Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI

SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ

TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI

SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ

TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 8440301.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN NGỌC MINH

Hà Nội – Năm 2020

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, học viên đã nhận được sự quan tâm

giúp đỡ và sự hỗ trợ nhiệt tình của nhiều tập thể, cá nhân tạo điều kiện thuận lợi cho

học viên hoàn thành luận văn này.

Lời đầu tiên, học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô và Bộ môn Tài

nguyên và Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để học viên có thể học tập và

làm việc trong thời gian nghiên cứu.

Đặc biệt, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành, lòng biết ơn sâu sắc và sự

kính trọng tới PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh - Bộ môn Tài nguyên và Môi trường

Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn,

tận tình giúp đỡ và góp ý để học viên hoàn thành luận văn.

Học viên xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè luôn quan tâm động viên,

ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn.

Học viên xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện từ đề tài QG.17.22.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Học viên

Nguyễn Thị Vân

MỤC LỤC

Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 3 1.1.Tổng quan về silic và phytolith ...................................................................................... 3 1.1.1.Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất .......................................................... 3 1.1.2.Sự hình thành phytolith trong thực vật ....................................................................... 7 1.1.3.Vai trò của phytolith đối với thực vật ....................................................................... 12 1.1.4.Sự tích lũy phytolith và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy phytolith trong môi trường đất .................................................................................................................. 16 1.2.Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trường đất ..................................................... 19 1.2.1.Nguồn cacbon hữu cơ trong môi trường đất ............................................................. 19 1.2.2.Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất ......................................................................... 21 1.2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất ................................... 22 1.3. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ (PhytOC) trong môi trường ............... 24 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 28 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 28 2.2. Phương pháp thu thập và tiền xử lý mẫu nghiên cứu ................................................. 30 2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 31 2.3.1. Xác định đặc điểm của phytolith trong cây lúa ....................................................... 32 2.3.2. Xác định đặc điểm của phytolith trong môi trường đất ........................................... 33 2.3.3. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong môi .................................................................................................................. 34 trường đất 2.3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith và một số tính chất lý, hóa học với loại đất .. 36 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 37 3.1.Đặc điểm của khu vực nghiên cứu ............................................................................... 37 3.2.Đặc điểm của phytolith trong cây lúa .......................................................................... 39 3.2.1. Hình thái và cấu trúc của phytolith trong cây lúa .................................................... 39 3.2.2. Thành phần hóa học của phytolith trong cây lúa ..................................................... 42 3.3.Đặc điểm của phytolith trong môi trường đất .............................................................. 45 3.3.1. Hình dạng và cấu trúc của phytolith trong môi trường đất ...................................... 45 3.3.2. Thành phần hóa học của phytolith trong môi trường đất ......................................... 46 3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất ..................................................................................................................... 47 3.5.Xác định mối quan hệ giữa phytolith, một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất với loại đất ................................................................................................................... 54 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 59 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 64

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Hàm lượng Al linh động được tách chiết bằng oxalat Alox

ASi Silic vô định hình

C Cacbon

EC Nồng độ muối tan trong đất

Hàm lượng Fe linh động được chiết bằng oxalat Feox

MSi Silic trong khoáng vật

OC Chất hữu cơ

PhytOC Phytolith chứa chất hữu cơ

Si Silic

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Địa điểm và thời gian thu thập mẫu nghiên cứu ....................................... 28

Bảng 2. Tóm tắt phương pháp nghiên cứu được sử dụng để xác định một số chỉ

tiêu lý, hóa học trong môi trường đất ..................................................................... 34

Bảng 3: Kết quả phân tích một số tính chất lý, hóa cơ bản của mẫu đất ............... 47

Bảng 4: Hàm lượng phytolith trong mẫu đất ......................................................... 49

Bảng 5: Hệ số tương quan (theo Pearson’s test) giữa phytolith và một số tính chất

lý hóa học môi trường đất khu vực nghiên cứu. .................................................... 53

Bảng 6: Thông tin về tính đồng nhất của phương sai ............................................54

Bảng 7: Hệ số tương quan trong phân tích Anova ................................................. 55

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (không tính xói mòn, lắng). ........... 3

Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất ..................................................................... 5

Hình 3: Phytolith trong cây lúa ................................................................................ 9

Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật ............................. 11

Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại năng ở thực vật ..... 14

Hình 6: Vòng tuần hoàn của silic/phytolith trong đất lúa. ..................................... 17

Hình 7: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau .................. 25

Hình 8: Vị trí lấy mẫu nghiên cứu khu vực đồng bằng sông Hồng ....................... 28

Hình 9: Cấu trúc khung xương silic (phytolith) trong lá lúa (a) và trong mặt cắt

ngang thân cây lúa (b) tái hiện từ dữ liệu chụp cắt lớp siêu hiển vi. ..................... 41

Hình 10: Hình ảnh phytolith trong tro rơm rạ được chụp qua kính hiển vi (a) và

Phổ EDX của mẫu phytolith trong tro đốt rơm rạ (b). ........................................... 42

Hình 11. Biểu đồ phân tích nhiệt sai đối với mẫu rơm rạ của khu vực nghiên cứu .... 44

Hình 12: Hình ảnh phytolith trong môi trường đất được chụp bằng kính hiển vi

điện tử .................................................................................................................... 45

Hình13: Phổ EDX của mẫu phytolith trong mẫu phytolith được tách tỷ trọng ..... 46

LỜI MỞ ĐẦU

Phytolith là một dạng khoáng silic hình thành trong thực vật và mới chỉ

nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ gần đây, nhờ vào

ý nghĩa đối với môi trường của nó, cũng như đối với dòng dinh dưỡng Si trong các

hệ sinh thái nông nghiệp (Sommer và nnk, 2006). Trong số 10 cây lương thực

quan trọng nhất thì có đến 7 cây trồng thuộc nhóm siêu tích lũy Si, trong đó có lúa

và ngô. Trung bình mỗi năm trên diện tích 1 ha, lúa có thể lấy đi khỏi đất khoảng

1 tấn Si, và lượng Si này sẽ bị mất đi nếu phế phụ phẩm (rơm rạ, trấu) không được

hoàn trả lại đồng ruộng. Kể cả khi được hoàn trả lại thông qua vùi lấp hay đốt và

bón trở lại, Si cũng có thể nằm ở dạng phytolith (Si sinh học). Phytolith được coi

là kho dự trữ Si lý tưởng để cung cấp kịp thời cho nhu cầu của cây trồng do chúng

hòa tan dễ hơn so với các silicat trong đất. Do tồn tại ở dạng vô định hình,

phytolith có tốc độ hòa tan nhanh gấp khoảng 50 lần so với đa số các khoáng vật

silicat trong đất (Fraysse và nnk, 2009). Tuy nhiên, quá trình hòa tan của phytolith

bị chi phối mạnh mẽ bởi các yếu tố lý hóa học trong môi trường đất như pH, Eh,

nồng độ và dạng các ion hòa tan trong dung dịch đất. Các yếu tố lý hóa học này có

thể tác động trực tiếp đến các liên kết hóa học bề mặt của phytolith (Nguyen và

nnk, 2015), giúp tăng cường hoặc hạn chế sự bẻ gãy các liên kết Si-O trên bề mặt

và do đó thay đổi khả năng hòa tan của phytolith.

Việt Nam có gần 4 triệu hecta đất canh tác lúa nước phân bố chủ yếu ở

đồng bằng sông Hồng, dải đồng bằng duyên hải miền trung, và đồng bằng sông

Cửu Long. Đây được coi là các “hệ sinh thái giàu C và Si”, và có dòng tuần hoàn

các nguyên tố (theo thời vụ canh tác) tương đối nhanh. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng

của những phương pháp canh tác trong nông nghiệp, như hình thức vùi hoặc đốt

rơm rạ có tác động như thế nào đối với “hệ sinh thái giàu C và Si” vẫn là một nội

dung được quan tâm rất nhiều, không chỉ đối với các nhà khoa học mà còn có sự

quan tâm đặc biệt của những người nông dân tại đất nước nông nghiệp này.

Hơn nữa, trong những năm gần đây, sự gia tăng lượng phát thải khí CO2

trên toàn cầu đang là một trong những vấn đề ngày càng trở nên cấp bách vì đây là

nguyên nhân góp phần làm cho trái đất nóng lên. Sự tích lũy cacbon trong các hệ

sinh thái trên cạn là hướng tiếp cận đầy triển vọng nhằm giảm thiểu lượng phát

thải khí CO2 vào bầu khí quyển, từ đó giảm nhẹ các tác động tiêu cực của biến đổi

khí hậu. Vì vậy, các nghiên cứu về phytOC - cacbon hữu cơ có trong cấu trúc của

phytolith ngày càng được biết đến và nghiên cứu rộng rãi hơn. Do đó, đề tài

“Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất

lúa vùng đồng bằng sông Hồng” được thực hiện với mục tiêu như sau:

1. Cung cấp thông tin về cacbon hữu cơ và phytolith có trong môi trường

đất và trong rơm rạ;

2. Tìm hiểu mối quan hệ giữa cacbon hữu cơ và phytolith; các yếu tố có

ảnh hưởng đến sự tích lũy hoặc giải phóng của thành phần cacbon hữu

cơ và phytolith trong môi trường;

3. Tìm hiểu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và đến các yếu tố môi

trường;

4. Đánh giá ảnh hưởng của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong môi

trường.

Với những mục tiêu trên, đề tài được tiến hành với những nội dung chính:

1. Nghiên cứu mức độ tích lũy cacbon hữu cơ và phytolith trong môi

trường đất và trong rơm rạ;

2. Nghiên cứu mối quan hệ của cacbon hữu cơ và phytolith trong môi

trường đất và các điều kiện ảnh hưởng đến mối quan hệ của 2 yếu tố;

3. Nghiên cứu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và các yếu tố môi

trường;

4. Nhận diện vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong

môi trường đất.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về silic và phytolith

1.1.1. Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất

Silic (Si) là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng

khoảng 28,8%. Là nguyên tố có mặt trong hầu hết các loại đá mẹ, do đó, Si trở

thành một trong những nguyên tố cơ bản có mặt trong phần lớn các loại đất. Hàm

lượng Si trong đất rất khác nhau đối với các loại đất khác nhau, phụ thuộc vào bản

chất của đá mẹ và các quá trình chuyển hóa diễn ra trong đất. Mặc dù Si là một

nguyên tố có tỷ trọng lớn, quan trọng trong đất, tuy nhiên nguyên tố này còn ít nhận

được sự quan tâm của các nhà khoa học.

Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (không tính xói mòn, lắng)

(Sommer và nnk, 2006).

Trong lớp vỏ trái đất, Si chủ yếu tồn tại trong các khoáng vật silicat, trong đó

bao gồm các oxit silic và 90% tất cả các loại khoáng vật đều chứa Si. Do đó, Si trở

thành nguyên tố phổ biến thứ hai trên vỏ trái đất chỉ sau oxy. Bồn Si trong các

khoáng vật đất bao gồm 3 phần chính: (1) khoáng vật nguyên sinh từ đá mẹ; (2)

khoáng vật thứ sinh (chủ yếu là các khoáng vật sét có cấu trúc tinh thể) và (3)

khoáng vật thứ sinh có cấu trúc vi tinh thể và vô định hình được phát triển thông

qua quá trình hình thành đất (Monger và nnk, 2002).

a) Dạng silic trong khoáng vật

Bồn khoáng vật Si trong đất gồm hai loại lớn: (1) khoáng vật nguyên sinh có

nguồn gốc từ đá mẹ (thạch anh, fenspat, mica) và (2) các khoáng vật thứ sinh là kết

quả của quá trình hình thành đất và bao gồm bốn giai đoạn: tinh thể (chủ yếu

khoáng vật sét), tinh thể kém (thạch anh autigenic, opa CT, chalcedon), các dạng

khoáng vật nano có trật tự thấp (Opal A, imogolite, allophane), oxit silic vô định

hình (pedogenic Si) (Sommer và nnk, 2006). Khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc

từ đá mẹ quyết định tính chất vật lý và hóa học của khoáng vật thứ sinh và các loại

đất phát triển trên đó. Quá trình phong hoá khoáng vật nguyên sinh giải phóng ra các cation linh động cao (Ca2+, Mg2+, K+, Na+), một phần Si(OH)4, Al và Fe ít linh

động vào dung dịch đất (Karathanasis và nnk, 2006). Một phần của Si giải phóng từ

cấu trúc khoáng vật phản ứng với Al (và ở mức độ thấp hơn Fe và Mg) để tạo thành

các khoáng sét thứ cấp, trong khi phần còn lại bị rửa trôi.

b) Dạng silic hòa tan

Trong dung dịch đất, Si tồn tại dưới dạng hòa tan có hàm lượng dao động từ

khoảng 0,1 - 0,6 mM hoặc lên đến 0,8 mM ở trạng thái cân bằng khi pH dung dịch

dưới 9 (Ma và Takahashi, 2002). Tuy nhiên, trong điều kiện kiềm mạnh (pH > 9),

một phần của axit monosilicic chuyển sang thành polyme và nồng độ Si hòa tan

- và H2SiO4

trong dung dịch đất tăng gần như theo cấp số nhân với pH, là kết quả của sự phát 2-. Nồng độ của Si hòa tan trong đất biến thiên đa triển đặc biệt H3SiO4

dạng, mặc dù quá trình thẩm thấu của Si từ đất và sự hấp thu của thực vật là quá

trình quan trọng trong việc xác định nồng độ Si. Phần lớn nồng độ cân bằng được

kiểm soát bằng các phản ứng hấp phụ/giải hấp, thành phần khoáng vật, sự cân bằng

nước, nhiệt độ và phản ứng sinh hóa.

Hơn nữa, nồng độ Si hòa tan trong dung dịch đất có liên quan đến chế độ

nhiệt và khả năng giữ nước của đất (Drees và nnk, 1989). Nồng độ Si tăng gấp đôi

khi nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C. Các hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ có phân tử

thấp góp phần vào sự phong hóa khoáng vật đất thông qua quá trình axit hóa và

phản ứng tạo phức. Sự hiện diện của nhôm và sắt oxit dẫn đến giảm hàm lượng của

Si hòa tan trong dung dịch đất. Cụ thể, quá trình phong hóa mạnh mẽ, SiO2 tự do có

thể bị cạn kiệt bởi sự hấp thụ hoặc liên kết của sesquioxit lên bề mặt và tách ra khỏi

dung dịch đất. pH là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới sự hòa tan của Si, liên quan đến

sự hấp thụ của axit monosilicic bởi sắt, nhôm và khoáng sét trong đất. Quá trình hấp

thụ này được cho là tối ưu khi pH khoảng 9,5; khả năng hấp thụ Si hòa tan của đất

thay đổi theo giá trị pH và đạt giá trị tốt nhất ở pH trong khoảng 8 đến 9.

c) Dạng silic sinh học

Si vô định hình được tìm thấy trong lá cây, thân cây, cơ quan sinh sản, rễ cây

và tập trung nhiều nhất ở những nơi có lượng nước mất đi lớn nhất của cây. Sau khi

lá rụng và cây chết đi, Si sinh học sẽ được trả lại cho tầng mặt và đóng góp vào bồn

Si vô định hình ở tầng này. Si sinh học trong đất có thể chia thành các nhóm chính:

Si (1) từ động vật, (2) từ thực vật (bao gồm cả phytolith), (3) từ vi sinh vật và (4) từ

sinh vật đơn bào (Hình 2).

Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất (Sommer và nnk, 2006)

Đối với các bồn Si có nguồn gốc từ vi sinh vật và sinh vật đơn bào, hiện nay

mới chỉ có các bằng chứng chứng tỏ sự có mặt của của bồn Si này trong đất (Clarke,

2003). Hệ vi sinh vật ảnh hưởng tới quá trình chuyển hóa Si trong đất thông qua các

quá trình: (1) phân hủy lá, xác thực vật (giúp giải phóng Si từ rễ và các mô thực vật)

và (2) thúc đẩy quá trình hòa tan các khoáng vật do hoạt động của nấm sợi (Smits

và nnk 2005). Thành tế bào của vi sinh vật có thể đóng vai trò như hạt nhân tinh thể

trong quá trình kết tủa Si (Kawano và Tomita, 2001).

Si tích lũy vào thực vật thông qua quá trình hút thu bị động cùng với nước

hoặc qua cơ chế hút thu chủ động. Hàm lượng Si trong thực vật dao động từ 0,1 đến

16% khối lượng khô (Datnoff và nnk, 2001; Epstein, 1994). Trung bình, hàm lượng

Si trong thực vật chiếm từ 1 đến 3% trọng lượng khô, tuy nhiên, một số loài tích lũy

lượng Si vô định hình tới 10%, thậm chí cao hơn. Từ việc tiến hành điều tra trên

175 loài thực vật phát triển trên cùng một loại đất, Takahashi và Miyake (1976) đã

phân chia thực vật thành hai nhóm: nhóm tích lũy Si (lượng Si hút thu >> lượng

nước hút thu) và nhóm không tích lũy Si (lượng Si hút thu ≤ lượng nước hút thu).

Marschner (1995) đã phân loại thực vật thành ba nhóm dựa trên hàm lượng Si trong

chất khô của cây: (1) các loài họ Cói (Cyperaceae) thuộc bộ hòa thảo và các cây

sống ở đất ngập nước (ví dụ như cây lúa) có chứa 10 - 15% SiO2 trong chất khô; (2)

các cây trồng cạn như lúa mì, mía… với hàm lượng Si trong cây thấp hơn (1 - 3%

SiO2 trong chất khô); và (3) nhóm không tích lũy Si gồm phần lớn các loài cây song

tử diệp như cây họ đậu với ít hơn 0,5% SiO2 trong chất khô.

Hàm lượng Si có nguồn gốc từ thực vật trong đất dao động từ 0,01 đến 50%

(Clarke, 2003). Nếu tốc độ tích tụ Si có nguồn gốc từ thực vật lớn hơn tốc độ phân

hủy, một bồn Si sinh học có thể hình thành trong đất. Việc trồng các loại cây có

hàm lượng Si cao như lúa, mía có thể dẫn tới sự tích lũy Si nhiều hơn trong hệ sinh

thái đất. Ví dụ, theo nghiên cứu của Berthelsen và nnk (1997) mỗi năm các cánh

đồng mía có thể trả lại hơn 100 kg Si/ha cho đất. Tuy nhiên, lượng Si mất đi từ đất

trong hệ sinh thái có thực vật bao phủ có thể gấp 2 – 8 lần so với các vùng đất trống,

điều này được giải thích là do sự phong hoá dưới tác động của sinh vật đặc biệt là

thực vật diễn ra nhanh hơn so với sự phong hoá khoáng do các cơ chế vật lý, hoá

học. Sự biến đổi trong chu trình tuần hoàn Si trả lại cho đất dưới tác động của con

người đã trở thành một vấn đề tác động đến trạng thái cân bằng và phát triển bền

vững trong nông nghiệp. Nếu coi Si sinh học là nguồn Si duy nhất cho cây trồng,

với tốc độ mất Si là 50 – 100 kg/ha/năm và lượng Si trong thực vật bổ sung là 1

tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn hết trong vài thập kỷ (Bartoli, 1983). Ở Úc, 30

năm canh tác mía dẫn đến sự sụt giảm của Si dễ tiêu có sẵn trong đất đến khoảng

một nửa so với số lượng ban đầu (tương ứng là 5,3 và 13,1 mg/kg). Trong nghiên

cứu trên cây lúa nước được thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) tại Laguna, Philipin cho thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa khi thu hoạch là 51,4 – 70,8 gSi/m2 và

phần lớn Si đã được lưu trữ trong tàn dư sau thu hoạch (> 86%). Với việc người dân

không hoàn trả lượng lớn phụ phẩm sau thu hoạch lại cho đất và hàm lượng Si có

trong nước tưới ở dưới giới hạn phát hiện gây ảnh hưởng tới năng suất của vụ kế

tiếp cho thấy tàn dư sinh khối sau thu hoạch là một nguồn cung cấp Si quan trọng.

1.1.2. Sự hình thành phytolith trong thực vật

Phytolith (trong tiếng Hy Lạp, phyto = cây, lithos = đá (cây hoá thạch) là

dạng oxit sillic vô định hình có công thức tổng quát là SiO2.nH2O (Alexandre và

nnk, 1997) hình thành trong cả nội hay ngoại bào các mô của thực vật sống (Jones

và Handreck, 1967). Nhiều họ thực vật hạt kín, hạt trần và một vài họ của thực vật

không có hoa, đặc biệt là guột được biết đến như các nhà máy sản xuất phytolith với

lượng khác nhau từ 0,1 đến 16% (Epstein và Bloom, 2005). Sự hình thành và phát

triển của phytolith trong thực vật liên quan đến một số yếu tố, bao gồm điều kiện

khí hậu, tính chất đất, lượng nước trong đất, độ tuổi của cây và quan trọng nhất là

sự tương tác qua lại giữa các thành tố này. Quá trình hình thành phytolith được bắt

đầu khi thực vật hấp thụ Si hoà tan qua rễ và kết thúc khi các tế bào Si rắn được

hình thành trên tế bào, tế bào nội chất, hoặc các khoảng gian bào. Quá trình này đôi

khi ở giai đoạn rất sớm hoặc cũng có thể rất muộn trong vòng đời phát triển của

thực vật tuỳ thuộc vào loại thực vật và điều kiện môi trường sống của chúng.

Sau khi cây chết, phytolith có thể hòa tan và tham gia vào chu trình Si hoặc

được kết hợp và bảo quản trong đất, trầm tích hoặc trầm tích khảo. Cho đến nay,

phytolith được phát hiện trong khoảng 260 loài thực vật khác nhau, trong đó 110

loại là từ cỏ, 50 loại từ dương xỉ, cây thân gỗ, tre nứa và các loài khác. Trong đất,

sự tồn tại của phytolith có thể phụ thuộc vào nguồn nước, nhiệt độ, hoạt động của vi

sinh vật và độ axit của khoảng hổng trong đất, trong đó sự hòa tan chậm nhất ở pH

thấp và nhiệt độ thấp (Fraysse và nnk, 2006, 2009, 2010). Thời gian hòa tan

phytolith được xác định bằng thực nghiệm là từ 6 tháng đến 3 năm (Fraysse và nnk,

2009).

Trong hệ sinh thái lúa nước Việt Nam và Philippin, hàm lượng Si cây trồng

có thể hấp thụ được trên tầng đất mặt ở Philippin cao hơn so với Việt Nam (222 ±

92 mg/kg so với 37 ± 14 mg/kg). Do ở Việt Nam nguồn Si chủ yếu giải phóng ra từ

quá trình phong hoá các tầng trầm tích cổ, trong khi ở Philippin có sự bổ sung từ tro

của núi lửa đang hoạt động hoặc nguồn nước chảy ra từ các núi lửa đang hoạt động.

Ngoài ra, phương thức canh tác trong nông nghiệp, phương thức quản lý dư lượng

cây trồng cũng là yếu tố ảnh hưởng. Tổng Si hấp thu bởi cây lúa của Philippin cũng

cao hơn đáng kể ở Việt Nam, 700 ± 144 kg/ha so với 201 ± 102 kg/ha, sự khác biệt

này có thể là do tác động phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi đất nước là khác

nhau vì nó sẽ phụ thuộc vào (giống, khí hậu, chế độ thuỷ lợi và đặc biệt là phương

thức quản lý dư lượng cây trồng) (Klotzbücher và nnk, 2014).

Cơ chế hấp thu Si của thực vật: Si hoà tan được thực vật hút thu qua lông hút

của rễ và vận chuyển lên các cơ quan khí sinh trong dòng vận chuyển nước qua hệ

thống mạch gỗ. Dạng Si trong dung dịch đất đi vào thực vật là axit monosilicic

Si(OH)4 trong điều kiện pH từ 2 - 9, còn pH < 9 thì Si tồn tại ở dạng H4SiO4 (Raid

và nnk,1992; Song và nnk, 2013), đây là dạng Si cây hút thu. Sự hút thu Si của cây

được giải thích theo hai cơ chế: (1) Hút thu một cách thụ động bằng quá trình thoát

hơi nước của cây; (2) Hút thu có chọn lọc do sự chi phối của quá trình trao đổi chất.

Van der Worm (1980) cho rằng, sự hút thu Si một cách thụ động hay được điều

khiển bằng quá trình trao đổi chất phụ thuộc vào loại cây và nồng độ của H4SiO4 ở

bề mặt rễ. Cây hút thu lượng Si khác nhau tùy thuộc vào dạng và nồng độ axit

silicic hòa tan trong dung dịch đất. Ví dụ cùng một tỷ lệ silica, sự hút thu ở cây lúa

lớn hơn cây đậu. Hầu hết các cây, đặc biệt là cây bưởi, chúng không thể tích lũy

được lượng Si cao ở cành. Sự tích lũy Si giữa các loài có sự khác nhau do khả năng

hấp thu Si của rễ. Trong chồi, axit silicic được tập trung nhiều hơn thông qua việc

thoát hơi nước và trùng hợp. Parr và Sullivan (2011) cho rằng khi nồng độ Si hoà

tan trong thực vật đạt ngưỡng 100 - 200 mg/kg, phản ứng trùng hợp của axit

monosilicic sẽ diễn ra hình thành hạt nhân cơ sở, các hạt nhân này tiếp tục phát triển

thành các hạt hình cầu ổn định với kích thước tới hạn. Phản ứng polyme hoá tiếp tục

ở cấp độ các hạt hình cầu tạo thành chuỗi phân nhánh hoặc cấu trúc hình học. Khi

hạt polyme Si phát triển tiệm cận kích thước 1 - 3 nm chúng sẽ mang điện tích âm

bề mặt. Các hạt này sau đó tương tác với môi trường nội bào và lắng đọng tạo thành

các lớp Si tiếp giáp với màng tế bào (phủ bên ngoài hoặc lót bên trong tế bào).

Hình 3: Phytolith trong cây lúa (Rashid và nnk, 2019).

Cường độ hấp thu Si cũng thay đổi phụ thuộc vào các loài thực vật. Các

nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bởi về vận chuyển Si trên ba loài thực vật

khác nhau bao gồm gạo, dưa chuột và cà chua. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc vận

chuyển Si giữa dung dịch đất và vỏ tế bào được chuyển qua một trung gian đặc biệt

trong cả ba loài. Sự vận chuyển Si được suy đoán phụ thuộc năng lượng, nhiệt độ

thấp và chất ức chế vận chuyển Si. Trong quá trình hấp thu Si, dòng chảy Si được vận

chuyển từ tế bào vỏ đến mạch gỗ tải. Sự khác biệt ở đây cho thấy mạch gỗ tải trong

gạo được trung gian bởi một loại vận chuyển thay vì khuếch tán như trong dưa chuột

và cà chua. Kết quả này chỉ ra rằng mạch gỗ là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối

với việc tích luỹ Si ở mức độ cao hoặc H2CO3 để hoà tan các khoáng vật silicat trong

giá thể mà chúng sinh trưởng. Nói cách khác, thực vật ở đất nghèo Si hoà tan vẫn có

thể quan sát được hàm lượng đáng kể phytolith được tạo ra (Blackman, 1996).

Các nghiên cứu cho ra những bằng chứng tương đối thuyết phục, chứng

minh cho sự tồn tại của hai cơ chế hút thu Si của thực vật, tuy nhiên, mối quan hệ

cũng như vai trò riêng biệt của mỗi cơ chế trong quá trình hút Si ra sao thì chưa

được làm rõ. Trong thực vật tồn tại đồng thời hai cơ chế hút thu Si chủ động và thụ

động tuỳ vào điều kiện môi trường mà mối quan hệ giữa 2 cơ chế có thể là tương hỗ

hoặc cản trở nhau (ở đây là sự điều chỉnh quá trình hút thu thụ động dựa trên các cơ

chế hút thu chủ động qua việc tăng cường hoặc cản trở sự xâm nhập của Si qua

màng tế bào lông hút hoặc màng tế bào mạch gỗ). Tuy nhiên, sự biến động hàm

lượng Si trong các loài thực vật được cho là phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố môi

trường quyết định nồng độ của Si hòa tan trong đất (mức độ phong hoá khoáng vật

silicat và dạng tồn tại của Si trong đất).

Sự hấp thu của Si bởi thực vật tăng lên cùng với lượng nước hút thu và có

thể là nhiệt độ của đất. Jones và Handreck (1967) nhận xét rằng lúa nước gần như

chắc chắn có chứa Si nhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 – 15%, cũng nhận thấy

rằng cỏ trồng trong điều kiện ấm áp, môi trường ẩm có quá trình phytolith hoá hoàn

chỉnh hơn ở các lớp biểu bì so với cỏ ở các vùng có điều kiện khô lạnh

(McNaughton và Tarrants, 1983). Bên cạnh đó, có bằng chứng cho thấy các loại đất

có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao thường kèm theo sự gia tăng lượng Si hoà

tan. Trong khi, sự hiện diện của N và P với hàm lượng lớn được cho là dẫn đến việc

giảm nồng độ của Si trong thực vật (Jones và Handreck, 1967).

Quá trình hình thành phytolith trong thực vật: Khi axit monosilicic đi vào

mô thực vật, quá trình hình thành phytolith được bắt đầu, một phần Si hoà tan được

polyme hoá và hình thành dạng rắn của oxit silic (dạng SiO2 ngậm nước có tính chất

giống với silicagel) lắng đọng bên trong và xung quanh các tế bào. Trong mô thực

vật có ba vị trí có thể xảy ra sự lắng đọng: Si kết tủa trên thành tế bào, lấp đầy hệ

thống khoang trống của tế bào và lắng đọng ở không bào. Các thông tin về quá trình

lắng đọng Si ở cấp độ tế bào trong thực vật trên cạn chưa được giải thích một cách

thỏa đáng và có hai giả thiết được đưa ra để giải thích cho quá trình này: thứ nhất là

do kết tủa, và thứ hai là do lắng đọng xảy ra một cách thụ động như là kết quả của

quá trình hút thu và thoát hơi nước hoặc quá trình lắng đọng Si được kiểm soát một

cách chủ động. Trong thực tế, hai giả thuyết tương thích với nhau và cơ chế hoạt

động phụ thuộc vào loại tế bào (Parr và Sullivan, 2011; Jones và Handreck, 1967).

Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ, hàm lượng SiO2 lắng đọng ở lá cao hơn

nhiều so với ở thân và rễ. Nguyên nhân do ở lá có mật độ khí khổng cao hơn nhiều

so với ở than, trong khi ở rễ thì hoàn toàn không có. Sự mất nước trong quá trình

thoát hơi nước dẫn đễn nồng độ Si trong tế bào lá tăng lên tương đối tại một thời

điểm nào đó (khi lượng thoát hơi nước từ khí khổng lớn hơn so với lượng nước dẫn

truyền lên qua mạch gỗ sau khi được hút thu bởi rễ) tại thời điểm này quá trình

trùng hợp các phân tử axit monosilicic diễn ra (Jones và Handreck, 1967).

Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật (Perry và nnk, 2003)

Một số nghiên cứu khác cho rằng, Si trong quá trình hình thành sẽ trùng hợp

có thể được liên kết với các chất hữu cơ tham gia vào quá trình lignin hoá. Cơ sở

của quá trình được hình thành bởi ái lực mạnh mẽ của axit monosilicic với hợp chất

hữu cơ polyhydroxy tham gia vào tổng hợp lignin (Perry và Keeling-Tucker, 1998),

ví dụ trong cây ngô, các phối tử Si liên kết với gen teosinte glume architecture 1

(tga 1) (Dorweiler và Doebley, 1997); trong khi ở bí ngô (Cucurbita), sự hình thành

phytolith chủ yếu được quyết định bởi một di truyền chi phối. Bên cạnh đó một số

đại phân tử hữu cơ khác giúp hình thành các ma trận hữu cơ tương hỗ cho sự lắng

đọng của Si. Một số đại phân tử hữu cơ khác hình thành các ma trận hữu cơ tương

hỗ cho sự lắng đọng của Si có thể kể đến như lysine và arginine được tổng hợp từ

gen PRP1 (pronline – rich protein 1). Ở dưa chuột (Sativus) (Kauss và nnk, 2003),

peptit này mang điện tích dương với mật độ lớn và có thể kết hợp với sản phẩm

polyme của axit monosilicic.

1.1.3. Vai trò của phytolith đối với thực vật

Tuy không phải là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng, nhưng

Si vẫn được tìm thấy trong mô tế bào với một khối lượng lớn, ngang bằng với tổng

các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg). Cây trồng hút Si ở một dạng duy

nhất là axit monosilicic, phổ biến gọi là axit Ortho-Si và tích lũy thông qua việc

hình thành cấu trúc ở lá, thân và hệ thống rễ (Parr và Sullivan, 2005), sau đó kết tủa

trong mô thực vật để hình thành nên các “tế bào Si sinh học” hay còn được gọi là

phytolith (Alexandre và nnk, 1997). Khi thực vật chết đi phytolith sẽ được giải

phóng và tích lũy trong đất đi kèm với lượng xác thực vật chưa phân hủy. So với

các khoáng vật silic thì phytolith dễ tan và là nguồn dinh dưỡng tiềm năng cho cây

trồng. Vai trò của Si trong vòng đời của cây trồng thể hiện qua:

Tăng khả năng quang hợp, điều hoà dinh dưỡng khoáng: Si giúp cho cây

mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng năng lượng mặt trời một

cách hiệu quả, tăng khả năng quang hợp. Si được xem như là một nguyên tố quan

trọng cần thiết cho sự phát triển bình thường của cây (Nguyễn Ngọc Minh, 2014).

Chức năng sinh lý của Si trong hệ thống biểu bì lá là có thể hoạt động như một cửa

sổ để tạo thuận lợi cho việc truyền ánh sáng đến mô thịt của lá. Nhiều công trình

nghiên cứu đã chứng tỏ vai trò của Si trong việc tăng cường khả năng chống chịu

hạn của một số loại cây trồng như lúa gạo, lúa mì, dưa chuột, hoa hướng dương và

ớt (Raid và nnk, 1992). Si giúp cây tránh bị ngộ độc Mn, Fe và Al vì Si giúp phân

phối các nguyên tố kim loại này trong cây một cách hợp lý. Bên cạnh đó, Si còn

giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dưỡng giữa Zn và P trong cây làm cho cây khỏe

hơn (Ehrlich và nnk, 2010). Trong đất phèn, Si tạo phức với Fe, Al thành những

hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu tố độc hại như Fe, Mn và Al trong

dung dịch đất (Dorweiler và Doebley, 1997). Bên cạnh đó, Si đóng vai trò quan

trọng trong giảm độc tính Cd ở lúa bằng cách tăng tích lũy Cd trong rễ và giảm vận

chuyển Cd từ rễ đến chồi (Ehrlich và nnk, 2010).

Tăng cường sức chống chịu cơ học: Trong thực vật, Si kết hợp với biểu bì

giúp thành tế bào trở nên chắc chắn hơn. Silic có khả năng làm tăng khả năng chống

chịu của cây trồng đối với các yếu tố vô sinh hoặc hữu sinh (Koranteng và nnk,

2011; Li và nnk, 2013). Các yếu tố hữu sinh bao gồm bệnh hại và các loại côn trùng

gây hại, trong khi các yếu tố vô sinh quan trọng thường được đề cập tới như hạn

hán, lũ lụt, mặn hóa hoặc kim loại gây độc cho cây. Đối với các loại cây được trồng

trên đất thiếu Si và thường xuyên chịu tác động của các yếu tố kể trên, việc bón

phân Si sẽ góp phần làm tăng năng suất cây trồng một cách đáng kể. Ví dụ: việc bón

phân Si cho cây mía đường góp phần làm tăng sản lượng mía 10 - 50% ở Hawaii,

20% ở khu vực Florida và 21 - 41% ở Australia (Fraysse và nnk, 2009; Parr và

Sullivan, 2011).

Si làm tăng khả năng kháng bệnh, bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố gây

bệnh hại (chủ yếu do nấm và một số loại vi khuẩn) thông qua hai cơ chế. Thứ

nhất, Si kết hợp với lớp biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chắn hơn, giúp cây

cứng cáp nhưng lại có khả năng đàn hồi. Si tạo nên các phức hợp với polyphenol

để hình thành những hợp chất với lignin tăng cường độ cứng của thành tế bào,

ngăn cản khả năng xâm nhập của các loại nấm bệnh. Thứ hai, Si hòa tan đóng vai

trò quan trọng trong cơ chế vật lý, hóa sinh/cơ chế phân tử để kháng bệnh hại

(Fraysse và nnk, 2009; Ghareeb và nnk, 2011). Sự lắng đọng của Si ở lớp biểu bì

cũng tạo ra một rào cản vật lý ngăn ngừa sự tấn công của côn trùng và các loài sâu

bướm ăn lá. Si cũng có thể kích hoạt một số cơ chế phòng bệnh. Ví dụ, trong rễ

của cây dưa leo bị nhiễm nấm Pythium, Si làm tăng hoạt tính của một số enzym

như peroxidase, chitinase và polyphenoloxydase, từ đó ức chế sự xâm nhiễm của

nấm gây hại (Cary và nnk, 2005).

Các phản ứng sinh hóa chỉ xảy ra với Si hòa tan, cho thấy Si hòa tan đóng

vai trò tích cực trong việc tăng khả năng chống lại các kháng nguyên của vật chủ

bằng cách kích thích một số cơ chế phản ứng phòng vệ (Fauteux và nnk, 2005). Một

nghiên cứu gần đây cho thấy trong quá trình tạo ra sức đề kháng từ hệ thống (SAR)

ở dưa leo, sự biểu hiện của một gen mã hóa protein giàu axit amin proline được tăng

cường (Karathanasis, 2002). Protein có các trình tự lặp đi lặp lại điểm đầu và điểm

cuối là C chứa lượng lysine và arginine cao bất thường. Các peptit tổng hợp có

nguồn gốc từ các trình tự lặp đi lặp lại đã có thể trùng hợp axit orthosilicic với silica

không hòa tan, liên quan đến việc cố định tại vị trí của sự xâm nhập của nấm vào tế

bào biểu bì. Nghiên cứu cho thấy sự tăng cường khả năng kháng bệnh, tăng cường

sức đề kháng thực vật đối với côn trùng gây hại như sâu đục thân và rầy (Keeping

và nnk, 2009). Tác dụng này được cho là sự lắng đọng của Si trong mô thực vật, tạo

ra một rào cản cơ học chống lại sự phá hoại của côn trùng.

Tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường: Trong đất phèn,

Si tạo phức với Fe, Al thành những hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu

tố độc hại như Fe, Mn và Al trong dung dịch đất (Datnoff và nnk, 2001). Bên cạnh

đó, Si đóng vai trò quan trọng trong giảm độc tính Cd ở thực vật bằng cách tăng tích

luỹ Cd trong rễ và giảm vận chuyển từ rễ đến chồi (Epstein và Bloom, 2005; Ma và

Yamaji, 2006).

Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật (Ma và

Yamaji, 2006)

Cây trồng được hấp thu Si ở điều kiện có muối sẽ kích thích màng không bào

của tế bào rễ cây, phần bề mặt xung quanh không bào tạo ra enzym và các enzym này sẽ kết hợp với nhau trong việc đưa gốc Na+ từ tế bào chất vào trong không bào,

điều này làm cho việc vận chuyển từ rễ cây đến ngọn và lá giảm đi so với cây

không được hấp thụ Si. Nếu trong lá cây có lượng Na+ cao sẽ làm cho lượng

chlorophyl giảm, dẫn đến khả năng quang hợp của cây cũng bị giảm. Khi cây trồng

phát triển ở điều kiện có muối thì sẽ làm cho cây bị yếu và sinh ra các gốc tự do, khi

tích tụ ở mức độ nhiều sẽ gây nguy hiểm cho tế bào. Nếu được hấp thụ Si vừa đủ sẽ

tạo ra nhóm enzym có khả năng kiểm soát các chất thuộc nhóm tự do là nhóm

enzym antioxidant. Ngoài ra, Si làm giảm các tổn thương được gây ra bởi các điều

kiện bất lợi của khí hậu như bão, mưa đá; sẽ làm giảm bớt khả năng ảnh hưởng của

nhiệt độ thấp đối với một số loại cây trồng khác.

Tăng năng suất và chất lượng cây trồng: Ngoài các cơ chế tác động tới khả

năng quang hợp, đặc điểm cấu tạo cũng như khả năng chống lại một số sâu bệnh và

sự thay đổi thiếu tích cực của điều kiện môi trường, các kết quả nghiên cứu cũng

cho thấy Si có tác dụng làm tăng số bông, số hạt/bông và số hạt chắc, tăng năng suất

lúa cũng như một số loài cây hai lá mầm khác. Theo một nghiên cứu tại Hàn Quốc ở

lúa gạo: bón 2.000 kg phân Si/ha, thì năng suất tăng lên 20%; lúa mạch: bón 1.370

kg phân Si/ha, năng suất tăng 37%. Bón phân chứa Si còn có tác dụng giảm tỷ lệ hạt

lép, giúp cho hạt lúa vàng sáng, sạch bệnh, góp phần tăng phẩm chất và giá trị của

lúa gạo (Ma và Yamaji, 2006).

Tăng sức đề kháng, ngăn ngừa sâu bệnh: Si là một nguyên tố có hoạt tính

sinh học tác dụng cả hai cơ chế sinh học và sinh lý. Si tác động như một chất điều

chỉnh liên quan đến thời điểm và mức độ phản ứng của cây trồng tạo sức đề kháng

cho cây trồng. Việc bổ sung Si có tác động đến việc kiểm soát nhiều bệnh quan

trọng của cây lúa. Những nghiên cứu cho thấy khi bón bổ sung từ 1,5 – 2 tấn/ha các

nguồn Si khác nhau trên những ruộng lúa thiếu Si đã làm giảm đột ngột tỷ lệ mắc

bệnh và giảm thiệt hại do bệnh đạo ôn, đốm nâu, khô vằn và bạc lá cây lúa Oryza

sativa (Datnoff và nnk 2001; Ma và Yamaji, 2006), chứng minh rằng bón Si dưới

dạng CaAl2Si2O8 làm giảm 73 – 78% tỷ lệ lúa bị nhiễm đạo ôn, giảm được 58 – 75% tỷ lệ lúa bị nhiễm đốm nâu giúp tăng năng suất và chất lượng của cây trồng.

Ở chồi và lá, sự phân phối Si phụ thuộc vào tỷ lệ thoát hơi nước của cây và

được tích tụ ở giai đoạn cuối của dòng thoát hơi nước, thường ở ngoài và trong

thành tế bào biểu bì lá. Thành tế bào biểu bì là bị thấm một màng mỏng Si và trở

thành những rào cản có hiệu quả chống lại sự mất nước do thoát hơi nước qua lớp

cutin và sự xâm nhiễm của nấm (Epstein và Bloom, 2005; Ma và Yamaji, 2006).

Si cũng ngăn chặn côn trùng gây hại như sâu đục thân, châu chấu và rầy lưng

trắng, bọ hình nhện và bọ ve. Dưỡng chất giúp cây trồng kháng lại sâu bệnh bằng

cách làm thay đổi hình thái, cấu trúc hay hoá học của cây ở vào một số giai đoạn

sinh trưởng và phát triển. Chẳng hạn như làm cho tế bào biểu bì của lá dày hơn,

mức độ hoá gỗ của các mô mạnh hơn, giúp lá chống lại sự xâm nhiễm của nấm

bệnh, thân, lá cứng cáp hơn, chống lại sự tấn công của côn trùng, hoặc cây sản sinh

ra những chất ngăn cản hay xua đuổi côn trùng.

1.1.4. Sự tích lũy phytolith và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy phytolith

trong môi trường đất

Rơm rạ chứa phytolith và là một mắt xích quan trọng chi phối dòng tuần

hoàn của các nguyên tố trong môi trường đất (Hình 6). Cây trồng vừa hút thu để lấy

đi silic từ môi trường đất, vừa là nguồn cung cấp trả silic về đất thông qua hoàn trả

sinh khối và phytolith. Bồn silic sinh học (phytolith) trong thực vật có ý nghĩa quan

trọng đối với quản lý độ phì đất (liên quan đến khả năng cung cấp khoáng chất dinh

dưỡng), vai trò môi trường (liên quan đến khả năng cố định cacbon).

Hình 6: Vòng tuần hoàn của silic/phytolith trong đất lúa.

Trong đất lúa một lượng phytolith đáng kể có thể được tích lũy do rơm rạ chứa

phytolith được hoàn trả lại đồng ruộng sau mỗi vụ mùa thu hoạch. Quá trình này phụ

thuộc nhiều vào cách yếu tố ngoại cảnh (người dân hoàn trả lại đồng ruộng hay sử

dụng cho các mục đích khác) và cách thức hoàn trả các phụ phẩm trở lại đất (đốt hoặc

vùi). Phytolith giải phóng từ phương thức vùi rơm rạ thường chậm do tốc độ phân

hủy các hợp chất hữu cơ bao bọc quanh phytolith diễn ra chậm. Ngược lại, đốt rơm rạ

sẽ phân hủy tức thì các hợp chất hữu cơ bao bọc, và khi đó phytolith là thành phần

chính còn lại trong tro rơm rạ. Tuy nhiên, điều kiện đốt khác nhau cũng có thể tác

động đáng kể đến các sản phẩm tạo thành (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2016).

Dạng silic hòa tan mà cây trồng hút thu được điều tiết bởi các nguồn bổ sung

và lượng mất đi. Lượng silic bổ sung liên quan đến những quá trình: hòa tan/giải

phóng từ pha rắn trong đất (các khoáng vật silicat, silic sinh học, silic hấp phụ trên

keo đất), hoàn trả rơm rạ, bón phân/chế phẩm chứa silic, tưới tiêu, lắng đọng khí

quyển. Lượng mất đi chủ yếu liên quan đến các quá trình rửa trôi, cây hút thu và

hình thành các khoáng vật mới.

Sự phá hủy phytolith xuất phát từ quá trình hòa tan oxit silic và quá trình

phân hủy các hợp chất hữu cơ xen kẹp với oxit silic. Hai quá trình này chịu sự chi

phối của các yếu tố khác nhau (oxit silic: do các yếu tố hóa học; chất hữu cơ: do các

phản ứng hóa học và các vi sinh vật). Quá trình hòa tan do sự luân chuyển dòng

chảy là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự suy giảm hàm lượng phytolith trong đất.

Một số nghiên cứu gần đây dựa trên phân tích đặc tính điện động và các chuyển

động vật lý (Brownian) cho thấy phytolith có thể bị rửa trôi khá dễ dàng trong điều

kiện ngập nước. Tuy vậy, sự di chuyển của một “vật thể có kích thước tương tự

limon” trong môi trường đất phụ thuộc khá nhiều vào các yếu tố như độ xốp cũng

như tốc độ thẩm thấu, do vậy nó có thể rất khác biệt ở những loại đất khác nhau.

Ngược lại, quá trình hòa tan lại phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của nước

trong đất ví dụ như pH, nồng độ ion hòa tan.

Phytolith hòa tan rất nhanh và giúp duy trì nồng độ Si trong đất lúa có thể đạt

ngưỡng 40 mg/L (Nguyễn và nnk, 2014). Ngưỡng nồng độ cao này giúp cho lúa có

thể hút thu tốt hơn tuy nhiên cũng tiềm ẩn nguy cơ mất Si do rửa trôi. Các phân tích

mô hình hóa cho thấy lượng Si mất đi do rửa trôi có thể lớn gấp 10 lần so với lượng

Si cây hút thu được. Ước tính khoảng 500 – 700 kg Si/ha có thể bị mất đi do rửa trôi

sau mỗi vụ (Nguyễn và nnk, 2015). Quá trình hòa tan của phytolith phụ thuộc rất

nhiều vào phản ứng của đất. Đất có pH thấp sẽ làm giảm tốc độ hòa tan phytolith và

ngược lại khi pH tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình hòa tan phytolith để giải phóng Si

(Nguyễn và nnk, 2014). Do vậy, các biện pháp canh tác liên quan đến điều chỉnh pH

đất có thể là chìa khóa cho các biện pháp sử dụng hiệu quả nguồn dự trữ phytolith

và các chất dinh dưỡng kèm theo trong cấu trúc phytolith. Các biện pháp tiên tiến

trong xử lý rơm rạ có thể là một giải pháp góp phần hạn chế sự suy hao vô ích (rửa

trôi) nguồn dự trữ phytolith trong đất và cần được nghiên cứu chi tiết hơn.

1.2. Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trƣờng đất

1.2.1. Nguồn cacbon hữu cơ trong môi trường đất

Cacbon hữu cơ trong đất đóng vai trò quan trọng đối với tất cả quá trình diễn

ra trong môi trường đất và có tác động đến hầu hết các tính chất lý, hoá, sinh học

của đất, cacbon hữu cơ là thành phần cacbon có trong chất hữu cơ của đất, ký hiệu

là OC. Chất hữu cơ trong đất là một trong bốn hợp phần cơ bản của đất: phần

khoáng, phần chất hữu cơ, phần không khí đất và dung dịch, OC có ý nghĩa quan

trọng đối với độ phì nhiêu của đất, bao gồm các tàn dư thực vật và động vật ở các

giai đoạn phân huỷ khác nhau, các tế bào và mô của sinh vật đất và các chất tổng

hợp bởi các sinh vật đất. Đây là hợp phần quan trọng và có tác động mạnh trong quá

trình hình thành, phát triển và duy trì độ phì nhiêu của đất. OC của đất ảnh hưởng

đến nhiều tính chất đất, như khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, khả năng hấp thụ,

giữ nhiệt và kích thích sinh trưởng cây trồng (Amatangelo và nnk, 2008). OC là

nguồn cung cấp chất dinh dưỡng và năng lượng chủ yếu trong hệ sinh thái đất.

Trong đất tự nhiên nguồn hữu cơ cung cấp duy nhất cho đất là tàn dư sinh

vật bao gồm xác thực vật và phân hữu cơ.

Tàn dư sinh vật: Sinh vật sống trong đất, lấy chất dinh dưỡng từ đất để sinh

trưởng, phát triển khi chết để lại những tàn dư sinh vật (xác hữu cơ). Trong tàn tích

sinh vật, chủ yếu chiếm tới 4/5 là tàn tích thực vật màu xanh. Trong quá trình sống

chúng quang hợp tạo chất hữu cơ và khi chết chúng để lại cho đất, thân, rễ, cành, lá,

quả và hạt (Đỗ Ánh, 2005).

Thực vật màu xanh có nhiều loại, số lượng và chất lượng chất hữu cơ chúng

đưa vào đất cũng khác nhau. Cây gỗ sống lâu năm cung cấp chủ yếu là cành, lá khô

và quả rụng tạo thành trên mặt đất một tầng thảm mục ở đất rừng, sau đó mới bị

phân giải bởi vi sinh vật đất. Cây thân cỏ cho lượng chất hữu cơ nhiều và tốt hơn,

lượng hữu cơ mà chúng để lại trong đất chủ yếu lại là rễ ở vùng đồng cỏ, lượng rễ

để lại trong đất ở tầng mặt hàng năm là rất lớn. Ngoài thực vật màu xanh còn có xác

động vật và vi sinh vật, lượng của chúng không nhiều, song chất lượng lại rất tốt đối

với dinh dưỡng cây trồng. Thành phần hoá học của những tàn tích hữu cơ rất khác

nhau tuỳ thuộc vào nguồn gốc của chúng. Nhìn chung các tàn tích hữu cơ chứa đến

75 - 90% là nước. Trong thành phần chất khô, ngoài các chất gluxit, protitit, lipit,

lignin, tanin, nhựa, sáp, tàn tích hữu cơ còn chứa một lượng nhất định các nguyên tố

vô cơ như Si, Ca, Fe, Mg.

Phân hữu cơ: Đối với những nơi có mức độ thâm canh cao thì phân hữu cơ

là một nguồn lớn bổ sung chất hữu cơ cho đất. Trong những năm 70, 80 của thế kỷ

20, ở nhiều vùng đất, người dân thu hoạch cả hạt lẫn cây, vì vậy phân hữu cơ gần

như nguồn chính để tăng lượng mùn trong đất. Hiện nay có nhiều loại phân hữu cơ

như: phân chuồng, phân bắc, phân rác, phân xanh, bùn ao. Số lượng và chất lượng

của chúng tuỳ theo trình độ kỹ thuật canh tác, thâm canh cây trồng ở mỗi nơi (Tôn

Thất Chiểu và Lê Thái Bạt, 1998).

Quá trình hình thành hữu cơ trong đất có từ các nguồn trên. Sự biến hoá xác

hữu cơ trong đất là một quá trình sinh hoá phức tạp, xảy ra với sự tham gia trực tiếp

của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước. Xác thực vật tồn tại trên mặt đất

hoặc trong các tầng đất, trong quá trình phân giải chúng mất cấu tạo, hình dạng ban

đầu và biến thành những hợp chất hoạt tính hơn, dễ hoà tan hơn. Một phần những

hợp chất này được khoáng hoá hoàn toàn, sản phẩm của quá trình này là nước, một

số khí và những hợp chất khoáng đơn giản, trong số đó có nhiều chất dinh dưỡng

cho thực vật thế hệ tiếp sau. Một phần được vi sinh vật dùng để tổng hợp protit,

lipit, gluxit và một số hợp chất mới, xây dựng cơ thể chúng và khi chúng chết đi lại

được phân huỷ. Phần thứ ba biến thành những hợp chất cao phân tử có cấu tạo phức

tạp đó là những hợp chất mùn. Những hợp chất mùn này lại có thể bị khoáng hoá.

Quá trình khoáng hoá là quá trình biến đổi chất hữu cơ thành chất vô cơ với

sự tham gia của các men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp sẽ bị thuỷ

phân, phân giải và tạo ra những sản phẩm trung gian như protein, peptit, axit amin

và cuối cùng là sự oxy hoá hoàn toàn những hợp chất hữu cơ. Quá trình này diễn ra

-, PO4

tạo ra các sản phẩm oxy hoá hoàn toàn thành các sản phẩm: CO2, H2O, NO3

theo 2 giai đoạn nhỏ là sự thối mục chất hữu cơ diễn ra trong quá trình hiếu khí và 3-, 2-… đây là quá trình toả nhiệt. Giai đoạn tiếp theo là thối rữa, đây là quá trình vi SO4

sinh vật phân giải chất hữu cơ xảy ra trong quá trình kỵ khí (có thể do vi sinh vật

hiếu khí phát triển quá nhanh đã sử dụng hết oxy hoặc do thiếu oxy do ngập nước),

và bên cạnh những sản phẩm bị oxy hoá hoàn toàn như CO2, H2O còn tạo ra một

lượng lớn các chất khử trong điều kiện yếm khí và sản phẩm cuối cùng tạo thành từ

các sản phẩm trung gian bao gồm: CH4, H2S, NH3, PH3, H2, CO2… Khoáng hoá là

quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ tạo thành các hợp chất khoáng đơn giản,

sản phẩm cuối cùng là những hợp chất tan và khí (Nguyễn Xuân Cự và Trần Thị

Tuyết Thu, 2016).

1.2.2. Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất

Chất hữu cơ không chỉ là kho dinh dưỡng cho cây trồng mà còn có thể điều

tiết nhiều tính chất đất theo hướng tốt. Vai trò của chúng được thể hiện ở những

điểm chính sau: Chất mùn có vai trò quan trọng trong sự hình thành cấu trúc đất và

duy trì độ bền cấu trúc của đất. Nó gắn kết các phần tử cơ học với nhau tạo thành

các đoàn lạp có độ bền cao giúp cho việc chống xói mòn và các ngoại lực khác tác

động vào đất (Lê Văn Khoa, 2000).

Hàm lượng chất hữu cơ trong đất và độ bền cấu trúc có liên quan chặt chẽ

với nhau. Hằng năm do được bổ sung xác hữu cơ thực vật vào trong đất đã làm tăng

thêm khả năng duy trì độ bền cấu trúc trong đất. Trong đất thường xảy ra quá trình

suy thoái chất hữu cơ nhanh hơn quá trình tích luỹ chúng. Chính vì vậy việc duy trì

độ bền cấu trúc đất đòi hỏi bổ sung chất hữu cơ cho đất, nhất là đất trồng ở các vùng

nhiệt đới, địa hình có độ xáo trộn mạnh.

Đối với quá trình hình thành tính chất đất: Chất hữu cơ và mùn trong đất là

dấu hiệu cơ bản phân biệt đất với đá mẹ. Sự tích luỹ của chất hữu cơ và mùn trong

đất gắn liền với sự phát sinh đất. Sự tích luỹ chất hữu cơ và mùn tập trung ở tầng

đất mặt là dấu hiệu hình thái quan trọng biểu thị độ phì nhiêu của đất.

Ảnh hưởng tới lý học của đất: Chất hữu cơ và mùn có tác dụng cải thiện

trạng thái kết cấu đất, các keo mùn gắn các hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết

dính tốt, bền vững, từ đó ảnh hưởng đến 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 thụ và giữ nhiệt tốt

hơn), các tính chất vật lý phổ biến của đất, việc làm đất cũng dễ dàng hơn. Nhờ đó,

nếu đất giàu chất hữu cơ người ta có thể trồng trọt tốt cả nơi có thành phần cơ giới

quá nặng hoặc quá nhẹ.

Ảnh hưởng tới tính hoá học đất: Chất hữu cơ xúc tiến các phản ứng hoá học,

cải thiện điều kiện oxy hoá, gắn liền với sự di động và kết tủa của các nguyên tố vô

cơ trong đất. Nhờ có nhóm định chức các hợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói

chung làm tăng khả năng hấp phụ của đất, giữ được các chất dinh dưỡng, đồng thời

làm tăng tính đệm của đất. Đối với sinh vật: Các sinh vật sống trong đất, chất hữu

cơ và mùn vừa là nguồn thức ăn vừa là môi trường sống của quần thể sinh vật này.

Đối với cây, chất hữu cơ vừa là kho dự trữ vừa là nguồn cung cấp thức ăn cho cây

sinh trưởng và phát triển:

Chất hữu cơ đất (kể cả các chất mùn và ngoài mùn) đều chứa một lượng khá

lớn các nguyên tố dinh dưỡng N, P, K, Ca, Ma và các nguyên tố vi lượng trong đó

đặc biệt là N, những nguyên tố này được giữ một thời gian dài trong các hợp chất

hữu cơ đất vừa cung cấp thức ăn thường xuyên vừa là kho dự trữ dinh dưỡng lâu dài

của cây trồng cũng như vi sinh vật đất. Chất hữu cơ là nguồn lớn cung cấp CO2 cho

thực vật quang hợp, các hoạt tính sinh học, chất sinh trưởng tự nhiên, men,

vitamin…, kích thích sự phát sinh và phát triển của bộ rễ, làm nâng cao tính thẩm

thấu của màng tế bào, huy động dinh dưỡng. Ngoài ra chất hữu cơ còn có tác dụng

duy trì bảo vệ đất (Amatangelo và nnk, 2008; Phạm Quang Hà, 2011).

Chất hữu cơ đất có tác dụng duy trì bảo vệ đất: Chất hữu cơ chứa các hợp

chất kháng sinh cho thực vật chống lại sự phát sinh sâu bệnh và lá của thực vật rất

lớn làm tăng hoạt tính của hầu hết vi sinh vật đất. Tăng cường sự phân giải của vi

sinh vật hoặc xúc tác cho sự phân giải các thuốc bảo vệ thực vật trong đất, chất hữu

cơ còn đóng vai trò như một chất mang và hấp phụ cố định các chất gây ô nhiễm

trong đất làm giảm mức độ dễ tiêu của các chất độc cho thực vật.

1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất

Chất hữu cơ trong đất có vai trò vô cùng quan trọng đối với đất đai và cây

trồng. Tuy nhiên quá trình hình thành chất hữu cơ cũng như để duy trì mức độ ổn

định của chất dinh dưỡng trong đất còn phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố sinh học,

hoá học và lý học của đất, những yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hàm lượng

chất hữu cơ thông qua tàn tích sinh vật có từ rất lâu đời trên bề mặt đất như:

Thảm phủ thực vật: Việc thường xuyên duy trì thảm phủ thực vật sẽ giúp

cung cấp cho bề mặt đất một lượng lớn chất hữu cơ, giúp cho vi sinh vật đất có

nguồn thức ăn cũng như quá trình trao đổi hoá sinh làm tăng khả năng mùn hoá, làm

cho đất có độ tơi xốp giữ được độ ẩm đất. Tuy nhiên khi con người can thiệp và

canh tác cây trồng và kỹ thuật không hợp lý cũng sẽ là nguyên nhân dẫn đến sự ảnh

hưởng đối với chất và lượng của chất hữu cơ trong đất.

Thành phần xác hữu cơ: Quá trình khoáng hoá các hợp chất hữu cơ khác

nhau không giống nhau. Khoáng hoá mạnh nhất là các loại đường, tinh bột, sau đó

đến protit, hemixenlulo và xenlulo, bền vững hơn cả là lignin, sáp, nhựa, cho nên

đối với những tàn tích sinh vật khác nhau, có thành phần hoá học khác nhau thì tốc

độ các quá trình khoáng hoá không thể giống nhau. Tỷ lệ C/N trong thành phần hữu

cơ là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với tốc độc phân hủy chất hữu cơ (Amatangelo

và nnk, 2008).

Vi sinh vật: Trong đất nhờ có các vi sinh vật phân huỷ xác sinh vật và tổng

hợp thành mùn thực vật cung cấp vật chất hữu cơ cho đất, phá huỷ đá động vật sống

trong đất góp phần làm biến đổi tính chất đất.

Các tính chất lý hóa môi trường đất: Tốc độ mùn hóa để hình thành chất hữu

cơ và khoáng hóa để phân hủy chất hữu cơ cũng phụ thuộc vào pH, thành phần cơ

giới đất, độ ẩm, nhiệt độ (Nguyễn Xuân Cự và Trần Thị Tuyết Thu, 2016). Khoáng

hoá cần điều kiện thoáng khí, nước, nhưng nếu độ ẩm quá cao gây ra yếm khí, vi

sinh vật khó hoạt động. Ở các điều kiện ẩm độ 70%, đủ ánh sáng, pH 6,5 - 7,5, nhiệt

độ 25 - 30˚C là thích hợp cho sự hoạt động của vi sinh vật, và do đó khoáng hoá xảy

ra mạnh mẽ. Những điều kiện này thích hợp với đất có nhiệt độ ẩm như ở Việt Nam,

cho nên ở nước ta các quá trình khoáng hoá rất mạnh, phân giải ra nhiều chất dinh

dưỡng cho cây trồng, nhưng đồng thời chất hữu cơ và mùn trong đất bị phá huỷ nhanh

chóng làm cho đất không nhiều mùn và ít đạm, vì vậy đối với đất nhẹ, cần có biện pháp

giảm tốc độ khoáng hoá.

Một số yếu tố khác: Đá mẹ và địa hình cũng có vai trò nhất định đối với sự

tích lũy chất hữu cơ. Địa hình là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng

của chất hữu cơ trong đất. Ở môi trường điều kiện địa hình khí hậu không thuận lợi sẽ

làm thay đổi nhiệt độ, độ ẩm sẽ làm mất khả năng giữ các chất dinh dưỡng và làm

nghèo vi sinh vật có lợi, địa hình dốc gây xói mòn rửa trôi các chất dinh dưỡng, dẫn

đến ảnh hưởng nghiêm trọng tới quá trình tổng hợp chất hữu cơ trong đất.

Ngoài các yếu tố trên thì hiện tượng xói mòn, sa mạc hoá, hạn hán, chính

sách đất đai, luật đất đai và tình hình thực hiện, cơ cấu cây trồng nghèo nàn, phá

rừng cũng là những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất.

1.3. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ (PhytOC) trong môi

trƣờng

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình khoa học đã đề cập và minh

chứng về mối quan hệ giữa lượng bổ sung phytolith từ thực vật vào đất và sự tăng

lên của cacbon hữu cơ trong đất. Cấu trúc phytolith có thể được hình dung như một

“thể nhúng” trong các mô hữu cơ của cây, bị bao quanh bởi chất hữu cơ và cũng có

thể bọc một lượng chất hữu cơ nhất định (Parr và Sullivan, 2005).

Vai trò của phytolith đối với thể hỗn hợp “phytolith – chất hữu cơ” và khả

năng tích lũy cacbon hữu cơ trong đất được củng cố dựa trên những luận cứ: 1)

Trong cấu trúc của phytolith có chứa một lượng đáng kể chất hữu cơ; 2) Chất hữu

cơ trong phytolith được bảo vệ chống lại quá trình khoáng hóa hay phân hủy bởi các

vi sinh vật; 3) Phytolith có thể tồn tại trong đất đến vài trăm năm, thậm chí hàng

nghìn năm (Santos và nnk, 2016).

Si tạo thành phần chính của phytolith (66 đến 98%), chứa ít nhất 20 đến 30

nguyên tố khác nhau trong silica và chất hữu cơ bị mắc kẹt trong cấu trúc của

phytolith (Hodson, 2016; Kameník và nnk, 2013). Hàm lượng OC của phytolith

nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10%, nhưng thường xảy ra trong khoảng 0,2 - 5,8%

(Parr và Sullivan, 2005; Parr và nnk, 2010; Santos và nnk, 2010). Hàm lượng N, P,

Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn và Ti của phytolith dao động từ 0,1 đến 5,6% (Jones và

Milne, 1963; Song và nnk, 2016). Tuy nhiên, các nguyên tố như Al, Fe, K, Ca và

Mg có thể đóng góp tới 9% phytolith trong rơm lúa (Rashid và nnk, 2019).

Các ion Si4+ là các hạt nhân liên kết và nhờ chuỗi các phản ứng polyme hoá

để phát triển cấu trúc của phytolith. Trong quá trình kết tủa, các màng Si có thể bao

bọc các lipit, protein hay cacbonhydrat. Lượng chất hữu cơ bị phytolith hấp phụ và

tích luỹ trong đất có thể lên đến 5% và chúng được gọi chung là phytOC (phytolith-

occluded carbon) (Dove, 1999). Ngay cả khi phytolith được đưa trở lại môi trường

đất, những hợp chất PhytOC này vẫn có thể được bảo quản trong một thời gian rất

dài chống lại sự phân huỷ bởi các vi sinh vật nhờ các màng Si vững chắc (Parr và

Sullivan, 2005; Ma và Yamaji, 2006). Nghiên cứu của Van der Worm (1980) đã

chứng minh khả năng giữ chất hữu cơ của phytolith là rất có ý nghĩa với thực trạng

tác động của hiệu ứng nhà kính ngày càng gia tăng như hiện nay. Nghiên cứu mô

phỏng này dựa trên các điều kiện biên: 1) tỷ lệ phân huỷ PhytOC là 20% 100 năm;

2) cây trồng được phát triển liên tục. Mô hình thí nghiệm được bố trí trên nền đất

“trưởng thành”.

Hình 7: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau

(Van der Worm, 1980)

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: quá trình tích luỹ C trong tự nhiên tương đối chậm, đạt ≈ 25 kg/m2 sau khoảng 20.000 năm. Quá trình này tăng lên khi thực vật

canh tác là kê (≈ 38 kg/m2) và lên tới ≈ 110 kg/m2 khi canh tác các loài siêu tích luỹ

Si như mía. Như vậy, các loài siêu tích luỹ như mía có thể giúp cố định C trong đất

gấp ≈ 4,4 lần quá trình tự nhiên.

Các yếu tố quyết định đến sự hoà tan của phytolith và phytOC: Khi thực vật

chết đi hoặc kết thúc một chu trình sinh học và theo quy luật của tự nhiên thì sinh

khối của chúng sẽ được hoàn trả lại cho đất, lúc này hàm lượng cacbon hữu cơ có

trong cấu trúc của phytolith sẽ được đưa vào đất cùng với sinh khối và sẽ được các

tập đoàn vi sinh vật tiếp nhận để làm thức ăn, cũng đồng thời quá trình phân huỷ

cacbon hữu cơ trong đất được xảy ra. Quá trình phân huỷ này nhằm cung cấp chất

dinh dưỡng cho đất cũng như đảm bảo cân bằng cacbon trên trái đất được duy trì.

Đồng thời, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ làm “thể nhúng” phytolith được giải

phóng ra môi trường đất. Khi phytolith tiếp xúc với môi trường (dịch lỏng) sẽ bị

hòa tan để giải phóng các chất chứa trong cấu trúc của nó, trong đó có một phần là

cacbon hữu cơ (phytOC).

Tốc độ hòa tan của phytolith phụ thuộc vào bản chất của chính phytolith

(thành phần hóa học, cấu trúc, mức độ già hóa – aging) và phụ thuộc vào môi

trường xung quanh (các tính chất lý hóa học đất). Một số nghiên cứu gần đây đã đề

cập đến ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học, đặc biệt là Al, trong cấu trúc

phytolith đến mức độ bền vững của phytolith (Nguyen và nnk, 2014). Tuy nhiên,

vai trò của các liên kết hóa học (ví dụ Si-O-Al) đối với độ bền của phytolith vẫn còn

là một ẩn số. Trong môi trường đất, các yếu tố pH, độ dẫn (EC), thành phần cơ giới,

dung trọng, tổng cacbon hữu cơ, các oxit Fe, Al là những yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự hòa tan phytolith. Khi pH tăng, sự tăng cường của OH- trong dung dịch đất sẽ thúc đẩy các phản ứng ái hạt nhân (nucleophilic), trong đó OH- có xu hướng

tạo liên kết thứ 5, làm suy yếu và tạo điều kiện cho quá trình bẻ gãy các liên kết Si-

O trong tứ diện SiO4 (đơn vị cơ sở thành tạo nên phytolith). Vì thế, pH tăng sẽ làm

phytolith hòa tan nhanh hơn (Fraysse và nnk, 2009; Nguyen và nnk, 2014). Ngược lại, khi pH giảm, proton H+ sẽ liên kết với các nhóm Si-O trên bề mặt phytolith để (2+) và các nhóm này sẽ cản trở phản (+) Si-OH3 tạo thành các nhóm Si-OH, SiOH2

ứng thủy phân bề mặt phytolith. Nhờ vậy, phytolith thường được gia cố vững chắc

hơn trong môi trường có pH thấp. EC biểu diễn lượng muối tan trong đất và cũng có

những tác động nhất định đối với quá trình hòa tan phytolith. Khi EC cao (nhiều

muối tan), bề mặt phytolith được “gia cố” bởi các cation hấp phụ, và các cation này sẽ cản trở OH- tấn công vào nhân Si của các tứ diện SiO4, nhờ vậy có thể giảm độ

tan của phytolith (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2014). Thành phần cơ giới và dung

trọng thể hiện độ rỗng của đất và có thể ảnh hưởng gián tiếp đến sự mất đi của

phytolith do di chuyển (rửa trôi) trong đất. Các oxit Fe-Al là những keo dương

trong điều kiện đất có phản ứng axit, và đây là những keo có điện tích trái dấu với

phytolith. Do vậy, liên kết tĩnh điện trái dấu có thể xảy ra và ảnh hưởng đến sự di

chuyển cũng như sự hòa tan của phytolith. Vì vậy, sự hòa tan phytolith diễn ra càng

nhanh thì phytOC giải phóng (bị phân hủy hoặc hòa tan) càng lớn. Ngược lại, nếu

phytolith được bảo vệ và ít bị hòa tan, lượng phytOC sẽ ít bị mất đi và do đó giúp

duy trì bồn cacbon hữu cơ trong đất.

CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Để xác định vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong đất của khu

vực đồng bằng sông Hồng, đề tài lựa chọn đối tượng nghiên cứu là các mẫu vật liệu

có chứa: mẫu phytolith (bao gồm: phytolith tách được từ rơm rạ và phytolith tách

được từ đất); và mẫu đất.

Với đối tượng nghiên cứu là mẫu rơm và mẫu đất, đề tài đã tiến hành thu

thập mẫu tại thời điểm, phụ thuộc theo thời gian canh tác của từng vùng trong khu

Đồng bằng sông Hồng

vực. Chi tiết về vị trí, thời gian lấy mẫu được thể hiện trong Hình 8 và Bảng 1.

Hình 8: Vị trí lấy mẫu nghiên cứu khu vực Đồng bằng sông Hồng

Bảng 1: Địa điểm và thời gian thu thập mẫu nghiên cứu

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

Vĩ độ

Kinh độ

21°7'55,9''

106°11'25,1''

Quế Võ, Bắc Ninh

07/2015

20°36'35 ''

105°51'21 ''

Kim Bảng, Hà Nam

07/2015

20°33'47''

105°53'41''

Phủ Lý, Hà Nam

07/2015

20°38'18''

105°53'2''

Kim Bảng, Hà Nam

07/2016

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

Vĩ độ

Kinh độ

20°38'59,1''

106°1'2,9''

Chuyên Ngọai, Hà Nam

07/2016

20°40'00 ''

105°47'08 ''

Ứng Hòa, Hà Nội

07/2016

20°59'57 ''

105°44'17 ''

Thanh Trì, Hà Nội

07/2015

20°54'33''

105°41'45''

Chương Mỹ, Hà Nội

07/2016

20°51'57''

105°41'32''

Chương Mỹ, Hà Nội

07/2016

20°47'35''

105°38'37''

Chương Mỹ, Hà Nội

07/2016

20°41'11''

105°40'57''

Mỹ Đức, Hà Nội

07/2016

21°09'41,7''

105°52'17,8''

Đông Anh, Hà Nội

07/2016

21°2'54''

105°26'27''

Ba Vì, Hà Nội

07/2016

20°52'40,8"

105°54'25,2"

Thường Tín, Hà Nội

07/2016

20°56'20,4"

105°51'43,2"

Thanh Trì, Hà Nội

08/2016

20°44'12''

106°18'08''

Ninh Giang, Hải Dương

07/2015

20°44'12''

106°18'06''

Ninh Giang, Hải Dương

07/2015

20°44'25''

106°29'56''

Vĩnh Bảo, Hải Phòng

07/2015

20°47'37''

106°47'07''

Dương Kinh, Hải Phòng

07/2015

20°49'52"

106°37'55"

An Dương, Hải Phòng

09/2016

20°44'6''

106°7'8''

Ân Thi, Hưng Yên

07/2016

20°38'59''

106°7'49''

Ân Thi, Hưng Yên

07/2016

20°56'30''

106°7'33''

Mỹ Hào, Hưng Yên

07/2016

20°59'33''

106°4'48''

Văn Lâm, Hưng Yên

07/2016

20°59'12''

106°3'15''

Văn Lâm, Hưng Yên

07/2016

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

Vĩ độ

Kinh độ

20°18'25 ''

105°56'54 ''

Hoa Lư, Ninh Bình

07/2016

21°9'15''

105°16'26''

Thanh Thủy, Phú Thọ

07/2016

21°15'54''

105°16'31''

Tam Nông, Phú Thọ

07/2016

21°24'35''

105°13'39''

Trường Thịnh, Phú Thọ

07/2016

20°58'24 ''

106°50'39''

Quảng Yên, Quảng Ninh

07/2015

20°59'56 ''

106°51'09''

Quảng Yên, Quảng Ninh

07/2015

21°05'06''

106°31'30''

Đức Chính, Quảng Ninh

07/2015

20°22'56''

106°31'14''

Tiền Hải, Thái Bình

07/2015

20°18'06"

106°34'43"

Cồn Vành, Thái Bình

07/2015

20°24'04 ''

106°29'02''

Tiền Hải, Thái Bình

07/2015

20°37'30''

106°23'21''

Đông Hưng, Thái Bình

07/2015

20°34'19"

106°19'34"

Đông Hưng, Thái Bình

09/2016

21°21'27''

105°27'7''

Lập Thạch, Vĩnh Phúc

07/2016

21°25'11''

105°35'56''

Tam Đảo, Vĩnh Phúc

07/2016

2.2. Phƣơng pháp thu thập và tiền xử lý mẫu nghiên cứu

Việc thu thập các mẫu đất được dựa trên các kết quả nghiên cứu của các nhà

khoa học trong cùng lĩnh vực. Clarke (2003) cho rằng dòng silic trong đất chịu tác

động rõ rệt bởi lớp phủ thực vật và loại đất, vì vậy, trong quá trình thực địa, nhóm

nghiên cứu đã cố gắng tìm các mẫu đất trong các loại đất khác nhau nhằm so sánh

sự hiện diện của silic (đặc biệt là phytolith) có trong từng loại đất. Các loại đất có

tính chất đặc trưng cũng được thu thập để phân tích, ví dụ như đất chua, đất mặn…

Đề tài cũng xem xét kết quả của Haynes (2014) trước khi thu mẫu, đó là: các ion kim loại hóa trị 3 như Al3+, Fe3+, nhóm có ưu thế trong đất chua, có thể bị giữ lại

trên bề mặt của cấu trúc phytolith và làm hạn chế khả năng hòa tan, cũng như khả

năng di động của phytolith trong đất. Ngoài ra, việc lấy mẫu cũng được dựa trên sự

khác nhau của lớp phủ thực vật.

Mẫu rơm rạ được cắt tại ruộng trong thời điểm thu hoạch, thu thập toàn bộ

phần sinh khối của cây từ phần gốc đến phần ngọn (trừ phần rễ) và tập hợp ít nhất

từ 3 vị trí khác nhau trong cùng 1 thửa ruộng theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp.

Sau đó, phân tách riêng phần hạt lúa và phần rơm rạ. Phần hạt lúa được phơi và bảo

quản trong hộp plastic và lưu trữ (bởi đây không phải là một trong những đối tượng

nghiên cứu với khuôn khổ của đề tài). Phần rơm rạ được xử lý bằng cách rửa sạch

với nước deion nhiều lần để cố gắng loại bỏ phần đất có thể bị dính vào mẫu trong

quá trình thu thập, phơi khô, sau đó đồng nhất mẫu và được cắt thành từng đoạn với

chiều dài từ 1 - 2 cm; bảo quản trong hộp plastic để phục vụ cho các thí nghiệm xác

định phytolith tách từ rơm rạ về hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học.

39 mẫu đất được lấy thu thập theo phương pháp lấy mẫy hỗn hợp, từ ít nhất 3

vị trí khác nhau trong cùng 1 thửa ruộng và được lấy ở độ sâu từ 0 - 20 cm. Phơi

khô không khí, loại bỏ các phần không phải đất, tiến hành đồng nhất mẫu bằng cách

nghiền và rây qua rây 2 mm. Các mẫu đất được bảo quản trong hộp plastic để phục

vụ cho các thí nghiệm khác nhau để xác định phytolith từ đất bằng các phương pháp

tách, chiết; xác định các tính chất lý, hóa học cơ bản của đất như pH, thành phần cơ

giới đất, EC, Alox, Feox, thành phần hóa học, chất hữu cơ của mẫu đất nghiên cứu,

nhằm phục vụ cho mục tiêu xây dựng mối tương quan phytolith và cacbon hữu cơ

trong đất; xem xét các điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến mối quan hệ này.

2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

Phytolith tồn tại trong môi trường đất phụ thuộc vào các tính chất, điều kiện

khác nhau. Vì vậy việc nghiên cứu mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ

trong môi trường đất cần xem xét các yếu tố môi trường có ảnh hưởng đến mối

quan hệ này như thế nào?.

2.3.1. Xác định đặc điểm của phytolith trong cây lúa

a) Hình thái và cấu trúc

- Đặc điểm hình thái, cấu trúc của phytolith sử dụng kỹ thuật microCT: Phần

thân, là được phân tách và tiến hành chụp cắt lớp (~1500 đơn lớp), sau đó được

ghép nối trên nền tảng phần mềm YaDiV để tạo dựng cấu trúc 3D của các mẫu phân

tích. Dựa trên mật độ nguyên tử, các thành phần trong cấu trúc mẫu được định danh,

Phân tích microCT được thực hiện tại Synchroton Center tại Swiss Light Source,

Viện Paul – Scherer, Villigen, Thụy Sĩ.

b) Thành phần hóa học

- Thành phần hóa học (và hình thái) được xác định trên kính hiển vi điện tử

quét (SEM) tích hợp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) (FEI Quanta 600

FEG, UK), tiến hành trên mẫu tro rơm rạ được xử lý tại nhiệt độ 600ºC, đây được

có thể coi là điều kiện lý tưởng nhất để xác định thành phần hóa học và hình thái

của phytolith trong rơm rạ. Nhiệt độ xử lý này căn cứ theo kết quả nghiên cứu của

Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2016 cho rằng: Khi đốt rơm rạ chỉ có nước mất đi và C

phân hủy bởi phản ứng oxy hóa trong khi đó các nguyên tố khác hầu như không

thay đổi. Quá trình phân hủy C thường trải qua một giai đoạn trung gian là hình

thành C đen (tạo ra màu đen của tro) ở khoảng nhiệt độ <600°C. Sự chuyển hóa

chất hữu cơ thành cacbon đen có thể rõ nét hơn trong các điều kiện đốt yếm khí

(thiếu oxy). Ở nhiệt độ >700°C, hầu hết lượng chất hữu cơ bị phân hủy thành thể

khí trong khi phytolith bị chuyển hóa sang các pha tinh thể có cấu trúc bền vững

hơn như cristobalite và tridymite (dạng chuyển pha của phytolith) rất bền vững và

có thể tồn tại lâu dài trong môi trường đất do chúng có độ tan thấp.

- Phương pháp nhiệt vi sai được thực hiện bằng thiết bị Labsys EVO,

Setaram Instrumentation – Pháp, tiến hành trên mẫu rơm rạ nguyên bản, đã được xử

lý bằng cách phơi khô và đồng nhất kích thước từ 1 - 2 cm.

2.3.2. Xác định đặc điểm của phytolith trong môi trường đất

a) Hình thái và cấu trúc: Tách phytolith trong đất bằng phương pháp tách tỷ

trọng (sử dụng dung dịch nặng) (Alexandre và nnk, 1997)

Bước 1: Xử lý loại bỏ cacbonat, các oxit Fe và Al

- Loại bỏ cacbonat: 5 g đất + 30 ml HCl 1N, được lắc 60 vòng/phút trong 1

giờ, sau đó được rửa lại với nước deion (T1).

- Loại bỏ các oxit Fe và Al: mẫu đất T1 được bổ sung đithionit, nước deion

và hấp trong nồi hấp cách thủy ở 85°C cho đến khi hết Fe, Al (thông thường mẫu

đất sẽ chuyển sang màu xám và phần dịch chiết sẽ chuyển từ màu vàng đậm cho

đến nhạt dần và có thể có màu trắng trong). Rửa lại với nước deion (T2).

- Loại bỏ chất hữu cơ: Mẫu đất T2 được xử lý với H2O2 30% trong nồi hấp

cách thủy tại nhiệt độ 85°C, sau đó được rửa lại với nước deion (T3).

- Loại bỏ cấp hạt sét: Mẫu đất T3 được chuyển lên cột lắng 1000 ml, bổ sung

dung dịch Na4P2O7 để loại bỏ sét. Thu hồi phần cát và limon, sấy khô (T4).

Bước 2: Cứ 2g đất T4 được phân tán trong 10 ml dung dịch CdI2 có tỷ trọng 2,35 g/cm3. Phytolith (có tỷ trọng < 2,2 g/cm3) sẽ nổi lên và được tách ra khỏi cát và limon (có tỷ trọng ~ 2,65 g/cm3). Phytolith tách ra sẽ được rửa nhiều lần bằng nước deion và sau đó sấy khô (ở nhiệt độ 70oC).

Bước 3: Phytolith sau khi tách được sẽ sử dụng để xác định hình thái bằng

kính hiển vi điện tử.

b) Thành phần hóa học

Phytolith sau khi tách bằng phương pháp tách tỷ trọng được sử dụng để quét

phổ EDX nhằm xác định thành phần hóa học của phytolith trong môi trường đất.

2.3.3. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong

môi trường đất

a) Xác định một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất

Trong môi trường đất, các tính chất lý, hóa học có ảnh hưởng nhất định đến

sự hòa tan, tích lũy của phytolith. Phương pháp nghiên cứu một số tính chất được

trình bày tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 2. Tóm tắt phương pháp nghiên cứu được sử dụng để xác định một số chỉ tiêu

lý, hóa học trong môi trường đất

Chỉ tiêu Phƣơng pháp phân tích

Chất hữu cơ Phương pháp Walkley_Black.

10 g đất khô không khí rây qua 1 mm + 25 ml KCl 1 N. Lắc

15 phút tại 150 vòng/phút, để yên 2 giờ và đo pH với pHKCl

máy pH meter Starter 3000, Ohaus, Mỹ.

Phương pháp gạn lắng trong môi trường thủy tĩnh theo

Thành phần cơ giới phương trình lắng Stockes sử dụng ống hút Robinson sau khi

loại bỏ chất hữu cơ bằng cách xử lý với H2O2 30%.

Đất sau khi xử lý và đồng nhất qua rây 1 mm được ngâm với

Độ dẫn điện (EC) nước deion theo tỷ lệ 1:10 (g:ml). Lắc trong 5 phút và đo với

máy EC meter (AD3000, ADWA)

Thành phần hóa Phương pháp PIXE với máy gia tốc Particle Induced X-Ray

học mẫu đất Emission; 5SDH-2 Pelletron.

Chiết rút với oxalat (tỷ lệ đất và dung dịch là 1:10 (g:ml) sau

đó Fe được xác định bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Hàm lượng Fe và (AAS; 6800, Shimazu) và Al được xác định bằng máy quang Al linh động phổ phát xạ nguyên tử (ICP-OES; PE 7300 V-ICP, Perkin

Elmer).

b) Hàm lượng phyotlith: Phương pháp chiết hóa học (với dung dịch Na2CO3)

(Demaster, 1981): Quá trình định lượng phytolith được tiến hành theo trình tự:

Bước 1 (làm sạch mẫu): Mẫu đất qua rây 0,25 mm được xử lý 3 lần với 10 ml HCl 1N và được rửa lại với nước deion, sau đó được xử lý cùng với H2O2 10% tại nhiệt độ 85oC trong bồn cách thủy. Quá trình xử lý được duy trì tại nhiệt độ 85oC trong bồn cách thủy, tuy nhiên nồng độ H2O2 tăng dần lên thành 20 và 30% và được lặp đi lặp lại cho tới khi mẫu được phân thành 2 lớp, màu đất chuyển sang màu xám. Rửa lại mẫu cùng với nước deion sau khi trải qua quá trình tiền xử lý bởi H2O2 và HCl. Dùng máy ly tâm trong vòng 5 phút với vận tốc 3000 vòng/phút để thu được phần rắn. Quá trình này lặp lại 3 - 4 lần để chắc chắn rằng H2O2 và HCl được loại ra khỏi mẫu hoàn toàn. Sấy phần mẫu còn lại bằng tủ sấy tại nhiệt độ 105oC, sau đó đồng nhất và bảo quản trong túi plastic.

Bước 2: Tách phytolith bằng cách sử dụng phương pháp hòa tan trong dung

dịch kiềm của Demaster (1981). Cân 100 mg mẫu sau khi xử lý bước 1 vào lọ nhựa 120 ml, sau đó thêm vào 100 ml dung dịch Na2CO3 1% (pH=11,2) đã được làm nóng tới 85oC. Lắc đều và duy trì nhiệt độ dung dịch trong lọ nhựa ở 85oC trong bồn cách thủy trong 7 giờ. Sau mỗi khoảng thời gian 1 giờ, 10 ml dung dịch huyền

phù trong lọ được lấy bằng pipet. 10 ml mẫu vừa lấy được giảm nhiệt độ bằng

nước đá, sau đó đem ly tâm dung dịch và phân tích hàm lượng Si (mg/L). Mỗi

mẫu đất đều được tiến hành chiết rút và phân tích ba lần tương tự. Phần dung dịch

sau ly tâm được phương pháp so màu molipden trên máy quang phổ khả kiến

(Labnics, L-VIS 400).

Bước 3: Tính toán lượng phytolith: Kết quả tính toán phytolith dựa trên 2 giả thiết: (1) hầu hết Si vô định hình được hòa tan hoàn toàn trong 2 giờ đầu tiên, và (2)

là aluminosilicates được giải phóng một cách tuyến tính theo thời gian. Nồng độ của

Si hòa tan thu được sau 2, 3, 4, 5 và 6 giờ đều có dạng 1 đường tuyến tính:

y=ax+b, với:

x: giờ (x>2) là thời gian tách;

y: (mg Si/L) là nồng độ silic hòa tan tại thời điểm x;

a: (mg Si hòa tan/giờ) là hệ số thể hiện độ dốc của đường tuyến tính, thể hiện

tốc độ MSi hoà tan theo thời gian;

b: (mg/L) thể hiện nồng độ Si sinh học hòa tan;

Hàm lượng phytolith là phần bị chắn giữa trục tung và đồ thị của đường

tuyến tính y=ax+b.

Mặc dù thực tế, một số phần của Si chiết xuất Na2CO3 (Demaster, 1981)

cũng có thể được tách từ các khoáng sét aluminosilicate tinh thể kém, trong khi một

số phytolith có cấu trúc tinh thể bền vững hơn có thể không được chiết xuất (Barão

và nnk, 2014; Meunier và nnk, 2014; Vandevenne và nnk, 2015). Nhưng vì

phytolith chủ yếu bao gồm ~ 90% silica vô định hình (SiO2) (Alexandre và nnk,

1997), do đó, hàm lượng phytolith trong đất có thể được ước tính sơ bộ từ silica vô

định hình.

c) Xác định ảnh hưởng của phytolith đối với các yếu tố lý, hóa học trong môi

trường đất.

Dựa trên phương pháp Person, là phương pháp thường được dùng trong xác

định mối quan hệ tuyến tính của các biến độc lập và biến phụ thuộc, được áp dụng

để phân tích mối quan hệ và vai trò của các tính chất lý hóa học, đặc biệt là hàm

lượng phytolith, đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ hữu cơ trong đất. Hệ số tương

quan Pearson cho các cặp biến số được xác định trên phần mềm SPSS 20.

2.3.4. Xác định mối quan hệ giữa phytolith và một số tính chất lý, hóa học với

loại đất

Dựa trên phương pháp phân tích phương sai một yếu tố (oneway Anova)

dùng để kiểm định giả thuyết trung bình bằng nhau của các nhóm mẫu với khả năng

phạm sai lầm chỉ là 5%. Sau khi xác định phân loại đất của các mẫu đất trong khu

vực nghiên cứu, cùng với các kết quả về thành phần lý, hóa học cũng như hàm

lượng OC, phytolith; thông qua phương pháp phân tích Anova, coi nhóm đất là yếu

tố quyết định và có sự ảnh hưởng đến các yếu tố khác trong môi trường và được xác

định trên phần mềm SPSS20.

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. Đặc điểm của khu vực nghiên cứu

Hoạt động canh tác ở các địa điểm nghiên cứu là rất đa dạng với nhiều loại

cây trồng và nhiều mùa vụ, tuy nhiên, hoạt động chủ yếu vẫn là canh tác lúa với 2

vụ thu hoạch trong năm (thông tin chi tiết được đề cập trong Bảng 2).

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

Chuyên lúa, 2 vụ

Quế Võ, Bắc Ninh

Chuyên lúa, 2 vụ

Kim Bảng, Hà Nam

Đất phù sa chua

Chuyên lúa, 2 vụ

Phủ Lý, Hà Nam

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Kim Bảng, Hà Nam

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Chuyên Ngọai, Hà Nam

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Ứng Hòa, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Thanh Trì, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Chương Mỹ, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Chương Mỹ, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chương Mỹ, Hà Nội

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Chuyên lúa, 2 vụ

Mỹ Đức, Hà Nội

Đất phù sa glay

Đông Anh, Hà Nội

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám có tầng loang lổ

Ba Vì, Hà Nội

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Chuyên lúa, 2 vụ

Thường Tín, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Thanh Trì, Hà Nội

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

16 Ninh Giang, Hải Dương

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

17 Ninh Giang, Hải Dương

Đất phù sa chua

Đất phù sa glay

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

1 vụ lúa,

Vĩnh Bảo, Hải Phòng

1 vụ màu

Chuyên lúa, 2 vụ

19 Dương Kinh, Hải Phòng

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

An Dương, Hải Phòng

Đất phèn hoạt động

Chuyên lúa, 2 vụ

Ân Thi, Hưng Yên

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Ân Thi, Hưng Yên

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Mỹ Hào, Hưng Yên

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Văn Lâm, Hưng Yên

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Văn Lâm, Hưng Yên

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Hoa Lư, Ninh Bình

Đất phù sa glay

Thanh Thủy, Phú Thọ

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Tam Nông, Phú Thọ

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Trường Thịnh, Phú Thọ

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

1- Chuyên ngô,

30 Quảng Yên, Quảng Ninh

Đất phù sa glay

2- Chuyên lúa

31 Quảng Yên, Quảng Ninh

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

32 Đức Chính, Quảng Ninh

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Chuyên lúa, 2 vụ

Tiền Hải, Thái Bình

Đất mặn nhiều

Chuyên lúa, 2 vụ

Cồn Vành, Thái Bình

Đất mặn trung bình

Chuyên lúa, 2 vụ

Tiền Hải, Thái Bình

Đất mặn trung bình

Chuyên lúa, 2 vụ

Đông Hưng, Thái Bình

Đất phù sa glay

Chuyên lúa, 2 vụ

Đông Hưng, Thái Bình

Đất phù sa glay

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

Lập Thạch, Vĩnh Phúc

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Tam Đảo, Vĩnh Phúc

Chuyên lúa, 2 vụ

Đất xám feralit

Vụ xuân thường diễn ra vào giữa tháng 1 và kết thúc vào cuối tháng 5, vụ

mùa bắt đầu từ đầu tháng 7 và kết thúc vào giữa tháng 10. Khu vực nghiên cứu

thường được để không 2 lần trong năm (trong tháng 5 và giai đoạn từ tháng 10 đến

hết tháng 12); một số vùng có đặc thù riêng với việc trồng thêm ngũ cốc (như ngô,

lạc, đậu tương…) hoặc luân phiên canh tác một vụ ngũ cốc rồi đến một vụ lúa trong

năm. Hầu hết các điểm trong khu vực nghiên cứu đều có điều kiện tưới tiêu thuận

lợi. Tuy nhiên, vẫn có một số vùng còn có điều kiện hạn chế và người dân tại các

vùng này phải sử dụng các phương pháp thủy lợi để đưa nước vào các cánh đồng

trước khi mùa vụ mới bắt đầu.

Sử dụng và quản lý phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch cũng có sự khác

nhau giữa các vùng trong khu vực nghiên cứu. Thông thường, rơm rạ được hoàn trả

lại đất sau mỗi mùa thu hoạch theo các hình thức khác nhau như: theo hình thức

chôn lấp trực tiếp thông qua việc cày bừa (thường là vào vụ đông xuân), hoặc rơm

rạ được phơi khô tại ruộng sau thu hoạch được đốt và rải trên cánh đồng. Tuy nhiên,

tại một số vùng, rơm rạ được đưa ra khỏi đồng ruộng sau khi thu hoạch, do điều

kiện thủy văn không được thuận lợi, hoặc có thể do việc nông dân sử dụng rơm rạ

đó cho các mục đích khác nhau như đun nấu, chăn nuôi, sử dụng làm phân bón,….

3.2. Đặc điểm của phytolith trong cây lúa

3.2.1. Hình thái và cấu trúc của phytolith trong cây lúa

Do được hình thành trong các mô cây nên phytolith có hình dạng tương tự

như các khoảng hổng trong các mô bào của cây ( Parr và Sullivan, 2005; Nguyen

và nnk, 2014). Rashid và nnk (2019) chỉ ra rằng, hình thái và kích thước của

phytolith đặc trưng cho từng tế bào chủ (thực vật). Nó phụ thuộc vào vị trí lắng

đọng của phytolih trong các loại tế bào và phụ thuộc vào tuổi của cây. Vì vậy, việc

xác định được vị trí lắng đọng của phytolith sẽ khẳng định được nguồn gốc của

thực vật hình thành nên cấu trúc phytolith đó. Ví dụ, phytolith trong cỏ hoặc cây

cói, phần lớn khư trú ngay bên dưới lớp biểu bì; trong các thực vật thuộc họ cau

dừa, cây chuối được giữ lại trong các bó mạch.

Dựa vào hình ảnh chụp cắt lớp siêu hiển vi tích hợp phần mềm YaDiY

(Hình 9), cấu trúc phytolith trong thân và lá lúa của mẫu rơm rạ trong khu vực

nghiên cứu đã được tái hiện lại rất rõ ràng. Cấu trúc xốp rỗng trong cấu tạo của cây

có các lỗ, khoảng hổng khác nhau về kích thước và có hình thù như các bó mạch

dạng sợi trong thân cây. Phần khung xương của phytolith, được biểu thị bằng màu

xanh, chính là phần cacbon và phần Si được biểu thị bằng màu tím.

So sánh giữa hình ảnh chụp cắt lớp giữa các bộ phận khác nhau trong cây

lúa, nhận thấy rằng sự phân bố Si trong phytolith ở mẫu thân lúa và lá lúa đều có

mật độ dày đặc, được xen kẽ tương đối đồng đều với phần cacbon và kết quả là

một không gian kín được hình thành. Trong cấu trúc của phytolith ở lá lúa (Hình

9a), tỷ lệ giữa Si và cacbon có xu hướng được phân chia đồng đều hơn so với tỷ lệ

giữa Si và cacbon trong cấu trúc của phytolith ở thân cây lúa (cacbon chiếm ưu thế

hơn Si) (Hình 9b); C chiếm phần lớn trong cả thân và lá. Sự khác biệt về phân bố

phytolith và cacbon ở các bộ phận khác nhau của cây liên quan đến mức độ dồi dào Si4+ khác nhau (quyết định bởi lượng cung cấp qua quá trình vận chuyển trong mạch dẫn hoặc quá trình cô đặc do bay hơi). Do ion Si4+ được dẫn truyền trong

các hệ thống mạch gỗ, mạch rây, thẩm thấu để đi đến các khoảng gian bào, gắn lên

vách tế bào, trải qua quá trình tạo nhân, polyme hóa để từng bước phát triển thành phytolith. Quá trình kết tủa Si4+ theo cơ chế thụ động (nồng độ tăng lên) do đó có

thể thành tạo ở các vị trí khác nhau trong cây. Vì vậy, lá cây sẽ là phần cơ quan

hiện diện rõ nhất về cấu trúc phytolith và trật tự Si – C cấu trúc phytolith hay nói

theo một cách khác, đây cũng là hình ảnh hiện diện mở đầu khẳng định về phytOC

trong cây lúa.

Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu

trước đây về hình thành phytolith trong thực vật nói chung và việc tìm thấy

phytolith trong cây lúa nói riêng.

(a)

(b)

Hình 9: Cấu trúc khung xương silic (phytolith) trong lá lúa (a) và trong mặt cắt

ngang thân cây lúa (b) tái hiện từ dữ liệu chụp cắt lớp siêu hiển vi.

3.2.2. Thành phần hóa học của phytolith trong cây lúa

Kết quả từ hình ảnh chụp phytolith trong tro rơm rạ được được tìm thấy có

hình quả tạ đối xứng (Hình 10a) đây cũng là hình thái đặc trưng cho phytolith tách

từ rơm rạ và là đặc điểm chỉ thị cho sự có mặt của nền văn minh lúa nước trong

các di chỉ khảo cổ.

Hình ảnh phân tích EDX từ tro đốt rơm rạ cho thấy sự hiện diện của các

nguyên tố như C, O, Si, Ca, K, Mg, Mn, Al… như những thành phần cơ bản để

cấu tạo nên phytolith trong cây (Hình 10b). Hàm lượng của các nguyên tố này

trong phytolith có thể biến động tùy theo việc rơm rạ được xử lý theo cách thức

nào (đốt, vùi). Nghiên cứu tổng hợp của nhóm tác giả Rashid và nnk, 2019, cũng

chỉ ra rằng Si là phần chính của phytolith, và được giữ lại bởi phần chất hữu cơ.

Hàm lượng cacbon hữu cơ của phytolith nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10%, nhưng

thường dao dộng trong khoảng 0,2 đến 5,8%. Hàm lượng N, P, Al, Fe, Ca, Mg, Na,

K, Mn và Ti của phytolith dao động từ 0,1 đến 5,6% . Các nguyên tố như Al, Fe, K,

Ca và Mg có thể đóng góp tới 9% phytolith trong tro lúa.

Hình 10: Hình ảnh phytolith trong tro rơm rạ được chụp qua kính hiển vi (a) và Phổ

EDX của mẫu phytolith trong tro đốt rơm rạ (b).

Mặc dù phytolith được cấu thành chủ yếu từ O và Si, tuy nhiên trong cấu trúc

của phytolith cũng có thể chứa rất nhiều các nguyên tố hóa học khác nhau và có liên

quan đến sự hút thu của cây lúa. Các nguyên tố được hút thu, khu trú ở những bộ

phận nhất định của cây có thể bị “nhốt” vào cấu trúc phytolith trong quá trình kết

tủa Si. Sau khi thu hoạch rơm rạ được hoàn trả lại đồng ruộng, phytolith sẽ được

giải phóng và tích lũy trong đất.

Thông thường, rơm rạ sau khi thu hoạch có thể được đốt hoặc trộn ủ với

phân chuồng và bón trả lại đồng ruộng. Cùng với một số khoáng chất như P, K, Ca,

Mg… còn có một lượng đáng kể phytolith được quay vòng trả lại cho đất. Tuy

nhiên, mỗi một quy trình xử lý có thể có những tác động nhất định đến “hoạt tính”

của phytolith cũng như “hành vi” của chúng khi được đưa trở lại môi trường đất. Sự

bẻ gãy, phá vỡ các vách Si trong quá trình đốt cũng có thể tạo ra số lượng nhóm Si-

OH nhiều hơn trên bề mặt của phytolith (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2014). Nhờ

đó mà khả năng hấp phụ và trao đổi của phytolith có thể được cải thiện. Quá trình

đốt cháy rơm rạ thường ảnh hưởng đặc biệt đến khả năng hòa tan của phytolith.

Bởi, về cơ bản, khi đốt cháy rơm rạ sẽ loại bỏ một lượng nhất định nước và chất hữu cơ. Sự mất nước diễn ra ở khoảng 300oC trong khi đó chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ khoảng 400oC. Kết quả này dựa trên phân tích nhiệt vi sai với mẫu rơm

rạ trong khu vực nghiên cứu, và là minh chứng cho sự ảnh hưởng của quá trình xử

lý nhiệt đến khả năng hòa tan của phytolith trong môi trường (Hình 11).

Hình 11: Biểu đồ phân tích nhiệt sai đối với mẫu rơm rạ của khu vực nghiên cứu

Phần rắn còn lại sau khi đốt (tro) bao gồm chủ yếu là phytolith và chất hữu

cơ không cháy. Lượng phytolith gần như bảo toàn trong suốt quá trình đốt, tuy

nhiên khi đốt ở nhiệt độ cao phytolith có thể chuyển hóa thành một số dạng oxit

silic bền vững. Theo Kordatos và nnk (2008), trạng thái vô định hình của silic sinh

học có thể chuyển sang các pha bền vững của oxit silic (ví dụ như tinh thể

cristobalit hoặc trydimit) ở nhiệt độ cao. Kết quả tương tự cũng được Nguyễn Ngọc

Minh và nnk (2011) chứng minh khi so sánh trạng thái tồn tại của phytolith trong hai mẫu tro tại 500 và 800oC. Quá trình chuyển hóa từ dạng vô định hình sang dạng

tinh thể được cho là có liên quan đến sự chuyển hóa của các nhóm >Si-OH trên bề

mặt phytolith (Nguyễn Ngọc Minh, 2014). Một số nghiên cứu khác khi nghiên cứu

tảo cát (chứa chủ yếu oxit silic vô định hình) đã chứng minh rằng quá trình tách

H2O của các nhóm >Si-OH sẽ thúc đẩy quá trình polyme hóa và hình thành các liên

kết >Si-O-Si<. Như vậy, sự biến đổi từ các nhóm >Si-OH thành các nhóm >Si-O-

Si< bởi quá trình dehydrat hóa cũng có thể diễn ra tương tự xử lý nhiệt đối với

phytolith.

3.3. Đặc điểm của phytolith trong môi trƣờng đất

3.3.1. Hình dạng và cấu trúc của phytolith trong môi trường đất

Hình dạng của phytolith trong đất là kết quả của quá trình biến đổi phức tạp

của các tàn tích thực vật. Các hoạt động canh tác (vùi đốt rơm rạ, cày xới đất, thay

đổi chế độ nước) hay bản thân đặc tính môi trường đất (thông qua các tác động

gián tiếp đến quá trình hòa tan, đặc biệt là hòa tan chọn lọc từng phần) đều có ảnh

hưởng đến hình thái, kích thước và đặc tính của phytolith trong đất. Kết quả của

phương pháp tách tỷ trọng của mẫu đất sau đó được chụp trên kính hiển vi điện tử

đã thể hiện rất rõ ràng hình dạng của phytolith có trong mẫu đất (Hình 12).

Hình 12: Hình ảnh phytolith trong môi trường đất được chụp bằng kính hiển vi điện tử

Hình thái của phytolith không có hình dạng cố định vì ảnh hưởng do tàn tích

của thực vật để lại trong đất và các điều kiện môi trường làm biến đổi. Hình 12 đã

mô tả lại hình thái và cấu trúc của phytolith được tách ra trong đất lúa. Phần khung

xương phytolith bao bọc bên ngoài chính là phần Si, phần màu đen là tàn tích của

hữu cơ. Trong hợp phần phytolith này, cacbon bên trong cấu trúc được Si bao bọc

bên ngoài, và ngược với hình thái của phytolith được tìm thấy trong phần thân lúa

và lá lúa của khu vực nghiên cứu.

3.3.2. Thành phần hóa học của phytolith trong môi trường đất

Tương tự như thành phần các nguyên tố tìm thấy trong phần tro đốt thông

qua hình ảnh phân tích EDX, sự xuất hiện của các nguyên tố như C, O, Si, Ca, K,

Mg, Mn, Al… cũng là những thành phần cấu tạo nên phytolith tìm thấy trong môi

trường đất. Mặc dù là “phytolith lão hóa” (đã trải qua quá trình hòa tan trong đất)

nhưng phần còn sót lại của phytolith vẫn chứa những nguyên tố dinh dưỡng quan

trọng cho cây trồng, trong đó Si, K, Ca và Mg và đặc biệt là vẫn có sự hiện diện

của C trong thành phần của phytolith trong môi trường đất.

Hình13: Phổ EDX của mẫu phytolith trong mẫu phytolith được tách tỷ trọng

3.4. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học

trong môi trƣờng đất

Tính chất lý hóa học có vai trò quan trọng đối với dòng silic thông qua việc

điều tiết các quá trình vật lý (ví dụ như xói mòn), các phản ứng hóa học (hòa tan,

rửa trôi), các quá trình sinh học (hút thu thực vật, sinh vật đất). Những tính chất cơ

bản nhất có ảnh hưởng trực tiếp đến động thái của dòng silic trong đất được trình

bày chi tiết trong Bảng 3 về pH, OC, EC, hàm lượng Fe và Al cho 39 mẫu đất thu

thập tại khu vực nghiên cứu.

Thành phần cấp hạt (%)

Thành phần hóa học (%)

Feox

Alox

Mẫu

pH KCl

g /

m c /

e F

t é S

t á C

g m

S 

n o m L

22,4

57,9

19,8

35,22

7,50

3,30

5,01

2,18

67,6

632,0

2599,8

33,5

54,8

11,8

40,73

3,32

0,60

5,83

4,50

136,9

457,6

9027,5

20,6

33,9

45,5

24,20

7,95

4,42

4,30

1,45

43,6

481,6

3030,7

34,8

51,5

13,7

24,73

8,49

3,27

7,15

7,03

163,3

2662,4

8024,7

47,2

42,9

9,9

23,34

10,17

4,63

5,97

7,93

152,3

2562,4

10027,6

29,2

54,4

16,4

31,58

7,97

3,34

4,10

3,33

59,4

290,4

6054,8

19,5

73,6

6,9

23,64

8,69

5,32

4,45

1,69

105,5

1007,6

4730,5

22,7

60,1

17,3

28,99

8,49

3,78

7,35

4,01

90,9

1189,2

6111,4

36,6

56,6

6,7

28,97

8,20

3,71

5,51

4,26

76,9

1679,2

6178,6

35,2

41,9

22,9

22,63

8,04

6,44

5,26

5,14

66,6

2690,8

8628,2

25,1

62,7

12,1

19,97

8,62

8,22

6,22

4,86

119,5

2786,8

13310,0

11,2

72,2

16,6

36,15

3,18

0,96

4,82

3,25

56,7

347,2

1777,6

20,9

36,3

42,8

27,88

6,50

5,05

5,06

5,53

58,4

1252,4

7924,6

15,6

70,3

14,1

28,85

7,82

4,86

5,35

2,57

141,5

1631,2

3300,8

Bảng 3: Kết quả phân tích một số tính chất lý, hóa cơ bản của mẫu đất

Thành phần cấp hạt (%)

Thành phần hóa học (%)

Feox

Alox

Mẫu

pH KCl

g /

m c /

e F

t é S

t á C

g m

S 

n o m L

30,4

45,6

24,0

24,24

8,81

4,38

7,14

6,24

586,7

1223,6

6024,5

34,2

53,2

12,5

26,82

9,37

3,38

4,88

4,94

276,7

1632,8

5067,8

34,0

62,8

3,2

23,69

8,78

3,43

4,37

7,35

151,2

1876,0

6029,7

19,7

52,4

28,0

29,13

8,28

4,47

5,84

1,14

157,2

454,8

3087,3

25,2

62,4

12,4

30,39

8,71

4,95

5,47

2,08

88,7

1468,8

4879,4

30,4

48,3

21,3

23,68

8,77

3,69

4,82

6,78

294,7

1670,0

9570,4

36,0

59,4

4,6

26,10

9,70

4,28

5,44

4,57

192,9

1656,0

7036,4

38,0

53,5

8,5

25,88

10,41

4,18

5,21

5,74

91,2

2936,8

8439,8

43,2

48,4

8,4

27,90

10,34

4,26

4,48

4,32

146,3

2370,4

8796,9

20,8

38,5

40,7

28,76

9,06

4,27

4,82

3,79

66,8

1714,0

6430,3

40,8

54,6

4,6

26,29

10,1

3,42

4,76

5,72

88,8

1940,8

6902,0

33,1

63,9

3,0

23,32

9,15

4,95

5,78

2,08

188,8

452,4

2249,3

30,8

63,8

5,4

25,45

10,17

5,60

4,84

3,43

64,4

1296,8

7572,8

30,8

57,4

11,8

23,56

9,74

5,81

5,32

5,02

191,7

3247,2

7043,0

40,8

54,2

5,0

24,70

10,20

5,48

5,17

4,52

94,7

2085,2

5962,5

10,1

13,5

76,4

35,29

3,99

1,65

5,62

3,40

86,3

99,2

2141,2

32,8

36,3

30,8

28,40

8,85

2,35

4,67

7,74

135,4

590,8

5111,3

17,3

12,3

70,4

2,35

9,00

4,94

6,12

1,14

31,5

278,0

1425,7

34,1

54,3

11,5

21,41

8,43

5,02

5,39

4,34

383,0

359,2

6427,7

16,8

56,4

26,8

21,06

8,11

4,83

7,27

2,78

324,3

1619,6

11996,2

21,4

53,3

25,2

24,03

8,39

5,19

6,06

2,29

112,4

452,4

3867,4

23,2

58,7

18,1

26,13

8,91

5,34

3,86

3,43

400,0

1045,2

3842,4

23,2

53,6

23,2

27,08

8,29

3,44

5,87

3,61

118,9

1241,6

7112,9

Thành phần cấp hạt (%)

Thành phần hóa học (%)

Feox

Alox

Mẫu

pH KCl

g /

m c /

e F

t é S

t á C

g m

S 

n o m L

10,0

23,5

66,5

35,00

3,02

1,42

5,21

2,08

43,2

444,0

2450,9

10,0

26,4

63,6

32,79

3,39

1,68

5,28

4,26

74,4

774,0

3501,1

Đối với tính chất vật lý, thành phần cấp hạt sét biến động từ 10,0 – 47,2%,

Căn cứ vào phân loại theo thành phần cơ giới, các mẫu đất ở khu vực nghiên cứu

tương đối đa dạng, được phân loại trong các nhóm: đất cát pha, đất thịt nặng, đất

thịt trung bình, đất sét nhẹ, sét pha thịt… trong đó, nhóm đất sét pha thịt chiếm

thành phần lớn. Kết quả phân tích pHKCl cho thấy hầu hết các mẫu đất trong khu

vực nghiên cứu có phản ứng từ axit mạnh cho tới đất kiềm nhẹ (3,86 – 7,35). Đối

với hàm lượng OC, hầu hết các mẫu đất có chứa hàm lượng ở mức trung bình cho

đến cao, với giá trị từ 1,14 - 7,93 (%). Về độ mặn của đất, theo phân loại của Bộ

Nông nghiệp Mỹ, các cấp độ mặn được chia thành các nhóm 1) Không mặn; 2) Mặn

ít; 3) Mặn trung bình; 4) Mặn nhiều tùy theo giá trị EC của đất; theo đó, các mẫu

đất tại khu vực nghiên cứu chủ yếu được xếp vào nhóm mặn nhiều, với giá trị biến

động từ 31,5 đến 586,7 µS/cm. Kết quả phân tích thành phần hóa học theo phương

pháp PIXE về hàm lượng Si tổng số dao động từ 19,97 – 40,73%, nhưng cũng có

trường hợp đặc biệt với hàm lượng Si có 2,35%. Hàm lượng Fe, Al dao động từ

3,18 – 10,41% và 0,60 – 8,22%.

Về kết quả định lượng hàm lượng phytolith được trình bày trong Bảng 4.

Si hòa tan (mg/100mg)

Nội suy tuyến tính

ASi

Phytolith

STT

0,5h

y=ax+b

(g/kg)

0,29

0,04

0,44

0,03

0,25

0,02

0,07 0,07 0,07 0,1 0,11 0,12 0,08 0,07 0,09

0,13 0,14 0,14 0,19 0,19 0,2 0,12 0,1 0,14

0,23 0,21 0,21 0,32 0,31 0,32 0,19 0,16 0,2

0,3 0,31 0,32 0,39 0,41 0,41 0,25 0,2 0,25

0,36 0,37 0,36 0,47 0,49 0,47 0,3 0,23 0,3

0,42 0,41 0,39 0,53 0,55 0,55 0,34 0,26 0,35

0,43 0,47 0,46 0,59 0,61 0,59 0,39 0,28 0,38

y = 0,052x + 0,14 y = 0,062x + 0,106 y = 0,057x + 0,12 y = 0,068x + 0,188 y = 0,074x + 0,178 y = 0,068x + 0,196 y = 0,049x + 0,098 y = 0,03x + 0,106 y = 0,046x + 0,112

R2 0,96 0,97 0,95 1,00 0,99 0,99 1,00 0,99 0,99

0,30 0,23 0,26 0,40 0,38 0,42 0,21 0,23 0,24

0,33 0,26 0,29 0,44 0,42 0,47 0,23 0,26 0,27

Bảng 4: Hàm lượng phytolith trong mẫu đất

Si hòa tan (mg/100mg)

Nội suy tuyến tính

ASi

Phytolith

STT

y=ax+b

(g/kg)

0,5h

0,37

0,01

0,40

0,04

0,87

0,03

0,33

0,05

0,28

0,01

0,43

0,03

0,79

0,04

0,69

0,03

0,35

0,04

0,59

0,05

0,39

0,02

0,46

0,16

0,63

0,06

0,51

0,08

0,56

0,02

0,92

0,02

0,1 0,1 0,11 0,1 0,1 0,11 0,19 0,21 0,22 0,28 0,04 0,12 0,07 0,08 0,08 0,11 0,11 0,11 0,18 0,19 0,2 0,16 0,16 0,17 0,08 0,08 0,08 0,11 0,12 0,13 0,09 0,1 0,1 0,07 0,03 0,09 0,15 0,15 0,14 0,12 0,12 0,12 0,13 0,15 0,15 0,26 0,26 0,28 0,14

0,15 0,16 0,18 0,16 0,15 0,18 0,33 0,36 0,36 0,17 0,1 0,2 0,12 0,13 0,13 0,19 0,19 0,19 0,32 0,33 0,33 0,27 0,26 0,27 0,13 0,15 0,12 0,23 0,22 0,24 0,14 0,14 0,15 0,15 0,18 0,19 0,25 0,25 0,25 0,2 0,2 0,19 0,22 0,23 0,23 0,34 0,38 0,39 0,24

0,23 0,24 0,24 0,25 0,24 0,27 0,5 0,52 0,52 0,26 0,2 0,29 0,18 0,2 0,19 0,29 0,31 0,3 0,49 0,49 0,5 0,45 0,46 0,48 0,21 0,24 0,2 0,4 0,41 0,38 0,21 0,22 0,22 0,23 0,47 0,27 0,38 0,4 0,39 0,33 0,34 0,29 0,35 0,35 0,36 0,49 0,48 0,51 0,37

0,31 0,29 0,34 0,35 0,33 0,39 0,61 0,63 0,64 0,35 0,27 0,35 0,23 0,26 0,26 0,38 0,37 0,37 0,6 0,61 0,65 0,58 0,59 0,58 0,24 0,25 0,26 0,5 0,52 0,51 0,27 0,27 0,28 0,32 0,55 0,36 0,46 0,48 0,48 0,43 0,42 0,35 0,44 0,42 0,43 0,56 0,57 0,58 0,46

0,35 0,35 0,4 0,36 0,39 0,41 0,68 0,74 0,72 0,41 0,32 0,44 0,27 0,3 0,28 0,44 0,45 0,45 0,71 0,73 0,73 0,68 0,71 0,72 0,29 0,3 0,31 0,61 0,57 0,6 0,32 0,29 0,32 0,4 0,74 0,41 0,54 0,55 0,54 0,48 0,51 0,46 0,49 0,49 0,5 0,62 0,64 0,67 0,53

0,38 0,39 0,44 0,4 0,45 0,47 0,76 0,79 0,75 0,47 0,38 0,48 0,29 0,32 0,31 0,49 0,51 0,48 0,79 0,8 0,8 0,77 0,79 0,79 0,32 0,34 0,33 0,64 0,63 0,67 0,35 0,31 0,34 0,44 0,79 0,44 0,58 0,57 0,58 0,51 0,54 0,46 0,53 0,55 0,54 0,66 0,69 0,71 0,6

0,43 0,42 0,48 0,46 0,46 0,52 0,83 0,86 0,88 0,52 0,39 0,56 0,32 0,39 0,37 0,56 0,57 0,54 0,82 0,88 0,89 0,84 0,85 0,86 0,35 0,36 0,35 0,72 0,75 0,74 0,35 0,35 0,35 0,47 0,87 0,5 0,68 0,66 0,67 0,58 0,59 0,54 0,61 0,6 0,61 0,72 0,72 0,76 0,62

y = 0,047x + 0,152 y = 0,046x + 0,154 y = 0,058x + 0,148 y = 0,047x + 0,176 y = 0,056x + 0,15 y = 0,058x + 0,18 y = 0,081x + 0,352 y = 0,084x + 0,372 y = 0,083x + 0,37 y = 0,064x + 0,146 y = 0,049x + 0,116 y = 0,067x + 0,156 y = 0,034x + 0,122 y = 0,044x + 0,118 y = 0,041x + 0,118 y = 0,065x + 0,172 y = 0,066x + 0,178 y = 0,059x + 0,192 y = 0,085x + 0,342 y = 0,097x + 0,314 y = 0,093x + 0,342 y = 0,097x + 0,276 y = 0,098x + 0,288 y = 0,097x + 0,298 y = 0,036x + 0,138 y = 0,033x + 0,166 y = 0,037x + 0,142 y = 0,078x + 0,262 y = 0,079x + 0,26 y = 0,088x + 0,228 y = 0,036x + 0,156 y = 0,03x + 0,168 y = 0,032x + 0,174 y = 0,06x + 0,132 y = 0,104x + 0,268 y = 0,054x + 0,18 y = 0,072x + 0,24 y = 0,061x + 0,288 y = 0,066x + 0,268 y = 0,058x + 0,234 y = 0,062x + 0,232 y = 0,061x + 0,176 y = 0,061x + 0,24 y = 0,063x + 0,23 y = 0,061x + 0,244 y = 0,056x + 0,386 y = 0,06x + 0,38 y = 0,063x + 0,394 y = 0,064x + 0,26

R2 0,97 0,99 0,96 0,93 0,94 0,94 0,99 0,98 0,97 0,99 0,96 0,99 0,97 0,97 0,96 0,99 1,00 0,98 0,96 0,99 0,98 0,99 0,98 0,98 0,99 0,97 0,94 0,97 0,98 0,98 0,90 0,97 0,91 0,95 0,96 0,97 0,99 0,97 0,98 0,96 0,97 0,94 0,98 1,00 0,99 0,99 0,96 0,98 0,96

0,33 0,33 0,32 0,38 0,32 0,39 0,75 0,80 0,79 0,31 0,25 0,33 0,26 0,25 0,25 0,37 0,38 0,41 0,73 0,67 0,73 0,59 0,62 0,64 0,30 0,36 0,30 0,56 0,56 0,49 0,33 0,36 0,37 0,28 0,57 0,39 0,51 0,62 0,57 0,50 0,50 0,38 0,51 0,49 0,52 0,83 0,81 0,84 0,56

0,37 0,37 0,36 0,42 0,36 0,43 0,83 0,89 0,88 0,34 0,28 0,37 0,29 0,28 0,28 0,41 0,42 0,46 0,81 0,74 0,81 0,66 0,69 0,71 0,33 0,40 0,33 0,62 0,62 0,54 0,37 0,40 0,41 0,31 0,63 0,43 0,57 0,69 0,63 0,56 0,56 0,42 0,57 0,54 0,58 0,92 0,90 0,93 0,62

0,63

0,03

Si hòa tan (mg/100mg)

Nội suy tuyến tính

ASi

Phytolith

STT

y=ax+b

(g/kg)

0,5h

0,52

0,03

0,98

0,01

0,89

0,01

0,14 0,14 0,13 0,16 0,15 0,28 0,28 0,26 0,22 0,32 0,25

0,25 0,25 0,28 0,25 0,22 0,4 0,41 0,4 0,35 0,37 0,35

0,37 0,38 0,33 0,34 0,32 0,57 0,57 0,57 0,53 0,54 0,54

0,47 0,48 0,41 0,41 0,42 0,7 0,7 0,7 0,66 0,68 0,69

0,55 0,53 0,47 0,48 0,48 0,79 0,81 0,8 0,78 0,81 0,79

0,61 0,63 0,52 0,52 0,54 0,87 0,88 0,88 0,83 0,88 0,86

0,64 0,62 0,56 0,58 0,59 0,93 0,94 0,94 0,9 0,94 0,95

y = 0,068x + 0,256 y = 0,063x + 0,276 y = 0,057x + 0,23 y = 0,059x + 0,23 y = 0,066x + 0,206 y = 0,089x + 0,416 y = 0,092x + 0,412 y = 0,092x + 0,41 y = 0,091x + 0,376 y = 0,1x + 0,37 y = 0,099x + 0,37

R2 0,96 0,92 0,98 0,99 0,98 0,98 0,97 0,98 0,97 0,97 0,98

0,55 0,59 0,49 0,49 0,44 0,89 0,88 0,88 0,81 0,79 0,79

0,61 0,66 0,54 0,54 0,49 0,99 0,98 0,98 0,90 0,88 0,88

0,27

0,34

0,37

0,41

0,42

y = 0,037x + 0,214

0,14

0,2

0,93

0,46

0,51

0,29

0,34

0,39

0,41

0,44

y = 0,037x + 0,226

0,97

0,54

0,04

0,13

0,2

0,48

0,53

0,13

0,21

0,31

0,38

0,42

0,43

0,48

y = 0,039x + 0,248

0,94

0,53

0,59

0,46

0,02

0,47

0,01

0,47

0,04

0,33

0,01

0,38

0,02

0,33

0,01

0,51

0,04

0,39

0,05

1,02

1,13

0,22

0,05

0,19

0,03

0,48

0,04

0,1 0,1 0,11 0,12 0,12 0,14 0,08 0,09 0,12 0,07 0,09 0,09 0,07 0,07 0,08 0,11 0,13 0,13 0,12 0,14 0,13 0,07 0,08 0,09 0,09 0,08 0,06 0,05 0,04 0,07 0,05 0,05 0,05 0,11 0,11

0,16 0,19 0,18 0,19 0,19 0,22 0,17 0,16 0,18 0,14 0,13 0,14 0,14 0,12 0,14 0,14 0,16 0,16 0,21 0,23 0,22 0,16 0,15 0,15 0,16 0,13 0,14 0,09 0,08 0,11 0,09 0,1 0,09 0,19 0,19

0,24 0,3 0,27 0,31 0,31 0,33 0,3 0,28 0,29 0,24 0,24 0,24 0,22 0,22 0,23 0,18 0,19 0,18 0,29 0,28 0,3 0,27 0,26 0,27 0,25 0,24 0,25 0,16 0,15 0,18 0,18 0,17 0,18 0,29 0,3

0,32 0,38 0,34 0,4 0,41 0,41 0,36 0,35 0,37 0,31 0,33 0,33 0,29 0,29 0,28 0,2 0,22 0,23 0,35 0,36 0,36 0,36 0,36 0,38 0,31 0,29 0,3 0,23 0,22 0,23 0,22 0,22 0,24 0,34 0,37

0,36 0,46 0,38 0,48 0,48 0,5 0,42 0,38 0,43 0,37 0,35 0,37 0,33 0,3 0,35 0,22 0,24 0,25 0,39 0,41 0,42 0,4 0,41 0,43 0,36 0,31 0,36 0,26 0,26 0,28 0,29 0,29 0,29 0,39 0,42

0,39 0,51 0,39 0,54 0,54 0,55 0,46 0,46 0,46 0,42 0,41 0,42 0,37 0,34 0,4 0,25 0,27 0,26 0,43 0,45 0,44 0,49 0,47 0,46 0,41 0,38 0,4 0,32 0,3 0,3 0,35 0,35 0,34 0,44 0,46

0,4 0,53 0,46 0,58 0,59 0,61 0,49 0,48 0,52 0,46 0,48 0,47 0,39 0,36 0,39 0,26 0,29 0,3 0,46 0,49 0,47 0,5 0,53 0,52 0,44 0,42 0,46 0,33 0,33 0,33 0,37 0,37 0,37 0,47 0,5

y = 0,039x + 0,186 y = 0,059x + 0,2 y = 0,043x + 0,196 y = 0,068x + 0,19 y = 0,069x + 0,19 y = 0,07x + 0,2 y = 0,048x + 0,214 y = 0,051x + 0,186 y = 0,055x + 0,194 y = 0,055x + 0,14 y = 0,056x + 0,138 y = 0,055x + 0,146 y = 0,042x + 0,152 y = 0,033x + 0,17 y = 0,044x + 0,154 y = 0,021x + 0,138 y = 0,025x + 0,142 y = 0,027x + 0,136 y = 0,042x + 0,216 y = 0,051x + 0,194 y = 0,042x + 0,23 y = 0,059x + 0,168 y = 0,065x + 0,146 y = 0,058x + 0,18 y = 0,048x + 0,162 y = 0,045x + 0,148 y = 0,052x + 0,146 y = 0,043x + 0,088 y = 0,044x + 0,076 y = 0,037x + 0,116 y = 0,051x + 0,078 y = 0,053x + 0,068 y = 0,048x + 0,092 y = 0,046x + 0,202 y = 0,049x + 0,214

0,90 0,95 0,95 0,98 0,98 0,99 0,98 0,97 0,98 0,99 0,97 0,98 0,96 0,93 0,90 0,98 1,00 0,94 0,98 0,97 0,95 0,95 0,98 0,95 0,99 0,15 1,00 0,95 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,98

0,40 0,43 0,42 0,41 0,41 0,43 0,46 0,40 0,42 0,30 0,30 0,31 0,33 0,36 0,33 0,30 0,30 0,29 0,46 0,42 0,49 0,36 0,31 0,39 0,35 2,10 0,31 0,19 0,16 0,25 0,17 0,15 0,20 0,43 0,46

0,44 0,48 0,47 0,46 0,46 0,48 0,51 0,44 0,47 0,33 0,33 0,34 0,37 0,40 0,37 0,33 0,33 0,32 0,51 0,47 0,54 0,40 0,34 0,43 0,39 2,33 0,34 0,21 0,18 0,28 0,19 0,17 0,22 0,48 0,51

Si hòa tan (mg/100mg)

Nội suy tuyến tính

ASi

Phytolith

STT

y=ax+b

(g/kg)

0,5h

0,42

0,03

0,22

0,02

0,32

0,02

0,11 0,09 0,11 0,1 0,07 0,06 0,07 0,11 0,12 0,1

0,18 0,16 0,19 0,16 0,1 0,08 0,1 0,15 0,15 0,15

0,28 0,27 0,29 0,28 0,11 0,12 0,13 0,19 0,21 0,19

0,36 0,36 0,38 0,38 0,14 0,15 0,15 0,23 0,26 0,23

0,41 0,39 0,45 0,42 0,16 0,17 0,17 0,24 0,29 0,26

0,46 0,46 0,49 0,47 0,17 0,17 0,19 0,28 0,35 0,3

0,5 0,52 0,54 0,53 0,18 0,19 0,19 0,3 0,36 0,32

y = 0,054x + 0,186 y = 0,06x + 0,16 y = 0,061x + 0,186 y = 0,059x + 0,18 y = 0,017x + 0,084 y = 0,016x + 0,096 y = 0,016x + 0,102 y = 0,027x + 0,14 y = 0,039x + 0,138 y = 0,033x + 0,128

R2 0,98 0,98 0,97 0,97 0,94 0,91 0,94 0,97 0,97 0,99

0,40 0,34 0,40 0,39 0,18 0,21 0,22 0,30 0,30 0,27

0,44 0,38 0,44 0,43 0,20 0,23 0,24 0,33 0,33 0,30

Các giá trị hàm lượng phytolith trong đất chỉ xác định cho thời điểm lấy

mẫu, và hàm lượng phytolith trong thực tế biến động phụ thuộc vào hoạt động canh

tác. Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2016) đã mô tả về biến động theo chu kỳ năm của

dòng Si trong đất lúa, trong đó lượng phytolith là dồi dào nhất vào khoảng thời gian

cuối năm (tháng 10 - 12) khi rơm rạ được đốt và hoàn trả lại đồng ruộng. Lượng

phytolith này sau đó sẽ thất thoát dần do quá trình hòa tan, rửa trôi hoặc lấy đi do

cây trồng. Và ước tính lượng Si bị rửa trôi từ đất lúa mỗi năm có khả năng lên đến

10 tấn Si mỗi ha/năm. Kết quả nghiên cứu trình bày trong Bảng 4 cho thấy phytolith

trong các mẫu đất nghiên cứu có hàm lượng biến động từ 0,19 đến 1,02 g/kg. So với

các hệ sinh thái khác, ví dụ như tre nứa, đồng cỏ, rừng lá kim, đồng lúa mì (Guntzer

và nnk, 2012; Klotzbücher và nnk, 2016) có thể thấy, mặc dù hệ canh tác lúa có sự

tích lũy và hoàn trả phytolith rất lớn nhưng đất lúa lại chứa lượng phytolith khá

thấp. Điều này có thể do tình trạng ngập nước đã đẩy nhanh tốc độ hòa tan và rửa

trôi phytolith khỏi tầng đất mặt.

Hàm lượng phytolith trong đất có mối tương quan khá mật thiết với OC, Feox,

Alox, nhưng có sự ảnh hưởng ngược lại với pH, EC đất. Mặc dù thành phần sét có

mối tương quan thuận với hàm lượng phytolith nhưng mối quan hệ giữa thành phần

limon và cát với hàm lượng phytolith không được thể hiện rõ ràng. Những đánh giá

này được nhận định thông qua việc xác định được hệ số tương quan bằng phương

pháp phân tích Pearson (Bảng 5). Với hệ số tương quan mẫu còn gọi là hệ số tương

quan Pearson là một thước đo định lượng về mối quan hệ tuyến tính giữa hai biến

ngẫu nhiên. Hai biến đó có thể tương quan tuyến tính dương (r = 1), tương quan

tuyến tính âm (r = -1) hay không có mối quan hệ (r = 0). Thông thường hệ số tương

quan càng gần 1 và -1 thì độ tương quan càng chặt chẽ.

Bảng 5: Hệ số tương quan (theo Pearson’s test) giữa phytolith và một số tính chất lý

hóa học môi trường đất khu vực nghiên cứu.

Phytolith

pH

OC

EC

Sét

Feox

Alox

-0,302

0,239

-0,041

0,419**

0,155

0,258

Phytolith

0,040

0,241

-0,068

0,254

0,072

pH

0,269

0,615**

0,491**

OC

0,449**

0,198

0,243

0,047

EC

0,465**

0,491**

Sét

0,691**

Feox

Alox

(** thể hiện mối tương quan Pearson chặt chẽ hơn p <0,01; và * thì tương ứng với

hệ số tương quan Pearson p thấp hơn tương ứng với p <0,05).

Phytolith thể hiện quan hệ chặt nhất với thành phần sét trong đất (p <0,01),

với hệ số tương quan là 0,419. Với các tính chất khác, hàm lượng phytolith thể hiện

xu hướng tương quan thuận với hàm lượng OC, Feox, Alox lần lượt là 0,239; 0,155,

và 0,258, và tương quan nghịch với các yếu tố như pH và EC trong môi trường.

Hàm lượng cacbon thể hiện sự tương quan chặt chẽ với thành phần sét t (p

<0,01) với hệ số tương quan là 0,615 và với hàm lượng Alox, Feox (p <0,01), với hệ

số tương quan lần lượt là 0,419 và 0,449 và có xu hướng tương quan thuận với EC

trong môi trường.

Các kết quả tương đồng về hình thái, thành phần, cấu trúc của phytolith và

cacbon trong rơm rạ, trong đất; đồng thời thông qua xu hướng tương quan khi sử

dụng phương pháp phân tích Pearson, những thông tin về mối quan hệ cũng như về

vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong môi trường đất lúa có thể được

coi là căn cứ, nền tảng cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo.

3.5. Xác định mối quan hệ giữa phytolith, một số tính chất lý, hóa học trong

môi trƣờng đất với loại đất

Nguồn gốc phát sinh đất cũng có thể là một trong những yếu tố ảnh hưởng

đến sự tích lũy hay hòa tan phytolith cũng như ảnh hưởng đến các tính chất lý, hóa

học khác trong môi trường. Căn cứ theo phân loại đất (Bảng 2) và các kết quả phân

tích hàm lượng phytolith và các tính chất lý hóa học, phân tích Anova được thiết

lập. Kết quả được thể hiện chi tiết trong Bảng 6 và Bảng 7:

Thống kê Levene df1

df2 Mức ý nghĩa

Phytolith

2.919

0.049

0.301

0.825

Sét

0.837

0.484

1.406

0.259

3.851

0.018

0.792

0.507

0.454

0.716

Alox

0.357

0.784

Feox

Bảng 6: Thông tin về tính đồng nhất của phương sai

Trong Bảng 6, thông tin về tính đồng nhất của phương sai có giá trị của mức

ý nghĩa > 0.05 thì phương sai giữa các lựa chọn của biến ở trên không khác nhau,

khi đó kết quả các biến phụ thuộc được xét tiếp trong bảng kết quả Anova.

Tổng bình phương

Trung bình

Mức ý nghĩa

Giữa các nhóm

2869.035

478.173 1.033

0.423

Phytolith

Trong cùng nhóm

14816.657

463.021

Tổng

17685.692

Giữa các nhóm

77142.054

12857.009 0.346

0.907

Trong cùng nhóm

1190767.382

37211.481

Tổng

1267909.436

Giữa các nhóm

71407.946

11901.324 1.335

0.271

Sét

Trong cùng nhóm

285304.413

8915.763

Tổng

356712.359

Giữa các nhóm

3082814.616

513802.436 1.490

0.213

Trong cùng nhóm

11037651.128

344926.598

Tổng

14120465.744

Giữa các nhóm

28462.426

4743.738 0.623

0.710

Trong cùng nhóm

243510.548

7609.705

Tổng

271972.974

Giữa các nhóm

14112847.603

2352141.267 2.050

0.087

Trong cùng nhóm

36714402.295

1147325.072

Tổng

50827249.897

Giữa các nhóm

329234160.342

54872360.057 0.700

0.651

Alox

Trong cùng nhóm

2507713291.556

78366040.361

Bảng 7: Hệ số tương quan trong phân tích Anova

Tổng bình phương

Trung bình

Mức ý nghĩa

Tổng

2836947451.897

Giữa các nhóm

7156215190.600

6 1192702531.767 1.674

0.160

Trong cùng nhóm 22798194198.374

712443568.699

Feox

Tổng 29954409388.974

Đối với mức ý nghĩa trong bảng Anova được xét, khi giá trị của mức ý nghĩa

> 0.05 sẽ minh chứng cho sự không phụ thuộc giữa các biến. Các kết quả về giá trị

của mức ý nghĩa lần lượt với phytolith, OC và tính chất lý, hóa học đều thể hiện sự

không phụ thuộc đối với loại đất trong môi trường thể hiện qua mức ý nghĩa lần

lượt là: 0,423; 0,907; 0,271;…. Như vậy, loại đất không phải là nguyên nhân chi

phối đến các tính chất trong đất, và đặc biệt là không gây ra ảnh hưởng đến sự tích

lũy phytolith, cacbon. Sự hiện diện của phytolith và cacbon phụ thuộc nhiều hơn

bởi điều kiện môi trường; việc hoàn trả phụ phẩm, bổ sung chất dinh dưỡng có thể

là 1 phần trong việc quyết định mối tương quan này.

KẾT LUẬN

1) Phytolith trong cây lúa có cấu trúc xốp rỗng, với các lỗ và khoảng hổng khác

nhau về hình dạng và kích thước. Mật độ Si và C xen kẽ khá đồng đều và hình

thành nên sự bao bọc lẫn nhau trong cấu trúc phytolith. Thành phần hóa học chủ

yếu gồm C, O, Si, Ca, K, Mg, Mn, Al…

2) Trong môi trường đất, xác định được hình thái điển hình của phytolith: hình

quả tạ. C bị "nhốt" bên trong Si; sự bao bọc trong liên kết Si, C có sự đảo ngược cấu

trúc của phytolith trong cây lúa. Có sự tương đồng về hành phần hóa học với

phytolith trong cây lúa. Đây là minh chứng cho kết quả của vòng tuần hoàn

phytolith trong môi trường.

3) Hàm lượng sét trong môi trường đất có tương quan chặt chẽ đến hàm lượng

phytolith và OC. Mối tương quan thuận giữa hàm lượng phytolith và OC đã góp

phần củng cố về vai trò của phytolith với sự tích lũy cacbon trong môi trường.

4) Loại đất không chi phối đến hàm lượng phytolith cũng như ảnh hưởng đến

các yếu tố khác trong môi trường. Sự ảnh hưởng này có thể đến từ các tác động bên

ngoài.

KIẾN NGHỊ

Phytolith “nhốt” một lượng đáng kể chất hữu cơ trong cấu trúc của nó và bảo

vệ lượng chất hữu cơ này khỏi các tác động bên ngoài, ví dụ như đốt, phân hủy sinh

học. Như vậy, sự biến đổi và chuyển hóa phytolith sẽ quyết định “số phận” của

phần chất hữu cơ nằm trong cấu trúc của phytolith (phytOC). Đốt rơm rạ ngày càng

trở nên phổ biến hơn và quá trình đốt tác động rõ rệt đến phytolith và phytOC. Khi

đốt, chất hữu cơ bên ngoài cấu trúc phytolith bị phân hủy và mất đi, phytolith bị mất

nước (dehydrat hóa) hoặc tái tinh thể hóa để hình thành các khoáng vật silicate có mức độ tinh thể hóa cao hơn (đặc biệt ở nhiệt độ đốt > 700oC), trong khi phytOC có

thể bị “thơm hóa” để hình thành cacbon đen (biochar) nhờ “môi trường kín” nội tại

trong cấu trúc phytolith. Bên cạnh hình thức đốt, rơm rạ có thể được vùi vào đất và

khi đó phytolith, phytOC từ rơm rạ sẽ được giải phóng vào đất sau khi phần chất

hữu cơ bọc phía ngoài phytolith bị phân hủy bởi vi sinh vật.

Mối tương quan thuận giữa phytolith và chất hữu cơ trong đất lúa đồng bằng

sông Hồng, tương đồng với các kết quả nghiên cứu khác trong thời gian gần đây,

bước đầu cho thấy vai trò của phytolith đối với sự tích lũy chất hữu cơ. Nghiên cứu

này bước đầu xác định được vai trò của phytolith đối với sự tích lũy chất hữu cơ

trong đất, và là cơ sở nền tảng để tiếp tục phát triển các nghiên cứu có liên quan, ví

dụ như các nghiên cứu về vai trò của phytolith đối với độ phì đất, động học các chất

ô nhiễm trong đất và động học hệ keo đất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Đỗ Ánh (2005), Độ phì nhiêu của đất và dinh dưỡng cây trồng, Nhà xuất bản

Nông nghiệp Hà Nội.

2. Nguyễn Ngọc Minh (2012), “Vai trò của Silic sinh học (phytolith) trong rơm

rạ đối với môi trường đất và dinh dưỡng cây trồng”, Tạp chí Nông nghiệp và

Phát triển nông thôn, (11): 47 – 52.

3. Nguyễn Ngọc Minh (2014), “Nghiên cứu đặc tính bề mặt và khả năng hấp

phụ cation của phytolith có trong rơm rạ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc

gia Hà Nội, 29 (3S), 158 – 1962.

4. Nguyễn Ngọc Minh, Trần Thị Tuyết Thu, Nguyễn Hải Hà, Nguyễn Xuân

Huân, Phạm Văn Quang, Đàm Thị Ngọc Thân, Lê Thị Kim Chi, Đinh Trọng

Hoàng, Lê Thị Lan Anh, Nguyễn Thị Vân (2016), “Tích lũy và chuyển hóa

phytolith trong đất lúa đồng bằng sông Hồng”; Tạp chí Nông nghiệp và Phát

triển nông thôn, (8): 45-52.

5. Nguyễn Xuân Cự và Trần Thị Tuyết Thu (2016), “Chất hữu cơ trong đất”,

Giáo trình dành cho cao học NXB - ĐHQG Hà Nội.

6. Phạm Quang Hà (2011), “Nghiên cứu hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất

Việt Nam”, Tạp chí Khoa học Đất, (36): 44 – 46.

7. Tôn Thất Chiểu và Lê Thái Bạt (1998), “Báo cáo tổng hợp kết quả thực hiện

dự án”, Chương trình phân loại đất Việt Nam theo phương pháp quốc tế FAO

– UNESCO, Hà Nội.

Tiếng Anh

8. Alexandre A., Meunier, J. D., Colin F., and Koud J,M, (1997), “Plant impact on the biogeochemical cycle of silicon and related weathering

processes”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, (3), 677-682.

9. Amatangelo, Peter M, Vitousek, (2008), “Stoichoimetry of Ferns Hawaii:

implication for nutirient cycling”, Ecosystem ecology, 157:619–627.

10. Bartoli, F, (1983), “The biogeochemical cycle of silicon in two temperate ecosystems”, Environmental Biogeochemistry, Ecol, Bull,

foresty (Stockholm), 35, 469-476.

11. Berthelsen, S, (1997), Impact of Silicon on Sugarcane Productivity, Yield

Decline Joint Venture Working Group Meeting, 10-12/9/1997, 36-40.

12. Blackman E, (1996), “Observations on the development of the silica cells of the leaf sheath of wheat (Triticumaestivum)”, Canadian Journal of Botany. 13. Cary, L, Alexandre, A., Meunier, J,D., Boeglin, J,L., Braun, J,J, (2005), “Contribution of phytoliths to the suspended load of biogenic silica in the

Nyong basin rivers (Cameroon)”, Biogeochemistry, 74, 101–114,

14. Clarke, J, (2003), “The occurence and significance of biogenic opal in the

regolith”, Earth Sci, Rev, 60, 175-194.

15. Datnoff, L, E., Snyder, G, H., Korndörfer, G, H, (eds,) (2001), “Silicon in

agricultur Studies in Plant Science 8, Elsevier, Amsterdam.

16. DeMaster D. J, (1981), “The supply and accumulation of silica in the marine

environments”, Geochim, Cosmochim, Acta: 1715–1732,

17. Dorweiler, J, E, Doebley, J, (1997), “Development analysis of Teosinte

Glume  Architecture1”: American Journal of Botany, 84, 1313-1322

18. Dove P.M, (1999), “The dissolution kinetics of quartz in aqeous mixed cation

solutions”, Geochim. Cosmochim. Acta. 63, 3715-3727.

19. Drees L.R., Wilding L.P., Smeck N.E., Senkayi A.L, (1989), “Minerals in soil

environments”, Soil Science Society of America, Madison, 914-974.

20. Ehrlich H, Demadis K, D., Pokrovsky O, S., Koutsoukos P. G, (2010), “Modern Views on Desilicification: Biosilica and Abiotic Silica Dissolution in Natural and Artificial Environments”, Chem, Rev, 110, 4656–4689.

21. Epstein. E, (1994), Silicon, Ann, Rev, Plant, Physiol, Plant, Mol, Biol, 50,

641-664.

22. Epstein. E, Bloom. A J, (2005), Mineral Nutrition of Plants: Principles and

Perspectives, seconded, Sinauer, Sunderland, MA.

23. Fauteux, F, Re´mus-Borel W, Menzies G. J, Be´langer R. R, (2005), “Silicon and plant disease resistance against pathogenic fungi”, FEMS Microbiol, Lett,

249, 1–6,

24. Fraysse F., Pokrovsky O. S., Meunier J. D. (2010), “Experimental study of interaction with aqueous solutions”, Geochem. terrestrial plant litter

Cosmochim. Ac., 74, pp. 74-80

25. Fraysse F., Pokrovsky O. S., Schott J., Meunier J. D, (2006), “Surface properties, solubility and dissolution kinetics of bamboo phytoliths”,

Geochem. Cosmochim. Ac., 70, 1939-1951.

26. Fraysse, F, Pokrovsky, O, S., Schott, J., Meunier, J, D, (2009), “Surface chemistry and reactivity of plant phytoliths in aqueous solutions”, Chem,

Geol., 258, 197–206,

27. Ghareeb H, Bozsó Z, Ott GP, Repenning C, Stahl F, Wydra K (2011), “Transcriptome of silicon-induced resistance against Ralstonia solanacearum

in the silicon non-accumulator tomato implicates priming effect”, Physiol Mol

Plant Pathol, 75, 83-89,

28. Guntzer, F., Keller, C., Meunier, J.D., (2012), “Benefits of plant silicon for

crop: a review”, Agron. Sustain. Dev. 32, 201–213.

29. Jones, L , P, H, Handreck, K,A, (1967), “Silica in soils, plants, and animals”,

Advances in Agronomy, 19, 107–149.

30. Karathanasis A, D, (2002), “Mineral equilibria in environment soil systems”,

Soil Mineralogy with environmental applications, (7):109-151.

31. Kauss, Seehaus K, Franke R, Gilbert S, Robert A. Dietrich and Nils Kro¨ger, (2003), “Silica deposition by a strongly cationic prolinerich protein from

systemically resistant cucumber plants”, Plant J, 33, 87–95.

32. Kawano, M., Tomita, K, (2001), “Microbial biomineralization in weathered volcanic ash deposit and formation of biogenic minerals by experimental incubation”, Am, Mineral, 86, 400-410.

33. Keeping M, G, Kvedaras O, L., Bruton A, G., (2009), “Epidermal silicon in to sugarcane sugarcane: Cultivar differences and role in resistance

borer Eldana saccharina”, Environ, Exp, Bot, 66:54–60.

34. Klotzbücher T, Leuther F, Marxen A, Vetterlein, D, Jahn, R, (2014), “Silicon

cycling and budgets in rice production systems of, Laguna, the Philippines”, Conference on Silicon in Agriculture, Stockholm Sweden.

35. Klotzbücher, T., Marxen, A., Jahn, R., Vetterlein, D., 2016, “Silicon cycle in rice paddy fields: insights provided by relations between silicon forms in

topsoils and plant silicon uptake”. Nutrient Cycles in Agroecosystems.

36. Li, Z, M, Song, Z,L., Parr, J,F., Wang, H,L, (2013), “Occluded C in rice phytoliths: implications to biogeochemical carbon sequestration”, Plant Soil, 370, 615–623.

37. Ma, J,F., Yamaji, N, (2006), “Silicon uptake and accumulation in higher

plants”, Trends Plant Sci., 11, 392–397.

38. Marschner, H, (1995), “Mineral nutrition of higher plants”, 2nd ed., Academic

Press, San Diego.

39. McNaughton, S, J., and J, L, Tarrants (1983), “Grass leaf silicification: Natural selection for an inducible defense against herbivores”, Proceedings of

the National Academy of Science, 80:790-791.

40. Meunier, J.D., Guntzer, F., Kirman, S., Keller, C. (2008), “Terrestrial plant–

Si and environmental changes”, Mineral. Mag., 72, 263–267.

41. Monger H. C. and Kelly E. F. (2002), “Soil Mineralogy with environmental applications”, Soil Science Society of America, Madison, USA, 611-636. 42. Nguyen, N.M., Dultz, S., Picardal, F., Bui, T.K.A., Pham, V.Q., Schieber, J., (2015), “Release of potassium accompanying the dissolution of rice straw

phytolith”, Chemosphere, 119, 371–376.

43. Parr J,F., Sullivan, L,A, (2011), “Phytolith occluded carbon and silica

variability in wheat cultivars”, Plant Soil, 342, 165–171.

44. Perry, CC, Belton, D, Shafran, K, (2003), “Studies of biosilicas; structuralaspects, chemical principles, model studies and the future”,

Progress in Molecular and Subcellular Biology, 33, 269–299.

45. Perry, CC, Keeling-Tucker T (1998), “Aspects of the bioinorganic chemistry of silicon in conjunction with the biometals calcium, iron and aluminium”, J InorgBiochem, 69,181–191.

46. Raid, R, N., Anderson, D, L., Ulloa, M, F, (1992), “Influence of cultivar and soil amendment with calcium silicate slag on foliar disease development ad

yield of sugarcane”, Crop Prot., 11, 84-88.

47. Rashid, I, Mir, H, S, Zurro, D, Dar, A, R, Reshi, A, Z, (2019), “Phytoliths as

proxies of the past”, Earth-Science Reviews, 194, 234 - 250.

48. Santos, G.M., Alexandre, A., Prior, C. (2016), “From radiocarbon analysis to interpretation: a comment on “phytolith radiocarbon dating in archaeological

and paleoecological research: a case study of phytoliths from modern neotropical plants and a review of the previous dating evidence”. J. Archaeol.

Sci. 71, 51–58.

49. Smits, M, M., Hoffland, E., Jongmans, A, G., van Breemen, N, (2005), “Contribution of mineral tunneling to total feldspar weathering”, Geoderma,

125, 59-69.

50. Sommer, M., Kaczorek, D., Kuzyakov, Y., Breuer, J. (2006), “Silicon pools and fluxes in soils and landscapes-a review”, J. Plant Nutr. Soil Sci., 169, 310-329.

51. Song, Z, L., Parr, J,F., Guo, F,S, (2013), “Potential of global cropland phytolith carbon sink from optimization of cropping system and fertilization”,

PLoS ONE, 8, 1–6.

52. Takahashi, E., Miyake, Y, (1976), “Silica and plant growth”, J, Sci, Soil

Manure, 47, 296-300.

53. Van der Worm, P, D, J, (1980), “Uptake of Si by five plant species as

influenced by variations in Sisupply”, Plant and Soil, 56, 153-156.

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Một số hình ảnh trong quá trình thu mẫu.

A. Bài báo liên quan đến luận văn

Minh N. Nguyen, Stefan Dultz, Andrew Meharg, Quang V. Pham, Anh N. Hoang, Than T.N. Dam, Van T. Nguyen, Khai M. Nguyen, Huan X. Nguyen, Nghia T. Nguyen. Phytolith content in Vietnamese paddy soils in relation to soil properties, Geoderma 333 (2019), 200-213.

B. Bài báo đã công bố

Thu T.T. Tran, Thao T. Nguyen, Van T. Nguyen, Huong T.H. Huynh, Thinh T.H. Nguyen, Minh N. Nguyen Copper encapsulated in grass-derived phytoliths: Characterization, dissolution properties and the relation of content to soil properties, Journal of Environmental Management 249 (2019) 109423.

Tu N. Nguyen, Minh N. Nguyen, Mary McNamara, Stefan Dultz, Andrew Meharg, Van T. Nguyen. Encapsulation of lead in rice phytoliths as a possible pollutant source in paddy soils, Environmental and Experimental Botany 162 (2019), 58-66.

Huan X. Nguyen, Van T. Nguyen, Chinh T. Tran, Anh T. Q. Nguyen, Lan Nguyen-Thanh, Anh T. K. Bui, Stefan Dultz, Ta Yeong Wu & Minh N. Nguyen. Characterization and implication of phytolith-associated potassium in rice straw and paddy soils, Archives of Agronomy and Soil Science (2018), 1354-1369.

C. T. Tran, N. T. Nga, V. T. Nguyen, H. X. Nguyen, A. Meharg, M. Carey, S. Dultz, F. Marone, S. B. Cichy & M. N. Nguyen. Phytolith-associated potassium in fern: characterization, dissolution properties and implications for slash-and- burn agriculture, Soil Use and Management 34 (2018).

Phụ lục 2. Các bài báo công trình đã công bố

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI

SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ

TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Hà Nội – Năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI

SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ

TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 8440301.01

Hà Nội – Năm 2020

MỤC LỤC

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

Tọa độ

STT

Địa điểm

Thời gian

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

STT

Địa điểm

Hoạt động canh tác

Loại đất

(b)

Phytolith

pH

OC

EC

Sét

Feox

Alox

Phytolith

pH

OC

EC

Sét

Feox

Alox

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật