Nghiên cứu đặc điểm hấp thụ, giải phóng lân và sử dụng silicate để nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa Nam Việt Nam

Khả năng hấp phụ P tối đa của đất phèn hoạt động, đất phù sa gley, có tầng loang lổ và đất xám trên phù sa cổ dưới ảnh hưởng của oxalate bón vào đất trong quá trình ngập nước.. Ảnh hưởn

TRẦN THỊ TƯỜNG LINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM HẤP PHỤ, GIẢI PHÓNG LÂN VÀ

SỬ DỤNG SILICATE ĐỂ NÂNG CAO HÀM LƯỢNG LÂN HỮU DỤNG TRONG ĐẤT LÚA NAM VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - Năm 2014

TRẦN THỊ TƯỜNG LINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM HẤP PHỤ, GIẢI PHÓNG LÂN VÀ

SỬ DỤNG SILICATE ĐỂ NÂNG CAO HÀM LƯỢNG LÂN HỮU DỤNG TRONG ĐẤT LÚA NAM VIỆT NAM

Chuyên ngành: KHOA HỌC ĐẤT

Mã số: 62 62 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TSKH PHAN LIÊU

2 TS VÕ ĐÌNH QUANG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN i

2.1.2.2 Ảnh hưởng của hoạt tính bề mặt và diện tích bề mặt

2.1.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng 10

2.2.1 Sự thay đổi khả năng hấp phụ lân 14 2.2.2 Sự chuyển hóa các nhóm lân 16

2.3 BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHÂN LÂN 18 2.3.1 Bón cân đối giữa lượng phân đạm và phân lân 19

3.2.1 Nghiên cứu khả năng hấp phụ lân của đất theo phương pháp ứng

3.2.2 Nghiên cứu khả năng giải phóng lân của đất 37

3.2.2.1 Nghiên cứu khả năng giải phóng lân theo phương

3.2.2.2 Nghiên cứu tốc độ giải phóng lân bằng chất trao đổi

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hữu cơ đối với khả năng hấp phụ

năng hấp phụ P của hydroxide sắt

3.2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của oxalate đối với khả năng

3.2.4 Nghiên cứu sử dụng silicate natri (Na2SiO3) và silicofluoride

natri (Na2SiF6) trong việc hạn chế khả năng hấp phụ lân, nâng cao hàm

3.2.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 đối

với khả năng hấp phụ và giải phóng lân của đất 44 3.2.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 đối với

4.1.1 Khả năng hấp phụ lân của đất xác định bằng phương pháp ứng

4.1.2 Quan hệ giữa các thông số hấp phụ lân và tính chất lý hóa đất 64

4.1.2.1 Quan hệ giữa các thông số hấp phụ lân và pH 65

4.1.2.2 Quan hệ giữa các thông số hấp phụ lân và hàm lượng

4.1.2.3 Quan hệ giữa các thông số hấp phụ lân và hàm lượng

lân tổng số và lân dễ tiêu (P Bray 2)

4.1.2.6 Quan hệ giữa các thông số hấp phụ lân và hàm lượng

4.2.1 Kết quả nghiên cứu khả năng giải phóng lân bằng phương pháp

4.2.1.1 Quan hệ giữa lượng lân giải phóng với khả năng hấp

4.2.1.2 Quan hệ giữa lượng lân giải phóng với tính chất đất 82

4.2.2 Kết quả nghiên cứu tốc độ giải phóng lân bằng chất trao đổi

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT HỮU CƠ ĐỐI VỚI KHẢ NĂNG

4.3.1 Ảnh hưởng của việc phá hủy chất hữu cơ đối với khả năng hấp

4.3.2 Ảnh hưởng của acid humic đối với khả năng hấp phụ P của

4.3.3 Ảnh hưởng của oxalate đối với khả năng hấp phụ P của đất 105

4.3.3.1 Ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của oxalate

4.3.3.2 Ảnh hưởng của oxalate trong quá trình ngập nước đối

4.4 SỬ DỤNG SILICATE NATRI (Na2SiO3) VÀ SILICOFLUORIDE

NATRI (Na2SiF6)TRONG VIỆC HẠN CHẾ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ

LÂN, NÂNG CAO HÀM LƯỢNG LÂN HỮU DỤNG TRONG ĐẤT

LÚA MIỀN NAM

111

và Na 2 SiF 6 đối với khả năng hấp phụ P của đất

4.4.1.2 Ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 Si 6 đối với khả năng hấp

4.4.1.3 Ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 đối với khả năng

4.4.2 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đối với hiệu lực phân lân

4.4.2.1 Ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 đối với năng suất

4.4.2.2 Ảnh hưởng của Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 đối với sự sinh

trưởng và hấp thu dinh dưỡng của cây lúa trong nhà lưới 135

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ

NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

LỜI CẢM TẠ

-

Công trình nghiên cứu thuộc đề tài chủ yếu được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Đất Phân (Viện Thổ nhưỡng Nông hóa) và Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại Tp Hồ Chí Minh (Viện Ứng dụng Công nghệ) - những nơi tác giả luận án công tác Để hoàn thành công trình này, chúng tôi đã nhận được sự chấp thuận, giúp đỡ tận tình của các cấp lãnh đạo, quý thầy cô, các bậc đàn anh, các bạn đồng nghiệp và bà con nông dân

Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và tri ân cố Giáo sư Tiến sĩ Vũ Cao Thái, người lãnh đạo đồng thời là người thầy đã chấp thuận, khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi từ thời gian đầu của quá trình làm nghiên cứu sinh

Với sự kính phục và biết ơn sâu sắc, tôi xin được trân trọng cảm ơn Giáo sư Tiến sĩ Khoa học Phan Liêu - nguyên Viện trưởng Viện Nghiên cứu Dầu và Cây có dầu, Viện trưởng Viện Địa lý Sinh thái và Môi trường - người thầy hướng dẫn chính cho công trình nghiên cứu này Thầy đã hướng dẫn xác lập phương pháp luận nghiên cứu đề tài, bồi dưỡng nâng cao kiến thức hóa học đất và dinh dưỡng cây trồng, đóng góp nhiều ý kiến quý báu và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin được chân thành bày tỏ lòng kính phục và biết ơn Tiến sĩ Võ Đình Quang - Giám đốc Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại Tp Hồ Chí Minh - người thầy hướng dẫn thứ hai cho công trình này Thầy đã truyền đạt ý tưởng, kiến thức và kinh nghiệm, trực tiếp hướng dẫn thực hiện đề tài, đóng góp nhiều ý kiến thiết thực và cung cấp nhiều tài liệu tham khảo có giá trị Là người lãnh đạo, Thầy

đã tạo điều kiện giúp tôi học tập, làm việc và thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng bày tỏ sự kính trọng và lời cảm ơn sâu sắc đến:

- Ban lãnh đạo Viện Ứng dụng Công nghệ, Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại Tp Hồ Chí Minh; Ban lãnh đạo Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, Trung tâm Nghiên cứu Đất Phân đã chấp thuận, tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu sinh

- Ban lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam đã tổ chức chương trình đào tạo nghiên cứu sinh một cách tận tâm và giàu trách nhiệm

- Tiến sĩ Phạm Văn Toản, Tiến sĩ Hồ Thị Minh Hợp, Thạc sĩ Lê Phan Dũng, Tiến

sĩ Nguyễn Đình Lâm, Cô Đinh Thị Quỳnh Tương và tất cả quý Thầy Cô, cán bộ thuộc Phòng/Ban Đào tạo sau đại học của Viện, Trường đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu

- Quý Thầy Cô trường Đại học Cần Thơ, Đại học Nông Lâm Tp HCM, quý Thầy

Cô tham gia các hội đồng khoa học chấm chuyên đề, luận án nghiên cứu sinh đã

truyền đạt kiến thức và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Tập thể cán bộ, anh chị em đồng nghiệp tại hai cơ quan nơi tôi công tác - Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại Tp Hồ Chí Minh, Trung tâm Nghiên cứu Đất Phân - đã nhiệt tình tham gia, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm việc và thực hiện luận án

- Em Lê Thị Lệ Hằng - người học trò thông minh, chuyên cần đã luôn sát cánh cùng tôi trong thời gian tập trung cao nhất cho việc thực hiện đề tài

- Em Trà Văn Tung, các bạn sinh viên đã nhiệt tình tham gia công tác phân tích

và thực hiện các thí nghiệm thuộc đề tài

- Gia đình bác Võ Văn Ron, em Võ Thế Tài (xã Phước Hiệp, Củ Chi - Tp HCM), gia đình anh Nguyễn Văn Huỳnh (xã Thân Cửu Nghĩa, Châu Thành - Tiền Giang)

đã nhiệt tình hợp tác thực hiện các thí nghiệm đồng ruộng

Qua đây, tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo của một số đơn vị sản xuất phân bón đã mạnh dạn áp dụng kinh nghiệm, kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài vào sản xuất, tạo cơ hội cho chúng tôi được kiểm chứng các kết quả đạt được một cách khách quan và thiết thực

Xin được gửi lời tri ân các bậc sinh thành, anh chị em, bạn hữu đã động viên

và giúp đỡ tôi học tập, làm việc và thực hiện luận án

Trần Thị Tường Linh

DANH SÁCH BẢNG

Trang Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ lân của một số đất Việt Nam 9

Bảng 2.2 Mức phân P và phân N khuyến cáo áp dụng cho lúa cao sản

trên đất phù sa, đất phèn và đất xám vùng ĐBSCL và vùng Đông Nam

Bộ

19

Bảng 3.1 Một số tính chất lý hóa của 20 đất lúa miền Nam 32

Bảng 3.2 Một số tính chất hóa học của đất trước thí nghiệm 47

Bảng 4.1 Các thông số hấp phụ lân và hệ số tương quan (r) của phương

trình Langmuir đơn và phương trình Freudlich xác định khả năng hấp phụ

của 20 đất lúa miền Nam

52

Bảng 4.2 Lượng P hấp phụ để đạt nồng độ cân bằng trong dung dịch 0,2

Bảng 4.3 Hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa các thông số hấp phụ P

của 20 đất lúa miền Nam tính toán theo phương trình Langmuir đơn,

Freundlich và Langmuir kép

63

Bảng 4.4 Các hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa các thông số hấp phụ

Bảng 4.5 Lượng P hấp phụ (với mức nồng độ P đưa vào 160 mg P/l) và

lượng P giải phóng sau hấp phụ của 20 đất lúa miền Nam 77

Bảng 4.6 Hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa lượng P giải phóng với

Bảng 4.7 Hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa lượng P giải phóng với

Bảng 4.8 Lượng lân giải phóng trong đất không bổ sung P trong 90 phút

Bảng 4.9 Lượng lân giải phóng sau hấp phụ trong đất có bổ sung P trong

Bảng 4.10 Nồng độ lân trong dịch cân bằng (B) và tốc độ giải phóng lân

(R) của đất chiết bằng anionite, tính toán theo phương trình Cooke 92

Bảng 4.11 Tốc độ giải phóng lân (R) và lượng lân giải phóng của đất sau

Bảng 4.12 Lượng P cây lúa hút, P chiết bằng anionite và P dễ tiêu

Bảng 4.13 Hàm lượng hữu cơ và lượng P hấp phụ tối đa (Qmax) của 20

đất lúa miền Nam trước và sau khi xử lý đất với dung dịch H2O2 96

Bảng 4.14 Các thông số hấp phụ P của các hỗn hợp acid humic và

hydroxide sắt vô định hình tính toán theo phương trình Langmuir đơn 103

Bảng 4.15 Khả năng hấp phụ P tối đa của đất phèn hoạt động, đất phù sa

gley có tầng loang lổ và đất xám trên phù sa cổ dưới ảnh hưởng cạnh

tranh hấp phụ trực tiếp của oxalate

105

Bảng 4.16 Khả năng hấp phụ P tối đa của đất phèn hoạt động, đất phù sa

gley, có tầng loang lổ và đất xám trên phù sa cổ dưới ảnh hưởng của

oxalate bón vào đất trong quá trình ngập nước

107

Bảng 4.17 Khả năng hấp phụ P của đất phèn hoạt động S (2) dưới ảnh

hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6 112

Bảng 4.18 Khả năng hấp phụ P của đất phù sa gley có tầng loang lổ P

(3) dưới ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6 115

Bảng 4.19 Khả năng hấp phụ P của đất xám trên phù sa cổ X (3) dưới

ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6 117

Bảng 4.20 Khả năng hấp phụ P của đất phèn hoạt động S (2) dưới ảnh

hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 bón vào đất trong quá trình ngập nước 120

Bảng 4.21 Khả năng hấp phụ P của đất phù sa gley có tầng loang lổ P

(3) dưới ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 bón vào đất trong quá trình

ngập nước

123

Bảng 4.22 Khả năng hấp phụ P của đất xám trên phù sa cổ X (3) dưới

ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 bón vào đất trong quá trình ngập

nước

125

Bảng 4.23 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng P giải phóng

trong đất phèn, đất phù sa và đất xám sau hấp phụ với mức nồng độ P

đưa vào 200 mg P/l

127

Bảng 4.24 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đối với năng suất lúa

trên đất phèn hoạt động S (2), vụ Hè Thu 2001 và Đông Xuân 2002 131

Bảng 4.25 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đối với năng suất lúa

trên đất phù sa gley có tầng loang lổ P (3), vụ Hè Thu 2001 và Đông

Xuân 2002

132

Bảng 4.26 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đối với năng suất lúa

trên đất xám trên phù sa cổ X (3), vụ Hè Thu 2001 và Đông Xuân 2002 134

Bảng 4.27 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đối với chiều cao cây lúa

trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 136

Bảng 4.28 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến trọng lượng khô và

số nhánh trên cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 137

Bảng 4.29 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng P cây hút và

hàm lượng P trong cây lúa trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 138

Bảng 4.30 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng Si cây hút và

hàm lượng Si trong cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà

lưới

139

Bảng 4.31 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng N cây hút và

hàm lượng N trong cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà

lưới

140

Bảng 4.32 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến hàm lượng Fe, Al

tổng số trong cây lúa trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 142

Bảng 4.33 Hàm lượng sắt Fe2+ trong đất phèn hoạt động S (2) theo thời

Bảng 4.34 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến tỷ lệ P/Fe, P/Al

trong cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 147

Bảng 4.35 Hệ số tương quan giữa P/Fe, P/Al với chiều cao và sinh khối

cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới 147

Bảng 4.36 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến chiều cao cây lúa

trồng trên đất xám trên phù sa cổ X (3) trong nhà lưới 148

Bảng 4.37. Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến trọng lượng khô và

số nhánh/cây lúa trồng trên đất xám trên phù sa cổ X (3) trong nhà lưới 149

Bảng 4.38 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng P cây hút và

hàm lượng P trong cây lúa trồng trên đất xám trên phù sa cổ X (3) trong

nhà lưới

150

Bảng 4.39 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng Si cây hút và

hàm lượng Si trong cây lúa trồng trên đất xám trên phù sa cổ X (3) trong

nhà lưới

152

Bảng 4.40 Ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6 đến lượng N cây hút và

hàm lượng N trong cây lúa trồng trên đất xám trên phù sa cổ X (3) trong

nhà lưới

153

DANH SÁCH HÌNH

Trang Hình 4.1 Đường cong hấp phụ P của một số đất lúa miền Nam theo các

phương trình: 4.1a) Langmuir đơn; 4.1b) Langmuir kép;4.1c) Freundlich 57

Hình 4.2 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và pHH2O

trong 20 đất lúa miền Nam: 4.2a) o: Qmax (Langmuir đơn), ●: tổng Qmax

(Langmuir kép); 4.2b) : k (Freundlich)

67

Hình 4.3 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và pHKCl

trong 20 đất lúa miền Nam: 4.3a) o: Qmax (Langmuir đơn), ●: tổng Qmax

(Langmuir kép); 4.3b) : k (Freundlich)

68

Hình 4.4 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và hàm

lượng sét trong 20 đất lúa miền Nam: 4.4a) o: Qmax (Langmuir đơn), ●:

tổng Qmax (Langmuir kép); 4.4b) : k (Freundlich)

70

Hình 4.5 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và hàm

lượng sắt vô định hình trong 20 đất lúa miền Nam: 4.5a) o: Qmax

(Langmuir đơn), ●: tổng Qmax (Langmuir kép); 4.5b) : k (Freundlich)

71

Hình 4.6 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và hàm

lượng nhôm vô định hình trong 20 đất lúa miền Nam: 4.6a) o: Qmax

(Langmuir đơn), ●: tổng Qmax (Langmuir kép); 4.6b) : k (Freundlich)

73

Hình 4.7 Tương quan tuyến tính giữa khả năng hấp phụ lân và hàm

lượng chất hữu cơ trong 20 đất lúa miền Nam: 4.7a) o: Qmax (Langmuir

đơn), ●: tổng Qmax (Langmuir kép); 4.7b) : k (Freundlich)

75

Hình 4.8 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và lượng P hấp

phụ (ở nồng độ 160 mg P/l) trong 20 đất lúa miền Nam 80

Hình 4.9 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và khả năng

hấp phụ P tối đa (Qmax-Langmuir đơn) của 20 đất lúa miền Nam 81

Hình 4.10 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và khả năng

Hình 4.11 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và pHH2O

(4.11a), giữa lượng P giải phóng và pHKCl (4.11b) trong 20 đất lúa miền

Nam

83

Hình 4.12 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và hàm lượng

Hình 4.13 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và hàm lượng

Hình 4.14 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và hàm lượng

Hình 4.15 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và hàm lượng

Hình 4.16 Tương quan tuyến tính giữa lượng P giải phóng và hàm lượng

Hình 4.17 Quan hệ giữa thời gian (t) và lượng lân giải phóng (4.17a);

quan hệ giữa thời gian (√t ) và lượng lân giải phóng (4.17b) trong đất

không bổ sung P trong 90 phút đầu tương tác với anionite 89

Hình 4.18 Quan hệ giữa thời gian (t) và lượng lân giải phóng sau hấp

phụ (4.18a); quan hệ giữa thời gian (√t ) và lượng lân giải phóng sau hấp

phụ (4.18b) trong đất có bổ sung P trong 120 phút đầu tương tác với

anionite

91

Hình 4.19 Quan hệ giữa lượng lân dễ tiêu Onioani với lượng lân cây lúa

hút (4.19a); quan hệ giữa lượng lân giải phóng chiết bằng anionite với

lượng lân cây lúa hút (4.19b) trên một số đất lúa miền Nam

94

Hình 4.20 Đường cong hấp phụ P của ba đất đại diện dưới ảnh hưởng

của việc phá hủy hữu cơ: 4.20a) Đất phèn hoạt động S (1), 4.20b) Đất

phù sa gley có tầng loang lổ P (3), 4.20c) Đất xám trên phù sa cổ X (3)

99

Hình 4.21 Quan hệ giữa mức giảm khả năng hấp phụ P tối đa (Δ Qmax)

và hàm lượng hữu cơ bị phân hủy (Δ hữu cơ) trong 20 đất lúa miền Nam

sau khi xử lý với dung dịch H2O2

100

Hình 4.22 Quan hệ giữa hàm lượng chất hữu cơ với sắt vô định hình

(4.22a) và nhôm (4.22b) vô định hình trong 20 đất lúa miền Nam 101

Hình 4.23 Ảnh hưởng của hỗn hợp acid humic đối với khả năng hấp phụ

Hình 4.24 Đường cong hấp phụ P của đất dưới ảnh hưởng cạnh tranh

hấp phụ trực tiếp của oxalate: 4.24a) Đất phèn hoạt động S(2); 4.24b) Đất

phù sa gley có tầng loang lổ P (3); 4.24c) Đất xám trên phù sa cổ X (3)

106

Hình 4.25 Đường cong hấp phụ P của đất dưới ảnh hưởng oxalate bón

vào đất trong quá trình ngập nước: 4.25a) Đất phèn hoạt động S (2);

4.25b) Đất phù sa gley có tầng loang lổ P (3); 4.25c) Đất xám trên phù sa

cổ X (3)

108

Hình 4.26 Đường cong hấp phụ P của đất phèn hoạt động S (2) dưới ảnh

hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6: 4.26a)

Không điều chỉnh pH dung dịch hấp phụ; 4.26b) Điều chỉnh pH dung

dịch hấp phụ về mức pH 4,7

113

Hình 4.27 Đường cong hấp phụ P của đất phù sa gley có tầng loang lổ P

(3) dưới ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6:

4.27a) Không điều chỉnh pH dung dịch hấp phụ; 4.27b) Điều chỉnh pH

dung dịch hấp phụ về mức pH 4,7

116

Hình 4.28 Đường cong hấp phụ P của đất xám trên phù sa cổ X (3) dưới

ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của Na2SiO3 và Na2SiF6: 4.28a)

Không điều chỉnh pH dung dịch hấp phụ; 4.28b) Điều chỉnh pH dung

dịch hấp phụ về mức pH 4,7

118

Hình 4.29 Động thái hấp phụ P của đất phèn hoạt động S (2) dưới ảnh

hưởng của Na2SiO3 (4.29a) và Na2SiF6 (4.29b) bón vào đất trong quá

trình ngập nước

121

Hình 4.30 Động thái hấp phụ P của đất phù sa gley có tầng loang lổ P

(3) dưới ảnh hưởng của Na2SiO3(4.30a) và Na2SiF6 (4.30b) bón vào đất

trong quá trình ngập nước

124

Hình 4.31 Động thái hấp phụ P của đất xám trên phù sa cổ X (3) dưới

ảnh hưởng của Na2SiO3(4.31a) và Na2SiF6 (4.31b) bón vào đất trong quá

trình ngập nước

126

Hình 4.32 Cây lúa trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của Na2SiO3

và Na2SiF6 đối với sự sinh trưởng và hấp thu dinh dưỡng của cây lúa trên

đất phèn hoạt động S (2) trong nhà lưới: 4.32a) 25 ngày sau gieo; 4.32b)

45 ngày sau gieo

144

Hình 4.33 Cây lúa trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của Na2SiO3

và Na2SiF6 đối với sự sinh trưởng và hấp thu dinh dưỡng của cây lúa trên

đất xám trên phù sa cổ X (3) trong nhà lưới: 4.33a) 25 ngày sau gieo;

4.33b) 45 ngày sau gieo

151

CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

5 Qmax Lượng P hấp phụ tối đa tính toán theo phương

trình đẳng nhiệt Langmuir đơn

6 P0,2 Lượng P hấp phụ theo tính toán để dung dịch

cân bằng đạt nồng độ 0,2 mg P/l

7 Δhữu cơ Hàm lượng chất hữu cơ bị phá hủy sau khi xử

lý mẫu đất với dung dịch H2O2

8 ΔQmax Lượng P hấp phụ tối đa sụt giảm sau khi xử lý

mẫu đất với dung dịch H2O2

ABSTRACT

PhD thesis title: “Research on phosphorus sorption and silicate application to

improve plant available phosphorus contents in rice soils in southern Vietnam”

The study was carried out on 20 soils from main rice areas in the Mekong Delta and the suburbs of Ho Chi Minh city If the studies soil samples are grouped according to the orders of World Reference Base then these soils belong three main soil groups: Fluvisols; Thionic Fluvisols and Acrisols In order to inhibit phosphorus (P) sorption capacity, applying sorption competition capacity of silicate (SiO32-) and silicofluoride (SiF62-) anions - as silicate sodium (Na2SiO3) and silicofluoride sodium (Na2SiF6) - to phosphate (H2PO4-, HPO42-, PO43-) anions on sorption sites in soil was conducted through P sorption and desorption experiments

in laboratory, rice cultural trials on field and in green house

The phosphorus sorption capacity of 20 soils was determined by using the simply Langmuir equation and Freundlich equation comparing to the results that were determined by using the binary Langmuir equation The experimental P sorption data were well described by above three equations; among that the simply Langmuir equation is the best one to describe P sorption capacity of studied soils Calculating by the simply Langmuir equation, the everage values of maximum P adsorption amounts (Qmax) among three studied soil groups decreased in the following sequence: Thionic Fluvisols (Qmax = 1.431 mg P/kg) > Fluvisols (Qmax =

764 mg P/kg) > Acrisols (Qmax = 297 mg P/kg) The amount of P needed to provide 0.2 mg P.kg-1 (P0.2), a P concentration is often considered adequate for plant nutrition, was 274 mg P/kg, 92 mg P/kg and 92 mg P/kg on Thionic Fluvisols, Fluvisols and Acrisols, respectively According to those, in order to maintain the P content in soil solution at 0.2 mg P/l it needed adding 549 kg P/ha on Thionic Fluvisols, 184 kg P/ha on Fluvisols and 8 kg P/ha on Acrisols

The maximum P sorption capacities and P desorption capacities of 20 studied sois were mainly related to particular soil characteristics such as: pH, organic matter content, poorly crystalline Fe-oxihydroxides content, poorly crystalline Al-oxihydroxides content and clay content by simply linear correlation The phosphorus sorption capacities of 20 studied soils increased in the following sequence: Acrisols < Fluvisols < Thionic Fluvisols In the contrary, the P desoption capacities increased in the following sequence: Thionic Fluvisols < Fluvisols < Acrisols

The indirect effect of organic matter as acid humic to P sorption capacity is probably due to form poorly crystalline Fe-oxihydroxides that increased P adsorption capacity of Fe-oxyhydroxide Effects of direct sorption competition of organic matter as oxalate to phosphate in soil decreased 19 %, 65 % and 76 % of

Qmax values on an orthi-thionic fluvisol, a plinthi cambic fluvisol and a haplic acrisol, respectively Otherwise, in flood duration the sorption competition effect of oxalate to phosphate was weaker comparing to the direct sorption competition effect; the Qmax values reduced 4-9 % on the orthi-thionic fluvisol, 16-27 % on the plinthi cambic fluvisol; the intensity of deduction was gradual low by the flood time On the haplic acrisol, the Qmax values decreased 45-82 % under the effect of oxalate added in flood duration; the intensity of deduction was not gradual low by the flood time likely the rule that was recognized through the results on orthi-thionic

fluvisol and plinthi cambic fluvisol

The phosphorus desorption amounts on a thioni umbric fluvisol, an eutric fluvisol and a haplic acrisol that were extracted by anionite resin were correlated positively to plant P absorption contents The highest phosphorus release speed was

on the haplic acrisol, the next one on the eutric fluvisol and the lowest one on the thioni umbric fluvisol

The solutions of KCl 0.01 M containing phosphorus (KH2PO4; 0-400 mg P/l) was added Na2SiO3 or Na2SiF6 (0-800 mg SiO3 or SiF6/l) in order to understand

the direct sorption competition effect of silicate and silicofluoride anions to phosphate on an orthi-thionic fluvisol, a plinthi cambic fluvisol and a haplic acrisol The application of Na2SiO3 and Na2SiF6 inhibited Qmax, specially remarkably decreased P0.2 values among three studied soils The relative decrease (%) in the P0.2values was stronger than that in Qmax values On the orthi-thionic fluvisol, the effective of Na2SiO3 on inhibiting P adsorption capacity was based on alkalinizing the environment mainly, whereas the effective of Na2SiF6 that decreased P sorption capacity was builded up the anion adsorption competition On the plinthi cambic fluvisol, the deduction of Qmax values by the influence of Na2SiO3 was caused by the anion adsorption competition On the haplic acrisol, the influence of alkalinization because of adding Na2SiO3 on the P sorption capacity was not recognized The effective of Na2SiF6 on the deduction of P sorption capacity of three studied soils was more stable and clearer than that of Na2SiO3

In the case adding silic into soils (180 mg SiO3 or SiF6/kg) then flooding 1,

14 and 42 day periods before determining P sorption capacities on fresh soil samples, Qmax value of the orthi-thionic fluvisol and plinthi cambic fluvisol almostly did not reduce under adding silic as Na2SiO3, whereas Qmax value light reduced from 2-20 % under adding silic as Na2SiF6 Hower, P0,2 values remarkably decreased under Na2SiO3 (P0,2 decreased 7-74 %) and Na2SiF6 (P0,2 decreased 18-74 %) Both the application of Na2SiO3 and Na2SiF6 clearly reduced the P sorption capacity of the haplic acrisol (Qmax reduced 10-58 %; P0,2 reduced 4-70 %)

Adding Na2SiO3 or Na2SiF6 (200 mg SiO3 or SiF6/l) into KCl 0.01 M to extract adsorbed P that increased P desorption amounts Compare to P adsorption amounts, P desorption amounts ranged 7-12 % on the orthi-thionic fluvisol (the control: 4 %), 24-29 % on the plinthi cambic fluvisol (the control: 8 %) and 62-74

% on the haplic acrisol (the control: 43 %)

The results in field trials, on the orthi-thionic fluvisol and haplic acrisol adding Na2SiO3 or Na2SiF6 without P fertilizers trended to promote rice grain yields,

responses: 5-13 % compared to the control (no P, no Na2SiO3 and Na2SiF6); adding

Na2SiO3 or Na2SiF6 combined with P fertilizers increased grain yields, responses: 10-18 % compared to the control, but that had no significant difference comparing

to the P added treatments On the plinthi cambic fluvisol, the application of Na2SiO3 and Na2SiF6 had not gotten clear benefit for growth and yield on rice

Both the seperate use of P fertilizers or silic (as Na2SiO3 or Na2SiF6) and the combined use of P fertilizers with Na2SiO3 or Na2SiF6 increase the amounts of P uptake, amounts of N uptake by plants, dry biomass and number ol tillers on rice which were cultivated on the orthi-thionic fluvisol and the haplic acrisol in green house Both adding P fertilizers combined with or without Na2SiO3 or Na2SiF6 decreased iron and allumium contents, increased the rates of P/Fe and P/Al in plant dry biomass, especially in seedling period

It is needed to study optimum kinds and doses of silic and phosphorus fertilizers for combined application in order to get high economic and agricultural effective Assessing accumulation of sodium in soil and its affect on rice growth, on soil characteristics is necessary in the case of using sodium silicate and silicofluoride for a long time

TÓM TẮT

Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu đặc điểm hấp phụ, giải phóng lân và sử dụng

silicate để nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa Nam Việt Nam”

Đề tài nghiên cứu trên 20 mẫu đất lúa thu thập từ vùng trọng điểm trồng lúa Đồng bằng sông Cửu Long và vùng phụ cận thành phố Hồ Chí Minh Phân loại theo

Cơ sở tham khảo tài nguyên đất thế giới, các đất nghiên cứu thuộc ba nhóm đất chính: Đất phù sa (Fluvisols); đất phèn (Thionic Fluvisols) và đất xám (Acrisols) Nghiên cứu ứng dụng khả năng cạnh tranh hấp phụ của các anion silicate (SiO32-)

và silicofluoride (SiF62-) - dạng silicate natri (Na2SiO3) và silicofluoride natri (Na2SiF6) - với anion phosphate (H2PO4-, HPO42-, PO43-) như một biện pháp làm giảm khả năng hấp phụ lân (P) được thực hiện qua các thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ, giải phóng P trong phòng thí nghiệm, sau đó được thử nghiệm trực tiếp trên đồng ruộng và trong nhà lưới

Khả năng hấp phụ P của đất được đánh giá thông qua việc ứng dụng các phương trình đẳng nhiệt Langmuir đơn và Freudlich, kết quả được so sánh với khả năng hấp phụ P của đất xác định bằng phương trình Langmuir kép Cả ba phương trình ứng dụng đều minh họa rất tốt quá trình hấp phụ Trong đó, phương trình Langmuir đơn thích hợp nhất để mô tả hiện tượng hấp phụ lân trong các nhóm đất nghiên cứu Xác định theo phương trình Langmuir đơn, lượng P hấp phụ tối đa trung bình của ba nhóm đất được xếp theo thứ tự nhỏ dần như sau: Đất phèn (Qmax = 1.431 mg P/kg) > đất phù sa (Qmax = 764 mg P/kg) > đất xám (Qmax = 297 mg P/kg) Lượng P hấp phụ tính toán để dung dịch cân bằng đạt nồng độ 0,2 mg P/l (P0,2) là

274 mg P/kg, 92 mg P/kg và 92 mg P/kg lần lượt đối với các nhóm đất phèn, đất phù sa và đất xám Theo đó, để duy trì mức nồng độ P trong dung dịch đất là 0,2 mg P/l thì lượng P nguyên chất cần bón trên đất phèn là 549 kg P/ha, trên đất phù sa là

184 kg P/ha và trên đất xám là 8 kg P/ha

Thông qua xử lý tương quan tuyến tính, khả năng hấp phụ và giải phóng P của 20 đất nghiên cứu liên quan với tính chất đất chủ yếu là pH, hàm lượng chất hữu cơ, sắt nhôm vô định hình và sét Khả năng hấp phụ P của ba nhóm đất nghiên cứu tăng dần theo thứ tự sau: Đất xám (Acrisols) < Đất phù sa (Fluvisols) < Đất phèn (Thionic Fluvisols) Ngược lại, khả năng giải phóng P tăng dần theo thứ tự sau: Đất phèn (Thionic Fluvisols)< Đất phù sa (Fluvisols) < Đất xám (Acrisols) Chất hữu cơ dạng acid humic tác động gián tiếp lên quá trình hấp phụ lân chủ yếu thông qua việc hình thành sắt vô định hình làm tăng khả năng hấp phụ lân của các oxyhydroxide sắt Dưới ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của chất hữu cơ dạng oxalate, khả năng hấp phụ lân tối đa (Qmax) của đất phèn hoạt động, đất phù sa gley có tầng loang lổ và đất xám trên phù sa cổ giảm lần lượt là 19 %, 65 %

và 76 % Trong quá trình đất ngập nước, ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ của oxalate bón vào đất phèn hoạt động và đất phù sa gley có tầng loang lổ yếu hơn so với trường hợp cạnh tranh hấp phụ trực tiếp; khả năng hấp phụ lân tối đa giảm 4-9 % trên đất phèn hoạt động và 16-27 % trên đất phù sa gley có tầng loang lổ; mức độ sụt giảm khả năng hấp phụ lân có xu hướng thấp dần theo thời gian ngập nước Đối với đất xám trên phù sa cổ, ảnh hưởng của oxalate bón vào trong quá trình ngập nước làm giảm 45-82 % khả năng hấp phụ lân tối đa, không phát hiện quy luật vừa nêu như trên đất phèn hoạt động và đất phù sa gley có tầng loang lổ

Lượng lân giải phóng trên đất phù sa trên nền phèn, đất phù sa ít chua và đất xám trên phù sa cổ xác định bằng phương pháp sử dụng chất trao đổi anion tương quan thuận với lượng lân cây lúa hút Tốc độ và lượng P giải phóng cao nhất trên đất xám trên phù sa cổ, kế đến là trên đất phù sa ít chua và thấp nhất là trên đất phù

sa trên nền phèn

Bổ sung Na2SiO3 or Na2SiF6 (0-800 mg SiO3 or SiF6/l) vào dung dịch KCl 0,01 M chứa P (KH2PO4; 0-400 mg P.l-1) nhằm nghiên cứu ảnh hưởng cạnh tranh hấp phụ trực tiếp của silicate và silicofluoride với phosphate trên đất phèn hoạt động, đất phù sa gley có tầng loang lổ và đất xám trên phù sa cổ Ảnh hưởng cạnh

tranh hấp phụ trực tiếp của các anion silicate và silicofluoride với phosphate làm giảm khả năng hấp phụ P của đất tính theo đại lượng Qmax trên cả ba đất nghiên cứu, đặc biệt làm giảm mạnh giá trị P0,2 Mức độ suy giảm tương đối (tính theo %) đối với thông số P0,2 cao hơn so với thông số Qmax Cơ chế tác động của hai hợp chất

Na2SiO3 và Na2SiF6 lên khả năng hấp phụ P của đất khác nhau tùy theo loại đất Trên đất phèn, Na2SiO3 chủ yếu làm hạn chế khả năng hấp phụ P thông qua cơ chế kiềm hóa môi trường, trong khi Na2SiF6 tác động lên khả năng hấp phụ P thông qua

cơ chế cạnh tranh anion Trên đất phù sa, sự suy giảm Qmax do ảnh hưởng của

Na2SiO3 chủ yếu thông qua cơ chế cạnh tranh hấp phụ Trên đất xám không phát hiện thấy cơ chế tác động kiềm hóa lên khả năng hấp phụ P của đất Trong hai hợp chất chứa silic nghiên cứu thì ảnh hưởng của Na2SiF6 lên sự suy giảm khả năng hấp phụ P của đất ổn định và rõ nét hơn so với Na2SiO3

Trường hợp bón silic vào đất (180 mg SiO3 hoặc SiF6/kg) sau đó để đất ngập nước qua 1, 14 và 42 ngày trước khi xác định khả năng hấp phụ P trong mẫu đất tươi, giá trị Qmax của đất phèn hoạt động và đất phù sa gley có tầng loang lổ hầu như không sụt giảm dưới ảnh hưởng của việc bổ sung silic dạng Na2SiO3 mà chỉ giảm nhẹ trong khoảng 2-20 % dưới ảnh hưởng của việc bổ sung silic dạng Na2SiF6 Tuy nhiên, giá trị P0,2 đất phèn hoạt động và đất phù sa gley có tầng loang lổ giảm đáng

kể dưới ảnh hưởng của Na2SiO3 (P0,2 giảm 7-74 %) và Na2SiF6 (P0,2 giảm 18-74 %) Bón Na2SiO3 và Na2SiF6 đều làm giảm rõ rệt khả năng hấp phụ lân của đất xám trên phù sa cổ (Qmax giảm 10-58 %; P0,2 giảm 4-70 %)

Bổ sung Na2SiO3 hoặc Na2SiF6 (200 mg SiO3 hoặc SiF6/l) vào dung dịch KCl 0,01 M chiết rút làm tăng lượng lân giải phóng So với lượng lân đất đã hấp phụ, tỷ

lệ lượng lân giải phóng lại vào dung dịch là 7-12 % đối với đất phèn hoạt động (đối chứng: 4%), 24-29 % đối với đất phù sa gley có tầng loang lổ (đối chứng: 8 %), 62-

74 % đối với đất xám trên phù sa cổ (đối chứng: 43 %)

Thí nghiệm ngoài đồng ruộng trên đất phèn hoạt động và đất xám trên phù sa

cổ, bón Na2SiO3 hoặc Na2SiF6 trên nền không bón lân cho bội thu 5-13 % so với đối

chứng không bón lân và silic; bón kếthợp với lân cho bội thu 10-18 % so với đối chứng, nhưng không có khác biệt đáng kể so với công thức bón lân (không bổ sung silic) Trên đất phù sa gley có tầng loang lổ, việc bón bổ sung Na2SiO3 và Na2SiF6cho lúa không cho hiệu quả rõ rệt đối với sự sinh trưởng và năng suất lúa

Bón Na2SiO3 hoặc Na2SiF6 trên nền không bón lân hoặc bón kết hợp với lân cho cây lúa trồng trên đất phèn hoạt động và đất xám trên phù sa cổ trong nhà lưới, làm tăng lượng P cây hút, tăng lượng N cây hút, trọng lượng sinh khối và số nhánh/cây Trên đất phèn, bón silic trên nền không bón lân hoặc bón kết hợp silic với lân làm giảm hàm lượng sắt, nhôm, tăng tỷ lệ P/Fe và P/Al trong cây lúa

Cần tiếp tục nghiên cứu xác định liều lượng, dạng loại của silic và lân bón kết hợp tối ưu trên từng loại đất nhằm mang lại hiệu quả nông học và hiệu quả kinh

tế cao Cần thiết đánh giá sự tích lũy natri trong đất và ảnh hưởng của nó đối với sự sinh trưởng của cây lúa, đối với tính chất đất khi sử dụng các hợp chất silicate và silicofluoride natri trong thời gian dài

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Lân là nguyên tố đa lượng giữ vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp, quá trình hình thành và chuyển hóa năng lượng cho mọi hoạt động trao đổi chất của cây trồng Thiếu lân được xem là yếu tố hạn chế năng suất quan trọng và bón lân là một trong những biện pháp góp phần nâng cao sản lượng cây trồng hiện nay trên nhiều vùng đất

Đặc biệt trên diện tích lớn những đất chua phèn có khả năng hấp phụ lân cao, hiện tượng cây trồng thiếu lân xảy ra không phải chỉ do đất nghèo lân mà còn do phần lớn lân trong đất bị giữ chặt với các hợp chất sắt, nhôm dưới dạng khó tan mà cây trồng không thể hấp thu Ngoài nguồn phân lân được sản xuất trong nước, Việt Nam vẫn thường phải nhập khẩu khoảng 30-35 % nhu cầu về phân lân Trong khi

đó hiệu quả của việc sử dụng phân lân trong thực tế sản xuất chỉ đạt khoảng 50-60

% Sử dụng phân lân như thế nào để đạt hiệu quả kinh tế cao là một khâu kỹ thuật khó vì hiệu lực phân lân phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thời tiết khí hậu,

kỹ thuật canh tác và đặc biệt là tính chất đất Trong đó, đặc tính hấp phụ và giải phóng lân là những yếu tố có tính quyết định đến khả năng cung cấp lân của đất cũng như liều lượng bón và hiệu lực của phân lân đối với cây lúa

Nghiên cứu biện pháp nhằm hạn chế quá trình cố định lân, nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất là một trong những vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm Một số biện pháp kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi nhằm hạn chế khả năng hấp phụ lân trong đất như sử dụng các loại phân lân chậm tan hoặc đá phosphate Tại một số quốc gia (Mỹ, Ấn Độ, Nhật), việc sử dụng các loại xỉ và phân bón chứa silicate cho thấy có thể cải thiện tình trạng dinh dưỡng lân trong đất, nâng cao năng suất cây trồng Tuy nhiên, ở Việt Nam việc sử dụng silicate nhằm làm tăng hàm lượng lân hữu dụng trong đất hầu như chưa được nghiên cứu Về lý thuyết, các anion silicate có khả năng cạnh tranh mạnh mẽ với các anion phosphate

trên các vị trí hấp phụ của oxide Fe, Al; vì vậy có thể làm giảm lượng lân bị hấp phụ trong đất Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng silic trong canh tác lúa nhằm tiến đến việc phối chế làm đa dạng hóa mặt hàng phân lân hoặc tạo ra các loại phân đa yếu tố, chứa P và Si cùng các nguyên tố dinh dưỡng khác phù hợp với điều kiện đất đai và nhu cầu của cây lúa ở miền Nam là một hướng đi có tính khả thi cao

Xuất phát từ cơ sở khoa học và nhu cầu thực tế nêu trên, nghiên cứu sinh đã

thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc điểm hấp phụ, giải phóng lân và sử dụng

silicate để nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa Nam Việt Nam”

1.2 MỤC TIÊU

- Đánh giá được khả năng hấp phụ và giải phóng lân của một số đất trồng lúa chính ở miền Nam, xác định được các yếu tố chính quyết định khả năng hấp phụ và giải phóng lân của đất làm cơ sở cho việc nghiên cứu các biện pháp hạn chế khả năng cố định lân trong đất

- Đánh giá được khả năng ứng dụng anion cạnh tranh như một giải pháp hạn chế khả năng cố định lân, tăng lượng lân hữu dụng trong đất lúa

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI

Đề tài nghiên cứu trên 20 mẫu đất lúa thu thập từ vùng trọng điểm trồng lúa Đồng bằng sông Cửu Long và vùng phụ cận thành phố Hồ Chí Minh Các đất nghiên cứu thuộc ba nhóm đất chính: Đất phù sa (Fluvisols); đất phèn (Thionic Fluvisols) và đất xám (Acrisols) Khả năng hấp phụ và giải phóng lân của đất được tiến hành trên các mẫu đất đã phơi khô, xử lý Nghiên cứu ứng dụng silic như một biện pháp giảm khả năng hấp phụ P được thực hiện qua các thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ, giải phóng P trong phòng thí nghiệm, sau đó được thử nghiệm trực tiếp trên đồng ruộng và trong điều kiện nhà lưới

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu từ đề tài góp phần vào cơ sở lý thuyết

về lĩnh vực lân trong đất, đặc biệt đối với các đất lúa chính ở miền Nam Việt

Nam và đất nhiệt đới ngập nước trồng lúa Đề tài đã chỉ ra được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và khả năng giải phóng lân trong đất lúa Mặt khác, đề tài đã góp phần làm sáng tỏ được vai trò và mức độ ảnh hưởng của chất hữu cơ (trong đó có acid humic, oxalate), các anion silicate và silicofluoride trong việc cố định và giải phóng lân trong đất lúa Về mặt lý thuyết, đề tài cũng đã phát hiện ra rằng ứng dụng chất trao đổi anion (anionite) để chiết lân cho kết quả phù hợp với khả năng cung cấp lân của đất trong thực tế hơn so với phương pháp đánh giá khả năng cung cấp lân của đất dựa trên cơ sở phân tích lân dễ tiêu bằng các dịch chiết thông thường

- Ý nghĩa thực tiễn: Việc đánh giá các yếu tố chính quyết định khả năng hấp phụ và giải phóng P trong đất lúa tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu tìm các giải pháp giảm lượng lân bị cố định, nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân Đặc biệt kết quả nghiên cứu vai trò của silic trong việc giảm khả năng hấp phụ lân, nâng cao lượng lân giải phóng trong đất là cơ sở tốt cho việc đề xuất ứng dụng hợp chất chứa silic như một tiến bộ kỹ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân Mặt khác, việc phát hiện mối tương quan chặt chẽ giữa kết quả xác định tốc độ giải phóng lân bằng anionite với lượng lân cây hút giúp gợi mở ứng dụng phương pháp này như một phương pháp mới đánh giá khả năng cung cấp lân của đất

1.5 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Luận án đã có một số đóng góp mới như sau:

- Phát hiện được mối tương quan nghịch chặt chẽ giữa khả năng hấp phụ và giải phóng P, chỉ ra các yếu tố chính của đất ảnh hưởng đến khả năng giải phóng P trong đất lúa miền Nam

- Chứng minh rằng phương pháp ứng dụng anionite xác định lượng P giải phóng có thể được sử dụng trong việc đánh giá khả năng cung cấp P hữu dụng của các đất nghiên cứu

- Làm rõ được hiệu quả của silicate natri (Na2SiO3) và silicofluoride natri (Na2SiF6) trong việc hạn chế khả năng hấp phụ P, đồng thời làm tăng hàm lượng P hữu dụng trong đất; đề xuất ứng dụng các hợp chất này nhằm tăng khả năng cung cấp P của đất và nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1.1 Cơ chế của quá trình hấp phụ và kết tủa lân

Một trong những thông số của đất quyết định đến khả năng cung cấp lân của đất và hiệu lực phân lân là khả năng hấp phụ lân của đất Hiện tượng hấp phụ được xem là nguyên nhân chính làm giảm hàm lượng lân hòa tan trong dung dịch Đất có khả năng hấp phụ lân càng cao thì khả năng cung cấp lân càng thấp Parfitt (1978) [84] diễn tả 2 kiểu hấp phụ lân như sau:

i) Các anion phosphate trao đổi ligand với các nhóm –OH trên bề mặt khoáng; hoặc

ii) Trong điều kiện pH thấp, các nhóm –OH trên bề mặt keo sét hoặc kim loại hấp phụ thêm 1 proton tạo nên điện tích dương có khả năng kết hợp với các anion phosphate bởi lực hút tĩnh điện

Quá trình hấp phụ theo cơ chế trao đổi với ion OH- không làm ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của khoáng sét; ngược lại, quá trình hấp phụ theo cơ chế trao đổi với nhóm OH2+ làm giảm điện tích dương trên bề mặt Ngay cả khi keo sét có điện tích bề mặt mang dấu âm thì vẫn có khả năng hấp phụ anion [106]

Bên cạnh keo dương với quá trình hấp phụ lý - hóa học (hấp phụ trao đổi anion), quá trình hấp phụ hóa học các anion có hóa trị cao như anion phosphate trong đất rất lớn Đồng thời anion phosphate sau khi bị hấp phụ trao đổi lại có thể

chuyển sang bị hấp phụ không trao đổi (hấp phụ cố định) [100]

Theo Sanyal S K và De Datta S K (1991) [101], ngoài hiện tượng hấp phụ thì hiện tượng kết tủa lân cũng là một trong những quá trình làm giảm nồng độ lân trong dung dịch đất Sự khác biệt cơ bản nhất giữa hấp phụ và kết tủa là quá trình hấp phụ chủ yếu xảy ra trên bề mặt thể rắn và khi bề mặt thể rắn hấp phụ được càng

nhiều thì hoạt tính bề mặt càng giảm Do đó, đối với hiện tượng hấp phụ, khi bề mặt càng đuợc bão hòa lân thì lượng lân trong dung dịch càng nhiều Ngược lại, trong suốt quá trình kết tủa hoạt tính bề mặt hầu như không đổi Nhiều tác giả cho rằng quá trình hấp phụ chủ yếu xảy ra ở nồng độ lân thấp, quá trình kết tủa lân chủ yếu xảy ra ở nồng độ lân cao Tuy nhiên, các sản phẩm tạo ra từ quá trình hấp phụ và kết tủa gần như nhau và rất khó phân biệt Trong vấn đề hấp phụ lân, phản ứng hóa học giữ một vai trò chủ yếu do trong đất thường tồn tại một số lượng rất lớn các cation hóa trị 2 và 3 có khả năng hình thành những hợp chất không tan hoặc ít tan với lân, vì vậy hạn chế nhiều sự di chuyển của anion phosphate

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ lân

Khả năng hấp phụ lân của đất phụ thuộc vào các yếu tố chính như sau [88]: i) pH đất;

ii) Hoạt tính bề mặt (surface reactivity) và diện tích bề mặt (specific surface) của chất hấp phụ;

iii) Khả năng “nhốt” (occlude) lân;

iv) Ảnh hưởng của các cation;

v) Sự hiện diện của các anion có khả năng cạnh tranh vị trí hấp phụ với anion phosphate;

vi) Nhiệt độ và thời gian phản ứng

2.1.2.1 Ảnh hưởng của pH

Giá trị pH đất có ảnh hưởng rất lớn đến lượng lân hấp phụ và kết tủa Ở pH thấp, sự cố định lân phần lớn là do phản ứng của lân với các Fe/Al oxide tạo thành chất kết tủa AlPO4 và FePO4 Khi pH tăng, hoạt độ của Fe/Al oxide giảm, nên sự hấp phụ và kết tủa lân giảm, đồng thời nồng độ lân trong dung dịch được tăng lên Lân trong hầu hết các loại đất trở thành dạng dễ hấp thu đối với cây trồng khi pH trong khoảng 5,5 - 6,5 Thông thường khi bón vôi cho đất chua sẽ làm tăng sự hòa

tan của lân [3] Tuy nhiên, nếu bón quá nhiều vôi có thể làm giảm sự hòa tan của lân do hình thành quá nhiều khoáng Ca–P không hòa tan, tương tự như trường hợp đất kiềm tự nhiên có chứa nhiều ion Ca2+

[99]

Tuy nhiên, mối tương quan thuận giữa pH với khả năng hấp phụ lân của đất cũng được một số tác giả đã ghi nhận [53], [54] Điều này có thể được giải thích qua việc xem xét các ảnh hưởng của pH đến dạng ion phosphate được hấp phụ (H2PO4-hoặc HPO42-), đến điện tích và thế năng tĩnh điện (electrostatic potential) của bề mặt

cố định lân có điện tích biến thiên trong đất Các ảnh hưởng này cũng phụ thuộc vào đặc tính của chất điện phân đưa vào, do đó vấn đề càng phức tạp hơn Đặc tính của chất điện phân đưa vào thường chi phối ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của đất Nồng độ và hóa trị cation trong chất điện phân ảnh hưởng điện thế tĩnh điện trên bề mặt hấp phụ Sự tăng nồng độ chất điện phân, đặc biệt nếu cation nhiều hóa trị, sẽ bù cho điện thế làm bề mặt ít âm hơn; do đó tăng pH không làm giảm khả năng hấp phụ lân một cách rõ nét Khả năng phóng thích lân đã hấp phụ cũng giảm nếu tăng nồng độ chất điện phân chứa cation nhiều hóa trị [54], [56] Đối với chất điện phân là NaCl hoặc KCl, sự gia tăng pH làm giảm khả năng hấp phụ lân rất rõ

Nồng độ ion trong dung dịch có tác dụng điều hòa sự tăng hoặc giảm khả năng hấp phụ lân khi pH thay đổi Trong trường hợp này, sự gia tăng nồng độ muối làm tăng hấp phụ lân ở các mức pH cao hơn, nhưng làm giảm hấp phụ lân ở pH thấp hơn Tại giá trị pH mà sự hấp phụ lân không phụ thuộc nồng độ muối được gọi

là “a point of zero salt effect on P sorption”; giá trị pH này sẽ giảm với sự gia tăng của mức độ hấp phụ lân do hấp phụ lân làm tăng điện tích âm của đất [56]

2.1.2.2 Ảnh hưởng của hoạt tính bề mặt và diện tích bề mặt của chất hấp phụ

Các khoáng silicate 2:1 như montmorillonite hấp phụ lân yếu hơn so với khoáng 1:1 như kaolinite do các nhóm OH- trên các góc của khoáng kaolinite có thể

trao đổi với ion H2PO4- tương tự như với nhóm OH- trên bề mặt Fe/Al oxide Các oxide và hydroxide sắt, nhôm có ái lực rất mạnh với anion phosphate do tạo thành

những chất kết tủa khó tan Diện tích bề mặt khoáng càng lớn thì khả năng hấp phụ lân càng lớn Mặt khác, các bề mặt thể rắn của đất sau khi hấp phụ lân có khả năng kết dính lại với nhau và nhốt các phosphate đã hấp phụ vào trong đó gây biến dạng

bề mặt keo sét tạo ra các vùng mới có khả năng hấp phụ lân [99], [101]

2.1.2.3 Ảnh hưởng của các cation

Lân vô cơ trong đất có thể bị rửa trôi, nhưng thường xảy ra trong những điều kiện nhất định Lân sẽ bị rửa trôi khi được bón vào đất có chứa hàm lượng cát thạch anh cao và đất than bùn Điều này xảy ra do không có sự hiện diện của các hợp chất Fe/Al, là những hợp chất chính hấp phụ lân trên đất chua Khi AlCl3 được bón vào 2 loại đất trên, sự rửa trôi phân lân giảm hẳn Tuy nhiên, sự cố định lân có thể trở nên bất lợi cho dinh dưỡng lân đối với cây trồng trên đất chua, chứa nhiều Fe/Al oxide [100]

Trong điều kiện pH thấp của đa số đất chua Việt Nam, khi bón lân vào đất, sản phẩm tạo thành chủ yếu là phosphate sắt dạng strengite và một phần phosphate nhôm dạng variscite [36], [47], [91]

Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Đăng Nghĩa (1994) [27] trên đất phèn Đồng Tháp Mười có thời gian được khai hoang canh tác khác nhau cho thấy khả năng hấp phụ lân giữa các đất biến động khá mạnh (2.328 - 3.203 mg P/kg) Nghiên cứu trên đất xám bạc màu trồng chè ở Thái Nguyên, Đặng Văn Minh (2003) [24] ghi nhận rằng phần lớn lân trong đất và lân bón vào đã bị chuyển hóa thành các dạng phức hợp với sắt, nhôm và calcium khó hấp thu đối với cây; tỷ lệ lân ở dạng cây không

sử dụng ngay được (P-resistant) rất cao, chiếm 40 - 50 % lân tổng số

Nhiều tác giả cho rằng khả năng hấp phụ lân, đặc biệt là lượng lân do đất hấp phụ để duy trì nồng độ lân trong dung dịch cân bằng tương đương 0,2 mg P/l - nồng

độ lân được xem là thích hợp cho sự sinh trưởng của nhiều loại cây trồng - liên quan mật thiết với nhu cầu về lân của nhiều loại cây trồng và rất khác biệt giữa các loại đất [67], [68], [108] Theo kết quả nghiên cứu của Phan Thị Công (2000), trên đất xám Hòa Thành, đất xám Tân Châu (Tây Ninh) lượng lân cần bón để dung dịch

đất đạt mức 0,2 mg P/l (ký hiệu: P0,2) theo tính toán lần lượt là 38 kg P/ha và 47 kg P/ha; trong khi đó đất nâu đỏ Đức Liễu (Bình Phước) P0,2 lên đến 1.223 kg P/ha (tương đương 16.474 kg super lân) và đất mới biến đổi ở Bảo Lộc (Lâm Đồng) giá trị P0,2 là 1.146 kg P/ha (khoảng 15.437 kg super lân) [63]

Khả năng hấp phụ lân của các loại đất Việt Nam có sự khác biệt rất lớn, kết

quả thu được từ một số công trình nghiên cứu được trình bày qua Bảng 2.1

Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ lân của một số đất Việt Nam

Tên đất Khả năng hấp phụ lân

Nguyễn Tử Siêm, Trần Khải, 2000 [33]

2.1.2.4 Ảnh hưởng của anion cạnh tranh

Do có thể cạnh tranh về mặt hấp phụ với anion phosphate trên các vị trí hấp phụ, nên cả 2 loại anion vô cơ và hữu cơ đều có thể làm giảm sự hấp phụ lân khi lân được bón vào đất Các anion vô cơ bị giữ trong đất yếu như NO3-, Cl- và SO42- có khả năng cạnh tranh rất thấp; ngược lại, anion OH- và các anion có hoạt tính cao như H3SiO4-, MoO42- có thể cạnh tranh mạnh mẽ với anion phosphate trên các vị trí hấp phụ Lực nối của các anion với bề mặt khoáng sẽ quyết định khả năng cạnh

tranh của anion đó Mức độ bị hấp phụ một số anion vô cơ có thể xếp theo thứ tự giảm dần như sau: SiO44-

> PO43- >> SO42- > NO3- ~ Cl- (Bold, 1976) [59] Bón vào đất các hợp chất silicate calcium làm giảm đáng kể lượng lân bị hấp phụ trong đất

[66]

Ảnh hưởng của chất hữu cơ có thể làm tăng hoặc giảm hấp phụ lân trong đất, đôi khi không có sự tách biệt rõ giữa hai chiều hướng này Ảnh hưởng của các anion hữu cơ đến sự giảm hấp phụ lân liên quan đến cấu trúc phân tử của anion và

pH Trong điều kiện thí nghiệm, cho anion hữu cơ tiếp xúc với đất trước anion phosphate sẽ làm giảm lượng lân bị hấp phụ nhiều hơn so với trường hợp cho phosphate tiếp xúc với đất trước chất hữu cơ [62, [95], [109], [110]

2.1.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng

Trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, tốc độ của hầu hết các phản ứng hoá học và sinh học tăng khi nhiệt độ tăng Sự hòa tan của các hạt phân lân và phản ứng với các thành phần của đất sẽ hình thành những sản phẩm ít hòa tan hơn Tiến trình này cũng sẽ tăng nhanh khi tăng nhiệt độ Tăng nhiệt độ có khả năng làm gia tăng quá trình chuyển hóa sắt tinh thể sang sắt vô định hình và vì vậy lượng lân bị hấp phụ cũng gia tăng Sự hấp phụ lân trên các loại đất vùng nhiệt đới thường cao hơn các loại đất vùng ôn đới do các vùng khí hậu nóng thường đi cùng với các loại đất

có chứa hàm lượng Fe/Al oxide cao [88]

Sự cố định lân trong đất còn tùy thuộc vào thời gian phản ứng Các phản ứng hấp phụ có liên quan đến sự trao đổi phosphate với các anion trên bề mặt của các Fe/Al oxide xảy ra rất nhanh Các phản ứng chậm có liên quan đến sự hình thành các nối cộng hóa trị Fe–P hay Al–P trên bề mặt Fe/Al oxide và sự kết tủa của các hợp chất lân có độ hòa tan thấp Tốc độ của phản ứng chậm liên quan đến sự chuyển tiếp từ sự hấp phụ lân bằng nối hóa học yếu sang nối hóa học chặt hơn, lân sẽ trở thành dạng khó hấp thu đối với cây trồng

Mức độ bão hòa lân trong đất cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ lân Thông thường, lượng lân bị hấp phụ trong đất rất lớn, tăng lượng phân lân bón vào

đất lượng lân bị hấp phụ càng tăng, nhưng tiềm năng hấp phụ lân của đất sẽ giảm dần Khi hầu hết các vị trí hấp phụ trong đất có khả năng hấp phụ lân được bão hòa với các anion phosphate, sự hấp phụ lân sẽ giảm thấp và hiệu quả sử dụng phân lân

sẽ tăng [99]

Khả năng hấp phụ anion có liên quan chặt chẽ với mức độ phát triển của đất Đối với đất địa thành thì càng laterite hóa, khả năng hấp phụ anion càng mạnh; trái lại, đối với đất thủy thành, càng phát triển thì khả năng hấp phụ anion càng giảm vì vậy nhu cầu về phân lân bón cũng phải thay đổi theo [5]

2.1.3 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

Khả năng hấp phụ lân của đất có thể được xác định theo phương pháp xác đã được Fox và Kamprath (1970) mô tả [68]: Lắc mẫu đất với dung dịch điện phân CaCl2 0,01 M chứa lân dạng KH2PO4 với các nồng độ khác nhau Xác định lượng lân còn lại trong dung dịch khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng, lượng lân mất đi

so với ban đầu được xem là lượng lân đất đã hấp phụ Mối quan hệ giữa lượng lân hấp phụ trên đơn vị trọng lượng đất và nồng độ lân cân bằng trong dung dịch khi tác động với đất ở một nhiệt độ nhất định có thể được diễn tả bằng nhiều phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Mục đích chính của việc xác lập đường cong hấp phụ là xác định các thành phần của đất liên quan sự hấp phụ và ước tính lượng phân cần bón vào đất để thỏa mãn nhu cầu lấy đi của cây nhằm đạt năng suất tối ưu Có nhiều phương trình hấp phụ đẳng nhiệt (adsorption isotherm equation) diễn tả sự hấp phụ lân trong đất Trong đó, các phương trình Langmuir, Freundlich và Tempkin là những phương trình được ứng dụng rộng rãi [99], [90]

2.1.3.1 Phương trình Langmuir đơn (Simple Langmuir Equation)

Ưu điểm của phương trình Langmuir là tính toán được khả năng hấp phụ lân tối đa của đất Phương trình được diễn tả như sau:

Q = Qmax k C

(1 + k C)

Trong đó:

Q: Lượng lân đất hấp phụ ở nồng độ lân còn lại trong dung dịch cân bằng (C)

C: Nồng độ lân trong dung dịch cân bằng

Qmax: Khả năng hấp phụ lân tối đa

k: Hệ số liên quan đến năng lượng hấp phụ lân

2.1.3.2 Phương trình Langmuir kép (Binary Langmuir Equation)

Phương trình Langmuir đơn thường được áp dụng trong trường hợp nồng độ chất hấp phụ thấp, trong trường hợp nồng độ chất hấp phụ cao nhiều tác giả đề nghị

sử dụng phương trình Langmuir kép Phương trình được diễn tả như sau:

C: Nồng độ lân trong dung dịch cân bằng

k1, k2: Hệ số liên quan đến năng lượng hấp phụ lân

Qmax1, Qmax2: Khả năng hấp phụ lân tối đa tương ứng của vùng năng lượng cao và vùng năng lượng thấp

2.1.3.3 Phương trình Freundlich (Freundlich Equation)

Đây là một trong những phương trình đầu tiên được dùng để nghiên cứu sự hấp phụ P Phương trình được trình bày như sau:

Q = k.Cn

Trong đó:

Q: Lượng lân đất hấp phụ tương ứng với nồng độ C trong dung dịch cân bằng

k: Lượng lân đất hấp phụ tương ứng với nồng độ lân trong dung dịch cân bằng là 1 đơn vị

C: Nồng độ lân trong dung dịch cân bằng

n: Hệ số liên quan đến năng lượng hấp phụ

2.1.3.4 Phương trình Tempkin (Tempkin Equation)

Phương trình được dựa trên giả định rằng năng lượng liên quan hấp phụ giảm tuyến tính với sự gia tăng độ bão hòa bề mặt Phương trình được diễn tả như sau:

b: Lượng lân đất hấp phụ tối đa tính theo phương trình Langmuir

c: Nồng độ lân trong dung dịch