Procesele de retinere a elementelor nutritive in sol

Procesele de retinere a elementelor nutritive in sol

Capacitatea solului de a retine anumite substante din solutia sa este una din insutirile sale de baza, ami ales in privinta modului in care solul comporta fata de anumiti ioni nutritivi din sol, sau introdusi din ingrasaminte.

Dupa modul de retinere ( adsorbtie) a ionilor de catre componentele coloidale organo-minerale ale solului, se disting urmatoarele tipuri de retinere: fizica, fizico-chimica, chimica si biologica

1.Adsorbtia fizica

Este de doua feluri:

adsorbtie mecanica este proprietatea solului de a retine apa de infiltratie cu particulele aflate in suspensie, dar carea au dimensiuni mult mai mari decat deschiderea porilor solului. Aceasta insusire depinde de alcatuirea granulometrica. Ca efect al acestui proces in orizonturile superioare ale solului se retin substante fin dispersate si semidescompuse, mai ales substantele organice, care maresc substantial fertilitatea solului, in primul rand a orizonturilor superficiale.

retinere fizica se manifesta la limita de separatie dintre fazele solului. Acest fenomen este caracteristic acelor substante dispersate ce micsoreaza tensiunea superficiala, ca si unor combinatii care isi micsoreaza solubilitatea la cresterea presiunii. Acest fenomen apare frecvent la aplicarea ingrasamintelor cu azot nitric.

2.Adsorbtia fizico - chimica

2.1.Adsorbtia cu schimb de cationi.

Este proprietatea solului de a retine si schimba cationi din faza solida cu o cantitate echivalenta de cationi din solutia solului.

Retinerea cationilor de catre complexul adsorbitiv ( micela coloidala) al solului nu are loc cu formare de compusi chimici noi, ci este bazata pe atractia electrostatica dintre complex si cationii retinuti, fapt ce permite ca acestia sa fie schimbati cu alti cationi din solutia solului.

Adsorbtia cu schimb de cationi este una din proprietatile fundamentale ale solului, care deosebeste esential solul de alte medii nutritive.

Adsorbtia cu schimb de cationi se datoreaza sarcinilor electrice negative ale complexului coloidal, care retin ionii incarcati pozitiv. Astfel de sarcini negative detin argilele, humusul, hidoxizi de aluminiu si fier trivalent.

Sarcinile negative ale argilelor sunt rezultatul substitutiilor izomorfe ce au loc in reteaua cristalina a acestora, iar cele ale humusului rezulta in urma pierderi ionilor de hidrogen de la gruparile functionale ale materiei organice.

Legile schimbului de cationi

1. schimbul de cationi este reversibil . Aceasta inseamna ca un anumit cation retinut de catre complexul adsorbitiv al solului poate fi desorbit si inlocuit cu un alt cation din solutia solului.

Ca²⁺ + 2K⁺ ↔ + Ca²⁺

Schimbul de cationi are loc in mod permanent, reversibilitatea sa avand o importanta deosebita pentru nutritia plantelor. Mobilitatea schimbului dintre cationii adsorbiti si cei din solutia solului asigura nutritia continua a plantelor. Dupa introducerea si solubilizarea ingrasamintelor, o parte din cationi sunt retinuti in stare adsorbita, fapt ce previne aparitia unor fenomene de toxicitate determinate de cresterea conecntratiei acelor ioni in solutia solului.

2. schimbul de cationi are loc in cantitati echivalente ( schimb stoichiometric). Un cation divalent desorbit din complexul adsorbitiv va fi inlocuit cu un alt cation divalent din solutia solului sau cu doi cationi monovalenti.

3. schimbul de cationi depinde de energia de retinere a cationilor la micela coloidala si de gradul lor de hidratare

Energia de retinere a cationilor creste cu masa lor atomica si cu valenta. Deci un cation trivalent va fi retinut mai puternic de catre micela coloidala decat unul divalent, iar acesta va fi retinut mai puternic decat unul monovalent.

Ionii cu raza mica atrag mai multe molecule dipol de apa si se hidrateaza mai puternic, marindu-si dimensiunea si micsorandu-si mobilitatea. Cu cat un cation este mai puternic hidratat cu atat va fi mai slab retinut de catre complexul adsorbitiv.Exceptie face hidrogenul H⁺, care va fi retinut sub forma de ion hidroniu H₃O⁺ si ionul amoniu NH₄⁺.

Tinand cont de toate acestea, taria de retinere a diferitilor cationi la micela coloidala scade conform seriei:

H⁺>Fe³⁺>Al³⁺>Zn²⁺>Ca²⁺>Fe²⁺>Mg²⁺>NH₄⁺~ K⁺>Na⁺

4. schimbul de cationi depinde de concentratia cationilor in solutia solului . Unii cationi mai puternic retinuti ( Al³⁺, Ca²⁺) pot fi schimbati cu alti cationi mai slab retinuti (K⁺), daca acestia din urma se gasesc in cantitate mai mare in solutia solului.

5. schimbul de cationi este supus legii actiunii maselor. Raportul dintre concentratiile a doi cationi diferiti adsorbiti (a) de catre complexul coloidal este proportional cu raportul concentratiilor acelorasi cationi din solutia solului (s) (Lixandru, 1990).

Considerand cele doua specii K⁺ si Na⁺, putem scrie:

= k

k este o constanta a reactiei, a carei marime depinde de speciile cationice din reactie

Conform legii rapoartelor rezulta ca daca se schimba concentratia unei specii de cationi din solutia solului, se modifica raportul concentratiilor acelorasi specii de cationi adsorbiti de catre complexul adsorbitiv.

Indici utilizati pentru caracterizarea adsorbtiei cu schimb de cationi

Suma bazelor schimbabile S_B. Este data de cantitatea cationilor adsorbiti de complexul coloidal, cu exceptia celor de hidrogen, care trec in solutie in urma tratarii solului cu acid clorhidric HCl. Se exprima in me/100g sol.

+ 3 HCl → + KCl + CaCl₂

Continutul de hidrogen schimbabil S_H. Este data de concentratia ionilor de hidrogen ce trec din complexul adosrbitiv al solului in solutie, in urma tratarii solului cu cu solutia unei sarii ce hidrolizeaza alcalin, cum este acetatul de sodiu CH₃COONa (la pH = 8,3).Se exprima in me/100g sol.

+ 2CH₃COONa → + 2CH₃COOH

Proportia ionilor H⁺ adsorbiti de catre complexul coloidal creste cu intensificarea levigarii, respectiv a debazificarii. Ionii H⁺ exercita o influenta negativa asupra fetilitatii solului, cu atat mai puternica cu cat proportia ionilor H⁺ este mai mare in complexul adsorbitiv.

Capacitatea totala de schimb cationic T. Este data de concentratia tuturor cationilor adsorbiti de complexul coloidal, care trec prin reactii de dublu schimb in solutia solului.

T = S_B + S_H ( me/100g sol)

Capacitatea totala de schimb cationic depinde de natura coloizilor. Cu cat un sol contine mai multa argila sau materie organica, cu atat capacitatea sa de schimb cationic este mai mare. Coloizii organici au o capacitate mai mare de schimb cationic decat argilele. Capacitatea totala de schimb cationic a argilelor depinde de natura lor.

Tabelul 1.1.

Capacitatea de schimb cationic a unor coloizi ai solului

Capacitatea totala de schimb cationic prezinta importanta din urmatoarele motive:

unii cationi schimbabili, cum sunt calciul, magneziul si potasiul pot fi preluati direct de catre plante;

cationii retinuti prin adsorbtie nu pot fi pierduti prin levigare.

Pesticidele si alte substante chimice care au grupari cu sarcini pozitive pot fi retinute prin adsorbtie fiind indepartate din solutia solului, eliminandu-se astfel pierderea lor si poluarea solului.

Cu cat un sol are capacitatea totala de schimb cationic mai mare cu atat poate retine mai multi nutrienti. Desi T este numai unul din factori ce influenteaza fertilitatea solului, cu cat valoarea sa este mai ridicata, cu atat este mai mica necesitatea inlocuirii elementelor nutritive prin aplicarea de ingrasaminte minerale si organice.

Gradul de saturatie in baze V. Indica cat din capacitatea totala de schimb cationic este saturata in baze:

V =

In general la pH = 7, gradul de saturatie in baze este 100%.

Valorile indicilor se utilizeaza la stabilirea dozelor de amendamente necesare pentru corectarea reactiei acide si alcaline a solurilor.

2.2Adsorbtia anionilor

Pentru ca in soluri predomina substantele coloidale ( organice si minerale) cu sarcina negativa, predomina adsorbtia si schimbul de cationi. S-a dovedit insa ca in sol, are loc si o adsorbtie a anionilor, mai ales in mediul solurilor acide, in care, unele substante coloidale preponderente Fe(OH)₃ si Al(OH)₃ au caracter amfoter, si astfel pot accepta protoni:

Fe(OH)₃ + H⁺ → Fe(OH)₂OH₂⁺ care poate retine anioni

Fe(OH)₂OH₂⁺ + NO₃^- → Fe(OH)₂OH₂⁺NO₃^-

Poate avea loc si schimbul de anioni:

Fe(OH)₂OH₂⁺NO₃^- + Cl^- → Fe(OH)₂OH₂⁺Cl^- + NO₃^-

Se apreciaza ca adsorbtia cu schimb a anionilor are loc pe doua cai:

prin schimb cu gruparea -OH de pe suprafata mineralelor argiloase:

R- OH + A^- → R - A^- + HO^-,

prin aditie la gruparea -OH a protonului substantelor implicate:

R - OH + HA → R - OH₂⁺A^-.

Adsorbtia anionilor este influentata de urmatorii factori:

pH-ul solului: adsorbtia anionilor este mai intensa in mediu acid, deci adsorbtia este mai puternica pe masura scaderii pH-ului solului;

natura coloizilor: mineralele tristratificate adsorb mai puternic anionii decat cele bistartificate;

natura anionilor: unii anioni sunt retinuti mai slab ( NO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, CH₃COO^-), iar altii sunt retinuti mai puternic ( fosfat, citrat, tartrat).

2.3.Adsorbtia fara schimb a cationilor

Cationii pot fi retinuti in forme neschimbabile, adica sunt fixati in sol. Fixarea este posibila datorita prezentei in sol a mineralelor cu retea cristalina expandabila ( muscovit, illit, vermiculit, montmorilonit).

Unii cationi cu raza ionica mare in stare de hidratare (NH₄⁺, K⁺) pot patrunde impreuna cu moleculele de apa in spatiile interlamelare ale mineralelor argiloase. Cand apa se retrage si solul se usuca, acesti ioni raman in captivitate ( fixati). Cu timpul, acesti cationi pot trece din nou in forma schimbabila sau in solutia solului.

Cationii fixati in sol sunt greu accesibili plantelor, din acest motiv efectul ingrasamintelor cu potasiu si amoniu este mai redus pe solurile cu capacitate mare de fixare (soluri argiloase).

fig.2. Adsorbtia fara schimb de cationi

3.Adsorbtia chimica - chemosorbtia

Adsorbtia chimica poate avea loc prin: reactii de precipitare, reactii de chelatare, retinere in reteaua cristalina a mineralelor sau in diversi compusi organici din sol. Cea mai intalnita forma de adsorbtie chimica este cea prin reactii de precipitare .

Adsorbtia chimica prin reactii de precipitare este procesul prin care are loc o trecere a elementelor nutritive din forme mobile, usor accesibile plantelor, in forme imobile (insolubile), neaccesible plantelor. Este caracteristica tuturor ionilor cu exceptia ionilor nitrat NO₃^- si amoniu NH₄⁺.

Acest proces determina imobilizarea ionului fosfat primar H₂PO₄^- , procesul mai fiind denumit si retrogradarea fosforului.

Ionul H₂PO₄^- este retinut in sol datorita formarii unor compusi complecsi cu solubilitate mica: fosfati de calciu pe solurile alcaline si fosfati de aluminiu si fier pe soluirle acide.

pe solurile acide, prezenta ionului H⁺ in jurul granulei de superfosfat duce la formarea de acid fosforic H₃PO₄. Retrogradarea decurge astfel:

Fe(OH)₃ + H₃PO₄ → FePO₄ + 3H₂O

Al(OH)₃ + H₃PO₄ → AlPO₄ + 3H₂O

Fosfatul de fier si cel de aluminiu sunt saruri cu solubilitatea scazuta, din care fosforul este greu accesibil plantelor.

pe solurile saturate cu baze,alcaline, retrogradarea are loc astfel:

+ Ca(H₂PO₄)₂ → + 2CaHPO₄

usor solubil mai greu solubil

+ 2CaHPO₄ → + Ca₃ (PO₄)₂

greu solubil

Cunoasterea procesului de retrogradare a ionului fosfat are o importanta practica deosebita, in vederea alegerii corecte a tipului de ingrasamant fosforic ce va fi aplicat pe un anume tip de sol. Astfel, pe solurile neutre si alcaline se aplica ingrasaminte cu fosfor usor solubile si nu pot fi utilizate fosforitele datorita solubilitatii lor scazute. In schimb, acestea din urma, pot fi utilizate pe solurile acide, unde ionii de H⁺ contribuie la solubilizarea fosforului si trecerea lui in fosfati secundari sau primari de calciu, de unde poate fi utilizat de catre plante.

Adsorbtia chimica prin reactii de chelatare este caracteristica elementelor nutritive care pot forma , prin legaturi coordinative, complecsi chelati in sol. Prin acest tip de adsorbtie, unele microelemente sunt mentinute mai mult timp in forme usor accesibile plantelor.

In urma proceselor de adsorbtie prin retinere in reteaua cristalina a mineralelor si in diversi compusi organici din sol, o serie de elemente nutritive sunt retinute prin legaturi chimice puternice in reteaua cristalina a mineralelor sau in compusi organici (humus). Prin procese de alterare, dezagragare, solubilizare a mineralelor si prin mineralizarea humusului, aceste elemente sunt treptat eliberate si puse la dispozitia plantelor.