Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: 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

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

64
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÙI THỊ PHƯƠNG LOAN 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 NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÙI THỊ PHƯƠNG LOAN 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 CHUYÊN NGÀNH : Khoa học đất MÃ SỐ : 9.62.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Phạm Quang Hà TS. Trần Minh Tiến HÀ NỘI, NĂM 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan, một phần đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả. Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Bùi Thị Phương Loan
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đối với hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Phạm Quang Hà - Phó Viện trưởng Viện Môi trường Nông nghiệp và TS. Trần Minh Tiến - Phó Viện trưởng Viện Thổ nhưỡng Nông hóa. Hai thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Xin chân thành cám ơn các thầy, cô giáo đã trang bị cho tôi kiến thức chuyên môn và những đóng góp quí báu trong suốt quá trình tôi làm luận án. Xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam (VAAS), lãnh đạo và các cán bộ Ban Đào tạo sau đại học của VAAS đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu sinh. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Môi trường Nông nghiệp (IAE), Ban Chủ nhiệm, Chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước phục vụ mục tiêu quốc gia về biến đổi khí hậu (KHCN-BĐKH/11-15); Văn phòng chương trình quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu - Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ môn Mô hình hóa và CSDL Môi trường (IAE), những đồng nghiệp trong nhóm làm việc, người dân xã Nghi Tiến, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình tôi, những người thường xuyên động viên, tạo mọi nguồn lực cần thiết, trực tiếp tạo nên thành công này. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Bùi Thị Phương Loan
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH xi MỞ ĐẦU 1 1. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.1. Mục tiêu tổng quát 2 1.2. Mục tiêu cụ thể 2 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3 2.1. Ý nghĩa khoa học 3 2.2. Ý nghĩa thực tiễn 3 2.3. Tính mới của luận án 3 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN 4 1.1. Chất hữu cơ, vai trò chất hữu cơ trong đất 4 1.1.1.Đặc điểm, vai trò của chất hữu cơ trong đất 4 1.1.2.Thành phần chất hữu cơ của đất 6 1.1.3.Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp chất mùn trong đất 9 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và tổng 12 hợp chất mùn trong đất 1.1.5. Vai trò và lợi ích của chất hữu cơ trong đất 14 1.1.6. Các biện pháp cải thiện chất và lượng của chất hữu cơ trong đất và 18 trong các loại sử dụng đất 1.2. Tổng quan về đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ, quá trình hình thành, 26 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 26 một số tính chất đất
iv 1.2.2. Phân bố các loại đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 30 1.2.3. Nguy cơ thoái hoá hữu cơ trong đất cát biển và vai trò hữu cơ trên 33 đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 1.3. Các loại sử dụng đất chính trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ và ảnh 36 hưởng của chúng đến tính chất đất cát biển. 1.3.1. Các loại sử dụng đất chính trên đất cát biển 36 1.3.2.Ảnh hưởng của các loại sử dụng đất đến tính chất đất/ hữu cơ trong 40 đất cát biển. 1.4. Cơ sở khoa học, kinh nghiệm quốc tế và trong nước về ứng dụng mô hình 42 để đánh giá hàm lượng các bon trong đất và tính tổng lượng phát thải KNK 1.4.1.Mô hình tính toán phát thải mê tan (MEM) 43 1.4.2. Mô hình phát thải khí mê tan từ hệ thống canh tác lúa (MERES) 43 1.4.3. Mô hình tính toán cân bằng các bon (EX-ACT) 43 1.4.4. Mô hình sinh địa hóa trong đất (DNDC) 44 1.4.5. Dự báo biến đổi khí hậu vùng Bắc Trung Bộ theo kịch bản BĐKH 48 Chương 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 2.1. Đối tượng nghiên cứu 51 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 51 2.2.1. Địa điểm nghiên cứu 51 2.2.2. Thời gian nghiên cứu 51 2.3. Nội dung nghiên cứu 51 2.4. Phương pháp nghiên cứu 53 2.4.1. Phương pháp thu thập thông tin và điều tra 53 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng 53 2.4.3. Phương pháp phân tích đất 57 2.4.4. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 58 2.4.5. Phương pháp ứng dụng mô hình hóa 59 2.4.6. Phương pháp phân tích hiệu quả thí nghiệm và mô hình 60 2.5. Một số đặc tính về tính chất đất và vật liệu hữu cơ sử dụng trong thí nghiệm 60
v 2.5.1. Tính chất đất tại vùng nghiên cứu 60 2.5.2. Hàm lượng dinh dưỡng các loại vật liệu sử dụng tại vùng nghiên cứu 61 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 63 3.1. Hiện trạng sử dụng đất cát biển vùng BắcTrung Bộ và các loại sử dụng đất 63 3.1.1. Đặc điểm khí hậu tại vùng Bắc Trung Bộ 63 3.1.2. Hiện trạng sản xuất trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 64 3.2. Hiện trạng chất hữu cơ (lượng và chất) của đất trong mối quan hệ với 67 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 67 dụng đất 3.2.2 Ảnh hưởng của các loại/kiểu sử dụng đất đến một số tính chất lý học 69 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 71 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 73 3.3.1. Ảnh hưởng của loại/kiểu sử dụng đất đến hàm lượng các bon hữu cơ 73 (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) 75 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 76 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 76 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 84 nâng cao hàm lượng các bon hữu cơ trong đất cát biển
vi 3.5. Nghiên cứu giải pháp cải thiện lượng và chất hữu cơ trong đất cát biển 92 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 92 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 93 sử dụng trên đất cát biển 3.5.3. Ảnh hưởng của các loại phân bón hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân 93 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 96 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 96 BĐKH 3.6.2. Mô phỏng và dự báo phát thải khí nhà kính trong loại sử dụng chuyên 98 lúa (2 vụ lúa) và chuyên màu ( 2 vụ lạc) theo kịch bản BĐKH đến năm 2035 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Số TT Chữ viết tắt Giải thích 1 BĐKH Biến đổi khí hậu 2 CT Công thức 3 cs Cộng sự 4 CEC Dung lượng cation trao đổi/ dung tích hấp thu 5 DNDC phân hủy cacbon - đề nitrat hóa 6 ĐX Đông xuân 7 HCVS Phân hữu cơ vi sinh 8 KNK Khí nhà kính (GHG) 9 KHNNVN Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 10 K2Ots Kali tổng số 11 K2Odt Kali dễ tiêu 12 LSD Sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa 13 Nts Đạm tổng số 14 NS Năng suất 15 ND Nông dân 16 FP Kỹ thuật của nông dân 17 OC Cácbon tổng số 18 OM Chất hữu cơ trong đất 19 P2O5ts Lân tổng số 20 P2O5dt Lân dễ tiêu 21 RCBD Khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh 22 SOC Các bon hữu cơ trong đất 23 TN Thí nghiệm 24 TĐ Thu đông 25 TSH Than sinh học 26 Tr.đ Triệu đồng
viii DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang bảng 1.1. Thành phần tàn dư thực vật 6 1.2. Thành phần cơ bản của axit mùn theo Kononova 8 1.3. Khả năng phân hủy và thời gian tồn tại của một số nguồn chất hữu cơ 10 1.4. Hàm lượng mùn của một số loại đất Việt Nam 15 1.5. Thang đánh giá hàm lượng chất hữu cơ trong đất 34 1.6. Diện tích các loại đất cát biển theo tỉnh và toàn vùng 37 1.7. Tình hình sử dụng đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 37 1.8. Hệ thống luân canh cây trồng trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất 38 ở vùng Bắc Trung Bộ 1.9. Cơ cấu cây trồng trong đất cát biển dưới 1 số loại sử dụng đất ở vùng Bắc 38 Trung Bộ 1.10. Ảnh hưởng của loại hình sử dụng đất đến một số tính chất vật lý và hóa học 40 của đất cát biển 1.11. Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm (oC) so với thời kỳ cơ sở vùng Bắc Trung Bộ (Giá trị trong ngoặc đơn là khoảng biến đổi quanh giá trị trung 48 bình với cận dưới 10% và cận trên 90%) 1.12. Biến đổi của lượng mưa năm (%) so với thời kỳ cơ sở ở vùng Bắc Trung Bộ (Giá trị trong ngoặc đơn là khoảng biến đổi quanh giá trị trung bình với cận 49 dưới 20% và cận trên 80%) 2.1. Tính chất lý học trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất trước thí 60 nghiệm tại Nghi Lộc- Nghệ An 2.2. Tính chất hoá học trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất trước thí 61 nghiệm tại Nghi Lộc-Nghệ An 2.3. Hàm lượng các bon hữu cơ và các thành phần mùn trong đất cát biển dưới một 61 số loại sử dụng đất trước thí nghiệm tại Nghi Lộc-Nghệ An 2.4. Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong các vật liệu nghiên cứu 62
ix TT Tên bảng Trang bảng 3.1. Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp trên đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 64 3.2. Tổng lượng phân bón sử dụng trong năm trong đất cát biển dưới một số loại sử 66 dụng đất vùng Bắc Trung Bộ 3.3. Thực trạng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch tại các tỉnh điều tra 67 3.4. Thành phần cấp hạt trong đất cát biển dưới một số loại sử dụng đất trên đất 68 cát biển vùng Bắc Trung Bộ 3.5. Hữu cơ tổng số và hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất cát biển dưới một 68 số loại sử dụng đất vùng Bắc Trung Bộ 3.6. Dung tích hấp thu và hàm lượng các cation trao đổi trong đất cát biển dưới 69 một số loại sử dụng đất vùng Bắc Trung Bộ 3.7. Ảnh hưởng của các loại phân bón hữu cơ và TSH đến thành phần cấp hạt đất 77 trong đất cát biển sau 2 vụ canh tác lúa tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.8. Độ pH và hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất cát biển sau 2 vụ canh 79 tác lúa tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.9. Hàm lượng các bon hữu cơ (OC%) và hàm lượng các axit mùn trong đất cát 80 biển sau 2 vụ canh tác lúa trên đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.10 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất lúa trên đất cát biển tại Nghi Lộc, 82 Nghệ An. 3.11. Hiệu quả kinh tế của việc bón các loại phân bón hữu cơ, TSH trong loại sử 83 dụng đất 2 lúa trên đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.12. Ảnh hưởng của các loại phân bón hữu cơ; TSH và vật liệu che phủ đến một số 85 tính chất vật lý trong đất cát biển sau 2 vụ canh tác lạc tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.13. Độ pH và hàm lượng các chất dinh dưỡng sau 2 vụ canh tác lạc trong đất cát 87 biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.14. Hàm lượng cácbon hữu cơ (OC%) và hàm lượng các axít mùn sau 2 vụ canh 88 tác lạc tromg đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.15. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất lạc trên đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An. 89
x TT Tên bảng Trang bảng 3.16. Hiệu quả kinh tế của việc bón các loại phân bón hữu cơ, TSH cho 2 vụ lạc 91 trên trên đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.17. Ảnh hưởng của các loại phân hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân khoáng đến pH, hàm lượng dinh dưỡng và dung tích hấp thu trong các loại sử dụng trên 92 đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.18. Ảnh hưởng của các loại phân hữu cơ, TSH kết hợp giảm phân khoáng đến các bon hữu cơ và các thành phần mùn trong các loại sử dụng trên đất cát 93 biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.19. Năng suất thực thu các loại cây trồng trên các loại sử dụng đất trong đất cát 94 biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.20. Hiệu quả kinh tế của việc áp dụng các biện pháp kỹ thuật trên các loại sử 95 dụng trong đất cát biển tại Nghi Lộc, Nghệ An 3.21. Hàm lượng tổng các bon hữu cơ trên các loại sử dụng đất trong đất cát biển 97 theo kịch bản BĐKH 3.22. Tổng lượng phát thải CH4, N2O và CO2-e tính theo kg/ha/năm trên các loại sử dụng đất trong đất cát biển theo kịch bản biến đổi khí hậu 102
xi DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Sơ đồ hình thành chất mùn 12 1.2. Sơ đồ quá trình biến hóa xác hữu cơ trong đất 16 1.3. Sơ đồ cấu tạo phân tử axit humic 18 1.4. Mô hình sinh địa hóa trong đất 47 2.1. Hình ảnh về các loại vật liệu sử dụng trong thí nghiệm 62 3.1. Cơ cấu thu nhập của nông dân tại các tỉnh điều tra 2013 65 3.2. Mối quan hệ của một số kiểu sử dụng đất đến thành phần cơ giới 70 trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 3.3. Mối quan hệ của một số kiểu sử dụng đất với một số tính chất hóa 72 học trong đất cát biển vùng Bắc Trung Bộ 3.4. Quan hệ giữa hàm lượng các bon hữu cơ, axít humic và axít fulvic trong đất cát biển với các loại sử dụng đất vùng Bắc Trung 74 Bộ theo trục F1 và F2 3.5. Quan hệ giữa chất hữu cơ trong đất (các bon tổng số và các thành phần mùn) với các tính chất vật lý và hóa học trong đất cát biển 75 vùng Bắc Trung Bộ 3.6. Tổng lượng phát thải khí metan (kg CH4/ha/vụ) trên loại sử dụng đât chuyên lúa trong đất cát biển theo các kịch bản biến đổi khí 99 hậu đến năm 2035 3.7. Tổng lượng phát thải khí khí oxits nitơ (N2O) (kg N/ha/vụ) trên các loại sử dụng đất chuyên lúa trong đất cát biển theo các kịch 100 bản biến đổi khí hậu đến năm 2035 3.8. Tổng lượng phát thải khí khí oxits nitơ (N2O) (kg N/ha/vụ) trên loại sử dụng đất chuyên màu trong đất cát biển theo các kịch bản 101 biến đổi khí hậu đến năm 2035
1 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 1/1.000.000), 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. (Hồ Quang Đức, 2015). 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. 1. Mục tiêu nghiên cứu 1.1. 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. 1.2. 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. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2.1. 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. 2. 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. 2.2. 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 2.3. 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.
4 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 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. E. 2004). 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. + Đối với tính chất hóa học đất: chất hữu cơ làm gia tăng CEC, tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng cho đất, tăng cường độ sự phóng thích chất dinh dưỡng từ các thành phần khoáng trong đất bị hòa tan bởi các acid hữu cơ. Theo Trần Văn Chính (2006), chất hữu cơ và mùn tham gia phản ứng hóa học của đất, cải thiện điều kiện oxy hóa, gắn liền với sự di động và kết tủa của các nguyên tố vô cơ trong đất. Nhờ có nhóm các định chức các hợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói chung làm tăng khẳ năng hấp thụ của đất, giữ được các chất dinh dưỡng, đồng thời làm tăng tính đệm của đất. + Chất hữu cơ đất có tác dụng duy trì bảo vệ đất: Chất hữu cơ không chỉ là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà còn giúp duy trì chất lượng đất theo hướng bền vững nhằm đạt năng suất cao qua sự cải tạo tính chất lý, hóa và sinh học đất (Flaig, 1984). Chất hữu cơ nói chung là nguồn thức ăn quan trọng của hệ vi sinh vật, là môi trường sống của hệ vi sinh vật đất. Chất mùn nói riêng, có tác dụng chất kích thích sinh trưởng và là chất kháng sinh để chống lại bệnh hại của cây trồng (Ngô Thị Đào và Vũ Hữu Yêm, 2005). Theo các tác giả Võ Thị Gương (2010), Trần Văn Chính (2006), sự tạo phức của chất hữu cơ có vai trò quan trọng trong cải thiện độ phì nhiêu của đất. Phức liên kết giữa vi sinh vật sống như vi khuẩn, nấm - khoáng sét - chất hữu cơ thì quan
6 trọng rất nhiều so với quan niệm trước đây. Đó là tiến trình tạo nên môi trường không thể thiếu được cho các phản ứng sinh hóa học xảy ra. 1.1.2. Thành phần chất hữu cơ của đất  Các chất mùn không điển hình của đất Các chất mùn không điển hình trong đất bao gồm các chất hữu cơ thông thường là sản phẩm phân giải từ xác động thực vật như amino axit, protein, hydratcacbon, lipit và các axit hữu cơ khác (Bảng 1.1). Sản phẩm phân giải thường là quá trình oxi hóa triệt để thành CO2 và nước hoặc có thể hình thành nên các hợp chất trung gian như các loại axit hữu cơ, axit amin, rượu, phenol, quinol,… Bảng 1.1. Thành phần tàn dư thực vật STT Thành phần Tỷ lệ (%) 1 Các hợp chất hòa tan (đường, amino axit…) 5 – 30 2 Xenlulo 10 – 50 3 Hemixenlulo 10 – 30 4 Linhin 5 – 30 5 Các chất sáp, chất béo, dầu và nhựa 1–8 6 Protein 1 -20 Nguồn: Sylvia và cộng sự (2005) Các hợp chất hữu cơ thuộc nhóm polysacarit (xenlulo, hemixenlulo và linhin) đóng vai trò quan trọng đối với sự hình thành và tích lũy chất hữu cơ trong đất. Hàm lượng xenlulo và hemixenlulo có thể chiếm 10 - 60% trong các thực vật thân thảo. Xenlulo thường chiếm 15% khối lượng khô của cây non nhưng có thể lên trên 50% trong thân cây gỗ, rơm rạ và lá già. Hàm lượng linhin trong cây non thường nhỏ dưới 5%, cây trưởng thành 15% và cây gỗ già có thể chiếm 35% chất khô (Stevenson F. J, 1994; Sylvia David M.và cs, 2005). Các hydratcacbon chiếm khoảng 10 - 25% tổng số các bon của đất, có nguồn gốc chính từ thực vật và vi sinh vật. Nếu như quá trình phân hủy không bị giới hạn bởi điều kiện môi trường (hàm lượng nước trong đất, độ chua, sự có mặt các chất độc hại,…), và sự hấp phụ bởi các phần tử khoáng sét thì hầu hết các hydratcacbon đều bị phân hủy nhanh. Kết quả của quá trình phân hủy các hydratcacbon thường tạo ra các đường đơn (Nieder R. và Benbi D.K, 2008)
7  Chất mùn điển hình của đất Chất mùn điển hình của đất là những hợp chất hữu cơ cao phân tử đặc trưng, chúng tồn tại tương đối ổn định trong đất phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và lịch sử quản lý sử dụng đất. Sự hình thành chất mùn từ các tàn dư là một quá trình phức tạp với các phản ứng hóa sinh học khác nhau nhờ sự xúc tác tổng hợp của phức hệ các enzym hoặc các phản ứng hóa học thông thường, sau đó những sản phẩm trung gian này được trùng hợp để tạo thành (Nguyễn Lân Dũng, 1984). Chất hữu cơ điển hình của đất được chia thành 2 nhóm: Các bitum, humin và các axit mùn, trong đó các axit mùn là thành phần quan trọng đặc biệt của chất hữu cơ đất. Dựa vào các tính đặc trưng khác nhau như độ phân tán, khả năng ngưng tụ, mức độ polime hóa, thành phần và tính chất quang học, đặc biệt là khả năng hòa tan trong các dung môi khác nhau người ta chia axit mùn thành các loại khác nhau. Các axit mùn chủ yếu là humic và fulvic. Axit humic có màu tối (từ nâu đến đen) có khả năng hòa tan trong dung dịch kiềm loãng nhưng không hòa tan trong dung dịch axit loãng. Còn axit fulvic có màu vàng sáng, có khả năng hòa tan trong cả dung dịch kiềm và axit. Về thành phần các nguyên tố hóa học, axit humic có tỷ lệ C/N cao nhưng hàm lượng O, H thấp hơn so với axit fulvic (bảng 1.2). Axit humic là một thành phần quan trọng của chất hữu cơ trong đất được hình thành do sự tích tụ và phân huỷ không hoàn toàn tàn dư thực vật trong điều kiện yếm khí. Axit humic là 1 trong 3 thành phần (axit humic, axit fulvic và hợp chất humin) trong hợp chất mùn hữu cơ của đất (Pettit R. E, 2004). Axit humic là chất vô định hình có cấu trúc phức tạp, phân tử có dạng hình khối, trong môi trường kiềm có đường kính 30 Å, trong môi trường axit là 60 – 100 Å. Trong nhiều năm, axit humic tích lũy trong đất để giúp đất tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng, khả năng giữ nước, là nguồn thức ăn cho các vi sinh vật có lợi cho đất. Đây là cách để giảm thiểu tổn thất chất dinh dưỡng để duy trì độ phì nhiêu của đất và đảm bảo phát triển bền vững của thiên nhiên. Axit humic ít tồn tại ở dạng tự do trong đất mà chủ yếu tồn tại dạng liên kết gọi là muối Humate khi kết hợp với các cation hóa trị 1/2 như NH4, Na, K, Ca, Mg. Humat của ion hóa trị 1 hòa tan vào nước vì vậy dễ bị rửa trôi nên đất chứa nhiều Humat Na thường nghèo mùn. Humat K, Ca, Mg không hòa