Đặc điểm hóa sinh học của một số yếu tố môi trường đất lúa tại Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên - Mai Thị Lan Anh

Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 191 ĐẶC ĐIỂM HÓA SINH HỌC CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA TẠI QUYẾT THẮNG, THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN Mai Thị Lan Anh1, Stephen Joseph2, Lukas Van Zwieten2, Hoàng Trung Kiên1, Hoàng Lâm1, Văn Hữu Tập1, Mai Văn Trịnh3 1Trường ĐH Khoa học – ĐH Thái Nguyên, 2ĐH New South Wales, NSW2052 Australia 3Viện Môi trường Nông nghiệp (IAE), Hà Nội, Việt Nam TÓM TẮT Nghiên cứu này trình bày những ảnh hưởng của than sinh học đến sự biến động hàm lượng chất hữu cơ, N-NH4 trong đất và một số yếu tố môi trường đất trồng lúa như pH, Eh trong đất thịt pha cát ở khu vực ngoại ô của thành phố Thái Nguyên, Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của năm thứ nhất ở thí nghiệm nghiên cứu 3 năm gồm các công thức thử nghiệm với than sinh học và phân chuồng được đánh giá trong bài báo này. Than sinh học được sản xuất nhờ quá trình đốt nhiệt phân bằng thiết bị TLUD-drum của hỗn hợp sinh khối gồm trấu, rơm rạ, tre và gỗ. Trước khi nhiệt phân, tất cả sinh khối này được trộn với hỗn hợp có chứa thành phần dinh dưỡng cao. Sau 1 năm đầu tiên bón than sinh học, hàm lượng chất hữu cơ trong đất đã tăng lên 62,5%. Than sinh học ủ với phân chuồng đã phát huy đặc tính hấp phụ tốt đối với các thành phần khoáng chất như sắt và amoni, nhờ đó vừa giúp giữ lại chất dinh dưỡng trong đất vừa giảm độc sắt trong đất lúa. Từ khóa: Các bon hữu cơ trong đất, đất trồng lúa, than sinh học, phân compost. ĐẶT VẤN ĐỀ* Lúa (Oryza sativa) là một loại cây lương thực quan trọng và là nguồn thực phẩm lâu đời hơn bất kỳ cây trồng khác. Tuy nhiên, việc trồng và sản xuất lúa gạo nảy sinh một số vấn đề môi trường như phát thải khí nhà kính, đặc biệt là khí mêtan (CH4) và nitơ oxit (N2O), vấn đề quản lý số lượng lớn rơm rạ và nước tưới cần thiết cho các giai đoạn ngập nước liên tục (Bueno và Lafarge, 2009) [3]. Những cánh đồng lúa thoát nước tốt, hoặc là do nguồn nước hạn chế hoặc làm cỏ sục khí để tăng cường gốc đẻ nhánh, là các biện pháp canh tác phổ biến ở các nước sản xuất lúa gạo lớn (IRRI, 2013) [5]. Hệ thống thoát nước tạo ra vùng kỵ khí đặc trưng trong đất nơi xảy ra đồng thời hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat (Smith và Patrick, 1983) [9]. Trong quá trình nitrat hóa, NH4+có sẵn trong đất bị oxy hóa thành NO3-, trong phản ứng khử nitrat, NO3- bị khử thành N2O, cuối cùng thành N2. Tuy nhiên, do một phần môi trường đất là kỵ khí nên một số lượng đáng kể N2O thoát vào khí quyển thông qua các lỗ hổng của đất. Khoảng hổng này thường có đặc tính oxy hóa (Smith * Tel: 01635102132; Email: mailananh.festn@gmail.com và Patrick,1983) [9]. Ngoài ra, sự linh động sẵn có C trong đất cũng tăng cường quá trình khử thông qua việc cung cấp chất cho điện tử để khử nitrat và thúc đẩy quá trình yếm khí. Vì vậy, nước và các chất hữu cơ trong những cánh đồng lúa là yếu tố tác động đến phát thải CH4 và N2O. Ngoài các điều kiện đất, cây lúa cũng tăng cường phát thải CH4 và N2O bằng cách cung cấp các chất cho điện tử. Việt Nam có khoảng 6 triệu ha đất trồng lúa lúa, là một trong hai quốc gia sản xuất lúa gạo và xuất khẩu hàng đầu thế giới (FAOSTAT, 2013) [4]. Ở đây, áp dụng phân chuồng (FYM) cùng với phân đạm trong ruộng lúa là một thực tế phổ biến (Dung et al., 2003) [2]. Tuy nhiên cùng với quá trình công nghiệp hóa nông nghiệp nông thôn, các thiết bị máy cày được sử dụng phổ biến kéo theo nguồn phân chuồng giảm đáng kể. Để đảm bảo an ninh lương thực, phân khoáng là lựa chọn số một của nông dân hiện nay. Hệ quả là các cánh đồng lúa ngày càng có nguy cơ nghèo kiệt dinh dưỡng, hàm lượng các chất hữu cơ giảm, đặc biệt là các bon. Trong bối cảnh đó, than sinh học từ phế phẩm nông nghiệp là một giải pháp hữu hiệu bổ sung nguồn các bon vào đất, cải tạo các đặc tính dinh dưỡng của đất, Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 192 nâng cao năng xuất cây trồng (Joshep & Lehmann, 2009). Trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến cân bằng cacbon trong đất lúa nước hướng đến giảm phát thải khí nhà kính (CH4, CO2)”, bài báo này trình bày những kết quả ban đầu về đặc điểm hóa sinh học của đất trồng lúa ở xóm Trung Thành, xã Quyết Thắng, thành phố Thái Nguyên, so sánh với các chế độ canh tác thông thường của nông dân hiện nay với cùng một chế độ canh tác như nhau khi bổ sung than sinh học vào đất. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu được tiến hành ở xã Quyết Thắng-TP Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên (21o34,275’ Kinh độ Bắc; 105o46,796’ vĩ độ Đông). Đất có thành phần cơ giới gồm 79,8% cát, 11,3% limon và 8,9% sét, thuộc loại đất thịt pha cát, dung trọng 1,34 g/cm3. Kết quả nghiên cứu từ bảng 1 cho thấy pHKCl (1:5) đạt 4,43 ở mức axit nhẹ. Hàm lượng cation trao đổi trong đất khu vực nghiên cứu là 12,3 cmol/kg ở mức trung bình. Hàm lượng các bon hữu cơ 0,96%, nitơ tổng số là 0,11%, Phốt pho tổng số 0,017%; kali tổng số 0,03% ở mức nghèo đển rất nghèo. Thí nghiệm đồng ruộng được thiết kế theo khối hoàn chỉnh ngẫu nhiên gồm 5 công thức với 3 lần lặp, mỗi ô thí nghiệm rộng 30m2 (5m x 6m). Lúa giống Khang Dân 18 được thử nghiệm với các chế độ bón phân gồm: T1: đối chứng (không bón); T2: NPK (100kg N+90Kg P2O5+60 kg K2O/ha cho vụ xuân, 80kg N+60Kg P2O5+60 kg K2O/ha cho vụ hè); T3: NPK+ 1,5 tấn than sinh học; T4: NPK+ 10 tấn compost từ phân trâu; T5: NPK+ 10 tấn compost từ phân trâu có chứa 5% than sinh học. Thời gian tiến hành thí nghiệm vụ xuân năm 2013, tổng thời gian sinh trưởng và phát triển của lúa, tính từ lúc cấy đến lúc thu hoạch là 105 ngày. Đặc tính của than sinh học Xử lý sinh khối trước khi đốt sẽ tạo ra sản phẩm than sinh học có chất lượng dinh dưỡng cao (Bảng 2). Các loại sinh khối gồm trấu, rơm, tre và gỗ (tre và gỗ được ngâm dưới ao để tăng hàm lượng dinh dưỡng (Mai Lan Anh và Joseph, 2012) [1], được phối trộn với hỗn hợp chứa 10% đất sét, 5% vôi, 10% phân trâu tươi, 2% tro (đốt từ rơm). Sau khi phơi khô không khí, sinh khối được đốt nhiệt phân ở nhiệt độ 400 – 600oC bằng thùng TLUD- drum (DK-TR1) (Joseph và Mai Lan Anh, 2012) [6]. Hỗn hợp phối trộn có mục đích tăng hàm lượng dinh dưỡng và khả năng hoạt động hóa học của than sinh học. Đất sét chứa hàm lượng khoáng đa lượng và vi lượng; vôi sẽ bổ sung canxi và magie, phân trâu giúp bổ sung hàm lượng nitơ, tro từ rơm chứa kali tăng hàm lượng khoáng kali cho than. Than sinh học sử dụng trong thí nghiệm đồng ruộng có nhiều đặc tính hóa học tốt vì chứa các thành phần P, K, Ca, Mg. Than sinh học có tính kiềm, giúp cải thiện tính axit của đất. CEC tương đương 13,6 cmol/kg. Đặc biệt tỷ lệ C/N là 106,3, ở tỷ lệ này sẽ giúp than sinh học bền vững trong đất trong thời gian dài. Bảng1. Đặc tính của đất khu vực nghiên cứu trước thí nghiệm pH (1:5) CEC OC N P K Fe P dễ tiêu K trao đổi H2O KCl (cmol/kg) Tổng số (%) (mg/kg) 6,27 4,43 12,3 0,96 0,11 0,02 0,03 0,22 22,2 22,2 Bảng 2. Đặc tính than sinh học sử dụng trong thí nghiệm nghiên cứu vụ xuân 2013 pH H2O CEC C N C/N P K Ca Mg (1:4) cmol/kg % g/kg 9,78 13,6 55,3 0,52 106,3 5,12 25,87 13,8 3,9 Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 193 Mẫu đất được lấy 5 lần ở 5 giai đoạn phát triển lúa, đó là đẻ nhánh rộ, làm đòng, trỗ, chín sữa và chín. Eh và pH được đo bằng thiết bị đo hiện trường (Model E-201-C-9 Combination Electrode Operation Instruction) trước khi lấy mẫu đất. Mẫu đất lấy về được bảo quản trong tủ lạnh, phân tích ngay các chỉ tiêu Fe2+ theo phương pháp Cađarinốp và Ocnina; N-NH4 được phân tích theo phương pháp Kjeldahl. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tính chất oxy hóa khử của đất lúa tại khu vực nghiên cứu Đất có đặc tính khử trong ở các giai đoạn lúa đẻ nhánh rộ, làm đòng và trổ bông (rH dao động từ 5,66 – 7,93 (rH = 2pH +2 Eh/59, ở 25°C), tuy nhiên giữa các giai đoạn phát triển của lúa có những biến động khác nhau do ảnh hưởng của chế độ quản lý nước tại ruộng. Hình 1. Biến động pH trong đất qua các giai đoạn phát triển của lúa Hình 2. Biến động Eh trong đất qua các giai đoạn phát triển của lúa Kết quả nghiên cứu trình bày trong hình 1 cho thấy pH đất của khu vực nghiên cứu ít biến động so với đất trước thí nghiệm (trong điều kiện không ngập nước), pH đất trước thí nghiệm có xu hướng chung là giảm nhẹ ở giai đoạn phát triển của lúa. Thế ôxy hóa khử (Eh) thể hiện rất rõ đặc tính của đất lúa. Ở thời điểm 40 ngày sau cấy, đất lúa vẫn ngập nước khoảng 5±2 cm, do đó tạo nên môi trường khử xung quanh rễ lúa, Eh đất dao động từ 215 - 323mV. Điều kiện này rất thuận lợi cho các phản ứng phân hủy chất hữu cơ yếm khí, kết quả là tạo ra khí mê tan (CH4) (Kögel- knabner et al., 2010) [8]. Đây cũng là nguyên nhân chủ yêu gây ra sự phát thải khí nhà kính từ hoạt động canh tác lúa nước. Động thái của Fe2+ trong đất lúa Hàm lượng Fe2+ trong đất phản ảnh đặc tính oxy hóa khử của đất. Từ kết quả hình 3, cho thấy hàm lượng sắt (II) có xu hướng giảm dần qua các giai đoạn phát triển của lúa và có mối quan hệ với mực nước tại ruộng. Ở 3 giai đoạn đầu, đất ngập nước, quan sát thấy hàm lượng sắt khử thấp nhất tại công thức bón 1,5 tấn than sinh học + NPK, nguyên nhân có thể là do Fe đã hấp phụ vào các khoảng hổng trên bề mặt than sinh học, nơi có các nhóm chức năng hoạt động như -OH, -COH, -COOH, tạo các liên kết hữu cơ khoáng bền vững (Mai Lan Anh & Joseph, 2012) [1]. Cơ chế này rất có ý nghĩa làm giảm ngộ độc sắt trong đất lúa đặc biệt ở những nơi có hàm lượng Fe tổng số cao. Động thái của chất hữu cơ trong đất Sự biến đổi về hàm lượng chất hữu cơ trong đất (SOM) vụ xuân năm 2013 tại khu vực nghiên cứu được thể hiện thông qua đồ thị hình 4. Có sự biến động đáng kể của hàm lượng chất hữu cơ trong đất sau 36 ngày sau cấy. Tức là sau khoảng thời gian này, các chất hữu cơ được đưa vào đất trước khi cấy lúa đang bị phân hủy yếm khí trong điều kiện khử của đất ngập nước. Hàm lượng chất hữu cơ lớn nhất ở công thức bón phân compost có chứa 5% than sinh học. SOM trong đất đối chứng tăng lên đáng kể sau khi cấy lúa do tồn Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 194 dư thực vật từ vụ trước còn để lại trong đất. Khi chuẩn bị cấy, đất được cày và bừa ngấu tạo điều kiện cho quá trình phân hủy các loại rễ lúa và gốc còn lại từ những vụ trước. Sau 36 ngày sau cấy hàm lượng chất hữu cơ trong đất cao nhất tại ô thí nghiệm bón 10 tấn phân ủ có chứa 5% than sinh học và NPK, sau đó SOM giảm dần qua các giai đoạn phát triển của lúa. Không có sự khác biệt ý nghĩa (p>0,05) về biến động của SOM trong đất ở các công thức T1 - T4 (SOM dao động từ 2,6 – 3,2%) trong 4 giai đoạn phát triển của lúa trước khi thu hoạch (Đẻ nhánh rộ, làm đòng, trỗ hoa và chín sữa). Trong công thức bón 1,5 tấn than sinh học + NPK và công thức bón 10 tấn phân compost ủ từ phân trâu (không chứa than sinh học), lượng chất hữu cơ trong đất đạt giá trị lớn nhất ở giai đoạn lúa làm đòng (51 ngày sau cấy). Đất bón 10 tấn phân chuồng ủ có chứa 5% than sinh học + NPK cho hàm lượng chất hữu cơ cao nhất. Sau vụ đầu tiên, SOM tăng trung bình 62,5% ở các ô thí nghiệm có bổ sung chất hữu cơ. Với công thức chỉ bón NPK, hàm lượng SOM giảm xuống, mặc dù sự khác biệt cũng chưa có ý nghĩa. Hình 3. Biến động Fe2+ linh động trong đất qua các giai đoạn phát triển của lúa, : đất ngập nước 5-7 cm, : đất ngập nước 2-3 cm, : đất không ngập nước. (DAT: Ngày sau cấy) Hình 4. Biến động hàm lượng chất hữu cơ trong đất lúa Động thái của N-NH4+linh động trong đất Hình 5. Biến động hàm lượng N-NH4+ linh động trong đất lúa Hàm lượng của N-NH4+linh động trong đất có xu hướng giảm dần theo các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của lúa. Tuy nhiên do sự khác nhau về thành phần chất hữu cơ đầu vào, khi kết thúc giai đoạn sinh trưởng và phát triển của lúa, đất có bón than sinh học vẫn giữ được lượng dinh dưỡng amoni đáng kể. Ở công thức đối chứng, do không được bổ sung thêm phân khoáng hay phân hữu cơ, nên sau quá trình canh tác, lúa đã lấy đi từ đất một lượng dinh dưỡng đáng kể, tương đương khoảng 30 mg N-NH4/100g đất (giảm từ 35,9 - 10,6 mg/100g đất). Qua đồ thị hình 5 có Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 195 những dấu hiệu cho thấy than sinh học có thể tương tác khá tốt với đất trong việc giữ lại các thành phần mang điện tích. Hàm lượng N- NH4+ đạt cao nhất trong công thức bón 10 tấn compost có chứa 5% than sinh học + NPK và có xu hướng giảm dần qua các giai đoạn phát triển của lúa (60,4 - 3,6 mg/100g đất). Có thể than sinh học hoạt động như tác nhân làm gia tăng khả năng trao đổi cation của đất, ngoài ra một số thành phần khoáng trong hỗn hợp tiền xử lý sinh khối trước khi nhiệt phân cũng có thể góp phần tăng CEC của đất. Do đó, lượng đáng kể cation amoni trong đất được giữ lại, từ đó giải phóng dần dần, cung cấp cho cây trồng. KẾT LUẬN Than sinh học có ý nghĩa quan trọng trong việc bổ sung chất hữu cơ vào đất, do có chứa hàm lượng các bon khoảng 55,3%. Sinh khối rơm, trấu, tre, gỗ được trộn với hỗn hợp đất sét, vôi, tro và phân trâu giúp tăng hàm lượng khoáng chất và hoạt tính sinh hóa cho than sinh học đồng thời tận dụng được các nguồn nguyên liệu tự nhiên làm phân bón. Than sinh học có thể bón trực tiếp vào đất hoặc phối trộn với phân chuồng ủ 45-60 ngày cho hoai mục. Sau 1 năm đầu tiên bón than sinh học, hàm lượng chất hữu cơ trong đất đã tăng lên 62,5%. Than sinh học ủ với phân chuồng đã phát huy đặc tính hấp phụ tốt đối với các thành phần khoáng chất như sắt và amoni, nhờ đó vừa giúp giữa lại chất dinh dưỡng trong đất vừa giảm độc sắt trong đất lúa. Sau thời gian thí nghiệm, đất có than sinh học có hàm lượng chất hữu cơ, N-NH4+ cao hơn so với các công thức khác. Trong các giai đoạn phát triển của lúa, than sinh học và phân hữu cơ đầu vào có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ ion sắt, tạo các liên kết hữu cơ khoáng bền vững, giúp giảm độc tính của sắt (II) đối với rễ lúa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Mai Lan Anh, T., & Joseph, S., (2012), “Đánh giá chất lượng than sinh học sản xuất từ một số loại vật liệu hữu cơ phổ biến ở Miền Bắc Việt Nam”, Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐH Thái Nguyên, 53, 3–7. [2]. Dung, N. H., Thien, T. C., Hong, N. V., Loc, N. T., Minh, D. V., Thau, T. D., Son, T. T., (1999), “Impact of agro-chemical use on productivity and health in Vietnam”, Economy and environment program for Southeast Asia (EEPSEA). [3]. Bueno, C. S., & Lafarge, T., (2009), “Higher crop performance of rice hybrids than of elite inbreds in the tropics: 1. Hybrids accumulate more biomass during each phenological phase”, Field Crops Research, 112, (2), 229-237. [4]. FAOSTAT, (2013), “Land resources database”, On line at (Accessed December 2011) [5]. International Rice Research Institute (b). Saving water: Alternate wetting and drying.online at: [Accessed April 2013]. [6]. Joseph, S., & Mai, L. A., (2012), "North Vietnam Villagers Develop Strategies to Help Combat Global Warming and Improve Household Health"; Results of First 18 months Of Village Biochar Program", international.org/sites/default/files/Evaluation_of_ CARE_Vietnam_ Biochar_final.pdf [7]. Joshep, S., & Lehmann, J., (2009), "Biochar for Environmental Management. Science And Technology". Earthscan Publishers Ltd. [8]. Kögel-knabner, I., Amelung, W., Cao, Z., Fiedler, S., Frenzel, P., Jahn, R., Schloter, M., (2010),"Biogeochemistry of paddy soils"Geoderma, 157, (1-2), 1–14. [9]. Smith, C. J., & Patrick Jr, W. H., (1983),“Nitrous oxide emission as affected by alternate anaerobic and aerobic conditions from soil suspensions enriched with ammonium sulfate”,Soil Biology and Biochemistry, 15, (6), 693-697. Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 191 - 196 196 SUMMARY PROPERTIES OF ENVIRONMENTAL FACTORS IN PADDY RICE SOIL IN QUYET THANG, THAI NGUYEN CITY Mai Thi Lan Anh1,*, Stephen Joseph2; Lukas Van Zwieten2; Hoang Trung Kien1; Hoang Lam1, Van Huu Tap1, Mai Van Trinh3 1College of Science – TNU; 2New South Wales University, NSW2052 Australia; 3Institute for Agricultural Environment Rice on the upland areas of Vietnam is mostly planted on the soils which are acidic and low organic matters. Biochar could increases pH and organic carbon contents in the soil as well as increasing yields if combined either with compost or with chemical fertilizer. This study investigates effects of biochar as well as biochar-composting on changes in soil organic matters (SOM) and some environmental factors such as pH, Eh, Fe2+, N-NH4 in a sandy clay loam, in suburb of Thai Nguyen City, Vietnam (21o34,275’ North; 105o46,796’ East). This paper reports on the results of the first of a three year field trial. A composite high nutrient biochar was produced by blending buffalo dung, Hybrid Acacia wood, bamboo, rice husk, rice straw. All feedstocks were coated with a mixture of buffalo dung 5%, lime 2%; 10% clay; 5% of rice straw ash to increase the mineral content on the biochar’s surface. The mixture of minerals and biomass (rice straw and timber wood) were dried and then pyrolysis in TLUD - drum oven at 400-500oC to produce the biochar. After first year of experiments, the utilization of organic amendments increased the amount of SOM compared to the control soil. Biochar incorporate with compost manure was stable in soil. In addiotion, biochar absorbs ion in mineral-organic complex, reducing iron toxic in paddy field. Key words: Soil organic carbon, rice, biochar, compost. Ngày nhận bài: 13/3/2014; Ngày phản biện: 15/3/2014; Ngày duyệt đăng: 25/3/2014 Phản biện khoa học: TS. Ngô Văn Giới – Trường ĐH Khoa học – ĐH Thái Nguyên * Tel: 01635102132; Email: mailananh.festn@gmail.com