122 351 Soil Fertility and Plant Nutrition ความอุดมสมบูรณ์ของดินและโภชนาการพืช อาจารย์ผู้สอน ศ.ดร. ปัทมา วิตยากร แรมโบ

องค์ประกอบของดิน

องค์ประกอบของดิน : ส่วนที่เป็นของแข็ง ของเหลวและก๊าซ www.cmw.ac.th/elibrary/fileselib...3/p6.htm

องค์ประกอบของดิน : ส่วนที่เป็นของแข็ง ของเหลวและก๊าซ www.purdue.edu/envirosoft/lawn/src/soils2.htm

องค์ประกอบของดินส่วนที่เป็นของแข็ง : แร่ธาตุและอินทรียวัตถุ

กลุ่มอนุภาคดินขนาดต่างๆ เมื่อนำดินในส่วนของอนินทรียสารมาแยกทางกายภาพ จะพบว่าอนุภาคดินขนาดต่างๆ อาจแบ่งออกเป็นกลุ่มตามขนาดได้ 3 กลุ่ม คือ 1. กลุ่มอนุภาคทราย (sand fraction) 2. กลุ่มอนุภาคซิลท์ (silt fraction) 3. กลุ่มอนุภาคดินเหนียว (clay fraction)

Visual size comparison of maximum size Soil separates and their diameter range Soil separate name Diameter range (mm) Visual size comparison of maximum size Very coarse sand 2.0-1.0 House key thickness Coarse sand 1.0-0.5 Small pinhead Medium sand 0.5-0.25 Sugar or salt crystal Fine sand 0.25-0.10 Thickness of book page Very fine sand 0.10-0.05 Invisible to the eye Silt 0.05-0.002 Visible under microscope Clay Less than 0.002 Most are not visible even with a microscope sand Miller and Donahue (1990)

Particle Size Distribution

ส่วนประกอบของแร่ในกลุ่มอนุภาคดินต่างๆ กลุ่มอนุภาคทรายและซิลท์ (sand and silt particle) แร่ที่พบมากในกลุ่มนี้เป็นแร่ปฐมภูมิ ได้แก่ 1. แร่ควอทซ์ (quartz) 2. แร่เฟลสปาร์ (feldspar) 3. แร่ไมก้า (mica) 4. แร่จำพวกเฟอโรแมกนีเชียน (ferromagnesian)

ส่วนประกอบของแร่ในกลุ่มอนุภาคดินต่างๆ 2. กลุ่มอนุภาคดินเหนียว (clay particle) แร่ในกลุ่มนี้แตกต่างจากแร่ในกลุ่มอนุภาคทรายและซิลท์ ตรงที่ว่าแร่ส่วนใหญ่ในกลุ่มอนุภาคดินเหนียวเป็นแร่ทุติยภูมิ ซึ่งเป็นแร่ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นใหม่จากกระบวนการสลายตัวของหินหรือกระบวนการสร้างดิน แร่ที่สำคัญในกลุ่มอนุภาคดินเหนียว อาจแบ่งได้เป็น - แร่ที่เป็นผลึก (crystalline)ได้แก่ แร่ซิลิเกตชนิดต่างๆ เช่น แร่คาโอลิไนท์ แร่อิลไลท์ แร่ไฮดรัสไมก้า แร่มอนมอริลโลไนท์ แร่เวอร์มิคูไลท์ ฯลฯ - แร่ที่ไม่เป็นผลึก (amorphous) เช่น แร่ซิลิกาออกไซด์เจล แร่อะลูมินาออกไซด์เจล แร่เหล็กออกไซด์

โครงสร้างผลึกของแร่ซิลิเกต หน่วยพื้นฐานของแร่ซิลิเกตมี 2 หน่วย คือ หน่วยเททราฮีดรอน (Tetrahedron) และ หน่วยออกตาฮีดรอน (Octahedron) Tetrahedron Octahedron oxygen silicon hydroxyl aluminum, magnesium

การสร้างแผ่นซิลิกา (silica sheet formation) z y x

Hexagonal hole Si6O18

Tetrahedral Sheet Si:O 2:5

การสร้างแผ่นอลูมินา (Alumina sheet formation)

Octahedral Sheet OH

โครงสร้างแร่ 1:1 tet oct Short hand, Block notation

kaolinite

2:1 clay mineral: Smectite (Montmorillonite) tet oct tet Ca2+ H2O K+ H2O H2O tet oct tet

Montmorillonite http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Montmorillonite-en.svg

Basic orientation of atom in clay minerals Montmorillonite Kaolinite Sesquioxide Miller and Donahue (1990)

แร่อื่น ๆ ที่เป็นแร่ประกอบดิน Allophane Hydrated Al2O3, Fe2O3, and SiO2 Volcanic parent materials

Al, Fe, Ti, and Mn oxides and hydroxides Gibbesite Al2(OH)6 Mn oxides

Al, Fe, Ti, and Mn oxides and hydroxides Goethite FeOOH Hematite Fe2O3

กระบวนการเกิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวอนุภาคดิน ประจุไฟฟ้าของอนุภาคดิน มีทั้งประจุบวกและประจุลบ ประจุเหล่านี้เกิดจาก กระบวนการแทนที่ของอะตอมที่มีขนาดใกล้เคียงกัน แต่มีจำนวนวาเลนซีไม่เท่ากัน (Isomorphous replacement) ทำให้เกิดประจุถาวร (permanent charge) การเกาะยึดและการปลดปล่อยไฮโดรเจนไอออน ทำให้เกิดประจุผันแปร (variable charge)

อนุภาคดินเหนียวและอนุภาคอินทรีย์ที่เป็นสารคอลลอยด์ในดิน สารละลายดิน CATION EXCHANGE อนุภาคฮิวมัส Mg++ Ca++ H+ K+ NH4+ แร่ดินเหนียว

Colloidal system ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

โครงสร้างของแร่สเม็คไทท์ (แร่ซิลิเกตที่มีโครงสร้างประเภท 2:1) c-AXIS 14 Å (9.6 18A or more b-AXIS 6 O 4 (Al, Si) 4 O + 2 (OH) 4 (Al, Fe3+, Mg) 4 O + 2 OH 4 Si 6 O

ประจุในโครงสร้างทางทฤษฎีของแร่ซิลิเกต 2:1 มีดังนี้ 6 O2- 12- 4 Si4+ 16+ 4 O2- + 2 (OH-) 10- 4 Al3+ 12+ + = 44 - = 44 รวมประจุ

Isomorphous substitution tet Al3+ Si4+ oct Al3+, Fe3+ Mg2+

ประจุผันแปร (Variable หรือ pH dependent charge) Ca++ Mg++ Clays, humus, or organic acids Cl- H+ H+ O H H+ SO4-- H+ H+ Ca++ H+ Substances with hydroxyls Ions in solution Miller and Donahue (1990)

การเกาะยึดและการปลดปล่อยไฮโดรเจนไอออน แร่เหล็กออกไซด์ Fe OH.H OH + 2H2O 2(H+ ) 2(OH-) O C 2+ 2- กรด กลาง ด่าง

การเกาะยึดและการปลดปล่อยไฮโดรเจนไอออน (ต่อ) กลุ่มฟังชันเนล (functional group) ของอินทรียสาร 1. Carboxyl group 2. Phenolic hydroxyl group R C O OH H+

การเกาะยึดและการปลดปล่อยไฮโดรเจนไอออน (ต่อ) Amide R N H H+ R N + H+ H H2 +

Model structure of humic acid Stevenson (1982) Model structure of humic acid

Humic Substances

แหล่งของการแลกเปลี่ยนประจุบวก (cation exchange sites) + A part of an expanding clay particle showing inner swelling of layer Hydrated cations, +1 or +2 Anions, -1 or -2 Negatively charged lattice sites A B C Soil solution near edge of clay particle Soil solution, approximately equal negative and positive ions Ionic double layer

ชั้นประจุไฟฟ้าคู่ พื้นผิวอนุภาค X สารละลาย ศักย์ไฟฟ้า ระยะทาง Ψ Ψ = 0 +++++++++++++++++ ที่มา : เพิ่มพูน, 2528

หนังสืออ่านเพิ่มเติม เพิ่มพูน กีรติกสิกร. 2528. เคมีของดิน. ภาควิชาปฐพีศาสตร์ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. 249 หน้า.

เอกสารอ้างอิง (นอกเหนือจากที่ระบุไว้ในสไลด์) Bohn, H., B.L. McNeal, and G.A. 2001. O’Connor. Soil chemistry. 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc. NY. Brady, N.C. and R.R. Weil. 2010. Elements of the nature and properties of soils. Pearson, NY. Ghose, S.K., G.A. Waychunas, T.P. Trainor, and P.J. Eng (2010), Hydrated goethite (alpha-FeOOH) (100) interface structure: Ordered water and surface functional groups. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74, 1943–1953.