Luận án tiến sĩ hus nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh quảng trị đến lượng các bon trong đất

Luận án tiến sĩ nông nghiệp nghiên cứu hus nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh quảng trị đến, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Hải
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học đất
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Sử Dụng Đất Nông Nghiệp Vùng Đồng Bằng Ven Biển Tỉnh Quảng Trị Đến Lượng Các Bon Trong Đất
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT VÀ CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT
• 1.1.1. Khái niệm
• 1.1.2. Chu trình các bon
• 1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến lượng các bon hữu cơ trong đất
• 1.1.4. Mối quan hệ giữa C hữu cơ và N trong đất
• 1.1.5. Các biện pháp nâng cao hàm lượng các bon hữu cơ trong đất
• 1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT
• 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƢỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH
• 1.3.1. Các mô hình tính toán, mô phỏng lượng các bon hữu cơ trong đất
• 1.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC đánh giá ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến lượng các bon hữu cơ trong đất
• 2. NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Quy trình nghiên cứu
• 2.3.2. Nhóm phương pháp liên quan đến mô hình DNDC
• 2.3.3. Nhóm phương pháp liên quan đến điều tra bổ sung dữ liệu
• 2.3.4. Nhóm các phương pháp khác
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƢNG KHÍ HẬU, THUỶ VĂN, THỔ NHƢỠNG, CHẾ ĐỘ CANH TÁC VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU
• 3.1.1. Dữ liệu về khí hậu
• 3.1.2. Dữ liệu đất
• 3.1.3. Dữ liệu hệ canh tác
• 3.2. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DNDC XÁC ĐỊNH LƢỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT Ở CÁC HỆ CANH TÁC NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ
• 3.2.1. Các thông số đầu vào sử dụng kiểm chứng mô hình
• 3.2.2. Kiểm chứng mô hình DNDC
• 3.3. ẢNH HƢỞNG CỦA THAY ĐỔI PHƢƠNG THỨC CANH TÁC GIỮA CÁC HUYỆN TRONG VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN ĐẾN LƢỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT
• 3.3.1. Các phương thức canh tác hiện tại
• 3.3.2. Hàm lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm 2010 giữa các huyện vùng nghiên cứu
• 3.4. ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƢỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT Ở CÁC HỆ CANH TÁC NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ
• 3.4.1. Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo không gian đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm 2000
• 3.4.2. Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo không gian đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm 2010
• 3.4.3. Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm trong giai đoạn 2000 - 2010 đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị
• 3.5. MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI LƢỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT THEO CÁC KỊCH BẢN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP
• 3.5.1. Các kịch bản áp dụng
• 3.5.2. Kết quả ước lượng các bon hữu cơ trong đất theo các kịch bản và đề xuất một số giải pháp nâng cao lượng các bon hữu cơ trong đất
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN
• PHẦN PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng carbon trong đất

Nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng carbon trong đất tại Quảng Trị là một vấn đề quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa các hoạt động nông nghiệp và lượng carbon trong đất không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo sự phát triển bền vững cho nền nông nghiệp. Quảng Trị, với đặc điểm địa lý và khí hậu đa dạng, là một địa điểm lý tưởng để thực hiện nghiên cứu này.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu carbon trong đất

Lượng carbon trong đất có vai trò quan trọng trong việc duy trì độ phì nhiêu của đất và ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc quản lý hợp lý đất nông nghiệp có thể giúp tăng cường lượng carbon trong đất, từ đó cải thiện chất lượng đất và giảm phát thải khí nhà kính.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu tại Quảng Trị

Mục tiêu chính của nghiên cứu là định lượng hóa lượng carbon trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp tại Quảng Trị, từ đó đánh giá ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng carbon trong đất. Nghiên cứu cũng nhằm đề xuất các giải pháp quản lý bền vững cho đất nông nghiệp.

II. Vấn đề và thách thức trong quản lý đất nông nghiệp tại Quảng Trị

Quảng Trị đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc quản lý đất nông nghiệp. Sự gia tăng dân số và đô thị hóa đã dẫn đến việc giảm diện tích đất nông nghiệp, ảnh hưởng đến lượng carbon trong đất. Bên cạnh đó, việc sử dụng phân bón hóa học và các phương pháp canh tác không bền vững cũng làm suy giảm lượng carbon hữu cơ trong đất.

2.1. Tác động của đô thị hóa đến đất nông nghiệp

Đô thị hóa nhanh chóng đã làm giảm diện tích đất nông nghiệp tại Quảng Trị. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp mà còn làm giảm khả năng lưu trữ carbon trong đất, dẫn đến gia tăng phát thải khí nhà kính.

2.2. Sự suy giảm chất lượng đất do canh tác không bền vững

Việc sử dụng phân bón hóa học và các phương pháp canh tác không bền vững đã làm giảm lượng carbon trong đất. Nghiên cứu cho thấy rằng các phương pháp canh tác truyền thống có thể giúp duy trì và nâng cao lượng carbon hữu cơ trong đất.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến carbon trong đất

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp mô hình hóa để đánh giá lượng carbon trong đất. Mô hình DNDC (Denitrification-Decomposition) được áp dụng để mô phỏng sự thay đổi lượng carbon trong đất theo thời gian và không gian. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn về ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng carbon trong đất.

3.1. Mô hình hóa lượng carbon trong đất

Mô hình DNDC được sử dụng để tính toán lượng carbon trong đất theo các kịch bản canh tác khác nhau. Phương pháp này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến lượng carbon trong đất và đưa ra các giải pháp quản lý hiệu quả.

3.2. Thu thập và phân tích dữ liệu

Dữ liệu về khí hậu, thổ nhưỡng và phương thức canh tác được thu thập từ các khu vực nghiên cứu. Phân tích dữ liệu giúp xác định mối quan hệ giữa sử dụng đất nông nghiệp và lượng carbon trong đất, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho quản lý đất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn tại Quảng Trị

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng lượng carbon trong đất tại Quảng Trị có sự biến động lớn theo thời gian và không gian. Các hệ canh tác khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến lượng carbon trong đất. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp canh tác bền vững có thể giúp tăng cường lượng carbon trong đất.

4.1. Biến động lượng carbon trong đất theo thời gian

Nghiên cứu cho thấy rằng lượng carbon trong đất đã giảm đáng kể trong giai đoạn 2000-2010 do sự thay đổi trong phương thức canh tác và giảm diện tích đất nông nghiệp. Việc áp dụng các biện pháp quản lý hợp lý có thể giúp cải thiện tình hình này.

4.2. Đề xuất giải pháp nâng cao lượng carbon trong đất

Để nâng cao lượng carbon trong đất, cần áp dụng các phương pháp canh tác bền vững như luân canh, sử dụng phân hữu cơ và bảo vệ đất. Những giải pháp này không chỉ giúp tăng cường lượng carbon trong đất mà còn cải thiện độ phì nhiêu của đất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng carbon trong đất tại Quảng Trị đã chỉ ra những thách thức và cơ hội trong việc quản lý đất. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để phát triển các chính sách quản lý đất bền vững, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bối cảnh hiện nay

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn trong việc xây dựng các chính sách quản lý đất nông nghiệp bền vững. Việc duy trì và nâng cao lượng carbon trong đất là cần thiết để ứng phó với biến đổi khí hậu.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ giữa sử dụng đất nông nghiệp và lượng carbon trong đất, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình dự báo lượng carbon trong đất theo các kịch bản canh tác khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự biến động trong sử dụng đất nông nghiệp và phương thức quản lý canh tác đóng vai trò quyết định đối với chu trình chuyển hóa các bon toàn cầu cũng như tiến trình phát thải khí nhà kính vào khí quyển. Theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), trong giai đoạn từ năm 1850 đến 1998, ước tính có khoảng $(136 \pm 55) \times 10^9$ tấn $\text{CO}_2$ đã phát thải vào khí quyển do các hoạt động chuyển đổi sử dụng đất và canh tác, trong đó $(78 \pm 12) \times 10^9$ tấn $\text{CO}_2$ bắt nguồn trực tiếp từ sự suy giảm trữ lượng các bon hữu cơ trong đất (Soil Organic Carbon - SOC). Tại Việt Nam, vùng đồng bằng ven biển (ĐBVB) tỉnh Quảng Trị là khu vực nông nghiệp trọng điểm chiếm 9,53% diện tích tự nhiên toàn tỉnh, sở hữu đặc trưng thổ nhưỡng với thành phần cơ giới nhẹ, hàm lượng cát cao và nền nhiệt ẩm nhiệt đới gió mùa khốc liệt (nhiệt độ trung bình năm 24–25°C, lượng mưa xấp xỉ 2.500 mm/năm, chịu ảnh hưởng mạnh của gió Tây Nam khô nóng). Điều kiện sinh thái này thúc đẩy quá trình khoáng hóa chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ, trong khi tập quán canh tác thâm canh vô cơ hóa ngày càng làm suy thoái trữ lượng SOC.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi tồn tại trong hệ thống khoa học đất Việt Nam là sự thiếu vắng các công trình định lượng hóa và mô phỏng động thái SOC ở quy mô vùng (regional scale) theo cả hai chiều không gian và thời gian. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở mức độ đo đạc thực nghiệm tĩnh tại các ô thí nghiệm cục bộ (plot scale) hoặc so sánh hàm lượng phần trăm mà chưa lượng hóa thành tổng khối lượng trữ lượng (tấn C) gắn với các kịch bản chuyển đổi hệ canh tác. Luận án tiến sĩ của NCS. Nguyễn Thanh Tuấn, chuyên ngành Khoa học Đất (Mã số: 62620103) dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Xuân Hải và PGS. Trần Văn Ý tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (2016), mang tính tiên phong khi giải quyết triệt để bài toán này.

Nghiên cứu tập trung giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và kiểm chứng 3 giả thuyết khoa học (Hypotheses - H) tương ứng:

• RQ1: Trữ lượng và sự phân bố không gian của SOC tại 5 hệ canh tác (HCT) cây trồng hàng năm vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị năm 2010 biến động như thế nào theo từng đơn vị bản đồ đất? $\rightarrow$ H1: Trữ lượng SOC biến thiên phụ thuộc chặt chẽ vào thành phần cơ giới đất (hàm lượng sét) và chế độ tưới tiêu ngập nước của từng HCT, trong đó HCT lúa nước duy trì trữ lượng SOC cao hơn đáng kể so với HCT cây màu cạn.
• RQ2: Biến động chuyển đổi cơ cấu cây trồng và tập quán bón phân giai đoạn 2000–2010 đã tác động định lượng ra sao đến sự suy giảm hoặc tích lũy SOC? $\rightarrow$ H2: Sự gia tăng phân bón vô cơ kết hợp suy giảm phân chuồng và lấy sạch tàn dư phụ phẩm đã biến đất nông nghiệp khu vực thành nguồn phát thải ròng $\text{CO}_2$ do tốc độ khoáng hóa vượt quá lượng bổ sung hữu cơ.
• RQ3: Các kịch bản quản lý nông học (bón phân hữu cơ kết hợp giữ lại phụ phẩm) trong tương lai giai đoạn 2010–2020 có khả năng đảo ngược đà suy thoái SOC và nâng cao năng lực hấp thụ C của đất hay không? $\rightarrow$ H3: Việc để lại 50% phụ phẩm cây trồng trên đồng ruộng kết hợp cân đối phân chuồng và NPK sẽ phục hồi trữ lượng SOC lũy tiến theo thời gian mà không làm suy giảm năng suất nông sản.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết chu trình sinh địa hóa C-N trong đất, nhiệt động học phản ứng oxy hóa khử (Phương trình Nernst) và động học enzyme (Phương trình Michaelis-Menten) thông qua việc ứng dụng mô hình quá trình sinh địa hóa DNDC (DeNitrification-DeComposition) phiên bản 9.5 kết hợp kỹ thuật GIS. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ tầng đất mặt canh tác 0–30 cm tại đồng bằng ngập lụt của 3 hệ thống sông lớn (sông Bến Hải, sông Thạch Hãn, sông Ô Lâu) và dải cát ven biển, theo dõi chuỗi diễn thế sử dụng đất 20 năm (2000–2020) trên 5 HCT chủ lực: (1) Lúa – lúa; (2) Ngô – đậu; (3) Lạc; (4) Lạc – khoai lang; (5) Sắn.

Literature Review và Positioning

Các công trình nghiên cứu trên thế giới đã xác lập nền tảng lý luận vững chắc về động thái của chất hữu cơ trong đất (SOM) và SOC. Khái niệm bản chất được Baldock và Skjemstad (1999) cùng Stevenson (1994) chuẩn hóa: SOM bao gồm toàn bộ vật liệu hữu cơ trong đất từ tàn tích sinh vật ở các giai đoạn phân hủy khác nhau, sinh khối vi sinh vật đến các hợp chất mùn cao phân tử ổn định (axit humic, axit fulvic, humin). Tỷ lệ C trong SOM thường được giả định ở mức 58% thông qua hệ số chuyển đổi kinh điển Van Bemmelen (1,724), dù nhiều tác giả sau này đã chứng minh tính biến thiên của hệ số này theo độ sâu và loại đất. Về mặt động học, Li et al. (1994) khẳng định: "Động học các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác được điều chỉnh bởi 2 quá trình: (1) nhận các bon thông qua lượng tàn tích cây trồng, phân bón hữu cơ được sử dụng và (2) mất các bon do phân hủy SOC và xói mòn đất".

Trong y văn quốc tế, tồn tại các luồng quan điểm và tranh luận sâu sắc về mức độ chi phối của các yếu tố đến SOC. Một trường phái học thuật đại diện bởi Lal (2004) và Drewniak et al. (2015) nhấn mạnh vai trò vượt trội của phương thức quản lý canh tác (cày xới, quản lý phụ phẩm, bón phân hữu cơ). Thí nghiệm trường kỳ kinh điển tại trạm Rothamsted (Anh) do Jenkinson (1991) phân tích đã chứng minh việc bón phân hữu cơ liên tục trong 140 năm làm tăng trữ lượng SOC gấp 3 lần. Ngược lại, trường phái thứ hai dẫn đầu bởi Ciric et al. (2012) tại vùng bán khô hạn lại lập luận rằng loại đất (chất nền thổ nhưỡng và thành phần cơ giới sét) mới là yếu tố quyết định tốc độ suy giảm SOC: đất Vertisols tích lũy tới 93 tấn C/ha, trong khi đất Fluvisols chỉ đạt 48 tấn C/ha, và mức suy giảm khi chuyển đổi từ thảm thực vật tự nhiên sang đất canh tác dao động từ 13% đến 22% tùy thuộc vào nền đất.

Đồng thời, phân tích tổng hợp 74 công trình toàn cầu của Guo và Gifford (2002) chỉ ra rằng việc chuyển đổi từ rừng tự nhiên sang đất trồng trọt làm mất trung bình 42% SOC, chuyển từ đồng cỏ sang trọt trọt làm mất 59% SOC, trong khi việc đưa phụ phẩm và tái sinh thảm phủ có thể giúp phục hồi SOC từ 18% đến 53%. Tại Trung Quốc, Qiu et al. (2005, 2009) và Tang et al. (2006) khi ứng dụng mô hình DNDC ở quy mô khu vực đã kết luận các vùng đất canh tác nước này mất khoảng $78,89 \times 10^6$ tấn C/năm, chủ yếu do chỉ có 25% phụ phẩm được để lại đồng ruộng so với tỷ lệ 90% tại Mỹ.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Lương Đức Loan et al. (2003) trên đất bazan Tây Nguyên, Trần Đức Toàn et al. (1998) trên đất đồi Tam Đảo, Nguyễn Tử Siêm và Thái Phiên (1999) cùng Hoàng Ngọc Thuận (2012) trên đất phù sa sông Hồng đã chứng minh hiệu quả bảo vệ đất, tăng từ 0,21% đến 0,41% SOM khi trồng xen cây họ Đậu và vùi phụ phẩm rơm rạ. Đáng chú ý nhất, Phạm Quang Hà (2010) khi khảo sát 1.271 mẫu đất thuộc 6 nhóm đất chính của Việt Nam đã chỉ ra hàm lượng C cao nhất ở đất phèn (3,8%), đất phù sa HCT lúa - lúa (2,09%), và thấp nhất ở đất cát (0,68%) cùng HCT rau - ngô - đậu (0,76%). Tuy nhiên, nghiên cứu của Phạm Quang Hà mới dừng ở việc phân tích thống kê hàm lượng phần trăm (%) tĩnh mà chưa lượng hóa được tổng trữ lượng (tấn SOC) trong không gian và chưa mô phỏng động thái dự báo dài hạn. Luận án của NCS. Nguyễn Thanh Tuấn đã định vị chính xác vào khoảng trống khoa học này, trở thành công trình đầu tiên tại Việt Nam thiết lập khung tích hợp GIS - DNDC để lượng hóa biến động C đất nông nghiệp ở quy mô vùng.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và làm sâu sắc thêm lý thuyết chu trình sinh địa hóa C-N trong điều kiện nhiệt đới gió mùa khắc nghiệt thông qua việc kiểm chứng các giả thuyết nền tảng của Li Changsheng, Brussaard (1997) và Phan Tuấn Triều (1999):

• Khung khái niệm động thái C-N: Tích hợp mối quan hệ tương hỗ giữa cân bằng $C:N$ và tốc độ khoáng hóa/mùn hóa. Trong điều kiện nhiệt độ cao (25–30°C) và ẩm độ đồng ruộng 60–70%, vi sinh vật hiếu khí phân giải cực nhanh các tàn tích hữu cơ có tỷ lệ $C:N$ thấp. Khi tỷ lệ $C:N$ cao mà thiếu hụt đạm khoáng, hiện tượng vi sinh vật tranh chấp đạm với cây trồng diễn ra; ngược lại, việc lạm dụng phân đạm hóa học kích thích hô hấp dị dưỡng của vi sinh vật, dẫn đến tiêu hao nhanh chóng lượng mùn dự trữ.
• Mô hình lý thuyết tương tác môi trường khử - oxy hóa: Luận án khẳng định vai trò của chế độ nước trong HCT lúa nước đối với việc làm chậm tiến trình khoáng hóa. Trong môi trường yếm khí ngập nước, quá trình phân hủy bị ức chế, các chất khử hình thành kìm hãm hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, giúp bảo tồn SOC tốt hơn đáng kể so với HCT canh tác màu cạn (lạc, khoai, sắn) vốn luôn duy trì môi trường thoáng khí thúc đẩy oxy hóa triệt để.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án kết hợp 3 mô hình lý thuyết cốt lõi trong một kiến trúc tính toán thống nhất:

1. Nhiệt động học Nernst: Xác định trạng thái thế oxy hóa khử ($Eh$) của môi trường đất dựa trên tỷ lệ nồng độ giữa chất oxy hóa và chất khử: $$Eh = E_0 + \frac{RT}{nF} \ln\left(\frac{[O]}{[W]}\right)$$ (trong đó $E_0$ là thế chuẩn, $R$ là hằng số khí, $T$ là nhiệt độ Kelvin, $n$ là số electron trao đổi, $F$ là hằng số Faraday, $[O]$ và $[W]$ là nồng độ chất oxy hóa và chất khử).
2. Động học enzyme Michaelis-Menten kép: Mô tả tốc độ phản ứng sinh học của vi khuẩn tiêu thụ đồng thời nguồn các bon hữu cơ hòa tan (DOC) và chất oxy hóa: $$R = R_{max} \times \left(\frac{\text{DOC}}{K_a + \text{DOC}}\right) \times \left(\frac{[O]}{K_b + [O]}\right)$$ (với $R_{max}$ là tốc độ phản ứng tối đa, $K_a$ và $K_b$ là hằng số bán bão hòa).
3. Khái niệm "Anaerobic Balloon" (Quả bóng kỵ khí): Cơ chế vi mô trong mô hình DNDC chia thể tích đất thành phần hiếu khí (bên ngoài quả bóng, thực hiện nitrat hóa và khoáng hóa) và phần kỵ khí (bên trong quả bóng, thực hiện khử nitrat và tạo $\text{CH}_4$). Kích thước quả bóng biến thiên liên tục từ 0 (thoáng khí hoàn toàn) đến 1 (ngập nước bão hòa), điều khiển vòng lặp liên hoàn: Xác định $Eh$ $\rightarrow$ Phân phối cơ chất $\rightarrow$ Phản ứng oxy hóa khử $\rightarrow$ Tiêu tốn cơ chất $\rightarrow$ Tái lập $Eh$.

Biên giới hạn áp dụng (boundary conditions) của khung phân tích được xác lập chặt chẽ: áp dụng cho tầng đất mặt canh tác nông nghiệp 0–30 cm của các HCT cây trồng ngắn ngày hàng năm tại vùng đồng bằng nhiệt đới có mùa khô và mùa mưa phân hóa rõ rệt.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế theo trường phái thực chứng (positivism) kết hợp mô hình hóa quá trình cơ chế sinh địa hóa (process-based mechanistic modeling) và đối chứng thực nghiệm nghiêm ngặt. Thiết kế đa cấp (multi-level design) được triển khai: cấp độ điểm (point/plot level) phục vụ hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình; cấp độ vùng (regional level) phục vụ mô phỏng không gian và dự báo xu thế thời gian.

Cỡ mẫu và phân bố không gian:

• Toàn bộ vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị gồm 7 nhóm đất và 14 loại đất chính (đất phù sa glây chiếm ưu thế với 20.076,6 ha, đất cát biển, đất mặn, đất phù sa cổ, đất phù sa ngập lũ, đất dốc tụ...).
• 5 vị trí phẫu diện đất điển hình đại diện cho các HCT và loại đất chủ yếu được lựa chọn để hiệu chỉnh và kiểm chứng độc lập: QT66, QT90, QT49A, QT49C, QT21. Tại mỗi vị trí, tiến hành lấy 4–5 mẫu đất theo từng tầng phát sinh thẳng đứng để phân tích trong phòng thí nghiệm.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu vận hành qua 3 giai đoạn đồng bộ:

1. Thu thập dữ liệu và khảo sát thực địa: Điều tra 30 bảng hỏi nông học chi tiết tại 5 HCT chính vùng ĐBVB để xác lập thông số canh tác: thời gian làm đất, số lần và độ sâu cày bừa, lượng phân chuồng, phân đạm vô cơ, chế độ tưới tiêu, tỷ lệ thu gom/để lại phụ phẩm, năng suất thực tế. Dữ liệu khí tượng ngày (nhiệt độ tối cao, tối thấp, lượng mưa) thu thập liên tục 25 năm (1989–2013) từ trạm khí tượng Đông Hà.
2. Quy chuẩn phân tích phòng thí nghiệm:
   • Dung trọng đất ($d = P/V$, đơn vị $\text{g/cm}^3$) xác định bằng phương pháp ống trụ kim loại nguyên thổ, sấy kiệt ở 105°C theo tiêu chuẩn TCVN 6860:2001.
   • Độ chua đất ($\text{pH}_{\text{KCl}}$) đo bằng máy đo pH Precica 900 theo tỷ lệ đất:dung dịch 1:5 theo chuẩn TCVN 5979:2007.
   • Các bon hữu cơ trong đất (SOC) xác định theo phương pháp oxy hóa ướt Walkley - Black chuẩn hóa (TCVN 8941:2011), oxy hóa triệt để bằng hỗn hợp $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc đun sôi ở nhiệt độ 145–155°C trong 30–35 phút, đo quang mật độ quang phổ ion $\text{Cr}^{3+}$ ở bước sóng 600 nm trên máy quang phổ tử ngoại khả kiến UV-VIS JASCO - V530.
   • Đạm khoáng ($\text{NO}_3^-$, $\text{NH}_4^+$) chiết rút dung dịch nước 1:5, đo quang UV ở bước sóng 220 nm, 275 nm và phương pháp Phenat ở 640 nm.
   • Thành phần cơ giới xác định bằng phương pháp ống hút Pipette sa lắng kết hợp phân tán bằng hóa chất ($\text{Na}_2\text{C}_2\text{O}_4$, $\text{Na}_4\text{P}_2\text{O}_7$).
3. Tam giác đạc (Triangulation) và kiểm soát sai số: Kiểm soát chéo giữa số liệu đo đạc thực tế 2012, số liệu lịch sử năm 2000, và kết quả mô phỏng đầu ra. Mức độ tin cậy được đánh giá qua chỉ số mức độ phù hợp Wilmott ($d$) và sai số bình phương trung bình chuẩn hóa ($PE / RMSE$): $$PE = \sqrt{\frac{1}{n} \sum (P_i - O_i)^2}$$ $$d = 1 - \left[ \frac{\sum (P_i - O_i)^2}{\sum (|P_i - \bar{O}| + |O_i - \bar{O}|)^2} \right]$$ (với $n$ là số mẫu, $O_i$ là giá trị đo đạc thực tế, $P_i$ là giá trị mô hình ước lượng, $\bar{O}$ là giá trị trung bình đo đạc). Khi $d \rightarrow 1$ và $PE \rightarrow 0$, mô hình đạt độ chính xác tối ưu.

Data và phân tích

Để giải quyết tính bất định (uncertainty) của các thuộc tính đất trên quy mô vùng, luận án áp dụng phương pháp Nhân tố nhạy cảm nhất (Most Sensitive Factor - MSF) do Li Changsheng phát triển (2004). Mỗi đơn vị bản đồ đất - HCT được gán 4 thông số nhạy cảm nhất gồm: SOC ban đầu, hàm lượng sét (clay %), pH và dung trọng đất với hai giá trị cận trên ($\max$) và cận dưới ($\min$). Mô hình DNDC 9.5 được chạy độc lập cho từng kịch bản cận biên, tạo ra khoảng biến thiên tin cậy (confidence interval) bao hàm giá trị thực tế với xác suất thống kê cao nhất.

Dữ liệu không gian được bóc tách, chồng xếp và liên kết cơ sở dữ liệu thuộc tính thông qua hệ thống phần mềm chuyên dụng ArcView 3.1, MapInfo 8.5 và ArcGIS 10.1.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Kiểm chứng độ chính xác vượt trội của mô hình DNDC tại vùng ven biển nhiệt đới: Kết quả kiểm chứng độc lập trên 5 phẫu diện mẫu đối chứng (QT66, QT90, QT49A, QT49C, QT21) năm 2012 cho thấy sự tương thích rất cao giữa giá trị đo đạc thực nghiệm và giá trị mô phỏng. Chỉ số mức độ phù hợp $d$ đạt xấp xỉ 0,89–0,95, sai số $PE$ nằm trong giới hạn sai số cho phép của phương pháp lấy mẫu thổ nhưỡng ($<10%$). Đồ thị tương quan giữa SOC ước lượng và đo đạc thực tế đạt hệ số tương quan $R^2 > 0,85$, chứng minh mô hình DNDC 9.5 hoàn toàn thích hợp để tính toán động thái SOC tại miền Trung Việt Nam.
2. Sự phân hóa sâu sắc của trữ lượng SOC theo hệ canh tác và chất nền đất (Năm 2000 & 2010):
   • Trữ lượng SOC tập trung cao nhất ở HCT Lúa – lúa trên nền đất phù sa glây và đất lầy thụ hưởng điều kiện ngập nước định kỳ, với hàm lượng SOC dao động từ 1,2% đến 1,8% (đạt 35–48 tấn C/ha).
   • HCT Lạc và Lạc – khoai lang trên đất cát biển có trữ lượng SOC nghèo nàn nhất, hàm lượng chỉ đạt 0,3% – 0,6% (12–18 tấn C/ha) do tỷ lệ hạt sét cực thấp ($<5%$) không đủ khả năng hình thành phức hệ sét - mùn bảo vệ chất hữu cơ.
   • HCT Sắn độc canh trên đất phù sa không được bồi và đất phù sa cổ làm suy kiệt dinh dưỡng nhanh nhất, với hàm lượng SOC giảm sâu qua các năm canh tác.
3. Xu thế suy giảm nghiêm trọng trữ lượng SOC giai đoạn 2000–2010:
   • Toàn bộ các HCT nông nghiệp không chuyển đổi tại ĐBVB Quảng Trị đều rơi vào tình trạng suy thoái trữ lượng SOC ròng. Tổng khối lượng C mất đi từ đất vượt trội hoàn toàn so với lượng C đầu vào từ phân bón và tàn dư rễ.
   • Nguyên nhân then chốt được lượng hóa: Sau năm 2000, nông dân có xu hướng giảm mạnh lượng phân chuồng bón cho cây trồng (do suy giảm đàn đại gia súc và chuyển dịch cơ giới hóa), thay thế bằng phân hóa học vô cơ, đồng thời thu gom triệt để phụ phẩm (thân lạc, rơm rạ, thân ngô) để làm chất đốt hoặc thức ăn gia súc.
4. Hiệu ứng chuyển đổi hệ canh tác: Việc chuyển đổi đất trồng lúa nước sang trồng cây màu cạn (ngô, sắn) làm gia tăng đột biến tốc độ oxy hóa và khoáng hóa chất hữu cơ, khiến lượng SOC sụt giảm từ 15% đến 25% chỉ sau một chu kỳ canh tác 5–10 năm. Ngược lại, chuyển đổi sang hệ canh tác xen canh cây họ Đậu giúp làm chậm đà suy giảm C và cải thiện dự trữ nitơ sinh học trong đất.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết học thuật: Công trình bổ sung bằng chứng thực nghiệm nhiệt đới vào kho tàng khoa học đất thế giới, chứng minh rằng trong điều kiện nhiệt độ cao, nếu không có cơ chế bảo vệ vật lý của hạt sét và môi trường yếm khí ngập nước, các bon hữu cơ trong đất sẽ bị khoáng hóa giải phóng thành $\text{CO}_2$ với tốc độ nhanh gấp 2–3 lần so với vùng ôn đới.
• Về đổi mới phương pháp luận: Thiết lập thành công quy trình chuẩn tích hợp GIS và DNDC 9.5 trong điều kiện dữ liệu hạn chế tại các nước đang phát triển, cung cấp công cụ tính toán phát thải và tích lũy C có khả năng nhân rộng cho các vùng sinh thái nông nghiệp khác trên toàn lãnh thổ Việt Nam.
• Về ứng dụng thực tiễn nông học: Đưa ra định mức canh tác chính xác cho từng loại đất: bắt buộc phải duy trì việc cày vùi tối thiểu 50% lượng rơm rạ và thân lá cây trồng sau thu hoạch trực tiếp vào đồng ruộng, kết hợp bón phân hữu cơ hoai mục nhằm tái thiết lập cân bằng sinh học C-N.
• Về chính sách và thích ứng biến đổi khí hậu: Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ các nhà hoạch định chính sách thuộc Bộ Nông nghiệp & PTNT và Sở Nông nghiệp & PTNT Quảng Trị xây dựng kế hoạch hành động quốc gia về "Nông nghiệp thông minh thích ứng với khí hậu" (Climate-Smart Agriculture - CSA), hướng tới thị trường tín chỉ các bon đất nông nghiệp theo cơ chế giảm phát thải quốc tế.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những đột phá quan trọng, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn nghiên cứu:

1. Giới hạn độ sâu phẫu diện: Nghiên cứu chỉ tập trung mô phỏng và đo đạc tầng đất canh tác bề mặt 0–30 cm. Động thái C ở tầng đất sâu (30–100 cm), nơi lưu giữ các bon hữu cơ trơ (recalcitrant C) có độ ổn định hàng thế kỷ, chưa được lượng hóa đầy đủ.
2. Độ phân giải chuỗi khí tượng tương lai: Việc mô phỏng giai đoạn 2014–2020 sử dụng kịch bản trung bình hóa giữa hai năm có lượng mưa cực đoan nhất trong chuỗi 1989–2013 tại trạm Đông Hà, chưa tích hợp đầy đủ các mô hình hoàn lưu khí quyển khu vực chi tiết (như kịch bản biến đổi khí hậu RCP của IPCC).
3. Phạm vi phân tích sinh học phân tử: Mô hình DNDC dựa trên các tham số động học vi sinh vật khái quát hóa, chưa phân tích chuyên sâu cấu trúc thành phần loài quần xã vi sinh vật đất bằng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (Next-Generation Sequencing) để đối chứng hoạt tính enzyme thực tế.

Hướng nghiên cứu tương lai ưu tiên:

• Mở rộng phạm vi khảo sát xuống độ sâu 100 cm trên các phẫu diện đất phù sa ngập lũ và đất cát biển.
• Ứng dụng phương pháp đồng vị phóng xạ bền $^{13}\text{C}$ và $^{14}\text{C}$ để xác định tuổi và nguồn gốc các phân đoạn mùn trong đất.
• Mở rộng mô hình DNDC sang đánh giá đồng thời phát thải ròng các khí nhà kính khác ($\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) trên quy mô lưu vực sông liên tỉnh.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án tạo ra dấu ấn học thuật sâu sắc trong chuyên ngành Khoa học Đất Việt Nam với tiềm năng trích dẫn cao trong các nghiên cứu về chu trình các bon nông nghiệp và biến đổi khí hậu. Về mặt chuyển giao công nghệ, công trình mở ra hướng tiếp cận chuyển đổi số trong quản lý dinh dưỡng đất cho các cơ quan khuyến nông và viện nghiên cứu địa lý - thổ nhưỡng.

Tại cấp độ địa phương, kết quả nghiên cứu là luận cứ khoa học trực tiếp giúp UBND tỉnh Quảng Trị và ngành nông nghiệp tái cơ cấu cơ cấu cây trồng, ban hành các văn bản hướng dẫn kỹ thuật canh tác bền vững trên vùng đất cát ven biển khô hạn, ngăn chặn triệt để tình trạng đốt rơm rạ và phế phẩm nông nghiệp gây ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận phương pháp luận mẫu mực về tích hợp mô hình quá trình (DNDC) với công nghệ GIS và kỹ thuật xử lý bất định số liệu (MSF).
• Các nhà khoa học đất và môi trường: Kế thừa bộ dữ liệu chuẩn hóa về tính chất lý - hóa đất, dung trọng, hàm lượng C, N và các tham số hiệu chỉnh mô hình cho điều kiện nhiệt đới Việt Nam.
• Kỹ sư nông học và doanh nghiệp nông nghiệp: Nắm bắt quy trình quản lý phụ phẩm và tỷ lệ bón phân tối ưu cho từng hệ cây trồng (lúa, ngô, lạc, khoai lang, sắn) nhằm bảo vệ độ phì nhiêu đất lâu dài.
• Cơ quan quản lý nhà nước: Sử dụng các bản đồ trữ lượng SOC và kịch bản dự báo để xây dựng chính sách quản lý đất đai và thực hiện các cam kết quốc tế về giảm phát thải khí nhà kính (NDC).

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?
Luận án đã mở rộng lý thuyết động học sinh địa hóa C-N trong điều kiện đất cát ven biển và đất phù sa nhiệt đới bằng việc chứng minh: tốc độ suy thoái SOC chịu sự tương tác phi tuyến tính giữa hàm lượng cấp hạt sét ($<5%$) và chế độ canh tác thoáng khí; việc cắt giảm phân chuồng và lấy sạch phụ phẩm là nguyên nhân chủ đạo dẫn đến sự thâm hụt cán cân C của đất nông nghiệp vùng ven biển.

2. Đổi mới phương pháp luận nổi bật so với các nghiên cứu trước đây?
So với các nghiên cứu thực nghiệm tĩnh điểm đơn lẻ của Lương Đức Loan (2003), Trần Đức Toàn (1998) hay nghiên cứu so sánh phần trăm tĩnh của Phạm Quang Hà (2010), luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam kết hợp thành công mô hình động học DNDC 9.5 với GIS và phương pháp nhân tố nhạy cảm nhất (MSF), cho phép lượng hóa trữ lượng SOC thành tổng khối lượng tuyệt đối (tấn C) trên toàn bộ bản đồ không gian và mô phỏng dự báo động thái 20 năm (2000–2020).

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ số liệu thực nghiệm?
Hệ canh tác sắn trên đất phù sa cổ và đất dốc tụ có tốc độ suy giảm SOC nhanh nhất trong tất cả các hệ thống cây trồng, do sinh khối lá rụng ít, thời gian phơi đất trống dài và mức độ thâm canh bón phân vô cơ đơn điệu làm thúc đẩy vi sinh vật khoáng hóa toàn bộ chất hữu cơ sẵn có mà không có nguồn bù đắp.

4. Luận án có cung cấp quy trình nhân rộng (replication protocol) rõ ràng không?
Có. Luận án mô tả chi tiết toàn bộ các bước thiết lập cơ sở dữ liệu đầu vào chuẩn hóa (định dạng file .txt khí tượng ngày, bảng thuộc tính đất $\max$-$\min$, lịch mùa vụ nông học, tỷ lệ $C:N$ của tàn dư thực vật) và quy trình liên kết kết quả mô phỏng DNDC với hệ thống thông tin địa lý MapInfo/ArcGIS, cho phép áp dụng chính xác quy trình này cho bất kỳ vùng sinh thái nông nghiệp nào khác.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?
Chương trình nghiên cứu dài hạn tập trung vào 3 hướng: (1) Xây dựng mạng lưới trạm quan trắc tự động dòng phát thải $\text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{N}_2\text{O}$ bằng công nghệ tháp Eddy Covariance để tinh chỉnh bộ tham số DNDC; (2) Nghiên cứu cơ chế cố định C ở cấp độ vi cấu trúc đoàn lạp và khoáng sét nano; (3) Định lượng giá trị kinh tế của bể chứa C đất nông nghiệp phục vụ thị trường chứng chỉ các bon tại Việt Nam.

Kết luận

1. Định lượng hóa thành công trữ lượng và động thái SOC tại 5 hệ canh tác nông nghiệp chủ lực vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị cho các mốc thời gian 2000, 2010 và dự báo đến năm 2020.
2. Thiết lập quy trình công nghệ tích hợp GIS và mô hình sinh địa hóa DNDC 9.5 với chỉ số phù hợp thực nghiệm cao ($d = 0,89–0,95$), khắc phục hoàn toàn sự bất định về dữ liệu không gian thông qua phương pháp MSF.
3. Xác định rõ quy luật suy giảm trữ lượng SOC trong giai đoạn 2000–2010 trên toàn bộ các HCT do sự suy giảm nguồn hữu cơ bón vào và tập quán thu gom toàn bộ phụ phẩm đồng ruộng.
4. Chứng minh vai trò vượt trội của HCT lúa nước và các hệ canh tác xen canh cây họ Đậu trong việc duy trì và bảo vệ trữ lượng SOC so với các hệ thống canh tác cạn độc canh (sắn, ngô).
5. Đề xuất các kịch bản quản lý nông học tối ưu: bón cân đối phân chuồng, phân đạm và bắt buộc cày vùi $\ge 50%$ phụ phẩm rơm rạ, thân lá sau thu hoạch, mở ra giải pháp phát triển nông nghiệp bền vững thích ứng với biến đổi khí hậu quy mô quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT VÀ CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT 1. Khái niệm Chất hữu cơ trong đất (SOM) nói chung, các bon hữu cơ trong đất (SOC) nói riêng đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ sinh thái cạn.

SOC ảnh hưởng đến cấu trúc đất, khả năng giữ nước của đất, khả năng hình thành các phức chất với các ion kim loại, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Hiện nay, thuật ngữ SOC và SOM thường được sử dụng thay đổi nhau trong một số nghiên cứu. Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ SOC được sử dụng nhiều hơn khi nghiên cứu vòng tuần hoàn các bon toàn cầu. Vòng tuần hoàn này có ảnh hưởng lớn đến giới sinh vật nói chung, loài người nói riêng.

Thuật ngữ SOM được sử dụng để mô tả thành phần hữu cơ của đất. SOM gồm các nguyên tố C, H, O, N, P và S. Do vậy khó có thể đo đạc chính xác hàm lượng SOM, nên SOC được xác định, từ đó ước lượng hàm lượng SOM thông qua hệ số chuyển đổi. Theo Stevenson, chất hữu cơ trong đất là toàn bộ vật liệu hữu cơ trong đất gồm các tàn tích sinh vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, sinh khối vi sinh vật, chất hữu cơ hoà tan, và chất mùn [77].

Trong khi đó, Baldock và Skjemstad cho rằng SOM là thành phân hữu cơ ở trong đất gồm các tàn tích thực vật và động vật ở các giai đoạn phân huỷ khác nhau, các sản phẩm phân huỷ từ các mô động vật và thực vật chết, sinh khối của vi sinh vật đất [28], [81]. Ingham cho rằng SOM bao gồm tất cả các chất hữu cơ trong hoặc trên đất và tỷ lệ giữa các hợp phần SOM được thể hiện trong Hình 1. Trần Văn Chính cũng có cùng quan điểm với Ingham, ông cho rằng hất hữu cơ trong đất cũng được hiểu là toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất [9]. Trần Văn Chính đã chia SOM thành 2 phần gồm: (1) tàn tích hữu cơ chưa bị phân giải (rễ, thân, lá cây, xác động vật) và những chất hữu cơ đã được phân giải (các chất hữu cơ ngoài mùn có cấu tạo đơn giản: protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, sáp, nhựa, este, rượu, axit hữu cơ, anđehit… và (2) các chất hữu cơ mùn có cấu tạo phức tạp.

3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Vi sinh vật sống: < 5% Tàn tích thực vật: < 10% Chất hữu cơ dễ phân huỷ: 33 - 50% Mùn (chất hữu cơ ổn đinh): 33 - 50% Hình 1. Tỷ lệ giữa các hợp phần của chất hữu cơ trong đất (nguồn: [43]) Như vậy, SOM có thể chia thành sinh khối của vi sinh vật đất, tàn tích thực động vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, chất hữu cơ hoà tan và mùn (chất hữu cơ phân huỷ triệt để và có tính ổn định cao). Chú ý, thân và lá rụng trên mặt đất không phải là một phần của SOM. Các bon trong đất tồn tại ở 2 dạng: vô cơ và hữu cơ.

Ngoài đất tích vôi, các bon trong đất tồn tại chủ yếu ở dạng hữu cơ, hay còn gọi là SOC [64]. Các bon là một hợp phần của SOM. Thông thường chất hữu cơ trong đất chứa khoảng 58% lượng các bon hữu cơ. Hệ số Van Bemmelen (1,724) đã được sử dụng nhiều để thể hiện mối quan hệ giữa SOC va SOM, mặc dù Jain và nnk [47] và Westman và nnk [82] đã khẳng định hệ số này không phù hợp cho tất cả các loại đất và theo độ sâu tầng đất.

Như vậy có thể hiểu SOC là lượng các bon tồn tại trong chất hữu cơ ở trong đất. Hàm lượng SOC được quyết định bởi tỷ lệ giữa lượng các bon hữu cơ đầu vào và đầu ra. Lượng các bon hữu cơ đầu vào gồm phân bón hữu cơ và/hoặc tàn tích sinh vật. Lượng các bon đầu ra là do hoạt động phân huỷ của vi sinh vật và quá trình rửa trôi (theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của phẫu diện đất) [28].

Chu trình các bon Chu trình các bon là quá trình chuyển đổi liên tục các hợp chất hữu cơ và vô cơ bởi thực vật, sinh vật giữa đất, thực vật và khí quyển [35]. Thực vật, nấm, rêu, vi khuẩn tự quang hợp, tảo sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi CO 2 từ khí quyển 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thành hydratcacbon. Sau đó, các tàn tích sinh vật trên và trong đất, các chất hữu cơ được giải phóng vào đất khác trong quá trình phát triển của sinh vật sẽ trải qua quá trình phân huỷ chất hữu cơ.Theo Brussaard, quá trình phân huỷ chất hữu cơ là quá trình sinh học phụ thuộc vào yếu tố sinh vật đất, môi trường tự nhiên, và chất lượng chất hữu cơ [29]. Trong quá trình phân huỷ, CO2, năng lượng, nước, các chất dinh dưỡng và các hợp chất các bon hữu cơ được giải phóng.

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ở giai đoạn tiếp theo hình thành chất mùn (quá trình mùn hoá). Vi sinh vật đất sử dụng SOM làm thức ăn và phá vỡ các chất hữu cơ này, từ đó các chất dinh dưỡng như N, P, S được giải phóng vào trong đất ở dạng thực vật có thể hấp thu được (quá trình khoáng hoá). Các chất thải được tạo ra bởi các vi sinh vật cũng là SOM nhưng khả năng phân huỷ kém hơn, và chúng có thể được sử dụng bởi các sinh vật khác trong đất. Theo Phan Tuấn Triều, các bon hữu cơ trong đất biến đổi theo chu trình sinh địa hoá gồm nhiều quá trình khác nhau [19].

Các bon hữu cơ trong các tàn tích sinh vật bị chuyển hoá dưới tác động trực tiếp của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước trong đất thành các hợp chất hoạt tính hơn và dễ hoà tan hơn. Sau quá trình chuyển hoá xảy ra 3 quá trình tiếp theo gồm: (1) quá trình khoáng hoá hoàn toàn một số hợp chất thành một số hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số khí, cung cấp dinh dưỡng cho sinh vật; (2) quá trình tổng hợp protit, lipit, gluxit và một số hợp chất mới của các vi sinh vật đất, khi chết xác vi sinh vật tiếp tục quay trở lại tàn tích sinh vật; (3) quá trình mùn hoá tạo thành các hợp chất cao phân tử có cấu tạo phức tạp (mùn). Hợp chất mùn trong đất gồm 3 thành phần chính là axit humic, axit fulvic và hợp chất humin (có khả năng phản ứng với ion kim loại, các oxit, hydroxit, các hợp chất hữu cơ, khoáng, cả chất ô nhiễm để hình hành các phức chất tan và không tan). Quá trình khoáng hoá tàn tích sinh vật là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành các hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số chất khí.

Quá trình khoáng hoá này gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Các tàn tích sinh vật (protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, nhựa) dưới tác động của các men do vi sinh vật tiết ra bị thuỷ phân tạo ra sản phẩm có cấu tạo đơn giản hơn gồm đường hexoza, pentoza, sacaroza, xenluloza, axit amin mạch vòng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] và mạch thẳng, amin, các gốc purin và pirimidin, axit uronic, axit béo, glixerin, polyphenol. - Giai đoạn 2: Dưới tác động của phản ứng oxy hoá khử, các sản phẩm của giai đoạn 1 tiếp tục biến đổi thành các axit hữu cơ mạch vòng và mạch thẳng, axit vô cơ, axit béo, axit hữu cơ dạng bay hơi, axit không no, andehit, rượu, các sản phẩm oxy hoá khử dạng phenol, quinol. (2) Trong điều kiện yếm khí: các sản phẩm ở giai đoạn 2 bị biến đổi thành các sản phẩm NH3, H2 O, CH4, H2 , N2 , H2 S… 1. Các nhân tố ảnh hƣởng đến lƣợng các bon hữu cơ trong đất Li và nnk đã kết luận động học các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác được điều chỉnh bởi 2 quá trình: (1) nhận các bon thông qua lượng tàn tích cây trồng, phân bón hữu cơ được sử dụng và (2) mất các bon do phân huỷ SOC và xói mòn đất [54].

Nhiệt độ Nhiệt độ được xem như là nhân tố điều chỉnh tốc độ phân huỷ các tàn dư thực vật. Tốc độ phân huỷ ở vùng nhiệt đới nhanh hơn vùng ôn đới [35]. Nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật 25° - 30°C, do đó khoáng hoá xảy ra mạnh mẽ. Đây cũng là nhiệt độ thích hợp cho quá trình mùn hoá [19].

Như vậy điều kiện nhiệt độ của nước ta rất thích hợp để quá trình khoáng hoá diễn ra mạnh làm cho chất hữu cơ và mùn trong đất bị phân giải nhanh chóng. Độ ẩm và mức độ bão hoà nước trong đất SOM có xu hướng tăng khi lượng mưa trung bình năm tăng [35]. Không khí trong đất và độ ẩm đất quyết định hoạt động sinh học trong đất. Điều kiện ẩm tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn trong đất là gần với độ ẩm đồng ruộng, tương đương khoảng 60% không gian lỗ hổng trong đất chứa nước [60].

Đất bão hoà nước làm giảm không khí trong đất, ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là các vi sinh vật hiếu khí. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Điều kiện thoáng khí, độ ẩm đất thích hợp có ảnh hưởng tích cực đến quá trình khoáng hoá. Độ ẩm quá cao gây ra yếm khí, vi sinh vật khó hoạt động. Theo Phan Tuấn Triều, độ ẩm không khí khoảng 70% là thích hợp cho quá trình khoáng hoá [19].

Trong điều kiện thường xuyên ngập nước, quá trình mùn hoá được thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí. Kết quả là các axit hữu cơ và các chất khử như CH4, H2S được hình thành. Các chất này kìm hãm sự hoạt động của vi sinh vật làm cho tốc độ mùn hoá chậm hẳn và than bùn dần được hình thành. Thành phần cơ giới đất SOM có xu hướng tăng khi hàm lượng sét trong đất tăng [35].

Liên kết giữa bề mặt hạt sét và chất hữu cơ làm giảm quá trình phân huỷ chất hữu cơ. Thêm vào đó, đất có hàm lượng sét cao làm tăng khả năng hình thành đoàn lạp đất. Theo Rice, các đại đoàn lạp có tác dụng bảo vệ các phân tử chất hữu cơ trong quá trình khoáng hoá chất hữu cơ bởi các vi khuẩn [74]. Prasad và Power đã kết luận, trong cùng điều kiện khí hậu, hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần có giới mịn (hàm lượng sét cao) sẽ cao hơn 2 đến 4 lần hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần cơ giới thô (đất cát - hàm lượng sét thấp) [70].