GROND: DIE PRODUSENT SE BELANGRIKSTE BATE Deel 6: Katioonuitruilkapasiteit en die diffuse-dubbellaag

Grond is die mees fundamentele hulpbron vir die produsent waarsonder voedsel en natuurlike vesel nie geproduseer kan word nie. Hierdie artikel vorm deel van ‘n reeks wat hierdie hulpbron uitlig.

Vanuit ‘n grondperspektief, word plantegroei deur die beskikbaarheid van water en voedingstowwe bepaal. Die voorsiening van water is van die grondfisiese eienskappe afhanklik, terwyl die chemie van die grond die beskikbaarheid van plantvoedingstowwe bepaal. Die chemie van die grond word in hierdie en drie daaropvolgende artikels bespreek.

Tipes negatiewe lading

Die verskillende soorte klei en die lading wat daarop voorkom, is reeds voorheen bespreek. Hierdie klei of grondkolloïede het twee tipes negatiewe lading. Die eerste is die permanente lading wat van isomorfe substitusie afkomstig is. Die tweede is die pH-afhanklike lading, wat vorm wanneer H⁺ en OH^–-groepe in sommige 1:1 klei, organiese kolloïde, Fe en Mn hidroksiede en sekere amorfe verbindings dissosieer of protoneer.

Die bydrae van die konstante en pH-afhanklike lading van geselekteerde kolloïede word in Tabel 1 aangedui. pH meet die konsentrasie van H⁺ ione in die grondoplossing. Die word op ‘n skaal van 1 tot 14, met pH 7 as neutraal, aangedui. Hoe laer die pH (< 7), hoe meer H⁺ ione is in die grondoplossing. Die pH-afhanklike lading vergroot as die pH styg en verklein as die pH daal. Die KUK van grond met ‘n hoë fraksie pH afhanklike lading sal dus verhoog as die grond se pH styg.

Positiewe lading

Beperkte positiewe lading van tussen 0 en 15 cmol_c kg^-1 kan in hoogs verweerde grond voorkom. Hierdie lading vorm wanneer katione met ‘n lae lading deur katione met ‘n hoër lading, in veral hoogs verweerde grond, vervang word. Positiewe lading kan ook deur protonisasie by lae pH vorm:

AlOH + H⁺ → AlOH₂⁺

Ioonadsorpsie

Die negatiewe en positiewe lading op die kolloïde moet deur ione met ‘n teenoorgestelde lading gebalanseer word. Negatiewe lading trek positief gelaaide katione soos Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ en H⁺ aan, terwyl positiewe lading negatiewe gelaaide anione soos HPO₄^2-, NO_^3- en SO₄^2- aantrek (Figuur 1).

Figuur 1: Loonadsorpsie op silikaatklei (links): negatiewe lading op die kolloïed trek katione (positiewe lading) aan, terwyl positiewe lading op ysteroksied (regs) anione (negatiewe lading) aantrek. Let op dat in alle gevalle een negatiewe lading deur een positiewe lading gebalanseer moet word.

Diffuse dubbellaag

Ione word nie in ‘n enkele laag rondom die klei gebind nie, maar is in twee lae rondom die klei versprei. Hierdie twee lae staan gesamentlik as die diffuse dubbellaag bekend (Figuur 2). Ione naaste aan die kolloïed word die sterkste aangetrek en vorm die binneste of Stern-laag. Die res van die ione word swakker gebind en vorm die buitenste, diffuse laag, wat ook as die Gouy-laag bekend staan. Katioonkonsentrasie is dus die hoogste teen die kolloïed en verlaag verder van die kolloïed af. In teenstelling hiermee is die anioonkonsentrasie laag naby die kolloïed en neem toe met afstand. Die grens van die diffuse dubbellaag is waar die katioon en anioon konsentrasie gelyk is. Katione en anione kom vermeng in die diffuse dubbellaag voor.

Figuur 2: Skematiese voorstelling van die diffuse dubbellaag: die vermenging van katione en anione (links) en die  konsentrasie van katione en anione, sowel as die dikte van die diffuse dubbellaag (regs).

Die dikte van die diffuse dubbellaag word deur die katioonsamestelling en konsentrasie bepaal. Indien die grondoplossing hoofsaaklik uit monovalente katione met ‘n groot ioonradius (byvoorbeeld Na⁺) bestaan, sal die diffuse dubbellaag dikker wees as wanneer die grondoplossing uit katione met ‘n hoër lading en klein ioonradius bestaan (byvoorbeeld Ca²⁺). Die dikte van die diffuse dubbellaag word ook deur die ioonkonsentrasie bepaal. Indien die ioonkonsentrasie hoog is, sal die dubbellaag dun wees en indien die ioonkonsentrasie laag is, sal die dubbellaag dik wees.

Die dikte van die diffuse dubbellaag en die faktore wat dit beïnvloed, speel ‘n groot rol in die swel- en krimp-eienskappe van grond, wat plaasvind wanneer die katione wat in die kolloïede geadsorbeer is watermolekule adsorbeer, of wanneer dit uitdroog. Natrium adsorbeer ses maal meer water as kalsium. Die diffuse dubbellaag sal dus dik wees wanneer natrium dominant in die grond voorkom. Net so sal ‘n lae sout konsentrasie tot ‘n dik diffuse dubbellaag lei.

Hierdie twee faktore is van uiterste belang in sout en natrium brak grond, wat in ‘n volgende aflewering bespreek sal word. Wanneer klei swel, word die kleideeltjies weg van mekaar gedruk. Die natuurlike struktuur van die grond word dus stukkend gebreek, terwyl meer van die grondporieë deur gronddeeltjies beslaan word en die porositeit verlaag. Die deurlugting en waterbeweging in die grond word dus verlaag.

Ter afsluiting, klei het negatiewe lading. Hierdie lading moet deur positief gelaaide katione gebalanseer word. Die katione kom nie in ‘n enkellaag voor nie, maar is in twee diffuse lae versprei. Die samestelling en konsentrasie van katione in hierdie lae bepaal die dikte van die diffuse dubbellaag, wat op sy beurt weer die struktuurstabiliteit en waterbeweging in die grond bepaal. Katioonuitruiling word in die volgende aflewering bespreek.

Vir meer besonderhede skakel Martiens du Plessis by 072 285 5414 of stuur ‘n e-pos na: martiens@nwk.co.za of gesels met prof Cornie van Huyssteen by 051 401 9247, of stuur ‘n e-pos na: vhuystc.sci@ufs.ac.za.

BRONNELYS

Die volgende bronne is ekstensief tydens die opstel van hierdie artikel gebruik:

1. Brady, NC. 1990. The nature and properties of soils. 10th ed. Macmillan Publishing Company: New York.
2. Du T Burger, R. 1979. Grondkunde 115. Ongepubliseerde klasnotas vir GKD115. Universiteit van die Vrystaat: Bloemfontein.
3. Marshall, TJ & Holmes, JW. 1979. Soil Physics. Cambridge University Press: Cambridge.
4. Van Huyssteen, CW. 2009. Grondekologie. Ongepubliseerde klasnotas vir GKD214. Universiteit van die Vrystaat: Bloemfontein