Lec 5-6 122 351 Soil Fertility and Plant Nutrition ความอุดมสมบูรณ์ของดินและโภชนาการพืช อาจารย์ผู้สอน ศ. ดร. ปัทมา วิตยากร แรมโบ

ระบบคอลลอยด์ดิน (Soil colloidal system)

ระบบคอลลอยด์ดิน (soil colloidal system) ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

ระบบคอลลอยด์ดิน (soil colloidal system) เป็นระบบสาร แขวนลอย (colloidal system) กล่าวคือ มีองค์ประกอบ 2 ส่วนคือ สารแขวนลอย (สารคอลลอยด์) ซึ่งเป็นของแข็ง และตัวกลางของการแขวนลอย (suspension medium) ซึ่งเป็นของไหล (อากาศหรือของเหลว) องค์ประกอบที่เป็นของแข็งเราเรียกว่า คอลลอยด์ดิน (soil colloid) และส่วนที่เป็นของเหลว เรียกว่า สารละลายดิน (soil solution) นอกจากนี้เมื่อเราใช้ระบบคอลลอยด์ดินในการศึกษาพฤติกรรมธาตุอาหารพืชในดิน จะเพิ่มส่วนที่ 3 เข้าในระบบคอลลอยด์ดิน นั่นคือ รากพืช (รากขนอ่อน หรือ root hair)

สารคอลลอยด์ (colloids) การที่อนุภาคคอลลอยด์สามารถคงสภาพแขวนลอยแพร่กระจายในสารแขวนลอยได้ เกิดจากประจุไอออนลบ (negative ionic charge) ที่มีอยู่รอบๆ ของอนุภาคคอลลอยด์นั่นเอง คอลลอยด์ดินมีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร หรือไมโครเมตร คือมีเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 0.001 μm ถึง 1 μm (1 x 10-9 ถึง 1x 10-6 เมตร)

ประเภทของอนุภาคคอลลอยด์ในดิน ในดินมีคอลลอยด์อยู่ 2 ประเภท คือ คอลลอยด์ดินส่วนที่เป็นแร่ธาตุหรืออนินทรีย์ (soil mineral colloids) ซึ่งรวมถึงแร่ซิลิเกต(silicate mineral) และ ออกไซด์/ ไฮดร็อกไซด์ของ อลูมินัม (Al) และเหล็ก (Fe) ซึ่งแร่เหล่านี้จัดอยู่ในกลุ่มแร่ดินเหนียว (clays) คอลลอยด์ดินส่วนที่เป็นอินทรีย์ (soil organic colloids) เช่น ฮิวมัส (humus) เป็นต้น คอลลอยด์ดินส่วนที่เป็นอินทรีย์และอนินทรีย์มักอยู่ปะปนกัน เนื่องจากองค์ประกอบทั้ง 2 ชนิด สามารถทำปฏิกิริยาเคมีดูดยึดกันและกันได้ การแลกเปลี่ยนประจุในดินเกิดขึ้นบริเวณผิวของส่วนที่เป็นของแข็งในดิน คือ แร่ดินเหนียว, สารประกอบอนินทรีย์, และอินทรียวัตถุ

ระบบคอลลอยด์ดิน (soil colloidal system) ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

อนุภาคดินเหนียวและอนุภาคอินทรีย์ที่เป็นสารคอลลอยด์ในดิน และการแลกเปลี่ยนประจุกับราก รากขนอ่อน H+ Mg++ Ca++ Mg++ อนุภาคฮิวมัส K+ H+ NH4+ Ca++ Exchange K+ Mg++ Ca++ H+ K+ H+ Mg++ Ca++ NH4+ สารละลายดิน แร่ดินเหนียว Mg++ Ca++ H+ K+ NH4+ Exchange CATION EXCHANGE ( อรวรรณ 2551 )

Diagram of the mineral and organic exchange surfaces in soils Soil Air Limestone CaCO3.MgCO3 Organic matter Clay Soil Air NH4+ NO3- Root surface Ca++ SO4-- K+ Mg++ CO3-- HCO3- H2PO4- H+ ROH OH- Havlin et. al. (2005)

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

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

ประจุผันแปร (Variable charge) Ca++ Mg++ Clays, humus 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

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

พฤติกรรมของธาตุอาหารในดิน (Behavior of soil nutrients)

พฤติกรรมธาตุอาหารในระบบคอลลอยด์ดิน (Nutrient behavior in soil colloidal system) หมายถึง รูปทางเคมีของธาตุอาหาร ตำแหน่งในระบบคอลลอยด์ดินที่ธาตุอาหารอยู่ กลไกการเปลี่ยนตำแหน่งของธาตุอาหารในระบบคอลลอยด์ดิน และกลไกที่นำธาตุอาหารมาอยู่ในตำแหน่งที่รากพืชจะดูดใช้ธาตุอาหารนั้น ๆ ได้

ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่างๆ ของไนโตรเจน หน้าตัดดินตามแนวดิ่งแสดงระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547) สารละลายดิน 1 µm คอลลอยด์ดิน - NH4+ NH4+ NO3- + NO3- N in Organic matter

ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่างๆ ของฟอสฟอรัส สารละลายดิน 1 µm คอลลอยด์ดิน HPO42- H2PO4- organic P CaP FeP AlP H3PO4

ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่างๆ ของโพแทสเซียม สารละลายดิน 1 µm คอลลอยด์ดิน K+

ระบบคอลลอยด์ดิน (soil colloidal system) ระบบคอลลอยด์ดินที่สัมพันธ์กับรูปต่าง ๆ ของธาตุอาหารในดิน และการดูดใช้ธาตุอาหารโดยรากพืช (ปัทมา, 2547)

เอกสารอ้างอิง อรวรรณ ฉัตรสีรุ้ง. 2551. ความอุดมสมบูรณ์ของดิน. ภาควิชาปฐพีศาสตร์ และอนุรักษศาสตร์ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. 253 หน้า. เพิ่มพูน กีรติกสิกร. 2527. เคมีดิน. คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น. Havlin, J.L., J.D. Beaton, S.L. Tisdale, and W.L. Nelson. 2005. Soil fertility and nutrient management: An introduction to nutrient management. 7th edition. Pearson/Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ. 515 p. Miller, R.W.and R.L. Donahue. 1990. Soils: An introduction to soils and plant growth. 6th edition. Prentice-Hall International. Englewood Cliffs, N.J. 768 p.