1.2 .Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trường đất
1.2.3 .Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất
1.3. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ (PhytOC) trong môi trường
trƣờng
Trên thế giới đã có rất nhiều các cơng trình khoa học đã đề cập và minh chứng về mối quan hệ giữa lượng bổ sung phytolith từ thực vật vào đất và sự tăng lên của cacbon hữu cơ trong đất. Cấu trúc phytolith có thể được hình dung như một “thể nhúng” trong các mô hữu cơ của cây, bị bao quanh bởi chất hữu cơ và cũng có thể bọc một lượng chất hữu cơ nhất định (Parr và Sullivan, 2005).
Vai trò của phytolith đối với thể hỗn hợp “phytolith – chất hữu cơ” và khả năng tích lũy cacbon hữu cơ trong đất được củng cố dựa trên những luận cứ: 1) Trong cấu trúc của phytolith có chứa một lượng đáng kể chất hữu cơ; 2) Chất hữu cơ trong phytolith được bảo vệ chống lại q trình khống hóa hay phân hủy bởi các vi sinh vật; 3) Phytolith có thể tồn tại trong đất đến vài trăm năm, thậm chí hàng nghìn năm (Santos và nnk, 2016).
Si tạo thành phần chính của phytolith (66 đến 98%), chứa ít nhất 20 đến 30 nguyên tố khác nhau trong silica và chất hữu cơ bị mắc kẹt trong cấu trúc của phytolith (Hodson, 2016; Kameník và nnk, 2013). Hàm lượng OC của phytolith nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10%, nhưng thường xảy ra trong khoảng 0,2 - 5,8% (Parr và Sullivan, 2005; Parr và nnk, 2010; Santos và nnk, 2010). Hàm lượng N, P,
Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn và Ti của phytolith dao động từ 0,1 đến 5,6% (Jones và Milne, 1963; Song và nnk, 2016). Tuy nhiên, các nguyên tố như Al, Fe, K, Ca và Mg có thể đóng góp tới 9% phytolith trong rơm lúa (Rashid và nnk, 2019).
Các ion Si4+ là các hạt nhân liên kết và nhờ chuỗi các phản ứng polyme hoá để phát triển cấu trúc của phytolith. Trong q trình kết tủa, các màng Si có thể bao bọc các lipit, protein hay cacbonhydrat. Lượng chất hữu cơ bị phytolith hấp phụ và tích luỹ trong đất có thể lên đến 5% và chúng được gọi chung là phytOC (phytolith- occluded carbon) (Dove, 1999). Ngay cả khi phytolith được đưa trở lại môi trường đất, những hợp chất PhytOC này vẫn có thể được bảo quản trong một thời gian rất dài chống lại sự phân huỷ bởi các vi sinh vật nhờ các màng Si vững chắc (Parr và Sullivan, 2005; Ma và Yamaji, 2006). Nghiên cứu của Van der Worm (1980) đã chứng minh khả năng giữ chất hữu cơ của phytolith là rất có ý nghĩa với thực trạng tác động của hiệu ứng nhà kính ngày càng gia tăng như hiện nay. Nghiên cứu mô phỏng này dựa trên các điều kiện biên: 1) tỷ lệ phân huỷ PhytOC là 20% 100 năm; 2) cây trồng được phát triển liên tục. Mơ hình thí nghiệm được bố trí trên nền đất “trưởng thành”.
Hình 7: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau (Van der Worm, 1980) (Van der Worm, 1980)
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: q trình tích luỹ C trong tự nhiên tương đối chậm, đạt ≈ 25 kg/m2 sau khoảng 20.000 năm. Quá trình này tăng lên khi thực vật
canh tác là kê (≈ 38 kg/m2) và lên tới ≈ 110 kg/m2 khi canh tác các lồi siêu tích luỹ Si như mía. Như vậy, các lồi siêu tích luỹ như mía có thể giúp cố định C trong đất gấp ≈ 4,4 lần quá trình tự nhiên.
Các yếu tố quyết định đến sự hoà tan của phytolith và phytOC: Khi thực vật chết đi hoặc kết thúc một chu trình sinh học và theo quy luật của tự nhiên thì sinh khối của chúng sẽ được hồn trả lại cho đất, lúc này hàm lượng cacbon hữu cơ có trong cấu trúc của phytolith sẽ được đưa vào đất cùng với sinh khối và sẽ được các tập đoàn vi sinh vật tiếp nhận để làm thức ăn, cũng đồng thời quá trình phân huỷ cacbon hữu cơ trong đất được xảy ra. Quá trình phân huỷ này nhằm cung cấp chất dinh dưỡng cho đất cũng như đảm bảo cân bằng cacbon trên trái đất được duy trì. Đồng thời, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ làm “thể nhúng” phytolith được giải phóng ra mơi trường đất. Khi phytolith tiếp xúc với mơi trường (dịch lỏng) sẽ bị hịa tan để giải phóng các chất chứa trong cấu trúc của nó, trong đó có một phần là cacbon hữu cơ (phytOC).
Tốc độ hòa tan của phytolith phụ thuộc vào bản chất của chính phytolith (thành phần hóa học, cấu trúc, mức độ già hóa – aging) và phụ thuộc vào mơi trường xung quanh (các tính chất lý hóa học đất). Một số nghiên cứu gần đây đã đề cập đến ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học, đặc biệt là Al, trong cấu trúc phytolith đến mức độ bền vững của phytolith (Nguyen và nnk, 2014). Tuy nhiên, vai trị của các liên kết hóa học (ví dụ Si-O-Al) đối với độ bền của phytolith vẫn còn là một ẩn số. Trong môi trường đất, các yếu tố pH, độ dẫn (EC), thành phần cơ giới, dung trọng, tổng cacbon hữu cơ, các oxit Fe, Al là những yếu tố quan trọng nhất tác động đến sự hòa tan phytolith. Khi pH tăng, sự tăng cường của OH- trong dung dịch đất sẽ thúc đẩy các phản ứng ái hạt nhân (nucleophilic), trong đó OH-
có xu hướng tạo liên kết thứ 5, làm suy yếu và tạo điều kiện cho quá trình bẻ gãy các liên kết Si- O trong tứ diện SiO4 (đơn vị cơ sở thành tạo nên phytolith). Vì thế, pH tăng sẽ làm phytolith hịa tan nhanh hơn (Fraysse và nnk, 2009; Nguyen và nnk, 2014). Ngược lại, khi pH giảm, proton H+ sẽ liên kết với các nhóm Si-O trên bề mặt phytolith để tạo thành các nhóm Si-OH, SiOH2(+)
hơn trong mơi trường có pH thấp. EC biểu diễn lượng muối tan trong đất và cũng có những tác động nhất định đối với q trình hịa tan phytolith. Khi EC cao (nhiều muối tan), bề mặt phytolith được “gia cố” bởi các cation hấp phụ, và các cation này sẽ cản trở OH-
tấn công vào nhân Si của các tứ diện SiO4, nhờ vậy có thể giảm độ
tan của phytolith (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2014). Thành phần cơ giới và dung trọng thể hiện độ rỗng của đất và có thể ảnh hưởng gián tiếp đến sự mất đi của phytolith do di chuyển (rửa trôi) trong đất. Các oxit Fe-Al là những keo dương trong điều kiện đất có phản ứng axit, và đây là những keo có điện tích trái dấu với phytolith. Do vậy, liên kết tĩnh điện trái dấu có thể xảy ra và ảnh hưởng đến sự di chuyển cũng như sự hòa tan của phytolith. Vì vậy, sự hịa tan phytolith diễn ra càng nhanh thì phytOC giải phóng (bị phân hủy hoặc hịa tan) càng lớn. Ngược lại, nếu phytolith được bảo vệ và ít bị hịa tan, lượng phytOC sẽ ít bị mất đi và do đó giúp duy trì bồn cacbon hữu cơ trong đất.