Tài liệu đặc điểm địa hóa đất khu vực tả ngạn sông hồng thuộc địa bàn hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN THỊ HỒNG MINH ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA ĐẤT KHU VỰC TẢ NGẠN SÔNG HỒNG THUỘC ĐỊA BÀN HÀ NỘI Ngành: Khoáng vật học và Địa hóa học Mã số: 9 440 205 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Khắc Giảng 2. TS Nguyễn Thục Anh Hà Nội – năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trần Thị Hồng Minh ii CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu : Viết tắt Am : Amphibol As : Arsen AsS : Realga AsO43- : Arsenat BTNMT : Bộ Tài nguyên Môi trường Bf : Biofil BVTV : Bảo vệ thực vật Const : Hằng số CEC : Dung tích trao đổi cation Cd : Cadimi Cu : Đồng Cr 3+ : Crom III Cr 6+ : Crom VI Dk : Độ keo Do : Dolomit ĐA : Đông Anh ĐT : Đại Thịnh Ec : Độ dẫn diện Eh : Thế năng oxi hóa - khử FeAsA : Arsenopyrit FeCr2O4 : Cromit Gip : Gibsit GL : Gia Lâm Zn : Kẽm Z : Hóa trị Zr : Ziron Hg : Thuỷ ngân iii KHCN : Khoa học Công nghệ KLN : Kim loại nặng KTTV : Khí tượng Thủy văn LL : Đất có tầng sét loang lổ ML : Mê Linh NCS : Nghiên cứu sinh Ni : Niken NN : Nông nghiệp QCVN : Quy chuẩn Việt Nam pH : Độ axit - bazơ PCBs : Polychlorinated bitphenyls Pb : Chì PS : Đất phù sa PTN : Phòng thí nghiệm PTNT : Phát triển Nông thôn TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Td : Talaofil Ti : Inmenit Tk : Technofil Tp : Thành phố XA : Đất xám XRD : Nhiễu xạ Rơnghen SEM : Hiển vi điện tử quét VN : Vân Nội VSV : Vi sinh vật iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................... i MỤC LỤC................................................................................................................... iv CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 7 1.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ......................... 7 1.1.1. Vị trí địa lý và dân cư khu vực nghiên cứu ................................................. 7 1.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo ........................................................................ 8 1.1.3. Đặc điểm địa chất ....................................................................................... 8 1.1.4. Đặc điểm thủy văn khu vực nghiên cứu .................................................... 16 1.2. ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ, XÃ HỘI VÀ MÔI TRƯỜNG VÙNG NGHIÊN CỨU ........................................................................................................................ 21 1.2.1. Tình hình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, thủy sản .......................... 21 1.2.2. Chăn nuôi .................................................................................................. 22 1.2.3. Thương nghiệp và dịch vụ......................................................................... 23 1.3. KHÁI QUÁT HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU....23 1.3.1. Hiện trạng hoạt động sản xuất và môi trường địa bàn huyện Mê Linh ... 23 1.3.2. Hiện trạng hoạt động sản xuất và môi trường địa bàn huyện Đông Anh 23 1.3.3. Hiện trạng hoạt động sản xuất và môi trường địa bàn huyện Gia Lâm ... 23 1.3.4. Hiện trạng hoạt động sản xuất và môi trường trên địa bàn quận Long Biên ........24 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 25 2.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN .......................................................................................... 25 2.1.1. Khái niệm về đất và cơ sở phân loại đất .................................................. 25 2.1.2. Thành phần khoáng vật và thành phần hóa học của đất .......................... 33 2.1.3. Quá trình hình thành và biến đổi đất........................................................ 38 2.1.4. Các khái niệm liên quan đến địa hóa môi trường đất .............................. 46 2.1.5. Tình hình nghiên cứu địa hóa đất trên thế giới và ở Việt Nam ................ 58 v 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KHỐI LƯỢNG THỰC HIỆN ....63 2.2.1. Khái quát chung ........................................................................................ 63 2.2.2. Các phương pháp khảo sát thực địa ......................................................... 64 2.2.3. Các phương pháp nghiên cứu - phân tích trong phòng ............................ 66 2.2.4. Các phương pháp xử lý số liệu ................................................................. 72 CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM THÀNH PHẦN VẬT CHẤT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................................... 75 3.1. ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ CÁC LOẠI ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU .... 75 3.1.1. Đất phù sa (Fluvisols) (PS) ...................................................................... 77 3.1.2. Đất cát (Arenosols) (DC) .......................................................................... 79 3.1.3. Đất có tầng sét loang lổ (LL) .................................................................... 80 3.1.4. Đất xám (XA) ............................................................................................ 83 3.2. ĐẶC ĐIỂM THÀNH PHẦN ĐỘ HẠT CỦA CÁC NHÓM ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 86 3.2.1. Đặc điểm thành phần độ hạt của đất phù sa ............................................ 86 3.2.2. Đặc điểm thành phần độ hạt của nhóm đất có tầng sét loang lổ ............. 87 3.2.3. Đặc điểm thành phần độ hạt của đất xám ................................................ 88 3.3. ĐẶC ĐIỂM THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT CỦA ĐẤT TRONG KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 90 3.3.1. Đặc điểm thành phần khoáng vật của nhóm đất phù sa ........................... 90 3.3.2. Đặc điểm thành phần khoáng vật của nhóm đất có tầng sét loang lổ ...... 92 3.3.3. Đặc điểm thành phần khoáng vật của nhóm đất xám khu vực nghiên cứu94 3.4. ĐẶC ĐIỂM THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 96 3.4.1. Khái quát đặc điểm môi trường nước ....................................................... 96 CHƯƠNG 4: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........... 101 4.1. ĐẶC ĐIỂM VÀ QUY LUẬT PHÂN BỐ CỦA CÁC HỢP PHẦN QUAN TRỌNG TRONG CÁC NHÓM ĐẤT Ở KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................ 101 4.1.1. Đặc điểm phân bố của các nguyên tố trong đất khu vực nghiên cứu ..... 101 4.1.2. Phân bố hàm lượng các chất chất hữu cơ trong đất .............................. 113 vi 4.1.3. Dung lượng (khả năng) trao đổi Cation (CEC) của các nhóm đất ........ 116 4.2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÓA MÔI TRƯỜNG ĐẤT TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................................................................... 117 4.2.1. Các chỉ số địa hóa môi trường đất ......................................................... 117 4.2.2. Đặc điểm phân bố các kim loại nặng và các chất độc hại khác trong đất ....... 120 4.2.3. Đặc điểm phân bố các chất dinh dưỡng trong đất khu vực nghiên cứu ........... 134 4.3. ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................................................................... 136 4.3.1. Khái quát chung ...................................................................................... 136 4.3.2. Đánh giá hiện trạng môi trường đất khu vực nghiên cứu ...................... 136 4.3.3. Nguồn gốc, cơ chế tích tụ và phát tán của các hợp phần nhạy cảm trong đất ...........141 4.4. MỘT SỐ ĐỀ XUẤT BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................................................................... 143 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 147 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Hàm lượng trung bình của các nguyên tố chính trong vỏ Trái đất ........... 34 và trong đới thổ nhưỡng (lấy trong khoảng 20cm tính từ bề mặt).............................. 34 Bảng 2.2. Hàm lượng trung bình đã được công bố rộng rãi của các nguyên tố vết trong vỏ lục địa và trong đất tại các khu vực khác nhau (mg/kg)............................... 36 Bảng 2.3. Khái quát các trầm tích Đệ Tứ ven rìa Đông Bắc của đồng bằng Bắc Bộ . 39 Bảng 2.4. Hành vi của các nguyên tố vết trong các điều kiện môi trường ngoại sinh khác nhau .................................................................................................................... 50 Bảng 2.5. Các dạng hợp chất - ion của một số nguyên tố vết trong dung dịch đất .... 52 Bảng 2.6. Diện tích bề mặt và khả năng trao đổi cation (CEC) của một số khoáng vật trong đất ...................................................................................................................... 55 Bảng 2.7. Khả năng trao đổi cation của một số loại đất ............................................. 56 Bảng 3.1. Đặc điểm phân bố các nhóm đất, loại đất trong khu vực nghiên cứu ........ 78 Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần độ hạt của nhóm đất phù sa ........................ 86 Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần độ hạt của nhóm đất có tầng sét loang lổ ... 87 Bảng 3.4. Thống kê thành phần độ hạt của nhóm đất xám trong khu vực ................. 88 Bảng 3.5. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật trong nhóm đất phù sa ............. 91 Bảng 3.6. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của nhóm đất có tầng sét loang lổ trong khu vực nghiên cứu ........................................................................................... 92 Bảng 3.7. Kết quả thành phần khoáng vật của đất xám trong khu vực nghiên cứu ... 94 Bảng 3.8. Biến thiên hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng trong nước mặt tại khu vực nghiên cứu (đơn vị mg/l) ......................................................................................... 97 Bảng 3.9. Hệ số tương quan giữa các kim loại nặng trong nước mặt khu vực nghiên cứu ............................................................................................................................... 97 Bảng 3.10. Hệ số tương quan giữa các kim loại nặng trong nước ngầm khu vực nghiên cứu ................................................................................................................... 99 Bảng 4.1. Bảng thống kê biến thiên hàm lượng các oxit chính trong các nhóm đất .........102 Bảng 4.2.Phân bố hàm lượng một số nguyên tố vết trong các mẫu đất tại khu vực nghiên cứu (mg/kg) ................................................................................................... 105 viii Bảng 4.3. Tương quan cặp giữa các kim loại nặng trong đất ................................... 106 Bảng 4.4. Thống kê biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ trong các nhóm đất khu vực nghiên cứu ............................................................................ 114 Bảng 4.5. Biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ của nhóm đất phù sa trong khu vực nghiên cứu ..................................................................................... 114 Bảng 4.6. Biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ trong nhóm đất có tầng sét loang lổ tại khu vực nghiên cứu .................................................................. 115 Bảng 4.7. Kết quả phân tích xác định Dung lượng trao đổi Cation (CEC) trong 3 nhóm đất tại khu vực nghiên cứu .............................................................................. 116 Bảng 4.8. Thống kê biến thiên các chỉ số địa hóa trong các nhóm đất khu vực nghiên cứu ............................................................................................................................. 118 Bảng 4.9. Biến thiên hàm lượng các nguyên tố vết theo độ sâu mặt cắt của các nhóm đất tại khu vực nghiên cứu (mg/kg) .......................................................................... 121 Bảng 4.10. Biến thiên hàm lượng các kim loại nặng của 3 nhóm đất chính ............ 122 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ vị trí địa lý khu vực nghiên cứu.......................................................... 7 Hình 1.2. Sơ đồ Địa chất vùng nghiên cứu (theo tài liệu Bản đồ Địa chất tờ Hà Nội tỷ lệ 1:200.000 của Nguyễn Văn Hoành và nnk ........................................................... 9 Hình 1.3. Phẫu diện của các trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc lộ ra tại xã Vân Nội (a) và Cổ Loa (b), huyện Đông Anh ..................................................................................... 10 Hình 1.4. Trầm tích cát bãi bồi hiện đại của sông Cà Lồ tại xã Kim Hoa, huyện Mê Linh (a); Trầm tích hiện đại cát bột ven sông Đuống tại Giang Biên, Gia Lâm (b) ... 12 Hình 1.5. Bãi bồi cao (thềm bậc II) trồng quất ven sông Hồng .................................. 13 Hình 1.6. Các cánh đồng trồng rau thuộc xã Vân Nội, huyện Đông Anh và xã Quang Minh, huyện Mê Linh ................................................................................................. 21 Hình 2.1. Cấu trúc mặt cắt đất (soil profile) với các đới điển hình ......................................... 30 Hình 2.2. Thành phần khoáng vật và chất hữu cơ của đất vertisols (đất nâu): (a) khối lượng% của đất, (b) trọng lượng % pha rắn của đất ................................................... 33 Hình 2.3. Thành phần khoáng vật của đất hình thành từ các đá khác nhau trong điều kiện khí hậu ôn đới ẩm: Đất Podzol trên cát kết; (b) đất Vertisol trên granit; (c) đất Calcisol ....................................................................................................................... 34 Hình 2.4. Các nguyên tố chủ đạo và thiết yếu trong sinh vật nói chung và trong thực vật bậc cao nói riêng ................................................................................................... 35 Hình 2.5. Mặt cắt phẫu diện đất với 4 tầng O, A, E, B phát triển trên các trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc tại xã Kim Hoa, huyện Mê Linh ....................................................... 44 Hình 2.6. Mặt cắt đất với tầng B giàu kết vón laterit ở xã Vân Nội, Đông Anh ........ 45 Hình 2.7. Quan hệ giữa khả năng di chuyển các kim loại nặng với độ pH của đất .... 47 Hình 2.8. Biểu đồ biểu diễn các dạng tồn tại của thủy ngân (a) và cobalt (b) phụ thuộc vào điều kiện Eh và pH của môi trường ........................................................... 51 Hình 2.9. Vị trí của các kim loại nặng (theo quan niệm được chấp nhận trong các công trình xuất bản về môi trường và sức khỏe) ........................................................ 57 Hình 2.10. Phẫu diện đất xám bạc màu trên các trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc, Vân Nội, huyện Đông Anh (a) và các mẫu đất lấy phục vụ cho phân tích trong phòng (b)65 x Hình 2.11. a-Thiết bị đo các thông số môi trường đất (thế oxy hóa - khử (Eh), b- Đo đạc, các thông số môi trường đất tại PTN Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội ......................................................................................................................... 67 Hình 2.12 (a,b). Thành phần khoáng vật sét trong các mẫu đất phân tích bằng phương pháp SEM.................................................................................................................... 70 Hình 3.1. Sơ đồ phân loại đất trong khu vực nghiên cứu trên địa bàn Hà Nội........... 77 Hình 3.2. Đất phù sa trẻ trên bãi sông Hồng thuộc địa bàn quận Long Biên ............. 79 Hình 3.3. Bãi cát ven sông (a) và mặt cắt tầng cát (b) tại xã Chu Phan, huyện Mê Linh, Hà Nội ............................................................................................................... 80 Hình 3.4. Phẫu diện đất cát điển hình (HN2), huyện Mê Linh ................................... 80 Hình 3.5. Phẫu diện đất có tầng loang lổ bạc trắng (LLbt) điển hình (HN11) khu vàn cao thuộc xã Hải Bối, huyện Đông Anh ..................................................................... 81 Hình 3.6. Đất xám bạc màu phát triển trên các trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc ở xã Đại Thịnh, huyện Mê Linh (a) và xã Vân Nội, huyện Đông Anh (b) ............................... 83 Hình 3.7. Khảo sát đất xám có tầng sét loang lổ tại Thượng Thôn, Mê Linh (a) và xã Đại Mạch, huyện Mê Linh (b) ........................................................................... 85 Hình 3.8. Phân bố thành phần độ hạt (%) của nhóm đất phù sa tại khu vực nghiên cứu ............................................................................................................................... 87 Hình 3.9. Phân bố thành phần độ hạt trong nhóm đất có tầng sét loang lổ ................ 88 Hình 3.10. Thành phần độ hạt của nhóm đất xám trong khu vực nghiên cứu ............ 89 Hình 3.11. Phân bố thành phần độ hạt của các nhóm đất trong khu vực ................... 90 Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu đất phù sa GL33/1 huyện Gia Lâm (a), ML43/1 của huyện Mê Linh(b) ............................................................................ 92 Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của mẫu đất có tầng sét loang lổ: (a) mẫu GL12/1 từ huyện Mê Linh và mẫu ĐA44/1 lấy từ huyện Đông Anh (b) ................... 93 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ rơnghen điển hình của nhóm đất xám: mẫu ML13/1 lấy từ huyện Mê Linh (a) và mẫu VN38/2 huyện Đông Anh (b) ..................................... 95 Hình 3.15. Biểu đồ tương quan của Ni - As và Cu - Zn trong nước mặt ................... 98 Hình 4.1. Biến thiên hàm lượng các oxit chính trong 3 nhóm đất tại khu vực nghiên cứu ............................................................................................................................. 102 Hình 4.2. So sánh hàm lượng trung bình các oxit chính của 3 nhóm đất tại khu vực nghiên cứu ................................................................................................................. 104 xi Hình 4.3. Biểu đồ tương quan giữa một số nguyên tố vết quan trọng trong đất ở khu vực nghiên cứu .......................................................................................................... 106 Hình 4.4. Biến thiên hàm lượng trung bình các kim loại nặng trong đất khu vực nghiên cứu theo chiều từ Bắc xuống Nam ................................................................ 107 Hình 4.5. Biểu đồ biểu diễn biến thiên hàm lượng trung bình KLN trong đất khu vực nghiên cứu theo mặt cắt dọc (mặt cắt IK) ................................................................. 108 Hình 4.6 Biến thiên hàm lượng các oxit chính theo độ sâu mặt cắt trong khu vực nghiên cứu ................................................................................................................. 110 Hình 4.7 Biến thiên hàm lượng các kim loại nặng theo độ sâu mặt cắt trong các phẫu diện của nhóm đất có tầng sét loang lổ ..................................................................... 111 Hình 4.8. Biến thiên hàm lượng các kim loại nặng theo độ sâu mặt cắt của nhóm đất xám trong khu vực nghiên cứu ................................................................................ 112 Hình 4.9. Biến thiên hàm lượng các kim loại nặng theo độ sâu mặt cắt phẫu diện của nhóm đất phù sa trong khu vực nghiên cứu .............................................................. 113 Hình 4.10. Biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ trong nhóm đất phù sa ........................................................................................................................ 115 Hình 4.11. Biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ trong nhóm đất có tầng sét loang lổ ................................................................................................... 115 Hình 4.12. Biến thiên hàm lượng các chất hữu cơ và carbon hữu cơ trong 3 nhóm đất khu vực nghiên cứu ................................................................................................... 116 Hình 4.13. Biểu đồ biểu diễn phân bố pH của các nhóm đất theo độ sâu mặt cắt ... 118 trong khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 118 Hình 4.14. Biểu đồ biểu diễn giữa thế oxy hóa khử theo độ sâu mặt cắt của 3 nhóm đất .............................................................................................................................. 119 Hình 4.15. Biểu đồ so sánh độ dẫn điện của 3 nhóm đất trong vùng nghiên cứu ......... 120 Hình 4.16. Biểu đồ thể hiện dạng tồn tại của As trong điều kiện ngoại sinh (nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống As-O-H (a) và giàu lưu huỳnh (As-S-O-H) (b) ................................................................................................................................... 124 Hình 4.17. Phân bố As trong đất tại khu vực nghiên cứu .............................................. 124 Hình 4.18. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của Cd trong điều kiện ngoại sinh (nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống giàu lưu huỳnh (Cd-C-S-O-H) ....126 xii Hình 4.19. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của Cr trong điều kiện ngoại sinh (Nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống giàu lưu huỳnh (Cr-O-H)................................................................127 Hình 4.20. Phân bố Cr trong đất tại khu vực nghiên cứu ......................................... 128 Hình 4.21. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của Cu trong điều kiện ngoại sinh (Nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống đơn giản Cu-O-H (a) và giàu lưu huỳnh - Carbon (Cu-C-S-O-H) (b) ........................................................................... 129 Hình 4.22. Phân bố Cu trong đất tại khu vực nghiên cứu ......................................... 130 Hình 4.23. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của Pb trong điều kiện ngoại sinh (nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống giàu lưu huỳnh (Pb-S-C-O-H) ................................................................. 131 Hình 4.24. Phân bố Pb trong đất tại khu vực nghiên cứu ......................................... 131 Hình 4.25. Biểu đồ thể hiện các dạng tồn tại của Zn trong điều kiện ngoại sinh (nhiệt độ 25oC, áp suất 1 Bar) trong hệ thống giàu oxi và lưu huỳnh (Zn-O-H-S-C) ................... 133 Hình 4.26. Phân bố Zn trong đất tại khu vực nghiên cứu ......................................... 134 Hình 4.27. Hàm lượng phần trăm các chất dinh dưỡng quan trọng của 3 nhóm đất trong khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 136 Hình 4.28. Biểu đồ so sánh các kim loại nặng trong đất tại vùng nghiên cứu với QCVN 03-MT:2015/ BTNMT .................................................................................. 137 Hình 4.29. Sơ đồ phân bố các chỉ số gây tác động tiêu cực tới hệ sinh thái khu nghiên cứu ............................................................................................................................. 138 Hình 4.30. Phân bố diện của rủi ro ung thư tổng thể (a) và rủi ro gây ung thư của các nguyên tố Cr (b), As (c) và Cd (d) tính dựa trên các mẫu của đất lớp trên cùng .......... 138 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Đất là thành tạo tự nhiên nằm ở phần trên cùng của vỏ Trái đất, là sản phẩm của quá trình phong hóa hoàn toàn các đá gốc hoặc sản phẩm trầm tích của các thành tạo này. Đất là nơi xảy ra mọi hoạt động sinh sống, cư trú, di chuyển, sản xuất nông công nghiệp, khai thác tài nguyên của con người. Với đặc điểm như vậy, đất là đối tượng dễ bị ô nhiễm, tích tụ các vật chất ô nhiễm từ nhiều nguồn khác nhau. Hiện nay trên thế giới, nhất là các nước phát triển và các nước có tiềm lực kinh tế, công tác nghiên cứu địa hóa đất đang rất được chú trọng. Bản đồ địa hóa đất ở các tỷ lệ khác nhau đã được thành lập tại nhiều quốc gia như Anh Quốc, Hoa Kỳ, New Zealand, Trung Quốc… Các số liệu về Địa hóa đất chính là một trong những cơ sở quan trọng để các cơ quan chức năng lập quy hoạch quản lý và sử dụng đất hợp lý, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Ở Việt Nam, công tác nghiên cứu địa hóa đất mặc dù đã manh nha từ lâu nhưng được tiến hành mang tính chất đơn lẻ và phiến diện phục vụ cho các khía cạnh riêng rẽ của Địa hóa đất để phục vụ cho các mục đích khác nhau: Ngành Địa chất nghiên cứu hàm lượng các nguyên tố có ích trong đất (mẫu kim lượng) để tìm các dị thường phục vụ cho công tác tìm kiếm, thăm dò khoáng sản. Ngành nông nghiệp nghiên cứu thành phần hóa của đất (nông hóa-thổ nhưỡng) dưới khía cạnh hàm lượng của các nguyên tố (chủ yếu là nhóm oxit phổ biến) để phục vụ cho công tác quy hoạch cây trồng. Ngành môi trường quan tâm đến hàm lượng của các nguyên tố (đặc biệt là các kim loại nặng trong đất). Tất cả các ngành trên hầu như chỉ quan tâm đến bề nổi (hàm lượng các nguyên tố) mà chưa nghiên cứu thấu đáo đến hành vi của các nguyên tố trong môi trường đất: dạng tồn tại, khả năng di chuyển, tích tụ trong đất của các nguyên tố, đặc biệt là các nguyên tố và hợp chất có vai trò quan trọng trong đất….. Để làm rõ đặc điểm địa hóa đất, cung cấp các số liệu phục vụ cho công tác quy hoạch sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này, đặc biệt là trong các lĩnh vực nông nghiệp, môi trường và phát triển bền vững, cần phải làm sáng tỏ thành phần vật chất và đặc điểm môi trường của đất, trong đó có 3 vấn đề chính: (1) thành phần độ hạt và thành phần khoáng vật của các nhóm đất trong khu vực nghiên cứu; (2) đặc điểm địa hóa của đất và (3) các thông số môi trường đất: độ pH, Eh, Ec, khả năng trao đổi cation (CEC) cũng như khả năng hấp phụ các kim loại nặng trong các nhóm đất có 2 mặt trên địa bàn Hà Nội, từ đó bước đầu đề xuất các biện pháp bảo vệ môi trường đất, phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên môi trường, phát triển bền vững của Thủ đô. Cho đến thời điểm hiện tại, trên địa bàn cả nước cũng như trên địa bàn thủ đô vẫn chưa có các công trình nghiên cứu địa hóa đất thực thụ để phục vụ cho việc sử dụng đất hợp lý. Vì vậy, các công tác quy hoạch và sử dụng đất đai còn thiếu những cơ sở khoa học vững chắc. Khu vực tả ngạn sông Hồng thuộc địa bàn Hà Nội là một vùng kinh tế đóng vai trò quan trọng của Thủ đô. Ngoài vai trò là phên dậu phía Bắc của nội thành Hà Nội, đây còn là một khu vực phát triển rất năng động với các khu công nghiệp, các cụm dân cư đang hình thành và phát triển rất nhanh, khu vực Tả ngạn sông Hồng còn là nguồn cung cấp lương thực, thực phẩm cho nội thành. Đặc biệt trên địa bàn đã hình thành vành đai cung ứng rau xanh, cây ăn quả, hoa và cây cảnh cho thành phố như ở xã Đại Thịnh, Hát Môn, huyện Mê Linh; ở xã Vân Nội, xã Tiên Dương, huyện Đông Anh; xã Đông Dư, xã Giang Biên, huyện Gia Lâm. Việc nghiên cứu địa hóa đất là một vấn đề được đặt ra rất cấp thiết, ngoài việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch sử dụng đất còn góp phần đảm bảo an toàn và bền vững cho vành đai rau xanh phía Bắc của Hà Nội. Đề tài luận án “Đặc điểm địa hóa đất tả ngạn sông Hồng thuộc địa bàn Hà Nội” được đặt ra nhằm giải quyết những yêu cầu cấp bách của thực tiễn nêu trên. 2. Mục tiêu của luận án Làm sáng tỏ các đặc điểm địa hóa đất của khu vực tả ngạn sông Hồng thuộc địa bàn Hà Nội nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá hiện trạng môi trường đất, phục vụ cho công tác quy hoạch sử dụng tài nguyên đất hợp lý, phát triển bền vững kinh tế - xã hội trên địa bàn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng: đất trồng (có độ sâu từ 1m trở lên) ở khu vực tả ngạn sông Hồng, tập trung vào thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật và thành phần hóa học của các nhóm đất chính trên địa bàn nghiên cứu. - Phạm vi nghiên cứu: diện tích đất tả ngạn sông Hồng thuộc các huyện Mê Linh, phần lớn huyện Đông Anh (phía Nam sông Cà Lồ), huyện Gia Lâm và quận Long Biên, Hà Nội. 3 4. Nhiệm vụ của luận án - Làm sáng tỏ thành phần vật chất của đất trồng và nước ở khu vực nghiên cứu, bao gồm thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật, thành phần hoá học của các nhóm đất chính trên địa bàn các huyện Mê Linh, huyện Đông Anh, huyện Gia Lâm và quận Long Biên, Hà Nội. - Bước đầu đánh giá hiện trạng môi trường đất trồng vùng nghiên cứu, cung cấp cơ sở khoa học cho việc định hướng, quy hoạch, sử dụng bền vững tài nguyên đất của Hà Nội nói chung đặc biệt là tài nguyên đất của khu vực nghiên cứu nói riêng. 5. Giá trị khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 5.1. Giá trị khoa học - Số liệu của luận án đóng góp hết sức quan trọng cho việc làm rõ thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật và đặc điểm địa hoá đất, đặc biệt là phân bố các kim loại nặng trong các nhóm đất chính ở khu vực nghiên cứu (huyện Mê Linh, huyện Đông Anh, huyện Gia Lâm và quận Long Biên, Hà Nội). - Cung cấp cơ sở khoa học cho việc luận giải về thành phần độ hạt cũng như dạng tồn tại của các kim loại nặng: As, Cd, Hg, Pb, Zn, Mn…và làm sáng tỏ mối tương quan của thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật với các chỉ số địa hóa trong môi trường đất của khu vực nghiên cứu. - Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung thêm cơ sở dữ liệu khoa học về thành phần vật chất và đặc điểm địa hoá đất của Hà Nội nói chung và các huyện Mê Linh, huyện Đông Anh, huyện Gia Lâm và quận Long Biên nói riêng. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Các kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc định hướng khai thác và sử dụng tài nguyên đất một cách hợp lý trên địa bàn. Đây là những số liệu tin cậy giúp cho các cơ quan, ban, ngành trong lĩnh vực tài nguyên và môi trường, nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng các quy hoạch vùng nhằm phát triển hiệu quả quỹ đất, tăng trưởng cây trồng, hợp lý với chủng loại vật nuôi đồng thời là tài liệu tin cậy phục vụ công tác kiểm soát, đánh giá ô nhiễm đất từ đó đưa ra các quy chế quản lý và sử dụng đất, hạn chế và giảm thiểu các nguyên nhân gây ô nhiễm đất, góp phần phát triển bền vững của Thủ đô nói chung và vùng tả ngạn sông Hồng nói riêng. 4 6. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1. Trong khu vực nghiên cứu có 3 nhóm đất chính: (1) đất phù sa, có nguồn gốc chủ yếu từ các trầm tích của hệ tầng Thái Bình, (2) đất có tầng sét loang lổ và (3) đất xám, có nguồn gốc từ các trầm tích của hệ tầng Vĩnh Phúc. Giữa các nhóm đất có sự khác nhau khá rõ về thành phần khoáng vật ngoài nhóm khoáng vật chung Thạch anh, Illit, Kaolinit thì trong đất phù sa giàu Hematit, Magnetit, Rutil hơn còn trong nhóm đất có tầng sét loang lổ có mặt Vermiculit, Talc, Jarosit; trong đất xám có mặt Gibsit, Calcit, Dolomit. Luận điểm 2. Phần lớn đất trồng trong vùng nghiên cứu thuộc loại đất hơi chua, có môi trường oxi hóa từ yếu đến trung bình, thuộc loại đất nghèo dinh dưỡng và có hàm lượng silic rất cao. Hàm lượng nhôm và sắt biến động khá lớn giữa các nhóm đất, trong đó nhóm đất phù sa có hàm lượng oxit Fe cao hơn so với 2 nhóm đất xám và đất có tầng sét loang lổ; các oxit kiềm và kiềm thổ (K2O, Na2O, CaO, MgO) trong nhóm đất phù sa cũng cao hơn so với hai nhóm còn lại. Các nguyên tố vết có hàm lượng biến thiên rất lớn không có quy luật rõ ràng trong các nhóm đất của vùng nghiên cứu. Luận điểm 3. Ở phía Đông Nam vùng nghiên cứu có dị thường khá cao của các nguyên tố: Pb, Zn, Cd, Cr, Cu và As…So sánh với quy chuẩn quốc gia về môi trường đất cho thấy đã có sự ô nhiễm kim loại nặng trong nhóm đất phù sa, đặc biệt hàm lượng As và Cu trong một số mẫu vượt ngưỡng cho phép hàng chục lần. Các kim loại nặng khác có mức độ ô nhiễm thấp hơn. 7. Các điểm mới trong luận án Kết quả nghiên cứu của luận án đã xác định chi tiết, có hệ thống về thành phần vật chất và đặc điểm địa hoá đất trong khu vực nghiên cứu (huyện Mê Linh, huyện Đông Anh, huyện Gia Lâm và quận Long Biên, Hà Nội), cụ thể: - Làm sáng tỏ đặc điểm thành phần độ hạt và thành phần khoáng vật cũng như mối tương quan của chúng với đặc điểm địa hóa đất (phân bố các nguyên tố chính, các nguyên tố vết, đặc biệt là các kim loại nặng trong đất),. - Bước đầu xác định được đặc điểm môi trường đất khu vực nghiên cứu (độ pH của đất và nước, Eh, Ec, khả năng trao đổi Cation…) 5 - Đánh giá đặc điểm phân bố các nguyên tố (các kim loại nặng: As, Cd, Pb, Cu, Mn, Cr, Hg…) xác định được các dị thường KLN có nguy cơ gây ô nhiễm trong vùng. - Bước đầu áp dụng phương pháp hiện đại để đánh giá rủi ro tiềm tàng đối với hệ sinh thái và đánh giá mức độ rủi ro của các nguyên tố gây ung thư trong đất, từ đó đã cung cấp cơ sở khoa học để định hướng quy hoạch, phát triển bền vững và sử dụng tài nguyên đất một cách hợp lý. 8. Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương: Chương 1. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội và môi trường của khu vực nghiên cứu Chương 2. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Đặc điểm thành phần vật chất đất khu vực nghiên cứu Chương 4: Đặc điểm địa hóa đất khu vực nghiên cứu 9. Cơ sở tài liệu của luận án Luận án được hoàn thành dựa trên kết quả nghiên cứu của NCS trong những năm gần đây, cụ thể là các tài liệu mới về khảo sát thực địa do chính NCS tiến hành trong quá trình nghiên cứu và làm luận án, các kết quả phân tích gồm: 324 mẫu về các chỉ số địa hóa (pH, Eh và Ec), 146 mẫu về thành phần độ hạt, 48 mẫu phân tích nhiễu xạ rơnghen, 46 mẫu nhiệt vi sai, 42 mẫu về hiển vi điện tử quét; 42 mẫu xác định hàm lượng: SiO2, TiO2, Al2O3, oxit FeO, MnO, MgO, CaO, Na2O, K2O, P2O5; Bằng phương pháp phổ huỳnh quang tia X: phân tích 40 mẫu đất; 168 mẫu ICP - MS với các chỉ tiêu: As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Ti, Zn, Ag, Hg, Mn…phân tích từ các mẫu đất, nước và rau; 30 mẫu phân tích các chỉ tiêu CEC, carbon hữu cơ... Ngoài ra, NCS còn thu thập tài liệu nghiên cứu khoa học Bản đồ quy hoạch đất Hà Nội của Viện Quy hoạch và Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, Bản đồ địa chất tờ Hà Nội tỷ lệ 1:50.000 và kế thừa kết quả từ đề tài cấp cơ sở đã nghiệm thu phê duyệt: “Nghiên cứu đặc điểm địa hóa - khoáng vật trong đất và nước huyện Mê Linh và đề xuất các biện pháp giảm thiểu” do chính NCS làm chủ nhiệm đề tài. 10. Nơi thực hiện đề tài Luận án được thực hiện tại Bộ môn Khoáng Thạch và Địa hóa, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội. 6 11. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Khắc Giảng và TS. Nguyễn Thị Thục Anh. Nghiên cứu sinh còn nhận được sự giúp đỡ tận tình và đóng góp ý kiến của TS.Tô Xuân Bản, PGS. TS Đỗ Văn Bình, PGS.TS Nguyễn Văn Bình, PGS.TS Lê Tiến Dũng, ThS. Nguyễn Kim Long, PGS.TS Lê Thanh Mẽ, GS.TS Trần Nghi, TS. Đỗ Văn Nhuận, GS.TS Mai Trọng Nhuận, PGS.TS Nguyễn Văn Phổ, TS. Trần Ngọc Thái, TS. Phạm Văn Thanh, GS.TSKH Đặng Trung Thuận, TS. Quách Đức Tín, PGS.TS Đỗ Đình Toát, TS. Mai Trọng Tú, TS. Đặng Thị Vinh, cùng các nhà khoa học, người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp của NCS. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thầy giáo, Cô giáo, các Nhà khoa học, gia đình và bạn bè đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ NCS hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh chân thành cám ơn Lãnh đạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa Chất, Phòng Sau Đại học, Bộ môn Khoáng Thạch và Địa hóa; Phòng Thí nghiệm Địa chất, Bộ môn Quản lý Tài nguyên Khoáng sản, Khoa Địa chất, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; Viện Hóa học và Viện Địa chất, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Trung tâm Phân tích Thí nghiệm Địa chất; Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm, Tổng Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam; Đại học Vũ Hán, Trung Quốc…đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp NCS hoàn thành luận án này. 7 CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN - XÃ HỘI VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1.1. Vị trí địa lý và dân cư khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu của luận án nằm ở phía Bắc (tả ngạn) sông Hồng, thuộc địa bàn các huyện Mê Linh, Đông Anh, huyện Gia Lâm và quận Long Biên, Hà Nội có diện tích 504,61 km2. Khu vực nghiên cứu được xác định như hình 1.1. - Phía Bắc giáp huyện Sóc Sơn - Phía Tây giáp tỉnh Vĩnh Phúc - Phía Đông giáp tỉnh Hưng Yên - Phía Nam giáp quận Hoàng Mai, Hà Nội Hình 1.1. Sơ đồ vị trí địa lý khu vực nghiên cứu  Dân số: Theo số liệu của Niên giám thống kê năm 2017, [26] cho thấy, tổng dân số của khu vực nghiên cứu là 1.091.860 người, trung bình mật độ dân số trong khu vực