Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ tưới tiết kiệm nước đến hàm lượng dễ tiêu của các nguyên tố Nitơ và Phốt pho trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xác định ảnh hưởng của chế độ tưới khác nhau đến sự thay đổi hàm lượng của Nitơ và Phốt pho dễ tiêu trong đất phù sa trung tính ít chua không được bồi hàng năm vùng đồng bằng sông Hồng. Xác định chế độ tưới hợp lý nhằm tiết kiệm nước và không làm giảm khả năng cung cấp dinh dưỡng Nitơ và Phốt pho dễ tiêu của đất cho cây lúa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ tưới tiết kiệm nước đến hàm lượng dễ tiêu của các nguyên tố Nitơ và Phốt pho trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI QUYỀN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC ĐẾN HÀM LƯỢNG DỄ TIÊU CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NITƠ VÀ PHỐT PHO TRONG ĐẤT TRỒNG LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI QUYỀN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC ĐẾN HÀM LƯỢNG DỄ TIÊU CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NITƠ VÀ PHỐT PHO TRONG ĐẤT TRỒNG LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62 44 03 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TSKH Nguyễn Xuân Hải 2. TS. Nguyễn Việt Anh HÀ NỘI, NĂM 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Quyền Thị Dung i
LỜI CẢM ƠN Trước hết tác giả luận án xin chân thành cảm ơn PGS. TSKH Nguyễn Xuân Hải; TS. Nguyễn Việt Anh về sự hướng dẫn khoa học. Những hướng dẫn này đã góp phần quan trọng giúp tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Bùi Quốc Lập và các thầy cô giáo khoa Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi về những đóng góp khoa học góp phần hoàn thiện luận án này và tạo các điều kiện cần thiết giúp cho luận án được hoàn thành. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn các thầy cô, cán bộ phòng phân tích Đất - Nước - Môi trường, phòng phân tích Hóa môi trường trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi tiến hành thí nghiệm, phân tích mẫu đất, mẫu nước trong luận án này. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn BGH trường Đại học Thủy Lợi, khoa Sau đại học của Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn BGH trường CĐ Kinh tế Kỹ thuật Thái Nguyên, các đồng nghiệp khoa Kỹ thuật Nông lâm, Bộ môn Quản lý đất đai đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình và bạn bè về cả vật chất và tinh thần tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. ii
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết ...............................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................2 4. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................3 5. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................................3 6. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................3 7. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................3 8. Những đóng góp mới của luận án ...............................................................................4 9. Cấu trúc của luận án ....................................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................................................5 1.1 Động thái của Nitơ trong đất trồng lúa ...................................................................5 1.1.1 Quá trình ammonium hóa ................................................................................................. 6 1.1.2 Quá trình nitrate hóa .......................................................................................................... 7 1.1.3 Quá trình khử nitrate .......................................................................................................... 8 1.2 Động thái của Phốt pho trong đất trồng lúa ............................................................9 1.2.1 Sự chuyển hóa Phốt pho hữu cơ trong đất ....................................................................... 9 1.2.2 Sự chuyển hóa Phốt pho vô cơ trong đất ....................................................................... 10 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi Nitơ và Phốt pho trong đất ......................11 1.3.1 Ảnh hưởng của chế độ nước đến sự thay đổi N, P dễ tiêu trong đất.......................... 11 1.3.2 Ảnh hưởng của các tính chất lý - hóa học đến sự thay đổi N, P dễ tiêu trong đất .. 18 1.4 Phương pháp tưới ngập thường xuyên và tưới tiết kiệm nước .............................31 1.4.1 Phương pháp tưới ngập thường xuyên ........................................................................... 31 1.4.2 Phương pháp tưới tiết kiệm - Tưới Nông lộ phơi (NLP) ............................................. 32 1.5 Một số phương pháp xác định các dạng Nitơ và Phốt pho trong đất ...................34 iii
1.6 Kết luận chương 1 .................................................................................................35 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................37 2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phòng ..................................................................37 2.1.1 Mục đích ........................................................................................................................... 37 2.1.2 Phương pháp thí nghiệm trong phòng............................................................................ 37 2.2 Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng.................................................39 2.2.1 Mục đích nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng ............................................................... 39 2.2.2 Địa điểm và điều kiện tự nhiên khu thí nghiệm đồng ruộng ....................................... 39 2.2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đồng ruộng và các thành phần trong sơ đồ............................ 43 2.2.4 Các công thức thí nghiệm và chế độ nước trên ruộng lúa............................................ 44 2.2.5 Điều kiện thí nghiệm........................................................................................................ 46 2.2.6 Phương pháp và thời điểm lấy mẫu................................................................................ 47 2.3 Phương pháp phân tích .........................................................................................48 2.3.1 Phương pháp phân tích N, P dễ tiêu trong đất............................................................... 48 2.3.2 Phương pháp phân tích mẫu nước tưới .......................................................................... 50 2.3.3 Phương pháp theo dõi các yếu tố cấu thành năng suất lúa........................................... 50 2.4 Phương pháp xử lý số liệu ....................................................................................51 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..............................52 3.1 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến thế ôxy hóa khử (Eh) và pH đất ........................52 3.1.1 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến Eh và pH đất ở mô hình thí nghệm trong phòng.... 52 3.1.2 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến Eh và pH đất ở thí nghệm đồng ruộng .................... 57 3.2 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến hàm lượng Nitơ dễ tiêu trong đất ......................62 3.2.1 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến hàm lượng N-NH4+ trong đất ................................... 62 3.2.2 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến hàm lượng N-NO3- trong đất.................................... 78 3.2.3 So sánh lượng Nitơ dễ tiêu trong các chế độ tưới ......................................................... 90 3.3 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến lượng Phốt pho dễ tiêu trong đất .......................99 3.3.1 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến lượng Phốt pho dễ tiêu trong đất ở mô hình thí nghiệm trong phòng ..................................................................................................................... 99 3.3.2 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến lượng Phốt pho dễ tiêu trong đất ở mô hình thí nghiệm đồng ruộng .................................................................................................................... 104 3.4 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến sinh trưởng và năng suất lúa ...........................111 iv
3.4.1 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến sinh trưởng của cây lúa ........................................... 111 3.4.2 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến năng suất lúa ............................................................ 114 3.5 Đánh giá việc áp dụng phương pháp tưới Nông lộ phơi cho lúa vùng đồng bằng sông Hồng ....................................................................................................................115 3.5.1 Lượng nước tưới ............................................................................................................ 115 3.5.2 Chi phí sản xuất .............................................................................................................. 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................119 1. Những kết quả đạt được trong luận án ....................................................................119 2. Kiến nghị .................................................................................................................120 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN ..............................................................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................122 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Quá trình chuyển hóa N trong đất lúa .............................................................6 Hình 1. 2 Động thái của Eh theo Ponnamperuma F.N. .................................................19 Hình 1. 3 Động thái của Eh ở các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C .................20 Hình 1. 4 Những thay đổi tương đối về hàm lượng O2, NO3- của một loại đất ............21 Hình 1. 5 Động thái của N theo thời gian ngập nước và thế oxy hóa - khử ..................22 Hình 1. 6 Động thái của Phốt pho hòa tan trong đất theo thời gian ngập nước ............23 Hình 1. 7 Động thái của pH ở một số loại đất khi ngập nước .......................................24 Hình 1. 8 Ảnh hưởng của pH đến sự cân bằng NH4+ và NH3 .......................................25 Hình 1. 9 Khả năng hòa tan của Phốt pho bị ảnh hưởng bởi pH đất .............................28 Hình 1. 10 Ảnh hưởng của tính chất đất và nhiệt độ đến động thái của N-NH4+ .........29 Hình 1. 11 Ảnh hưởng của tính chất đất và nhiệt độ đến động thái của N-NO3- ..........30 Hình 2. 1 Sơ đồ lấy mẫu đất.......................................................................................... 37 Hình 2. 2 Vị trí khu vực nghiên cứu thí nghiệm tại Phú Xuyên, Hà Nội ......................40 Hình 2. 3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đồng ruộng ...............................................................43 Hình 2. 4 Mô phỏng lớp nước mặt ruộng của công thức tưới NTX ..............................44 Hình 2. 5 Mô phỏng lớp nước mặt ruộng của công thức tưới NLP ..............................46 Hình 3. 1 Diễn biến Eh đất và mực nước của các chế độ tưới 53 Hình 3. 2 Diễn biến pH đất và mực nước của các chế độ tưới TNTP ...........................56 Hình 3. 3 Diễn biến Eh đất của các chế độ tưới ở thí nghiệm đồng ruộng ..................58 Hình 3. 4 Diễn biến pH đất của các chế độ tưới thí nghiệm đồng ruộng ......................61 Hình 3. 5 Diễn biến hàm lượng N-NH4+ đất và mực nước ...........................................64 Hình 3. 6 Diễn biến hàm lượng N-NH4+ đất theo thời gian ngập nước của ..................65 Hình 3. 7 Diễn biến N-NH4+ trong đất của các chế độ tưới n .......................................69 Hình 3. 8 Diễn biến N-NH4+ trong đất của hai chế độ tưới ...........................................73 Hình 3. 9 Diễn biến N-NH4+ đất của các chế độ tưới ngoài đồng ruộng ......................74 Hình 3. 10 Diễn biến của N-NO3- đất và mực nước của thí nghiệm trong phòng.........79 Hình 3. 11 Quan hệ giữa Eh và N-NO3- trong đất của chế độ tưới NTX ......................80 Hình 3. 12 Quan hệ giữa Eh và N-NO3- trong đất của chế độ tưới NLP ......................80 Hình 3. 13 Diễn biến N-NO3- đất của các chế độ tưới ..................................................83 vi
Hình 3. 14 Diễn biến N-NO3- đất của các chế độ tưới ngoài đồng ruộng .....................86 Hình 3. 15 Diễn biến N-NO3- đất của các công thức tưới .............................................87 Hình 3. 16 Quan hệ giữa N-NO3- đất với thời gian ngập nước của..............................88 Hình 3. 17 Quan hệ giữa N-NO3- đất với thời gian ngập nước của..............................88 Hình 3. 18 Diễn biến Nitơ dễ tiêu của chế độ tưới NTX (trái) và NLP (phải) .............91 Hình 3. 19 Diễn biến của tổng Nitơ dễ tiêu trong các chế độ tưới ở TNTP ..................93 Hình 3. 20 Diễn biến Nitơ dễ tiêu của các chế độ tưới ở TNĐR trong vụ xuân ...........95 Hình 3. 21 Diễn biến Nitơ dễ tiêu của các chế độ tưới ở TNĐR trong vụ mùa ............97 Hình 3. 22 Diễn biến của tổng Nitơ dễ tiêu trong các chế độ tưới ở TNĐR .................98 Hình 3. 23 Quan hệ giữa Eh và Pdt trong đất ở chế độ tưới NTX ...............................100 Hình 3. 24 Quan hệ giữa Eh và Pdt trong đất ở chế độ tưới NLP ................................101 Hình 3. 25 Diễn biến lượng Pdt đất và mực nước của các chế độ tưới ở TNTP ..........102 Hình 3. 26 Diễn biến Pdt đất của các công thức tưới ...................................................105 Hình 3. 27 Diễn biến Pdt đất của các công thức tưới ...................................................108 Hình 3. 28 Diễn biến Pdt của các công thức tưới ngoài đồng ruộng............................109 Hình 3. 29 Ảnh hưởng của chế độ tưới đến năng suất lúa theo mùa vụ .....................115 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Ảnh hưởng của pH đến sự cân bằng giữa [NH3 + NH4+] trong nước ...........25 Bảng 1. 2 pH đất và quá trình nitrate hóa ......................................................................27 Bảng 2. 1 Thời điểm lấy mẫu đồng ruộng phân tích .....................................................47 Bảng 2. 2 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích mẫu đất .................................................50 Bảng 3. 1 Động thái Eh đất của các chế độ tưới mô hình trong phòng .........................52 Bảng 3. 2 Diễn biến pH đất của các chế độ tưới thí nghiệm mô hình trong phòng ......55 Bảng 3. 3 Diễn biến Eh đất của các chế độ tưới ngoài đồng ruộng ..............................57 Bảng 3. 4 Diễn biến pH đất của các chế độ tưới ngoài đồng ruộng ..............................60 Bảng 3. 5 Diễn biến hàm lượng N-NH4+ đất của các chế độ tưới .................................63 Bảng 3. 6 Diễn biến lượng N-NH4+ trong đất của các chế độ tưới ..............................68 Bảng 3. 7 Diễn biến hàm lượng N-NH4+ trong đất của các chế độ tưới .......................72 Bảng 3. 8 Diễn biến lượng N-NO3- đất của các chế độ tưới thí nghiệm .......................78 Bảng 3. 9 Diễn biến lượng N-NO3- đất tại các chế độ tưới ...........................................82 Bảng 3. 10 Diễn biến hàm lượng N-NO3- đất của các công thức tưới .........................85 Bảng 3. 11 Diễn biến Nitơ dễ tiêu của các chế độ tưới ở ..............................................90 Bảng 3. 12 Tổng Nitơ dễ tiêu của các chế độ tưới ở thí nghiệm trong phòng ..............92 Bảng 3. 13 Diễn biến của Nitơ dễ tiêu của hai chế độ tưới ...........................................95 Bảng 3. 14 Diễn biến của Nitơ dễ tiêu của hai chế độ tưới ...........................................96 Bảng 3. 15 Diễn biến của tổng Nitơ dễ tiêu thông qua hai công thức tưới ...................98 Bảng 3. 16 Động thái Pdt theo thời gian ngập nước trong các chế độ tưới....................99 Bảng 3. 17 Biến động lượng Pdt đất tại các công thức tưới .........................................104 Bảng 3. 18 Biến động hàm lượng Pdt đất tại các công thức tưới .................................107 Bảng 3. 19 Khả năng đẻ nhánh của cây lúa trong .......................................................112 Bảng 3. 20 Chiều cao cây trung bình từ mặt đất đến đỉnh bông .................................112 Bảng 3. 21 Khối lượng một khóm (giai đoạn trổ bông) ..............................................113 Bảng 3. 22 Các yếu tố cấu thành năng suất lúa ở các chế độ tưới khác nhau .............114 Bảng 3. 23 Năng suất lúa ở các chế độ tưới khác nhau ...............................................114 Bảng 3. 24 Lượng nước tưới ở các chế độ tưới khác nhau .........................................116 Bảng 3. 25 Tổng hợp chi phí đầu vào, đầu ra của mô hình tưới NTX ........................117 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Từ viết tắt Giải thích BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường BNN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn C/N Các bon/Nitơ CEC Dung tích hấp thu trao đổi cation CHC Chất hữu cơ Eh Thế ôxy hóa khử GĐST Giai đoạn sinh trưởng IRRI International rice research Institute (Viện nghiên cứu lúa quốc tế) KLVCKTL Khối lượng vật chất khô tích lũy Mdl Mili gam đương lượng Ndt Nitơ dễ tiêu NHH Nhánh hữu hiệu NLP Nông lộ phơi NSLT Năng suất lý thuyết NTX Ngập thường xuyên Pdt Phốt pho dễ tiêu P2O5TS Phốt pho tổng số QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TKN Tiết kiệm nước TNĐR Thí nghiệm đồng ruộng TNTP Thí nghiệm trong phòng TPCG Thành phần cơ giới VSV Vi sinh vật ∑Ndt Tổng Nitơ dễ tiêu ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Lúa là một trong ba cây lương thực chủ yếu trên thế giới: Lúa mì, lúa và ngô được trồng chủ yếu ở Châu Á và Đông Nam Á. Để tạo ra 1kg thóc cần 4500 lít nước vì vậy mà dân gian có câu: “ Nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống”. Nước và phân bón là hai yếu tố quyết định hàng đầu, là nhu cầu thiết yếu, đồng thời còn có vai trò điều tiết chế độ nhiệt, ánh sáng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, độ thoáng khí của đất… Song thực tế hiện nay vấn đề mở rộng diện tích và tăng năng suất lúa gặp phải hàng loạt các thách thức trong đó phải kể đến thiếu nguồn nước cho hoạt động tưới tiêu. Trên thế giới ngày nay, nước dành cho nông nghiệp ngày càng khan hiếm. Ước tính đến năm 2025, có khoảng 15 - 20 triệu ha lúa được tưới sẽ chịu đựng mức độ khan hiếm nước mức độ nào đó (Trần Viết Ổn, 2016) [1]. Nguyên nhân của tình trạng thiếu nước thì rất đa dạng và đặc trưng theo từng vùng. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, có hệ thống sông ngòi phong phú nhưng vẫn khan hiếm nguồn nước ngọt để tưới, kể cả nguồn nước phục vụ sinh hoạt, đặc biệt là trong những năm gần đây. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này như nguồn nước bị ô nhiễm do hoạt động sản xuất công nghiệp, làng nghề của con người.... Đặc biệt, Việt Nam là nước chịu ảnh hưởng mạnh của biến đổi khí hậu, mực nước biển dâng, sự xâm nhập mặn vào các sông ngòi ở vùng ven biển đã hiện hữu và đã được đề cập nhiều trong các báo cáo khoa học và kể cả trên phương tiện truyền thông. Do đó, nguồn nước ngọt dùng trong sinh hoạt cũng như trong nông nghiệp ở những khu vực này ngày càng khan hiếm. Tiết kiệm nước trong sản xuất ở nước ta là vấn đề rất cấp thiết, đặc biệt trong sản xuất nông nghiệp. Bởi vì, nông nghiệp là ngành sử dụng nước nhiều nhất. Do đó, nghiên cứu các biện pháp tưới tiết kiệm nước trong nông nghiệp, đặc biệt tưới cho cây lúa là rất quan trọng. Phương pháp tưới tiết kiệm nước được xem là phương pháp giúp cây trồng thích ứng với những điều kiện bất lợi của môi trường, giúp tiết kiệm nước tưới và tăng sự phát triển của bộ rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp thu chất dinh dưỡng cao hơn và tăng hiệu quả sử dụng đất, nước (Bouman B.A.M and Tuong T.P., 2001) [2]. 1
Trong sản xuất lúa nước, Nitơ và Phốt pho là hai nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết cho cây lúa. Sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa phụ thuộc vào hàm lượng dễ tiêu của hai nguyên tố và hàm lượng này cũng thay đổi theo các giai đoạn phát triển của cây lúa. Hàm lượng dinh dưỡng dễ tiêu trong đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại đất, pH, Eh, hàm lượng chất hữu cơ,..... và chế độ nước mặt ruộng. Do thay đổi chế độ nước trong các chế độ tưới đã tác động đến điều kiện môi trường đất dẫn đến dạng tồn tại của các nguyên tố Nitơ và Phốt pho cũng bị thay đổi, đặc biệt là dạng dễ tiêu. Vậy, chế độ tưới tiết kiệm nước có thể dẫn đến việc thay đổi đặc tính dinh dưỡng trong đất, ảnh hưởng như thế nào đến sự chuyển hóa của nguyên tố Nitơ và Phốt pho trong đất so với chế độ tưới ngập thường xuyên của người dân? Đây là vấn đề quan trọng và phức tạp. Tuy nhiên, những nghiên cứu chi tiết về ảnh hưởng của chế độ tưới đến hàm lượng dễ tiêu của các nguyên tố Nitơ và Phốt pho hay nói cách khác động thái của NH4+, NO3- và PO43- trong đất ở chế độ tưới khác nhau còn ít được nghiên cứu trong cũng như ngoài nước, đặc biệt là khi áp dụng biện pháp tưới tiết kiệm nước - tưới nông lộ phơi. Xuất phát từ những vấn đề cấp thiết trên, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ tưới tiết kiệm nước đến hàm lượng dễ tiêu của các nguyên tố Nitơ và Phốt pho trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng” được đề ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài được thực hiện nhằm đạt được hai mục tiêu sau đây: - Xác định ảnh hưởng của chế độ tưới khác nhau đến sự thay đổi hàm lượng của Nitơ và Phốt pho dễ tiêu trong đất phù sa trung tính ít chua không được bồi hàng năm vùng đồng bằng sông Hồng. - Xác định chế độ tưới hợp lý nhằm tiết kiệm nước và không làm giảm khả năng cung cấp dinh dưỡng Nitơ và Phốt pho dễ tiêu của đất cho cây lúa. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học của luận án: làm rõ sự thay đổi hàm lượng Nitơ và Phốt pho dễ tiêu ở đất ngập nước trồng lúa có phản ứng trung tính dưới hai chế độ tưới (tưới ngập thường xuyên và tưới tiết kiệm nước). 2
- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: khẳng định được tác động của biện pháp tưới đối với năng suất lúa cũng như khả năng cung cấp dinh dưỡng Nitơ và Phốt pho của đất cho lúa, trên cơ sở đó mở ra khả năng ứng dụng trong thực tiễn. 4. Đối tượng nghiên cứu Động thái của Nitơ, Phốt pho cũng như Eh, pH trong điều kiện thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm đồng ruộng ở hai chế độ tưới khác nhau (tưới ngập thường xuyên và tưới tiết kiệm nước) trong đất phù sa đồng bằng sông Hồng không được bồi hàng năm, trung tính ít chua. 5. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi không gian: đất phù sa đồng bằng sông Hồng không được bồi hàng năm, trung tính ít chua tại Phú Xuyên - Hà Nội. - Phạm vi thời gian: từ năm 2013 đến năm 2016. 6. Nội dung nghiên cứu 1) Nghiên cứu cơ sở khoa học của sự chuyển hóa Nitơ và Phốt pho trong đất lúa ngập nước thông qua thí nghiệm trong phòng. 2) Xác định ảnh hưởng của chế độ tưới cho lúa đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng Nitơ, Phốt pho dễ tiêu từ đất và năng suất lúa thông qua thí nghiệm ngoài đồng ruộng. 7. Phương pháp nghiên cứu Kế thừa có chọn lọc những thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu đã có. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng nhằm xác định điện hóa đất lúa ngập nước, động thái của N, P ở các chế độ ngập nước khác nhau để giải thích cơ chế biến biến đổi và chuyển hóa N, P trong đất vùng nghiên cứu. Nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng nhằm đánh giá và luận giải diễn biến hàm lượng N, P dễ tiêu trong điều kiện thực tiễn sản xuất, bên cạnh đó là đánh giá sinh trưởng phát triển và năng suất của cây lúa của các chế độ tưới khác nhau. 3
Phương pháp xử lý số liệu và phân tích thống kê. Chi tiết các phương pháp được trình bày ở chương 2. 8. Những đóng góp mới của luận án 1) Đã đưa ra dẫn liệu chi tiết diễn biến của hàm lượng N, P dễ tiêu khi đất phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng được cho ngập nước trong điều kiện có và không có cây lúa. 2) Đánh giá và luận giải khoa học được sự thay đổi hàm lượng của N, P dễ tiêu trong đất phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng do ảnh hưởng của chế độ tưới ngập khô xen kẽ/tưới tiết kiệm/ tưới nông lộ phơi so với kiểu tưới ngập thường xuyên của địa phương. 3) Cung cấp cơ sở khoa học về việc tưới tiết kiệm trong đất phù sa trung tính ít chua vùng đồng bằng sông Hồng không ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển và năng suất cây lúa trong cả vụ xuân và vụ mùa. 9. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm: Mở đầu; Chương 1. Tổng quan tài liệu Chương 2. Phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận và kiến nghị, Danh mục các công trình đã công bố, Tài liệu tham khảo và Phụ lục. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Động thái của Nitơ trong đất trồng lúa Nitơ (N) là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với cấy lúa và được coi là yếu tố giới hạn năng suất. Tuy là nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết cho cây trồng nhưng N lại chứa ít trong đất. Tỷ lệ N trong đất Việt Nam biến động từ 0,042% (đất bạc màu) đến 0,62% (đất lầy thụt), trung bình là 0,12% (đất phù sa sông Hồng). Tỷ lệ N trong đất ít phụ thuộc vào đá mẹ mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện hình thành và quá trình sử dụng đất (Nguyễn Thế Đặng, 2011) [3]. Cây lúa hấp thu 2/3 tổng lượng N từ đất và 1/3 từ phân vô cơ (Reddyn K. R. et al, 1976) [4] và hấp thu mạnh nhất vào hai thời kỳ: đẻ nhánh (khoảng 70%) và làm đòng (khoảng 10 - 15%), việc hút thu N trong giai đoạn đẻ nhánh có ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất lúa (Nguyễn Như Hà, 2006) [5]. Trong canh tác lúa, N ở dạng ammonium (NH4+) được xem là nguồn cung cấp N chính hơn N ở dạng nitrate (NO3-) (Wang Y. H. et al, 1993) [6]. Chính vì thế việc gia tăng hiệu quả sử dụng phân đạm cũng đồng nghĩa với gia tăng năng suất. Lượng N cần thiết để tạo ra 1 tấn thóc là 17 - 25 kg N, trung bình cần 22,2 kg N. Ở mức năng suất cao hơn thì lượng N cần thiết để tạo ra 1 tấn thóc càng cao (Giang Thu Thảo et al, 2009) [7]. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, nhưng cho đến nay cây lúa vẫn chỉ sử dụng khoảng dưới 40% lượng N bón vào và thường là thấp khoảng 20% đến 30% (Schneiders, M. & H. W. Scherer, 1998) [8]. Những tiến trình sinh học trong đất, chẳng hạn như sự khoáng hóa, tiến trình nitrate hóa và khử nitrate có ảnh hưởng rất lớn đến động thái của N trong đất và chi phối sự hấp thụ N của cây trồng. Sự biến đổi của N trong đất lúa diễn ra rất phức tạp và trải qua nhiều quá trình khác nhau, được thể hiện qua hình 1.1. Từ hình 1.1 cho thấy N bị biến đổi rất phức tạp trong môi trường đất. Dưới đây là một số quá trình chuyển hóa N chính trong đất. 5
Hình 1. 1 Quá trình chuyển hóa N trong đất lúa (Nguồn: Brady, N. C. & R. R. Weil, 1999) [9] 1.1.1 Quá trình ammonium hóa Sự chuyển hóa N hữu cơ sang N khoáng được gọi là quá trình ammonium hóa (sự khoáng hóa N). Khoáng hóa là tiến trình sinh học quan trọng liên quan đến tính hữu dụng trên đất lúa nước. Dưới điều kiện đất lúa ngập nước, sự khoáng hóa tạo N-NH4+ được kiểm soát bởi VSV dị dưỡng sử dụng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng (Alexander M. et al, 1977) [10]. Quần thể VSV dị dưỡng trong đất bao gồm nhiều nhóm vi khuẩn, nấm. Chúng sử dụng N như là nguồn nguyên liệu để đáp ứng nhu cầu năng lượng và phát triển sinh khối của chúng. Các VSV dị dưỡng này phân hủy các hợp chất protein hoặc hợp chất humic thành nhóm amine đơn giản, sau đó nhóm này được thủy phân và N được phóng thích ở dạng N-NH4+, tiến trình này xảy ra ở hai điều kiện yếm khí và háo khí (Stephen C. Jarvis et al, 1996) [11]. Mỗi nhóm đáp ứng một hoặc nhiều bước trong phản ứng phân hủy chất hữu cơ. Sản phẩm cuối cùng cho sự hoạt động của một nhóm là nguồn nguyên liệu cung cấp cho phản ứng tiếp theo, cứ như vậy cho đến khi chất hữu cơ hoàn toàn bị phân hủy (Võ Thị Gương, 2004a) [12]. 6
Theo Cabrera M. L. et al (2005) [13], khoáng hóa N là chuyển N ở dạng hữu cơ thành dạng N-NH4+. Khoáng hóa N là tiến trình quan trọng bởi vì nó kiểm soát nguồn cung cấp và sự quan trọng của N khoáng đối với cây trồng. Dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa là một yêu cầu quan trọng cho việc tối hảo hiệu quả sử dụng N trong nhiều hệ thống mùa vụ (Wang G. H. et al, 2001) [14]. Ngoài ra, dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa có thể đóng vai trò quan trọng để tránh mất lượng N đáng kể (Fan X. H. et al, 2005a) [15], (Zhang Y. M. et al, 2004) [16], (Su C. G. et al, 2005) [17]. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng đa dạng của các loại đất, khí hậu, tập quán canh tác (Li G. C. et al, 2001) [18], (Fan X. H. et al, 2005b) [19], dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa thì khó. Hơn nữa, việc bón phân đạm dài hạn cũng có những ảnh hưởng tích cực và tiêu cực (Carpenter L. et al, 2000) [20]. Quá trình khoáng hóa N hữu cơ trong đất được thực hiện theo các bước bằng các phản ứng: amin hóa, amôn hóa. Dưới tác dụng của tập đoàn VSV trong đất (nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn) các axit amin phân hủy giải phóng NH3. Quá trình khoáng hóa có thể thực hiện trong điều kiện háo khí hoặc yếm khí, môi trường ôxy hóa hay môi trường khử (Vũ Hữu Yêm, 1995) [21]. 1.1.2 Quá trình nitrate hóa Là sự ôxy hóa ammonium chuyển sang nitrate. Trong điều kiện thoáng khí, sau khi N-NH4+ được khoáng hóa từ các hợp chất hữu cơ sẽ được nitrate hóa tạo thành N-NO3-. Đất ngập nước trong mùa mưa thì N-NO3- bị khử thành NO, N2O và N2 làm mất đạm trong đất và sự khử đạm ở tầng đất bên dưới sẽ làm mất đạm ở dạng hơi (Võ Thị Gương, 2004b) [22]. Đây là một quá trình chuyển hóa N qua hai bước và do các VSV tự dưỡng đảm nhận. Một số VSV dị dưỡng cũng có thể tham gia vào quá trình này nhưng với số lượng rất nhỏ. - Bước 1: Quá trình nitrite hóa do nhóm vi khuẩn tự dưỡng gồm Nitrosomonas, Nitrosobolus, Nitrosopira, Nitrosococus, Nitrosobibrio thực hiện. Một số VSV dị 7
dưỡng gồm các vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm cũng có thể tham gia vào phản ứng, nhưng hoạt động của Nitrosomonas là quan trọng nhất. Phản ứng tổng quát: NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + 63,8 kcal (1. 1) - Bước 2: Quá trình nitrate hóa do vi khuẩn tự dưỡng Nitrobacter, Nitrospira thực hiện. Phản ứng tổng quát: NO2- + 1/2 O2 → NO3- + 17,5 kcal (1. 2) VSV nitrate hóa tự dưỡng chỉ dùng C của CO2 và các muối cacbonat có rất nhiều trong đất. 1.1.3 Quá trình khử nitrate Quá trình khử nitrate hóa là quá trình mà trong đó đạm NO3- bị khử thành N2 hoặc các dạng ôxit nitơ khác. Theo Đỗ Thị Ren (1999) [23] ở đất lúa nước có sự mất đạm do khử nitrate có thể rất cao. Thông thường 60 - 70% lượng đạm bón vào bị bay hơi dưới dạng NO2 và N2. Quá trình khử nitrate hóa được thực hiện trong phạm vi pH khá rộng từ 5,5 - 10,0 tốt nhất là 6,2 - 8,2; nhiệt độ từ 20 - 300 C và ẩm độ đất từ 60 - 70% [21]. Trong đất, phần lớn các trường hợp quá trình khử nitrate hóa là kết quả hoạt động của VSV yếm khí ngập nước. Các vi khuẩn phản đạm như Pseudomonas, denitrificans, Micrococcus denitrificans, Micrococcus halodenitrificans; hoặc có VSV tự dưỡng hóa năng như Thiobaccillus denitrificans, Hydrogennomonas agilis sẽ bị khử thành đạm tự do bay đi (Dương Minh Viễn, 2006) [24]. 24NO3- + 5C6H12O6 + 24H+ → 12N2 + 30CO2 + 42H2O (1. 3) Ngay trong môi trường thoáng khí nơi giàu chất hữu cơ dễ đồng hóa VSV cũng có thể dùng NO3- làm nguồn ôxy. Gọi là quá trình khử dị hóa đạm nitrate. Trong đất một số VSV có thể đồng hóa trực tiếp đạm NO3- để tạo thành sinh khối của nó làm cho nitrate được tạo thành biến mất, gọi là quá trình khử đồng hóa đạm nitrate. Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình khử nitrate sinh học nói trên còn có quá trình khử nitrate hoá học thường xảy ra ở pH < 5,5. Các quá trình này không có sự tham gia của VSV (Lê Xuân Phương, 2011) [25]: NH4Cl + HNO2 → N2 + HCl + 2H2O (1. 4) 8
R-NH2 + HNO2 → N2 + R-OH + H2O (1. 5) R-CH(NH2)COOH + HNO2 → N2 + R-CHOHCOOH + H2O (1. 6) R-CO-NH2 + HNO2 → N2 + R-COOH + H2O (1. 7) Đối với nông nghiệp quá trình khử nitrate hoá là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất N. Quá trình này xảy ra mạnh trong điều kiện kỵ khí. Ôxy có tác dụng ức chế các enzym xúc tác cho quá trình khử nitrate, đó là các enzym nitrat reductaza và nitrit reductaza. Ở các ruộng lúa nước người ta thường làm cỏ xục bùn để hạn chế quá trình này, đồng thời bón đạm amôn chứ không bón đạm nitrate. 1.2 Động thái của Phốt pho trong đất trồng lúa Phốt pho (P) trong đất tồn tại ở 2 dạng: P hữu cơ và P vô cơ. - P hữu cơ trong đất: chiếm từ 20 - 80% tổng lượng P trong đất. Hàm lượng P hữu cơ trong đất cao hay thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí hậu, thảm thực vật, kết cấu đất, loại sử dụng đất, chế độ phân bón. Các dạng P hữu cơ chủ yếu trong đất bao gồm: inositol phốt phát: 1,4 - 356 mg/kg (chiếm 0,3 - 62%), axit nucleic: 0,1 - 97 (chiếm 0,1 - 65%), phốt pho lipit: 0,4 - 17 (chiếm 0,03 - 5,4%) lượng lân hữu cơ trong đất [3]. - P vô cơ trong đất: chủ yếu ở dưới dạng phốtphat của các cation canxi (chiếm ưu thế trên đất có phản ứng trung tính hoặc kiềm), sắt hoặc nhôm (chiếm ưu thế trên đất chua). 1.2.1 Sự chuyển hóa Phốt pho hữu cơ trong đất Sự chuyển hoá các hợp chất P hữu cơ thành muối của H3PO4 được thực hiện bởi nhóm VSV phân huỷ P hữu cơ. Những VSV này có khả năng tiết ra enzym photphataza để xúc tác cho quá trình phân giải. Khả năng phân huỷ P hữu cơ của VSV được thể hiện qua sơ đồ tổng quát sau: Nucleoproteit → Nuclein → a.nucleic → H3PO4 (1. 8) Lơxitin → Glyxerophotphat → H3PO4 (1. 9) H3PO4 thường phản ứng với các kim loại trong đất tạo thành các muối phốt phát khó tan như Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4 ... 9