MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong nông nghiệp, các nguyên tố đất hiếm là một trong những nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho một số loại cây trồng nhƣ: lúa, mía, ngô, chuối, cam, chè,… Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra vai trò của đất hiếm đến sự phát triển của cây trồng. Các nguyên tố đất hiếm đóng vai trò quan trọng đối với quá trình sinh trƣởng và phát triển của thực vật, chúng tác động đến sự phát triển của hệ thống rễ, lá và quá trình nảy mầm, phát triển chồi, tăng hàm lƣợng chất diệp lục, làm cho quá trình quang hóa diễn ra mạnh mẽ do đó thúc đẩy quá trình phát triển của cây đồng thời tăng khả năng chống chịu lại những điều kiện bất lợi của môi trƣờng. Nhờ đó mà năng suất cây trồng tăng lên khi phân bón đất hiếm đƣợc vào sử dụng.
Trong cây cối và đất trồng thƣờng chứa một lƣợng nhất định các nguyên tố đất hiếm. Cây cối chứa trung bình khoảng 0,0003% Ln2O3, trong đất trồng có chứa từ 0,0015 – 0,002% Ln2O3. Với hàm lƣợng rất ít các nguyên tố đất hiếm có trong đất trồng nhƣ vậy nên khi đã trải qua vài vụ gieo trồng, hàm lƣợng các nguyên tố đất hiếm bị hao hụt dần qua quá trình sử dụng của thực vật. Do đó, nếu đƣợc bổ sung các loại phân bón có chứa nguyên tố đất hiếm sẽ làm cho cây trồng phát triển tốt hơn.
Nhiều nghiên cứu cho rằng, việc sử dụng các loại phân bón có chứa các nguyên tố đất hiếm với liều lƣợng thích hợp không những làm tăng năng suất, chất lƣợng sản phẩm nông nghiệp, mà còn hạn chế đƣợc sự ô nhiễm môi trƣờng do giảm lƣợng phân bón hóa học sử dụng. Hiện nay, mặc dù silica chƣa chính thức đƣợc xem là yếu tố dinh dƣỡng thiết yếu đối với cây trồng, nhƣng không thể phủ nhận vai trò quan trọng của nó. Theo nhiều nghiên cứu, silica giúp cây trồng tăng khả năng quang hợp, điều hòa dinh dƣỡng khoáng, cây mọc thẳng, cứng cáp, lá đứng, sử dụng ánh sáng hiệu quả, tăng khả năng chịu mặn, chịu hạn của cây trồng, tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi, tăng sức đề kháng, ngăn ngừa sâu bệnh. Do 2 đó, silica đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất và chất lƣợng cây trồng.
Các hợp chất của silica tồn tại trong đất chủ yếu trong các tinh thể aluminosilicat, đất sét, cao lanh và silica vô định hình. Thành phần silica có trong đất thƣờng chiếm 50-400 g/kg đất. Những dạng silica này có độ hòa tan rất thấp và thƣờng trơ về mặt sinh hóa. Do đó, việc bón phân chứa silica ngoại sinh để bổ sung lƣợng silica thiếu hụt trong đất canh tác là cần thiết cho một hệ thống canh tác bền vững và mang lại hiệu quả kinh tế.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng silica phổ biến trong nông nghiệp là rất cần thiết và có ý nghĩa. Giải pháp kết hợp đất hiếm và silica để tạo ra hệ vật liệu đất hiếm/silica dùng để bổ sung cho cây trồng góp phần phát triển nông nghiệp bền vững. Xuất phát từ cơ sở lý thuyết và thực tiễn nêu trên, chúng tôi chọn hƣớng nghiên cứu “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nd2O3/SiO2 ứng dụng làm chất cung cấp dinh dưỡng cho cây dược liệu”. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nd2O3/SiO2 nhằm ứng dụng làm chất cung cấp dinh dƣỡng cho cây dƣợc liệu Xáo tam phân.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu Nd2O3/SiO2. - Cây dƣợc liệu Xáo tam phân. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp và phân tích đặc trƣng vật liệu Nd2O3/SiO2 (SiO2 đƣợc điều chế từ quặng cát).
- Khảo sát khả năng kích thích sinh trƣởng của Nd2O3/SiO2 đối với cây dƣợc liệu Xáo tam phân tại Bình Định. Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu SiO2. - Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu Nd2O3. - Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu Nd2O3/SiO2.
- Khảo sát khả năng ảnh hƣởng của các vật liệu Nd2O3, SiO2 và Nd2O3/SiO2 tổng hợp đến sự sinh trƣởng của cây dƣợc liệu Xáo tam phân. Phƣơng pháp luận và phƣơng pháp nghiên cứu 5. Phương pháp luận - Sử dụng các phƣơng pháp tổng hợp tài liệu. - Ứng dụng các lý thuyết tổng hợp hệ vật liệu làm phân bón trong thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở lý thuyết về vai trò và tác dụng của phân bón đối với cây trồng đƣợc tham khảo từ các tài liệu, các nội dung mới của đề tài phải đƣợc xây dựng phù hợp với cơ sở lý thuyết. a) Phương pháp tổng hợp vật liệu - Nghiên cứu điều chế Na2SiO3 từ quặng cát bằng phƣơng pháp kiềm hóa. - Điều chế vật liệu SiO2 từ dung dịch Na2SiO3 bằng phƣơng pháp kết tủa. - Điều chế vật liệu Nd2O3/SiO2 từ bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp nhiệt pha rắn từ tiền chất Nd(NO3)3.6H2O trong sự có mặt của SiO2.
b) Phương pháp đặc trưng xác định tính chất vật liệu - Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha và cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp. - Phƣơng pháp tán xạ năng lƣợng tia X, phổ hồng ngoại để xác định thành phần và trạng thái của các nguyên tố có trong vật liệu tổng hợp. 4 - Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét và phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua để nghiên cứu hình thái bề mặt của các vật liệu tổng hợp. - Phƣơng pháp hấp phụ và giải hấp phụ nitrogen ở 77K kết hợp với phƣơng trình đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller (BET) để xác định diện tích bề mặt, kích thƣớc mao quản của vật liệu tổng hợp.
c) Phương pháp khảo sát khả năng kích thích sinh trưởng của Nd2O3/SiO2 đối với cây dược liệu Xáo tam phân. Thí nghiệm đánh giá khả năng kích thích sinh trƣởng của cây dƣợc liệu Xáo tam phân khi sử dụng hệ vật liệu Nd2O3/SiO2 đƣợc bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 3 lần nhắc lại theo QCVN 01-57: 2011/BNN&PTNT. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ có đóng góp quan trọng trong tổng hợp vật liệu Nd2O3/SiO2. - Tạo ra đƣợc sản phẩm đất hiếm/silica có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp xanh.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ mang lại nhiều hữu ích trong lĩnh vực sản xuất phân bón sử dụng cho cây trồng. Đồng thời, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp định hƣớng việc ứng dụng vật liệu đất hiếm/silica cho cây dƣợc liệu nói chung và Xáo tam phân nói riêng. 5 NỘI DUNG CHƢƠNG 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến vật liệu silica ứng dụng trong nông nghiệp Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về phân bón silica dạng bón lá đã đem lại nhiều lợi ích đáng kể, đồng thời rẻ hơn và sử dụng thuận tiện hơn so với bón phân bón rễ.
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, khi sử dụng phân bón silica bón cho cây trồng đã làm tăng năng suất sinh học đáng kể, cụ thể đối với ngũ cốc, đậu tƣơng có số hạt trên mỗi cành 1-3 và số hạt trên bắp ngô tăng4. Việc cải thiện sức đề kháng của cây trong điều kiện mùa đông, cũng nhƣ sự hình thành các hạt lớn hơn đã đƣợc biết từ quá trình khảo nghiệm5,6. Khi sử dụng phân bón silica (bón lá) cho cây củ cải đƣờng đã làm tăng khối lƣợng rễ tƣơi và tăng năng suất rễ, yếu tố quyết định năng suất đƣờng của củ cải đƣờng 5,7-12. Đối với cây khoai tây có sử dụng phân bón lá silica thì sản lƣợng cao hơn, quả to và bùi hơn so với mẫu đối chứng13-15.
Các nghiên cứu khảo nghiệm sử dụng phân bón lá silica dạng sodium silicat (nồng độ 6 mM) cho lúa mì ở các giai đoạn tăng trƣởng khác nhau đã đƣợc thực hiện ở Iran. Kết quả thu đƣợc cho thấy, lúa mì có khả năng chịu hạn cao hơn so với khi không sử dụng phân bón silica, do khi bón phân silica qua lá thì lá hấp thu silica thông qua các lỗ khí khổng trên lớp tế bào biểu bì mặt lá tạo thành rào cản vật lý ngăn chặn sự thoát hơi nƣớc và tăng hàm lƣợng chất diệp lục, đặc biệt là ở giai đoạn đẻ nhánh của lúa mì 16. Bên cạnh đó, nhiều khảo nghiệm đƣợc tiến hành ở Ai Cập, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng phân bón lá silica cho lúa mì vào mùa đông ở dạng sodium silicat (250 và 1000 mg SiO2/kg) hoặc SiO2 với boron (25 mg B/kg) với hai đợt là 40 và 70 ngày sau khi gieo, đã làm tăng đáng kể chiều cao của chồi và lá, cũng nhƣ năng suất và khối lƣợng của hạt trên mỗi cây2. Kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng, phân bón lá silica có khả năng giảm thiểu đáng kể các ảnh hƣởng của độ mặn trong đất đến sự phát triển của cây trồng, năng suất hạt và sự hấp thu các chất dinh dƣỡng.
Trong 6 điều kiện bình thƣờng, lƣợng phân bón lá tối thiểu để đạt đƣợc sản lƣợng cây trồng là 250 mg SiO2/kg. Ở Ấn Độ, việc sử dụng phân bón lá silica (dƣới dạng calcium silicat) và phosphorus đã cải thiện đƣợc sức đề kháng của lúa mì và tăng năng suất sinh học.17 Tƣơng tự, một số khảo nghiệm với lúa mì ở Mexico cho thấy, phân bón lá silica cũng có tác dụng làm tăng sức đề kháng của cây trồng.18 Một số nghiên cứu sử dụng phân bón lá silica cho lúa mì ở Đức đã chỉ ra rằng, năng suất hạt chỉ tăng đáng kể khi hàm lƣợng silica ở mức trung bình19. Nhiều nghiên cứu về ảnh hƣởng của phân bón silica đƣợc thực hiện với cây ngô tại Ấn Độ từ năm 2016-2017 cho thấy, có sự gia tăng đáng kể năng suất và cải thiện chất lƣợng ngô hạt khi sử dụng silica ở dạng monosilicic acid 20. Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đã đƣa ra khuyến cáo sử dụng phân bón rễ tiêu chuẩn (NPK) cho ngô 25 kg monosilicic acid/ha.
Kết quả ứng dụng phân bón lá AB Yellow (silicic microcolloidal acid với 2% vi chất dinh dƣỡng: 3% B; 0,15% Cu; 0,1% Mo và 1,5% Zn) cho lúa mì đƣợc trồng trên đất mặn ở Rumani năm 2014 đã làm tăng năng suất hạt lên đến 340%.21 Kết quả khảo nghiệm phân bón silica cho cây cải dầu tại ba địa điểm ở Ba Lan vào mùa đông đã đƣợc thực hiện trong những năm 2011/2012 - 2012/2013 22. Năng suất hạt cải dầu tăng từ 1,7% đến 17% tùy thuộc vào giống cây cải dầu và đất trồng. Đồng thời, khối lƣợng hạt cải dầu tăng từ 1,4 đến 19% so với không sử dụng phân bón lá silica.