Tài liệu Luận án nghiên cứu giải pháp xử lý rơm nhằm cải thiện môi trường đất trồng lúa ở đồng bằng sông cửu long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN XUÂN DŨ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ RƠM NHẰM CẢI THIỆN MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRỒNG LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC Cần Thơ – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN XUÂN DŨ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ RƠM NHẰM CẢI THIỆN MÔI TRƯỜNG ĐẤT TRỒNG LÚA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: Môi Trường Đất và Nước Mã số: 62 44 03 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. TRƯƠNG THỊ NGA Cần Thơ - 2016 TÓM TẮT Trong sản xuất nông nghiệp hiện nay vấn đề thâm canh tăng vụ lúa làm cho dưỡng chất trong đất bị cạn kiệt và mất cân đối và việc đốt đồng sau thu hoạch gây ô nhiễm môi trường đang được quan tâm. Nghiên cứu được thực hiện nhằm đưa ra giải pháp xử lý rơm tại ruộng giúp hạn chế đốt đồng góp phần cải thiện tính chất đất trồng lúa thâm canh. Các nội dung thí nghiệm trong nghiên cứu nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể như: 1) Đánh giá hiện trạng xử lý rơm tại các vùng thâm canh lúa thuộc tỉnh Tiền Giang và những ảnh hưởng của việc đốt đồng đến tính chất lý hóa đất lúa thâm canh; 2) Đánh giá khả năng ủ phân compost từ rơm và quá trình phân hủy rơm trên ruộng với việc bổ sung các chế phẩm sinh học; 3) Đánh giá hiệu quả của vùi rơm trên ruộng đến tính chất lý hóa đất và 4) Đề xuất quy trình xử lý rơm trên đồng ruộng. Kết quả đánh giá được hiện trạng xử lý rơm qua khảo sát hiện trạng sử dụng và xử lý rơm sau thu hoạch tại Tiền Giang trên cơ sở phỏng vấn 400 hộ dân sử dụng phiếu điều tra nông hộ tại các huyện Cái Bè, Cai Lậy, Chợ Gạo và Gò Công Tây. Có 92-97% ý kiến trả lời của người dân ở các huyện khảo sát cho rằng đốt đồng ở vụ Đông Xuân, trừ huyện Chợ Gạo có đến khoảng 95% số hộ tận dụng nguồn rơm sau thu hoạch. Vụ Thu Đông có 25-54% ý kiến nông dân tại huyện Cái Bè và huyện Cai Lậy để rơm phân hủy tự nhiên trên ruộng. Khảo sát, đánh giá tính chất lý hóa đất canh tác có đốt đồng lâu năm và không đốt đồng tại huyện Cái Bè qua thu mẫu đất ở độ sâu 0-20 cm tại ấp Mỹ Thuận, ấp Mỹ Trung xã Hậu Mỹ Bắc B và ấp Hậu Phú 1 xã Hậu Mỹ Bắc A. Tính chất đất canh tác có đốt đồng lâu năm như pH, đạm dễ tiêu, lân dễ tiêu, kali trao đổi thấp và có xu hướng tăng ở ruộng không đốt đồng. Đặc biệt, kết quả cho thấy đất đốt đồng lâu năm có hàm lượng chất hữu cơ thấp. Nghiên cứu ủ phân compost và bón trả lại chất hữu cơ từ rơm rạ và xử lý rơm tại ruộng là một giải pháp duy trì tính chất đất. Nghiên cứu ủ phân compost từ rơm được bố trí gồm 5 nghiệm thức với các chế phẩm Biomix, Emic, Trichomix-DT và nước thải Biogas. Kết quả cho thấy các chế phẩm này và nước thải Biogas có hiệu quả thúc đẩy quá trình phân hủy và rút ngắn thời gian phân hủy. Trong đó hai chế phẩm Trichomix-DT và Biomix đáp ứng được yêu cầu xử lý trên đồng ruộng. Nghiên cứu xử lý rơm tại đồng ruộng với các chế phẩm sinh học Biomix, Trichomix-DT, AT bio-decomposer. Kết quả cho thấy xử lý rơm trực tiếp trên đồng ruộng bằng chế phẩm sinh học làm giảm 70% khối lượng rơm, cung cấp lượng chất hữu cơ, làm tăng kali trao đổi trong đất. Bên cạnh đó góp phần làm tăng đạm dễ tiêu (NH4+ và NO3-) và lân dễ tiêu. Nghiên cứu đã xây dựng được quy trình xử lý rơm tại ruộng bằng chế phẩm sinh học thích hợp với điều kiện canh tác lúa ở huyện Cái Bè và có thể nâng cao khả năng áp dụng nhằm quản lý bền vững tài nguyên đất trồng lúa cụ thể trong điều kiện tỉnh Tiền Giang. Từ khóa: chế phẩm sinh học, lý hóa đất, lúa, ủ phân compost, xử lý rơm. i ABSTRACT Nowadays, the problems of intensive rice cultivation which have affected on depletion and imbalance of nutrients in the soil and rice straw burning which have caused environmental pollution should be solved for community. The study was conducted to propose solutions of straw treatments on the fields to limit crop burning, which improves the quality of paddy soil and decreases environmental pollution. Therefore, the aims of the study were 1) to assess the current situation of straw treatments on the intensive rice cultivation regions in Tien Giang province and the impact of rice straw burning on the physical and chemical properties of intensive soil; 2) to evaluate the possibility of composting straw and the decomposition process of straw on the fields with the addition of bio-products; 3) to evaluate the effectiveness of burying straw on the fields to the soil physical and chemical properties, and 4) to recommend straw treatment processes. By using questionnaires to interview four hundred households in Cai Be, Cai Lay, Cho Gao and Go Cong Tay about their current rice straw using and rice straw treatment after harvests. The result of surveys showed that 92-97% households burnt rice straw after harvesting in winter-spring croppings, except Cho Gao in which 95% of the households were continuously using the source of rice straw after harvesting. In autumn-winter croppings, 2554% of interviewed households in Cai Be and Cai Lay let the straw decompose naturally on the fields. The soil samples at a depth of 0 to 20 cm to assess the soil physical and chemical properties were collected in My Thuan Hamlet and My Trung Hamlet of Hau My Bac B Commune where people burn rice residues after harvest annually and Hau Phu 1 Hamlet of Hau My Bac A Commune where people don’t use this method. The burning rice straw soils have low pH, exchangeable ammonium, nitrate, phosphorus and potassium. These properties tend to get higher in the without burning rice straw soils. Especially, the results indicated that perennial burning cultivation soil had low organic matter concentration. Usage of organic matter from rice straw decomposition was the solution to maintain soil quality. Therefore, composting and handling straw in-situ was carried out. Composting straw was conducted with 5 treatments with bioproducts, including Biomix, Emic, Trichomix-DT and biogas wastewater. The result showed that these bio-products and biogas wastewater enhanced the composting process and shortened the time of decomposition; especially, the Trichomix-DT and Biomix were suitable for the treatment on the fields. The practical results of the study indicated that straw treatment in-situ using Biomix, TrichomixDT, AT bio-decomposer could reduce 70% the volume of straw and provide more organic matter and exchangeable potassium in the soil. Besides, the rice straw treatment on the fields with the bioproducts helped increase exchangeable ammonium, nitrate and phosphorus concentration in the soil. The study has developed the procedure of rice straw treatment in-situ by using bio-products. The usage of this procedure is suitable for households with rice cultivation conditions in Cai Be district. Furthermore, the application of the procedure could be enhanced to manage sustainably the land resources in Tien Giang Province. Keywords: bio-product, physical and chemical properties of soil, rice, composting, straw treatment. ii LỜI CẢM ƠN Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trương Thị Nga, Người đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi và cho những lời khuyên dạy hết sức quý báu để tôi hoàn thành luận án này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu trường Đại Học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên, Ban Giám Hiệu trường Đại học Sài Gòn, Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành chương trình. Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến chú Lê Văn Cạn chủ ruộng nơi tôi bố trí thí nghiệm đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành thí nghiệm ngoài đồng. Xin trân trọng ghi nhớ những đóng góp chân tình, sự động viên của người thân, bạn bè giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã giúp đỡ và động viên tinh thần để tôi hoàn thành tốt luận án. Một lần nữa xin chân thành biết ơn. Nguyễn Xuân Dũ iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà chính tôi đã thực hiện. Tất cả các số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Xuân Dũ iv MỤC LỤC Trang TÓM TẮT i ABSTRACT ii LỜI CẢM ƠN iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH BẢNG x DANH SÁCH HÌNH xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1 1.3 Nội dung nghiên cứu 2 1.4 Tính mới của luận án 2 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 2 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 2 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5 2.1 Sản xuất lúa và các vấn đề môi trường trong sản xuất lúa 5 2.1.1 Sản xuất lúa ở đồng bằng Sông Cửu Long 5 2.1.2 Sản xuất lúa tại khu vực nghiên cứu 5 2.1.3 Các vấn đề môi trường do đốt đồng trong canh tác lúa 7 2.1.4 Một số kết quả nghiên cứu về vấn đề đốt đồng gây ảnh hưởng đến tính chất lý hóa đất và năng suất lúa 8 2.1.5 Môi trường đất trồng lúa 9 2.2 Một số đặc tính lý, hóa học đất trong canh tác lúa 10 2.2.1 Dung trọng đất trồng lúa 10 2.2.2 pH đất trồng lúa 11 2.2.3 Độ dẫn điện trong đất (EC) 12 2.2.4 Eh đất trồng lúa 12 2.2.5 Đạm trong đất lúa 13 2.2.6 Lân trong đất lúa 15 v 2.2.7 Kali trong đất lúa 15 2.2.8 Các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa 16 2.3 Vai trò và sự chuyển hóa chất hữu cơ trong đất 17 2.4 Sự phân hủy và khoáng hóa chất hữu cơ từ rơm rạ sau thu hoạch 19 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy chất thải hữu cơ bằng ủ phân compost 21 2.5.1 Cơ chế của quá trình ủ phân compost 21 2.5.1.1 Sự phân hủy cellulose 21 2.5.1.2 Sự phân hủy lignin 23 2.5.1.3 Sự phân hủy protein 23 2.5.1.4 Sự phân hủy carbohydrate 23 2.5.2 Các giai đoạn trong quá trình ủ phân compost 24 2.5.3 Các yếu tố môi trường trong ủ phân compost 25 2.5.1 Ẩm độ của đống ủ 25 2.5.2 Thành phần nguyên liệu và tỷ số C/N 25 2.5.3 Nhiệt độ đống ủ 25 2.5.4 pH đống ủ 26 2.6 Các công trình nghiên cứu về biện pháp xử lý rơm rạ 26 CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 3.1 Phương tiện nghiên cứu 29 3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 30 3.2.1 Nội dung 1. Khảo sát hiện trạng sử dụng và xử lý rơm sau thu hoạch tại khu vực thâm canh lúa tỉnh Tiền Giang 30 3.2.2 Nội dung 2. Khảo sát, đánh giá tính chất lý hóa đất ở điều kiện canh tác có đốt đồng lâu năm tại huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang 31 3.2.3 Nội dung 3. Nghiên cứu xử lý rơm bằng ủ phân compost và xử lý trực tiếp trên đồng ruộng với các chế phẩm sinh học 34 3.2.4 Nội dung 4: Đánh giá đặc tính lý hóa đất thông qua xử lý rơm bằng chế phẩm sinh học trên đồng ruộng 43 3.2.5 Nội dung 5. Triển khai quy trình áp dụng thực tế giải pháp xử lý rơm trên đồng ruộng 44 3.3 Phương pháp xử lý số liệu 46 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 4.1 Phân tích và đánh giá hiện trạng xử lý rơm sau thu hoạch 47 4.1.1 Xử lý rơm rạ bằng hình thức đốt 49 4.1.2 Các hình thức sử dụng rơm rạ khác 50 vi 4.1.2.1 Sử dụng rơm trong chăn nuôi 50 4.1.2.2 Sử dụng rơm trong trồng dưa và các cây trồng cạn khác 51 4.1.2.3 Tận dụng rơm trồng nấm 51 4.1.2.4 Vùi rơm hay bỏ phân hủy rơm tự nhiên 51 4.1.3 Lượng rạ còn lại sau thu hoạch 52 4.1.4 Sử dụng phân bón 53 4.1.5 Hình thức thu hoạch 54 4.1.6 Năng suất lúa 55 4.1.7 Lợi nhuận trong canh tác lúa 55 4.1.8 Những thuận lợi và hạn chế của các biện pháp xử lý rơm của nông dân 56 4.2 Phân tích và đánh giá tính chất đất đốt đồng lâu năm 57 4.2.1 Phẫu diện điển hình tầng mặt đất trồng lúa 58 4.2.2 Tính chất đất đốt đồng tại huyện Cái Bè 58 4.2.2.1 Dung trọng đất trồng lúa 59 4.2.2.2 pH đất lúa 60 4.2.2.3 Chất hữu cơ trong đất 61 4.2.2.4 Hàm lượng đạm tổng số trong đất 62 4.2.2.5 Hàm lượng đạm NH4+-N trong đất 62 4.2.2.6 Hàm lượng đạm NO3--N trong đất 62 4.2.2.7 Hàm lượng lân tổng số trong đất 63 4.2.2.8 Hàm lượng lân dễ tiêu trong đất 63 4.2.2.9 Hàm lượng kali trao đổi 64 4.3 Nghiên cứu xử lý rơm bằng các chế phẩm sinh học 65 4.3.1 Nghiên cứu lựa chọn chế phẩm sinh học xử lý rơm thông qua giải pháp ủ phân compost 65 4.3.1.1 Diễn biến nhiệt độ trong quá trình xử lý rơm bằng cách ủ phân compost 65 4.3.1.2 Diễn biến Ẩm độ trong quá trình ủ phân compost 67 4.3.1.3 Sự giảm khối lượng rơm trong quá trình ủ phân compost 68 4.3.1.4 Diễn biến của giá trị pH trong quá trình ủ phân compost 69 4.3.1.5 Diễn biến hàm lượng carbon trong quá trình ủ phân compost 70 4.3.1.6 Diễn biến hàm lượng đạm tổng số trong quá trình ủ phân compost 72 4.3.1.7 Diễn biến tỷ số C/N trong quá trình ủ phân compost 73 4.3.1.8 Diễn biến hàm lượng lân tổng số trong quá trình ủ phân compost 75 4.3.1.9 Hiệu quả phân hủy rơm 76 vii 4.3.1.10 Đánh giả hiệu quả về mặt môi trường của giải pháp ủ phân compost từ rơm 77 4.3.2 Khảo sát sự phân hủy rơm rạ ngoài đồng ruộng 78 4.3.2.1 Đánh giá sự phân hủy rơm vùi trong đất theo thời gian 79 4.3.2.2 Tỷ số C/N của rơm 81 4.3.2.3 Điện thế oxy hóa khử (Eh) của nước trong đất 82 4.4 Ảnh hưởng của các biện pháp xử lý rơm rạ đến tính chất đất và năng suất lúa 84 4.4.1 Mô tả phẫu diện tầng mặt đất sau khi kết thúc thí nghiệm 84 4.4.2 Đánh giá hiệu quả xử lý rơm bằng chế phẩn sinh học lên tính chất đất 85 4.4.2.1 Dung trọng đất 85 4.4.2.2 pH đất 86 4.4.2.3 Độ dẫn điện trong đất (EC) 87 4.4.2.4 Hàm lượng carbon trong đất 88 4.4.2.5 Hàm lượng đạm dễ tiêu trong đất 90 4.4.2.6 Hàm lượng đạm tổng số trong đất 91 4.4.2.7 Hàm lượng lân dễ tiêu trong đất 92 4.4.2.8 Tỷ số C/N của đất 94 4.4.2.9 Năng suất lúa 95 4.4.2.10 Năng suất lúa thực tế vụ xuân hè 2014 96 4.5 Tính chất đất sau khi kết thúc thí nghiệm 97 4.6 Đánh giá hiệu quả ứng dụng thực tế xử lý rơm trên đồng xuộng 99 4.6.1 Phân tích những thuận lợi và khó khăn của quy trình theo mô hình SWOT 100 4.6.2 Thuận lợi về mặt kỹ thuật 101 4.6.3 Lợi ích về mặt chi phí đầu tư 101 4.6.4 Lợi ích về mặt môi trường 102 4.7 Quy trình xử lý rơm trên đồng ruộng 103 4.7.1 Giai đoạn 1: Chuẩn bị 103 4.7.2 Giai đoạn 2: Pha và phun chế phẩm 103 4.7.3 Giai đoạn 3: Xới rơm vào đất 104 4.7.4 Giai đoạn 4: Gieo hạt 104 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 105 5.1 Kết luận 105 5.2 Đề xuất 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 viii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt CB CEC CHC ĐBSCL DC ĐX EC Eh FAO HT N NT NT “A” P T/ha USDA Tiếng việt Cái Bè Khả năng trao đổi Cation (Cation exchange capacity) Chất hữu cơ Đồng bằng Sông Cửu Long Đối chứng Đông Xuân Độ dẫn điện (Electrical conductivity) Điện thế oxy hóa Tổ chức nông nghiệp và lương nông thế giới Hè Thu Đạm Nước thải Nghiệm thức “A” Lân Tấn/hecta Bộ Nông nghiệp Mỹ (United State Department of Agriculture) ix DANH SÁCH BẢNG Bảng Bảng 2.1: Diện tích trồng lúa phân theo huyện (ha) Trang 6 Bảng 2.2: Sản lượng lúa phân theo huyện (tấn) 6 Bảng 2.3: Hệ số phát thải của các khí CO, CO2, N2O và CH4 8 Bảng 1.4: Thế oxy hoá khử (Eh) của một số phản ứng hóa học trong đất Bảng 3.1: Phương pháp phân tích mẫu đất Bảng 3.2: Kết quả phân tích một số thành phần hóa học của rơm dùng trong thí nghiệm 13 33 34 Bảng 3.3: Kết quả phân tích đạm tổng số và lân tổng số của nước thải biogas dùng trong thí nghiệm 34 Bảng 3.4: Nghiệm thức thí nghiệm ủ phân compost từ rơm 35 Bảng 3.5: Phương pháp phân tích mẫu rơm 37 Bảng 3.6: Nghiệm thức thí nghiệm ngoài đồng 38 Bảng 3.7: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu đất 39 Bảng 4.1: Ý kiến của nông hộ về các hình thức sử dụng rơm sau thu hoạch 48 Bảng 4.2: Chiều cao, khối lượng rạ còn lại trên ruộng lúa vụ Đông Xuân 53 Bảng 4.3: Nông dân sử dụng phân Lân và Kali trong khu vực nghiên cứu 54 Bảng 4.4: Mô tả phẫu diện điển hình tầng mặt đất không đốt đồng và đất đốt đồng 58 Bảng 4.5: Tính chất đất đốt đồng lâu năm 59 Bảng 4.6: Tính chất đất không đốt đồng 59 Bảng 4.7: So sánh tính chất đất đốt đồng lâu năm và không đốt đồng 59 Bảng 4.8: Ước lượng khí phát thải do đốt đồng năm 2014 77 Bảng 4.9: Tỷ số C/N trong rơm của các nghiệm thức 81 Bảng 4.10: Mô tả phẫu diện điển hình tầng mặt đất đốt đồng lâu năm và đất sau thí nghiệm 84 Bảng 4.11: Hàm lượng carbon (%) của các nghiệm thức 89 Bảng 4.12: Hàm lượng đạm tổng số (% N) theo nghiệm thức và thời gian 92 Bảng 4.13: Hàm lượng lân dễ tiêu (mg/kg) theo nghiệm thức và thời gian 93 Bảng 4.14: Tỷ số C/N trong đất của các nghiệm thức 94 Bảng 4.15: Năng suất lúa thực tế vụ Xuân Hè 2014 97 Bảng 4.16: Tính chất đất sau khi kết thúc thí nghiệm 98 x DANH SÁCH HÌNH Trang HÌNH Hình 3.1: Vị tri thu mẫu và khu vực nghiên cứu 32 Hình 3.2: Bố trí thí nghiệm ủ phân compost từ rơm 35 Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên đồng ruộng 38 Hình 4.1: Lợi nhuận thu được sau khi thu hoach lúa của nông dân 56 Hình 4.2. Dung trọng tại điều kiện canh tác có đốt đồng và không đốt đồng 60 Hình 4.3: Diễn biến nhiệt độ trong đống ủ phân compost ở các nghiệm thức 66 Hình 4.4: Ẩm độ trong đống ủ phân compost ở các nghiệm thức 67 Hình 4.5: Sự giảm khối lượng rơm khi kết thúc thí nghiệm 68 Hình 4.6: Giá trị pH của rơm trong đống ủ phân compost 69 Hình 4.7: Hàm lượng carbon của rơm trong đống ủ phân compost 71 Hình 4.8: Hàm lượng đạm tổng số của rơm trong quá trình ủ phân compost 72 Hình 4.9: Tỷ số C/N của rơm trong đống ủ phân compost 74 Hình 4.10: Hàm lượng lân (P) tổng số của rơm trong đống ủ phân compost 76 Hình 4.11: Khối lượng rơm theo thời gian thí nghiệm 79 Hình 4.12: Tương quan giữa C/N và trọng lượng khô của rơm 82 Hình 4.13: Diễn biến của điện thế oxy hóa khử (Eh) của nước trong đất 83 Hình 4.14: Dung trọng đất trước và sau thí nghiệm 86 Hình 4.15: Sự thay đổi EC đất ở các điều kiện xử lý 88 Hình 4.16: Hàm lượng đạm dễ tiêu trong đất 90 Hình 4.17: Hàm lượng đạm dễ tiêu trong đất khi kết thúc thí nghiệm 91 Hình 4.18: Năng suất lúa thực tế ở các nghiệm thức xử lý rơm 95 Hình 4.19: Phân tích SWOT mô hình xử lý rơm trên ruộng 101 Hình 4.20: Quy trình xử lý rơm trên đồng ruộng 104 xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số thì nhu cầu lương thực của cả nước nói chung và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng ngày càng tăng. Trồng lúa ba vụ/năm đã giúp cho sản lượng lúa tăng lên đến 14-16 tấn/ha/năm, bù đắp được lượng lúa bị giảm do đất trồng lúa bị sử dụng vào mục đích khác (Nguyễn Bảo Vệ, 2010). Với diện tích trồng lúa ở ĐBSCL khoảng 4,24 triệu ha (Tổng cục thống kê, 2014) đã góp phần đảm bảo chiến lược an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu. Tuy nhiên, những năm gần đây năng suất lúa ở những vùng thâm canh lúa có chiều hướng giảm. Nguyên nhân là do sử dụng đất không hợp lý dẫn đến đất bị thoái hóa. Trong đó canh tác lúa 3 vụ liên tục trong năm đã làm giảm sự phân hủy chất hữu cơ trong đất, giảm khả năng hoạt động của sinh vật có lợi trong đất đã dẫn đến giảm khả năng cung cấp dưỡng chất của đất cho cây lúa. Bên cạnh những ảnh hưởng bất lợi trên, người dân thường xuyên đốt đồng sau mỗi vụ thu hoạch làm ảnh hưởng nguồn chất hữu cơ và dưỡng chất trả lại cho đất. Ngoài ra việc đốt đồng còn làm ảnh hưởng đến môi trường và sinh hoạt của người dân. Đốt đồng là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, phát thải khí nhà kính như CO2, CO, NOx, CH4. Những kết quả nghiên cứu trong thời gian qua cho thấy có thể tận dụng nguồn rơm rạ để sản xuất phân hữu cơ tại chỗ, làm tăng độ phì nhiêu cho đất, góp phần ổn định sự bền vững cho đất thâm canh và năng suất lúa. Tuy nhiên, nếu ủ rơm theo cách truyền thống, phơi khô và để rơm rạ phân hủy tự nhiên thì mất rất nhiều thời gian. Các nghiên cứu thực nghiệm ở Viện lúa ĐBSCL về ảnh hưởng của các phụ phẩm hữu cơ từ phế phẩm nông nghiệp được ghi nhận có hiệu quả làm giảm lượng phân bón sử dụng và tăng thu nhập cho nông dân (Trần Thị Ngọc Sơn và ctv, 2009, Lưu Hồng Mẫn, 2010). Những năm gần đây việc sử dụng phân hữu cơ trong sản xuất nông nghiệp đã được người dân quan tâm và sử dụng. Thị trường phân hữu cơ khá đa dạng, chất lượng rất biến động, một số được nhập khẩu với giá bán rất cao trong khi đó nhiều phế phẩm nông nghiệp tại chỗ có thể tận dụng làm phân hữu cơ chất lượng cao như rơm rạ, chất thải từ trại chăn nuôi, vừa giúp tăng hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp vừa giảm ô nhiễm môi trường. Hiện tại ở một số tỉnh trong khu vực ĐBSCL thu hoạch lúa bằng máy gặt đập liên hợp, rơm phun rải rác trên mặt đất, ngoài việc đốt đồng sau thu hoạch nông dân còn vùi rơm vào đất hay bỏ rơm trên đồng phân hủy tự nhiên khi mùa lũ tới. Do đó, quá trình canh tác cần phải thực hiện các giải pháp kỹ thuật để xử lý rơm trên đồng ruộng, hạn chế đốt đồng bảo nhằm vệ môi trường, cải thiện tính chất đất, vì vậy đề tài “Nghiên cứu giải pháp xử lý rơm nhằm cải thiện môi trường đất trồng lúa ở đồng bằng sông Cửu Long” đã được thực hiện. 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu * Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp xử lý rơm tại ruộng hạn chế đốt đồng góp phần cải thiện tính chất đất trồng lúa thâm canh. * Mục tiêu cụ thể: - Đánh giá hiện trạng xử lý rơm tại các vùng thâm canh lúa thuộc tỉnh Tiền Giang. - Đánh giá ảnh hưởng của việc đốt đồng đến tính chất lý hóa đất lúa thâm canh. - Đánh giá khả năng ủ phân compost từ rơm và quá trình phân hủy rơm trên ruộng với việc bổ sung các chế phẩm sinh học. - Đánh giá hiệu quả của việc vùi rơm trên ruộng đến tính chất lý hóa đất. - Quy trình xử lý rơm trên đồng ruộng. 1.3 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát hiện trạng sử dụng và xử lý rơm sau thu hoạch tại Tiền Giang. - Khảo sát, đánh giá tính chất lý hóa đất ở điều kiện canh tác có đốt đồng lâu năm tại huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang. - Nghiên cứu ủ phân compost từ rơm và xử lý rơm trên đồng ruộng với các chế phẩm sinh học - Đánh giá tính chất lý hóa đất sau khi kết thúc thí nghiệm qua nhiều vụ thí nghiệm liên tục từ vụ Đông Xuân năm 2013 đến vụ Đông Xuân năm 2015. - Triển khai quy trình áp dụng thực tế xử lý rơm trên đồng ruộng 1.4 Tính mới của luận án - Đánh giá được hiện trạng xử lý rơm và tính chất đất canh tác đốt đồng lâu năm tại huyện Cái Bè tỉnh Tiền Giang tại thời điểm nghiên cứu (2013-2015). - Lựa chọn được chế phẩm sinh học có hiệu quả trong xử lý rơm bằng ủ phân compost và vùi rơm tại ruộng. - Đánh giá được tốc độ phân hủy rơm trong điều kiện vùi rơm có sử dụng chế phẩm sinh học tại đồng ruộng. - Đánh giá được tác động của vùi rơm trên ruộng đến tính chất lý hóa đất và năng xuất lúa tại vùng thâm canh lúa huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang. - Đề xuất quy trình xử lý rơm tại ruộng thay thế đốt đồng phù hợp với đều kiện thâm canh lúa tại huyện Cái Bè tỉnh Tiền Giang. 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là ruộng canh tác lúa thâm canh 3 vụ, đốt đồng lâu năm và quá trình ủ sinh học. 2 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu: * Không gian: - Khảo sát hiện trạng sử dụng và xử lý rơm sau thu hoạch tại huyện Cái Bè, Cai Lậy, Chợ Gạo và huyện Gò Công Tây, tỉnh Tiền Giang. - Bố trí thí nghiệm ủ phân compost từ rơm tại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Đại học Cần Thơ. - Khảo sát lấy mẫu đất tại huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang - Bố trí thí nghiệm xử lý rơm với chế phẩm sinh học tại huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang. - Triển khai thực tế xử lý rơm trên đồng ruộng tại huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang. * Thời gian: - Khảo sát hiện trạng sử dụng và xử lý rơm sau thu hoạch thực hiện từ tháng 3 năm 2012 đến tháng 6 năm 2012. - Bố trí thí nghiệm ủ phân compost từ rơm từ tháng 3 năm 2012 đến tháng 8 năm 2012. - Khảo sát lấy mẫu đất tháng 3 năm 2013. - Bố trí thí nghiệm xử lý rơm với chế phẩm sinh học trong vụ Xuân Hè và Hè Thu 2013 và vụ Xuân Hè và Hè Thu 2014. - Triển khai thực tế xử lý rơm trên đồng ruồng vụ Xuân Hè 2015. * Quy mô: - Vật liệu, phương tiện: sử dụng chế phẩm sinh học Biomix, Emic, TrichomixDT, nước thải sau hầm ủ Biogas, chế phẩm AT bio-Decomposer. - Lấy mẫu: lấy 18 mẫu đất trong nghiên cứu thăm dò mùa Đông Xuân và Hè Thu năm 2013 và 18 mẫu nghiên cứu trong mùa Đông Xuân năm 2015. - Ủ phân compost: 50 kg rơm nguyên liệu, 12 đống ủ tương đương 1 m3. - Vùi rơm tại ruộng: diện tích mỗi ô thí nghiệm 5 m x 6 m, 12 ô thí nghiệm. - Đánh giá năng suất lúa, tính chất đất và quá trình phân hủy rơm. 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu là nguồn số liệu khoa học về tính chất đất ruộng lúa trong điều kiện canh tác có đốt đồng và không đốt đồng. - Công trình nghiên cứu là các số liệu khoa học cơ bản sử dụng cho giảng dạy và nghiên cứu trong với các đề tài tương tự. - Kết quả có thể dùng tham khảo cho các mô hình áp dụng xử lý rơm rạ trên đồng ruộng bằng chế phẩm sinh học. - Quy trình có thể được sử dụng ở những nơi đốt đồng có điều kiện tương tự. 3 * Ý nghĩa thực tiễn - Luận án cung cấp những thông tin khoa học về tính chất đất trong điều kiện canh tác đốt đồng lâu năm và không đốt đồng cho các nhà quản lý, hoạch định chính sách phát triển nông thôn và nông thôn mới. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khuyến cáo nông dân canh tác lúa theo hướng không đốt đồng, hướng đến canh tác lúa sinh thái và bền vững. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Sản xuất lúa và các vấn đề môi trường trong sản xuất lúa 2.1.1 Sản xuất lúa ở đồng bằng sông Cửu Long Với dân số trên 90 triệu người, phần lớn dân cư sống trong vùng nông thôn và hoạt động nông nghiệp, vì vậy kinh tế Việt Nam phụ thuộc rất nhiều vào cây lúa. Lúa là cây trồng chủ lực của đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), chiếm vị trí hàng đầu trong các loại cây nông nghiệp. Với vai trò và tích chất quan trọng của cây lúa nên ĐBSCL là vựa lương thực chủ yếu của cả nước, chiếm hơn 90% lượng gạo xuất khẩu hàng năm (Tổng cục thống kê, 2014). Việc sản xuất lúa ở ĐBSCL phát triển mạnh, cùng với sự phát triển của hệ thống thủy lợi và thủy nông nội đồng, những tiến bộ kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trên đồng ruộng. Với sản lượng lúa gạo lớn, đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu thì hàng năm lượng rơm rạ thu được trên diện tích đất lúa rất lớn. Theo Nguyễn Thành Hối (2008) đối với các giống lúa cao sản tỷ lệ lượng rơm so với lúa là 1:1, điều này cho thấy lượng rơm hàng năm ở ĐBSCL sinh ra rất lớn. Với sản lượng khoảng 25 triệu tấn lúa thu hoạch được (Tổng cục thống kê, 2014) thì tương ứng trên 25 triệu tấn rơm thải ra. Nếu tất cả nông dân ĐBSCL đều đốt đồng sẽ phát sinh một lượng lớn các khí gây hiệu ứng nhà kính gây hại cho sức khỏe con người. Song song với tập quán đốt đồng sau thu hoạch, nông dân không bón phân hữu cơ và sử dụng máy cày để làm đất sau mỗi vụ trong điều kiện đất ướt. Điều này dẫn đến thoái hóa về mặt vật lý cấu trúc đất bị phá hủy đã được ghi nhận (Trần Bá Linh, 2006). Sự suy thoái dần các tính chất đất làm cho năng suất lúa ngày càng giảm đi (Ngô Ngọc Hưng, 2009). Để đạt năng suất cao, nông dân đầu tư nhiều phân bón làm cho giá thành sản xuất tăng từ đó lợi nhuận thu được từ canh tác lúa giảm thấp (Nguyễn Thành Hối, 2008). 2.1.2 Sản xuất lúa tại khu vực nghiên cứu Tiền Giang là một trong các tỉnh sản xuất lúa lớn trong khu vực ĐBSCL. Tỉnh Tiền Giang có 11 đơn vị hành chính, bao gồm 01 thành phố, 02 thị xã và 08 huyện với diện tích đất tự nhiên 250.830,34 ha, đất nông nghiệp 191.390,54 ha trong đó đất trồng lúa 86.597,88 ha. Phần lớn các huyện đều sản xuất lúa ba vụ, đặc biệt huyện Cái Bè là huyện sản xuất lúa ba vụ liên tục trong năm và có diện tích và sản lượng lúa lớn nhất trong tỉnh, diện tích và sản lượng hàng năm được để hiện qua (Bảng 2.1 và Bảng 2.2). 5 Bảng 2.1: Diện tích trồng lúa phân theo huyện (ha) Đơn vị Mỹ Tho TX Gò Công TX Cai Lậy Tân Phước Cái Bè Cai Lậy Châu Thành Chợ Gạo G.Công Tây G.Công Đông Tân Phú Đông Đ.Xuân 2011 H.Thu 623 4.753 6.002 17.495 16.100 5.140 8.530 11.087 11.159 334 609 4.815 8.641 34.669 31.355 7.436 8.158 10.549 11.200 2.347 Thu Đông 614 4.978 790 2.286 8.050 10.688 10.830 2.734 Đ.Xuân 2012 H.Thu 611 4.787 6.436 17.573 15.706 5.125 8.013 10.906 11.219 211 603 4.857 9.957 34.838 31.158 7.274 7.687 10.864 11.176 2.507 Thu Đông 606 4.969 728 2.569 7.556 10.767 10.657 2.062 Đ.Xuân 2013 H.Thu 459 4.790 6.607 17.329 15.425 4.979 7.500 10.888 11.298 73 447 4.785 9.809 34.761 30.691 7.539 6.434 10.552 11.259 1.982 Thu Đông 448 4.959 758 1.974 6.198 10.648 10.565 2.468 2014 Đ.Xuân H.Thu 436 4.940 6.261 6.567 17.318 8.806 4.895 6.113 10.847 11.186 45 408 4.776 12.303 10.344 34.400 17.517 7.358 5.438 10.571 11.232 1.791 (Nguồn: Cục thống kê Tiền Giang. Niên giám thống kê, 2014) Bảng 2.2: Sản lượng lúa phân theo huyện (tấn) Đơn vị 2011 Đ.Xuân H.Thu Mỹ Tho TX Gò Công TX Cai Lậy Tân Phước Cái Bè Cai Lậy Châu Thành Chợ Gạo G.Công Tây G.Công Đông 3.667 26.752 38.722 122.690 113.036 35.091 - 2.834 22.088 39.635 181.874 164.337 34.443 - Tân Phú Đông - - 2012 Thu Đông 2.633 21.953 3.693 10.689 42.552 51.495 Đ.Xuân H.Thu 3.842 28.243 42.477 131.484 117.636 35.267 - 3.010 22.972 45.277 185.640 163.757 35.101 - - - - 2013 Thu Đông 2.563 21.938 3.401 12.139 40.156 51.961 Đ.Xuân H.Thu 2.946 27.782 42.944 129.282 115.086 34.854 - 2.285 22.609 44.967 189.000 167.214 37.965 34.777 - - - - 2014 Thu Đông 2.069 23.377 3.617 9.181 34.120 52.793 Đ.Xuân H.Thu 2.708 29.905 45.921 43.340 132.485 67.229 34.754 - 2.154 22.449 69.719 50.808 198.261 100.162 38.661 30.063 - - - - (Nguồn: Cục thống kê Tiền Giang. Niên giám thống kê, 2014) Sản lượng lúa của huyện Cái Bè những năm 2013 và 2014 khoảng 320.000 330.000 tấn/năm điều đó có nghĩa khoảng 330.000 tấn/năm rơm sinh ra trong sản xuất. Do canh tác lúa liên tục và để chuẩn bị vụ mới nông dân phải đốt đồng nhằm tận dụng thời gian và chi phí cho vụ mới. Theo nghiên cứu trước đây của Trần Bá Linh và Lê Văn Khoa, (2006) cho thấy đất vùng thâm canh tại Tiền Giang đã xuất hiện nén dẽ, dung trọng cao, ảnh hưởng năng suất lúa. Đốt đồng sẽ mất đi lượng lớn chất hữu cơ và thải các chất khí gây ô nhiễm môi trường (Gadde et al., 2009; Trần Bá Linh và ctv., 2010; Võ Thị Gương và ctv., 2010, Nguyễn Mậu Dũng, 2012; Trương Thị Nga và ctv., 2013). 6 2.1.3 Các vấn đề môi trường do đốt đồng trong canh tác lúa. Theo Bird et al. (2002) ở Mỹ, mỗi năm có hơn 200 triệu tấn rơm bị đốt. Năm 1989 có khoảng 400,000 ha lúa được trồng ở California, 95% đã bị đốt cháy trong lĩnh vực này, gây ra ô nhiễm không khí ở Central Valley và trên toàn tiểu bang. Hiện tượng đốt đồng rất lớn tại California và thải ra một lượng CO2 được ước tính nhiều hơn sự phát thải của cả ngành công nghiệp phát điện. Từ những năm 1991 bang California đã thông qua đạo luật về giới hạn đốt đồng. Pháp luật của tiểu bang California thông qua vào năm 1991 (Đạo luật Connelly-Areias-Chandler Rice Straw burning Reduction). Ở đạo luật này quy định nông dân không được đốt quá 25% lượng rơm trên cánh đồng nếu không được sự chấp nhận của liên bang và trong tương lai còn tiếp tục giảm tỷ lệ đốt đồng. Ở các nước châu Á hàng năm quá trình đốt đồng trong canh tác lúa và các phế phẩm nông nghiệp khác ngoài đồng phát thải một lượng lớn chất ô nhiễm và ước tính khoảng 100.000 tấn SO2, 960.000 tấn NOx, 379 triệu tấn CO2, 23 triệu tấn CO và 680.000 tấn CH4 (Streets et al., 2003). Ảnh hưởng môi trường lớn nhất của việc đốt rơm là lượng khói bụi thải ra gây ô nhiễm môi trường không khí và gây hại cho sức khỏe của người dân làm việc trên đồng và cộng đồng xung quanh. Trong năm loại khí CO2, CO, NO, NOx và SO2 đã được đo trong phòng thí nghiệm, CO2, CO, NO đã được phát hiện và đều vượt ngưỡng cho phép đặc biệt đối với những người làm việc trực tiếp trên ruộng hoặc nhà ở gần ruộng. Theo Ngô Thị Thanh Trúc (2005) ước tính khi đốt 1 tấn rơm sẽ thải ra 1.067,55 kg CO2 và 12,62 kg NO. Nếu tính trên tổng lượng rơm đốt ở 3 vụ trên địa bàn Ô Môn và Cai Lậy theo điều tra (3.606,37 tấn rơm), lượng khí CO2 thải ra là 3.849,48 tấn và 45,51 tấn NO. Các loại khí thải khác như SOx, NOx có thể tích tụ trong khí quyển gây ra tình trạng mưa axit cũng như gây ra bệnh tật cho con người (Nguyễn Lân Dũng, 2011; Nguyễn Mậu Dũng, 2012). Đốt đồng trong canh tác lúa thâm canh hàng năm thải ra một lượng lớn khói bụi gây ô nhiễm môi trường không khí và gây hại cho sức khỏe của người dân làm việc trên đồng và cộng đồng xung quanh (Nguyễn Mậu Dũng, 2012). Đốt đồng là một giải pháp dễ thực hiện và có thể diệt trừ các dịch bệnh có thể gây hại cho lúa. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho rằng việc đốt đồng đã làm cho môi trường sinh thái mất cân bằng, mất đi một số lượng đáng kể N, P và C trên đồng ruộng và làm tăng lượng khí gây ô nhiễm môi trường. Theo ước tính khi đốt 1 tấn rơm có ẩm độ 12,617% sẽ phát thải trung bình 80 kg CO, 700 kg CO2, 0.07 kg N2O và 20 kg CH4. Nếu độ ẩm của rơm tăng lên khi trong mùa mưa thì lượng N2O sẽ tăng (Trương Thị Nga và ctv., 2013). Tùy theo ẩm độ rơm khi đốt hệ số phát thải có thể thay đổi tùy theo từng loại khí sinh ra. 7