Luận án tiến sĩ nghiên cứu hiện trạng hữu cơ và biện pháp nâng cao khả năng cố định các bon trong đất cát biển vùng bắc trung bộ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu hiện trạng hữu cơ và biện pháp nâng cao khả năng cố định các bon trong đất cát biển vùng, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Bùi Thị Phương Loan
• Người hướng dẫn: Phạm Quang Hà
• Trường học: Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa học đất
• Đề tài: Nghiên cứu hiện trạng hữu cơ và biện pháp nâng cao khả năng cố định các bon trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN
• 1.1. Chất hữu cơ, vai trò chất hữu cơ trong đất
• 1.1.1. Đặc điểm, vai trò của chất hữu cơ trong đất
• 1.1.2. Thành phần chất hữu cơ của đất
• 1.1.3. Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất
• 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất
• 1.1.5. Vai trò và lợi ích của chất hữu cơ trong đất
• 1.1.6. Các biện pháp cải thiện chất và lượng của chất hữu cơ trong đất và trong các loại sử dụng đất
• 1.2. Tổng quan về đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ, quá trình hình thành, phân loại, tính chất và vai trò chất hữu cơ trong đất cát biển
• 1.2.1. Ðiều kiện và quá trình hình thành đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ và một số tính chất đất
• 1.2.2. Phân bố các loại đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 1.2.3. Nguy cơ thoái hoá hữu cơ trong đất cát biển và vai trò hữu cơ trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 1.2.4. Các loại sử dụng đất chính trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ và ảnh hưởng của chúng đến tính chất đất cát biển
• 1.3. Cơ sở khoa học, kinh nghiệm quốc tế và trong nước về ứng dụng mô hình để đánh giá hàm lượng các bon trong đất và tính tổng lượng phát thải KNK
• 1.3.1. Mô hình tính toán phát thải mê tan (MEM)
• 1.3.2. Mô hình phát thải khí mê tan từ hệ thống canh tác lúa (MERES)
• 1.3.3. Mô hình tính toán cân bằng các bon (EX-ACT)
• 1.3.4. Mô hình sinh địa hóa trong đất (DNDC)
• 1.3.5. Dự báo biến đổi khí hậu vùng Bắc Trung Bộ theo kịch bản BĐKH
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 2.2.1. Địa điểm nghiên cứu
• 2.2.2. Thời gian nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp thu thập thông tin và điều tra
• 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng
• 2.4.3. Phương pháp phân tích đất
• 2.4.4. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
• 2.4.5. Phương pháp ứng dụng mô hình hóa
• 2.4.6. Phương pháp phân tích hiệu quả thí nghiệm và mô hình
• 2.5. Một số đặc tính về tính chất đất và vật liệu hữu cơ sử dụng trong thí nghiệm
• 2.5.1. Tính chất đất tại vùng nghiên cứu
• 2.5.2. Hàm lượng dinh dưỡng các loại vật liệu sử dụng tại vùng nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiện trạng sử dụng đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ và các loại sử dụng đất
• 3.1.1. Đặc điểm khí hậu tại vùng Bắc Trung Bộ
• 3.1.2. Hiện trạng sản xuất trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 3.2. Hiện trạng chất hữu cơ (lượng và chất) của đất trong mối quan hệ với tính chất đất và loại/kiểu sử dụng đất
• 3.2.1. Một số đặc điểm lý, hóa học của đất cát biển trên một số loại/kiểu sử dụng đất
• 3.2.2. Ảnh hưởng của các loại/kiểu sử dụng đất đến một số tính chất lý học đất trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 3.2.3. Ảnh hưởng của kiểu sử dụng đất đến một số tính chất hóa học đất trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 3.3. Đặc điểm hữu cơ trên các loại sử dụng đất cát biển ở vùng Bắc Trung Bộ
• 3.3.1. Ảnh hưởng của loại/kiểu sử dụng đất đến hàm lượng các bon hữu cơ (OC%), axít humic và axít fulvic trong đất cát biển Bắc Trung Bộ
• 3.3.2. Mối quan hệ giữa hữu cơ trong đất (các bon hữu cơ và các axít mùn) với các tính chất vật lý trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ
• 3.4. Nghiên cứu nâng cao khả năng tích lũy các bon trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất ở vùng Bắc Trung Bộ
• 3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của phân khoáng kết hợp với các loại phân bón hữu cơ, TSH đến năng suất lúa và khả năng nâng cao hàm lượng các bon trong đất cát biển
• 3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của phân khoáng kết hợp với các loại phân bón hữu cơ, TSH và các biện pháp che tủ đến năng suất lạc và khả năng nâng cao hàm lượng các bon hữu cơ trong đất cát biển
• 3.5. Nghiên cứu giải pháp cải thiện lượng và chất hữu cơ trong đất cát biển trên các loại hình sử dụng đất thông qua mô hình trình diễn
• 3.5.1. Ảnh hưởng của các loại phân hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân khoáng đến hàm lượng các chất dinh dưỡng trên các loại sử dụng trong đất cát biển
• 3.5.2. Ảnh hưởng của các loại phân hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân khoáng đến tích lũy các bon hữu cơ và các thành phần mùn trong các loại sử dụng trên đất cát biển
• 3.5.3. Ảnh hưởng của các loại phân bón hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân khoáng đến năng suất và hiệu quả kinh tế
• 3.6. Ứng dụng mô hình DNDC để mô phỏng tích lũy các bon hữu cơ và xác định lượng phát thải khí nhà kính trong đất cát biển theo kịch bản BĐKH
• 3.6.1. Mô phỏng sự thay đổi lượng SOC trên các loại sử dụng đất chuyên lúa (2 vụ lúa) và chuyên màu (2 vụ lạc) trong đất cát biển theo kịch bản BĐKH
• 3.6.2. Mô phỏng và dự báo phát thải khí nhà kính trong loại sử dụng chuyên lúa (2 vụ lúa) và chuyên màu (2 vụ lạc) theo kịch bản BĐKH đến năm 2035
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Nghiên cứu hiện trạng hữu cơ trong đất cát biển Bắc Trung Bộ

Nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiện trạng hữu cơ trong đất cát biển Bắc Trung Bộ, bao gồm các yếu tố như hàm lượng các bon hữu cơ (SOC) và thành phần mùn. Kết quả cho thấy đất cát biển vùng này có hàm lượng hữu cơ thấp, chủ yếu do quá trình khoáng hóa nhanh và khả năng giữ nước kém. Các loại sử dụng đất khác nhau ảnh hưởng rõ rệt đến hữu cơ trong đất, với các khu vực canh tác lúa và màu có sự khác biệt đáng kể về các bon hữu cơ.

1.1. Đặc điểm hữu cơ trong đất cát biển

Đất cát biển Bắc Trung Bộ có hàm lượng hữu cơ thấp, trung bình từ 0,5-1,5%. Quá trình khoáng hóa diễn ra nhanh do điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa. Các loại sử dụng đất như canh tác lúa, màu và cây công nghiệp có ảnh hưởng khác nhau đến hữu cơ trong đất. Canh tác lúa giúp duy trì các bon hữu cơ tốt hơn so với các loại hình sử dụng đất khác.

1.2. Mối quan hệ giữa hữu cơ và tính chất đất

Có mối quan hệ chặt chẽ giữa hữu cơ trong đất và các tính chất vật lý, hóa học của đất. Hàm lượng các bon hữu cơ cao hơn thường đi kèm với khả năng giữ nước và dinh dưỡng tốt hơn. Các loại đất có hữu cơ cao cũng có cấu trúc đất ổn định hơn, giảm nguy cơ xói mòn và thoái hóa đất.

II. Biện pháp tăng cường cố định các bon trong đất cát biển

Nghiên cứu đề xuất các biện pháp tăng cường cố định các bon trong đất cát biển Bắc Trung Bộ, bao gồm sử dụng phân hữu cơ, than sinh học (TSH) và các biện pháp che phủ đất. Các biện pháp này giúp cải thiện hữu cơ trong đất, tăng các bon hữu cơ và giảm phát thải khí nhà kính. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc kết hợp phân hữu cơ và TSH giúp tăng SOC lên 20-30% so với đối chứng.

2.1. Sử dụng phân hữu cơ và than sinh học

Việc bổ sung phân hữu cơ và than sinh học giúp cải thiện đáng kể hữu cơ trong đất. Than sinh học có khả năng giữ các bon hữu cơ lâu dài, giảm quá trình khoáng hóa. Kết hợp phân hữu cơ và TSH giúp tăng SOC và cải thiện độ phì nhiêu đất.

2.2. Biện pháp che phủ và quản lý đất

Các biện pháp che phủ đất như sử dụng rơm rạ, lá cây giúp giảm thoát hơi nước và tăng hữu cơ trong đất. Quản lý đất hợp lý, bao gồm luân canh cây trồng và bảo vệ đất, giúp duy trì các bon hữu cơ và giảm phát thải khí nhà kính.

III. Ứng dụng mô hình DNDC trong dự báo phát thải khí nhà kính

Nghiên cứu sử dụng mô hình DNDC để mô phỏng sự thay đổi các bon hữu cơ và dự báo phát thải khí nhà kính trong đất cát biển Bắc Trung Bộ. Kết quả cho thấy, dưới kịch bản biến đổi khí hậu, SOC có xu hướng giảm nhẹ, trong khi phát thải khí nhà kính tăng. Các biện pháp canh tác bền vững giúp giảm thiểu tác động này.

3.1. Mô phỏng sự thay đổi SOC

Mô hình DNDC cho thấy SOC trong đất cát biển có xu hướng giảm nhẹ từ 0,5-1% trong các kịch bản biến đổi khí hậu. Các biện pháp canh tác bền vững giúp duy trì các bon hữu cơ và giảm phát thải khí nhà kính.

3.2. Dự báo phát thải khí nhà kính

Dự báo phát thải khí nhà kính cho thấy, đến năm 2035, lượng phát thải CH4 và N2O có thể tăng 10-15% nếu không áp dụng các biện pháp canh tác bền vững. Các giải pháp như sử dụng phân hữu cơ và TSH giúp giảm đáng kể phát thải khí nhà kính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ có diện tích khoảng 215,3 nghìn ha (chiếm 41% diện tích đất cát biển cả nước), bao gồm 3 nhóm chính: cồn cát trắng, cồn cát vàng; đất cát ven biển (theo bản chú dẫn bản đồ Đất Việt Nam, tỷ lệ 1/1.000), phân bố dọc theo bờ biển từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên - Huế. Đất cát biển vùng này có đặc trưng là có lớp mặt màu trắng hoặc trắng xám, nếu ở địa hình cao thường có một tầng màu vàng hoặc loang lổ đỏ vàng, nhiều nơi xuất hiện kết von. Hình thái phẫu diện đã có sự phân hóa khá rõ, lớp đất mặt thường trắng hơi xám hoặc xám sáng, có nơi hơi vàng; các tầng dưới thường chặt, khả năng tích lũy oxyt sắt lớn nên màu sắc thường vàng hoặc vàng nhạt. Thành phần cơ giới cát đến cát rời - cát pha, nghèo mùn và các chất dinh dưỡng, khả năng trao đổi dung tích hấp thu (CEC) rất thấp, thường chỉ đạt < 10 cmolc/kg; khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng rất kém nên chất hữu cơ trong đất bị khoáng hóa nhanh, khả năng cải tạo hữu cơ cho đất kém.

Nhìn chung, đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ hiện nay là loại đất có rất nhiều yếu tố hạn chế đối với sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là rất nghèo dinh dưỡng, nghèo hữu cơ, hệ quả của chế độ khí hậu thời tiết Bắc Trung Bộ dẫn đến tốc độ khoáng hoá nhanh, triệt để trong quá trình thành tạo đất; do đó cần có các nghiên cứu về biện pháp làm tăng tích lũy các bon trong đất canh tác. Thực tế chất hữu cơ trong đất tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Sự biến hoá vật liệu hữu cơ trong đất là một quá trình sinh hoá học phức tạp, xảy ra với sự tham gia trực tiếp của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước. Trong đất sét và sét pha, quá trình phân giải xác hữu cơ có chậm hơn ở đất cát và cát pha, song mùn lại được tích luỹ nhiều hơn vì khoáng hoá trong đất sét, sét pha yếu hơn nhiều, các phần tử nhỏ của đất cũng liên kết và giữ mùn tốt hơn.

Duy trì chất hữu cơ và độ ẩm đất được coi là những yếu tố quan trọng hàng đầu giữ vai trò điều tiết độ phì nhiêu của đất. Hàm lượng chất hữu cơ vừa là nguồn năng lượng, vừa là dinh dưỡng chính cho vi sinh vật đất, ảnh hưởng đến quá trình khoáng hoá và chất dinh dưỡng trong đất. Thông thường chất hữu cơ trong đất chứa khoảng 58% lượng các bon hữu cơ. Các bon hữu cơ trong đất (SOC) đóng vai trò rất quan trong 2 trong các hệ sinh thái, 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.

Do vậy suy giảm hàm lượng các bon hữu cơ trong đất có ảnh hướng lớn đến độ phì của đất, mức độ ổn định của đất và sản xuất nông nghiệp. Hơn thế nữa, lượng các bon hữu cơ trong đất đóng một vai trò quan trọng đối với quá trình cân bằng các bon trong chu trình các bon toàn cầu. SOC vừa là nguồn năng lượng, vừa là dinh dưỡng chính cho vi sinh vật đất, ảnh hưởng đến quá trình khoáng hoá và chất dinh dưỡng trong đất. Chất hữu cơ có vai trò quan trọng trong việc hình thành, duy trì và phát triển độ phì nhiêu và khả năng sản xuất của đất.

Các bon hữu cơ trong đất nhiệt đới có tuổi phóng xạ thấp, đã ít về lượng lại bị thoái hóa nhanh. Cố định các bon trong đất, đặc biệt là trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ có vai trò quan trọng trong việc giữ gìn độ phì nhiêu đất và sử dụng đất bền vững, bảo vệ môi trường. Do đó cần có các nghiên cứu về biện pháp làm tăng tích lũy các bon trong đất canh tác. Với những lý do trên, luận án: “Nghiên cứu hiện trạng hữu cơ và biện pháp nâng cao khả năng cố định các bon trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ” được thực hiện nhằm xác định cơ sở khoa học để nâng cao hữu cơ trong đất cát biển, tăng độ phì đất và nâng cao năng suất cây trồng.

Mặt khác nâng cao hữu cơ trong đất cát biển chính là tăng cố định các bon trong đất cát biển, góp phần hình thành các vật liệu hữu cơ bền, tăng quá trình mùn hoá, giảm khoáng hoá và phát thải CO2 góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Mục tiêu nghiên cứu 1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu đề xuất được giải pháp nâng cao độ phì nhiêu đất cát biển thông qua cải thiện chất và lượng hữu cơ nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng đất, bảo đảm hiệu quả của sản xuất trồng trọt, giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ. Mục tiêu cụ thể: + Đánh giá được hiện trạng hữu cơ (các bon tổng số và thành phần mùn) trong đất cát biển ở các loại sử dụng đất vùng Bắc Trung Bộ.

3 + Xác định được mối quan hệ giữa các bon tổng số trong đất với tính chất vật lý, hoá học trong đất cát biển. + Lượng hóa được khả năng tích lũy các bon trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất ở vùng Bắc Trung Bộ. + Đề xuất được một số biện pháp canh tác cải thiện hữu cơ để nâng cao hiệu quả sử dụng đất góp phần giảm phát thải KNK tại vùng nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2.

Ý nghĩa khoa học: 1. Xác định được đặc điểm chất hữu cơ trong mối quan hệ với loại sử dụng đất và tính chất lý, hóa học của đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ làm cơ sở sử dụng đất bền vững. Bổ sung cơ sở khoa học để đề xuất qui trình canh tác hợp lý trên đất cát biển giúp nông dân tăng năng suất trồng trọt, tăng độ phì đất, đảm bảo sản xuất bền vững và góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần cải thiện độ phì nhiêu đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ, nâng cao khả năng tích lũy các bon trong đất để nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, tạo điều kiện phát triển bền vững nền tăng trưởng xanh cho vùng đất cát ven biển trong định hướng phát triển nền các bon thấp.

Đóng góp vào xây dựng quy trình cải tạo vùng đất cát ven biển nói chung ở nước ta 2. Tính mới của luận án Nghiên cứu khả năng cố định các bon trong đất cát biển trong mối quan hệ với loại sử dụng đất và biện pháp giảm phát thải khí nhà kính. Xác định được các giải pháp kỹ thuật cải thiện hấp phụ các bon trong đất cát biển và dự báo phát thải khí nhà kính theo kịch bản BĐKH đến năm 2035. Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm giảm quá trình thoái hóa hữu cơ trong đất, giảm phát thải KNK, phục vụ sử dụng đất bền vững và bảo vệ môi trường.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN 1. Chất hữu cơ, vai trò chất hữu cơ trong đất 1. Đặc điểm, vai trò của chất hữu cơ trong đất Chất hữu cơ được định nghĩa như là một nhóm các nguyên tố các bon có nguồn gốc từ sinh vật sống và lắng đọng bên trên hoặc bên trong các thành phần cấu tạo nên trái đất. Chất hữu cơ trong đất bao gồm những tàn dư của tất cả xác động vật và thực vật nằm rải rác trên bề mặt quả đất.

Sự tích lũy các bon trong các loại đất khác nhau là khác nhau. Những vùng đất bị rửa trôi và chứa nhiều axit (đất cát hoặc đất bồi phù sa) thì tỷ lệ phần lớn chất hữu cơ sẽ tồn tại dưới dạng xác thực vật và axit fulvic. Những vùng đất trung tình và đất kiềm tỷ lệ lớn các chất hữu cơ tồn tại dưới dạng axit humic và humin (Pettit 2004). Dấu hiệu cơ bản làm đất khác đá mẹ là đất có chất hữu cơ.

Hàm lượng và tính chất của chúng tác động mạnh mẽ đến quá trình hình thành đất, quyết định nhiều tính chất: lý, hoá, sinh và độ phì nhiêu của đất. Chất hữu cơ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự hình thành đất và độ phì nhiêu của đất. Toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất được gọi là chất hữu cơ của đất. Chất này bao gồm các tàn dư hữu cơ (xác thực vật, động vật không hoàn toàn giữ được cấu trúc ban đầu), các chất hữu cơ riêng biệt có bản chất đặc trưng hoặc không đặc trưng.

Chất hữu cơ trong đất bao gồm tất cả các thành phần hữu cơ sau: Tàn dư động thực vật còn tươi (chưa phân hủy); Chất hữu cơ đang thối rữa; Chất hữu cơ bền vững (mùn); Sinh vật sống. Có thể chia chất hữu cơ của đất làm 2 phần: những tàn tích hữu cơ chưa bị phân giải (rễ, thân, lá cây, xác động vật) vẫn giữ nguyên hình thể và những chất hữu cơ đã được phân giải. Phần hữu cơ sau có thể chia thành 2 nhóm: nhóm những hợp chất hữu cơ ngoài mùn và nhóm các hợp chất mùn. Nhóm hữu cơ ngoài mùn gồm những hợp chất có cấu tạo đơn giản hơn như: protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, sáp, nhựa, este, rượu, axit hữu cơ, anđehit.

Nhóm này chỉ chiếm 10% - 15% chất hữu cơ phân giải nhưng có vai trò rất quan trọng với đất và cây trồng. Nhóm các hợp chất mùn bao gồm các hợp chất hữu cơ cao phân 5 tử, có cấu tạo phức tạp, nhóm này chiếm 85% - 90% chất hữu cơ được phân giải (Pettit R. Vai trò chất hữu cơ trong đất: + Đối với tính chất vật lý: Theo nghiên cứu của Cochrane và Aylmore (1994); Thomas và cs (1996) cho thấy chất hữu cơ có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật lý của đất. Một trong những ảnh hưởng quan trọng là hình thành cấu trúc và đuy trì độ bền cấu trúc của đất.

Chất hữu cơ và mùn có tác dụng cải thiện trạng thái kết cấu của đất, các keo mùn gắn kết các hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết tốt, bền vững từ đó ảnh hưởng toàn bộ lý tính của đất như chế độ nước (tính thấm và giữ nước tốt hơn), chế độ khí, chế độ nhiệt (sự hấp thu nhiệt và giữ nước tốt hơn), giảm tính dính dẻo, tăng cường khả năng cày xới đất.