết luận 44

2 Kiến nghị 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 49

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Diện tích, cơ cấu các loại đất huyện Sóc Sơn 6

Bảng 2: Các chỉ tiêu cơ bản của đất 21

Bảng 3: Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu tại Sóc Sơn 25

Bảng 4: Thành phần cấp hạt của các tầng đất (USDA) 27

Bảng 5: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của pH 31

Bảng 6: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của Na+ 33

Bảng 7: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của Ca2+ 34

Bảng 8: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của Al3+ 34

Bảng 9: Kết quả đo độ truyền qua dưới ảnh hưởng của humat 37

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo khối tứ diện oxit silic, phiến oxit silic và khối bát diện, phiến gipxit 11

Hình 2: Sơ đồ cấu trúc kaolinit 13

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc montmorillonit 14

Hình 4: Sơ đồ cấu trúc của hydromica 15

Hình 5: Biểu đồ nhiễu xạ tia X của khoáng sét tách ra từ mẫu đất nghiên cứu (độ sâu 0 – 20 cm) 30

Hình 6: Ảnh hưởng của pH lên khả năng phân tán của khoáng sét 31

Hình 7: Ảnh hưởng của Na+ lên khả năng phân tán của khoáng sét 33

Hình 8: Ảnh hưởng của Ca2+ lên khả năng phân tán của khoáng sét 34

Hình 9: Ảnh hưởng của Al3+ lên khả năng phân tán của khoáng sét 35

Hình 10: Ảnh hưởng của các cation đến sự tụ keo của sét trong dung dịch 36

Hình 11: Ảnh hưởng của humat lên khả năng phân tán của khoáng sét 37

Hình 13: Ảnh hưởng của axit silicic tới sự phân tán của khoáng sét (tại pH 4) 40

Hình 14: Ảnh hưởng của axit silicic tới sự phân tán của khoáng sét (tại pH 5) 41

Vĩ độ Bắc

LỜI MỞ ĐẦU

Xói mòn, rửa trôi và sạt lở đất là một trong những vấn đề gây suy thoái đấtnghiêm trọng ở nước ta Đặc biệt, Việt Nam với ¾ diện tích là đồi núi, tốc độ dòngchảy bề mặt lớn và thảm thực vật bị hủy hoại… càng làm bóc mòn lớp đất bề mặt,làm mất đất, mất chất dinh dưỡng, đất trở nên nghèo kiệt, khó có khả năng phục hồi.Các yếu tố như đặc điểm thổ nhưỡng, địa hình, lớp phủ thực vật… có vai trò cốt yếuđối với xói mòn đất và đã được nghiên cứu hết sức rộng rãi Mặt khác, ở cấp độ vi

mô, bản thân các hạt sét cũng đóng vai trò nhất định nhờ đặc tính hoạt động củamình Khi bị tác động bởi các dòng chảy bề mặt, trạng thái tụ keo hay tán keo có thểquyết định phần nào đến sự vận chuyển của các hạt sét theo dòng nước

Việc mất sét có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính bền vững của cấu trúc đất,theo thời gian, cấu trúc đất yếu đi Đặc biệt trên những vùng đất dốc sẽ là nguyênnhân góp phần dẫn đến hiện tượng xói mòn, rửa trôi và sạt lở đất khi có tác độngbởi nước

Khoáng sét là thành phần vô cơ nhỏ bé của đất, có những tính chất đặc thùnhư: có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp phụ, liên kết nhờ lực hút tĩnh điện.Trong môi trường nước, khoáng sét sẽ hình thành một hệ keo (tán keo, tụ keo).Khoáng sét ở trạng thái tụ keo sẽ ít linh động hơn, chúng gắn kết và giảm khả năng

bị mất do xói mòn Ngược lại nếu ở trạng thái tán keo, khoáng sét sẽ di chuyển linhhoạt hơn, nguy cơ xói mòn và rửa trôi khoáng sét trong đất sẽ cao hơn

Trạng thái tán keo hay tụ keo của khoáng sét trong đất dốc (sự linh động củakhoáng sét) một mặt phụ thuộc vào đặc điểm nội tại của khoáng sét ví dụ như thànhphần khoáng, kích thước tinh thể, khả năng co trương, điện tích bề mặt…, mặt khácphụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài như: pH, các ion, chất hữu cơ hòa tan trongđất, axit silicic… Do vậy, ngoài những giải pháp vĩ mô được áp dụng để bảo vệ đấtnhư: áp dụng các phương thức canh tác bền vững, bón phân, vôi để cải tạo đồ phìđất…, ở cấp độ vi mô, “nghiên cứu sự linh động của khoáng sét trong đất dốc dướitác động của một số yếu tố môi trường đất” sẽ cung cấp một giải pháp mới cho việcbảo vệ chống xói mòn đất, cải tạo môi trường đất dốc

Trong nghiên cứu này, cấp hạt sét được tách ra từ mẫu đất đồi núi khu vựcSóc Sơn – Hà Nội Để xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất như

pH, các cation (Na+, Ca+, Al3+), anion hữu cơ (humat), axit silicic đến sự linh độngcủa khoáng sét trong dung dịch, các thí nghiệm về tán keo, tụ keo của khoáng sétđược thực hiện trong ống nghiệm dưới ảnh hưởng của các chất ở các nồng độ khácnhau Kết quả nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp giảm thiểu sự mất sét và cảithiện tính bền vững của cấu trúc đất dưới tác động của xói mòn đất

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN

CỨU 1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu

1.1.1 Vị trí địa lý

Sóc Sơn là một huyện ngoại thành ở phía Bắc thủ đô Hà Nội, có trung tâm làthị trấn huyện lỵ Sóc Sơn cách trung tâm Hà Nội 35 km theo quốc lộ 3A Hà Nội -Thái Nguyên bao gồm 26 đơn vị hành chính (25 xã và 01 thị trấn)

- Phía Bắc giáp với huyện Phổ Yên - Thái Nguyên

- Phía Đông Bắc giáp với huyện Hiệp Hòa - Bắc Giang

- Phía Đông giáp với huyện Yên Phong - Bắc Ninh

- Phía Nam giáp với huyện Đông Anh - Hà Nội

- Phía Tây Nam giáp với huyện Mê Linh - Vĩnh Phúc

Huyện có vị trí cửa ngõ của Thủ đô Hà Nội, là địa bàn có vị trí thuận lợi với

hệ thống giao thông đối ngoại phát triển, đặc biệt là cảng hàng không quốc tế NộiBài, các trục quốc lộ lớn, vì vậy có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển nhanh nềnkinh tế - xã hội

1.1.2 Điều kiện khí hậu - thuỷ văn

a Khí hậu

Khí hậu vùng Sóc Sơn mang đặc điểm khí hậu vùng đồng bằng sông Hồng,chịu ảnh hưởng của chế độ nhiệt đới ẩm gió mùa nội chí tuyến, có hai mùa rõ rệt:mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 và mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 10

Nhiệt độ không khí trung bình trong năm là 23oC Nhiệt độ không khí ngàycao nhất trong năm là 42oC Nhiệt độ không khí ngày thấp nhất trong năm là 5oC.Chênh lệch nhiệt độ tháng nóng nhất (tháng 7) và tháng lạnh nhất (tháng 1) theo sốliệu của trạm khí tượng Phúc Yên trung bình là 13,1oC

Lượng mưa trung bình trong năm là 1480 mm, lượng mưa năm cao nhất là

1952 mm và lượng mưa năm thấp nhất là 915 mm Lượng mưa chủ yếu tập trungvào tháng 5 đến tháng 9 chiếm 78% lượng mưa cả năm

Độ ẩm cao nhất trong năm là 95 - 100% tập trung vào các tháng 4, 9 và 12,thấp nhất vào các tháng 11, 12

Hướng gió chủ đạo: mùa hè là hướng Đông Nam, mùa đông là hướng ĐôngBắc Tốc độ gió trung bình trong năm là 3 m/s.

Các yếu tố khí hậu khác: sương muối có từ 2- 3 ngày/năm, mưa phùn cókhoảng 40 ngày/năm, số giờ nắng trung bình 1620 giờ/năm và lượng bức xạ trungbình 8,5 kcal/cm2/tháng

b Thuỷ văn

Huyện Sóc Sơn có 3 tuyến sông chính chảy qua:

- Sông Cà Lồ chảy qua phía nam của huyện với chiều dài 56km Đê Cà Lồ

có chiều dài 20,3 km từ xã Phủ Lỗ đến xã Lương Phúc

- Sông Cầu chảy qua phía Đông của huyện với chiều dài 13 km, từ xã TrungGiã đến xã Việt Long

- Sông Công chảy qua phía Bắc của huyện với chiều dài 11 km, là sông nhánh nhập với sông Cầu tại xã Trung Giã

1.1.3 Địa hình

Tổng diện tích đất tự nhiên của huyện Sóc Sơn là 30.651,30 ha, nằm trongvùng chuyển tiếp từ vùng núi Tam Đảo xuống đồng bằng sông Hồng Địa hình đadạng, phức tạp có độ dốc thoải dần từ đông bắc xuống đông nam, gồm 2 vùng địahình đặc trưng:

- Vùng bán sơn địa, đồi núi thấp: có cao độ chân đồi 15 m, cao độ đỉnh đồi 300

m, gồm một phần các xã Bắc Sơn, Nam Sơn, Minh Phù, Minh Trì, Phù Linh,

Quảng Tiều

- Vùng đồng bằng chia làm 3 khu vực:

+ Khu vực có cao độ 10 - 15 m, địa hình bằng phẳng dốc thoải dần từ Tây

Bắc đến Đông Nam, thuộc phần lớn các xã: Tiêu Dược, Mai Đình, Đức Hoà, Phủ

Lỗ, Bắc Sơn, Nam Sơn, Hiền Ninh

+ Khu vực có cao độ 5 – 10 m, địa hình chia cắt không bằng phẳng, thoátnước cần phải có trạm bơm, phần lớn diện tích thuộc các xã: Tân Minh, Đức Hòa,Thanh Xuân, Phú Cường, Tân Dân, Phù Minh

+ Khu vực có độ cao < 5 m, địa hình bằng phẳng, thấp trũng thuộc một phầndiện tích của các xã: Việt Long, Bắc Phú, Tân Hưng, Xuân Giang, Kim Lũ, XuânThu.

1.1.4 Đặc điểm địa chất – địa mạo

Huyện Sóc Sơn có 2/3 là đồi núi Địa hình phức tạp và đa dạng, chia làm 3vùng rõ rệt: vùng núi, vùng núi thấp và vùng đồng bằng ven sông

Địa hình có độ chênh lệch khá lớn: nơi cao nhất là 303 m, nơi thấp nhất là3,2 m Do địa hình như vậy nên nguy cơ đất bạc màu, rửa trôi là rất lớn, đặc biệt làcác vùng có lớp phủ thực vật nghèo kiệt

Sóc Sơn là vùng rìa Đông Bắc Bắc Bộ, về mặt địa chất thuộc rìa cấu trúcvùng Bắc Bộ, các thành hệ địa chất thành tạo nên đất đá khu vực gồm có:

- T2LuK2: hệ tầng Nà khuất gồm: cát bột kết, sét kết màu xám, phong hóa màu nâu đỏ, không chứa nước

- Qm2VP: Tầng phong hoá tuổi đệ tứ Pleixtoxen muộn gồm: các thành tạo

aluvi tới nơi có tầng hồ (sét kaolin màu trắng) tầng đầm lầy

Phần lớn đất đá trên đồi bị laterit mạnh mẽ tạo thành các tầng đá ong dầy.Đối với vùng Đông Bắc theo tài liệu tham khảo có 4 lớp từ trên xuống:

Lớp 1: đất hữu cơ có chiều dày 0,6 - 0,8 m

Lớp 2: Lớp sét nhẹ có độ sâu từ 0,6 đến 4 - 5 m

Lớp 3: Cát pha hạt mịn có lăng kính sét pha dẻo nằm ở độ sâu 4 - 5 m đến 25 m.Lớp 4: lớp cuội sỏi có mạch nước ngầm ở độ sâu từ 25 m trở lên

1.1.5 Tài nguyên khoáng sản

Ngoài nguồn tài nguyên về nước ngầm, Sóc Sơn còn có nguồn nước mặt của sông Công, sông Cầu và nguồn vật liệu xây dựng như cát, sỏi và kaolin

Khu vực đồi núi thấp có thế cảnh quan thiên nhiên có thể khai thác phát triển

du lịch, lâm nghiệp

1.1.6 Đặc điểm lớp phủ thực vật

Với 2/3 diện tích là vùng đồi núi nên Sóc Sơn chủ yếu là đất rừng Do khai thác không hợp lý và thiếu sự quản lý, toàn bộ rừng gỗ tự nhiên vùng đồi núi Sóc

Sơn trước đây đã bị khai thác Tiếp đó là các nạn cháy rừng, cháy thảm cỏ, cây bụi

liên tiếp xảy ra trong mùa khô nên hệ thực vật hiện tại rất nghèo nàn Hầu hết các

loại gỗ trong tổ thành rừng tự nhiên ban đầu đều đã không còn, qua số liệu thống kê

hiện nay chỉ còn khoảng 150 loài, trong đó:

- Các loài cây gỗ lớn: lim, dẻ, sồi, chẹo, sau sau… là những cá thể rất nhỏ

còn sót lại Các loại như đa, si, long não… mọc rải rác ở các đền, chùa, ven

suối, khu dân cư

- Các loại cây nhỡ, cây bụi như: sim, mua, thanh hao…số lượng lớn, phân bố

hầu hết toàn diện tích đồi gò

- Các loại cây trồng như keo, bạch đàn, thông, muỗng…

- Các loài cây ăn quả như vải thiều, na, nhãn, cam, quýt

1.1.7 Diện tích, cơ cấu các loại đất

Tài nguyên đất của huyện có tổng diện tích 30.651,30 ha, bố trí ở các nhóm:

Đất phù sa 5.061 ha, đất bạc màu 12.501 ha, đất ferranit 9.733 ha, đất khác 3.356,30

ha

Bảng 1: Diện tích, cơ cấu các loại đất huyện Sóc Sơn

TỔNG DIỆN TÍCH TỰ NHIÊN

Đất trồng lúa Đất trồng cây lâu năm Đất rừng phòng hộ

Nguồn: Quyết định số 32/QĐ-UBND ngày 02 tháng 01 năm 2014 của

UBND thành phố Hà Nội về việc phê duyệt Quy hoạch sử dụng đất đến năm

2020, kế

hoạch sử dụng đất 5 năm kỳ đầu (2011-2015) huyện Sóc Sơn.

1.2 Một số đặc điểm của keo sét trong đất

1.2.1 Đặc điểm chính của keo đất

Keo đất là một hệ thống đa phân tán phức tạp bao gồm các hạt có kích thướckhác nhau, ít tan trong nước, có đường kính rất nhỏ Về kích thước của hạt keo giữamột số tác giả không thống nhất Theo Garrison Sposito (1939) đường kính hạt keo daođộng từ 0,01 - 10 m (1 m = 10-6 m), hoặc nhỏ hơn 1 m theo McNeal (1966), hoặcnhỏ hơn 0,2 m theo Vozbutskaia (1968) hoặc bán kính nhỏ hơn 1 m theo Van Olphen(1977), Lượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 –

2% (đất cát) đến 40 – 50% khối lượng đất (đất sét) Ngay cả khi có hàm lượng rấtnhỏ trong đất, keo đất vẫn là đại diện chủ yếu cho khả năng hấp phụ của đất

Trong đất có keo vô cơ, keo hữu cơ và keo phức tạp hữu cơ – vô cơ Nhữngkeo vô cơ được tạo thành do tác dụng phong hoá đá hoặc do sự ngưng tụ các phân

tử trong dung dịch, keo hữu cơ tạo thành do quá trình biến hoá xác hữu cơ trong đất.Keo vô cơ kết hợp với keo hữu cơ thành keo hữu cơ – vô cơ

Keo đất có tỷ diện lớn Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn khốilượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3) Keo đất có kích thước rất bé nên tỷ diện của

nó rất lớn Như vậy đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là đất cát

Keo đất mang điện: Ðây là một đặc tính rất quan trọng của keo đất mà cáchạt đất có kích thước lớn không có Do hạt keo có kích thước rất nhỏ nên hạt nhâncủa keo có thể hấp phụ lên trên bề mặt các ion khác nhau Sự hấp phụ này phụ thuộcvào bản chất của keo Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất có thể mangđiện âm hoặc điện dương Trong đất có keo âm, keo dương và keo lưỡng tính, phầnlớn keo đất mang điện âm Những keo đất phổ biến là axit mùn, hydroxit sắt, nhôm

và keo sét Nói chung hàm lượng keo phụ thuộc tỷ lệ sét và mùn trong đất, đất càngnhiều sét và mùn thì càng chứa nhiều keo Các keo âm thường gặp là các axit mùn,keo sét Các keo lưỡng tính thường gặp trong đất là Fe(OH)3, Al(OH)3

Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khác nhau: Trạng thái keo tán (sol) vàtrạng thái keo tụ (gel) Khi những hạt keo phân bố trong một thể tích nước thì chúngnằm xa cách nhau, đó là trạng thái sol (hay hydrosol) Trong trường hợp này môitrường phân tán là nước, tướng phân tán là các hạt keo Như thế sol chỉ keo ở trạng

thái lơ lửng trong chất lỏng Hiện tượng này do các nguyên nhân: Do thế điện động(thế zeta) làm cho các hạt keo đẩy nhau không tiến lại gần nhau được, hoặc do màngnước bao bọc ngoài keo ngăn cản không cho chúng dính liền nhau Song trong thiênnhiên lại có cả quá trình tụ keo, nghĩa là quá trình biến sol thành gel Quá trình nàychỉ xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy Sự tụkeo có thể do những nguyên nhân chính sau:

+ Keo tụ do tác dụng của chất điện ly: Đây là nguyên nhân chủ yếu Ion chấtđiện ly tiếp xúc với hạt keo, điện của keo sẽ bị trung hoà bởi ion mang điện trái dấu

Ta biết, đa số keo đất mang điện âm nên nói chung chúng bị tụ keo do

có cation trong dung dịch đất Do chất điện ly là một muối, các ion của muối nàyhydrat hoá lấy nước của hạt keo, làm giảm bề dày màng nước giúp cho chúng có thểgần nhau; mặt khác ion muối ngăn cản khả năng điện phân của các cation trao đổilàm giảm thế zeta Cả 2 nguyên nhân đó dẫn tới hiện tượng keo đất liên kết với nhautạo thành trạng thái tụ keo Hoá trị của cation càng cao thì sự tụ keo càng mạnh Cáccation hoá trị 1 như Na+, K+, H+ có tác dụng thúc đẩy keo tụ nhưng không bền, khichất điện ly trong dung dịch bị rửa trôi thì xảy ra hiện tượng tán keo

+ Keo tụ do hiện tượng mất nước: Tuỳ khả năng giữ nước người ta chia keothành keo ưa nước và keo ghét nước Keo ưa nước trên bề mặt có những phân tửnước hoặc chất lỏng như dung dịch đất Những keo ưa nước như gelatin, nhựa cây,một vài chất hữu cơ trong đất, một số keo sét Keo kỵ nước như hydroxít sắt,kaolinit Chúng không có màng nước xung quanh nên dễ keo tụ, chỉ cần dùng dungdịch muối nồng độ thấp Trái lại các keo ưa nước chỉ keo tụ trong trường hợp chấtđiện ly ở nồng độ cao Những lúc thời tiết hanh khô hoặc hạn hán kéo dài làm chođất khô thì keo ưa nước cũng có thể ngưng tụ do màng nước quanh nó bị mất

+ Keo tụ do sự liên kết hai hạt keo mang điện trái dấu: Như trên đã nói, đa sốkeo đất mang điện âm Tuy nhiên vẫn gặp một số keo mang điện dương như keoFe(OH)3, Al(OH)3, khi keo âm và keo dương kết hợp với nhau, sau lúc trung hoà điện tạo thành gel hỗn hợp Nếu số lượng keo âm nhiều gấp bội keo dương thì các

keo âm bao bọc keo dương tạo thành màng bảo vệ mang điện âm, kết quả lại tạothành sol.

Trong đất, keo đất giữ vai trò rất quan trọng vì chúng quyết định nhiều tínhchất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá hoc, đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất Bởivậy những lý luận về keo được vận dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân loại đất, cảitạo đất và bón phân cho đất

1.2.2 Phân loại keo đất

Những keo đất phổ biến là humat, hydroxit sắt, nhôm và keo sét Nói chunghàm lượng keo phụ thuộc tỷ lệ sét và mùn trong đất, đất càng nhiều sét và mùn thìcàng chứa nhiều keo Người ta phân loại keo đất dựa vào các yếu tố sau:

a Dựa vào tính mang điện

Theo tính mang điện của keo, có thể chia keo đất thành các loại: Keo âm, keodương và keo lưỡng tính

Trên mặt nhân keo mang điện âm hay nói cách khác là lớp ion quyết định thế

là những anion Các ion trên lớp điện bù là H+ hoặc các cation khác Ký hiệu keo

âm là X-H Trong đất, keo âm chiếm đa số Thường gặp là humat, keo sét

Fe(OH)3 + HCl  Fe(OH)2+ + Cl- +H2O (keo dương)Fe(OH)3 + NaOH  Fe(OH)2O- + Na+ + H2O (keo âm)

Ðối với keo Al(OH)3 khi pH < 8,1 biểu hiện keo dương, khi pH > 8,1 là keo âm(điểm đẳng điện của keo tại pH = 8,1):

Al(OH)3 + HCl  Al(OH)2+ + Cl- + H2O (keo dương)Al(OH)3 + NaOH  Al(OH)2O- + Na+ + H2O (keo âm)

b Dựa vào thành phần hoá học

Dựa vào thành phần hoá học có thể chia keo đất thành các loại: Keo hữu cơ,keo vô cơ và keo hữu cơ – vô cơ

- Keo hữu cơ

Keo hữu cơ tạo thành do sự phân hủy xác sinh vật trong đất Nói chung lớpđất mặt chứa nhiều keo hữu cơ hơn các lớp dưới Các keo hữu cơ thường gặp làhumat, axit fulvic, protit, xellulo, nhựa và các hợp chất hữu cơ phức tạp khác.Những nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên keo hữu cơ là C, H, O, N, S, P và một lượngnhỏ Na, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si

- Keo vô cơ (keo khoáng)

Chủ yếu là keo nhôm silicat được hình thành do kết quả phá huỷ đá và

khoáng vật tạo thành

- Keo hữu cơ – vô cơ

Các keo hữu cơ ít ở trạng thái tự do mà thường liên kết chặt với các chấtkhoáng hoặc các keo vô cơ tạo thành keo hữu cơ – vô cơ phức tạp

1.2.3 Keo sét trong đất

Các keo sét thuộc loại keo vô cơ, là các khoáng vật thứ sinh aluminosilicat,được hình thành do sự biến đổi từ các khoáng vật nguyên sinh trong quá trình phonghoá hình thành đất, phân bố rộng rãi trong các loại đất Các khoáng vật này là thànhphần chủ yếu của cấp hạt sét vì vậy chúng được gọi là các khoáng vật sét Chúngđược phân biệt với nhau bởi mức độ phân tán cao, không tan trong nước

Trong đất có nhiều loại keo sét, nhưng trong chúng có vai trò quan trọng nhất

là các keo sét nhóm kaolinit, montmorillonit và hydromica

a Ðặc điểm chung của keo sét

- Cấu tạo lớp của keo sét được tạo thành do sự liên kết của phiến khối tứ diện(bốn mặt) oxit silic và phiến khối bát diện (tám mặt) gipxit Phiến oxit silic được tạo

thành do sự gắn liền các khối tứ diện oxit silic với nhau Mỗi khối tứ diện ở chínhgiữa là một nguyên tử silic, bốn đỉnh là bốn nguyên tử oxi Như thế thì khi ghépthành phiến hai bên là hai lớp oxi, giữa là lớp silic Phiến gipxit được tạo thành do

sự gắn liền các khối bát diện với nhau Mỗi khối bát diện chính giữa có một nguyên

tử Al, xung quanh có 6 oxi hay 6 OH- hoặc vừa oxi vừa OH- (hình 1).

- Ở một số khoáng vật, trong đó có các khoáng vật sét (keo sét) có hiện

tượng một số nguyên tố trong mạng lưới tinh thể của chúng có thể bị các nguyên tốkhác ở bên ngoài vào thay thế Sự thay thế này không làm thay đổi hình dạng củakhoáng vật mà chỉ thay đổi tính chất Vì thế gọi là hiện tượng thay thế đồng hình

thường bị Al3+ thế, có trường hợp Mn3+ hoặc P5+ thay thế Si4+ song rất ít; Trongkhối bát diện Al3+ bị Mg2+ hoặc Fe2+ thế.

Đặc điểm của sự thay thế là nếu hoá trị của 2 ion thay thế tương đương nhauthì không những không thấy điểm gì khác trên tinh thể mà còn làm cho khoáng vậttrung hoà điện Nếu hóa trị của chúng chênh lệch nhau thì khoáng vật mang điện âmhoặc dương Ví dụ Al3+ thế cho Si4+ thì khoáng vật mang điện âm, P5+ thế cho Si4+khoáng vật mang điện dương Hiện tượng thay thế đồng hình thường gặp ở keo sét

là Al3+ thế Si4+ hoặc Mg2+ thế Al3+ vì vậy keo sét mang điện âm có thể hấp phụcation

b Ðặc điểm của các nhóm keo sét chính

- Nhóm kaolin: Nhóm này gồm keo kaolinit và halloysit,

Khoảng cách giữa các lớp không đổi và bằng 7,2 Å Rất ít hoặc không cóhiện tượng thay thế đồng hình xảy ra trong mạng lưới tinh thể Lực liên kết giữa cáclớp tinh thể tầng trong kaolinit rất chặt nên không thể co giãn để mở rộng khe hởhút nước và không có khả năng trương lở Do các đặc điểm trên mà khả năng hấpphụ của kaolinit thường thấp (CEC = 5 – 15 me/100g keo) Bởi vậy, đất nào chứanhiều keo nhóm kaolinit thì tính giữ phân và giữ nước kém

PhiÕn 6(OH)

4O + 2(OH) PhiÕn

oxit silic 4Si

6O

Hình 2: Sơ đồ cấu trúc kaolinit

- Nhóm montmorillonit: Nhóm này gồm keo montmorillonit,

baydenlit và

nontronit Có cấu trúc lớp 2:1, nghĩa là mỗi lớp tinh thể gồm 2 phiến oxit silic nằm

ở 2 bên và một phiến gipxit ở giữa (hình 3).

Cấu trúc của montmorillonit phù hợp với công thức Al2Si4O10(OH)2.nH2O.Baydelit khác với montmorillonit ở chỗ, 1 trong 4 ion Si4+ của lớp khối tứ diện oxitsilic bị thay thế bằng Al3+, điện tích âm dư thừa được bù bằng cách thay thế 1 trongcác 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 thếbằng 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 lớp của montmorilonit thay đổi rấtmạnh từ 9,6 đến 21,4 Å, phụ thuộc vào lượng nước được hút vào khe hở giữa cáclớp Khi hút nước keo sét montmorillonit 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 phiếngipxit Kết quả là keo mang điện âm có thể hấp phụ cation Lực liên kết giữa các lớptinh thể của montmorillonit kém chặt nên có thể giãn nở khi hút thêm nước vàcation

Do những đặc điểm trên mà khả năng hấp phụ cation của nhóm keo này rấtcao (CEC = 80 – 150 me/100 g) Bởi vậy, đất nào chứa nhiều keo đất nhómmontmorillonit thì tính giữ phân và nước khá cao.

°

9,6-21,4 A

PhiÕn oxit silic

PhiÕn gipxit

PhiÕn oxit silic

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc montmorillonit

- Nhóm hydromica: Chiếm một lượng lớn trong số các keo sét của đất, bao

gồm các loại sau: Hydromica trắng (hydromuscovit hoặc illit), hydromica đen

(hydrobiotit) và các dạng khác của mica bị hydrat hoá Hydromica có cấu trúc lớp

2:1 tương tự montmorillonit (hình 4).

Khoảng cách giữa các lớp không đổi và bằng 10 Å Nhóm hydromica có hiệntượng 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 cóthể hấp phụ cation đặc biệt là K+ phân bố ở khe hở giữa các lớp

Do lực liên kết giữa các lớp tinh thể khá bền vững vì vậy keo thường có tínhtrương thấp và khả năng hấp phụ không cao Khả năng hấp phụ của hydromicakhoảng 20 - 40 me/100g keo

Trong đất cũng thường gặp vermiculit gần giống hydromica, giữa các lớp củamạng lưới tinh thể của keo này tồn tại lớp kép các phân tử nước bao quanh các kimloại, thường là Mg Vermiculit là magiealuminosilicat, Mg có trong các khối bátdiện Trong các khối bát diện Mg2+ có thể được thay thế bằng Fe2+, còn trong cáckhối tứ diện Si4+ được thay thế bằng Al3+ Công thức tổng quát của vermiculit nhưsau:

(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 – 150me/100g keo

Trong đất còn gặp các keo dạng lớp hỗn hợp Trong mạng lưới tinh thể củachúng xen kẽ các lớp khối bát diện của các khoáng vật khác nhau: Montmorillonitvới 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 cáctác giả: Phạm Gia Tu, Nguyễn Vi và Trần Khải, Cao Liêm, Ðào Châu Thu, NguyễnHữu Thành, Nguyễn Ngọc Minh bằng phương pháp hoá học, phương pháp quangphổ, 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 ferralit mùn trên núi trên đá philit, đấtđen 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 ferralit mùn trên philit).+ Ðối với đất đồng bằng: Keo sét chủ yếu của các loại đất vùng đồng bằng làkaolinit và hydromica Vermiculit gặp ở các đất phù sa trung tính ít chua, đất mặntrung tính, đất phèn, đất cát biển Ngoài ra có thể gặp gipxit (đất phù sa chua, đấtbạc 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 cácyếu tố lý – hóa đất Sự kết hợp các tính chất đất sẽ đặc trưng cho nguồn gốc phátsinh 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 thành phần cơ giới 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 séthấp phụ lên bề mặt mang điện tích âm

Các cation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chếtrung 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 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 thúcđẩy sự tán keo Sự có mặt của các anion này làm biến đổi một phần lớp điện képthông qua hai cơ chế: làm tăng điện tích âm trên bề mặt, hoặc cạnh tranh hấp phụvào các vị trí mang điện tích dương trên “bề mặt rìa” Các anion hữu cơ (humat) làkeo âm, do đó khi bị hấp phụ bởi khoáng sét sẽ làm điện tích âm tổng thể củakhoáng sét tăng thêm Kết quả là các anion hữu cơ có mặt càng nhiều thì sự tán keocàng 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 giàuhữu cơ, khoáng sét bị rửa trôi với tốc độ nhanh hơn Hiện tượng này là do sự tánkeo của khoáng sét trong dung dịch đất dưới sự ảnh hưởng của chất hữu cơ hòa tantrong đất Trong môi trường có phản ứng axit, các anion vô cơ thường bị hấp phụtrên “bề mặt rìa”, nơi có các vị trí mang điện tích dương Liên kết “anion – bề mặtrìa” sẽ cạnh tranh và làm giảm các liên kết “bề mặt nền – bề mặt rìa”, trạng thái tánkeo 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 trạngthái tán keo tuân theo thứ tự sau: PO43- > SO42- > Cl-

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng các anion hữu cơ khối lượng phân tửlớn (ví dụ: các axit mùn) có khả năng thúc đẩy sự phân tán của khoáng sét bằngcách: 1) liên kết với “bề mặt rìa” của khoáng sét để ngăn cản sự hình thành cấu trúccard-house và 2) tạo ra các liên kết hữu cơ khoáng có bề mặt âm điện hơn và tạo ralực đẩy lớn hơn giữa các hạt sét (Xu và nnk, 2004; Tejada & Gonzalez, 2007;Nguyen và nnk, 2009)

Độ chua của đất ảnh hưởng đến các quá trình xảy ra trong đất Đối vớikhoáng 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 đấtcùng với sự kết hợp của các yếu tố khác như khí hậu, địa hình, nhiệt độ… Dưới tácđộng 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 tíchsét… bị phá hủy triệt để; các cation kiềm (K, Na) và kiềm thổ (Ca,…) cùng axitsilicic 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 ferralitnhiều nhà khoáng sét và thổ nhưỡng thế giới đã nghiên cứu và khẳng định (Corens,1938; Caller, 1950; Hardon, 1950; Groocbnop, 1974; Jackson, 1968…)

pH của đất cũng ảnh hưởng đến quá trình phân tán của khoáng sét Trên các

bề mặt rìa của khoáng sét, các nhóm OH có khả năng cho hoặc nhận proton tùythuộc vào pH của môi trường (Thellier và nnk, 1992; Kaya, 2006) Trong môitrường có phản ứng chua (pH < 5,5) bề mặt rìa mang điện tích dương, trong khi đó

ở môi trường ít chua hơn hoặc môi trường kiềm tính (pH > 5,5) bề mặt này chuyểnsang mang điện tích âm nhờ các phản ứng cho proton Sự biến động điện tích trên

bề mặt rìa này có khả năng làm đảo chiều một số phản ứng trong đất, ví dụ như:chuyển từ hấp phụ anion sang hấp phụ cation và ngược lại; thay đổi trạng thái hệ

keo sét từ tụ keo sang tán keo và ngược lại (Gu và Doner, 1993; Penner và Lagaly, 2001; Nguyen và nnk, 2009).

Axit silicic có thể bị lấy đi khỏi dung dịch đất bởi nhiều phần tử trong pharắn của đất Trong đất Si có mặt trong nhiều loại khoáng vật nguyên sinh và thứsinh, chiếm từ 0,5 đến 47% trọng lượng của địa quyển Sự hòa tan các khoáng vậtchứa silic giải phóng axit silicic vào môi trường đất Axit silicic hấp phụ lên bề mặtcác khoáng sét thứ sinh, ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của hệ keo và do đó ảnhhường đến đặc tính (tụ keo, tán keo) của hệ keo Tuy nhiên, vai trò của axit silic đốivới sự phân tán của khoáng sét còn ít được biết đến trong các nghiên cứu gần đây.mặc dù silic là một nguyên tố cơ bản và quan trọng trong môi trường đất

Ảnh hưởng của độ ẩm lên khoáng sét thể hiện rõ nhất khi trong đất tồn tạikhoảng trương nở 2:1 (montmorillonit) Cấu trúc đất khi đủ ẩm rất tốt, do cáckhoáng này kết hợp với mùn dạng humatcanxi nên 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 lâuthì 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 nănghấp phụ của khoáng sét Khoáng sét hấp phụ cation hay anion tùy thuộc vào bảnchất mang điện Nếu lượng ion để hấp phụ quá lớn thì bản thân khoáng sét có sựchọn lọc các yếu tố mang điện tích phù hợp và đẩy những ion mang điện không phùhợp

Như vậy giữa các tính chất lý – hóa học đất và khoáng sét trong đất có mốiliên hệ hết sức mật thiết Tương tác qua lại giữa khoáng sét và các thành phần khácnhau trong đất cùng với những tác động đến đặc tính keo của cấp hạt sét sẽ đượctìm hiểu kỹ trong nghiên cứu này

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Mẫu đất:

Mẫu đất được lấy tại khu vực đồi núi có độ dốc 10 – 20o thuộc xã Phù Linh,huyện Sóc Sơn - Hà Nội (Tọa độ: 105o48’48” KĐ; 21o16’17” VB) Mẫu đất nghiêncứu là đất xám ferralit, có phản ứng chua (pHKCl: ~3,9 – 4,1), dung tích trao đổication thấp (CEC: 6,6 – 10,9 cmol+ Kg-1), SOM dao động từ 1,4 – 3,0% Thànhphần khoáng sét khu vực đồi núi Sóc Sơn là đặc trưng kiểu khoáng sét hình thànhtrong điều kiện phong hóa và rửa trôi mạnh trên địa hình dốc và ở khí hậu nhiệt đới,nóng ẩm, mưa nhiều

Mẫu đất được lấy cho từng thí nghiệm cụ thể như sau: Để xác định các tínhchất cơ bản của đất nghiên cứu, các mẫu đất được lấy mẫu theo các tầng phát sinh

và theo phương pháp hỗn hợp; Để xác định thành phần sét, mẫu được lấy ở các vị trí

có độ dốc khác nhau Mẫu đất lấy ở vị trí có độ dốc <10o có hàm lượng sét lớn nhất

và được sử dụng để tách lấy sét cho các thí nghiệm xác định đặc tính keo

- Dung dịch axit silicic thu được bằng cách tiến hành hòa tan silicagel để sửdụng trong thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm với các nồng độ khácnhau

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu thành phần cơ giới và một số đặc tính lý hóa học cơ bản củađất khu vực đồi núi huyện Sóc Sơn – Hà Nội (TPCG, CEC, SOM, nồng độcác ion hòa tan trong nước, hàm lượng sắt, nhôm tổng số…)

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH, các cation (Na+, Ca2+, Al3+), axit silicic

và chất hữu cơ hòa tan (humat) đến trạng thái keo sét trong đất nghiên cứu

Đề xuất một số giải pháp giảm thiểu sự mất sét và cải thiện tính bền vững của cấu trúc đất dưới tác động của xói mòn đất.

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 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:

Bảng 2: Phương pháp xác định một số chỉ tiêu cơ bản của mẫu đất nghiên cứu

2.3.2 Chuẩn bị mẫu và các dung dịch làm việc

- Mẫu sét: Cấp hạt sét (< 2 µm) được tách ra khỏi các cấp hạt có kích thước lớn hơn

trong mẫu đất vùng đồi núi Sóc Sơn theo phương pháp phân tán và gạn trong cộtlắng Cấp hạt sét tách ra từ cột lắng được sấy khô rồi pha trong nước cất 2 lần để tạodung dịch huyền phù có hàm lượng sét ~ 10 mg/ml và 20 mg/ml để phục vụ cho các

thí nghiệm tán keo 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 (105 o C) để thu được sét khô Lấy 5g sét khô pha loãng với 500 ml nước cất 2 lần để

21

lượng 20 mg.mL -1 (**), dung dịch (*) và (**) sẽ được sử dụng cho các thí nghiệm phân tán trong ống nghiệm.

- Dung dịch điện ly: Chuẩn bị các dung dịch chứa các cation với các nồng độ xác định như sau:

+ Na+: 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500 mmol/l;

+ Ca2+: 2,5; 5; 10; 15; 20 mmol/l;

+ Al3+: 1; 2; 3; 5; 7,5; 10 mmol/l

- Dung dịch humat: Humat được tách chiết bằng phương pháp Swift (1996) cải tiến

với 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 humat hòa tan được tách ra qua giấy lọc Sau đó được xử lý với HCl 2M để tạo dung dịch chứa humat 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 humat kết tủa Tiếp tục rửa kết tủa nhiều lần với nước cất

2 lần để loại bỏ HCl dư Humat sau khi thu được lại tiếp tục được hòa tan trong

dung dịch NaOH 0,01M để chuẩn bị các dung dịch humat có nồng độ khác nhau.

- Dung dịch axit silicic: Dung dịch axit silicic được sử dụng trong thí nghiệmthu

được bằng cách tiến hành hòa tan silicagel với quy trình như sau: Ngâm bột silicagel trong nước cất 2 lần ở nhiệt độ 70 o C trong thời gian 48h, sau đó gạn lấy phần dung dịch Nồng độ silic trong dung dịch được xác định bằng phương pháp so màu xanh molipden Dung dịch chứa Si hòa tan được pha loãng với nước cất 2 lần

để có được dung dịch làm việc với hàm lượng 50 mg/l.

2.3.3 Xác định thành phần khoáng sét

Phương pháp nhiễu xạ định hướng (Oriented – mount) được sử dụng để xácđịnh thành phần khoáng sét trong mẫu đất Theo phương pháp này các chùm tia X songsong được chiếu vào lớp mỏng mẫu bột phân tán trên một mặt phẳng (thường là mặtlam kính) Các chùm tia X bị phân tách bởi một detector mà mỗi nhiễu xạ hình chópđược phân biệt trên một cung tròn riêng rẽ Do vậy mà một loạt các giải nhiễu xạ đượcghi lại thành một đường liên tục Cường độ nhiễu xạ hoặc được ghi lại trên giấy hoặc

22

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 550 0 C 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.

2.3.4 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 dịchđược xác định theo phương pháp Lagaly cải biên với quy trình như sau:

Hút 2 ml dung dịch sét nồng độ 10 mg/ml cho vào ống nghiệm, thêm vào 1

ml dung dịch chứa các cation với các nồng độ xác định đã được chuẩn bị tại mục2.3.2, sau đó thêm nước cất đến 10 ml Mẫu được phân tán bằng rung siêu âm (ElmaS30h) trong thời gian 30s để thúc đẩy sự phân tán tối đa của cấp hạt sét, giữ yêntrong 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 truyềnqua lớn biểu thị cho dung dịch không bị vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở trạng tháigel (tụ keo) Ngược lại độ truyền qua nhỏ chứng tỏ dung dịch vẩn đục và các hạt séttồn tại ở trạng thái sol (tán keo)

b Ảnh hưởng của pH

Ảnh hưởng của pH tới đặc tính keo sét được xác định trong môi trường cógiá 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 lần 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 củadung dịch tương tự như thí nghiệm ảnh hưởng của cation

c Ảnh hưởng của humat

Thí nghiệm ảnh hưởng của humat tới đặc tính keo sét được tiến hành nhưsau:

Hút 2 mL dung dịch làm việc (*) cho vào ống nghiệm, Na-humat được chuẩn

bị tại mục 2.3.2 được bổ sung vào các ống nghiệm để có tổng thể tích dung dịchtrong ống nghiệm là 10 mL, và nồng độ Na-humat trong các ống là 5, 10, 20, 30, 40

và 50 mg/L Mẫu sau đó được xử lý rung siêu âm và tiến hành xác định độ truyềnqua của dung dịch tương tự như hai thí nghiệm trên.

d Ảnh hưởng của axit silicic

Trong một loạt các nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố đối với sự phântán của cấp hạt sét trong dung dịch được xác định theo phương pháp Lagaly Tuynhiên, phương pháp này phù hợp cho việc đánh giá đối với các yếu tố có tác độngmạnh đối với sự tán keo như pH, các cation Do ảnh hưởng của axit silicic đối với

sự tán keo tương đối yếu nên để xác định sự ảnh hưởng dựa vào phương phápLagaly sửa đổi Mẫu phân tích được đo liên tục độ truyền qua T% theo thời gian

Trong thí nghiệm, điều chỉnh giá trị pH biến thiên từ 3 đến 5 và nồng độ Sithay đổi từ 0 đến 30 mg/l, quy trình thực hiện như sau:

Hút 0,125 ml dung dịch sét hàm lượng 20 mg/mL vào ống nghiệm (Ø: 10

mm, V: 15 mL), thêm HCl 0,1N và NaCl 0,1N để đạt được pH và nền điện ly mongmuốn, bổ sung 0; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6 mL dung dịch axit silisic đã được chuẩn bị tạimục 2.3.2 Thêm nước cất hai lần để tổng thể tích của mỗi mẫu là 10 mL, lúc đó,nồng độ Si ở các mẫu lần lượt là 0; 2,5, 5, 10, 15, 20, 25, 30 mg/L và nền điện lytrong dung dịch là 0,01 mol/L Mẫu được phân tán bằng máy rung siêu âm (TCP-40,Telsonic Thụy Điển) trong thời gian 1 phút Sau đó hút 3 ml dung dịch mẫu cho vàocurvet, tiến hành đo liên tục độ truyền qua (T%) trong vòng 5400s (60s đo một lần)trên máy quang phổ khả kiến (Labnics, L-VIS-400) tại bước sóng 600 nm để xácđịnh sự biến đổi tốc độ phân tán của khoáng sét theo thời gian Độ truyền qua lớnbiểu thị cho dung dịch không bị vẩn đục và các hạt sét tồn tại ở trạng thái gel (tụkeo) Ngược lại độ truyền qua nhỏ chứng tỏ dung dịch vẩn đục và các hạt sét tồn tại

ở trạng thái sol (tán keo)

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, SOM, nồng độcác ion hòa tan trong nước, hàm lượng sắt nhôm tổng số…) đều có những ảnhhưởng nhất định tới tính chất keo sét

Bảng 3: Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu tại Sóc Sơn

Độ sâu

(cm)

0-2020-4040-50

Giá trị pHKCl của các mẫu đất dao động từ 3,96 – 4,11 Kết quả này cho thấyđất có phản ứng chua, do đó ảnh hưởng đến các quá trình lý – hóa – sinh học xảy ratrong đất và các quá trình chuyển hóa các chất trong đất Tầng 0 – 20 cm có phảnứng chua mạnh nhất (pHKCl = 3,96), sau đó gỉam dần ở hai tầng còn lại với pHKCl =4,10 (tầng 20 – 40 cm) và pHKCl = 4,11 (tầng 40 – 50 cm) Sự tích lũy lượng chấtmùn cao có khả năng làm pH càng giảm do tạo ra axit hữu cơ Như vậy điều nàyphù hợp với kết quả phân tích đối với mẫu đất được nghiên cứu: tính theo chiều sâuphẫu diện, hàm lượng SOM tỉ lệ nghịch với độ chua của đất

Đất có hàm lượng SOM trung bình, biến động từ 1,4 – 3,0 % C Tầng ở độsâu 0 – 20 cm có hàm lượng SOM cao nhất (3%) do có lớp phủ thực vật phía trên.Lớp phủ này đóng vai trò chủ yếu là nguồn cung cấp để quá trình phân hủy và tíchlũy SOM diễn ra mạnh mẽ Bên cạnh đó ở tầng này còn được tích tụ lượng SOM bịrửa trôi từ các vùng xung quanh có địa hình cao hơn hàm lượng chất SOM giảmdần theo độ sâu tầng phẫu diện, là 2,2 % (tầng 20 – 40 cm) và 1,4 % (tầng 40 – 50cm)

CEC là lượng cation lớn nhất mà đất hấp phụ có khả năng trao đổi và đượcbiểu thị bằng cmol/Kg Đây chính là quá trình hấp phụ nhờ keo đất Hàm lượngCEC phụ thuộc rất nhiều rất nhiều vào các yếu tố như nồng độ và bản chất keo đất,phản ứng đất, TPCG, hàm lượng SOM Từ kết cho thấy hàm lượng CEC trong đấtnghiên cứu tương đối thấp (SOM: 6,6 – 10,9 cmol/Kg), do đất có TPCG và hàmlượng SOM trung bình nhưng pH chua mang nhiều H+ và Al3+ nên khả năng traođổi cation thấp Mặt khác kết quả cho thấy CEC giảm dần theo độ sâu của phẫudiện, sự phụ thuộc vào khả năng có mặt của SOM có trong từng tầng đất Nếu hàmlượng SOM cao thì điện tích keo đất âm tăng lên do đó khả năng trao đổi CEC tăngdẫn tới lượng cation hấp phụ trên bề mặt keo sét càng nhiều, điều này thúc đẩy sựliên kết giữa các hạt keo hay gia tăng khả năng tụ keo của khoáng sét trong đất.

Nồng độ ion hòa tan trong nước Na+, K+, Ca2+ và Mg2+ thấp tương ứng là1,1; 2,3; 5,0 và 3 mmol/Kg Có thể giải thích rằng các ion này được giữ chặt trongcấu trúc đất nhờ cơ chế hấp phụ của keo đất và nhờ vào khả năng tích điện của cáccấp hạt đất Vì vậy lượng ion hòa tan trong nước là không đáng kể

Trong đất nghiên cứu hàm lượng sắt tổng số dao động không đáng kể từ 3,2– 3,9% trong khi hàm lượng nhôm tổng số từ 20,7 – 20,8% Điều này có thể giảithích do đất nghiên cứu ở vùng đồi núi, chịu ảnh hưởng của quá trình ferralit hóamạnh (rửa trôi cation kiềm, kiềm thổ cùng với axit silicic và tích lũy tương đối sắtnhôm) Các hợp chất sắt và nhôm (dạng oxyt và hydroxit) khó bị rửa trôi hơn, đượctích lũy lại nên theo thời gian chúng chiếm thành phần chủ yếu trong đất

TPCG của đất là tỉ lệ phần trăm các cấp hạt có kích thước khác nhau khiđoàn lạp đất ở trạng thái bị phá hủy TPCG có ý nghĩa quan trọng, đặc trưng chonguồn phát sinh, tính chất lý hóa và quyết định độ phì đất Đất có TPCG càng nặngthì khả năng giữ các chất dinh dưỡng cho cây trồng càng cao, đồng thời khả nănggiữ các chất ô nhiễm càng lớn

Dựa vào cách bảng phân loại TPCG theo Hệ thống phân loại đất của Bộ nôngnghiệp Mỹ (USDA - Soil Taxonomy), TPCG của các tầng đất trong khu vực nghiêncứu được phân loại cụ thể trong Bảng 4

Bảng 4: Thành phần cấp hạt của các tầng đất (theo USDA - Soil Taxonomy)

ra phổ biến, do đó đã hình thành nên tầng tích tụ sét ở phía dưới

3.2 Thành phần khoáng sét trong mẫu đất nghiên cứu

Nhóm đất xám ferralit chiếm một diện tích lớn ở vùng đồi núi, được hìnhthành trên các loại đá mẹ khác nhau song nhìn chung đều chịu ảnh hưởng của quátrình ferralit hóa mạnh (rửa trôi cation kiềm, kiềm thổ cùng với axit silicic và tíchlũy tương đối sắt nhôm) do địa hình dốc cao và khí hậu nhiệt đới nóng ẩm chi phối

Do đó có thể nhận định được khoáng sét kaolinit là loại khoáng chiếm ưu thế và đặctrưng cho nhóm đất đỏ vàng nhiệt đới Việt Nam

Ở đây kaolinit có thể hình thành trực tiếp từ các silicat hoặc là aluminosilicatcủa đá mẹ bị phá hủy mạnh Điều kiện hình thành kaolinit bằng con đường nàykhông chỉ bởi sản phẩm phong hóa của đá mẹ quyết định mà điều kiện ẩm, môi