Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của tưới tiết kiệm nước đến lưu huỳnh và kẽm dễ tiêu trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông hồng

i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Đinh Thị Lan Phương i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Hằng Nga và GS.TS. Trần Viết Ổn đã tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành Luận án tiến sĩ này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Văn Huy Hải (trường Đại học Khoa học Tự nhiên) đã góp ý và định hướng để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học, Phòng Đào tạo Đại học & Sau đại học, các đồng nghiệp trong và ngoài trường đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án. Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Hóa cơ sở, Phòng Thí nghiệm Đất, Phòng Thí nghiệm Hóa Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả thực hiện luận án. Luận án không thể hoàn thành nếu thiếu điểm tựa gia đình. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến người thân đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ, chia sẻ để tác giả hoàn thành luận án. ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ x MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................3 3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................4 5. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................4 5.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ........................................................4 5.2 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu thí nghiệm ................................4 5.3 Bố trí thí nghiệm trong phòng ............................................................................4 5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng .......................................................4 5.5 Phương pháp phân tích mẫu đất ........................................................................4 5.6 Phương pháp xử lý thống kê để đánh giá kết quả thí nghiệm ............................5 5.7 Đánh giá năng suất lúa ......................................................................................6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ...............................................................6 6.1 Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................6 6.2 Ý nghĩa thực tiễn .....................................................................................................6 7. Đóng góp mới của luận án....................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 7 1.1 Khái quát về các nguyên tố dinh dưỡng kẽm và lưu huỳnh trong đất ....................7 1.1.1 Nguồn gốc và các dạng tồn tại của kẽm trong đất ..........................................7 1.1.2 Nguồn gốc và các dạng tồn tại của lưu huỳnh trong đất ................................8 1.2 Vai trò dinh dưỡng của kẽm và lưu huỳnh đối với lúa .........................................10 1.2.1 Vai trò dinh dưỡng của kẽm đối với lúa ........................................................10 1.2.2 Vai trò dinh dưỡng của lưu huỳnh đối với lúa ..............................................12 1.3 Thực trạng kẽm và lưu huỳnh trong đất canh tác trên thế giới và ở Việt Nam ....13 1.3.1 Thực trạng kẽm và lưu huỳnh trong đất canh tác trên thế giới .....................13 1.3.2 Hiện trạng kẽm và lưu huỳnh trong đất canh tác ở Việt Nam .......................16 1.4 Các nguyên nhân làm giảm kẽm dễ tiêu và sunphat trong đất .............................19 iii 1.4.1 Các nguyên nhân làm giảm kẽm dễ tiêu trong đất ........................................19 1.4.2 Nguyên nhân làm giảm S-SO 4 2- trong đất .....................................................22 1.5 Chuyển hóa Zn dt và S-SO 4 2- trong đất ngập nước................................................23 1.5.1 Diễn biến thế oxi hóa khử Eh, pH trong đất ngập nước ...............................23 1.5.2 Quan hệ Eh, pH với sự chuyển hóa của kẽm và lưu huỳnh trong đất ngập nước 25 1.6 Tổng quan về các phương pháp tưới tiết kiệm nước ............................................29 1.7 Các nghiên cứu về kẽm và lưu huỳnh trong đất dưới tác động của chế độ tưới ..32 1.7.1 Các nghiên cứu về kẽm và lưu huỳnh trong đất ngập thường xuyên ............32 1.7.2 Các nghiên cứu về thay đổi môi trường đất liên quan đến tưới tiết kiệm nước 35 1.8 Luận giải cho vấn đề nghiên cứu của luận án.......................................................42 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................................................. 44 2.1 Mô tả khu vực nghiên cứu ....................................................................................44 2.1.1 Vị trí địa lí......................................................................................................44 2.1.2 Đặc điểm địa hình..........................................................................................44 2.1.3 Đặc điểm khí hậu ...........................................................................................44 2.1.4 Chế độ thuỷ văn .............................................................................................47 2.1.5 Đặc điểm thổ nhưỡng ....................................................................................47 2.1.6 Hệ thống thủy lợi ...........................................................................................49 2.1.7 Thời gian canh tác lúa tại khu vực nghiên cứu .............................................50 2.2 Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................50 2.2.1 Giống lúa thí nghiệm .....................................................................................50 2.2.2 Kỹ thuật bón phân..........................................................................................51 2.2.3 Mật độ gieo cấy .............................................................................................52 2.2.4 Nước tưới .......................................................................................................52 2.2.5 Tính chất đất nền của khu thí nghiệm ...........................................................53 2.2.6 Thời gian thí nghiệm.....................................................................................54 2.2.7 Kỹ thuật tưới tiết kiệm nước được áp dụng trong luận án ............................54 2.3 Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm ..........................................................56 2.3.1 Thí nghiệm trong phòng ................................................................................56 iv 2.3.2 Thí nghiệm đồng ruộng..................................................................................57 2.4 Phương pháp xác định Eh, pH, Zn ts , Zn dt , S-SO 4 2- ..............................................62 2.4.1 Xác định Eh, pH, pH KCl ................................................................................62 2.4.2 Phân tích kẽm tổng số và kẽm dễ tiêu............................................................62 2.4.3 Phân tích sunphat ..........................................................................................64 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 66 3.1 Các kết quả pH, kẽm tổng số, kẽm dễ tiêu, sunphat trong đất nền và một số kết quả phân tích khác ............................................................................................................66 3.2 Đánh giá hàm lượng kẽm và sunphat trong đất nền khu vực nghiên cứu ............67 3.3 Diễn biến hàm lượng Zn dt và S-SO 4 2- qua công thức thí nghiệm trong phòng ....68 3.3.1 Thế oxi hóa khử, diễn biến hàm lượng Zn dt và S-SO 4 2- của công thức ngập nước thường xuyên .................................................................................................69 3.3.2 Thế oxi hóa khử, động thái Zn dt và S-SO 4 2- của công thức cạn nước tự nhiên75 3.3.3 So sánh diễn biến Zn dt và S-SO 4 2- giữa hai công thức thí nghiệm trong phòng 80 3.4 Diễn biến hàm lượng Zn dt và SO 4 2- qua công thức thí nghiệm đồng ruộng ........82 3.4.1 Diễn biến Eh, pH, kẽm dễ tiêu và lưu huỳnh trong công thức tưới ngập thường xuyên .......................................................................................................................82 3.4.2 Diễn biến Eh, pH, Zn dt , S-SO 4 2- trong công thức tưới tiết kiệm nước ..........93 3.4.3 So sánh lớp nước mặt ruộng, Eh, Zn dt , S-SO 4 2- và năng suất lúa của hai CT thí nghiệm đồng ruộng ...............................................................................................100 3.5 Nhận xét chung ...................................................................................................105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 107 1. Kết luận .................................................................................................................................... 107 2. Kiến nghị .................................................................................................................................. 108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 110 PHỤ LỤC ..................................................................................................................................... 118 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Chu trình tuần hoàn lưu huỳnh trong đất ............................................................ 9 Hình 1.2 Triệu chứng thiếu dinh dưỡng kẽm của lúa....................................................... 11 Hình 1.3 Các biểu hiện khác trên lá lúa thiếu kẽm .......................................................... 11 Hình 1.4 Vai trò của kẽm trong các công thức bón kẽm và không bón kẽm ................... 11 Hình 1.5 Sự thiếu và thừa lưu huỳnh đối với lúa ............................................................. 12 Hình 1.6. Hiện tượng ngộ độc lưu huỳnh ở lúa................................................................ 12 Hình 1.7 Các khu vực thiếu kẽm trên thế giới. ................................................................ 13 Hình 1.8 Sơ đồ cân bằng hóa học giữa kẽm và các thành phần trong đất........................ 20 Hình 1.9 Sơ đồ các nguyên nhân làm thiếu Zn dt ở trong đất ........................................... 22 Hình 1.10 Các quá trình biến đổi S-SO 4 2- trong đất ngập nước....................................... 26 Hình 1.11 Các quá trình xảy ra ở vùng kị khí và háo khí trong đất ngập nước ............... 28 Hình 2.1 Thực hiện thí nghiệm trong phòng .................................................................... 57 Hình 2.2 Ruộng tưới ngập vào một số giai đoạn sinh trưởng .......................................... 58 Hình 2.3 Ruộng tưới TKN và để cạn nước cuối thời kỳ đẻ nhánh .................................. 59 Hình 2.4 Bờ bao ngăn ruộng ngập, ruộng cạn và ống đo mức nước mặt ruộng .............. 59 Hình 2.5 Ảnh thực tế khu ruộng thí nghiệm .................................................................... 59 Hình 2.6 Mô tả khu ruộng thí nghiệm trên bản đồ ........................................................... 60 Hình 2.7 Sơ đồ hóa khu ruộng thí nghiệm ....................................................................... 60 Hình 2.8 Phân tích Zn dt bằng phương pháp điện hóa ...................................................... 64 Hình 3.1 Đồ thị diễn biến thế Eh TB của CT đất ngập nước liên tục .............................. 70 Hình 3.2 Đồ thị diễn biến hàm lượng Zn dt trong CT ngập nước liên tục ........................ 70 Hình 3.3 Diễn biến [Zn dt ] TB trong CT ngập nước liên tục ............................................ 72 Hình 3.4 Diễn biến pH, [Zn dt ] và Eh trong CT đất ngập nước liên tục ........................... 72 Hình 3.5 Diễn biến [S-SO 4 2-] trong CT ngập nước liên tục ............................................. 74 Hình 3.6 Mối quan hệ giữa Eh và [S-SO 4 2-] trong CT ngập nước liên tục ...................... 74 Hình 3.7 Quan hệ giữa Eh và lớp nước mặt ruộng của CT đất cạn nước tự nhiên .......... 76 Hình 3.8 Đồ thị diễn biến thế Eh TB của công thức đất cạn nước tự nhiên. ................... 76 Hình 3.9 Diễn biến hàm lượng Zn dt CT cạn nước tự nhiên ............................................. 77 Hình 3.10 Diễn biến Eh, pH và [SO 4 2-] của CT cạn nước tự nhiên ................................. 79 Hình 3.11 Đồ thị so sánh hai CT thí nghiệm trong phòng ............................................... 80 Hình 3.12 Đồ thị so sánh hàm lượng S-SO 4 2- của hai CT thí nghiệm trong phòng ......... 81 vi Hình 3.13 Diễn biến lớp nước mặt ruộng tưới ngập TB vào các thời điểm lấy mẫu ....... 83 Hình 3.14 Đường quá trình lớp nước mặt ruộng của CT tưới ngập ................................. 84 Hình 3.15 Đo thế oxi hóa khử Eh, pH trực tiếp trên ruộng .............................................. 85 Hình 3.16 Diễn biến Eh TB của CT tưới ngập trong 04 vụ canh tác ............................... 85 Hình 3.17 Quan hệ Eh và lớp nước mặt ruộng trong CT tưới ngập ................................. 86 Hình 3.18 Quan hệ giữa pH và lớp nước mặt ruộng của CT tưới ngập ........................... 87 Hình 3.19 Diễn biến hàm lượng Zn dt của CT tưới ngập .................................................. 89 Hình 3.20 Diễn biến hàm lượng S-SO 4 2- trong đất lúa của CT tưới ngập ....................... 92 Hình 3.21 Diễn biến pH, Eh, [SO 4 2-], [Zn2+] của CT tưới ngập ...................................... 93 Hình 3.22 Quan hệ lớp nước mặt ruộng và thế oxi hóa khử của ruộng tưới TKN .......... 95 Hình 3.23 Diễn biến hàm lượng kẽm dễ tiêu trong CT tưới TKN của 04 vụ thí nghiệm 97 Hình 3.24 Diễn biến hàm lượng S-SO 4 2- trong CT tưới TKN ......................................... 99 Hình 3.25 So sánh lớp nước mặt ruộng và thế Eh giữa CT tưới ngập và TKN ............. 100 Hình 3.26 So sánh hàm lượng kẽm dễ tiêu TB của 2 công thức tưới ............................ 101 Hình 3.27 So sánh hàm lượng ion sunphat TB của 2 công thức tưới ............................ 103 Hình 3.28 Biểu đồ so sánh năng suất TB của 2 CT thí nghiệm ..................................... 105 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hàm lượng kẽm tổng số trong một số loại đất ở vùng nhiệt đới Châu Á. ........ 13 Bảng 1.2 Hàm lượng kẽm tổng số trong một số loại đá cấu tạo nên vỏ trái đất. ............. 14 Bảng 1.3 Tình trạng thiếu dinh dưỡng trung, vi lượng ở đất Việt Nam........................... 17 Bảng 2.1 Bảng phân bố lượng mưa năm 2015, 2016 tại Trạm khí tượng Hưng Yên ...... 45 Bảng 2.2 Tính chất lý, hóa học cơ bản của phẫu diện đất (độ sâu 0-27cm) phù sa trung tính ít chua vùng ĐBSH ................................................................................................... 48 Bảng 2.3 Diện tích các nhóm đất nông nghiệp thuộc xã An Viên ................................... 49 Bảng 2.4 Hệ thống kênh mương phục vụ sản xuất nông nghiệp xã An Viên .................. 49 Bảng 2.5 Đặc điểm nông lịch vụ chiêm xuân và vụ mùa ................................................. 50 Bảng 2.6 Công thức bón phân áp dụng cho ruộng thí nghiệm ......................................... 51 Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu chất lượng nước tưới sông Cửu An ......................................... 52 Bảng 2.8 Tính chất lí hóa của khu đất thí nghiệm............................................................ 53 Bảng 2.9 Thời gian thí nghiệm cụ thể của từng vụ .......................................................... 54 Bảng 2.10 Quy trình tưới tiết kiệm nước áp dụng trong nghiên cứu ............................... 55 Bảng 2.11 Thời gian thực hiện TN trong phòng .............................................................. 57 Bảng 2.12 Thời gian lấy mẫu đất phân tích thí nghiệm các năm 2015, 2016 .................. 61 Bảng 2.13 Hàm lượng SO 4 2- trong các phép thử test máy DR2700 ................................ 65 Bảng 2.14 Hàm lượng Zn2+ trong các phép thử test máy điện hóa .................................. 65 Bảng 3.1 Các giá trị pH, pH KCl và một số kết quả phân tích khác của 05 mẫu đất nền .. 66 Bảng 3.2 Hàm lượng kẽm tổng số, kẽm dễ tiêu và sunphat trong đất nền....................... 67 Bảng 3.3 Kết quả phân tích mẫu nước sử dụng cho thí nghiệm ...................................... 69 Bảng 3.4 Kết quả nồng độ Zn dt của CT đất ngập nước liên tục (TN trong phòng).......... 71 Bảng 3.5 Kết quả nồng độ S-SO 4 2- TB của CT ngập nước liên tục ................................. 73 Bảng 3.6 Lớp nước mặt ruộng TB của CT cạn nước tự nhiên ......................................... 75 Bảng 3.7 Kết quả phân tích hàm lượng Zn dt trong CT cạn nước tự nhiên....................... 78 Bảng 3.8 Kết quả phân tích [SO 4 2-] trong CT cạn nước tự nhiên .................................... 79 Bảng 3.9 Kiểm định thống kê T-test độc lập hàm lượng Zn dt giữa CT1 và CT2 ............ 80 Bảng 3.10 Kiểm định thống kê t-test độc lập [SO 4 2-] giữa CT1 và CT2 ......................... 81 Bảng 3.11 Lớp nước mặt ruộng tưới ngập TB tại các thời điểm lấy mẫu........................ 82 Bảng 3.12 Các giá trị Eh và pH của ruộng tưới ngập vào các thời điểm lấy mẫu ........... 84 Bảng 3.13 Diễn biến hàm lượng Zn dt (mg/100gđ) trong CT tưới ngập ........................... 88 viii Bảng 3.14 Diễn biến hàm lượng S-SO 4 2- (mg/100gđ) trong CT tưới ngập ..................... 91 Bảng 3.15 Diễn biến lớp nước mặt ruộng tưới TKN trung bình (cm) vào các thời kì lấy mẫu ................................................................................................................................... 94 Bảng 3.16 Diễn biến Eh và pH TB của CT tưới tiết kiệm nước ...................................... 94 Bảng 3.17 Kết quả hàm lượng Zn dt của CT TKN (đơn vị: mg/100g).............................. 97 Bảng 3.18 Kết quả hàm lượng S-SO 4 2- của CT TKN (đơn vị: mg/100gđ) ...................... 99 Bảng 3.19 Kiểm định thống kê T-test độc lập cho [Zn dt ] giữa hai CT tưới................... 102 Bảng 3.20 Kiểm định thống kê hàm lượng S-SO 4 2- CT tưới ngập so với CT TKN ...... 103 Bảng 3.21 Năng suất bình quân trong các vụ thí nghiệm .............................................. 104 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BRHX : Bén rễ hồi xanh CT : Công thức ĐN : Đẻ nhánh ĐX : Đông xuân ĐBSH : Đồng bằng sông Hồng HT : Hè thu LĐ : Làm đòng Lớp nước mặt ruộng LNMR N1 : Ngập 1 N2 : Ngập 2 N3 : Ngập 3 PT : Phương trình S-SO 4 2- : Sunphat S dt : Lưu huỳnh dễ tiêu STD : Độ lệch chuẩn TK1 : Tiết kiệm nước 1 TK2 : Tiết kiệm nước 2 TK3 : Tiết kiệm nước 3uu TKN : Tiết kiệm nước TN : Thí nghiệm TB : Trung bình Zn ts : Kẽm tổng số Zn dt : Kẽm dễ tiêu x MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khí hậu biến đổi, môi trường ô nhiễm, tài nguyên cạn kiệt là những vấn đề báo động ở Việt Nam. Bên cạnh đó, lãng phí nước tưới, lạm dụng phân bón hóa học làm đất canh tác trở nên thoái hóa, bạc màu, thiếu dinh dưỡng đã và đang xảy ra khá phổ biến. Sản xuất lúa gạo chiếm vị trí hàng đầu cho đảm bảo an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu gạo của nước ta. Áp lực về năng suất và cung cầu thực phẩm dẫn tới lạm dụng phân bón hóa học trong canh tác lúa, thâm canh nông nghiệp, trồng gối 1-2 vụ hoa màu giữa các vụ lúa và ít quan tâm đến bổ sung các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng và trung lượng đã làm đất trở nên nghèo dinh dưỡng, trong đó có lưu huỳnh và kẽm. Lưu huỳnh (S) xét về nhu cầu dinh dưỡng cho cây trồng có vai trò quan trọng thứ tư sau các nguyên tố N, P, K. Lưu huỳnh tham gia vào quá trình hình thành các axit amin, protein và xúc tiến nhiều quá trình sinh học trong cây như quang hợp, hô hấp, xúc tiến quá trình chín của hạt. Lượng lưu huỳnh trung bình được cây trồng sử dụng cho quá trình phát triển và sinh trưởng bằng 2/3 so với khối lượng lân [1] [2]. Lưu huỳnh được cây lúa hấp thu chủ yếu dưới dạng ion sunphat (S-SO 4 2-) qua bộ rễ. Tuy nhiên, hàm lượng sunphat trong đất lúa tưới ngập thường bị thiếu bởi những nguyên nhân chính là dinh dưỡng cho cây lúa, dễ bị rửa trôi khỏi bề mặt tích điện âm của hạt keo đất, chuyển hóa thành lưu huỳnh dạng khử (H 2 S, HS-, S2-) trong đất lúa ngập nước [1] [3]. Đất canh tác lúa vùng đồng bằng sông Hồng (Việt Nam) có hàm lượng lưu huỳnh tổng số ở mức thấp đến trung bình thấp, nếu tính cả lượng lưu huỳnh bị rửa trôi thì thiếu khoảng 60÷110 kg lưu huỳnh/ha/năm [4]. Cũng như lưu huỳnh, kẽm là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự tổng hợp các chất diệp lục, hydratcacbon, axit nucleic, protein cho hạt và tăng cường khả năng hấp thu đạm, lân cho cây lúa [5]. Sự thiếu hụt kẽm dù chỉ với lượng rất nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến năng suất lúa [6]. Hầu hết đất canh tác lúa trên thế giới đều bị thiếu dinh dưỡng kẽm do tỉ lệ kẽm dễ tiêu rất thấp so với kẽm tổng số [1]. Ở Việt Nam các loại đất bạc màu, đất cát biển, đất canh tác lúa cũng trong tình trạng thiếu kẽm [7] bởi các nguyên nhân: xói mòn, cây trồng, ảnh hưởng lượng mưa, chế độ phân bón và quản lý 1 nước [5] [1]. Hiện nay, hầu hết đất nông nghiệp Việt Nam có hàm lượng dinh dưỡng rất thấp do có đặc tính chua hoặc rất chua, mức độ phân hóa mạnh, dung tích hấp thu thấp, mức độ bão hòa bazơ thấp. Điều này dẫn đến quá trình tích lũy sắt, nhôm ở dạng di động xảy ra mạnh làm các dạng dinh dưỡng trở nên bị cố định trong đất [7]. Việt Nam tuy chưa nằm trong danh sách các nước bị thiếu kẽm và lưu huỳnh trầm trọng, nhưng tập quán tưới ngập cho lúa, thiếu bổ sung phân bón vi lượng cũng góp phần làm giảm dinh dưỡng kẽm dễ tiêu (Zn dt ) trong đất canh tác [7]. Kỹ thuật tưới ngập, cách tưới truyền thống cho lúa đã làm suy giảm khí oxi trong đất canh tác dẫn đến quá trình khử các ion S-SO 4 2- thành dạng sunfua (H 2 S, HS-, S2-) do sự tham gia của các vi sinh vật đất hoạt động yếm khí; kết quả làm Zn dt trong dịch đất tạo kết tủa khó tan ZnS - dạng khó hấp thu dinh dưỡng kẽm cho lúa [6]. Tuy nhiên, cách tưới này vẫn đang được áp dụng phổ biến trong thâm canh lúa ở vùng đồng bằng sông Hồng của Việt Nam. Nếu kỹ thuật tưới ngập vẫn được duy trì thì hàm lượng Zn dt và S-SO 4 2- trong đất canh tác lúa Việt Nam có nguy cơ bị thiếu. Theo chủ trương của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, để ứng phó với tác động của biến đổi khí hậu và nguồn nước khan hiếm, cần áp dụng giống và các kỹ thuật canh tác mới trong sản xuất lúa, trong đó có kỹ thuật tưới tiết kiệm nước. Cho đến nay, đã có khoảng 395.000 ha trên tổng số 6,6÷7,7 triệu ha (xấp xỉ 6 %) đất trồng lúa trên cả nước đã được áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước theo hệ thống thâm canh lúa cải tiến SRI [8]. Theo số liệu của Viện Quy hoạch Thủy lợi, vùng đồng bằng sông Hồng có tổng diện tích lúa 545.000 ha, tuy nhiên năm 2016 mới có khoảng 10.000 ha trồng lúa được áp dụng phương thức tưới cải tiến SRI [9]. Nhiều kết quả nghiên cứu thử nghiệm đã cho kết luận kỹ thuật tưới TKN có nhiều ưu điểm như giảm phát thải khí CH 4 [10], hạn chế một số loại dịch hại, tăng khả năng chống chịu hạn hán, chống đổ ngã mà không ảnh hưởng đến năng suất lúa [11]. Hơn nữa, nhóm đất phù sa tại vùng ĐBSH là nhóm đất có diện tích lớn nhất chiếm 50,9% so với toàn diện tích tự nhiên của vùng. Các điều kiện địa hình bằng phẳng, tính chất đất màu mỡ, phản ứng trung tính ít chua thích hợp với canh tác lúa nước đã tạo nên ĐBSH là vựa lúa lớn thứ hai cả nước [12]. Bên cạnh đó, kẽm và lưu huỳnh là dinh dưỡng rất cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của lúa, đồng thời sự chuyển hóa của chúng phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nước 2 mặt ruộng. Cho đến thời điểm này, chưa có công bố khoa học nào tại Việt Nam về chuyển hóa Zn dt và S-SO 4 2- trong đất lúa dưới điều kiện áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước. Chuyển hóa kẽm và lưu huỳnh trong đất lúa là một nghiên cứu quan trọng và cần thiết cung cấp cơ sở khoa học cho việc bón phân cân đối trong sản xuất lúa, đặc biệt là khi áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước. Vì vậy, tác giả tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tưới tiết kiệm nước đến lưu huỳnh và kẽm dễ tiêu trong đất lúa phù sa trung tính ít chua – nhóm đất phổ biến của vùng đồng bằng sông Hồng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Làm rõ diễn biến hàm lượng Zn dt và S-SO 4 2- trong đất canh tác lúa thuộc nhóm đất phù sa trung tính, ít chua vùng đồng bằng sông Hồng dưới ảnh hưởng của phương pháp tưới tưới tiết kiệm nước. Kết quả nghiên cứu củng cố thêm cơ sở khoa học cho việc khuyến cáo tưới nước tiết kiệm cho lúa, giảm thiểu áp lực tưới trong ngành sản xuất lúa gạo. 3. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan vai trò dinh dưỡng và các quá trình hóa học của kẽm, mối liên quan giữa thế oxi hóa khử Eh và pH đến hàm lượng Zn dt trong đất ngập nước. - Tổng quan vai trò dinh dưỡng và các quá trình hóa học của lưu huỳnh, mối liên quan giữa thế oxi hóa khử Eh và pH đến hàm lượng S-SO 4 2- trong đất ngập nước. - Nghiên cứu diễn biến thế oxi hóa khử Eh, pH, hàm lượng Zn dt , S-SO 4 2- thông qua các thí nghiệm trong phòng. Từ đó làm rõ ảnh hưởng của chế độ đất ngập nước liên tục 4÷5 cm và quá trình rút nước đến chuyển hóa Zn dt và S-SO 4 2- trong đất lúa. - Nghiên cứu diễn biến thế oxi hóa khử Eh, pH và hàm lượng Zn dt , S-SO 4 2- thông qua các thí nghiệm đồng ruộng đối với hai kỹ thuật tưới: tưới ngập truyền thống và tưới tiết kiệm nước (TKN). Từ đó làm rõ ảnh hưởng của các chế độ tưới đến sự chuyển hóa Zn dt và S-SO 4 2- trong đất lúa. - Nghiên cứu ảnh hưởng của tưới TKN trong duy trì dinh dưỡng Zn dt , S-SO 4 2- trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng. 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hàm lượng Zn dt và S-SO 4 2- trong đất phù sa sông Hồng trung tính ít chua (FL-Fluvisol) có cấy lúa dưới ảnh hưởng của tưới TKN. Phạm vi nghiên cứu: Chuyển hóa Zn dt và S-SO 4 2- trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu Thu thập, tổng hợp các tài liệu về kỹ thuật tưới và tưới TKN. Thu thập và tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến chuyển hóa kẽm và lưu huỳnh trong đất ngập nước. Tổng hợp tài liệu và các nghiên cứu liên quan đến mối quan hệ giữa thế oxi hóa khử với dạng tồn tại của kẽm và lưu huỳnh trong đất ngập nước. 5.2 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu thí nghiệm Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu đất áp dụng theo các tiêu chuẩn: TCVN 7538-2:2005 (ISO 10381-2:2002) về kỹ thuật lấy mẫu đất, TCVN 6647:2007 (ISO 11464:2006) về xử lý đất sơ bộ để phân tích lý hóa, QCVN 39:2011/BTNMT về chất lượng nước tưới, TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1:2006) về kỹ thuật lấy mẫu nước mặt. 5.3 Bố trí thí nghiệm trong phòng Thí nghiệm trong phòng được thực hiện trong hệ thống các chậu nhựa, gồm hai công thức: đất ngập nước liên tục và đất ngập nước không liên tục, mỗi công thức 03 lần nhắc lại. Đất thí nghiệm được lấy tại vùng thực hiện thí nghiệm đồng ruộng, xã An Viên, huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên. 5.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng Thí nghiệm đồng ruộng bao gồm hai công thức: tưới ngập và tưới tiết kiệm nước, mỗi công thức 03 lần nhắc lại. Thí nghiệm được bố trí tại xã An Viên, huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên. 5.5 Phương pháp phân tích mẫu đất Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm bao gồm: 4 - Chiết kẽm tổng số theo TCVN 6649 (ISO 11446). - Chiết kẽm dễ tiêu từ đất được thực hiện theo giáo trình Methods of Soil Analysic Used in the Soil Testing Laboratory của tác giả D.A. Horneck và cộng sự. - Chiết ion sunphat từ đất được thực hiện theo TCVN 6656 : 2000 (ISO 1048 : 1995). - Phân tích ion sunphat theo phương pháp 8051 của HACH. - Phân tích kẽm dễ tiêu và kẽm tổng số theo phương pháp cực phổ Von-ampe hòa tan trên máy cực phổ đa năng CPA–HH5. - Eh, pH: Đo bằng máy đo Eh, pH cầm tay ORP/pH (hãng Toledo). - Phân tích các tính chất lý hóa đất tại khu vực thí nghiệm: + Dung trọng: xác định bằng phương pháp dao vòng tại hiện trường và cân sấy. + Tỷ trọng: xác định bằng phương pháp picnomet với đất khô qua sàng 2mm. + pH KCl : dùng dịch chiết KCl 1N. + Dung tích hấp phụ cation CEC xác định theo TCVN 8568:2010. + Thành phần hạt: xác định theo TCVN 4198:2014. + Tổng N-Nts (%): dùng phương pháp cất Kendal. + Tổng chất hữu cơ – OM (%): phương pháp Walkey Black. + Tổng P-Pts (%): phương pháp Olsen. 5.6 Phương pháp xử lý thống kê để đánh giá kết quả thí nghiệm - Sử dụng phần mềm Microsolf-Excel 2013: vẽ biểu đồ, tính giá trị trung bình theo hàm Average, độ lệch chuẩn theo hàm Stdev, hệ số tương quan Pearson, kiểm định sự khác biệt giữa hai nhóm kết quả bằng hàm T-test độc lập. - Loại bỏ số liệu nghi ngờ: khi các phép lặp của các quả phân tích có một số liệu quá cao hay quá thấp so với các số liệu. - Kiểm định T-test độc lập trên phần mềm excel để xét sự khác biệt giữa giá trị trung bình của hai nhóm có khác nhau do ngẫu nhiên hay hay do bị tác động [14]. 5 5.7 Đánh giá năng suất lúa Năng suất lúa được đánh giá dựa trên kết quả thu hoạch cuối cùng của toàn bộ lúa trên các ô thí nghiệm. Năng suất thu hoạch (tấn/ha/vụ) = 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ả𝑛 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑡ℎự𝑐 𝑡ℎ𝑢 𝑐ủ𝑎 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 𝑡ℎí 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚 (𝑡ấ𝑛) 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑐ủ𝑎 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 𝑡ℎí 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚 (ℎ𝑎) 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6.1 Ý nghĩa khoa học Luận án được thực hiện nhằm đánh giá sự biến động của hàm lượng kẽm dễ tiêu và lưu huỳnh dễ tiêu trong đất trồng lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng do ảnh hưởng của sự thay đổi lớp nước mặt ruộng theo thời gian từ thiếu khí (ngập thường xuyên) sang thoáng khí (rút nước phơi ruộng). 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp cơ sở và luận chứng cho các cơ quan chức năng để kiểm soát chế độ nước mặt ruộng nhằm duy trì dinh dưỡng trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng. Đồng thời điều chỉnh và tính toán lượng phân bón hợp lí, góp phần giảm chi phí sản xuất lúa và nâng cao thu nhập cho nông dân, bảo vệ môi trường và tiết kiệm nước tưới. 7. Đóng góp mới của luận án - Định lượng biến đổi hàm lượng kẽm dễ tiêu và hàm lượng ion sunphat trong môi trường đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng udưới ảnh hưởng của chế độ tưới. - Xác định mực nước mặt ruộng phù hợp của kỹ thuật tưới tiết kiệm nước nhằm duy trì dinh dưỡng kẽm và lưu huỳnh trong đất lúa phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng. 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về các nguyên tố dinh dưỡng kẽm và lưu huỳnh trong đất 1.1.1 Nguồn gốc và các dạng tồn tại của kẽm trong đất 1.1.1.1 Nguồn gốc kẽm trong đất Kẽm là nguyên tố dinh dưỡng trong đất được tạo thành chủ yếu từ các quá trình phong hóa các khoáng chất bao gồm sphalerite ZnS, khoáng Zn, smithsonite ZnCO 3 và zincite ZnO [15] trong quá trình hình thành đất. Sphalerite có thành phần chính là kẽm sunfua ZnS, đây là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng 60÷62 %. Ngoài ra, kẽm còn được tạo ra từ quá trình phong hóa một số loại đá: ultramafic (chứa hàm lượng kẽm 50 mg.kg-1); bazan (chứa hàm lượng kẽm 105 mg.kg-1); granit (chứa hàm lượng kẽm 39-60 mg.kg-1); syenit (chứa hàm lượng kẽm 130 mg.kg-1) [16]. Kẽm là nguyên tố kim loại lưỡng tính, có trạng thái oxi hóa duy nhất +2 ở điều kiện bình thường, có ái lực thấp với oxi và thường liên kết với lưu huỳnh để tạo ra các sunfua trong quặng sphalerit ZnS [6]. Hàm lượng kẽm trong đất phụ thuộc vào tính chất của đá, kết cấu đất, hàm lượng chất hữu cơ và pH. Vì kẽm được hấp phụ bởi khoáng chất và các thành phần hữu cơ trong hầu hết các loại đất, nên thường tích lũy trong các tầng đất mặt và giảm xuống theo độ sâu [17]. Trên thế giới, hàm lượng kẽm tổng số (Zn ts ) dao động trong khoảng 10÷300 mg.kg-1 [18], trung bình là 64 mg.kg-1 [17]. Hàm lượng Zn ts trung bình là 47 mg.kg-1 trong tầng đất dưới và 52 mg.kg-1 ở tầng đất mặt. 1.1.1.2 Dạng tồn tại của kẽm trong đất Trong đất kẽm tồn tại ở 5 dạng: 1- Hòa tan trong nước: có trong dung dịch đất; 2- Kẽm trao đổi: liên kết với các hạt đất nhờ điện tích mang điện; 3- Liên kết hữu cơ: phần ion bị hấp phụ hoặc tạo phức chất với các hợp chất hữu cơ; 4- Kẽm liên kết chặt với các 7 hạt khoáng sét của đất; 5- Kẽm trong thành phần của đá và khoáng nguyên sinh [6] [18]. Cây trồng chỉ sử dụng được dinh dưỡng kẽm gồm kẽm ở dạng hòa tan, trao đổi (dạng 1,2) và một phần dễ bị phản hấp phụ (dạng 3). Do rễ cây có lực hút ion yếu nên chỉ có thể hấp thu kẽm dễ tiêu trong dịch đất và tầng khuếch tán của các hạt keo đất [6]. Nồng độ ion kẽm di động trong đất thấp do bị hấp phụ bởi các khoáng sét và đi vào các kết tủa cacbonat, hydroxit, phosphat và sunfua [18], do các khoáng sét phổ biến trong đất nên kẽm di động (dễ tiêu) thường ở mức thấp trong đất canh tác. Hàm lượng kẽm di động lớn nhất trong đất chỉ đạt được trong điều kiện môi trường oxi hóa hoặc axit, ngược lại hàm lượng kẽm di động thấp hơn trong môi trường khử. Kẽm dễ tiêu: Kẽm dễ tiêu hay còn gọi là kẽm di động, là các dạng ion kẽm có thể khuếch tán trong dịch đất (Zn2+, Zn(OH)+) [6]. Cây trồng chỉ hấp thu được kẽm dễ tiêu (Zndt) trong dịch đất Zn2+, Zn(OH)+, kẽm trao đổi Zn2+ ở tầng khuếch tán hạt keo đất và một phần Zn2+ bị hấp phụ bởi các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, trong đất kẽm dễ tiêu chiếm tỷ lệ rất thấp so với kẽm tổng số. 1.1.2 Nguồn gốc và các dạng tồn tại của lưu huỳnh trong đất 1.1.2.1 Nguồn gốc lưu huỳnh trong đất Lớp vỏ trái đất chứa 0,06 ÷ 0,10 % S [19], được tìm thấy ở dạng tự nhiên trong các trầm tích núi lửa, các lớp tro bay và đá muối. Lưu huỳnh có mặt trong các khoáng chất sunfua như chalcopyrit, pyrrhotite, sphalerite, galena, arsenopyrit và pyrite; các khoáng sunphat như anhydrit, barit và thạch cao. Ngoài ra, khí tự nhiên, dầu, than, cát bitum và đá phiến pyrobitumen cũng chứa lưu huỳnh. Lưu huỳnh còn có thể được tìm thấy dưới dạng hydrogen sunfua (H 2 S) trong đất ngập nước [20] [21]. Do quá trình phong hoá, lưu huỳnh bị oxi hoá thành sunphat hoặc bị khử thành sunfua trong điều kiện đất yếm khí. Lưu huỳnh có nguồn gốc từ các quá trình phong hóa các khoáng (pirit FeS 2 , chacolpirit CuFeS 2 , các sunfua ZnS...) và phân hủy xác động thực vật, do đó lưu huỳnh thường tập trung nhiều ở lớp đất mặt. Những khoáng chất này bị phong hóa một phần chuyển thành sunphat, chẳng hạn như quá trình phong hóa oxi hóa khử các quặng pirit và chacolpirit: 8 2FeS 2 + 7O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + 2FeSO 4 2CuFeS 2 + 7O 2 → 2FeSO 4 + 2CuSO 4 (1.1) (1.2) Khoảng 95 % tổng lượng lưu huỳnh của hầu hết các loại đất ở dạng hữu cơ [22]. Nguyên tố S và các dạng lưu huỳnh hữu cơ phải được chuyển hóa thành sunphat (SSO 4 2-) thì cây trồng mới hấp thu được qua bộ rễ [19]. Sự chuyển hóa này chỉ được thực hiện khi có sự tham gia của các vi khuẩn đất và chỉ xảy ra trong các điều kiện ấm, ẩm và thoát nước tốt. Ion sunphat mang điện tích âm nên ít bị giữ bởi các hạt keo đất, trừ đất sét axit, trong hầu hết các loại đất ion này dễ bị rửa trôi. Đất ngập nước hình thành sunfua gây độc cho thực vật, khi nhiệt độ tăng hoặc trong điều kiện háo khí, sunfua được oxi hóa thành sunphat nhờ sự tham gia của các vi khuẩn trong đất. Đất canh tác thường xảy ra hiện tượng ion sunphat thấm xuống theo thời gian và đọng lại trên tầng đế cày, đây là nguồn có sẵn cho cây trồng khi rễ mọc dài đến độ sâu này. Chu trình tuần hoàn lưu huỳnh trong đất được minh họa trong hình 1.1: Hình 1.1 Chu trình tuần hoàn lưu huỳnh trong đất 1.1.2.2 Dạng tồn tại của lưu huỳnh trong đất Trong tầng đất mặt nông nghiệp tiêu nước tốt, lưu huỳnh tồn tại ở hai dạng hữu cơ và vô cơ, trong đó lưu huỳnh hữu cơ chiếm gần 90%. Dạng lưu huỳnh hữu cơ tuy chiếm 9