Ảnh hưởng của độc tố sắt đối với lúa trên đất phèn đồng bằng sông cửu long và một số biện pháp khắc phục thiệt hại do độc tố sắt gây ra

TRƯƠNG MINH NGỌC ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘC TỐ SẮT ĐỐI VỚI LÚA TRÊN ĐẤT PHÈN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ MỘT SỐ BIỆN TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU TẠI ĐỒNG THÁP MƯỜI Thành ph ố Hồ Chí Minh – Năm 2021...

TRƯƠNG MINH NGỌC

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘC TỐ SẮT ĐỐI VỚI LÚA TRÊN ĐẤT PHÈN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ MỘT SỐ BIỆN

TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU TẠI ĐỒNG THÁP MƯỜI

Thành ph ố Hồ Chí Minh – Năm 2021

VI ỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-

TRƯƠNG MINH NGỌC

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘC TỐ SẮT ĐỐI VỚI LÚA TRÊN ĐẤT PHÈN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ MỘT SỐ BIỆN

TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU TẠI ĐỒNG THÁP MƯỜI

Chuyên ngành: Khoa h ọc đất

Mã s ố : 9620103

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Võ Đình Quang

2 TS Nguy ễn Quang Chơn

Thành ph ố Hồ Chí Minh – Năm 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2020

Họ và tên

Trương Minh Ngọc

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, con bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến bố mẹ và gia đình, những người thân yêu luôn ở bên cạnh con, luôn yêu thương và cho con chỗ dựa trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn vô hạn đến TS Võ Đình Quang – Giám đốc Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại TP HCM – Người thầy hướng dẫn chính cho công trình nghiên cứu này Thầy đã có công giáo dục, chỉ bảo,

bồi dưỡng kiến thức, phương pháp luận, tư duy và giúp đỡ em trong suốt 15 năm làm việc cùng thầy Trong luận án này, thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, nhân lực, tài lực, trí lực, tâm huyết và những kiến thức quý báu của thầy để giúp em hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Nguyễn Quang Chơn – Phó trưởng Bộ môn Khoa học đất, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam – Người thầy đồng hướng dẫn cho công trình nghiên cứu này Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, truyền đạt nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý trong ngành khoa học đất, thầy đã cung cấp cho em nhiều tài liệu quý trong suốt thời gian thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn KS Nguyễn Xuân Nhiệm – Phân Viện quy hoạch và thiết kế Nông nghiệp Miền Nam đã không quản nắng mưa, đường xa để tham gia việc khảo sát điều tra thực trạng ngộ độc sắt đối với cây lúa tại tỉnh Long An

và Tiền Giang trong vụ Hè Thu năm 2017 và 2018 Cảm ơn bác đã xác định vị trí các điểm đất phèn, phân loại các mẫu đất, thu thập mẫu đất để phục vụ cho việc nghiên cứu của đề tài Cảm ơn bác đã truyền đạt nhiều kiến thức quý báu về phân loại đất và phát sinh học đất phèn vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, các anh chị Phòng đào tạo - Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để cho em được học tập và hoàn thành công trình nghiên cứu này

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô giáo ở Viện Khoa học

Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam, Trường Đại học Cần Thơ và Trường đại học Nông

lâm TP HCM đã truyền đạt những kiến thức quý về khoa học đất, trồng trọt và những kinh nghiệm thực tiễn trong quá trình học tập và nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cơ ở Bộ mơn Khoa học đất, Trường Đại học Cần Thơ đã hỗ trợ em trong việc phân tích một số chỉ tiêu hố học trong 20 mẫu đất nghiên cứu

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn quý Thầy, quý Cơ đã tham gia Hội đồng đánh giá điều kiện bảo vệ luận án cấp cơ sở; Hội đồng đánh giá luận án cấp cơ sở, quý Thầy, Cơ tham gia phản biện độc lập đĩng gĩp nhiều ý kiến quý giúp em hồn thiện luận án Cảm ơn quý Thầy, Cơ đã tham gia chấm chuyên đề và phản biện các bài báo, đĩng gĩp nhiều ý kiến quý giúp em hồn thiện các chuyên đề, các bài báo mà phần lớn đã được em sử dụng trong luận án này

Xin chân thành cảm ơn KS Lê Thị Mỹ Hạnh – Chi nhánh Viện Ứng dụng Cơng nghệ tại TP HCM, cảm ơn em đã bỏ nhiều tâm sức và thời gian tham gia thực hiện thí nghiệm ủ đất, thí nghiệm trồng lúa trong dung dịch và phân tích một số chỉ tiêu lý hố trong cơng trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn ThS Lê Thanh Bình – Trưởng phịng Phát triển Cơng nghệ và Dịch vụ, Chi nhánh Viện Ứng dụng Cơng nghệ tại TP HCM; bạn Huỳnh Cơng Hải, Trường đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP HCM; bạn Raphặl Cabanis

và bạn Lea Sidelski, Trường Polytech’Lille, Đại học tổng hợp Lille, Cộng hồ Pháp đã tham gia hỗ trợ tơi thực hiện một số thí nghiệm lúa ngồi đồng ruộng

Xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn đồng nghiệp tại Chi nhánh Viện Ứng dụng Cơng nghệ tại TP HCM đã luơn đồng hành, sát cánh, hỗ trợ và tạo mọi điều

kiện thuận lợi nhất để tơi cĩ thể hồn thành khố học và thực hiện cơng trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn đến quý bà con nơng dân tại tỉnh Long An, tỉnh Tiền Giang đã cung cấp thơng tin về thực trạng độc sắt và tình tình sản xuất lúa Hè Thu năm

2017, 2018 Cảm ơn gia đình anh Đặng Văn Hồng, ấp Hịa Thuận, xã Thạnh Hịa, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang và gia đình anh Nguyễn Văn Xem, ấp Tân Hưng Tây, xã Tân Hịa Tây, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang đã cho mượn ruộng và tích cực giúp tơi trong việc triển khai các nghiên cứu ngồi đồng

Xin chân thành cảm ơn

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN .ii

M ỤC LỤC iv

DANH M ỤC BẢNG ix

DANH M ỤC HÌNH xii

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

1.1 V ị trí địa lý và sản xuất lúa gạo vùng Đồng bằng sông Cửu Long 6

1.1.1 Đặc điểm vị trí địa lý 6

1.1.2 Sản xuất lúa gạo tại Đồng bằng sông Cửu Long 6

1.1.3 Một số giống lúa phổ biến vùng Đồng bằng sông Cửu Long 7

1.2 Đặc điểm phát sinh học và lý hóa trên đất phèn 9

1.2.1 Định nghĩa đất phèn 9

1.2.2 Nguồn gốc hình thành đất phèn 9

1.2.3 Đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 12

1.2.4 Một số độc chất trong đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 17

1.3 S ắt trong đất và quá trình khử sắt trong đất ngập nước 18

1.3.1 Sắt trong đất 18

1.3.2 Một số nhóm sắt phổ biến trong đất 19

1.3.3 Động thái khử sắt trong đất ngập nước 20

1.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến động thái khử sắt trong đất ngập nước 22

1.4 Ng ộ độc sắt và một số giải pháp giảm ngộ độc sắt với lúa 22

1.4.1 Ngộ độc sắt đối với lúa 22

1.4.2 Một số nghiên cứu ngưỡng ngộ độc sắt trên cây lúa 24

1.4.3 Một số nghiên cứu về giảm ngộ độc sắt đối với lúa 26

1.4.3.1 Nghiên c ứu về lân (P) 26

1.4.3.2 Nghiên c ứu về kali (K) 27

1.4.3.3 Nghiên c ứu về canxi (Ca) 28

1.4.3.4 Nghiên c ứu về kẽm (Zn) 29

1.4.3.5 Nghiên c ứu về giống 29

1.4.3.6 Nghiên c ứu về điều tiết nước 30

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 N ội dung nghiên cứu 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Điều tra, đánh giá thực trạng ngộ độc sắt đối với lúa vụ Hè Thu trên đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 33

2.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ sắt đến khả năng hút dinh dưỡng và sinh trưởng của 2 giống lúa IR 50404 và OM 5451 phổ biến tại Đồng bằng sông Cửu Long 35

2.2.3 Động thái Fe2+ của đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long ngập nước trong mối quan hệ với tính chất đất 36

2.2.4 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca, Zn đối với khả năng oxy hóa vùng rễ, sự sinh trưởng của cây lúa trên đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 2.2.4.1 Thí nghi ệm trong chậu 39

2.2.4.2 Thí nghi ệm ngoài đồng ruộng 41

2.2.5 Ảnh hưởng của biện pháp điều tiết nước đến tình trạng ngộ độc sắt trên cây lúa vụ Hè Thu trên đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 42

2.3 Phương pháp phân tích mẫu đất, mẫu thực vật và xử lý số liệu 44

2.3.1 Phương pháp phân tích mẫu đất 44

2.3.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu Fe2+, pH và Eh trong dung dịch chiết từ 20 mẫu đất ngập nước 46

2.3.3 Phương pháp phân tích mẫu thực vật và tính lượng dinh dưỡng cây hút 46

2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 K ết quả điều tra, đánh giá thực trạng ngộ độc sắt đối với lúa trên đất phèn v ụ Hè Thu Đồng bằng sông Cửu Long

48

3.1.1 Thực trạng ngộ độc sắt đối với lúa vụ Hè Thu năm 2017 48

3.1.2 Kết quả theo dõi thực trạng ngộ độc sắt đối với lúa vụ Hè Thu năm 2018 51

3.1.2.1 Tri ệu chứng bronzing lá, hàm lượng Fe ts trong lá và năng suất lúa vụ Hè Thu 2018 51

3.1.2.2 Quan h ệ giữa hàm lượng Fe ts trong lá và năng suất lúa vụ Hè Thu năm 2018 52

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ sắt đến khả năng hút dinh dưỡng và sinh trưởng c ủa 2 giống lúa IR 50404 và OM 5451 phổ biến tại Đồng bằng sông Cửu Long 55

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ trong dung dịch đến sự tích lũy Fets trong thân lá lúa 55

3.2.2 Ảnh hưởng của các nồng độ Fe2+ đến sự tích lũy dinh dưỡng trong thân lá 56

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ trong dung dịch đến cấp độ độc sắt (bronzing) trên cây lúa 60

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ trong dung dịch đến một số chỉ tiêu sinh trưởng của 2 giống lúa IR 50404 và OM 5451 61

3.3 Động thái Fe 2+ c ủa đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long ngập nước trong m ối quan hệ với tính chất đất 65

3.3.1 Phân bố các nhóm sắt trong đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 65

3.3.2 Diễn biến nồng độ Fe2+ trong dung dịch đất trong quá trình ngập nước đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 67

3.3.2.1 Di ễn biến thế năng oxy hóa khử Eh và pH của 20 mẫu đất phèn 67

Fe2+ hòa tan 80

3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca, Zn đối với khả năng oxy hóa vùng r ễ và sự sinh trưởng của cây lúa trên đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long 91

3.4.1 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca, Zn đối với khả năng oxy hóa vùng rễ và sự sinh trưởng của cây lúa trên đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long trồng trên chậu 91

trưởng của cây lúa 94

K ẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104

DANH M ỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 107

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 108

PH Ụ LỤC 129

DANH MỤC BẢNG

1.1 Diện tích mười giống lúa phổ biến nhất vùng Đồng bằng sông Cửu Long 7

2.3 Kết quả phân tích một số tính chất mẫu đất tại ấp Hòa Thuận, xã Thạnh

Hòa, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang

39

2.4 Kết quả phân tích một số tính chất mẫu đất tại ấp Tân Hưng Tây, xã Tân

Hòa Tây, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang

41

3.1 Cấp độ bronzing và năng suất lúa canh tác trên đất phèn vụ Hè Thu năm

2017

49

3.2 Cấp độ độc bronzing, hàm lượng Fets trong lá và năng suất lúa tại 20

điểm đất phèn trồng lúa vụ Hè Thu năm 2018

51

3.3 Ảnh hưởng của các nồng độ sắt trong dung dịch đến sự tích lũy Fets trong

thân lá trên 02 giống lúa IR50404 và OM 5451

55

3.4 Ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ trong dung dịch đến tích lũy dinh dưỡng

trong thân lá của 02 giống lúa IR50404 và OM 5451

57

3.5 Ảnh hưởng của nồng độ sắt trong dung dịch đến cấp độ độc sắt

(bronzing) trên 02 giống lúa IR50404 và OM 5451

60

3.6 Ảnh hưởng của nồng độ sắt trong dung dịch đến khả năng sinh trưởng của

02 giống lúa IR50404 và OM 5451

62

3.8 Hệ số tương quan (r) giữa các nhóm sắt trong 20 mẫu đất phèn ĐBSCL 67

3.9 Tốc độ thay đổi nồng độ Fe2+ trong dung dịch đất ngập nước (ppm/tuần) 72 3.10 Nồng độ Fe2+ hòa tan cao nhất (Fe2+ max) của 20 mẫu đất phèn ĐBSCL 73 3.11 Hệ số tương quan (r) giữa nồng độ Fe2+ tại các thời điểm và một số tính

3.13 So sánh nồng độ Fe2+ trung bình giữa hai nhóm đất phèn Đồng bằng sông

Cửu Long tại một số thời điểm ngập nước

79

3.14 So sánh nồng độ Fe2+ Max và thời gian trung bình giữa hai nhóm đất

phèn Đồng bằng sông Cửu Long

3.21 Phương chẩn đoán toán nồng độ Fe2+ hòa tan của đất phèn ĐBSCL ở một

số thời điểm ngập nước

87

3.22 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca và Zn đến thế năng oxy

hóa khử (Eh) vùng rễ ở giai đoạn 40 NSG

91 3.23 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca và Zn đến sự tích lũy hàm 93

lượng Fe trong lá ở giai đoạn 40 NSG

3.24 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca, Zn đối với một số chỉ

tiêu sinh trưởng

95

3.25 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng P, K, Ca và Zn

đến năng suất lúa trên đất phèn ĐBSCL

98

3.26 Ảnh hưởng của biện pháp điều tiết nước đến hàm lượng Fets tích luỹ

trong lá và năng suất lúa trên đất phèn

101

DANH MỤC HÌNH

2.2 Hình minh hoạ ống nhựa PVC theo dõi mực nước trong ô thí nghiệm 44

3.2 Tương quan giữa hàm lượng Fets trong lá với năng suất lúa vụ Hè Thu

2018

52

3.3 Tương quan giữa hàm lượng Fets trong lá với lượng dinh dưỡng N, P, K,

Ca và Zn cây hút đối với giống lúa IR 50404

58

3.4 Tương quan giữa hàm lượng Fets trong thân lá với lượng dinh dưỡng N,

P, K, Ca và Zn cây hút đối với giống lúa OM 5451

3.8 Diễn biến nồng độ Fe2+ của 20 mẫu đất phèn theo thời gian ngập nước 70 3.9 So sánh tương quan giữa nồng độ Fe2+ tính toán theo các phương trình

chẩn đoán và nồng độ Fe2+ đo được thực tế tại một số thời điểm ngập

Thuận, xã Thạnh Hòa, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang

3.13 Tương quan giữa hàm lượng Fets với năng suất lúa cuối vụ tại ấp Tân

Hưng Tây, xã Tân Hòa Tây, Tân Phước, tỉnh Tiền Giang

99

chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc)

United Nations Educational Scientific and Cultural Organization (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên

Hiệp quốc)

MỞ ĐẦU

Tính c ấp thiết của đề tài nghiên cứu

Với diện tích trên 1,6 triệu ha, đất phèn giữ một vị trí quan trọng trong nền nông nghiệp của nước ta, đặc biệt đối với ngành trồng lúa Đất phèn thường có hàm lượng chất hữu cơ cao, với đặc điểm phát sinh học chủ đạo trong đất đó là sự hình thành vật liệu sinh phèn (pyrite) và quá trình oxy hoá pyrite, nên nhóm đất này tích lũy lưu huỳnh cao trong phẫu diện và pH thấp, tạo ra nhiều yếu tố hạn chế trong canh tác lúa, trong đó có ngộ độc sắt [67] Quá trình khử do ngập nước trong đất phèn có thể làm tăng pH đến mức trung tính giúp làm giảm nguy cơ độc nhôm đối với cây lúa nhưng lại gây nên nguy cơ ngộ độc Fe2+ [131], [133] Ngộ độc sắt là một trong những nguyên nhân chính bên cạnh tình trạng thiếu lân làm giảm năng suất lúa trồng trên đất phèn [73], [118], [135] Ngộ độc sắt tác động đến nhiều quá trình sinh lý, sinh hoá trong cây lúa như: làm rối loạn quá trình chuyển hóa lipids, proteins và nucleic acids làm cho cây lúa ngừng sinh trưởng [43] Cây lúa bị ngộ độc sắt không tổng hợp được chlorophyll, lá chuyển sang màu nâu (bronzing) và hệ thống rễ tổn thương không phát triển [113], [120], [165] ảnh hưởng đến khả năng hút các khoáng chất quan trọng như

K, Zn, Mn, dẫn đến sự rối loạn trong quá trình tổng hợp ADN và thay đổi cấu trúc của

tế bào trong cây [63] Ngộ độc sắt có thể xảy ra ở các thời kỳ sinh trưởng của cây lúa; tuy nhiên, giai đoạn cây con và đẻ nhánh dễ mẫn cảm nhất Ở giai đoạn cây con, nếu bị ngộ độc sắt cây lúa kém phát triển, còi cọc, đẻ nhánh kém [32] Ở giai đoạn đầu của sinh trưởng sinh thực, nếu cây lúa bị ngộ độc sắt sẽ trổ kém, quá trình thụ phấn giảm và năng suất lúa giảm nghiêm trọng [154] Ngộ độc sắt có thể gây thiệt hại năng suất lúa

từ 13 - 30% và trong nhiều trường hợp năng suất lúa giảm 100% tùy vào nồng độ Fe2+

trong dung dịch đất [38], [44], [146]

Vấn đề ngộ độc sắt đối với lúa trên đất phèn vùng Đồng bằng sông Cửu Long vốn đã nghiêm trọng, cùng với xu thế biến đổi khí hậu như hiện nay sẽ càng nghiêm trọng hơn Bên cạnh đó, nhiều Quốc gia ở thượng nguồn sông Mekong đang đắp đập

ngăn dòng nước, dẫn đến tình trạng khô hạn, thiếu nước ngọt rửa phèn, rửa độc tố sắt trong đất vùng ĐBSCL Do vậy, việc canh tác lúa trên đất phèn đang đứng trước nhiều thách thức và hiện nay vẫn chưa có giải pháp tối ưu để giải quyết vấn đề này

Trong khi vấn đề ngộ độc sắt trên đất phèn được cho là rất phổ biến và được tập trung nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới thì ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu liên quan đến bản chất của vấn đề ngộ độc sắt Do vậy, nghiên cứu để hiểu rõ ngộ độc sắt đối với cây lúa trồng trên đất phèn vùng ĐBSCL và tìm hiểu các biện pháp khắc phục thiệt hại do ngộ độc sắt gây ra nhằm ổn định và tăng năng suất lúa là rất cần thiết

M ục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá được động thái của quá trình khử sắt, từ đó xác định được thời điểm và mức độ ngộ độc Fe2+ cao trong đất phèn ngập nước

- Xác định được bản chất của quá trình khử sắt trong đất phèn ngập nước, thiết lập được các phương trình chẩn đoán nồng độ Fe2+ tại một số thời điểm ngập nước quan trọng làm cơ sở dự báo khả năng ngộ độc sắt đối với cây lúa trên đất phèn ĐBSCL thông các kết quả phân tích đất ban đầu

- Thông qua việc nghiên cứu cơ chế tác động của một số yếu tố dinh dưỡng (P, K,

Ca, Zn) và nghiên cứu tác động của một số biện pháp quản lý nước trên ruộng lúa

đề xuất được một số biện pháp nhằm giảm tác hại của hiện tượng ngộ độc sắt trên cây lúa

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

 Cây lúa: Nghiên cứu trên 2 giống lúa chịu phèn phổ biến ở ĐBSCL (IR 50404 và

 Các thí nghiệm trong chậu được thực hiện tại Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại TP HCM và các thí nghiệm ngoài đồng ruộng được thực hiện ở vụ Hè Thu tại tỉnh Long An và Tiền Giang

 Thời vụ nghiên cứu: Do trong vụ Đông Xuân trải qua quá trình ngập lụt đã rửa trôi phần lớn độc tố sắt trong dung dịch đất và ngộ độc sắt không phải là vấn đề nghiêm trọng cho nên nghiên cứu chủ yếu tập trung trong vụ Hè Thu có nhiều nguy cơ về độc sắt đầu vụ

 Do quá trình khử trong đất ngập nước làm tăng pH đất về giá trị trung tính giúp gần như triệt tiêu nguy cơ độc nhôm cho nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu độc sắt như một độc tố chính gây ảnh hưởng lúa trên đất phèn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

- Đề tài đã thiết lập được mối quan hệ giữa nồng độ Fe tích lũy trong lá lúa – mức độ bronzing – năng suất lúa và đã xác định được ngưỡng tích lũy Fe trong lá tối ưu và ngưỡng Fe gây độc đối với giống lúa IR 50404

- Xác định được mối tương quan giữa hàm lượng Fe tích lũy trong lá và năng suất như một tiêu chí để dự báo tình trạng độc sắt và năng suất dự kiến cuối vụ thông qua chỉ tiêu phân tích Fe trong lá ở giai đoạn 40 ngày sau sạ

- Đề tài đã xác định ngưỡng nồng độ Fe2+ trong dung dịch gây ảnh hưởng mạnh đến khả năng hút dinh dưỡng và khả năng sinh trưởng của 2 giống lúa IR 50404 và OM

5451 và đã chỉ ra được giống có khả năng chịu độc sắt cao hơn

- Đề tài đã làm sáng tỏ được các thành phần sắt trong đất tham gia vào quá trình khử

Fe2+ trong đất phèn ngập nước, trong đó đã chỉ ra được các oxyhydroxides sắt dạng

vô định hình và sắt cấu trúc tinh thể kém (Feo) tham gia vào quá trình khử sắt từ giai đoạn sau 7 ngày ngập nước và giữ vai trò chủ đạo cho đến cuối kỳ ngập nước; các oxyhydroxides sắt tinh thể (Fett) tham gia phản ứng khử chậm hơn và chỉ bắt đầu có ý nghĩa từ thời điểm 42 ngày ngập nước; pH là yếu tố quan trọng tác động lên quá trình khử sắt từ ngày thứ 7 cho đến cuối kỳ ngập nước, trong khi đó hữu cơ chỉ đóng góp có ý nghĩa trong quá trình khử sắt chủ yếu trong giai đoạn 7 ngày đầu ngập nước

- Đề tài đã chứng minh được vai trò của 2 nguyên tố dinh dưỡng P và Zn trong việc nâng cao khả năng oxy hoá vùng rễ cây lúa, giúp giảm ngộ độc sắt đối với cây lúa

Ý nghĩa thực tiễn

- Xác định được giống lúa IR 50404 có khả năng chịu ngộ độc sắt cao hơn giống lúa

OM 5451 làm cơ sở cho việc khuyến cáo sử dụng giống lúa IR 50404 như là một giống đặc thù chịu ngộ độc sắt cho các vùng đất phèn có nguy cơ ngộ độc sắt cao

- Xây dựng được các phương trình chẩn đoán nồng độ Fe2+ tại một số thời điểm ngập nước thông qua tính chất đất ban đầu có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất trong việc dự báo tác động của ngộ độc sắt tại từng thời điểm cụ thể trong việc

canh tác lúa trên đất phèn vụ Hè Thu

- Chứng minh được hai nguyên tố P và Zn trong việc cải thiện khả năng oxy hóa vùng rễ làm cơ sở cho việc đề xuất ứng dụng P và Zn như một biện pháp giảm thiệt hại do ngộ độc sắt gây ra và cải thiện năng suất lúa vụ Hè Thu

- Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của một số biện pháp quản lý nước trên ruộng lúa cho phép nghiên cứu đề xuất thay và điều chỉnh nước ruộng lúa như một biện pháp kỹ thuật bổ sung giúp hạn chế ngộ độc sắt đối với cây lúa trồng trên đất phèn trong vụ Hè Thu

Đóng góp mới của luận án

- Chứng minh được các dạng oxyhydroxide sắt vô định hình và tinh thể yếu (Feo) đóng vai trò chính trong quá trình khử Fe2+; các dạng oxyhydroxide sắt có cấu trúc tinh thể (Fett) đóng vai trò thứ yếu trong quá trình khử Fe2+; pH là yếu tố quan trọng tác động lên quá trình khử sắt từ ngày thứ 7 cho đến cuối kỳ ngập nước trong khi đó hữu cơ chỉ đóng góp có ý nghĩa trong quá trình khử sắt chủ yếu trong giai đoạn 7 ngày đầu ngập nước

- Luận án đã chứng minh được vai trò P và Zn trong việc tăng khả năng oxy hoá vùng rễ lúa góp phần hạn chế ngộ độc sắt của cây lúa trồng trên đất phèn vùng ĐBSCL

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Vị trí địa lý và sản xuất lúa gạo vùng Đồng bằng sông Cửu Long

12 tỉnh (Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Kiên Giang, Trà Vinh, Bạc Liêu, Hậu Giang, Sóc Trăng, Cà Mau và An Giang), với diện tích đất tự nhiên khoảng 4 triệu ha chiếm 12% diện tích của cả nước, trong đó đất nông nghiệp chiếm 2,97 triệu ha [14]

1.1.2 Sản xuất lúa gạo tại Đồng bằng sông Cửu Long

Đồng bằng sông Cửu Long được xem là vùng sản xuất lúa lớn nhất nước, từ lâu ngành sản xuất lúa gạo đã trở thành sản phẩm chủ lực của ĐBSCL Tổng diện tích đất lúa của toàn vùng gần 2 triệu hecta, chiếm 46,9% diện tích đất lúa cả nước [5] Theo số liệu của Tổng cục Thống kê Việt Nam (2018) [25], chỉ tính riêng trong 2 năm 2017 và

2018 diện tích gieo sạ lúa tính trong cả năm toàn vùng là 4.185.000 ha trong năm 2017

và 4.107.000 ha trong năm 2018, năng suất bình quân đạt 5,64 tấn/ha và sản lượng đạt trên 23 triệu tấn năm 2017 và trên 24 triệu tấn năm 2018 Sản xuất lúa gạo ở ĐBSCL chiếm trên 50% sản lượng của cả nước và chiếm 90% sản lượng gạo xuất khẩu, đóng góp vào kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam trên 2 tỷ USD/năm Với những số liệu nêu trên cho thấy, ĐBSCL có vị trí quan trọng trong ngành trồng lúa của cả nước, một mặt vừa đảm bảo an ninh lương thực Quốc gia, mặt khác vừa đóng góp trong kim ngạch xuất khẩu nông sản của Việt Nam

1.1.3 Một số giống lúa phổ biến vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Kết quả điều tra của Trần Xuân Định và ctv (2015) [6] cho thấy, vùng ĐBSCL

có tổng 52 giống lúa đang được gieo trồng thuộc 3 nhóm: lúa tẻ 45 giống với diện tích 4,15 triệu ha, chiếm 98,9%; lúa lai 5 giống diện tích 31,57 nghìn ha chiếm 0,8%, lúa nếp diện tích 15,84 nghìn ha chiếm 0,4% Trong số 45 giống lúa tẻ có 10 giống lúa đang được trồng phổ biến nhất; trong đó, giống IR 50404 và OM 5451 có diện tích gieo sạ lớn nhất vùng ĐBSCL theo thứ tự là 1,33 và 0,63 triệu ha (Bảng 1.1) Hiện nay, giống lúa OM5451 được canh tác với diện tích gần một triệu hecta mỗi năm [3]

Bảng 1.1 Diện tích mười giống lúa phổ biến nhất vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Phát triển Nông thôn (NN&PTNT) [3] công nhận là giống lúa mới theo Quyết định số 74/2004/QĐ-BNN ngày 16/12/2004 Giống IR 50404 có một số đặc tính sinh trưởng được thể hiện tại Bảng 1.2 sau:

Bảng 1.2 Một số đặc điểm sinh trưởng của giống lúa IR 50404

Nguồn: Học Viện Nông nghiệp Việt Nam (2020) [12]

Giống lúa OM 5451 được chọn từ tổ hợp lai Jasmine 85/OM 2490 và được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn công nhận là giống lúa mới theo Quyết định số 711/QĐ-TT-CLT ngày 07 tháng 12 năm 2011 [3] Giống OM 5451có một số đặc tính sinh trưởng thể hiện tại Bảng 1.3

Kết quả điều tra do Bộ NN& PTNT thực hiện năm 2015 cho thấy, 2 giống lúa

IR 50404 và OM 5451 có diện tích gieo trồng phổ biến nhất ở vùng Đồng bằng Sông Cửu Long Do vậy, đề tài đã chọn 2 giống lúa này để thực hiện việc nghiên cứu ngộ độc sắt

Bảng 1.3 Một số đặc điểm sinh trưởng của giống lúa OM 5451

Thời gian sinh trưởng 88 - 95 ngày

bệnh vàng lùn, lùn xoắn lá khá

Đặc tính khác Khả năng đẻ nhánh khá; tương đối cứng cây; trổ tập

trung; bông đóng hạt đầy, tỉ lệ lép thấp; chịu phèn và mặn khá

Nguồn: Trần Thị Cúc Hòa và ctv (2013) [11]

1.2 Đặc điểm phát sinh học và lý hóa trên đất phèn

1.2.1 Định nghĩa đất phèn

Đất phèn (acid sulphate soil) là nhóm đất có chứa vật liệu sinh phèn mà kết quả

của các tiến trình sinh hóa xảy ra là acid sulfuric được tạo thành có ảnh hưởng lâu dài đến những đặc tính chủ yếu của đất, đất thường có màu đen hoặc nâu ở tầng mặt, bị gley hóa ở tầng C và có mùi đặc trưng của lưu huỳnh và H2S Tầng chứa vật liệu sinh phèn là tầng sét hữu cơ ngập nước, thường ở trạng thái yếm khí có SO3 trên 1,7% (tương đương 0,75%S) trước khi oxy hoá cho pH ≤ 3,5 [74]

thành sulfide trong điều kiện yếm khí, chất hữu cơ là nguồn năng lượng cho các vi khuẩn sử dụng trong quá trình khử sulfate Ngoài ra, sắt (Fe2+) thường được tạo ra do quá trình khử các hợp chất sắt III Do đó sự kết hợp của sulfate từ nước biển, chất hữu

cơ, điều kiện yếm khí và sự có mặt của Fe2+ tạo thành pyrite

Theo Dent (1986) [67] mô tả tiến trình hình thành pyrite gồm:

- Khử các ion sulfate thành sulfide có sự tham gia của các vi khuẩn khử sulfate và phân giải chất hữu cơ

- Quá trình oxy hóa một phần sulfide tạo thành nguyên tố lưu huỳnh (S)

- Sự tạo thành các monosulfide sắt (FeS) là do sự kết hợp giữa sulfide hòa tan với sắt Sắt có nguồn gốc từ sắt III và silicate trong trầm tích bị khử tạo thành sắt II

- Phải có sự hiện diện của Fe

- Điều kiện kỵ khí phải chiếm ưu thế để cho phép khử sunfat và oxide sắt

- Phải có nguồn sulfate hòa tan

- Phải có các vi khuẩn khử sắt và sulfat

- Cần có chất hữu cơ như là một nguồn năng lượng cho vi sinh vật

- Thủy triều lên xuống phải đủ mạnh để loại bỏ độ kiềm tạo ra trong quá trình hình thành pyrite

- Quá trình lắng đọng phải chậm

Cơ chế tích tụ pyrite về cơ bản như sau: Vi sinh vật khử ion sắt (Fe3+) thành các ion sắt (Fe2+), sunfate (SO42-) thành sunfua (S2-) trong điều kiện thiếu oxy (ngập nước) Chất hữu cơ bị phân hủy trong quá trình này, cuối cùng thành bicarbonate Do đó, một

hợp chất tiềm ẩn acid (pyrite) và các hợp chất kiềm (bicacbonate) được hình thành trong một hệ thống ban đầu là trung tính Thuỷ triều giúp xả nước loại bỏ độ kiềm (HCO3-) nhưng chất tiềm ẩn acid (pyrite) vẫn còn sót lại [69]

 Quá trình oxy hóa pyrite:

Pyrite ổn định trong điều kiện khử, khi đất thoát nước điều kiện oxy hóa hình thành, bắt đầu diễn ra tiến trình oxy hóa pyrite và tạo ra tính acid Việc thoát nước có

thể xảy ra một cách tự nhiên do mực nước biển hạ thấp hoặc do thủy triều lên xuống, hoặc do hạ mực nước ngầm, hoặc quá trình khai thác quặng làm mực thủy cấp xuống thấp hoặc cũng có thể do tác động của con người trong việc đào các kênh mương dẫn nước

Theo Dent (1986) [67], tiến trình oxy hóa pyrite trong đất phèn diễn ra nhiều giai đoạn, liên quan đến quá trình hóa sinh học trong đất, ban đầu oxy hòa tan phản ứng chậm với pyrite tạo ra sắt II và S theo phản ứng:

FeS2 +

2

1 O2 + 2 H+  Fe2+ + 2 S + H2O (1) Quá trình oxy hóa lưu huỳnh bởi oxy xảy ra rất chậm nếu thiếu sự tham gia của các vi sinh vật:

S + 2

3

O2 + H2O  SO42- + 2 H+ (2) Quá trình oxy hóa cũng có thể xảy ra do sự oxy hóa monosulfide (FeS):

2 FeS +

2

9 O2 + (n+2) H2O  Fe2O3.nH2O + 2 SO42- + 4 H+ (3) Trong điều kiện pH < 4, Fe3+ trở lên dễ hòa tan và tham gia quá trình oxy hóa pyrite để tạo thành Fe2+ và S:

FeS2 + 2 Fe3+  3 Fe2+ + 2 S (4) Quá trình oxy hóa sắt Fe3+ với S được biểu diễn như sau:

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O  15 Fe2+ + 2 SO42- + 16 H+ (5)

Khi có sự hiện diện của oxy, Fe2+ sinh ra từ các phản ứng nêu trên sẽ nhanh chóng bị oxy hóa thành Fe3+ Trong điều kiện pH < 3,5 và có sự tham gia của vi khuẩn

1.2.3 Đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long

Theo Nguyễn Xuân Nhiệm (2008) [24] Đồng bằng sông Cửu Long có cơ cấu đất sản xuất nông nghiệp khá đa dạng, trong đó đất phèn chiếm tỷ trọng lớn nhất trong

cơ cấu đất sản xuất của toàn vùng, số liệu tại Bảng 1.4 sau:

Bảng 1.4 Diện tích một số nhóm đất vùng Đồng bằng sông Cửu Long

(1000 ha)

Tỷ lệ (%)

Nguồn: Nguyễn Xuân Nhiệm (2008) [24]

Đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long phân bố chủ yếu ở 4 vùng sinh thái: Đồng Tháp Mười, Tứ giác Long Xuyên, Bán đảo Cà Mau và Tây sông Hậu [4], [27]

Đồng Tháp Mười (ĐTM) là vùng phèn nặng ngập nước ở ĐBSCL có diện tích 697.000 ha, với diện tích đất phèn chiếm 273.831 ha [19], trải rộng 3 tỉnh Đồng Tháp, Tiền Giang và Long An Theo Tôn Thất Chiểu và ctv (1991) [4] đất phèn ĐTM được hình thành trên những vùng biển đầm lầy hoá, là một vùng lụt kín được bao quanh bởi

gò cao của sông, biển với dấu tích của những giồng cát Tân Hiệp – Nhị Quý Đặc trưng của ĐTM là đầm lầy rộng lớn chứa nhiều xác hữu cơ của những thực vật nước lợ, lớp đầm lũ phủ ven sông Tiền và mỏng dần khi vào vùng trũng Long An và bắc Cái Bè, Cai Lậy Tại các lớp sét tích luỹ nhiều vật liệu sinh phèn pyrite lộ ra gần trên mặt, hình thành loại đất phèn nặng với độc chất cao, khó cải tạo Nghiên cứu của Trần Văn Hùng

và ctv (2017) [15] cho thấy đất phèn ĐTM có hàm lượng độc chất Al3+ và Fe2+ cao Theo Ngô Ngọc Hưng (2009) [14], đất phèn ĐTM có pH trung bình là 3,84 giá trị cao nhất là 4,30 Hàm lượng Al3+ trao đổi trung bình là 9,63 cmolc/kg, giá trị tối đa có thể đạt là 14,3 cmolc/kg Hàm lượng Fe tự do trung bình là 0,84% Fe2O3, giá trị tối đa có

thể đạt đến 2,11% Fe2O3 Hàm lượng SO42- hoà tan trung bình là 0,54%, giá trị tối đa là 1,54%

Tứ giác Long Xuyên (TGLX) nằm ở phía Tây Bắc của ĐBSCL và được bao quanh bởi biên giới Việt Nam – Campuchia, sông Bassac, kênh Cái Sắn và Vịnh Thái Lan [4] Đất phèn vùng TGLX tương đối đồng nhất về quá trình hình thành và độc chất Phần lớn khoảng 1 km sát biển đất phèn bắt nguồn từ trầm tích sét than bùn, đôi khi không thấy rõ các vết của jarosite trong tầng sulfuric, mà thường xuất hiện tầng perdysic (phèn giả) có màu xám nâu [4] Đất phèn TGLX có pH trung bình 3,95 với giá trị tối đa 5,4 Hàm lượng Al3+ trao đổi trung bình 5,38 cmolc/kg, với giá trị tối đa 14,5 cmolc/kg xuất hiện ở đất có tầng sulfuric gần tầng mặt Hàm lượng Fe tự do trung bình 1,75% Fe2O3 với giá trị tối đa 3,64% Fe2O3 Hàm lượng SO42- hoà tan trung bình

là 0,41% với giá trị tối đa 1,27% [14]

Bán đảo Cà Mau (BĐCM) tập trung chủ yếu ở Cà Mau và một phần ở tỉnh Kiên Giang (U Minh Thượng), một phần cục bộ ở Bạc Liêu và Sóc Trăng Nếu như vùng

ĐTM và TGLX đất phèn rất tập trung, thì ở vùng BĐCM đất phèn xuất hiện kiểu da báo, đất phèn xen giữa đất mặn và đất phù sa Đất phèn vùng BĐCM hình thành trên trầm tích sông biển hỗn hợp chứa pyrite được phủ một lớp trầm tích sông mỏng bên trên, do đó đất phèn vùng BĐCM thường có độc chất không cao Quá trình khai thác lâu năm, đất phèn vùng BĐCM đa số đã được rửa trôi phèn và độc chất trong đất, khả năng gây ngộ độc cho cây thấp [4] Đất phèn BĐCM có pH trung bình 4,13 với giá trị tối đa 5,33 Hàm lượng Al3+ trao đổi trung bình 2,96 cmolc/kg, với giá trị tối đa 9,62 cmolc/kg xuất hiện ở đất có tầng sulfuric gần tầng mặt Hàm lượng Fe tự do trung bình 0,85% Fe2O3 với giá trị tối đa 2,89% Fe2O3 Hàm lượng SO42- hoà tan trung bình 0,22% với giá trị tối đa 0,96% [14]

Tây Sông Hậu (TSH) nằm chủ yếu ở tỉnh Vĩnh Long và TP Cần Thơ Đặc trưng nhất là vùng phèn Hoà An với các loại đất phèn hoạt động nông chiếm 10%, với tầng sulfuric ở độ sâu 0 - 50 cm; đất phèn trung bình chiếm 50% với tầng sulfuric ở độ sâu

50 – 100 cm và có 30% đất phèn nhẹ với tầng sulfuric ở độ sâu 100 – 150 cm, còn lại

là đất phù sa nằm dọc theo những sông và kênh lớn [4] Đất phèn TSH có pH trung bình 4,05 với giá trị tối đa 4,90 Hàm lượng Al3+ trao đổi trung bình 4,7 cmolc/kg, giá trị tối đa đạt 10,3 cmolc/kg xuất hiện ở tầng đất có tầng sulfuric gần tầng mặt Hàm lượng Fe tự do trung bình 0,9% Fe2O3 với giá trị tối đa 5,0% Fe2O3 Hàm lượng SO42-

hoà tan trung bình 0,17% với giá trị tối đa 0,54% [14]

Theo Võ Thị Gương và ctv (2016) [8], đất phèn ĐBSCL được hình thành từ các trầm tích sông đầm lầy, biển đầm lầy hoặc sông biển đầm lầy, có chứa vật liệu sinh phèn (pyrite) Trong hệ thống phân loại, đất phèn được xác định bởi hai loại tầng chẩn đoán chính là tầng phèn và tầng sinh phèn Đất chỉ có tầng sinh phèn gọi là đất phèn tiềm tàng Đất có tầng phèn và tầng sinh phèn gọi là đất phèn hoạt động

Đất phèn tiềm tàng (Sp): Loại đất này có diện tích khoảng gần 600.000 ha Đất được phân loại do sự có mặt của tầng sinh phèn (Sulfudic Horizon), là tầng tích luỹ vật liệu chứa phèn, là tầng sét và tầng hữu cơ ngập nước thường xuyên ở trạng thái yếm

khí, có chứa FeS2 > 1,7% (tương đương với > 0,7% S); khi oxy hoá tầng này trong điều kiện tự nhiên pH xuống dưới 3,5 Sự chênh lệch độ pH giữa trạng thái khử và trạng thái oxy hoá thường đạt trên 2 đơn vị Đất phèn tiềm tàng được tạo thành chủ yếu do vật liệu pyrite (FeS2), hợp chất này thường chiếm khoảng 2 - 10% trong đất Tầng chứa vật liệu sinh phèn (pyrite) thường xuyên bị bão hoà nước Tầng chứa khoáng (pyrite) có thể hiện diện ở độ sâu khác nhau trong cột đất, cùng với sự hiện diện của hữu cơ và xác

bã thực vật bán phân huỷ và chứa nhiều độc chất Fe, Al và SO42-

Đất phèn hoạt động (Sj): Đất phèn hoạt động được nhận diện và phân loại do có tầng phèn (tầng sulfuric) là một dạng của tầng B xuất hiện trong quá trình phát triển của đất phèn tiềm tàng Khi tầng chứa vật liệu sinh phèn pyrite được thoáng khí do quá trình hạ thấp mực thuỷ cấp hoặc do các hoạt động xới xáo của con người sẽ tạo điều kiện để oxy hoá vật liệu sinh phèn hình thành nên đất phèn hoạt động Tầng chứa vật liệu sinh phèn (pyrite) bị oxy hóa hình thành tầng jarosite (J) với màu vàng rơm đặc trưng Đất phèn hoạt động có độ chua cao (pHKCl: 2 - 4), hàm lượng độc tố cao chủ yếu

là (Al3+ và Fe2+), hàm lượng lân dễ tiêu thấp (P2O5: 2,5 - 3,8 mg/100 g đất), hàm lượng chất hữu cơ cao (OM > 4%), hàm lượng đạm và kali trung bình đến khá (N: 0,15 - 0,5%; K2O: 1,0 - 1,3%)

Tuỳ vào độ sâu xuất hiện tầng sinh phèn và tầng phèn, đất phèn có thể chia ra các tiểu nhóm đất phèn khác nhau: Đất phèn hoạt động nặng (độ sâu xuất hiện tầng sulfuric hoặc tầng có chứa vật liệu sulfidic từ 0 – 50 cm), đất phèn hoạt động trung bình (độ sâu xuất hiện tầng sulfuric hoặc tầng có chứa vật liệu sulfidic từ 50 – 100 cm)

và đất phèn hoạt động nhẹ (độ sâu xuất hiện tầng sulfuric hoặc tầng có chứa vật liệu sulfidic từ 100 – 150 cm) [9]

Qua việc tổng quan về đất phèn ĐBSCL có thể thấy vùng phèn Đồng Tháp Mười khá tập trung, phèn nặng và diện tích canh tác lúa lớn Do vậy, đề tài đã chọn 2 tỉnh Tiền Giang và Long An thuộc vùng phèn Đồng Tháp Mười làm đại diện cho vùng ĐBSCL trồng lúa để tiến hành nghiên cứu về ngộ độc sắt đối với lúa

H nh 1.1 Bản đồ đất Đồng bằng sông Cửu Long (Nguồn: Phân Viện quy hoạch và

Thiết kế Nông nghiệp Miền Nam, 2011) [26]

1.2.4 Một số độc chất trong đất phèn Đồng bằng sông Cửu Long

Trong điều kiện oxy hoá, khoáng pyrite trong đất phèn tiềm tàng sẽ bị oxy hoá thành đất phèn hoạt động Như vậy, cứ 1 mole FeS2 khi bị oxy hoá sẽ sinh ra 4 mole H+

Độc tố Fe2+ thường xuất hiện trên đất phèn, trong điều kiện ngập nước các chất oxy hoá (NO3-, Mn4+, Fe3+, SO42-) hoạt động như chất nhận điện tử, khi đó O2 và NO3

khử trước, tiếp theo là sự khử Mn4+ và Fe3+ Sự gia tăng nồng độ Fe2+ xảy ra sau vài tuần ngập nước và có thể gây ngộ độc cho lúa [126] Trong điều kiện có oxy, Fe2+ sẽ bị oxy hoá thành Fe3+ có màu vàng nâu đỏ Fe3+ có độ hoà tan thấp nên ít gây ngộ độc hoá học cho cây lúa nhưng Fe3+ có khả năng bám vào rễ cây làm cho khả năng trao đổi chất của cây lúa bị hạn chế [1]

Ngoài ngộ độc do Al3+ và Fe2+ trong đất phèn còn có một số độc chất khác như độc lưu huỳnh, ngộ độc acid hữu cơ và tình trạng dinh dưỡng thấp Trong đất phèn, lưu huỳnh (S) có thể ở dạng FeS, FeS2, H2S, S tự do, S dạng hữu cơ hoặc SO3, SO42- Trong đó các dạng gây ngộ độc cho lúa là H2S, SO42-, SO32- Trong quá trình khử sulfate dẫn đến sự tích tụ H2S cao, làm ngăn cản quá trình hô hấp của rễ lúa, ảnh hưởng

đến việc trao đổi chất của cây, độc tố lưu huỳnh còn làm ngưng tụ cao các muối có hại cho cây [2] Acid hữu cơ như acid metanic, acid acetic được tạo ra từ quá trình phân giải chất hữu cơ, xác bã sinh vật trong điều kiện yếm khí Các acid hữu cơ này có thể ngăn cản quá trình vươn dài của rễ, làm giảm khả năng hô hấp và hút dinh dưỡng của

rễ cây lúa Hàm lượng các acid hữu cơ có xu hướng tăng cùng với quá trình ngập nước

và sau đó giảm dần khi pH đất tăng trên 6,5 Cây lúa bị ngộ độc acid hữu cơ có biểu hiện triệu chứng lùn cây, đẻ nhánh kém, lá có màu vàng hoặc nâu, nhiều hạt lép [128]

Đất phèn với đặc tính tích luỹ lưu huỳnh cao trong phẫu diện và có nhiều yếu tố hạn chế trong canh tác lúa như đã đề cập ở trên Do điều kiện thời gian và kinh phí có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về tác hại của ngộ độc sắt nhị (Fe2+) đến sinh trưởng và năng suất của cây lúa, để tìm ra các biện pháp giảm giảm ngộ độc sắt duy trì năng suất lúa trong vụ Hè Thu vùng Đồng bằng sông Cửu Long

1.3 Sắt trong đất và quá trình khử sắt trong đất ngập nước

1.3.1 Sắt trong đất

Sắt chứa 5% lớp vỏ trái đất, phần lớn đất trên thế giới đều giàu sắt và lượng sắt trong đất dao động từ 7.000 - 500.000 mg/kg [72] Trong đất thoáng khí hàm lượng

Fe3+ thường chiếm ưu thế hơn Fe2+ và ngược lại, trong điều kiện khử hàm lượng Fe2+

chiếm ưu thế và dễ dẫn đến gây ngộ độc cho cây trồng Khi pH tăng lên 1 đơn vị, lượng Fe3+ giảm 1.000 lần, trong khi đó Fe2+ giảm 100 lần, tương tự như vậy đối với

Mn2+, Zn2+ và Cu2+ [107] Ở mức pH bình thường của đất canh tác, sắt hữu dụng không

đủ để đáp ứng yêu cầu của cây, hiện tượng thiếu sắt thường xảy ra ở đất có pH cao, do

Fe2+ thường kết tủa dưới dạng Fe(OH)3 nên cây trồng không hấp thu được Ngược lại, đất có pH thấp hàm lượng Fe2+ hòa tan trong dung dịch cao có thể gây ngộ độc cho cây Dạng sắt trong đất phụ thuộc rất chặt với pH, khi pH đất thấp < 5 dạng sắt hòa tan chiếm ưu thế, nhưng khi pH > 6 sắt dễ liên kết chặt với các dạng phosphate tạo thành các hợp chất humic Fe(Al)-P [78] Khả năng hòa tan từ Fe3+ thành Fe2+ sẽ bị giảm khi

pH đất tăng, vì thế trên đất đá vôi thường xảy ra hiện tượng thiếu sắt, do Fe2+ bị kết tủa thành các oxide Fe (III) [91]

1.3.2 Một số nhóm sắt phổ biến trong đất

Sắt trong đất có thể phân làm hai nhóm: Nhóm thứ nhất là các dạng sắt liên kết chặt trong các lưới silicate, dạng sắt này ít tham gia vào quá trình khử và ít đóng góp vào việc gia tăng nồng độ sắt Fe2+ [167] Nhóm thứ hai bao gồm các dạng oxide sắt bên ngoài lưới silicate hay còn gọi là oxide sắt tự do (free iron oxides) và thường tồn tại trong đất dưới các dạng: olivin ((MgFe)2SiO4); geothite (FeOOH); haematite (Fe2O3); limonite (FeOOH.nH2O+Fe2O3.nH2O); magnetite (Fe3O4); ferrihydrite (5Fe2O3.9H2O); pyrite (FeS2); vivianite (Fe3(PO4)2.8H2O) và jarosite (KFe3(SO4)2(OH)6) [152] Xét về cấu trúc tinh thể, nhóm oxide sắt tự do (free iron oxides) được chia làm 2 dạng chính gồm:

- Các oxide sắt có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, đại diện là geothite (FeOOH); haematite (Fe2O3)… [167] Oxide sắt có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh thường thấy trên đất phèn đã khai hóa nhiều năm [127]

- Các oxide sắt không có cấu trúc tinh thể (noncrytalline) và các oxide sắt có cấu trúc tinh thể yếu (poorly crystaline) đại diện là ferrihydrite (5Fe2O3.9H2O)… [49], [57] Theo Ponnamperuma và ctv (1973) [127] và Pons (1973) [129] các dạng oxide sắt có cấu trúc tinh thể yếu hoặc không có cấu trúc tinh thể thường thấy ở đất phèn trẻ

Để xác định các thành phần của oxide sắt một số phương pháp phân tích sau thường được áp dụng bao gồm:

 Phương pháp chiết các oxide sắt tự do (free iron oxides) (Phương pháp

Dithionite-Citrate-Bicarbonate (DCB)): Sử dụng chất khử mạnh citrate-bicarbonate (DCB) để trích các oxide sắt tự do bao gồm các oxide sắt có cấu trúc tinh thể, oxide sắt vô định hình và cả oxide sắt có cấu trúc tinh thể yếu Mặc dù có một số nghiên cứu chỉ ra rằng tính chọn lọc của phương pháp DCB

dithionite-chưa cao, nhưng phương pháp này vẫn được đánh giá cao trong việc ước lượng oxide sắt của nhiều loại đất, đặc biệt trong những đất bị rửa trôi mạnh, nghèo khoáng dễ phong hóa ở nhiều loại đất nhiệt đới [50]

 Phương pháp chiết các oxide sắt vô định hình và các oxide sắt có cấu trúc tinh thể yếu (Phương pháp oxalate): được dùng phổ biến để xác định hàm lượng oxide sắt vô định hình và sắt có cấu trúc tinh thể yếu, sử dụng phương pháp

bằng cách chiết mẫu bằng hỗn hợp NH4-oxalate-oxalic acid tại pH 3 trong bóng tối [48]

1.3.3 Động thái khử sắt trong đất ngập nước

Trong điều kiện ngập nước, khi các tế khổng trong đất chứa đầy nước, oxy bị đẩy ra khỏi tế khổng và điều kiện kỵ khí hình thành và tiến trình khử trong đất bắt đầu diễn ra Trong điều kiện yếm khí các vi sinh vật háo khí trở lên bất động hoặc chết đi, các vi vinh vật kỵ khí hình thành và phát triển, vi sinh vật kỵ khí sử dụng các chất oxy hóa trong đó có Fe3+ để tạo ra phản ứng khử mà sản phẩm là Fe2+ được hình thành Phản ứng khử Fe3+ thành Fe2+ được Ponnamperuma (1972) [126] diễn tả như sau:

Fe(OH)3 + e- + 3H+  Fe2+ + 3H2O 3Fe(OH)3 + e- + H+  Fe3(OH)8 + H2O

Fe3(OH)8 + 2e- + 8H+ 

3Fe2+ + 8H2O Nghiên cứu của Dent (1986) [67] cho thấy, đất phèn ngập nước các vi khuẩn kỵ khí phân hủy chất hữu cơ và sinh ra năng lượng thúc đẩy quá trình khử oxide sắt và tạo

ra các sản phẩm là Fe2+ và H2S là hai độc chất chính trong tiến trình khử của đất phèn:

thấp phản ánh quá trình khử càng mãnh liệt và nồng độ các chất khử, trong đó có Fe2+, càng gia tăng

Ponnamperuma (1967) [125] cho rằng, tính chất đất ảnh hưởng lớn đến quá trình khử sắt Đất có hàm lượng chất hữu cơ và sắt cao, nồng độ Fe2+ hòa tan trong dung dịch tăng trên 600 ppm chỉ sau vài tuần ngập nước Đất giàu chất hữu cơ và nghèo sắt tiến trình khử diễn ra chậm hơn có thể kéo dài trong nhiều tháng Ngược lại, đất trung tính và đất đá vôi nồng độ sắt hòa tan trong quá trình ngập nước chỉ đạt mức

20 ppm Nghiên cứu của Cesco và ctv (2000) [55]; Powell và ctv (1982) [130] cũng cho rằng, đất có hàm lượng chất hữu cơ cao, nồng độ sắt hòa tan có thể đạt tới 10-4 -

10-3 M Ngược lại, đất có hàm lượng chất hữu cơ thấp, lượng sắt hòa tan trong đất từ

10-8 - 10-7 M, thấp hơn rất nhiều so với nhu cầu sinh trưởng của cây trồng [142] Màu xám trong đất lúa chính là màu của FeS (iron sulfide), nhưng các dạng sắt Fe3O4.nH2O, Fe(OH)3, FeS.nH2O, FeS2 tham gia chính trong thành phần khử sắt [126] Sản xuất lúa trên đất phèn có nguy cơ ngộ độc sắt cao, trong điều kiện ngập nước từ 5% đến 50% lượng oxide sắt tự do có trong đất có thể bị khử trong vòng vài tuần sau đó Quá trình khử sắt phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng chất hữu cơ và độ kết tinh của oxide, mức

độ kết tinh càng thấp thì quá trình khử càng cao [126]

Nghiên cứu của Yoshida và Ancajas (1973) [174] cho rằng, trong điều kiện khử nồng độ sắt tăng mạnh có thể lên trên 300 ppm Fe2+ trong dung dịch sau 4 tuần ngập nước, sau 6 tháng ngập nước nồng độ sắt duy trì ở mức 50 - 100 ppm Nồng độ sắt trong dung dịch đất phụ thuộc chặt chẽ vào hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sắt, các dạng sắt trong đất, pH đất và thời gian ngập Ngộ độc sắt thường xảy ra trên đất phèn trồng lúa, trong quá trình ngập nước nồng độ Fe2+ trong đất có thể tăng đến khoảng 2.000 ppm [133], hoặc đến khoảng 5.000 ppm [30] Kết quả này cũng trùng hợp với nghiên cứu của Nhung và Ponnamperuma (1966) [112], quá trình khử trong đất phèn nồng độ sắt Fe2+ tăng đến 5.000 ppm sau 2 tuần ngập nước

1.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến động thái khử sắt trong đất ngập nước

Quá trình khử trong đất phèn ngập nước bị chi phối bởi hàm lượng oxide sắt gấp

10 lần so với các chất oxy hóa khác có mặt trong đất [119] Tiến trình khử sắt trong đất ngập nước phụ thuộc một số yếu tố như:

- Nồng độ các chất oxy hóa O2 , NO3-, MnO2, NH4+ sự có mặt của các chất oxy hóa này trong đất càng cao thì tiến trình khử sắt càng diễn ra chậm và ngược lại[10]

- Chất hữu cơ được xem là nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình khử, do vậy trong đất ngập nước chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy thì tiến trình khử sắt diễn ra mạnh và ngược lại [138]

- Hàm lượng các oxide sắt và độ kết tinh của các oxide sắt, hàm lượng oxide sắt càng nhiều thì khả năng khử càng cao [126] Các oxide sắt có kết tinh chặt, quá trình khử diễn ra chậm và ngược lại [174] Theo Willard (1979) [167] tiến trình

khử của oxide sắt giảm dần như sau: Fe(OH)3 vô định hình > Fe(OH)3 > Fe2O3

(maghemite) > FeOOH (lepidocrocite) > Fe2O3 (hematite) > FeOOH (goethite)

- Tiến trình khử phụ thuộc vào nhiệt độ và pH đất [126]

- Tình trạng dinh dưỡng thuận lợi cho hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí [53]

- Trạng thái độ mặn cao [52]

1.4 Ngộ độc sắt và một số giải pháp giảm ngộ độc sắt với lúa

1.4.1 Ngộ độc sắt đối với lúa

Ngộ độc sắt liên quan đến hàm lượng Fe2+ hòa tan cao trong nước và thường phổ biến ở đất phèn [76], [126] Trong điều kiện khử, nồng độ Fe2+ hòa tan cao khi đó

rễ cây lúa hút Fe2+ quá mức nhu cầu của cây, sau đó được vận chuyển lên lá làm tăng cường sản sinh ra các gốc oxy hóa gây độc, phá vỡ cấu trúc của tế bào, gây rối loạn quá trình trao đổi chất trong cây, gây thiệt hại năng suất trung bình từ 13 - 30% và trong nhiều trường hợp năng suất lúa giảm 100% [44] Ngộ độc sắt gây thiệt hại năng

suất lúa từ 12 - 100% cũng đã được ghi nhận trong nghiên cứu của Alia và ctv (2015) [35]; Sahrawat (2005) [146]; Shamshuddin và ctv (2014) [153]

Triệu chứng điển hình của ngộ độc sắt là hiện tượng lá có màu vàng đồng (bronzing), bắt đầu là những đốm nhỏ màu nâu xuất hiện ở các lá non bắt đầu từ chóp

lá [106], [114] Một vài giống lúa lá biến thành màu vàng, màu tím hoặc màu cam, một vài giống thì lá cuộn tròn lại, một số lá phía dưới chuyển dần thành màu nâu và chết khô [45] Hiện tượng bronzing ở lá cũng đã được ghi nhận trong các nghiên cứu của Becker và Asch (2005) [44]; Dobermann và Fairhurst (2000) [68]

Ngộ độc sắt làm giảm quá trình oxy hóa ở vùng rễ, làm toàn bộ bề mặt gốc lúa được phủ màu nâu sẫm đến màu đen và nhiều rễ chết [146] Triệu chứng nâu sẫm ở rễ

và các biểu hiện rễ phát triển kém cũng đã được ghi nhận trong nghiên cứu của Becker

và Asch (2005) [44]

Ngộ độc sắt có thể xảy ra ở mọi thời kỳ sinh trưởng của lúa, tuy nhiên giai đoạn cây con và lúa đẻ nhánh cây dễ mẫn cảm nhất Ở giai đoạn cây non, nếu lúa bị ngộ độc sắt cây kém phát triển, còi cọc, đẻ nhánh kém [32] Ở giai đoạn đầu của sinh trưởng sinh thực lúa bị ngộ độc sắt sẽ trổ kém, quá trình thụ phấn giảm và năng suất lúa giảm nghiêm trọng [44]

Canh tác lúa trong điều kiện thiếu dinh dưỡng đặc biệt thiếu các nguyên tố P, K,

Ca, Mg, Zn làm ngộ độc sắt càng trở nên trầm trọng hơn [117] Bên cạnh đó, độc sắt

Fe2+ trong đất tăng sẽ làm giảm khả năng hữu dụng của P, K và Zn cung cấp cho cây trồng và đồng thời làm tăng hàm lượng lưu huỳnh (H2S), gây ngộ độc cho lúa [118], [170]

Trong nghiên cứu của Van Mensvoort và ctv (1985) [164] cho rằng, trong điều kiện đất chua, nồng độ sắt trong dung dịch < 50 ppm có thể gây hại cho cây lúa khi hàm lượng dinh dưỡng trong đất thấp Ngược lại, ở đất có đầy đủ dinh dưỡng, nồng độ sắt có thể lên vài trăm ppm cây lúa vẫn chịu được Trên đất trung tính, hàm lượng sắt trong cây cao hơn rất nhiều, có khi tới 300 - 600 mg/kg chất khô mà cây lúa vẫn khỏe

và sinh trưởng tốt Ngược lại, với đất có tính acid (đất phèn) cây lúa bị ngộ độc khi nồng độ sắt trong dung dịch 300 ppm Điều này được Van Mensvoort và ctv (1985)[164] giải thích rằng, ở nồng độ sắt hòa tan thấp hoặc trung bình với sự có mặt đầy đủ chất dinh dưỡng, đặc biệt là K, Ca, và P cây lúa không hút sắt vượt quá nhu cầu của cây Tuy nhiên, khi nồng độ sắt trong dung dịch cao hoặc các chỉ số Fe/Ca, Fe/K, Fe/P cao trong dung dịch, Fe có thể đi vào cây lúa với số lượng lớn hơn nhu cầu Do vậy, hàm lượng Fe dư thừa trong cây được tham gia vào quá trình đồng hóa tạo ra các gốc acid tự do gây ngộ độc cho lúa

1.4.2 Một số nghiên cứu ngưỡng ngộ độc sắt trên cây lúa

Yoshida (1981) [176] cho rằng, hàm lượng sắt trong lá lúa ở ngưỡng 70 ppm là phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa Các giống lúa khác nhau có nhu cầu sắt khác nhau

Nghiên cứu của Nugraha và ctv (2016) [115], Tanaka và ctv (1966) [159] cho rằng, cây lúa bị ngộ độc sắt khi nồng độ Fe2+ trong dung dịch nuôi cấy từ 10 mg/L đến

500 mg/L Tác giả cũng cho rằng, phạm vi ngộ độc sắt rộng là do tiêu chí đánh giá độc tính Nồng độ Fe2+ trong dung dịch nuôi cấy trên 10 mg/L thì sự tăng trưởng của cây lúa bị ảnh hưởng Các triệu chứng bronzing xuất hiện khi nồng độ Fe2+ từ 30 - 80 mg/L

và nồng độ từ 100 - 500 mg/L ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh trưởng của cây lúa

Tanaka và Yoshida (1966) [160] cho rằng, ngộ độc sắt xảy ra khi cây lúa tích tụ hàm lượng sắt trong lá trên 300 ppm và sự xuất hiện ngộ độc sắt liên quan đến hàm lượng sắt hòa tan trong dung dịch đất Ngộ độc sắt xảy ra khi hàm lượng sắt trong lá ở ngưỡng trên 300 mg/kg cũng được nghi nhận ở nghiên cứu của Yamauchi và Peng (1995) [171] và của Ottow và ctv (1993) [118]

Theo Dobermann và Fairhurst (2000) [68], ở những giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây lúa, tính mẫn cảm với độc sắt cũng khác nhau và ngưỡng ngộ độc sắt dao động khi hàm lượng sắt trong lá khoảng 300 – 500 mg Fe/kg Một số trường hợp khác,