ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15n trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ BÍCH LIÊN ỨNG DỤNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐỒNG VỊ ĐÁNH DẤU 15 N TRONG DỰ ĐOÁN TỐC ĐỘ THẤM SÂU CỦA PHÂN BÓN TRONG ĐẤT CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60 44 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC - HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. NGUYỄN THỊ XUÂN MAI 2. TS. LƯƠNG THU TRÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình của tất cả các Thầy Cô, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: • PGS. TS. Nguyễn Thị Xuân Mai và TS. Lương Thu Trà đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu này. • Các Thầy Cô trong bộ môn Hóa phân tích đã hết lòng truyền đạt những kiế n thức quý báu trong suốt thời gian học tập ở trường. • Các anh chị và các bạn đồng nghiệp thuộc phòng Thủy văn đồng vị và phòng Sinh học phóng xạ, Trung tâm Hạt nhân Tp. HCM đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn. • Các thành viên trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Trần Thị Bích Liên MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG Trang DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3 1.1. Tình hình sử dụng phân bón ở Việt Nam 4 1.2. Ảnh hưởng của nitrat đến sức khỏe con người 5 1.3. Các dạng hóa học của nitơ hữu dụng cho cây trồng 6 1.4. Chu trình nitơ - Các quá trình chuyển đổi của nitơ 8 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 12 2.1. Địa hình 12 2.2. Điề u kiện khí hậu 13 2.3. Điều kiện thủy văn 13 2.4. Tài nguyên đất và nước 13 2.5. Khu vực nghiên cứu 14 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 3.1. Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị trong nghiên cứu 16 3.2. Nitơ và đồng vị của nitơ 17 3.3. Thí nghiệm tại hiện trường 19 3.4. Xử lý sơ bộ mẫu đất trước khi phân tích 20 3.5. Xác định hàm lượng 15 N trong mẫu đất 20 3.5.1. Nguyên lý chung 20 3.5.2. Chuyển đổi nitơ đánh dấu trong mẫu về dạng NH 4 + -N 21 3.5.2.1. Nitơ tổng số 21 3.5.2.2. Nguyên lý của phương pháp Kjeldahl 24 3.5.3. Chuyển đổi NH 4 + sang khí nitơ N 2 28 3.6. Thiết bị phân tích tỉ số đồng vị nitơ 29 3.6.1. Khối phổ - Nguyên lý hoạt động của khối phổ 29 3.6.2. Quang phổ phát xạ - Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ phát xạ dùng phân tích đồng vị 15 N 30 3.7. Thiết bị và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 34 3.7.1. Danh mục các thiết bị sử dụng 34 3.7.2. Hóa chất sử dụng 35 3.7.3. Chuẩn bị hóa chất 35 3.8. Quy trình phân tích hàm lượng 15 N trong mẫu đất 39 3.8.1. Phá mẫu theo quy trình Kjeldahl 39 3.8.2. Chưng cất và chuẩn độ 39 3.8.3. Xác định hàm lượng 15 N 40 3.9. Các công thức tính toán sử dụng trong nghiên cứu 40 3.9.1. Các công thức tính toán nitơ tổng số 40 3.9.2. Các công thức tính toán với đồng vị 15 N 41 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng 15 N trên máy NOI-7 46 4.1.1. Đường chuẩn 46 4.1.2. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) 47 4.2. Một số khảo sát trước khi tiến hành phân tích mẫu hàng loạt 48 4.3. Lấy mẫu và ký hiệu các mẫu 49 4.4. Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất 52 4.5. Hàm lượng đồng vị đánh dấu 15 N trong các mẫu đất 55 4.6.Tỉ số phần trăm nitơ có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15 N trong các mẫu đất 63 4.7. Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất 66 4.8. Thí nghiệm đánh dấu với đồng vị phóng xạ 131 I 69 KẾT LUẬN 72 KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Số liệu phân tích nitơ tổng số 76 Phụ lục 2: Số liệu đo đồng vị đánh dấu 15 N 81 Phụ lục 3: Thống kê hàm lượng 15 N (%nguyên tử) trong mẫu theo từng lớp đất tại các thời điểm lấy mẫu 86 Phụ lục 4: Tính toán dung trọng đất 87 Phụ lục 5: Tính toán khối lượng 1 ha các lớp đất 88 Phụ lục 6: Thống kê phần trăm lượng phân đánh dấu với đồng vị 15 N còn tồn dư trong từng lớpp đất tại các thời điểm lấy mẫu 89 Phụ lục 7: Khảo sát hàm lượng nitơ dạng NO 2 - , NO 3 - trong một số mẫu đất 90 Phụ lục 8: Xác định nồng độ dung dịch NaOBr bằng phép chuẩn độ với dung dịch chuẩn Na 3 AsO 3 91 Phụ lục 9: Các chi tiết vận hành của máy NOI-7 92 Phụ lục 10: Sơ đồ đường khí trong máy NOI-7 93 Phụ lục 11: Các thông số kỹ thuật của máy NOI-7 95 Phụ lục 12: Một số hình ảnh trong nghiên cứu 96 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các dạng phân bón nitơ thông thường 7 Bảng 3.1: Các đồng vị của nitơ và tính hữu dụng trong nghiên cứu 18 Bảng 4.1: Dãy các dung dịch chuẩn 15 N và tín hiệu đo được 46 Bảng 4.2: Số đo thực nghiệm của mẫu trắng 47 Bảng 4.3: Kí hiệu mẫu theo độ sâu và ngày lấy mẫu 50 Bảng 4.4: Hàm lượng phần trăm nitơ tổng số trong các mẫu đất 54 Bảng 4.5: Hàm lượng đồng vị 15 N trong các mẫu đất 57 Bảng 4.6: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15 N trong các mẫu đất 65 Bảng 4.7: Phần trăm lượng phân đánh dấu tồn dư trong đất 66 Bảng 4.8: Kết quả đánh dấu đồng vị 131 I – đợt 1 69 Bảng 4.9: Kết quả đánh dấu đồng vị 131 I – đợt 2 70 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Chu trình nitơ 8 Hình 2.1: Bản đồ huyện Củ Chi 12 Hình 3.1: Khu vực thí nghiệm tại thời điểm đang trồng ớt 19 Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ dùng phân tích tỉ số đồng vị 29 Hình 3.3: Sơ đồ một máy quang phổ phát xạ đơn giản 30 Hình 3.4: Phổ phát xạ của phân tử nitơ 31 Hình 3.5: Máy quang phổ phát xạ – NOI-7 33 Hình 3.6: Sơ đồ máy quang phổ phát xạ NOI 7 33 Hình 4.1: Đường chuẩn xác định 15 N trên máy NOI-7 46 Hình 4.2: Sơ đồ lấy mẫu 51 Hình 4.3: Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất 52 Hình 4.4: Hàm lượng nitơ tổng trong các lớp đất ở độ sâu khác nhau 53 Hình 4.5: Hàm lượng 15 N trong các lớp đất 0cm – 5cm 58 Hình 4.6: Hàm lượng 15 N trong các lớp đất 5cm – 15cm 59 Hình 4.7: Hàm lượng 15 N trong các lớp đất 15cm – 30cm 59 Hình 4.8: Hàm lượng 15 N trong các lớp đất 30cm – 45cm 60 Hình 4.9: Hàm lượng 15 N trong các lớp đất 45cm – 60cm 61 Hình 4.10: Sự thay đổi của hàm lượng đồng vị đánh dấu 15 N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 62 Hình 4.11: Sự xuất hiện đồng vị đánh dấu 15 N ở các độ sâu khác nhau 62 Hình 4.12: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15 N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 64 Hình 4.13: Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất ở các độ sâu khác nhau theo thời gian 67 Hình 4.14: Sự phân bố của phân đánh dấu tồn dư trong đất ở độ sâu khác nhau tại các thời điểm lấy mẫu 68 Hình 4.15: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131 I – đợt 1 69 Hình 4.16: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131 I – đợt 2 70 1 MỞ ĐẦU Nước ngầm là một trong những nguồn tài nguyên quan trọng phục vụ cấp nước sinh hoạt cho nhân dân và góp phần phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Sự phát triển nhanh chóng của các hoạt động công nghiệp, dịch vụ trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số đòi hỏi nhu cầu nước sinh hoạt rất cao và ngày càng tăng. Chính vì vậy việc bảo vệ nguồn n ước và môi trường nước ngầm luôn là một vấn đề được quan tâm hàng đầu. Trong đó, vấn đề nhiễm bẩn nguồn nước, cụ thể là nguy cơ nhiễm bẩn từ hoạt động nông nghiệp do các loại phân bón nói chung và phân bón nitơ nói riêng, là một vấn đề rất đáng quan tâm vì nó ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Sự nhiễm bẩn nguồn nước ngầm cần đặc biệt l ưu ý hơn ở các vùng sản xuất nông nghiệp trồng lúa, trồng rau và hoa màu vì những nơi này sử dụng nhiều phân bón. Tại nhiều vùng trồng rau và thâm canh lúa nước, việc sử dụng các loại phân hóa học ngày càng bị người dân lạm dụng dẫn đến dư thừa và tích lũy trong đất. Một phần lượng phân bón nitơ dư thừa mà cây trồng không sử dụng đến sẽ ở lại trong đất, một phần b ị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt, một phần thấm theo chiều dọc vào các tầng nước ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình khử nitrat trong chu trình nitơ. Các quá trình biến đổi của phân nitơ khi bón vào đất cho thấy khả năng gây ô nhiễm của việc bón phân nitơ không hợp lý là đáng lo ngại. Khi phân bón dịch chuyển, thấm sâu trong đất, vượt ra khỏi tầng rễ cây, mặc dù không còn hữ u dụng cho cây trồng nhưng nguy cơ xâm nhập vào nước ngầm lại rất lớn, đặc biệt khi lượng phân bón dư thừa này ở dạng nitrat thì đây chính là nguồn gây nhiễm bẩn nitrat cho nước ngầm. Việc theo dõi và đánh giá khả năng xâm nhập của phân bón nitơ vào nước ngầm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì qua đó chúng ta có thể đưa ra chế độ bón phân, tưới tiêu tối ưu cho cây trồng, nhằm giảm thi ểu các nguy cơ gây ô nhiễm nước ngầm nói riêng và ô nhiễm môi trường sống nói chung. Một trong những cách 2 đánh giá là xem xét khả năng thấm của phân bón nitơ trong đất theo chiều sâu. Với các lý do trên chúng tôi xây dựng đề tài “Ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15 N trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất” để bước đầu khảo sát khả năng dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo độ sâu và theo thời gian bằng cách áp dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15 N, dùng phân urê làm giàu 15 N bón cho cây trồng. Cùng với thí nghiệm đánh dấu đồng vị 15 N, vào mùa mưa, chúng tôi thực hiện thí nghiệm đánh dấu với đồng vị 131 I tại khu vực khảo sát để xem xét tốc độ thấm của nước trong đất theo chiều sâu. 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón là một trong những vật tư quan trọng và được sử dụng với một lượng khá lớn hàng năm. Phân bón đã góp phần đáng kể làm tăng năng suất cây trồng và chất lượng nông sản, đặc biệt là đối với cây lúa ở Việt Nam. Theo đánh giá của Viện Dinh dưỡng Cây trồng Quốc tế (International Plant Names Index - IPNI), phân bón đóng góp khoảng 30-35% tổng sản lượng cây trồng [4] . Tuy nhiên việc sử dụng phân bón ngày càng nhiều để tăng năng suất cây trồng lại chính là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng. Trong những thập niên gần đây, hàm lượng nitrat (NO 3 - -N) trong nước ngầm đã tăng lên đáng kể. Hàm lượng cho phép của nitrat trong nước uống là 50mg/L NO 3 - (tương đương 11mg/L NO 3 - -N hay 0,8mmol/L) và mức đề nghị là thấp hơn 25mg/L NO 3 -[18] . Nitrat trong nước ngầm có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, như nhiễm từ vùng chăn nuôi, trồng trọt, bể rác thải và do quá trình oxy hóa nitơ hữu cơ trong đất. Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự gia tăng hàm lượng nitrat trong các tầng nông nước ngầm được ghi nhận là do việc sử dụng thường xuyên và quá mức một lượng lớn phân nitơ và phân chuồng trong nông nghiệp kể từ những năm đầu củ a thập niên sáu mươi, gây rò rỉ nitrat thấm xuống các mạch nước ngầm [1], [4] . Các công trình nghiên cứu tại các nước trên thế giới đã quan trắc sự phân bố của phân bón nitơ trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm trong nhiều năm sử dụng phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15 N và đã phát hiện thấy sự có mặt của NO 3 - từ phân đánh dấu trong nước ngầm sau 40 tháng kể từ khi bón phân [9], [10] . Trong nghiên cứu kiểm soát nhiễm bẩn nitrat trong đất trồng ngô khi không sử dụng và sử dụng phân bón với các chế độ tưới tiêu khác nhau, J.A.Diez và cộng sự đã ghi nhận hàm lượng nitrat trong dung dịch đất ở độ sâu 50cm và 140cm tăng lên đáng kể trong trường hợp sử dụng phân bón cả ở hai chế độ tưới bình thường và tưới có quản lý. Với chế độ tưới bình thường, hàm lượng nitrat trong dung dịch đất ở độ sâu 50cm tăng từ 93 ± 86mg/L khi không bón phân lên đến 447 ± 90mg/L khi bón phân urê và với chế độ tưới có quản lý, tăng từ 59 ± [...]... mét trong mùa khô và 0,8 mét trong mùa mưa 16 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị trong nghiên cứu Kỹ thuật đánh dấu đồng vị nói chung và kỹ thuật đánh dấu sử dụng đồng vị 15N nói riêng đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới Kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15 N được ứng dụng rộng rãi trong. .. nguồn phân bón nitơ sử dụng cho cây trồng Các công trình nghiên cứu tại các nước trên thế giới đã quan trắc sự phân bố của phân bón nitơ trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm trong nhiều năm sử dụng phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15N và đã phát hiện thấy sự có mặt của NO3- từ phân đánh dấu trong nước ngầm sau 40 tháng kể từ khi bón phân[ 9], [10] Tại các nước như Mỹ, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ … kỹ thuật đánh. .. trong cây trồng và động vật Trong lĩnh vực thủy văn môi trường, kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15N là một công cụ hữu hiệu trong các nghiên cứu về sự phân bố của phân bón nitơ sử dụng có mặt trong nước mặt, nước trong đất và nước ngầm, các nghiên cứu về đánh giá tác động môi trường của các nguồn phân bón nitơ, cũng như các nghiên cứu về đánh giá và mô hình hóa khả năng và tốc độ rửa trôi nitrat... bón phân lên đến 425 ± 53mg/L khi bón phân urê Ở độ sâu 140cm, hàm lượng nitrat trong dung dịch đất với chế độ tưới bình thường tăng từ 59+43mg/L khi không bón phân lên đến 215 ± 71mg/L khi bón phân urê và tăng đến 413 ± 55mg/L với chế độ tưới có quản lý[13], [14] Như vậy khả năng tích đọng nitrat trong đất khi sử dụng phân bón là lớn và nitrat có mặt ở độ sâu 140cm sẽ thấm vào các tầng nước ngầm Trong. .. đất nhiều cũng như gia tăng tốc độ thấm của nước trong đất - Hàm lượng nitơ trong các tầng đất cao 11 - Miền rễ cây nông dẫn đến hạn chế trong việc ngăn chặn phân nitơ thấm sâu Với tất cả các lý do trên, khảo sát độ dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo chiều sâu là một trong những công việc cần thiết giúp ta hoạch định tốt hơn công việc bón phân nitơ và tưới tiêu trong canh tác nông nghiệp nhằm... trình bón phân và 17 tưới tiêu hợp lý nhằm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm nước ngầm từ phân bón sử dụng cho cây trồng[19], [20], [21] Tại Việt Nam, kỹ thuật đánh dấu đồng vị được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thủy văn, công nghiệp, nông nghiệp Riêng kỹ thuật đánh dấu đồng vị sử dụng 15N được ứng dụng tại Trung Tâm Hạt Nhân Tp Hồ Chí Minh trong các nghiên cứu về đánh giá dinh dưỡng cây trồng, đánh. .. trường… Trong nông nghiệp và thủy văn, đồng vị 15 N được sử dụng nhiều như là một đồng vị đánh dấu trong các nghiên cứu về chu trình nitơ trong đất, phân bố nitơ trong các phần tử hữu cơ của đất, sử dụng phân bón nitơ, nitơ với năng suất cây trồng, sự dịch chuyển của nitơ trong đất, mất mát nitơ dưới dạng khí và dạng rửa trôi nitrat, cố định nitơ sinh học, các nghiên cứu về chuyển hóa nitơ trong cây... đồng thời bản chất bền của chúng cho phép thực hiện các thực nghiệm lâu dài Vấn đề trở ngại khi sử dụng đồng vị 15N trong nghiên cứu là giá thành 15N cũng như thiết bị phân tích 15N cao Bảng 3.1: Các đồng vị của nitơ và tính hữu dụng trong nghiên cứu[7] Số khối 12 Thành phần Chu kỳ bán rã tự nhiên (%) - Ứng dụng điển hình 0,0126 giây Ứng dụng giới hạn vì chu kỳ bán rã 13 - 10,05 phút quá ngắn Ứng dụng. .. vào máy, phản ứng chuyển đổi NH4+ sang khí nitơ N2 diễn ra tự động trong hệ thống này 3.6 Thiết bị phân tích tỉ số đồng vị nitơ[5], [6], [7] 3.6.1 Khối phổ - Nguyên lý hoạt động của khối phổ Khối phổ (MS) là kỹ thuật phân tích mà trong đó các nguyên tử hay phân tử của chất cần phân tích trong mẫu được ion hóa, phân tách theo tỉ số khối lượng–điện tích (m/z) của chúng và sau đó ghi nhận kết quả Khối phổ... dụng phân hóa học N-P-K bón cho cây trồng, trong đó dạng phân nitơ thường được sử dụng là phân urê Phân nitơ đánh dấu với đồng vị 15N sử dụng trong nghiên cứu này cũng là phân urê làm giàu 15N Do đó có thể bỏ qua dạng NO2- và NO3- trong mẫu và sử dụng phương pháp Kjeldahl thông thường khi tiến hành phân tích nitơ tổng số trong các mẫu đất 3.5.2.2 Nguyên lý của phương pháp Kjeldahl Phương pháp Kjeldahl . TRẦN THỊ BÍCH LIÊN ỨNG DỤNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐỒNG VỊ ĐÁNH DẤU 15 N TRONG DỰ ĐOÁN TỐC ĐỘ THẤM SÂU CỦA PHÂN BÓN TRONG ĐẤT CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60 44 29 LUẬN. 15 N trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất để bước đầu khảo sát khả năng dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo độ sâu và theo thời gian bằng cách áp dụng kỹ thuật đánh dấu. từ phân đánh dấu 15 N trong các mẫu đất 65 Bảng 4.7: Phần trăm lượng phân đánh dấu tồn dư trong đất 66 Bảng 4.8: Kết quả đánh dấu đồng vị 131 I – đợt 1 69 Bảng 4.9: Kết quả đánh dấu đồng