Luận án tiến sĩ khoa học môi trường: Nghiên cứu vai trò của Phytolith từ cây guột (Dicranopteris linearis) đối với khả năng tích lũy cacbon trong đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Mai Thị Nga

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH

TỪ CÂY GUOT (Dicranopteris linearis) BOI VỚI KHẢ NANG

TICH LUY CACBON TRONG DAT

LUẬN ÁN TIEN SĨ KHOA HỌC MOI TRƯỜNG

Hà Nội — 2021

ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NỘI

Mai Thị Nga

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH

TỪ CÂY GUOT (Dicranopteris linearis) DOI VỚI KHẢ NANG

TICH LUY CACBON TRONG DAT

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 9440301.01

LUẬN ÁN TIEN SĨ KHOA HỌC MOI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCPGS.TS NGUYEN NGOC MINH

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng

dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh Các số liệu, kết quả trong luận án làtrung thực từ nghiên cứu của tôi và giáo viên hướng dẫn Một số kết quả trong luận

án được chúng tôi công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành thuộc hệ thống

ISI/Scopus phù hop với các quy định hiện hành Các số liệu, thông tin tham khảo,chứng minh và so sánh từ các nguồn được trích dẫn theo đúng quy định Tôi xinhoàn toàn chiụ trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trong

luận án của mình.

Hà Nội ngày tháng năm 2021

Nghiên cứu sinh

Mai Thị Nga

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh

và sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tâm, nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp cùngvới sự hỗ trợ của các cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước.

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh đã trực tiếp hướng dẫn,

hỗ trợ nhiệt tình và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Cảm ơn

thầy đã không quản ngại khó khăn, chỉ dẫn, góp ý đề tôi hoàn thành luận án này.

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất,Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đãtạo mọi điều kiện thuận lợi dé tôi có thé học tập và làm việc ở Bộ môn trong suốt

thời gian nghiên cứu.

Xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ rất lớn từ trường Đại học Leibniz Hannover,

CHLB Duc; Viện An toàn va An ninh lương thực, Đại hoc Queen's Belfast, Anh;

Viện Paul-Scherrer, Villigen, Thụy Sỹ; Viện Công nghệ Kỹ thuật Kyushu Nhat

Bản; Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội; Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã

hỗ trợ tôi trong suốt quá trình phân tích và thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và đồng nghiệp Trường Cao dang Cộngđồng Hà Tây đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập.

Với lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc nhất tôi xin gửi tới gia đình, ngườithân, bạn bè những người luôn quan tâm động viên, khích lệ và đồng hành cùng tôitrong suốt cuộc hành trình khó khăn này.

Xin chân thành cảm on!

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TAT

Nhôm linh động được chiết bằng amoni oxalat

Silic v6 dinh hinh

Silic sinh hoc

Chat hữu co

Dicranopteris linearisSilic hoa tan

Độ dẫn điện

Sắt linh động được chiết bằng amoni oxalat

Phytolith có nguồn gốc từ cây guột

Chất hữu cơ trong phytolith có nguồn gốc từ cây guột

Than sinh học từ D-Phyt

Than sinh học D-Phyt được tạo ra từ quá trình nhiệt phân

trong điều kiện có oxy

Than sinh học D-Phyt được tạo ra từ quá trình nhiệt phân

trong điều kiện không có oxy

Than sinh học D-Phyt được tạo ra từ quá trình nhiệt phân

trong điều kiện bão hòa nitơ

Cacbon hữu cơ

Phân tích thành phần chính

Silic ở dang hạt

Độ lệch chuẩnSilic

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOANLOI CAM ON

DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT

DANH MUC BANG

DANH MỤC HÌNH

J967.10001 |L Tính cấp thiết của nghiên cứu - ¿2 5+++2+++2E++EE+2EEtEEEEEEEeExrtrkerrerrkree |

II Mục tiêu nghiÊn CỨU - G1 1319119 TH ng HH ng 3TLL Muc ti@u CHUN n1 3

II.2 Mục tiêu cụ THỂ ST 1 E111 11E11111111111111111111111111111111111 1111.111 EE 3II Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án + 2 2s £+x+£++xezxzxerxecee 3

III.1 Ý nghĩa khoa hỌC - 2-2-2 ES£SES£2EE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrkrree 3IIL2 Y nghĩa thực tiễn 2-22 5¿©2+22+‡EEE2EE2EX21123127112112112211221 21121 Lee 4

IV Những đóng góp mới của luận án - xxx 9 9 ngư 4

Chương 1: TONG QUAN TÀI LIEU NGHIÊN CỨU -2- 525225522: 5

1 TONG QUAN CHUNG VE PHYTOLITH -:555+22vv2vvxvvsrexveree 5

1.1 Phytolith trong thurc VẬT - c1 11T HH rệt 51.1.1 Sự hình thành phytolith trong thực VẬT -S- Sài seireeierree 5

1.1.2 Đặc điểm hình thái, cau trúc và thành phần hóa học của phytolith trong thực vật 8

1.1.3 Vai trò của phytolith trong thực Vat cs Ăn HH iệ, 10

1.2 Phytolith trong đất : -+ss+s+ExEE2E12E12712112112111111121111 111.1 12

1.2.1 Silic trong đất và mối quan hệ với sự hình thành phytolith trong thực vật 13

1.2.2 Con đường tích luỹ và sự phân bố của phytolith trong đất - 16

1.2.3 Đặc điểm hình thái của phytolith trong đất 2 2 + sccx+csscszrezreez 191.2.4 Quá trình hòa tan phytolith trong dat ccccccccscessessesssessessessesssessessessessseeseeses 231.2.5 Các phương pháp định lượng phytolith trong đất -: 5¿s+¿ 24

1.3 Sự hình thành và tích lũy cacbon hữu co trong phytolith (PhytOC) 26

1.3.1 Sự hình thành thé hỗn hợp “phytolith - chất hữu cơ” trong thực vật 261.3.2 Các yêu tô tác động đến sự hòa tan của phytolith và PhytOC 28

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về phytolith - 2 2 5s s£s+cs+£ezsz 29

1.4.1 Nghiên cứu về phytolith trong thực vật ở Việt Nam và trên thế giới 29

1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về PhytOC -:-2¿+2csz22sz+ssze- 322 TONG QUAN VE CACBON HỮU CƠ TRONG ĐẤTT - - 55s csecxzxccxz 332.1 Chất hữu cơ trong đất ¿- +: ©2++2+++2x2ExE2EEE2E12712117112711211 21111 21ecrxe 332.2 Hàm lượng và chất lượng của chất hữu cơ trong đất -cs-cse¿ 342.3 Vai trò của chất hữu cơ trong đất -:- + k+cxeEx2E2E2E21E21 1E EEEerkrreee 352.3.1 Anh hưởng của chất hữu cơ đến một sé tính chat vật lý đất 35

2.3.2 Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến dung tích trao đổi cation của đất 35

2.3.3 Chất hữu cơ là nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng cho thực vật 35

2.4 Giải pháp tăng cường hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất - . 36

3 TONG QUAN VỀ CÂY GUỘTT cc5cc 2tr 373.1 Khái quát chung về cây guỘt - 2-2-5252 +E2E‡EEEEESEEEEE2EE2E2E 212kg 373.1.1 Đặc điểm sinh học của CAY BUỘT Ăn SH HH HH kg ngư 373.1.2 Ý nghĩa môi trường của cây 8uỘt -2- + ++++++++£x++Ex++zxerxeerxesree 383.2 Một số ứng dụng khác của cây guột - 22 +¿+c++2+++£xtrxzrxrrrrerkesree 40CHƯƠNG 2: ĐÓI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁPhà 9:01) )50000002 ố 43

1 DOI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU -c::-©cccc++ccvvvvrrre 431.1 Đối tượng nghiên CứỨu - + 2-56 <2EE2EE2E£EEEEEEEEEEEEE1211211211 21111111111 xe, 431.2 Pham vi nghién CUU 1 44

2 NỘI DUNG NGHIÊN CUU .: ©252¿222++t22EYEt2EEEvttEErtrtrtrtrrrtrrrirrrree 453 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - -: 555ccc2cSvverrttrktrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 463.1 Mẫu cây BUỘC - 52 SE E21 E1 19E121221212121121112111 1111110101101 1111 T11 cre 483.1.1 Xác định đặc điểm hình thái, cấu trúc và sự phân bố của D-Phy 48

3.1.2 Xác định thành phần hóa học của cây guột 2-2 2s s+cs+zs+xszceee 49k0 493.2.1 Phân tích các tính chất lý-hóa học - 2-2 +++++++++tx++zx++zxezxxerxesree 493.2.2 Thí nghiệm xác định hàm lượng D-Phyt trong đất - 2-2 s52 493.2.3 Phân tích mẫu D-Phyt được tách ra từ đất - 2 2+s+kerxerxsrxersrreee 503.3 Phân tích tương quan và thống kê v c.ceccecceccscssceseeseeseesessessessessesestesessessesseesesees 50

NG NA 0) | 50

3.3.2 Phân tích hồi quy đa Dién oo ces essessessesessesessessessessessesssstesessessessesseaees 503.3.3 Phân tích thành phan chính (Principal Components Analysis - PCA) 51

3.4 Các phương pháp phân tích D-PhytBlochar - - 5 55-5 *++svvxseerseeerss 51

3.5 Đánh giá một số tác động của D-PhytBiochar đến môi trường đắt 51

3.5.1 Khả năng giải phóng và cung cấp chất dinh dưỡng K, Si từ D-PhytBiochar 51

3.5.2 Đặc tính keo của vật liệu D-PhytB1ochar 5s s-s + ssseeeeerseeeree 52

Chương 3: KET QUÁ NGHIÊN CUU VÀ THẢO LUẬN -. 53

1 Thành phần hóa học và đặc điểm hình thái, cấu trúc của D-Phyt trong sinh khối

2031000070177 ẩ 53

1.1 Thành phan sinh khối của cây guột -2¿- ¿5+ ©5+22x+2zxvExrerxesrxerreees 531.2 Phân bố, hình thái và cấu trúc của D-Phyt -¿-¿ 2 s+x+zzz+xzrxerxeee 561.3 Nghiên cứu tốc độ phá hủy (hòa tan) của D-Phyt từ cây guột 571.4 Vòng tuần hoàn D-Phhy( 2c + Ss+SE2EE2EEEEEEEEEEEEEE12112111111111 11111110 602 D-Phyt trong ng 612.1 Hàm lượng D-Phyt trong dat c ccccccccccssscsssessssssessecssesssscssessecssecssessecssecsseesecsees 612.2 Đặc điểm hình thái và thành phần hóa học của D-Phyt trong đắt 632.3 Xác định nguồn gốc D-Phyt trong đất ¿ 2¿©++©++cx++zxvzxxerxeerxesrxee 653 Mối quan hệ giữa D-Phyt với cacbon hữu cơ và một số tính chất lý hóa học đất 663.1 Các đặc tính lý hóa học của đất nghiên cứu - 2 2 z+xe+z£x+rxsrszrxee 663.2 Tương quan giữa hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất với sinh khối cây guột 69

3.3 Tương quan Pearson giữa D-Phyt với cacbon hữu cơ và các thành phần lý hóahọc của đất -c-cc tt S111 EE111E7121111111111111111111111111111111111 1.111.111 crE 70

3.4 Tương quan PCA giữa D-Phyt với cacbon hữu cơ và các đặc tính lý hóa học

0077 -::‹:ạ 72

3.5 Phân tích thống kê hi quy đa biến - ¿2-2 2 2+E£2E£+E££EeEEeEEeEEerxrreee 743.6 Đánh giá vai trò của D-Phyt đối với sự tích lũy cacbon trong đất 764 Một số giải pháp tăng cường tích lũy cacbon hữu cơ đất bằng vật liệu D-

PhytBiochar 008.1 77

4.1 Nghiên cứu sự biến đổi đặc tính của D-PhytBiochar dưới các điều kiện nhiệt

i83 14.10 77

4.1.1 Sự biến đổi hình thái và thành phần hóa học của D-PhytBiochar 714.1.2 Hàm lượng cacbon CO định St St E3 1 1 1111111111111 111111 cE 794.1.3 Tương quan giữa hàm lượng cacbon và D-Phyt ở các điều kiện nhiệt phân

[r1 0 4 80

4.2 Một số tác động khác khi hoàn trả D-Phyt cho đất - ¿5-5 2 s+szzs+ 824.2.1 Khả năng bồ sung chất dinh duGng K và Si cho đất - 25s 83

4.2.2 Tác động tới hệ keo sét trong đất -¿- ++cs+cxc2Ec2 2 EeEkerkrrrrrkerreee 85

KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, - 22-55 SE 1271211211211 95

c1 88 .Ốố TT 95

2 M6t 86 kién Nghe na a 96

CAC CONG TRINH KHOA HOC DA CONG BO VA MOT SO THANH TUU

LIEN QUAN DEN LUẬN AN 0 oocsccescesseessesssesssessvesscssecsvessecssesssessecssesasesssesseeases 97TÀI LIEU THAM KHAO W 0 cccccccssscssssesssessssesssesssessssecssecssessssesssessseesssesssesssecesses 99PHU LUC 9.14 5 112

Phụ lục 1: Chi tiết các vị trí lấy mẫu -¿- ¿+ ©+++x++ExtzExtrxeerxezrxerreerke 112Phụ lục 2: Ký hiệu các mẫu đất nghiÊn CỨU - <5 + Eseeeseeseeersee 113Phụ lục 3: Phương pháp xác định một số tính chat cơ ban của mẫu đắt 114Phu lục 4: Quy trình thí nghiệm tách D-Phyt băng phương pháp vật ly và phương

J0011⁄515097:)08i17-8.12011277 124

Phụ lục 11: Điện tích bề mặt (SC) và mật độ điện tích bề mặt (SCD) của biochartrong điều kiện pH thay đổi (n=3) 2-2 2+ sSE‡EESEE2EEEEEEEE2E2E2EEEEEErrkrree 128Phụ lục 12: Bảng thống kê hàm lượng SiO, trong các họ thực vật khác nhau (% wt) 135

DANH MỤC BANG

Bảng 1.1: Bồn phytolith và tỷ lệ hoàn trả trong đất ở các hệ sinh thái trên cạn 18

Bang 2.1: Mẫu va phương pháp phân tich c.cccccccsccsessessssessesessessssesssesscsecseeeseees 46

Bang 3.1: Thành phan hóa học của sinh khối cây guột D linearis (n = 3) 54Bang 3.2: Tốc độ phá hủy của các mẫu D-Phyt 2-2 2 +xe£Ee£xerxerszrszes 58

Bảng 3.4: Kết quả phân tích ty lệ đồng vị cacbon (8'°C) của mẫu D-Phyt trong dat 65

Bảng 3.5: Hàm lượng D-Phyt và một số tính chất cơ bản của mẫu đất khu vực nghiên

l000)80) Sẽ 66

Bang 3.6: Hệ số Pearson biéu diễn mối tương quan giữa D-Phyt, chất hữu cơ, pH,

EC, hàm lượng sét, hàm lượng Aloy và F€ạs 2c c3 k3 re re 71Bang 3.7: Đánh gia kha nang tích lũy phytolith ở các hệ sinh thai khác nhau 76

Bảng 3.8: Thành phan liên kết hóa học bề mặt của các mẫu D-PhytBiochar theo

phương pháp phân tích XPS ((?) - 2 S 11 12 1 1H TH HH ng TH ng net 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật - - 7

Hình 1.2: Quá trình hình thành phytolith trong cây lúa - -«<++-«<++<+ 8Hình 1.3: Một số hình thái đặc trưng của phytolith trong thực vật 9

Hình 1.4: Một số dạng phytolith và phân bố của phytolith trong thực vat 10

Hình 1.5: Bồn Si, quá trình chuyển hóa và dong Si trong đất -: 13

Hình 1.6: Các dang silic trong môi trường đất ¿- 2 2+ z+xe+ke£xeExerxerszreee 14Hình 1.7: Sự biến đôi của DSi trong đất ¿ 5¿©2s+©++cx+zxezrxerxeerxesrxee 15Hình 1.8: Các dang silic sinh học trong at c cccceecceccessessesssessessesseessessessessessesseaee 16Hình 1.9: Vòng tuần hoàn của phytolith trong dat lúa -s¿+s+¿ 17Hình 1.10: Một số hình thái của phytolith trong đất từ các loài thân thảo 20

Hình 1.11: Hình thái phytolith trong đất từ một số loài thân gỗ, dương xỉ 21

Hình 1.12: Hình thái của phytolith từ một số loại cây trồng - 5: 22Hình 1.13: Sơ đồ tách phytolith từ đất băng dung dịch nặng . - 24

Hình 1.14: Minh họa cho phương pháp luận sử dụng dé giải thích cho sự hoà tanđồng thời Si từ khoáng trong suốt quá trình chiết dang ASi - 25

Hình 1.15: Minh chứng về cơ chế tích lũy cacbon trong phytolith - 26

Hình 1.16: Hàm lượng phytolith trong một số nhóm loài thực vật - 30

Hình 1.17: Số liệu thống kê về nghiên cứu phytolith trên thé giới 31

Hình 1.18: Xu hướng công bố khoa học về phytolith va PhytOC - 32

Hình 1.19: Một số thảm phủ guột ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới 38

Hình 1.20: Làng nghề đan guột tại Lưu Thượng, xã Phú Túc,huyện Phú Xuyên,thành phố Hà Nội 2-2 °© £+E9SE9EE+EEEEE2E12112171211111211711211 11111111111 1y 40Hình 1.21: Mái lợp nhà bang thân cây guột 2-2-5522 £+E++£EzEe+Errxerxee 41Hình 2.1: Đồi guột huyện Trùng Khánh, tinh Cao Bang - 2: 43Hình 2.2: Mô tả địa điểm lẫy mẫu nghiên cứu - 2 5¿2c++2z++zx++zxe+zxe2 44Hình 2.3: Mô tả địa điểm lay mẫu nghiên cứu bổ sung : ¿-¿ 45

Hình 3.1: So sánh hàm lượng Si trong cây guột (D linearis) với các loài thực vật khác 55Hình 3.2: Hình ảnh chụp microCT mẫu lá và thân cây guột D linearis 56

Hình 3.3: Tốc độ hòa tan D-Phyt: (a) các mau D-Phyt có được từ xử lý nhiệt và xử lý vớiHạO; và (b) mối quan hệ giữa Al và Si giải phóng từ quá trình hòa tan các mẫu D-Phyt 59Hình 3.4: Vòng tuần hoàn D-Phyt trong hệ sinh thái guột - 2-5: 60Hình 3.5: So sánh hàm lượng D-Phyt ở tầng 0-20 và 20-40 cm - 62Hình 3.6: So sánh hàm lượng D-Phyt trong đất ở các hệ sinh thái thực vật khác nhau 63Hình 3.7: D-Phyt trong dat: (a) hình ảnh thu được trên kính hiển vi quang học, (b)hình ảnh phytolith được phóng to và (c) thành phần hóa học từ phổ tán xa năng

TUOMG CHA X 01 Đ^B^': 64

Hình 3.8: Hàm lượng AI,„ va Feo, chiết bang oxalat của các mau đất nghiên ctu 68Hình 3.9: So sánh kết qua OC tích lũy ở các độ sâu 0 — 20 em va 20 — 40 em 69Hình 3.10: Tương quan giữa hàm lượng OC trong đất và sinh khối của guột 69Hình 3.11: Mối tương quan giữa hàm lượng D-Phyt trong đất với các đặc tính lýhóa của đất 2s tt HH HH ưng HH gu 72Hình 3.12: Biéu đồ PCD biểu diễn sự khác biệt giữa hàm lượng D-Phyt trong đất vàtính chất đất đã chọn -:-+22++++ttEE xi 73Hình 3.13: Mối quan hệ giữa hàm lượng D-Phyt thực tế trong đất và hàm lượng D-Phyt tính toán từ phương trình hồi quy đa biến 2-©5¿©2+2z++cxesrxsrxee 75Hình 3.14: Hình thái, cấu trúc của thân cây guột và biochar từ thân cây guột: (a) ảnh

chụp cắt lớp 3D phần thân cây, (b) mặt cắt ngang, (c) mặt cắt dọc, (d) biochar từ

phương pháp nhiệt phân hở, (e) biochar từ phương pháp nhiệt phân kín, (f) biochartừ phương pháp nhiệt phân trong môi trường bão hòa ÌNạ 5555 <5<<><++ 78

Hình 3.15: Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt phân với sự hụt khối và sự biến đổithành phần (tro/cacbon cô định) của sinh khối Cây guỘt ĂĂcSSSsseeee 79Hình 3.16: Phé XPS (Si2P) của các mẫu D-PhytBiochar thu được từ quá trình nhiệtphân trong điều kiện bão hòa N; ở (a) 400°C và (b) 800°C 2: scz+s+ 81Hình 3.17: Sự hòa tan và giải phóng K từ D-Phyt: (a) Mối quan hệ giữa nhiệt độ

nhiệt phân với hàm lượng Si và K hòa tan; (b) Tương quan giữa Si và K hòa tan 83

Hình 3.18: Tốc độ hòa tan D-Phyt và giải phóng K: (a) Nông độ Si và K hòa tan

theo thời gian, (b) Tương quan giữa Si và K hòa fan cccccsssseirssreerres 84

Hình 3.19: Mối quan hệ giữa pH dung dịch với: (a) Điện tích bề mặt; (b) Mật độđiện tích; (c) Độ truyền qua (độ truyền qua thấp chi thị cho trạng thái phân tán và độ

truyền qua cao biểu diễn trạng thái keo tỤ) -¿- 2 2 2+£2+£++£xerxzEezrerrxerxee 88

Hình 3.20: Xu hướng biến đổi điện tích và độ truyền qua dưới ảnh hưởng của pH:(a) Điện tích; (b) Độ truyền qua (của hỗn hợp sét và D-PhytBiochar) 89Hình 3.21: Biêu đồ PCD biểu diễn mối quan hệ giữa các thành phan trong cấu trúc

D-PhytBiochat 00000088 e 91

Hình 3.22: Mối quan hệ giữa pH và đặc tính keo của: (c) D-PhytBiochar; (b) Sét va

(c) Hỗn hợp D-PhytBiochar - sét - 2 ¿SE S£SE‡SE2E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrrkrrrrrree 92

Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt phân với: (a) Điện tích bề mặt và (b)

Đặc tính keo của D-PhytB1OCT - 5 1101910191191 91 KH TH ng ng nh 93

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của nghiên cứu

Phytolith là dạng silic sinh học hình thành từ quá trình hút thu và tích lũy

trong mô thực vat (Rovner, 7977) Quá trình kết tủa Sỉ trong các bộ phận của té

bào thực vat được tang cường do sự tích lũy hàm lượng Si trong quá trình sinh

trưởng nên cấu trúc phytolith được mở rộng va chi phối các quá trình sinh hóakhác như vận chuyền, chuyên hóa các chất, quang hợp, thoát hơi nước Mặt khác,

sự mở rộng của cấu trúc phytolith có thé tạo ra các vách ngăn vật lý “khóa” một

phần các hợp chất hữu cơ của thực vật trong các không gian kín Chất hữu cơtrong các không gian kín của cấu trúc phytolith còn được gọi là phytolith ocludedcarbon (PhytOC) và trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu nhận được

sự quan tâm trong lĩnh vực khoa học môi trường Có nhiều nghiên cứu đương đạiđang hướng đến phát triển các kỹ thuật dé đánh giá số phận và vai trò của PhytOC

đối với bồn cacbon hữu cơ trong dat nói riêng và chu trình sinh địa hóa cacbon nói

chung Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong quản lý khí nhà kính, nhằm giảmthiểu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.

Cacbon hữu cơ trong đất đóng vai trò rất quan trọng đối với độ phì nhiêu của

đất do anh hưởng đến các quá trình sinh, lý, hóa học xảy ra trong đất Sự chuyền

hóa cacbon hữu cơ trong đất còn đóng vai trò trong cân bằng cacbon trên trái đất.Việt Nam, có 3/4 diện tích đất đổi núi, lại nằm trong vùng có khí hậu nhiệt đới,nóng ầm, mưa nhiều là điều kiện thuận lợi dé chất hữu cơ trong đất bị khoáng hóaxảy ra nhanh hơn, dẫn đến phần lớn diện tích đất tự nhiên ở các vùng đổi núi cóhàm lượng cacbon hữu cơ không cao, nghèo dinh dưỡng Các nghiên cứu vềphytolith đã chỉ ra, quá trình polyme hóa để hình thành phytolith dựa trên cơ sở cácmàng Si có thé bao bọc các phân tử lipit, protein hay cacbonhydrat, kết quả là lượngchất hữu cơ bị phytolith hấp phụ và tích lũy có thể lên đến 5% Ngay cả khiphytolith được đưa trở lại môi trường đất thì những hợp chất hữu cơ này vẫn có thêđược bảo vệ trong một thời gian rất dài chống lại sự phân hủy bởi vi sinh vật

(Elbauma và nnk, 2009) Nghiên cứu về phytolith hiện mới chỉ tập trung chủ yếutrong các hệ sinh thái canh tác các cây trồng giàu silic hay các hệ sinh thái tự nhiên

có những loài siêu tích lũy Si (rừng tre, mía, đồng cỏ, lau sậy) Đến nay có rất ít

1

thông tin khoa học liên quan đến phytolith ở các loài thực vật bậc thấp trong đó có cây

guột (Dicranopteris linearis).

Cây guột là loài cây thuộc họ dương xỉ hiện diện phô biến ở các vùng đồi núi

Việt Nam, chúng cũng có mặt ở hầu hết các hệ sinh thái trên trái đất Là loài cây có

khả năng sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh trong điều kiện khắc nghiệt (đất nghèokiệt dinh dưỡng) thậm chí là cây guột có thể mọc trên đá Tuy nhiên, ở những nơicó sự tồn tại của cây guột trong một thời gian dài, đất trở nên đen, tơi xốp và giàu

chất hữu cơ Có thể giả thiết rằng cây guột cũng tích lũy phytolith và phytolith trongcây guột có khả năng tích lity cacbon đóng góp vào bồn cacbon hữu cơ cho đất như

các loài thực vật đã được nghiên cứu Thông qua các kết quả của luận án, vai tròcủa cây guột đối với sự tích lũy phytolith và vai trò của phytolith đối với khả năng

tích lũy cacbon hữu cơ cho đất được làm rõ Đồng thời, thông qua nghiên cứu này

luận án cũng làm rõ ảnh hưởng của phytolith đến các đặc tính lý hóa học khác của

đất như pH, EC, hàm lượng sét, hàm lượng Al, Fe,x trong mối tương quan với

hàm lượng cacbon hữu cơ (OC) trong đất Bên cạnh đó, thông qua nghiên cứu vềphytolith trong cây guột luận án giúp cung cấp một cái nhìn tổng quan hơn về sựhình thành và phân bố của phytolith trong cây guột thông qua kỹ thuật chụp cắt lớpsiêu hiển vi (MicroCT) Mặt khác, sinh khối cây guột chứa phytolith là nguồn “tàinguyên” có giá trị, vì vậy việc đánh giá tiềm năng của chúng trong lĩnh vực cải tạođất và xử lý ô nhiễm góp phần mang lại những giá trị môi trường sinh thái Trong

nghiên cứu này, luận án còn mở rộng nghiên cứu các dạng vật liệu biochar được tạo

thành từ sinh khối cây guột, đánh giá những tác động đến dinh dưỡng đất khi hoàntrả lại biochar cho đất Đồng thời, những tác động tiêu cực khi hoàn trả biochar chođất ví dụ như tác động tới hệ keo sét của đất cũng sẽ được nghiên cứu.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá khả năng tích lũy cacbon trongphytolith của cây guột - loài thực vật bậc thấp phổ biến có mặt ở hầu hết các vùngsinh thái trên trái đất Luận án “Nghiên cứu vai trò của phytolith từ cây guột(Dicranopteris linearis) đối với khả năng tích lũy cacbon trong dat” trước hết tậptrung vào những vùng đất đồi núi có đặc điểm thổ nhưỡng khác nhau ở miền BắcViệt Nam dé phân tích về vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong dat.

H Mục tiêu nghiên cứuILI Mục tiêu chung

Nghiên cứu đặc điểm hình thái, cấu trúc và sự phân bố của phytolith trong câyguột (D-Phyt); làm sáng tỏ cơ chế bảo vệ của D-Phyt đối với phần cacbon hữu cơtích lũy trong phytolith (D-PhytOC), từ đó đánh giá được vai trò của D-Phyt đối với

sự tích lity cacbon trong đất, đặc biệt là ở các vùng đất suy thoái nơi cây guột đóngvai trò quan trọng trong quá trình phục hồi đất Đồng thời, luận án mở rộng nghiên

cứu các kỹ thuật tạo và ứng dụng D-PhytBiochar để đề xuất các giải pháp tăngcường hàm lượng cacbon hữu cơ tích lũy trong dat.

11.2 Mục tiêu cụ thé

e Phân tích được các đặc tính cơ bản của D-Phyt, bao gồm các đặc điểm về

hình thái, cau trúc và thành phần hóa học.

e Xác định được sự tồn tai, chuyển hóa của D-Phyt và mối quan hệ của D-Phyt

trong đất với các tính chất cơ bản của đất.

e Đề xuất giải pháp nâng cao khả năng tích lity cacbon hữu cơ trong đất thông

qua nghiên cứu ứng dụng một số dạng D-Phyt chứa cacbon bền PhytBiochar) dé bổ sung cho đất.

(D-III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

HII.I Ý nghĩa khoa học

Luận án đóng góp cơ sở dữ liệu chỉ tiết về hàm lượng, thành phần, cấu trúc vàđặc tính lý hóa học của D-Phyt cho mảng nghiên cứu chuyên sâu về phytolith ở ViệtNam cũng như trên thế giới Bên cạnh đó, cũng cung cấp những minh chứng khoa

học giúp làm sáng tỏ “số phận” của D-Phyt trong hệ đất - cây ở các hệ sinh thái nơicây guột phát triển Nội dung cốt yếu nhất của luận án là đã xác minh được cơ chếbảo vệ cacbon hữu cơ của D-Phyt dựa trên một số kỹ thuật phân tích tiên tiến(MicroCT; XPS; SEM-EDS) dé từ đó chứng minh vai trò của D-Phyt đối với quá trìnhtích lũy cacbon hữu cơ trong đất Mặt khác, các thí nghiệm mở rộng của luận án đã góp

phần tạo tiền đề nghiên cứu dạng “vật liệu lai” D-PhytBiochar, từ đó để xuất giải pháp

góp phần tăng cường hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất Những đóng góp về mặt

khoa học được phản ánh qua 07 công trình đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành trong

danh mục ISI, được cấu thành từ các kết quả chủ đạo của luận án.

3

HII.2 Ý nghĩa thực tiễn

Bên cạnh các giá trị học thuật mang lại, luận án có một sỐ đóng góp thực tiễn

chính như sau:

e_ Cung cấp các thông tin và cơ sở khoa học phục vụ quản lý và sử dụng sinhkhối cây guột một cách hiệu quả hơn, đặc biệt trong công tác cải tạo và phục

hồi môi trường đất.

e_ Là tiền đề cho nghiên cứu các dạng vật liệu lai D-PhytBiochar, có khả năng

ứng dụng rộng rãi trong khoa học đất, nông nghiệp và môi trường.

IV Những đóng góp mới của luận án

Trên cơ sở các nghiên cứu chuyên sâu được hỗ trợ bởi các công cụ, thiết bị

phân tích tiên tiến trên thế giới, luận án đã tạo ra được một số giá trị khoa học vàthực tiễn mới được cộng đồng khoa học trên thế giới cũng như trong nước đónnhận Một số những đóng góp mới của luận án cụ thé như sau:

e Là nghiên cứu đầu tiên về phytolith từ cây guột với các thông tin cập nhậtnhất về hình thái và cấu trúc (dựa trên kỹ thuật phân tích chụp cắt lớp siêu

hiển vi microCT thực hiện tại Synchroton Center tại Viện Paul Scherrer,

Thụy Sỹ).

e_ Cung cấp được các thông tin về tinh chất, thành phần hóa học, đặc điểm điện

động học và mối quan hệ của D-Phyt với sự tích lũy chất hữu co trong môitrường đất.

e Kết nối được nghiên cứu cơ bản về D-Phyt và nghiên cứu chuyền giao pháttriển (R&D) dé ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Chương 1: TONG QUAN TÀI LIEU NGHIÊN CỨU

1 TONG QUAN CHUNG VE PHYTOLITH

1.1 Phytolith trong thực vat

1.1.1 Sự hình thành phytolith trong thực vật

Phytolith là dang oxit sillic vô định hình có công thức tông quát là SiO›.nHạO

(Alexandre và nnk, 1997) hình thành trong cả nội hay ngoại bao của tế bào thực vật

(Jones và nnk, 1967) Nhiều họ thực vật hạt kín, hạt trần, guột được biết đến như

các “nhà máy” sản xuất phytolith với lượng từ 0,1 đến 16% (Epstein và Bloom,

2005) Sự hình thành và phát triển của phytolith trong thực vật liên quan đến một sốyếu tố, bao gồm điều kiện khí hậu, tính chất đất, lượng nước trong đất, độ tuổi củacây và quan trọng nhất là sự tương tác qua lại giữa các thành tố này Quá trình hìnhthành phytolith được bắt đầu khi thực vật hap thụ Si hòa tan trong đất qua rễ và kết

thúc khi Si bị polyme hóa hình thành oxit silic dang ran trong thành tế bào, nội bào

và các gian bào Quá trình này đôi khi ở giai đoạn rất sớm hoặc cũng có thé rất muộn

trong vòng đời phát triển của thực vật tùy thuộc vào loài thực vật và điều kiện môitrường sống của chúng.

1.1.1.1 Cơ chế hấp thu và vận chuyển Sĩ của thực vật

Si là nguyên tố thứ hai trong lớp vỏ trái đất, tồn tại chủ yếu ở dạng oxit Si

(SiO;) kết hợp với một số khoáng chat mang Si trong pha ran, pha lỏng và pha happhụ (Epstein va Bloom, 2005) Vào đầu những năm 1990, Si được công nhận là 1trong 15 nguyên tố cần thiết cho sự sống của thực vật Si là thành phần vô cơ chủyếu ở thực vật bậc cao và có nhiều bằng chứng cho thấy giá trị của Si trong việc cảithiện năng suất cây trồng Về mặt dinh dưỡng, Si từ khoáng vật sẽ được giải phóngvào đất ở dạng axit monosilicic (H4SiO,) từ đó thực vật có thé hút thu cho quá trìnhsinh trưởng và phát triển Cây lay Si thông qua hệ rễ sau đó kết tủa trong mô thựcvật dé hình thành nên các “tế bao Si sinh học” hay còn được gọi là phytolith.

Si hoà tan được thực vật hút thu qua lông hút của rễ và vận chuyên lên các cơquan khí sinh trong dòng vận chuyền nước qua hệ thống mach dẫn xylem Dạng Sitrong dung dịch đất đi vào thực vật là axit monosilicic (Raid và nnk, 1992) Sự hút

thu Sĩ của cây được giải thích theo hai cơ chế: (1) Hút thu một cách thụ động nhờquá trình thoát hơi nước của cây; (2) Hút thu chủ động do sự chi phối của quá trình

5

trao đổi chat (Van der Worm, 1980) Hai dạng hút thu này có mối quan hệ tương hỗhoặc can trở nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường Cây hút thu lượng Si khácnhau phụ thuộc vào loài thực vật và nồng độ axit silicic hòa tan trong dung dich đất.Vi dụ như cùng một tỷ lệ silica, lúa hút thu lớn hơn đậu Hau hết các cây, đặc biệt làcây bưởi chúng không thé tích lũy được lượng Si cao ở cành Sự tích lũy Si có sự

khác nhau giữa các loài do khả năng hút thu Si của rễ.

Sự biến động hàm lượng Si trong các loài thực vật được cho là phụ thuộc chủyếu vào các yếu tố môi trường quy định nồng độ của DSi trong đất (mức độ phonghoá khoáng vật silicat và dạng tồn tại của Si trong đất) pH là yếu tố ảnh hưởng

đáng kể tới Si hoà tan, khả năng hấp phụ Si hòa tan của dat thay đôi theo pH và đạt

giá trị tốt nhất trong khoảng pH 8 và 9 pH liên quan đến sự hấp thụ axit monosilicic

bởi oxit sắt, nhôm và khoáng sét trong đất Những sesquioxit thường hấp phụ hoặc

liên kết với axit monosilicic lên bề mặt và tách nó ra khỏi dung dịch đất Quá trìnhhấp phụ này được cho là tối ưu ở khoảng pH 9,5 Lúa nước có kha năng chứa Sinhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 — 15%, cỏ trồng trong điều kiện ấm áp, môitrường 4m có quá trình phytolith hoá hoàn chỉnh hơn ở các lớp biéu bì so với cỏ ở

các vùng có điều kiện khô lạnh Bên cạnh đó, có bằng chứng cho thấy các loại đất

có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao thường kèm theo sự gia tăng lượng Si hoatan Trong khi, sự hiện diện của N và P với hàm lượng lớn có thé dẫn đến giảmnồng độ cua Si trong thực vật.

1.1.1.2 Quá trình kết tủa Sỉ và sự hình thành phytolith trong thực vật

Khi axit monosilicic đi vào mô thực vat, quá trình hình thành phytolith được

bắt dau, theo đó một phan Si hoà tan được polyme hoá và hình thành dạng rắn của

oxit Si (dạng SiO, ngậm nước có tính chất giống với silica gel lắng đọng bên trong

và xung quanh các tế bào).

Parr va Sullivan (2011) cho rang khi nồng độ Si hoà tan trong thực vật đạtngưỡng 100 - 200 mg kg”, phản ứng polyme hóa của axit monosilicic sẽ diễn rahình thành hạt nhân cơ sở, các hạt nhân này tiếp tục phát triển thành các hạt hìnhcầu ôn định với kích thước tới hạn Phan ứng polyme hoá tiếp tục ở cấp độ các hạthình cầu tạo thành chuỗi phân nhánh hoặc cấu trúc hình học Khi hạt polyme Si pháttriển tiệm cận kích thước 1 - 3 nm bề mặt chúng mang điện tích âm Các hạt này sau

đó tương tác với môi trường nội bào và lắng đọng tạo thành các lớp Si tiếp giáp vớimàng tế bào (phủ bên ngoài hoặc lót bên trong tế bào) (Hình 1.1).

Hình 1.1: Qua trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật (Currie va Perry, 2007)

Trong mô thực vật có ba vị trí có thé xảy ra sự lắng đọng Si kết tủa: là trên

thành tế bào, lấp đầy các khoảng gian bào và lắng đọng ở không bào Hơn 90%lượng axit silicic được lấy từ rễ cây thông qua sợi liên bào và hệ thống mao quảnthông suốt với nhau trong thành tế bào Các sợi liên bào giúp hút thu và vận chuyênaxit silicic bằng các kênh vận chuyền va sau đó vận chuyên đến hệ thống mao quancủa thành tế bào (Ma và Yamaji, 2006) Sau đó axit silicic được nạp vào các xylem

và chuyền đến chồi và lá Trong lá, các axit silicic được vận chuyền đến bởi dòng

vận chuyên khác sau đó được lắng đọng trong các mô tế bào của vỏ lá và phiến lá.Thực vật thông qua quá trình thoát hơi nước khiến cho phần dung dịch axit silicicđược cô đặc và kết tủa dưới dạng (S¡O;.H;O) và thường được gọi là phytolith(Kumar và nnk, 2017) Rashid (2019) đã nghiên cứu và mô tả chỉ tiết cơ chế hút thu

Si và hình thành phytolith trong cây lúa, day cũng là một trong những loài cây cókhả năng tích lũy hàm lượng lớn phytolith trong thân và lá cây Hình 1.2 mô tả dòng

vận chuyên Si từ trong dung dịch đất, thông qua các sợi liên bào và hệ thông mao

quản thông suốt với nhau trong thành tế bào.

Biểu bi trên

Mé trung biXylem

of ie Phloem

LS1 L5i2

Hình 1.2: Quá trình hình thành phytolith trong cây lúa (Rashid và nnk, 2019)

Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ cũng chứa hàm lượng SiO, lắng dong ở lácao hơn nhiều so với ở thân và rễ Nguyên nhân do ở lá có mật độ khí không caohơn nhiều so với ở thân trong khi ở rễ thì hoàn toàn không có Sự mat nước trong

quá trình thoát hơi nước dẫn đến nồng độ Si trong tế bào lá tăng lên tương đối tạimột thời điểm nào đó (khi lượng thoát hơi nước từ khí không lớn hơn so với lượngnước dẫn truyền lên qua xylem sau khi được hút thu bởi rễ), tại thời điểm này diễn ra

quá trình polyme hóa các phân tử axit monosilicic hình thành phytolith (Jones vàHandreck, 1967).

1.1.2 Đặc điểm hình thái, cấu trúc và thành phan hóa học của phytolith trong thực vậtCác loài thực vật khác nhau và môi trường sống khác nhau cũng sẽ tạo ra

phytolith có đặc điểm khác nhau cả về hình thái, hàm lượng, cấu trúc, thành phầnhóa học và cả sự phân bố của phytolith, từ đó đóng góp vào bồn phytolith trong đất

cũng khác nhau (5/rởmberg, 2004; Buján, 2013) Hàm lượng phytolith trong cây

trong thay đổi trong mô tế bào (Li và nnk, 2013), theo tuổi (Ma và Yamaji, 2006),

và các loài thực vật(Parr và Sullivan, 2005) Ví dụ như lúa nước, lúa mì, ngô, mía

ưa Si và tích lũy nhiều phytolith hơn (>30% sinh khối khô) so với các cây trồngkhác Tùy thuộc vao vi tri lắng đọng trong các tế bào thực vật và tuổi của cây,phytolith có hình dang và kích thước đặc trưng theo hình dang và kích thước của tế

bào gốc chính vì vậy mà việc nghiên cứu hình dạng phytolith là cơ sở để các nhà

khảo cô học có thé phân loại thực vật.

Trong thực vật, kích thước phytolith dao động trong khoảng từ 10 đến 30 um

đôi khi có đường kính lên tới 1000 um (Sommer và nnk, 2006) Phytolith có tính da

hình cao với khối lượng riêng khoảng 1,5 - 2,3 g cm” và có tính chất quang học

theo mọi hướng với chỉ số khúc xạ là 1,4 (Elbaum và nnk, 2003).

Hình 1.3: Một số hình thái đặc trưng của phytolith trong thực vật: (a) dạng dài, (b, c)tế bào biểu bì, (e) hình câu, (f) hình song tinh, (g) hình yên ngựa, (h) dạng dai có đuôi

gái, (j) dạng khiên, (k), hình chữ nhật, (1) hình khối (Rashid và nnk, 2019)

Cấu trúc của phytolith, vị trí lắng đọng và sự kết tủa của phytolith phụ thuộcvào từng loài thực vật Phytolith trong cỏ và cói hầu hết được tạo thành ngay phía

dưới của lớp biểu bì có độ dày khoảng 2,5 um, hình thành như một lớp đôi Si-cutin

(Currie và Perry, 2007), phần lớn được giới han ở lớp biểu bì (Prychild và nnk,2003) Mặt khác, phytolith trong loài cọ và chuối thường bị giới hạn trong các bómạch và một số lắng đọng trong các tĩnh mạch (Rudall và nnk, 2014) Do đó, tùytheo đặc điểm của mỗi loài thực vật mà phytolith có thể có kích thước và hình dạngrất khác nhau (Ehrlich và nnk, 2010) Một số vị trí lắng đọng của phytolith trong cỏ

được mô tả ở hình 1.4.

Phytolith trong đất

Phytolith >

Hình 1.4: Một số dạng phytolith và phân bố của phytolith trong thực vật

(Stromberg và Caroline, 2005)

Phytolith chứa thành phan chính là Si (66 - 91%) nhưng ngoài ra chúng cũng

chứa ít nhất từ 20 đến 30 nguyên tố khác bị giữ lại trong cấu trúc của phytolith

(Hodson, 2016) Hàm lượng cacbon hữu co (OC) của phytolith dao động từ dưới

0,1% đến hơn 10%, thường từ 0,2 đến 5,8% (Jones và Milne, 1963; Wilding và nnk,1967), các thành phần còn lại của phytolith chiếm khoảng 0,1 - 5,6% (Jones vàMilne, 1963) Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng loại thực vật mà thành phần và hàmlượng của các nguyên tố cũng có sự thay đổi, ví dụ trong rơm rạ cũng chứa hàm lượng

lớn các nguyên tố như AI, Fe, K, Ca và Mg lên tới 9% (Anala và Nambisan, 2015).

Các yếu tố như đặc điểm địa hình, thé nhưỡng, khí hậu, đặc trưng của các loàithực vật, có thé là những nhân t6 quan trọng quyết định thành phan các nguyêntố có trong phytolith (Bujan, 2013; Li và nnk, 2014) Tuy nhiên, phương pháp phântích hay phương pháp tách chiết phytolith khác nhau cũng ảnh hưởng đến kết quả vềthành phan và hàm lượng của các nguyên tổ trong phytolith Vi dụ, phytolith trong

vật liệu được điều chế bằng phương pháp tro hóa khô có hàm lượng các nguyên tố

Al, Fe, Ti, Se, V, Cs, thap hơn các mẫu được điều chế băng phương pháp chiếtrút bằng axit sau khi đốt (Kamenik và nnk, 2013).

1.1.3 Vai trò của phytolith trong thực vật

Silic tuy không phải là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng,nhưng Si vẫn được tìm thấy trong mô tế bào với một hàm lượng lớn (ở dang

phytolith), ngang bằng với tổng các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg) Ở

10

một số loài cây trồng “siéu tích lũy Si” như lúa nước, hàm lượng Si có thé đạt từ 10dén15% trọng lượng khô Trong khi đó, hàm lượng Si của mía đường thấp hon dao

động 1 - 3% (Jone và Handreck, 1967) Vào những năm 1990, Si được công nhận là

một trong 15 nguyên tố cần thiết cho sự sống của thực vật Vai trò của Si đối vớithực vật có thê được mô tả thông qua một số nội dung chính như sau:

Tăng kha năng quang hợp và điều hòa dinh dưỡng khoáng: Si giúp cho câymọc thăng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời mộtcách hiệu quả, tăng khả năng quang hợp Các nghiên cứu còn cho thấy, Si giúp câytránh bị ngộ độc Mn, Fe va Al vì Si giúp phân phối các nguyên tố kim loại này

trong cây một cách hợp lý Bên cạnh đó, Si còn giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh

dưỡng giữa Zn va P trong cây làm cho cây khỏe hon (Ehrlich và nnk, 2010) Bên

cạnh đó, Si đóng vai trò quan trọng trong giảm độc tính Cd ở lúa bang cách tăng

tích lũy Cd trong rễ và giảm vận chuyền Cd từ rễ đến chồi.+ Tăng cường sức chống chịu cơ học

Trong cây, Si kết hợp với biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chăn hơn Sicó khả năng làm tăng khả năng chống chịu của cây trồng đối với các yếu tố vô sinh

hoặc hữu sinh (Koranteng và nnk, 2011; Li và nnk, 2013) Các yêu tố hữu sinh bao

gồm bệnh hại và các loại côn trùng gây hại, trong khi các yếu tố vô sinh quan trọngthường được đề cập tới như hạn hán, lũ lụt, mặn hóa hoặc kim loại gây độc cho cây.Đối với các loại cây được trồng trên đất thiếu Si và thường xuyên chịu tác động củacác yếu tố kể trên, việc bón phân Si sẽ góp phan làm tăng năng suất cây trồng mộtcách đáng kể Ví dụ: việc bón phân Si cho cây mía đường góp phan làm tăng sản

lượng mía 10 - 50% ở Hawaii, 20% ở khu vực Florida và 21 - 41% ở Australia

(Kauss và nnk, 2003).

w Tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường

Trong điều kiện đất mặn cây trồng hấp thu Si sẽ kích thích màng không bàocủa tế bào rễ cây, phần bề mặt xung quanh không bào tạo ra enzym và các enzymnày sẽ kết hợp với nhau trong việc đưa gốc Na” từ tế bào chất vào trong không bào,điều này làm cho việc vận chuyển Na” từ rễ cây đến ngọn và lá giảm đi so với câykhông được hấp thụ Si Nếu trong lá cây có lượng Na” cao sẽ làm cho lượngchlorophyl giảm, dẫn đến khả năng quang hợp của cây.

11

* Tăng năng suất và chất lượng cây trồng

Ngoài các cơ chế tác động đến khả năng quang hợp, chống chịu cơ học cũngnhư khả năng chống lại một số sâu bệnh và điều kiện môi trường bat lợi, các kết quanghiên cứu cũng cho thay Si có tác dụng làm tăng số bông, số hạt/bông va số hạt

chắc, tăng năng suất lúa cũng như một số loài cây hai lá mầm khác Theo mộtnghiên cứu ở lúa gạo tại Hàn Quốc: bón 2.000 kg phân Si ha”, thì năng suất tănglên 20%; lúa mạch: bón 1.370 kg phân Si ha”, năng suất tăng 37% Bon phân chứa

Si còn có tác dụng giảm tỷ lệ hạt lép, giúp cho hat lúa vàng sáng, sạch bệnh, góp

phan tăng phẩm chat và giá trị của lúa gạo (Ma và Yamaji, 2006).* Tăng sức dé kháng, ngăn ngừa sâu bệnh

Si giúp tăng khả năng kháng bệnh, bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố gây bệnhhại (chủ yếu do nắm và một số loại vi khuẩn) thông qua hai cơ chế: Thứ nhất, Si kếthợp với lớp biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chăn hơn, giúp cây cứng cápnhưng lại có khả năng đàn hồi Si tạo nên các phức hop với polyphenol dé hìnhthành những hợp chất với lignin tăng cường độ cứng của thành tế bào, ngăn cản khảnăng xâm nhập của các loại nam bệnh Thứ hai, Si hòa tan đóng vai trò quan trọng

trong cơ chế vật lý, hóa sinh/cơ chế phân tử dé kháng bệnh hại (Fraysse và nnk,

2009) Sự lắng đọng của Si ở lớp biểu bì cũng tao ra một rào cản vật lý ngăn ngừa

sự tan công của côn trùng và các loài sâu bướm ăn lá Si cũng có thé kích hoạt mộtsố cơ chế phòng bệnh Ví dụ, trong rễ của cây dua leo bị nhiễm nam Pythium, Si

làm tăng hoạt tính của enzyme peroxidase, chitinase và polyphenoloxydase đểchống lại sự xâm nhiễm của nắm Pythium (Cary và nnk, 2005).

1.2 Phytolith trong dat

Phytolith trong thuc vat duoc hoan tra lai cho dat sau khi cay chét, phan hủy

hoặc sau qua trình đốt Phytolith khi giải phóng vào đất van duy trì tinh toàn ven về

đặc điểm hình thái (Stromberg, 2004, 2005) và đặc tính địa hóa (McInerney và nnk,

2011) Trong đất, ham lượng phytolith dao động trong khoảng 2 - 5% (Alexandre vànnk, 1997) Mức độ đóng góp cho bồn phytolith trong đất phụ thuộc vào sự cânbằng giữa phytolith b6 sung va mat đi Dòng vào phytolith bao gồm nguồn từ thựcvật và các sinh vật khac(Bartoli, 1983) trong khi phytolith bị mất đi từ hoạt độngthu hoạch (Song và nnk, 20135), sự dịch chuyên (Fishkis và nnk, 2010), hòa tan hóa

học (Blecker và nnk, 2006) va do xói mòn (Cary và nnk, 2005) Quá trình dịch

chuyên, cô định tạm thời hay lâu dài hoạt động ở nhiêu mức độ, tạo nên rât nhiêu

12

bồn chứa Si cũng như các nguyên tô khác trong đất Theo đó, Si có thé bi chia nhỏthành bồn Si vô cơ và bồn Si hữu cơ (Hình 1.5).

Bụi, Xác Thực vật

Si bé sung sinh vat hút thu Sĩ mắt đi

' eee

Dat Z TMN |

Bồn Sivôcœ Bồn Sỉ hữu cơ

¬ Khoáng vật nguyên sinh Lead

Dong Si di phytogenic, vi khuan, Dòng Si đi

wet Khoáng silicat thứ i a HIẾP Vậ ra khỏi đất

==) m—

Các quá trình biến doi

VD Phong hóa, hình thành khoáng vật mới, phân hủy tàn dư sinh khôi |

Hình 1.5: Bon Si, quá trình chuyển hóa và dòng Si trong đất

(không tính xói mòn/lắng đọng)

Đối với hầu hết các loại đất, phytolith tích lãy nhiều nhất ở lớp đất bề mặt vagiảm dan theo độ sâu phẫu diện (Blecker và nnk, 2006) điều này cho thấy rằng sựtích lũy phytolith phụ thuộc vào lượng phytolith b6 sung từ thực vật và quá trình

chuyển hóa, hòa tan trong tầng đất Tuy nhiên, hàm lượng và khả năng lưu trữphytolith thay đổi đáng ké giữa các hệ sinh thái trên can và các vùng địa lý khác

nhau Do đó, dé tìm hiéu về phytolith trong đất trước hết cần có những hiểu biết sâusắc về Si và các dang tồn tai của Si trong dat.

1.2.1 Silic trong dat và mỗi quan hệ với sự hình thành phytolith trong thực vật

Si có mặt trong hau hết tat cả các loại đá mẹ của lớp vỏ phong hóa trên bề mặttrái đất Do đó, Si trở thành một trong những nguyên tố cơ bản nhất có mặt trong

phần lớn các loại đất Hàm lượng Sỉ trong các loại đất khác nhau thì khác nhau, phụ

thuộc vào ban chất của đá mẹ va quá trình chuyên hóa diễn ra trong đất Si tồn tạikhá ồn định và ở các pha bao gồm pha rắn, lỏng và dang hấp phụ (Hình 1.6).

13

Pha lỏng và pha

hap phụ (Dsi)

- Axit monosilicDang vô Dang micronano

- Axit polysilicic định hình (BSi) (Msi)- Phức với các hop

Dạng cấu trúctỉnh thể (MSi)

chất vô cơ |

- Phức Si - hữu cơ - Phytolith - Imogolit - Khoáng vật nguyên sinh

ước - Silitcat thứ sinh

- Tân tích vi sinh vật ~ Quartz thứ sinh

- Opal CT & chalcedony

Hình 1.6: Các dang silic trong môi trường dat (Sauer và nnk, 2006)

Trong pha rắn: Oxit Si rắn phổ biến nhất là khoáng chất silicat (MSi), chiếmhơn 90% của vỏ trái đất và bao gồm các khoáng nguyên sinh và thứ sinh, có cấutrúc thấp Si sinh học ở dạng vô định hình trong đất có nguồn gốc chủ yêu từ phầnoxit Si kết tủa trong cơ thê của thực vật gọi là phytolith và một phan từ tàn tích sinh

vật tích lũy Si (ví dụ: diatomit) Dưới tác động cua quá trình phong hóa hóa học và

sinh học, Si trong đá mẹ giải phóng vào trong đất thành các dạng: Si bị hấp phụ bởimột số hợp chất có trong đất đặc biệt là oxit/hydroxit của Fe va Al; Si ton tại ở cácdạng hòa tan trong dung dịch đất; Trong pha rắn Si tồn tại trong các khoáng vô địnhhình, các khoáng có cấu trúc tinh thê yếu, các tinh thé có cau trúc micro và khoáng

có cấu trúc tinh thể (Datnoff và nnk, 2001) Si trong khoáng vật gồm hai loại lớn:

(1) khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ (thạch anh, feldspat, mica) và

(2) các khoáng vật thứ sinh là kết quả của quá trình hình thành đất và bao gồm bốn

giai đoạn: tinh thể (chủ yếu khoáng vật sét), tinh thể thấp (thạch anh autigennic,opal CT, chalcedon), các dạng khoáng vật nano có trật tự thấp (opal A, imogolit,

allophona) và oxit Si vô định hình (Epstein va Bloom, 2005) Khoáng vat nguyên

sinh có nguồn sốc từ đá mẹ quyết định tính chất vật lý và hóa học của khoáng vật

thứ sinh và các loại dat phát triển trên đó.

Trong pha lỏng: Thành phần chính của dung dịch đất là axit silicic dưới dạngcác axit monosilicic H„SiO¿ Trong môi trường kiềm, axit monosilicic có théchuyển thành dạng polyme, thường gồm hai hay nhiều nguyên tử Si Axit

14

polysilicic có thể ở các dạng khác nhau như dạng chuỗi, dạng phân nhánh hoặc các

khối hình cầu (Nguyên Ngoc Minh và Nguyen Quang Hai, 2018).

Thông thường khi pH <7, H,SiO, tồn tại đưới dạng không mang điện Khi pH>0, H4SiO, sẽ phân ly thành H* + H;SiO¿ Nếu pH >11, axit monosilicic phân lythành 2H" + H;S¡iO¿” (Sommer và nnk, 2006) Nồng độ của Si hòa tan trong đất

biến thiên đa dạng, mặc dù quá trình rửa trôi của Si từ đất và sự hấp thu của thực vậtlà quan trọng trong việc xác định nồng độ Si Phần lớn nồng độ cân bằng được kiểm

soát bằng các phản ứng hấp phụ/giải hấp, thành phần khoáng vật, sự cân bằng nước,

nhiệt độ và các phản ứng sinh hóa pH đất ảnh hưởng đến độ hòa tan và tính linhđộng của Si, pH cao sẽ dẫn đến làm giảm nồng độ và tính linh động của axit

monosilicic Khi nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C, nồng độ cân bang của Si trong dung

dich dat tăng lên gấp đôi (Sommer và nnk, 2006) Dang Si hoà tan trong dung dịch(DSi), Trong đó dang DSi có thé biến đổi sang các dạng còn lại và là dang duy nhất

thực vật có thé sử dụng (Hình 1.7).

DSi có thể liên kết với Al hoà tan dé tạo thành dạng khoáng vật chuyên tiếpnhư imogolit hoặc allophan (Ma va Takahashi, 2002), hoặc có thê kết tủa từ dung

dịch đất lên bề mặt khoáng vật Ngoài ra, DSi còn được hấp phụ hóa học ở bề mặtcủa các thành phần khác trong đất như cacbonat, oxit hoặc hydroxit sắt và nhôm.

15

Trong quá trình này, hydroxit sắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tácgiữa thé rắn và thé lỏng trong đất do sự hình thành axit polysilicic từ DSi trên bềnmặt của hydroxit này DSi trong dung dich đất có thé kết tinh lại dẫn đến sự tích tuSi Trong vùng khí hậu có mùa khô rõ rệt, tang đất bị cứng hơn bởi sự bé sung củaS¡ vô định hình gây ra sự gắn kết của các hạt đất Những quá trình này dẫn đến đất

bị chai cứng (Monger và Kelly, 2002).

Si sinh học (BSi) được giữ trong đất dưới dang Si vô định hình (opal A,SiOz.nH;O) Si vô định hình (ASi) được tìm thấy trong lá cây, thân cây, cơ quansinh sản, rễ cây và tập trung nhiều nhất ở những nơi có lượng nước mất đi lớn nhất

của cây Sau khi lá rụng và cây chết đi, phytolith sẽ được trả lại cho tầng mặt vàđóng góp vào bồn ASi ở tang này Si sinh học trong đất có thé chia thành các nhómchính: Si (1) từ động vật, (2) từ thực vật (bao gồm cả phytolith), (3) từ vi sinh vật và

(4) từ sinh vật đơn bao (Hình 1.8) (Clark, 2003).

Bồn Si sinh học

Hình 1.8: Các dạng BSi trong dat (Clark, 2003)

1.2.2 Con đường tích luỹ và sự phân bé của phytolith trong đất

Phytolith được giải phóng vào tầng đất mặt chủ yếu thông qua quá trình phânhủy của thực vật Phytolith cũng có thể được giải phóng vào môi trường qua phânđộng vật, gió, hay hỏa hoạn Một tỷ lệ nhỏ phytolith được thu hồi từ hoạt động canhtác trong quá khứ Lượng phytolith giải phóng vào đất cũng có thé bị vận chuyền điđến một nơi xa dưới ảnh hưởng của một số nhân tổ như địa hình, khí hau, Langdong xa khu vực nguồn cũng có thê xảy ra thông qua phân của động vật ăn cỏ hoặc

giảm độ che phủ thực vật dẫn đến xói mòn đất, dịch chuyển phytolith theo dòng

chảy, đặc biệt là ở các khu vực có lượng mưa cao (Hình 1.9).

16

[am sear Lắng đọng khí quyển

Hình 1.9: Vòng tuần hoàn của phytolith trong đất lúa (Nguyen và nnk, 2014)

Các yêu tố ảnh hưởng đến quá trình di chuyển phytolith rất đa dạng, phụ thuộc

vào điều kiện hình thành, sinh thái và môi trường (Newyen Ngoc Minh và Đao ChauThu, 2012) Ở khu vực canh tác lúa, sau khi thu hoạch vụ mùa, một phần phytolithtrong rơm rạ hoặc rễ được trả trực tiếp hoặc gián tiếp qua than sinh học - dạng than

sau đốt trực tiếp trên đồng ruộng hoặc qua các quá trình đốt cháy khác vào đất ngay

tại khu vực canh tác (Alexandre, 1997) Một lượng đáng ké của phytolith mat dikhỏi hệ sinh thái thông qua các sản pham thu hoạch (Cary, 2005) Dạng phytolithnày sẽ được chuyên qua chất thải của người và động vật vào đất hoặc nguồn nướcbề mặt (McNaughton và Tarrants, 1983).

Phytolith chủ yếu được phân bồ theo chiều sâu phẫu diện đất Trong phẫu diệnđất, opal sinh học thường tập trung phần lớn ở tầng mặt và ít tập trung ở tầng dưới.

Opal sinh học tích lũy trong các tang đất dưới thường là do: (1) quá trình dich

chuyên bởi động vật (ví dụ, xáo trộn đất bởi động vat); (2) quá trình thâm thấu nước

trong đất; và (3) quá trình xói mòn/lắng đọng Trong một số trường hợp, opal sinhhọc cũng có thé tập trung hoàn toàn vào tang B Hàm lượng si tong số trong dat lớn,khoảng 28,8% nhưng ham lượng Si hòa tan (DSi) thấp, dao động trong khoảng từ

0,1 đến 0,6 mM (Epstein, 1994) Hàm lượng Dsi không cung cấp đủ so với nhu cầu

17

của các loài cây có yêu cầu hàm lượng Si cao ví dụ như cây lúa Đối với cây lúa, khi

hàm lượng Si hòa tan trong đất thấp hơn 40 mg kg” sẽ ảnh hưởng đến phát triển

sinh khối (Barbosa và nnk, 2001) Sự thiéu hut Si trong hệ sinh thái tự nhiên hoàntoàn có thé được giải quyết thông qua sự hoàn trả các dang Si trong sinh khối thực

Trong các hệ sinh thái tự nhiên, điều này hoàn toàn có thê được khắc phục khicác dạng Si trong sinh khối thực vật (Si hoa tan và phytolith) được quay trở lại đất.Trong khi đó, các hệ sinh thái nhân tạo, cùng với sự mang di của sinh khối, sự thiếuhụt Si càng trở nên trầm trọng Các hệ sinh thái nông nghiệp chiếm khoảng 15,33 x

10” ha diện tích toàn cầu và đóng vai trò quan trọng trong việc tuần hoàn các

nguyên tố trong đó có C và Si (Lal, 2004a, b; Song và nnk, 20134) Ước tính hàng

năm lượng Si có thể bị mất đi do hoạt động canh tác và thu hoạch có thể mang đi 50- 100 kg Si ha” năm” (Meunier và nnk, 2008) hoặc 220 - 820 TgSi năm” (1Tg = 10'’g)(Matichenkov và Bocharnikova, 2001) trong khi đó Si ~ 140 TgSi năm” rửa trôi theo

các thuỷ vực ra đại dương, làm cạn kiệt bề Si trong đất (Meunier và nnk, 2008 ).

Hàm lượng phytolith trong đất và việc hoàn trả dạng Si này lại cho đất sau

mỗi mùa vụ trở thành yếu tố quyết định hàm lượng Si hoà tan cung cấp cho câytrồng Gạo, ngô và lúa mì là các cây trồng chính góp phần vào sự hình thành

phytolith trong sản phẩm lương thực trên thế giới vì khu vực phân bồ lớn của chúng

và sản lượng sản xuất phytolith cao lần lượt khoảng 617 + 132 kg ha” năm", 404 +116 kg ha” năm” và 342 + 114 kg ha! năm” (Carey và Fulweiler, 2012; Rajendra

và nnk, 2012) Ước tính rộng hơn trên quy mô toàn sinh quyên, tỷ lệ sản xuất

phytolith có thé lên tới 167 — 286 Tg SiO; năm” (Rajendiran và nnk, 2012) hay 240+ 66 TgSiO, năm” (Song va ønk, 2013a) (Bảng 1.1).

Bảng 1.1: Bồn phytolith và ty lệ hoàn trả trong dat ở các hệ sinh thái trên cạn

ss Loai dat x : IAPs

Khí | LOM Va aae | BOnphytolith | Týlệhoàn | mại liệu thamA thực là trong dat tra phytolith Hà

hậu h trưng của A x khảovật : (kg ha) (năm)

Ri Meunier va nnk.

lệ ung 1999); Struyf va

NHỆ | tre nhiệt| Andosols 363800 211042372 | (1277) Suit va

dot) gợi Conley (2012)

18

Rung | Ferralsols | 56924 +2786 404454 | Alexandre và nnk.mua (1997)

Rung pH 4,0 - 349100 + $370 Parr va nnk.,

Can tre 5,5 133150 2010

nhi¢t l 123743 + Chen và Zhang

doi Lúa Anthrosols 60411 >170 (2011); LiZ và

nnk (2013c)Rimg

(Prajapati và nnk, 2015) chưa ké tới con đường vùi sinh khối và hàm lượngphytolith trong rễ lúa Tuy nhiên, khác với phytolith hoàn trả lại đất theo con đườngvùi lắp rơm rạ (đặc biệt là thời gian chuyên giao giữa vụ xuân hè sang hè thu khi màruộng luôn tồn tại nước), khi sinh khối được đốt bỏ phần nào đó của phytolith sẽ biếnđổi tinh chất phụ thuộc vào phương thức đốt (đốt đống, đốt rải rác ); trạng thái sinh

khối (bộ phận, độ ầm, kích thước ); điều kiện đồng ruộng (mực nước trong ruộng,

điệu kiện gió, địa hình).

1.2.3 Đặc điểm hình thái của phytolith trong đất

Đến nay, có khoảng hơn 1000 loại phytolith đã được nhận diện trong lớp đấtmặt Kết quả nghiên cứu của Wen và nnk (2018) đã tong hợp va đưa ra 260 loại

19

phytolith trong đất trong đó họ hòa thảo chiếm khoảng 110 loại; cây dương xi, câythân gỗ chiếm 50 loại và hơn 100 loại còn lại vẫn đang được điều tra Mặc dù hìnhthái của phytolith rất da dạng nhưng nhìn chung chỉ có khoảng 40 hình thái phổbiến và có đặc điểm nhận diện rõ rang vé tinh nang và đặc điểm Trong đó có

khoảng 23 loại là phytolith thân thảo và 16 loại từ gỗ, dương xỉ và các loại cây khác

(Hình 1.10, 1.11) Trong thực tế, việc phân loại hình thái phytolith có thể được chiathành nhiều loại hơn phụ thuộc vào thảm thực vật Ví dụ, phytolith dạng song tinhcó thê được chia thành hơn 20 loài phụ và phytolith dạng dài từ tre có thê được chia

theo loại ôn đới và loại nhiệt đới (Wang và Lu, 1993).

(ay (hi

(gì th)

20

Hình 1.10 mô tả đặc điểm hình thái đặc trưng của một số loại phytolith trongdat từ các loại thảo mộc trong đó có các dang cơ bản như: (a), (b) dạng yên dài đượctìm thấy từ loài Bambusoideae (Kondo và nnk, 1994), (c) hình thang từ loài Saddle

(Wang và Lu, 1993; Gu và nnk, 2007), (g) hình tháp (Lu và Liu, 2003), (h) - () hình

song tinh được tim thay ở loài Panicoid (Twiss và nnk, 1969), (m) - (n) hình trụ

(Madella và nnk, 2005), (0) - (p) hình quạt và (v) hình thang lượn sóng của loải

Pooideae (Wang và Lu, 1993).

Zee Bar—20 im

Hình 1.11: Hình thái phytolith trong dat từ một số loài thân gỗ, dương xi

(Wen và nnk, 2016)

Hình 1.11 mô tả đặc điểm hình thái của một số loại phytolith trong đất có

nguồn sốc từ các loài thân gỗ ví dụ từ (a) - (c) là hình thái phytolith từ các loại thựcvật hạt trần và (đ) dạng bảng kéo dai (Wang và Lu, 1993) dạng trục chính (Runge,

7999); (h) trục chính xoắn ốc; (1) dạng hình cầu từ sỗ (Wang và Lu, 1993), (p) dạng

21

thuôn dài hay (q) méo mó (Hyl và nnk, 2013) Ngoài ra, cũng có nhiều hình dangphytolith độc đáo khác có thé được tim thấy trong nhiều loại cây trồng như một số

loại phytolith được nhận diện trong hình 1.12.

Bar=20 pm

Hình 1.12: Hình thái của phytolith từ một số loại cây trồng (Wen và nnk, 2018)

Hình 1.12 mô tả hình thái phytolith từ một số loài cây trồng như từ cây kê (a,

b, c), (h - j) phytolith từ hạt gạo (Lu và nnk, 2009), (d) phytolith từ lúa mạch, (e, f)

phytolith từ lúa mì (Ball và nnk, 2009), (k - m) phytolith từ ngô (Piperno, 2006), (n)phytolith từ vỏ sò (Piperno, 2006), (p) phytolith từ loài Musa (Piperno, 2006), (t)-(u) phytolith từ loài Ensete (Piperno, 2006), (v) - (w) hat phytolith từ cây dong

riêng (Piperno, 2006).

Kết quả về đặc điểm hình thái của phytolith trong thực vật được mô tả trong

hình 1.10 — 1.12 cho thấy rằng phytolith có rất nhiều hình dạng và kích thước khác

22

nhau Điều này cho thấy răng, đặc điểm của phytolith sẽ khác nhau phụ thuộc vàonhiều yếu tố như đặc điểm của loài, vị trí lắng đọng của chúng trong tế bào thực vật,

hàm lượng của phytolith trong các loài thực vật.

1.2.4 Quá trình hòa tan phytolith trong đất

Phytolith tích lũy trong thực vật có thé được hòa tan nhiều hơn so với các tinh

thé khoáng Alexandre và nnk (1997) ước tính rằng Si giải phóng từ opal sinh học

cao hơn 2 - 3 lần so với Si được giải phóng qua quá trình phong hóa Các nghiêncứu thực nghiệm của Bartoli va Wilding (1980) đã chỉ ra rằng nồng độ cân bằng axit

silicic được giải phóng ra từ phytolith trong phạm vi 100 - 360 mmol Si L”, được so

sánh giữa thạch anh (36 mmol Si L”) và silica gel tinh khiết (2000 mmol Si L”).

Một số yếu tố được nghiên cứu dé kiểm soát sự hòa tan opal phytolith là: diện

tích bề mặt, hàm lượng AI, trạng thái hydrat hóa, và tốc độ phân hủy sinh học cácchất hữu cơ của các mô thực vật Các yếu tố này ảnh hưởng đến opal có nguồn gốckhác nhau Gần đây, đã xác định được rằng opal phytolith nguồn gốc từ rừng lárụng có hàm lượng AI thấp (2%) và hòa tan tốt nhất trong môi trường tự nhiên.Ngược lại, opal có nguồn gốc lá kim với tuổi đời khoảng 30 tháng tuổi thì hàm

lượng Al cao hơn (3 - 4%), được bọc chắc chan nên quá trình phân hủy sinh học vàhàm lượng hòa tan ít hơn (trong nước lạnh hòa tan 2 - 3 mg Si LÌ, nước nóng hòa

tan 20 mg Si L” và 0,5 mg Si L trong các môi trường tự nhiên).

Sự hòa tan của SiO; là do sự tấn công của các phân tử nước gây ra do phá vỡbề mặt siloxan =Si-O-Si= Khi pH tăng sẽ làm phá vỡ các liên kết của nhóm silanoltrên bề mặt, tạo điều kiện cho việc phá vỡ cấu trúc và hòa tan phytolith Quá trình

hòa tan được thúc đây khi pH trong khoảng 1,2 — 4,0 (đối với SiO,) Ở pH = 6,5 Si

hòa tan từ phytolit trong rom ra có hàm lượng cao hơn nhiều lần ở pH = 3(DeMaster, 1981) Việc hap phụ kim loại hóa trị hai, ba (AI, Fe**, Zn”, Cu”) trênbề mặt của phytolith sẽ làm giảm đáng kể khả năng hòa tan của nó, và đặc biệt là

hấp phụ AI” rất hiệu quả sẽ làm giảm khả năng gây ngộ độc cho cây trồng Cáccation được hấp phụ trên các bề mặt =Si-O' và giảm các liên kết của nhóm OH" happhụ trên bề mặt =Si-O-Si= Tốc độ phân hủy của phytolith giảm dan theo thời gianđược xác định là do sự hấp phụ của AI” và Fe** Vì vậy, sự gia tăng của Al và Fe

trong đất sẽ làm giảm đáng ké pH (đặc biệt là khi pH dưới 5,5) do sự hap phụ trên

23

bề mặt của Si phytolith được tối ưu ở pH thấp Điều này có nghĩa là khi pH dungdịch đất giảm thì khả năng hòa tan phytolith giảm và ngược lại, khi pH tăng thì khanăng hòa tan phytolith cũng tăng Sự hòa tan của phytolith cung cấp một nguồndinh dưỡng Si đáng ké cho thực vật Phương pháp tiếp cận của Bartoli (1985) chothấy khoảng 85% lượng Si hấp thu được có nguồn gốc từ quá trình hòa tan củaphytolith trong hệ sinh thái rừng rụng lá trong khi chỉ có 15% lượng Si hấp thu

được ở hệ sinh thái rừng lá kim Sử dụng phương pháp tương tự cho khu rừng mưa

ở Congo, Alexandre và nnk (1997) nhận định rằng, có 74% DSi trong dung dịch đấtbắt nguồn từ sự hòa tan của phytolith.

1.2.5 Các phương pháp định lượng phytolith trong đất

Phương pháp vật lý thường được áp dụng là phương pháp tách phytolith bằng

dung dịch nặng có khối lượng là 2,3 g/cm?’ (Hình 1.13) Một số dung dich nặng

thường được sử dụng như Bromoform (CHBr;), Zinc bromide (ZnBr;), Potassium

iodide CdI,/KI Cac bước chính đề thực hiện quá trình tách phytolith là: Giai đoạnxử lý sơ bộ mẫu đất dé tạo điều kiện cho việc tách phytolith dé dang hơn; Phân chiatrầm tích thành phù sa, đất sét và cát: Loại bỏ cacbonat và các oxit/hdroxit sắt,

nhôm; Loại bỏ chất hữu cơ; Loại bỏ sét, limon từ đó tuyển nỗi và ly tâm dé tách

phytolith khỏi dung dịch Phương pháp này thu được phytotlith tương đối nguyênven và rất có ý nghĩa trong khảo cổ học Tuy nhiên, đây cũng là phương pháp phứctạp đòi hỏi thời gian dai và tương đối độc hại.

Tach hỗn hợp limon + phytolith

Tuyên nôi phyolith bang

dung dich nang

Hình 1.13: Sơ đồ tách phytolith từ dat bằng dung dịch nặng (Wilding, 1967)

Phương pháp hóa học thường được áp dụng dé tính toán chính xác hàm lượng

Tach hỗn hợp limon + phytolith

24

phytolith Ban chất của phương pháp là dựa trên độ tan của Si vô định hình (ASi)

tăng mạnh trong môi trường kiềm (Fauteux, 2005) Hai phương pháp chiết hoá học

với NaOH hoặc Na,CO; thường được sử dụng dé phân tích ASi trong đất (Zhao vàPearsall, 1998), cũng như BSi trong nước ngọt và trầm tích biển (Foster, 1953).

Theo kết quả nghiên cứu của Saccone và nnk (2007), Sommer và nnk (2006),

phương pháp sử dụng NaOH thường cho kết quả lượng ASi hoặc BSi tương đươnghoặc cao hơn so với sử dụng Na,CO3 Tuy nhiên, việc sử dung kiềm mạnh (NaOH)cũng dẫn tới sự hoà tan của các tinh thé khoáng Si mạnh mẽ hơn va sự ảnh hưởng

tới tính chính xác của phương pháp từ quá trình hoà tan này cũng trở lên khó loại bỏ

hơn Điều này được quan tâm tới trong nghiên cứu (DeMaster, 1981), và cho tớinay, phương pháp chiết dạng BSi được phát triển từ những nghiên cứu của ông van

là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất và đơn giản nhất.

Si hoà tan (mg/l)

0 1 2 3 4 5 6

Thời gian chiết (giờ)

Hình 1.14: Minh họa cho phương pháp luận sử dụng để giải thích cho sự hoà tan đồng

thời Si từ khoáng trong suốt quá trình chiết dạng ASi (DeMaster, 1981)

Trong các thí nghiệm của DeMaster (1981), mẫu chứa các dang ASi ngâm

trong dung dịch Na,CO; ở 80 — 85°C với tổng thời gian 6 giờ Mẫu được lay 1 lần/giờ.DeMaster (1981) quan sát thay rang, các dạng ASi hòa tan hoàn toàn trong 2 giờ đầu

tiên, trong khi các khoáng silicat có tốc độ hoà tan là không đổi trong suốt thời gian

thí nghiệm, phép ngoại suy các giá trị nồng độ Si trong giai đoạn nồng độ Si trong

dung dịch được gia tăng bởi sự hoà tan của các khoáng silicat cho phép tính gián

tiếp ra lượng Si hoa tan ra từ các dạng ASi và định lượng ra được hàm lượng của

các dạng Đây là phương pháp được áp dụng rộng hơn do có độ chính xác cao hơn

các phương pháp tách chiết vật lý Do đó, đây cũng là phương pháp mà luận án sử

25

dụng để tính toán hàm lượng phytolith trong đất.

1.3 Sự hình thành và tích lũy cacbon hữu cơ trong phytolith (PhytOC)

1.3.1 Sự hình thành thể hỗn hợp “phytolith - chất hữu cơ” trong thực vật

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình khoa học đã đề cập và minh chứng

về mối quan hệ giữa lượng bồ sung phytolith từ thực vật vào đất và sự tăng lên của

cacbon hữu cơ trong đất Si hút thu từ đất được di chuyển đến các bộ phận khácnhau của cây, và sau đó kết tủa tạo thành các lớp bám trên thành hoặc vách các tébào Sự kết tủa quá mức sé dan đến sự phát triển và hình thành cấu trúc Si(phytolith) (Epstei, 1994) hay vẫn thường gọi là “cây hóa thạch” Cấu trúc phytolithcó thé được hình dung như một “thé nhúng” trong các mô hữu cơ của cây, bị baoquanh bởi chất hữu cơ và cũng có thé bọc một lượng chất hữu cơ nhất định (Parr vàSullivan, 2005) Lượng chất hữu cơ bị bọc bởi phytolith được gọi là PhytOC va đâylà lượng chất hữu cơ bị chi phối bởi phytolith khi phytolith được hoàn trả về đất.Kết quả phân tích của Carter (2009) va Dabney (2017) dưới kính hién vi điện tử

(Hình 1.15a) và kính hién vi quang học (Hình 1.15b-c) mô ta đầy đủ quá trình hìnhthành phytolith và cơ chế tích lũy cacbon trong phytolith.

\ silicic axit,silicagel

Hình 1.15: Minh chứng về cơ chế tích lũy cacbon trong phytolith

(Wen và nnk, 2018)

26

Những vùng đen được mô tả trong hình là phần cacbon bị giữ lại bên trong

cấu trúc của phytolith Phytolith có thê tích lũy khoảng từ 0,2 - 5,8% cacbon hữu cơ

trong quá trình hình thành của chúng trong các mô của tế bào thực vật (Wilding vànnk, 1967) đặc biệt là phần cacbon tích lũy trong phytolith có khả năng chống lại sự

phân hủy cao hơn so với thành phần cacbon khác trong môi trường đất (Parr vàSullivan, 2005) Sự tích lãy cacbon trong phytolith hứa hẹn là một cơ chế cô lập

cacbon sinh học hiệu quả trong đất giúp giảm thiểu lượng cacbon giải phóng trongkhí quyền (Song va nnk, 2016) Ước tính tỷ lệ tích lũy của PhytOC trong khoảng từ

15 đến 37% lượng tích lũy cacbon trung bình trong đất toàn cầu là 2,4 gC.m ˆ nam!

trong 1000 năm qua (Wilding, 1967; Parr và Sullivan, 2005) Nhìn chung, PhytOC

là một thành phan đáng ké đóng góp chất hữu cơ trong dat (0,72 - 9,26%) theo thờigian chiếm hơn 95% tổng lượng chất hữu cơ trong đất tích lũy lai(Eswaran và nnk,

1993) và chiếm hon 2/3 của bể cacbon trong hệ sinh thái mặt đất (Lal, 2004) Do

đó, PhytOC đóng một vai trò quan trọng trong chu trình cacbon và giảm thiểu sự

nóng lên của trái đất (Parr và nnk, 2010) Từ các nghiên cứu về phytOC của một sốhệ sinh thái đất với nhiều loài thực vật khác nhau như lúa (Li va nnk, 20/3), lúa mì

(Parr va Sullivan, 2011), mia (Parr và nnk, 2009), tre (Li và nnk, 2014), đồng co

(Song và nnk, 2012), vùng đất ngập nước (Li và nnk, 2013a), rừng (Song và nnk,2013) Ước tinh về tiềm năng tích lũy cacbon trong phytolith cho thấy ty lệ tíchlũy cacbon trong phytolith ở đất đồng cỏ cao hơn so với các hệ sinh thái khác Tỷ lệcô lập cacbon trong phytolith trung bình của đất đồng cỏ ước tính là 41,4 TgCO;năm (Song và nnk, 2012) trong khi ở rừng tre là 2,05 TgCO, năm” (Song và nnk,2013) Tuy nhiên, ước tính tỷ lệ cacbon tích lũy trong phytolith rất phức tạp, nó bịchi phối bởi rất nhiều yếu tố như tỷ lệ hoàn trả phytolith của thảm thực vật, sự ôn

định địa hóa, điều kiện môi trường, khí hậu, tính chất của đất (thành phần cơ giới,

pH, EC ) (Alexandre và nnk, 1997; Fraysse và nnk, 2009; Song và nnk, 2016) Do

đó, vẫn còn nhiều han chế và cần thêm những nghiên cứu chuyên sâu hơn trong việcước tính được khả năng cũng như tổng hàm lượng cacbon được tích lũy trongphytolith trong đất.

27