GROND: DIE PRODUSENT SE BELANGRIKSTE BATE Deel 7: Katioonuitruiling en basisversadiging

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. In hierdie uitgawe word die uitruil van katione en die basisversadigingspersentasie bespreek.

Katione is fundamenteel tot plantvoeding, omdat verskeie essensiële elemente in die ioonvorm, spesifiek in die positief gelaaide vorm (katione), deur plante opgeneem word. Hierdie elemente en verbindings word deur elektriese bindings in die grond vasgehou en deur katioonuitruiling aan plante beskikbaar gestel. Hoe groter die vermoë van ‘n spesifieke grond om katione vas te hou en aan plante beskikbaar te stel, hoe beter die potensiële vrugbaarheid van die grond.

Katioonuitruiling

Omdat die klei hoofsaaklik negatief gelaai is, word katione hoofsaaklik (elemente en verbindings met ‘n positiewe lading) geadsorbeer. Die fokus is dus op die katioonadsorpsie, met minder aandag aan anioonadsorpsie. Katione wat aan die klei geadsorbeer is, kan deur uitruiling verplaas word. Twee waterstof-ione (H⁺) kan dus een kalsium-ioon (Ca⁺) verplaas, indien die waterstofioonkonsentrasie in die grondoplossing verhoog (Figuur 1).

Figuur 1: ‘n Skematiese voorstelling van Ca2+ op die kleikompleks, wat deur twee H+-ione verplaas word

Die teenoorgestelde reaksie kan weer plaasvind wanneer die Ca²⁺-konsentrasie verhoog word. Die sterkte waarmee katione geadsorbeer word (indien die konsentrasies dieselfde is) neem soos volg af:

Al³⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺

In hierdie reeks, wat ook as die liotrofe-reeks bekend staan, het Al³⁺ die grootste valens en die kleinste gehidreerde ioonradius en word daarom die sterkste gebind. Na⁺ en Li⁺ is monovalent, het ‘n groot gehidreerde ioonradius en word daarom die swakste geadsorbeer. Na⁺-ione kan Ca²⁺– of Al³⁺-ione verplaas, maar die konsentrasie daarvan moet aansienlik hoër wees as dié van die byvoorbeeld Ca²⁺ wat dit verplaas. Daar is dus ‘n balans tussen die konsentrasie van geadsorbeerde katione en die konsentrasie van die nie-geadsorbeerde katione in die grondoplossing. Wanneer die konsentrasie van ‘n sekere katioon (byvoorbeeld Ca²⁺) in die grondoplossing verhoog word, sal dit die katione wat minder sterk gebind is (byvoorbeeld Na⁺) deur uitruiling verplaas. In alle gevalle sal een Ca²⁺-ioon twee Na⁺-ione verplaas, sodat die sisteem elektries neutraal bly.

Katioonuitruilkapasiteit

Die katioonuitruilkapasiteit (KUK) van ‘n grond is die som van die uitruilbare katione wat ‘n grond kan adsorbeer en uitruil. Dit word gemeet in centimol (cmol) positiewe lading per kilogram grond of cmol_c kg^-1(1 cmol_c kg^-1 = 1 me 100 g^-1 wat verouderd is). Grond met ‘n KUK van byvoorbeeld 10 cmol_c kg^-1 sal dus 10 cmol monovalente katione soos K⁺ en/of Na⁺ per kg grond, maar net 5 cmol divalente katione soos Ca²⁺ en/of Mg²⁺ kan adsorbeer. Een mol-lading is ekwivalent aan een mol monovalente katione (K⁺, Na⁺ en H⁺) of ‘n halwe mol divalente katione (Ca²⁺, Mg²⁺) of ‘n derde mol trivalente katione (Al³⁺). In alle gevalle moet die negatiewe lading op die grondkolloïede deur positiewe lading, afkomstig van H⁺, K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺ of ander katione soos ammonium (NH⁴⁺), gebalanseer word. Byvoorbeeld: 10 cmol negatiewe ladings op die grondkolloïede moet deur 10 cmol positiewe lading vanaf die katione gebalanseer word. [Een mol is die hoeveelheid volgens Avogadro se konstante: 6,02214086 x 10²³]

In uitruilreaksies word een mol monovalente katione (H⁺, K⁺, Na⁺) benodig om ‘n halwe mol divalente katione (Ca²⁺, Mg²⁺) of ‘n derde mol trivalente katione (Al³⁺) uit te ruil. Die teenoorgestelde reaksies is ook moontlik, byvoorbeeld: 1 mol K⁺ of 39 g K⁺ in die grond sal deur ½ mol Ca²⁺ of 40/2 = 20 g Ca²⁺ verplaas word; of 1 cmol K⁺ = 0,39 g K⁺ kg^-1 grond kan deur ½ cmol Ca²⁺ = 0,20 g Ca²⁺ kg^-1 grond verplaas word. (Die verwantskap tussen een mol van ‘n stof en die massa daarvan word deur die molêre massa in die periodieke tabel aangedui.)

Bepaling van die KUK

Die KUK van ‘n grondmonster word chemies deur ‘n reeks chemiese uitruilreaksies in die laboratorium bepaal. Eerstens word alle nie-geadsorbeerde soute uit die grondmonster gewas. Daarna word die uitruilbare katione met behulp van NH₄⁺-assetaat uit die grond geloog. Laastens word die konsentrasievan die geadsorbeerde NH₄⁺ bepaal. Dit is hierdie konsentrasie wat aan die KUK gelyk gestel word.

Faktore wat die KUK bepaal

Die negatiewe lading in grond is vanaf die kleie, organiese en amorfekolloïede afkomstig. Die hoeveelheid negatiewe lading verskil op die verskillende kolloïede. Die KUK van grond sal dus verskil na gelang van die kolloïedtipe en die hoeveelheid daarvan in die grond. Die KUK sal toeneem met ‘n toename in klei-inhoud en sal varieer na gelang van die kleimineraalsamestelling. Neem byvoorbeeld ‘n grond met 30% klei, wat uit 10% kaoliniet, 10% fyn mika en 10% montmorilloniet bestaan. Een kilogram van dié grond bevat dus 300 g klei, wat uit 100 g van elk van die drie kleiminerale bestaan. Die negatiewe lading is dus: 1 cmol vir kaoliniet (10/1000 X 100 = 1 cmol_c 100 g^-1), plus 3 cmol_c vir fyn mika en 10 cmol_c vir montmorilloniet. Die KUK van die grond is dus 14 cmol_c kg^-1 grond. Behalwe vir die tipe en hoeveelheid kolloïede in die grond, hang die KUK ook van die grond se pH af, weens die pH-afhanklike lading. Die KUK van die grond sal dus verhoog indien die grond pH styg – nadat kalk byvoorbeeld toegedien is.

KUK bepaal die potensiële vrugbaarheid van die grond, maar beperk ook die besoedeling van die grondwater. Die meeste plantvoedingstowwe is katione (Ca²⁺, Mg²⁺ & K⁺) wat in die grond geadsorbeer word en vir plantopname vrygestel word. Grond met ‘n KUK laer as 5 cmol_c kg^-1 grond, is geneig om makliker voedingstowwe deur loging te verloor as grond met ‘n hoër KUK. Grond met ‘n KUK van groter as 15 word dus as natuurlik vrugbaar beskou omdat dit weerstand teen ‘n afname in voedingstowwe deur loging en plantopname bied.

Grond is nie net ‘n medium wat vir voedselproduksie gebruik word nie, maar dit word ook gebruik om van afvalstowwe ontslae te raak. Alle positief-gelaaide afvalstowwe kan in grond met ‘n groot genoeg KUK geadsorbeer word. Sodoende word besoedeling van die grondwater beperk.

Basisversadiging

Die geadsorbeerde katione kan in suur katione (H⁺ en Al³⁺) en basiese katione (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, NH₄⁺) verdeel word. Die suur katione is nie essensiële plantvoedingstowwe nie en is daarom nadelig vir plantvoeding omdat dit negatiewe lading beset wat vir die basiese katione beskikbaar moes wees.

Die persentasie wat die basiese katione van die uitruilkompleks uitmaak (basisversadigingspersentasie) is dus ‘n belangrike parameter in die bepaling van grondvrugbaarheid. Die basisversadiging neem gewoonlik af indien die grond-pH afneem.

Figuur 2

Behalwe vir die basisversadiging, is die konsentrasie van elke katioon en die verhouding wat dit tot mekaar voorkom, ook belangrik in die bepaling van die grond se vrugbaarheid. In die volgende uitgawe word pH en die rol daarvan in grond bespreek.

Samevatting

In terme van plantvoeding, is die beskikbaarheid van basiese katione dus baie belangrik. Gronde verskil baie van mekaar in terme van die hoeveelheid van hierdie plantvoedingstowwe wat hulle kan vashou. Dit word in terme van die grond se KUK uitgedruk. Hoe meer die KUK met hierdie plantvoedingstowwe gevul is, hoe meer kan die grond volgens sy potensiaal plantegroei onderhou. Dit is dus belangrik om grond se voedingstatus oor tyd in stand te hou, sodat dit nie degradeer nie.

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.

Verwysings

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 and Holmes, JW. 1979. Soil Physics. Cambridge University Press: Cambridge.
4. Van Huyssteen, CW. 2009. Grondekologie. Ongepubliseerde klasnotas vir GKD214. Universiteit van die Vrystaat: Bloemfontein