MỞ ĐẦU Cây cam là cây trồng chủ lực trong phát triển kinh tế ở huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình. Năm 2017, diện tích đất trồng cam toàn huyện là 3.015 ha, gấp 5,4 lần năm 2010 và 1,7 lần năm 2014. Vùng trồng cam ở Cao Phong, Hòa Bình được nhận chỉ dẫn địa lý “Cam Cao Phong” năm 2014 đã góp phần thúc đẩy quá trình tiêu thụ và sản xuất cam. Đất trồng cam Cao Phong chủ yếu là đất Ferralit đỏ vàng hình thành trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, địa hình dốc thoải nên sẵn có thuộc tính tự nhiên mang tính axit do bị rửa trôi các kim loại kiềm, kiềm thổ và tích lũy lại nhiều sắt nhôm.
Trong điều kiện nền nông nghiệp thâm canh cao, sử dụng nhiều phân khoáng làm cho đất ngày càng bị axit hóa mạnh. Theo Trần Thị Tuyết Thu (2016), phản ứng của đất Cao Phong ở mức rất chua đến chua vừa (pHKCl 4,13-5,10), được cho là một nhân tố giới hạn quan trọng đối với nhu cầu dinh dưỡng và sinh thái của cây cam. Do vậy cần phải có những biện pháp cải tạo độ chua một cách hiệu quả để giảm những tác động bất lợi đến các quá trình thoái hóa đất. Đến nay đã có nhiều hộ gia đình được cấp giấy chứng nhận sản xuất theo tiêu chuẩn VietGAP nhưng phần lớn vẫn sản xuất theo mô hình truyền thống và axit hóa đất trở thành một vấn đề quan ngại do làm tăng mạnh nguy cơ mất cân bằng dinh dưỡng và suy thoái độ phì đất.
Trong nền nông nghiệp hữu cơ, việc quản lý đất đai được xem là một yếu tố quan trọng giúp duy trì năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc quản lý đất đai dựa vào sự phân hủy tự nhiên của vật chất hữu cơ, sử dụng các kỹ thuật như ủ phân xanh, phân compost, để thay thế các chất dinh dưỡng lấy từ đất của vụ trước, sử dụng một loạt các phương pháp để cải thiện độ phì đất. Trong một số trường hợp pH có thể cần phải điều chỉnh. Thay đổi pH tự nhiên bằng các phương pháp dùng vôi và đôlomit… vẫn được cho phép trong canh tác hữu cơ.
Như vậy, cải thiện độ chua của đất cũng đươc phép sử dụng trong canh tác hữu cơ để đảm bảo điều kiện thích hợp nhất cho cây trồng nói chung và cây cam nói riêng phát triển. Biochar là một vật liệu phù hợp với canh tác hữu cơ và được nghiên cứu rộng rãi trong nông nghiệp, có giá trị tiềm năng trong nông nghiệp để cải thiện tính chất của đất và trong việc giảm các mối nguy do axit hóa đất và trong các đất chua tự nhiên (Zhongmin Dai, 2017). Tuy nhiên, tác dụng cải thiện của biochar và vôi đối với đất axit tại các vùng trồng cam và các cơ chế liên quan chưa được đánh giá đầy đủ. Trên cơ sở những giả thiết trên đề tài “Nghiên cứu biện pháp cải thiện độ chua trong đất trồng cam ở huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình” được đặt ra nhằm cung 1 c cấp cơ sở dữ liệu và bằng chứng khoa học để luận giải về những ảnh hưởng của một số biện pháp cải thiện độ chua của đất và tiềm năng tận dụng lại sinh khối cành lá cam đốn tỉa để sản xuất và ứng dụng của biochar trong cải thiện độ phì đất trồng cam.
Mục tiêu nghiên cứu 1. Đánh giá được hiện trạng axit hóa đất tại vùng trồng cam nghiên cứu 2. Nghiên cứu được biện pháp hiệu quả cải tạo độ chua của đất bằng việc sử dụng liều lượng vôi và biochar thích hợp 3. Đánh giá được kết quả tổng hợp các biện pháp cải tạo độ chua của đất nghiên cứu Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nghiên cứu sẽ chỉ ra được lượng vật liệu vôi cần sử dụng để cải tạo độ chua của đất nói chung và vùng trồng cam Cao Phong nói riêng.
Tiềm năng sản xuất và sử dụng biochar từ phụ phẩm cây cam (cành lá cam) góp phần vào tiến tới quá trình canh tác cam hữu cơ. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về độ chua của đất 1. Khái niệm độ chua và phân loại độ chua Độ chua là yếu tố độ phì quan trọng của đất, ảnh hưởng đến các quá trình lý hóa và sinh học trong đất, tác động đến nhu cầu dinh dưỡng và được coi là nhân tố sinh thái giới hạn đối với cây trồng cũng như đời sống sinh vật đất.
Có nhiều nguyên nhân làm gia tăng nồng độ ion H+ trong đất. Tuy nhiên, độ chua chủ yếu được phản ánh thông qua sự hiện diện hoặc trao đổi nồng độ H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất vào trong dung dịch đất. Trong đất nhiệt đới, các dạng nhôm khác nhau và một số nguyên tố, hợp chất khác là nguyên nhân chính gây nên độ chua của đất [Lê Đức, 2006]. Trong canh tác, trước khi gieo trồng, điều đầu tiên cần quan tâm là hiệu chỉnh pH của đất thích hợp với điều kiện sinh trưởng và dinh dưỡng của cây trồng.
Thông thường, độ chua được phân thành 2 loại: - Độ chua hiện tại là độ chua gây nên do các ion H+ tự do trong dung dịch đất và được xác định khi sử dụng nước cất biểu thị ở dạng pHH2O - Độ chua tiềm tàng được xác định thông qua việc chiết rút bằng dung dịch muối. Dựa vào chất chiết rút, độ chua tiềm tàng lại được phân chia thành: Độ chua trao đổi được chiết rút bằng các dung dịch muối trung tính và được sử dụng để xem xét mức độ ảnh hưởng đến nhu cầu cung cấp các chất dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng, cũng như những rủi ro đến đời sống trong đất; Độ chua thủy phân được chiết rút bằng dung dịch muối thủy phân như CH3COONa và được sử dụng để tính toán lượng vôi tối đa cần bón để cải tạo pH đất đến giá trị mong muốn. Nguyên nhân gây ra quá trình axit hóa đất Các nguyên nhân chính gây chua đất liên quan đến quá trình phát sinh học hình thành một số nhóm đất chính; Các quá trình hô hấp đất, chuyển hóa C, N, P, S; Nước thải công nghiệp và khai khoáng; Sử dụng nhiều phân khoáng và mưa axit, … Theo thống kê, Việt Nam có khoảng 20 triệu ha đất đồi núi, 2 triệu ha đất phèn, 450 nghìn ha đất glây và 35 nghìn ha đất than bùn có phản ứng chua đến rất chua. Đất chua vùng đồi núi chiếm hơn 70% diện tích đất toàn quốc với pHKCl tầng mặt dao 3 c động trong khoảng 4,0 đến 5,5 và có xu hướng chua hóa tăng lên nhanh chóng (Nguyễn Tử Siêm, 1999).
Các hoạt động công nghiệp và khai thác khoáng sản dẫn đến axit hóa đất do axit được tạo ra từ quá trình oxy hóa pyrite và từ sự lắng đọng axit gây ra bởi sự phát thải của khí lưu huỳnh (S) và nitơ (N). Trong các hệ sinh thái được quản lý, axit hóa đất chủ yếu là do sự giải phóng các proton (H+) trong quá trình biến đổi và tuần hoàn cacbon (C), nitơ và lưu huỳnh. Các phản ứng giải phóng H+ được tăng mạnh từ quá trình sử dụng phân khoáng (Bảng 1. Các quá trình giải phóng và thu H+ trong hệ thống tự nhiên H+ Quá trình Phương trình phản ứng (molc/mol) Lắng đọng axit Oxi hóa lưu huỳnh đioxit 2SO2 + O2 → 2SO3 0 Thủy phân lưu huỳnh trioxit SO3 + H2O → H2SO4 → SO42- + 2H+ +2 Oxi hóa quang hóa oxit nitric O3 + NO → N2O + O2 0 Thủy phân nitơ đioxit 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 → NO3- + H+ +1 Oxi hóa Pyrit Oxi hóa Pyrit bởi oxy 2FeS2 + 7O2 + H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ +2 Oxi hóa ion sắt (II) 4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O −1 Kết tủa ion sắt (III) Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ +3 Oxi hóa Pyrit bởi ion sắt (III) FeS2 + 14Fe3+ + H2O → 15Fe2+ + 2SO42-+ 16H+ Chu trình C Hòa tan cacbon đioxit CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3- +1 Tổng hợp axit hữu cơ C-hữu cơ → RCOOH → RCOO- + H+ +1 Chu trình N Cố định N 2N2 + H2O + 4R-OH → 4R-NH2 + 3O2 0 Khoáng hóa N hữu cơ R-NH2 + H+ + H2O → R-OH + NH4+ −1 Thủy phân urê (NH2)2CO + 3H2O → 2NH4+ + 2OH- + CO2 −1 Đồng hóa amoni NH4+ + R-OH → R-NH2 + H2O + H+ +1 Bay hơi amoniac NH4+ + OH- → NH3↑ + H2O +1 Nitrat hóa NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ +2 Đồng hóa nitrat NO3- + 8H+ + 8e- → NH3 + 2H2O + OH- −1 Phản nitrat hóa 4NO3- + 4H+ → 2N2 + 5O2 + 2H2O −1 Chu trình lưu huỳnh Khoáng hóa lưu huỳnh hữu cơ 2 S-hữu cơ + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ +2 Đồng hóa sunfat SO42- + 8H+ + 8e- → SH2 + 2H2O + 2OH- −2 Oxi hóa S0 2S0 + 2H2O + 3O2 → 2SO42- + 4H+ +2 4 c Sự hiện diện của ion H+ trong dung dịch đất quyết định độ chua của đất và chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất, khí hậu và sinh học.
Lượng mưa cao ảnh hưởng đến tốc độ axit hóa do rửa trôi mạnh các bazơ (Ca2+, Mg2+, K+, Na+ và ion CO32- khỏi đất. Quá trình thủy phân dẫn đến giảm pH của đất khi kim loại kiềm hòa tan trong nước, giải phóng các proton. Sự dịch chuyển thủy phân của các cation bazơ và cung cấp thêm axit từ các phản ứng oxy hóa là nguyên nhân chính của quá trình axit hóa đất [Tandzi và cộng sự, 2018]. Đất bị chua do tăng rửa trôi các ion kim loại kiềm bởi nước mưa, do nước tưới giàu H+, đồng thời quá trình oxy hóa thường sinh ra ion H+.
Các ion NH4+ từ chất hữu cơ hoặc từ phân bón bị oxy hóa bởi vi sinh vật hình thành ion nitrat. Đồng thời, cây trồng hút dinh dưỡng (N, P, K) còn hút khá nhiều (Ca, Mg…) do trồng nhiều vụ/năm, giống năng suất cao, vì thế lượng Ca và Mg trong đất mất đi càng nhiều. Sự phân giải chất hữu cơ thải ra nhiều loại axit Cacbonic (H2CO3), axit Sunfuric (H2SO4), axit Nitric (HNO3), axit Axetic (CH3COOH), …các axit này hòa tan Ca, Mg trong một số khoáng và rửa trôi hai ion trên gây chua đất. Mặt khác, bón phân khoáng phốt pho luôn mang theo một lượng dư ion H+ từ quá trình sản xuất; đồng thời các phân sinh lý chua mang gốc axit như: Phân Sunphat amôn (SA), Kali clorua (KCl), Kali sunphat (K2SO4), Suppe lân…cũng làm đất bị chua.
Phần đáng chú ý là việc sử dụng quá nhiều phân nitơ đã làm tăng mạnh quá trình axit hóa đất liên quan đến sự hình thành ion H+ trong các pha của chu trình chuyển hóa N.