Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến hàm lượng nitơ (N) và phốt pho (P) trong nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến hàm lượng nitơ (N) và phốt pho (P) trong nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội" được nghiên cứu với mục tiêu đề xuất được giải pháp giảm thiểu tác động của phân bón và nước tưới ô nhiễm trên đất lúa đến chất lượng nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến hàm lượng nitơ (N) và phốt pho (P) trong nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN PHAN VIỆT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NƢỚC TƢỚI Ô NHIỄM ĐẾN HÀM LƢỢNG NITƠ (N) VÀ PHỐTPHO (P) TRONG NƢỚC NGẦM TẦNG NÔNG KHU VỰC TRỒNG LÚA HUYỆN GIA LÂM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN PHAN VIỆT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NƢỚC TƢỚI Ô NHIỄM ĐẾN HÀM LƢỢNG NITƠ (N) VÀ PHỐTPHO (P) TRONG NƢỚC NGẦM TẦNG NÔNG KHU VỰC TRỒNG LÚA HUYỆN GIA LÂM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật cấp thoát nước Mã số: 9580213 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Đinh Thị Lan Phương 2. TS. Nguyễn Thị Ngọc Dinh HÀ NỘI, NĂM 2025
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Phan Việt 1
LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu nghiêm túc và đạt được kết quả như ngày hôm nay, tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Đinh Thị Lan Phương và TS. Nguyễn Thị Ngọc Dinh đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu; Phòng Đào tạo; Bộ môn cấp thoát nước; Bộ môn Hoá Môi Trường – Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện hỗ trợ tác giả. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu; Khoa Tự động và Phương tiện kỹ thuật phòng cháy, chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ – Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy – Bộ Công an đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành Luận án. Lời cảm ơn cuối cùng, tác giả xin dành cho gia đình đã luôn tin tưởng, động viên tinh thần lẫn vật chất để tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu. 2
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11 1. Tính cấp thiết ........................................................................................................... 11 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 12 3. Nội dung nghiên cứu................................................................................................ 13 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 13 4.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 13 4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 13 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 13 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ 14 6.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................... 14 6.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................... 14 7. Đóng góp mới của luận án ...................................................................................... 14 8. Cấu trúc luận án ...................................................................................................... 14 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 15 1.1. Khái quát về nƣớc ngầm ...................................................................................... 15 1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc ngầm ............................................................... 15 1.3. Quy chuẩn về chất lƣợng nƣớc ngầm của Thế giới và Việt Nam đối với N và P18 1.3.1. Trên thế giới ........................................................................................................ 18 1.3.2. Tại Việt Nam ....................................................................................................... 19 1.4. Quá trình chuyển hóa nitơ (N) và phốt pho (P) trong đất ngập nƣớc ............. 20 1.4.1. Quá trình chuyển hóa nitơ (N) ............................................................................. 20 1.4.2. Sự chuyển hóa phốt pho (P) ................................................................................ 23 1.5. Các nghiên cứu về ảnh hƣởng của nƣớc tƣới ô nhiễm và phân bón đến N, P trong nƣớc ngầm tầng nông........................................................................................ 26 1.5.1. Trên thế giới ........................................................................................................ 26 1.5.2. Tại Việt Nam ....................................................................................................... 30 1.5.3. Thực trạng ô nhiễm N và P trong các hệ thống tưới ở Việt Nam ....................... 33 1.6. Giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm N, P trong nƣớc ngầm ....................... 36 1.6.1. Sử dụng than sinh học (Biochar) ......................................................................... 36 3
1.6.2. Quản lý tưới ......................................................................................................... 39 1.6.3. Quản lý phân bón và kết hợp phụ phẩm nông nghiệp ......................................... 40 1.7. Tổng quan khu vực nghiên cứu ........................................................................... 42 1.7.1 . Điều kiện tự nhiên .............................................................................................. 42 1.7.2. Đặc điểm hệ thống thủy lợi và hiện trạng chất lượng nước tưới nhiễm N và P .. 45 1.8. Diễn biến mực nƣớc ngầm tại khu vực nghiên cứu ........................................... 48 1.9. Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án ........................................................... 50 1.10. Kết luận chƣơng 1................................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 52 2.1. Cơ sở khoa học lựa chọn thí nghiệm................................................................... 52 2.1.1. Lựa chọn các thông số nghiên cứu về N và P trong nước ngầm ......................... 52 2.1.2. Lựa chọn các kỹ thuật tưới .................................................................................. 55 2.1.3. Cơ chế thấm qua tầng đế cày trên ruộng lúa ....................................................... 56 2.1.4. Chất lượng nước khu vực nghiên cứu ................................................................. 57 2.1.5. Lựa chọn khu vực thí nghiệm và độ sâu mực nước ngầm tầng nông.................. 59 2.1.6. Lựa chọn giống lúa .............................................................................................. 61 2.1.7. Lựa chọn sử dụng biochar và điều chỉnh tỉ lệ phân bón cho thí nghiệm giảm thấm N xuống nước ngầm ............................................................................................. 61 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 62 2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu .............................................................................. 62 2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm ............................................................................ 62 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu .......................................................................................... 77 2.2.4. Phương pháp phân tích đất và nước .................................................................... 79 2.2.5. Phương pháp theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và năng suất lúa ....... 80 2.2.6. Phương pháp phân tích thống kê ......................................................................... 81 2.3. Kết luận chƣơng 2................................................................................................. 81 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 82 3.1. Thực trạng chất lƣợng nƣớc ngầm tầng nông tại tại huyện Gia Lâm ............ 82 3.2. Hàm lƣợng N và P trong các tầng đất ................................................................ 84 3.2.1. Hàm lượng N tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân hoá học .................................................................................................... 84 4
3.2.2. Hàm lượng P tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón ........................................................................................................... 86 3.3. Ảnh hƣởng của nƣớc tƣới ô nhiễm sử dụng phân bón cho lúa đến hàm lƣợng N, P trong nƣớc ngầm tầng nông ............................................................................... 89 3.3.1. Nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón (CT1) ...................................................... 90 3.3.2. Nước tưới ô nhiễm, không sử dụng phân bón (CT3) ........................................ 103 3.3.3. Nước tưới sạch sử dụng phân bón (CT2) .......................................................... 111 3.3.4. Nhận xét chung .................................................................................................. 119 3.4. Ảnh hƣởng của kỹ thuật tƣới ngập và tƣới tiết kiệm nƣớc đến hàm lƣợng N và P trong nƣớc ngầm tầng nông ............................................................................. 119 3.4.1. Hàm lượng NO3- ................................................................................................ 120 3.4.2. Hàm lượng NH4+ ............................................................................................... 123 3.4.3. Hàm lượng NO2- ................................................................................................ 125 3.4.4. Hàm lượng PO43- ............................................................................................... 127 3.5. Kết quả sử dụng than sinh học (Biochar) và điều chỉnh phân bón kiểm soát N trong nƣớc mặt ruộng ............................................................................................... 129 3.5.1. Kiểm soát NO3-, NO2-, NH4+ trong nước mặt ruộng bởi biochar ...................... 129 3.5.2. Kiểm soát NO3-, NO2-, NH4+ trong nước mặt ruộng bởi kết hợp biochar và điều chỉnh phân bón............................................................................................................. 132 3.5.3. Năng suất ........................................................................................................... 136 Bảng 3.4 Kết quả phân tích năng suất của các công thức thí nghiệm ......................... 136 3.6. Kết luận chƣơng 3............................................................................................... 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 140 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 143 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 152 5
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Mô tả nước ngầm tầng nông [6] .......................................................... 15 Hình 1.2. Nguyên nhân ô nhiễm nguồn nước ngầm [7]...................................... 16 Hình 1.3. Nước ô nhiễm từ tầng nông xuống tầng sâu qua thành giếng [8] ....... 16 Hình 1.4. Quá trình phản nitrat hóa trong đất [13] ............................................. 22 Hình 1.5. Chu trình P trong đất, bao gồm nguồn vào, dạng dễ tiêu và không dễ tiêu cho thực vật và các dạng P thất thoát [14] ................................................... 24 Hình 1.6. Hàm lượng NH4+, NO3- và N tổng số trong nước ngầm tại vùng nông nghiệp trung cận nhiệt đới Trung Quốc [26] ...................................................... 27 Hình 1.7. Phân bố nồng độ hòa tan theo độ sâu ở một số khu vực trồng trọt tại Mỹ [19] ................................................................................................................ 28 Hình 1.8. Nồng độ photpho hòa tan (P) (mg/L), trong các điều kiện thủy văn khác nhau tại mỗi vùng đất [19].......................................................................... 29 Hình 1.9. Nồng độ photpho hòa tan (mg/L) trong nước ngầm dưới đồng ruộng và vùng ven sông [19] ......................................................................................... 29 Hình 1.10. Bản đồ các khu vực nước ngầm Hà Nội có hàm lượng amoni cao [39] ............................................................................................................................. 33 Hình 1.11. nhiễm hệ thống thủy lợi nước tưới Đồng bằng sông Hồng [42] ... 36 Hình 1.12. Bản đồ địa giới hành chính huyện Gia Lâm [60].............................. 42 Hình 1.13. Lượng mưa các tháng trong năm 2021, 2022, 2023 của thành phố Hà Nội ....................................................................................................................... 44 Hình 1.14. Mực nước ngầm tầng Holocene hạ (qh1) quan trắc từ 01/2021 – 12/2023. ............................................................................................................... 50 Hình 2.1. Cấu trúc lớp các lớp dưới đất lúa ........................................................ 54 Hình 2.2. Nguồn gốc và sự vận chuyển P trong đất............................................ 55 Hình 2.3. Phẫu diện tầng đất khu vực nghiên cứu .............................................. 60 Hình 2.4. Khu vực bố trí thí nghiệm ................................................................... 63 Hình 2.5. Sơ đồ mặt bằng tổng thể khu vực bố trí thí nghiệm ............................ 63 6
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1..................................................................... 66 Hình 2.7. Chi tiết biện pháp chống thấm ngang, ống thu mẫu nước .................. 67 Hình 2.8. Sơ đồ phối cảnh lấy mẫu nước thí nghiệm.......................................... 68 Hình 2.9. Ô công thức thí nghiệm và ống PVC lấy mẫu nước ........................... 69 Hình 2.10. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tưới ngập ..................................................... 72 Hình 2.11. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tưới tiết kiệm nước ...................................... 73 Hình 2.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chậu trong nhà lưới (bổ sung thành 36 chậu) ............................................................................................................................. 75 Hình 2.13. Phơi đất thí nghiệm trong nhà lưới ................................................... 77 Hình 2.14. Lấy mẫu đất ....................................................................................... 78 Hình 3.1. Ảnh nước sông Cầu Bây bị ô nhiễm chảy qua địa bàn huyện Gia Lâm ............................................................................................................................. 83 Hình 3.2. Hàm lượng P tổng số trong các tầng đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón. ................................................................................. 87 Hình 3.3. Nước tưới khu ruộng thí nghiệm......................................................... 90 Hình 3.4. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT1 vụ mùa 2021 ................ 92 Hình 3.5. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT1 vụ xuân 2022 ............... 92 Hình 3.6. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT1 vụ mùa 2022 ................ 92 Hình 3.7. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT1 vụ xuân 2023 ............... 93 Hình 3.8. Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT1 ...................................... 96 Hình 3.9. Hàm lượng NO2- các tầng khảo sát của CT1 ...................................... 99 Hình 3.10. Hàm lượng PO43- các tầng khảo sát của CT1 .................................. 103 Hình 3.11. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT3 .................................. 104 Hình 3.12. Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT3 .................................. 107 Hình 3.13. Hàm lượng NO2- các tầng khảo sát của CT3 .................................. 108 Hình 3.14. Hàm lượng PO43- các tầng khảo sát của CT3 .................................. 110 Hình 3.15. Hàm lượng NO3- các tầng khảo sát của CT2 .................................. 112 Hình 3.16. Hàm lượng NH4+ các tầng khảo sát của CT2 .................................. 114 Hình 3.17. Hàm lượng NO2- các tầng khảo sát của CT2 ................................... 116 7
Hình 3.18. Hàm lượng PO43- các tầng khảo sát của CT2 .................................. 119 Hình 3.19. Hàm lượng NO3- trong nước ngầm tầng nông của các công thức tưới ........................................................................................................................... 122 Hình 3.20. Hàm lượng NH4+ ở các công thức tưới ngập và tưới tiết kiệm nước ........................................................................................................................... 125 Hình 3.21. Hàm lượng NO2- trong các tầng của công thức tưới ngập và tưới tiết kiệm nước .......................................................................................................... 127 Hình 3.22. Hàm lượng PO43- trong các công thức tưới tiết kiệm nước và tưới ngập ................................................................................................................... 129 Hình 3.23. Kiểm soát NO3- trong nước mặt ruộng bởi biochar. ....................... 130 Hình 3.24. Hàm lượng NO2- trong nước mặt ruộng trong công thức áp dụng biochar ............................................................................................................... 131 Hình 3.25. Hàm lượng NH4+ trong nước mặt ruộng trong công thức áp dụng biochar ............................................................................................................... 132 Hình 3.26. Hàm lượng NO3- trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón. ......................................................................................... 132 Hình 3.27. Hàm lượng NO2- trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón. ......................................................................................... 134 Hình 3.28. Hàm lượng NH4+ trong nước mặt ruộng dưới sự áp dụng biochar và điều chỉnh phân bón. ......................................................................................... 135 Hình 3.29. Năng suất lúa của các công thức. .................................................... 137 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thông số chất lượng nước dưới đất ở các dạng N khu vực Hà Nội ... 32 Bảng 1.2. Lượng mưa năm 2021, 2022, 2023 tại trạm khí tượng Láng, Tp.Hà Nội ....................................................................................................................... 43 Bảng 1.3. Kết quả phân tích chất lượng nước tại một số sông trên địa bàn huyện Gia Lâm ............................................................................................................... 47 Bảng 1.4.Tổng hợp độ sâu mực nước ngầm Holocene hạ (qh1) năm 2021,2022,2023 của TT. Trâu Quỳ - Gia Lâm ................................................... 49 Bảng 2.1. Vị trí các điểm lấy mẫu nước trên sông Cầu Bây ............................... 57 Bảng 2.2. Kết quả phân tích nước sông Cầu Bây trên địa bàn huyện Gia Lâm . 58 Bảng 2.3. Một số tính chất đất đại diện của khu vực nghiên cứu ....................... 59 Bảng 2.4. Các công thức thí nghiệm ................................................................... 76 Bảng 2.5. Các các chỉ tiêu và phương pháp phân tích nước ............................... 79 Bảng 2.6. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích đất......................................... 80 Bảng 3.1. Khảo sát chất lượng nước ngầm tầng nông tại Gia Lâm tại độ sâu 1,2 m .......................................................................................................................... 82 Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả khảo sát chất lượng nước ngầm tầng nông huyện Gia Lâm ............................................................................................................... 83 Bảng 3.3. Kết quả phân tích hàm lượng Ntổng số (%) trong các tầng đất của các công thức thí nghiệm ........................................................................................... 84 9
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ BTN&MT: Bộ Tài nguyên và Môi trường BYT: Bộ Y tế CT: Công thức ĐBSH: Đồng bằng Sông Hồng HTTL: Hệ thống thuỷ lợi NN&PTNT: Nông nghiệp và Phát triển nông thôn N, P, K: Đạm, lân, kali PTN: Phòng thí nghiệm QCVN: Quy chuẩn Việt nam TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TN&MT: Tài nguyên và Môi trường TT: Thị trấn TN: Thí nghiệm NH4 + Amoni (NH4 + tính theo N) NO3- Nitrat (NO3- tính theo N) NO2- Nitrit (NO2- tính theo N) PO43- Phốt phát (PO43- tính theo P) 10
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Nước ngầm chiếm khoảng 30% lượng nước ngọt toàn cầu, được đánh giá là một trong những tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trên thế giới. Đây đang là nguồn nước được khai thác phục vụ cho khoảng 2 tỉ người phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất với lượng sử dụng lên đến 982 km3/năm [1]. Ở nhiều nơi, tỷ lệ sử dụng nước ngầm có thể lên tới 100% cho mục đích sinh hoạt, tưới tiêu và công nghiệp. Tuy nhiên, nguồn nước ngầm hiện đã và đang bị ô nhiễm. Cho đến nay trên toàn cầu đã có khoảng 60% các khu vực bị ô nhiễm N trong nước ngầm, tình trạng ô nhiễm thường xảy ra ở các vùng nông nghiệp. Nguyên nhân chính là do các khu vực trồng lúa sử dụng nước tưới ô nhiễm và sử dụng phân bón quá mức khuyến cáo. Ô nhiễm nước ngầm đã được WHO cảnh báo ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe con người. Khi nước ngầm bị ô nhiễm N hoặc P ở mức vượt quá giới hạn cho phép sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu khai thác và sử dụng trực tiếp nguồn nước đó. Do đó, bảo vệ nguồn nước ngầm để phục vụ cho kinh tế, dân sinh là nhiệm vụ hết sức cấp bách. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường trong những năm gần đây nguồn nước ngầm huyện Gia Lâm đang có dấu hiệu ô nhiễm N, chưa có dấu hiệu ô nhiễm P. Nguyên nhân chính xuất hiện ô nhiễm N trong nước ngầm huyện Gia Lâm là do ô nhiễm nước bề mặt và các hệ thống nước tưới [2]. Nguồn nước ngầm huyện Gia Lâm hiện tại vẫn được sử dụng cho cấp nước sinh hoạt trong nhiều hộ gia đình. Mặc dù nguồn nước cấp sinh hoạt cho huyện Gia Lâm do nhà máy nước Sông Đuống cung cấp đã đi vào hoạt động trong nhiều năm. Tuy nhiên, tại nhiều xã người dân vẫn còn khai thác và sử dụng nước ngầm cho sinh hoạt. Nguyên nhân một phần do nguồn nước máy chưa ổn định dẫn đến không đủ lưu lượng, một phần do tập quán của người dân vẫn khai thác và sử dụng các giếng thông qua hệ thống bể lọc cát phục vụ cho sinh hoạt. Theo kết quả đánh giá chất lượng đất sản xuất nông nghiệp phục vụ chuyển đổi cơ cấu cây trồng của sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thành phố Hà Nội năm 2024, huyện Gia Lâm có 1.354,49 ha đất phù sa trung tính trồng lúa chiếm 49,9% diện tích đất sản xuất nông nghiệp. Do đó nhu cầu nước tưới cho lúa trên toàn huyện 11
rất lớn, tuy nhiên nhiều hệ thống tưới cho huyện Gia Lâm đang trong tình trạng ô nhiễm. Điển hình nước trên hệ thống Bắc Hưng Hải có hàm lượng N và P cao hơn QCVN 08-MT:2015/BTNMT từ 2,48 – 4,15 lần [3]; hệ thống thủy lợi Bắc Đuống giai đoạn 2019 - 2021 có hàm lượng N vượt QCVN 08-MT:2015 BTNMT từ 36,3% – 100% [4]. Bên cạnh đó, tình hình sử dụng phân bón theo định tính, thiếu kiểm soát của người dân đã dẫn tới tình trạng chất lượng nước tưới đang dư thừa dinh dưỡng đạm và dinh dưỡng lân trong đất lúa. Đất có khả năng dự trữ P nhưng khả năng dự trữ N hạn chế, khi khả năng hấp phụ N của đất bị vượt quá dẫn đến lượng dư thừa bị thấm rửa di chuyển theo nước thấm xuống nước ngầm tầng nông. So với P, tình trạng ô nhiễm N trong nước ngầm tầng nông phổ biến hơn và đã được ghi nhận ở nhiều nước. Trong bối cảnh gia tăng ô nhiễm các nguồn tưới tại huyện Gia Lâm, sử dụng nước tưới ô nhiễm trong một thời gian dài tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm cho khai thác sinh hoạt. Do đó, làm rõ các tác động của phân bón đến nước ngầm tầng nông trong điều kiện nguồn nước tưới ô nhiễm để bảo vệ nước ngầm huyện Gia Lâm cho cấp nước sinh hoạt là hết sức cấp thiết. Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có công trình khoa học nào công bố các nghiên cứu về ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến N và P trong nước ngầm tầng nông huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. Trong đó, tồn tại cần được làm rõ giữa nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón khuyến cáo có làm gia tăng hàm lượng N, P trong nước ngầm tầng nông không. Do đó, luận án „„Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm đến hàm lượng nitơ (N) và phốt pho (P) trong nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội“ được thực hiện. Kết quả của luận án cung cấp cơ sở khoa học về quản lý phân bón và kiểm soát, xử lý ô nhiễm nước tưới để bảo vệ nguồn nước ngầm phục vụ cho mục đích khai thác và đảm bảo chất lượng cho người sử dụng. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng trong canh tác lúa đến hàm lượng của hai nguyên tố N, P trong nước ngầm tầng nông, làm cơ sở cho việc khai thác và sử dụng nước ngầm đảm bảo chất lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất. 12
- Đề xuất được giải pháp giảm thiểu tác động của phân bón và nước tưới ô nhiễm trên đất lúa đến chất lượng nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. 3. Nội dung nghiên cứu - Ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm có bón phân cho lúa đến thấm rửa N, P xuống nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội; - Nghiên cứu giải pháp giảm phân bón và áp dụng Biochar để giảm tác động của phân bón xuống nước ngầm tầng nông khu vực trồng lúa huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Hàm lượng nitrat (NO3-), nitrit (NO2-), amoni (NH4+) và phốt phát (PO43-) trong nước tưới và nước ngầm tầng nông (nước dưới đất) tại các độ sâu -35 cm, -70 cm, -120 cm khu vực canh tác lúa; - Nước ngầm tầng nông dưới tác động của nước tưới bị ô nhiễm có sử dụng phân bón. 4.2. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu được tiến hành trên đất phù sa sông Hồng không được bồi, trung tính, ít chua trồng chuyên lúa 2 vụ/năm. Lúa được bón phân ở mức: 120 kg N + 90 kg P2O5 + 90 kg K2O/ha/vụ; - Nước ngầm tầng nông vùng trồng lúa của huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội; - Phạm vi: + Thời gian: Thí nghiệm tiến hành trong 02 năm (từ tháng 6/2021 đến tháng 05/2023). + Nguồn nước: Sông cầu Bây từ toạ độ (20o99’54”N - 105o92’84”E) ÷ (21o 01’11”N - 105o92’84”E) 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập số liệu - Phương pháp bố trí thí nghiệm 13
- Phương pháp lấy mẫu - Phương pháp phân tích - Phương pháp theo dõi chỉ tiêu, sinh trưởng và năng suất 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học Cung cấp cơ sở khoa học đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc tưới nước ô nhiễm và chế độ phân bón cho lúa tới hàm lượng N và P trong nước ngầm tầng nông ở đất phù sa sông Hồng không được bồi, trung tính, ít chua. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Các kết quả nghiên cứu của luận án xác định được một số giải pháp giảm thiểu khả năng phú dưỡng N trong nước ngầm tầng nông do ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm sử dụng phân bón vùng chuyên canh lúa nước của đồng bằng sông Hồng. 7. Đóng góp mới của luận án - Làm rõ được nước tưới ô nhiễm sử dụng chế độ phân 120 kg N + 90 kg P2O5 + 90 kg K2O/ha/vụ làm thấm NO3- và NH4+ xuống nước ngầm tầng nông tới độ sâu –70 cm, không làm thấm NO2- và PO43-. Từ đó đưa ra khuyến cáo nên giảm lượng phân đạm trong điều kiện nước tưới ô nhiễm để giảm thấm N xuống nước ngầm tầng nông mà không ảnh hưởng đến năng suất. - Làm rõ được những ảnh hưởng của kỹ thuật tưới ngập và tưới tiết kiệm nước đến thấm N xuống nước ngầm tầng nông. Tưới ngập với nước tưới ô nhiễm làm thấm NO3- xuống nước ngầm tầng nông tới độ sâu -120 cm, làm thấm NH4+ xuống tới độ sâu -70 cm, không làm thấm NO2- và PO43-. Tưới tiết kiệm nước với nước tưới ô nhiễm chỉ làm thấm NO3- xuống tầng –35 cm và không làm thấm NH4+, NO2- và PO43-. 8. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận luận án có 3 chương Chương 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chương 2. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 14
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về nƣớc ngầm Nước ngầm (nước dưới đất) là nguồn nước nằm bên dưới bề mặt đất, được tích trữ trong các không gian rỗng của đất và trong các khe nứt của lớp đất đá trầm tích, và các không gian rỗng này có sự liên thông với nhau [5] Nước ngầm tầng nông là tầng nước ngấm, tạo ra từ nước trên mặt đất thấm xuống. Nước ngầm tầng nông nằm ở tầng trên cùng tiếp giáp với nước bề mặt, tiếp nhận tất cả vật chất thấm xuống cùng với nước bề mặt. Do nước ngầm tầng nông thường không có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt, nên thành phần và mực nước biến đổi nhiều, phụ thuộc vào trạng thái của nước mặt dẫn đến nước ngầm tầng nông rất dễ bị ô nhiễm [6]. Dựa vào các tài liệu tham khảo, luận án mô tả nước ngầm tầng nông như sau: Hình 1.1. Mô tả nước ngầm tầng nông [6] 1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc ngầm - Nước ngầm đóng vai trò quan trọng, cung cấp nước sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp và công nghiệp cho hàng tỷ người trên toàn cầu. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên quý giá này đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng. - Những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước ngầm, bao gồm: Nguồn tự nhiên, Hệ thống tự hoại, Xử lý chất thải nguy hại không đúng cách, Sản phẩm dầu mỏ, Chất thải 15
rắn, Đầm chứa bề mặt, Hóa chất nông nghiệp, Giếng phun,…các nguyên nhân trên sẽ làm tăng nguy cơ suy thoái về chất lượng của nước ngầm [7] Hình 1.2. Nguyên nhân ô nhiễm nguồn nước ngầm [7] - Nước ngầm tầng nông bị ô nhiễm và lan truyền xuống nước ngầm tầng sâu qua các lỗ khoan giếng do chỗ tiếp giáp giữa đất và thành giếng (ống vách) không được xử lý tốt. Hình 1.3. Nước ô nhiễm từ tầng nông xuống tầng sâu qua thành giếng [8] Theo điều tra của Sở TNMT thành phố Hà Nội khảo sát tại 190 giếng khoan khai thác quy mô công nghiệp và 1000 giếng khoan khai thác nước nhỏ lẻ, trong đó có giếng khoan Unicef của các hộ gia đình. Với 150 mẫu nước được lấy từ các điểm khoan qua 16
kiểm tra phân tích, đồng thời kết hợp với các tài liệu quan trắc nước dưới đất tại nhiều khu vực của Hà Nội cho thấy diện tích nguồn nước ngầm bị ô nhiễm đang có dấu hiệu mở rộng. Kiểm tra tại khu vực phía tây Hà Nội và các khu vực huyện ngoại thành thì nguồn nước ngầm ở cả 2 tầng chưa nước nông và sâu cũng bị ô nhiễm các chất như amoni và asen [9] - Phương trình mô tả quá trình thấm và lan truyền chất trong môi trường đất Nước dưới đất là một bộ phận trong chu trình thủy văn. Nước ngấm xuống và vận động trong lòng đất theo trọng lực của dòng chảy tự nhiên, thực vật, con người. Dòng chảy ngầm chỉ tồn tại trong các lỗ rỗng trong lòng đất. Định luật thấm Darcy đã khẳng định Lưu lượng dòng chảy qua một môi trường lỗ rỗng tỉ lệ với cột nước tổn thất và tỉ lệ nghịch với chiều dài của quãng đường dòng chảy [10] Định luật thấm Darcy được biểu diễn qua biểu thức [10] Hoặc: Hay : Trong đó: V – Vận tốc dòng chảy Darcy K – Hệ số thấm Q – Lưu lượng A – Diện tích mặt cắt ngang Δh – Chênh lệch đầu nước Thực ra dòng chảy chỉ tồn tại trong các lỗ rỗng, vì thế tốc độ thấm thực trung bình sẽ bằng: 17
Trong đó: α – Độ rỗng của môi trường lỗ rỗng Như vậy có thể thấy nếu chất lượng nước tầng nông bị ô nhiễm có thể thấm xuống tầng sâu hơn ảnh hưởng đến chất lượng nước khai thác và sử dụng cho sinh hoạt. 1.3. Quy chuẩn về chất lƣợng nƣớc ngầm của Thế giới và Việt Nam đối với N và P 1.3.1. Trên thế giới Ở Mỹ, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA,1974) đặt ra tiêu chuẩn chính cho các chất gây ô nhiễm trong nước uống, bao gồm nitrat và nitrit, để bảo vệ sức khỏe con người. Các tiêu chuẩn này áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước uống, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân. Nitrat (NO₃ ⁻ ): Mức cho phép tối đa (Maximum Contaminant Level - MCL) là 10 mg/L tính theo nitơ. Nồng độ này nhằm giảm nguy cơ mắc bệnh trẻ xanh (blue baby syndrome - methemoglobinemia) ở trẻ sơ sinh. Nitrit (NO₂ ⁻ ): Mức giới hạn là 1 mg/L tính theo nitơ. WHO (2019): Giới hạn nitrat trong nước uống (bao gồm cả nước ngầm) là 50 mg/L, tương đương khoảng 11 mg/L nitơ dưới dạng nitrat. Đây là mức phổ biến được nhiều quốc gia áp dụng, bao gồm các tiêu chuẩn của EU và Việt Nam. Tại Trung Quốc áp dụng tiêu chuẩn GB/T 14848-2017 để đánh giá chất lượng nước ngầm. Theo tiêu chuẩn này: Nồng độ nitrat (NO₃ ⁻ ) trong nước ngầm không được vượt quá 20 mg/L tính theo nitơ, nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe, đặc biệt là ngăn ngừa nguy cơ bệnh trẻ xanh (blue baby syndrome) tương tự như các tiêu chuẩn quốc tế. Tiêu chuẩn cũng áp dụng các quy định về hàm lượng ammoniac (NH₃ -N) và nitrit (NO₂ ⁻ ), mặc dù giới hạn cụ thể có thể thay đổi tùy từng loại nước ngầm và mục đích sử dụng. Tiêu chuẩn này được phát triển để bảo vệ sức khỏe cộng đồng, quản lý tài nguyên nước ngầm và ngăn ngừa ô nhiễm nước ngầm trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp nhanh chóng của Trung Quốc. Tại Australia (2011) áp dụng các quy định về nitrate (NO3–N) trong nước ngầm dựa trên các Hướng dẫn Chất lượng Nước Uống của Australia (Australian Drinking Water Guidelines). Theo đó, mức giới hạn an toàn cho nồng độ nitrate được đặt ở mức tối đa 18