3.1. Đặc điểm của khu vực nghiên cứu
Hoạt động canh tác ở các địa điểm nghiên cứu là rất đa dạng với nhiều loại cây trồng và nhiều mùa vụ, tuy nhiên, hoạt động chủ yếu vẫn là canh tác lúa với 2 vụ thu hoạch trong năm (thông tin chi tiết được đề cập trong Bảng 2).
STT Địa điểm Hoạt động canh tác Loại đất
1 Quế Võ, Bắc Ninh Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa chua
2 Kim Bảng, Hà Nam Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
3 Phủ Lý, Hà Nam Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
4 Kim Bảng, Hà Nam Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
5 Chuyên Ngọai, Hà Nam Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
6 Ứng Hòa, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
7 Thanh Trì, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
8 Chương Mỹ, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
9 Chương Mỹ, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
10 Chương Mỹ, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 11 Mỹ Đức, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
12 Đông Anh, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám có tầng loang lổ 13 Ba Vì, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 14 Thường Tín, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
15 Thanh Trì, Hà Nội Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
16 Ninh Giang, Hải Dương Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa chua
STT Địa điểm Hoạt động canh tác Loại đất
18 Vĩnh Bảo, Hải Phòng 1 vụ lúa,
1 vụ màu Đất phù sa glay
19 Dương Kinh, Hải Phòng Chuyên lúa, 2 vụ Đất phèn hoạt động
20 An Dương, Hải Phòng Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
21 Ân Thi, Hưng Yên Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
22 Ân Thi, Hưng Yên Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
23 Mỹ Hào, Hưng Yên Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
24 Văn Lâm, Hưng Yên Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
25 Văn Lâm, Hưng Yên Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
26 Hoa Lư, Ninh Bình Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
27 Thanh Thủy, Phú Thọ Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 28 Tam Nông, Phú Thọ Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 29 Trường Thịnh, Phú Thọ Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit
30 Quảng Yên, Quảng Ninh 1- Chuyên ngô, 2- Chuyên lúa
Đất mặn nhiều
31 Quảng Yên, Quảng Ninh Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 32 Đức Chính, Quảng Ninh Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 33 Tiền Hải, Thái Bình Chuyên lúa, 2 vụ Đất mặn trung bình
34 Cồn Vành, Thái Bình Chuyên lúa, 2 vụ Đất mặn trung bình
35 Tiền Hải, Thái Bình Chuyên lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
36 Đơng Hưng, Thái Bình Chun lúa, 2 vụ Đất phù sa glay
STT Địa điểm Hoạt động canh tác Loại đất
38 Lập Thạch, Vĩnh Phúc Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit 39 Tam Đảo, Vĩnh Phúc Chuyên lúa, 2 vụ Đất xám feralit
Vụ xuân thường diễn ra vào giữa tháng 1 và kết thúc vào cuối tháng 5, vụ mùa bắt đầu từ đầu tháng 7 và kết thúc vào giữa tháng 10. Khu vực nghiên cứu thường được để không 2 lần trong năm (trong tháng 5 và giai đoạn từ tháng 10 đến hết tháng 12); một số vùng có đặc thù riêng với việc trồng thêm ngũ cốc (như ngô, lạc, đậu tương…) hoặc luân phiên canh tác một vụ ngũ cốc rồi đến một vụ lúa trong năm. Hầu hết các điểm trong khu vực nghiên cứu đều có điều kiện tưới tiêu thuận lợi. Tuy nhiên, vẫn có một số vùng cịn có điều kiện hạn chế và người dân tại các vùng này phải sử dụng các phương pháp thủy lợi để đưa nước vào các cánh đồng trước khi mùa vụ mới bắt đầu.
Sử dụng và quản lý phụ phẩm nơng nghiệp sau thu hoạch cũng có sự khác nhau giữa các vùng trong khu vực nghiên cứu. Thơng thường, rơm rạ được hồn trả lại đất sau mỗi mùa thu hoạch theo các hình thức khác nhau như: theo hình thức chôn lấp trực tiếp thông qua việc cày bừa (thường là vào vụ đông xuân), hoặc rơm rạ được phơi khô tại ruộng sau thu hoạch được đốt và rải trên cánh đồng. Tuy nhiên, tại một số vùng, rơm rạ được đưa ra khỏi đồng ruộng sau khi thu hoạch, do điều kiện thủy văn khơng được thuận lợi, hoặc có thể do việc nơng dân sử dụng rơm rạ đó cho các mục đích khác nhau như đun nấu, chăn ni, sử dụng làm phân bón,….
3.2. Đặc điểm của phytolith trong cây lúa
3.2.1. Hình thái và cấu trúc của phytolith trong cây lúa
Do được hình thành trong các mơ cây nên phytolith có hình dạng tương tự như các khoảng hổng trong các mô bào của cây ( Parr và Sullivan, 2005; Nguyen và nnk, 2014). Rashid và nnk (2019) chỉ ra rằng, hình thái và kích thước của phytolith đặc trưng cho từng tế bào chủ (thực vật). Nó phụ thuộc vào vị trí lắng đọng của phytolih trong các loại tế bào và phụ thuộc vào tuổi của cây. Vì vậy, việc xác định được vị trí lắng đọng của phytolith sẽ khẳng định được nguồn gốc của
thực vật hình thành nên cấu trúc phytolith đó. Ví dụ, phytolith trong cỏ hoặc cây cói, phần lớn khư trú ngay bên dưới lớp biểu bì; trong các thực vật thuộc họ cau dừa, cây chuối được giữ lại trong các bó mạch.
Dựa vào hình ảnh chụp cắt lớp siêu hiển vi tích hợp phần mềm YaDiY (Hình 9), cấu trúc phytolith trong thân và lá lúa của mẫu rơm rạ trong khu vực nghiên cứu đã được tái hiện lại rất rõ ràng. Cấu trúc xốp rỗng trong cấu tạo của cây có các lỗ, khoảng hổng khác nhau về kích thước và có hình thù như các bó mạch dạng sợi trong thân cây. Phần khung xương của phytolith, được biểu thị bằng màu xanh, chính là phần cacbon và phần Si được biểu thị bằng màu tím.
So sánh giữa hình ảnh chụp cắt lớp giữa các bộ phận khác nhau trong cây lúa, nhận thấy rằng sự phân bố Si trong phytolith ở mẫu thân lúa và lá lúa đều có mật độ dày đặc, được xen kẽ tương đối đồng đều với phần cacbon và kết quả là một khơng gian kín được hình thành. Trong cấu trúc của phytolith ở lá lúa (Hình 9a), tỷ lệ giữa Si và cacbon có xu hướng được phân chia đồng đều hơn so với t ỷ lệ giữa Si và cacbon trong cấu trúc của phytolith ở thân cây lúa (cacbon chiếm ưu thế hơn Si) (Hình 9b); C chiếm phần lớn trong cả thân và lá. Sự khác biệt về phân bố phytolith và cacbon ở các bộ phận khác nhau của cây liên quan đến mức độ dồi dào Si4+ khác nhau (quyết định bởi lượng cung cấp qua quá trình vận chuyển trong mạch dẫn hoặc q trình cơ đặc do bay hơi). Do ion Si4+ được dẫn truyền trong các hệ thống mạch gỗ, mạch rây, thẩm thấu để đi đến các khoảng gian bào, gắn lên vách tế bào, trải qua q trình tạo nhân, polyme hóa để từng bước phát triển thành phytolith. Quá trình kết tủa Si4+ theo cơ chế thụ động (nồng độ tăng lên) do đó có thể thành tạo ở các vị trí khác nhau trong cây. Vì vậy, lá cây sẽ là phần cơ quan hiện diện rõ nhất về cấu trúc phytolith và trật tự Si – C cấu trúc phytolith hay nói theo một cách khác, đây cũng là hình ảnh hiện diện mở đầu khẳng định về phytOC trong cây lúa.
Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hình thành phytolith trong thực vật nói chung và việc tìm thấy phytolith trong cây lúa nói riêng.
Hình 9: Cấu trúc khung xương silic (phytolith) trong lá lúa (a) và trong mặt cắt ngang thân cây lúa (b) tái hiện từ dữ liệu chụp cắt lớp siêu hiển vi. (b)
(a)
Si
3.2.2. Thành phần hóa học của phytolith trong cây lúa
Kết quả từ hình ảnh chụp phytolith trong tro rơm rạ được được tìm thấy có hình quả tạ đối xứng (Hình 10a) đây cũng là hình thái đặc trưng cho phytolith tách từ rơm rạ và là đặc điểm chỉ thị cho sự có mặt của nền văn minh lúa nước trong các di chỉ khảo cổ.
Hình ảnh phân tích EDX từ tro đốt rơm rạ cho thấy sự hiện diện của các nguyên tố như C, O, Si, Ca, K, Mg, Mn, Al… như những thành phần cơ bản để cấu tạo nên phytolith trong cây (Hình 10b). Hàm lượng của các nguyên tố này trong phytolith có thể biến động tùy theo việc rơm rạ được xử lý theo cách thức nào (đốt, vùi). Nghiên cứu tổng hợp của nhóm tác giả Rashid và nnk, 2019, cũng chỉ ra rằng Si là phần chính của phytolith, và được giữ lại bởi phần chất hữu cơ. Hàm lượng cacbon hữu cơ của phytolith nằm trong khoảng từ 0,1 đến 10%, nhưng thường dao dộng trong khoảng 0,2 đến 5,8%. Hàm lượng N, P, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn và Ti của phytolith dao động từ 0,1 đến 5,6% . Các nguyên tố như Al, Fe, K, Ca và Mg có thể đóng góp tới 9% phytolith trong tro lúa.
Hình 10: Hình ảnh phytolith trong tro rơm rạ được chụp qua kính hiển vi (a) và Phổ EDX của mẫu phytolith trong tro đốt rơm rạ (b).
Mặc dù phytolith được cấu thành chủ yếu từ O và Si, tuy nhiên trong cấu trúc của phytolith cũng có thể chứa rất nhiều các nguyên tố hóa học khác nhau và có liên quan đến sự hút thu của cây lúa. Các nguyên tố được hút thu, khu trú ở những bộ phận nhất định của cây có thể bị “nhốt” vào cấu trúc phytolith trong quá trình kết tủa Si. Sau khi thu hoạch rơm rạ được hoàn trả lại đồng ruộng, phytolith sẽ được giải phóng và tích lũy trong đất.
Thông thường, rơm rạ sau khi thu hoạch có thể được đốt hoặc trộn ủ với phân chuồng và bón trả lại đồng ruộng. Cùng với một số khoáng chất như P, K, Ca, Mg… cịn có một lượng đáng kể phytolith được quay vòng trả lại cho đất. Tuy nhiên, mỗi một quy trình xử lý có thể có những tác động nhất định đến “hoạt tính” của phytolith cũng như “hành vi” của chúng khi được đưa trở lại môi trường đất. Sự bẻ gãy, phá vỡ các vách Si trong q trình đốt cũng có thể tạo ra số lượng nhóm Si- OH nhiều hơn trên bề mặt của phytolith (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2014). Nhờ đó mà khả năng hấp phụ và trao đổi của phytolith có thể được cải thiện. Q trình đốt cháy rơm rạ thường ảnh hưởng đặc biệt đến khả năng hòa tan của phytolith. Bởi, về cơ bản, khi đốt cháy rơm rạ sẽ loại bỏ một lượng nhất định nước và chất hữu cơ. Sự mất nước diễn ra ở khoảng 300oC trong khi đó chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ khoảng 400o
C. Kết quả này dựa trên phân tích nhiệt vi sai với mẫu rơm rạ trong khu vực nghiên cứu, và là minh chứng cho sự ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt đến khả năng hòa tan của phytolith trong mơi trường (Hình 11).
Hình 11: Biểu đồ phân tích nhiệt sai đối với mẫu rơm rạ của khu vực nghiên cứu
Phần rắn còn lại sau khi đốt (tro) bao gồm chủ yếu là phytolith và chất hữu cơ không cháy. Lượng phytolith gần như bảo toàn trong suốt quá trình đốt, tuy nhiên khi đốt ở nhiệt độ cao phytolith có thể chuyển hóa thành một số dạng oxit silic bền vững. Theo Kordatos và nnk (2008), trạng thái vơ định hình của silic sinh học có thể chuyển sang các pha bền vững của oxit silic (ví dụ như tinh thể cristobalit hoặc trydimit) ở nhiệt độ cao. Kết quả tương tự cũng được Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2011) chứng minh khi so sánh trạng thái tồn tại của phytolith trong hai mẫu tro tại 500 và 800oC. Q trình chuyển hóa từ dạng vơ định hình sang dạng tinh thể được cho là có liên quan đến sự chuyển hóa của các nhóm >Si-OH trên bề mặt phytolith (Nguyễn Ngọc Minh, 2014). Một số nghiên cứu khác khi nghiên cứu tảo cát (chứa chủ yếu oxit silic vơ định hình) đã chứng minh rằng quá trình tách H2O của các nhóm >Si-OH sẽ thúc đẩy q trình polyme hóa và hình thành các liên kết >Si-O-Si<. Như vậy, sự biến đổi từ các nhóm >Si-OH thành các nhóm >Si-O- Si< bởi q trình dehydrat hóa cũng có thể diễn ra tương tự xử lý nhiệt đối với phytolith.
3.3. Đặc điểm của phytolith trong mơi trƣờng đất
3.3.1. Hình dạng và cấu trúc của phytolith trong mơi trường đất
Hình dạng của phytolith trong đất là kết quả của quá trình biến đổi phức tạp của các tàn tích thực vật. Các hoạt động canh tác (vùi đốt rơm rạ, cày xới đất, thay đổi chế độ nước) hay bản thân đặc tính mơi trường đất (thơng qua các tác động gián tiếp đến q trình hịa tan, đặc biệt là hịa tan chọn lọc từng phần) đều có ảnh hưởng đến hình thái, kích thước và đặc tính của phytolith trong đất. Kết quả của phương pháp tách tỷ trọng của mẫu đất sau đó được chụp trên kính hiển vi điện tử đã thể hiện rất rõ ràng hình dạng của phytolith có trong mẫu đất (Hình 12).
Hình 12: Hình ảnh phytolith trong mơi trường đất được chụp bằng kính hiển vi điện tử Hình thái của phytolith khơng có hình dạng cố định vì ảnh hưởng do tàn tích của thực vật để lại trong đất và các điều kiện mơi trường làm biến đổi. Hình 12 đã mơ tả lại hình thái và cấu trúc của phytolith được tách ra trong đất lúa. Phần khung xương phytolith bao bọc bên ngồi chính là phần Si, phần màu đen là tàn tích của hữu cơ. Trong hợp phần phytolith này, cacbon bên trong cấu trúc được Si bao bọc
bên ngồi, và ngược với hình thái của phytolith được tìm thấy trong phần thân lúa và lá lúa của khu vực nghiên cứu.
3.3.2. Thành phần hóa học của phytolith trong mơi trường đất
Tương tự như thành phần các nguyên tố tìm thấy trong phần tro đốt thơng qua hình ảnh phân tích EDX, sự xuất hiện của các nguyên tố như C, O, Si, Ca, K, Mg, Mn, Al… cũng là những thành phần cấu tạo nên phytolith tìm thấy trong mơi trường đất. Mặc dù là “phytolith lão hóa” (đã trải qua q trình hịa tan trong đất) nhưng phần cịn sót lại của phytolith vẫn chứa những ngun tố dinh dưỡng quan trọng cho cây trồng, trong đó Si, K, Ca và Mg và đặc biệt là vẫn có sự hiện diện của C trong thành phần của phytolith trong môi trường đất.
3.4. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong mơi trƣờng đất
Tính chất lý hóa học có vai trị quan trọng đối với dịng silic thơng qua việc điều tiết các q trình vật lý (ví dụ như xói mịn), các phản ứng hóa học (hịa tan, rửa trơi), các q trình sinh học (hút thu thực vật, sinh vật đất). Những tính chất cơ bản nhất có ảnh hưởng trực tiếp đến động thái của dòng silic trong đất được trình bày chi tiết trong Bảng 3 về pH, OC, EC, hàm lượng Fe và Al cho 39 mẫu đất thu thập tại khu vực nghiên cứu.
Bảng 3: Kết quả phân tích một số tính chất lý, hóa cơ bản của mẫu đất
Mẫu Thành phần cấp hạt (%) Thành phần hóa học (%) pH KCl OC EC Alox Feox S ét Li m o n Cá t Si Al Fe % S /cm m g /g m g /g 1 22,4 57,9 19,8 35,22 7,50 3,30 5,01 2,18 67,6 632,0 2599,8 2 33,5 54,8 11,8 40,73 3,32 0,60 5,83 4,50 136,9 457,6 9027,5 3 20,6 33,9 45,5 24,20 7,95 4,42 4,30 1,45 43,6 481,6 3030,7 4 34,8 51,5 13,7 24,73 8,49 3,27 7,15 7,03 163,3 2662,4 8024,7 5 47,2 42,9 9,9 23,34 10,17 4,63 5,97 7,93 152,3 2562,4 10027,6 6 29,2 54,4 16,4 31,58 7,97 3,34 4,10 3,33 59,4 290,4 6054,8 7 19,5 73,6 6,9 23,64 8,69 5,32 4,45 1,69 105,5 1007,6 4730,5 8 22,7 60,1 17,3 28,99 8,49 3,78 7,35 4,01 90,9 1189,2 6111,4 9 36,6 56,6 6,7 28,97 8,20 3,71 5,51 4,26 76,9 1679,2 6178,6 10 35,2 41,9 22,9 22,63 8,04 6,44 5,26 5,14 66,6 2690,8 8628,2 11 25,1 62,7 12,1 19,97 8,62 8,22 6,22 4,86 119,5 2786,8 13310,0 12 11,2 72,2 16,6 36,15 3,18 0,96 4,82 3,25 56,7 347,2 1777,6 13 20,9 36,3 42,8 27,88 6,50 5,05 5,06 5,53 58,4 1252,4 7924,6