Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt phân cách chất lỏng không khí bằng quang phổ học dao động tần số tổng

Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt phân cách chất lỏng không khí bằng quang phổ học dao động tần số tổng Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt phân cách chất lỏng không khí bằng quang phổ học dao động tần số tổng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

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

_

NGUYỄN HOÀNG LINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG CHUYÊN CANH HOA ĐẾN MÔI TRƯỜNG ĐẤT

VÙNG VEN ĐÔ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2016

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

_

NGUYỄN HOÀNG LINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HOẠT ĐỘNG CHUYÊN CANH HOA ĐẾN MÔI TRƯỜNG ĐẤT

VÙNG VEN ĐÔ HÀ NỘI

Chuyên ngành : Môi trường đất và nước

Mã số : 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Văn Thiện

2 PGS.TS Ngô Thị Tường Châu

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nêu trong

luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Văn Thiện và PGS.TS Ngô Thị Tường Châu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình triển khai thực hiện và hoàn thành luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô trong Khoa Môi trường, Phòng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn hỗ trợ, ủng hộ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để thực hiện luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Địa chất Khoáng sản Việt Nam; Trung tâm Sinh học Thực nghiệm, Viện ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ; Viện Công nghệ Sinh học, Đại học Huế đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi thực hiện các công tác nghiên cứu để hoàn thành Luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, các cán bộ đồng nghiệp, bạn bè đã luôn ủng hộ và hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện Luận án

Tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn đối với cha, mẹ, vợ con và các thành viên trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện và hoàn thành tốt nhất bản Luận án này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1.TỔNG QUAN 5

1.1.Đất canh tác và nhóm chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất 5

1.1.1.Đất canh tác 5

1.1.2 Nhóm chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất 5

1.1.2.1 Một số chỉ tiêu lý hóa học 5

1.1.2.2 Một số chỉ tiêu sinh học đất 7

1.2 Ảnh hưởng của hoạt động canh tác nông nghiệp tới chất lượng đất 8

1.2.1 Ảnh hưởng của quá trình canh tác tới chất hữu cơ trong đất 8

1.2.2 Ảnh hưởng của bón phân tới hàm lượng các nguyên tố trong đất 9

1.2.3 Ảnh hưởng của nước tưới tới hàm lượng các nguyên tố trong đất 11

1.2.4 Ảnh hưởng của kỹ thuật làm đất đến tính chất hóa lý của đất 13 1.2.5 Ảnh hưởng của tàn dư thực vật tới chất lượng đất 15

1.2.6 Ảnh hưởng khi sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật đến hệ sinh vật đất 16

1.2.6.1 Ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật trong đất canh tác 16

1.2.6.2 Ảnh hưởng của hóa chất bảo vệ thực vật đến hệ sinh vật đất 17

1.2.7 Ảnh hưởng của nước tưới và bón phân đến hệ sinh vật đất 19

1.2.7.1 Ảnh hưởng của nước tưới 19

1.2.7.2 Ảnh hưởng của phân bón 19

1.2.7.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm vi sinh vật vào đất 21

1.3 Kỹ thuật điện di gel biến tính trong nghiên cứu sự biến động

thành phần loài của hệ vi sinh vật đất 25

1.3.1 Phương pháp “dấu vân tay” phân tích quần xã vi sinh vật đất 25

1.3.2 Kỹ thuật phân tích DGGE 26

1.4 Đặc điểm sinh thái và kỹ thuật canh tác một số giống hoa chính 27

1.4.1 Cây hoa hồng 27

1.4.2 Cây hoa cúc 28

1.4.3 Cây hoa đồng tiền 29

1.5 Ảnh hưởng của chuyên canh hoa tới chất lượng đất 31

1.5.1 Ô nhiễm kim loại nặng và hóa chất bảo vệ thực vật do chuyên canh hoa 31

1.5.2 Làm suy giảm hệ sinh vật đất 32

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Phạm vi nghiên cứu 33

2.4 Phương pháp nghiên cứu 34

2.4.1 Phương pháp tổng hợp và phân tích dữ liệu, số liệu 34

2.4.2 Nhóm phương pháp phân tích KLN và hóa chất BVTV 34

2.4.2.1 Phương pháp ICP-OES 34

2.4.2.2 Các phương pháp sắc ký 35

2.4.3 Nhóm các phương pháp nghiên cứu sinh học 36

2.4.3.1 Phương pháp đánh giá biến động về thành phần vi sinh vật trong đất bằng kỹ thuật DGGE 36

2.4.3.2 Phương pháp đánh giá biến động động vật chân khớp bé Collembola 36

2.5 Địa điểm và vị trí lấy mẫu nghiên cứu 38

2.5.1 Lấy mẫu đất và mẫu nước 38

2.5.1.1 Địa điểm lấy mẫu đất và mẫu nước vùng trồng hoa ở Tây Tựu 40

2.5.1.2 Vị trí lấy mẫu đất và mẫu nước vùng trồng hoa ở Mê Linh 42

2.5.3 Lấy mẫu đất xác định động vật chân khớp bé Collembola 45

2.5.4 Lấy mẫu đất xác định vi sinh vật 46

2.6 Thực nghiệm 47

2.6.1 Xác định kim loại nặng trong các mẫu nghiên cứu 47

2.6.2 Xác định hóa chất bảo vệ thực vật trong các mẫu nghiên cứu 48 2.6.3 Xác định Collembola trong các mẫu nghiên cứu 48

2.6.4 Xác định thành phần vi sinh vật đất bằng kỹ thuật DGGE 49

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51

3.1 Đặc điểm đất, nước và cơ cấu cây trồng khu vực nghiên cứu 51

3.1.1 Đặc điểm đất, nước tưới và cơ cấu cây trồng ở Tây Tựu 51

3.1.1.1 Đặc điểm đất, nguồn nước tưới 51

3.1.1.2 Cơ cấu cây trồng 52

3.1.2 Đặc điểm đất, nước tưới và cơ cấu cây trồng ở Mê Linh 52

3.1.2.1 Đặc điểm đất, nước tưới 52

3.1.2.2 Cơ cấu cây trồng 53

3.2 Kỹ thuật canh tác, phân bón và chăm sóc cây hoa tại vùng chuyên canh hoa phường Tây Tựu và xã Mê Linh, thành phố Hà Nội 54

3.2.1 Cây hoa hồng 54

3.2.2 Cây hoa cúc 55

3.2.3 Cây hoa đồng tiền 56

3.3 Kim loại nặng trong nước tưới vùng chuyên canh 57

3.3.1 Nước tưới trồng hoa ở Tây Tựu 57

3.3.2 Nước tưới trồng hoa ở Mê Linh 59

3.4 Ảnh hưởng của việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật và phân bón đến một số tính chất đất ở Tây Tựu và Mê Linh 60

3.4.1 Ảnh hưởng của việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật 60

3.4.1.1 Mức độ sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật 60

3.4.1.2 Ảnh hưởng c ủa hóa chất BVTV đối với đất chuyên canh hoa 64 3.4.2 Ảnh hưởng của việc sử dụng phân bón đến chất lượng đất chuyên canh hoa ở Tây Tựu và Mê Linh 70

3.4.2.1 Sử dụng phân bón trong trồng hoa ở vùng nghiên cứu 70

3.4.2.2 Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại phân bón sử dụng

để trồng hoa ở Tây Tựu và Mê Linh 72

3.4.3 Hàm lượng kim loại nặng trong phế thải của cây hoa đồng tiền, cây hoa cúc, lá cây hoa hồng 76

3.5 Tồn lưu kim loại nặng trong đất chuyên canh hoa ở Tây Tựu và Mê Linh 77

3.5.1 Tồn lưu kim loại nặng trong đất chuyên canh hoa ở Tây Tựu 77

3.5.2 Tồn lưu kim loại nặng trong đất chuyên canh hoa ở Mê Linh 82 3.6.1 Ảnh hưởng quần xã đô ̣ng vật chân khớp bé Collembola 89

3.6.1.1 Thành phần loài và phân bố của động vật chân khớp bé Collembola 89

3.6.1.2 Số loài đô ̣ng vật chân khớp bé Collembola 94

3.6.1.3 Số cá thể đô ̣ng vật chân khớp bé Collembola 98

3.6.1.4 Chỉ số đa dạng H‟ và chỉ số đồng đều J‟ 99

3.6.1.5 Các loài Collembola ưu thế 102

3.6.2 Ảnh hưởng của hoạt động chuyên canh hoa đến vi sinh vật đất 108

3.7 Đề xuất một số giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất khu vực nghiên cứu 119

3.7.1 Nhóm giải pháp về tổ chức 120

3.7.2 Nhóm giải pháp về kỹ thuật 120

3.7.3 Nhóm giải pháp về chính sách 121

3.7.4 Nhóm giải pháp giáo dục và tuyên truyền 122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIA ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHẦN PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)

HPLC/DAD-UV: Sắc ký lỏng hiệu năng cao detectơ diod Array - tử ngoại

MAP : Phân bón MonoAmon Phốt phát

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Xếp loại phản ứng của đất (pHH2O) 5

Bảng 1.2 Giá trị CEC của các loại đất được xác định ở pH = 8,2 6

Bảng 1.3 Thang đánh giá hàm lượng phốt pho dễ tiêu trong đất theo các phương pháp chiết tách khác nhau [87] 7

Bảng 1.4 Hàm lượng Cd trong các mẫu phân lân sử dụngở một số quốc gia trên thế giới 11

Bảng 1.5 Hàm lượng KLN trong đất trồng rau ở Vân Nội (Hà Nội) 12

Bảng 2.1 Ký hiệu mẫu đất và nước nghiên cứu lấy ở Tây Tựu 40

Bảng 2.2 Ký hiệu mẫu đất và nước nghiên cứu lấy ở Mê Linh 42

Bảng 2.3 Ký hiệu các mẫu đất lấy nghiên cứu xác định động vật chân khớp bé Collembola 45

Bảng 2.4 Thông tin mẫu đất lấy xác định vi sinh vật đất 46

Bảng 3.1 Chế độ bón phân vô cơ cho 1.000 m2 đất trong 1 năm đối với cây hoa hồng trồng mới 54

Bảng 3.2 Giá trị trung bình hàm lượng của một số KLN trong nước tưới trồng hoa lấy tháng 7 hàng năm ở Tây Tựu 58

Bảng 3.3 Giá trị trung bình hàm lượng của một số KLN trong nước tưới trồng hoa lấy tháng 5 hàng năm ở Tây Tựu 58

Bảng 3.4 Giá trị trung bình hàm lượng của một số KLN trong nước tưới trồng hoa lấy tháng 7 hàng năm ở Mê Linh 59

Bảng 3.5 Giá trị trung bình hàm lượng của một số KLN trong nước tưới trồng hoa lấy tháng 5 hàng năm ở xã Mê Linh 60

Bảng 3.6 Hiện tra ̣ng sử du ̣ng hóa chất BVTV ở Tây Tựu và Mê Linh (tính % theo tổng số 36 hô ̣ dân đã điều tra) 62

Bảng 3.7 Tỉ lệ phần trăm các hô ̣ trồng hoa ở Tây Tựu và Mê Linh tr ả lời các kiến thức hiểu biết về cách sử du ̣ng hóa chất BVTV 63

Bảng 3.8 Sự tồn dư hóa chất BVTV trong lớp đất chuyên canh hoa 0-20 cm vào tháng 5 hàng năm ở Tây Tựu 64

Bảng 3.9 Sự tồn dư hóa chất BVTV trong lớp đất chuyên canh hoa 0-20 cm vào tháng 7 hàng năm ở Tây Tựu 65

Bảng 3.10 Sự tồn dư hóa chất BVTV trong lớp đất chuyên canh hoa 0-20 cm vào tháng 5 hàng năm ở Mê Linh 68

Bảng 3.11 Sự tồn dư hóa chất BVTV trong lớp đất chuyên canh hoa 0-20 cm vào tháng 7 hàng năm ở Mê Linh 69

Bảng 3.12 Hiện tra ̣ng hộ dân sử du ̣ng phân bón ở Tây Tựu và Mê Linh (tính theo % tổng số hô ̣ điều tra) 71

hoa ở Tây Tựu và Mê Linh 72

Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng trung bình của các kim loại nặng trong phân lân của Việt Nam 73

Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm lượng trung bình kim loại nặng trong phân đạm Việt Nam 73

trồng hoa trong một vụ theo yêu cầu kỹ thuậtvà thực tế 74

Bảng 3.17 Kết quả xác định hàm lượng trung bình của các KLN trong một

Bảng 3.18 Kết quả xác định hàm lượng KLN trung bình trong phế thải cây hoa đồng tiền, cây hoa cúc và lá, nụ và hoa hồng ở Tây Tựu và Mê Linh 76

Bảng 3.19 Giá trị trung bình hàm lượng của mô ̣t số kim loa ̣i nă ̣ng da ̣ng tổng số và linh đô ̣ngtrong đất chuyên canh hoa lấy vào tháng 7 hàng năm ở Tây Tựu 78

Bảng 3.20 Giá trị trung bình hàm lượng của mô ̣t số kim loa ̣i nă ̣ng da ̣ng tổng số và linh độngtrong đất chuyên canh hoa lấy tháng 5 hàng năm ở Tây Tựu 79

Bảng 3.21 Giá trị trung bình hàm lượng của mô ̣t số kim loa ̣i nă ̣ng da ̣ng tổng số và linh đô ̣ngtrong đất chuyên canh hoa lấy vào tháng 7 hàng năm ở Mê Linh 83

Bảng 3.22 Giá trị trung bình hàm lượng c ủa mô ̣t số kim loa ̣i nă ̣ng da ̣ng

Tây Tựu và Mê Linh 103

Bảng 3.28 Các băng ưu thế trên gel DGGE của các mẫu đất nghiên cứu 112

Bảng 3.29 Trình tự gen 16S rARN của các loài vi khuẩn ưu thế 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Linh lấy vào tháng 7 hàng năm, lớp đất 0-20 cm 87

Linh lấy vào tháng 5 hàng năm, lớp đất 0-20 cm 88

Tây Tựu (thu mẫu đợt 1) 104

Tây Tựu (thu mẫu đợt 2) 105

Mê Linh (thu mẫu đợt 1) 106

Mê Linh (thu mẫu đợt 2) 107

(dưới) 109

Hình 3.8 Phổ điện di sản phẩm PCR với mồi V3 110

Hình 3.9 Hình ảnh điện di của bảng gel DGGE 111

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là nước có nền sản xuất nông nghiệp lâu đời, nông nghiệp chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, nông dân chiếm trên 70% dân số

cả nước Đặc biệt, trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

và hội nhập Quốc tế thì nông nghiệp và nông thôn nước ta phải phát triển theo xu hướng nông nghiệp bền vững và hội nhập là tất yếu Tuy nhiên, do những áp lực về hiệu quả kinh tế của việc sản xuất nông nghiệp nên tình trạng quản lý và sử dụng không đúng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) đang có xu hướng tăng lên, gây tác hại xấu đến môi trường và sức khoẻ cộng đồng Những năm gần đây việc sử dụng phân bón, chất kích thích sinh trưởng và hóa chất BVTV trong thâm canh sản xuất, đặc biệt trong thâm canh hoa, rau đang có xu hướng gia tăng cả về số lượng lẫn chủng loại Một thực tế hiện nay là việc sử dụng hóa chất BVTV tràn lan, không thể kiểm soát đã và đang gây ảnh hưởng xấu đến môi trường đất, nước, không khí, sức khoẻ con người và môi trường sinh thái

Mặt khác, xã hội đang ngày càng phát triển nên nhu cầu lương thực và làm đẹp cho cuộc sống ngày càng tăng, vì thế nghề trồng hoa trở thành nghề sản xuất chính tại một số vùng chuyên canh ngoại thành Hà Nội nhằm đáp ứng nhu cầu về thú chơi hoa trong nước và xuất khẩu Người dân trong một số vùng đã chuyển đổi

từ trồng lúa sang chuyên canh hoa và nổi lên trong đó có vùng chuyên canh hoa tại phường Tây Tựu, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội và tại xã Mê Linh, huyện Mê Linh,

Hà Nội Trong khoảng 20 năm trở lại đây đã có sự chuyển đổi cơ cấu canh tác nên đến nay kinh tế trong các hộ nông dân tại đây đã hoàn toàn thay đổi, nhiều hộ gia

đình trở thành “triệu phú”, cơ sở hạ tầng được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, sự

chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ lúa sang hoa với mức thâm canh cao đã làm phát sinh những vấn đề môi trường do sử dụng phân bón hóa học, chất kích thích sinh trưởng, hoá chất bảo vệ thực vật quá mức trong thâm canh nhằm tối đa hoá lợi nhuận nên đã và đang ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng môi trường đất, nước, không khí và sức khỏe cộng đồng

Chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt động chuyên canh hoa đến môi trường đất vùng ven đô Hà Nội” nhằm

đánh giá tổng thể tác động của hoạt động chuyên canh hoa đến chất lượng môi trường đất và đề xuất các giải pháp canh tác bền vững cho địa bàn nghiên cứu

Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, hướng tới nền nông nghiệp bền vững cho các vùng ngoại thành Hà Nội nói riêng và ở Việt Nam nói chung

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học cho việc đánh giá một cách chính xác, có hệ thống hơn về tác động của việc chuyên canh cây trồng đến chất lượng môi trường đất (theo chiều hướng tích cực và tiêu cực), những nguy cơ

về ô nhiễm môi trường đất do lạm dụng hóa chất trong nông nghiệp, đặc biệt trên đất trồng các cây trồng có mức thâm canh cao như hoa và rau

Ngoài ra, những kết quả nghiên cứu, kiến nghị và đề xuất của luận án sẽ là

cơ sở khoa học cho việc hoạch định các chính sách về quản lý, quy hoạch và phát triển bền vững nền nông nghiệp hàng hóa chất lượng cao ở Việt Nam nói chung và

ở các vùng ven đô Hà Nội nói riêng

Kết quả nghiên cứu của luận án bổ sung thêm nguồn dữ liệu thực tiễn về việc quản lý và sử dụng hóa chất BVTV, phân bón trong chuyên canh hoa, những tác động của thâm canh hoa đến môi trường đất, nước từ đó giúp người dân hiểu biết và

có ý thức thêm về bảo vệ môi trường nông nghiệp, nông thôn nhằm ổn định sự phát triển kinh tế, an sinh xã hội và bảo vệ môi trường cho các vùng ven đô Hà Nội sau khi mở rộng

3 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu, đánh giá tác động của hoạt động chuyên canh hoa đến chất lượng môi trường đất, đặc biệt thông qua sự đánh giá mức độ tồn dư hoá chất bảo vệ thực vật, kim loại nặng trong môi trường đất và ảnh hưởng của chúng đến khu hệ sinh học đất; trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất chuyên canh hoa vùng nghiên cứu

4 Luận điểm bảo vệ của Luận án

- Hoạt động chuyên canh hoa nếu không tuân thủ theo các yêu cầu kỹ thuật, lạm dụng hóa chất nông nghiệp có thể dẫn đến các tác động tiêu cực tới chất lượng môi trường đất nói chung và tại các vùng trồng hoa ở ngoại thành Hà Nội nói riêng Ảnh hưởng tiêu cực của chuyên canh hoa đến môi trường đất thể hiện qua các khía cạnh sau:

+ Hàm lượng kim loại nặng và hóa chất BVTV trong đất tăng;

+ Giảm hệ sinh vật đất;

+ Giảm độ phì của đất;

+ Đất bạc mầu và khô cằn

- Từ các kết quả nghiên cứu thu được có thể chỉ ra các yếu tố tác động tiêu cực đến hoạt động chuyên canh hoa và đề xuất được các giải pháp tổng hợp nhằm giảm các tác động tiêu cực đến môi trường đất chuyên canh hoa, hướng đến sự phát triển một nền nông nghiệp bền vững cho vùng nghiên cứu nói riêng và cho hoạt động nông nghiệp nói chung ở Việt Nam

5 Đóng góp mới của đề tài

1 Lần đầu tiên đánh giá một cách có hệ thống các yếu tố tác động đến môi trường đất vùng chuyên canh hoa hồng, hoa đồng tiền, hoa cúc tại các ruộng trồng hoa tại phường Tây Tựu và xã Mê Linh (Hà Nội):

- Đã xác định thấy mối liên hệ giữa sử dụng phân bón và vôi cho đất trồng cây hoa với mức độ tích luỹ Cu , Cd, Zn, As, Hg trong môi trường đất Mức độ tích lũy kim loại nặng trong đất chuyên canh hoa giảm dần theo thứ tự đất trồng hoa hồng, đất trồng hoa cúc và hoa đồng tiền, đất trồng rau, đất đối chứng

- Đã xác định có sự liên quan giữa sử dụng hóa chất BVTV trong trồng hoa với sự tích lũy các hóa chất này trong môi trường đất Trong đất chuyên canh hoa có

sự tồn dư nhiều loại hóa chất BVTV như BHC, DDT, DDE… vượt ngưỡng QCVN 15:2008/BTNMT (ở Mê Linh, hàm lượng BHC trong đất trồng hoa hồng vượt 10,4-12,7 lần; ở Tây Tựu, DDT trong đất trồng hoa hồng vượt 1,42-1,65 lần) Sự tích lũy hóa chất BVTV trong đất trồng hoa gi ảm theo dần thứ tự đất trồng hoa hồng, đất trồng hoa cúc và hoa đồng tiền, đất trồng rau, đất đối chứng

2 Đã sử dụng chỉ số đa dạng H’ và chỉ số đồng đều J’ để đánh giá những tác

đô ̣ng của hoạt động chuyên canh hoa ở hai vùng nghiên cứu đến nhóm động vật

chân khớp bé Collembola và đã xác nhận các loài ưu thế vượt trội ở các ruộng trồng hoa riêng biệt ở Tây Tựu là Isotomurus palutris, Cryptopygus thermophilus, Sminthurides bothrium, Isotomurus punctiferus, Cyphoderus javanus; ở Mê Linh là Isotomurus palutris, Cyphoderus javanus, Protaphorura tamdaona Các loài này

giảm dần theo thứ tự: rau, hoa cúc, hoa hồng 2 năm, hoa hồng 6 năm, hoa hồng 4 năm, hoa đồng tiền

3 Lần đầu tiên ứng dụng kỹ thuật điện di trên gel biến tính (DGGE) để đánh giá sự biến động về thành phần loài vi sinh vật đất trong đất chuyên canh hoa cho hai vùng Tây Tựu và Mê Linh Dựa vào trình tự 16S rARN, đã xác định được rằng,

năm trong số sáu loài vi khuẩn chiếm ưu thế của các mẫu đất nghiên cứu (ký hiệu từ B1 đến B5) là các loài chưa được nuôi cấy Chỉ có loài vi khuẩn B6 là loài thuộc chi

Klebsiella đã được công bố với tên gọi là Klebsiella sp Những loài vi khuẩn này

xuất hiện dưới các điều kiện chuyên canh hoa khác nhau là khác nhau

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đất canh tác và nhóm chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất

1.1.1 Đất canh tác

Khi xem xét đất canh tác thường được quan tâm đến tầng đất canh tác Thông thường, tầng canh tác được chia ra 3 mức: > 15 cm: tầng canh tác dày; 15 - 10 cm: tầng canh tác trung bình; < 10 cm: tầng canh tác mỏng

Kết cấu của đất ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất đất, nhất là tính chất vật

lý của đất Nếu đất có cấu tạo hạt kết tốt, đất sẽ tơi xốp, làm đất dễ, hạt dễ mọc, rễ cây dễ phát triển; nước thấm nhanh và được giữ nhiều; đất thoáng khí và đầy đủ oxy cung cấp cho cây và các hệ sinh vật, động vật đất hoạt động; nước và không khí điều hòa, quá trình khoáng hóa và mùn hóa đồng thời xảy ra nên xác hữu cơ biến thành thức ăn đầy đủ cho sinh vật vừa được tích lũy lại trong đất dưới dạng các hợp chất mùn Thành phần cơ giới khác nhau, tỷ trọng đất khác nhau, đất cát có tỷ trọng 2,65 ± 0,01 g/cm3, đất cát pha có tỷ trọng 2,7 ± 0,02 g/cm3, đất thịt có tỷ trọng 2,7 ± 0,02 g/cm3, đất sét có tỷ trọng 2,74 ± 0,03 g/cm3 [14]

Tỷ trọng của đất được quyết định chủ yếu bởi các loại khoáng nguyên sinh, thứ sinh và hàm lượng chất hữu cơ trong đất Nhìn chung do tỷ lệ chất hữu cơ trong đất thường không lớn nên tỷ trọng đất sẽ phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoáng vật của đất, thường dao động khoảng 2,6 - 2,75 Thông qua tỷ trọng đất người ta có thể đưa ra những nhận xét sơ bộ về hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét hay tỷ lệ sắt, nhôm của một số loại đất cụ thể nào đó Đất có hàm lượng mùn rất cao 15 - 20% thì tỷ trọng đất này < 2,4 g/cm3 [14]

1.1.2 Nhóm chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất

+ Dung tích hấp phụ

Dung tích hấp phụ hay dung tích trao đổi cation (CEC) của đất phụ thuộc vào thành phần keo, thành phần cơ giới đất, tỷ lệ SiO2/R2O3 và pH Đất càng nhiều mùn và montmorilonit thì CEC càng lớn; thành phần cơ giới đất càng nặng

thì CEC cũng tăng lên Ở pH = 8,2 thì tùy thuộc vào giá trị CEC được xác định

mà đánh giá mức độ trao đổi của đất thấp hay cao, bảng 1.2 [67]

Bảng 1.2 Giá trị CEC của các loại đất được xác định ở pH = 8,2

TT Mức độ đánh giá CEC (meq/100 g đất)

+ Hàm lượng kim loại nặng trong đất

Đất luôn có chứa một số lượng kim loại nặng (KLN) nhất định [19] Ở Việt Nam, đất sử dụng trong nông nghiệp có qui định ngưỡng giá trị giới hạn cho phép hàm lượng tổng số của một số KLN, theo đó hàm lượng (mg/kg) của Cu là 50, Zn là

200, Pb là 70, As là 12, Cd là 2 [11], Hg là 0,3 [187]

+ Hàm lượng một số chất dinh dưỡng chủ yếu trong đất

Chất hữu cơ là thành phần quan trọng đối với quá trình hình thành đất và tính chất đất; chất hữu cơ và mùn là kho thức ăn cho cây trồng và vi sinh vật, và

có tác dụng duy trì và bảo vệ đất Để đánh giá hàm lượng mùn trong đất người ta thường sử dụng chỉ tiêu hàm lượng chất hữu cơ trong đất (OM), hàm lượng nitơ

tổng số (N), tỷ lệ C/N Hàm lượng OM trong đất được chia thành các mức độ: Rất

cao (>6%), cao (4,3 - 6,0%), trung bình (2,1 - 4,3%), thấp (1,0 - 2,1%), rất thấp (<1,0%) [158]

Tổng các nguyên tố dinh dưỡng trong đất biểu thị khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng từ đất Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng dễ tiêu thể hiện khả năng cung cấp dinh dưỡng tức thời cho thực vật, thông số này quyết định trực tiếp khả năng tồn tại của thực vật đối với các loại đất cụ thể Chỉ tiêu đánh giá hàm

lượng phốt pho tổng số (P2O5 tổng số) được chia thành 3 mức như sau: Giàu: P2O5

tổng số > 0,10%; trung bình: P2O5 tổng số từ 0,06 - 0,10%, nghèo: P2O5 tổng số < 0,06% [12] Hàm lượng của nguyên tố nitơ tổng số trong đất được chia thành các mức: rất cao (> 0,35%), cao (0,22 – 0,35%), trung bình (0,12 - 0,22%), thấp (0,05 - 0,12%), rất thấp (< 0,05%) [67]

Hàm lượng đạm dễ tiêu trong đất bề mặt (30cm) được đánh giá thông qua chỉ tiêu hàm lượng NO3-N được chia thành 3 mức: giàu (> 13,2 mgN/100g đất), cao (8,8 – 13,2 mgN/100g đất), trung bình (4,4 – 8,8 mgN/100g đất), nghèo (< 4,4 mgN/100g đất) [87]

Đối với phốt pho dễ tiêu: Phốt pho tương đối kém linh động trong đất Hàm lượng phốt pho dễ tiêu được đánh giá tùy thuộc vào loại đất và phương pháp chiết tách Thang đánh giá hàm lượng phốt pho dễ tiêu trong 2 loại đất được nêu trong bảng 1.3 [87]

Bảng 1.3 Thang đánh giá hàm lượng phốt pho dễ tiêu trong đất theo các phương pháp chiết tách khác nhau [87]

TT Mức độ đánh giá

P 2 O 5 dễ tiêu (mg/100 g đất) Bray (đất chua) Olsen (đất kiềm)

mức: dư thừa > 800 ppm (> 2,0 meq/100 g đất), cao 250 - 800 ppm (0,6-2,0 meq/100 g đất), trung bình 150 - 250 ppm (0,4- 0,6 meq/100 g đất), thấp < 150 ppm (< 0,4 meq/100 g đất) [87]

1.1.2.2 Một số chỉ tiêu sinh học đất

Tính toán của các nhà khoa học đất cho thấy, trên một ha đất trồng trọt (độ sâu 20 - 30 cm) có 5 - 7 tấn vi khuẩn, 2 - 3 tấn nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh , và 3 - 4 tấn động vật không xương sống (giun, ấu trùng, sâu bọ,

tuyến trùng ) Vì vậy khi đánh giá về sinh học đất, các nhà khoa học đất đã đề xuất các chỉ tiêu về số lượng vi sinh vật trong đất; khả năng nitrat hóa và khả năng cố định đạm trong đất; cường độ phân giải xenlulôzơ, hô hấp của đất, và hoạt tính men của đất

1.2 Ảnh hưởng của hoạt động canh tác nông nghiệp tới chất lượng đất

1.2.1 Ảnh hưởng của quá trình canh tác tới chất hữu cơ trong đất

Khi bón phân hữu cơ sẽ là tăng hàm lượng OM trong đất OM là thành phần quan trọng góp phần làm tăng độ phì của đất, tăng hoạt tính của đất và tăng tính bền vững của cấu trúc đất Nó góp phần làm giảm thiểu tác động tiêu cực của môi trường, và do đó cải thiện chất lượng đất [12] Các nhà khoa học cho rằng dưới ngưỡng 3,4% OM ở đất vùng ôn đới thì suy giảm nghiêm trọng chất lượng đất sẽ xảy ra [113] Khoảng 75% cacbon tích lũy trong lớp trên của thạch quyển được lưu giữ dưới dạng OM [37]

Phần lớn dạng hữu cơ này được phân hủy sinh học một cách nhanh chóng bởi vi sinh vật đất Kết quả của quá trình này là hình thành nhanh chóng của các hợp chất hữu cơ mới và cấu trúc cơ thể vi sinh vật góp phần quan trọng trong việc gắn kết các hạt đất với nhau hình thành cấu trúc đất và hạn chế xói mòn cũng như phát sinh khí CO2 trở lại bầu khí quyển thông qua hô hấp của vi sinh vật và quá trình khoáng hóa [48, 99] Tỷ lệ C hấp thụ trung bình toàn cầu khi thay đổi sử dụng đất từ nông nghiệp sang rừng hoặc đồng cỏ ước tính tương ứng là 33,8 và 33,2

lớn nhất hàm lượng C xảy ra trong 8 cm trên cùng của đất, một lượng nhỏ hơn ở độ sâu 8 đến 15 cm và một lượng không đáng kể C ở dưới 15 cm [96] Họ cũng kết luận rằng, trong đất không có hiện tượng cày xới hàm lượng OM được tích lũy cao hơn so với đất có cày xới, điều đó cũng đồng nghĩa với việc cày làm đất là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm hàm lượng OM trong đất canh tác nông nghiệp Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng trong khoảng thời gian từ 5 đến 20 năm, đất không

so với canh tác thông thường

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự giảm nhanh chóng hàm lượng OM do xáo trộn đất trong thời gian trồng trọt ban đầu Sự suy giảm đáng kể cacbon đất xảy ra trong 5 năm đầu tiên của quá trình trồng trọt, con số có thể lên tới 2.300 kgC/ha trung bình mỗi năm cho tầng đất 0-17 cm Con số của 14 năm sau đó so với 5 năm

là 950 kgC/ha và giữa 50 năm và 14 năm là 290 kgC/ha [111] Theo đó, các tác giả

chỉ ra sự suy giảm OM theo thời gian canh tác, so với hàm lượng OM trong đất không canh tác, tổng mất OM là 17%, 28%, và 55% trong tương ứng 5, 14 và 50 năm canh tác Các nhà khoa học thấy rằng, phần lớn quá trình khoáng hóa như là kết quả của canh tác đất được diễn ra ngay sau khi đất được cày xới và có liên quan trực tiếp đến khối lượng đất bị xáo trộn và độ gồ ghề của bề mặt sau khi cày Và như vậy, hàm lượng OM và tổng N bị giảm ít nhất khi cầy xới đất tối thiểu và tàn

dư sinh khối sau thu hoạch được trả lại [105]

Trồng trọt có thể phá vỡ hoặc kéo dài thời gian đạt cân bằng của vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên thông qua việc làm giảm hàm lượng OM và dẫn đến suy thoái đất, và cuối cùng là làm giảm năng suất của đất Tuy nhiên, bằng cách thay đổi sử dụng đất và hệ thống canh tác hoặc bằng việc áp dụng luân canh bền

canh tác có thể đạt đến trạng thái cân bằng về C mới trong vòng vài thập kỷ Chẳng hạn, khi thay đổi cách sử dụng đất sẽ làm ảnh hưởng tới hàm lượng

OM và N trong đất [121] Do tổng số vi khuẩn trong đất thay đổi, trong lớp đất mặt

hệ độc canh lúa mì lượng C là 533 mg/kg, hệ độc canh ngô chỉ có 350 mg/kg và đối với hệ độc canh đậu tương là 398 mg/kg Do đó, độc canh ngô và đậu tương không chỉ giảm OM và N mà còn dẫn đến sự suy giảm của hoạt động sinh học của đất Các nhà khoa học thấy rằng, 11 năm canh tác liên tục ngô, đậu tương, lúa mì dẫn đến giảm tương ứng 10%, 11% và 5,3% OM, so với hệ luân canh tất cả loại cây trồng nói trên [112]

Do đó, loại cây trồng ảnh hưởng tới OM cũng như chất lượng đất rất mạnh

mẽ trong các hệ độc canh liên tục Những tác động tiêu cực của độc canh nổi bật là nghèo hóa hệ động vật đất; tăng số lượng dịch hại cây trồng; giảm hoạt động của quá trình dehidrogenaza và phốt phát hóa, làm tăng hàm lượng các axit phenolic trong đất

1.2.2 Ảnh hưởng của bón phân tới hàm lượng các nguyên tố trong đất

Bón phân là một trong những hoạt động quan trọng nhất trong sản xuất nông nghiệp, ảnh hưởng của nó trên các chất dinh dưỡng sẵn có trong đất Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, khi sử dụng phân bón bón cho cây trồng sẽ làm tăng đáng kể hàm lượng N, P, K và OM trong lớp đất canh tác so với lớp đất phía dưới [90] Khi sử dụng phân chuồng hoặc phân xanh từ tàn dư của cây trồng thì đã làm

bổ sung một lượng N, P, K đáng kể trong đất canh tác ngô và lúa mì; điều đáng

quan tâm là sản lượng sinh khối thu được ở đây cao hơn, lên tới 50% so với phương thức chỉ bón N, P, K ở lượng lớn Và OM được tăng lên nhiều nhất trong hệ luân canh hàng năm có sử dụng đầy đủ phân bón N và P ở vùng đất bán khô cằn phía tây nam Saskatchewan, Canada [100] Việc sử dụng liên tục N, P, K cộng với phân chuồng để bón cho cây trồng dẫn tới làm tăng đáng kể hàm lượng OM và N so với một khu vực hoang hóa lân cận [167] Với những kết quả nghiên cứu đã nêu, có thể thấy nếu duy trì lớp phủ tàn dư thực vật sau thu hoạch và tăng tỷ lệ lượng phân bón các loại sẽ có thể duy trì được chất lượng đất [35]

Bên cạnh đó các loại phân bón vô cơ, vôi và phân hữu cơ, phân bùn,… có một lượng đáng kể các KLN Thành phần KLN trong phân bón đã nêu trên đã được một số tác giả nghiên cứu Trong số các loại phân nghiên cứu các tác giả chỉ ra rằng phân lân có chứa hàm lượng KLN khá cao

Phân lân là một trong những nguồn đầu vào KLN vào các hệ thống nông nghiệp Quặng phốt phát chứa nhiều nguyên tố KLN với giá trị dao động khoảng 1 -

100 mgCd/kg, 70 - 110 mg Cr/kg, 1 - 1000 mgCu/kg, 0 - 117 mgNi/kg, 0 - 45 mgPb/kg, 4 - 1000 mgZn/kg, 0 - 710 mgF/kg và 8 - 220 mgU/kg [39, 54, 101] Tùy thuộc vào loại quặng và quy trình sản xuất mà phân lân có hàm lượng các KLN khác nhau: 0 - 58,8 mgCd/kg, 10,4 - 72,7 mgCr/kg, 1 - 183 mgCu/kg, 5 - 26,9 mgNi/kg, 0,6 - 30,7 mgPb/kg, 8,8 - 181 mgZn/kg và 39,7 -206 mgU/kg [28, 45,

117, 162]

Hàm lượng KLN có trong quặng phốt phát khác nhau (PR) do vậy nó là tạp chất không thể loại bỏ hoàn toàn khỏi phân lân [46] Kết quả phân tích 20 mẫu phân lân cho kết quả tương tự về hàm lượng các KLN có mặt trong mỗi loại phân sử dụng ở Saudi Arabia [122] Kết quả phân tích hàm lượng Cd trong các mẫu phân lân

sử dụng ở một số quốc gia ở bảng 1.4 cho thấy, phân lân là nguồn gây ô nhiễm Cd nói riêng và KLN nói chung trong đất nông nghiệp [114]

Trong kỹ thuật trồng hoa, để cho cây hoa cứng cáp và mầu hoa đẹp người ta

đã bón một lượng lớn các phân khác nhau, trong đó có một lượng lớn phân lân, vì vậy làm tăng đáng kể hàm lượng KLN trong môi trường đất

Bảng 1.4 Hàm lượng Cd trong các mẫu phân lân sử dụng

ở một số quốc gia trên thế giới

Loại phân: nguồn gốc đá

chứa phophat

Đất nước lấy mẫu (nơi sử dụng trồng thuốc lá)

Cd (mg/kg)

Ghi chú: DAP: Diamon phốt phát, MAP: Monoamon phốt phát

1.2.3 Ảnh hưởng của nước tưới tới hàm lượng các nguyên tố trong đất

Chất lượng nước sử dụng để làm nước tưới được nêu trong tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 39:2011 [8] Hiện nay, một số vùng nông nghiệp sử dụng nước tưới có hàm lượng một số KLN cao hơn tiêu chuẩn cho phép, dẫn đến làm gia tăng hàm lượng các kim loại này trong đất trồng trọt [23]

Chẳng hạn ở Hà Nội, sông Nhuệ được sử dụng để làm nước tưới cho một vùng rộng lớn đất nông nghiệp, trong đó có vùng trồng hoa Tây Tựu Theo các kết quả nghiên cứu giai đo ạn 2011-2012 cho thấy, chất lươ ̣ng nư ớc sông Nhuệ đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, không đáp ứng tiêu chuẩn cho sản xuất nông nghiê ̣p , các thông số phân tích đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép đối với chất lượng nước tưới QCVN 39:2011 Theo đó, Zn (213 mg/l) vượt 106,5 lần, Cu (0,328 mg/l) và Pb (0,045mg/l) gần tới giới hạn ngưỡng cho phép

Với việc sử dụng nước sông Nhuệ để làm nước tưới, hàm lượng Cu và Zn trong các mẫu đất cao hơn lượng tiêu chuẩn cho phép trong QCVN 03:2008 [11] Theo đó, hàm lượng Cu (99,2 mg/kg) và Zn (259,3 mg/kg) vượt quá tiêu chuẩn cho phép cao nhất tương ứng là 1,98 và 1,3 lần

Nghiên cứu về hàm lượng của KLN trong một số khu vực trồng rau của Hà Nội chỉ ra rằng, trừ Hg tổng số ở mẫu VN Đ04 vượt gần 7 lần mức cho phép theo

tiêu chuẩn Hà Lan, còn lại đa số đất của các khu vực này có hàm lượng KLN nằm dưới ngưỡng cho phép; với đất trồng rau tuy nhiên các giá trị này có xu hướng tiệm cận với ngưỡng cho phép và có thể sẽ vượt ngưỡng này nếu hiện trạng canh tác lạm dụng phân hóa học và nguồn nước tưới không kiểm soát của khu vực còn tiếp diễn (bảng 1.5) [17]

Bảng 1.5 Hàm lượng KLN trong đất trồng rau ở Vân Nội (Hà Nội)

Ghi chú: * Theo tiêu chuẩn Hà Lan [187]

Việc tưới nước không hợp lý là nguyên nhân dẫn tới tình trạng tích lũy KLN trong đất nông nghiệp trong thực trạng không quản lý được các nguồn nước sử dụng trong nông nghiệp của nước ta hiện nay Nghiên cứu về ảnh hưởng của nước thải từ

mỏ Cổ Định cho thấy, việc sử dụng nguồn nước này trong nông nghiệp dẫn tới hiện trạng ô nhiễm Cr, Co và Ni với hàm lượng trong đất trồng lúa ở vùng lân cận tương ứng là 5,75, 3,75 và 5,59 mg/kg

Nghiên cứu đất ô nhiễm KLN trong khu vực Thái Nguyên cho thấy đất trong khu vực này có hàm lượng tích lũy cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép

[97] Nguyên nhân chủ yếu do sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu với liều lượng cao trong canh tác của nông dân

1.2.4 Ảnh hưởng của kỹ thuật làm đất đến tính chất hóa lý của đất

Hoạt động làm đất giúp tăng khả năng tiếp cận chất hữu cơ của vi sinh vật đất [36, 50, 55, 106] qua đó tăng quá trình giải phóng N cho đất [102] Các nhà khoa học cho rằng biện pháp lên luống vĩnh cửu kết hợp với giữ lại dư lượng sinh khối sau thu hoạch giúp vi sinh vật đất ổn định hơn, qua đó tăng cường bảo vệ C và

N so với biện pháp cày bừa thông thường [38, 109]

Trồng trọt có lên luống vĩnh cửu (luống đất có khung gỗ bao quanh với đất trồng cao hơn mặt đất bên ngoài) là một kỹ thuật làm giảm sự nhiễm mặn đất trong điều kiện có mưa [169] Kết quả nghiên cứu cho thấy, với kỹ thuật canh tác trên thì hàm lượng Na thấp hơn 2,64 và 1,80 lần tương ứng với tầng đất 0-5 cm và 5-20 cm ở các đất có lên luống vĩnh cửu so với các luống cày cấy thông thường So với làm đất truyền thống, giá trị trao đổi Na của đất Vertisol có tưới tiêu sau chín năm là thấp hơn ở biện pháp canh tác làm đất tối thiểu [88]

Ngược lại, trong trồng lúa thì việc làm đất có xu hướng giảm tích tụ muối trong vùng rễ của lúa: hàm lượng muối tích tụ lớn hơn đã ghi nhận được trên tầng đất mặt trong giai đoạn tăng trưởng cây lúa trên đất canh tác không làm đất so với trên đất canh tác thông thường [183] Và độ dẫn điện của đất (EC) thấp hơn với hệ thống canh tác truyền thống so với hệ thống canh tác không làm đất trong khu vực đất Vertisols ở miền Bắc Mexico [151] Trong một số trường hợp, ảnh hưởng bởi các hoạt động làm đất tới sự tích tụ muối trong các tầng canh tác là không thực sự

rõ ràng [59] Trong lớp đất 5-15 cm, không có sự khác biệt trong đất về độ dẫn điện giữa các phương thức làm đất [60] và lượng Na chiết ra được theo các tầng đất không phụ thuộc vào thực tiễn làm đất, hoặc nếu có thì cũng rất ít bị ảnh hưởng [69]

Tác động của sản xuất nông nghiệp bảo tồn tới tổng hàm lượng N thường phản ánh những quan sát về tổng OM do vòng tuần hoàn N luôn gắn bó chặt chẽ với vòng tuần hoàn C [42] Các nhà khoa học thấy rằng, hàm lượng nitơ tổng số cao hơn đáng kể trong cả hai phương thức canh tác không làm đất và lên luống vĩnh cửu

so với làm đất truyền thống ở vùng cao nguyên miền trung Mexico [31, 76] Đặc biệt, sự gia tăng hàm lượng nitơ tổng số trong đất canh tác với sự gia tăng số lượng rơm rạ được giữ lại trên bề mặt ruộng một cách thường xuyên [76] và một số hệ

sinh thái nông nghiệp khác [32] Như vậy, quá trình hoàn trả sinh khối sau thu hoạch cho đất làm tăng hàm lượng nitơ tổng số một cách rõ rệt trong đất [55, 76] Tuy nhiên, biện pháp canh tác này có thể tăng tính nhạy cảm của đất với quá trình rửa trôi hoặc phản nitrat nếu không có sự phát triển của thực vật để sử dụng các chất dinh dưỡng dễ tiêu tại thời điểm được giải phóng [48, 58, 78] Randall và

hơn khoảng 5% so với biện pháp không làm đất [148] Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng tỷ lệ khoáng hoá N tăng lên khi giảm các biện pháp làm đất: khi canh tác

có làm đất trong 8 năm cho thấy hàm lượng N linh động trong đất không cày bừa lớn hơn trong đất cày bừa thông thường với cây trồng là lúa mì mùa xuân [107] Một nghiên cứu khác cũng cho kết quả tương tự, quá trình khoáng hoá nitơ thường tăng lên trong lớp đất 0-5 cm khi cường độ làm đất giảm xuống [182]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng P có thể chiết rút trong đất thuộc hệ canh tác không làm đất cao hơn trong đất canh tác với các biện pháp làm đất thông thường [59, 60, 62, 68, 69, 81] Điều này rất có lợi cho thực vật khi P là một chất dinh dưỡng có khả năng hòa tan giới hạn, nhưng cũng có thể là một mối đe dọa cho các vấn đề môi trường vì khả năng rửa trôi P hòa tan trong nước chảy sẽ tăng cao [60] Một số nghiên cứu khác cho thấy, sau 20 năm không có cày đất, có thể chiết rút hàm lượng P lớn hơn 42% mức 0-5 cm, nhưng thấp hơn 8-18% ở độ sâu 5-30 cm so với đất cày bừa thông thường [82, 89, 162] Tích tụ P ở tầng mặt đất liên tục không cày bừa đã được nhiều tác giả khẳng định [61, 62, 68, 71, 81] Mặt khác, hàm lượng P cao hơn ở các lớp bề mặt của tất cả các hệ thống canh tác so với các tầng sâu hơn, nhưng nổi bật nhất trong đất không cày bừa [60]

Nhiều nghiên cứu cho thấy, đất không cày bừa có thể duy trì và tăng tính linh động của các chất dinh dưỡng, chẳng hạn như K ở tầng đất gần bề mặt đất nơi có hệ

rễ thực vật hoạt động [70] Biện pháp lên luống vĩnh viễn cho hàm lượng K cao hơn 1,65 lần trong lớp đất 0-5 cm và 1,43 lần trong lớp 5-20 cm so với canh tác lên luống thông thường khi cả hai phương thức canh tác đều kết hợp với sự duy trì tàn dư thực vật trên bề mặt [76] Các nghiên cứu khác đã cho thấy mức độ K có thể chiết rút cao hơn trong tầng đất mặt khi cường độ cày bừa giảm [91, 175], và hàm lượng K tăng trong đất không cày bừa so với đất cày bừa thông thường, nhưng tác dụng này giảm theo độ sâu [59]; và cũng đã quan sát thấy sự tích tụ trên lớp đất bề mặt của K linh động không phụ thuộc vào thực tế cày bừa hay độ sâu của đất [60, 68, 88, 116, 151]

1.2.5 Ảnh hưởng của tàn dư thực vật tới chất lượng đất

Sử dụng tàn dư thực vật như một loại phân bón hữu cơ cho đất đã có tác động đáng kể đến chất lượng đất [55, 57] Sự phân hủy chậm tàn dư thực vật của lớp phủ trên mặt đất có thể giúp giảm thiểu quá trình thẩm thấu các nguyên tố dinh dưỡng qua phẫu diện đất [34, 104] Tuy nhiên, mật độ cao hơn của các khoảng hổng trong đất có thể khiến quá trình thẩm thấu các chất dinh dưỡng hòa tan nhanh hơn

và thấm sâu hơn vào các tầng đất bên dưới tầng canh tác [69, 94]

Mặt khác, phản ứng sinh hóa của đất có thể thay đổi phụ thuộc vào khí hậu, loại đất, hệ thống cây trồng, phương thức sử dụng phân bón tại mỗi hệ sinh thái nông nghiệp và nó chi phối mạnh mẽ tới sự tồn tại và phân bố các chất dinh dưỡng trong đất [138, 146] Ví dụ, mật độ của rễ cây thường lớn hơn ở tầng đất mặt trong

hệ thống canh tác không làm đất so với canh tác truyền thống, điều này có thể dẫn đến sự tích lũy với tỷ lệ lớn các chất dinh dưỡng được đưa lên từ tầng đất bên dưới [115, 144] Như vậy, trong canh tác có sử dụng tàn dư thực vật như là loại phân bón

để bón cho cây trồng có tác động đáng kể đến phân bố và di chuyển chất dinh dưỡng trong đất [55, 57, 66, 70]

Nghiên cứu ảnh hưởng của biện pháp che phủ đất bằng tàn dư cây trồng sau thu hoạch, cho thấy K trao đổi cao hơn trong lớp đất mặt (0-2 cm) trong trường hợp rơm lúa miến được giữ lại so với khi được loại bỏ hoàn toàn [139] Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng, K trong tầng đất 0-20 cm tăng lên đáng kể trong trường hợp giữ lại sinh khối sau thu hoạch trên mặt các luống vĩnh viễn, hiệu ứng này rõ rệt hơn đối với sinh khối lúa mì hơn so với ngô [76] Lượng lớn K được cây trồng hút thu, đặc biệt là cây ngũ cốc và mang khỏi đất đi vào sinh khối Vì vậy việc hoàn trả sinh khối sau thu hoạch có tác dụng như trả lại cho đất một lượng K đáng kể [60] Thành phần của sinh khối tồn dư để lại trên đồng ruộng sẽ ảnh hưởng đến sự phân hủy của chúng [57, 143] Tỷ lệ C/N là một trong những tiêu chí thường được

sử dụng để đánh giá chất lượng của sinh khối tồn dư [79, 129, 177], cùng với hàm lượng N, lignin, chất poliphenol và hàm lượng C hòa tan [123, 149, 169] Trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, hàm lượng N vô cơ từ khí quyển hoặc trong đất có thể được cố định bởi các vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy [184] Đặc biệt là khi các chất hữu cơ có tỷ lệ C/N lớn được thêm vào đất Các nhà khoa học phát hiện

ra rằng, N tổng số trong đất có tương quan đáng kể đến khả năng phân hủy sinh khối hữu cơ và tỷ lệ C/N của tàn dư sinh khối được bổ sung vào đất [103, 138]

Trong khi một số loài thực vật thường được sử dụng như cây che phủ có hàm lượng N và P tương đối cao thì tàn dư cây trồng thường có hàm lượng N rất thấp (khoảng 1%) và hàm lượng P (khoảng 0,1%) [132] Tàn dư cây trồng thường có hàm lượng lignin và poliphenol cao, do đó các tồn dư thực vật thường đóng vai trò quan trọng trong góp phần hình thành SOM hơn là vai trò của nguồn dinh dưỡng vô

cơ cho cây trồng [57, 131] Bên cạnh đó tàn dư thực vật còn có chứa một số các kim loại nặng ở lượng thấp, nó được coi như là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng vi lượng cho đất và cây trồng

Một phương thức khác sử dụng tàn dư thực vật làm phân bón dưới dạng đốt các tàn dư này Những báo cáo về biện pháp đốt tàn dư sinh khối sau thu hoạch cho thấy, điều này có thể tăng lượng dinh dưỡng dễ tiêu một cách tức thời trong tầng đất mặt cho cây trồng hút thu [59] Tuy nhiên, đốt tàn dư cây trồng không được coi là một hình thức bền vững do các tác động tiêu cực tới tính chất vật lý đất, đặc biệt là khi quá trình này được kết hợp với các biện pháp giảm làm đất trước khi gieo trồng [110]

1.2.6 Ảnh hưởng khi sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật đến hệ sinh vật đất

1.2.6.1 Ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật trong đất canh tác

Việc sử dụng hóa chất BVTV trong canh tác nông nghiệp sẽ dẫn đến làm ô nhiễm môi trường đất bởi các hóa chất này Tùy thuộc vào loại hóa chất BVTV mà đất có thể bị nhiễm các chất ở dạng hữu cơ và KLN hoặc cả hai loại này Đất bị ô nhiễm hóa chất BVTV gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng đất và gây ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Vì vậy, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều quy định ngưỡng giá trị cho phép hàm lượng hóa chất BVTV trong môi trường đất Việt Nam đã có quy định ngưỡng hàm lượng hóa chất BVTV cho phép trong môi trường đất [10] Đặc điểm khác nhau của mỗi hệ canh tác nông nghiệp yêu cầu sử dụng một

số loại hóa chất BVTV khác nhau trong công tác phòng chống dịch hại, và vì thế đặc thù tích lũy các dạng hóa chất này trong đất ở mỗi khu vực là hoàn toàn khác nhau Hóa chất BVTV và policlobiphenyl (PCBs) là những hóa chất phổ biến và có thể tồn tại trong đất trong nhiều thập kỷ [89, 160] Do đặc điểm kị nước, bền vững sinh học và bền vững trước các tác nhân lý hóa cao đã giúp nhóm hóa chất này tích lũy trong đất, trầm tích, sinh vật lâu hơn [53, 80, 134, 161]

Nghiên cứu tại hai khu vực nông nghiệp Alau Dam và Gongulong thuộc Bang Borno của Nigeria cho thấy, dư lượng hóa chất BVTV dạng phốt pho hữu cơ

(dichlorvos, diazinon, chlorpyrifos và fenitrothion) đã được phát hiện trong tất cả các mẫu đất nghiên cứu Nồng độ tất cả các loại hóa chất BVTV ở độ sâu 21 - 30

cm trong các mẫu đất cao hơn ở độ sâu 0 - 10 cm; và đều cao hơn nhiều lần so với giới hạn cho phép của Liên minh châu Âu [29]

Khi so sánh hàm lượng DDT trong đất của các khu vực canh tác nông nghiệp khác nhau ở Trung Quốc đã nhận thấy, mẫu đất có hàm lượng DDT cao thường tập trung vào các mẫu từ các huyện Hannan và Xinzhou, nơi có rất nhiều các hoạt động nông nghiệp có lịch sử canh tác lâu đời [145] Khi phân tích các mẫu đất thuộc độ sâu 5, 10, 30 và 50 cm ở các khu vực canh tác thuộc Tanzania sau 5 - 14 năm, các nhà khoa học chỉ ra rằng, hóa chất BVTV được tập trung chủ yếu ở tầng sâu 0 - 10 cm

Kết quả nghiên cứu trên đất nông nghiệp thâm canh ở phía Bắc Ấn Độ về hàm lượng hóa chất BVTV cho thấy, 4,27% trong tổng số 49 mẫu đất phát hiện có dư lượng của DDT và 100% số mẫu đất có ô nhiễm chất hữu cơ bền (OCPs) là lindan, aldrin, endrin, dieldrin, p,p’-DDE, p,p’-DDD, p,p’-DDT [41]

Ở Việt Nam, các loại hóa chất BVTV đã được sử dụng từ những năm 50 -

60 của Thế kỷ trước để phòng trừ các loại dịch bệnh khác nhau Từ năm 1957 đến

1980, hóa chất BVTV được sử dụng khoảng 100 tấn/năm Những năm gần đây việc sử dụng hóa chất BVTV đã tăng đáng kể cả về khối lượng lẫn chủng loại Vào các năm cuối của thập kỷ 80, lượng hóa chất BVTV sử dụng là 10.000 tấn/năm; các năm của thập kỷ 90, lượng hóa chất BVTV sử dụng đã tăng lên gấp đôi (21.600 tấn/năm vào năm 1990), tăng gấp ba (33.000 tấn/năm vào năm 1995); đến năm 2012 là 55.000 tấn, năm 2013 là 112.000 tấn [188]

1.2.6.2 Ảnh hưởng của hóa chất bảo vệ thực vật đến hệ sinh vật đất

Trong những năm gần đây thuốc hóa học đã được sử dụng nhiều và đã góp phần quan trọng trong việc bảo vệ cây trồng, đẩy mạnh sản xuất Tuy nhiên việc sử dụng thuốc hóa học với số lượng lớn, liên tục đã biểu hiện các mặt trái của nó như: tiêu diệt nhiều thiên địch, nhiều loại vi sinh vật có ích, tích lũy chất độc trong nông sản, gây ô nhiễm môi trường đất do tồn lưu trong đất… Tác động của mỗi loại thuốc hóa học đến hệ vi sinh vật đất là khác nhau tùy thuộc vào loại thuốc, nồng độ

sử dụng, phương pháp sử dụng…

Thuốc trừ sâu: Thuốc trừ sâu thường được chứng minh là có một tác

dụng trực tiếp đến hệ sinh vật đất lớn hơn so với thuốc diệt cỏ Các thuốc trừ sâu

lân hữu cơ (chlorpyrifos, quinalphos, dimethoate, diazinon và malathion) có một loạt các ảnh hưởng bao gồm những thay đổi về số lượng vi khuẩn và nấm trong đất [135] và các enzym đất [120] cũng như làm giảm mật độ động vật chân khớp

bé Collembola [64] và sinh sản của giun đất [133] Thuốc trừ sâu carbamat

(carbaryl, carbofuran và methiocarb) đã có một loạt các ảnh hưởng đến hệ sinh vật đất kể cả việc làm giảm đáng kể hoạt tính acetylcholinesterase ở giun đất [135], ảnh hưởng phối hợp đến enzym đất [154] Các hợp chất khó phân hủy bao gồm asen, DDT và lindan gây ra ảnh hưởng lâu dài, bao gồm giảm hoạt động của

vi sinh vật [176], giảm sinh khối vi sinh vật và làm giảm đáng kể hoạt tính của enzym đất

Thuốc diệt cỏ: Thuốc diệt cỏ nói chung không có ảnh hưởng lớn đến hệ sinh

vật đất, ngoại trừ butachlor mà được chứng minh là rất độc đối với giun đất khi sử dụng trong nông nghiệp [133] Tuy nhiên các nghiên cứu cho thấy butachlor ít ảnh hưởng đến hoạt động của enzym acetylcholinesterase Phendimedipham đã gây ra

hành vi né tránh ở giun đất [30] và Collembola [85] Các ảnh hưởng này được là

tương đối ngắn bởi vì phendimedipham bị phân hủy tương đối nhanh trong đất (thời gian bán phân hủy là 25 ngày) Các ảnh hưởng khác của thuốc diệt cỏ đến sinh vật đất chủ yếu là những thay đổi về hoạt động enzym Thuốc diệt trừ cỏ dại ức chế các loại enzym thường gặp trong đất do đó ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của đất Tuy vậy thuốc diệt trừ cỏ dại nếu phun với nồng độ loãng có thể kích thích sự sinh trưởng, phát triển của một số vi sinh vật nhất là vi khuẩn amoni hóa Trong lúc đại đa số bị ức chế bởi các thuốc trừ sâu, diệt cỏ thì trong đất thường cũng có một số vi sinh vật có khả năng tiếp xúc và phân giải chất độc và sử dụng, biến chúng thành những chất khác nhau và làm giảm tính độc của chúng

Thuốc diệt nấm: Thuốc diệt nấm nói chung có tác động lớn hơn đến hệ sinh

vật đất so với thuốc diệt cỏ hay thuốc trừ sâu Bởi vì các hóa chất này được sử dụng

để kiểm soát bệnh nấm nên chúng cũng sẽ ảnh hưởng đến nấm đất có lợi và các sinh vật đất khác Tác động tiêu cực rất đáng kể được nhận thấy ở thuốc diệt nấm chứa

Cu gây giảm lâu dài số lượng giun đất trong đất Những tác động tiêu cực này có thể sẽ kéo dài trong nhiều năm bởi Cu tích tụ trong đất bề mặt và không dễ tuân theo cơ chế tiêu tán như là phân hủy sinh học Các tác động tiêu cực cũng đã được nhận thấy đối với benomyl, đó là làm giảm lâu dài sự hình thành các quan hệ cộng sinh nấm rễ Hai thuốc diệt nấm, clorotalonil và azoxystrobin, gần đây đã được

chứng minh là có ảnh hưởng đến một tác nhân kiểm soát sinh học mà được sử dụng

để kiểm soát bệnh héo do nấm Fusarium, điều này đã minh họa sự không tương thích có thể có giữa các thuốc bảo vệ thực vật hóa học và sinh học

1.2.7 Ảnh hưởng của nước tưới và bón phân đến hệ sinh vật đất

1.2.7.1 Ảnh hưởng của nước tưới

Đất úng nước được thoát nước, đất bị hạn được tưới nước là biện pháp canh tác có ý nghĩa đối với cải tạo tính chất lý, hóa đất, làm thay đổi chế độ thoáng khí, phản ứng môi trường, điện thế hóa khử trong đất Do đó tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng và vi sinh vật đất phát triển Đại bộ phận các loại vi khuẩn có ích như vi khuẩn cố định nitơ, vi khuẩn nitrate hóa, vi khuẩn amon hóa urê, vi khuẩn phân giải cellulozơ, vi khuẩn phân giải các hợp chất hữu cơ… phát triển mạnh ở độ ẩm 60-80% Độ ẩm quá thấp (<10%) hoặc quá cao (bão hòa) đều không có lợi cho hoạt động của chúng Các nghiên cứu đã cho thấy vai trò của nước trong thâm canh cây trồng và cải thiện hệ vi sinh vật trong đất bạc màu

1.2.7.2 Ảnh hưởng của phân bón

Bón các loại phân vô cơ và hữu cơ vào đất sẽ phát huy tác dụng nhanh hay chậm, nhiều hay ít phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật đất Ngược lại, phân bón có tác dụng tốt tăng cường số lượng và hoạt tính vi sinh vật đất Tùy theo loại phân, liều lượng bón và phương pháp bón mà ảnh hưởng đến hệ sinh vật đất khác nhau

+ Phân vô cơ: Bón phân hóa học một cách hợp lý có ảnh hưởng tốt đến sự

phát triển vi sinh vật đất Các nguyên tố N, P, K, Ca, vi lượng rất cần thiết đối với vi sinh vật và chúng đòi hỏi các nguyên tố theo một tỉ lệ nhất định Cũng chính vì vậy bón phân phối hợp phân hữu cơ và vô cơ, hay bón cân đối giữa các loại phân vô cơ

có tác dụng kích thích sự phát triển của vi sinh vật mạnh hơn bón từng loại riêng rẽ Bón phối hợp phân vô cơ với phân chuồng và rơm rạ làm cho các loại hình vi sinh

vật có ích Azotobactor, vi khuẩn nitrat hóa, phân giải cellulozơ tăng hơn 3-4 lần so

với bón phân khoáng đơn thuần Phân chuồng và rơm rạ còn có tác dụng hạn chế vi khuẩn phản nitrat hóa do đó hạn chế sự mất đạm trong đất Khi trong đất chứa nhiều xác hữu cơ chưa phân giải, hoặc bón khối lượng lớn phân xanh thì tăng cường số lượng phân khoáng có tác dụng thúc đẩy hoạt động phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật đất Trường hợp đất chua, chua mặn, nghèo chất dinh dưỡng, nếu sử dụng

phân khoáng liều cao một cách liên tục sẽ làm tăng độ chua, tăng nồng độ muối, phá hủy kết cấu đất nên số lượng vi sinh vật giảm xuống Bón vôi có tác dụng cải thiện tính chất lý, hóa đất, tăng cường hoạt động của vi sinh vật một cách rõ rệt Trên những đất chua bạc màu rất cần thiết bón vôi Nó tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều

loại vi sinh vật như vi khuẩn cố định nitơ sống tự do Azotobactor, vi khuẩn nitrat

hóa Xạ khuẩn chỉ có thể phát triển dễ dàng khi đất chua nghèo dinh dưỡng được bón vôi nhiều vụ

Nhiều thí nghiệm đồng ruộng đã cho thấy thiếu một sự đáp ứng của sinh khối

vi sinh vật và giun đất với phân khoáng ngay cả trong trường hợp sinh khối đồng cỏ tăng lên [140, 156] Trường hợp sinh khối C của vi sinh vật được nhận thấy thường

đi kèm với sự giảm pH đất sau khi bón phân N [155] Các phương pháp khác như đếm số lượng vi sinh vật trên thạch đĩa [155], xác định hoạt động enzym [77] và đếm số lượng giun tròn [137] mà có thể nhạy cảm hơn so với xác định sinh khối vi sinh vật đã cho thấy những biến đổi do việc bón phân khoáng Ví dụ, mặc dù tổng

số giun tròn không bị ảnh hưởng bởi bón phân N và đồng thời pH giảm nhưng một

số loài giun tròn tăng lên trong khi những loài khác lại giảm [155]

Một số lượng hoặc hoạt động của sinh vật đất giảm sau khi bón phân khoáng

có thể là do độc tính của KLN ô nhiễm trong các phân khoáng Nói chung, phân bón

N và K có chứa hàm lượng rất thấp các chất gây ô nhiễm, trong khi phân bón P thường chứa một lượng đáng kể Cd, Hg và Pb [119] Ngộ độc mãn tính lâu dài do

sự tích lũy dần dần các KLN dường như phổ biến hơn so với ngộ độc tính tức thời, cấp tính [73] Việc ứng dụng các nguyên tố đất hiếm như lantan đang gia tăng ở Trung Quốc đã được chứng minh làm giảm hô hấp đất và hoạt tính dehidrogenaza khi tỉ lệ ứng dụng cao [49] Những phát hiện như thể đã khuyến cáo cho việc điều tra quá trình tích lũy, khả năng sinh khả dụng và ngưỡng của các nguyên tố có trong phân bón mà có thể độc hại cho sinh vật đất

+ Phân hữu cơ: Vì hầu hết các loại phân bón hữu cơ là các sản phẩm chất

thải, tỷ lệ sử dụng chúng thường được quyết định bởi tính sẵn có hơn là nhu cầu Hầu hết việc bón phân hữu cơ chủ yếu để mang lại lợi ích tăng trưởng thực vật Tuy nhiên so với phân khoáng, các ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất của việc bón phân hữu cơ cũng được quan tâm nghiên cứu

Các loại phân hữu cơ như phân chuồng, phân xanh, bùn ao, rơm rạ… là nguồn dinh dưỡng đối với cây trồng và là nhân tố ảnh hưởng tốt đến thành phần cơ

giới, kết cấu, độ ẩm, chế độ nhiệt, chế độ không khí trong đất Ngoài ra trong phân hữu cơ chứa sẵn một khối lượng rất lớn vi sinh vật (hàng chục tỷ tế bào trong một gam phân) Vì vậy, đất được bón phân hữu cơ thì số lượng và cường độ hoạt động của nhiều loại vi sinh vật tăng lên một cách đáng kể Kết quả một số nghiên cứu đã cho thấy bón phân chuồng, phân xanh đã làm tăng vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn phân giải cellulozơ, vi khuẩn phân giải protein, vi khuẩn có nha bào, nguyên sinh động vật Riêng vi khuẩn yếm khí, xạ khuẩn thì bị ức chế khi sử dụng lượng phân xanh cao Tác động khác đối với vi sinh vật của các phân hữu cơ chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ C/N của chúng Những loại phân hữu cơ có tỷ lệ đạm cao như cây phân xanh họ đậu, phân chuồng có tác dụng kích thích vi sinh vật phát triển mạnh Trái lại những phân hữu cơ như rơm rạ, cỏ khô, tỷ lệ chất xơ cao, thời gian đầu có tác dụng ức chế vi sinh vật Phân hữu cơ bón liều lượng khác nhau trong các điều kiện khác nhau sẽ ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật và cây trồng khác nhau Bùn thải (chất rắn sinh học) thường có chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Cd KLN có thể ảnh hưởng đến các quá trình vi sinh vật hơn là đến động vật đất hoặc cây trồng trên cùng đất đó Phân bùn và phân gia súc cũng có thể chứa dư lượng của các chất được

sử dụng để điều trị hoặc chữa bệnh ở người và động vật [92] Phân xanh thường chứa hàm lượng chất dinh dưỡng thấp hơn hơn so với phân chuồng hoặc phân bùn, nhưng có thể chứa dư lượng của các hợp chất tổng hợp như thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm và chất điều hòa sinh trưởng thực vật Quá trình ủ hiếu khí có thể là điều kiện phân hủy một số hợp chất này, tùy thuộc vào bản chất của các thuốc trừ sâu và điều kiện ủ [44] Kim loại tồn tại lâu dài trong đất sẽ gây tác động tiêu cực đến môi trường và có thể kéo dài trong nhiều năm sau khi dừng bón phân [26,

73, 119] Những phát hiện này khuyến cáo đảm bảo các quy định nghiêm ngặt về chất lượng phân bón hữu cơ và liều lượng sử dụng, đặc biệt là các sản phẩm chất thải như bùn thải và chất rắn sinh học, nhằm giảm thiểu ô nhiễm đất nông nghiệp bởi các kim loại độc hại

1.2.7.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm vi sinh vật vào đất

Việc bổ sung các chế phẩm vi sinh vật tự nhiên hay được biến đổi di truyền

có thể được phân chia theo đặc tính của chúng: (i) tồn tại chính trong môi trường đất của chúng (bản địa), (ii) cư trú trong vùng rễ, (iii) hình thành các mối quan hệ cộng sinh với thực vật, hoặc (iv) thúc đẩy hoạt động của vi sinh vật trên bề mặt lá hoặc rơm Để đạt được hiệu quả mong muốn trên đồng ruộng, các sinh vật được cấy vào không chỉ phải tồn tại mà còn phải tự thiết lập và chiếm ưu thế trong đất hoặc

vùng rễ Sự sống còn phụ thuộc trước hết vào chất lượng của chính các vi sinh vật trong chế phẩm, ví dụ: độ tinh sạch, số lượng tế bào sống, mức độ lây nhiễm và mức độ tạp nhiễm [95] Thứ hai, việc thiết lập và phát triển của các vi sinh vật được cấy vào trong môi trường đất được xác định bởi nhiều yếu tố thổ nhưỡng và khí hậu, sự hiện diện của sinh vật chủ (đối với trường hợp cộng sinh và ký sinh) và quan trọng nhất là bởi các tương tác cạnh tranh với các vi sinh vật khác và hệ động vật đất [118] Vì vậy, ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm vi sinh vật đến hệ sinh vật đất bản địa có thể là do tác động bổ sung trực tiếp và các tương tác với sinh vật đất bản địa, hoặc do tác động gián tiếp thông qua việc tăng cường sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Các ảnh hưởng tích cực của các chế phẩm vi sinh vật đến sinh khối vi sinh vật trong đất có thể ngắn ngủi [98], và việc tăng sinh khối hoặc hoạt động thậm chí có thể là do quần thể bản địa ăn các vi sinh vật mới được thêm vào [36] Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm vi sinh vật đang ngày càng tập trung vào việc cấy phối hợp bởi một vài chủng hoặc hỗn hợp chủng mà có các hiệu quả bổ sung Ví dụ là việc sử dụng các vi khuẩn hòa tan lân khó tan để tăng lượng P dễ tiêu cùng với nấm rễ mà thúc đẩy hút thu P vào thực vật [51, 98] đã phát hiện một sự giảm đáng kể số lượng các xạ khuẩn ký sinh bản địa khi bổ sung vào đất một sản phẩm đa chủng thương mại so với sự không thay đổi tính đa dạng sau khi bổ sung vào đất với một loài duy nhất Thử nghiệm bón vào đất chế phẩm “vi sinh vật hữu hiệu” - một sự kết hợp độc quyền của các vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn axit lactic

và nấm men- cho thấy đã thúc đẩy sinh khối vi sinh vật đất, sinh trưởng cây trồng

và chất lượng đất [47] Sự tương tác của các chế phẩm vi sinh vật với các sinh vật đất bản địa có thể sẽ phức tạp và việc hiểu rõ các cơ chế này là cần thiết để dự đoán hiệu quả ngắn hạn và dài hạn

Một trong những chỉ thị được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của hoạt động canh tác tới tính chất sinh học đất là các nhóm động vật không xương sống Đặc điểm của nhóm động vật này là di chuyển kém nhưng có tính ổn định, bền vững ngay

cả khi hệ sinh thái có những điều kiện bất lợi Nghiên cứu của Krivolutski đã cho thấy có thể dựa vào động vật đất để đánh giá mức độ tác động của con người đến sinh cảnh, lớp thổ nhưỡng bề mặt [20]

Trong số các loại động vật đất, bọ đuôi bật Collembola là thành viên tham

gia tích cực vào các quá trình sinh học của đất Bọ đuôi bật cư trú rộng trên khắp bề mặt Trái đất và liên quan đến tất cả các kiểu đất, các kiểu thảm thực vật Chúng thường sinh sống chủ yếu ở lớp thảm vụn hữu cơ trên bề mặt đất (thảm lá rừng,

thảm cỏ, thân cây mục, bãi phân gia súc…) Bọ đuôi bật có thể sống trong những điều kiện cực kỳ bất lợi của môi trường sống và thích ứng với nhiều chế độ đất khác nhau Một số nghiên cứu cho thấy, bọ đuôi bật không chỉ là nhân tố đầu tiên phân huỷ lớp thảm thực vật mà còn là nhân tố thứ hai phân huỷ dựa trên sự phân huỷ của các nhóm động vật khác như giun đất, động vật nhiều chân… làm tăng lượng chất mùn được tạo thành Bọ đuôi bật hô hấp bằng da nên rất nhạy cảm với độ ẩm không khí xung quanh, thể hiện qua sự biến đổi theo mùa hay sự phân bố của loài này hoặc loài khác Trong đó, có nhiều loài có tính chịu hạn cao hơn và có khả năng thích ứng được với mức độ nào đó dưới những tác động khô hạn của môi trường Sự tồn

tại, sự phát triển cũng như sự đa dạng của Collembolla chịu tác động rất lớn bởi đất

nhiễm axit, sự biến đổi khí hậu toàn cầu, các kỹ thuật canh tác đất sử dụng trong nông nghiệp, các nhân tố gây ức chế (stress) trong các thành phố, đô thị [83, 128, 165] Bên cạnh giun đất, bọ đuôi bật được xem là một trong số các nhóm sinh vật điển hình để nghiên cứu những nguyên tắc của sự hình thành quần xã và giới hạn sinh thái bền vững của quần thể dưới áp lực đô thị hóa

Nhóm chân khớp bé Microarthropoda, vớ i kích thước cơ thể nhỏ bé (0,1-0,2 đến 2-3 mm) thường chiếm ưu thế hơn về số lượng so với các nhóm khác trong cấu trúc hệ động vật đất Vì vậy, chúng là đối tượng được chú ý trong các nghiên cứu chỉ thị đặc tính chất lý hóa của môi trường đất ở mức đô ̣ tâ ̣p hợp các loài và mối tương quan số lươ ̣ng giữa các thành phần nhóm loài thể hiện sự đă ̣c trưng đối với từng loại đất [63, 107, 136, 166, 180]

Cấu trúc quần xã chân khớp bé ở đất thường có những phản ứng nhạy cảm

và rõ rệt đối với những thay đổi bất kỳ của điều kiê ̣n môi trường sống dù là nh ỏ bé [52, 63] Việc lựa chọn bọ đuôi bật làm sinh vật chỉ thị sinh học đã được nhiều học giả quan tâm, nghiên cứu phục vụ các mục đích bảo vệ thiên nhiên và sự trong sạch của môi trường đất [18, 50, 136, 178]

Trong đất đồng cỏ và chăn nuôi gia súc, nhóm bọ đuôi bật sống trên bề mặt giảm, số lượng cá thể thấp Đất có nhiều phân hữu cơ thì sự sinh sản của bọ đuôi bật tăng hơn rất nhiều so với số lượng của chúng trong đất bón phân vô cơ Trong tiến trình phân huỷ vụn hữu cơ có các đại diện khác nhau của bọ đuôi bật ở các giai đoạn khác nhau Mỗi sinh cảnh được đặc trưng bởi một loài hay một nhóm loài ưu thế và phạm vi của những dạng ưu thế tiềm tàng, do sự biến đổi các điều kiện sống theo mùa có thể làm thay đổi tỷ lệ số lượng các loài Các dạng sống của bọ đuôi bật

phản ánh một hệ thống thành thục của sự thích ứng hình thái trong quá trình tiến hoá đối với môi trường sống ở lớp thảm và đất Do đó, sự cư trú của bọ đuôi bật như một chỉ thị cho điều kiện của đất và là chỉ thị sinh học tốt cho trạng thái cơ chất đang phân huỷ [165]

Nhóm chân khớp bé cũng là đối tượng chịu tác động trong quá trình canh tác nông nghiệp Việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu có tác động nhất định tới một số loài chân khớp bé Trong chừng mực nào đó việc bón phân sẽ làm gia tăng một số loài của bọ đuôi bật ưa thích loại phân bón đó Ngoài ra việc nghiên cứu về phân huỷ phế phụ phẩm hữu cơ cho phép đánh giá được một số thông số sinh học của đất, như: mất lớp thảm (tỷ lệ phân huỷ), ảnh hưởng của chất lượng lớp thảm đến tỷ

lệ phân huỷ, đánh giá mối tương tác với động vật đất và vi sinh vật trong phân huỷ thảm, đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố vô sinh đến phân huỷ lớp thảm như nhiệt

độ, pH,… [72]

Rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các nhân tố vô sinh, hữu sinh, con người đến bọ đuôi bật Có mối tương quan rõ được quan sát thấy giữa quần thể bọ đuôi bật với lượng nước, loại hình thảm thực vật, vật chất hữu cơ, cácbon hữu cơ và nitơ tổng số trong đất Trong các kết quả nghiên cứu về mối liên quan giữa bọ đuôi bật với các hoạt động canh tác nông nghiệp của con người cho thấy, các loài bọ đuôi bật thay đổi do khả năng và cách thức chúng phản ứng với những thay đổi của môi trường vô sinh (abiotic), cũng như những thay đổi dưới ảnh hưởng của hoạt động của con người qua những phân tích về loài phổ biến và phần trăm giá trị đóng góp của loài [139]

Các nhà khoa học cũng đã nhận thấy ảnh hưởng của mùa vụ cây trồng đến thành phần loài bọ đuôi bật bề mặt [71] và cho thấy độ phong phú và thành phần loài của bọ đuôi bật biến đổi khác nhau tuỳ thuộc vào loại cây trồng, tuỳ loại đất, và sự luân phiên mùa vụ cây trồng, v.v Các tác giả cũng đưa ra tập hợp các loài ưu thế ở

các điểm thí nghiệm, đó là Sminthurinus elegans (22%), Sminthurus viridis (20%), Isotoma viridis (20%), Lepidocyrtus spp (15%) và Entomobrya multifasciata (6%), Deuterosminthurus spp (5%), Pseudosinella alba (4%), Isotomurus spp (2%) Do

vậy, chỉ một số loài có tính chuyên hoá cao, thích nghi được với điều kiện biệt hoá mới tồn tại được ở những môi trường nhất định [147] Trong nghiên cứu sinh thái học chỉ thị, việc xuất hiện sự ưu thế bất thường trong cấu trúc quần xã động vật được xem xét như một chỉ số xác định mức độ thoái hoá của môi trường đất [13]

1.3 Kỹ thuật điện di gel biến tính trong nghiên cứu sự biến động thành phần loài của hệ vi sinh vật đất

1.3.1 Phương pháp “dấu vân tay” phân tích quần xã vi sinh vật đất

Sự hiểu biết và kiến thức về thành phần cấu trúc và động thái của các quần

xã vi sinh vật đã bị giới hạn trong một thời gian dài bởi chỉ một phần nhỏ các quần thể vi sinh vật là có thể phù hợp với các kỹ thuật nuôi cấy truyền thống Ước tính chỉ 20% vi khuẩn sống trong tự nhiên được phân lập và đặc tính hóa [181], thậm chí chỉ khoảng 1-10% là có thể nuôi cấy trong trong phòng thí nghiệm [86] Các phương pháp nuôi cấy làm giàu một cách chọn lọc đã thất bại khi bắt chước các điều kiện mà các vi sinh vật cụ thể đòi hỏi cho sự sinh trưởng, phát triển trong môi trường sống tự nhiên của chúng

Trong hai thập kỷ qua, các phương pháp được sử dụng để mô tả sự đa dạng của các quần xã vi sinh vật trong đất đã trải qua một sự thay đổi từ các phương pháp dựa vào việc nuôi cấy đến các phương pháp toàn diện hơn không phụ thuộc vào nuôi cấy Hầu hết các phương pháp phân tử gần đây dựa vào việc phân tích các axit nucleic được chiết tách từ các mẫu môi trường Trong sinh thái vi sinh vật đất, các ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, thời gian hoặc sự đáp ứng với các điều kiện thí nghiệm cụ thể của các quần xã vi sinh vật chỉ có thể được phân tích một cách hiệu quả nếu sử dụng các phương pháp hướng đến sự phân biệt cấu trúc giữa các quần xã toàn vẹn So với việc nhân dòng và xác định trình tự rất mất công sức, tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí cao nếu chỉ một vài mẫu được phân tích cùng một lúc của một số phương pháp phân tử khác thì phương pháp “dấu vân tay” cung cấp một

kỹ thuật phân tích nhanh chóng, thực hiện cùng một lúc nhiều mẫu và có thể lặp lại được mặc dù vẫn còn một số hạn chế về độ phân giải [125, 130] Phần lớn các phương pháp “dấu vân tay” dựa vào các kỹ thuật sinh học phân tử với việc sử dụng ADN hoặc ARN đã được tách chiết, thực hiện phản ứng khuếch đại (PCR)

và theo sau là kỹ thuật điện di Trong số các phương pháp “dấu vân tay” hiện đang được sử dụng để so sánh sự biến động của các quần xã vi sinh vật theo không gian

và thời gian ở một phạm vi rộng của các môi trường khác nhau, kỹ thuật điện di biến tính (DGGE) dựa vào sự khác nhau trong đặc tính tan chảy của các phân tử ADN sợi đôi được sử dụng rộng rãi nhất Điều quan trọng là sau đó nó cho phép một định danh của ít nhất một loài ưu thế nhất trong quần xã vi sinh vật Chính vì thế DGGE được xem là một phương pháp chuẩn trong nghiên cứu sinh thái vi sinh phân tử môi trường

1.3.2 Kỹ thuật phân tích DGGE

Trước hết kỹ thuật DGGE được sử dụng trong các nghiên cứu y học và chẩn đoán để xác định các đột biến điểm vào thập niên 80 Sau đó, kỹ thuật DGGE được

sử dụng lần đầu tiên để phân tích quần xã vi sinh vật vào những năm đầu của thập

kỷ 90 [126] Theo đó, kỹ thuật này bao gồm những bước cơ bản như sau:

+ Tách chiết ADN/ARN trực tiếp từ mẫu môi trường ADN là phân tử được

sử dụng thông thường nhất trong các phương pháp dấu vân tay Bên cạnh ADN, ARN cũng có thể được tách chiết cho mục đích này Điều này đã dẫn đến một ý tưởng cho rằng các phân tử rARN được tách chiết có thể là một công cụ rất tốt cho việc nghiên cứu các loài vi khuẩn hoạt động tích cực trong các quần xã vi sinh vật bởi sự thật rằng mỗi phân tử ARN đại diện cho một bản sao ribosom và hoạt động của tế bào (tốc độ sinh trưởng) kèm theo một sự tăng số lượng ribosom [152]

+ Khuếch đại các đoạn gen 16S rARN bằng phản ứng PCR Trình tự của

các gen mã hóa cho ARN ribosom (rARN) được quan tâm nhiều nhất trong phân tích các quần xã vi sinh vật Vùng bảo tồn thích hợp cho việc thiết kế mồi và vùng biến đổi cho phép phân biệt các phân loài vi sinh vật [130] Trong trường hợp của vi khuẩn, gen 16S rARN là chỉ thị phân tử được sử dụng thường xuyên nhất và các vùng siêu biến đổi V3 (các mồi 341f-GC/518) và V6-V8 (các mồi 968GC-1378) của 16S ribosomal ADN (rADN) được sử dụng phổ biến nhất

Để ngăn chặn sự biến tính hoàn toàn của đoạn ADN trong điện di biến tính DGGE sau này, một kẹp GC- một trình tự giàu GC mà không tan chảy- được gắn vào đầu 5’ của các mồi được sử dụng trong PCR [126] Kẹp này thích hợp cho hầu hết các ứng dụng Nhờ đó, gần 100% các biến đổi về trình tự có thể được phát hiện [125, 127]

+ Điện di biến tính DGGE Tiến trình thực hiện DGGE dựa trên sự điện di

các đoạn gen 16S rARN đã được khuếch đại bằng PCR trên một gel poliacrylamit chứa một nồng độ tăng dần của các chất gây biến tính Sự khác nhau về trình tự của các đoạn ADN khiến cho nhiệt độ tan chảy của chúng khác nhau Vì vậy các trình

tự khác nhau của các đoạn ADN khác nhau sẽ dừng di chuyển tại các vị trí khác nhau trên gel biến thiên nồng độ các chất biến tính và vì vậy có thể được phân tách một cách hiệu quả bởi DGGE [108]

+ Nhân dòng, xác định trình tự gen 16S rARN và định danh Các nghiên cứu

trước đây về sự đa dạng vi sinh vật đất đã cho thấy rằng đất có thể chứa hàng chục