hạt 0,002 – 0,05 mm sẽ bao gồm cả limon và phytolith. Tuy nhiên, phytolith có cấu trúc vi xốp và lưới điện tích âm bề mặt lớn với có nhiều nhóm hoạt động bề mặt trong khi limon lại là vật liệu trơ hình thành do phong hoá cơ học trong quá trình hình thành đất. Như vậy, không chỉ có cấp hạt sét mà trong các phương pháp phân tách thành phần cơ giới hiện tại, cấp hạt limon cũng trở nên có hoạt tính nhờ sự có mặt của phytolith. Bên cạnh đó, quá trình tích luỹ phytolith trong đất sẽ gián tiếp làm tỷ lệ cấp hạt 0,002 – 0,05 mm gia tăng. Tại khu vực nghiên cứu, phytolith trong rơm rạ có đường kính ~20 µm và chiếm lần lượt 0,82; 0,87; 1,28 và 1,73% trong cấp hạt 0,002 – 0,05 mm ở các tầng 0 – 25 cm; 25 – 50 cm; 50 – 75 cm và 75 – 100 cm.
Tỷ trọng của phytolith đạt ~2,3 g/cm3 (Piperno, 2006) và nhỏ hơn các cấp hạt khác trong đất (tỷ trọng của sét, limon và cát lần lượt là 2,83; 2,79 và 2,65 g/cm3, do vậy, sự tích luỹ phytolith trong đất có thể sẽ dẫn đến giảm tỷ trọng của đất. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa hàm lượng phytolith trong đất và tỷ trọng đất tại khu vực nghiên cứu lại không rõ ràng vì tỷ lệ của phytolith tương đối thấp so với các cấp hạt khác. Tầng đất có tỷ trọng lớn nhất tại 50 – 100 cm nơi có hàm lượng sét đạt cao nhất mặc dù đây cũng là đô sâu tích luỹ nhiều phytolith hơn so với tầng 0 - 50 cm.
- Dung tích trao đổi cation (CEC)
Phytolith với bề mặt âm điện sẽ có vai trò như một keo âm trong đất, do đó, mối quan hệ giữa CHC, hàm lượng khoáng sét và hàm lượng phytolith với CEC
được phân tích để đánh giá sự đóng góp của mỗi thành tố trên trong khả năng hấp phụ trao đổi cation của đất. Kết quảđược trình bày trong Hình 23.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, giá trị CEC trong đất nghiên cứu phụ thuộc chủ
yếu vào hàm lượng sét và phytolith biểu thị qua hệ số tương quan R² lần lượt đạt 0,79 và 0,76. Trong khi đó, giá trị này chỉ đạt 0,1 trong phép tương quan giữa hàm lượng CHC và CEC. Tuy có giá trị lớn hơn rất nhiều so với phytolith nhưng thành
phần khoáng sét chủ yếu trong mẫu nghiên cứu đều là những khoáng sét có CEC thấp, điều này cho thấy, sự có mặt của phytolith trong đất ảnh hưởng khá nhiều tới khả năng hấp phụ trao đổi cation của đất.
Hình 23. Tương quan giữa CHC, khoáng sét và phytolith với CEC của đất - Tương tác với hệ keo đất (keo sét)
Do có bề mặt mang điện tích, phytolith có thể biểu hiện đặc tính keo và tương tác với các thành phần keo khác trong đất. Với bản chất là một keo âm, nên giữa phytolith và các keo âm như keo mùn và keo sét sẽ tồn tại một lực đẩy làm tăng trạng thái phân tán của cả hệ keo trong đất. Các khoáng chất dinh dưỡng (hấp phụ bởi hệ keo) có khả năng bị mất đi một khi các phần tử keo ở trạng thái phân tán và bị cuốn trôi bởi dòng chảy bề mặt. Mặt khác, phytolith cũng có thể tạo ra ái lực liên kết với các keo dương (oxit sắt) và thúc đẩy sự tụ keo. Tuy nhiên, trong môi trường đất lúa thường xuyên ngập nước, tương tác của phytolith với các keo dương có thể ít bắt gặp do sự phá hủy của các oxit sắt, mangan trong điều kiện môi trường khử. Trên thực tế, hàm lượng phytolith trong đất nhỏ hơn rất nhiều so với cấp hạt sét, sự tương tác trực tiếp giữa hai cấu tử này cũng hạn chế. Do đó, ảnh hưởng của
phytolith tới sự phân tán của cấp hạt sét được cho là do anion SiO44- mang lại khi mà phần lớn anion này trong đất tạo ra do sự phân giải phytolith.
Sự ảnh hưởng của anion SiO44- lên đặc tính keo của khoáng sét trong dung dịch được tiến hành trong ống nghiệm với sự có mặt của anion SiO44-ở các nồng độ
khác nhau và ở các pH khác nhau. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm phân tán sét trong
ống nghiệm cho thấy với nồng độ SiO44- khác nhau thì có khả năng thúc đẩy phản
ứng tán keo với tốc độ khác nhau và nhìn chung khi nồng độ SiO44- tăng dần thì tốc
độ keo tụ giảm dần (Hình 24).
Hình 24. Ảnh hưởng của Si đến sự phân tán của khoáng sét tại các pH khác nhau Khi nồng độ anion SiO44- thay đổi thì quá trình phân tán của khoáng sét diễn ra mạnh mẽ có thể nhận biết được quá trình này thông qua giá trị của độ truyền qua (T%). Độ truyền qua lần lượt được xác định là: 94,10 – 32,70% với mẫu không bổ
sung Si; 94,10 – 5,54% với nồng độ Si 5 mg/l; 93,90 – 3,06% với nồng độ Si 10 mg/l; 94,66 – 2,30% với nồng độ Si 15 mg/l; 94,39 – 2,26% với nồng độ Si 20 mg/l và 92,53 – 2,57% với nồng độ Si 25 mg/l tương ứng với pH thay đổi từ 2 – 7.
Ngoài sự liên kết giữa anion SiO44- với điện tích dương trên bề mặt rìa của khoáng sét còn có sự liên kết giữa anion SiO44- với các nhóm -OH trên bề mặt oxit sắt liên kết với bề mặt cơ sở của khoáng sét, sự trao đổi giữa các phối tử này tạo ra cấu trúc phức nối đôi phức tạp hơn (Parr và Sullivan, 2005) (Hình 25). Các liên kết tạo ra khiến bề mặt của khoáng sét trở nên âm điện hơn và tương tác giữa các phân tử mang điện cùng dấu sẽ dẫn đến sự phân tán mạnh mẽ hơn của khoáng sét trong dung dịch.
Hình 25. Cơ chế tạo liên kết bề mặt của anion SiO44-
với các nhóm chức trên bề mặt khoáng sét
Trong thực tế tại khu vực nghiên cứu, pH đo được dao động trong khoảng 6 – 8 và hàm lượng Si dễ tiêu 6,5 - 13,8 mg/kg (tương đương 24,4 – 51,8 mg Si/l nếu lớp nước trên bề mặt ruộng đạt 10 cm), như vậy sự hoà tan của phytolith sẽ thúc đẩy quá trình tán keo của khoáng sét trong khu vực nghiên cứu (thể hiện qua độ truyền qua thấp tại khoảng giá trị pH 6 – 8 và nồng độ Si 5 – 20 mg/l, Hình 24). Điều này dẫn đến sự rửa trôi của khoáng sét cũng như gián tiếp giảm khả năng lưu giữ chất dinh dưỡng của đất.
3.3.2. Ảnh hưởng đến một số tính chất hoá học đất
3.3.2.1. Nguồn cung cấp dinh dưỡng khoáng cho cây trồng
Kết quả phân tích hàm lượng nguyên tố trong phytolith ho thấy Si và K là hai nguyên tố có hàm lượng cao nhất, đây cũng là hai nguyên tố quan trọng chi phối trực tiếp tới năng suất lúa. Với ~150 kg phytolith trong 1 tấn rơm rạ khi được bồi hoàn lại đất, lượng Si và K sẽ tương ứng 49,8 kg và 10,8 kg (lấy trung bình Si chiếm 33,2% và K chiếm 7,2% trong phytolith, Hình 21). Thực tế trong phẫu diện
đất nghiên cứu với hàm lượng phytolith tích luỹ 0,49% ở 25 cm đất tầng mặt, tính cho 1 ha với dung trọng trung bình là 1,5 g/cm3 với 3.750 tấn đất thì lượng Si và K mà phytolith lưu trữ lại sẽ tương ứng 6,1 tấn và 1,3 tấn. Trong khi đó, cây lúa hằng năm lấy đi 950 kg SiO2/ha (tương đương 443,3 kg Si/ha/năm) trong đó có 70% Si có nguồn gốc từ đất và 30% trong nước tưới (Imaizumi và Yoshida, 1958). Bên cạnh đó, theo Thomas Dierolf và nnk (2001), trung bình để đạt năng suất 4 tấn/ha/năm ở vùng Đông Nam Á cây lúa lấy đi 90 kg N; 13 kg P; 108 kg K. Như
vậy, lượng Si và K tích luỹ trong phytolith tại khu vực nghiên cứu cùng với lượng bổ sung theo sinh khối rơm rạ quay vòng lại đất hàng năm là hoàn toàn có tiềm năng cung cấp đủ cho sự phát triển của cây lúa.
Hình 26. Khả năng hoà tan của phytolith khi được xử lýở các nhiệt độ khác nhau Tuy nhiên, điều này phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng “hoà tan” của phytolith. Khi được đưa vào đất theo các phương thức khác nhau thì khả năng hoà tan phytolith và giải phóng các nguyên tố dinh dưỡng cũng hoàn toàn khác nhau. Trong trường hợp rơm rạđược vùi vào đất theo cách truyền thống, vỏ bọc hữu cơ sẽ
ngăn cản sự thuỷ phân của nước và kìm hãm quá trình hoà tan phytolith. Trong trường hợp lớp CHC này được phân huỷ bởi nhiệt trong quá trình đốt rơm rạ trên
đồng ruộng thì tuỳ thuộc vào nhiệt độ tạo ra từ quá trình đốt tạo ra mà lượng CHC còn lại nhiều hay ít và tính chất của phytolith cũng bị biến đổi theo. Khả năng hòa tan của phytolith trong những điều kiện như vậy được minh họa qua Hình 26.
Tại khoảng nhiệt từ 500 – 700oC, CHC bị oxy hoá mạnh để lộ ra lớp vỏ Si của phytolith, khiến lớp vỏ này bị thuỷ phân nhanh chóng nên hàm lượng Si, K giải phóng cũng là lớn nhất ~ 20,25 mg/l sau 24 giờ ngâm trong nước. Từ mức nhiệt độ
800 – 1000oC hàm lượng Si và K giải phóng giảm nhanh khi nhiệt độ xử lý cao do phytolith bị biến đổi và chuyển hóa thành các dạng oxit silic bền vững khiến bề mặt phytolith trở nên trơ hơn. Như vậy nhiệt độ tạo ra do đốt rơm rạ nếu đạt ~600oC sẽ
tạo ra phytolith có khả năng “trả lại” các chất dinh dưỡng vào đất là lớn nhất.
Phương thức đưa phytolith vào đất không chỉ ảnh hưởng tới khả năng mà còn ảnh hưởng tới tốc độ giải phóng các nguyên tố dinh dưỡng từ phytolith (Hình 27).
Hình 27. Cường độ giải phóng Si và K từ phytolith
Sau 7 ngày, nồng độ Si, K giải phóng từ các mẫu xử lý ở 400oC, 800oC tương ứng là 48,91; 36,97 mg Si/l và 7,04; 12,22 mg K/l. Phytolith tạo ra ở nhiệt độ
800oC có lượng Si giải phóng sau 7 ngày tương ứng khoảng 75% so với mẫu ở
400oC, trong khi đó lượng K giải phóng của mẫu 400oC tương ứng khoảng 58% so với mẫu xử lýở 800oC. Sau 7 ngày nồng độ Si, K hòa tan của mẫu xử lý tại 400oC có xu hướng chuyển sang trạng thái bão hòa, từ ngày thứ 6 lượng Si hòa tan tăng không đáng kể. Trái ngược xu hướng trên, mẫu 800oC, lượng Si, K tiếp tục được giải phóng và chưa có xu hướng đạt trạng thái bão hòa.
Như vậy, phytolith được tạo ra ở nhiệt độ đốt rơm rạ thấp hơn có xu hướng phân giải nhanh và tạo ra nhiều Si, K hơn so với những mẫu đốt ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ đốt rơm rạ thường không cao hơn 500oC, do đó phytolith được đưa vào đất có khả năng hoà tan rất cao. Trong đất nhiệt đới nói chung và tại khu vực nghiên cứu nói riêng, thành phần khoáng sét illit và kaolinit chiếm ưu thế dẫn đến hàm lượng K dễ tiêu trong đất thấp. Phytolith tích luỹ trong đất lúc này trở thành nguồn cung cấp K dễ tiêu cũng như tham gia điều tiết hàm lượng K và Si hoà tan phục vụ
nhu cầu của cây trồng.
3.3.2.1. Cân bằng và giải phóng nguyên tố dinh dưỡng trong đất
Si hoà tan trong đất là chỉ tiêu quan trọng cho phép đánh giá khả năng cung cấp dinh dưỡng Si cho cây trồng của đất. Hiện nay, phương pháp phổ biến và được cho là tốt nhất để chiết rút dạng Si này ra khỏi đất là sử dụng dung dịch chiết CaCl2
0,01M (Camargo và nnk, 2007). Hàm lượng Si hoà tan chiết rút bằng CaCl2 0,01M (Si-CaCl2) trung bình trong 100 cm phẫu diện tại khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng 6,5 - 13,8 mg/kg và đạt cao nhất tại độ sâu 50 – 75 cm (Hình 28).
Nếu lớp nước trên bề mặt ruộng đạt 10 cm và lượng Si hoà tan trong đất phân bố đều trong lớp nước này thì giá trị Si hoà tan trong nước sẽđạt 24,4 – 51,8 mg Si/l. Tuy nhiên, giá trị Si hoà tan trong đất tại khu vực nghiên cứu còn tương đối thấp so với nhu cầu Si hoà tan cần cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa nước (≥ 40 mg Si/kg, Barbosa-Filho và nnk năm 2001). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, hàm lượng Si-CaCl2 trong các tầng đất có quy luật biến đổi theo đúng quy luật phân bố của phytoltith trong đất (Hình 28). Tương quan tỷ lệ thuận giữa hàm lượng phytolith và Si-CaCl2 tương đối chặt chẽ, thể hiện qua hệ số hồi quy R2 đạt 0,98 trong khi tương quan này chỉ đạt 0,70 giữa Si-CaCl2 và Si tổng số trong đất (Hình 29).
Nói các khác, hàm lượng Si dễ tiêu trong đất bị chi phối hoàn toàn bởi sự có mặt của phytolith. Kết quả này tương đồng với kết quả đã công bố của Bartoli (1985), khi các nghiên cứu này cho rằng 85% và 74% lượng Si hoà tan trong đất có nguồn gốc từ sự tan rã của phytolith. Mặt khác, khi so sánh khả năng hoà tan của phytolith và khoáng silicat trong đất, Fraysse và nnk (2009) kết luận rằng, phytolith có khả năng hoà tan giải phóng Si cao gấp 10.000 lần so với khoáng smectit, kaolinit và illit trong khoảng pH 6 – 8. Đây cũng là ba loại khoáng chính cũng như
khoảng pH đo được tại khu vực nghiên cứu.
Ngoài Si, phytolith khi hoà tan còn giải phóng các nguyên tố khác như K, Na, Ca, Mg, Cl, S, P … (kết quả chi tiết trong Bảng 5, mục 3.2.5). Với ~150 kg phytolith / 1 tấn rơm rạ khi hoà tan sẽđưa vào đất tương ứng 75,8; 78,2; 33,1; 27,0; 3,0; 0,5 và 2,1 g các ion hoà tan Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, PO43- và SO42-. Trong tầng 0 – 25 cm của phẫu diện nghiên cứu, với 0,49% lượng phytolith tích luỹ, lượng ion hoà tan này sẽ tương ứng là 9,28; 9,57; 4,04; 3,31; 0,37; 0,06 và 0,25 kg (3.750 tấn đất / 1 ha có độ s`âu 25 cm với dung trọng trung bình 1,5 g/cm3). Điều này có
ảnh hưởng lớn tới tổng lượng ion hoà tan cũng nhưđộ dẫn (EC) của đất.
Hình 30. Tương quan giữa hàm lượng phytolith và tổng lượng Ca, Mg trao đổi trong đất
Trong 7 ion kể trên, Ca và Mg không chỉ là nguyên tố trung lượng cần thiết cho cây trồng mà còn đóng vai trò tăng cường cấu trúc cho đất vì thế hàm lượng hoà tan của hai nguyên tố này trong đất hết sức được quan tâm. Trong mẫu đất nghiên cứu, tổng hàm lượng Ca và Mg có mối quan hệ tỷ lệ thuận với hàm lượng phytolith biểu thị qua giá trị hồi quy tương quan R2 = 0,8 (Hình 30).
Như vậy, qua các phép phân tích mối tương quan giữa hàm lượng phytolith và các nguyên tố hoà tan trong đất có thể rút ra nhận xét như sau: Sự có mặt của phytolith trong đất không chỉ đóng vai trò như kho dự trữ chất dinh dưỡng (Si, K, Ca, Mg) mà phytolith còn tham gia vào việc điều tiết các nguyên tố dinh dưỡng này thông qua quá trình hoà tan, phân giã dưới các điều kiện môi trường. Tuy nhiên, phytolith cũng như các hợp phần khác trong đất luôn đặt trong mối tương tác qua lại lẫn nhau, do đó cần có thêm những thí nghiệm trên thực tế đồng ruộng với hàm lượng phytolith được bổ sung ở mức độ khác nhau để đánh giá chi tiết hơn về ảnh hưởng của sự có mặt phytolith tới các tính chất của đất.
KẾT LUẬN
Ngoài những thông tin về một số tính chất đất cơ bản tại khu vực nghiên cứu tại xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội, kết quả nghiên cứu của luận văn cung cấp những thông tin chi tiết vềđặc điểm chung của phytolith trong rơm rạ
như thành phần hoá học; đặc điểm hình thái; cấu trúc, đặc điểm khoáng vật học và
đặc điểm hoá học bề mặt của chúng. Luận văn cũng xác định được hàm lượng cũng như sự phân bố của phytolith theo các tầng sâu phẫu diện tại xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội. Cụ thể: Hàm lượng phytolith trong đất tại khu vực