Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tích lũy cadimi trong lúa gạo trồng trên đất phù sa đồng bằng sông Hồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu tích lũy cadimi trong lúa gạo trồng trên đất phù sa đồng bằng sông Hồng" là cung cấp cơ sở khoa học về ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong nước tưới ô nhiễm đến sinh trưởng, tích luỹ Cd trong lúa gạo và đề xuất giải pháp giảm thiểu tích luỹ Cd trong gạo làm cơ sở để quản lý chất lượng lúa gạo an toàn ở Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tích lũy cadimi trong lúa gạo trồng trên đất phù sa đồng bằng sông Hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ KHẮC NGHIÊN CỨU TÍCH LŨY CADIMI TRONG LÚA GẠO TRỒNG TRÊN ĐẤT PHÙ SA ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI VŨ THỊ KHẮC NGHIÊN CỨU TÍCH LŨY CADIMI TRONG LÚA GẠO TRỒNG TRÊN ĐẤT PHÙ SA ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 9440303 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. NGUYỄN THỊ HẰNG NGA 2. TS. ĐINH THỊ LAN PHƯƠNG HÀ NỘI, NĂM 2023
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 tài liệu nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Vũ Thị Khắc i
LỜI CẢM ƠN Luận án được kế thừa một phần số liệu của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, mã số HĐ 89-2019/KHCN-BNN “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng bộ thông số chất lượng nước tưới cho một số loại cây trồng chính lúa, ngô, đậu tương, lạc và rau”. Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến cơ quan tài trợ và ban chủ nhiệm đề tài; Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thị Hằng Nga và TS. Đinh Thị Lan Phương - giảng viên trường Đại học Thủy lợi, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới tập thể giáo viên hướng dẫn; Luận án được thực hiện dưới sự quản lý chuyên môn của Bộ môn Kỹ thuật và Quản lý Môi trường - Khoa Hóa và Môi trường, Phòng Đào tạo trường Đại học Thủy Lợi, tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa, bộ môn và nhà trường; Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước đã định hướng, góp ý cho tác giả để hoàn thiện luận án; Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Công nghệ và Môi trường - Liên minh HTX Việt Nam đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án; Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và nhiều sự hỗ trợ khác để tác giả thực hiện luận án; Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến bố mẹ, người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên tinh thần để tác giả hoàn thành luận án. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4 6. Cấu trúc luận án .......................................................................................................5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................6 1.1 Tổng quan về nguồn gốc, cơ chế tích lũy và ảnh hưởng của Cd đến lúa gạo .......6 1.1.1 Nguồn gốc phát sinh Cd trong đất và nước ....................................................6 1.1.2 Cơ chế tích lũy Cd trong lúa gạo ....................................................................7 1.1.3 Ảnh hưởng của Cd đối với sinh trưởng của lúa và chất lượng hạt ...............12 1.1.4 Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của Cd trong đất, nước và gạo .....................15 1.2 Tổng quan về ô nhiễm Cd trong đất nông nghiệp, nước tưới và lúa gạo ............16 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về thực trạng Cd trong đất và nước tưới .................16 1.2.1.1 Tổng quan nghiên cứu về thực trạng Cd trong đất ................................16 1.2.1.2 Tổng quan nghiên cứu đánh giá thực trạng Cd trong nước tưới ...........19 1.2.2. Tổng quan nghiên cứu về tích lũy Cd trong lúa gạo ...................................21 1.3 Tổng quan các giải pháp xử lý ô nhiễm Cd trong đất và lúa gạo ........................26 1.3.1 Các giải pháp xử lý ô nhiễm Cd trong đất ....................................................26 1.3.1.1 Giải pháp hoá học ..................................................................................26 1.3.1.2 Giải pháp thực vật..................................................................................26 1.3.1.3 Giải pháp vi sinh vật ..............................................................................27 1.3.2 Các giải pháp hạn chế tích luỹ Cd trong lúa gạo ..........................................28 1.3.2.1 Sử dụng than sinh học ...........................................................................28 1.3.2.2 Sử dụng chất cải tạo đất.........................................................................29 iii
1.3.2.3 Công nghệ gen .......................................................................................30 1.3.2.4 Sử dụng silic (Si) hạn chế tích lũy Cd trong lúa gạo .............................30 1.4 Tổng quan về vùng đồng bằng sông Hồng ..........................................................32 1.4.1 Đặc điểm tự nhiên.........................................................................................32 1.4.1.1 Đặc điểm địa hình ..................................................................................32 1.4.1.2 Đặc điểm thổ nhưỡng.............................................................................33 1.4.1.3 Đặc điểm khí hậu ...................................................................................34 1.4.2 Hiện trạng dân sinh kinh tế xã hội ................................................................36 1.4.3 Thực trạng ô nhiễm nước tưới vùng đồng bằng sông Hồng.........................37 1.4.4 Đặc điểm canh tác lúa gạo vùng đồng bằng sông Hồng ..............................38 1.5 Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................41 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................42 2.1 Cơ sở khoa học lựa chọn các thí nghiệm thực hiện trong luận án ...................42 2.1.1 Lựa chọn loại đất ..........................................................................................42 2.1.2 Lựa chọn giống lúa Bắc thơm số 7 ...............................................................42 2.1.3 Lựa chọn giới hạn hàm lượng Cd trong nước tưới thí nghiệm ....................42 2.1.4 Lựa chọn vật liệu rơm rạ và than sinh học từ vỏ trấu ...................................43 2.1.5 Lựa chọn tỷ lệ phối trộn vật liệu trong thí nghiệm hạn chế tích luỹ Cd trong gạo..........................................................................................................................44 2.2 Đối tượng và vật liệu thí nghiệm ........................................................................45 2.2.1 Đất nền thí nghiệm .......................................................................................45 2.2.1.1 Thí nghiệm trong nhà lưới .....................................................................45 2.2.1.2 Thí nghiệm đồng ruộng .........................................................................45 2.2.2 Nước tưới và kỹ thuật tưới ...........................................................................45 2.2.2.1 Thí nghiệm trong nhà lưới .....................................................................45 2.2.2.2 Thí nghiệm đồng ruộng .........................................................................47 2.2.3 Cây trồng ......................................................................................................48 2.2.4 Vật liệu giàu Si .............................................................................................48 2.2.5 Phân bón và hóa chất ....................................................................................48 2.3 Bố trí thí nghiệm ..................................................................................................49 2.3.1 Bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của Cd đến sinh trưởng, năng suất lúa và tích lũy trong gạo ..............................................................................................49 iv
2.3.2 Bố trí thí nghiệm nghiên cứu sử dụng vật liệu giàu Si để giảm thiểu tích lũy Cd trong gạo ..........................................................................................................51 2.3.3 Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu ..........................................................53 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................56 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................58 3.1 Hàm lượng Cd trong đất và nước tưới khu vực thí nghiệm ................................58 3.1.1 Hàm lượng Cd trong nước tưới kênh Cầu Bây ............................................58 3.1.2 Giá trị pH và hàm lượng Cd trong đất khu vực thí nghiệm .........................59 3.2 Tích luỹ Cd trong đất dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm ...........................60 3.2.1 Tích lũy Cd trong đất trồng lúa dưới ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm ....60 3.2.1.1 Thí nghiệm trong nhà lưới .....................................................................60 3.2.1.2 Thí nghiệm đồng ruộng .........................................................................61 3.3. Kết quả nghiên cứu về tích lũy Cd trong các bộ phận của lúa gạo ....................63 3.3.1. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm trong nhà lưới ............................................63 3.3.1.1 Vụ hè thu năm 2019 ..............................................................................66 3.3.1.2 Vụ đông xuân năm 2020........................................................................70 3.3.1.3 Vụ hè thu năm 2020 ...........................................................................75 3.3.1.4 Vụ đông xuân năm 2021........................................................................79 3.3.2. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng ................................................84 3.3.2.1 Vụ hè thu năm 2019 ..............................................................................86 3.3.2.2 Vụ đông xuân năm 2020........................................................................87 3.3.2.3 Vụ hè thu năm 2020 ..............................................................................88 3.3.2.4 Vụ đông xuân năm 2021........................................................................89 3.3.3 Đánh giá sự tích luỹ Cd trong các bộ phận của cây lúa giữa thí nghiệm nhà lưới và đồng ruộng.................................................................................................89 3.3.3.1 Đánh giá sự tích luỹ Cd trong rễ ...........................................................89 3.3.3.2 Đánh giá sự tích luỹ Cd trong thân ........................................................92 3.3.3.3 Đánh giá sự tích luỹ Cd trong gạo .........................................................93 3.3.3.4 Hàm lượng Cd tích lũy trong các bộ phận của cây ...............................94 3.4. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm Cd đến sinh trưởng và năng suất của lúa gạo .................................................................................................97 3.4.1. Kết quả thí nghiệm trong nhà lưới...............................................................97 v
3.4.1.1 Sinh trưởng và phát triển của lúa gạo ....................................................97 3.4.1.2 Năng suất của lúa.................................................................................102 3.4.2. Kết quả thí nghiệm đồng ruộng .................................................................103 3.4.2.1 Sinh trưởng của lúa..............................................................................103 3.4.2.2 Năng suất của lúa.................................................................................104 3.5 Kết quả nghiên cứu sử dụng vật liệu giàu Si để hạn chế tích luỹ Cd vào gạo ..106 3.5.1 Tính chất của rơm rạ và than sinh học sử dụng trong thí nghiệm ..............106 3.5.2 Giảm thiểu tích lũy Cd trong gạo bằng rơm rạ ...........................................110 3.5.3 Giảm thiểu tích lũy Cd trong gạo bằng than sinh học vỏ trấu ....................112 3.5.4 Biện pháp giảm thiểu tích lũy Cd trong gạo bằng phối trộn than sinh học và rơm rạ...................................................................................................................114 KẾT LUẬN .................................................................................................................118 1. Tóm tắt các kết quả đã đạt được của luận án...................................................118 2. Đóng góp mới của luận án ...............................................................................119 3. Những tồn tại của luận án ................................................................................119 4. Kiến nghị .........................................................................................................120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................122 PHỤ LỤC ....................................................................................................................139 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình chuyển vị và tích lũy Cd trong các bộ phận của cây trước và sau khi trổ bông ..........................................................................................................................10 Hình 1.2 Ảnh hưởng của Cd đối với thực vật ...............................................................12 Hình 1.3 Sơ đồ lấy mẫu gạo tại Đồng bằng sông Hồng ................................................23 Hình 1.4 Phạm vi vùng Đồng bằng sông Hồng .............................................................32 Hình 3.1 Hàm lượng Cd trong đất sau khi thu hoạch tại thí nghiệm nhà lưới ..............61 Hình 3.2 Hàm lượng Cd trong đất sau thu hoạch trên ruộng ........................................62 Hình 3.3 Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ lúa vụ hè thu năm 2019 ...............................66 Hình 3.4 Hàm lượng Cd tích luỹ trong thân vụ hè thu năm 2019 .................................68 Hình 3.5 Hàm lượng Cd tích luỹ trong gạo vụ hè thu năm 2019 ..................................69 Hình 3.6 Tương quan nồng độ Cd bổ sung vào nước tưới và hàm lượng Cd trong gạo .......................................................................................................................................70 Hình 3.7 Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ lúa vụ đông xuân năm 2020 ........................71 Hình 3.8 Hàm lượng Cd tích luỹ trong thân vụ đông xuân năm 2020 ..........................72 Hình 3.9 Hàm lượng Cd tích luỹ trong gạo vụ đông xuân năm 2020 ...........................73 Hình 3.10 Tương quan nồng độ Cd bổ sung vào nước tưới và hàm lượng Cd trong gạo .......................................................................................................................................74 Hình 3.11 Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ lúa vụ hè thu năm 2020 .............................75 Hình 3.12 Hàm lượng Cd tích luỹ trong thân lá vụ hè thu năm 2020 ...........................77 Hình 3.13 Hàm lượng Cd tích luỹ trong gạo vụ hè thu năm 2020 ................................78 Hình 3.14 Tương quan nồng độ Cd bổ sung vào nước tưới và hàm lượng Cd trong gạo – Hè thu 2020 ................................................................................................................79 Hình 3.15 Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ lúa vụ đông xuân năm 2021 ......................80 Hình 3.16 Hàm lượng Cd tích luỹ trong thân lá vụ đông xuân năm 2021 ....................81 Hình 3.17 Hàm lượng Cd tích luỹ trong gạo vụ đông xuân năm 2021 .........................82 Hình 3.18 Tương quan nồng độ Cd bổ sung vào nước tưới và hàm lượng Cd trong gạo – Đông xuân 2021..........................................................................................................83 Hình 3.19 Hàm lượng Cd tích luỹ trong các bộ phận vụ hè thu năm 2019 ...................86 Hình 3.20 Hàm lượng Cd tích luỹ trong các bộ phận vụ đông xuân năm 2020 ............87 vii
Hình 3.21 Hàm lượng Cd tích luỹ trong các bộ phận vụ hè thu năm 2020 ...................88 Hình 3.22 Hàm lượng Cd tích luỹ trong các bộ phận vụ đông xuân năm 2021 ............89 Hình 3.23 Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ ở 3 thời kỳ sinh trưởng ở CT2 – nhà lưới .90 Hình 3.24 Hàm lượng Cd trong rễ trong 3 giai đoạn sinh trưởng – đồng ruộng...........91 Hình 3.25 Hàm lượng Cd trong thân trong 3 giai đoạn sinh trưởng của TN đồng ruộng và nhà lưới .....................................................................................................................92 Hình 3.26 Hàm lượng Cd trong gạo trong 4 vụ theo 2 mô hình thí nghiệm .................93 Hình 3.27 Hàm lượng Cd tích luỹ trong các bộ phận ...................................................94 Hình 3.28 Chiều cao cây lúa dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd .......................98 Hình 3.29 Số lượng lá lúa theo thời gian dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd ....99 Hình 3.30 Số lượng nhánh cây theo thời gian dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd .....................................................................................................................................100 Hình 3.31 Chỉ số diệp lục theo thời gian dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd ..101 Hình 3.32 Năng suất hạt dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd ............................103 Hình 3.33 Chiều cao cây lúa theo thời gian dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd .....................................................................................................................................104 Hình 3.34 Năng suất hạt dưới ảnh hưởng của nước tưới nhiễm Cd trên đồng ruộng .105 Hình 3.35 Độ pH của đất sau thí nghiệm phối trộn vật liệu ........................................107 Hình 3.36 Hàm lượng Si tồn tại trong đất sau thí nghiệm phối trộn vật liệu ..............108 Hình 3.37 Ảnh chụp Si trong mẫu đất CT5 .................................................................110 Hình 3.38 Ảnh chụp Si trong mẫu đất CT6 .................................................................110 Hình 3.39 Hàm lượng Cd tích lũy trong gạo tại công thức phối trộn rơm rạ ..............111 Hình 3.40 Hàm lượng Cd tích lũy trong gạo tại công thức phối trộn than sinh học ...112 Hình 3.41 Ảnh chụp Si trong mẫu gạo CF2 ................................................................113 Hình 3.42 Ảnh chụp Si trong mẫu gạo CT5 ................................................................113 Hình 3.43 Hàm lượng Cd tích lũy trong gạo tại công thức phối trộn than sinh học và rơm rạ...........................................................................................................................114 Hình 3.44 Ảnh chụp Si trong mẫu gạo CT9 ................................................................115 viii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tổng hợp các tiêu chuẩn giới hạn cho phép Cd trong đất, nước và gạo ........15 Bảng 1.2 Hàm lượng Cd trong gạo ở các tỉnh Bắc Trung Bộ .......................................24 Bảng 1.3 Đặc điểm phẫu diện đất khu vực nghiên cứu .................................................33 Bảng 1.4 Tính chất đất đại diện của khu vực nghiên cứu .............................................34 Bảng 1.5 Hàm lượng Cd và pH trong nước tưới trên các hệ thống thuỷ lợi vùng ĐBSH .......................................................................................................................................37 Bảng 1.6 Kỹ thuật bón phân cho cây lúa ở đồng bằng sông Hồng [208] ......................38 Bảng 2.1 Công thức pha nước tưới................................................................................46 Bảng 2.2 Tổng lượng Cd được tưới trong mỗi vụ thí nghiệm .......................................46 Bảng 2.3 Kết quả quan trắc nước tưới hàm lượng Cd (mg/L) trong nước tưới ............47 Bảng 2.4 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong các vật liệu bổ sung vào thí nghiệm ..............48 Bảng 2.5 Công thức thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của Cd đối với sinh trưởng và năng suất lúa gạo ....................................................................................................................50 Bảng 2.6 Chuẩn bị đất trồng cho các công thức thí nghiệm .........................................52 Bảng 2.7 Phương pháp phân tích ...................................................................................54 Bảng 2.8 Thiết bị sử dụng phân tích..............................................................................56 Bảng 3.1. Hàm lượng Cd và pH trong nước tưới tại khu vực thí nghiệm .....................58 Bảng 3.2. Hàm lượng Cd và pH trong đất trồng lúa khu vực nghiên cứu.....................59 Bảng 3.3 Hàm lượng Cd tích lũy trong đất sau các vụ thí nghiệm (mg/kg) .................60 Bảng 3.4 Hàm lượng Cd tích lũy trong các bộ phận của cây lúa tại thí nghiệm nhà lưới – (mg/kg) .......................................................................................................................65 Bảng 3.5 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong các bộ phận của cây lúa – (thí nghiệm đồng ruộng).............................................................................................................................85 Bảng 3.6 Tính chất của rơm rạ và than sinh học từ vỏ trấu ........................................106 Bảng 3.7 Kết quả đo Si trong đất các công thức thí nghiệm .......................................109 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BAF Hệ số tích luỹ sinh học BOD5 Nhu cầu ôxi sinh học BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường BYT Bộ Y tế CEC Dung tích bazơ trao đổi CF Công thức đối chứng COD Nhu cầu oxi hóa học CODEX Tiêu chuẩn an toàn thực phẩm do FAO/WHO xây dựng CT Công thức DOC Carbon hữu cơ hoà tan ĐBSH Đồng bằng Sông Hồng ĐHTL Đại học Thuỷ Lợi EU Liên minh Châu Âu FAO Tổ chức nông lương thế giới HTTL Hệ thống thuỷ lợi KLN Kim loại nặng NPK Phân đạm lân kali OC Hàm lượng chất hữu cơ PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QHTL Quy hoạch thuỷ lợi TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam USEPA Cục bảo vệ môi trường liên bang – Mỹ WHO Tổ chức Y tế thế giới x
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lúa gạo là một trong những loại lương thực quan trọng của một phần dân số trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là vựa lúa lớn thứ hai cả nước có vai trò quan trọng trong nhiệm vụ cung cấp lương thực trong nước và xuất khẩu. Diện tích canh tác lúa của đồng bằng sông Hồng trong những năm gần đây đang bị thu hẹp do hoạt động đô thị hoá, công nghiệp hoá. Ngoài ra, ô nhiễm môi trường nước và đất ảnh hưởng tới chất lượng gạo và gây nhiều áp lực cho lúa gạo đảm bảo sức khoẻ người tiêu dùng và đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Do đó, đảm bảo chất lượng cho sản phẩm lúa gạo là giải pháp cần thiết đối với ngành nông nghiệp của vùng. Trước thực trạng phát triển công nghiệp và đô thị hóa, vùng đồng bằng sông Hồng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm nước trên các hệ thống thủy lợi, tích lũy kim loại nặng trong đất và nông sản [1]. Trong khi, các hệ thống thủy lợi lớn như sông Nhuệ, sông Cầu Bây, Bắc Hưng Hải… hàng ngày phải tiếp nhận nước thải từ công nghiệp và sinh hoạt, dẫn đến tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng trong đó có Cd, nhưng các hệ thống này lại đang cung cấp nước tưới trực tiếp cho hàng triệu ha đất canh tác tại vùng đồng bằng sông Hồng. Kết quả khảo sát Cd trong lúa gạo tại một số địa điểm ở miền Bắc đã phát hiện thấy Cd có mặt trong gạo tại một số vùng. Bên cạnh đó, kết quả phân tích còn chỉ ra có sự khác biệt lớn về tích lũy Cd trong gạo giữa vùng trũng và vùng cao do nguyên nhân từ nước tưới ô nhiễm [1]. Dưới ảnh hưởng của nguồn nước tưới ngày càng ô nhiễm, Cd đã được tìm thấy trong đất nông nghiệp và lúa gạo ở nhiều nơi trong đó có đồng bằng sông Hồng. Trong đất, Cd thuộc nhóm kim loại có khả năng di động trong dịch đất cao hơn các kim loại nặng khác, đặc tính này dẫn đến Cd dễ dàng được thực vật hấp thụ qua hệ thống rễ và di chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây sau đó tích lũy vào hạt [2]. Trong số các loài thực vật, lúa gạo là cây trồng có thể hấp thụ Cd dễ dàng qua rễ, dẫn đến Cd được tìm thấy trong gạo nhiều hơn so với các kim loại khác trong những vùng đất bị ô nhiễm [3]. Cadmium (Cd) là kim loại rất độc hại đối với sức khoẻ con người và hệ sinh thái. Sự tích tụ Cd trong gạo tiềm ẩn nguy cơ về sức khỏe cho con người, khi một người ăn gạo 1
bị nhiễm Cd liên tục có thể dung nạp tới 20–40 μg Cd mỗi ngày [4]. Sự tích tụ Cd đến một mức độ nào đó sẽ xuất hiện các triệu chứng ngộ độc Cd mãn tính, có thể bị mắc các bệnh liên quan đến tổn thương phổi, gan, thận, xương và các cơ quan sinh sản, đồng thời gây độc cho hệ miễn dịch và tim mạch [5]. Do đó việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp xử lý và hạn chế sự tích luỹ kim loại này vào lúa gạo để đảm bảo sức khoẻ cho người tiêu dùng là một nhiệm vụ cần thiết. Với những lí do trên, luận án tập trung nghiên cứu và đánh giá sự tích lũy Cd trong lúa trồng trên đất phù sa không được bồi hằng năm và các giải pháp giảm thiểu Cd trong hạt. Các kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc quản lý chất lượng nông sản, bảo vệ môi trường và phát triển sản xuất lúa gạo chất lượng cao của Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung: Cung cấp cơ sở khoa học về ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong nước tưới ô nhiễm đến sinh trưởng, tích luỹ Cd trong lúa gạo và đề xuất giải pháp giảm thiểu tích luỹ Cd trong gạo làm cơ sở để quản lý chất lượng lúa gạo an toàn ở Việt Nam. Mục tiêu cụ thể: - Cung cấp cơ sở khoa học về ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong nước tưới ô nhiễm đến sinh trưởng, tích luỹ Cd trong lúa gạo; - Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu từ phụ phẩm nông nghiệp để giảm thiểu tích luỹ Cd trong gạo, nâng cao chất lượng lúa gạo ở một số vùng có nguy cơ ô nhiễm nước cao. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm Cd đến sinh trưởng, năng suất và sự tích luỹ Cd vào các bộ phận của lúa gạo trồng trên đất phù sa đồng bằng sông Hồng không được bồi hàng năm; - Nghiên cứu khả năng giảm thiểu tích luỹ Cd vào lúa gạo của các vật liệu từ phụ phẩm cây lúa gồm rơm rạ và than sinh học vỏ trấu. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: - Giống lúa Bắc Thơm số 7 được chọn trong thí nghiệm do đây là giống lúa được gieo cấy phổ biến ở vùng ĐBSH, có đặc điểm sinh trưởng phù hợp với điều kiện canh tác 2 vụ đông xuân - hè thu, năng suất cao và chất lượng gạo thơm ngon, được tiêu dùng phổ biến trong khu vực. - Đất canh tác thuôc nhóm đất phù sa đồng bằng sông Hồng không được bồi hàng năm. - Vật liệu giàu Si: rơm rạ, than sinh học từ vỏ trấu (nhiệt phân ở nhiệt độ 500 – 550 oC) trong 4 giờ. - Nước tưới ô nhiễm Cd: gồm nước tưới ô nhiễm Cd giả định được tạo ra bằng hoá chất Cd(NO3)2 và nước tưới thực từ hệ thống thuỷ lợi sông Cầu Bây. • Phạm vi và thời gian nghiên cứu: - Sự tích lũy Cd trong các bộ phận rễ, thân, hạt của lúa Bắc Thơm số 7 trồng trên đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm sử dụng nước ô nhiễm Cd để tưới; - Khu vực nghiên cứu tại xã Trâu Quỳ - Huyện Gia Lâm - Hà Nội; - Thời gian thí nghiệm trong 04 vụ canh tác lúa từ 5/2019 tới 5/2021 bao gồm 02 vụ đông xuân và 02 vụ hè thu. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp và kế thừa tài liệu: Tổng hợp và nghiên cứu các tài liệu trong nước và quốc tế liên quan đến sinh trưởng và năng suất của cây lúa, cơ chế tích lũy Cd trong lúa gạo và các biện pháp giảm thiểu sự hấp thụ và tích lũy Cd vào lúa gạo. - Phương pháp thực nghiệm: + Thực nghiệm nhà lưới: Thực hiện trồng lúa trong chậu vại và trong điều kiện nhà lưới để đảm bảo khả năng kiểm soát các yếu tố đầu vào, tránh các rủi ro như chuột hoặc sâu bệnh hại làm ảnh hưởng đến kết quả của thí nghiệm và kiểm soát sự thôi nhiễm Cd từ hóa chất ra môi trường. Thí nghiệm thực hiện tại khu nhà lưới của khoa Tài nguyên Môi 3
trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam với các điều kiện đảm bảo cho thí nghiệm như hệ thống cấp nước và các dụng cụ chăm sóc đầy đủ để bố trí thí nghiệm. + Thực nghiệm đồng ruộng: Bố trí thí nghiệm trên đồng ruộng tại Khu thực nghiệm của Học viện Nông nghiệp Việt Nam để đánh giá và so sánh các chỉ tiêu phân tích giữa điều kiện nhà lưới và điều kiện tự nhiên (đồng ruộng). Ruộng thực nghiệm sử dụng nước tưới từ nguồn nước của hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải qua kênh Cầu Bây. Đây là nguồn nước bị ô nhiễm Cd bởi các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và làng nghề; - Phương pháp phân tích mẫu đất, nước và cây trồng áp dụng các TCVN và QCVN đang còn hiệu lực và các phương pháp phân tích tham khảo từ tài liệu nước ngoài đã được đánh giá; - Phương pháp phân tích thống kê: Dữ liệu thí nghiệm được phân tích trên phần mềm Microsoft Excel version 2019 (Microsoft, USA). Các kết quả thu được là trung bình của 03 lần phân tích, sử dụng độ lệch chuẩn, phương trình hồi quy tuyến tính và sự khác nhau có ý nghĩa của các kết quả bằng hàm độc lập T-test để đánh giá thống kê. Các biểu đồ được xử lý và trình bày bằng phần mềm Origin 2021B. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Lượng hóa được ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong nước tưới đến sinh trưởng và tích luỹ Cd trong các bộ phận của cây lúa trồng trên nền đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm. Xác định được khả năng giảm thiểu tích luỹ Cd trong gạo trồng trên nền đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm bằng giải pháp sử dụng rơm rạ và than sinh học từ vỏ trấu làm cơ sở đề xuất giải pháp sản xuất lúa bền vững tại một số khu vực có nguy cơ ô nhiễm Cd trong đất, nước tưới. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nước tưới ô nhiễm Cd đến tích lũy độc tố trong lúa gạo làm cơ sở cho quản lý nước tưới, bảo vệ chất lượng nông sản; 4
Đề xuất biện pháp sử dụng phụ phẩm rơm rạ và than sinh học từ vỏ trấu để giảm thiểu tích lũy Cd trong gạo, nâng cao chất lượng lúa gạo trong điều kiện nước tưới và đất bị ô nhiễm Cd. 6. Cấu trúc luận án Mở đầu 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 Kết luận, kiến nghị Phụ lục Tài liệu tham khảo 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nguồn gốc, cơ chế tích lũy và ảnh hưởng của Cd đến lúa gạo 1.1.1 Nguồn gốc phát sinh Cd trong đất và nước Ô nhiễm Cadmium (Cd) trong nước và đất nông nghiệp xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới [6]. Cd là nguyên tố độc hại nhưng rất bền vững về mặt sinh học và tồn tại trong sinh vật trong thời gian dài sau khi được hấp thụ [7]. Cơ chế xâm nhập của Cd vào nước ngầm đã được nghiên cứu ở nhiều quốc gia như Úc, Anh, Canada, Đan Mạch, Phần Lan, Đức, New Zealand, Na Uy, Thụy Điển và Hoa Kỳ [8]. Ô nhiễm Cd trong nước ngầm và đất có nguồn gốc từ nước tưới ô nhiễm, phân bón, chất thải của các ngành công nghiệp luyện kim, giao thông, bãi chôn lấp chất thải rắn, khai thác mỏ và bùn thải…[9]. Biến đổi khí hậu làm nhiều vùng canh tác khan hiếm nước tưới vào mùa khô phải tận dụng nguồn nước thải để tưới. Bên cạnh đó, áp lực về tăng năng suất và chất lượng nông sản dẫn đến lạm dụng phân bón hóa học gây ra sự tích lũy các ion Cd trong đất, làm cho Cd đi vào cây trồng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người [10]. Sự xuất hiện của Cd trong đất nông nghiệp xuất phát từ ô nhiễm nguồn nước tưới, phân bón, thuốc trừ sâu, hoạt động khai thác khoáng sản và đốt nhiên liệu hóa thạch. Tại Việt Nam, phần lớn hệ thống tưới cho cây nông nghiệp bị thiếu nước vào mùa khô nên nhiều vùng sử dụng các nguồn nước thải làm nguồn tưới. Các lưu vực sông Nhuệ, sông Cầu Bây, hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải… là nguồn tưới chính cho hệ thống lúa ở lưu vực sông Hồng. Ngoài vai trò cung cấp nước tưới, các hệ thống thủy lợi này đều là nơi tiếp nhận một lượng lớn nước thải từ sinh hoạt và sản suất, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng trong đó có Cd. Khi Cd có trong nguồn nước tưới, sẽ tích lũy trong đất nông nghiệp và tích lũy vào thực vật. Việc sử dụng phân lân tổng hợp trong nông nghiệp có chứa tạp chất Cd cũng là nguyên nhân phổ biến làm tăng nồng độ Cd trong nước ngầm và đất [11]. Hàm lượng Cd trong phân bón đã được phát hiện với nồng độ rất cao tại nhiều nước trên thế giới như phía đông Địa Trung Hải, một số nước ở châu Âu với hàm lượng Cd trong phân bón phốt phát dao động từ 36 -60 mg Cd/kg P2O5 [12]. Ngoài ra, Cd có trong các sản phẩm dầu mỏ, do đó Cd có thể nhiễm vào môi trường thông qua hoạt động giao thông [13]. Các nguồn thải khác gây ô nhiễm Cd xuất phát từ các khu công nghiệp, mỏ hoặc các mỏ sau khai thác 6
[14], khi sử dụng nước thải công nghiệp này để tưới cũng là những nguồn chính đưa Cd vào trong đất và môi trường [15] [16] [17]. Ngoài ra, chất thải rắn đô thị là một trong những nguồn gây ô nhiễm Cd chính cho môi trường [18]. Các nghiên cứu của các nhà khoa học Châu Âu đã chỉ ra, chất thải rắn đô thị ở khu vực này chứa 0,3 - 12 mg/kg Cd và nước rỉ rác chứa 0,5–3,4 µg/L Cd [19]. Bên cạnh đó, nghiên cứu của Voglar năm 2010 cũng chỉ ra sự ô nhiễm Cd từ các nhà máy luyện Zn, Cd di chuyển vào đất thông qua quá trình lắng đọng từ khí thải lên đến 74 mg/kg và lắng đọng chất thải rắn lên đến 344 mg/kg [20] . Các nguồn phân hữu cơ và bùn thải cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm Cd cho môi trường. Kết quả của một nghiên cứu chỉ ra, nước rò rỉ từ phân hữu cơ và bùn thải đóng góp khoảng 2–5% lượng Cd lắng đọng trong đất [7]. Các nguồn khác bao gồm sự lắng đọng từ khí quyển và phân thải từ chuồng trại, đóng góp lần lượt 30–55%, 15–50% và 10–25% lượng ô nhiễm Cd trong đất [21]. Ngoài ra, các nguyên nhân có nguồn tự nhiên như sự phong hóa khoáng chất và đá trong đất có thể gây ra sự gia tăng Cd trong môi trường [22]. Cd xuất hiện trong đất, sau khi hòa tan tạo dạng Cd di động sẽ tham gia các phản ứng hóa học chuyển hóa vào trong thực vật. So với chì, đồng, kẽm và asen, lượng Cd trong môi trường nhỏ hơn nhiều nhưng lại được cây trồng hấp thụ dễ dàng. Điều này được giải thích do Cd có hệ số làm giàu cao hơn nên dễ di chuyển từ đất sang cây hơn các kim loại khác [22]. 1.1.2 Cơ chế tích lũy Cd trong lúa gạo 1.1.2.1 Cơ chế hấp thụ Cd của cây lúa Cd là nguyên tố có sẵn trong môi trường đất và có thể liên tục được bổ sung bởi nước thải công nghiệp, bón phân hoá học… Trong đất, Cd tồn tại ở nồng độ 0,01 đến 1,0 mg/kg với giá trị trung bình trên toàn thế giới là 0,36 mg/kg. Phong hóa có thể dẫn đến nồng độ Cd lên đến 5 μg/L trong đất và lên đến 1 μg/L trong nước ngầm. Trong dung dịch nước, Cd thường xuất hiện dưới dạng di động và nó được tìm thấy chủ yếu trong điều kiện môi trường axit, tính linh động của Cd bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi độ pH, trạng thái oxi hóa khử và cường độ ion của dung dịch. Khi pH giảm thì tính di động của Cd càng tăng. So với các KLN khác, Cd là một trong những KLN di động nhất trong môi trường [34], đặc tính này dẫn đến Cd di động dễ dàng được thực vật hấp thụ qua hệ 7
thống rễ và di chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây sau đó tích lũy vào hạt [2]. Sự hấp thụ Cd của cây lúa phụ thuộc vào các đặc điểm lý hoá đất và các đặc điểm hình thái của cây, các trạng thái ôxy hóa khử và pH của đất [24]–[26]. - Cd thường được tìm thấy ở trong khoáng chất hoặc tồn tại ở dạng phức hữu cơ trong dung dịch đất [27][28]. Sự hấp thụ Cd vào rễ bởi dạng Cd vô cơ (như CdSO4, CdCl+ và CdCl2) hoặc các dạng hữu cơ (Cd trong phức của phytometallophore)[11]. Khi đi vào bên trong cây, Cd được vận chuyển đến các bộ phận cây dưới dạng phức chất hữu cơ [29]. - Ở điều kiện môi trường có thế oxy hóa khử thấp, Cd thường được kết tủa dưới dạng CdS, [29] dạng này thường tồn tại ở đất bùn lầy hoặc đất lúa ngập nước, làm giảm Cd di động. Kết quả là hạn chế sự di chuyển Cd vào lúa hoặc thực vật. Trong môi trường đất có thế oxy hóa khử cao, ở các vùng đất thoát nước hoặc các ruộng lúa áp dụng tưới tiết kiệm nước hoặc trong các thời kì rút nước phơi ruộng giai đoạn cuối đẻ nhánh, hoặc phơi ruộng trước thu hoạch 10 ngày thường là điều kiện thuận lợi cho Cd đi vào và tích luỹ trong cây lúa. Lý do là tại thời điểm này, khí oxy khuếch tán vào các lỗ rỗng của đất làm thế oxy hóa của đất tăng lên, Cd tự do sẽ được giải phóng và dễ dàng sự di chuyển vào cây lúa. CdS + 3O2 + 4H+ → Cd2+ + SO42- + 2H2O - pH đất cao cố định Cd trong đất dưới các kết tủa Cd(OH)2, CdCO3, CdSiO3 trong đất giúp hạn chế Cd di chuyển vào cây. Khi pH đất giảm xuống, các kết tủa trên bị hòa tan chuyển thành Cd di động gia tăng sự hấp thụ Cd vào rễ lúa. - Bên cạnh đó, trong cơ chế hấp thụ Cd của rễ xảy ra sự cạnh tranh giữa Cd và các khoáng chất dinh dưỡng khác có đặc điểm hóa học tương tự nhau [30]. Chẳng hạn, Cd có khả năng thay thế Ca do chúng có điện tích, bán kính ion và tính chất hóa học tương tự nhau [11]. Cơ chế này đã được nhiều nghiên cứu chứng minh, cụ thể như nồng độ Mg, Ca và K giảm ở dưa chuột (Cucumis sativus L.), ngô (Zea mays L.), cà chua (Lycopersicon esculentum L.) và rau diếp (Lactuca sativa L.) trong điều kiện có hàm lượng Cd cao trong đất [31]. Cd cũng cạnh tranh với Zn, như các nghiên cứu trên cây xà lách chỉ ra mối quan hệ đối kháng giữa Zn và Cd về khả năng hấp thụ của rễ [32]. Không chỉ vậy, các khoáng 8