Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biện pháp cải thiện độ chua trong đất trồng cam Cao Phong, Hoà Bình

Chia sẻ: Mao A Mẫn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là nghiên cứu được biện pháp hiệu quả cải tạo độ chua của đất bằng việc sử dụng liều lượng vôi và biochar thích hợp. Đánh giá được hiện trạng axit hóa đất tại vùng trồng cam nghiên cứu. Đánh giá được kết quả tổng hợp các biện pháp cải tạo độ chua của đất nghiên cứu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biện pháp cải thiện độ chua trong đất trồng cam Cao Phong, Hoà Bình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ CHUA TRONG ĐẤT TRỒNG CAM CAO PHONG, HÒA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ CHUA TRONG ĐẤT TRỒNG CAM CAO PHONG, HÒA BÌNH Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Trần Thị Tuyết Thu Hà Nội - 2020
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn thạc sĩ. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo và những đóng góp quý báu về chuyên môn khoa học và kỹ năng làm việc của TS. Trần Thị Tuyết Thu cán bộ giảng dạy của Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Đồng thời, học viên xin trân trọng cảm ơn đề tài QG.16.19 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hỗ trợ toàn bộ kinh phí trong quá trình đi thực địa, khảo sát, phỏng vấn điều tra xác định các tính chất cơ bản của đất, thực hiện thí nghiệm cải tạo độ chua trong đất trồng cam Cao Phong, tỉnh Hòa Bình. Cuối cùng học viên xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh thần cho học viên trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. Học viên xin trân trọng cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó! Hà Nội, tháng 04 năm 2020 Học viên Phạm Mạnh Hùng
MỤC LỤC Trang DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG................................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................v MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................3 1.1. Tổng quan về độ chua của đất ............................................................................3 1.1.1. Khái niệm độ chua và phân loại độ chua .........................................................3 1.1.3. Ảnh hưởng của độ chua đến chất lượng đất và năng suất cây trồng................5 1.2. Tổng quan về cây cam và đất trồng cam ............................................................8 1.2.1. Đặc điểm sinh thái và hình thái cây cam..........................................................8 1.2.2. Nhu cầu dinh dưỡng của cây cam ....................................................................9 1.2.3. Vấn đề suy thoái đất trồng cam ở Việt Nam ..................................................12 1.3. Một số biện pháp cải thiện độ chua của đất .....................................................14 1.3.1. Cải thiện độ chua của đất thông qua bón vôi .................................................14 1.3.2. Biochar giúp cải thiện tính chất đất................................................................18 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................24 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................24 2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................24 2.3. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................24 2.3.1. Phương pháp thu thập tổng hợp tài liệu và thông tin .....................................24 2.3.2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa và lấy mẫu nghiên cứu...................24 2.3.3. Phương pháp trong phòng thí nghiệm............................................................25 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu, tính toán..............................................................29 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................30 3.1. Hiện trạng chất lượng đất trồng cam Cao Phong .............................................30 3.1.1. Độ chua và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trồng cam Cao Phong trong năm 2015-2016..........................................................................................................30 3.1.2. Hàm lượng N, P, K dễ tiêu trong đất Cao Phong trong năm 2015 - 2016 .....33 3.1.3. Hàm lượng Ca, Mg trao đổi trong đất Cao Phong trong năm 2015-2016 .....34 i
3.2. Ảnh hưởng của vôi, chất cải tạo đất và Ca(OH)2 đến đất thí nghiệm ..............35 3.2.1. Ảnh hưởng của vôi, chất cải tạo và Ca(OH)2 đất đến pH đất ........................35 3.2.2. Ảnh hưởng của vôi, chất cải tạo đất và Ca(OH)2 đến phốt pho, kali dễ tiêu .36 3.2.3. Ảnh hưởng của vôi, chất cải tạo đất và Ca(OH)2 đến Feox, Alox ....................38 3.2.4. Ảnh hưởng của vôi, chất cải tạo đất và Ca(OH)2 đến Ca, Mg trao đổi..........39 3.3. Ảnh hưởng của biochar đến độ chua của đất thí nghiệm .................................40 3.3.1. Tính chất biochar từ canh cam và cành lá cam tỉa .........................................40 3.3.2. Biochar và sự thay đổi pH của đất thí nghiệm ...............................................46 3.3.3. Ảnh hưởng của biochar đến P, K dễ tiêu .......................................................48 3.3.4. Tác động của biochar đến hàm lượng Fe và Al hydroxit...............................49 3.3.5. Biochar và hàm lượng Ca2+, Mg2+ .................................................................51 3.4. Kết quả mô hình tổng hợp biện pháp cải tạo độ chua của đất trồng cam ........53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................57 ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BCC Biochar cành cam BCL Biochar cành lá cam tỉa CEC Dung tích trao đổi cation CTTN Công thức thí nghiệm FAO Tổ chức lương thực Thế giới KLN Kim loại nặng SOM (OM) Chất hữu cơ đất iii
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Các quá trình giải phóng và thu H+ trong hệ thống tự nhiên......................4 Bảng 1.2. Lượng dinh dưỡng bón cho cây cam thời kỳ kinh doanh (kg/ha) ............10 Bảng 1.3. Lượng vôi cần bón tính theo pHKCl và theo loại đất.................................11 Bảng 1.4. Tác động của việc bón vôi đến các chất dinh dưỡng (đa lượng, vi lượng) và kim loại nặng trong đất.........................................................................................16 Bảng 2.1. Chất lượng đất nền thí nghiệm .................................................................25 Bảng 2.2. Chất lượng vôi và chất cải tạo đất ............................................................26 Bảng 2.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của vật liệu vôi đến độ chua của đất ...................27 Bảng 2.4. Thí nghiệm ảnh hưởng của biochar đến độ chua......................................28 Bảng 2.5. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong đất, vật liệu và biochar ............29 Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu chất lượng đất trồng cam Cao Phong ..............................30 Bảng 3.2. Mức sử dụng phân bón năm 2015 ở Cao Phong ......................................32 Bảng 3.3. Một số tính chất của biochar tại các nhiệt độ khác nhau..........................40 Bảng 3.4. Tỷ lệ thành phần hóa học bề mặt của biochar BCL và BCC....................46 Bảng 3.5. Các vườn áp dụng tổng hợp các biện pháp cải tạo chất lượng đất ...........54 iv
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Phân bố đất axit trên toàn cầu .....................................................................7 Hình 1.2. Các tác động của bón vôi đối với đất, cây trồng và đa dạng sinh học với theo thời gian trong hệ sinh thái nông nghiệp...........................................................16 Hình 1.3. Biến đổi tính chất biochar với nhiệt độ nhiệt phân tăng ...........................19 Hình 1.4. Cải thiện tính chất bề mặt biochar bằng các phương pháp khác nhau......20 Hình 1.5. Các ảnh hưởng của biochar đến tính chất đất ...........................................21 Hình 2.1. Bản đồ khu vực nghiên cứu và các vườn áp dụng mô hình tổng hợp.......25 Hình 3.1. Độ chua và chất hữu cơ của đất trồng cam Cao Phong 2015 - 2016 ........31 Hình 3.2. Hàm lượng N, P, K dễ tiêu trong đất Cao Phong 2015-2016 ...................33 Hình 3.3. Hàm lượng Ca, Mg trao đổi trong đất Cao Phong năm 2015 - 2016........34 Hình 3.4. Sự thay đổi pH khi sử dụng các vật liệu vôi khác nhau............................35 Hình 3.5. Hàm lượng P, K dễ tiêu có bổ sung các vật liệu vôi khác nhau ...............37 Hình 3.6. Ảnh hưởng của các vật liệu vôi đến Feox, Alox trong đất thí nghiệm........38 Hình 3.7. Ảnh hưởng của các vật liệu vôi đến Ca, Mg trao đổi trong đất ................39 Hình 3.8. Kết quả ảnh hưởng của quá trình nhiệt phân đến pH của biochar ............41 Hình 3.9. Kết quả độ ẩm và độ tro của biochar ........................................................42 Hình 3.10. Kết quả hàm lượng P tổng số và K tổng số trong biochar ......................43 Hình 3.11. Kết quả tác động của nhiệt độ tới chỉ số CCE của các mẫu biochar ......44 Hình 3.12. Cấu trúc bề mặt biochar BCL và BCC....................................................45 Hình 3.13. Kết quả ảnh hưởng của biochar đến pH đất ............................................47 Hình 3.14. Kết quả ảnh hưởng của lượng và loại biochar đến P, K dễ tiêu..............48 Hình 3.15. Kết quả ảnh hưởng của lượng và loại biochar đến Feox và Alox .............50 Hình 3.16. Kết quả ảnh hưởng của biochar đến Ca và Mg trao đổi..........................51 Hình 3.17. Giá trị pH và OM sau 2 năm áp dụng các biện pháp cải tạo độ chua .....54 Hình 3.18. Hàm lượng Ca2+, Mg2+ sau 2 năm áp dụng biện pháp cải tạo độ chua .....55 v
MỞ ĐẦU Cây cam là cây trồng chủ lực trong phát triển kinh tế ở huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình. Năm 2017, diện tích đất trồng cam toàn huyện là 3.015 ha, gấp 5,4 lần năm 2010 và 1,7 lần năm 2014. Vùng trồng cam ở Cao Phong, Hòa Bình được nhận chỉ dẫn địa lý “Cam Cao Phong” năm 2014 đã góp phần thúc đẩy quá trình tiêu thụ và sản xuất cam. Đất trồng cam Cao Phong chủ yếu là đất Ferralit đỏ vàng hình thành trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, địa hình dốc thoải nên sẵn có thuộc tính tự nhiên mang tính axit do bị rửa trôi các kim loại kiềm, kiềm thổ và tích lũy lại nhiều sắt nhôm. Trong điều kiện nền nông nghiệp thâm canh cao, sử dụng nhiều phân khoáng làm cho đất ngày càng bị axit hóa mạnh. Theo Trần Thị Tuyết Thu (2016), phản ứng của đất Cao Phong ở mức rất chua đến chua vừa (pHKCl 4,13-5,10), được cho là một nhân tố giới hạn quan trọng đối với nhu cầu dinh dưỡng và sinh thái của cây cam. Do vậy cần phải có những biện pháp cải tạo độ chua một cách hiệu quả để giảm những tác động bất lợi đến các quá trình thoái hóa đất. Đến nay đã có nhiều hộ gia đình được cấp giấy chứng nhận sản xuất theo tiêu chuẩn VietGAP nhưng phần lớn vẫn sản xuất theo mô hình truyền thống và axit hóa đất trở thành một vấn đề quan ngại do làm tăng mạnh nguy cơ mất cân bằng dinh dưỡng và suy thoái độ phì đất. Trong nền nông nghiệp hữu cơ, việc quản lý đất đai được xem là một yếu tố quan trọng giúp duy trì năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc quản lý đất đai dựa vào sự phân hủy tự nhiên của vật chất hữu cơ, sử dụng các kỹ thuật như ủ phân xanh, phân compost, để thay thế các chất dinh dưỡng lấy từ đất của vụ trước, sử dụng một loạt các phương pháp để cải thiện độ phì đất. Trong một số trường hợp pH có thể cần phải điều chỉnh. Thay đổi pH tự nhiên bằng các phương pháp dùng vôi và đôlomit… vẫn được cho phép trong canh tác hữu cơ. Như vậy, cải thiện độ chua của đất cũng đươc phép sử dụng trong canh tác hữu cơ để đảm bảo điều kiện thích hợp nhất cho cây trồng nói chung và cây cam nói riêng phát triển. Biochar là một vật liệu phù hợp với canh tác hữu cơ và được nghiên cứu rộng rãi trong nông nghiệp, có giá trị tiềm năng trong nông nghiệp để cải thiện tính chất của đất và trong việc giảm các mối nguy do axit hóa đất và trong các đất chua tự nhiên (Zhongmin Dai, 2017). Tuy nhiên, tác dụng cải thiện của biochar và vôi đối với đất axit tại các vùng trồng cam và các cơ chế liên quan chưa được đánh giá đầy đủ. Trên cơ sở những giả thiết trên đề tài “Nghiên cứu biện pháp cải thiện độ chua trong đất trồng cam ở huyện Cao Phong, tỉnh Hòa Bình” được đặt ra nhằm cung 1
cấp cơ sở dữ liệu và bằng chứng khoa học để luận giải về những ảnh hưởng của một số biện pháp cải thiện độ chua của đất và tiềm năng tận dụng lại sinh khối cành lá cam đốn tỉa để sản xuất và ứng dụng của biochar trong cải thiện độ phì đất trồng cam. Mục tiêu nghiên cứu 1. Đánh giá được hiện trạng axit hóa đất tại vùng trồng cam nghiên cứu 2. Nghiên cứu được biện pháp hiệu quả cải tạo độ chua của đất bằng việc sử dụng liều lượng vôi và biochar thích hợp 3. Đánh giá được kết quả tổng hợp các biện pháp cải tạo độ chua của đất nghiên cứu Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nghiên cứu sẽ chỉ ra được lượng vật liệu vôi cần sử dụng để cải tạo độ chua của đất nói chung và vùng trồng cam Cao Phong nói riêng. Tiềm năng sản xuất và sử dụng biochar từ phụ phẩm cây cam (cành lá cam) góp phần vào tiến tới quá trình canh tác cam hữu cơ. 2
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về độ chua của đất 1.1.1. Khái niệm độ chua và phân loại độ chua Độ chua là yếu tố độ phì quan trọng của đất, ảnh hưởng đến các quá trình lý hóa và sinh học trong đất, tác động đến nhu cầu dinh dưỡng và được coi là nhân tố sinh thái giới hạn đối với cây trồng cũng như đời sống sinh vật đất. Có nhiều nguyên nhân làm gia tăng nồng độ ion H+ trong đất. Tuy nhiên, độ chua chủ yếu được phản ánh thông qua sự hiện diện hoặc trao đổi nồng độ H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất vào trong dung dịch đất. Trong đất nhiệt đới, các dạng nhôm khác nhau và một số nguyên tố, hợp chất khác là nguyên nhân chính gây nên độ chua của đất [Lê Đức, 2006]. Trong canh tác, trước khi gieo trồng, điều đầu tiên cần quan tâm là hiệu chỉnh pH của đất thích hợp với điều kiện sinh trưởng và dinh dưỡng của cây trồng. Thông thường, độ chua được phân thành 2 loại: - Độ chua hiện tại là độ chua gây nên do các ion H+ tự do trong dung dịch đất và được xác định khi sử dụng nước cất biểu thị ở dạng pHH2O - Độ chua tiềm tàng được xác định thông qua việc chiết rút bằng dung dịch muối. Dựa vào chất chiết rút, độ chua tiềm tàng lại được phân chia thành: Độ chua trao đổi được chiết rút bằng các dung dịch muối trung tính và được sử dụng để xem xét mức độ ảnh hưởng đến nhu cầu cung cấp các chất dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng, cũng như những rủi ro đến đời sống trong đất; Độ chua thủy phân được chiết rút bằng dung dịch muối thủy phân như CH3COONa và được sử dụng để tính toán lượng vôi tối đa cần bón để cải tạo pH đất đến giá trị mong muốn. 1.1.2. Nguyên nhân gây ra quá trình axit hóa đất Các nguyên nhân chính gây chua đất liên quan đến quá trình phát sinh học hình thành một số nhóm đất chính; Các quá trình hô hấp đất, chuyển hóa C, N, P, S; Nước thải công nghiệp và khai khoáng; Sử dụng nhiều phân khoáng và mưa axit, … Theo thống kê, Việt Nam có khoảng 20 triệu ha đất đồi núi, 2 triệu ha đất phèn, 450 nghìn ha đất glây và 35 nghìn ha đất than bùn có phản ứng chua đến rất chua. Đất chua vùng đồi núi chiếm hơn 70% diện tích đất toàn quốc với pHKCl tầng mặt dao 3
động trong khoảng 4,0 đến 5,5 và có xu hướng chua hóa tăng lên nhanh chóng (Nguyễn Tử Siêm, 1999). Các hoạt động công nghiệp và khai thác khoáng sản dẫn đến axit hóa đất do axit được tạo ra từ quá trình oxy hóa pyrite và từ sự lắng đọng axit gây ra bởi sự phát thải của khí lưu huỳnh (S) và nitơ (N). Trong các hệ sinh thái được quản lý, axit hóa đất chủ yếu là do sự giải phóng các proton (H+) trong quá trình biến đổi và tuần hoàn cacbon (C), nitơ và lưu huỳnh. Các phản ứng giải phóng H+ được tăng mạnh từ quá trình sử dụng phân khoáng (Bảng 1.1) [Robarge và cộng sự, 2008]. Bảng 1.1. Các quá trình giải phóng và thu H+ trong hệ thống tự nhiên H+ Quá trình Phương trình phản ứng (molc/mol) Lắng đọng axit Oxi hóa lưu huỳnh đioxit 2SO2 + O2 → 2SO3 0 Thủy phân lưu huỳnh trioxit SO3 + H2O → H2SO4 → SO42- + 2H+ +2 Oxi hóa quang hóa oxit nitric O3 + NO → N2O + O2 0 Thủy phân nitơ đioxit 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 → NO3- + H+ +1 Oxi hóa Pyrit Oxi hóa Pyrit bởi oxy 2FeS2 + 7O2 + H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ +2 Oxi hóa ion sắt (II) 4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O −1 Kết tủa ion sắt (III) Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ +3 Oxi hóa Pyrit bởi ion sắt (III) FeS2 + 14Fe3+ + H2O → 15Fe2+ + 2SO42-+ 16H+ Chu trình C Hòa tan cacbon đioxit CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3- +1 Tổng hợp axit hữu cơ C-hữu cơ → RCOOH → RCOO- + H+ +1 Chu trình N Cố định N 2N2 + H2O + 4R-OH → 4R-NH2 + 3O2 0 Khoáng hóa N hữu cơ R-NH2 + H+ + H2O → R-OH + NH4+ −1 Thủy phân urê (NH2)2CO + 3H2O → 2NH4+ + 2OH- + CO2 −1 Đồng hóa amoni NH4+ + R-OH → R-NH2 + H2O + H+ +1 Bay hơi amoniac NH4+ + OH- → NH3↑ + H2O +1 Nitrat hóa NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ +2 Đồng hóa nitrat NO3- + 8H+ + 8e- → NH3 + 2H2O + OH- −1 Phản nitrat hóa 4NO3- + 4H+ → 2N2 + 5O2 + 2H2O −1 Chu trình lưu huỳnh Khoáng hóa lưu huỳnh hữu cơ 2 S-hữu cơ + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ +2 Đồng hóa sunfat SO42- + 8H+ + 8e- → SH2 + 2H2O + 2OH- −2 Oxi hóa S0 2S0 + 2H2O + 3O2 → 2SO42- + 4H+ +2 4
Sự hiện diện của ion H+ trong dung dịch đất quyết định độ chua của đất và chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất, khí hậu và sinh học. Lượng mưa cao ảnh hưởng đến tốc độ axit hóa do rửa trôi mạnh các bazơ (Ca2+, Mg2+, K+, Na+ và ion CO32- khỏi đất. Quá trình thủy phân dẫn đến giảm pH của đất khi kim loại kiềm hòa tan trong nước, giải phóng các proton. Sự dịch chuyển thủy phân của các cation bazơ và cung cấp thêm axit từ các phản ứng oxy hóa là nguyên nhân chính của quá trình axit hóa đất [Tandzi và cộng sự, 2018]. Đất bị chua do tăng rửa trôi các ion kim loại kiềm bởi nước mưa, do nước tưới giàu H+, đồng thời quá trình oxy hóa thường sinh ra ion H+. Các ion NH4+ từ chất hữu cơ hoặc từ phân bón bị oxy hóa bởi vi sinh vật hình thành ion nitrat. Đồng thời, cây trồng hút dinh dưỡng (N, P, K) còn hút khá nhiều (Ca, Mg…) do trồng nhiều vụ/năm, giống năng suất cao, vì thế lượng Ca và Mg trong đất mất đi càng nhiều. Sự phân giải chất hữu cơ thải ra nhiều loại axit Cacbonic (H2CO3), axit Sunfuric (H2SO4), axit Nitric (HNO3), axit Axetic (CH3COOH), …các axit này hòa tan Ca, Mg trong một số khoáng và rửa trôi hai ion trên gây chua đất. Mặt khác, bón phân khoáng phốt pho luôn mang theo một lượng dư ion H+ từ quá trình sản xuất; đồng thời các phân sinh lý chua mang gốc axit như: Phân Sunphat amôn (SA), Kali clorua (KCl), Kali sunphat (K2SO4), Suppe lân…cũng làm đất bị chua. Phần đáng chú ý là việc sử dụng quá nhiều phân nitơ đã làm tăng mạnh quá trình axit hóa đất liên quan đến sự hình thành ion H+ trong các pha của chu trình chuyển hóa N. Ước tính lượng ion H+ được bổ sung vào đất từ sử dụng phân khoáng khoảng 0,2-2 kg/ha/năm, lắng đọng khí quyển do mưa axit 0,3-2,4 kg/ha/năm và nguồn tự nhiên trung bình từ 0,1-0,7 kg/ha/năm [Dogo và cộng sự, 1994]. 1.1.3. Ảnh hưởng của độ chua đến chất lượng đất và năng suất cây trồng Sự tăng độ chua của đất có ảnh hưởng xấu đối với cây trồng do sự thiếu hụt Ca2+ và Mg2+, làm tăng nồng độ của các ion độc hại với thực vật Al3+, Mn2+, H+, làm thay đổi tính chất vật lý của đất và khả năng dễ tiêu của các nguyên tố dinh dưỡng (đa lượng và vi lượng) đối với thực vật [Lê Đức, 2006]. Độ chua của đất là một trong những yếu tố hạn chế năng suất đối với cây trồng. Khi đất bị axit hóa, pH giảm mạnh sẽ tăng độ hòa tan của các nguyên tố kim loại nặng 5
độc hại (sắt, đồng, mangan, kẽm và nhôm), thiếu chất dinh dưỡng thiết yếu (phốt pho, magiê, canxi, kali, natri). Do đó khi pH đất < 5 có thể gây dư thừa nhôm, sắt và mangan, gây độc, đồng thời giảm cung cấp dinh dưỡng phốt pho cho cây trồng [Tandzi và cộng sự, 2018]. Theo Nguyễn Tử Siêm, pH đất giảm khoảng 0,5 – 1,0 đơn vị làm Al3+ tăng lên khoảng 4 lần. Nhôm tăng đột ngột nhất là trong khoảng pH từ 5,5 xuống dưới 4 [Nguyễn Tử Siêm, 1999]. Độ axit của đất ảnh hưởng đến sự huy động và dễ tiêu sinh học của các chất dinh dưỡng chính như N, P, S và các cation cơ bản. Độ axit của đất điều chỉnh tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ, làm giảm số lượng các phân tử hữu cơ đơn giản có sẵn để phân hủy tiếp và cuối cùng làm cho N và các nguyên tố cấu thành khác (P và S) hòa tan. Mất chất hữu cơ làm khả năng cố định lân tăng vọt từ vài trăm ppm P lên đến trên 1000 ppm P, dẫn đến giảm hiệu lực phân bón vào đất [Nguyễn Tử Siêm, 1999]. Tính ra, khi đất bị mất 1% C thì khả năng giữ chặt lân tăng lên khoảng 500 ppm P. Việc giảm pH đất ban đầu làm tăng nồng độ Fe và Al trong dung dịch đất, làm tăng sự hấp phụ/kết tủa của P. Trong điều kiện axit, các khoáng chất mica và fenspat tăng cường giải phóng các ion K+ vào dung dịch đất. Tuy nhiên, việc tăng độ chua trong đất có độ dẫn điện cao làm giảm khả năng hấp phụ các ion K+ của đất dẫn đến nhiều K+ trong dung dịch đất [Kunhikrishnan và cộng sự, 2016]. Độc tính Al hạn chế năng suất nông nghiệp bằng cách giới hạn cây trồng đạt được đến năng suất tiềm năng của chúng. Độc tính Al (60 đến 300 μg/lít nước trong đất) có thể gây ra tổn thất năng suất 25-80 (%) tùy thuộc vào các loại cây trồng khác nhau. Axit hóa làm tăng độc tính Al và làm giảm sự hấp thu nitơ (N), P và kali (K) dễ tiêu [Tandzi và cộng sự, 2018]. Độ chua có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng cung cấp P dễ tiêu cho cây do sự liên kết của ion PO43- với Al3+ và Fe3+ tạo thành các muối khó hòa tan trong đất. Bên cạnh đó, khi pH < 5,3 thì các kim loại nặng trong đất sẽ hòa tan ở mức cực đại, tạo ra nhiều ion linh động gây độc cho cây trồng và sinh vật đất. Trong phạm vi nhất định, pH càng thấp tức là đất có phản ứng càng chua thì cường độ hấp thu anion PO43- càng lớn. Hấp thu anion PO43- trong đất diễn ra qua hai quá trình: hấp thu lý-hóa học của những hạt mang điện tích dương và hấp thu hóa học của những cation hóa trị cao để tạo thành các muối PO43- kim loại tương đối bền vững 6
của sắt và nhôm. Khi pH thấp, lượng hạt mang điện tích dương tăng lên, đồng thời lượng sắt và nhôm tự do cũng tăng lên làm cho cả hai quá trình hấp thu PO43- cũng tăng theo. Sự có mặt của sắt, nhôm hòa tan trong đất chua thì Fe3+, Al3+ phản ứng với H2PO4- tạo ra phốt phát kiềm không hòa tan. Al3+ + H2PO4- + H2O ↔ H+ + Al(OH)2H2PO4↓ Khi mức độ axit hóa đất tăng, lượng Mg2+ giảm vẫn ở dạng trao đổi do giảm điện tích. Nhiều Mg2+ có mặt trong dung dịch do cạnh tranh trao đổi kém hơn ion Al3+ và Ca2+ do đó dễ bị rửa trôi. Trong đất rất axit, phức Cu với chất hữu cơ có tốc độ phân hủy chậm làm giảm sự giải phóng của Cu. Hoạt tính kẽm (Zn) tăng nhanh khi giảm pH, cho thấy các vấn đề dinh dưỡng Zn hiếm khi gặp trong đất có giá trị pH dưới 5,5 với điều kiện chúng chứa đủ Zn. Độ hòa tan của Zn phụ thuộc vào pH và bị chi phối bởi một hỗn hợp phức tạp của các cơ chế, bao gồm sự hấp phụ trên keo oxit, đồng hóa với Al và tạo phức với chất hữu cơ [Kunhikrishnan và cộng sự, 2016]. Theo Ruhberg (2017), độ pH của đất thấp làm tăng sự phân tán và suy thoái đất sét trong lớp đất mặt gây suy yếu cấu trúc đất. Điều này có thể dẫn đến xói mòn mạnh, và do điều kiện yếm khí trong đất để khử nitơ, gây ra tổn thất 15-30% nitơ [Frank và cộng sự, 2019]. 1.1.4. Hiện trạng axit hóa đất Hiện nay, tình trạng axit hóa đất diễn ra ngày càng phổ biến trên thế giới được thể hiện qua sự phân bố đất có pH < 5 trong Hình 1.1 dưới đây: pH đất pH thấp pH cao Hình 1.1. Phân bố đất axit trên toàn cầu Nguồn: [Tandzi và cộng sự, 2018] 7
Trên toàn cầu, đất chua có pH < 5,5 tập trung chủ yếu ở vành đai phía bắc với khí hậu ôn đới lạnh, ẩm và vành đai nhiệt đới phía nam, với điều kiện ấm áp và ẩm ướt. Sự phân bố toàn cầu của đất axit như sau: 40,9% ở châu Mỹ, 26,4% ở châu Á, 16,7% ở châu Phi, 9,9% ở châu Âu và 6,1% ở Úc và New Zealand. Khoảng 67% diện tích đất axit nằm dưới hệ sinh thái rừng, 18% dưới đồng cỏ và thảm thực vật thảo nguyên, 4,5% trong đất trồng trọt và dưới 1% ở vùng đất nhiệt đới lâu năm. Ở Cameroon, đất axit chiếm 75% diện tích đất trồng trọt, trong khi ở Kenya chỉ chiếm 13% tổng diện tích đất. Ở Nam Phi, 5 triệu ha đất bị axit hóa nghiêm trọng với ước tính 11 triệu ha có độ axit vừa phải. Ở KwaZulu Natal, 85% đất có pH 10% [Tandzi và cộng sự, 2018]. Trên toàn cầu, diện tích đất bị ảnh hưởng bởi axit hóa ước tính khoảng 4 tỷ ha, chiếm khoảng 30% và trên 48 quốc gia đang phát triển gặp vấn đề với đất axit nằm chủ yếu ở các vùng đất nhiệt đới. Ở vùng nhiệt đới Nam Mỹ, 85% trong số các loại đất này có tính axit và 850 triệu ha không được sử dụng. Hầu hết phần trung tâm của Brazil là vùng savan nhiệt đới chiếm khoảng 23% diện tích cả nước. Hầu hết các loại đất trong khu vực này là đất đỏ nhiệt đới-Oxisols (46%), Ultisols (15%) và Entisols (15%), với độ phì của đất tự nhiên thấp, độ bão hòa nhôm cao và khả năng cố định P cao [Fageria và cộng sự, 2008]. 1.2. Tổng quan về cây cam và đất trồng cam 1.2.1. Đặc điểm sinh thái và hình thái cây cam Cây cam (Citrus sinesis) thuộc họ cây có múi (Rutaceae) và họ phụ Aurantioideae được trồng phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cây có múi là cây ăn quả có khối lượng sản xuất lớn nhất trên thế giới, sản lượng lên đến gần 147 triệu tấn năm 2017 [FAO, 2017]. Cây cam thuộc loại cây thân gỗ, dạng bụi hoặc bán bụi. Các cành chính thường mọc trong khoảng 1 m cách mặt đất. Cành cam phát triển theo lối hợp trục, phát triển từ cành chính đến các cành thứ cấp. Tùy thuộc vào chức năng mà có thể chia cành cam thành các nhóm như: cành mang quả, cành mẹ, cành dinh dưỡng và cành vượt. Hoa cam thường có 5 cánh, là loại hoa lưỡng tính có khả năng tự thụ phấn, tràng hoa thường có màu trắng, có nhiều nhị (20-40 nhị). Cam thuộc loại quả mọng, 8
độ dày vỏ cùng với hình dạng, kích thước, trọng lượng và số lượng hạt trong phụ thuộc vào loài và giống cam. Hạt cam có nhiều phôi (1-7 phôi), rễ cam gồm rễ cọc có thể ăn sâu đến 2 m tùy thuộc vào loại đất, rễ hút lan rộng gấp 2 đến 3 lần đường kính tán tập trung ở độ sâu 0-20 cm và rễ bên. 1.2.2. Nhu cầu dinh dưỡng của cây cam Cây cam là loài cây lâu năm, chu kỳ sống từ 15 đến 20 năm, thời kỳ kinh doanh của cây cam có thể kéo dài từ 10-15 năm nếu được chăm sóc tốt. Cây có múi sinh trưởng và phát triển tốt ở điều kiện nhiệt độ từ 23,9oC đến 27oC, ngừng hoạt động sinh lý sinh hóa ở nhiệt độ 35-37oC và khi nhiệt độ giảm xuống từ -11oC đến -8,8oC thì cây chết [Bose T.K và cộng sự, 1990]. Cam là loài cây ưa ẩm nhưng không chịu được úng rễ do rễ cam thuộc loại rễ nấm hút thu dinh dưỡng qua hệ nấm cộng sinh, vì vậy nếu đất bị ngập nước lâu ngày sẽ làm thối rễ. Nhu cầu nước của cây cam phụ thuộc vào tuổi cây, thời kỳ sinh trưởng và phát triển. Trung bình mỗi hecta cam cần cung cấp lượng nước từ 9.000-12.000 m3/năm, tương đương với lượng mưa 900-1.200 mm/năm. Với cam trong thời kì kinh doanh, lượng nước cần khoảng 10.000-15.000 m3/ha/năm [Davies F. S và cs, 1980]. Theo Bose và Mitra (1990), cây cam quýt không ưa ánh sáng mạnh, phù hợp với điều kiện ánh sáng tán xạ có cường độ 10.000-15.000 lux tương ứng với ánh sáng lúc 8 giờ sáng và 4-5 giờ chiều trong mùa hè [Bose T.K và cộng sự, 1990]. Ánh sáng quá mạnh hoặc quá yếu đều làm ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Cây cam trồng được trên nhiều loài đất, tuy nhiên nếu đất trồng phù hợp với các yêu cầu sinh thái của cam sẽ tạo điều kiện cho cây cam phát triển khỏe mạnh. Cây cam ưa đất phù sa, xốp, nhẹ, nhiều mùn, thoáng khí, hàm lượng oxy từ 1,2-1,5%, giữ ẩm và thoát nước tốt, tầng đất dày trên 1m, có mực nước ngầm sâu lớn hơn 1m đến 1,5m, hàm lượng các chất dinh dưỡng N, P, K, Ca, Mg,… đạt từ trung bình khá trở lên [Bose T.K và cộng sự, 1990]. Có thể trồng cam trên các loại đất có pH dao động từ 4,0-8,0, tuy nhiên pH tốt nhất là từ 5,5-6,0 [Bose T.K và cộng sự, 1990]. Cây phát triển trên đất nhiều mùn (hàm lượng chất hữu cơ trong đất từ 2-2,5%). 9
Để đảm bảo cho quá trình sinh trưởng và phát triển bình thường trong suốt chu kỳ canh tác, cây cam cần được cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng khoáng đa, trung và vi lượng. Theo nghiên cứu của Walter Reuther và cộng sự (1989), cây cam hút dinh dưỡng mạnh vào thời kỳ nở hoa và ra đọt mới. Tỷ lệ đạm, lân và kali ở nhiều loại quả có múi thường là N:P2O5:K2O = 3:1:4 [Walter Reuther, 1989]. Theo Đỗ Đình Ca (2013), hàm lượng nitơ tổng số từ 0,1-0,15%, lân dễ tiêu từ 5-7 mg/100g đất và kali dễ tiêu từ 7-10 mg/100g đất là thích hợp trong đất trồng cam. Theo Embleton và cộng sự (1978), khi hàm lượng phốt pho dễ tiêu trong đất tăng sẽ làm giảm nhu cầu dinh dưỡng nitơ, đặc biệt là gây thiếu hụt kali, Zn, Cu và làm tăng độ chua, giảm vị ngọt của quả, giảm kích thước quả, tăng độ dày của vỏ. Hàm lượng kali dễ tiêu trong đất tăng sẽ làm tăng độ thô ráp, kéo dài thời gian trưởng thành, giảm hàm lượng nước trong quả dẫn đến quả khô sần sùi, giảm giá thành tiêu thụ. Chu kỳ sinh trưởng của cây cam thường trải qua 3 giai đoạn chính: thời kỳ cây non (thời kỳ kiến thiết cơ bản, 1-4 năm đầu), thời kỳ sản xuất kinh doanh và thời kỳ già cỗi phụ thuộc vào sức bền vững của cây (thường từ 12-15 đến 20 năm tuổi). Nhu cầu dinh dưỡng của cây có quan hệ tỷ lệ thuận với lượng dinh dưỡng cây được lấy đi bởi sản phẩm thu hoạch và các quá trình gây mất chất dinh dưỡng từ đất. Lượng phân bón hóa học khuyến cáo bón cho cam quýt thời kỳ sản xuất kinh doanh ở bảng 1.2 như sau: Bảng 1.2. Lượng dinh dưỡng bón cho cây cam thời kỳ kinh doanh (kg/ha) Nước N P2O5 K2 O MgO Nhật 150 - 350 115 - 205 115 - 235 - Brazin 150 - 240 40 - 80 90 - 320 - Florida (Mỹ) 180 - 320 30 - 60 180 - 360 75 - 210 (Nguồn: được trích bởi Hoàng Minh Châu, 1998) Trong nhóm dinh dưỡng vi lượng, đồng và kẽm là những nguyên tố có vai trò rất quan trọng đối với cây có múi. Thiếu đồng làm cho lá dị dạng, cành mới bị chết, quả bị rụng, những quả còn lại bị nứt nẻ, mép lá quăn lại, phiến lá có màu xanh nhạt, gân lá vẫn xanh và chất lượng giảm rõ rệt. Thừa đồng gây nên hiện tượng nứt vỏ, 10
chảy gôm và rụng lá. Cây cam thiếu kẽm có thể gây nên các bệnh sinh lý của cây, lá có kích thước nhỏ, ở vùng thịt lá xuất hiện những nốt lốm đốm vàng. Do đặc điểm phát sinh học và ảnh hưởng của lịch sử sử dụng đất mà đất nhiệt đới thường chua đến rất chua, hàm lượng kim loại kiềm và kiềm thổ nghèo đến rất nghèo. Bên cạnh đó, cây cam có nhu cầu về canxi khá cao. Khi đất thiếu canxi làm tăng độ chua, mức độ linh động của sắt và nhôm tăng, giảm hiệu lực sử dụng lân, gây hại cho cây. Cây thiếu canxi làm cho lá cam rụng sớm, cành bị khô từ ngọn trở xuống. Hàm lượng Ca và Mg trong đất trồng cam từ 3-4 mg/100g đất thích hợp cho trồng cam [Đỗ Đình Ca, 2013]. Trong khi điều kiện pH tối ưu cho sự phát triển của cây có múi là 5,5-6,5. Bón vôi được xem là một trong những giải pháp được lựa chọn để cải tạo độ chua, cung cấp thêm dinh dưỡng đa lượng Ca, Mg và huy động các chất dinh dưỡng ở dạng khó tiêu trong đất như phốt pho liên kết chặt với các hợp phần sắt nhôm, tăng cường phân giải chất hữu cơ, đồng thời làm giảm tác động của các nguyên tố độc hại. Phương pháp bón vôi được tính căn cứ vào độ chua thủy phân theo công thức: Q = 0,28.S.h.dv.H. Trong đó, Q là lượng vôi bón (kg CaO/S); S là diện tích đất (m2); h là độ sâu tầng đất canh tác (cm); dv là dung trọng đất (g/cm3); H là độ chua thủy phân (me/100 g đất); 0,28 là li đương lượng gam của CaO. Bảng 1.3. Lượng vôi cần bón tính theo pHKCl và theo loại đất Lượng vôi cần bón (tấn CaO/ha) Độ chua của đất pHKCl Đất cát pha Đất thịt TB Đất thịt nặng Đặc biệt chua < 3,5 1,2 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4, 0 Rất chua 3,5 - 4,5 0,7 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0 Chua 4,5 - 5,5 0,5 - 0,7 0,7 - 0,8 0,8 - 1,0 Ít chua 5,5 - 6,5 0,2 - 0,3 0,3 - 0,4 0,4 - 0,5 (Nguồn: Lê Văn Căn, 1978) Có thể thấy rằng, cây cam là cây có biên độ sinh thái rộng, thích hợp ở những vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, trồng được trên nhiều loại đất, ưa ẩm phụ thuộc vào từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển của cây. Khi được đảm bảo các yêu cầu về sinh 11
thái, cây sẽ cho quả có chất lượng tốt, năng suất cao và ổn định. Tuy nhiên, nếu phát triển đầu tư thâm canh, sử dụng quá nhiều phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc diệt cỏ, giống cây không sạch bệnh làm tăng quá trình suy thoái đất, gây rủi ro đến sức khỏe và sức đề kháng của đất, tăng các nguy cơ về bệnh cây và bệnh vùng rễ, đáng chú ý là bệnh gây ra bởi nấm, vi khuẩn, tuyến trùng trong đất. Do đó mà việc sử dụng phân bón hóa học hợp lý được coi là một trong những giải pháp giảm thiểu các quá trình gây suy thoái đất. 1.2.3. Vấn đề suy thoái đất trồng cam ở Việt Nam Nhìn chung, hoạt động sản xuất cam ở Việt Nam vẫn chủ yếu theo xu hướng độc canh, tập trung chú trọng đầu tư thâm canh cao sử dụng nhiều phân bón hóa học và hóa chất hữu cơ độc hại trong một thời gian dài dẫn đến gây ảnh hưởng không nhỏ đến độ phì nhiêu của đất cũng như năng suất và chất lượng sản phẩm cam tiêu thụ. Đến nay, các nghiên cứu về hiện trạng chất lượng đất trồng cam ở Việt Nam không nhiều nhưng cũng đã có một số kết quả công bố chỉ ra những tác động bất lợi của hoạt động canh tác cam đến một số tính chất lý, hóa, sinh học đất. Theo Võ Thị Gương (2005), sự suy thoái các tính chất hóa học đã thể hiện rất rõ ở các vườn trồng cam có tuổi vườn khác nhau 7, 9, 16, 26 và 33 (năm) tại các vùng đồng bằng Sông Cửu Long. Mức độ suy thoái thể hiện rõ nét nhất là độ chua của đất giảm mạnh, tỷ lệ nghịch với mức độ tăng lên của các tuổi vườn (pHKCl ở các vườn cam 7-9 tuổi khoảng 5,3, vườn 16-26 tuổi khoảng 4,6-4,7, còn vườn 33 tuổi thấp nhất là 3,5 ), hàm lượng chất hữu cơ, nitơ tổng số ở các mức nghèo, các cation trao đổi như Ca, Mg, và CEC, kẽm vi lượng ở mức rất thấp tại các vườn lớn hơn 16 năm canh tác [Võ Thị Gương, 2005]. Các nghiên cứu mới nhất cũng chỉ ra độ chua của đất trồng cây ăn quả vùng đồng bằng sông Cửu Long là yếu tố giới hạn ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật, đặc biệt là nhu cầu P dễ diêu. pHKCl trong các nhóm đất khác nhau ở Đồng Tháp đều ở mức chua đến rất chua, dao động trung bình 3,4-4,1 ở đất phèn và đất xám địa hình cao; 4,4-4,7 ở đất phù sa sông và đất xám địa hình thấp [Vũ Ngọc Hùng và cs, 2019]. Giá trị pHKCl trong 120 mẫu đất trồng cây ăn quả ở Vĩnh Long có giá trị trung bình là 4,89 [Võ Quang Minh và cs, 2019]. pHKCl trong các phẫu diện 12