Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tích luỹ phytolith đến một số tính chất lý – hoá học đất lúa

Si được đưa vào qua hệ rễ sau đó kết tủa trong các mô bào của thực vật để hình thành nên các “tế bào silic sinh học” và còn có một số tên gọi khác như opal-Si hay phytolith.. Một số tài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, tôi nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của tập thể và nhiều cá nhân đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể học tập và làm việc trong suốt thời gian nghiên cứu

Đặc biệt, với lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh – Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn thầy đã rất tâm huyết chỉ dẫn và góp ý để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè luôn quan tâm động viên và đóng góp ý kiến giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn

Tôi xin cám ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện từ đề tài mã số: 105.08 – 2013.01 của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia - Nafosted

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 8 năm 2015

Học viên

Phạm Văn Quang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH CHỮ VIẾT TẮT ivi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Silic trong đất 3

1.2 Sự tích lũy silic trong thực vật 6

1.2.1 Vai trò của silic với thực vật 6

1.2.2 Sự hình thành của phytolith trong thực vật 11

1.3 Con đường tích luỹ phytolith vào đất 18

1.4 Phytolith trong đất 20

1.5 Định lượng phytolith trong đất 23

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Xác định đặc tính cơ bản của mẫu đất nghiên cứu 28

2.2.2 Xác định đặc tính cơ bản của mẫu phytolith tách từ rơm 29

2.2.3 Quá trình hòa tan giải phóng nguyên tố dinh dưỡng từ phytolith 31

2.2.4 Phương pháp định lượng phytolith trong đất 32

2.2.5 Ảnh hưởng của phytolith tới sự phân tán của cấp hạt sét trong đất 33

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Một số tính chất đất cơ bản tại khu vực nghiên cứu 34

3.2 Một số đặc tính cơ bản của phytolith 35

3.2.1 Đặc điểm hình thái 35

3.2.2 Đặc điểm cấu trúc và đặc điểm khoáng vật học 37

3.2.3 Đặc điểm liên kết hoá học bề mặt 38

3.2.4 Đặc điểm điện động học 40

3.2.5 Thành phần hoá học 41

3.2 Hàm lượng và sự phân bố của phytolith trong đất 45

3.3 Ảnh hưởng của sự tích luỹ phytolith đến một số tính chất đất 47

3.3.1 Ảnh hưởng đến một số tính chất lý học đất 47

3.3.2 Ảnh hưởng đến một số tính chất hoá học đất 51

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Vị trí lấy mẫu đất thuộc khu vực nghiên cứu 27

Bảng 2 Phương pháp xác định một số tính chất cơ bản của mẫu đất 28

Bảng 3 Phương pháp xác định một số tính chất lý – hóa học cơ bản của phytolith 30 Bảng 4 Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu 34

Bảng 5 Hàm lượng dạng hoà tan của một số ion trong phytolith 44

Bảng 6 Hàm lượng phytolith trong các tầng đất trong 7 phẫu diện nghiên cứu 45

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Bồn Si, quá trình chuyển đổi và dòng Si trong đất 3

Hình 2 Sự biến đổi của DSi trong đất 4

Hình 3 Các dạng Si sinh học trong đất 5

Hình 4 Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật 9

Hình 5 Một số dạng phytolith và phân bố của phytolith trong thực vật 11

Hình 6 Cơ chế kiểm soát quá trình hút thu Si của lúa 14

Hình 7 Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật 16

Hình 8 Sản phẩm phytolith được tạo ra trong từng giai đoạn thu hoạch 19

Hình 9 Lượng C bị giữ lại trong đất bởi phytolith (PhytOC) so với C tổng số 21

Hình 10 Tích lũy C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau 22

Hình 11 Sơ đồ tách phytolith từ đất bằng dung dịch nặng 23

Hình 12 Minh họa cho phương pháp luận sử dụng để giải thích cho sự hòa tan đồng thời Si từ khoáng trong suốt quá trình chiết dạng ASi 25

Hình 13 Bản đồ khu vực nghiên cứu 27

Hình 14 Ảnh SEM của phytolith tách từ cây lúa theo phương pháp tro hoá khô 36

Hình 15 Ảnh SEM mẫu phytolith trong rơm rạ xử lý ở nhiệt độ 400oC (a), 600oC (b) và 800oC (c) 37

Hình 16 Nhiễu xạ đồ tia X của các mẫu phytolith khi rơm rạ xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 37

Hình 17 Phổ hồng ngoại FT-IR của mẫu phytolith xử lý tại các nhiệt độ khác nhau 39

Hình 18 Thế zeta (ζ) của phytolith xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 40

Hình 19 Biểu đồ phân tích nhiệt sai của mẫu rơm rạ 41

Hình 20 Hàm lượng CHC trong các mẫu phytolith ở các nhiệt độ khác nhau 42

Hình 21 Hàm lượng Si và K trong phytolith 44

Hình 22 Hàm lượng phytolith trung bình tại khu vực nghiên cứu 47

Hình 23 Tương quan giữa CHC, khoáng sét và phytolith với CEC của đất 49

Hình 24 Ảnh hưởng của Si đến sự phân tán của khoáng sét tại các pH khác nhau 50 Hình 25 Cơ chế tạo liên kết bề mặt của anion SiO44- với các nhóm chức trên bề mặt khoáng sét 51

Hình 26 Khả năng hoà tan của phytolith khi được xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 52 Hình 27 Cường độ giải phóng Si và K từ phytolith 53

Hình 28 Hàm lượng Si hoà tan và phytolith trong phẫu diện đất nghiên cứu 54

Hình 29 Mối quan hệ giữa Si-CaCl2 với Si tổng số và phytolith trong đất 55

Hình 30 Tương quan giữa hàm lượng phytolith và tổng lượng Ca, Mg trao đổi trong đất 56

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASi : Dạng Si vô định hình

BSi : Dạng Si sinh học

CEC : Dung tích trao đổi cation

FTIR : Phương pháp phân tích phổ hấp phụ

hồng ngoại

MSi : Dạng Si trong khoáng vật

SEM : Kính hiển vị điện tử quét

TPCG : Thành phần cơ giới

X-ray : Phương pháp nhiễu xạ tia X

MỞ ĐẦU

Silic (Si) là nguyên tố giàu thứ hai sau oxy trong lớp vỏ trên của trái đất (~28%) và có mặt trong hầu hết các loại đá mẹ cũng như các khoáng vật thứ sinh trong đất Sự tồn tại của Si thường gắn liền với oxy để tạo thành oxit silic Ước tính oxit silic có thể chiếm tới 66,6% lớp vỏ lục địa của trái đất Mặc dù rất dồi dào trong tự nhiên nhưng không phải dạng oxit silic nào thực vật cũng có thể sử dụng được Trải qua quá trình phong hóa, Si từ các khoáng vật được giải phóng vào đất

và có thể được thực vật hút thu trong quá trình sinh trưởng Si được đưa vào qua hệ

rễ sau đó kết tủa trong các mô bào của thực vật để hình thành nên các “tế bào silic sinh học” và còn có một số tên gọi khác như opal-Si hay phytolith

Một số quan điểm cho rằng Si không phải là nguyên tố “tối quan trọng” như

N, P hay K Tuy nhiên, thực tế đã chứng minh Si có vai trò quan trọng góp phần làm cho thực vật trở nên cứng cáp hơn, chống chịu sâu bệnh tốt hơn Đối với lúa nước nếu hàm lượng Si dễ tiêu trong đất thấp hơn 40 mg/kg sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của lúa (Barbosa-Filho và nnk, 2001) Một số cây trồng khác như cà chua, dưa chuột cũng có thể cho năng suất thu hoạch cao hơn nếu được đáp ứng đầy đủ nhu cầu về Si (Korndoerfer và Lepsch, 2001) Khi phytolith được giải phóng và tích lũy trong đất, nguồn Si này có thể được cây trồng quay vòng sử dụng Việc bón phytolith vào đất sẽ giúp giải quyết tình trạng “đói Si” của thực vật

mà quá trình phong hóa không đáp ứng đủ Một số tài liệu đã chứng minh rằng phytolith không chỉ đóng vai trò như là nguồn cung cấp Si cho cây trồng khi được

bổ sung vào đất, mà nó còn có thể tham gia vào các quá trình hóa – lý của đất: cải thiện CEC, tăng khả năng đệm, cố định các chất ô nhiễm, và hạn chế phát thải khí nhà kính nhờ khả năng “hút giữ” chất hữu cơ dưới dạng khó phân hủy sinh học (Parr và Sullivan, 2005) Tuy nhiên, vai trò của dạng Si sinh học này cũng chỉ nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ gần đây

Tập quán vùi rơm rạ lại ruộng, đốt tại ruộng hay sử dụng tro bếp để bón ruộng đã được bà con nông dân thực hiện từ rất xa xưa, đây được biết đến như một cách thức để hoàn trả một số khoáng chất quan trọng cho đất Đây cũng là những phương thức mà phytolith được hoàn trả lại đất sau mỗi vụ thu hoạch Tuy nhiên, các phương thức này tác động tới tính chất của phytolith trong rơm rạ ra sao và khi

đó vai trò của phytolith trong đất sẽ thay đổi thế nào thì chưa có nhiều nghiên cứu nhắc tới

Với những vai trò đặc biệt kể trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tích lũy

phytolith đến một số tính chất lý - hóa học đất lúa” được tiến hành thực hiện với

một số mục tiêu đặt ra:

-   Cung cấp thông tin về một số tính chất đất cơ bản tại khu vực nghiên cứu,

-   Khảo sát một số đặc tính chung của phytolith trong rơm rạ,

-   Định lượng hàm lượng phytolith trong đất, và

-   Đánh giá mối quan hệ của hàm lượng phytolith tích luỹ tới một số tính chất

đất tại khu vực nghiên cứu

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1   Silic trong đất

Đất là yếu tố chính làm nên hệ sinh thái trên cạn trong đó quá trình hóa học

và quá trình sinh học tác động qua lại lẫn nhau Trong đất các chất dinh dưỡng được

cố định, hòa tan, biến động cũng như được vận chuyển ngang dọc do các tác nhân khác nhau Quá trình vận chuyển ngang và dọc, quá trình cố định tạm thời hay lâu dài hoạt động ở nhiều mức độ, tạo nên rất nhiều bồn chứa Si cũng như các nguyên

tố khác trong đất Theo đó, Si có thể bị chia nhỏ ra thành bồn Si vô cơ và bồn Si sinh học

Hình 1 Bồn Si, quá trình chuyển đổi và dòng Si trong đất

(không tính xói mòn/lắng) Trong bồn Si vô cơ, Si có mặt trong trên 370 khoáng vật hình thành đá và là nguyên tố cơ bản của các loại đá mẹ hình thành đất Có thể chia Si trong bồn vô cơ thành bốn pha tồn tại như một dạng sản phẩm trong quá trình phong hoá hình thành đất: (1) các khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ, (2) các khoáng vật thứ sinh chủ yếu là khoáng sét, (3) các dạng khoáng vật nano có độ trật tự thấp (opal-A, imogolit, allophan) (Monger và Kelly, 2002) và (4) cuối cùng là dạng Si hoà tan

trong dung dịch đất (DSi) Trong đó dạng DSi có thể biến đổi sang các dạng còn lại

và là dạng duy nhất thực vật có thể sử dụng (Hình 2)

Hình 2 Sự biến đổi của DSi trong đất DSi có thể liên kết với Al hòa tan để tạo thành dạng khoáng vật chuyển tiếp như imogolite hoặc allophanes (Harsh và nnk, 2002) hoặc có thể kết tủa từ dung dịch đất lên bề mặt khoáng vật (Drees và nnk, 1989) Ngoài ra, DSi còn được hấp phụ hóa học ở bề mặt của các thành phần khác trong đất khác như cacbonat, oxit hoặc hydroxit sắt và nhôm (Dietzel, 2002) Trong quá trình này, hydroxit sắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tác giữa thể rắn và thể lỏng trong đất do sự hình thành axit polysilicic từ DSi trên bề mặt của hydroxit này (Dietzel, 2002) DSi trong dung dịch đất có thể kết tinh lại dẫn đến sự tích tụ Si Trong vùng khí hậu với giai đoạn khô rõ rệt, tầng đất bị cứng hơn bởi sự bổ sung của Si vô định hình gây ra

sự gắn kết của các hạt đất Những quá trình này dẫn đến sự chai cứng của đất (Monger và Kelly, 2002)

Hình 3 Các dạng Si sinh học trong đất (Puppe và nnk, 2015)

Si sinh học (BSi) trong đất có thể chia thành Si hữu cơ có nguồn gốc từ động vật, Si trong thực vật (Si phytogenic) đặc biệt là các loài thuộc nhóm siêu tích lũy

Si, vi khuẩn và sinh vật đơn bào (chủ yếu là tảo diatomit) (Hình 3) Nhìn chung, hiểu biết về các dạng Si này vẫn hạn chế ở hầu hết các loại đất Chưa có nhiều thông tin được đưa ra với vi khuẩn và sinh vật đơn bào mà chỉ có những bằng chứng cho sự tồn tại của chúng trong đất dưới dạng sống hoặc vết tích khảo cổ (Clarke, 2003) Hầu hết thông tin về BSi có được nhờ các kết quả nghiên cứu về Si phytogenic – dạng Si vô định hình kết tinh tại rễ, thân cây, cành, lá và gai ở cây Thành phần của Si phytogenic trong đất dao động từ 0,01% tới 50% (Clarke, 2003) Nếu tốc độ tích tụ dạng Si phytogenic lớn hơn tốc độ phân rã, một bồn BSi có thể hình thành trong đất Meunier và nnk (1999) nghiên cứu lớp đất giàu Si phytogenic dày 15 cm tại phía bờ tây của Piton des Neiges (đảo La Réunion, Ấn Độ

Dương) nơi có loài tre đặc hữu Nastus borbonicus Kết quả của ông chỉ ra rằng, loài

tre này có chứa lượng Si vô định hình lên tới 41 đến 58 mg/g sinh khối khô và ước tính dạng Si vô định hình lắng đọng trong đất từ sinh khối tre cho giá trị khoảng 453 – 649 kg/ha/năm Việc trồng cây có hàm lượng Si cao như lúa, mía, có thể dẫn đến

sự tích lũy Si trong hệ nhiều hơn Một ví dụ khác, hơn 100 kg Si/ha có thể được trả lại đất sau mỗi năm ở các cánh đồng mía (Berthelsen và nnk, 2001)

Lượng Si mất đi từ đất trong hệ có thực vật bao phủ có thể gấp 2 - 8 lần so với các vùng đất trống (Moulton và nnk, 2000) Lucas (2001) đã giải thích điều này

do sự phong hóa dưới tác động của sinh vật đặc biệt là thực vật diễn ra nhanh hơn

so với sự phong hóa khoáng do các cơ chế vật lý, hóa học Những thay đổi của vòng tuần hoàn Si trên mặt đất dưới tác động của con người đã trở thành một vấn đề có thể tác động đến trạng thái cân bằng và phát triển bền vững nông nghiệp Nếu coi phytogenic là nguồn Si duy nhất cho cây trồng, với tộc độ mất Si là 50 – 100 kg/ha/năm và lượng phytogenic bổ sung là 1 tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn kiệt trong vòng vài thập kỷ (Bartoli, 1983) Hay ở Úc, 30 năm canh tác mía dẫn đến

sự sụt giảm của Si dễ tiêu có sẵn trong đất đến khoảng một nửa so với số lượng ban đầu (tương ứng là 5,3 và 13,1 mg/kg) (Berthelsen và nnk, 2001) Trong nghiên cứu thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) tại Laguna, Philipin trên cây lúa nước cho

thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa khi thu hoạch là 51,4 - 70,8 g Si/m2 và phần lớn Si

đã được lưu trữ trong tàn dư sau thu hoạch (> 86%) Với việc người dân không hoàn trả lượng lớn phụ phẩm sau thu hoạch lại cho đất và hàm lượng Si có trong nước tưới ở dưới giới hạn phát hiện gây ảnh hưởng tới năng suất của vụ kế tiếp cho thấy tàn dư sinh khối sau thu hoạch là một nguồn cung Si quan trọng

Trong hệ sinh thái lúa nước Việt Nam và Philipin, hàm lượng Si cây trồng có thể hấp thụ được trên tầng đất mặt ở Philipin cao hơn so với Việt Nam (222 ± 92 mg/kg so với 37 ± 14 mg/kg) Do ở Việt Nam, nguồn Si chủ yếu giải phóng ra từ quá trình phong hoá các tầng đất cổ, trong khi ở Philipin có sự bổ sung từ tro của các núi lửa đang hoạt động hoặc nguồn nước chảy ra từ các núi lửa hoạt động âm ỉ Tổng Si hấp thu bởi cây lúa của Philippin cũng cao hơn đáng kể ở Việt Nam, 709 ±

144 kg/ha so với 201 ± 102 kg/ha, sự khác biệt này có thể là do tác động phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi đất nước là khác nhau (giống, khí hậu, chế độ thuỷ

lợi và đặc biệt là phương thức quản lý dư lượng cây trồng) (Marxen và nnk, 2014) 1.2   Sự tích lũy silic trong thực vật

1.2.1   Vai trò của silic với thực vật

Si được coi là một nguyên tố dinh dưỡng “không bình thường” bởi xét về vai trò dinh dưỡng có lẽ nó không thật sự cần thiết cho sự sinh trưởng và phát

triển của thực vật Nhưng dù sao Si hữu hiệu vẫn thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của một vài loại cây trồng, bao gồm: lúa, mía đường, lúa

mì và một số loại cây hai lá mầm Trong mô tế bào, Si được tìm thấy với một khối lượng lớn và chúng ngang bằng với tổng các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P,

K, Ca, Mg) Cây trồng hút Si ở một dạng duy nhất là axit monosilicic, phổ biến gọi là axit Ortho-Si và tích lũy thông qua việc hình thành cấu trúc ở lá, thân và hệ thống rễ (Parr và Sullivan, 2005) Vai trò của Si trong vòng đời của cây trồng thể hiện qua một số khía cạnh sau:

- Tăng khả năng quang hợp, điều hòa dinh dưỡng khoáng

Si giúp cho cây mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng hiệu quả, tăng khả năng quang hợp Si đã được coi là quan trọng cho sự phát triển bình thường của cây lúa Chức năng sinh lý của Si trong trong hệ thống biểu bì lá là có thể hoạt động như một "cửa sổ" để tạo thuận lợi cho việc truyền ánh sáng đến mô thịt lá Tầm quan trọng của góc lá đối với quang hợp của tán ruộng trồng được biết nhiều, lá đứng được mong muốn ở giống lúa có năng suất cao Góc lá là yếu tố đặc trưng của giống, nó cũng bị ảnh hưởng tình trạng dinh dưỡng Nitơ có khuynh hướng làm cho lá lúa rủ xuống trong khi đó Si làm cho lá đứng thẳng Sự rủ xuống của lá lúa là một chỉ tiêu quan sát để biết đến sự thiếu hụt Si trong cây lúa Hiện tượng không xuất hiện ngay sau khi cấy lúa vào trong dung dịch không có Si Một tuần sau khi cấy và thời gian sau thì có sự khác nhau giữa hai dung dịch có và không có Si Lá lúa của dung dịch có cung cấp Si thì đứng thẳng trong khi lá lúa không cung cấp Si thì rủ xuống Sự rủ xuống của lá lúa là do ảnh hưởng của mức độ cung cấp nitơ Khi nồng động nitơ trong dung dịch thấp thì mức độ rủ xuống của lá lúa khi thiếu Si trở nên nhỏ và ngược lại Si có ảnh hưởng rõ ràng đến hoạt tính của một vài loại enzim có liên quan đến quang hợp của cây lúa thông qua việc hạn chế sự già cỗi của lá lúa Si có thể làm giảm sự thoát ra ngoài của các chất điện phân từ lá lúa và vì vậy đã giúp đẩy mạnh hơn quá trình quang hợp của các loại cây trồng được trồng trong điều kiện khô hạn hoặc nắng nóng

Ngoài ra, sự tăng hấp thu Si làm giảm quá trình bốc thoát hơi nước và tăng tính chống chịu của cây đối với giảm thế năng thẩm thấu trong môi trường mọc

rễ Sự hấp thu Si tăng làm tăng lực oxy hóa của rễ và giảm sự hấp thu thái quá của Fe và Mn giúp cây lúa sinh trưởng tốt (Okuda và Takahashi, 1965) Si tăng cường sự hấp thu P của cây, giảm sự giữ chặt P trong đất, giúp tăng hàm lượng P dễ tiêu cho cây Theo Ma và Takahashi (1990), Si tác động gián tiếp đến tăng trưởng thực vật khi nồng độ P thấp hay cao trong đất Phương thức này tác động khác nhau theo mức P trong dung dịch Khi P thấp, Si làm hạn chế sự cố định P gây ra bởi Fe

và Mn và do đó làm tăng P hữu dụng trong cây Khi P cao, Si làm giảm sự hấp thu

P và do đó P tập trung ở chồi Si còn có tác dụng tăng hiệu lực của phân N và các chất dinh dưỡng khác Nhiều nghiên cứu cho thấy, Si giúp cây loại bỏ khả năng bị ngộ độc Mn, Fe và Al vì Si giúp cây phân phối các nguyên tố kim loại này một cách hợp lý Nếu thiếu Si, các nguyên tố kim loại này tích trữ không đều và gây ngộ độc Bên cạnh đó, Si còn giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dưỡng có hại giữa Zn và P trong cây làm cho cây khỏe hơn (Ma, 2004)

- Tăng cường sức chống chịu cơ học

Trong cây, Si kết hợp với lớp biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chắn hơn Nhiều mối liên kết như vậy giúp cây cứng cáp nhưng lại có khả năng đàn hồi Si tạo nên các phức hợp với polyphenol để hình thành những hợp chất với lignin tăng cường độ cứng của thành tế bào

- Tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường

Trong đất phèn, Si tạo phức với Fe, Al thành những hợp chất khó tan, qua

đó, giảm nồng độ các yếu tố độc hại như Fe, Mn và Al trong dung dịch đất (Datnoff

và nnk, 2005) Bên cạnh đó, Si đóng vai trò quan trọng trong giảm độc tính Cd ở lúa bằng cách tăng tích lũy Cd trong rễ và giảm vận chuyển Cd từ rễ đến chồi (Ma

và nnk, 2001,2012; Epstein và Bloom, 2005)

Hình 4 Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật

(Meharg và nnk, 2015) Cây trồng được hấp thu Si ở điều kiện có muối sẽ kích thích màng không bào của tế bào rễ cây, phần bề mặt xung quanh không bào tạo ra enzym H+-ATPase và

H+-PPase, hai loại enzym này sẽ kết hợp với nhau trong việc đưa gốc Na+ từ tế bào chất vào trong không bào, điều này làm cho việc vận chuyển Na+ từ rễ cây đến ngọn

và lá giảm đi so với cây không được hấp thụ Si Nếu trong lá cây có lượng Na+ cao

sẽ làm cho lượng chlorophyl giảm, khả năng quang hợp của cây cũng giảm đi Khi cây trồng phát triển ở điều kiện có muối thì sẽ làm cho cây bị “stress” và sinh ra các gốc tự do, khi tích tụ ở mức độ nhiều sẽ gây nguy hiểm cho tế bào Nếu được hấp thụ Si vừa đủ sẽ tạo ra nhóm enzym có khả năng kiểm soát các chất thuộc nhóm tự

do như nhóm enzym antioxidant Ngoài ra, Si làm giảm các tổn thương được gây ra bởi các điều kiện bất lợi của khí hậu như bão, mưa đá đối với cây lúa, làm giảm bớt khả năng ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với cây mía và một số loại cây trồng khác

- Tăng sức đề kháng, ngăn ngừa sâu bệnh

Si là một nguyên tố có hoạt tính sinh học tác dụng cả hai cơ chế sinh học và sinh lý Si tác động như một chất điều chỉnh liên quan đến thời điểm và mức độ

phản ứng của cây trồng tạo sức đề kháng cho cây trồng Việc bổ sung Si có tác động đến việc kiểm soát nhiều bệnh quan trọng của cây lúa Những nghiên cứu cho thấy khi bón bổ sung từ 1,5 – 2 tấn/ha các nguồn Si khác nhau trên những ruộng thiếu Si

đã làm giảm đột ngột tỷ lệ mắc bệnh và giảm thiệt hại do bệnh đạo ôn, đốm nâu,

khô vằn và bạc lá cây lúa Oryza sativa (Ma và nnk, 2002) Datnoff và nnk (1991)

chứng minh rằng bón Si dưới dạng CaAl2Si2O8 làm giảm 73 – 78% tỷ lệ lúa bị nhiễm đạo ôn và giảm được 58 – 75% tỷ lệ lúa bị nhiễm đốm nâu giúp tăng năng suất và phẩm chất lúa

Ở chồi và lá, sự phân phối Si phụ thuộc vào tỉ lệ thoát hơi nước của cây và được tích tụ ở giai đoạn cuối của dòng thoát hơi nước thường ở ngoài và trong thành tế bào biểu bì lá Thành tế bào biểu bì lá bị thấm một màng mỏng Si và trở thành những rào cản có hiệu quả chống lại sự mất nước do thoát hơi nước qua lớp cutin và sự xâm nhiễm của nấm (Epstein và Bloom, 2005; Ma và nnk, 2002)

Si cũng ngăn chặn côn trùng gây hại như sâu đục thân, châu chấu và rầy lưng trắng, bọ hình nhện và bọ ve Dưỡng chất giúp cây trồng kháng lại sâu bệnh bằng cách làm thay đổi hình thái, cấu trúc hay hóa học của cây ở vào một số giai đoạn sinh trưởng và phát triển Chẳng hạn như làm cho tế bào biểu bì của lá dày hơn, mức độ hóa gỗ của các mô mạnh hơn, giúp lá chống lại sự xâm nhiễm của nấm bệnh; thân, lá cứng cáp hơn, chống lại sự tấn công của côn trùng; hoặc cây sản sinh

ra những chất ngăn cản hay xua đuổi côn trùng

- Tăng năng suất và phẩm chất cây trồng

Ngoài các cơ chế tác động tới khả năng quang hợp, đặc điểm cấu tạo cũng như khả năng chống lại một số sâu bệnh và sự thay đổi thiếu tích cực của điều kiện môi trường, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy Si có tác dụng làm tăng số bông,

số hạt/bông và số hạt chắc, tăng năng suất lúa cũng như một số loài cây hai lá mầm khác Theo một nghiên cứu tại Hàn Quốc ở lúa gạo: bón 2.000 kg phân Si/ha, năng suất tăng 28% so đối chứng (không bón phân Si); lúa mì: bón 2.500 kg phân Si/ha, năng suất tăng 20%; lúa mạch: bón 1.370 kg phân Si/ha, năng suất tăng 37% (Đỗ

Hải Triều, 2008) Bón phân chứa Si còn có tác dụng giảm tỷ lệ lép hạt, giúp cho hạt lúa vàng sáng, sạch bệnh, góp phần tăng phẩm chất và giá trị của lúa gạo

1.2.2   Sự hình thành của phytolith trong thực vật

Phytolith (trong tiếng Hy Lạp, phyto = cây, lithos = đá: “cây hóa thạch”) là dạng oxit silic vô định hình (có công thức tổng quát là SiO2.nH2O) hình thành trong

cả nội hay ngoại bào các mô của thực vật sống (Jones và nnk, 1967)

Hình 5 Một số dạng phytolith và phân bố của phytolith trong thực vật

Nhiều họ thực vật hạt kín, hạt trần và một vài họ của Pteridophytes (thực vật

không có hoa, đặc biệt là dương xỉ) được biết đến như các “nhà máy” sản xuất phytolith với lượng khác nhau từ 0,1 đến 16% (Epstein và nnk, 2005) Sự hình thành và phát triển của phytolith trong thực vật liên quan đến một số yếu tố, bao gồm điều kiện khí hậu, tính chất đất, lượng nước trong đất, độ tuổi của cây và quan trọng nhất sự tương tác qua lại giữa các thành tố này Quá trình hình thành phytolith được bắt đầu khi thực vật hấp thụ Si hòa tan qua rễ và kết thúc khi các tế bào Si rắn được hình thành trên thành tế bào, tế bào nội chất, hoặc các khoảng gian bào Quá trình này đôi khi ở giai đoạn rất sớm hoặc cũng có thể rất muộn trong vòng đời phát triển của thực vật tuỳ thuộc vào loại thực vật và điều kiện môi trường sống của chúng

1.2.2.1   Cơ chế hút thu Si của thực vật

Si hoà tan được thực vật hút thu qua lông hút của rễ và vận chuyển lên các

cơ quan khí sinh trong dòng vận chuyển nước qua hệ thống mạch dẫn xylem Dạng

Si trong dung dịch đất đi vào thực vật là axit monosilicic, Si(OH)4 trong điều kiện

pH dao động từ 2 tới 9 Quá trình hút thu Si của thực vật dựa trên hai cơ chế: hút

thu chủ động có tiêu tốn năng lượng trong quá trình trao đổi chất và hút thu thụ động thông qua dòng không chuyên biệt cùng dòng hút thu các nguyên tố dinh dưỡng khác hoặc dòng thoát hơi

Có một số lượng đáng kể các nghiên cứu cho thấy sự hấp thu thụ động và truyền dẫn của axit monosilicic trong các loài thực vật (Raven, 1983) Một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng lượng Si (đo bằng phần trăm khối lượng khô) ở một số loài tích lũy Si tăng tỷ lệ thuận với lượng Si hòa tan trong các môi trường sinh trưởng (Jones và Handreck, 1965) Jones và Handreck (1965) có thể dự đoán tương đối chính xác hàm lượng Si trong yến mạch và cỏ ở vùng đất khô hạn bằng việc biết nồng độ của axit monosilicic trong đất và lượng thoát hơi nước của cây Mối quan hệ thuận này được xem như kết quả và minh chứng cho sự hấp thu Si thụ động của thực vật

Mặt khác, có những bằng chứng thuyết phục cho sự vận chuyển chủ động Si hòa tan của một số loài thực vật Okuda và Takahashi (1964) thấy rằng axit monosilicic xuất hiện trong hệ thống xylem dẫn truyền nhựa lên các chồi lúa với nồng độ cao mà không tuân theo gradient nồng độ Van der Worm (1980) cũng đã chứng minh sự hấp thu tích cực Si trong mía đường, lúa mì và lúa nước Ví dụ khác,

dưa chuột (Cucumis sativus) hấp thu và vận chuyển Si có thể bị ức chế mạnh bởi

nhiệt độ thấp và chất 2,4-dinitrophenol, trong khi các chất ức chế chuyển hóa tương

tự không có tác dụng với việc hạn chế Si xâm nhập thụ động vào qua dòng vận

chuyển nước của cây đậu răng ngựa (Vicia faba) (Liang và nnk, 2005) Rõ ràng,

thực vật có tích luỹ phytolith phải có một số cơ chế hút thu có kiểm soát hoặc từ chối sự xâm nhập của axit monosilicic ở bề mặt rễ hoặc ngăn không cho nó đi từ rễ

vào các cơ quan khí sinh Jones và Handreck (1969) kết luận rằng rễ của các loài thực vật ít hoặc không tích luỹ Si có thể tạo ra lớp “rào chắn” trong lớp biểu bì, cho phép axit monosilicic xâm nhập vào với tỷ lệ thấp hơn nhiều so với sự xâm nhập của nước, trong trường hợp này, việc xâm nhập thụ động của axit monosilicic đã được kiểm soát Cơ chế tương tự cũng được phát hiện trong nghiên cứu thực nghiệm của Parry và Winslow (1977) Việc cắt bỏ một phần rễ của cây đậu Hà Lan (loài tích luỹ Si ở mức thấp), dẫn đến sự tích luỹ cao của Si trong thành tế bào của

lá và tua (tuy nhiên không phải ở dạng tế bào rắn màu trắng đục, phytolith); trong khi các cây được trồng trong dung dịch Si tương tự với rễ còn nguyên vẹn không thấy có tích lũy như vậy Điều này chỉ ra rằng một cơ chế hạn chế Si tồn tại trong rễ

và có lẽ nằm ở bề mặt bên ngoài của rễ, vì không phát hiện thấy Si trong rễ cây còn nguyên vẹn Parry và Winslow (1977) tiếp tục chỉ ra rằng lông rễ của một số thực vật tích luỹ phytolith thấp được bao bọc bởi một lớp mỏng chất béo có tính chất tương tự cutin và suberin, trong khi chất này duy trì tính thấm với nước lại trở thành một rào cản đối với axit monosilicic Ở một số loài thực vật còn hình thành các gen chuyên hoá kiểm soát quá trình hút thu và vận chuyển Si từ môi trường ngoại bào

Ví dụ ở lúa, Ma và nnk (2004) đã phân lập và tìm ra được gen nằm trên màng plasma ở vỏ tế bào rễ (SIT1 hay LSi1 - Low silicon rice 1) và một số khác nằm trên màng plasma của các tế bào nhu mô của xylem (SIT2 hay LSi2 - Low silicon rice 2) (Ma và nnk, 2004) (Hình 6)

Ngoài vai trò neo giữ vào giá thể của hệ rễ, thực vật còn chủ động tăng cường khả năng hút thu Si bằng cách tiết qua hệ thống rễ các hợp chất axit hữu cơ hoặc H2CO3 để hoà tan các khoáng vật silicat trong giá thể mà chúng sinh trưởng Nói cách khác, mức Si hoà tan trong đất không có giới hạn dưới cho việc chấm dứt

sự hình thành phytolith trong các loài loài tích lũy Si Blackman (1969) đã tăng số lượng cỏ trồng trên đất nghèo Si hoà tan và vẫn quan sát thấy hàm lượng đáng kể phytolith được tạo ra McNaughton và Tarrants (1983) cũng đưa ra giả thiết rằng cỏ

có khả năng hòa tan Si từ hạt sét để tạo ra lượng Si cần thiết cho nhu cầu của chúng

Hình 6 Cơ chế kiểm soát quá trình hút thu Si của lúa (Ma và nnk, 2004) Các nghiên cứu cho ra những bằng chứng tương đối thuyết phục chứng minh cho sự tồn tại của hai cơ chế hút thu Si của thực vật, tuy nhiên, mối quan hệ cũng như vai trò riêng biệt của mỗi cơ chế trong quá trình hút thu Si ra sao thì chưa được làm rõ Trong thực vật thường tồn tại đồng thời hai cơ chế hút thu Si chủ động và thụ động; tuỳ vào điều kiện môi trường mà mối quan hệ giữa hai có chế có thể là tương hỗ hoặc cản trở nhau (ở đây là sự điều chỉnh quá trình hút thu thụ động dựa trên các cơ chế hút thu chủ động qua việc tăng cường hoặc cản trở sự xâm nhập của

Si qua màng tế bào lông hút hoặc màng tế bào xylem) Tuy nhiên, sự biến động hàm lượng Si trong các loài thực vật được cho là phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố môi trường quy định nồng độ của Si hòa tan trong thực vật Các yếu tố này chủ yếu

là những yếu tố ảnh hưởng đến mức độ Si hòa tan trong đất (mức độ phong hoá khoáng vật silicat và dạng tồn tại của Si trong đất) pH là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới Si hòa tan, pH liên quan đến sự hấp thụ axit monosilicic bởi oxit sắt, nhôm và khoáng sét trong đất Những sesquioxit thường hấp thụ hoặc liên kết với axit monosilicic lên bề mặt và tách nó ra khỏi dung dịch đất Quá trình hấp phụ này được cho là tối ưu ở khoảng pH 9,5 Trong khi đó, khả năng hấp phụ Si hoà tan của đất thay đổi theo các thay đổi pH và đạt giá trị tốt nhất trong khoảng pH 8 và 9 Có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sự hấp thu của Si bởi các thực vật tăng lên cùng với

tăng hàm lượng nước và có thể là nhiệt độ của đất (Jones và Handreck, 1967) Jones

và Handreek (1967) nhận xét rằng lúa nước gần như chắc chắn có chứa Si nhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 – 15% Miller (1980) cũng nhận thấy rằng cỏ trồng trong điều kiện ấm áp, môi trường ẩm có quá trình phytolith hoá hoàn chỉnh hơn ở các lớp biểu bì so với cỏ ở các vùng có kiều kiện khô lạnh Bên cạnh đó, có bằng chứng cho thấy các loại đất có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao thường kèm theo

sự gia tăng lượng Si hòa tan, trong khi, sự hiện diện của N và P với hàm lượng lớn được cho là dẫn đến giảm nồng độ của Si trong thực vật (Jones và Handreck, 1967) 1.2.2.2   Quá trình hình thành phytolith trong thực vật

Khi axit monosilicic đi vào mô thực vật quá trình hình thành phytolith được bắt đầu, theo đó một phần Si hoà tan được polyme hóa và hình thành dạng rắn của oxit silic (dạng SiO2 ngậm nước có tính chất giống với silica gel) lắng đọng trong

và xung quanh các tế bào thực vật Trong mô thực vật có ba vị trí có thể xảy ra sự lắng đọng Si: (1) kết tủa trên thành tế bào, (2) lấp đầy hệ thống lumen của tế bào và (3) lắng đọng ở không bào Các thông tin ở cấp độ tế bào của quá trình lắng đọng Si trong thực vật trên cạn chưa được giải thích một cách thoả đáng và có hai giả thiết được đưa ra giải thích cho quá trình này: kết tủa và lắng đọng xảy ra một cách thụ động như là kết quả của quá trình hút nước và thoát hơi nước hoặc được kiểm soát một cách chủ động Trong thực tế, hai giả thuyết tương thích với nhau và cơ chế hoạt động phụ thuộc vào loại tế bào (Motomura và nnk, 2004)

Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ, Jones và Handreck (1967) cùng Raven (1983) kết luận rằng hàm lượng SiO2 lắng đọng ở lá cao hơn nhiều so với ở thân và

rễ Nguyên nhân do ở lá có mật độ khí khổng cao hơn nhiều so với ở thân trong khi

ở rễ thì hoàn toàn không có Sự mất nước trong quá trình thoát hơi nước dẫn đến nồng độ Si trong tế bào lá tăng lên tương đối tại một thời điểm nào đó (khi lượng thoát hơi nước từ khí khổng lớn hơn so với lượng nước dẫn truyền lên qua xylem sau khi được hút thu bởi rễ), tại thời điểm này quá trình trùng hợp các phân tử axit monosilicic diễn ra

Hình 7 Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật

Perry và nnk (2003) cho rằng khi nồng độ Si hoà tan trong thực vật đạt ngưỡng 100 - 200 mg/kg, phản ứng trùng hợp của axit monosilicic sẽ diễn ra hình thành hạt nhân cơ sở, các hạt nhân này tiếp tục phát triển thành các hạt hình cầu ổn định với kích thước tới hạn Phản ứng polyme hoá tiếp tục ở cấp độ các hạt hình cầu tạo thành chuỗi phân nhánh hoặc cấu trúc hình học đặc trưng (Hình 7) Khi hạt polyme Si phát triển tiệm cận kích thước 1 – 3 nm chúng sẽ mang điện tích âm bề mặt Các hạt này sau đó tương tác với môi trường nội bào và lắng đọng tạo thành các lớp Si tiếp giáp với màng tế bào (phủ bên ngoài hoặc lót bên trong tế bào)

Các nghiên cứu khác đã cho rằng Si trong quá trình trùng hợp có thể được liên kết với các chất hữu cơ tham gia vào quá trình lignin hoá Cơ sở của quá trình được hình thành bởi ái lực mạnh mẽ của axit monosilicic với hợp chất hữu cơ polyhydroxy tham gia vào tổng hợp lignin (Perry và Keeling-Tucker, 2000) Ví dụ,

trong ngô các phối tử Si liên kết với teosinte glume architecture1 (tga1) (Dorweiler

và Doebley, 1997); trong khi ở bí ngô (Cucurbita), sự hình thành phytolith chủ yếu được quyết định bởi một locus về di truyền chi phối được ký hiệu là “Hr” (hard

rind) (Piperno và nnk, 2002) Bên cạnh đó, một số đại phân tử hữu cơ khác giúp

hình thành các ma trận hữu cơ tương hỗ cho sự lắng đọng của Si (Harrison, 1996)

Có thể kể đến như lysine và arginine được tổng hợp tư gen PRP1 (proline-rich

protein 1) ở dưa chuột (Sativus) (Kauss và nnk, 2003), peptit này mang điện tích

dương với mật độ lớn và có thể kết hợp với sản phẩm polyme của axit monosilicic

để tạo thành các lớp Si lắng đọng Vai trò tương tự được tìm thấy ở serine, glutamine hay axit glutamic và glycine (Perry và Keeling-Tucker, 1998)

1.2.2.3   Thời điểm hình thành, sự phân bố và vai trò của phytolith trong thực vật

Như đã đề cập trong phần cơ chế thành tạo phytolith trong thực vật, sự lắng đọng Si hoà tan có liên quan chặt chẽ với quá trình bốc thoát hơi nước và quá trình này cũng trở thành yếu tố chi phối tới sự phân bố của phytolith trong thực vật Tốc

độ lắng đọng và phát triển của phytolith phụ thuộc vào giai đoạn phát triển hay tuổi của thực vật Ở giai đoạn cây non, quá trình phân hoá tạo các tế bào mới diễn ra mạnh mẽ, thời gian tồn tại của tế bào trước khi phân chia không đủ để hình thành các màng Si hoàn chỉnh Do vậy, trong giai đoạn này rất ít phytolith được hình thành Sang giai đoạn phát triển ổn định của thực vật, các bộ phận đạt kích thước tối

đa (đặc biệt là tế bào lá), các tế bào chồi có tốc độ hình thành mới chậm dần Lúc này, quá trình tích luỹ Si, hình thành và phát triển của phytolith diễn ra trọn vẹn hơn Hay nói các khác, hàm lượng phytolith tích lũy trong các mô hoàn chỉnh nhiều hơn trong các mô mới phát sinh hay đang phát triển (Ma và Yamaji, 2006)

Hàm lượng phytolith trong cây trồng thay đổi theo mô (Li và nnk, 2013), tuổi (Ma và Yamaji, 2006), các loài (Parr và Sullivan, 2005, 2011; Li và nnk, 2013)

và giống cây trồng (Parr và Sullivan, 2011) Ví dụ: lúa nước, lúa mì, ngô, mía và tích lũy nhiều hơn phytolith (>30 mg/g sinh khối khô) so với các cây trồng khác (<10 mg/g) (Parr và nnk, 2009; Parr và Sullivan, 2011) Ngay trong loài lúa mì

(Triticum sp.), các giống khác nhau tích luỹ một lượng phytolith khác nhau, thay

đổi từ 26,8 - 78,5 mg/g (Parr và Sullivan, 2011)

Trong khi độ tuổi của thực vật quyết định tốc độ hình thành phytolith (Ma và Yamaji, 2006) thì cường độ thoát hơi nước (đại diện là mật độ khí khổng) quy định

sự phân bố của phytolith trong thực vật Tuân theo quy luật về sự phân bố khí khổng trong cây, hàm lượng phytolith trong vỏ cây và lá là cao hơn nhiều so với các hạt và rễ (Li và nnk, 2013) Ví dụ trong cây lúa, hàm lượng phytolith thay đổi từ 12,46 đến 23,6% trong rơm rạ; 13,1 - 24,3% trong trấu; 5,5 - 11,4% trong rễ; 0,2 -

1,9% đối với hạt (Prajapati và nnk, 2015) Tại từng bộ phận của thực vật, Si và phytolith có xu hướng tích luỹ ở phần ngoài cùng tiếp giáp với lớp biểu bì và những phần khung gia cố cho các bộ phận này (Li và nnk, 2013)

1.3   Con đường tích luỹ phytolith vào đất

Vai trò của Si (đại diện là phytolith) trong thực vật, đặc biệt là thực vật siêu tích luỹ Si, ngày càng trở nên quan trọng và trở thành yếu tố chi phối năng suất của thực vật giống như các nguyên tố dinh dưỡng khác Si tồn tại trong đất với hàm lượng lớn (~28,8%) và sẽ không có gì đáng nói nếu quá trình phong hoá tạo ra lượng Si hoà tan đáp ứng đủ nhu cầu của thực vật Tuy nhiên, trong tự nhiên, Si tồn tại dưới dạng DSi có hàm lượng dao động từ khoảng 0,1 đến 0,6 mM (Epstein, 1994) Hàm lượng như vậy là tương đối thấp đối với các loại cây tích luỹ Si với hàm lượng cao, ví dụ như ở lúa nếu hàm lượng Si dễ tiêu trong đất thấp hơn 40 mg/kg sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của lúa (Barbosa-Filho và nnk, 2001)

Trong các hệ sinh thái tự nhiên, điều này hoàn toàn có thể được khắc phục khi các dạng Si trong sinh khối thực vật (Si hoà tan và phytolith) được quay trở lại đất Trong khi đó, các hệ sinh thái nhân tạo, cùng với sự mang đi của sinh khối, sự thiếu hụt Si càng trở nên trầm trọng Các hệ sinh thái nông nghiệp chiếm một khu vực khoảng 15,33 × 108 ha diện tích toàn cầu và đóng vai trò quan trọng trong việc tuần hoàn các nguyên tố trong đó có C và Si (Song và nnk, 2013) Ước tính, canh tác toàn cầu và thu hoạch các loại cây trồng có thể mang đi 50 – 100 kg Si/ha/năm (Meunier và nnk, 2008) hay 220 – 820 Tg Si/năm (1 Tg = 1012 g, Carey và Fulweiler, 2012), trong khi Si rửa trôi theo các thuỷ vực ra đại dương ~ 140 Tg Si/năm (Tréguer và nnk, 1995) có thể làm cạn kiệt bồn Si trong đất (Meunier và nnk, 2008; Vandevenne và nnk, 2012; Barão và nnk, 2014)

Do đó, hàm lượng phytolith trong đất và việc bồi hoàn dạng Si này lại cho đất sau mỗi mùa vụ trở thành yếu tố quyết định hàm lượng Si hoà tan cung cấp cho cây trồng Gạo, ngô và lúa mì là các cây trồng chính góp phần vào sự hình thành

phytolith trong sản phẩm lương thực trên thế giới vì khu vực phân bố lớn của chúng

và thông lượng sản xuất phytolith cao lần lượt khoảng 617 ± 132 kg/ha/năm, 404 ±

116 kg/ha/năm và 342 ± 114 kg/ha/năm (Carey và Fulweiler, 2012; Rajendran và nnk, 2012; Song và nnk, 2014) Ước tính rộng hơn trên quy mô toàn sinh quyển, tỷ

lệ sản xuất phytolith có thể lên tới 167 – 286 Tg SiO2/năm (Rajendran và nnk, 2012) hay 240 ± 66 Tg SiO2/năm (Song và nnk, 2013)

Trong các hệ sinh thái trên cạn ít được quản lý, hầu hết sinh khối thực vật chứa phytolith được trả lại cho đất thông qua tàn dư sinh khối sau thu hoạch hoặc phân hủy từ rễ (Bartoli, 1983) Ví dụ ở khu vực canh tác lúa, sau khi thu hoạch vụ mùa, một phần phytolith trong rơm và / hoặc rễ có thể được trả trực tiếp (Ngoc Nguyen và nnk, 2014) hoặc gián tiếp qua than sinh học - dạng than sau đốt trực tiếp trên đồng ruộng hoặc qua các quá trình đốt cháy khác - vào đất tại ngay khu vực canh tác (Houben và nnk, 2014) Ngược lại, một tỷ lệ đáng kể của phytolith được thoát khỏi hoàn toàn hệ sinh thái trong các sản phẩm thu hoạch (Meunier và nnk, 2008) Dạng phytolith này sẽ được chuyển qua chất thải của người và động vật vào đất hoặc các nguồn nước bề mặt (Vandevenne và nnk, 2012; Song và nnk, 2013)

Hình 8 Sản phẩm phytolith được tạo ra trong từng giai đoạn thu hoạch

và sử dụng sản phẩm canh tác

Ở Việt Nam, trung bình trong 10 năm qua (2004 – 2013) diện tích cây lương thực có hạt chiếm 8.476,7 nghìn ha trong đó có tới 7.497,15 nghìn ha diện tích trồng lúa với sản lượng 39.167,2 nghìn tấn/năm (Tổng cục thống kê, 2015) Theo Putun và nnk (2004), rơm rạ chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây lúa, lượng rơm

rạ phát sinh hằng năm của cả nước ~ 40 triệu tấn Rơm rạ được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như trồng nấm, đun nấu, đốt trên cánh đồng, phân bón, thức ăn chăn nuôi (23%), phủ luống trồng cây ăn quả, trong đó tỷ lệ đốt bỏ trung bình lên tới 42% (Tổ chức Phát triển Hà Lan SNV, 2012) Như vậy, sau mỗi vụ, có thể có tới 4,9 triệu tấn – 9,4 triệu tấn phytolith được hoàn trả lại đất theo con đường tiêu huỷ sinh khối (phytolith chiếm 12,46 đến 23,6% rơm rạ theo Prajapati và nnk, 2015) Tuy nhiên, khác với phytolith hoàn trả lại đất theo con đường vùi lấp rơm rạ (đặc biệt là thời gian chuyển giao giữa vụ xuân hè sang hè thu khi mà ruộng luôn tồn tại nước), khi sinh khối được đốt bỏ phần nào đó của phytolith sẽ biến đổi tính chất phụ thuộc vào phương thức đốt (đốt đống, đốt rãi rác,…); trạng thái sinh khối (bộ phận, độ ẩm, kích thước, ); điều kiện đồng ruộng (mực nước trong ruộng, điệu kiện gió, địa hình) Tác động của phytolith tới tính chất đất và dinh dưỡng cây trồng

vì thế sẽ thay đổi, điều này chưa thực sự được nghiên cứu một cách cụ thể và sẽ được làm rõ phần nào đó trong luận văn này

1.4 Phytolith trong đất

Nếu như phytolith trong thực vật đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu thì sự có mặt chúng tồn tại ra sao, tương tác với các hợp phần khác trong đất thế nào vẫn còn là một bí ẩn chưa được làm sáng tỏ Các nghiên cứu về vấn đề này mới chỉ tập trung vào khả năng và vai trò của phytolith trong việc tích luỹ, cố định C trong đất cũng như những tác động có thể có của một số yếu tố trong đất tới tính bền vững của phytolith Trong khi đó, những công bố khoa học liên quan tới sự có mặt của phytolith tác động như thế nào tới tính chất đất lại vô cùng hạn chế

Các ion Si4+ là các hạt nhân liên kết và nhờ chuỗi các phản ứng polyme hóa

để phát triển cấu trúc của phytolith Trong quá trình kết tủa, các màng Si có thể bao bọc các lipit, protein hay cacbonhydrat Lượng chất hữu cơ bị phytolith hấp phụ và tích lũy trong đất có thể lên đến 5% và chúng được gọi chung là PhytOC Ngay cả khi phytolith được đưa trở lại môi trường đất, những hợp chất PhytOC này vẫn có thể được bảo quản trong một thời gian rất dài chống lại sự phân hủy sinh học bởi các vi sinh vật nhờ các màng Si vững chắc (Elbauma và nnk, 2009) Do đó, tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ chậm lại sẽ góp phần giảm phát thải các khí nhà kính từ đất vào không khí (Parr và nnk, 2009)

Tuy nhiên, tỷ lệ tích lũy, giải phóng phytolith và cô lập cacbon trong phytolith thay đổi nhiều giữa các loại thực vật Nghiên cứu xem xét phần PhytOC tích lũy trên một số vùng đất nhiệt đới tại miền Tây nước Anh, Parr và Sullivan (2005) đã đưa ra biểu đồ mô phỏng sự tích lũy PhytOC trong đất

Hình 9 Lượng C bị giữ lại trong đất bởi phytolith (PhytOC) so với C tổng số

được vùi vào đất qua thời gian (Parr và Sullivan, 2005) Nghiên cứu của Schlesinger (1990) chứng minh khả năng giữ chất hữu cơ của phytolith là rất có ý nghĩa với thực trạng tác động của hiệu ứng nhà kính ngày càng gia tăng như hiện nay Nghiên cứu mô phỏng này dựa trên các điều kiện biên: 1) tỷ lệ phân hủy PhytOC là 25%/100 năm, 2) cây trồng được phát triển liên tục

Mô hình thí nghiệm được bố trí trên nền đất “trưởng thành”

Hình 10 Tích lũy C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: quá trình tích lũy C trong tự nhiên tương đối chậm, đạt ~25 kg/m2 sau khoảng 20.000 năm Quá trình này tăng lên khi thực vật canh tác là kê (~38 kg/m2) và lên tới ~110 kg/m2 khi canh tác các loài siêu tích lũy

Si như mía Như vậy, các loài siêu tích lũy Si như mía có thể giúp cố định C trong đất gấp ~4,4 lần quá trình tự nhiên

Sự biến đổi, chuyển hóa của phytolith trong môi trường đất tương đối phức tạp và phụ thuộc vào các yếu tố như pH, Eh, nồng độ cation, anion trong dung dịch hay sự có mặt của chất hữu cơ hòa tan… Những yếu tố này tương tác với các nhóm hoạt động bề mặt và quyết định tốc độ hòa tan của phytolith Các tứ diện SiO4 liên với nhau thông qua cầu nối oxy để tạo thành bề mặt của phytolith Quá trình thủy phân bề mặt là nguyên nhân dẫn đến các liên kết Si-O bị phá vỡ và Si được giải phóng pH (độ chua của đất) là một trong những yếu tố quan trọng nhất góp phần tăng cường quá trình thủy phân bề mặt (Fraysse và nnk, 2006) Bổ sung cation kim loại kiềm và kiềm thổ (Na, Ca) vào đất có thể làm cho pH tăng và thúc đẩy quá trình hòa tan phytolith (Dove, 1999) Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho rằng sự có mặt của các cation trong dung dịch và chất hữu cơ trong “sẵn có” trong cấu trúc của phytolith có thể gây cản trở quá trình hòa tan Trong đất lúa, tương tác với các phức của Fe/Al có thể làm giảm tốc độ hòa tan của phytolith (Sommer và

nnk, 2006) Khác với các cation, anion có thể tác động vào “nhân Si” của khối tứ diện SiO4 theo cơ chế tương tự như OH- Sự hấp phụ anion vào “nhân Si” được cho

là nguyên nhân chính làm yếu đi các mối liên kết Si-O và tạo tiền đề cho Si có thể tách ra khỏi bề mặt siloxan (Ehrlich và nnk, 2010)

1.5 Định lượng phytolith trong đất

Hình 11 Sơ đồ tách phytolith từ đất bằng dung dịch nặng Trong số ít nghiên cứu về quá trình phong hóa lục địa và chu trình sinh địa hoá của Si (Dürr và nnk, 2011; Struyf và Conley, 2012; Tréguer và De La Rocha, 2013) hai tham số được quan tâm phổ biến là: Si ở dạng hòa tan – DSi (dissolved silica) và Si ở dạng hạt - PSi (particulate silica) Trong đất, PSi bao gồm: 1) dạng Si

vô định hình - ASi (amorphous silica) chủ yếu là phytolith (dạng Si sinh học hình thành trong quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật và được trả lại đất sau khi thực vật chết đi; the biogenic silica, BSi) (Bartoli, 1983; Cornelis và nnk, 2011a) Bên cạnh đó, trong đất cũng có thể có các hạt Si hữu cơ khác như xác tảo diatomit, bọt biển, các loại amip (Cary và nnk, 2005; Clarke, 2003; Sommer và nnk, 2006) và phần rất nhỏ Si ở dạng phi tinh thể vô cơ (ISi) (Saccone và nnk, 2007;

Mẫu đất qua

xử lý cơ học

Loại bỏ cacbonat và các oxit/hydroxit (đặc biệt Fe, Al) (HCl, HNO 3 , …)

Loại bỏ CHC (H 2 O 2 , …)

Phân tán trong dung dịch (EDTA, …)

Tách hỗn hợp limon + phytolith

Sauer và nnk, 2006); 2) dạng Si có cấu trúc tinh thể có nguồn ngốc từ đá mẹ (các khoáng Si nguyên sinh) hoặc thứ sinh là sản phẩm của quá trình hình thành đất (Saccone và nnk, 2007)

Như vậy, việc định lượng phytolith trong đất trở nên khó khăn hơn khi không những phải tách biệt được với dạng dạng Si có cấu trúc tinh thể mà còn phải loại bỏ ảnh hưởng của tảo diatomit, bọt biển, các loại amip, đặc biệt là ở các mẫu đất của sông ven biển Phương pháp đầu tách phytolith đầu tiên được áp dụng dựa trên khả năng “tan” của phytolith trong các dung dịch nặng có khối lượng riêng là 2,3 g/cm3 (Cornelis và nnk, 2010, 2011b) (Hình 11)

Một số dung dịch nặng thường được sử dụng có thể kể tới như: CdI2/KI, ZnBr2/HCl, ZnI2/H2O, SPT (sodium polytungstate, 3Na2WO4.9WO3.H2O), … Phương pháp này thu được phytolith tương đối nguyên vẹn và rất có ý nghĩa trong khảo cổ học, tuy nhiên, nó cũng mắc phải những hạn chế nhất định: khả năng tái sử dụng dung dịch nặng thấp (Herbauts và nnk, 1994); một phần ASi có thể bị hòa tan cùng tác nhân chiết rút (Zhao and Pearsall, 1998) và khả năng tách không triệt để khi bỏ qua phần phytolith có kích thước nhỏ tương đồng với cấp hạt sét của đất mặc

dù tỷ lệ của phần này là rất nhỏ (Saccone và nnk, 2007)

Cách tiếp cận thứ hai dựa trên độ tan của Si vô định hình tăng mạnh tại giá trị pH cao (Iler, 1979) Hai phương pháp chiết hóa học với NaOH (bazơ mạnh) hoặc

Na2CO3 (bazơ yếu) thường được sử dụng để phân tích ASi trong đất (Foster, 1953; Follett và nnk, 1965), cũng như BSi trong nước ngọt và trầm tích biển (DeMaster,

1979, 1981; Mortlock và Froelich, 1989; Müller và Schneider, 1993; Conley và Schelske, 2001; Koning và nnk, 2002) Theo kết quả nghiên cứu của Saccone và nnk (2007), phương pháp sử dụng NaOH thường cho kết quả lượng ASi hoặc BSi tương đương hoặc cao hơn so với sử dụng Na2CO3 Tuy nhiên, việc sử dụng kiềm mạnh (NaOH) cũng dẫn tới sự hòa tan của các tinh thể khoáng Si mạnh mẽ hơn và

sự ảnh hưởng tới tính chính xác của phương pháp từ quá trình hòa tan này cũng trở nên khó loại bỏ hơn (Sauer và nnk, 2006) Điều này được quan tâm tới trong nghiên

cứu của DeMaster (1981, 1991) và cho tới nay, phương pháp chiết dạng BSi được phát triển từ những nghiên cứu của ông vẫn là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất và đơn giản nhất DeMaster (1981) đã thử nghiệm một loạt mốc nhiệt độ, nồng

độ bazơ khác nhau và sử dụng các vật liệu khác nhau (sét, diatomit, amip protozoa

và ASi) để kiểm tra các điều kiện tốt nhất cho hoà tan tất cả các BSi trong khi giảm thiểu sự tan rã của Si từ khoáng chất Phương pháp của ông dựa trên hai giả thiết (1)

Có sự khác biệt lớn về khả năng hoà tan giữa ASi và Si trong các khoáng silicat (MSi) trong đất (Van Cappellen, 2003), và (2) sự hoà tan ASi là một quá trình bề mặt (Koning và nnk, 2002)

Hình 12 Minh họa cho phương pháp luận sử dụng để giải thích cho sự hòa tan đồng

thời Si từ khoáng trong suốt quá trình chiết dạng ASi (DeMaster, 1981; Koning và nnk, 2002)

Trong các thí nghiệm của DeMaster, mẫu chứa các dạng ASi ngâm trong dung dịch Na2CO3 ở 80 – 85oC với tổng thời gian 6 giờ, mẫu được lấy 1 giờ/lần DeMaster quan sát thấy rằng, các dạng ASi hòa tan hoàn toàn trong ~2 giờ đầu tiên, trong khi các khoáng silicat có tốc độ hòa tan là không đổi trong suốt thời gian thí

nghiệm Phép ngoại suy các giá trị nồng độ Si trong giai đoạn nồng độ Si trong dung dịch được gia tăng bởi sự hoà tan của các khoáng silicat cho phép tính gián tiếp ra lượng Si hòa tan ra từ các dạng ASi và định lượng ra được hàm lượng của các dạng ASi trong mẫu (Hình 12)

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1   Đối tượng nghiên cứu

2.1.1   Mẫu đất

Các mẫu đất được thu thập ở khu vực canh tác lúa nước điển hình của đồng bằng sông Hồng với diện tích ~80 ha có cơ cấu 2 vụ lúa/năm và không có vụ trồng màu của xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội vào tháng 11/2014 Tại một vị trí lấy mẫu, mẫu đất được lấy hỗn hợp từ hai mẫu khác nhau trong cùng khu vực (với khoan đất chuyên dụng) theo các tầng 0 - 25, 25 - 50, 50 - 75 và 75 – 100 cm, ví trí chi tiết của các mẫu đất được trình bày trong Bảng 1 và Hình 13 Mẫu đất được để khô không khí trong phòng thí nghiệm, xử lý các vật liệu lẫn, đồng nhất, rây qua rây

2 mm và bảo quản trong túi plastic

Mẫu đất sau đó được phân tích những chỉ tiêu lý hoá cơ bản nhằm cung cấp thông tin cơ sở về tính chất đất của khu vực nghiên cứu; xác định hàm lượng tích luỹ của phytolith và qua đó đánh giá sự ảnh hưởng cũng như mối tương quan giữa

sự tích luỹ phytolith và một số tính chất cơ bản của đất

Bảng 1 Các vị trí lấy mẫu đất thuộc

khu vực nghiên cứu (*)

Hình 13 Bản đồ khu vực nghiên cứu

2.1.2   Mẫu phytolith

Hiện nay, cây lúa đang là cây trồng chính trong nền nông nghiệp ở nước ta

và là cây nông nghiệp duy nhất tại khu vực nghiên cứu Do đó, đây là nguồn phytolith duy nhất bổ sung cho đất tại khu vực xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội Do đó, mẫu phytolith dùng trong nghiên cứu được tách ra từ rơm rạ sau thu hoạch theo phương pháp tro hoá khô (Parr và nnk, 2001) Phytolith được phân tích một số đặc tính lý hoá học cơ bản làm cơ sở để dự đoán và đánh giá ảnh hưởng của lượng phytolith tích luỹ trong đất tới một số tính chất đất tại khu vực nghiên cứu

Rơm rạ sau thu hoạch được rửa sạch, phơi khô, cắt nhỏ tới 1 – 2 cm và nung trong bát sứ ở các mức nhiệt độ khác nhau: 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900,

1000oC trong 2 giờ với lò nung Controller B170 (hãng Nabertherm – CHLB Đức) Sản phẩm nung được để nguội về nhiệt độ phòng khi kết thúc quá trình gia nhiệt Sau đó được rửa nhanh với nước cất 3 lần, sấy khô tại 90oC và nghiền nhỏ qua rây 0,2 mm

2.2   Phương pháp nghiên cứu

2.2.1   Xác định đặc tính cơ bản của mẫu đất nghiên cứu

Phương pháp phân tích một số tính chất cơ bản của mẫu đất sau khi xử lý sơ

bộ (phơi khô không khí và đồng nhất qua rây 1 mm) được trình bày trong bảng sau:

Bảng 2 Phương pháp xác định một số tính chất cơ bản của mẫu đất

pHKCl - 10 g đất khô không khí rây qua 1mm : 25 ml KCl 1 N

- Lắc 15 phút tại 150 vòng/phút, để yên 2 giờ và đo pH với máy pH meter Starter 3000, Ohaus, Mỹ

Thành phần cơ

giới

Phương pháp gạn lắng trong môi trường thủy tĩnh theo phương trình lắng Stockes sử dụng ống hút Robinson

Chất hữu cơ Phương pháp Walkley_Black

Si hòa tan trong

- Si hòa tan được phân tích theo phương pháp so màu xanh

molipden (chi tiết được trình bày trong mục 2.2.3)

Ca và Mg trao đổi - 1 N KCl, tỷ lệ mẫu: dung dịch = 1 g : 5 ml

- Lắc 1 giờ ở 150 vòng/phút

- Ca, Mg hoà tan được phân tích trên máy Quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Tỷ trọng Phương pháp khối lượng với picnômét

2.2.2   Xác định đặc tính cơ bản của mẫu phytolith tách từ rơm

Mẫu phytolith tách từ rơm rạ theo phương thức tro hoá khô ở các nhiệt độ khác nhau (trong khoảng 300 – 1000oC) được xác định đặc điểm vật lý và hóa học

cơ bản, chi tiết về phương pháp phân tích được trình bày trong Bảng 3:

Bảng 3 Phương pháp xác định một số tính chất lý – hóa học cơ bản của phytolith

Tính chất Phương pháp phân tích Thiết bị phân tích

Đặc điểm hình

thái

Kính hiển vi điện tử quét JSM – 5410LV, hãng

Joel Đặc điểm cấu

riêng (BET)

Quantachrome, NOVA-4000e, Boynton Beach, FL,

Mỹ Điện tích bề mặt Phân tích thế điện động zeta Mütek PCD – 05, hãng

BTG, Đức Thành phần

nguyên tố chính

(Si và K)

-  Mẫu tro sau nung được rửa sạch phần khoáng hoà tan bằng nước cất: 10g tro + 50ml H2O lắc trong 3p với tốc 150 vòng/phút Ly tâm thu phần rắn và lặp lại quy trình 3 – 5 lần Mẫu sau đó được sấy tại 105oC trong 1 giờ

-  Si và K trong mẫu tro sau khi loại bỏ phần khoáng dễ tan trong nước được xác định theo phương pháp: tro hóa khô mẫu bằng phương pháp nung chảy với

- Lò nung Controller

B170 (Nabertherm – Đức)

- Quang kế ngọn lửa (PFP7, Jenway, Anh)

chất nóng chảy natri cacbonat (Na2CO3) trong chén platin tại 1000oC với lò nung Controller B170 Sau đó chuyển dạng nung chảy trong chén platin về dạng dung dịch bằng dung

dịch HCl 1:1 Si và K sau đó được xác

định bằng phương pháp gelatin – HCl (lò nung Controller B170) và quang kế

ngọn lửa (PFP7, Jenway)

2.2.3   Quá trình hòa tan giải phóng nguyên tố dinh dưỡng từ phytolith

Khả năng giải phóng nguyên tố dinh dưỡng từ phytolith: Mẫu phytolith tách

từ rơm rạ qua quá trình xử lý nhiệt ở các nền nhiệt độ khác nhau từ 300oC đến

1000oC được ngâm trong nước cất theo tỷ lệ 1 mg/ml trong bình tam giác plastic ở nhiệt độ phòng Lắc nhẹ dung dịch và để yên 24 giờ Dịch lọc được xác định Na, K hòa tan trên máy quang kế ngọn lửa (PFP7, Jenway, Anh); PO43- và Si hòa tan theo phương pháp so màu xanh; Ca và Mg được phân tích trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS; Cl- và SO42- được xác định theo phương pháp Mohr và phương pháp chuẩn độ ngược theo Xlap

Tốc độ giải phóng nguyên tố dinh dưỡng từ phytolith: Phytolith tạo ra tại 400

và 800oC được đem ngâm với nước cất theo tỷ lệ 1 mg/ml ở nhiệt độ phòng Hàm lượng K và Si hòa tan trong dung dịch được xác định sau mỗi khoảng thời gian 24 giờ và kéo dài 7 ngày, cụ thể: 50 mg mẫu cùng 50 ml nước cất được cho vào lọ nhựa dung tích 100 ml Hỗn hợp được lắc nhẹ và để ổn định trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng Sau mỗi 24 giờ, hỗn hợp được lắc nhẹ, đều và hút 5 ml dung dịch bằng pipet

tự động sử dụng đầu côn nhựa Dung dịch được lọc qua giấy lọc băng xanh và bảo

quản trong lọ nhựa để để xác định Si và K hòa tan tại thời điểm thí nghiệm tương ứng

Kết quả về tính chất lý hoá học của pytolith cũng như khả năng và tốc độ của hoà tan giải phóng nguyên tố dinh dưỡng kết hợp với kết quả phân tích hàm lượng của phytolith trong đất (trình bày trong phần kế tiếp) và các tính chất cơ bản của đất giúp đưa ra được tương quan giữa sự có mặt của phytolith tới một số tính chất lý hoá học cở bản của đất tịa khu vực xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội

2.2.4   Phương pháp định lượng phytolith trong đất

Dựa theo các nghiên cứu của DeMaster (1981), Koning và nnk (2002), Saccone và nnk (2006), Meunier và nnk (2014) phương pháp định lượng phytolith trong đất được cụ thể hóa cho mẫu nghiên cứu như sau: mẫu đất khô không khí rây qua rây 0,25 mm sau đó rửa 3 lần với nước cất (10 g đất + 50 ml H2O, lắc 3 phút, ly tâm thu phần rắn tại 3000 vòng/phút trong 5 phút) sau đó được sấy khô tại 105oC Cân 30 mg mẫu đất sau xử lý vào lọ nhựa dung tích 100 ml, bổ sung 40 ml dung dịch Na2CO3 1% (pH = 11,2) đã được làm nóng tới 85oC Lắc đều và duy trì nhiệt

độ dung dịch trong lọ nhựa bằng bể ổ nhiệt ở 85oC trong 7 giờ Sau mỗi khoảng thời gian 1 giờ, 5 ml dung dịch huyền phù trong lọ được lấy bằng pipet tự động với đầu côn nhựa sau khi lắc đều hỗn hợp 5 ml mẫu vừa lấy được ly tâm thu dung dịch và phân tích nồng độ Si (mg Si/l) hòa tan theo phương pháp so màu xanh molipden(*)trên máy quang phổ khả kiến (Labnics, L_VIS_400)

Phương trình hồi quy tuyến tính các giá trị nồng độ Si thu được sau 3, 4, 5, 6

và 7 giờ thí nghiệm có dạng: y = ax + b (Hình 12) Trong đó: y (mg Si/l) là nồng độ

Si tại thời điểm >2 giờ; x (giờ, x > 2) là thời gian thí nghiệm; a (mg DSi/giờ) là hệ

số góc của phương trình, biểu thị tốc độ giải phóng Si từ các khoáng silica trong

đất; b là hệ số biểu thị nồng độ Si chỉ do lượng BSi hòa tan hết gây ra mà không

tính tới sự đóng góp của các khoáng vật

(*) Phương pháp xác định Si hòa tan – phương pháp so màu xanh molipden: