LỜI MỞ ĐẦU Phytolith là một dạng khoáng silic hình thành trong thực vật và mới chỉ nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ gần đây, nhờ vào ý nghĩa đối với môi trường của nó, cũng như đối với dòng dinh dưỡng Si trong các hệ sinh thái nông nghiệp (Sommer và nnk, 2006). Trong số 10 cây lương thực quan trọng nhất thì có đến 7 cây trồng thuộc nhóm siêu tích lũy Si, trong đó có lúa và ngô. Trung bình mỗi năm trên diện tích 1 ha, lúa có thể lấy đi khỏi đất khoảng 1 tấn Si, và lượng Si này sẽ bị mất đi nếu phế phụ phẩm (rơm rạ, trấu) không được hoàn trả lại đồng ruộng. Kể cả khi được hoàn trả lại thông qua vùi lấp hay đốt và bón trở lại, Si cũng có thể nằm ở dạng phytolith (Si sinh học).
Phytolith được coi là kho dự trữ Si lý tưởng để cung cấp kịp thời cho nhu cầu của cây trồng do chúng hòa tan dễ hơn so với các silicat trong đất. Do tồn tại ở dạng vô định hình, phytolith có tốc độ hòa tan nhanh gấp khoảng 50 lần so với đa số các khoáng vật silicat trong đất (Fraysse và nnk, 2009). Tuy nhiên, quá trình hòa tan của phytolith bị chi phối mạnh mẽ bởi các yếu tố lý hóa học trong môi trường đất như pH, Eh, nồng độ và dạng các ion hòa tan trong dung dịch đất. Các yếu tố lý hóa học này có thể tác động trực tiếp đến các liên kết hóa học bề mặt của phytolith (Nguyen và nnk, 2015), giúp tăng cường hoặc hạn chế sự bẻ gãy các liên kết Si-O trên bề mặt và do đó thay đổi khả năng hòa tan của phytolith.
Việt Nam có gần 4 triệu hecta đất canh tác lúa nước phân bố chủ yếu ở đồng bằng sông Hồng, dải đồng bằng duyên hải miền trung, và đồng bằng sông Cửu Long. Đây được coi là các “hệ sinh thái giàu C và Si”, và có dòng tuần hoàn các nguyên tố (theo thời vụ canh tác) tương đối nhanh. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của những phương pháp canh tác trong nông nghiệp, như hình thức vùi hoặc đốt rơm rạ có tác động như thế nào đối với “hệ sinh thái giàu C và Si” vẫn là một nội dung được quan tâm rất nhiều, không chỉ đối với các nhà khoa học mà còn có sự quan tâm đặc biệt của những người nông dân tại đất nước nông nghiệp này. Hơn nữa, trong những năm gần đây, sự gia tăng lượng phát thải khí CO 2 trên toàn cầu đang là một trong những vấn đề ngày càng trở nên cấp bách vì đây là 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nguyên nhân góp phần làm cho trái đất nóng lên.
Sự tích lũy cacbon trong các hệ sinh thái trên cạn là hướng tiếp cận đầy triển vọng nhằm giảm thiểu lượng phát thải khí CO2 vào bầu khí quyển, từ đó giảm nhẹ các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu. Vì vậy, các nghiên cứu về phytOC - cacbon hữu cơ có trong cấu trúc của phytolith ngày càng được biết đến và nghiên cứu rộng rãi hơn. Do đó, đề tài “Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng” được thực hiện với mục tiêu như sau: 1. Cung cấp thông tin về cacbon hữu cơ và phytolith có trong môi trường đất và trong rơm rạ; 2.
Tìm hiểu mối quan hệ giữa cacbon hữu cơ và phytolith; các yếu tố có ảnh hưởng đến sự tích lũy hoặc giải phóng của thành phần cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường; 3. Tìm hiểu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và đến các yếu tố môi trường; 4. Đánh giá ảnh hưởng của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong môi trường. Với những mục tiêu trên, đề tài được tiến hành với những nội dung chính: 1.
Nghiên cứu mức độ tích lũy cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường đất và trong rơm rạ; 2. Nghiên cứu mối quan hệ của cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường đất và các điều kiện ảnh hưởng đến mối quan hệ của 2 yếu tố; 3. Nghiên cứu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và các yếu tố môi trường; 4. Nhận diện vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong môi trường đất.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về silic và phytolith 1. Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất Silic (Si) là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng khoảng 28,8%.
Là nguyên tố có mặt trong hầu hết các loại đá mẹ, do đó, Si trở thành một trong những nguyên tố cơ bản có mặt trong phần lớn các loại đất. Hàm lượng Si trong đất rất khác nhau đối với các loại đất khác nhau, phụ thuộc vào bản chất của đá mẹ và các quá trình chuyển hóa diễn ra trong đất. Mặc dù Si là một nguyên tố có tỷ trọng lớn, quan trọng trong đất, tuy nhiên nguyên tố này còn ít nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (không tính xói mòn, lắng) (Sommer và nnk, 2006).
Trong lớp vỏ trái đất, Si chủ yếu tồn tại trong các khoáng vật silicat, trong đó bao gồm các oxit silic và 90% tất cả các loại khoáng vật đều chứa Si. Do đó, Si trở thành nguyên tố phổ biến thứ hai trên vỏ trái đất chỉ sau oxy. Bồn Si trong các khoáng vật đất bao gồm 3 phần chính: (1) khoáng vật nguyên sinh từ đá mẹ; (2) khoáng vật thứ sinh (chủ yếu là các khoáng vật sét có cấu trúc tinh thể) và (3) khoáng vật thứ sinh có cấu trúc vi tinh thể và vô định hình được phát triển thông qua quá trình hình thành đất (Monger và nnk, 2002). 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com a) Dạng silic trong khoáng vật Bồn khoáng vật Si trong đất gồm hai loại lớn: (1) khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ (thạch anh, fenspat, mica) và (2) các khoáng vật thứ sinh là kết quả của quá trình hình thành đất và bao gồm bốn giai đoạn: tinh thể (chủ yếu khoáng vật sét), tinh thể kém (thạch anh autigenic, opa CT, chalcedon), các dạng khoáng vật nano có trật tự thấp (Opal A, imogolite, allophane), oxit silic vô định hình (pedogenic Si) (Sommer và nnk, 2006).
Khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ quyết định tính chất vật lý và hóa học của khoáng vật thứ sinh và các loại đất phát triển trên đó. Quá trình phong hoá khoáng vật nguyên sinh giải phóng ra các cation linh động cao (Ca2+, Mg2+, K+, Na+), một phần Si(OH)4, Al và Fe ít linh động vào dung dịch đất (Karathanasis và nnk, 2006). Một phần của Si giải phóng từ cấu trúc khoáng vật phản ứng với Al (và ở mức độ thấp hơn Fe và Mg) để tạo thành các khoáng sét thứ cấp, trong khi phần còn lại bị rửa trôi. b) Dạng silic hòa tan Trong dung dịch đất, Si tồn tại dưới dạng hòa tan có hàm lượng dao động từ khoảng 0,1 - 0,6 mM hoặc lên đến 0,8 mM ở trạng thái cân bằng khi pH dung dịch dưới 9 (Ma và Takahashi, 2002).
Tuy nhiên, trong điều kiện kiềm mạnh (pH > 9), một phần của axit monosilicic chuyển sang thành polyme và nồng độ Si hòa tan trong dung dịch đất tăng gần như theo cấp số nhân với pH, là kết quả của sự phát triển đặc biệt H3SiO4- và H2SiO42-. Nồng độ của Si hòa tan trong đất biến thiên đa dạng, mặc dù quá trình thẩm thấu của Si từ đất và sự hấp thu của thực vật là quá trình quan trọng trong việc xác định nồng độ Si. Phần lớn nồng độ cân bằng được kiểm soát bằng các phản ứng hấp phụ/giải hấp, thành phần khoáng vật, sự cân bằng nước, nhiệt độ và phản ứng sinh hóa. Hơn nữa, nồng độ Si hòa tan trong dung dịch đất có liên quan đến chế độ nhiệt và khả năng giữ nước của đất (Drees và nnk, 1989).
Nồng độ Si tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C. Các hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ có phân tử thấp góp phần vào sự phong hóa khoáng vật đất thông qua quá trình axit hóa và phản ứng tạo phức. Sự hiện diện của nhôm và sắt oxit dẫn đến giảm hàm lượng của 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Si hòa tan trong dung dịch đất. Cụ thể, quá trình phong hóa mạnh mẽ, SiO2 tự do có thể bị cạn kiệt bởi sự hấp thụ hoặc liên kết của sesquioxit lên bề mặt và tách ra khỏi dung dịch đất.
pH là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới sự hòa tan của Si, liên quan đến sự hấp thụ của axit monosilicic bởi sắt, nhôm và khoáng sét trong đất. Quá trình hấp thụ này được cho là tối ưu khi pH khoảng 9,5; khả năng hấp thụ Si hòa tan của đất thay đổi theo giá trị pH và đạt giá trị tốt nhất ở pH trong khoảng 8 đến 9. c) Dạng silic sinh học Si vô định hình được tìm thấy trong lá cây, thân cây, cơ quan sinh sản, rễ cây và tập trung nhiều nhất ở những nơi có lượng nước mất đi lớn nhất của cây. Sau khi lá rụng và cây chết đi, Si sinh học sẽ được trả lại cho tầng mặt và đóng góp vào bồn Si vô định hình ở tầng này.
Si sinh học trong đất có thể chia thành các nhóm chính: Si (1) từ động vật, (2) từ thực vật (bao gồm cả phytolith), (3) từ vi sinh vật và (4) từ sinh vật đơn bào (Hình 2). Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất (Sommer và nnk, 2006) Đối với các bồn Si có nguồn gốc từ vi sinh vật và sinh vật đơn bào, hiện nay mới chỉ có các bằng chứng chứng tỏ sự có mặt của của bồn Si này trong đất (Clarke, 2003). Hệ vi sinh vật ảnh hưởng tới quá trình chuyển hóa Si trong đất thông qua các quá trình: (1) phân hủy lá, xác thực vật (giúp giải phóng Si từ rễ và các mô thực vật) và (2) thúc đẩy quá trình hòa tan các khoáng vật do hoạt động của nấm sợi (Smits và nnk 2005). Thành tế bào của vi sinh vật có thể đóng vai trò như hạt nhân tinh thể trong quá trình kết tủa Si (Kawano và Tomita, 2001).
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Si tích lũy vào thực vật thông qua quá trình hút thu bị động cùng với nước hoặc qua cơ chế hút thu chủ động. Hàm lượng Si trong thực vật dao động từ 0,1 đến 16% khối lượng khô (Datnoff và nnk, 2001; Epstein, 1994).