Tài liệu Nghiên cứu, đánh giá mô hình hoàn phục môi trường đất khu khai thác bauxite tân rai, tỉnh lâm đồng và đề xuất các giải pháp sử dụng đất hợp lý

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH HOÀN PHỤC MÔI TRƯỜNG ĐẤT KHU KHAI THÁC BAUXITE TÂN RAI, TỈNH LÂM ĐỒNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG ĐẤT HỢP LÝ CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGUYỄN CÔNG LONG HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH HOÀN PHỤC MÔI TRƯỜNG ĐẤT KHU KHAI THÁC BAUXITE TÂN RAI, TỈNH LÂM ĐỒNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG ĐẤT HỢP LÝ NGUYỄN CÔNG LONG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH HÀ TS. BÙI THỊ THƯ HÀ NỘI, NĂM 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Mạnh Hà (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ hướng dẫn phụ: TS. Bùi Thị Thư (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Hoàng Anh Lê (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Thu Huyền (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 18 tháng 4 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Công Long LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo quan tâm, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, lãnh đạo khoa Môi trường đã nhất trí cho tôi thực hiện nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá mô hình hoàn phục môi trường đất khu khai thác bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng và đề xuất giải pháp sử dụng đất hợp lý”. Tôi xin chân thành cảm ơn Đề tài ―Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp các giải pháp cải tạo, phục hồi hệ sinh thái khu vực bãi thải và khu khai thác khoáng sản nhằm ngăn ngừa hoa mạc hóa, sử dụng đất hiệu quả, bền vững vùng Tây Nguyên”, mã số: TN17/T04 đã tạo điều kiện cho tôi khi cung cấp thông tin, tài liệu và hỗ trợ chi phí trong quá trình thực hiện luận văn; và đề tài ―Nghiên cứu tuyển chọn tập đoàn cây trồng phù hợp và biện pháp kỹ thuật gây trồng góp phần phục hoàn môi trường sau khai thác Bauxite ở Tây Nguyên”, mã số: ĐTĐL.2011/T03 đã đồng ý cho tôi tham khảo một số thông tin, dữ liệu của đề tài. Đồng thời, bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS. Nguyễn Mạnh Hà – Trưởng phòng Địa lý Thổ nhưỡng và Tài nguyên đất - Viện Địa lý – Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam và TS. Bùi Thị Thư – Giảng viên Khoa Môi trường – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đồng nghiệp đã luôn đồng hành, động viên tôi trong quãng thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2019 HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Công Long MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ........................................................................................................ i Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii Mục lục ............................................................................................................... iii Danh mục từ viết tắt .......................................................................................... iv Danh mục bảng ................................................................................................... v Danh mục hình ................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 3 1.1. Một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận văn .................................. 3 1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cải tạo, phục hồi môi trường đất khu khai thác khoáng sản ........................................................ 4 1.2.1. Tình hình khai thác và cải tạo, phục hồi môi trường đất sau khai thác trên thế giới ......................................................................................................... 4 1.2.2. Tình hình cải tạo, phục hồi môi trường sau khai thác ở Việt Nam .......... 7 1.2.3. Tình hình nghiên cứu cải tạo, phục hồi hệ sinh thái đất, hoàn phục môi trường sau khai thác khoáng sản ở Tây Nguyên .............................................. 13 1.3. Tổng quan về khu khai thác bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng ..................... 15 1.3.1. Vị trí địa lý .............................................................................................. 15 1.3.2. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội ........................................................... 16 1.3.3. Đặc điểm địa hình, địa chất .................................................................... 18 1.4. Quy trình khai thác, chế biến quặng bauxite Tân Rai ................................... 20 1.4.1. Khai thác quặng bauxite và quá trình hình thành bãi thải .................... 20 1.4.2. Chế biến quặng bauxite và quá trình hình thành hồ bùn thải ................ 22 1.5. Các chỉ tiêu được lựa chọn để đánh giá chất lượng môi trường đất khu khai thác bauxite Tân Rai ............................................................................................. 25 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU27 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .................................................................... 27 2.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu .................................................................... 27 2.2.1. Thời gian nghiên cứu .............................................................................. 27 2.2.2. Địa điểm nghiên cứu ............................................................................... 27 2.2.3. Địa điểm phân tích.................................................................................. 32 2.3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 33 2.3.1. Phương pháp thu thập tổng hợp tài liệu ................................................. 33 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm ...................................................................... 33 2.3.3. Phương pháp xử lý số liệu ..................................................................... 43 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 48 3.1. Kết quả khảo sát thực địa .............................................................................. 48 3.1.1. Kết quả khảo sát khu khai thác bauxite Tân Rai .................................... 48 3.1.2. Kết quả khảo sát các khu vực lấy mẫu nghiên cứu................................. 49 3.2. Đánh giá hiệu quả mô hình hoàn phục môi trường đất bãi thải sau khai thác bauxite (MH1) ...................................................................................................... 50 3.2.1. Đánh giá hàm lượng KLN trong mẫu thổ nhưỡng MH1 ........................ 50 3.2.2. Đánh giá các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng MH1 .................. 54 3.2.3. Đánh giá hàm lượng KLN trong mẫu nông hóa MH1............................ 57 3.2.4. Đánh giá các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng MH1 .................. 60 3.2.5. Đánh giá chất lượng đất tại MH1 bằng chỉ số SCLĐ ............................... 63 3.3. Đánh giá hiệu quả mô hình hoàn phục môi trường đất hồ bùn thải sau tuyển quặng (MH3) ........................................................................................................ 64 3.3.1. Đánh giá hàm lượng KLN trong mẫu thổ nhưỡng MH3 ........................ 64 3.3.2. Đánh giá các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng MH3 .................. 68 3.3.3. Đánh giá hàm lượng KLN trong mẫu nông hóa MH3............................ 71 3.3.4. Đánh giá các chỉ tiêu hóa học trong mẫu nông hóa MH3 ..................... 75 3.3.5. Đánh giá chất lượng dất tại MH3 bằng chỉ số SCLĐ ............................... 78 3.4. Đề xuất một số giải pháp sử dụng đất hợp lý ................................................ 80 3.4.1. Giải pháp chính sách quản lý nhà nước ................................................. 80 3.4.2. Giải pháp quy hoạch, xây dựng công trình ............................................ 81 3.4.3. Giải pháp khuyến khích, tuyên truyền, hỗ trợ ........................................ 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 87 PHỤ LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT HPMT Hoàn phục môi trường HST Hệ sinh thái KHM Ký hiệu mẫu KLN Kim loại nặng KT-XH Kinh tế - Xã hội MH1 Mô hình 1 MH3 Mô hình 3 MTV Một thành viên TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn QCVN Quy chuẩn Việt Nam DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các yếu tố khí hậu khu vực mỏ bauxite Tân Rai (2012-2016)............ 16 Bảng 2.1. Vị trí lấy mẫu thổ nhưỡng.................................................................... 38 Bảng 2.2. Vị trí lấy mẫu nông hóa ....................................................................... 40 Bảng 2.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa học trong đất ........................ 42 Bảng 2.4. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu kim loại nặng trong đất .............. 43 Bảng 2.5a. Bảng đánh giá chỉ tiêu hóa học theo thang màu ................................ 44 Bảng 2.5b. Bảng đánh giá chỉ tiêu hóa học theo thang màu ................................ 45 Bảng 2.6. Bảng đánh giá chỉ tiêu hóa học theo thang điểm ................................. 45 Bảng 3.1. Thông tin khảo sát khu khai thác bauxite Tân Rai .............................. 48 Bảng 3.2. Thông tin khảo sát khu vực lấy mẫu .................................................... 49 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp hàm lượng KLN mẫu thổ nhưỡng MH1 ..................... 50 Bảng 3.4a. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 1 .. 54 Bảng 3.4b. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 1 .. 56 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp hàm lượng KLN mẫu nông hóa MH1 ......................... 57 Bảng 3.6a. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu nông hóa mô hình 1 ...... 61 Bảng 3.6b. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu nông hóa mô hình 1 ...... 62 Bảng 3.7. Bảng đánh giá chất lượng đất theo thang điểm của MH1 ................... 63 Bảng 3.8. Bảng tổng hợp hàm lượng KLN mẫu thổ nhưỡng MH3 ..................... 65 Bảng 3.9a. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 3 .. 68 Bảng 3.9b. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 3 .. 70 Bảng 3.10. Bảng tổng hợp hàm lượng KLN mẫu nông hóa MH3 ....................... 71 Bảng 3.11a. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu nông hóa mô hình 3 .... 75 Bảng 3.11b. Hàm lượng các chỉ tiêu hóa học trong mẫu nông hóa mô hình 3 .... 77 Bảng 3.12. Bảng đánh giá chất lượng đất theo thang điểm của MH3 ................. 78 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ thử nghiệm trồng cây trên đất bãi thải mỏ than ......................... 11 Hình 1.2: Vị trí địa lý khu mỏ .............................................................................. 16 Hình 1.3. Địa tầng khu vực khai thác Bauxite Tân Rai ....................................... 20 Hình 1.4. Các công đoạn khai thác quặng bauxite ............................................... 21 Hình 1.5. Bãi thải chưa hoàn thổ.......................................................................... 22 Hình 1.6. Bãi thải đã hoàn thổ và trồng Keo........................................................ 22 Hình 1.7. Quy trình tuyển quặng hình thành bùn thải và hồ bùn thải .................. 23 Hình 1.8. Hồ bùn thải quặng đuôi ở Tân Rai ....................................................... 25 Hình 2.1. Vị trí nghiên cứu mô hình hoàn phục môi trường đất.......................... 28 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí cây trồng Mô hình 1 ......................................................... 29 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí cây trồng MH3 ................................................................. 31 Hình 2.4. Vị trí lấy mẫu TR2 tại mô hình 1 ......................................................... 36 Hình 2.5. Vị trí lấy mẫu TR1 tại mô hình 3 ......................................................... 36 Hình 2.6. Vị trí lấy mẫu nền TR3 cạnh hồ bùn thải quặng đuôi số 5 .................. 37 Hình 2.7. Vị trí lấy mẫu nền TR4 trên đất quặng sắp khai thác, đang trồng cà phê.................................................................................................................... 37 Hình 2.8. Vị trí lấy mẫu TR5 tại mô hình của đề tài ĐTĐL.2011/T03 ............... 38 Hình 3.1. Biểu đồ hàm lượng Cu trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 1 ................... 51 Hình 3.2. Biểu đồ hàm lượng Pb trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 1.................... 52 Hình 3.3. Biểu đồ hàm lượng Zn trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 1 ................... 53 Hình 3.4. Biểu đồ hàm lượng Cu trong mẫu nông hóa mô hình 1 ....................... 58 Hình 3.5. Biểu đồ hàm lượng Pb trong mẫu nông hóa mô hình 1 ....................... 59 Hình 3.6. Biểu đồ hàm lượng Zn trong mẫu nông hóa mô hình 1 ....................... 60 Hình 3.7. Biểu đồ chỉ số SCLĐ của mô hình 1 ...................................................... 64 Hình 3.8. Biểu đồ hàm lượng Cu trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 3 ................... 65 Hình 3.9. Biểu đồ hàm lượng Pb trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 3.................... 66 Hình 3.10. Biểu đồ hàm lượng Zn trong mẫu thổ nhưỡng mô hình 3 ................. 67 Hình 3.11. Biểu đồ hàm lượng Cu trong mẫu nông hóa mô hình 3 ..................... 71 Hình 3.12. Biểu đồ hàm lượng Pb trong mẫu nông hóa mô hình 3 ..................... 73 Hình 3.13. Biểu đồ hàm lượng Zn trong mẫu nông hóa mô hình 3 ..................... 74 1 MỞ ĐẦU Khai thác tài nguyên, nâng cao giá trị và chất lượng cuộc sống là một trong những giải pháp được nhiều nước trên thế giới áp dụng, trong đó có Việt Nam. Tuy vậy, khai thác tài nguyên, đặc biệt là khai thác khoáng sản đã và đang làm nảy sinh nhiều hệ lụy do chất lượng môi trường bị xuống cấp. Ở nhiều loại hình sản xuất, vấn đề môi trường, an ninh, an toàn là hết sức nghiêm trọng; ví dụ như dự án khai thác Bauxite ở Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng. Để giảm thiểu các tác động tiêu cực do quá trình hậu khai thác gây nên, vấn đề hoàn nguyên, cải tạo phục hồi môi trường rất được chú trọng. Hơn nữa, đây còn là nhiệm vụ bắt buộc đã được quy định cụ thể tại Quyết định số 71/2008/QĐTTg của Thủ tướng Chính Phủ ngày 29/5/2008 và Thông tư số 38/2015/TTBTNMT ngày 20/6/2015 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về cải tạo, phục hồi môi trường trong hoạt động khai thác khoáng sản. Tuy nhiên không phải giải pháp cải tạo nào cũng tốt, có hiệu quả và đúng quy định. Do vậy nhiều giải pháp được tính toán, đề xuất bằng cảm quan, lý thuyết thường không đảm bảo yêu cầu khoa học và thực tiễn. Bởi lý do khách quan, chủ quan có thể dẫn đến sự yếu kém của các giải pháp đã được đề xuất. Chính vì vậy, nhằm giải quyết vấn đề cấp thiết này đề tài cấp nhà nước có mã số TN17/T04 do TS. Nguyễn Mạnh Hà làm chủ nhiệm đề tài đã ―Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp các giải pháp cải tạo, phục hồi hệ sinh thái khu vực bãi thải và khu khai thác khoáng sản nhằm ngăn ngừa hoang mạc hóa, sử dụng đất hiệu quả, bền vững vùng Tây Nguyên‖ [1]. Đề tài đã nghiên cứu và xây dựng 02 mô hình thí điểm là mô hình 1 (MH1) trên bãi thải sau khai thác quặng bauxite và mô hình 3 (MH3) trên hồ bùn thải rửa quặng. Mô hình đã lựa chọn các loài cây trồng phù hợp trên cơ sở nghiên cứu của đề tài mã số ĐTĐL.2011/T03 do TS. Nguyễn Thành Mến chủ nhiệm đề tài [2] để áp dụng trên các mô hình; Kết hợp nhiều phương pháp và vật liệu mới, phù hợp được các đề tài trong Chương trình Tây Nguyên 3 nghiên cứu nhằm cải tạo môi trường đất hiệu quả. Các mô hình hoàn phục môi trường này đang trong những giai đoạn phát triển ban đầu nên cần thực hiện các đánh giá nhằm xác định hiệu quả và những 2 tác động thực tế tới môi trường đất. Vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá mô hình hoàn phục môi trường đất khu khai thác bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng và đề xuất giải pháp sử dụng đất hợp lý” để đánh giá chất lượng đất của MH1 và MH3 trong thời gian đầu đi vào thực nghiệm, tập trung chủ yếu vào phân tích, so sánh, đánh giá hàm lượng các thành phần hóa học trong đất; Đồng thời đề xuất các giải pháp sử dụng đất hiệu quả sau khi kết thúc khai thác. Bộ số liệu về mô hình thực nghiệm và phân tích chất lượng môi trường đất trước và sau khi cải tạo các bãi thải khu khai thác khoáng sản bauxite Tân Rai đáng tin cậy và có thể làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo về xây dựng mô hình thực nghiệm và các nghiên cứu khác liên quan đến hoàn phục môi trường khu khai thác khoáng sản. Mục tiêu nghiên cứu: Xác định được hàm lượng một số chỉ tiêu hóa học cơ bản và kim loại nặng trong môi trường đất tại 02 mô hình MH1 và MH3 - mô hình của đề tài ĐTĐL.2011/T03 và các vị trí nền trong khu khai thác Bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng. Đánh giá được chất lượng môi trường đất theo thời gian nghiên cứu ở 02 mô hình hoàn phục môi trường đất tại khu khai thác Bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng. Đề xuất được các giải pháp sử dụng đất hợp lý cho các khu vực mỏ sau khi kết thúc khai thác. Nội dung nghiên cứu: Khảo sát, đánh giá sơ bộ về khu khai thác mỏ khai thác bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng và 02 mô hình hoàn phục hoàn phục môi trường đất MH1 và MH3. Quan trắc và phân tích mẫu đất tại 02 mô hình MH1 và MH3, mô hình của đề tài ĐTĐL.2011/T03 và các vị trí nền khu khai thác Bauxite Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng. Đánh giá hiệu quả của 02 mô hình MH1 và MH3. Đưa ra các đề xuất sử dụng đất hợp lý trên bãi thải sau khi kết thúc khai thác khoáng sản. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận văn - Môi trường đất: là môi trường sinh thái hoàn chỉnh, bao gồm vật chất vô sinh sắp xếp thành cấu trúc nhất định. Các thực vật, động vật và vi sinh vật sống trong lòng trái đất. Các thành phần này có liên quan mật thiết và chặt chẽ với nhau. Môi trường đất được xem như là môi trường thành phần của hệ môi trường bao quanh nó gồm nước, không khí, khí hậu... [3]. - Khoáng vật bauxite: là một loại quặng nhôm trầm tích đát núi lửa có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa đá mẹ giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Quặng bauxite tại Việt Nam được phân bố chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên, chiếm trên 90% tổng trữ lượng cả nước. Trong đó, Gia Lai và Kon Tum khoảng 11%, Đắc Nông 61% và Lâm Đồng là 20%. Từ quặng bauxite sẽ tách ra alumina (Al2O3), nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân [4] [5]. - Khai thác bauxite: Trong phạm vi nghiên cứu, đơn vị khai thác sử dụng phương pháp đào mỏ lộ thiên. Do lớp quặng gần bề mặt nên chỉ cần bóc bỏ lớp đất mặt phía trên gom về khu bảo quản, sau đó khai thác hết lớp quặng lẫn đất chuyển về nhà máy để tuyển lấy quặng tinh. Đây cũng là phương pháp thông dụng nhất để khai thác bauxite [4]. - Hoàn thổ: là công tác khôi phục lại mặt bằng, hiện trạng khu vực khai thác giống như thời điểm trước khi khai thác. Có thể hiểu đơn giản là hoàn trả lại lớp đất mặt như ban đầu gồm nhiều chỉ số như: địa hình, địa mạo, tầng thổ nhưỡng, môi trường đất, thảm thực vật... - Hoàn phục môi trường đất: là quá trình cải tạo, phục hồi môi trường đất sau khi bị tác động bởi yếu tố bên ngoài trở lại trạng thái tương tự như ban đầu. Các yếu tố bên ngoài chủ yếu đến từ hoạt động của con người, ngoài ra còn có tác động từ tự nhiên như thiên tai, bão lũ, động đất... 4 1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến cải tạo, phục hồi môi trƣờng đất khu khai thác khoáng sản 1.2.1. Tình hình khai thác và cải tạo, phục hồi môi trường đất sau khai thác trên thế giới a) Công trình nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và tính chất của đất sau cải tạo, phục hồi môi trường Quá trình khai thác khoáng sản ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và tính chất đất tại khu vực khai khoáng. Việc cải tạo có thể phục hồi được tính chất của đất theo giời gian. Vì vậy, nhiều nước trên thế giới đã đi vào nghiên cứu cấu trúc và tính chất của đất tại các khu vực mỏ khoáng sản nhằm đưa ra những hướng khắc phục phù hợp. Như tại Hoa Kỳ, hai nhà khoa học Raj K.Shrestha và Rattan Lai đã đi vào nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình khai thác và tính chất hóa lý sau cải tạo, phục hồi của ba loại đất chính ở Ohio. Ba loại đất chính gồm có: MahoningCanfield-Rittman-Chili, Coshocton-Westmoreland-Berks và Gilpin-UpshurLowell-Guernsey. Để khách quan, các nhà nghiên cứu đã xác định 54 vị trí lấy mẫu ở gần các khu mỏ nằm trên địa bàn tám quận ở miền đông Ohio. Mỗi vị trí lấy mẫu được lấy hai mẫu và một mẫu nền không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của các mỏ. Mẫu vật liệu composite và cốt lõi được lấy từ độ sâu 0-15, 30-30 và 30-45 cm trong năm 2008. Sau khi phân tích các nhà khoa học đã nhận thấy tỷ trọng của đất tại các khu vực mỏ tăng 54% so với khu vực đất nền thông thường. Hoạt động khai thác mỏ cũng làm tăng độ pH và độ dẫn điện (EC), làm giảm lượng cacbon hữu cơ và nitơ trong đất. Từ đó cho thấy lớp đất mặt khi đưa vào để hoàn thổ cần được xử lý tốt hơn nhằm bảo vệ cấu trúc của đất, chất dinh dưỡng, hàm lượng cacbon và nitơ trong đất, tránh hiện tượng thoái hóa đất sau khi khai thác mỏ [6]. Tại Hà Lan, đã có nghiên cứu của các nhà khoa học Miroslawa Gilewska, Jan Bender và Stanislaw Drzymala, nghiên cứu về các tính chất vật lý của đất nông nghiệp sau khai thác than ở miền trung Ba Lan nhằm đánh giá hiệu quả của 5 các phương pháp cải tạo đất [7]. Tại Trung Quốc, nghiên cứu đặc điểm phân bố của các nguyên tố có sẵn trong đất từ đất khai hoang trong khu vực khai thác mỏ ở khu vực phía Bắc được thực hiện bởi ba nhà khoa học Li Zhanbin, Zhang Qinling và Li Peng. Nghiên cứu về sự thay đổi theo không gian và thời gian của các nguyên tố vi lương: Cu, Fe, Mn, Zn trong đất sau khai thác khoáng sản dưới các điều kiện cải tạo khác nhau trên lưu vực sông Ulan Moron, tỉnh Thiểm Tây, Trung Quốc. Nghiên cứu này cho rằng các biện pháp cải tạo khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng và sự phân bố của các nguyên tố Cu, Fe, Mn, Zn trong đất. Các nguyên tố này có mỗi tương quan chặt chẽ với độ pH và hàm lượng hữu cơ trong đất. Việc che phủ mặt đất bằng cây bụi và cây thân thảo phù hợp có thể cải thiện tích cực hàm lượng các nguyên tố này. Hàm lượng các nguyên tố đã được đo đạc qua thời gian và tổng kết lại: Hàm lượng Mangan khi mới cải tạo thấp do sự xáo trộn đất trong khai thác mỏ làm phá hủy cấu trúc ban đầu, tuy nhiên theo thời gian hàm lượng Mangan trong đất đã được phục hồi và cấu trúc đất cũng được tái tạo lại. Hàm lượng Sắt khi cải tạo đã tăng lên nhanh chóng và sớm vượt hàm lượng Sắt trong đất tự nhiên. Hàm lượng Zn và Đồng giảm nhẹ trong thời gian đầu cải tạo, tuy nhiên sau 8 năm cải tạo đã tăng lên và dần đạt tới lý tưởng. Có nhiều phương án cải tạo đất giúp phục hồi các nguyên tố vi lượng tuy nhiên việc khắc phục, cải tạo đất bằng cây bụi và cây thân thảo đã cho thấy hiệu quả rõ rệt qua nghiên cứu này [8]. b) Công trình nghiên cứu tính toán các chỉ số để đánh giá mức độ thành công của việc cải tạo đất sau khai thác khoáng sản Nhằm mục tiêu tăng tính hiệu quả, giảm lãng phí tài nguyên, nâng cao khả năng thành công trong việc thực hiện các giải pháp cải tạo đất, một số nhóm nghiên cứu đã đưa ra được các chỉ số nhằm đánh giá mức độ thành công trong việc cải tạo đất sau khai thác khoáng sản. Ở Ấn Độ, các loài cây lâm nghiệp thường được sử dụng để phục hồi đất sau khai thác khoáng sản, với số lượng loài vô cùng đa dạng nên việc lựa chọn 6 các loài thích hợp là cần thiết. Mức độ cải thiện chất lượng đất của các loài cây là khác nhau, cần có một nghiên cứu tìm ra những chỉ tiêu để sàng lọc các loài một cách phù hợp. Nhóm tác giả Sangeeta Mukhopadhyay, S.K. Maiti và R.E. Masto đã sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) để tính toán chỉ số phục hồi đất (RMSI – Reclaimed mine soil index) sau khi trồng 6 loài cây lâm nghiệp khác nhau trên đất khai thác than. Các loài cây có giá trị RMSI khác nhau phân theo các nhóm: RMSI cao (>0,50) là Cassia siamea và Dalbergia sissoo, RMSI trung bình (0,30-0,49) gồm Leucanea leucocephala, Acacia auriculiformis và Gmelina arborea, RMSI thấp (<0,30)- Terminalia arjuna. Từ đó, C. siamea và D. sissoo - là các loài có giá trị RMSI cao, phù hợp được khuyến nghị trồng để cải tạo đất bị suy thoái [9]. Trong một công bố khác, các tác giả này đã tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu trên: Sử dụng chỉ số chất lượng đất mỏ (MSQI mine soil quality index) để đánh giá quá trình cải tạo đất trong một dự án khai thác than tại vùng Bắc Karanpura, Ấn Độ. Hàm lượng Cacbon hữu cơ, độ ẩm, độ bão hòa bazơ...là những chỉ tiêu đầu vào quan trọng để đánh giá. Các chỉ tiêu trên được quan trắc từ đất, chuyển thành điểm có giá trị từ 0,00-1,00 sau đó tích hợp vào MSQI. Giá trị MSQI được phân tích hồi quy với các chỉ tiêu về tăng trưởng thực vật (chiều cao, đường kính thân, đường kính tán...). Đất có chỉ số MSQI > 0,50 có thể được coi là bền vững về sinh thái hoặc đạt yêu cầu phục hồi [10]. Tại Séc, Nghiên cứu về hàm lượng Cacbon hữu cơ trong đất là công cụ lý tưởng để đánh giá chất lượng đất sau khai thác mỏ của tác giả Lubomir Bodlak cùng cộng sự. Mẫu đất lấy ở bãi thải Velká Podkrušnohorská - Séc được phân tích để xác định hàm lượng SOC, các đặc tính lý, hóa học cơ bản như: dung tích hấp thụ CEC, pH đất, Nitơ tổng số,... và mối tương quan giữa các đại lượng này. Các giá trị SOC được chuyển đổi, hiển thị thành bản đồ Cacbon - phục vụ đánh giá chất lượng cải tạo đất [11]. Các chỉ số cần thiết cho những bước đầu tiên của việc thành lập dự án cải tạo hệ sinh thái, nhờ có các chỉ số ta có cơ sở để chắc chắn rằng phương pháp cải tạo chúng ta áp dụng sẽ đạt hiệu quả trong tương lai, nhằm giảm bớt chi phí do những hướng đi sai lầm mang lại. 7 Tại Mỹ, có một chương trình phân tích và kiểm kê rừng (FIA) đo lường một số tính chất vật lý và hóa học của đất để kiểm tra chất lượng đất rừng. Trong chương trình này, Michael C.Amacher đã nghiên cứu được một chỉ số mới để đánh giá chất lượng đất rừng, chỉ số chất lượng đất (SQI), tích hợp 19 tính chất vật lý và hóa học của đất rừng thành một số hằng số duy nhất đóng vai trò là chỉ số chất lượng của đất. SQI là một công cụ mới để thiết lập cơ sở dữ liệu và hướng đi mới để đánh giá chất lượng của rừng. Các tính chất vật lý và hóa học đơn lẻ thường ít có giá trị đối với các nhà khoa học khi đánh giá chất lượng rừng nói chung. Chỉ số chất lượng đất (SQI) được tính bằng tổng giá trị các thông số hóa lý và được tính theo công thức sau: SQI = ∑Giá trị thông số hóa lý của đất đơn lẻ [12]. 1.2.2. Tình hình cải tạo, phục hồi môi trường sau khai thác ở Việt Nam a) Nghiên cứu lựa chọn các loại cây trồng trong cải tạo đất sau khai thác khoáng sản Về nghiên cứu tuyển chọn cây trồng trên các bãi thải sau khai thác than, Đỗ Thị Lâm đã tuyển chọn một số loài cây và kỹ thuật gây trồng để cố định bãi thải tại các mỏ than vùng Đông Bắc, với 3 loài: Cốt khí (Tephrosia candida), Sắn dây dại (Pueraria montana Merra) và Bìm bìm (Impomaea mauritana Jacq); và xác định các loài cây gỗ có khả năng sống và sinh trưởng trên các bãi thải than gồm: Thông nhựa, Thông Đuôi ngựa, Keo lai, Phi lao và Tràm lá dài. Trong 3 năm (2006 - 2008) Lê Tuấn Lộc từ nghiên cứu ở vùng mỏ thiếc Sơn Dương, Tuyên Quang đã xây dựng thành công các mô hình trồng cây che phủ, cải tạo đất với các loài cây Cốt khí, Đậu mèo Thái Lan (Mucuna spp) [13] [14]. Theo hướng nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng tại các vùng khai thác khoáng sản, Đặng Đình Kim và nnk trong khuôn khổ đề tài KC08.04/06-10 đã nghiên cứu phương pháp cải tạo đất bằng cây xanh thân thiện với môi trường đã nghiên cứu sàng lọc thực vật tại 4 vùng mỏ ở Thái Nguyên là: mỏ Thiếc (Hà Thượng), mỏ than (Núi Hồng), mỏ chì- kẽm (Làng Hích) và mỏ sắt (Trại Cau). So sánh với nhiều tài liệu thế giới đã công bố, bước đầu đã biết 66 loài thực vật có khả tích tụ kim loại nặng trong đất như Pb, Cd, 8 As, Zn. Kết quả nghiên cứu cho thấy: 2 loài Dương xỉ: Pteris vittata và Pytirogramma calomelanos có khả năng tích lũy rất cao As. Đáng chú ý là một lượng lớn As từ rễ của hai loài này đã được vận chuyển lên thân và làm cho quá trình loại bỏ As ra khỏi đất được thuận lợi. Sáu loài thực vật có khả năng tích lũy Pb cao trong rễ: Cynodon dactylon (L) Pers., Equisetum ramosissimum (Vauch), Cyperus rotundus L., Eleusine indica L., Pteris cadieri H. Christ và Polygonum hydropiper L. Nhóm tác giả cũng tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về khả năng chống chịu và hấp thu kim loại nặng trong đất của Dương xỉ Pteris vittata và Dương xỉ Pityrogramma calomelanos, cỏ Mần Trầu và Vetiver. Kết hợp tất cả các dữ liệu trên, lựa chọn ra 4 loài để xây dựng mô hình trình diễn xử lý ô nhiễm đất tại 2 vùng khai thác mỏ Hà Thượng, Đại Từ và Làng Hích, Đồng Hỷ. Trong 4 loài thực vật này, có 3 loài thực vật bản địa thu tại khu vực khai thác mỏ (Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calomelanos và cỏ Mần trầu); 1 loài mà thế giới sử dụng nhiều cho cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng là cỏ Vetiver. Tiếp theo đó, đề tài đã áp dụng thí điểm nghiên cứu trên ở xã Hà Thượng, huyện Đại Từ (điểm đất bị ô nhiễm bởi As và Cd) và làng Hích, xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ, Thái Nguyên. Sau 2,5 năm xử lý, hàm lượng KLN giảm đi đáng kể. Tuy vẫn cần có thêm thời gian xử lý để giảm nồng độ các kim loại này về ngưỡng an toàn đối với môi trường. Có thể thấy rằng việc sử dụng các loài thực vật trong xử lý đất nhiễm KLN là khả thi và có thể ứng dụng vào thực tiễn [15]. Cùng khu vực nghiên cứu như trên, tác giả Đặng Văn Minh đã đánh giá diện tích và chất ở các vùng sau khai thác khoáng sản ở Thái Nguyên, nghiên cứu xác định các loài cây, biện pháp kỹ thuật sử dụng nhằm cải tạo phục hồi và tăng độ che phủ đất. Từ đó xây dựng mô hình cải tạo và sử dụng đất sau khai thác khoáng sản bằng các loài cây tuyển chọn được. Kết quả nghiên cứu đã tuyển chọn được các loài cây cải tạo, tăng độ phì cho đất nghèo kiệt sau khai khoáng là: Đậu đen; Muồng lá nhọn; Cốt khí; Đậu ren; Trinh nữ không gai; Keo lai dòng BV10, BV16. Loài hấp thu kim loại nặng là: Cỏ vetiver, Dương xỉ. Loài chống xói lở: Cỏ vetiver, Cỏ voi. Các mô hình cải tạo bước đầu magn lại hiệu quả kinh 9 tế rõ rệt là: Trồng cỏ vetiver hút kim loại nặng; Trồng xen keo và cốt khí, keo và muồng lá nhọn; mô hình sử dụng phân bón hữu cơ làm tăng độ phì đất và tăng năng suất lúa trên đất sau khai khoáng ít bị xáo trộn và ô nhiễm nhẹ [16]. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của thảm thực vật đến xói mòn đất đã được tiến hành khá công phu bởi các nhà khoa học trong nước. Điển hình là các nghiên cứu của Bùi Ngạnh, Vũ Văn Mễ, Nguyễn Danh Mô; Nguyễn Tử Siêm, Thái Phiên; Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải (1997);... Các kết quả nghiên cứu trên đã khẳng định vai trò của rừng trong việc hạn chế xói mòn đất. Rừng tự nhiên hỗn loài tàn che 0,7 - 0,8 hạn chế xói mòn đất tốt nhất. Đối với một số loại rừng trồng và rừng tre nứa thì lượng đất xói mòn cao hơn so với rừng tự nhiên từ 0,6 - 10 lần. Xói mòn tầng đất mặt làm cho độ phì đất giảm đi nhanh chóng. Lượng dinh dưỡng do xói mòn chủ yếu là chất hữu cơ, đạm, lân và kali; lượng chất mất đi lớn hơn rất nhiều so với lượng dinh dưỡng mà cây cần hấp thụ. Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng bị mất nhiều nhất là C, tiếp đến N, K, Ca, Mg và cuối cùng là P [17]. Để cải thiện chất lượng môi trường trong bùn đã được nghiên cứu bởi Đồng Thị Minh Hậu và nnk (2008) khi thử nghiệm cây Bắp và cỏ Voi để giảm thiểu hàm lượng các kim loại nặng (Cr, Cu, Zn). Kết quả đã chỉ ra tốc độ phát triển trên môi trường bùn của hai cây khá nhanh, sinh khối của cỏ Voi cao hơn cây Bắp. Sau 6 tuần và 12 tuần, sinh khối cây cỏ Voi là 74,8g và 197g; tương ứng cây Bắp là 47g và 133g. Khả năng tích lũy Cr và Cu của cây cỏ Voi cao hơn cây Bắp nhưng ngược lại khả năng tích lũy Zn của cỏ Voi lại thấp hơn: hàm lượng Cu tích lũy trong cây cỏ Voi sau 6 và 12 tuần là 458mg/kgDW và 572 mg/kgDW, tương ứng trong cây Bắp là 429mg/kgDW và 547mg/kgDW; hàm lượng Cr tích lũy trong cây cỏ Voi sau 6 và 12 tuần là 519mg/kgDW và 703 mg/kgDW, tương ứng trong cây Bắp là 461mg/kgDW và 592mg/kgDW; hàm lượng Zn tích lũy trong cây Cỏ Voi sau 6 và 12 tuần là 1136mg/kgDW và 1549mg/kgDW, tương ứng trong cây Bắp là 1587mg/kgDW và 2037mg/kgDW. Cây Bắp và cỏ Voi đều không là cây siêu tích luỹ, chúng tích luỹ các KLN theo cơ chế ổn định bằng thực vật. Hàm lượng KLN tích luỹ trong rễ cao hơn trong