Mục đích của luận án nhằm làm rõ diễn biến hàm lượng Zndt và S-SO4 2- trong đất canh tác lúa thuộc nhóm đất phù sa trung tính, ít chua vùng đồng bằng sông Hồng dưới ảnh hưởng của phương pháp tưới tưới tiết kiệm nước. Kết quả nghiên cứu củng cố thêm cơ sở khoa học cho việc khuyến cáo tưới nước tiết kiệm cho lúa, giảm thiểu áp lực tưới trong ngành sản xuất lúa gạo.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
ĐINH THỊ LAN PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC ĐẾN LƯU HUỲNH VÀ KẼM DỄ TIÊU TRONG ĐẤT LÚA PHÙ SA TRUNG TÍNH ÍT CHUA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nước
Mã số: 62 - 58 - 02 - 12
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Thủy Lợi
Người HDKH 1: PGS.TS Nguyễn Thị Hằng Nga
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện trường Đại học Thủy Lợi
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Lưu huỳnh (S) xét về nhu cầu dinh dưỡng cho cây trồng có vai trò quan trọng thứ tư sau các nguyên tố N, P, K và được cây lúa hấp thu chủ yếu dưới dạng ion sunphat (S-SO42-) qua bộ rễ Tuy nhiên, hàm lượng sunphat trong đất lúa tưới ngập thường bị thiếu bởi những nguyên nhân chính là dinh dưỡng cho cây lúa, dễ bị rửa trôi khỏi bề mặt tích điện âm của hạt keo đất, chuyển hóa thành lưu huỳnh dạng khử (H2S, HS-, S2-) trong đất lúa ngập nước
Kẽm là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự tổng hợp các chất diệp lục, hydratcacbon, axit nucleic, protein cho hạt và tăng cường khả năng hấp thu đạm, lân cho lúa Việt Nam tuy chưa nằm trong số các nước bị thiếu kẽm và lưu huỳnh trầm trọng, nhưng tưới ngập cho lúa, thiếu bổ sung phân bón vi lượng cũng góp phần làm giảm dinh dưỡng kẽm dễ tiêu (Zndt) trong đất lúa
Kỹ thuật tưới ngập cho lúa đã làm suy giảm khí oxi trong đất canh tác dẫn đến quá trình khử các ion S-SO42- thành dạng sunfua (H2S, HS-, S2-) với sự tham gia của các vi sinh vật đất hoạt động yếm khí; kết quả làm Zndt trong dịch đất tạo kết tủa khó tan ZnS - dạng khó hấp thu dinh dưỡng kẽm cho lúa Cách tưới này vẫn đang được áp dụng phổ biến trong thâm canh lúa ở vùng đồng bằng sông Hồng của Việt Nam Nếu kỹ thuật tưới ngập vẫn được duy trì thì hàm lượng Zndt và S-SO42- trong đất canh tác lúa Việt Nam có nguy cơ bị thiếu Vùng đồng bằng sông Hồng có tổng diện tích lúa 545.000 ha, năm 2016 mới
có khoảng 10.000 ha trồng lúa được áp dụng phương thức tưới cải tiến SRI Nhóm đất phù sa tại vùng ĐBSH là nhóm đất có diện tích lớn nhất chiếm 50,9% so với toàn diện tích tự nhiên của vùng Cho đến thời điểm này, chưa
có công bố khoa học nào tại Việt Nam về chuyển hóa Zndt và S-SO42- trong đất lúa dưới điều kiện áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước Vì vậy, tác giả tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tưới tiết kiệm nước đến kẽm dễ tiêu và lưu huỳnh trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng
2 Mục tiêu nghiên cứu
Làm rõ diễn biến hàm lượng Zndt và S-SO42- trong đất canh tác lúa thuộc nhóm đất phù sa trung tính, ít chua vùng đồng bằng sông Hồng dưới ảnh hưởng của phương pháp tưới tưới tiết kiệm nước Kết quả nghiên cứu củng cố thêm cơ
sở khoa học cho việc khuyến cáo tưới nước tiết kiệm cho lúa, giảm thiểu áp lực tưới trong ngành sản xuất lúa gạo
3 Nội dung nghiên cứu
- Vai trò dinh dưỡng và các quá trình hóa học của kẽm, lưu huỳnh và mối liên quan giữa Eh và pH đến hàm lượng Zndt và S-SO42- trong đất ngập nước
Trang 4- Diễn biến thế Eh, pH, hàm lượng Zndt, S-SO42- thông qua các thí nghiệm trong phòng Từ đó làm rõ ảnh hưởng của chế độ đất ngập nước liên tục 4÷5
cm và quá trình rút nước đến chuyển hóa Zndt và S-SO42- trong đất lúa
- Diễn biến thế Eh, pH và hàm lượng Zndt, S-SO42- thông qua các thí nghiệm đồng ruộng đối với hai kỹ thuật tưới: tưới ngập truyền thống và tưới tiết kiệm nước (TKN) Từ đó làm rõ ảnh hưởng của các chế độ tưới đến sự chuyển hóa Zndt và S-SO42- trong đất lúa
- Ảnh hưởng của tưới TKN trong duy trì dinh dưỡng Zndt, S-SO42- trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hàm lượng Zndt và S-SO42- trong đất phù sa sông Hồng trung tính ít chua (Fl-Fluvisol) có cấy lúa dưới ảnh hưởng của tưới TKN
Phạm vi nghiên cứu: Chuyển hóa Zndt và S-SO42- trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng
5 Phương pháp nghiên cứu
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Luận án đánh giá và luận giải cơ chế chuyển hóa dinh
dưỡng kẽm dễ tiêu và lưu huỳnh trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng ĐBSH do ảnh hưởng của thay đổi lớp nước mặt ruộng theo thời gian từ thiếu khí (ngập thường xuyên) sang thoáng khí (rút nước phơi ruộng)
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp cơ sở và luận
chứng cho các cơ quan chức năng để kiểm soát chế độ nước mặt ruộng nhằm duy trì dinh dưỡng trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng Đồng thời điều chỉnh và tính toán lượng phân bón hợp lí, góp phần giảm chi phí sản xuất lúa và nâng cao thu nhập cho nông dân, bảo vệ môi trường và tiết kiệm nước tưới
7 Đóng góp mới của luận án
- Định lượng biến đổi hàm lượng kẽm dễ tiêu và hàm lượng ion sunphat trong môi trường đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng ĐBSH dưới ảnh hưởng của chế độ tưới
- Xác định mực nước mặt ruộng phù hợp của kỹ thuật tưới tiết kiệm nước nhằm duy trì dinh dưỡng kẽm và lưu huỳnh trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng ĐBSH
Trang 5CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Khái quát về các nguyên tố dinh dưỡng kẽm và lưu huỳnh trong đất
1.2 Vai trò dinh dưỡng của kẽm và lưu huỳnh đối với lúa
1.3 Thực trạng kẽm và lưu huỳnh trong đất canh tác trên thế giới và Việt Nam 1.4 Các nguyên nhân làm giảm kẽm dễ tiêu và sunphat trong đất
1.5 Chuyển hóa Zndt và S-SO42- trong đất ngập nước
1.6 Tổng quan về các phương pháp tưới tiết kiệm nước
1.7 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án
1.8 Khái quát về đất phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng 1.9 Luận giải cho vấn đề nghiên cứu của luận án
CHƯƠNG II MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Mô tả khu vực nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu thuộc xã An Viên, Tiên Lữ, Hưng Yên Địa hình tương đối bằng phẳng, cao độ trung bình 3,5 m, khí hậu đặc trưng nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ không khí trung bình năm 23oC Lượng mưa 1500÷1700 mm/năm 80,88 % đất canh tác tại An Viên thuộc nhóm phù sa trung tính, ít chua không được bồi hàng năm Thành phần cơ giới từ thịt trung bình đến sét nhẹ (tỷ lệ sét 20÷30 %), có màu nâu tươi đặc trưng, phản ứng trung tính (pHKCl: 6,5÷8),
độ no bazơ cao (BS % > 70 %), hàm lượng hữu cơ khá (OC %: 1,5÷2,0 %); đạm tổng số trung bình khá (N %: 0,12÷0,15 %); lân và kali khá (P2O5 %: 0,11÷0,15 %); (K2O %: 1,6÷2,2 %) An Viên có 2 trạm bơm đang hoạt động phục vụ sản xuất, tổng công suất 10.054 m3/h, nguồn nước tưới được lấy từ sông Cửu An 85 % hệ thống kênh mương đã được kiên cố hóa bằng bê tông
2.2 Đối tượng nghiên cứu
Bảng 2.6 Công thức bón phân áp dụng cho ruộng thí nghiệm
Đạm (kg) Lân (kg) Kali (kg)
Bón thúc lần 3 50-55 ngày sau cấy 56 0 83
Trang 6Giống lúa Khang dân 18 được gieo trồng phổ biến ở Hưng Yên có đặc tính sinh trưởng khỏe Mật độ cấy: tỉ lệ 4÷5 dảnh/khóm, mật độ 20×20 cm
Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu chất lượng nước tưới sông Cửu An
TT Chỉ tiêu Đơn vị
39:2011/BTNMT 1/2015 6/2015 1/2016 6/2016
KPH (<0,00 1)
KPH (<0,00 1)
KPH (<0,00 1)
0,01
10 Cr tổng số mg/l KPH
(<0,05)
KPH (<0,05)
KPH (<0,05)
KPH (<0,05) 0,1
11 Hg tổng số mg/l
KPH (<0,00 1)
KPH (<0,00 1)
KPH (<0,00 1)
KPH (<0,00 1)
Trang 7Bảng 2.9 Thời gian thí nghiệm cụ thể của từng vụ
STT Vụ thí nghiệm Thời gian thí nghiệm
1 Đông Xuân 2015 2/2015-5/2015
2 Hè Thu 2015 6/2017-9/2015
3 Đông Xuân 2016 2/2016-5/2016
4 Hè Thu 2016 6/2016-9/2016
Bảng 2.10 Quy trình tưới tiết kiệm nước áp dụng trong nghiên cứu
Giai đoạn Lớp nước trên mặt ruộng Số đợt tưới
để duy trì lớp nước
3 Đẻ nhánh Duy trì 3÷5 cm trong 1 tuần, sau để cạn
tự nhiên 5 ngày, tiếp theo tưới lên 3÷5 cm Tưới 2 đợt
4 Cuối đẻ nhánh Để lộ mặt ruộng 7÷10 ngày Gặp mưa
phải tháo hết nước trên ruộng ngay trong Tưới 1 đợt
Trang 8ngày Cuối đẻ nhánh tưới lên 1 đợt ngập
6 Trỗ bông Duy trì 3÷5 cm trong suốt giai đoạn này,
gặp mưa tháo cạn trở lại mức 3÷5 cm Tưới 1 đợt
7 Chắc xanh chín Chỉ tưới lên 3÷5 cm khi lớp nước thấp
hơn mặt ruộng 10÷12 cm Tưới 1-2 đợt
Kỹ thuật tưới ngập thường xuyên với lớp nước mặt ruộng thường xuyên ở mức 5÷7 cm, vào các thời kì mưa lớn lượng nước mặt ruộng sâu hơn 10 cm
2.3 Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm
2.3.1 Thí nghiệm trong phòng
- Mục đích: Làm rõ diễn biến hàm lượng Zndt và S-SO42- trong điều kiện không trồng lúa và không bị chi phối bởi các yếu tố bất lợi của thời tiết dưới tác động của hai chế độ: ngập nước liên tục và cạn nước tự nhiên Các công thức (CT) gồm: ngập nước thường xuyên (duy trì nước ngập 4÷5 cm); cạn nước tự nhiên (ban đầu ngập 4÷5 cm, sau để cạn tự nhiên)
- Đất thí nghiệm được lấy trên nhiều thửa ruộng An Viên tại độ sâu 0÷20 cm Tiến hành trong các chậu với bề dày lớp đất đạt 30÷40 cm Kích thước chậu: 30×40×50 cm Thí nghiệm được lặp lại 03 lần/1 đợt, tổng số 12 lần/04 đợt Lấy mẫu đất định kì sau 1, 2, 3, 6, 8 tuần Tổng số mẫu đo: 240 mẫu
Thời gian thực hiện TN: Đợt 1 từ 2/2015÷6/2015, đợt 2 từ 6/2015÷10/2015, đợt 3 từ 2/2016÷6/2016, đợt 4 từ 6/2016÷10/2016
Ngập 2 (200m 2 )
Ruộng TKN 3 (360m
2 )
Ruộng TKN 2 (520m 2 )
K ê n
h
Ruộng Ngập 3 (360m 2 )
Kênh dẫn nước
Ruộng ngập 2 (400m 2
Trang 9m2) Tưới tiết kiệm nước (CT2): TK1 (360 m2), TK2 (520 m2), TK3 (360 m2)
- Chỉ tiêu phân tích: Eh, pH, Znts, Zndt và S-SO42-, CEC, Nts, MO (%), pHKCl Thời gian lấy mẫu: đổ ải, bén rễ hồi xanh, đẻ nhánh, làm đòng và trỗ bông Mẫu được lấy ở độ sâu 0÷20 cm Số mẫu đất phân tích: 260 mẫu
2.4 Phương pháp xác định Eh, pH, Zn ts , Zn dt , S-SO 4
2-Eh, pH được đo bằng máy đo điện cực ORP/pH cầm tay ở độ sâu dưới bề mặt 0÷20 cm Tách kẽm tổng số từ đất bằng dung dịch nước cường thủy Tách kẽm dễ tiêu từ đất bằng dung dịch DTPA Phân tích kẽm trên máy điện hóa Chiết ion sunphat bằng nước cất theo tỉ lệ 1:5, phân tích sunphat trên máy đo quang theo phương pháp 8051 của HACH
CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Một số chỉ tiêu phân tích trong đất nền
Bảng 3.1 Các giá trị pH, pHKCl và một số kết quả phân tích khác của đất nền
Chỉ tiêu
Giá trị Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 TB Độ lệch
chuẩn
pH 6,51 6,69 6,75 6,94 6,56 6,69 0,17
pHKCl 5,67 5,73 5,42 5,66 5,69 5,63 0,12 CEC
(meq/100 gđ) 14,1 14,2 14,3 14,1 14,2 14,20 0,08
MO (%) 1,11 1,12 1,12 1,11 1,11 1,11 0,01
N ts (%) 0,091 0,092 0,092 0,091 0,091 0,091 0,001 Bảng 3.2 Hàm lượng kẽm tổng số, kẽm dễ tiêu và sunphat trong đất nền
Chỉ tiêu
Nồng độ (mg/100g đất) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu
Độ lệch chuẩn Kẽm TS 8,76 8,70 8,74 8,75 8,76 8,74 0,26
Zndt 0,68 0,67 0,69 0,68 0,69 0,68 0,01
SO42- 11,51 11,54 11,55 11,52 11,51 11,53 0,02
Theo E.E Schulte: Các loại đất có hàm lượng kẽm dễ tiêu ở mức dưới 1,5 ppm (1,5 mg/kg tương đương 0,15 mg/100g đất) được coi là thiếu kẽm và nên
bổ sung phân bón kẽm So sánh với thang đánh giá này, hàm lượng Zndt trong đất nền vùng nghiên cứu (0,68 mg/100g đất) tuy không ở mức thiếu, nhưng tưới ngập làm hàm lượng kẽm dễ tiêu giảm xuống thấp hơn mức 0,15 mg/100
Trang 10gam đất ở các giai đoạn trỗ bông, chắc xanh chín lại trở nên thiếu kẽm
Theo Võ Minh Kha, hàm lượng S-SO42- nằm dưới ngưỡng 10÷16 mg/100 gam đất thì cây trồng biểu hiện rõ triệu chứng thiếu lưu huỳnh Hàm lượng S-SO42-trong đất vùng nghiên cứu có giá trị 11,53 mg/100g cho thấy tình trạng đất thiếu dinh dưỡng lưu huỳnh
Bảng 3.3 Kết quả phân tích mẫu nước sử dụng cho thí nghiệm
Như vậy, tác động của nước thí nghiệm đến hàm lượng Zndt và hàm lượng
S-SO42- không đáng kể và không ảnh hưởng đến các kết quả thí nghiệm
3.3.1 Diễn biến thế Eh, Zn dt và S-SO 4 2- của ngập nước thường xuyên
3.3.1.1 Thế oxi hóa khử Eh
Hình 3.2 Đồ thị diễn biến thế Eh TB của CT đất ngập nước liên tục
Eh giảm 1,44 lần sau 8 tuần ngập liên tục Ở thế khử dưới mức -200 mV là môi trường khử rất mạnh, các ion SO42- hầu như không tồn tại ở môi trường này mà bị khử về dạng sunfua (H2S, HS-, S2-) Các sunfua liên kết với các ion kim loại trong đất hình thành các kết tủa sunfua ZnS, MnS, FeS rất bền
-300 -200 -100
Trang 113.3.1.2 Diễn biến kẽm dễ tiêu
Với lớp nước mặt ruộng 4÷5 cm và ngập liên tục trong 08 tuần thí nghiệm
Hình 3.3 (trái) và 3.5 (phải) Diễn biến pH, [Zndt] và Eh trong CT đất ngập
nước liên tục
Cả pH, Eh và hàm lượng Zndt giảm dần theo thời gian ngập nước pH giảm khoảng 1 đơn vị; Eh giảm hơn 100 mV; Zndt giảm khoảng 6,6 lần sau 8 tuần ngập nước liên tục Mối tương quan giữa thời gian ngập nước với pH, Eh và hàm lượng Zndt là tương quan tỉ lệ nghịch, hệ số tương quan R2 0,76 ÷ 0,87 Kiểm định thống kê T-test độc lập giữa các hàm lượng Zndt giữa hai đợt liên tiếp cho kết quả hầu hết các xác suất p đều nhỏ hơn 0,05 Chứng tỏ sự khác nhau về hàm lượng Zndt là do chế độ ngập nước
Đất ngập nước liên tục là môi trường hình thành nên các độc tố H2S, HS-, Stạo kết tủa với các ion kim loại, trong đó có kết tủa khó tan ZnS, làm giảm nguồn dinh dưỡng Zndt trong đất canh tác lúa Chế độ ngập nước làm thế Eh giảm dẫn tới làm giảm hàm lượng Zndt trong đất, trung bình thế Eh giảm đi 10
2-mV thì hàm lượng Zndt giảm khoảng 0,0112 mg/100g
3.3.1.3 Diễn biến hàm lượng S-SO 4
2-Hình 3.6 Diễn biến [S-SO42-] trong CT ngập nước liên tục
Tuần ngập nước (tuần)
Diễn biến [Zndt] trong CT ngập nước liên
Thời gian ngập
10 10.5 11 11.5
1 tuần 2 tuần 3 tuần 6 tuần 8 tuần
Trang 12Sau 8 tuần đất bị ngập nước liên tục, kết quả phân tích cho thấy [S-SO42-] giảm gần 10 % Thế Eh và [S-SO42-] có tương quan tỉ lệ thuận, hệ số R2 = 0,99 Trung bình khi Eh giảm đi 10 mV, [S-SO42-] giảm khoảng 0,08 mg/100g
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa Eh và [S-SO42-] trong CT ngập nước liên tục
Kiểm định thống kê t-test độc lập giá trị trung bình của hàm lượng S-SO4giữa hai đợt lấy mẫu liên tiếp thấy rằng đa số giá trị p đều nhỏ hơn 0,05 Các kết quả này đảm bảo độ tin cậy kết quả phân tích
2-3.3.2 Diễn biến thế Eh, Zn dt và S-SO 4 2- của CT cạn nước tự nhiên
Lớp nước ngập ban đầu của CT đất cạn nước tự nhiên là 5 cm, sau đó để cạn
tự nhiên để theo dõi diễn biến Eh, pH, [SO42-] và [Zndt] khi nước rút dần
3.3.2.1 Diễn biến lớp nước mặt ruộng, Eh, pH
Bảng 3.6 Lớp nước mặt ruộng (LNMR) của CT cạn nước tự nhiên
Diễn biến lớp nước mặt ruộng, thế Eh, pH của CT đất cạn nước tự nhiên - lớp nước
ban đầu ngập 5cm Tuần
10.4 10.6 10.8 11 11.2 11.4
Trang 13nước mặt ruộng giảm thì thế Eh tăng lên Hệ số tương quan R2 từ 0,67÷0,78
Hình 3.8 Quan hệ giữa Eh và lớp nước mặt ruộng CT cạn nước tự nhiên
Eh tăng dần khi đất nẻ bề mặt Lớp nước mặt ruộng 0,8÷1,3 cm làm Eh trên mức -100 mV, hạn chế sự khử S-SO42- trong đất Nẻ bề mặt giúp dưỡng khí khuếch tán sâu vào trong đất thúc đẩy hoạt động của các vi sinh vật háo khí
Hình 3.9 Đồ thị diễn biến thế Eh TB của công thức đất cạn nước tự nhiên
Cơ chế giải phóng ion kẽm và S-SO42- diễn ra nhờ lượng khí oxi khuếch tán vào trong đất Ở mức Eh > -100 mV có hai tác động: hạn chế hình thành kẽm sunfua ZnS và giải phóng kẽm khỏi các kết tủa sunfua
3.3.2.2 Diễn biến hàm lượng kẽm dễ tiêu
Hình 3.10 Diễn biến hàm lượng Zndt CT cạn nước tự nhiên
[Zndt] giảm mạnh sau 2 tuần đầu tiên (0,6678- 0,5594 mg/100g) trong môi trường ngập 5-3 cm Tuy nhiên, lớp nước mặt ruộng rút xuống nông hơn (0,9 cm) ở tuần thứ ba làm hàm lượng Zndt tăng trở lại 0,5785 mg/100g Từ tuần
-400 -300 -200 -100 0 100
-400 -300 -200 -100 0 100
0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000
Tuần 1 Tuần 2 Tuần 3 Tuần 6 Tuần 8