Ảnh hưởng của sự tích luỹ phytolith đến một số tính chất đất .... Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu .... Trải qua quá trình phong hóa, Si từ các khoáng vật được giải phóng v
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trang 3LỜI 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
Trang 4MỤC 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
Trang 5Chương 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
Trang 6DANH 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
Trang 7Hình 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
Trang 8DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ASi : Dạng Si vô định hình
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
Trang 9MỞ 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
Trang 10Tập 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
Trang 11TÀI LIỆU THAM KHẢO
v Tiếng Việt:
1 Cơ hội Kinh doanh Sinh khối tại Việt Nam (2012), Chương trình Năng lượng
sinh khối Bền vững của Hà Lan, thực hiện bởi Tổ chức Phát triển Hà Lan SNV
2 Đỗ Hải Triều (2008), “Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón silica đến sinh
trưởng, năng suất và chất lượng lạc trên đất phù sa cũ bạc màu tỉnh Vĩnh
Phúc”, Luận văn Thạc sĩ Khoa học Nông nghiệp
3 Khương Minh Phượng (2011), “Ứng dụng mô hình Hydrus - 1D để mô phỏng
sự di chuyển của kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, Hà Nội”, Luận văn ThS Khoa học môi trường và bảo vệ môi trường, mã số: 60 85 02; Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Minh
4 Nguyễn Ngọc Minh (2012), “Vai trò của silic sinh học (Phytolith) trong rơm
rạ đối với môi trường đất và dinh dưỡng cây trồng”, Tạp chí Nông nghiệp
và Phát triển Nông thôn, 11, 47 – 52
v Tiếng Anh:
5 Barão, L., Clymans, W., Vandevenne, F., Meire, P., Conley, D.J., Struyf, E
(2014), “Pedogenic and biogenic alkaline-extracted silicon distributions
along a temperate land-use gradient”, Eur J Soil Sci
6 Barbosa-Filho, M.P, Snyder, G.H, Elliott, C.L, Datnoff, L.E (2001),
“Evaluation of soil test procedures for determining rice-available silicon”,
Commun Soil Sci Plant Anal, 32, 1779-1792
7 Bartoli, F (1985), “Crystallochemistry and surface—properties of biogenic
opal”, Journal of Soil Science, 36:335–350
8 Bartoli, F (1983), “The biogeochemical cycle of silicon in two temperate
foresty ecosystems”, Environmental Biogeochemistry, Ecol Bull
(Stockholm), 35, 469-476
Trang 129 Berthelsen, S., Noble, A D., and Garside A L (2001), “Silicon research down
under: Past, present and future”, Silicon in agriculture, Pp 241–256
10 Blackman, E (1969), “Observations on the development of the silica cells of
the leaf sheath of wheat (Triticumaestivum)”, Canadian Journal of Botany
47:827-838
11 Carey, J.C., Fulweiler, R.W (2012), “Human activities directly alterwatershed
dissolved silica fluxes”, Biogeochemistry, 111, 125–138
12 Cary, L., Alexandre, A., Meunier, J.D., Boeglin, J.L., Braun, J.J (2005),
“Contribution of phytoliths to the suspended load of biogenic silica in the
Nyong basin rivers (Cameroon)”, Biogeochemistry, 74, 101–114
13 Clarke, J (2003), “The occurrence and significance of biogenic opal in the
regolith”, Earth Science Reviews, 60:175–194
14 Conley, D.J., and Schelske, C.L (2001), “Biogenic silica In: Smol J.P., Birks
H.J.B and Last W.M (eds), Tracking Environmental Changes in Lake Sediments: Volume 3: Terrestria” l, Algal, and Siliceous Indicators
Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp 281–293
15 Cornelis, J.T., Delvaux, B., Georg, R.B., Lucas, Y., Ranger, J., Opfergelt, S
(2011), “Tracing the origin of disolved silicon transferred fromvarious
soil-plant systems towards rivers”: Biogeosciences 8, 89–112
16 Cornelis, J.T., Delvaux, B., Ranger, J., Iserentant, A (2010a), “Tree species
impact the terrestrial cycle of silicon through various uptakes”,
Biogeochemistry, 97, 231–245
17 Cornelis, J.T., Titeux, H., Ranger, J., Delvaux (2011b), “Identification and
distribution of the readily soluble silicon pool in a temperate forest soil
belowthree distinct tree species”, Plant Soil, 342, 369–378
18 Datnoff, LE, Rodrigues FA (2005), “The role of silicon in suppressing rice
diseases”, APS net Feature Story, 1–28
Trang 1319 Datnoff, L.E., Raid, R.N., Snyder, G.H., and Jones, D.B (1991), Effect of
calcium silicate on blast and brown spot intensities and yields of rice,
Plant Disease, 75:729-732
20 DeMaster, D.J (1979), “The marine budgets of silica and 32Si Ph.D
Dissertation”, Yale University, 308 pp
21 DeMaster, D.J (1981), “The supply and accumulation of silica in the marine
environments”, Geochim Cosmochim Acta: 1715–1732
22 DeMaster, D.J (1991), “Measuring biogenic silica in marine sediments and
suspended matter”, Geophysical Monograph 63, America Geophysical Union, pp 363–367
23 Desplanques, V., Cary, L., Mouret, J.-C., Trolard, F., Bourrie, G., Grauby, O.,
Meunier, J.-D (2006) “Silicon transfers in a rice field in Camargue
(France)”, J Geochem Explor., 88, 190–193
24 Dierolf, T., Fairhurst T., Mutert E (2001), Soil fertility kit A toolkit for acid,
upland soil fertility management in Southeast Asia 1st ed., Oxford Graphic Printers, page 113
25 Dietzel, M (2002), “Interaction of polysilicic and monosilicic acid with
mineral surfaces”, Water–rock interaction, pp 207–235
26 Dolores R Pipernoand MD Lanham (2006), Phytoliths: A Comprehensive
Guide for Archaeologists and Paleoecologists, AltaMira Press
27 Dorweiler, J.E., Doebley, J (1997), “Development analysis of Teosinte Glume
Architecture1”: American Journal of Botany, 84, 1313-1322
28 Dove P.M (1999), “The dissolution kinetics of quartz in aqeous mixed cation
solutions”, Geochim Cosmochim Acta 63, 3715-3727
29 Drees, L R., Wilding, L P., Smeck, N E., and Sankayi, A L (1989), “Silica
in soils: Quartz and disordered silica polymorphs”, Minerals in soil environments, pp 913–974
30 Dürr, H.H., Meubeck, M., Harttmann, J., Laruelle, G.G., Roubeix, V (2011),
“Global spatial distribution of natural riverine silica inputs to the coastal
Trang 14zone”, Biogeosciences, 8, 5978-620
31 Ehrlich H., Demadis K.D., Pokrovsky O.S., Koutsoukos P.G (2010), “Modern
Views on Desilicification: Biosilica and Abiotic Silica Dissolution in
Natural and Artificial Environments”, Chem Rev 110, 4656–4689
32 Elbauma R., Melamed-Bessudo C., Tuross N., Levy A.A., Weiner S (2009),
“New methods to isolate organic materials from silicified phytoliths reveal
fragmented glycoproteins but no DNA”, Quaternary International, 193,
11–19
33 Eneji E, Inanaga S, Muranaka S, Li J, An P, Hattori T, Tsuji W (2005), “Effect
of calcium silicate on growth and dry matter yield of Chloris gayana and
Sorghum sudanense under two soil water regimes”, Grass and Forage Science, 60:393–398
34 Epstein, E (1994), “The anomaly of silicon in plant biology”, Proceedings of
the National Academy of Sciences of the United States of America, 91, 11
35 Epstein, E and Bloom, A J (2005), “Mineral Nutrition of Plants: Principles
and Perspectives”, Second Edition Sinauer
36 Ersan Putunand Esin Apaydin Ricestraw as a bio-oil source via pyrolysis and
steampyrolysis Energy, 29 (2004) 2171 – 2180
37 Follett, E.A.C., McHardy, W.J., Mitchell, B.D and Smith, B.F.L (1965),
“Chemical dissolution techniques in the study of soil clays”, Part I Clay Minerals, 6: 23–34
38 Foster, M.D (1953), “The determination of free silica and free alumina in
ontmorillonites”, Geochim Cosmochim., Acta 3: 143–154
39 Fraysse, F., Pokrovsky, O S., Schott, J., Meunier, J.-D (2009), “Surface
chemistry and reactivity of plant phytoliths in aqueous solutions”, Chem Geol., 258, 197–206
40 Fraysse F., Pokrovsky O.S., Schott J., Meunier J.D (2006) “Surface
properties, solubility and dissolution kinetics of bamboo phytoliths”, Geochim Cosmochim Acta 70, 1939-1951