Žemės ūkis ir ateities maisto sistemos · Straipsnis
Jonai, mainai ir buferiškumas
Susieti elektrinį krūvį turinčius dirvožemio paviršius su tirpale esančiomis maisto medžiagomis ir suprasti, kodėl dirvožemio pH ir katijonų mainų geba atsako į skirtingus klausimus.
Pasirengimas ir susiję straipsniai
Bendrieji žinių pagrindai
Susiję straipsniai
Straipsnis padės
- Paaiškinti mainus tarp elektrinį krūvį turinčių paviršių ir dirvožemio tirpalo.
- Interpretuoti katijonų mainų gebą kaip elektriniu krūviu pagrįstą, nuo matavimo metodo priklausantį dydį.
- Atskirti dabartinį pH nuo atsparumo būsimiems pH pokyčiams.
Du dirvožemiai gali turėti vienodą pH
Dviejų dirvožemių tyrimų ataskaitose nurodytas toks pat pH, išmatuotas tuo pačiu metodu, tačiau pridėjus rūgšties dirvožemiai reaguoja skirtingai. Tai nebūtinai reiškia, kad kuris nors matavimas yra klaidingas. Dabartinis rūgštingumas ir atsparumas rūgštingumo pokyčiams yra skirtingos savybės.
Bendruosiuose chemijos pagrinduose aiškinami jonai, rūgštys ir bazės. Čia šios žinios taikomos šaknų zonai: medžiagos juda tarp dirvožemio vandens, mineralų paviršių, organinės medžiagos ir organizmų. Šių mainų supratimas padeda interpretuoti tyrimo ataskaitą nelaikant joje nurodyto pH išsamiu maisto medžiagų sąrašu ar paruoštu dirvožemio gerinimo receptu.
Atskirti tirpalą nuo paviršių
Ištirpęs jonas turi elektrinį krūvį. Kalcio, magnio, kalio ir amonio jonai yra teigiamą krūvį turinčių jonų, vadinamų katijonais, pavyzdžiai. Daugelis molio mineralų ir organinės medžiagos paviršių turi neigiamą krūvį ir dėl elektrinės traukos gali sulaikyti katijonus. Adsorbcija apibūdina prisijungimą prie paviršiaus; ji skiriasi nuo absorbcijos – įsiurbimo į augalą.
Kintant sąlygoms, mainų jonai gali judėti tarp šių paviršių ir dirvožemio tirpalo. Šaknys pasisavina maisto medžiagas iš aplinkos, todėl svarbus ir jų sulaikymas, ir išlaisvinimas. Mainai nėra negrįžtamas jonų užrakinimas, o sulaikymas paviršiuje yra tik vienas iš maisto medžiagų prieinamumą veikiančių procesų. Taip pat svarbūs tirpimas, nusodinimas, biologinės transformacijos ir vandens judėjimas.
Skaičiuoti krūvį, ne vien jonus
Katijonų mainų geba, arba CEC, apibūdina mainuose dalyvaujančio teigiamo krūvio kiekį, kurį dirvožemis gali sulaikyti, nustatytą taikant nurodytą matavimo metodą. Įprastas vienetas yra krūvio cmol vienam kg, žymimas cmol(c)/kg. Svarbu nurodyti, kad matuojamas krūvis: vienas kalcio jonas, Ca²⁺, turi dvigubai didesnį teigiamą krūvį nei vienas kalio jonas, K⁺.
Nagrinėkime idealizuotą 1 kg mėginį, turintį 10 cmol mainų krūvio, kurį šiame mokomajame pavyzdyje sudaro tik kalcio ir kalio jonai. Jei 4 cmol kalcio jonų suteikia 8 cmol krūvio, tai 2 cmol kalio jonų suteikia likusius 2. Tai krūvio apskaita, o ne rekomenduojamas katijonų santykis ar išsamus tikro dirvožemio aprašymas.
| Katijonas | Jonų kiekis | Teigiamasis krūvis |
|---|---|---|
| Ca²⁺ | 4 cmol | 8 cmol krūvio |
| K⁺ | 2 cmol | 2 cmol krūvio |
| Iš viso | 6 cmol jonų | 10 cmol krūvio |
Krūvio apskaita 1 kg atveju
Skaityti schemos paaiškinimą
Hipotetinę mainų talpą užima 4 cmol Ca²⁺, suteikiantys 8 cmol krūvio, ir 2 cmol K⁺, suteikiantys 2 cmol krūvio.
Dalys
- 4 cmol Ca²⁺
- Suteikia 8 cmol teigiamojo krūvio
- 2 cmol K⁺
- Suteikia 2 cmol teigiamojo krūvio
- 10 cmol krūvio
- Bendras idealizuoto 1 kg mėginio krūvis
Ryšiai
- 4 cmol Ca²⁺ → 10 cmol krūvio: 8 cmol krūvio
- 2 cmol K⁺ → 10 cmol krūvio: 2 cmol krūvio
Mainų geba priklauso nuo metodo
Molio mineralų ir organinių medžiagų kiekis bei tipas ir pH veikia mainų savybes. Skirtingų mineralų paviršiai nebūtinai turi vienodą krūvį. Kai kurių paviršių krūvis kinta priklausomai nuo pH, todėl tyrimas, atliktas esant pasirinktam laboratoriniam pH, gali apibūdinti ką kita nei mainų gebą esamomis lauko sąlygomis.
Pasitikrinkite, ar ataskaitoje pateikta išmatuota katijonų mainų geba (CEC), apskaičiuota katijonų suma, ar efektyvioji CEC, ir atkreipkite dėmesį į metodą bei tirtą dirvožemio frakciją. Žvyro ir smulkžemio masės nėra lygiaverčiai skaičiavimo pagrindai. CEC taip pat skiriasi nuo elektrinio laidumo: laidumas apibūdina tirpalo gebėjimą praleisti elektros srovę. Vien didesnė CEC nepatvirtina nei subalansuoto aprūpinimo maisto medžiagomis, nei idealios aplinkos augalams.
Buferingumas – atsakas
Buferingumas reiškia atsparumą pH pokyčiui pridėjus rūgšties arba bazės. Reakcijos, kuriose dalyvauja mainų paviršiai, organinės funkcinės grupės ir mineralai, gali mažinti arba didinti rūgštingumą. Išmatuota pH vertė apibūdina esamą tiriamosios suspensijos būklę; vien ji kiekybiškai neįvertina viso rūgštingumo, kuris gali dalyvauti reakcijose keičiantis sąlygoms.
Hipotetiniame kontroliuojamame palyginime vienodos masės sausų dirvožemio mėginių pradinis pH, nustatytas tuo pačiu metodu, yra 5.5. Pridėjus tą patį nurodytą rūgšties kiekį, vieno mėginio pH sumažėja iki 4.8, o kito – iki 5.3. Stebėti pH sumažėjimai yra 0.7 ir 0.2 pH vieneto. Antrasis mėginys stipriau pasipriešino būtent šio rūgšties kiekio poveikiui. Šis atsakas nepatvirtina, kad būsimas atsakas bus tiesinis, ir nenustato dirvožemio gerinimo priemonės poreikio.
Vertinkite pagal auginimo uždavinį
Maisto medžiagų katijonų sulaikymas gali sumažinti kai kuriuos nuostolius, tačiau maisto medžiagų judėjimas priklauso nuo jono ir dirvožemio. Nitrato jonas turi neigiamą krūvį; įprasti katijonų mainai neapibūdina jo sulaikymo. Kiti anijonai sąveikauja pagal kitus mechanizmus. Netaikykite CEC rezultato kiekvienai maisto medžiagai, druskai ar teršalui.
Rezultatą naudokite kartu su suderinamais pH ir maisto medžiagų tyrimais, atsižvelgdami į mėginių ėmimo gylį, auginamų augalų poreikius ir vandens sąlygas. Gretimame straipsnyje apie pH, prieinamumą ir dirvožemio tyrimus šis vertinimas nagrinėjamas plačiau. Šiame straipsnyje pateikiamas mechanizmas: esamos tirpalo sąlygos, mainų būdu prieinamos atsargos ir buferinis atsakas yra susiję, tačiau kiekvienam jų reikia atskirų įrodymų.
Išnagrinėti pavyzdžiai
Išlaikykite krūvio vienetus
Idealizuotame 1 kg pavyzdyje 4 cmol Ca²⁺ ir 2 cmol K⁺ užima mainų vietas. Koks yra bendras teigiamasis krūvis?
- Kalcio indėlis į krūvį: 4 × 2 = 8 cmol krūvio.
- Kalio indėlis į krūvį: 2 × 1 = 2 cmol krūvio.
- Sudėkite krūvio kiekius: 8 + 2 = 10 cmol krūvio.
Bendras krūvis yra 10 cmol, o tai šiame pavyzdyje atitinka 10 cmol(c)/kg. Tai nėra 10 cmol katijonų dalelių.
Palyginkite nurodytą buferinį atsaką
Vienodos masės sauso dirvožemio mėginių pradinis pH yra 5.5. Hipotetiškai pridėjus vienodą rūgšties kiekį ir matuojant tuo pačiu metodu, A mėginio pH yra 4.8, o B mėginio – 5.3. Kokią išvadą galima padaryti?
- Apskaičiuokite stebėtus pokyčius: 5.5 − 4.8 = 0.7; 5.5 − 5.3 = 0.2 pH vienetų.
- Lyginkite tik pagal šį nurodytą rūgšties papildymą ir matavimo sąlygas.
- Nedarykite išvados apie dirvožemio gerinimo medžiagos dozę ir nemanykite, kad kitas rūgšties papildymas turės tokį patį poveikį.
Šiame palyginime B mėginio pH sumažėja mažiau, o tai rodo didesnį atsparumą pH pokyčiui šiame tirtame intervale.
Pasitikrinkite supratimą
Ar didesnė katijonų mainų geba (CEC) įrodo, kad dirvožemis pakankamai aprūpina visomis maisto medžiagomis?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Geba sulaikyti mainomąjį teigiamą krūvį neparodo nei faktinių maisto medžiagų atsargų, nei visų jų prieinamumą lemiančių procesų.
Ar vienodos dabartinės pH vertės gali garantuoti vienodą dirvožemio gerinimo medžiagų poreikį?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Net esant vienodoms dabartinėms išmatuotoms pH vertėms, dirvožemiai gali skirtis rezerviniu rūgštingumu, buferinėmis savybėmis ir mineralų reakcijomis.
Ar katijonų mainai paaiškina nitratų sulaikymą taip pat kaip kalio sulaikymą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Nitrato jonas yra anijonas, o kalio jonas – katijonas; jų sulaikymui svarbios sąveikos skiriasi.
Svarbiausios mintys
- Dirvožemio tirpalas ir jonų mainų paviršiai yra susiję, bet skirtingi.
- Katijonų mainų geba (CEC) nusako mainomojo krūvio kiekį; ją vertinant reikia žinoti matavimo metodą ir kokiai masei ji išreikšta.
- Dabartinis pH nėra tas pats, kas atsparumas pH pokyčiams.
- Iš šio mechanizmo neišplaukia joks universalus katijonų santykis ar dirvožemio gerinimo medžiagų dozė.
Šaltiniai
Šaltiniai, kuriais grindžiami straipsnio paaiškinimai ir pavyzdžiai.