Tài liệu Nghiên cứu sử dụng cỏ vetiver (vetiveria zizanioides (l.) nash) để cải tạo đất bị ô nhiễm pb, as sau khai thác khoáng sản ở tỉnh thái nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LƢƠNG THỊ THUÝ VÂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỎ VETIVER (VETIVERIA ZIZANIOIDES (L.) NASH) ĐỂ CẢI TẠO ĐẤT BỊ Ô NHIỄM Pb, As SAU KHAI THÁC KHOÁNG SẢN Ở TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Trồng trọt Mã số: 62.62.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lƣơng Văn Hinh TS.NCVCC. Trần Văn Tựa THÁI NGUYÊN - 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực. Những kết luận của luận án chưa công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lương Thị Thúy Vân ii LỜI CẢM ƠN * Tôi xin trân trọng cảm ơn tới: - Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý đào tạo Sau đại học, khoa Tài nguyên và Môi trường trường Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. - Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Sinh - KTNN trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. * Với lòng biết ơn chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: - PGS.TS. Lương Văn Hinh người thầy đã chỉ ra hướng nghiên cứu, hướng dẫn tận tình, động viên và giúp đỡ từng bước đi của tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. - TS. NCVCC. Trần Văn Tựa người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nghiên cứu và hoàn thành luận án này. - Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học và Công nghệ cùng chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước KC.08.04/06-10 đã tài trợ kinh phí để thực hiện nghiên cứu này. - Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong quá trình nghiên cứu luận án. Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng 8 năm 2012 Nghiên cứu sinh Lương Thị Thúy Vân iii Lương Thị Thúy Vân MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................... ii Mục lục......................................................................................................... iii Danh mục ký hiệu các chữ viết tắt .............................................................. vii Danh mục bảng .......................................................................................... viii MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu................................................................................ 3 4. Ý nghĩa của đề tài ...................................................................................... 3 4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................... 3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................... 4 5. Những đóng góp mới của đề tài ................................................................ 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................... 5 1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất ........................................................ 5 1.1.1. Khái niệm về kim loại nặng ......................................................... 5 1.1.2. Đất ô nhiễm kim loại nặng do các hoạt động khai thác khoáng sản .................................................................................... 5 1.1.3. Tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm đất do kim loại nặng ........ 9 1.1.4. Sự tồn tại và chuyển hóa của các nguyên tố Pb, As ở trong đất và trong cây ....................................................................................... 12 1.2. Sử dụng thực vật xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng .......................... 17 1.2.1. Khái niệm chung ........................................................................ 17 iv 1.2.2. Các biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại nặng trong đất ..... 18 1.2.3. Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất ...................................................................................... 22 1.2.4. Phương pháp xử lý thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm ........ 22 1.2.5. Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại nặng trong đất ............................................................... 22 1.2.6. Một số kết quả nghiên cứu sử dụng thực vật để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam ............................ 25 1.3. Một số đặc điểm cơ bản của cỏ Vetiver và tình hình nghiên cứu sử dụng cỏ Vetiver cải tạo đất ô nhiễm ............................................ 27 1.3.1. Một số đặc điểm cơ bản của cỏ Vetiver ..................................... 27 1.3.2. Tình hình nghiên cứu, sử dụng cỏ Veitver cải tạo đất ô nhiễm trên thế giới và Việt Nam ............................................................. 30 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................................... 36 2.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 36 2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 36 2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................. 36 2.3.1. Phương pháp đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất ...................................................................................... 36 2.3.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm................................................... 38 2.3.3. Phương pháp thu mẫu và xác định các chỉ tiêu sinh trưởng của cây ........................................................................................ 42 2.3.4. Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ..................... 43 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 45 3.1. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất do quá trình khai thác khoáng sản tại khu vực khai thác thiếc (xã Hà Thượng, huyện Đại Từ) và khu vực khai thác chì - kẽm (xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ) tỉnh Thái Nguyên ........................................ 45 v 3.1.1. Khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng - Đại Từ - tỉnh Thái Nguyên ...... 46 3.1.2. Khu vực khai thác quặng Pb - Zn làng Hích, Đồng Hỷ, Thái Nguyên...... 48 3.2. Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm do quá trình khai thác khoáng sản ...... 50 3.2.1. Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm .................................................... 51 3.2.2. Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và tích lũy As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm .................................................... 62 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón đến khả năng sinh trưởng và khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm ....... 70 3.3.1. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng phân nhánh của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As ......................... 71 3.3.2. Ảnh hưởng của phân bón đến chiều cao thân lá và chiều dài rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As ....... 73 3.3.3. Ảnh hưởng của phân bón đến sinh khối của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As ................................... 77 3.3.4. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm ............................................... 82 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ trồng đến sinh trưởng, phát triển và tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver ............................................. 88 3.4.1. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng đẻ nhánh của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As ................................ 88 3.4.2. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến chiều cao thân lá và chiều dài rễ của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As .......... 90 3.4.3. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến sinh khối của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As ................................... 92 3.4.4. Ảnh hưởng của mật độ đến khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm..................................................... 98 3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến sinh khối và khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm .... 100 vi 3.5.1. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến sinh khối của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As .................... 100 3.5.2. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver ...................................................................... 102 3.6. So sánh tính chất của đất ô nhiễm Pb, As trước và sau khi trồng cỏ Vetiver ............................................................................. 104 3.7. Đề xuất biện pháp kỹ thuật trồng cỏ Vetiver cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản ........................... 105 3.7.1. Thời vụ trồng cỏ ....................................................................... 105 3.7.2. Làm đất ..................................................................................... 105 3.7.3. Mật độ trồng, phương pháp trồng ............................................ 106 3.7.4. Chăm sóc .................................................................................. 106 3.7.5. Bón phân .................................................................................. 107 3.7.6. Các lứa cắt ................................................................................ 107 3.7.7. Xử lý sinh khối ......................................................................... 108 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 110 Kết luận .................................................................................................. 110 Đề nghị................................................................................................... 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................... 123 PHỤ LỤC ................................................................................................. 124 vii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bộ KH và CNMT: Bộ Khoa học và Công nghệ môi trường BOD: Biochemical Oxygen Demand (chỉ số nhu cầu oxy sinh hóa) CEC: Cation Exchange Capacity (Dung tích trao đổi cation) COD: Chemical Oxygen Demand (chỉ số nhu cầu oxy hóa học) cs: cộng sự DAP: Diamino phosphate DW: Dry weight (Khối lượng khô) EEA: European Environment Agency (Cục môi trường châu Âu) FW: Fresh weight (Khối lượng tươi) HT: Hà Thượng ICP-MS: Inductively-Coupled Plasma-Mass Spectrometry (Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng) ppm: past per million (Nồng độ phần triệu) ppb: past per billion (Nồng độ phần tỷ) QCVN: Quy chuẩn Việt Nam SAS: Statistical Analysis System (Phần mềm phân tích thống kê) SKK: Sinh khối khô TCE: Tricloroetylen TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TKV: Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam TL: Tân Long TNHH NN: Trách nhiệm hữu hạn Nhà nước viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon .......................................................................... 6 Bảng 1.2. Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình ở Úc ...................................................................... 7 Bảng 1.3. Đánh giá mức ô nhiễm kim loại trong đất ở Hà Lan .................... 9 Bảng 1.4. Hàm lượng tối đa cho phép của các kim loại nặng được xem là độc đối với thực vật trong đất nông nghiệp ...................... 9 Bảng 1.5. Đánh giá ô nhiễm đất mặt bởi các kim loại nặng ở Ba Lan ....... 10 Bảng 1.6. Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số đối với As, Cd, Cu, Pb và Zn trong đất (tầng đất mặt) .................................. 11 Bảng 1.7. Khả năng linh động của một số nguyên tố kim loại nặng trong đất ...................................................................................... 12 Bảng 1.8. Hàm lượng As trong thực phẩm và cây trồng ............................ 16 Bảng 1.9. So sánh ngưỡng chịu kim loại nặng của cỏ Vetiver và các loài cỏ khác ................................................................................. 30 Bảng 2.1. Vị trí và đặc điểm của các điểm lấy mẫu ................................... 37 Bảng 2.2. Một số tính chất của đất thí nghiệm trong chậu ......................... 38 Bảng 2.3. Công thức thí nghiệm nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm ............... 39 Bảng 2.4. Một số tính chất của đất thí nghiệm ngoài đồng ruộng tại 2 khu vực nghiên cứu ..................................................................... 40 Bảng 2.5. Công thức thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón đến sự sinh trưởng, phát triển và khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm ........................................ 40 Bảng 2.6. Công thức thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ trồng đến sự sinh trưởng, phát triển và khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm ............................. 41 ix Bảng 3.1. Hàm lượng kim loại nặng trong đất ở khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng - Đại Từ - tỉnh Thái Nguyên ...................... 47 Bảng 3.2. Hàm lượng kim loại nặng trong đất ở khu vực khai thác quặng Pb - Zn xã Tân Long, Đồng Hỷ, Thái Nguyên ................ 50 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất đến sự phân nhánh của cỏ Vetiver ............................................................................. 52 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất đến chiều cao thân lá và chiều dài rễ của cỏ Vetiver ................................................. 54 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất đến sinh khối của cỏ Vetiver .................................................................................... 56 Bảng 3.6. Hàm lượng Pb trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ........................................................ 58 Bảng 3.7. Hàm lượng Pb trong rễ của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ................................................................. 59 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất đến đến khả năng phân nhánh của cỏ Vetiver ......................................................... 62 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất đến chiều cao thân lá và chiều dài rễ của cỏ Vetiver ................................................. 64 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất đến sự tạo thành sinh khối của cỏ Vetiver .......................................................... 65 Bảng 3.11. Hàm lượng As trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ..................................................... 66 Bảng 3.12. Hàm lượng As trong rễ của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ..................................................... 67 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng phân nhánh của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ........................................ 71 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của phân bón đến sự phân nhánh của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ............................................ 72 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của phân bón đến chiều cao thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ............................................ 73 x Bảng 3.16. Ảnh hưởng của phân bón đến chiều dài rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb.......................................................... 74 Bảng 3.17. Ảnh hưởng của phân bón đến chiều cao thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ............................................ 75 Bảng 3.18. Ảnh hưởng của phân bón đến chiều dài rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ......................................................... 76 Bảng 3.19. Ảnh hưởng của phân bón đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ............................................ 78 Bảng 3.20. Ảnh hưởng của phân bón đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ............................................ 79 Bảng 3.21. Ảnh hưởng của phân bón đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ............................................ 80 Bảng 3.22. Ảnh hưởng của phân bón đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ............................................ 81 Bảng 3.23. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng tích lũy Pb trong thân lá của cỏ Vetiver ............................................................... 83 Bảng 3.24. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng tích lũy Pb trong rễ của cỏ Vetiver ....................................................................... 84 Bảng 3.25. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng tích lũy As trong thân lá của cỏ Vetiver ............................................................... 85 Bảng 3.26. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng tích lũy As trong rễ của cỏ Vetiver ....................................................................... 86 Bảng 3.27. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng đẻ nhánh của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb ................................................. 88 Bảng 3.28. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng đẻ nhánh của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm As ................................................. 89 Bảng 3.29. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến chiều cao thân lá của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb ...................................................... 90 Bảng 3.30. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến chiều dài rễ của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb ...................................................... 91 xi Bảng 3.31. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến chiều cao thân lá của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm As ...................................................... 91 Bảng 3.32. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến chiều dài rễ của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm As ...................................................... 92 Bảng 3.33. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb ................................................. 93 Bảng 3.34. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm Pb ...................................................... 94 Bảng 3.35. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm As ................................................. 95 Bảng 3.36. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm As ...................................................... 97 Bảng 3.37. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng tích lũy Pb của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm ................................................ 98 Bảng 3.38. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng tích lũy As của cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm ................................................ 99 Bảng 3.39. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến sinh khối của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb .......................................... 100 Bảng 3.40. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến sinh khối của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As .......................................... 101 Bảng 3.41. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến khả năng tích lũy Pb của cỏ Vetiver .................................................................... 102 Bảng 3.42. Ảnh hưởng của chu kỳ thu hoạch đến khả năng tích lũy As của cỏ Vetiver.................................................................... 103 Bảng 3.43. Tính chất hóa học của đất ô nhiễm Pb, As trước và sau khi trồng cỏ Vetiver ................................................................ 104 xii DANH MỤC HÌNH Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ tuyển thiếc tại Hà Thượng, Đại Từ ................. 46 Hình 3.2. Sơ đồ khai thác chì và kẽm tại mỏ Làng Hích ............................ 48 Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất đến khả năng phân nhánh của cỏ Vetiver ................................................................... 52 Hình 3.4. Hàm lượng Pb trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ........................................................ 58 Hình 3.5. Hàm lượng Pb trong rễ của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ................................................................. 60 Hình 3.6. Tương quan giữa hàm lượng Pb trong đất với hàm lượng Pb trong thân lá và trong rễ của cỏ Vetiver ......................................... 61 Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất đến khả năng phân nhánh của cỏ Vetiver ................................................................... 63 Hình 3.8. Hàm lượng As trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ........................................................ 66 Hình 3.9. Hàm lượng As trong rễ của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ................................................................. 67 Hình 3.10. Tương quan giữa hàm lượng As trong đất với hàm lượng As trong thân lá và trong rễ của cỏ Vetiver .............................. 69 Hình 3.11. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ........................................ 93 Hình 3.12. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb ............................................ 94 Hình 3.13. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng thân lá của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ....................................... 96 Hình 3.14. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khối lượng rễ của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm As ............................................ 97 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thái Nguyên là một tỉnh giàu tài nguyên khoáng sản và có nhiều ngành công nghiệp khai khoáng, luyện kim. Mặc dù đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng do công nghệ lạc hậu, không có hệ thống xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ nên việc khai thác mỏ thường gây nên hiện tượng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Hoạt động của các mỏ khai thác than, quặng, phi quặng và vật liệu xây dựng như tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản, đổ thải, thoát nước mỏ,… đã phá vỡ cân bằng điều kiện sinh thái hình thành từ hàng chục triệu năm. Các chất thải từ các hoạt động khai thác khoáng sản có chứa kim loại nặng như: Pb, Zn, Cd, As, Ni, Cu,… thường được thải trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý gây ô nhiễm nặng nề môi trường đất và nước. Sau thời gian hoạt động của các mỏ khai thác và chế biến khoáng sản, thường phải mất nhiều năm chúng ta mới khắc phục được những hậu quả của nó. Sau khai thác, tầng đất mặt bị xáo trộn, trơ sỏi đá, các hiện tượng trượt lở, bồi lấp và tích tụ các chất rắn khiến cho chất lượng nước và đất ở các vùng khai thác khoáng sản bị ảnh hưởng. Một số khu vực đất đá thải còn có tiềm năng hình thành dòng axit mỏ, có khả năng hòa tan các kim loại nặng độc hại là nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với nước mặt và nước ngầm của khu vực. Quá trình ô nhiễm đất và nước dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm sự đa dạng sinh học. Đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa đất diễn ra nhanh hơn. Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên. Sự tích tụ cao các chất độc hại, các kim loại nặng trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người (Lưu Thế Anh, 2007) [6]. Việc xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng rất phức tạp và thường không triệt để do tính chất của đất bị thay đổi khi liên kết với kim loại nặng. Nhiều phương pháp hóa - lý đã được lựa chọn để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng như: rửa đất, bê tông hóa, đào đất bị ô nhiễm chuyển đến nơi chôn lấp thích hợp, kết tủa hóa học, oxy hóa khử, phản hấp phụ ở nhiệt độ thấp, xử lý nhiệt, trao đổi ion,... Vấn đề hạn chế của những phương pháp này là chi phí quá cao so với điều kiện kinh tế ở các nước đang phát triển, mặt khác môi trường đất sau khi xử lý không thể tái sử dụng được (Lê Văn Khoa và cs, 2007) [34]. Do vậy, ngoài những phương pháp xử lý 2 đất ô nhiễm truyền thống trước đây thì phương pháp sử dụng thực vật đang là hướng nghiên cứu có triển vọng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới bởi tính hiệu quả về kinh tế, đơn giản và thân thiện với môi trường. Phương pháp này tuy mới mẻ ở Việt Nam nhưng đã được thực hiện như một công nghệ thương mại trên thế giới từ những năm 1990 của thế kỷ trước. Đó là một quá trình, trong đó dùng thực vật để thải loại, di chuyển, tinh lọc và trừ khử các chất ô nhiễm trong đất thông qua nhiều cơ chế thuộc phạm trù chức năng thực vật. Những thực vật này sau đó được thu hoạch và xử lý như những chất thải nguy hại. Ở Việt Nam hiện nay, cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) đã được trồng thử nghiệm tại nhiều tỉnh thành trong cả nước với các mục đích khác nhau như: chống xói mòn, sạt lở, xử lý nước thải từ các trại chăn nuôi, phòng chống và giảm thiểu thiên tai ở miền Trung, xử lý chất độc hóa học điôxin ở A Lưới (Thừa Thiên Huế)... (Paul Truong, Trần Tân Văn và cs, 2006) [57]. Với những tính năng vượt trội, cỏ Vetiver còn được sử dụng để xử lý đất ô nhiễm, trong đó có đất ô nhiễm kim loại nặng. Một số nghiên cứu của Võ Văn Minh (2008) và Truong P. N. V. (2006) cũng đã chứng minh hiệu quả cải tạo đất của loài cỏ này [40], [111]. Tuy nhiên, sử dụng cỏ Vetiver để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản chưa thực sự được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu sử dụng cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) để cải tạo đất bị ô nhiễm Pb, As sau khai thác khoáng sản ở tỉnh Thái Nguyên” vừa là một minh chứng cho khả năng cải tạo đất của cỏ Vetiver, đồng thời đưa ra những biện pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện canh tác ở địa phương nhằm cải tạo, phục hồi diện tích đất bị thoái hóa và ô nhiễm sau khai thác khoáng sản, tăng diện tích đất có chất lượng tốt sử dụng cho sản xuất nông, lâm nghiệp. Qua đó giải quyết khó khăn về quỹ đất, tăng sản lượng nông nghiệp góp phần cải thiện đời sống của người nông dân đặc biệt là dân nghèo tại những vùng bị ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất tại khu vực khai thác thiếc (xã Hà Thượng, huyện Đại Từ) và khu vực khai thác chì - kẽm (xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ) của tỉnh Thái Nguyên. - Đánh giá khả năng chống chịu và khả năng tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trồng trên đất ô nhiễm Pb và ô nhiễm As. 3 - Nghiên cứu một số biện pháp nông học nhằm mục đích nâng cao khả năng cải tạo đất ô nhiễm của cỏ Vetiver. - Đề xuất một số biện pháp kỹ thuật sử dụng cỏ Vetiver để cải tạo, xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong thí nghiệm là loài cỏ (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) trồng trên môi trường đất ô nhiễm Pb, As sau khai thác khoáng sản. Cỏ giống do Trung tâm nghiên cứu đất và phân bón vùng trung du (Viện Thổ nhưỡng Nông hóa), huyện Hiệp Hòa, Bắc Giang cung cấp. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Từ năm 2006 - 2010, đề tài tiến hành khảo sát và xác định hàm lượng kim loại nặng ở 2 vùng mỏ khai thác khoáng sản của tỉnh Thái Nguyên; nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb, As của cỏ Vetiver trong đất ô nhiễm thực hiện tại trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên; thí nghiệm nghiên cứu các biện pháp canh tác nhằm tăng khả năng hấp thụ kim loại nặng của loài cỏ này được thực hiện tại 2 khu vực, đó là khu ruộng bị ô nhiễm As phía dưới mỏ thiếc, thuộc thôn 7, xứ Đồng Nhi, xã Hà Thượng, huyện Đại Từ và đất ô nhiễm Pb do khai thác mỏ Pb - Zn tại khu vực xóm Làng Mới, xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên. 4. Ý nghĩa của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài khẳng định, khi trồng cỏ Vetiver trên đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản, cỏ có khả năng chống chịu tốt và tích lũy Pb, As với hàm lượng cao trong cây. Những nghiên cứu ngoài thực địa nhằm mục đích tăng cường khả năng cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng của cỏ Vetiver như: kỹ thuật bổ sung phân bón, bố trí mật độ trồng và chu kỳ thu hoạch thích hợp,... là cơ sở khoa học rất có ý nghĩa cho việc nghiên cứu và sử dụng cỏ Vetiver cải tạo đất ô nhiễm nói chung, đặc biệt là những vùng đất ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản. 4 4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài “Nghiên cứu sử dụng cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) để cải tạo đất bị ô nhiễm Pb, As sau khai thác khoáng sản ở tỉnh Thái Nguyên” được tiến hành trực tiếp trên môi trường đất bị ô nhiễm Pb, As do nước thải của mỏ khai thác khoáng sản, vì vậy kết quả nghiên cứu của đề tài hoàn toàn có ý nghĩa thực tiễn nên việc lựa chọn biện pháp sử dụng cỏ Vetiver để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng là hoàn toàn khả thi. Các nông hộ có đất bị ô nhiễm hoặc các công ty khai thác khoáng sản đều có thể sử dụng để phục hồi môi trường đất ô nhiễm sau khai thác. Kết quả nghiên cứu này là một giải pháp góp phần khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường đất của tỉnh Thái Nguyên và là cơ sở để nhân rộng mô hình xử lý này cho những khu vực đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Đây là nghiên cứu đầu tiên và có hệ thống về khả năng tích lũy Pb, As và khả năng cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản của cỏ Vetiver ở Việt Nam. - Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb, As trong các bộ phận của cỏ Vetiver cũng như định lượng khả năng loại bỏ các nguyên tố này khỏi đất ô nhiễm. - Nghiên cứu sự phối kết hợp giữa các biện pháp kỹ thuật canh tác (bón phân, mật độ trồng, chu kỳ thu hoạch) để tăng cường khả năng cải tạo đất ô nhiễm Pb, As của cỏ Vetiver. - Đề xuất biện pháp kỹ thuật trồng cỏ Vetiver để cải tạo những vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng do quá trình khai thác khoáng sản. Trong đó, kỹ thuật sử dụng phân bón, mật độ trồng và chu kỳ thu hoạch là những yếu tố quyết định đến khả năng cải tạo đất của cỏ. 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất 1.1.1. Khái niệm về kim loại nặng Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4 hoặc 5. Chúng bao gồm: Pb (tỷ trọng 11,34), Cd (tỷ trọng 8,60), Ag (tỷ trọng 10,50), Bi (tỷ trọng 9,80), Co (tỷ trọng 8,90), Cu (tỷ trọng 8,96), Cr (tỷ trọng 7,10), Fe (tỷ trọng 7,87), Hg (tỷ trọng 13,52), Mn (tỷ trọng 7,44), Ni (tỷ trọng 8,90), Zn (tỷ trọng 7,10),... Ngoài ra các á kim như As, Se cũng được xem như các kim loại nặng. Các kim loại nặng là tác nhân ô nhiễm nguy hiểm đối với hệ sinh thái đất, chuỗi thức ăn và con người. Những kim loại nặng có độc tính cao nguy hiểm là thủy ngân (Hg), cadimi (Cd), chì (Pb), niken (Ni); các kim loại có độc tính mạnh là asen (As), crom (Cr), mangan (Mn), kẽm (Zn) và thiếc (Sn) [62], [69]. Như vậy, kim loại nặng là một khái niệm không chặt chẽ, nó chủ yếu đề cập đến những kim loại và á kim có liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống. Theo Lê Văn Khoa và cs (1996), kim loại nặng có thể cần thiết cho cây trồng. Chúng tham gia vào các quá trình sinh lý, hóa sinh trong cây như những nguyên tố khác. Nhiều loài thực vật thể hiện khả năng tích lũy độc đáo. Thí dụ, nhôm được tích lũy trong cây chè; bạc được tích lũy trong cây hành, tỏi; kẽm trong cây hướng dương, đậu đỗ; crôm trong cây thuốc lá; đồng trong cây ngô, cây chè,... [31]. Một số kim loại không cần thiết cho sự sống, không có chức năng sinh hóa, được gọi là các nguyên tố vết không chính yếu như asen, chì, thủy ngân… những kim loại này khi vào cơ thể sinh vật ngay cả dạng vết cũng có thể gây tác động độc hại (Đặng Đình Bạch và cs, 2006) [9]. Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điều kiện sống, tồn tại của sinh vật sống trong môi trường đó. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. 1.1.2. Đất ô nhiễm kim loại nặng do các hoạt động khai thác khoáng sản Hiện nay, tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các nguyên nhân phổ biến gây ô nhiễm đã được xác định, đó là do chất thải của các hoạt động khai khoáng, chất 6 thải từ các khu công nghiệp, các làng tái chế kim loại, thuốc bảo vệ thực vật và chất thải đô thị,... Theo đánh giá của các chuyên gia, công nghiệp khai thác mỏ đã và đang gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức độ nghiêm trọng nhất, là một thực tế đáng báo động hiện nay. Các dạng ô nhiễm môi trường tại những mỏ đã và đang khai thác rất đa dạng như ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm. Các tác nhân gây ô nhiễm là axit, kim loại nặng, cyanide, các loại khí độc… Hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt, nước ngầm ở nhiều nơi do ô nhiễm kim loại nặng có nguồn gốc công nghiệp như Ni, Cr, Pb, As, Cu, Se, Hg, Cd… cần phải sớm có giải pháp xử lý [2], [3], [8], [54], [55]. Công đoạn nào của quá trình khai thác khoáng sản cũng đều gây nên ô nhiễm kim loại vào đất, nước, không khí và cơ thể sinh vật. Sự nhiễm bẩn kim loại không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại nhiều năm sau kể từ khi mỏ ngừng hoạt động. Theo Lim H. S và cộng sự (2004), tại mỏ vàng - bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số kim loại ở mức cao [82]. Bảng 1.1. Hàm lƣợng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon Đơn vị: ppm Đất bình Nguyên Bãi thải quặng Đất vùng núi Đất trang trại thƣờng trên tố thế giới As 3 584 - 143 813 695 - 3 082 7 - 626 6,0 Cd 2,2 - 20 1,32 0,75 0,35 Cu 30 - 749 36 - 89 13 - 673 30 Pb 125 - 50 803 63 - 428 23 - 290 35 Zn 580 - 7 541 115 - 795 63 - 110 90 Hg 0,09 - 1,01 0,19 - 0,55 0,09 - 4,90 0,06 Nguồn: H.S. Lim và cộng sự, 2004 [82] Theo các tác giả thì bãi thải đuôi quặng ở đây là nguồn điểm gây ô nhiễm các kim loại cho đất ở những khu vực xung quanh. Hàm lượng các kim loại cao trong đất trang trại là do sự phát tán kim loại bởi gió, nước từ các bãi quặng đuôi. Đa số cây trồng ở các khu đất bị nhiễm kim loại đã bị nhiễm As và Zn ở mức cao. 7 Môi trường đất tại các mỏ vàng mới khai thác thường có độ kiềm cao (pH: 8 - 9), ngược lại ở các mỏ vàng cũ, thường có độ axit mạnh (pH: 2,5 - 3,5); dinh dưỡng trong đất thấp và hàm lượng kim loại nặng rất cao. Chất thải ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất. Ở Úc, chất thải từ các mỏ vàng chứa hàm lượng các kim loại nặng vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần (ANZ, 1992) [66]. Bảng 1.2. Hàm lƣợng kim loại nặng trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình ở Úc Kim loại nặng As Cr Cu Mg Pb St Zn Hàm lƣợng kim loại nặng tổng số (ppm) 1 120 55 156 2 000 353 335 283 Nguồn: ANZ, 1992 [66] Nằm ở khu vực Đông Nam châu Á, Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú và đa dạng, nền công nghiệp mỏ Việt Nam đã được bắt đầu từ lâu và có những đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế của đất nước. Tuy nhiên ngành công nghiệp mỏ của Việt Nam cũng có những tác động trực tiếp đến nguồn tài nguyên không thể tái tạo cũng như nhiều yếu tố môi trường khác như đất, nước, không khí, cảnh quan và hệ sinh thái đặc biệt là vấn đề chiếm dụng đất. Cho đến nay, chưa có công trình nào có số liệu hoàn chỉnh về mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các vùng mỏ. Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện được khoảng 5000 mỏ và điểm quặng, khoảng 1000 mỏ đã và đang được tổ chức khai thác. Riêng diện tích đất chiếm dụng đối với một số mỏ khoáng sản kim loại đã ngừng khai thác lên tới 3749 ha. Số lượng mỏ đang hoạt động trên cả nước gần 900 mỏ, trong đó mỏ khoáng sản kim loại là 90 [10]. Nhiều khu vực khai thác khoáng sản trái phép không chú ý đến các vấn đề môi trường trong quá trình khai thác và không được hoàn thổ đã gây hậu quả xấu đến môi trường nước, môi trường đất, gây ảnh hưởng đến việc