ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15n trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất

Một phần lượng phân bón nitơ dư thừa mà cây trồng không sử dụng đến sẽ ở lại trong đất, một phần bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt, một phần thấm theo chiều dọc vào các tầng nước ng

TRẦN THỊ BÍCH LIÊN

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐỒNG VỊ ĐÁNH DẤU 15N TRONG DỰ ĐOÁN TỐC ĐỘ THẤM SÂU CỦA PHÂN BÓN TRONG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH

MÃ SỐ: 60 44 29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC - HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS NGUYỄN THỊ XUÂN MAI

2 TS LƯƠNG THU TRÀ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2010

Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình của tất cả các Thầy Cô, các anh chị và các bạn đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

• PGS TS Nguyễn Thị Xuân Mai và TS Lương Thu Trà đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu này

• Các Thầy Cô trong bộ môn Hóa phân tích đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập ở trường

• Các anh chị và các bạn đồng nghiệp thuộc phòng Thủy văn đồng vị và phòng Sinh học phóng xạ, Trung tâm Hạt nhân Tp HCM đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn

• Các thành viên trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này

Trần Thị Bích Liên

DANH MỤC BẢNG Trang DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tình hình sử dụng phân bón ở Việt Nam 4

1.2 Ảnh hưởng của nitrat đến sức khỏe con người 5

1.3 Các dạng hóa học của nitơ hữu dụng cho cây trồng 6

1.4 Chu trình nitơ - Các quá trình chuyển đổi của nitơ 8

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 12

2.1 Địa hình 12

2.2 Điều kiện khí hậu 13

2.3 Điều kiện thủy văn 13

2.4 Tài nguyên đất và nước 13

2.5 Khu vực nghiên cứu 14

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

3.1 Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị trong nghiên cứu 16

3.2 Nitơ và đồng vị của nitơ 17

3.3 Thí nghiệm tại hiện trường 19

3.4 Xử lý sơ bộ mẫu đất trước khi phân tích 20

3.5 Xác định hàm lượng 15N trong mẫu đất 20

3.5.1 Nguyên lý chung 20

3.5.2 Chuyển đổi nitơ đánh dấu trong mẫu về dạng NH4+-N 21

3.5.2.1 Nitơ tổng số 21

3.5.2.2 Nguyên lý của phương pháp Kjeldahl 24

3.5.3 Chuyển đổi NH4+ sang khí nitơ N2 28

3.6 Thiết bị phân tích tỉ số đồng vị nitơ 29

phát xạ dùng phân tích đồng vị N 30

3.7 Thiết bị và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 34

3.7.1 Danh mục các thiết bị sử dụng 34

3.7.2 Hóa chất sử dụng 35

3.7.3 Chuẩn bị hóa chất 35

3.8 Quy trình phân tích hàm lượng 15N trong mẫu đất 39

3.8.1 Phá mẫu theo quy trình Kjeldahl 39

3.8.2 Chưng cất và chuẩn độ 39

3.8.3 Xác định hàm lượng 15N 40

3.9 Các công thức tính toán sử dụng trong nghiên cứu 40

3.9.1 Các công thức tính toán nitơ tổng số 40

3.9.2 Các công thức tính toán với đồng vị 15N 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng 15N trên máy NOI-7 46

4.1.1 Đường chuẩn 46

4.1.2 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 47

4.2 Một số khảo sát trước khi tiến hành phân tích mẫu hàng loạt 48

4.3 Lấy mẫu và ký hiệu các mẫu 49

4.4 Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất 52

4.5 Hàm lượng đồng vị đánh dấu 15N trong các mẫu đất 55

4.6.Tỉ số phần trăm nitơ có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất 63

4.7 Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất 66

4.8 Thí nghiệm đánh dấu với đồng vị phóng xạ 131I 69

KẾT LUẬN 72

KIẾN NGHỊ 73

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Số liệu phân tích nitơ tổng số 76

Phụ lục 2: Số liệu đo đồng vị đánh dấu 15N 81

Phụ lục 3: Thống kê hàm lượng 15N (%nguyên tử) trong mẫu theo từng lớp đất tại các thời điểm lấy mẫu 86

Phụ lục 4: Tính toán dung trọng đất 87

Phụ lục 5: Tính toán khối lượng 1 ha các lớp đất 88

Phụ lục 6: Thống kê phần trăm lượng phân đánh dấu với đồng vị 15N còn tồn dư trong từng lớpp đất tại các thời điểm lấy mẫu 89

Phụ lục 7: Khảo sát hàm lượng nitơ dạng NO2-, NO3- trong một số mẫu đất 90

Phụ lục 8: Xác định nồng độ dung dịch NaOBr bằng phép chuẩn độ với dung dịch chuẩn Na3AsO3 91

Phụ lục 9: Các chi tiết vận hành của máy NOI-7 92

Phụ lục 10: Sơ đồ đường khí trong máy NOI-7 93

Phụ lục 11: Các thông số kỹ thuật của máy NOI-7 95

Phụ lục 12: Một số hình ảnh trong nghiên cứu 96

Bảng 1.1: Các dạng phân bón nitơ thông thường 7

Bảng 3.1: Các đồng vị của nitơ và tính hữu dụng trong nghiên cứu 18

Bảng 4.1: Dãy các dung dịch chuẩn 15N và tín hiệu đo được 46

Bảng 4.2: Số đo thực nghiệm của mẫu trắng 47

Bảng 4.3: Kí hiệu mẫu theo độ sâu và ngày lấy mẫu 50

Bảng 4.4: Hàm lượng phần trăm nitơ tổng số trong các mẫu đất 54

Bảng 4.5: Hàm lượng đồng vị 15N trong các mẫu đất 57

Bảng 4.6: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất 65

Bảng 4.7: Phần trăm lượng phân đánh dấu tồn dư trong đất 66

Bảng 4.8: Kết quả đánh dấu đồng vị 131I – đợt 1 69

Bảng 4.9: Kết quả đánh dấu đồng vị 131I – đợt 2 70

Hình 2.1: Bản đồ huyện Củ Chi 12

Hình 3.1: Khu vực thí nghiệm tại thời điểm đang trồng ớt 19

Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ dùng phân tích tỉ số đồng vị 29

Hình 3.3: Sơ đồ một máy quang phổ phát xạ đơn giản 30

Hình 3.4: Phổ phát xạ của phân tử nitơ 31

Hình 3.5: Máy quang phổ phát xạ – NOI-7 33

Hình 3.6: Sơ đồ máy quang phổ phát xạ NOI 7 33

Hình 4.1: Đường chuẩn xác định 15N trên máy NOI-7 46

Hình 4.2: Sơ đồ lấy mẫu 51

Hình 4.3: Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất 52

Hình 4.4: Hàm lượng nitơ tổng trong các lớp đất ở độ sâu khác nhau 53

Hình 4.5: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 0cm – 5cm 58

Hình 4.6: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 5cm – 15cm 59

Hình 4.7: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 15cm – 30cm 59

Hình 4.8: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 30cm – 45cm 60

Hình 4.9: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 45cm – 60cm 61

Hình 4.10: Sự thay đổi của hàm lượng đồng vị đánh dấu 15N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 62

Hình 4.11: Sự xuất hiện đồng vị đánh dấu 15N ở các độ sâu khác nhau 62

Hình 4.12: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 64

Hình 4.13: Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất ở các độ sâu khác nhau theo thời gian 67

Hình 4.14: Sự phân bố của phân đánh dấu tồn dư trong đất ở độ sâu khác nhau tại các thời điểm lấy mẫu 68

Hình 4.15: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131I – đợt 1 69

Hình 4.16: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131I – đợt 2 70

MỞ ĐẦU

Nước ngầm là một trong những nguồn tài nguyên quan trọng phục vụ cấp nước sinh hoạt cho nhân dân và góp phần phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Sự phát triển nhanh chóng của các hoạt động công nghiệp, dịch vụ trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số đòi hỏi nhu cầu nước sinh hoạt rất cao và ngày càng tăng Chính vì vậy việc bảo

vệ nguồn nước và môi trường nước ngầm luôn là một vấn đề được quan tâm hàng đầu Trong đó, vấn đề nhiễm bẩn nguồn nước, cụ thể là nguy cơ nhiễm bẩn từ hoạt động nông nghiệp do các loại phân bón nói chung và phân bón nitơ nói riêng, là một vấn đề rất đáng quan tâm vì nó ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người

Sự nhiễm bẩn nguồn nước ngầm cần đặc biệt lưu ý hơn ở các vùng sản xuất nông nghiệp trồng lúa, trồng rau và hoa màu vì những nơi này sử dụng nhiều phân bón Tại nhiều vùng trồng rau và thâm canh lúa nước, việc sử dụng các loại phân hóa học ngày càng bị người dân lạm dụng dẫn đến dư thừa và tích lũy trong đất Một phần lượng phân bón nitơ dư thừa mà cây trồng không sử dụng đến sẽ ở lại trong đất, một phần bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt, một phần thấm theo chiều dọc vào các tầng nước ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt

độ hay quá trình khử nitrat trong chu trình nitơ

Các quá trình biến đổi của phân nitơ khi bón vào đất cho thấy khả năng gây ô nhiễm của việc bón phân nitơ không hợp lý là đáng lo ngại Khi phân bón dịch chuyển, thấm sâu trong đất, vượt ra khỏi tầng rễ cây, mặc dù không còn hữu dụng cho cây trồng nhưng nguy cơ xâm nhập vào nước ngầm lại rất lớn, đặc biệt khi lượng phân bón dư thừa này ở dạng nitrat thì đây chính là nguồn gây nhiễm bẩn nitrat cho nước ngầm

Việc theo dõi và đánh giá khả năng xâm nhập của phân bón nitơ vào nước ngầm

có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì qua đó chúng ta có thể đưa ra chế độ bón phân, tưới tiêu tối ưu cho cây trồng, nhằm giảm thiểu các nguy cơ gây ô nhiễm nước ngầm nói riêng và ô nhiễm môi trường sống nói chung Một trong những cách

đánh giá là xem xét khả năng thấm của phân bón nitơ trong đất theo chiều sâu Với các lý do trên chúng tôi xây dựng đề tài “Ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15N trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất” để bước đầu khảo sát khả năng dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo độ sâu và theo thời gian bằng cách áp dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N, dùng phân urê làm giàu 15N bón cho cây trồng Cùng với thí nghiệm đánh dấu đồng vị 15N, vào mùa mưa, chúng tôi thực hiện thí nghiệm đánh dấu với đồng vị 131I tại khu vực khảo sát để xem xét tốc độ thấm của nước trong đất theo chiều sâu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón là một trong những vật tư quan trọng và được sử dụng với một lượng khá lớn hàng năm Phân bón đã góp phần đáng kể làm tăng năng suất cây trồng và chất lượng nông sản, đặc biệt là đối với cây lúa ở Việt Nam Theo đánh giá của Viện Dinh dưỡng Cây trồng Quốc tế (International Plant Names Index - IPNI), phân bón đóng góp khoảng 30-35% tổng sản lượng cây trồng[4] Tuy nhiên việc sử dụng phân bón ngày càng nhiều để tăng năng suất cây trồng lại chính là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng Trong những thập niên gần đây, hàm lượng nitrat (NO3--N) trong nước ngầm đã tăng lên đáng kể Hàm lượng cho phép của nitrat trong nước uống là 50mg/L NO3- (tương đương 11mg/L NO3--N hay 0,8mmol/L) và mức đề nghị là thấp hơn 25mg/L NO3-[18]

Nitrat trong nước ngầm có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, như nhiễm từ vùng chăn nuôi, trồng trọt, bể rác thải và do quá trình oxy hóa nitơ hữu cơ trong đất Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự gia tăng hàm lượng nitrat trong các tầng nông nước ngầm được ghi nhận là do việc sử dụng thường xuyên và quá mức một lượng lớn phân nitơ và phân chuồng trong nông nghiệp kể từ những năm đầu của thập niên sáu mươi, gây rò rỉ nitrat thấm xuống các mạch nước ngầm[1], [4] Các công trình nghiên cứu tại các nước trên thế giới đã quan trắc sự phân bố của phân bón nitơ trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm trong nhiều năm sử dụng phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15N và đã phát hiện thấy sự có mặt của NO3- từ phân đánh dấu trong nước ngầm sau 40 tháng kể từ khi bón phân[9], [10] Trong nghiên cứu kiểm soát nhiễm bẩn nitrat trong đất trồng ngô khi không sử dụng và sử dụng phân bón với các chế độ tưới tiêu khác nhau, J.A.Diez

và cộng sự đã ghi nhận hàm lượng nitrat trong dung dịch đất ở độ sâu 50cm và 140cm tăng lên đáng kể trong trường hợp sử dụng phân bón cả ở hai chế độ tưới bình thường và tưới có quản lý Với chế độ tưới bình thường, hàm lượng nitrat trong dung dịch đất ở độ sâu 50cm tăng từ 93 ± 86mg/L khi không bón phân lên đến 447 ± 90mg/L khi bón phân urê và với chế độ tưới có quản lý, tăng từ 59 ±

33mg/L khi không bón phân lên đến 425 ± 53mg/L khi bón phân urê Ở độ sâu 140cm, hàm lượng nitrat trong dung dịch đất với chế độ tưới bình thường tăng từ 59+43mg/L khi không bón phân lên đến 215 ± 71mg/L khi bón phân urê và tăng đến 413 ± 55mg/L với chế độ tưới có quản lý[13], [14] Như vậy khả năng tích đọng nitrat trong đất khi sử dụng phân bón là lớn và nitrat có mặt ở độ sâu 140cm sẽ thấm vào các tầng nước ngầm Trong nghiên cứu của Barraclough và cộng sự (1984) cho thấy lượng phân nitơ thấm dọc dao động trong khoảng 0,2 – 18% lượng phân bón cho đất và tăng theo sự gia tăng của lượng phân sử dụng[6]

1.1 Tình hình sử dụng phân bón ở Việt Nam

Trong hơn hai mươi năm qua, lượng phân bón ở nước ta đã tăng lên rất nhiều lần

so với mức tăng diện tích gieo trồng Lượng phân vô cơ sử dụng tăng mạnh, tổng các yếu tố dinh dưỡng đa lượng N + P2O5 + K2O năm 2007 tăng gấp hơn 5 lần so với lượng sử dụng của năm 1985 Ngoài phân bón vô cơ, hàng năm nước ta còn

sử dụng khoảng 1 triệu tấn phân hữu cơ, hữu cơ sinh học, hữu cơ vi sinh các loại Lượng phân bón nitơ sử dụng ở Việt Nam tăng từ 342,3 nghìn tấn ở năm 1985 đến 831,7 nghìn tấn vào năm 1995; 1155,1 nghìn tấn vào năm 2005 và năm 2007 được ghi nhận là 1157,5 nghìn tấn[4]

Không phải tất cả lượng nitơ có trong phân bón đều được cây sử dụng Tính hữu dụng của nitơ đối với cây chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, độ

ẩm, độ pH của đất, và dạng hóa học của nitơ Đa phần cây trồng phát triển tốt khi đất có độ pH nằm trong khoảng từ 5,5 đến 8 Cũng có một số loại cây đặc biệt phát triển tốt khi đất có môi trường axit mạnh như việt quất, đỗ quyên Nếu pH của đất nằm ngoài khoảng này thì việc bón thêm nitơ cho đất không mấy hữu ích

vì cây không sử dụng được[11]

Xét về tỷ lệ sử dụng phân bón cho các nhóm cây trồng khác nhau cho thấy lượng phân bón sử dụng cho lúa chiếm cao nhất so với các cây trồng khác Tuy nhiên,

so với các nước trong khu vực và trên thế giới, lượng phân bón sử dụng trên một đơn vị diện tích gieo trồng ở nước ta vẫn còn thấp

Theo số liệu tính toán của các chuyên gia, hiện nay hiệu suất sử dụng phân đạm ở Việt Nam mới chỉ đạt từ 30-45%, phụ thuộc vào loại đất, giống cây trồng, thời

vụ, phương pháp bón, loại phân bón[4]… Như vậy, còn 55 - 70% lượng đạm được bón vào đất nhưng chưa được cây trồng sử dụng, tích trữ trong đất Trong số này, một phần phân được giữ lại trong đất, một phần bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt Một phần thấm sâu theo chiều dọc xuống các tầng nước ngầm và một phần bay hơi vào không khí Với tỷ lệ đó, lượng phân bón nitơ không hữu dụng cho cây trồng đã tăng từ 205,4 nghìn tấn ở năm 1985 đến 499,0 nghìn tấn vào năm 1995; 693,1 nghìn tấn năm 2005 và năm 2007 là 814,5 nghìn tấn[4]

Trừ một phần các chất dinh dưỡng có trong phân bón được giữ lại trong các keo đất là nguồn dinh dưỡng dự trữ cho vụ sau, hàng năm một lượng lớn phân bón bị bay hơi, rửa trôi hoặc thấm sâu đã gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống, và cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm

1.2 Ảnh hưởng của nitrat đến sức khỏe con người

Mối lo ngại đáng kể nhất là khi nước ngầm nhiễm bẩn nitrat được sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày Hàm lượng nitrat trong nước uống cao gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Nitrat (NO3-) khi vào cơ thể người sẽ tham gia phản ứng khử ở dạ dày và đường ruột do tác dụng của các men tiêu hoá sinh ra nitrit (NO2-) Nitrit sinh ra phản ứng với hemoglobin (Hb) trong máu tạo thành methemoglobin (metHb) làm suy yếu khả năng vận chuyển oxi Tình trạng hàm lượng metHb tăng đến 10% hàm lượng Hb thông thường hay cao hơn được gọi là methemoglobinaemia, gây hiện tượng tím tái cơ thể và với hàm lượng cao hơn sẽ gây ngạt thở Bình thường mức metHb trong cơ thể người thấp hơn 2% và trong

cơ thể trẻ dưới ba tháng tuổi thấp hơn 3%

Thông thường hemoglobin chứa ion Fe2+ Ion Fe2+này có khả năng liên kết với oxi

Khi có mặt NO2- nó sẽ chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+ làm cho hồng cầu mất khả năng chuyển tải O2 Nếu duy trì lâu trạng thái này sẽ dẫn tới tử vong[18]

Sự tạo thành metHb đặc biệt thấy rõ ở trẻ em Trẻ em mắc chứng bệnh này thường xanh xao (bệnh Blue baby) và dễ bị đe doạ đến cuộc sống, đặc biệt là trẻ dưới 3 tháng tuổi và thai nhi

Bên cạnh đó, hàm lượng nitrat trong nước uống cao còn là một trong các yếu tố dẫn đến bệnh ung thư dạ dày gặp ở người trưởng thành Nitrat có thể phản ứng với các axit amin tạo thành nhiều tác nhân gây ung thư khác nhau

Ngoài ra còn có ghi nhận một số dị tật bẩm sinh và các bệnh về tuyến giáp có thể

có liên quan đến hàm lượng cao của nitrat trong nước uống Tuy nhiên vấn đề này chưa được xác nhận chính thức

1.3 Các dạng hóa học của nitơ hữu dụng cho cây trồng

Nitơ là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng nhất đối với sự phát triển của cây trồng, đứng thứ hai chỉ sau nước Trong các vùng đất canh tác khô, đây

là chất dinh dưỡng chính mà người sản xuất có thể kiểm soát Nitơ tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau và các dạng này xác định liệu nitơ có hữu ích cho cây trồng hay thất thoát, không có ích cho cây Những sự thất thoát nitơ này có thể gây nên nhiều điều bất lợi cho người sản xuất hay gây ảnh hưởng đến môi trường

Nitơ có thể tìm thấy trong không khí, nước hay đất Có nhiều biến đổi qua lại giữa các dạng hóa học khác nhau của nitơ thông qua các quá trình xảy ra trong chu trình nitơ do ảnh hưởng của khí hậu, cây trồng, động vật và con người

Nitơ được bón cho đất ở nhiều dạng (bảng 1.1), tuy nhiên cây chỉ sử dụng nitơ dưới dạng nitrat (NO3-) và amoni (NH4+) Ion nitrat và ion amoni hòa tan vào nước trong đất được cây sử dụng thông qua rễ cây Cho dù phân bón nitơ được bón cho cây dưới dạng nào thì cũng chỉ hữu dụng cho cây khi đã chuyển đổi sang dạng ion nitrat hay ion amoni Các vi sinh vật sống trong đất thực hiện các quá trình chuyển đổi này

Bảng 1.1: Các dạng phân bón nitơ thông thường[11]

Dạng phân

bón nitơ Nguồn gốc

Tính hữu dụng

Nitơ hữu cơ

Không di động trong đất Chuyển đổi sang ion amoni NH4+ trong đất chậm Là những sản phẩm cuối của quá trình cố định nitơ

Urê - Phân bón

thương mại

- Phân tươi

Hữu dụng khá nhanh dưới dạng amoni

Chuyển đổi nhanh sang NH4+ trong đất

Amoni

(NH4+)

- Phân hóa học như amoni nitrat

và ammoni sulfat

- Phân tươi

- Sản sinh từ các phần tử hữu cơ trong đất

Là dạng hữu dụng cho cây, là nguồn nitơ được ưa thích vì cần ít năng lượng để có được

Có thể hấp phụ bởi keo đất hay phần tử hữu cơ, do đó là dạng ít mất mát hơn Được chuyển đổi sang dạng NO3-bởi các vi sinh vật trong đất

Nitrat

(NO3-)

- Phân hóa học như amoni nitrat

và kali nitrat

Là dạng thông thường nhất được hấp thụ trực tiếp bởi đa số các loại cây

Có tính di động trong đất cao Dễ dàng bị rửa trôi theo chiều dọc thấm vào nước ngầm Thường là kết quả cuối cùng của quá trình khoáng hóa

Khí nitơ

(N2)

- Nitơ tự do chiếm gần 80%

thể tích không khí trong đất

Là dạng không hữu dụng trực tiếp cho cây trồng Chỉ hữu dụng cho cây có vi khuẩn cố định nitơ, như cây họ đậu Được sử dụng trong cố định đạm và sản xuất phân bón

Nitơ hữu cơ và

NH4+ được bón cho đất từ các cây họ đậu

Ngoài ra nitơ còn gặp dưới một số dạng hóa học khác:

1 Nitrit (NO2-): Là dạng ít hữu dụng cho cây hơn, độc đối với cây hơn và là dạng khí dễ mất mát hơn so với nitrat

2 Dinitơ Oxit (N2O): Là khí nhà kính Là dạng khí mất mát trong quá trình khử nitơ

3 Nitơ Oxit (NO): Là dạng khí mất mát trong quá trình khử nitơ, có thể gây hại đến tầng ozone

1.4 Chu trình nitơ - Các quá trình chuyển đổi của nitơ

Nếu nitơ được bón dưới dạng phân vô cơ chứa ion nitrat (NO3-) hay ion amoni (NH4+), chúng hầu như hữu dụng cho cây ngay tức thì Phân bón có nguồn gốc hữu cơ giải phóng nitơ từ từ theo thời gian khi nitơ của chúng được chuyển đổi sang dạng ion nitrat hay ion amoni nhờ các vi sinh vật sống trong đất Các quá trình chuyển đổi và dịch chuyển của nitơ được mô tả trong hình 1.1 Các quá trình này diễn ra nhanh hơn khi đất ấm và có độ ẩm thích hợp, nhưng không bão hòa

Hình 1.1: Chu trình nitơ

Các quá trình chuyển đổi của nitơ:

¾ Quá trình khoáng hóa: là quá trình chuyển đổi nitơ từ dạng hữu cơ sang dạng

* Giai đoạn nitrit hóa là giai đoạn chuyển hóa từ NH4+ thành nitrit (NO2-) với

sự tham gia của vi sinh vật nitrosomonas:

2NH4+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ + năng lượng

* Giai đoạn nitrat hóa là giai đoạn chuyển hóa từ NO2- thành nitrat (NO3-) với

sự tham gia của vi sinh vật nitrobacter:

2NO2- + O2 2NO3- + năng lượng

¾ Quá trình khử nitrat: Là quá trình tách nitơ ra khỏi nitrat và nitrit dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat) Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển:

4NO3- + 5CH2O = 2N2 +5HCO3- + H+ + 2H2O

Cây trồng sử dụng nitơ bằng cách hấp thụ nitơ ở dạng ion nitrat hay ion amoni thông qua rễ cây Phần lớn nitơ được cây sử dụng để tạo thành đạm và axit nucleic Trong đất, ion amoni mang điện tích dương, các hạt keo đất mang điện tích âm Do vậy các ion amoni bị hút dính vào các hạt keo đất Vì vậy so với nitrat, amoni kém hữu dụng hơn đối với nhiều loại cây và cũng ít nguy cơ rửa trôi

theo chiều sâu thấm vào các tầng nước ngầm khi mưa lớn hay tưới tiêu quá nhiều

Nitrat mang điện tích âm, bị đẩy bởi các hạt keo đất, do đó nitrat hiện diện trong dung dịch nước trong đất, sẵn sàng cho cây sử dụng và cũng dễ dàng di chuyển

tự do cùng với nước theo chiều dọc thấm vào các tầng nước ngầm

Có những vi khuẩn rất chuyên dụng chuyển đổi amoni sang nitrat, các vi khuẩn này cần khí oxy do đó chúng hoạt động không tốt khi đất bão hòa hay ở độ sâu quá lớn Cũng như các vật thể sống khác, chúng cần nước để sống, do đó đất cần

ẩm Các vi khuẩn này không hoạt động tại nhiệt độ bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ nước đóng băng và hoạt động của chúng gia tăng khi đất trở nên ấm hơn, tỉ lệ chuyển đổi này đạt tối đa tại nhiệt độ 26-33oC

Nếu một lượng dư thừa amoni được chuyển qua nitrat, khi cây không sử dụng hết

và khi gặp điều kiện thích hợp, ion nitrat sẽ theo nước xuống dưới ngoài vùng rễ cây, lúc này nitrat không còn hữu dụng cho cây và dễ dàng dịch chuyển cùng với nước trong đất, xâm nhập vào nước ngầm Khi xâm nhập vào khối nước ngầm, một phần nitrat có thể tham gia vào quá trình khử nitơ và thoát ra ở dạng khí, nhưng lượng này chỉ chiếm một phần nhỏ bởi vì ở các tầng đất sâu này có không nhiều các phần tử hữu cơ và trong điều kiện ít cacbon, khó thúc đẩy các hoạt động của các vi sinh vật Quá trình khử nitơ chỉ xảy ra khi có điều kiện thuận lợi (có đủ nguồn cacbon và nhiệt độ đủ ấm) cho cácvi sinh vật hoạt động và nếu ít oxy

Quá trình rửa trôi, thấm dọc của phân bón nitơ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố thổ nhưỡng và môi trường Các yếu tố tạo điều kiện thúc đẩy quá trình này gồm có:

- Đất có kết cấu thô, nhiều lỗ rỗng hay đất nứt nẻ

- Dịch chuyển thấm sâu của nước xảy ra dễ dàng trong miền bổ cấp

- Lượng mưa đáng kể dẫn đến lượng nước đi vào đất nhiều cũng như gia tăng tốc độ thấm của nước trong đất

- Hàm lượng nitơ trong các tầng đất cao

- Miền rễ cây nông dẫn đến hạn chế trong việc ngăn chặn phân nitơ thấm sâu

Với tất cả các lý do trên, khảo sát độ dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo chiều sâu là một trong những công việc cần thiết giúp ta hoạch định tốt hơn công việc bón phân nitơ và tưới tiêu trong canh tác nông nghiệp nhằm ngăn ngừa khả năng xâm nhập của phân vào các tầng nước ngầm

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được thực hiện tại khu vực chuyên canh rau thuộc Ấp Đình, xã Tân Phú Trung, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh

Củ Chi là huyện ngoại thành nằm ở phía Tây Bắc thành phố Hồ Chí Minh, cách trung tâm thành phố khoảng 50 km theo đường Xuyên Á, có tọa độ địa lý từ

10o53’00” đến 10o10’00” vĩ độ Bắc và từ 106o22’00” đến 106o40’00” kinh độ Đông và diện tích tự nhiên 43.450,2 ha Phía Bắc giáp huyện Trảng Bàng của tỉnh Tây Ninh Phía Nam giáp huyện Hóc Môn Phía Đông ngăn cách với tỉnh Bình Dương bởi sông Sài Gòn Phía Tây giáp tỉnh Long An

Hình 2.1: Bản đồ huyện Củ Chi

2.1 Địa hình

Huyện Củ Chi nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Tây Nam Bộ và miền sụt Đông Nam Bộ, với độ cao giảm dần theo 2 hướng Tây Bắc – Đông Nam và Đông Bắc – Tây Nam Độ cao trung bình so với mặt nước biển từ 8 m – 10 m Ngoài ra địa bàn huyện có tương đối nhiều ruộng, đất đai thuận lợi để phát triển nông nghiệp so với các huyện khác trong thành phố

2.2 Điều kiện khí hậu

Huyện Củ Chi nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, mang tính chất cận xích đạo Một năm có hai mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô

từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau Nhiệt độ tương đối ổn định, cao đều trong năm

và ít thay đổi, trung bình năm khoảng 26,6oC Lượng mưa trung bình năm từ

1300 mm – 1770 mm, tăng dần lên phía Bắc theo chiều cao địa hình, mưa phân

bổ không đều giữa các tháng trong năm, mưa tập trung từ tháng 7 đến tháng 9 Vào tháng 12 và tháng 1 lượng mưa không đáng kể Độ ẩm không khí trung bình năm khá cao 79,5%; cao nhất vào các tháng 7, 8, 9 là 80 – 90%; thấp nhất vào tháng 12,1 là 70%

2.3 Điều kiện thủy văn

Huyện Củ Chi có hệ thống sông, kênh, rạch khá đa dạng Sông Sài Gòn chịu chế

độ ảnh hưởng dao động bán nhật triều, với mực nước triều bình quân thấp nhất là 1,2 m và cao nhất là 2,0 m Các hệ thống kênh rạch tự nhiên khác đa số chịu ảnh hưởng trực tiếp chế độ thủy văn của sông Sài Gòn như Rạch Tra, Rạch Sơn, Bến Mương… Riêng chỉ có kênh Thầy Cai chịu ảnh hưởng chế độ thủy văn của sông Vàm Cỏ Đông Nhìn chung hệ thống sông, kênh, rạch trực tiếp chi phối chế độ thủy văn của huyện và nét nổi bật của dòng chảy và sự xâm nhập của thủy triều

2.4 Tài nguyên đất và nước

Tại huyện Củ Chi có 3 nhóm đất chính: đất phù sa, đất xám và đất đỏ vàng

Đất phù sa có thành phần cơ giới từ trung bình đến nặng Thành phần cấp hạt sét

là chủ yếu (45 – 55 %), cấp hạt cát cao gấp 2 lần cấp hạt limon Tỉ lệ các hạt giữa các tầng không đồng nhất do hậu quả của các thời kỳ bồi đắp phù sa Trị số pH xấp xỉ 4 Đất phù sa ở đây được dùng để sản xuất lúa nước 2 đến 3 vụ và sử dụng một phần diện tích nhỏ cho việc trồng cây ăn quả

Đất xám với tầng đất thường rất dày, thành phần cơ giới nhẹ, cấp hạt cát trung bình và cát mịn chiếm tỉ lệ rất cao (40 - 55%), cấp hạt sét chiếm 21 – 27% và có

sự gia tăng sét rất rõ tạo thành tầng tích sét Đất có phản ứng chua, pH (H2O) xấp

xỉ 5 và pH (KCl) xấp xỉ 4 thích hợp với các loại cây công nghiệp hàng năm, cây

công nghiệp ngắn ngày, rau, đậu … và các cây công nghiệp lâu năm như: cao su, điều

Đất đỏ vàng ít có giá trị sản xuất với đặc điểm của nhóm đất này là chua, độ no bazơ thấp, khả năng hấp thụ không cao, khoáng sét phổ biến là Kaolinit, axit mùn chủ yếu là fuvic, chất hòa tan dễ bị rửa trôi

Nguồn nước của huyện chủ yếu là nước ở các sông, kênh, rạch, hồ, ao Tuy nhiên, phân bố không đều tập trung ở phía Đông của huyện (Sông Sài Gòn) và trên các vùng trũng phía Nam và Tây Nam với chiều dài gần 300 km cả hệ thống,

đa số chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều Nguồn nước ngầm khá dồi dào

và đang giữ vị trí quan trọng trong việc cung cấp nước cho sản xuất và sinh hoạt của người dân

2.5 Khu vực nghiên cứu

Khu vực trồng rau Tân Phú Trung có tổng diện tích canh tác là 60ha, trong đó 50ha trồng các loại rau ăn quả như bầu, bí, dưa leo, khổ qua, đậu bắp còn 10ha còn lại dùng để trồng và canh tác các loại rau ăn lá như rau muống, mồng tơi, dền, cải xanh, cải ngọt Tại đây, các loại rau được trồng theo chế độ luân canh suốt 12 tháng/năm, trung bình khoảng 6 vụ rau ăn lá và 2 vụ rau ăn quả Mỗi ngày, khu vực trồng rau này cung cấp ra thị trường khoảng 3,5 tấn rau củ quả các loại

Về mặt thổ nhưỡng, đất trong khu vực trồng rau Tân Phú Trung thuộc nhóm đất xám bạc màu, chủ yếu hình thành trên đất phù sa cổ (Pleistocen muộn) Tầng đất thường rất dày, thành phần cơ giới nhẹ, cấp hạt cát trung bình và cát mịn chiếm tỉ

lệ rất cao (40 - 55%), cấp hạt sét chiếm 21 – 27% và có sự gia tăng sét rất rõ tạo thành tầng tích sét Đất có phản ứng chua, lượng các cation trao đổi trong tầng đất rất thấp, hàm lượng mùn ít, đất nghèo dinh dưỡng và thấm thoát nước nhanh Loại đất này thường sử dụng trồng các loại rau nhưng cần có chế độ tăng cường phân bón bổ sung dinh dưỡng thích hợp Tại khu vực này, nông dân trồng rau thường sử dụng hai loại phân bón: phân chuồng dùng để bón lót (1 tấn/ha/ vụ cho rau ăn lá và 1,5 tấn/ha/vụ cho rau ăn quả) Phân hóa học (N-P-K) loại

40kgN/ha/vụ cho rau ăn lá và loại 70kgN/ha/vụ cho rau ăn quả được bón bổ sung cho từng giai đoạn thích hợp Như vậy, lượng phân hóa học nông dân bón cho một ha đất canh tác lên đến 380kg/ha/năm

Với khí hậu một năm hai mùa rõ rệt, lượng mưa chủ yếu tập trung vào các tháng mùa mưa nên rau được tưới đẫm hàng ngày trong mùa khô Vào mùa mưa, nước mưa là nguồn tưới cho cây trồng, và được tưới thêm khi cần Lượng nước tưới vào mùa khô thường gấp đôi so với mùa mưa Mực nước ngầm thay đổi theo mùa, 2,0 mét trong mùa khô và 0,8 mét trong mùa mưa

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị trong nghiên cứu

Kỹ thuật đánh dấu đồng vị nói chung và kỹ thuật đánh dấu sử dụng đồng vị 15N nói riêng đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới Kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng

15N được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như sinh học, nông nghiệp, y tế, thủy văn, môi trường… Trong nông nghiệp và thủy văn, đồng vị 15N được sử dụng nhiều như là một đồng vị đánh dấu trong các nghiên cứu về chu trình nitơ trong đất, phân bố nitơ trong các phần tử hữu cơ của đất, sử dụng phân bón nitơ, nitơ với năng suất cây trồng, sự dịch chuyển của nitơ trong đất, mất mát nitơ dưới dạng khí và dạng rửa trôi nitrat, cố định nitơ sinh học, các nghiên cứu về chuyển hóa nitơ trong cây trồng và động vật Trong lĩnh vực thủy văn môi trường, kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15N là một công cụ hữu hiệu trong các nghiên cứu về sự phân bố của phân bón nitơ sử dụng có mặt trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm, các nghiên cứu về đánh giá tác động môi trường của các nguồn phân bón nitơ, cũng như các nghiên cứu về đánh giá và mô hình hóa khả năng và tốc độ rửa trôi nitrat vào nước mặt, nước ngầm từ các nguồn phân bón nitơ sử dụng cho cây trồng Các công trình nghiên cứu tại các nước trên thế giới

đã quan trắc sự phân bố của phân bón nitơ trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm trong nhiều năm sử dụng phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15N và đã phát hiện thấy sự có mặt của NO3- từ phân đánh dấu trong nước ngầm sau 40 tháng kể từ khi bón phân[9], [10] Tại các nước như Mỹ, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ … kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15N được ứng dụng kết hợp với phần mềm NLEAP (Nitrate Leaching and Economic Analysis Pakage) để tính toán đưa ra các thông số về khả năng rửa trôi nitrat vào nước ngầm, lượng nitrat có khả năng thấm và lượng nitrat đã thấm vào nước ngầm, chỉ số nguy cơ dịch chuyển và nguy cơ rửa trôi nitrat tiềm ẩn hàng năm, từ đó đã đưa ra các bức tranh về nguy

cơ ô nhiễm nitrat trong nước ngầm giúp hoạch định chương trình bón phân và

tưới tiêu hợp lý nhằm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm nước ngầm từ phân bón sử dụng cho cây trồng[19], [20], [21]

Tại Việt Nam, kỹ thuật đánh dấu đồng vị được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thủy văn, công nghiệp, nông nghiệp Riêng kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15N được ứng dụng tại Trung Tâm Hạt Nhân Tp Hồ Chí Minh trong các nghiên cứu về đánh giá dinh dưỡng cây trồng, đánh giá tốc độ rửa trôi của đạm (phân bón nitơ) và bước đầu được đưa vào nghiên cứu đánh giá tốc độ thấm sâu của phân bón nitơ

3.2 Nitơ và đồng vị của nitơ

Nitơ là một phi kim, có độ âm điện là 3,0 thuộc phân nhóm chính nhóm năm của

hệ thống tuần hoàn D I Mendeleep Nguyên tử nitơ có năm điện tử ở lớp điện tử ngoài cùng vì thế nó thường có hóa trị ba trong phần lớn các hợp chất Nitơ là chất khí không màu, không mùi, hóa lỏng ở -195,8oC và hóa rắn ở -209,86oC Nitơ tồn tại ở trạng thái tự do và dạng hợp chất Nitơ tự do chiếm 78,16% thể tích không khí và là thành phần của mọi cơ thể sống

Ở nhiệt độ thường, nitơ kém hoạt động Ở nhiệt độ hồ quang điện nitơ kết hợp được với oxy:

N2 + O2 2NO

Ở nhiệt độ cao, nitơ kết hợp với kim loại tạo thành nitrua:

3Ca + N2 = Ca3N2 Khi có chất xúc tác, nitơ tác dụng với hiđro ở nhiệt độ và áp suất cao Amoniac là sản phẩm kết hợp quan trọng nhất của nitơ và hiđro:

N2 + 3H2 2NH3Nitơ có các đồng vị bền và đồng vị phóng xạ có số khối từ 12 đến 17 (bảng 3.1) Đồng vị phóng xạ có thời gian sống dài nhất là 13N với chu kỳ bán rã rất ngắn chỉ 10,05 phút Chính vì giới hạn này nên các đồng vị phóng xạ của nitơ không được ứng dụng trong nghiên cứu

Nitơ có hai đồng vị bền là 14N và 15N Thành phần đồng vị 15N trong khí quyển xấp xỉ bằng 0,366% nitơ tổng số và đồng vị 14N chiếm 99,634%, nghĩa là cứ có

một nguyên tử 15N trong khí quyển thì có 272 nguyên tử 14N Tỉ số 14N/15N trong khí quyển và vật chất tự nhiên là không thay đổi Bất cứ tỉ số lớn hơn nào đều liên quan đến việc sử dụng vật liệu nhân tạo làm giàu 15N như là đồng vị đánh dấu được sử dụng trong nhiều nghiên cứu Vì cả 15N và 14N đều không phải là đồng vị phóng xạ, sử dụng tỉ số 14N/15N trong nghiên cứu không gây nguy hại hay ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đồng thời bản chất bền của chúng cho phép thực hiện các thực nghiệm lâu dài Vấn đề trở ngại khi sử dụng đồng vị 15N trong nghiên cứu là giá thành 15N cũng như thiết bị phân tích 15N cao

Bảng 3.1: Các đồng vị của nitơ và tính hữu dụng trong nghiên cứu[7]

Số khối tự nhiên (%) Thành phần Chu kỳ bán rã Ứng dụng điển hình

Ứng dụng giới hạn vì chu kỳ bán rã quá ngắn Ứng dụng trong một số nghiên cứu rất ngắn hạn về cố định nitơ, khử nitrat

Các vật liệu giàu 14N (nghèo 15N) sử dụng trong các nghiên cứu về hiệu suất phân bón sử dụng trong một mùa

Ứng dụng trong các nghiên cứu về hiệu suất sử dụng phân bón, cố định nitơ sinh học, cân bằng nitơ, biến đổi nitơ trong đất, nitơ dễ tiên trong các vật liệu hữu cơ, các nghiên cứu

về dinh dưỡng động vật và cây trồng

3.3 Thí nghiệm tại hiện trường

Thí nghiệm nghiên cứu được thực hiện trên một phần luống đất trồng rau ăn quả

có kích thước 1mx3m (3m2) Xung quanh phần đất tiến hành thí nghiệm, chúng tôi rào nhẹ với tôn màu để tránh tràn đất những khi tưới nhiều và những khi gặp mưa lớn Tại luống đất này, trong thời gian tiến hành thí nghiệm, được trồng luân canh các loại rau ăn quả như ớt, bí, dưa leo, có chế độ bón phân và tưới tiêu như các phần đất trồng rau khác của hợp tác xã Mặc dù độ sâu rễ của cây ớt có thể lên đến 45-60cm, của bí và dưa leo có thể lên đến 80-100cm dưới mặt đất, nhưng

sự phát triển rễ theo chiều sâu còn phụ thuộc nhiều vào cấu tạo các tầng đất và thông thường giới hạn miền rễ cây hoạt động tốt trong việc hút nước và các chất dinh dưỡng của cây ớt là 35-50cm, của bí và dưa leo là 50-70cm dưới đất

Tại thời điểm bắt đầu thí nghiệm, khu vực này đang được trồng ớt Để theo dõi khả năng thấm sâu của phân bón trong đất, chúng tôi sử dụng kỹ thuật đánh dấu dùng chất chỉ thị là 15N ở dạng phân urê làm giàu 15N đến 10,16 % nguyên tử Trên phần đất thí nghiệm, lượng phân urê giàu 15N được bón là 21,74g/m2 Lượng phân bón cho 1m2 đấtthí nghiệm được tính toán dựa trên lượng phân bón thực tế thường sử dụng cho rau tại khu vực thí nghiệm là khoảng 100kgN/1ha

Hình 3.1: Khu vực thí nghiệm tại thời điểm đang trồng ớt

Phần đất thí nghiệm được chia làm ba ô nhỏ I, II, III với kích thước mỗi ô là 1m2(1mx1m) Mỗi lượng 21,74g phân urê có chứa đồng vị 15N đánh dấu được hòa tan trong nước và tưới đều lên từng ô Các cột mẫu đất được lấy trước khi bón phân (L0), sau khi bón phân 1giờ (L1) và sau đấy được lấy sau từng khoảng thời gian thích hợp Ở đầu luống ớt là vị trí đánh dấu đồng vị phóng xạ 131I theo dõi

độ thấm của nước trong đất

Mỗi đợt lấy mẫu, các mẫu đất được lấy cả ở ba ô I, II, III Mỗi cột mẫu sau đó được chia thành nhiều mẫu theo các độ sâu khác nhau: 0cm-5cm; 5cm-15cm; 15cm-30cm; 30cm-45cm; và sâu hơn ở các đợt lấy mẫu về cuối: 45cm-60cm; 60cm-75cm; 75cm-90cm; 90cm-105cm Các mẫu đất sau khi phân chia theo độ sâu được bảo quản trong túi nilon có dán nhãn với các ký hiệu mẫu đã định, nhanh chóng đưa về phòng thí nghiệm, xử lý cẩn thận trước khi phân tích

3.4 Xử lý sơ bộ mẫu đất trước khi phân tích

Mẫu đất sau khi thu gom từ hiện trường cần được phơi khô cẩn thận nhằm ngăn ngừa các biến đổi về mặt sinh học và hóa học có thể xảy ra trong đất

Mẫu được phơi khô không khí khoảng 10 ngày, loại bỏ sỏi đá, rác, rễ cây… sau

đó được nghiền mịn trong cối sứ đến độ hạt 0,45mm Các mẫu đất mịn thu được được bảo quản riêng trong túi đựng mẫu bằng giấy có dán nhãn với các ký hiệu mẫu đã định

Luôn lưu ý các dụng cụ, thiết bị sử dụng cần được làm sạch, nghiền mẫu theo thứ

tự thích hợp để tránh nhiễm bẩn từ bên ngoài và giữa các mẫu với nhau

3.5 Xác định hàm lượng 15 N trong mẫu đất [2], [3], [5], [6], [7]

3.5.1 Nguyên lý chung

Hàm lượng 15N trong mẫu đất thường được xác định trên khối phổ hay máy quang phổ phát xạ Để xác định hàm lượng 15N trong mẫu đất trên các thiết bị này, tất cả các dạng nitơ trong mẫu cần được chuyển về dạng khí thích hợp ở dạng phân tử và có cấu trúc chứa đồng vị nitơ, có khối lượng phân tử thấp và thu được từ các dạng nitơ hữu cơ và vô cơ Khí này cần không phản ứng với các

thành phần của thiết bị phân tích đồng vị Khí nitơ - N2 là khí đáp ứng các yêu cầu này tốt nhất

Các nguyên tử 14N và 15N trong khí nitơ ghép cặp với nhau tạo thành các phân tử

14N-14N, 14N-15N, và 15N-15N, hay có thể viết 28N2, 29N2 và 30N2

Hàm lượng 15N của một hỗn hợp khí nitơ chính bằng tỉ số giữa số nguyên tử 15N

và tổng số nguyên tử nitơ có trong mẫu biểu diễn bằng đơn vị %:

100 ] [

] [ 2

1 ] [ ) (%

2

30 2

29 2 28

2

29 2

30

+ +

+

=

N N N

N N

N a

Quá trình phân tích hàm lượng đồng vị 15N thông thường gồm ba giai đoạn: i) Chuyển đổi các dạng nitơ trong mẫu về dạng NH4+-N qua công đoạn phá mẫu bằng axit

ii) Oxy hóa dạng NH4+-N đưa về dạng khí N2

iii) Xác định thành phần các đồng vị nitơ trong khí N2

Trong quá trình xử lý mẫu và phân tích hàm lượng đồng vị 15N, các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến phép đo thường gặp bao gồm:

- Sự pha loãng hay nhiễm bẩn từ các nguồn nitơ bên ngoài

- Hóa chất có chứa nitơ

- Sự hòa tan không khí vào dung dịch

- Sự nhiễm bẩn từ các thiết bị thí nghiệm kém sạch, đặc biệt là hệ chưng cất

- Nhiễm bẩn từ các thiết bị Kjeldahl tự động vì có thể gây ra nhiễm bẩn lẫn nhau giữa các mẫu

3.5.2 Chuyển đổi nitơ đánh dấu trong mẫu về dạng NH 4 + -N

khó khăn, phức tạp do sự hiểu biết không đầy đủ về các dạng nitơ có mặt cũng như vì hàm lượng nitơ thấp trong vật liệu nghiên cứu

Trong đất 95-99% nitơ ở dạng hữu cơ, chỉ có 1-5% ở dạng vô cơ (NH4+, NO2- và

NO3-) Trong lớp đất cày 40-50% ở dạng axit amin Nitơ trong đất và tổng số chất hữu cơ có mối tương quan rất chặt chẽ Tỉ lệ C/N thay đổi tùy theo chất lượng chất hữu cơ, mức độ phong hóa và rửa trôi Thường nitơ chiếm từ 5-10% tổng số chất hữu cơ

Đất Việt Nam có tổng số chất hữu cơ thấp so với vùng đất ôn đới nên hàm lượng nitơ tổng số và dễ tiêu trong đất nhìn chung thấp Nitơ tổng số trong đất Việt Nam thường không quá 0,3% đối với đất đồi núi và không quá 0,2% đối với đất đồng bằng[2]

Phá mẫu bằng axit theo quy trình Kjeldahl hay một dạng cải biên của quy trình này được sử dụng rộng rãi khi không cần phân biệt các dạng nitơ và khi không có quy trình thích hợp có thể phân biệt các dạng nitơ Bên cạnh đó, phương pháp phá mẫu khô theo quy trình Dumas cũng được ứng dụng Phương pháp Kjeldahl (1883), về bản chất là quy trình oxi hóa ướt và phương pháp Dumas (1831) về cơ bản là kỹ thuật oxi hóa khô (đốt cháy)

Trong phương pháp Kjeldahl, nitơ hữu cơ trong mẫu được chuyển về dạng NH4+

do sự phân hủy bởi axit H2SO4 đậm đặc với sự có mặt của các chất xúc tác nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi này Lượng NH4+ được xác định thông qua việc xác định lượng NH3 giải phóng trong quá trình chưng cất hỗn hợp sau khi phá mẫu với dung dịch kiềm mạnh Trong quy trình Kjeldahl nguyên thủy, người ta chỉ sử dụng một mình H2SO4 trong quá trình phá mẫu, KMnO4 được sử dụng để oxi hóa hoàn toàn các phần tử hữu cơ Tuy nhiên rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng cả tốc độ lẫn hiệu suất chuyển đổi từ nitơ hữu cơ thành nitơ ở dạng NH4+ bởi phép phân hủy với H2SO4 có thể được gia tăng bằng cách thêm vào các muối để tăng nhiệt độ của quá trình phân hủy hay chất xúc tác để thúc đẩy quá trình oxi hóa các phần tử hữu cơ Thực tế trong các phương pháp Kjeldahl hiện nay đang được sử dụng, K2SO4 hay Na2SO4 được sử dụng để tăng nhiệt độ của

quá trình phân hủy và các chất xúc tác như Se, Hg hay Cu được sử dụng để thúc đẩy quá trình oxi hóa các phần tử hữu cơ, đảm bảo tất cả các dạng nitơ trong mẫu được chuyển hết về dạng NH4+

Trong phương pháp Dumas cổ điển dùng xác định N tổng số, mẫu được nung nóng với CuO tại nhiệt độ cao (thông thường trên 600oC) trong dòng CO2 tinh khiết, và các khí giải phóng ra được dẫn trên Cu nóng để khử các khí nitơ (chủ yếu là N2O) thành N2, và sau đó qua CuO chuyển CO thành CO2 Hỗn hợp chứa N2-CO2 được thu gom trong máy đo nitơ có chứa kiềm đậm đặc và thể tích khí

N2 được đo

Đã có rất nhiều công trình báo cáo về phương pháp xác định nitơ tổng số theo quy trình Kjeldahl Quy trình Kjeldahl sử dụng cho phép xác định nitơ tổng số trước khi xác định tỉ số đồng vị nitơ được dựa trên các công trình của Rittenberg (1948), Sprinson và Rittenberg (1948), Glascock (1954) và Francis cùng các cộng sự (1954) và được thảo luận, cải biên bởi Bremner (1965) Giai đoạn chuyển đổi các dạng nitơ trong mẫu đất về dạng NH4+ là bước đầu tiên trong quy trình phân tích đồng vị 15N Quy trình Kjeldahl là một bước xử lý mẫu trong phép phân tích tỉ số đồng vị nitơ và hoàn toàn không có gì khác biệt với quy trình Kjeldahl sử dụng cho mẫu không đánh dấu

Các phương pháp Kjeldahl thông thường không bao gồm lượng NO3--N, NO2--N, được sử dụng khi phân tích nitơ tổng số trong các mẫu đất có hàm lượng NO3--N, NO2--N thấp Các phương pháp này cần được cải biên để xác định các dạng này trong đất chứa lượng NO3-, NO2- đáng kể

Do đất Việt Nam có độ pH thấp, Al3+ lớn, độ no kiềm thấp nên quá trình nitrat hóa trong đất tiến triển chậm chạp Mặt khác anion này có khả năng được hấp phụ kém, dễ rửa trôi nên hàm lượng NO2- và NO3- trong đất rất thấp, hầu như không đáng kể so với nitơ tổng số Quá trình amôn hóa thường diễn ra mạnh hơn nitrat hóa, N dễ tiêu được hình thành chủ yếu dưới dạng NH4+,nhất là trong đất

ẩm và ngập nước[1]

Khảo sát hàm lượng NO2- và NO3- trong một số mẫu đất tại khu vực nghiên cứu cho thấy hàm lượng N dạng NO2- và NO3- thấp, dao động từ 0,00017% đến 0,00086% (kết quả chi tiết được thống kê trong phụ lục 7, trang 90) Lượng N dạng NO2- và NO3- này là không đáng kể so với nitơ tổng số, chiếm 0,31 đến 0,61

% lượng N tổng số trong các mẫu đất

Bên cạnh đó, tại khu vực nghiên cứu, người dân trồng rau thường sử dụng phân hóa học N-P-K bón cho cây trồng, trong đó dạng phân nitơ thường được sử dụng

là phân urê Phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15N sử dụng trong nghiên cứu này cũng là phân urê làm giàu 15N Do đó có thể bỏ qua dạng NO2- và NO3- trong mẫu

và sử dụng phương pháp Kjeldahl thông thường khi tiến hành phân tích nitơ tổng

số trong các mẫu đất

3.5.2.2 Nguyên lý của phương pháp Kjeldahl

Phương pháp Kjeldahl dùng xác định nitơ tổng số gồm hai giai đoạn:

i) Phá mẫu để chuyển đổi tất cả các dạng nitơ hữu cơ trong đất về dạng NH4+

ii) Xác định lượng NH4+ trong mẫu đã phân hủy

Giai đoạn phá mẫu được thực hiện nhờ quá trình đun nóng mẫu với axit H2SO4 cùng chất xúc tác nhằm thúc đẩy quá trình oxi hóa các phần tử hữu cơ và chuyển đổi nitơ dạng hữu cơ sang dạng NH4+ Các muối thường sử dụng là K2SO4 hay

Na2SO4 nhằm tăng nhiệt độ của quá trình phá mẫu và các chất xúc tác như Cu,

Hg hay Se nhằm tăng tốc độ oxi hóa các phần tử nitơ hữu cơ bởi H2SO4 Lượng NH4+ trong mẫu sau khi phân hủy được xác định bằng cách thu NH3 giải phóng

từ mẫu bằng phương pháp chưng cất và xác định lượng NH4+ thu gom được bằng phương pháp chuẩn độ

Phá mẫu:

Thông số quan trọng nhất trong quá trình phá mẫu là nhiệt độ của quá trình xử lý với H2SO4, được kiểm soát chủ yếu bởi lượng K2SO4 hay Na2SO4 sử dụng Nếu hàm lượng K2SO4 thấp (chẳng hạn 0,3g/ml H2SO4) thì thời gian phá mẫu sẽ phải kéo dài trong nhiều giờ để đạt được kết quả chính xác, nếu hàm lượng này cao (chẳng hạn 1,0g/ml H2SO4) thì thời gian phá mẫu sẽ rút ngắn một cách tương

xứng Chất xúc tác có hiệu ứng thúc đẩy tốc độ quá trình phân hủy khi sử dụng lượng K2SO4 thấp, còn khi sử dụng lượng muối này cao, chất xúc tác không còn đóng vai trò tăng tốc cho quá trình phân hủy Mặc dù sử dụng hàm lượng K2SO4 cao có thể rút ngắn thời gian phá mẫu cũng như không cần sử dụng chất xúc tác, nhưng lại dẫn đến một số rắc rối như hỗn hợp thu được sau khi phá mẫu trở nên đông đặc khi để nguội và cần thiết phải đun nóng lại với nước trước khi chưng cất với kiềm Phá mẫu theo phương pháp Kjeldahl sử dụng nhiều hơn 0,8g muối/ml H2SO4 thường dẫn đến hiện tượng này Và khi thêm nước đun lại sẽ gặp phải vấn đề mẫu bị văng bắn mạnh, cho dù cả khi lắc đều mẫu và đôi khi dẫn đến nứt vỡ bình đun cũng như mất mẫu Hơn nữa khi sử dụng hàm lượng K2SO4 cao thường dẫn đến sự tạo bọt trong quá trình phân hủy và do đó trên thực tế tuy rút ngắn thời gian phân hủy mẫu nhưng thời gian để mẫu hết bọt lại kéo dài lâu hơn Nhược điểm chính của việc sử dụng hàm lượng K2SO4 cao là dẫn đến sự mất mát nitơ trong thời gian phân hủy mẫu Sự mất mát này xảy ra khi nhiệt độ của quá trình phân hủy vượt quá 400oC và nhiệt độ này đạt được khi sử dụng hàm lượng K2SO4 khoảng 1,3g đến 1,4g/ml H2SO4 Hàm lượng này cao hơn rất nhiều so với hàm lượng thường sử dụng trong quy trình Kjeldahl ứng dụng cho mẫu đất (0,22-0,33g/ml H2SO4) và cao hơn mức hàm lượng cần thiết để phân hủy các hợp chất nitơ chịu nhiệt như tryptophan hay axit nicotinic (1,0g K2SO4/ml H2SO4) Sự mất mát H2SO4 trong quá trình phân hủy mẫu cũng dẫn đến sự gia tăng hàm lượng muối và nhiệt độ của quá trình Trong điều kiện bình thường, sự mất mát do hiện tượng bay hơi và phân ly do nhiệt là rất nhỏ khi sử dụng hệ phân hủy mẫu thích hợp, chủ yếu là lượng H2SO4 tác dụng để oxi hóa các thành phần hữu cơ trong đất và tác dụng với các thành phần khoáng hóa Tính toán hợp lý lượng H2SO4 sử dụng kết hợp ứng dụng hàm lượng K2SO4 thấp giúp tránh được hiện tượng mất mát nitơ do nhiệt độ quá cao trong giai đoạn phá mẫu

Trong quy trình Kjeldahl, chất xúc tác thường sử dụng nhất là những chất có chứa Se, Hg và Cu Hiệu quả tăng tốc giai đoạn phân hủy đất giảm dần theo thứ

tự Se > Hg > Cu, Hg và Se đều mang lại hiệu quả tăng tốc cho giai đoạn phân

hủy mẫu gần như tương đương và hiệu quả hơn rất nhiều so với Cu Đã có những báo cáo lo lắng về sự mất mát nitơ trong quá trình phân hủy mẫu khi sử dụng Se làm chất xúc tác, tuy nhiên các nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng sử dụng Se với lượng hợp lý là an toàn và hiệu quả Hiện tượng mất nitơ chỉ xảy ra khi sử dụng quá nhiều Se hay quá nhiều K2SO4 hay Na2SO4 và khi quá trình phân hủy mẫu kéo dài quá lâu Công trình của Bremner (1960) đã báo cáo về các kết luận này

và chỉ ra rằng không có sự mất mát nitơ xảy ra khi phá mẫu đất theo phương pháp Kjeldahl khi sử dụng Se làm chất xúc tác với lượng thích hợp ngay cả khi thời gian phá mẫu kéo dài đến 12 giờ

Mặc dù Hg là một chất xúc tác hiệu quả trong quy trình Kjeldahl, tuy nhiên khi hỗn hợp sau phân hủy đem tác dụng với kiềm ở giai đoạn chưng cất, sự có mặt của Hg sẽ dẫn đến sự hình thành phức Hg-NH4+ và NH4+ trong phức này không được giải phóng khi chưng cất với kiềm Để tránh sự hình thành phức này cần khử HgO và công đoạn này gặp rất nhiều khó khăn Bên cạnh đó, Hg là chất có độc tính cao, chính vì vậy không nên dùng Hg làm chất xúc tác trong quy trình phân hủy mẫu đất bằng phương pháp Kjeldahl

Hỗn hợp chất xúc tác được sử dụng trong quy trình phân hủy mẫu đất bằng phương pháp Kjeldahl thường là hỗn hợp Wieninger, gồm Na2SO4, CuSO4 và Se theo tỉ lệ tương ứng là 500 : 8 : 8 Lượng xúc tác sử dụng từ 0,7-1,4g tùy thuộc vào hàm lượng nitơ tổng số trong mẫu đất Các mẫu đất trong nghiên cứu này thuộc nhóm đất xám bạc màu, hàm lượng nitơ tổng số thấp, lượng xúc tác lựa chọn sử dụng là 0,8g hỗn hợp xúc tác cho một gam mẫu đất

Thời gian phân hủy mẫu cũng là một yếu tố ảnh hưởng lên hiệu suất của quá trình Với thời gian phân hủy ít hơn 2 giờ, hiệu suất thu hồi tính được là nhỏ hơn 98% Chính vì vậy quá trình phân hủy cần được kiểm soát nhiệt thật tốt và kéo dài hơn 2 giờ Bremner trong công trình của mình đã đề nghị phân hủy mẫu đất bằng phương pháp Kjeldahl nên kéo dài trong 5 giờ để đảm bảo tất cả các dạng nitơ trong mẫu đếu được chuyển về dạng NH4+-N Thời gian phân hủy áp dụng trong nghiên cứu này là 5 giờ

Xác định hàm lượng NH 4 + -N trong dung dịch mẫu thu được:

NH4+-N trong dung dịch mẫu sau khi phân hủy bằng phương pháp Kjeldahl được giải phóng dưới dạng NH3 thông qua giai đoạn chưng cất hơi khi cho mẫu thu được sau phân hủy tác dụng với dung dịch kiềm mạnh, NH3 giải phóng được thu gom bằng một lượng chính xác axit chuẩn (H3BO3 hoặc HCl) Khi sử dụng

H3BO3 là dung dịch thu gom, lượng NH3 giải phóng được xác định thông qua phép chuẩn độ trực tiếp với dung dịch HCl Khi sử dụng dung dịch HCl thu gom, lượng NH3 giải phóng được xác định thông qua phép chuẩn độ ngược lượng axit HCl dư bằng dung dịch NaOH chuẩn

Các phương trình phản ứng xảy ra trong giai đoạn này:

(NH4)2SO4 + 2NaOH 2NH3 + Na2SO4 + 2H2O Trường hợp thu gom NH3 bằng H3BO3:

NH3 + H3BO3 NH4+ + H2BO3

H2BO3- + HCl H3BO3 + Cl Trường hợp thu gom NH3 bằng HCl:

NH3 + HCl NH4Cl + HCldư HCldư + NaOH NaCl + H2O Khi mẫu sau phân hủy không chỉ dùng để xác định nitơ tổng số trong mẫu mà còn để xác định tỉ số đồng vị 15N/14N trên khối phổ hay máy quang phổ phát xạ,

sử dụng axit boric sẽ dẫn đến những khó khăn và trong một số trường hợp có hiện tượng gây nhiễu Vì vậy, trong nghiên cứu này HCl được sử dụng làm chất thu gom NH3 giải phóng từ giai đoạn chưng cất, HCl dư sau đó được xác định qua phép chuẩn độ với dung dịch chuẩn NaOH 0,02N

Mẫu sau khi phân hủy được cho tác dụng với dung dịch NaOH 50% Lượng NaOH này phải đảm bảo đủ dư để có môi trường kiềm mạnh, thường lượng NaOH được đề nghị sử dụng khoảng hơn gấp 3 lần lượng axit H2SO4 dùng phá mẫu Trong nghiên cứu này, lượng NaOH 50% sử dụng là 18mL Thao tác thêm NaOH vào mẫu cần lưu ý thực hiện chậm, cẩn thận và chỉ thực hiện khi toàn bộ

hệ chưng cất đã được đóng kín để tránh mất mẫu bởi NH3 sẽ giải phóng rất nhanh

ngay khi dung dịch chuyển sang môi trường kiềm Đầu ống ngưng của hệ chưng cất cần nhúng ngập trong dung dịch axit ở bình thu gom để tránh mất NH3

Dung dịch trong bình thu gom là axit HCl 0,02N và chỉ thị màu methyl bromocresol green Lượng HCl đã được tính toán để sau khi tác dụng hết với lượng NH3 giải phóng ra vẫn còn axit dư là 10mL Chỉ thị methyl red-bromocresol green có khoảng đổi màu ở pH 4,5 – 5,2 chuyển từ màu hồng sang màu lục với màu trung gian là không màu dễ nhận biết bằng mắt thường Thời gian chưng cất phụ thuộc vào kích thước hệ chưng cất và lượng mẫu chưng cất Trong nghiên cứu này thời gian chưng cất cho một mẫu là 15 phút, lượng dung dịch mẫu thu gom vào khoảng 40mL

red-Để tránh mất mát nitơ trong phép phân tích tỉ số đồng vị 14N/15N sau đó, dung dịch mẫu cần được axit hóa với HCl ngay sau khi chuẩn độ

3.5.3 Chuyển đổi NH 4 + sang khí nitơ N 2

Có một số dạng nitơ nhất định có thể chuyển đổi trực tiếp sang khí nitơ thông qua phản ứng với hóa chất thích hợp Ví dụ khí N2 là sản phẩm chính trong phản ứng giữa NH4+-N hay urê-N với hypobromit của kim loại kiềm, giữa NH4+-N hay urê-

N với axit sulfamic, và giữa amit-N hay amin-N với axit nitrơ (HNO2) Trong phản ứng với axit nitrơ, một lượng đáng kể các oxit nitơ được tạo thành và một phần NO bị loại bỏ trước khi tiến hành phân tích thành phần đồng vị trong khí N2thu được vì sự có mặt của chúng là nguồn sai số tiềm ẩn đối với các mẫu có hàm lượng gần với hàm lượng đồng vị 15N thấp Phản ứng thường dùng để chuyển đổi

về dạng khí N2 trong phép phân tích đồng vị 15N bằng khối phổ hay máy quang phổ phát xạ là phản ứng giữa NH4+-N và natri hypobromit (NaOBr)

Hợp chất NH4Cl trong dung dịch mẫu sau các giai đoạn phá mẫu, chưng cất và chuẩn độ được chuyển sang dạng khí N2 thông qua phản ứng Rittenberg Phản ứng được thực hiện trong ống phản ứng đã hút chân không, dung dịch natri hypobromit (NaOBr) trong môi trường kiềm được sử dụng như là tác nhân oxy hóa tác dụng với một lượng mẫu thích hợp Phản ứng xảy ra như sau:

2NH4Cl + 3NaOBr + 2NaOH N2 + 5H2O + 3NaBr + 2NaCl

Sau khi chuyển các dạng nitơ trong mẫu về dạng khí N2, khí được đưa vào khối phổ hay máy quang phổ phát xạ để xác định thành phần của các đồng vị nitơ Trong máy NOI-7 sử dụng tại phòng thí nghiệm, hệ thống chuẩn bị mẫu chuyển

NH4+ sang khí nitơ N2 bằng phương pháp chuyển đổi Rittenberg được gắn trực tiếp vào máy, phản ứng chuyển đổi NH4+ sang khí nitơ N2 diễn ra tự động trong

hệ thống này

3.6 Thiết bị phân tích tỉ số đồng vị nitơ [5], [6], [7]

3.6.1 Khối phổ - Nguyên lý hoạt động của khối phổ

Khối phổ (MS) là kỹ thuật phân tích mà trong đó các nguyên tử hay phân tử của chất cần phân tích trong mẫu được ion hóa, phân tách theo tỉ số khối lượng–điện tích (m/z) của chúng và sau đó ghi nhận kết quả Khối phổ có nhiều loại ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau Một khối phổ thiết kế cho mục đích phân tích tỉ số đồng vị nitơ về cơ bản bao gồm năm bộ phận (hình 3.2):

Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ dùng phân tích tỉ số đồng vị

1 Hệ thống đưa khí N2 vào máy, hay bộ phận ghép nối thiết bị tạo khí N2 tự động

2 Một nguồn ion, ở đó các phân tử khí nitơ được bắn phá bởi các điện tử, trở thành các phần tử mang điện tích và được gia tốc

3 Một từ trường trong đó các phân tử nitơ được phân tách theo các đường khác nhau tùy thuộc vào động lượng của chúng

4 Thiết bị thu gom để thu gom các phân tử nitơ sau khi phân tách, tại đây các phân tử nitơ phóng điện và dòng điện phóng ra được khuyếch đại thông qua thiết bị khuyếch đại

5 Thiết bị ghi nhận dòng điện khuyếch đại

Độ cao của peak tỉ lệ thuận với lượng ba loại phân tử khí nitơ gồm 28N2, 29N2 và

30N2 có trong hỗn hợp khí

Mặc dù nguyên lý của khối phổ rất đơn giản, nhưng hoạt động trong thực tế lại rất phức tạp Toàn bộ hệ thống cần được duy trì dưới điều kiện chân không cao (10-11-10-12torr) và các thiết bị điện tử cần được duy trì ở độ ổn định cao

Lượng mẫu chủ yếu phụ thuộc vào thể tích bộ phận bơm khí vào và thể tích bình chứa mẫu Khoảng biến thiêncó thể là 50µg – 2mg nitơ/mẫu Độ chính xác rất cao và có thể xác định được đến + 0,00001%

3.6.2 Quang phổ phát xạ - Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ phát xạ dùng phân tích đồng vị 15 N – NOI (Nitrogen analyser with Optical principle for determination of stable Isotopes)

Sơ đồ cấu tạo một máy quang phổ phát xạ dùng phân tích đồng vị 15N được mô tả

ở hình 3.3

Hình 3.3: Sơ đồ một máy quang phổ phát xạ đơn giản

Các bộ phận chính của một máy quang phổ phát xạ bao gồm:

1 Nguồn phát năng lượng tần số cao để kích thích khí nitơ trong ống mẫu

2 Hệ thống điện tử chuyển năng lượng từ máy phát đến mẫu khí nitơ

3 Đơn sắc để phân giải ánh sáng với các bước sóng khác nhau

4 Ống nhân quang và thiết bị khuyếch đại để chuyển đổi lượng tử ánh sáng về tín hiệu điện

5 Thiết bị ghi đọc kết quả

Trong quang phổ phát xạ, phân tử khí nitơ tại áp suất thấp (10 torr) được kích thích lên các mức điện tử cao hơn nhờ một nguồn năng lượng tần số radio (RF)

và phát ra bức xạ trong vùng VIS-UV (khả kiến-tử ngoại) khi các phân tử nitơ ở trạng thái kích thích quay trở về trạng thái nền Một máy đơn sắc cho phép phân giải độ khác biệt về bước sóng của ánh sáng phát ra bởi các phân tử 28N2, 29N2 và

30N2 Cường độ ánh sáng được xác định nhờ ống nhân quang hay photo diode array (PDA)

Dải phát xạ của phân tử nitơ (hình 3.4) được sử dụng trong phép đo là:

Máy đơn sắc cần có khả năng quét hết vùng phổ phát xạ của phân tử nitơ Trong các máy quang phổ phát xạ chuyên dùng phân tích đồng vị 15N trước đây (NOI-5, Jasco, Sopra), việc quét phổ được thực hiện bằng cách dịch chuyển lăng kính trong máy đơn sắc từ từ cùng với một động cơ điện Một ống nhân quang (PM) được sử dụng để ghi lại sự khác biệt trong cường độ ánh sáng theo thời gian Một lần quét phổ thực hiện trong khoảng 1 phút Với các máy quang phổ phát xạ chuyên dùng phân tích đồng vị 15N - NOI-6 tiên tiến hơn, sử dụng một khe dao động ở phía trước ống nhân quang và quét vùng phổ quan tâm khoảng 50 lần/giây và cho kết quả là một hình ảnh phổ sống động trên máy tính Máy NOI-7 xác định phổ đồng thời cùng với một PDA Mỗi cell của PDA thể hiện một phần nhỏ của phổ và có thể đọc được bằng máy tính Một ưu điểm của thiết kế này là không hiện diện các

bộ phận dịch chuyển, cải tiến giúp thiết bị tinh vi hơn

Giá trị đo được được chuyển đổi sang đơn vị % nguyên tử bằng đường chuẩn Máy NOI-6 và NOI-7 có bộ phận xử lý số liệu, lưu trữ các dữ liệu về đường chuẩn và chuyển tự động ra giá trị thực

Lượng mẫu cần thiết để phân tích 15N trên máy quang phổ phát xạ chủ yếu phụ thuộc vào thể tích và phương pháp chuẩn bị ống phóng điện, nó có thể dao động trong khoảng 0,2µg N đến 20µg N Độ chính xác thấp hơn phép phân tích trên khối phổ, nằm vào khoảng + 0,005%

Trong các máy quang phổ phát xạ trước đây (NOI-5, Jasco, Sopra), cần gắn các ống phóng điện để chuẩn bị mẫu trong đường chân không riêng biệt Một lượng nhỏ NH4+ với khoảng 10µg N được cho vào một ống thủy tinh cùng CuO và CaO Ống được hàn kín và nung trong lò tại nhiệt độ 600oC để chuyển đổi NH4+thành khí nitơ N2 Thời gian đo là hơn 20 phút cho một mẫu (bao gồm cả thời gian chuẩn bị mẫu) Độ lệch chuẩn trên 3%

Trong các máy NOI-6 và NOI-7 có hệ thống chuẩn bị mẫu chuyển NH4+ sang khí nitơ N2 trực tiếp bằng phương pháp chuyển đổi Rittenberg Khí N2 (mẫu) và khí mang He đi qua một ống làm khô và một ống óng điện, tại đó áp suất được điều

chỉnh đến 10 torr bằng một bơm chân không và hai van điều dòng Thời gian đo

là khoảng một phút cho mỗi mẫu với độ lệch chuẩn khoảng 1%

Trong nghiên cứu này, đồng vị 15N trong các mẫu đất được xác định trên máy quang phổ phát xạ dùng xác định 14/15N – NOI-7 (hình 3.5) Máy NOI-7 là dòng sản phẩm mới nhất trong loạt máy quang phổ phát xạ dùng xác định 15/14N của hãng thiết bị phân tích FAN GmbH (Fischer ANalysen Instrumente GmbH), Cộng Hòa Liên Bang Đức

Hình 3.5: Máy quang phổ phát xạ – NOI-7

Hình 3.6: Sơ đồ máy quang phổ phát xạ có hệ chuẩn bị mẫu tích hợp (NOI 7)