Chỉ số pH của đất

Chỉ số pH của đất là chỉ số đo độ axit hoặc tính kiềm (độ kiềm) của đất. pH được định nghĩa là logarit âm (cơ sở 10) của hoạt động của các ion hydronium (H

hay chính xác hơn là H
₃O
_aq
H
₃O
_aq
H
₃O
_aq) trong dung dịch. Trong đất, nó được đo bằng cách trộn bùn đất với nước (hoặc dung dịch muối, như 0,01 M CaCl
₂
CaCl
₂) và thường nằm trong khoảng từ 3 đến 10, với 7 là trung tính. Đất chua có độ pH dưới 7 và đất kiềm có độ pH trên 7. Đất siêu axit (pH <3,5) và đất kiềm cực mạnh (pH> 9) rất hiếm gặp.

Chỉ số pH của đất là một yếu tố quan trọng trong đất vì nó ảnh hưởng đến nhiều quá trình hóa học. Nó đặc biệt ảnh hưởng đến sự hấp thụ dinh dưỡng của thực vật bằng cách kiểm soát các dạng hóa học của các chất dinh dưỡng khác nhau và tác động đến các phản ứng hóa học mà chúng tham gia. Phạm vi pH tối ưu cho phần lớn các loại cây trồng nằm trong khoảng từ 5,5 đến 7,5; tuy nhiên, nhiều loại cây đã thích ứng để phát triển tốt ở các mức pH ngoài phạm vi này.

Phân loại các mức pH của đất

Cơ quan Bảo vệ Tài nguyên Thiên nhiên Hoa Kỳ đã phân loại mức pH của đất như sau:

Xác định chỉ số pH

Các phương pháp để xác định chỉ số pH bao gồm:

• Đánh giá hồ sơ đất: Một số đặc điểm của hồ sơ có thể chỉ ra tình trạng axit, mặn hoặc nước ngọt. Ví dụ như:
  • Kết hợp kém giữa lớp hữu cơ bề mặt và lớp khoáng bên dưới - điều này có thể chỉ ra đất có tính axit mạnh;
  • Trình tự chân trời podzol cổ điển, vì podzol thường có tính axit mạnh: trong đất này, một chân trời eluvial (E) nhợt nhạt nằm dưới lớp hữu cơ và trên một chân trời B tối;
  • Sự xuất hiện của lớp caliche cho thấy có calci cacbonat, thường trong điều kiện kiềm;
  • Cấu trúc cột có thể chỉ ra điều kiện sodic.
• Quan sát hệ thực vật chiếm ưu thế. Các loài thực vật ưa chua bao gồm Erica, Rhododendron và gần như tất cả các loài Ericaceae khác, nhiều loài bạch dương (Betula), hoa chuông (Digitalis), gorse (Ulex spp.) và thông Scots (Pinus sylvestris). Các loài thực vật ưa vôi bao gồm cây tro (Fraxinus spp.), cây kim ngân (Lonicera), Buddleja, dogwoods (Cornus spp.), hoa nhài (Syringa) và Clematis.
• Sử dụng bộ dụng cụ kiểm tra pH giá rẻ, trong đó mẫu đất được trộn với dung dịch chỉ thị và thay đổi màu sắc theo độ axit.
• Sử dụng giấy quỳ. Một mẫu đất nhỏ được hòa với nước cất, sau đó một dải giấy quỳ được cho vào. Nếu đất có tính axit, giấy sẽ chuyển sang màu đỏ, nếu kiềm, màu xanh.
• Sử dụng máy đo pH điện tử có sẵn trên thị trường, trong đó điện cực dạng rắn hoặc thủy tinh được đưa vào đất ẩm hoặc hỗn hợp đất và nước; độ pH thường được hiển thị trên màn hình kỹ thuật số.
• Gần đây, các phương pháp đo quang phổ đã được phát triển để xác định pH đất bằng cách bổ sung thuốc nhuộm chỉ thị vào mẫu đất. Những phương pháp này cho kết quả tốt tương tự như đo điện cực thủy tinh nhưng mang lại nhiều lợi ích như tránh hiện tượng trôi, mối nối lỏng và hiệu ứng treo.

Việc đo đạc pH đất một cách chính xác và lặp lại là cần thiết cho nghiên cứu khoa học và giám sát. Điều này thường yêu cầu phân tích tại phòng thí nghiệm theo một giao thức tiêu chuẩn; một ví dụ về giao thức như vậy có trong Hướng dẫn phương pháp thí nghiệm đất và phòng thí nghiệm của USDA. Tài liệu này đưa ra một quy trình ba trang để đo pH đất bao gồm các phần: Ứng dụng; Tóm tắt phương pháp; Các cuộc họp; An toàn; Thiết bị; Thuốc thử; và Quy trình:

Tóm tắt phương pháp; Sự giao thoa; An toàn; Thiết bị cần thiết; Thuốc thử; và Quy trình thực hiện.

Tóm tắt phương pháp

Độ pH được xác định trong dung dịch đất-nước (1:1) và đất-muối (1:2 ${\text{CaCl}}_2^{}$). Để thuận tiện, trước tiên đo pH trong nước rồi sau đó trong ${\text{CaCl}}_2^{}$. Bằng cách bổ sung một thể tích bằng nhau của 0,02 M ${\text{CaCl}}_2^{}$ vào huyền phù đất đã chuẩn bị, tỷ lệ đất-dung dịch sẽ là 1:2 với 0,01 M ${\text{CaCl}}_2^{}$ .
20 g mẫu đất được hòa trộn với 20 mL nước RO (1:1 w) và khuấy đều. Để yên mẫu trong 1 giờ và thỉnh thoảng khuấy. Mẫu được khuấy trong 30 giây, sau đó đo pH của dung dịch 1:1. Thêm 0,02 M ${\text{CaCl}}_2^{}$ (20 mL) vào huyền phù đất, khuấy mẫu và đo pH của dung dịch 1:2 với 0,01 M ${\text{CaCl}}_2^{}$ (4C1a2a2).

— Tóm tắt phương pháp của USDA NRCS để xác định độ pH của đất

Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số pH của đất

Chỉ số pH của đất tự nhiên phụ thuộc vào thành phần khoáng của vật liệu gốc và các phản ứng phong hóa diễn ra trên nó. Trong môi trường ấm áp và ẩm ướt, quá trình axit hóa đất diễn ra theo thời gian do các sản phẩm từ thời tiết bị rò rỉ bởi nước di chuyển ngang hoặc xuống dưới đất. Tuy nhiên, ở những vùng khí hậu khô, quá trình thời tiết đất và nước rò rỉ ít mạnh mẽ hơn, dẫn đến độ pH của đất thường ở mức trung tính hoặc kiềm.

Các nguồn axit

Nhiều yếu tố góp phần vào việc axit hóa đất. Bao gồm:

• Lượng mưa: Đất có tính axit thường thấy ở những vùng có lượng mưa lớn. Nước mưa có pH hơi axit (khoảng 5,7) do phản ứng với CO
  ₂ </br> trong không khí, tạo thành axit cacbonic. Khi nước mưa thấm qua đất, nó gây ra sự rửa trôi các cation cơ bản dưới dạng bicacbonat; điều này làm tăng tỷ lệ phần trăm của Al
  </br> và H
  </br> so với các cation khác.
• Hô hấp của rễ và sự phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật giải phóng CO
  ₂ </br>, làm tăng axit cacbonic (H
  ₂CO
  ₃ </br>), tích tụ và rửa trôi theo nước.
• Sự phát triển của cây: Cây hấp thụ dưỡng chất dưới dạng ion (ví dụ NO
  ₃ </br>, NH
  ₄ </br>, Ca
  </br>, H
  ₂PO
  ₄ </br>), thường hấp thụ nhiều cation hơn anion. Để duy trì điện tích trung tính trong rễ, cây sẽ giải phóng các ion H
  </br>. Một số loài cây còn tiết ra axit hữu cơ để axit hóa vùng rễ, giúp hòa tan dưỡng chất kim loại không tan trong pH trung tính, như sắt (Fe).
• Sử dụng phân bón: Phân amoni (NH
  ₄ </br>) phản ứng trong đất qua quá trình nitrat hóa, tạo thành nitrat (NO
  ₃) và giải phóng các ion H
  </br>.
• Mưa axit: Việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra oxit lưu huỳnh và nitơ vào không khí. Chúng phản ứng với nước trong khí quyển, tạo thành axit sunfuric và axit nitric trong mưa.
• Phong hóa oxy hóa: Oxy hóa một số khoáng chất, đặc biệt là sulfide và những chất chứa Fe
  </br>, tạo ra tính axit. Quá trình này thường tăng tốc bởi hoạt động của con người:
  • Chất thải từ mỏ: Điều kiện axit nghiêm trọng có thể hình thành gần các bãi mỏ do quá trình oxy hóa pyrite.
  • Đất phèn tự nhiên trong môi trường ven biển và cửa sông có thể có tính axit cao khi thoát nước hoặc đào.

Các nguồn kiềm

Độ kiềm tổng thể của đất tăng lên khi:

• Phong hóa khoáng silicat, aluminosilicate và cacbonat chứa Na
  </br>, Ca
  </br>, Mg
  </br> hoặc K
  </br> giải phóng cation cơ bản.
• Canxi cacbonat (vôi nông nghiệp) và một số vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo khác hòa tan trong đất để trung hòa axit, giải phóng các anion bicacbonat và hydroxit. Những anion này có thể rửa trôi H
  ₂ </br>.

Đất tích tụ kiềm (như Na, K, Ca, Mg cacbonat và bicacbonat) khi nước không đủ thấm qua để rửa muối hòa tan. Điều này có thể do điều kiện khô hạn hoặc thoát nước kém; trong những trường hợp này, phần lớn nước bị thực vật hấp thụ hoặc bốc hơi thay vì thấm qua đất.

Độ pH của đất thường tăng cùng với độ kiềm tổng thể, nhưng cân bằng các cation thêm vào cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ pH. Ví dụ, gia tăng natri trong đất kiềm có thể gây hòa tan calci cacbonat, làm tăng pH. Đất có thể thay đổi độ pH từ 7,0 đến 9,5, tùy thuộc vào lượng Ca
</br> hoặc Na
</br> chi phối cation hòa tan.

Ảnh hưởng của pH đất đến sự phát triển của cây trồng

Đất chua

Cây trồng trong đất axit có thể gặp nhiều loại căng thẳng bao gồm độc tính nhôm (Al), hydro (H) và/hoặc mangan (Mn), cũng như thiếu hụt dinh dưỡng calci (Ca) và magiê (Mg).

Độc tính nhôm là một vấn đề phổ biến trong đất chua. Nhôm tồn tại trong mọi loại đất, nhưng nhôm hòa tan là chất gây độc cho cây, dễ hòa tan nhất ở pH thấp. Trên pH 5.0, ít nhôm hòa tan trong phần lớn các loại đất. Nhôm không phải là dinh dưỡng cho thực vật, không được cây hấp thụ mà thâm nhập thụ động vào rễ qua thẩm thấu. Nhôm kìm hãm sự phát triển của rễ; rễ bên và đầu rễ trở nên dày và thiếu phân nhánh; đầu rễ có thể chuyển sang màu nâu. Trong rễ, nhôm ban đầu ngăn cản sự mở rộng của các tế bào rhizodermis, làm chúng vỡ ra; sau đó, nó cản trở nhiều quá trình sinh lý như hấp thụ và vận chuyển calci và các chất dinh dưỡng cần thiết khác, phân chia tế bào, hình thành tế bào và hoạt động enzyme.

Căng thẳng proton (ion H) cũng có thể hạn chế sự phát triển của cây. Bơm proton, H-ATPase, của plasmalemma tế bào rễ duy trì pH gần trung tính của tế bào chất. Hoạt động proton cao (pH trong khoảng 3.0-4.0 đối với hầu hết các loài cây) trong môi trường bên ngoài vượt quá khả năng duy trì pH tế bào chất và ngừng sự phát triển.

Trong đất giàu mangan, độc tính Mn có thể trở thành vấn đề ở pH 5,6 và thấp hơn. Mangan, giống như nhôm, hòa tan nhiều hơn khi pH giảm và triệu chứng ngộ độc Mn xuất hiện ở mức pH dưới 5,6. Mangan là dinh dưỡng thiết yếu cho cây, do đó cây vận chuyển Mn vào lá. Triệu chứng kinh điển của ngộ độc Mn là lá nhăn nheo hoặc uốn cong.

Liên quan giữa lượng dinh dưỡng sẵn có và pH đất

Độ pH của đất ảnh hưởng đến sự sẵn có của nhiều chất dinh dưỡng thực vật:

Như đã đề cập, độc tính nhôm ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây; tuy nhiên, bằng cách cản trở sự phát triển của rễ, nó cũng giảm sự sẵn có của các chất dinh dưỡng. Khi rễ bị tổn thương, khả năng hấp thụ dinh dưỡng giảm, dẫn đến thiếu hụt các chất đa lượng (nitơ, phosphor, kali, calci, magnesi) trong đất có độ axit cao (pH <5,0).

Molypden trở nên sẵn có hơn ở pH cao hơn; điều này là do ion molybdate bị hấp thụ mạnh hơn bởi các hạt đất sét ở pH thấp.

Kẽm, sắt, đồng và mangan giảm khả năng sẵn có ở pH cao hơn (tăng độ hấp thụ ở pH cao).

Ảnh hưởng của pH đến lượng phosphor thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào điều kiện đất và cây trồng. Quan điểm phổ biến trong thập niên 1940 và 1950 cho rằng tính khả dụng của phosphor tối đa ở gần mức trung tính (pH 6,5-7,5) và giảm ở pH cao hơn và thấp hơn. Tuy nhiên, tương tác của phosphor với pH trong phạm vi vừa phải đến hơi axit (pH 5,5-6,5) phức tạp hơn nhiều. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhà kính và thực địa đã chỉ ra rằng việc tăng pH trong phạm vi này có thể tăng, giảm hoặc không ảnh hưởng đến tính khả dụng của phosphor đối với cây trồng.

Ảnh hưởng của nguồn nước đến pH đất

Đất kiềm mạnh thường là sodic và dễ bị phân tán, với độ thấm nước chậm, khả năng dẫn thủy lực thấp và khả năng giữ nước kém. Sự phát triển của cây bị hạn chế nghiêm trọng do sự thoáng khí kém khi đất ẩm ướt; khi đất khô, nước khả dụng cho cây cạn kiệt nhanh chóng và đất trở nên cứng và vón cục (độ bền của đất cao).

Ngược lại, nhiều loại đất có tính axit cao có sự kết tụ mạnh mẽ, thoát nước tốt và giữ nước tốt. Tuy nhiên, đối với nhiều loài cây, độc tính của nhôm hạn chế sự phát triển của rễ và căng thẳng độ ẩm có thể xảy ra ngay cả khi đất còn ẩm.

Chọn lựa pH cho cây trồng

Mỗi loài cây thường thích nghi với một độ pH đất nhất định. Đối với nhiều loài, khoảng pH đất phù hợp rất cụ thể. Các cơ sở dữ liệu trực tuyến về đặc điểm của cây, như CÂY USDA và Cây cho tương lai có thể được sử dụng để tìm kiếm khoảng pH phù hợp cho nhiều loại cây. Các tài liệu như giá trị chỉ thị của Ellenberg cho cây trồng tại Anh cũng có thể được tham khảo.

(Tuy nhiên, một loại cây có thể không chịu được độ pH cụ thể trong một số loại đất do cơ chế đặc thù và cơ chế đó có thể không áp dụng trong các loại đất khác. Ví dụ, đất có hàm lượng molypden thấp có thể không phù hợp với cây đậu tương ở pH 5,5, nhưng đất có đủ molypden lại cho phép cây phát triển tối ưu ở độ pH đó. Tương tự, một số loài cây không chịu được đất có độ pH cao có thể tồn tại trên đất đá vôi nếu cung cấp đủ phosphor. Một yếu tố khác là các giống khác nhau của cùng một loài thường có phạm vi pH đất thích hợp khác nhau. Các nhà nhân giống cây trồng có thể tận dụng điều này để tạo ra các giống cây chịu được điều kiện đất không phù hợp với loài đó - ví dụ, các dự án nhân giống cây ngũ cốc chịu được nhôm và mangan để sản xuất trên đất chua mạnh.

Bảng dưới đây cung cấp phạm vi pH đất phù hợp cho một số cây trồng phổ biến như trong Cơ sở dữ liệu của USDA PLANTS. Một số loài cây (như Pinus radiata và Opuntia ficus-indica) chỉ chịu được một phạm vi pH đất hẹp, trong khi các loài khác (như Vetiveria zizanioides) lại chịu được phạm vi pH rất rộng.

Điều chỉnh độ pH của đất

Tăng độ pH của đất chua

Vôi nông nghiệp nghiền mịn thường được sử dụng để tăng độ pH của đất chua. Lượng vôi hoặc phấn cần để thay đổi pH được xác định bởi kích thước hạt của vôi và khả năng đệm của đất. Vôi có kích thước hạt nhỏ (60 lưới = 0,25 mm; 100 lưới = 0,149 mm) sẽ phản ứng nhanh với độ chua của đất. Khả năng đệm của đất phụ thuộc vào hàm lượng sét, loại sét và lượng chất hữu cơ có trong đất, có thể liên quan đến khả năng trao đổi cation của đất. Đất có hàm lượng sét cao sẽ có khả năng đệm tốt hơn đất ít sét, và đất có nhiều chất hữu cơ sẽ có khả năng đệm cao hơn đất ít chất hữu cơ. Các loại đất có khả năng đệm cao hơn sẽ cần lượng vôi lớn hơn để đạt được thay đổi tương đương về độ pH.

Ngoài vôi nông nghiệp, các chất khác có thể được sử dụng để tăng độ pH của đất bao gồm tro gỗ, vôi sống công nghiệp (oxit calci), oxit magiê, xỉ cơ bản (calci silicat) và vỏ hàu. Các sản phẩm này tăng độ pH của đất thông qua các phản ứng axit-base khác nhau. Calci silicat trung hòa độ axit trong đất bằng cách phản ứng với ion H⁺ tạo thành axit monosilicic (H₄SiO₄), một chất tan trung tính.

Giảm độ pH của đất kiềm

Độ pH của đất kiềm có thể được giảm bằng cách thêm các tác nhân axit hóa hoặc vật liệu hữu cơ có tính axit. Lưu huỳnh nguyên tố (90-99% S) đã được sử dụng với tỷ lệ ứng dụng 300-500 kg/ha - nó từ từ oxy hóa trong đất để tạo thành axit sulfuric. Các loại phân bón axit hóa, chẳng hạn như ammonium sulfate, ammonium nitrate và urê, có thể giúp giảm độ pH của đất vì amoni sẽ oxy hóa để tạo thành axit nitric. Vật liệu hữu cơ axit hóa bao gồm than bùn hoặc rêu than bùn.

Tuy nhiên, trong đất có độ pH cao và hàm lượng calci cacbonat cao (trên 2%), sẽ rất tốn kém và/hoặc không hiệu quả khi cố gắng giảm độ pH bằng axit. Trong những trường hợp này, thường hiệu quả hơn khi thêm phosphor, sắt, mangan, đồng và/hoặc kẽm, vì thiếu hụt các chất dinh dưỡng này là lý do phổ biến nhất khiến cây trồng phát triển kém trong đất đá vôi.