Tài liệu Nghiên cứu môi trường đất trong khai thác quặng sắt và đề xuất giải pháp phục hồi đất tại huyện đồng hỷ, tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM -------------- QUÁCH HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRONG KHAI THÁC QUẶNG SẮT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHỤC HỒI ĐẤT TẠI HUYỆN ĐỒNG HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Thái Nguyên - 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM -------------- QUÁCH HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRONG KHAI THÁC QUẶNG SẮT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHỤC HỒI ĐẤT TẠI HUYỆN ĐỒNG HỶ, TỈNH THÁI NGUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 9.44.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Đỗ Thị Lan 2. PGS.TS. Đào Châu Thu Thái Nguyên - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trên bất kỳ một tạp chí khoa học nào ở trong và ngoài nước hoặc đã sử dụng trong các luận văn, luận án để bảo vệ và nhận học vị. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 02 năm 2021 Nghiên cứu sinh Quách Hoàng Long ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành công trình này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của nhiều tập thể, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè. Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến tập thể các thầy, cô giáo của Khoa Môi trường, Khoa Quản lý Tài nguyên, Phòng Đào tạo, Ban giám hiệu, Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên; Hội Khoa học đất Việt Nam, đã tạo mọi thuận lợi và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến PGS. TS. Đỗ Thị Lan - Trưởng khoa Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên và PGS.TS. Đào Châu Thu - Hội Khoa học đất Việt Nam, là những người thầy hướng dẫn khoa học cho đề tài luận án, đã có định hướng về nội dung, phương pháp giải quyết vấn đề trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc Sở Tài nguyên và Môi trường, UBND huyện Đồng Hỷ, UBND thị trấn Trại Cau tỉnh Thái Nguyên và Ban quản lý mỏ sắt Trại Cau, đã tạo thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình điều tra, thu thập số liệu, tài liệu và thực hiện các thí nghiệm, thực nghiệm mô hình của đề tài luận án. Cuối cùng xin được đặc biệt cảm ơn bạn bè và những người thân đã luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong cuộc sống để hoàn thành kết quả nghiên cứu của luận án. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 2 năm 2021 Nghiên cứu sinh Quách Hoàng Long iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...............................................................................3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................3 3.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................4 4. Đóng góp mới của luận án ......................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................5 1.1. Cơ sở khoa học về môi trường đất sau khai thác khoáng sản ..............................5 1.1.1. Một số khái niệm về môi trường đất .................................................................5 1.1.2. Thoái hóa đất .....................................................................................................7 1.1.3. Ô nhiễm môi trường đất ....................................................................................8 1.2. Khai thác khoáng sản và những tác động đến môi trường .................................10 1.2.1. Khoáng sản và khai thác khoáng sản ..............................................................10 1.2.2. Tác động gây ô nhiễm môi trường của hoạt động khai thác khoáng sản ........13 1.3. Kim loại nặng và ô nhiễm do kim loại nặng trong đất .......................................17 1.3.1. Kim loại nặng trong đất...................................................................................17 1.3.2. Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản ......................................20 1.4. Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới và ở Việt Nam ....................................................................................................24 1.4.1. Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản trên Thế giới .....................................................................................................................24 1.4.2. Tình hình nghiên cứu, cải tạo môi trường đất sau khai thác khoáng sản ở Việt Nam ...........................................................................................................................32 1.5. Nhận xét từ nghiên cứu tổng quan và hướng nghiên cứu của đề tài ..................38 iv CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................40 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .........................................................................40 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................40 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................40 2.2. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................40 2.2.1. Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt ....................................................................................................40 2.2.2. Hoạt động khai thác quặng sắt ảnh hưởng đến môi trường đất của khu vực mỏ sắt Trại Cau ...............................................................................................................40 2.2.3. Đánh giá khả năng cải tạo đất sau khai thác quặng sắt của một số loài thực vật tại khu vực mỏ sắt Trại Cau ......................................................................................40 2.2.4. Đề xuất giải pháp cải tạo đất sau khai thác quặng sắt .....................................41 2.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................41 2.3.1. Khung nghiên cứu ...........................................................................................41 2.3.2. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp .............................................................42 2.3.3. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp ...............................................................42 2.3.4. Xác định các vị trí lấy mẫu phân tích đất, cây và các vị trí tiến hành các thực nghiệm .......................................................................................................................43 2.3.5. Phương pháp lấy mẫu phân tích, theo dõi các chỉ tiêu nghiên cứu .................49 2.3.6. Phương pháp xử lý số liệu ...............................................................................51 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................52 3.1. Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt ....................................................................................................52 3.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................52 3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội ..................................................................................62 3.1.3. Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đồng Hỷ liên quan đến khai thác quặng sắt ....................................................................................64 3.2. Hoạt động khai thác quặng sắt ảnh hưởng đến môi trường đất của khu vực mỏ sắt Trại Cau ...............................................................................................................65 3.2.1. Khái quát mỏ sắt Trại Cau ..............................................................................65 3.2.2. Ảnh hưởng của khai thác quặng sắt đến hiện tượng sụt lún, mất nước tại khu vực mỏ .......................................................................................................................69 3.2.3. Ảnh hưởng của hoạt động khai thác quặng sắt đến tính chất đất khu vực mỏ 74 3.3. Đánh giá khả năng cải tạo đất sau khai thác quặng sắt của một số loài thực vật tại khu vực mỏ sắt Trại Cau ......................................................................................90 v 3.3.1. Điều tra sự hiện diện và đặc điểm thực vật học của một số loại cây mọc phổ biến trên đất vùng mỏ sắt Trại Cau ...........................................................................90 3.3.2. Đánh giá khả năng thu hút kim loại nặng của một số loại cây mọc trong đất khu vực mỏ sắt Trại Cau .........................................................................................100 3.3.3. Tiến hành thí nghiệm và khảo sát mô hình sử dụng các loại cây tự nhiên và cây trồng có khả năng phục hồi đất sau khai mỏ ....................................................103 3.4. Đề xuất giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt ..................................121 3.4.1. Căn cứ đề xuất giải pháp ...............................................................................121 3.4.2. Giải pháp về chính sách ................................................................................122 3.4.3. Giải pháp về kỹ thuật ....................................................................................122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................125 1. Kết luận ...............................................................................................................125 2. Kiến nghị .............................................................................................................126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .....................................................................................................127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................128 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GDP Tổng sản phẩm quốc nội HTX Hợp tác xã KLN Kim loại nặng MĐ Mẫu đất MĐC MC Mẫu đất và cây Mẫu cây PTNT Phát triển nông thôn QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam THCS Trung học cơ sở TNHH Trách nhiệm hữu hạn TKV Tập đoàn Than khoáng sản Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn UBND Ủy ban nhân dân vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hiện trạng chất lượng môi trường đất tại một số mỏ ở Thái Nguyên ......15 Bảng 1.2. Các nguồn kim loại nặng từ một số hoạt động sản xuất công nghiệp ......20 Bảng 1.3. Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon .......21 Bảng 1.4. Hàm lượng kim loại nặng trong đất của một số mỏ tại Anh ....................22 Bảng 1.5. Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao ...................30 Bảng 1.6. Các loài thực vật có khả năng xử lý kim loại nặng ở Việt Nam...............34 Bảng 2.1. Lấy mẫu đất phân tích nhắc lại 3 lần ở các vị trí có cự ly khác nhau với khu khai thác mỏ ......................................................................................44 Bảng 2.2. Lấy mẫu đất phân tích nhắc lại 3 lần ở các khu đất khác nhau của mỏ....45 Bảng 2.3. Lấy mẫu đất và cây phân tích đánh giá khả năng thu hút kim loại nặng của một số loại cây mọc trong đất khu vực mỏ sắt Trại Cau ..................47 Bảng 2.4. Mô hình trồng keo tai tượng trên đất đã hoàn thổ sau khai thác ..............49 Bảng 3.1. Nhiệt độ, ẩm độ không khí và lượng mưa bình quân theo tháng của Đồng Hỷ.............................................................................................................54 Bảng 3.2. Bảng tổng hợp các mỏ quặng sắt khai thác trên địa bàn huyện Đồng Hỷ 57 Bảng 3.3. Các mỏ quặng sắt trên địa bàn huyện Đồng Hỷ theo doanh nghiệp quản lý ... 59 Bảng 3.4. Danh sách các mỏ sắt đã kết thúc khai thác và hiện trạng sử dụng đất sau khi kết thúc khai thác ...............................................................................61 Bảng 3.5. Hiện trạng sử dụng đất huyện Đồng Hỷ năm 2018 ..................................63 Bảng 3.6. Thống kê hố sụt, rạn nứt và mất nước khu mỏ Trại Cau ..........................71 Bảng 3.7. Thực trạng sụt lún đất, mất nước, rạn nứt công trình do khai thác mỏ ...72 Bảng 3.8. Một số tính chất lý học đất ở các vị trí so với khu vực khai trường .........75 Bảng 3.9. Một số tính chất hóa học đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường .......................................................................................................76 Bảng 3.10. Kim loại nặng trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường 78 Bảng 3.11. Một số tính chất lý học đất ở các khu đất khác nhau của mỏ .................82 Bảng 3.12. Một số tính chất hóa học đất ở các khu đất khác nhau của mỏ ..............83 Bảng 3.13. Kim loại nặng trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ......................85 viii Bảng 3.14. Một số loại cây trồng, cây mọc tự nhiên trên vùng đất sau khai thác mỏ sắt .............................................................................................................91 Bảng 3.15. Đặc điểm thực vật học của cây Keo lá tràm ...........................................92 Bảng 3.16. Đặc điểm thực vật học của cây Keo tai tượng ........................................93 Bảng 3.17. Đặc điểm thực vật học của cây cỏ Lau ...................................................94 Bảng 3.18. Đặc điểm thực vật học của cây Mua .......................................................95 Bảng 3.19. Đặc điểm thực vật học của cây Dương xỉ ...............................................96 Bảng 3.20. Đặc điểm thực vật học của cây cỏ Mần trầu...........................................97 Bảng 3.21. Đặc điểm thực vật học của cây Ngải dại ................................................98 Bảng 3.22. Đặc điểm thực vật học của cây Đơn buốt ...............................................99 Bảng 3.23. Kết quả phân tích hàm lượng một số kim loại nặng trong đất có cây mọc trên đất đó ......................................................................................100 Bảng 3.24. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây........................101 Bảng 3.25. Hệ số tích lũy sinh học của một số loại cây hấp thụ kim loại nặng......102 Bảng 3.26. Sinh khối (thân cành lá) của cây trồng trên đất sau khai khoáng .........104 Bảng 3.27. Một số tính chất lý học đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm .............105 Bảng 3.28. Một số tính chất hóa học đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm ..........106 Bảng 3.29. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong cây sau 02 năm trồng .. 108 Bảng 3.30. Kim loại nặng trong đất ở thí nghiệm cây trồng sau 2 năm .................109 Bảng 3.31. Sinh khối (thân cành lá) của keo tai tượng ở các mô hình trồng ..........113 Bảng 3.32. Một số tính chất lý học đất ở các mô hình trồng keo tai tượng ............114 Bảng 3.33. Một số tính chất hóa học đất ở các mô hình trồng keo tai tượng .........116 Bảng 3.34. Kim loại nặng trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng.................118 ix DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Khung nghiên cứu thực trạng môi trường và giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt...................................................................................41 Hình 2.2. Sơ đồ địa điểm tiến hành các nghiên cứu của đề tài .................................46 Hình 3.1. Bản đồ huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên ..............................................52 Hình 3.2. Bản đồ khoáng sản quặng sắt trên địa bàn huyện Đồng Hỷ .....................58 Hình 3.3. Bản đồ khu vực mỏ sắt Trại Cau ...............................................................65 Hình 3.4. Sơ đồ quy trình khai thác quặng sắt tại mỏ sắt Trại Cau ..........................67 Hình 3.5. Sơ đồ công nghệ tuyển khoáng và các nguồn phát sinh chất thải .............69 Hình 3.6. Hố sụt lún đất tại tổ 12, thị trấn Trại Cau .................................................70 Hình 3.7. Rạn nứt công trình xây dựng tại thôn Kim Cương, xã Cây Thị................70 Hình 3.8. Mất nước tại giếng tại thôn Hòa Bình, xã Cây Thị ...................................70 Hình 3.9. Bản đồ hiện trạng và phạm vi tai biến khu vực mỏ sắt Trại Cau ..............73 Hình 3.10. Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất tầng 0 - 20 cm ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường ...............................................................76 Hình 3.11. Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường ..............................................................................................78 Hình 3.12. Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường ..............................................................................................79 Hình 3.13. Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường ..............................................................................................80 Hình 3.14. Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các vị trí xa dần so với khu vực khai trường ..............................................................................................80 Hình 3.15. Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất tầng 0 - 20 cm ở các khu đất khác nhau của mỏ ....................................................................................84 Hình 3.16. Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ ...... 86 Hình 3.17. Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ ...... 86 Hình 3.18. Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ ........ 87 Hình 3.19. Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các khu đất khác nhau của mỏ ...... 88 x Hình 3.21. Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất ở các công thức thí nghiệm khác nhau ...............................................................................................107 Hình 3.22. Hàm lượng kim loại nặng As trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm ......................................................................................110 Hình 3.23. Hàm lượng kim loại nặng Pb trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm ......................................................................................111 Hình 3.24. Hàm lượng kim loại nặng Cd trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm ......................................................................................111 Hình 3.25. Hàm lượng kim loại nặng Zn trong đất ở các công thức thí nghiệm cây trồng sau 2 năm ......................................................................................112 Hình 3.26. Độ xốp đất ở các mô hình trồng keo tai tượng......................................115 Hình 3.27. Hàm lượng mùn và N, P2O5, K2O trong đất ở mô hình trồng keo tai tượng... 116 Hình 3.28. Hàm lượng As trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng ................119 Hình 3.29. Hàm lượng Pb trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng.................120 Hình 3.30. Hàm lượng Cd trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng ................120 Hình 3.31. Hàm lượng Zn trong đất ở các mô hình trồng keo tai tượng ................121 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của cả nước, các hoạt động khai thác khoáng sản đã và đang góp phần rất lớn vào công cuộc đổi mới đất nước. Ngành công nghiệp khai thác mỏ đã và đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế của Việt Nam. Trong những năm qua, hoạt động khai khoáng sản đã đóng góp tới 5,6 % GDP. Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực đạt được, chúng ta cũng đang phải đối mặt với nhiều vấn đề về môi trường. Quá trình khai thác mỏ phục vụ cho lợi ích của mình, con người đã làm thay đổi môi trường xung quanh. Đến nay, ngành Địa chất và Khoáng sản Việt Nam đã tìm kiếm, phát hiện hơn 5.000 mỏ và điểm quặng của khoảng 60 loại khoáng sản khác nhau. Một số khoáng sản đã được phát hiện và khai thác từ rất lâu như vàng, thiếc, chì, kẽm, than đá và các loại vật liệu xây dựng; số khác mới được phát hiện và khai thác như dầu khí, sắt, đồng… Một số nơi, có những mỏ nằm tập trung như than ở Quảng Ninh, bôxit ở Tây Nguyên và apatit, đất hiếm ở miền núi phía Bắc. Trong các tỉnh vùng núi khu vực Đông Bắc Việt Nam, Thái Nguyên là một trung tâm kinh tế - xã hội lớn của khu vực Đông Bắc hay cả vùng trung du và miền núi phía Bắc, có tổng diện tích tự nhiên 3.534 km², là một trong những tỉnh có trữ lượng khoáng sản lớn nhất cả nước, đặc biệt là các khoáng sản phục vụ cho ngành luyện kim và chế biến vật liệu xây dựng như: Sắt, chì, kẽm, barit, wolfram, titan, than, thiếc, đồng, đá, sét,... Các khoáng sản này được phân bố tập trung tại các huyện Võ Nhai, Đại Từ, Đồng Hỷ, Phú Lương. Hiện nay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có khoảng 200 điểm mỏ khoáng sản, gồm 24 loại khoáng sản rắn thuộc 4 nhóm (Nhiên liệu khoáng; khoáng sản kim loại; khoáng chất công nghiệp và vật liệu xây dựng). Số lượng doanh nghiệp, đơn vị tham gia khai thác, chế biến khoáng sản cũng gia tăng nhanh chóng. Hoạt động khoáng sản của các doanh nghiệp đã đóng góp vào nguồn thu ngân sách của tỉnh tăng trưởng liên tục qua từng năm. Đây là hoạt động có vai trò rất lớn đối với phát triển kinh tế xã hội của địa phương. Tuy nhiên, với tiềm năng lớn về khoáng sản, trên địa bàn tỉnh có rất nhiều cơ sở khai thác, chế biến khoáng sản từ quy mô nhỏ đến lớn và đây là một ngành 2 chiếm dụng diện tích đất nông nghiệp lớn. Cũng như việc khai thác, vấn đề cải tạo phục hồi môi trường sau khai thác khoáng sản, đảm bảo chất lượng môi trường xung quanh trong quá trình khai thác vẫn còn hạn chế và thực tế việc bảo vệ môi trường chưa cao. Sự phát triển của ngành khai thác khoáng sản không đồng bộ với biện pháp bảo vệ môi trường đã để lại những hậu quả suy thoái môi trường của nhiều vùng khai thác khoáng sản, như: Một diện tích lớn đất nông, lâm nghiệp trước đây bị chiếm dụng cho mục đích khai thác khoáng sản vẫn để hoang hóa sau khi khai thác; Tầng đất mặt bị xáo trộn, gây khó khăn cho việc hoàn thổ phục hồi môi trường; Cân bằng nước khu vực bị phá vỡ, gia tăng các hiện tượng trượt lở, bồi lấp, tích tụ các chất rắn do sự biến đổi chế độ thủy văn của dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm; Hệ sinh thái và cảnh quan khu vực bị biến đổi. Biểu hiện rõ nét nhất là suy thoái thảm thực vật, suy giảm diện tích rừng, cạn kiệt trữ lượng gỗ, suy giảm về chủng loại và số lượng các loài động vật hoang dã. Sau thời gian hoạt động của các mỏ khai thác và chế biến khoáng sản, thường phải mất nhiều năm chúng ta mới khắc phục được những hậu quả của nó. Sau khai thác, tầng đất mặt bị xáo trộn, trơ sỏi đá, các hiện tượng trượt lở, bồi lấp và tích tụ các chất rắn khiến cho chất lượng nước và đất ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng. Một số khu vực đất đá thải còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ, có khả năng hòa tan các kim loại nặng độc hại là nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm của khu vực. Quá trình ô nhiễm đất và nước dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm sự đa dạng sinh học. Đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa đất diễn ra nhanh hơn. Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên. Sự tích tụ cao các chất độc hại, các kim loại nặng trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người (Lưu Thế Anh, 2007). Việc xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng rất phức tạp và thường không triệt để do tính chất của đất bị thay đổi khi liên kết với kim loại nặng. Nhiều phương pháp hóa học, lý học đã được lựa chọn để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng như: rửa đất, bê tông hóa, đào đất bị ô nhiễm chuyển đến nơi chôn lấp thích hợp, kết tủa hóa học, oxy hóa khử, phản hấp phụ ở nhiệt độ thấp, xử lý nhiệt, trao đổi ion,... Vấn đề 3 hạn chế của những phương pháp này là chi phí quá cao so với điều kiện kinh tế ở các nước đang phát triển, mặt khác môi trường đất sau khi xử lý không thể tái sử dụng được (Lê Văn Khoa và cs, 2005). Do vậy, ngoài những phương pháp xử lý đất ô nhiễm truyền thống trước đây thì phương pháp sử dụng thực vật đang là hướng nghiên cứu có triển vọng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên Thế giới bởi tính hiệu quả về kinh tế, đơn giản và thân thiện với môi trường. Phương pháp này tuy mới mẻ ở Việt Nam nhưng đã được thực hiện như một công nghệ thương mại trên Thế giới từ những năm 1990 của thế kỷ trước. Tuy nhiên chưa có các biện pháp hữu hiệu và đáp ứng vấn đề đặt ra của sản xuất và bảo vệ môi trường. Tại huyện Đồng Hỷ, hiện tại đang có 18 mỏ sắt đang hoạt động với tổng diện tích chiếm đất là 743,92 ha, trong đó mỏ sắt Trại Cau chiếm tới 291,04 ha. Mỏ sắt Trại Cau cũng là mỏ được khai thác sớm nhất, từ năm 1969, còn 17 mỏ sắt khác chỉ mới bắt đầu khai thác từ những năm 2009 cho tới nay. Quá trình khai thác lâu dài, với diện tích chiếm đất lớn, ngày càng xuất hiện những vấn đề về môi trường tại mỏ sắt Trại Cau đang cần phải quan tâm. Xuất phát yêu cầu nêu trên và nhằm đóng góp cơ sở dữ liệu cho thiết lập giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng đất đai sau khi khai thác khoáng sản, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài với trường hợp nghiên cứu khai thác quặng sắt tại Thái Nguyên là “Nghiên cứu môi trường đất trong khai thác quặng sắt và đề xuất giải pháp phục hồi đất tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đánh giá được thực trạng môi trường đất trong khai thác quặng sắt. - Đánh giá được hiệu quả giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt. - Đề xuất giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt bằng một số loại thực vật. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở dữ liệu mới về môi trường đất khu vực mỏ sắt ở tỉnh Thái Nguyên. Giải pháp phục hồi đất sau khai thác quặng sắt bằng thực vật đã góp phần bổ sung vào danh mục các giải pháp cải tạo đất ở khu vực khai thác quặng sắt tại địa phương. 4 - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở dữ liệu tham khảo tốt cho các nghiên cứu cũng như đào tạo trong lĩnh vực tài nguyên đất ở Việt Nam. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả đánh giá thực trạng về tác động của khai thác quặng sắt đến một số tai biến như nứt, sập sụt lún mặt đất, mất nước cũng như làm suy giảm độ phì và gây ô nhiễm đất sau khai thác quặng sắt là cơ sở cho xác định các giải pháp phục hồi cho đất sau khai khoáng sản ở Thái Nguyên. - Sử dụng các loại thực vật theo tiêu chí dễ thích nghi với đất có độ phì thấp, đất bị ô nhiễm đồng thời phải sinh trưởng phát triển nhanh đem lại sinh khối lớn trả lại cho đất là giải pháp tối ưu cho phục hồi đất sau khai thác quặng sắt ở Thái Nguyên và những nơi có điều kiện tương tự. 4. Đóng góp mới của luận án - Kết quả đánh giá thực trạng về ảnh hưởng của khai thác quặng sắt làm suy giảm độ phì và gây ô nhiễm đất là cơ sở dữ liệu mới góp phần xác định các giải pháp phục hồi cho đất sau khai thác khoáng sản. - Giải pháp nhanh chóng phục hồi độ phì đất sau khai thác quặng sắt là bằng trồng các loại cây theo tiêu chí dễ thích nghi với đất có độ phì thấp, đất bị ô nhiễm đồng thời phải sinh trưởng phát triển nhanh đem lại sinh khối lớn trả lại cho đất. Kết quả đánh giá đã chọn được các loại cây ngắn ngày (đơn buốt, ngải dại, mần trầu và dương xỉ) và cây lâu năm như keo tai tượng cho phục hồi độ phì đất và xử lý được đất bị ô nhiễm kim loại nặng As, Pb và Cd ở vùng khai thác quặng sắt Thái Nguyên. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cơ sở khoa học về môi trường đất sau khai thác khoáng sản 1.1.1. Một số khái niệm về môi trường đất 1.1.1.1. Khái niệm đất Đất là một phần của vỏ trái đất, nó là lớp phủ của lục địa mà bên dưới nó là đá và khoáng sinh ra nó, bên trên là thảm thực bì và khí quyển. Theo nguồn gốc phát sinh, Đokutraiep định nghĩa: Đất là một vật thể tự nhiên được hình thành do sự tác động tổng hợp của năm yếu tố là: khí hậu, đá mẹ, địa hình, sinh vật và thời gian (tuổi của đất). Sau đó các nhà khoa học đất đã bổ sung thêm sự hình thành đất gồm 5 yếu tố tự nhiên và 1 yếu tố hoạt động của con người đối với đất có sự tác động của con người (Nguyễn Mười và cs., 2000). Đất được xem như một thể sống, nó luôn luôn vận động, biến đổi và phát triển. Đối với sản xuất nông lâm nghiệp, đất là một tư liệu sản xuất vô cùng quý giá, cơ bản và không gì thay thế được. 1.1.1.2. Khái niệm môi trường đất Môi trường đất là môi trường bao gồm có đất (trong đất có các vật chất vô cơ, hữu cơ sắp xếp thành cấu trúc nhất định), các thực vật, động vật và vi sinh vật sống trong đất và trên mặt đất và con người (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020). 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. Sự hình thành và phát triển của môi trường đất phụ thuộc rất nhiều yếu tố môi trường. Vì vậy mỗi một loại đất và vị trí khác nhau sẽ có sự biến đổi khác nhau. Trong đất tự nhiên, không chịu sự tác động của con người, thường sẽ tạo ra một môi trường đất phát triển thuận lợi theo quy luật tự nhiên vốn có của nó nên không bị ô nhiễm. Ngược lại, môi trường đất bị tác động thiếu bảo vệ của con người cơ bản sẽ bị ô nhiễm. Vai trò của môi trường đất: Đất là môi trường cho cây mọc trên đó, cung cấp chất dinh dưỡng và nước cho cây sinh trưởng phát triển. Như vậy khả năng sản xuất 6 ra sản phẩm cây trồng (độ phì của đất) là thuộc tính không thể thiếu được của đất. Môi trường đất là một bộ phận quan trọng của hệ sinh thái. Đất được coi như một “hệ đệm”, như một “phễu lọc” luôn luôn làm trong sạch môi trường với tất cả các chất thải do hoạt động sống của sinh vật nói chung và con người nói riêng trên trái đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016). Tuy nhiên, môi trường đất một khi đã bị ô nhiễm sẽ là mối đe dọa nghiêm trọng cuộc sống của sinh vật nói chung và con người sống trên đó. Từ lâu môi trường đất được coi là một hệ thống động trong đó bao gồm nhiều thành phần hóa học phức tạp và có nhiều quá trình hóa học xảy. Theo Coleman và cộng sự (1998) đất là một hệ thống động trong đó dung dịch đất là môi trường của các quá trình vật lý, hoá học và sinh học trong đất. Dung dịch đất tồn tại ở trạng thái cân bằng động với các chất vô cơ, chất hữu cơ, vi sinh vật và không khí đất. Vì thế nó đóng vai trò quan trọng trong sự chuyển hoá và vận chuyển các phân tử và các ion cần thiết cũng như các phân tử và các ion có hại trong một hệ sinh thái. Các quá trình chuyển hoá của đất gắn liền với sự sinh trưởng của thực vật, động vật và môi trường phát triển của con người. Các quá trình xảy ra trong môi trường đất là nền tảng cho sự tiến hoá của địa quyển, sinh quyển và môi trường sống của con người. Vì vậy môi trường đất đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và sự bền vững của hệ sinh thái. Việc nắm vững bản chất của các phản ứng và các quá trình chuyển hoá trong đất ở các mức độ nguyên tử, phân tử và vi mô là rất cần thiết đối với các chiến lược quản lý nguồn tài nguyên mới phát triển và để hiểu được và điều chỉnh các hoạt động của hệ sinh thái trên mặt đất trong phạm vi vùng và toàn cầu (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016). Môi trường đất nông nghiệp là môi trường bao gồm có đất canh tác, các loại cây trồng vật nuôi sống trên đó và hoạt động canh tác của con người cũng như tác động của khí hậu (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2020). 1.1.1.3. Khái niệm chỉ thị môi trường đất Theo khoản 5 điều 3 Luật Bảo vệ Môi trường 2014: Tiêu chuẩn môi trường là giới hạn cho phép các thông số về chất lượng môi trường xung quanh, về hàm lượng của chất gây ô nhiễm trong chất thải được cơ quan nhà nước có thẩm quyền quy định làm căn cứ để quản lý và bảo vệ môi trường. 7 Khái niệm chỉ thị môi trường: Chỉ thị (indicator) là một tham số (parameter) hay số đo (metric) hay một giá trị kết xuất từ tham số, dùng cung cấp thông tin, chỉ về sự mô tả tình trạng của một hiện tượng/môi trường/khu vực, nó là thông tin khoa học về tình trạng và chiều hướng của các thông số liên quan môi trường. Các chỉ thị truyền đạt các thông tin phức tạp trong một dạng ngắn gọn, dễ hiểu và có ý nghĩa vượt ra ngoài các giá trị đo liên kết với chúng. Các chỉ thị là các biến số hệ thống đòi hỏi thu thập dữ liệu bằng số, tốt nhất là trong các chuỗi thứ tự thời gian nhằm đưa ra chiều hướng, các chỉ thị này kết xuất từ các biến số, dữ liệu. Theo Thông tư 08/2010/TT-BTNMT: Chỉ thị môi trường là thông số cơ bản phản ánh các yếu tố đặc trưng của môi trường phục vụ mục đích đánh giá, theo dõi diễn biến chất lượng môi trường, lập báo cáo hiện trạng môi trường. Sinh vật chỉ thị môi trường hay chỉ thị sinh học môi trường là căn cứ vào sinh vật sống để đánh giá môi trường mà nó đang sống (Nguyễn Thế Đặng, 2014). 1.1.2. Thoái hóa đất Thoái hoá là khái niệm để chỉ sự suy giảm theo chiều hướng xấu đi so với ban đầu. Thoái hoá đất được hiểu là quá trình suy giảm độ phì nhiêu của đất từ đó làm cho sức sản xuất của đất bị suy giảm theo. Thoái hoá đất là các quá trình thay đổi các tính chất hoá lý và sinh học của đất dẫn đến giảm khả năng của đất trong việc thực hiện các chức năng của đất như: Cung cấp chất dinh dưỡng và tạo ra không gian sống cho cây trồng, vật nuôi và hệ sinh thái, điều hoà và bảo vệ lưu vực thông qua sự thấm hút và phân bố lại nước, mưa, dự trữ độ ẩm, hạn chế sự biến động của nhiệt độ, hạn chế ô nhiễm nước ngầm và nước mặt bởi các sản phẩm rửa trôi. Ở Việt Nam nhóm đất đồi núi mà đa số là đất dốc là bị thoái hóa nghiêm trọng hơn cả, kế theo là đất cát ven biển của các địa phương Nam Trung Bộ, Đông Nam Bộ. Trong vùng đất đồi núi, thì đất khu vực bán sơn địa nằm ở vùng tiếp giáp giữa vùng núi và đồng bằng bị thoái hóa mạnh mẽ nhất do cường độ canh tác lớn và dốc. Mặt khác rất nhiều vùng khai thác khoáng sản, làm thay đổi và đảo lộn đất đã làm cho đất sau khai thác bị thoái hóa nghiêm trọng (Nguyễn Tử Siêm và Thái Phiên, 1999). 8 Đặc biệt, đối với các vùng đất sau khai thác khoáng sản trở nên thoái hóa nghiêm trọng do quá trình khai thác đã làm đảo lộn các tầng đất, đến khi hoàn thổ thì không còn theo như gốc tự nhiên trước khi khai thác. Vì vậy, từ suy giảm hàm lượng chất hữu cơ, giảm độ xốp, mất kết cấu đã làm giảm khả năng thấm nước và sức chứa ẩm (Mai Văn Trịnh và cs, 2015). 1.1.3. Ô nhiễm môi trường đất 1.1.3.1. Khái niệm ô nhiễm môi trường đất (1) Đất bị ô nhiễm được hiểu là khi hàm lượng một số nguyên tố hóa học có trong đất vượt quá ngưỡng thường có của loại đất đó, hoặc đất chứa một một số chất gây độc trực tiếp. (2) Ô nhiễm môi trường là sự đưa vào môi trường các chất thải nguy hại hoặc năng lượng đến mức ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh vật, sức khỏe con người hoặc làm suy thoái chất lượng môi trường. Đất được xem là ô nhiễm khi nồng độ các chất độc tăng lên quá mức an toàn, vượt lên khả năng tự làm sạch của môi trường đất. (3) Ô nhiễm môi trường đất là hậu quả các hoạt động của con người làm thay đổi các nhân tố sinh thái vượt qua những giới hạn sinh thái của các quần xã sống trong đất. Đất bị ô nhiễm nghiêm trọng hay ô nhiễm trong một thời gian dài thì sẽ dẫn đến tình trạng suy thoái đất, khiến đất mất dần đi khả năng sản xuất vốn có của đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016). (4) Ô nhiễm đất không những làm giảm khả năng sản xuất của đất mà còn làm ảnh hưởng đến cây trồng, gia súc và con người. (5) Ô nhiễm đất còn làm hại đến môi trường khác như nước ngầm, nước mặt và không khí, từ đó ảnh hưởng đến con người. 1.1.3.2. Nguồn gốc ô nhiễm đất Ô nhiễm môi trường đất được xem là tất cả các hiện tượng làm hàm lượng các chất tự nhiên trong đất tăng lên, hoặc thêm các độc chất lạ (đến mức vượt tiêu chuẩn cho phép), gây độc hại cho môi trường, sinh vật và làm xấu cảnh quan. Như ta biết, đất là tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trong sản xuất nông lâm nghiệp. Ngoài ra đất được dùng làm nơi ở, đường giao thông, kho tàng, mặt bằng sản xuất công nghiệp…