Nghiên cứu thực trạng và đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm một số kim loại nặng (as,cd,pb) trong đất vùng trồng rau thành phố thái nguyên và phụ cận bằng thực vật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - PHẠM THỊ MỸ PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Ô NHIỄM MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (As, Cd, Pb) TRONG ĐẤT VÙNG TRỒNG RAU THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN VÀ PHỤ CẬN BẰNG THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - PHẠM THỊ MỸ PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Ô NHIỄM MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (As, Cd, Pb) TRONG ĐẤT VÙNG TRỒNG RAU THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN VÀ PHỤ CẬN BẰNG THỰC VẬT Chuyên ngành: Môi trường đất nước Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải GS.TS Đặng Thị Kim Chi HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan toàn kết luận án cơng trình nghiên cứu riêng nghiên cứu sinh hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải GS.TS Đặng Thị Kim Chi, số liệu nghiên cứu trình bày cách xác trung thực Tồn số liệu kết nghiên cứu trình bày luận án nghiên cứu sinh trực tiếp thực cơng bố tạp chí Các số liệu tác giả khác sử dụng có trích dẫn rõ ràng Hà Nội, ngàytháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Phạm Thị Mỹ Phương LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải, giảng viên Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội GS.TS Đặng Thị Kim Chi, giảng viên cao cấp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội người thầy tận tình tâm huyết, đường dẫn lối đóng góp ý kiến quý báu cho nghiên cứu sinh có định hướng nghiên cứu khoa học để hoàn thành kết nghiên cứu Xin cảm ơn Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tồn thể thầy giáo Khoa Môi trường đặc biệt thầy cô Bộ môn Tài nguyên Môi trường đất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên truyền cho nghiên cứu sinh kiến thức, niềm đam mê nghiên cứu khoa học, tận tình bảo giúp đỡ để nghiên cứu sinh sinh hoạt chuyên môn vượt qua khó khăn để hồn thành nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Phát triển vùng - Bộ Khoa học Công nghệ, phòng chức trực thuộc Viện - nơi nghiên cứu sinh trực tiếp làm việc nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh có điều kiện tốt để làm việc thực nghiên cứu khoa học Cảm ơn đề tài cấp Bộ theo định số 1488/QĐBKHCN ngày 29/6/2013 Bộ Khoa học Công nghệ Xin trân trọng cảm ơn Học viện Nông nghiệp Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện để nghiên cứu bố trí thực thí nghiệm nhà lưới Cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp sinh viên động viên hỗ trợ nghiên cứu sinh nhiều để có kết nghiên cứu Cuối xin đặc biệt cảm ơn người thân gia đình ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh sống để hoàn thành kết nghiên cứu luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Phạm Thị Mỹ Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Một số vấn đề nguồn gốc dạng tồn KLN đất 1.1.1 Khái niệm KLN 1.1.2 Nguồn gốc KLN đất 1.1.3 Dạng tồn chuyển hóa KLN đất 1.2 Tình hình nhiễm KLN đất giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình ô nhiễm KLN đất giới 1.2.2 Tình hình nhiễm KLN đất Việt Nam 11 1.2.3 Tình hình nhiễm KLN đất tỉnh Thái Nguyên 15 1.3 Xử lý KLN đất thực vật 16 1.3.1 Biện pháp xử lý đất ô nhiễm KLN thực vật 16 1.3.2 Các loài thực vật có khả xử lý đất nhiễm KLN 18 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp thụ KLN thực vật 20 1.3.4 Tình hình xử lý KLN thực vật giới Việt Nam 22 1.4 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 28 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Đối tượng nghiên cứu 31 2.2 Địa điểm thời gian nghiên cứu 31 2.3 Nội dung nghiên cứu 31 2.3.1 Đánh giá thực trạng ô nhiễm KLN (As, Cd, Pb) nước tưới, đất rau số vùng chuyên canh rau thành phố Thái Nguyên phụ cận 31 2.3.2 Nghiên cứu khả hấp thu KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu (Eleusine indica L.) Lu lu đực (Solanum nigrum L.) đất điều kiện thí nghiệm 32 2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố (thời gian, pH, phân bón, phức chất hữu EDTA) đến khả hấp thu KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu (Eleusine indica L.) Lu lu đực (Solanum nigrum L.) đất trồng rau điều kiện thí nghiệm 32 2.3.4 Xây dựng mơ hình khảo nghiệm khả ứng dụng cỏ Mần trầu (Eleusine indica L.) Lu lu đực (Solanum nigrum L.) để xử lý ô nhiễm KLN (Cd, Pb, As) đất trồng rau 33 2.3.5 Đề xuất quy trình xử lý đất ô nhiễm KLN (Cd, Pb, As) vùng trồng rau thuộc thành phố Thái Nguyên phụ cận thực vật 33 2.4 Phương pháp nghiên cứu 33 2.4.1 Phương pháp kế thừa tổng hợp tài liệu 33 2.4.2 Phương pháp điều tra, vấn 33 2.4.3 Phương pháp quan trắc lấy mẫu thực địa 33 2.4.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 35 2.4.5 Phương pháp phân tích phịng thí nghiệm 41 2.4.6 Phương pháp so sánh xử lý số liệu 43 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Thực trạng ô nhiễm KLN (As, Cd, Pb) nước tưới, đất rau số vùng chuyên canh rau thành phố Thái Nguyên phụ cận 44 3.1.1 Thực trạng sản xuất rau thành phố Thái Nguyên vùng phụ cận .44 3.1.2 Thực trạng nước tưới cho rau thành phố Thái Nguyên vùng phụ cận 47 3.1.3 Chất lượng đất hàm lượng KLN đất trồng rau thành phố Thái Nguyên vùng phụ cận 50 3.1.4 Hàm lượng KLN rau khu vực nghiên cứu 52 3.2 Nghiên cứu khả hấp thu KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu Lu lu đực điều kiện nhà lưới 54 3.2.1 Nghiên cứu khả chống chịu tích lũy Cd loài thực vật .54 3.2.2 Nghiên cứu khả chống chịu tích lũy Pb loài thực vật .57 3.2.3 Nghiên cứu khả chống chịu tích lũy As lồi thực vật .60 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến khả hấp thu KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu lu lu đực 64 3.3.1 Nghiên cứu thời gian thu hoạch ảnh hưởng đến khả tích luỹ KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu Lu lu đực 64 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến khả tích lũy KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu Lu lu đực 73 3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng phân bón đến khả tích luỹ KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu Lu lu đực 81 3.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng EDTA đến khả tích luỹ KLN (Cd, Pb, As) cỏ Mần trầu Lu lu đực 90 3.4 Xây dựng mơ hình khảo nghiệm khả ứng dụng cỏ Mần trầu Lu lu đực để xử lý ô nhiễm KLN (Cd, Pb, As) đất trồng rau 99 3.4.1 Mơ hình trồng Lu lu đực để xử lý ô nhiễm KLN (Cd, Pb, As) đất trồng rau 99 3.4.2 Mơ hình trồng cỏ Mần trầu để xử lý ô nhiễm KLN (Cd, Pb, As) đất trồng rau 101 3.5 Đề xuất quy trình xử lý đất nhiễm KLN (Cd, Pb, As) vùng trồng rau thuộc thành phố Thái Nguyên phụ cận thực vật .104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 KẾT LUẬN 105 KIẾN NGHỊ 106 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 PHỤ LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường BVTV Bảo vệ thực vật BYT Bộ Y tế CEC Khả trao đổi ion đất CHC Chất hữu CTTN Công thức thí nghiệm KLN Kim loại nặng LSD Sự sai khác nhỏ có ý nghĩa OM Hàm lượng chất hữu QCCP Quy chuẩn cho phép QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TT Thứ tự BS Bổ sung EDTA Ethylendiamin Tetraacetic Acid DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hàm lượng KLN số loại đá Bảng 1.2 Các nguồn KLN đưa vào đất nông nghiệp Bảng 1.3 Các nguồn KLN từ số hoạt động sản xuất công nghiệp Bảng 1.4 Hàm lượng KLN đất số mỏ Anh Bảng 1.5 Hàm lượng Pb Cd đất rau muống số khu vực 14 Bảng 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu hấp thu KLN cỏ Mần trầu Lu lu đực 35 Bảng 2.2 Thí nghiệm ảnh hưởng thời gian đến khả tích lũy Cd, Pb, As cỏ Mần trầu Lu lu đực 38 Bảng 2.3 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng pH đến tích lũy Cd, Pb, As cỏ Mần trầu Lu lu đực 38 Bảng 2.4 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng phân bón đến tích lũy Cd, Pb, As cỏ Mần trầu Lu lu đực 39 Bảng 2.5 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng EDTA đến tích lũy Cd, Pb, As cỏ Mần trầu Lu lu đực 40 Bảng 2.6 Phương pháp xác định tiêu đất theo TCVN 42 Bảng 3.1 Năng suất số loại rau trồng Thái Nguyên vùng phụ cận 45 Bảng 3.2 Hiện trạng sử dụng thuốc BVTV cho số loại rau nghiên cứu 45 Bảng 3.3 Tình hình sử dụng phân bón cho số loại rau nghiên cứu .46 Bảng 3.4 Hàm lượng KLN tổng số mẫu nước tưới (đợt 1) 47 Bảng 3.5 Hàm lượng KLN tổng số mẫu nước tưới (đợt 2) 49 Bảng 3.6 Một số tính chất đất trồng rau Thái Nguyên 50 Bảng 3.7 Hàm lượng KLN tổng số đất trồng rau nghiên cứu 51 Bảng 3.8 Hàm lượng KLN rau Thái Nguyên 52 Bảng 3.9 Ảnh hưởng Cd đến sinh khối tích lũy Cd cỏ Mần trầu 54 Bảng 3.10: Ảnh hưởng Cd đến sinh khối tích lũy Cd Lu lu đực .55 Bảng 3.11 Ảnh hưởng Pb đến sinh khối tích lũy Pb Mần trầu 57 Bảng 3.12 Ảnh hưởng Pb đến sinh khối tích lũy Pb Lu lu đực 59 Bảng 3.13 Ảnh hưởng As đến sinh khối tích lũy As cỏ Mần trầu 61 Bảng 3.14 Ảnh hưởng As đến sinh khối tích lũy As Lu lu đực 62 Bảng 3.15 Khả sinh trưởng theo thời gian gây nhiễm Cd 65 Bảng 3.16 Khả tích lũy Cd theo thời gian 66 Bảng 3.17 Khả sinh trưởng gây nhiễm Pb 68 Bảng 3.18 Khả tích lũy Pb theo thời gian 69 Bảng 3.19 Khả sinh trưởng gây nhiễm As 71 Bảng 3.20 Khả tích lũy As theo thời gian 72 Bảng 3.21 Ảnh hưởng pH đến sinh trưởng đất ô nhiễm Cd .74 Bảng 3.22 Ảnh hưởng pH đến khả tích lũy Cd 75 Bảng 3.23 Ảnh hưởng pH đến sinh trưởng đất ô nhiễm Pb .76 Bảng 3.24 Ảnh hưởng pH đến khả tích lũy Pb 78 Bảng 3.25 Ảnh hưởng pH đến khả sinh trưởng 79 Bảng 3.26 Ảnh hưởng pH đến khả tích lũy As 80 Bảng 3.27 Ảnh hưởng phân bón đến khả sinh trưởng .81 Bảng 3.28 Ảnh hưởng phân bón đến khả tích lũy Cd 83 Bảng 3.29 Ảnh hưởng phân bón đến khả sinh trưởng .84 Bảng 3.30 Khả tích lũy Pb cỏ Mần trầu lu lu đực 86 Bảng 3.31 Ảnh hưởng phân bón đến khả sinh trưởng 87 Bảng 3.32 Sinh khối khả tích lũy As cỏ Mần trầu Lu lu đực 88 Bảng 3.33 Ảnh hưởng EDTA đến khả sinh trưởng 90 Bảng 3.34 Khả tích lũy Cd cỏ Mần trầu Lu lu đực 92 Bảng 3.35 Khả tích lũy Pb cỏ Mần trầu Lu lu đực 95 Bảng 3.36 Khả tích lũy As cỏ Mần trầu Lu lu đực 96 Bảng 3.37 Một số tính chất đất mơ hình trồng 99 Bảng 3.38 Khả sinh trưởng phát triển Lu lu đực 99 Bảng 3.39 Sinh khối khô lu lu đực 100 Bảng 3.40 Khả hấp thu KLN Lu lu đực mơ hình 100 Bảng 3.41 Khả sinh trưởng phát triển cỏ Mần trầu 101 Bảng 3.42 Sinh khối khô cỏ Mần trầu 102 Bảng 3.43 Khả hấp thu KLN cỏ Mần trầu mơ hình 103 36 Đông Cao - Phổ Yên 37 Đông Cao - Phổ Yên 38 Đông Cao - Phổ Yên 39 Đông Cao - Phổ Yên Phụ lục 4: Thông tin địa điểm lấy mẫu rau nghiên cứu TT 10 11 12 13 14 15 16 17 Khu vực lấy mẫu Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Túc Duyên - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên Quang Vinh - Thái Nguyên 18 Quang Vinh - Thái Nguyên 19 Quang Vinh - Thái Nguyên 20 Đồng Bẩm - Đồng Hỷ 21 Đồng Bẩm - Đồng Hỷ 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Đồng Bẩm - Đồng Hỷ Đồng Bẩm - Đồng Hỷ Đồng Bẩm - Đồng Hỷ Huống Thượng - Đồng Hỷ Huống Thượng - Đồng Hỷ Huống Thượng - Đồng Hỷ Huống Thượng - Đồng Hỷ Huống Thượng - Đồng Hỷ Tiên Phong - Phổ Yên Tiên Phong - Phổ Yên Tiên Phong - Phổ Yên Tiên Phong - Phổ Yên Tiên Phong - Phổ Yên 35 36 37 38 39 Đông Cao - Phổ Yên Đông Cao - Phổ Yên Đông Cao - Phổ Yên Đông Cao - Phổ Yên Đông Cao - Phổ Yên Phụ lục Hàm lượng KLN tổng số đất vùng trồng rau thành phố Thái Nguyên phụ cận Khu vực Phường Túc Duyên Phường Quang Vinh TT Đồng BẩmĐồng Hỷ Huống ThượngĐồng Hỷ Tiên PhongPhổ Yên Đông Cao– Phổ n Trung bình QCVN 03-MT:2015/BTNMT Phụ lục 6: Thơng tin mẫu phiếu điều tra KHẢO SÁT NÔNG HỘ VỀ THỰC TRẠNG SẢN XUẤT VÀ MÔI TRƯỜNG VÙNG CHUYÊN CANH RAU TẠI THÁI NGUYÊN Số phiếu Tên người v …………………… A THÔNG TIN CHUNG Địa điểm điều tra: Xã/phường ………Huyện: …………… Tỉnh: ………….…… Người cung cấp thông tin: - Họ tên: ………………………Nghề nghiệp: - Tuổi: …………………………………Trình độ học vấn:….………………….…… - Dân tộc: ….….……………………… Tơn giáo: …………………………… - Tổng số nhân gia đình: …………………, đó: + Số nhân nam: …………… + Số nhân.-60 với nam, từ 18-55 với nữ): - Số lao động thường xuyên tham gia sản xuất:……………………….….…………… C ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT RAU Đất sản xuất nơng nghiệp: ……………………………………………………m Trong đó: - Diện tích đất chuyên lúa: ……………………………….……………….………m - Diện tích đất vụ lúa - vụ rau màu: …………………………….…………….m - Diện tích chuyên canh rau:……………………………….…………… …… …m Tình hình sản xuất rau gia đình: Tình hình sử dụng PHÂN CHUỒNG vụ (đợt trồng): Loại rau (5 loại rau chính) Tình hình sử dụng phân ĐẠM (N) vụ (đợt trồng): Tình hình sử dụng phân KALI vụ (đợt trồng): Tình hình sử dụng phân LÂN vụ (đợt trồng): Loại rau (5 loại rau chính) Tình hình sử dụng thuốc trừ cỏ gia đình Loại rau (5 loại rau chính) Tình hình sử dụng thuốc trừ sâu, bệnh gia đình Loại rau (5 loại rau chính) Tình hình sử dụng phân bón gia đình 10 Thời điểm phun thuốc BVTV Phun đầu vụ (lúc chuẩn bị đất để trồng) Phun theo định kỳ Phun thấy xuất dịch hại (cỏ, sâu…) 11 Nguồn nước tưới rau lấy từ: 1.Nước sông 2.Nước giếng khoan 12 Tiêu chuẩn áp dụng cho sản phẩm Khơng 13 Gia đình cần hỗ trợ để sản xuất rau phát triển theo hướng chuyên canh Kiểm tra phân tích chứng nhận chất lượng Hỗ trợ cho việc bảo quản sản phẩm Lập mơ hình mẫu Hỗ trợ vật tư đầu vào Khác Người điều tra Đại diện hộ gia đình Phụ lục 7: Một số hình ảnh trình thực luận án Hình 1: Các hình ảnh lấy mẫu đât, mẫu nước, mẫu rau thực địa Hình 2: Các hình ảnh bố trí thí nghiệm nhà lưới Hình 3: Các hình ảnh trồng mơ hình ... PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Ô NHIỄM MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (As, Cd, Pb) TRONG ĐẤT VÙNG TRỒNG RAU THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN VÀ PHỤ CẬN BẰNG THỰC VẬT Chuyên ngành: Môi trường... đất rau số vùng chuyên canh rau thành phố Thái Nguyên phụ cận 44 3.1.1 Thực trạng sản xuất rau thành phố Thái Nguyên vùng phụ cận .44 3.1.2 Thực trạng nước tưới cho rau thành phố Thái Nguyên vùng. .. đất rau số vùng chuyên canh rau thành phố Thái Nguyên phụ cận - Thực trạng sản xuất rau thành phố Thái Nguyên vùng phụ cận 31 - Đánh giá ô nhiễm KLN (As, Cd, Pb) nước tưới cho rau thành phố Thái