Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN VIẾT CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN SINH HỌC TỪ PHỤ PHẨM CÂY LÚA ĐỂ CẢI TẠO MÔI TRƯỜNG ĐẤT XÁM BẠC MÀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN VIẾT CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THAN SINH HỌC TỪ PHỤ PHẨM CÂY LÚA ĐỂ CẢI TẠO MÔI TRƯỜNG ĐẤT XÁM BẠC MÀU Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Phạm Quang Hà PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của tập thể cán bộ hướng dẫn, các số liệu trình bày trong luận án là trung thực từ các kết quả nghiên cứu thực hiện luận án của cá nhân tôi. Để thực hiện luận án, tôi đã trực tiếp tham gia một số đề tài nghiên cứu liên quan và đã được các chủ trì đồng ý để phục vụ cho luận án nghiên cứu sinh của tôi như là kết quả tham gia đào tạo của đề tài. Một số kết quả đã được chúng tôi công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả phù hợp với các qui định hiện hành. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trong luận án của mình. Tác giả luận án Trần Viết Cường LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình và có nhiều nhận xét, góp ý quý báu trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Phạm Quang Hà và PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình công tác cũng như thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Mai Văn Trịnh, chủ nhiệm đề tài về sản xuất và ứng dụng than sinh học cấp thành phố của Sở KH & CN Hà Nội năm 2010 -2011, đã cho phép tôi cùng tham gia thực hiện và hoàn thành một số kết quả nghiên cứu của luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn của mình tới Lãnh đạo Viện Môi trường Nông nghiệp, lãnh đạo các đơn vị và đồng nghiệp nơi tôi làm việc luôn quan tâm, hỗ trợ, chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo trường Đại học Hà Tĩnh và tập thể cán bộ Khoa Sư phạm Tự nhiên đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành Luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo và người dân ở xã Bắc Phú, huyện Sóc Sơn, Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm ứng dụng TSH. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt mọi công việc trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Trần Viết Cường MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. 3 DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... 4 DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... 5 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 7 Chương 1 - TỔNG QUAN ........................................................................... 11 1.1. Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa ................................................ 11 1.1.1. Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa trên thế giới ..................... 11 1.1.2. Tình hình thu gom và sử dụng phụ phẩm cây lúa ở Việt Nam ..... 13 1.1.3. Ảnh hưởng của một số hình thức xử lý phụ phẩm cây lúa đến môi trường đất và chu trình các bon ............................................................. 17 1.2. Đất xám bạc màu ............................................................................. 20 1.2.1. Sự phân bố, phân loại đất xám bạc màu..................................... 21 1.2.2. Tính chất đất xám bạc màu ........................................................ 22 1.2.3. Kim loại nặng trong đất xám bạc màu ....................................... 22 1.2.4. Các biện pháp cải tạo đất xám bạc màu..................................... 23 1.3. Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý ................................. 27 1.3.1. Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất............................... 27 1.3.2. Các dạng kim loại nặng trong đất .............................................. 29 1.3.3. Sự tồn tại và chuyển hóa Cu, Pb và Zn trong đất ....................... 29 1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính linh động của kim loại nặng trong môi trường đất ....................................................................................... 31 1.3.5. Mối quan hệ giữa kim loại nặng trong môi trường đất và nước . 35 1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hút thu kim loại nặng của thực vật .................................................................................................. 37 1.3.7. Một số phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN .............................. 38 1.3.8. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước ..................... 41 1.4. Tổng quan về sản xuất và ứng dụng than sinh học ........................... 46 1.4.1. Đặc tính của TSH....................................................................... 47 1.4.2. Than sinh học cô lập các bon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính 50 1.4.3. Than sinh học cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng ....... 52 1.4.4. Than sinh học xử lý môi trường đất ô nhiễm .............................. 55 1 1.4.5. Tải lượng than sinh học của đất và các tác động bất lợi ............ 60 Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 62 2.1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 62 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................. 63 2.2.1. Phương pháp điều tra và thu thập tài liệu .................................. 63 2.2.2. Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu ........................................... 63 2.2.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi ............. 63 2.2.4. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích ...................................... 73 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu.......................................................... 74 Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................... 75 3.1. Tính chất lý hóa của đất bạc màu và TSH ........................................ 75 3.2. Tính chất lý hóa của vật liệu phối trộn sau 4 tuần ủ.......................... 77 3.2.1. Mối quan hệ giữa điện tích bề mặt và pH của đất sau khi bổ sung TSH 82 3.3. Khả năng xử lý Cu, Pb và Zn của TSH............................................. 84 3.3.1. Khả năng đệm pH của TSH ........................................................ 84 3.3.2. Khả năng xử lý Cu của TSH ....................................................... 86 3.3.3. Khả năng xử lý Pb của TSH ....................................................... 87 3.3.4. Khả năng xử lý Zn của TSH ....................................................... 87 3.4. Khả năng xử lý Cu, Pb và Zn của đất sau khi bổ sung TSH.............. 88 3.4.1. Khả năng xử lý Cu của đất sau khi bổ sung TSH........................ 89 3.4.2. Khả năng xử lý Pb của đất sau khi bổ sung TSH ........................ 93 3.4.3. Khả năng xử lý Zn của đất sau khi bổ sung TSH ........................ 97 3.5. Khả năng cố định Cu, Pb và Zn trong môi trường đất .................... 102 3.5.1. Khả năng cố định KLN của TSH dưới tác động của dịch chiết CaCl2 0,01 M ....................................................................................... 103 3.5.2. Ảnh hưởng của TSH đến các chỉ tiêu sinh trưởng và sự tích lũy KLN của cây rau muống....................................................................... 110 3.6. Ảnh hưởng của TSH đến năng suất và một số tính chất đất bạc màu trồng lúa .................................................................................................. 117 3.6.1. Ảnh hưởng của than sinh học đến năng suất lúa ...................... 118 3.6.2. Ảnh hưởng của than sinh học đến tính chất đất........................ 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 130 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AC Than hoạt tính (Activated carbon) ANC Khả năng trung hòa axit (Acid Neutralizing Capacity) BF Hệ số tích lũy sinh học (Bioaccumulation Factor) BLC Khả năng chịu tải than sinh học của đất (Biochar Loading Capacity) CEC Khả năng trao đổi cation CV Sai số thí nghiệm FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc KHM Ký hiệu mẫu LSD Sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa (Least Significant Difference) KLN Kim loại nặng PCP Phencyclidine PAH Polycyclic aromatic hydrocarbons QCVN Quy chuẩn Việt Nam SOM Chất hữu cơ trong đất (Soil Organic Matter) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TC Các bon tổng số TOC Các bon hữu cơ tổng số TSH Than sinh học UNESCO Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc V Thể tích W Khối lượng WHC Khả năng giữ nước (Water Holding Capacity)/ sức chứa ẩm tối đa 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Sản lượng lúa và phụ phẩm cây lúa trên thế giới năm 2009 ......... 11 Bảng 1.2. Một số hình thức sử dụng rơm rạ và trấu ở các nước trên thế giới12 Bảng 1.3. Tỷ lệ các hình thức sử dụng rơm rạ tại một số tỉnh ở Việt Nam .... 14 Bảng 1.4. Tỷ lệ các hình thức sử dụng trấu tại một số tỉnh ở Việt Nam ........ 15 Bảng 1.4. Thành phần trong một số chất đốt ................................................ 16 Bảng 1.5. Thành phần một số loại tro .......................................................... 16 Bảng 1.6. Hàm lượng trung bình Cu, Pb, Cu và Cd (mg.kg-1 đất) trong đất xám theo các loại đá mẹ khác nhau .............................................................. 23 Bảng 1.7. Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình ......... 28 Bảng 1.8. Thành phần còn lại sau nhiệt phân dưới tác động của nhiệt độ và thời gian lưu khác nhau ................................................................................ 48 Bảng 1.9. Phạm vi tương đối của bốn thành phần chính của than sinh học .. 49 Bảng 1.10. Thành phần các nguyên tố có trong một số loại TSH.................. 49 Bảng 2.1. Tính chất TSH sản xuất theo phương pháp nhiệt phân gián tiếp từ vật liệu rơm rạ và trấu ................................................................................. 62 Bảng 2.2. Tỉ lệ phối trộn vật liệu và nồng độ gây nhiễm của các KLN ......... 70 Bảng 2.3. Các công thức và lượng các bon có trong TSH bón vào thí nghiệm ..................................................................................................................... 71 Bảng 2.4. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích ........................................ 73 Bảng 3.1. Một số tính chất lý hóa của đất xám bạc màu và TSH .................. 75 Bảng 3.2. Một số tính chất hóa lý của đất thay đổi sau khi bổ sung TSH ...... 78 Bảng 3.3. Sự thay đổi pH của dung dịch Cu2+ sau khi bổ sung TSH ............. 86 Bảng 3.4. Sự thay đổi pH của dung dịch Pb2+ sau khi bổ sung TSH ............. 87 Bảng 3.5. Sự thay đổi pH của dung dịch Zn2+ sau khi bổ sung TSH ............. 87 Bảng 3.6. Các tham số mô tả động học hấp phụ Cu của vật liệu .................. 90 Bảng 3.7. Các tham số mô tả động học hấp phụ Pb của vật liệu. ................. 94 Bảng 3.8. Các tham số mô tả động học hấp phụ Zn của vật liệu. .................. 98 Bảng 3.9. Hàm lượng Cu, Pb và Zn và hệ số tích luỹ sinh học của cây rau muống sau thí nghiệm ................................................................................ 115 Bảng 3.10: Hàm lượng KLN tích lũy trong cây và hàm lượng KLN chiết được bằng dung dịch CaCl2 0,01 M .................................................................... 116 Bảng 3.11. Năng suất lúa trong 4 vụ thí nghiệm ......................................... 119 Bảng 3.12. Các chỉ tiêu hóa học đất sau 4 vụ canh tác lúa ......................... 122 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc dưới kính hiển vi của TSH .............................................. 49 Hình 3.1. pH của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH ............................. 79 Hình 3.2. CEC của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH .......................... 79 Hình 3.3. Hàm lượng cation được chiết rút bởi CH 3COONH4 của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH ............................................................................. 80 Hình 3.4. Độ kiềm tổng số của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH ......... 80 Hình 3.5. Khả năng giữ nước của đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH .... 81 Hình 3.6. Sự phụ thuộc điện tích bề mặt vào pH của đất sau khi bổ sung TS.82 Hình 3.7. Biến thiên pH của dung dịch khi thêm H+ hoặc OH- đối với hệ có bổ sung TSH và đối chứng ................................................................................ 85 Hình 3.8. Động học quá trình hấp phụ Cu bởi vật liệu theo thời gian .......... 89 Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu của vật liệu ............ 91 Hình 3.10. Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Cu và hàm lượng Cu bị hấp phụ. .............................................................................................................. 92 Hình 3.11. Động học quá trình hấp phụ Pb bởi vật liệu theo thời gian ......... 93 Hình 3.12. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb bởi vật liệu .......... 95 Hình 3.13. Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Pb và hàm lượng Pb bị hấp phụ ............................................................................................................... 96 Hình 3.14. Động học quá trình hấp phụ Zn bởi vật liệu theo thời gian. ........ 97 Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Zn của vật liệu. ......... 99 Hình 3.16. Ảnh hưởng giữa tỉ lệ vật liệu/ nồng độ Zn và hàm lượng Zn bị hấp phụ ............................................................................................................. 100 Hình 3.17. Hàm lượng Cu được chiết bởi dung dịch CaCl2 0,01 M theo thời gian ............................................................................................................ 104 Hình 3.18. pH của dung dịch CaCl2 0,01 M trong thí nghiệm chiết Cu theo thời gian ..................................................................................................... 104 Hình 3.19. Hàm lượng Pb được chiết bởi dung dịch CaCl2 0,01 M theo thời gian ............................................................................................................ 105 Hình 3.20. pH của dung dịch CaCl2 0,01 M trong thí nghiệm chiết Pb theo thời gian ..................................................................................................... 105 Hình 3.21. Hàm lượng Zn được chiết bởi dung dịch CaCl2 0,01 M theo thời gian ............................................................................................................ 106 Hình 3.22. pH của dung dịch CaCl2 0,01 M trong thí nghiệm chiết Zn theo thời gian ..................................................................................................... 107 Hình 3.23. Ảnh hưởng của pH và hàm lượng KLN chiết từ CaCl2 0,01 M .. 109 5 Hình 3.24. Khối lượng tươi của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH ......................................................... 111 Hình 3.25. Khối lượng khô của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH ......................................................... 112 Hình 3.26. Chiều cao của cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH ...................................................................... 112 Hình 3.27. Diện tích lá cây rau muống trong thí nghiệm gây nhiễm Cu, Pb, Zn trong đất có bổ sung TSH ........................................................................... 113 Hình 3.28. Ảnh hưởng của hàm lượng các bon bón vào đất và năng suất lúa ................................................................................................................... 120 Hình 3.29. Ảnh hưởng giữa hàm lượng các bon bón vào đất và một số tính chất đất ...................................................................................................... 123 Hình 3.30. Màu sắc tầng đất 0 - 30 cm sau 4 vụ thí nghiệm. ...................... 124 6 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong canh tác nông nghiệp việc lạm dụng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bón phân không hợp lý,… tạo ra nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất, đặc biệt là kim lọai nặng (KLN) tích lũy dần trong đất qua các mùa vụ canh tác. Bên cạnh đó, đất nông nghiệp ở nước ta phần lớn là đất xám bạc màu, với đặc tính chua, nghèo kiệt chất dinh dưỡng, dung tích hấp thu thấp, thường khô hạn, chai cứng và có thành phần cơ giới nhẹ vì vậy dễ bị tác động bởi quá trình xói mòn, rửa trôi dinh dưỡng. Điều này càng làm suy giảm sức sản xuất của đất dẫn đến giảm năng suất cây trồng. Nếu đất bị ô nhiễm, KLN dễ dàng bị hút thu bởi cây trồng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng nông sản hoặc chúng dễ bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước. Do đó, cần có những biện pháp cải tạo và xử lý ô nhiễm trong đất. Thực tế hiện nay, do điều kiện kinh tế phát triển và sản xuất nông nghiệp bằng cơ giới hóa, từ đó thói quen sử dụng phụ phẩm cây lúa của người dân đã thay đổi dẫn đến dư thừa một lượng rất lớn, chúng không được quản lý tốt ở khắp các vùng miền ở Việt Nam. Tình trạng vứt bỏ rơm rạ trên đồng ruộng, trấu ở các kênh rạch từ các nhà máy xay xát. Sự lãng phí này dẫn đến chất hữu cơ dư thừa bị phân hủy tạo ra khí metan ô nhiễm không khí, sự phân hủy chất hữu cơ có thể làm rửa trôi phốt pho, kim loại nặng trong môi trường đất làm ô nhiễm nguồn nước. Ngoài ra, việc đốt rơm, rạ không những gây ô nhiễm môi trường, làm gia tăng khí nhà kính trong khí quyển mà còn ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Than sinh học (TSH) là sản phẩm được nhiệt phân yếm khí từ các loại sinh khối hữu cơ giàu các bon và có nhiều tác dụng trong sản xuất và đời sống. Không phải ngẫu nhiên mà TSH được các nhà khoa học ví như “vàng đen” của ngành nông nghiệp. Sự đề cao này xuất phát từ những đặc tính ưu việt của TSH trong việc cải thiện tính chất đất và nâng cao năng suất cây 7 trồng. Ngoài ra, TSH có thể tồn tại nhiều năm trong đất với cấu trúc tơi xốp, diện tích bề mặt lớn và độ hấp phụ các chất cao nhờ đó còn được sử dụng để xử lý ô nhiễm trong môi trường đất và môi trường nước bởi các tác nhân như: KLN, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,… Xuất phát từ những yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm cây lúa để cải tạo môi trường đất xám bạc màu” được tiến hành. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án này được tiến hành với những mục tiêu sau đây: - Đánh giá được khả năng cố định KLN trong môi trường đất xám bạc màu của TSH. - Đánh giá được khả năng ứng dụng TSH từ phế phụ phẩm cây lúa để cải tạo tính chất đất xám bạc màu và nâng cao năng suất cây trồng. 3. Luận điểm khoa học Đặt ra nghiên cứu này dựa trên những luận điểm sau: Việc nghiên cứu cải tạo đất xám bạc màu đã được tiến hành từ thập niên 70 của thế kỷ trước và đã có nhiều phương pháp cải tạo được đề xuất như bón vôi, cày sâu, bón phù sa sông, bón phân hữu cơ,… Các phương pháp đưa ra đều nhằm mục đích nâng cao độ phì của đất, trong đó bao gồm cải thiện tính chất hóa lý của đất và tăng khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Tuy nhiên hiện nay, việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật, bón phân không hợp lý,… dẫn đến KLN tích lũy dần trong đất gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến chất lượng nông sản. Các biện pháp cải tạo trước đây ít nhiều cũng gặp hạn chế trong việc cải tạo môi trường đất bị ô nhiễm KLN. Bên cạnh đó, nước ta là nước sản xuất lúa gạo nên lượng phụ phẩm từ cây lúa dư thừa ngày càng nhiều, một trong các lý do đó là tập quán sử dụng phụ phẩm của người dân đã thay đổi. Thành phố Hà Nội cũng như một số thành phố lớn trên cả nước hiện nay đang chịu tác động bởi ô nhiễm khói bụi từ việc đốt phụ phẩm dư thừa 8 sau mỗi vụ thu hoạch ở các vùng ven đô thị. Sóc Sơn là một huyện ven đô của thành phố Hà Nội, có diện tích đất xám bạc lớn nhất so với các huyện còn lại (trên 10.500 ha). Chính vì vậy, ở đây cần có phương thức xử lý phụ phẩm sao cho vừa cải tạo đất vừa giảm thiểu những tác động do việc đốt phụ phẩm gây nên. Than sinh học có cấu trúc các bon với độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn, có thể hoạt động như là một chất hấp phụ tương tự như một số đặc tính của than hoạt tính, nó có thể tồn tại trong đất với thời gian dài và do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các chất ô nhiễm trong môi trường và như một chất ổn định các bon trong đất. Than sinh học sản xuất từ phụ phẩm cây lúa ở quy mô nông hộ và nhóm nông hộ cũng đã được áp dụng ở một số tỉnh trên cả nước trong những năm gần đây. Quy trình sản xuất TSH đơn giản, dễ thực hiện, người dân có thể tự sản xuất được. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng TSH trong cải tạo môi trường đất sẽ góp phần làm giảm lượng phụ phẩm dư thừa, giảm phát thải khí nhà kính gây ô nhiễm môi trường và có thể cải tạo môi trường đất xám bạc màu, trong đó cải thiện tính chất của đất và giảm tích lũy KLN trong nông sản và rửa trôi KLN vào nguồn nước. 4. Nội dung nghiên cứu 4.1. Nội dung 1. Phân tích tính chất đất xám bạc màu, TSH và đánh giá khả năng cải tạo một số tính chất lý hóa của đất sau khi bổ sung TSH. 4.2. Nội dung 2. Nghiên cứu khả năng cải tạo đất xám bạc màu bị ô nhiễm KLN của TSH. 4.2.1. Nghiên cứu khả năng xử lý KLN (Cu, Pb, Zn) của TSH và đất xám bạc màu sau khi bổ sung TSH trong nước. 4.2.2. Nghiên cứu khả năng cố định KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất xám bạc màu có bổ sung TSH bằng dịch chiết CaCl2 0,01 M. 9 4.2.3. Nghiên cứu khả năng hút thu KLN (Cu, Pb, Zn) của cây rau muống trong môi trường đất xám bạc màu có bổ sung TSH. 4.3. Nội dung 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của TSH đến năng suất lúa và tính chất đất xám bạc màu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài được thực hiện nhằm làm sáng tỏ khả năng cố định KLN và nâng cao năng suất cây trồng của TSH từ phụ phẩm cây lúa khi được bổ sung vào đất xám bạc màu thông qua việc phân tích, đánh giá kết quả của các thí nghiệm trong phòng, trong nhà lưới và trên đồng ruộng. Đồng thời cung cấp cơ sở dữ liệu về ứng dụng TSH trong cải tạo môi trường đất. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu góp phần cải tạo môi trường đất xám bạc màu, sử dụng phế phụ phẩm sau trồng lúa bị dư thừa, cải thiện tính chất lý hóa của đất, cố định KLN và nâng cao năng suất lúa, hạn chế ô nhiễm nguồn nước. Nghiên cứu ứng dụng thành công TSH để nâng cao năng suất và cải tạo một số tính chất lý hóa trên diện tích 500 m2 đất xám bạc màu trồng lúa tại Sóc Sơn, Hà Nội. 6. Những đóng góp mới của đề tài - Xác định được khả năng cải tạo và nâng cao một số tính chất lý hóa đất xám bạc màu của TSH sản xuất từ phụ phẩm cây lúa. - Xác định được khả năng cố định KLN của đất xám bạc màu có bổ sung TSH dưới tác động của một số yếu tố môi trường pH, thời gian, nồng độ các KLN và dung dịch chiết CaCl2 0,01 M. - Xác định được khả năng giảm hút thu KLN của đất xám bạc màu có bổ sung TSH đối với cây rau muống và hàm lượng bổ sung TSH vào đất ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây rau muống. 10 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa 1.1.1. Tình hình sử dụng phụ phẩm cây lúa trên thế giới Lúa gạo là thực phẩm quan trọng đối với khoảng một nửa dân số thế giới. Riêng khu vực châu Á đã sản xuất 618,24 triệu tấn, hơn 90% tổng sản lượng gạo toàn cầu (Bảng 1.1). Thống kê trong năm 2009 cho thấy, Trung Quốc đã sản xuất 196,7 triệu tấn lúa trên diện tích 29,8 triệu ha, trong khi Ấn Độ đã sản xuất 133,7 triệu tấn lúa trên diện tích 41,9 triệu ha [81]. Mặc dù Trung Quốc và Ấn Độ sản xuất lúa gạo lớn nhất trên thế giới nhưng số lượng xuất khẩu của họ là tương đối thấp do nhu cầu lớn từ dân số của họ. Bảng 1.1. Sản lượng lúa và phụ phẩm cây lúa trên thế giới năm 2009 Khu vực Châu Phi Châu Mỹ Châu Á Trung Quốc Ấn Độ Indonesia Bangladesh Châu Âu Châu đại dương Thế giới a b Sản lượng (triệu tấn) 24,51 38,1 618,24 196,68 133,7 64,4 47,72 4,1 0,29 685,24 Rơm rạa (triệu tấn) 24,51 38,1 618,24 196,68 133,7 64,4 47,72 4,1 0,29 685,24 Trấub (triệu tấn) 4,9 7,62 123,65 39,336 26,74 12,88 9,544 0,82 0,058 137,05 Nguồn: [81] tỉ lệ so với sản lượng là 1 tỉ lệ so với sản lượng là 0,2 Nhu cầu gạo dự kiến sẽ vẫn mạnh mẽ trong vài thập kỷ tới do sự tăng trưởng kinh tế và dân số ở các nước châu Phi và châu Á [138]. Dự đoán rằng đến năm 2020, tổng lượng tiêu thụ gạo sẽ là 450 triệu tấn, tăng 6,6% so với 422 triệu tấn vào năm 2007 [169]. Nhìn chung, ngành sản 11 xuất lúa gạo sẽ vẫn duy trì ổn định trong một thời gian dài, dẫn đến việc phụ phẩm từ cây lúa vẫn ở mức cao (Bảng 1.1). Việc sử dụng phụ phẩm cây lúa cho các mục đích khác nhau ở các nước cũng khác nhau. Ví dụ như ở Indonesia, phụ phẩm cây lúa chủ yếu được sử dụng cho mục đích năng lượng hoặc đốt bỏ trên đồng ruộng. Ở Philippin chủ yếu sử dụng cho cung cấp năng lượng, sản xuất phân bón hoặc đốt bỏ. Ở Trung Quốc, phụ phẩm chủ yếu được sử dụng để sản xuất phân bón và làm thức ăn gia súc hoặc đốt bỏ (Bảng 1.2). Bảng 1.2. Một số hình thức sử dụng rơm rạ và trấu ở các nước trên thế giới Hình thức sử dụng Quốc gia Cung cấp năng lượng Indonesia , Nepal, Thái Lan, Malaysia, Philippin, Thụy Sỹ, Nigeria. Phân bón Philippin, Israel, Trung Quốc. Thức ăn cho động vật Lebanon, Pakistan, Syria, Iraq, Israel, Tanzania, Trung Quốc, châu Mỹ. Trồng nấm Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ. Đốt cháy Trung Quốc, Mỹ, Philippin, Indonesia. Nguồn: [23] Gần đây việc đốt phụ phẩm cây lúa thường được tiến hành sau khi thu hoạch, thực tế đây là hoạt động phổ biến nhất của việc xử lý rơm rạ tại nhiều quốc gia ở châu Á [172]. Theo một cuộc khảo sát tại Thái Lan, 90% rơm rạ trong vụ thu hoạch cao điểm giữa tháng mười một và tháng mười hai được xử lý bằng cách đốt cháy trên đồng ruộng [170]. Do việc đốt làm ảnh hưởng đến vấn đề sức khỏe và môi trường, nhiều quốc gia đã áp đặt các quy định mới để hạn chế các hoạt động đốt phụ phẩm trên đồng ruộng [102]. Gần đây, rơm rạ và trấu đã được sử dụng làm vật liệu xây dựng [185], làm vật liệu hấp phụ KLN [114] và sử dụng vào mục đích sản xuất năng lượng và nhiên liệu. 12 Rơm rạ và trấu giống như nhiều loại sinh khối khác có chứa nhiều xenlulo và có một số đặc tính phù hợp để làm nguyên liệu cho việc chuyển đổi sinh hóa thành nhiên liệu như ethanol [181]. Rơm rạ cũng có tiềm năng sử dụng như một nguồn sinh khối để sản xuất năng lượng, nhưng việc ứng dụng với quy mô lớn của nó khá hạn chế so với việc sử dụng trấu [48]. Việc sử dụng trấu để sản xuất điện đã được áp dụng phổ biến ở những khu vực do có nguồn cung dồi dào từ các nhà máy xay xát lúa. Ngược lại, việc thu gom rơm rạ là khó khăn hơn do các vấn đề liên quan đến vận chuyển, xử lý và thu gom từ đồng ruộng [69]. 1.1.2. Tình hình thu gom và sử dụng phụ phẩm cây lúa ở Việt Nam Các hình thức thu gom, sử dụng và xử lý các phụ phẩm cây lúa chủ yếu là rơm rạ, là khá đa dạng và không thống nhất. Tùy theo điều kiện từng vùng và tập quán sử dụng của từng địa phương mà hình thức thu gom, sử dụng và xử lý rơm rạ sau thu hoạch cũng rất khác nhau. Với sản lượng lúa ước tính năm 2013 của cả nước trên 40 triệu tấn [24], nếu tính tỉ lệ thu hoạch là 1,0 và tỉ lệ giữa khối lượng trấu trên khối lượng hạt là 0,2 thì cả nước có trên 40 triệu tấn rơm rạ và trên 8 triệu tấn trấu. Đây là một nguồn nguyên nhiên liệu rất lớn. Đặc điểm của sản xuất nông nghiệp ở nước ta có quy mô nhỏ, việc thu gom và sử dụng rơm rạ đều bằng các hình thức thủ công. Rơm rạ thường được dự trữ ngoài trời nên phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, chưa khai thác được hết lợi ích từ lượng rơm đã dự trữ. Theo kết quả điều tra trong năm 2015 cho thấy, việc sử dụng rơm ra ngày nay vẫn còn nhiêu mục đích khác nhau. Tuy nhiên đa số rơm rạ được để lại tại ruộng sau đó đốt bỏ: 42,2%, hoặc vùi lại: 16,2%, làm thức ăn cho đại gia súc: 18%, Ủ làm phân: 5,5%, chất độn chuồng nuôi: 5,6%, tủ gốc: 4,7%, ngoài ra còn sử dụng làm nấm, chất đốt nhưng không đáng kể (Bảng 1.3). 13 Một số tỉnh vùng ĐBSCL rơm đã được thu gom, đóng bánh bằng cơ giới và bán cho thương lái. Bảng 1.3. Tỷ lệ các hình thức sử dụng rơm rạ tại một số tỉnh ở Việt Nam, (%) Thức Chất Đốt tại Vùi tại Làm Địa phương Ủ phân ăn gia độn ruộng ruộng Nấm súc chuồng Tủ gốc Làm chất đốt Bán - - Sơn La 75,5 5,0 4,5 10,0 5,0 - Lào Cai 70,0 10,0 2,0 3,0 5,5 - 9,5 - - Phú Thọ 60,0 20,0 1,0 6,0 - - 13,0 - - Bắc Giang 30,3 25,0 11,7 23,0 - 5,0 - 5,0 - Nam Định 26,0 30,0 15,0 14,0 5,0 - 5,0 5,0 - Hà Tĩnh 24,0 15,0 40,0 10,0 1,5 2,0 7,5 - Bình Định 15,0 20,0 35,0 10,0 - 5,0 5,0 - Bến tre 45,0 10,0 30,0 5,0 - 4,0 - 6,0 Tiền giang 32,0 12,0 7,5 6,0 8,5 - 6,0 - 28,0 Sóc Trăng 45,0 15,0 4,0 11,0 7,5 - 2,5 - 15,0 Tỷ lệ % TB 42,2 16,2 5,5 18,0 5,6 0,6 4,7 10,0 2,3 4,9 Nguồn: [3] Đối với vỏ trấu nông dân chủ yếu sử dụng làm chất đốt, ở các tỉnh ĐBSCL có nhiều nhà máy xay xát, trấu được gom lại và cung cấp cho các nhà máy sấy, lượng trấu sử dụng làm chất đốt là 60,2%, dùng lót chuồng nuôi: 17,4%, Ủ phân: 14,1% (Bảng 1.4). Một số tỉnh đã có xưởng sản xuất thanh củi trấu như Bến Tre, Sóc Trăng, Tiền Giang, Nam Định. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu sử dụng các chế phẩm sinh học để xử lý rơm rạ rất được quan tâm, khi bổ sung vi sinh vật vào rơm rạ như Arpergillus, Trichoderma, Penicillium, Pseudomonas, Bacillus và Azotobacter, Pleurotus sojarcaju và Trichoderma viride thì rơm rạ phân hủy nhanh hơn. Một trong những thành tựu gần đây của Viện Lúa ĐBSCL là nghiên cứu, tuyển chọn và sản xuất thành công chế phẩm Trichoderma có khả năng xử lý rơm rạ 14 trực tiếp ngoài đồng với quy mô lớn, giảm chi phí thu gom rơm, vận chuyển và đánh đống ủ. Kết quả bước đầu đã tận dụng được nguồn rơm rạ tại chỗ phục vụ cho sản xuất lúa, góp phần ổn định sự bền vững cho đất lúa thâm canh tăng năng suất, giảm chi phí phân bón hóa học và góp phần gia tăng hiệu quả kinh tế trồng lúa, đáp ứng chiến lược sản xuất nông nghiệp bền vững và bảo vệ tốt môi trường [31]. Bảng 1.4. Tỷ lệ các hình thức sử dụng trấu tại một số tỉnh ở Việt Nam, (%) Chất đốt Ủ phân Lót chuồng Than sinh học Tủ gốc Sơn La 50,5 25,0 20,3 - 4,2 Lào Cai 70,0 8,5 15,6 - 5,9 Phú Thọ 74,5 10,5 15,0 - - Bắc Giang 62,0 20,0 12,0 - 6,0 Nam Định 46,4 20,0 25,0 4,6 4,0 Hà Tĩnh 65,3 15,0 9,7 - 10,0 Bình Định 51,0 4,5 44,5 - - Bến tre 55,0 10,0 15,0 15,0 5,0 Tiền giang 60,5 15,0 12,4 10,0 2,1 Sóc Trăng 66,3 12,0 4,7 15,0 2,0 Tỷ lệ % TB 60,2 14,1 17,4 4,5 3,9 Nguồn: [3] Địa phương Than trấu và củi trấu có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là đối với nước nông nghiệp như nước ta. Vỏ trấu không cháy dễ dàng để thành ngọn lửa trừ khi có không khí thổi qua. Vỏ trấu có khả năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vật liệu cách nhiệt tốt. Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng 17 - 26%, cao hơn rất nhiều so với gỗ 0,2 - 2%, do đó, nó là một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị [23]. 15 Phương pháp xử lý rơm rạ bằng phương pháp đốt không thu hồi nhiệt lượng là phương pháp vốn được người nông dân Nam bộ sử dụng từ lâu để tiêu hủy lượng rơm rạ trên đồng ruộng và tro sau quá trình cháy được xem là phân bón. Theo phân tích của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (2005), % hàm lượng tro trong một số loại chất đốt cho thấy tỷ lệ của vỏ trấu và rơm là cao hơn đáng kể (Bảng 1.4). Bảng 1.5. Thành phần trong một số chất đốt, (%) Vỏ trấu Rơm Gỗ Chất dễ bay hơi 64,7 69,7 85 Các bon 15,7 11,1 13 Tro 19,6 19,2 2 Nguồn: [32] Tính chất Nghiên cứu cũng cho thấy thành phần một số nguyên tố dinh dưỡng trong rơm rạ như N = 0,5%, P2O5 = 0,2% và K2O = 0,6 - 1,5%, đồng thời một số thành phần của một số loại tro từ các phụ phẩm trồng trọt (rơm rạ, trấu, thân ngô) được phân tích và đánh giá là có lợi cho cây trồng (Bảng 1.5). Bảng 1.6. Thành phần một số loại tro, (%) STT Loại tro % tan % tan trong trong SiO2 Al2O 3 Fe2O 3 P2O 5 K 2O nước HCl CaO 1 Rạ chiêm 3,2 13,3 86,7 2,04 3,19 0,9 2,0 2,6 2 Rạ mùa 6,8 18,2 81,8 0 3,29 1,2 4,1 3,8 3 Rạ nếp 5,9 11,0 89,0 0,3 1,29 0,6 3,5 1,7 4 Trấu 4,2 4,6 95,4 0 2,39 0,6 2,5 0,8 5 Thân ngô 13,7 36,2 63,8 0 2,09 9,5 8,3 5,2 Nguồn: [32]. Đốt thu hồi nhiệt lượng ở quy mô nhỏ, các chất thải dễ cháy được sử dụng thay thế củi để đun nấu phục vụ sinh hoạt trong gia đình như nấu nướng, 16