BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VI VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM C NÔ TRẦN THỊ TƯỜNG LINH NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM HẤP PHỤ, GIẢI PHÓNG LÂN VÀ SỬ DỤNG SILICATE ĐỂ NÂNG CAO HÀM LƯỢNG LÂN HỮU DỤNG TRONG ĐẤT LÚA NAM VIỆT NAM Chuyên ngành: KHOA HỌC ĐẤT Mã số: 62 62 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2014 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: 1. GS TSKH PHAN LIÊU 2. TS VÕ ĐÌNH QUANG Phản biện 1: PGS. TS TRẦN KIM TÍNH Phản biện 2: PGS. TS PHẠM VĂN HIỀN Phản biện 3: TS LÊ XUÂN ĐÍNH Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Quốc gia 2. Thư viện Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 3. Thư viện Viện khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam 1 Chương 1. MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thiếu lân (P) được xem là yếu tố hạn chế năng suất quan trọng và bón lân là một trong những biện pháp góp phần nâng cao sản lượng cây trồng hiện nay trên nhiều vùng đất. Đặc biệt trên diện tích lớn những đất chua phèn có khả năng hấp phụ P cao, hiện tượng cây trồng thiếu lân xảy ra không phải chỉ do đất nghèo lân mà còn do phần lớn lân trong đất bị giữ chặt với các hợp chất sắt, nhôm dưới dạng khó tan mà cây trồng không thể hấp thu. Đặc tính hấp phụ và giải phóng lân là những yếu tố có tính quyết định đến khả năng cung cấp lân của đất cũng như liều lượng bón và hiệu lực của phân lân đối với cây lúa. Tại một số quốc gia (Mỹ, Ấn Độ, Nhật), sử dụng các loại xỉ và phân bón chứa silicate cho thấy có thể cải thiện tình trạng dinh dưỡng lân trong đất, nâng cao năng suất cây trồng. Ở Việt Nam, sử dụng silicate nhằm làm tăng hàm lượng lân hữu dụng trong đất hầu như chưa được nghiên cứu. Các anion silicate có khả năng cạnh tranh mạnh mẽ với các anion phosphate trên các vị trí hấp phụ của oxide sắt, nhôm do đó có thể làm giảm lượng lân bị hấp phụ trong đất. Nghiên cứu ứng dụng silic trong canh tác lúa nhằm tiến đến việc phối chế làm đa dạng hóa mặt hàng phân lân hoặc tạo ra các loại phân đa yếu tố, chứa P và Si phù hợp với điều kiện đất đai và nhu cầu của cây lúa ở miền Nam là một hướng đi có tính khả thi. Xuất phát từ cơ sở khoa học và nhu cầu thực tế, đề tài “Nghiên cứu đặc điểm hấp phụ, giải phóng lân và sử dụng silicate để nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa Nam Việt Nam” đã được thực hiện. 2 1.2. MỤC TIÊU - Đánh giá được khả năng hấp phụ và giải phóng lân của một số đất trồng lúa chính ở miền Nam, xác định được các yếu tố chính quyết định khả năng hấp phụ và giải phóng lân của đất làm cơ sở cho việc nghiên cứu các biện pháp hạn chế khả năng cố định lân trong đất. - Đánh giá được khả năng ứng dụng anion cạnh tranh như một giải pháp hạn chế khả năng cố định lân, tăng lượng lân hữu dụng trong đất lúa. 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI Nghiên cứu trên 20 mẫu đất lúa vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và vùng phụ cận thành phố Hồ Chí Minh, gồm: Đất phù sa (Fluvisols); đất phèn (Thionic Fluvisols) và đất xám (Acrisols). Nghiên cứu ứng dụng silic nhằm hạn chế khả năng hấp phụ P được thực hiện qua các thí nghiệm xác định khả năng hấp phụ, giải phóng P trong phòng thí nghiệm, sau đó thử nghiệm trực tiếp trên đồng ruộng và trong nhà lưới. 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: Góp phần vào cơ sở lý thuyết về lĩnh vực P trong đất đối với các đất lúa chính ở miền Nam Việt Nam và đất nhiệt đới ngập nước trồng lúa; chỉ ra được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và khả năng giải phóng P trong đất; góp phần làm sáng tỏ vai trò và mức độ ảnh hưởng của chất hữu cơ, các anion silicate và silicofluoride đối với khả năng hấp phụ và giải phóng P. Đề tài cũng đã phát hiện ứng dụng chất trao đổi anion (anionite) để chiết P cho kết quả phù hợp với khả năng cung cấp P của đất. - Ý nghĩa thực tiễn: Đánh giá được các yếu tố chính quyết định khả năng hấp phụ và giải phóng P trong đất lúa tạo cơ sở khoa học nhằm tìm các giải pháp giảm lượng P bị cố định, nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân. Kết quả nghiên cứu vai trò của silic trong việc giảm khả năng hấp phụ P, nâng cao lượng P giải 3 phóng trong đất là cơ sở tốt cho việc ứng dụng silic nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân. Phát hiện mối tương quan chặt giữa kết quả xác định tốc độ giải phóng P bằng anionite với lượng P cây hút giúp gợi mở ứng dụng phương pháp này để đánh giá khả năng cung cấp P của đất. 1.5. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Phát hiện được mối tương quan nghịch chặt chẽ giữa khả năng hấp phụ và giải phóng P, chỉ ra các yếu tố chính của đất ảnh hưởng đến khả năng giải phóng P trong đất lúa miền Nam. - Chứng minh rằng phương pháp ứng dụng anionite xác định lượng P giải phóng có thể được sử dụng trong việc đánh giá khả năng cung cấp P hữu dụng của các đất nghiên cứu. - Làm rõ được hiệu quả của silicate natri (Na 2 SiO 3 ) và silicofluoride natri (Na 2 SiF 6 ) trong việc hạn chế khả năng hấp phụ P, đồng thời làm tăng hàm lượng P hữu dụng trong đất; đề xuất ứng dụng các hợp chất này nhằm tăng khả năng cung cấp P của đất và nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân. Chương 2. TỔNG QUAN 2.1. HẤP PHỤ VÀ KẾT TỦA LÂN TRONG ĐẤT 2.1.1. Cơ chế của quá trình hấp phụ và kết tủa lân Hiện tượng hấp phụ được xem là nguyên nhân chính làm giảm hàm lượng P hòa tan trong dung dịch. Đất có khả năng hấp phụ P càng cao thì khả năng cung cấp P càng thấp. Quá trình hấp phụ theo cơ chế trao đổi với ion OH - không làm ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của khoáng sét; ngược lại, quá trình hấp phụ theo cơ chế trao đổi với nhóm OH 2 + làm giảm điện tích dương trên bề mặt. Ngay cả khi keo sét có điện tích bề mặt mang dấu âm thì vẫn có khả năng hấp phụ anion (Smyth J. & Sanchez P. A., 1980). Bên cạnh quá trình hấp phụ lý - hóa học của các keo dương, quá trình hấp phụ hóa học của các anion có 4 hóa trị cao như anion phosphate trong đất rất lớn. Đồng thời anion phosphate sau khi bị hấp phụ trao đổi lại có thể chuyển sang bị hấp phụ không trao đổi (Sakurai K., Ohdate Y. & Kyuma K., 1989). Hiện tượng kết tủa lân cũng là một trong những quá trình làm giảm nồng độ lân trong dung dịch đất. Quá trình hấp phụ chủ yếu xảy ra ở nồng độ lân thấp, quá trình kết tủa lân chủ yếu xảy ra ở nồng độ lân cao. 2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ lân Khả năng hấp phụ lân của đất phụ thuộc vào các yếu tố chính như sau: i) pH đất; ii) Hoạt tính bề mặt và diện tích bề mặt của chất hấp phụ; iii) Khả năng “nhốt” lân; iv) Ảnh hưởng của các cation; v) Sự hiện diện của các anion có khả năng cạnh tranh vị trí hấp phụ với anion phosphate; vi) Nhiệt độ và thời gian phản ứng. 2.1.3. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 2.1.3.1. Phương trình Langmuir đơn Q = Q max . k . C (1 + k . C) Trong đó: Q: Lượng lân đất hấp phụ ở nồng độ P còn lại trong dung dịch cân bằng; C: Nồng độ P trong dung dịch cân bằng; Q max : Khả năng hấp phụ P tối đa; k: Hệ số liên quan đến năng lượng hấp phụ. 2.1.3.2. Phương trình Langmuir kép Q = Q max1 . k1 . C + Q max2 . k2 . C (1 + k1 . C) (1 + k2 . C) Trong đó: Q: Lượng P đất hấp phụ tương ứng nồng độ P còn lại trong dung dịch cân bằng; C: Nồng độ P trong dung dịch cân bằng; k 1 , k 2 : Hệ số liên quan đến năng lượng hấp phụ; Q max1 , Q max2 : Khả năng hấp phụ P tối đa tương ứng của vùng năng lượng cao và vùng năng lượng thấp. 5 2.1.3.3. Phương trình Freundlich Q = k.C n Trong đó: Q: Lượng P đất hấp phụ tương ứng với nồng độ C trong dung dịch cân bằng; k: Lượng P đất hấp phụ tương ứng với nồng độ P trong dung dịch cân bằng là 1 đơn vị; C: Nồng độ P trong dung dịch cân bằng; n: Hệ số liên quan năng lượng hấp phụ. 2.1.3.4. Phương trình Tempkin x RT ln Ac b a Trong đó: x: Lượng P đất hấp phụ tương ứng nồng độ c; A, a: Các hệ số; R: Hằng số universal gas; b: Lượng P đất hấp phụ tối đa theo phương trình Langmuir; c: Nồng độ P trong dung dịch. 2.2. ĐỘNG THÁI LÂN TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC 2.2.1. Sự thay đổi khả năng hấp phụ lân Trong quá trình ngập nước khả năng hấp phụ P của đất tăng do quá trình hydrate hóa hoặc thủy phân các oxidhydroxide Fe(III) tinh thể chuyển thành ferrihydrite (Fe 10 O 15 .9H 2 O) vô định hình có diện tích bề mặt lớn có khả năng hấp phụ P cao (Borggaard O. K., 1982, 1983, 1990). Quá trình ngập nước giúp phóng thích P từ các oxide sắt kém bền vững nhưng đồng thời quá trình kết tủa mới những hợp chất sắt xảy ra dẫn đến lượng P bị hấp phụ nhiều hơn P được phóng thích (Phan Thị Công, 1993). 2.2.2. Sự chuyển hóa các nhóm lân Khi ngập nước hàm lượng nhóm Fe–P tăng lên do một phần Al–P dạng variscite có thể chuyển thành nhóm Fe–P dạng vivianite. Hàm lượng nhóm Ca–P thường ít thay đổi trong thời gian ngập nước. Trên đất trung tính và đất kiềm, quá trình phân 6 giải chất hữu cơ có thể phóng thích CO 2 tạo thành H 2 CO 3 có khả năng làm tăng sự hòa tan của các khoáng Ca–P. Trong đất ngập nước, quá trình khử goethite thành vivianite là dạng lân cây lúa có thể thu hút được (Nguyễn Vy & Trần Khải, 1978). 2.2.3. Giải phóng lân trong đất ngập nước Trong điều kiện ngập nước, mức độ dễ tiêu của P tự nhiên trong đất và P bón vào tăng lên do: i) Quá trình khử và chuyển strengite, variscite khó tan thành dạng vivianite dễ hòa tan hơn; ii) Tăng pH do quá trình khử làm tăng khả năng thủy phân strengite và variscite trong các đất chua; iii) Sự phóng thích các anion phosphate trong các hợp chất Fe–P và Al–P; iv) Quá trình phân hủy chất hữu cơ làm giảm pH giúp tăng khả năng hòa tan của các hợp chất Ca–P trong đất giàu calcium; v) Do độ chua giảm, các anion OH - tạo thành trao đổi với phosphate hấp phụ trên bề mặt keo đất; vi) Sự phóng thích lân bị nhốt trong các oxide sắt vô định hình; vii) Sự khuyếch tán lân gia tăng. 2.3. BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHÂN LÂN Một số biện pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng phân lân gồm: i) Bón cân đối giữa lượng phân đạm và phân lân; ii) Cải thiện pH; iii) Ứng dụng khả năng cạnh tranh của các anion; iv) Quản lý chế độ nước. 2.4. MỐI QUAN HỆ GIỮA SILIC (Si) VÀ LÂN (P) 2.4.1. Si trong đất 2.4.1.1. Si tổng số Lượng SiO 2 chiếm khoảng 60-90 % trong đất dưới dạng các silicate vô định hình, khoáng aluminosilicate, trong chất hữu cơ và các hợp chất hữu cơ - khoáng (Samuel L. T. & nnk, 1993). Qua quá trình phong hóa một phần Si giải phóng ra có thể chuyển thành acid silisic (H 4 SiO 4 ), một phần có thể biến thành keo silic (SiO 2 .nH 2 O). Acid silisic có thể kết hợp với các hydroxide hoặc muối tan của kim loại vừa được giải phóng ra 7 tạo thành những muối silicate. Trong điều kiện bazơ yếu acid silisic tạo với K và Na thành những silicate hòa tan. Nếu môi trường có phản ứng acid chiếm ưu thế thì Si chuyển thành acid silisic tự do, dễ bị rửa trôi và di chuyển xuống dưới sâu. 2.4.1.2. Silic hòa tan Trong khoảng pH rộng (2-9) Si hòa tan trong dung dịch đất chủ yếu là dạng H 4 SiO 4 0 và ở trạng thái cân bằng với silica (SiO 2 ) vô định hình với nồng độ cân bằng khoảng 2 mmol; ở pH>9, H 4 SiO 4 nhả proton. Khi nồng độ Si trong dung dịch cao, các phân tử H 4 SiO 4 0 trùng hợp tạo thành chất kết tủa SiO 2 . Trong những đất bình thường, nồng độ Si trong dung dịch từ 3- 37 ppm. Nồng độ của H 4 SiO 4 trong dung dịch phần lớn bị chi phối bởi phản ứng hấp phụ phụ thuộc vào pH trên bề mặt các sesquioxide (Samuel L. T. & nnk, 1993). 2.4.2. Mối quan hệ giữa Si và P Nhóm –OH của acid silisic có thể ngưng tụ lại với nhóm – OH của đường (và các phân tử khác) giống như nhóm OH của phosphoric. Khác với P, Si không có khả năng hình thành nối đôi (Samuel L. T. & nnk, 1993). Nhu cầu P của cây có thể phần nào được đáp ứng bằng Si do khả năng cạnh tranh hấp phụ của ion acid silisic với ion phosphate trong đất (Mengel K. & Kirkby E. A., 1987; Nguyễn Tử Siêm & Trần Khải (1996; Vo Thi Guong, & nnk, 1998; Võ Minh Kha, 2005). 8 Chương 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 3.1. NỘI DUNG  Nghiên cứu khả năng hấp phụ lân của đất theo phương pháp ứng dụng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt.  Nghiên cứu khả năng giải phóng lân của đất.  Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hữu cơ (dạng acid humic, oxalate) đối với khả năng hấp phụ lân của đất.  Nghiên cứu sử dụng silicate natri (Na 2 SiO 3 ) và silicofluoride natri (Na 2 SiF 6 ) trong việc hạn chế khả năng hấp phụ lân, nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa. 3.2. PHƯƠNG PHÁP 3.2.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ lân của đất theo phương pháp ứng dụng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Thí nghiệm 1: Thí nghiệm được tiến hành trên 20 mẫu đất lúa thuộc vùng trọng điểm trồng lúa ở đồng bằng sông Cửu Long và vùng phụ cận thành phố Hồ Chí Minh, gồm: 12 mẫu đất phèn, 5 mẫu đất phù sa và 3 mẫu đất xám. Mẫu đất lấy từ tầng 0-20 cm, để khô ở nhiệt độ phòng, nghiền và cho qua rây 2 mm. Cân 1,5 g đất vào mỗi ống ly tâm với 25 ml dung dịch KCl 0,01 M chứa KH 2 PO 4 với các mức nồng độ (0-134 mg P/l). Lắc dịch huyền phù đất trong 24 giờ, ly tâm và lọc. Xác định lượng P còn lại trong dung dịch, lượng P đất đã hấp phụ được tính qua sự khác biệt giữa hàm lượng P đưa vào và lượng P còn lại trong dung dịch. Khả năng hấp phụ P của đất được tính toán theo phương trình Langmuir đơn và phương trình Freundlich. 3.2.2. Nghiên cứu khả năng giải phóng lân của đất 3.2.2.1. Nghiên cứu khả năng giải phóng lân theo phương pháp chiết đất bằng dung dịch điện phân Thí nghiệm 2: Thực hiện trên 20 đất lúa như trong Thí nghiệm 1. Lắc 1,5 g đất với 25 ml dịch KCl 0,01 M chứa P (KH 2 PO 4 ) [...]... oxalate vào đất và ủ ngập nước trước khi cho mẫu đất tương tác với dung dịch điện phân chứa P: Bón 6 g (NH4)2C2O4 vào 200 g đất, cho ngập nước 3 cm Xác định lượng P hấp phụ trong mẫu đất tươi sau 1, 14 và 45 ngày ngập nước (NSN) 3.2.4 Nghiên cứu sử dụng Na2SiO3 và Na2SiF6 trong việc hạn chế khả năng hấp phụ lân, nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất 3.2.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của Na2SiO3 và Na2SiF6... (1958): y = R√t + B ; trong đó: y: Lượng P giải phóng; R: Tốc độ giải phóng P; B: Nồng độ P trong dung dịch cân bằng trước lúc cho anionite vào Thí nghiệm 4: Thực hiện trên 8 đất trong số 20 đất trong thí nghiệm 1 Cân mỗi loại đất vào 4 chậu, cho ngập nước 3 cm Sau 5 ngày ủ đất ngập nước, sử dụng 1 chậu (cho mỗi loại đất) để xác định lượng P giải phóng bằng anionite Trên mỗi đất trồng lúa vào 3 chậu còn lại,... (pđất phù sa >đất phèn Lượng P giải phóng chiết bằng anionite tương quan thuận với lượng P cây lúa hút chặt hơn so với sự tương quan giữa lượng P chiết theo phương pháp Onioani với lượng P cây lúa hút Có thể ứng dụng phương pháp chiết lân bằng anionite để đánh . silicate để nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa Nam Việt Nam đã được thực hiện. 2 1.2. MỤC TIÊU - Đánh giá được khả năng hấp phụ và giải phóng lân của một số đất trồng lúa chính. 14 và 45 ngày ngập nước (NSN). 3.2.4. Nghiên cứu sử dụng Na 2 SiO 3 và Na 2 SiF 6 trong việc hạn chế khả năng hấp phụ lân, nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất 3.2.4.1. Nghiên cứu. chế khả năng hấp phụ lân, nâng cao hàm lượng lân hữu dụng trong đất lúa. 3.2. PHƯƠNG PHÁP 3.2.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ lân của đất theo phương pháp ứng dụng phương trình hấp phụ đẳng