Nghiên cứu sự tích lũy của phytolith trong một số loại đất chính ở đồng bằng sông hồng

Việc đánh giá được mối liên hệ giữa phytolith với cây trồng, cụ thể ở đây là lúa nước, và cung cấp thêm thông tin về sự phân bố phytolith, mối tương quan của phytolith với các yếu tố lý,

giúp đỡ hết sức nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân và tập thể đã tạo điều kiện hỗ trợ cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới 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 nhiều điều kiện thuận lợi để tôi có thể học tập, trau dồi kiến thức trong suốt quá trình thực hiện luận văn Đặc biệt, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Khắc Hiệp

và 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 và góp ý cho tôi trong việc hoàn thành nghiên cứu này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị học viên cao học, các bạn sinh viên trong nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh đã nhiệt tình hỗ trợ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn gia đình, người than, bạn bè đã luôn quan tâm động viên và đóng góp ý kiến hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2016

Học viên

Đinh Trọng Hoàng

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10

1.1 Tổng quan về hình thành, tích lũy Phytolith trong cây và Silic trong đất 10

1.2 Sự tích lũy silic trong thực vật 13

1.2.1 Vai trò của Silic với thực vật 13

1.2.2 Sự hình thành của phytolith trong thực vật 19

1.3 Con đường tích lũy phytolith vào đất 26

1.4 Phytolith trong đất 28

1.5 Định lượng phytolith trong đất 32

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.1.1 Khu vực nghiên cứu 35

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 41

2.2 Phương pháp nghiên cứu 41

2.2.1 Điều tra và thu thập thông tin 41

2.2.2 Phân tích các tính chất hóa lý 41

2.2.3 Định lượng phytolith 42

2.2.4 Xây dựng sơ đồ thể hiện hàm lượng Phytolith tại các điểm lấy mẫu 43

2.2.5 Phân tích thống kê sử dụng phần mềm SPSS 20 44

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Tính chất vật lý và hóa học của đất tại khu vực nghiên cứu 45

3.2 Tích lũy và phân bố của phytolith trong các loại đất khác nhau 48

3.3 Mối tương quan giữa hàm lượng phytolith với các chỉ tiêu hóa học trong đất 49

đa biến 54

3.4 Cân bằng Silic tại đồng ruộng và vấn đề xuất khẩu rơm rạ tại Việt Nam 56

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 72

Bảng 1: Thông tin cơ bản về khu vực nghiên cứu 37

Bảng 2 Phương pháp xác định một số tính chất cơ bản của mẫu đất 41

Bảng 3 Kết quả tính chất vật lý và hóa học cơ bản của mẫu đất 45

Bảng 4: Kết quả phân tích hồi quy đa biến dự đoán hàm lượng Phytolith 55

Bảng 5: Khối lượng nguyên tố có trong rơm rạ thu hoạch trên 1 ha đất lúa 58

Bảng 6: Lợi nhuận từ bán rơm rạ và chi phí người nông dân phải bù cho lượng dinh dưỡng mất đi tương ứng 58

Hình 1: Bồn Si, quá trình chuyển đổi và dòng Si trong đất 10

Hình 2: Sự biến đổi DSi trong đất 11

Hình 3: Các dạng Si sinh học trong đất (Puppe và nnk, 2015) 12

Hình 4: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật 17

Hình 5: Một số dạng phytolith và phân bố của phytolith trong thực vật 19

Hình 6: Cơ chế kiểm soát quá trình hút thu Si của lúa (Ma và nnk, 2004) 22

Hình 7 Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật 24

Hình 8: Sản phẩm phytolith được tạo ra trong từng giai đoạn thu hoạch 28

và sử dụng sản phẩm canh tác 28

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) 30

Hình 10: Tích lũy C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau 31

Hình 11 Sơ đồ tách phytolith từ đất bằng dung dịch nặng 32

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) 34

Hình 13: Địa điểm lấy mẫu 36

Hình 14: Sơ đồ hàm lượng phytolith tại các điểm thu thập mẫu tại 49

đồng bằng sông Hồng 49

Hình 15: Đồ thị thể hiện tương quan giữa pH và hàm lượng phytolith tích lũy trong đất 50

Hình 16: Đồ thị thể hiện tương quan giữa hàm lượng chất hữu cơ và phytolith tích lũy trong đất 51

Hình 17: Đồ thị thể hiện tương quan giữa hàm lượng Al và phytolith trong đất 52

Hình 18: Đồ thị thể hiện tương quan giữa giá trị EC và hàm lượng Phytolith trong đất 53

Hình 19: Đồ thị thể hiện tương quan giữa hàm lượng Fe và hàm lượng Phytolith trong đất 53

Hình 21: Đồ thị thể hiện hàm lượng phytolith thực tế và dự đoán dựa trên mô hình hồi quy đa biến 56 Hình 22: Cân bằng Silic trong canh tác lúa 57

ASi : Dạng Si vô định hình

BSi : Dạng Si sinh học

CHC : Chất hữu cơ

CEC : Dung tích trao đổi cation

DSi : Dạng Si hoà tan

ISi : Dạng Si vô vơ

MSi : Dạng Si trong khoáng vật

SEM : Kính hiển vị điện tử quét

TPCG : Thành phần cơ giới

Fe : Sắt

Al : Nhôm

MỞ ĐẦU

Silic là nguyên tố giàu thứ hai sau Oxy trong lớp vỏ trên của trái đất (~28,8%) 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 đồng hành với oxy để tạo thành oxit silic Ước tính oxit silic có thể chiếm tới 66,6% lớp vỏ lục địa của trái đất (Wedepohl, 1995) [49] 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 ở dạng axit silicic vào đất và từ đó thực vật có thể hút thu cho quá trình sinh trưởng và phát triển Si được dinh dưỡng qua hệ rễ sau đó vào các mô bào của thực vật để hình thành nên các “tế bào silic” hay còn có một số tên gọi khác như opal silic hay phytolith Khi thực vật chết đi phytolith sẽ được giải phóng và tích lũy trong đất Si dễ tiêu đối với cây trồng trong phytolith có thể chiếm từ 20 đến 40% (Wickramasinghe và Rowell, 2006) [20]

Trong hơn một thập kỷ qua, vai trò của dạng silic sinh học này như một nguồn cung cấp Si bổ trợ cho cây trồng đã được đề cập đến trong rất nhiều các nghiên cứu 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 (Motomura và nnk, 2004) [70] Đối với lúa nước, ngưỡng thiếu hụt Si là 5%, và nếu hàm lượng Si dễ tiêu trong đất thấp hơn 4mg/100g sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng

và phát triển của lúa (Dobermann và Fairhurst, 2000) [1] 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) Phytolith cũng đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều quá trình xảy ra trong đất như cải thiện CEC, có chức năng đệm axit trong đất, cải thiện khả năng trao đổi cation và cố định các kim loại

có độc tính Bên cạnh đó thông qua khả năng hấp thụ cacbon trong cấu trúc mà

phytolith được khẳng định vai trò giảm thiểu phát thải khí nhà kính

Rơm rạ và các phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch có thể được đốt hoặc trộn ủ với phân chuồng và bón trả lại đồng ruộng Cùng với một số khoáng

chất như P, K, Ca, Mg…thì còn có một lượng đáng kể phytolith được quay vòng trả lại cho đất Tuy nhiên, mỗi quy trình xử lý có thể có những tác động nhất định đến

“hoạt tính” cũng như hành vi của chúng khi được đưa trở lại môi trường đất Do đó, việc xác định được lượng tích lũy của phytolith ở đất trồng lúa đồng bằng sông Hồng là cần thiết cho việc đánh giá, quản lý sản xuất nông nghiệp Ví dụ, đối với lúa nước, nếu hàm lượng Si trong đất ở mức thấp hơn “ngưỡng thiếu hụt Si” (4mg/100g) thì phải xem xét việc bổ sung lượng Si phù hợp vào đất giúp cho cây trồng sinh trưởng và phát triển

Đồng bằng sông Hồng là vựa lúa lớn thứ hai ở Việt Nam và là nguồn cung cấp lương thực chính cho người dân miền Bắc Việt Nam Việc đánh giá được mối liên hệ giữa phytolith với cây trồng, cụ thể ở đây là lúa nước, và cung cấp thêm thông tin về

sự phân bố phytolith, mối tương quan của phytolith với các yếu tố lý, hóa học trong đất cũng như dự đoán hàm lượng phytolith tích lũy ở đây giúp cho việc quản lý hợp

lý hơn nguồn rơm rạ sau khi thu hoạch như một giải pháp cải thiện tích cực nguồn dinh dưỡng Silic để phát triển bền vững nền nông nghiệp trồng lúa Nhận thấy được vai trò quan trọng trên, tôi đã thực hiện đề tài với nội dung “Nghiên cứu sự tích lũy của phytolith trong một số loại đất chính ở đồng bằng sông Hồng”

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hình thành, tích lũy Phytolith trong cây và 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 dịch chuyển theo không gian do các tác nhân khác nhau Quá trình dịch chuyển, 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) [67] 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: Sự biến đổi 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) [39] hoặc có thể kết tủa từ dung dịch đất lên bề mặt khoáng vật (Drees và nnk, 1989) [30] 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) [26] 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) [26] 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) [67]

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 Silic) (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) [13] 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 Si được lấy từ dung dịch đất ở dạng axit silicic rồi tích tụ trên lumen và thành của tế bào biểu bì Thành phần của Si phytogenic trong đất dao động từ 0,01% tới 50% (Clarke, 2003) [13] 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) [63] nghiên cứu lớp đất giàu Si phytogenic dày 15cm tại phía bờ tây của Pitondes 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) [8]

Lượng Si mất đi từ đất trong hệ sinh thái có thực vật bao phủ có thể gấp 2 - 8 lần so với các vùng đất trống (Moulton và nnk, 2000; Lucas, 2001) [71;55], điều

này được giải thích là 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 Sự biến đổi trong chu trình tuần hoàn Si trả lại cho đất dưới tác động của con người đã trở thành một vấn đề 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 tốc độ mất Si là

50 – 100kg/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) [5] 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) [8] Trong nghiên cứu trên cây lúa nước được thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) [51] tại Laguna, Philipin 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 là do phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi nước (giống, khí hậu, chế độ thuỷ lợi và đặc biệt là phương thức quản lý dư lượng cây trồng) (Klotzbücher và nnk, 2014) [51]

1.2 Sự tích lũy silic trong thực vật

1.2.1 Vai trò của Silic với thực vật

Silic 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 sự hiện hữu của Si 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 đa và trung lượng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg) Cây trồng hút Si ở một dạng duy nhất là axit monosilicic, có tên gọi phổ biến 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) [77] 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

Silic giúp cho cây mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng hiệu quả, tăng khả năng quang hợp Silic được xem như là một nguyên tố quan trọng cần thiết cho sự phát triển bình thường của cây lúa Chức năng sinh lý của Si 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 Góc lá và khả năng quang hợp có mối liên hệ mật thiết với nhau ví dụ như đối với giống lúa có lá đứng, giúp cây quang hợp tốt hơn thì năng suất ở giống lúa này cũng cao hơn Góc lá là yếu tố đặc trưng của giống, nó cũng bị ảnh hưởng bởi 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 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 Khoảng thời gian ít nhất sau một tuần thì có sự khác nhau giữa hai dung dịch có và không có Si Lá của cây lúa được cấy vào dung dịch có Silic thì đứng thẳng còn trong trường hợp còn lại thì không Sự rủ xuống của lá lúa là do ảnh hưởng của mức độ cung cấp nitơ Khi nồng độ 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 mất mát chất điện giải khỏi lá lúa từ đó giúp đẩy mạnh quá trình quang hợp của các loại cây trồng trong điều kiện khô hạn hoặc nắng nóng

Ngoài ra, hàm lượng Si hấp thu cao trong cây giúp làm giảm quá trình thoát hơi nước và tăng tính chống chịu của cây đối với giảm thế năng thẩm thấu trong môi trường mọc rễ Sự gắn kết của phytolith với các tế bào biểu bì có thể tạo ra những lớp màng giúp giảm tới 30% lượng thoát hơi nước (Ma et al., 2001) [59] Điều này góp phần quan trọng đối với khả năng chịu hạn của lúa 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) [75] 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) [57], 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 cácchất 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) [56] Vai trò trên có thể được giải thích như sau Phytolith có lưới điện tích âm bề mặt cao hơn đáng kể so với đa số các khoáng vật silic trong tự nhiên (Nguyễn Ngọc Minh và Dultz.S, 2011) Điều này tạo cho phytolith khả năng tham gia vào các phản ứng hấp phụ trao đổi các cation trong đất Loucaides (2009) đã tiến hành phân tích hồng ngoại trên các mẫu silic sinh học thu được kết quả bề mặt của chúng được tạo thành chủ yếu từ hai nhóm liên kết >Si-O-Si< và >Si-OH Trong đó, lưới điện tích bề mặt của phytolith phụ thuộc vào khả năng hoạt động chủ yếu của nhóm >Si-OH (silanol) do các liên kết >Si-O-Si< (siloxan) lực liên kết lớn làm cho nhóm này trở nên khá trơ về mặt hóa học Nhóm

>Si-OH (silanol) có khả năng tham gia vào quá trình cho nhận proton tùy thuộc vào điều kiện môi trường Ion H+ từ nhóm này có thể tách trong một số trường hợp (ví

dụ khi pH tăng) và làm cho bề mặt trở nên thiếu hụt điện tích (Nguyễn Ngọc Minh

và nnk, 2011) Nhờ đó, bề mặt này có khả năng tham gia các phản ứng hấp phụ trao đổi và điều tiết các khoáng chất cho cây trồng

- Tăng cường sức chống chịu cơ học

Trong cây, Si kết hợp với 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

Các ion Si4+ là các hạt nhân liên kết và để phát triển cấu trúc của phytolith nhờ vào chuỗi các phản ứng polyme hóa, được hình thành trong cả nội hay ngoại bào của các mô cây Trong quá trình kết tủa, các màng Si có thể bao bọc các lipit, protein hay cacbon-hydrat Vai trò chống chịu của phytolith được thể hiện ngay cả khi được đưa trở lại môi trường đất, những hợp chất hữu cơ 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 (Elbaum và nnk, 2009) Từ ứng dụng trên mà người

ta đã sử dụng cách ủ rơm rạ với phân chuồng, nhằm giữ được các chất hữu cơ đi kèm với phytolith Trong quá trình ủ cấu trúc phytolith gần như được bảo toàn so với phương pháp đốt, chất hữu cơ được bao bọc bởi các vách phytolith vững chắc

sẽ rất khó bị phân hủy sinh học

- 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) [22] 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) [59;60;34]

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

do như nhóm enzym antioxidant Ngoài ra, Si làm giảm các tổn thương 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 và 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 ở 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) [58] Datnoff và nnk (1991) [21] 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) [34;58]

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 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) [48]

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) [34] 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) [85] 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) [57] 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) [76] 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) [93] 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) [54] 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) [46] 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) [80] 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 nhưvậy 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) [80] 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) [56]

Cường độ hấp thu Si cũng thay đổi phụ thuộc vào các loài thực vật (Sahebi, 2015) Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bởi Mitani và Ma (2005) về vận chuyển Si trên ba loài thực vật khác nhau bao gồm gạo, dưa chuột và cà chua Nghiên cứu chỉ ra rằng việc vận chuyển Si giữa dung dịch đất và vỏ tế bào được qua một trung gian đặc biệt trong cả ba loài Sư vận chuyển Si được suy đoán phụ thuộc năng lượng, nhiệt độ thấp và chất ức chế vận chuyển Si (Mitani và Ma 2005) Trong quá trình hấp thu Si, dòng chảy silic được vận chuyển từ các tế bào vỏ đến sap xylem tải Sự khác biệt ở đây cho thấy xylem tải trong gạo được trung gian bởi một loại vận chuyển thay vì khuếch tán như trong dưa chuột và cà chua (Ma và Yamaji, 2006) [61] Kết quả này chỉ ra rằng xylem tải là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối với việc tích lũy Si ở mức mức độ cao trong chồi lúa

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) [9] 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) [62] 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 cơ 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 do chúng 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 Si ra khỏi dung dịch đất Quá trình hấp phụ này được cho là tối ưu ở khoảng pH 9,5 (Hiemstra và nnk, 2007) 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) [48] Jones và Handreek (1967) [48] nhận xét rằng lúa nước gần nhưchắc chắn có chứa Si nhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 – 15% Miller (1980) [65] 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 cơhòa 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) [48]

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 khoang (khoảng trống) của tế bào và (3) lắng đọng ở không bào Các thông tin về quá trình lắng đọng Si ở cấp độ tế bào trong thực vật trên cạn chưa được giải thích một cách thoả đáng và có hai giả thiết được đưa ra để giải thích cho quá trình này: thứ nhất là do

kết tủa và lắng đọng xảy ra một cách thụ động- như là kết quả của quá trình hút thu

và thoát hơi nước hoặc quá trình lắng đọng Si 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) [70]

Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ, Jones và Handreck (1967) [48] cùng Raven (1983) [85] 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) [81] 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) [28]; 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) [83] 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) [38] Có thể kể đến các axit amin như lysine và arginine được tổng hợp từ gen PRP1 (proline-rich protein 1) ở dưa chuột (Sativus) (Kauss và nnk, 2003) [50], 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 các axit amin khác như 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) [61]

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) [77;79] và giống cây trồng (Parr và Sullivan, 2011) [79] Ví dụ: lúa nước, lúa mì, ngô, mía ưa Silic 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) [78;79] 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) [79]

Trong khi độ tuổi của thực vật quyết định tốc độ hình thành phytolith (Ma và Yamaji, 2006) [61] 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 lũy phytolith vào đất

Vai trò của Si (đại diện là phytolith) trong thực vật, đặc biệt là thực vật ưa 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 0,1đến 0,6 mM (Epstein, 1994) [33] Hàm lượng như vậy là tương đối thấp đối với các loại cây tích luỹ Si ở hàm lượng cao, ví

dụ như ở lúa nếu hàm lượng Si dễ tiêu trong đất thấp hơn 40mg/kg đất sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của lúa (Barbosa-Filho và nnk, 2001) [4]

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 Silic của năng suất, 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) [53] 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) [64] hay 220 – 820 Tg Si/năm (1 Tg = 1012g,

Carey và Fulweiler, 2012) [11], 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) [64;95;3]

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 Lúa, 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) [11;89] 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) [90]

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) [5] Ví dụ ở khu vực canh tác lúa, sau khi thu hoạch

vụ mùa, một phần phytolith trong rơm hoặc rễ có thể được trả trực tiếp (Ngoc Nguyen và nnk, 2014) [73] 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) [42] 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) [64] 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) [95;90]

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, điều kiện gió, địa hình)

1.4 Phytolith trong đất

Trong khi phytolith trong thực vật đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu thì sự có mặt,tồn tại của chúng trong đất 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 bởi 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) [78]

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) [77] 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 nhưhiện 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 kết 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) [36] 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) [29] Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho rằng sự có mặt của các cation trong dung dịch và chất hữu cơ“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) [88] 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) [32]

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) [31;91] 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, 2011) [5;17] 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) [12;13;88] và phần rất nhỏ Si ở dạng phi tinh thể vô cơ (ISi) (Saccone và nnk, 2007; Sauer và nnk, 2006) [86]; 2) dạng Si có cấu trúc tinh thể có nguồn gốc từ đá mẹ (các khoáng Si

nguyên sinh) hoặc thứ sinh là sản phẩm của quá trình hình thành đất (Saccone và nnk, 2007) [86]

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 Silic, bọt biển, các loại amip, đặc biệt là ở các mẫu đất cửa 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) [41]; một phần ASi có thể bị hòa tan cùng tác nhân chiết rút (Zhao and Pearsall, 1998) [98] 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) [86]

Cách tiếp cận thứ hai dựa trên độ tan của Si vô định hình tăng mạnh tại giá trị pH cao (Iler, 1979) [43] 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) [35ư, 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) [23;24;69;72;16;52] Theo kết quả nghiên cứu của Saccone và nnk (2007) [86], 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) [24;25] 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) [94], và (2) sự hoà tan ASi là một quá trình bề mặt (Koning và nnk, 2002) [52]

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 Khu vực nghiên cứu

Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là một vùng đất rộng lớn nằm quanh khu vực

hạ lưu sông Hồng thuộc miền Bắc Việt Nam, vùng đất bao gồm 10 tỉnh và thành phố: Bắc Ninh, Hà Nam, Hà Nội, Hải Dương, Hải Phòng, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và Vĩnh Phúc với gần 21 triệu dân (niên giám thống kê 2014) Tổng diện tích của vùng Đồng bằng sông Hồng là 21060 km2, chiếm 6,4% diện tích cả nước Diện tích đất nông nghiệp của ĐBSH là 7693 km2, đất lâm nghiệp là 5198 km2, đất chuyên dùng chiếm 3184 km2 và đất ở là 1410 km2 (niên giám thống kê 2014) Theo đó, diện tích đất dành cho nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn nhất trong cơ cấu đất sử dụng (36,5%)

Hình 13: Địa điểm lấy mẫu

Đề tài tập trung nghiên cứu vào các khu vực đất nông nghiệp của Đồng bằng

sông Hồng, cụ thể, đề tài đã thu thập 39 mẫu đất lúa tại Hà Nội, Ninh Bình, Nam

Định, Thái Bình, Hải Phòng, Vĩnh Phúc, Hà Nam, Hải Dương, Quảng Ninh và Bắc

Ninh Đề tài dựa trên quan sát của Clark (2003) khi cho rằng phytolith có sự thay

đổi tùy theo lớp phủ thực vật và loại đất Trong quá trình thực địa, nhóm lấy mẫu đã

cố gắng để tìm các mẫu đất trong các loại đất khác nhau nhằm so sánh sự hiện diện

của Silic (đặc biệt là phytolith) có trong từng loại đất Các loại đất có tính chất đặc

trưng cũng được thu thập để phân tích, ví dụ như đất chua, đất mặn… Nghiên cứu

cũng xem xét kết quả của Haynes (2014) trước khi thu mẫu, đó là: các ion kim loại

hóa trị 3 như Al3+, Fe3+, nhóm có ưu thế trong đất chua, có thể bị giữ lại trên bề mặt

của cấu trúc phytolith và làm hạn chế khả năng hòa tan cũng như khả năng di động

của phytolith trong đất Ngoài ra, nghiên cứu cũng xem xét việc lấy mẫu dựa trên sự

khác nhau của lớp phủ thực vật Những thông tin cơ bản của hệ thống canh tác tại