Nghiên cứu khả năng ứng dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ để sản xuất lúa và nâng cao chất lượng đất trồng lúa tại huyện yên định, tỉnh thanh hóa

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với trình thâm canh tăng suất trồng, giới phải đối mặt với nguy suy giảm chất lượng môi trường đất lạm dụng hoá chất Nhiều kết nghiên cứu chứng minh hàm lượng chất hữu sức sản xuất đất bị suy giảm nghiêm trọng sử dụng lâu dài phân bón hóa học Việc tăng cường bón loại phân hữu phân chuồng, phân xanh, phân rác ủ kết hợp với bón phân khống khuyến khích mạnh mẽ sản xuất trồng trọt để cải tạo trì sức sản xuất đất Mặc dù vậy, xu hướng cơng nghiệp hóa đại hóa nơng nghiệp, nguồn vật liệu hữu ngày cạn kiệt dần, việc tìm kiếm nguồn vật liệu thay điều kiện tiên để trì sản xuất nông nghiệp bền vững Một số chứng thực tế cho thấy C than sinh học (TSH), sản phẩm tạo qua trình nhiệt phân vật liệu hữu mơi trường hồn tồn yếm khí nghèo ơxy có khả tồn bền vững mơi trường đất hàng kỷ chí hàng thiên niên kỷ, làm tăng lượng C lưu giữ đất, giảm C phát thải vào khí quyển, đồng thời có ảnh hưởng tích cực đến sức sản xuất đất (Seiler, 1980) [43] Vì vậy, TSH mệnh danh “vàng đen” nông nghiệp Với hàm lượng carbon cao đặc tính xốp, than sinh học giúp đất giữ nước, dưỡng chất bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất, qua góp phần tăng sản lượng trồng Bên cạnh đó, TSH cịn đóng vai trị bể chứa carbon tự nhiên - lập nhốt khí CO2 đất (http://yeumoitruong.vn/) [49] Mặc dù người dân Việt Nam biết sử dụng phương pháp đốt yếm khí để sản xuất than hoa, đốt trấu để bón ruộng nghiên cứu cách hệ thống sản xuất ứng dụng TSH lĩnh vực mẻ Gần đây, Viện Môi trường Nông nghiệp tiến hành số đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất than sinh học từ nguồn phế, phụ phẩm khác Kết cho thấy trữ lượng cácbon chứa than sinh học sản xuất từ gỗ, tre nứa, rơm rạ khác song đạt cao Mặc dù việc nghiên cứu ứng dụng loại than để tăng khả hấp thụ chất dinh dưỡng từ tăng suất lúa cải thiện chất lượng đất Để có sở khoa học định hướng cho việc ứng dụng loại than sinh học sản xuất nông nghiệp, đặc biệt sản xuất lúa đất thịt nhẹ, thực đề tài “Nghiên cứu khả ứng dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ để sản xuất lúa nâng cao chất lượng đất trồng lúa huyện Yên Định, tỉnh Thanh Hóa” Mục tiêu đề tài Đánh giá khả sử dụng than sinh học sản xuất từ rơm rạ để thay phần phân hóa học phục vụ sản xuất lúa huyện Yên Định, tỉnh Thanh Hóa đánh giá khả cải tạo đất trồng lúa than sinh học Ý nghĩa khoa học thực tiễn 3.1 Ý nghĩa khoa học - Cung cấp dẫn liệu khoa học khả sử dụng than sinh học để thay phân hóa học sản xuất lúa, từ có sở xác định lượng bón cần thiết để đảm bảo sinh trưởng, phát triển, suất lúa đồng thời nâng cao chất lượng lúa Thanh Hóa; - Cung cấp dẫn liệu chất lượng đất sau sử dụng than sinh học nhằm phục hồi nâng cao sức sản xuất đất 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu giúp nông lựa chọn lượng than sinh học phân bón phù hợp, từ thúc đẩy việc khai thác nguồn phụ phẩm để sản xuất ứng dụng than sinh học, thay phần phân hóa học nơng nghiệp, góp phần giảm thiểu sử dụng phân hóa học, cải thiện suất lý hóa tính vùng đất trồng lúa Chương CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Cơ sở khoa học Vai trò chất hữu chất lượng môi trường đất biết đến từ lâu ảnh hưởng trực tiếp chất hữu đến tính chất hóa, lý sinh học đất làm tăng độ xốp, khả giữ nước, dung tích hấp thu, chi phối hoạt động vi sinh vật đất Chính vậy, sử dụng phân hữu xem biện pháp kỹ thuật có hiệu cao việc cải tạo đất nâng cao suất trồng (Nardi, 2000) [38] Trong thực tế, đất bị suy giảm chất hữu sức sản xuất xuất phổ biến nhiều vùng sản xuất thâm canh cao Việt Nam nhiều nơi giới Tăng cường bón loại phân hữu phân chuồng, phân xanh, phân rác ủ kết hợp với bón phân khống khuyến khích mạnh mẽ sản xuất trồng trọt để cải tạo trì sức sản xuất đất Mặc dù vậy, xu hướng cơng nghiệp hóa đại hóa nơng nghiệp, nguồn vật liệu hữu ngày cạn kiệt dần, việc tìm kiếm nguồn vật liệu thay điều kiện tiên để trì sản xuất nơng nghiệp bền vững Một số chứng thực tế cho thấy C than sinh học (TSH), sản phẩm tạo qua trình nhiệt phân vật liệu hữu mơi trường hồn tồn yếm khí nghèo ôxy (được gọi biocoal hay TSH), có khả tồn bền vững môi trường đất hàng kỷ chí hàng thiên niên kỷ, làm tăng lượng C lưu giữ đất, giảm C phát thải vào khí quyển, đồng thời có ảnh hưởng tích cực đến sức sản xuất đất (Vũ Thắng, 2012) [4] Vì vậy, TSH mệnh danh “vàng đen” ứng dụng nơng nghiệp mơi trường Hàm lượng carbon cao với độ xốp tự nhiên TSH giúp đất giữ nước chất dinh dưỡng, đồng thời bảo vệ loại vi khuẩn sống đất, chống lại tác động xấu thời tiết, xói mịn đất Hơn nữa, TSH cịn đóng vai trị bể chứa carbon tự nhiên có khả lưu trữ CO2 đất Nhờ đó, việc bổ sung lượng định TSH vào đất cải tạo lý, hóa tính đất, làm tăng đáng kể suất trồng Tuy nhiên, hiệu cải tạo lý tính, hóa tính, dinh dưỡng đất khả nâng đỡ sinh trưởng suất than sinh học phụ thuộc nhiều vào chất lượng lọai than loại đất khác Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu chuyên sâu hiệu cải tạo đất tăng suất trồng loại than cho vùng đất, vùng sinh thái có sở khoa học cần thiết, góp phần nâng cao hiệu kỹ thuật, kinh tế môi trường sử dụng than sinh học (Tiessen, 1994) [45] 1.2 Tổng quan tài liệu 1.2.1 Đặc tính tác dụng loại than than sinh học 1.2.1.1 Đặc tính TSH Than sinh học nhiều nhà khoa học xem “vàng đen” cho ngành nông nghiệp Với hàm lượng carbon cao đặc tính xốp, than sinh học giúp đất giữ nước, dưỡng chất bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất, qua góp phần tăng sản lượng trồng Thơng tin đặc tính lý hóa học TSH hạn chế Tuy nhiên qua tổng hợp từ nhiều nguồn, Glaser, (2002) [26] cho thấy lượng TSH thu 28,5%, hàm lượng TSH TSH 79,6% suất carbon 49,9% Các yếu tố định đặc tính TSH là: (1) loại chất hữu dùng để hun, (2) môi trường hun (ví dụ nhiệt độ, khí) (3) chất bổ sung trình hun Nguồn hữu cung cấp cho hun than có ảnh hưởng lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng chất dễ tiêu Ở nước ta, Viện Môi trường nông nghiệp nghiên cứu chất lượng than sinh học sản xuất từ số nguyên liệu trấu, rơm rạ, mía, thân ngô, lõi ngô, vỏ dừa v.v theo phương pháp khác như: Phương pháp 1: Sản xuất Biochar từ trấu theo cách cổ truyền mà người dân làm tạo nhân nhiệt (đốt trấu), sau đổ trùm trấu lên nhân trấu theo hình nón, sau trấu tự cháy âm ỉ Sau lớp trấu bên chuyển thành màu đen rải trấu để ngăn khơng cho trấu cháy Phương pháp 2: Sản xuất Biochar từ trấu, tạo nhân nhiệt ống khói (cao 80 cm), cho chất gây cháy vào Khởi động nhân nhiệt phủ trấu xung quanh Nhiệt độ nhân nhiệt đốt cháy trấu xung quanh cách từ từ Trấu đảo để chúng cháy Khi chúng chuyển màu đen chuyển thay mẻ trấu khác Dụng cụ bao gồm ống khói tơn cao 80 cm có đường kính 10cm, có chân cao 10cm, đường kính 20 cm Phương pháp 3: Sản xuất Biochar từ rơm rạ, mía, thân ngơ: vật liệu cho vào thùng kim loại kín có lỗ nhỏ để khí Các thùng bỏ vào thùng tôn lớn hơn, sử dụng vật liệu xếp xung quanh để đốt Vật liệu thùng kim loại kín bị nhiệt phân mơi trường yếm khí Dụng cụ bao gồm thùng kim loại có đường kính 20 cm, chiều cao 30 cm, thùng kim loại lớn có đường kính 80 cm, chiều cao m nắp đậy có ống khói cao 1m Phương pháp 4: Sản xuất Biochar từ thân ngô, cùi ngô vỏ dừa: vật liệu cho vào thùng phuy tích 200 lít Đặt nằm thùng phuy, đầu gắn vào ống khói đầu có cửa mồi lửa Sau vật liệu cháy tiến hành bịt kín Vật liệu cháy yếm khí Dụng cụ bao gồm thùng phuy thiết kế ống khói cao 1m đầu, đầu tạo cửa để đốt vật liệu Phương pháp 5: Sản xuất Biochar từ vỏ dừa, cùi ngơ: cho vật liệu vào lị đốt thiết kế từ vật liệu gạch đất sét tích 1m3 Vật liệu cho vào lị đốt yếm khí Lị thiết kế có ống khói cửa nạp liệu Kết cho thấy, hiệu suất thu hồi carbon chất lượng than có khác phương pháp đốt (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Chất lượng than sinh học sản xuất từ nguyên liệu khác pH TC (g/kg) OC (g/kg) N(%) P2O5 (%) K2O (%) 8,07 256,33 10,33 0,05 0,28 0,58 Hiệu suất thu hồi C (%) 28,08 TT Phương pháp Vật liệu PP1 Trấu % Trọng lượng TSH 25 PP2 Trấu 33 8,44 335,87 8,22 0,02 0,33 0,77 48,57 PP3 Rơm 33 11,16 524,53 41,11 0,24 0,47 0,81 23,76 PP3 Lá mía 30 9,31 485,33 32,28 0,08 0,24 1,22 59,51 PP3 Thân ngô 30 10,67 444,25 32,02 0,34 0,16 2,32 45,61 PP4 Thân ngô 32 9,20 419,53 31,01 0,34 0,18 2,40 55,13 PP4 Lõi ngô 32 9,89 508,86 44,63 0,26 0,19 2,40 63,96 PP4 Vỏ dừa 33 8,81 492,78 29,50 0,34 0,11 1,96 61,71 PP5 Lõi ngô 30 9,47 457,07 45,59 0,29 0,16 2,21 53,86 10 PP5 Vỏ dừa 30 8,46 449,27 28,77 0,32 0,12 1,75 51,15 Nguồn: Trần Viết Cường (2012) [1] 1.2.1.2 Tác dụng TSH Trong năm gần đây, tiềm ứng dụng to lớn TSH việc cải tạo đất, nâng cao sức sản xuất đất đồng thời tăng hàm lượng C đất, góp phần giảm lượng khí nhà kính khí quyển, TSH chủ đề nóng nhiều nhà khoa học quan tâm Một số cơng trình nghiên cứu gần tác dụng tích cực TSH việc cải tạo chất lượng môi trường đất suất trồng a Ảnh hưởng bón TSH đến chất lượng đất - TSH giúp cố định carbon mơi trường Đất có vai trị quan trọng bể chứa trình cố định CO từ khơng khí Thơng thường phương pháp tăng q trình cố định C khuyến cáo trồng cỏ, nơng lâm kết hợp trì thảm cỏ phục vụ chăn nuôi vùng đất nhiệt đới để làm tăng độ dày tầng rễ (Batjes, 1998) [10] C bị biến đổi thành CO2 nhiều sau bón loại phân hữu phân giải nhanh bùn thải phân chuồng (Amelung, 1999; Bol, 2000) [9]; [12] Thậm chí hệ thống đốt nương làm rẫy, hầu hết C bị thải trở lại khơng khí sau đốt phần nhỏ lại dạng TSH Trên phạm vi tồn cầu ước tính khoảng - triệu sinh khối bị đốt cháy 1,3 đến 1,7 triệu vào khơng khí đốt, có 0,5 đến 0,7 triệu chuyển thành TSH Do giúp cho C vào đất dạng TSH cách tốt để cố định CO2 khơng khí có vai trị quan trọng việc cố định C tồn cầu hệ số thu hồi C từ phương pháp hun cao (có thể đạt 50% so với 3% từ kỹ thuật đốt truyền thống) Do đó, bón TSH vào đất coi biện pháp chứa CO2 dài hạn Sản xuất TSH từ vật liệu trấu, mùn cưa, sơ dừa, gỗ tạp, xuất phát triển nhanh chóng năm vừa qua Việt Nam TSH sản xuất chủ yếu để làm chất đốt, thay cho số nguồn nhiên liệu khác Qua thí nghiệm nghiên cứu vùng ĐBSCL, Trần Viết Cường (2012) [1] cho biết hàm lượng C hữu đất cải thiện rõ rệt bón TSH (Bảng 1.2 1.3) Bảng 1.2 Ảnh hưởng việc sử dụng TSH sản xuất từ trấu đến tiêu hóa học đất trồng lúa Long An sau hai vụ sử dụng liên tiếp Các tiêu hóa học OC Cơng thức N P2O5 K2O pHH2O pHKCl CEC (meq/ (%) 100g) BS (%) Đối chứng (khơng bón phân) 5,8 5,1 0,68 0,07 0,04 0,04 4,2 41,8 120N + 60P2O5 + 70K2O 5,9 5,1 0,71 0,06 0,05 0,04 4,2 49,9 TSH + 90N + 60P2O +70K2O 6,1 5,3 0,98 0,08 0,04 0,05 5,2 50,7 TSH + 90N + 60P2O + 70K2O 6,1 5,5 0,99 0,09 0,05 0,06 5,9 51,8 LSD5% 0,1 0,5 0,07 0,01 0,003 0,009 0,57 1,8 CV% 1,2 10,6 4,7 8,6 4,7 10,8 6,7 3,9 Bảng 1.3 Ảnh hưởng việc sử dụng TSH sản xuất từ trấu đến tiêu vật lý đất trồng lúa Long An sau hai vụ sử dụng liên tiếp Công thức Đối chứng (khơng bón phân) 120N + 60P2O5 + 70K2O TSH + 90N + 60P2O +70K2O TSH + 90N + 60P2O + 70K2O Thành phần giới (%) Limon Cát Cát Sét 0,02mịn thô