Hàm lượng silic hòa tan trong nước thải canh tác nông nghiệp trong lưu vực sông Hồng

TÓM TẮT:

Trong môi trường đất, silic là nguyên tố có lợi điển hình trong việc nâng cao năng suất đối với một số loại cây trồng. Trong môi trường nước mặt, silic cùng với các nguyên tố khác (nitơ và phốtpho) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình phì dưỡng trong các thủy vực. Kiểm soát tải lượng silic do xói mòn và rửa trôi từ môi trường đất vào môi trường nước góp phần giảm thiểu quá trình phì dưỡng hóa, đặc biệt ở vùng ven biển. Bài báo giới thiệu kết quả xác định hàm lượng silic hòa tan trong nước thải canh tác từ 6 loại cây trồng chủ yếu (lúa, rau, ngô, đậu - lạc, hoa - cây cảnh và cây công nghiệp) trong lưu vực sông Hồng. Kết quả cho thấy hàm lượng silic hòa tan trong nước thải từ các vùng đất trồng hoa (5,33 mgSi/l) cao hơn rất nhiều so với các vùng đất trồng cây khác (1,94 - 2,55 mgSi/l). Tuy nhiên, do diện tích đất trồng và thể tích nước tưới sử dụng cho cây lúa là lớn nên tải lượng silic từ nước thải trồng lúa trong lưu vực sẽ là đáng kể.

Từ khóa: Silic, môi trường đất, lưu vực sông Hồng, cây lúa, đất trồng hoa.

1. Mở đầu

Trong môi trường đất, silic là nguyên tố có lợi điển hình đối với quá trình phát triển của thực vật và nâng cao năng suất cây trồng [4]. Sự tích lũy Silic trong biểu bì giúp cây trồng ngăn chặn được sự thoát hơi nước quá mức, giúp cây giảm thiểu sự mất nước nên có khả năng chống hạn, chống nóng, chống úng tốt [3]. Một số nghiên cứu cho rằng silic tạo ra khả năng chống chịu của nhiều loại cây trồng đối với các loại sâu bệnh và côn trùng có hại và có thể đóng góp vào việc giảm tỷ lệ sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc trừ nấm bệnh [6]. Ngoài ra, cây chứa nhiều silic sẽ giúp bộ lá mọc thẳng hơn, đặc biệt là cây lúa và ngũ cốc, tạo điều kiện cho cây hấp thu ánh sáng tốt hơn, tăng khả năng quang hợp, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo chât diệp lục, tăng hiệu quả sử dụng P và N [1]. Lớp đất giàu silic có khả năng hấp phụ phốtpho, giữ lại từ 40 - 70% tải lượng phốtpho (P) rửa trôi. Tác dụng tương hỗ giữa silic với phốtpho giúp cây hấp thu dinh dưỡng tốt hơn, cây tăng trưởng nhanh làm pha loãng nồng độ sắt, nhôm trong cây, do đó làm tăng khả năng chống chịu phèn cho cây. Do đó, hiện nay, silic cũng đã được coi như một yếu tố kích thích tăng trưởng trong canh tác nông nghiệp, thân thiện với môi trường. Theo quá trình rửa trôi và xói mòn trong lưu vực, một lượng khá lớn silic được chuyển tải từ môi trường đất vào môi trường nước mặt. Hàm lượng silic hòa tan (DSi) trong nước có vai trò rất quan trọng, do nó là một trong các yếu tố kiểm soát quá trình phì dưỡng trong môi trường nước, đặc biệt là quá trình bùng nổ phát triển các loài tảo độc [5].

Nhìn chung, đánh giá tải lượng silic từ đất vào nước, đặc biệt là từ đất canh tác nông nghiệp, thường gặp khó khăn, ngay cả đối với các nước châu Âu. Các nghiên cứu trước đây về hàm lượng Si rửa trôi từ đất canh tác nông nghiệp và về sản lượng lương thực theo tổ chức FAO (1998) cho thấy, hàng năm, khoảng 210-240 triệu tấn Si sinh học đã bị rửa trôi khỏi hệ đất. Điều này làm tăng quá trình phong hóa chất khoáng, phá vỡ các polymer axit polysilic, thay đổi hàm lượng P, Al và một số kim loại nặng, phân hủy hợp chất axit humic trong đất, tăng xói mòn, giảm quần xã vi sinh, giảm dinh dưỡng silic trong thực vật [8].

Ở Việt Nam, nghiên cứu về hàm lượng nguyên tố silic và ảnh hưởng của quá trình rửa trôi, xói mòn tới diễn biến hàm lượng silic trong các thủy vực chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Chính vì vậy, chúng tôi bước đầu đánh giá hàm lượng silic hòa tan trong nước thải canh tác của 6 loại cây trồng chủ yếu trong lưu vực sông Hồng. Các kết quả nghiên cứu này nhằm góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho công tác quản lý, bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững trong lưu vực sông Hồng, lưu vực sông lớn nhất miền Bắc Việt Nam và có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam.

2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Lưu vực sông Hồng có diện tích là 156.450 km², trong đó 50,3% diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam. Lưu vực nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình năm đạt 1590 mm và lượng bốc hơi tiềm năng đạt 880 - 1150 mm/năm-1. Theo các tài liệu thống kê, trong vùng lưu vực sông Hồng, đất xám và đất phù sa chiếm chủ yếu 70%. Các loại đất khác như đất mặn, đất phèn, đất nâu đỏ, đất đá bột… có tỷ lệ nhỏ (<5%). Trong toàn bộ lưu vực thì đất rừng và đất đồng cỏ chiếm phần lớn ở vùng thượng nguồn lưu vực (34 % và 24% tương ứng), đất trồng cây công nghiệp chiếm 10%, đất trồng lúa chiếm 8% và đất đô thị chỉ chiếm phần rất nhỏ (<1%) [9].

Trong nghiên cứu này, đối tượng được quan tâm là hàm lượng silic hòa tan trong nước thải từ 6 vùng đất canh tác nông nghiệp khác nhau bao gồm lúa, rau, ngô, đậu - lạc, cây cảnh - hoa và cây công nghiệp trong lưu vực sông Hồng.

2.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Thời gian và vị trí lấy mẫu: Tiến hành lấy 55 mẫu nước thải trong thời gian từ tháng 4/2015 đến tháng 4/2017 tại Hà Nội và các tỉnh Yên Bái, Phú Thọ, Hoà Bình, Vĩnh Phúc, Hà Nam, Nam Định, Thái Bình và Ninh Bình.

- Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa: Các chỉ tiêu hóa lý (nhiệt độ nước, pH, độ dẫn điện, độ đục, hàm lượng oxy hòa tan, tổng chất rắn hòa tan) được đo đạc tại hiện trường bằng thiết bị đo nhanh chất lượng nước WQC-22A (TOA, Nhật Bản) và Hach (Mỹ) nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng nước. Phương pháp lấy mẫu nước thải được tuân theo tiêu chuẩn TCVN 5999-1995.

- Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: Các mẫu nước được đựng trong các bình nhựa PE và bảo quản lạnh từ nơi lấy mẫu về đến phòng thí nghiệm và sau đó được lọc bằng giấy lọc Whatman GF/F. Hàm lượng silic hòa tan được xác định bằng phương pháp so màu (Molybdosilicat Method) trên máy DRELL 2800 (HACH, Mỹ), tại Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên. Các phép đo được lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình (độ tin cậy > 90%).

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Các chỉ tiêu hóa lý

Bảng 2 biểu diễn kết quả trung bình thông số hóa lý của các mẫu nước thải theo từng loại cây trồng. Kết quả cho thấy giá trị pH trung bình của các mẫu nước thải dao động từ 6,3 - 8,1. Hàm lượng trung bình oxy hòa tan (DO) có giá trị từ 3,7- 5,6 mg/l, thấp nhất là của các mẫu nước thải từ vùng đất trồng hoa (3,7 mg/l). Độ dẫn điện và hàm lượng chất rắn hòa tan (TDS) của các mẫu nước thải có sự biến đổi trong khoảng rộng (Bảng 2). Trong đó, đáng chú ý là các thông số này của mẫu nước thải từ vùng đất trồng hoa luôn cao nhất và của mẫu nước thải từ vùng đất trồng cây công nghiệp là nhỏ nhất.

3.2. Hàm lượng silic hòa tan

Kết quả về hàm lượng silic trung bình trong 6 loại mẫu nước thải canh tác nông nghiệp từ 6 loại cây trồng được trình bày trong Bảng 3. Kết quả cho thấy, hàm lượng silic hòa tan trung bình đạt giá trị cao nhất ở nước thải vùng đất trồng hoa và thấp nhất là hàm lượng silic hòa tan trong nước thải từ các vùng đất trồng cây công nghiệp. Nước thải từ vùng đất trồng hoa có hàm lượng silic hòa tan dao động trong khoảng 2,41 - 8,02 mgSi/l, trong nước thải từ các ruộng lúa có hàm lượng silic hòa tan biến đổi trong khoảng rộng, từ 0,33 - 6,65 mgSi/l. Nước thải từ các ruộng rau có hàm lượng silic hòa tan dao động trong khoảng 0,88 - 5,73 mgSi/l; nước thải từ các vùng đất trồng ngô có hàm lượng silic hòa tan dao động trong khoảng 0,49 - 4,24 mgSi/l; nước thải từ các ruộng lạc có hàm lượng silic hòa tan khá cao, đạt được từ 0,71 - 6,41 mgSi/l. Nước thải từ vùng đất trồng cây công nghiệp, hàm lượng silic hòa tan trong khoảng từ 1,49 - 2,75 mgSi/l.

*: Giá trị lớn nhất - nhỏ nhất và giá trị trung bình trong ngoặc đơn

Trong đất, silic được giải phóng bởi sự phân hủy các chất khoáng, nhưng một phần bị mất khỏi đất do quá trình tưới-tiêu hoặc do cây trồng hấp thụ. Sự phân giải chất hữu cơ và khoáng vật xảy ra rất nhanh ở những vùng khí hậu nóng ẩm (nhiệt đới và cận nhiệt đới) đã gây nên sự rửa trôi Si. Sự tồn tại của Si ở dạng axit silic tự do trong môi trường axit cũng làm cho Si dễ bị rửa trôi [3]. Quá trình rửa trôi Silic không chỉ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khí hậu mà còn phụ thuộc vào quá trình phong hóa và tính chất của đá mẹ. Hàm lượng silic trong nước rửa trôi do canh tác còn phụ thuộc vào loại đất trồng, loại cây trồng, các điều kiện khí tượng - thủy văn, thể tích nước tưới, kỹ thuật canh tác và phân bón sử dụng.

Loại cây trồng và kỹ thuật canh tác ảnh hưởng trực tiếp tới lớp đất bề mặt và gây xáo trộn lớp đất bề mặt nên có ảnh hưởng đến tải lượng silic rửa trôi. Trong đất, silic được giải phóng do quá trình phân hủy các chất khoáng, nhưng một phần là bị mất bởi sự tiêu thoát nước hoặc do canh tác các loại cây được thường xuyên thu hoạch hoặc đốt cháy. Khả năng mất silic do rửa trôi theo chiều sâu xấp xỉ 54,2 kg/ha, cao hơn gần 200 lần so với rửa trôi của nhôm (0,27 kg/ha). Các kết quả thu được cho thấy, hàm lượng silic hòa tan cao nhất thu được từ nước thải của các vùng đất trồng hoa nơi thường đòi hỏi kỹ thuật canh tác ảnh hưởng nhiều đến lớp đất bề mặt và hàm lượng silic đạt giá trị nhỏ nhất trong nước thải từ vùng đất trồng cây công nghiệp lâu năm, nơi có kỹ thuật canh tác kém ảnh hưởng hơn tới lớp đất bề mặt.

Ở một số vùng có thể bổ sung silic một cách đáng kể từ nước tưới, đặc biệt là nước ngầm theo mạch mao quản, hoặc từ sự bồi tích hoặc do quá trình lắng đọng khác của silic trên bề mặt đất. Giả sử trung bình nồng độ Si trong khoảng 3 - 8mg Si/L và liều lượng nước tưới khoảng 10.000 m³ nước/ha/vụ, có thể tính được lượng Si bổ sung vào từ nước tưới là khoảng 30 - 80kg Si/ha/vụ [3]. Tuy vậy, sự tích lũy của silic hòa tan trong đất cho đến nay vẫn chưa được xác định rõ ràng. Mặt khác, như đã biết, nhu cầu sử dụng nước tưới của các loại cây trồng rất khác nhau, chẳng hạn các cánh đồng lúa thường được sử dụng lượng nước tuới lớn gấp 5 - 6 lần so với các vùng đất trồng các loại cây nông nghiệp khác. Một số nghiên cứu trước đây cho rằng thể tích nước tưới- tiêu đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tải các chất dinh dưỡng vào hệ thống sông hồ [7]. Như đã trình bày ở trên, trong lưu vực sông Hồng, diện tích đất trồng lúa chiếm tỷ lệ cao trong cơ cấu cây trồng. Do vậy, tải lượng silic từ vùng đất trồng lúa trong lưu vực sông Hồng sẽ là rất đáng kể.

Mặc dù phần lớn các loại đất có thể chứa hàm lượng Silic đáng kể, nhưng do trong quá trình canh tác có thể làm giảm mức độ silic hữu hiệu đối với cây trồng tới mức mà việc cung cấp dinh dưỡng Silic là một sự đòi hỏi để cây trồng cho sản lượng cao nhất. Đối với mỗi loại cây trồng, việc sử dụng phân bón tương ứng với mỗi loại cây và hiệu suất phân bón sử dụng cũng có ảnh hưởng lớn đến tải lượng silic rửa trôi. Các nghiên cứu trước đây cho rằng, phân bón silic cần thiết cho mọi loại đất trồng, ngoài trừ đất đã có sẵn hàm lượng silic cao. Thông thường phân bón silic thường là các chất vô cơ có khả năng làm tăng hàm lượng silic (axit monosilic) trong đất. Rất nhiều loại phân bón silic đã được áp dụng rộng rãi ở một số nước như Hàn Quốc, Trung Quốc, Nhật Bản, Úc, Mỹ... Ở Hàn Quốc, lượng phân bón silic sử dụng cho đất nông nghiệp ngày càng tăng (năm 1999: 2.252 nghìn tấn; năm 2002: 3.845 nghìn tấn). Hiệu quả của bón phân silic đối với việc ổn định năng suất lạc, lúa, cải thiện một số chỉ tiêu hóa học đất là rất rõ ràng, cần khuyến cáo sử dụng rộng rãi phân silic cho cây lạc trên những loại đất bạc màu, nghèo kiệt dinh dưỡng với mức bón 1.000 kg/ha [2]. Thông thường ở các nước mỗi năm trồng một vụ thì cứ 2 - 3 năm mới bón phân silic một lần, lượng bón từ 1,5 - 3,0 tấn/ha tùy theo loại cây trồng và mùa vụ. Theo [3], ở Việt Nam, nên thường xuyên bón phân có chứa silic như silicate Ca (14 – 19%Si): 120 - 200 kg/ha hay Silicate K (14% Si): 40 - 60 kg/ha nhằm tăng năng suất cây trồng. Tuy vậy, trong nghiên cứu này, các số liệu phân bón silic đối với các loại cây trồng trong lưu vực sông Hồng chưa được thu thập đầy đủ.

Hàm lượng silic rửa trôi từ đất canh tác khi được đổ vào các thủy vực, thường làm thay đổi các tỷ lệ Si/N và Si/P, dẫn tới thay đổi thành phần tảo trong thủy vực. Khi gặp điều kiện thuận lợi (nhiệt độ, ánh sáng, hàm lượng các chất dinh dưỡng …), các loài tảo phát triển bùng nổ, trong đó có một số loài tảo độc như một số chủng vi khuẩn lam, tảo giáp… Sự bùng nổ phát triển của các loài tảo trong thủy vực làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái, cũng như chất lượng nước các thủy vực, đặc biệt là các thủy vực sử dụng để cung cấp nước sinh hoạt cho con người.

4. Kết luận

Các kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số hóa lý của các mẫu nước thải canh tác nông nghiệp trong lưu vực sông Hồng như sau: pH (6,3 - 8,1); DO (3,7 - 5,6 mg/l) và độ dẫn điện (165,7 - 879,7 µS/cm). Hàm lượng trung bình silic hòa tan trong nước thải canh tác của 6 loại cây trồng nằm trong khoảng 1,94 - 5,33 mgSi/l, thấp nhất trong nước thải từ vùng đất trồng cây công nghiệp và cao nhất trong nước thải từ vùng đất trồng hoa.

Sự khác nhau về hàm lượng silic hòa tan trong các loại nước thải từ các loại cây trồng khác nhau phụ thuộc vào chế độ khí hậu – thủy văn, tốc độ xói mòn, loại đất trồng, loại cây trồng, kỹ thuật canh tác và thể tích nước tưới. Do diện tích lớn đất canh tác nông nghiệp trong lưu vực nên mức độ ảnh hưởng của các hoạt động canh tác nông nghiệp đến chất lượng nước sông Hồng sẽ là rất đáng kể. Trong lưu vực sông Hồng, ước tính sơ bộ thì do diện tích trồng lúa và thể tích nước tưới lớn ở vùng đồng bằng (17.280 m³/ha/năm) nên tải lượng các chất dinh dưỡng từ vùng đất trồng lúa sẽ là rất đáng kể. Tuy nhiên, đây chỉ là các kết quả nghiên cứu ban đầu. Cần thu thập thêm thông tin về phân bón silic được sử dụng trong lưu vực sông Hồng, cũng như khảo sát và phân tích thêm mẫu đất và mẫu nước trong từng vùng canh tác theo mùa - vụ để đánh giá chính xác hàm lượng silic trong nước thải từ các vùng đất canh tác trong lưu vực sông Hồng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Cục Hóa chất, Bộ Công Thương, “Sổ tay một số kiến thức về phân bón vô cơ”, tr.24, (2015).

2. Đỗ Hải Triều, “Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón silica đến sinh trưởng, năng suất và chất lượng lạc trên đất phù sa cũ bạc màu tỉnh Vĩnh Phúc”, Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp, Trường Đại học Thái Nguyên, (2008).

3. Trần Thị Tường Linh, Võ Đình Quang, “Vai trò của silic đối với cây trồng”, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia Sử dụng hiệu quả phân bón Văn Điển ở Việt Nam,TP. Hồ Chí Minh - ngày 28/5/2015, Nhà xuất bản Nông nghiệp, tr. 268 – 281 (2015).

4. A. Alexandre, J.D Meunier, F.Colin and J.M. Koud, “Plant impact on the biogeochemical cycle of silicon and related weathering processes”, Geochim, Cosmochim. Acta 61, 677 - 682 (1997).

5. D.J Conley, Per Stalnacke, H. Pitkanen and A.Wilander, “The transport and retention of dissolved silicate by rivers in Sweden and Finland” Limnol. Oceanogr., 45(8), 1850 - 1853 (2000).

6. E Takahashi and J.F Ma, “Soil, fertilizer, and Plant Silicon Reseach in Japan”, www.Amazon.com (2002).

7. I Yoshinaga, A Miura, T Hitomi, K Hamada E. and Shiratani, “Runoff nitrogen from large size paddy field during crop period”, Agric Water Manage 87:217 - 222 (2007).

8. L.E Datnoff, G.H Snyder and G.H Korndorfer, “Studies in Plant Science 8: Silicon in Agriculture”, Elsevier (2001).

9. Le T.P.Q., G.Billen, J.Garnier, S.Thery, C.Fezard and Chau V.M, “Nutrient (N, P) budgets for the Red River basin (Vietnam and China)”, Global Biogeochemical Cycles, Vol. 19(2): 1 - 16 (2005).

10. Z Zhang, Y. Zhu, P. Guo, and G. Liu, “Potential loss of phosphorus from a rice field in Taihu Lake Basin”, J. Environ. Qual. 33: 1403 - 1412 (2004).

DISSOLVED SILICA CONTENTS IN AGRICULTURAL

RUNOFF IN THE RED RIVER BASIN

● PHUNG THI XUAN BINH

Electric Power University

● LE THI PHUONG QUYNH

Institute of Natural Products Chemistry,

Vietnam Academy of Science and Technology

ABSTRACT:

In soil, silica is a useful element for the plant growth and development. In water environment, together with phosphorus and nitrogen, silica plays an important role in the eutrophication occurrence relating to the algae bloom including toxic algae. The control of silica load which was lost from the land to the water by the erosion and leaching ways could significantly contribute to decrease eutrophication, especially in the coastal zone. This paper presents the initial results of the dissolved silica contents in the agricultural runoff from 6 main plants areas in the Red River watershed. The results show that the dissolved silica content in the wastewater from the flower fields (5.33 mgSi/L) is much higher than other planted fields (rice, industrial plants, maize and peanut). But due to the large area of the rice cultivation and high irrigated water volume, the silica load from the rice field is predicted to contribute an important diffuse source to the surface water in the Red River watershed.

Keywords: Silica, soil, the Red River watershed, rice, the flower fields.