Nghiên cứu khả năng tích lũy Cacbon hữu cơ trong đất rừng có cây Guột và đề xuất giải pháp tăng cường

LỜI CAM ĐOAN
Học viên: Lê Hương Giang

Lớp 24KHMT11

Chuyên ngành đào tạo: Khoa học môi trường

Mã HV: 1681440301002
Mã số: 60440301

Tôi xin cam đoan luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Vũ Đức Toàn và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh với đề tài "Nghiên cứu khả năng tích
luỹ cacbon hữu cơ trong đất rừng có cây guột và đề xuất giải pháp tăng cường dự

trữ cacbon trong đất". Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung
thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào. Kết quả nghiên cứu là một phần trong
bài báo gửi đến tạp chí Catena trong đó tôi là đồng tác giả. Việc sử dụng các tài liệu
trích dẫn trong luận văn đã được ghi nguồn theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày

tháng

Học viên

Lê Hương Giang

i

năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm
giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện tốt nhất từ sự hướng dẫn tận tình quý báu của các
thầy cô và các bạn đã hỗ trợ cho học viên hoàn thành luận văn.
Lời đầu tiên cho học viên xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy
Lợi, Khoa Môi trường đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và
hoàn thành luận văn này.

Đặc biệt với lòng biết ơn sâu sắc học viên xin được chân thành cảm ơn PGS.TS. Vũ
Đức Toàn bộ môn Hoá cơ sở, Khoa Môi trường, Trường Đại học Thuỷ Lợi và
PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh, Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường Đất, Khoa Môi
trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã trực tiếp
hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và góp ý cho học viên trong việc hoàn thành nghiên cứu
luận văn.
Cuối cùng, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các cán bộ
cùng làm việc tại Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, Bộ môn Công nghệ môi
trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội, đã luôn giúp đỡ tôi hoàn
thành luận văn của mình.
Đề tài thực hiện vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về mặt thời gian, kinh nghiệm và
kiến thức. Vì vậy học viên rất mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô

để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Học viên xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Lê Hương Giang

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 4
1.1. Sự hình thành, tích luỹ cacbon hữu cơ trong đất ................................................. 4

1.1.1. Khái niệm và nguồn cacbon hữu cơ trong đất .............................................. 4
1.1.2. Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất ............................................................. 6
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất ...................... 8
1.2. Khái quát về cây guột ........................................................................................... 9
1.2.1. Đặc điểm sinh học của cây guột ................................................................... 9
1.2.2. Ý nghĩa môi trường của cây guột ............................................................... 10
1.2.3. Một số ứng dụng khác của cây guột ........................................................... 11
1.3. Khái quát sự hình thành tích luỹ phytolith trong cây và trong đất .................... 12
1.3.1. Silic trong đất .............................................................................................. 12
1.3.2. Sự tích luỹ sillic và vai trò của phytolith trong thực vật ............................ 17
1.3.3. Sự hình thành phytolith trong thực vật ....................................................... 23
1.3.4. Con đường tích luỹ phytolith vào đất ......................................................... 28

1.4. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ trong đất ................................... 29
1.4.1. Sự hình thành thể hỗn hợp “phytolith – chất hữu cơ” trong thực vật ......... 29
1.4.2. Các yếu tố quyết định đến sự hoà tan của phytolith và phytOC ................ 32
1.4.3. Định lượng phytolith trong đất ................................................................... 33
1.5. Tình hình nghiên cứu về phytolith ở Việt Nam ................................................. 36
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 38
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 38
2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 40
2.2.1. Thu thập tài liệu .......................................................................................... 40
2.2.2. Phương pháp lấy mẫu ngoài hiện trường .................................................... 40
2.2.3. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm......................................... 41
2.2.4. Phương pháp thống kê ................................................................................ 46

CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 48
3.1. Đặc điểm, hình thái và tính chất lý hoá học của cây guột ................................. 48
3.1.1. Hình thái và cấu trúc phytolith của cây guột (D. linearis) .......................... 48
3.1.2. Kết quả thành phần hoá học của cây guột .................................................. 50
3.1.3. Tốc độ phân hủy (hòa tan) của phytolith từ cây guột ................................. 51
3.2. Đặc điểm tính chất lý hoá của đất rừng có cây guột ............................................. 54
3.2.1. Thành phần hóa học và một số đặc tính lý hóa học đất .............................. 54
iii


3.2.2. Đánh giá hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất nghiên cứu......................... 56
3.3. Xây dựng mối tương quan giữa phytolith và các tính chất cơ bản của đất ....... 59

3.3.1. Hàm lượng phytolith trong đất nghiên cứu ................................................ 59
3.3.3. Hàm lượng phytolith và các tính chất đất bằng hồi quy đa biến ................ 65
3.4. Đề xuất giải pháp tăng cường dự trữ cacbon trong đất nghiên cứu ................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 78

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hình ảnh cây guột tại vị trí lấy mẫu thuộc huyện Ngân Sơn, Cao Bằng ...... 10
Hình 1.2. Các dạng silic trong môi trường đất [10] ...................................................... 13

Hình 1.3. Sự biến đổi của DSi trong đất [16] ................................................................ 15
Hình 1.4. Các dạng Si sinh học trong đất [19] .............................................................. 16
Hình 1.5. Phytolith trong cây lúa [24] ........................................................................... 18
Hình 1.6. Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại năng ở thực vật [43] .. 21
Hình 1.7. Vòng tuần hoàn của phytolith trong đất [26] ................................................ 23
Hình 1.8. Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật [50] .......................... 26
Hình 1.9. Hình thái thường gặp của phytolith [Nguyễn Ngọc Minh 2016] .................. 27
Hình 1.10. lượng C bị giữ lại trong đất bởi phytolith (PhytOC) so với C tổng số được
vùi vào đất qua thời gian [25]. ....................................................................................... 31
Hình 1.11: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau [46] ............. 32
Hình 1.12. Sơ đồ tách phytolith từ đất bằng dung dịch nặng [58] ................................ 34
Hình 1.13. Minh hoạ cho phương pháp luận sử dụng để giải thích cho sự hoà tan đồng

thời Si từ khoáng trong suốt quá trình chiết dạng ASi. [4] ........................................... 35
Hình 2.1. Thảm phủ guột ở mẫu nghiên cứu ................................................................. 38
Hình. 2.2. Sơ đồ địa điểm lấy mẫu ................................................................................ 39
Hình 2.3. Hình ảnh lấy mẫu cây guột ngoài hiện trường .............................................. 40
Hình 2.4. Hình ảnh lấy mẫu đất ngoài thực tế ............................................................... 41
Hình 3.1. Hình ảnh chụp cắt lớp mẫu thân cây guột D. linearis mô tả mặt cắt ngang
hình ảnh cấu trúc 3D tái tạo trên phần mềm YaDiV. .................................................... 49
Hình 3.2. Hình ảnh chụp cắt lớp mẫu lá cây guột D. linearis mô tả mặt cắt ngang hình
ảnh cấu trúc 3D tái tạo trên phần mềm YaDiV. ............................................................ 50
Hình 3.3. Tốc độ hòa tan các mẫu phytolith có được từ xử lý nhiệt và xử lý với H2O2
(a) và mối quan hệ giữa Al và Si giải phóng từ quá trình hòa tan các mẫu phytolith (b).53
Hình 3.4: Hàm lượng Al và Fe chiết bằng amonioxalat của các mẫu đất nghiên cứu .. 55

Hình 3.5. So sánh kết quả OC tích lũy ở các tầng đất 0 – 20 cm và 20 – 40 cm .......... 58
Hình 3.6. Tương quan giữa hàm lượng cacbon hữu trong đất và sinh khối của guột của
các ô tiêu chuẩn. ............................................................................................................ 58
Hình 3.7. So sánh phytotlith ở 2 tầng đất nghiên cứu ................................................... 60
v


Hình 3.8. So sánh hàm lượng phytolith trong một số hệ sinh thái ................................ 61
Hình 3.9. Chỉ số F1 so với F2 cho thấy sự khác biệt giữa hàm lượng phytolith trong
đất và tính chất đất đã chọn ........................................................................................... 64
Hình 3.10. So sánh (a) và tương quan chéo (b) giữa hàm lượng Si phân tích và hàm
lượng Si dự đoán sử dụng mô hình hồi quy đa. ............................................................ 66

Hình 3.11. So sánh phytolith trong cây guột D. linearis so với phytolith đất (Si) và
tổng lượng Si trong đất. ................................................................................................. 67

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thông tin cơ bản về khu vực nghiên cứu ...................................................... 39
Bảng 3.1. Thành phần hoá học của các mẫu cây guột D. linearis và sinh khối trên mặt
đất (giá trị trung bình với độ lệch chuẩn trong ngoặc) .................................................. 51
Bảng 3.2. So sánh độ hoà tan của các mẫu phytolith (các mẫu nhận được từ xử lý theo
phương pháp tro hóa khô ở nhiệt độ khác nhau và xử lý tro hóa ướt với H2O2)........... 52

Bảng 3.3: Tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu .................................................... 54
Bảng 3.4. Hàm lượng cacbon hữu cơ trong các mẫu đất nghiên cứu............................ 56
Bảng 3.5: Hàm lượng phytolith trong các mẫu đất nghiên cứu .................................... 59
Bảng 3.6. Hàm lượng phytolith và tính chất lý hoá của đất. ......................................... 62
Bảng 3.7. Hệ số Pearson biểu diễn mối tương quan giữa phytolith, chất hữu cơ, pH,
EC, hàm lượng sét và hàm lượng Al, Fe linh động trong đất ....................................... 63
Dựa trên số liệu đã phân tích các chỉ tiêu lý hoá học trong đất nghiên cứu ở bảng 3.3.
sau đó sử dụng phần mềm SPSS 20 để tính cho ra được bảng kết qủa phân tích hồi quy
Bảng 3.10. Kết quả phân tích hồi quy đa biến dự đoán hàm lượng phytolith ............... 65

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASi

:

Silic vô định hình

BSi

:

Silic sinh học

DSi

:

Silic hòa tan

MSi

:

Silic trong khoáng vật

OC

:

Cacbon hữu cơ

PSi

:

Si ở dạng hạt

PCA

:

Principal Components Analysis

Alox

:

Hàm lượng Al đi động được chiết bằng oxalat

Feox

:

Hàm lượng Fe đi động được chiết bằng oxalat

LOI

:

Lượng mất do bay hơi

viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cacbon hữu cơ trong đất, đóng vai trò rất quan trọng trong sự hình thành độ phì nhiêu
của đất, cacbon hữu cơ tác động tới tất cả các quá trình sinh, lý, hoá học xảy ra ở trong
đất. Sự chuyển hoá cacbon hữu cơ trong đất còn đóng vai trò làm cân bằng cacbon trên
trái đất. Ở Việt Nam với diện tích đồi núi chiếm khoảng

¾ diện tích đất tự nhiên, lại

nằm trong vùng nhiệt đới khí hậu, nóng ẩm mưa nhiều, là điều kiện thuận lợi để chất
hữu cơ trong đất bị phân giải và quá trình khoáng hoá xảy ra nhanh hơn, dẫn đến phần
lớn diện tích đất tự nhiên ở các vùng đồi núi có hàm lượng chất hữu cơ không cao
nghèo chất dinh dưỡng. Trong tự nhiên nguồn cung cấp, bổ sung cacbon hữu cơ duy
nhất là thực vật và phân hữu cơ [1]. Chính vì thế việc tìm ra một loài cây có khả năng
sống trong môi trường khắc nghiệt nghèo chất dinh dưỡng mà luận văn hướng tới đó
chính là cây guột. Guột cũng như các loài thực vật khác trong quá trình sinh trưởng nó
hút thu các chất dinh dưỡng từ đất trong đó có Si vô cơ ở dạng hoà tan, và lượng Si vô
cơ hoà tan này sẽ kết tủa thành cấu trúc phytolith ở dạng vô định hình trong sinh khối

của cây guột, và cấu trúc phytolith này có khả năng bao bọc và cô lập chất hữu cơ
trong cấu trúc của nó. Khi được hoàn trả về môi trường đất, phytolith như một “lá
chắn” bảo vệ chất hữu cơ trong cấu trúc của nó khỏi các tác động lý hóa (ví dụ: quá
trình hòa tan), các tác nhân sinh học (phân hủy do vi sinh vật). Nhờ đó, chất hữu cơ
trong cấu trúc phytolith được bảo vệ và lưu giữ trong môi trường đất lâu dài hơn [2].
Nghiên cứu mối quan hệ giữa phytolith và sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất được đề
cập trong rất nhiều nghiên cứu gần đây, đặc biệt tập trung vào các hệ sinh thái nơi có
các loài thực vật có khả năng hút thu nhiều Si (siêu tích lũy Si) ví dụ như: đất lúa,
đồng cỏ, rừng tre nứa [3]. Tuy nhiên, có rất ít thông tin về sự hình thành và tích lũy
phytolith trong các loài thuộc họ dương xỉ, là những loài cũng có khả năng tích lũy
nhiều Si và xuất hiện rất phổ biến ở vùng nhiệt đới hay á nhiệt đới. Do vậy, đóng góp
của cây guột đối với sự tích lũy phytolith và cacbon hữu cơ trong đất vẫn còn là một

câu hỏi mở cần được quan tâm.

1


Nên nghiên cứu đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng tích luỹ cacbon hữu cơ
trong đất rừng có cây guột và đề xuất giải pháp tăng cường dự trữ cacbon trong
đất”, nghiên cứu sẽ tập trung vào các vùng có cây guột và lựa chọn những mục tiêu
chính sau.
2. Mục tiêu của đề tài
 Nghiên cứu được khả năng tích luỹ cacbon hữu cơ trong đất rừng có cây guột
 Xây dựng được mối quan hệ giữa phytoltih với hàm lượng cacbon hữu cơ

trong đất
 Đề xuất giải pháp tăng cường dự trữ cacbon hữu cơ trong đất
3. Nội dung nghiên cứu
 Xác định cấu trúc, hình thái, tốc độ hoà tan của phytolith và thành phần hoá học
trong cây guột
 Xác định sự tích luỹ của phytolith và thành phần hoá học trong đất
 Đánh giá hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất và xây dựng mối quan hệ với
phytolith từ cây guột Dicranopteris linearis.
 Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đất đến sự tồn tại của
phytolith và tích lũy cacbon hữu cơ trong đất
4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
 Đối tượng của nghiên cứu: Cacbon hữu cơ trong đất rừng có cây guột và

Phytolith trong đất và cây
 Phạm vi nghiên cứu: Về mặt không gian. Các mẫu nghiên cứu của luận văn
được lấy ở 5 địa điểm nghiên cứu khác nhau nằm rải rác tại các tỉnh một số
vùng ở miền núi phía Bắc Việt Nam trong đợt khảo sát tháng 12/2016 theo
tuyến lấy mẫu Hà Nội – Bắc Kạn –Cao Bằng – Hà Giang – Sơn La.
 Phạm vi nghiên cứu về mặt thời gian: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng
10 tháng. Các mẫu đất và cây được phân tích trong phòng thí nghiệm để tạo ra

2


cơ sở dữ liệu và các dữ liệu này được xử lý thống kê để tìm ra những yếu tố

quyết định đối với sự tích lũy chất hữu cơ trong đất.
 Cách tiếp cận của đề tài: Đề tài tiếp cận một cách gián tiếp bằng cách xây dựng
các mối tương quan giữa chất hữu cơ với phytolith, tương quan với các yếu tố
lý hoá học môi trường, sau đó xây dựng được công thức tính ngoại suy lượng
phytolith trong đất.
Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phương pháp thu thập số liệu:
Nghiên cứu đã tham khảo và kế thừa gồm 67 tài liệu, báo cáo khoa học đã xuất bản
để làm cơ sở đánh giá tổng hợp để phục vụ cho luận giải kết quả nghiên cứu.
 Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu ngoài hiện trường:
Khảo sát thực địa và lấy mẫu được thu thập tại địa điểm lấy mẫu trên các địa hình và
nền thổ nhưỡng khác nhau và lấy theo phương pháp của chuyên gia, hỗn hợp và ngẫu

nhiên.
 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm:
Phân tích X-ray Tomography (cắt lớp siêu hiển vi tia X) là kỹ thuật mới sử dụng để
xác định hình thái và vị trí khu trú của oxit silic (phytolith) và chất hữu cơ trong mẫu
cây guột.
Phân tích thành phần hoá học của cây guột bằng nhiễu xạ huỳnh quang
Xác định hàm lượng phytolith trong đất theo phương pháp hòa tan trong Na2CO3 [4].
Một số thông số lý hóa môi trường đất (bao gồm cả cacbon hữu cơ) theo các phương
pháp thông dụng.


Phương pháp thống kê:

Nghiên cứu này sử dụng một số phần mềm thông dụng (excel, SPPS, PCA, SPSS 20)
để tính toán và xây dựng hàm tương quan giữa các biến số, trong đó có mối quan hệ
giữa cacbon hữu cơ và phytolith trong đất.

5. Cấu trúc của luận văn

3


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Sự hình thành, tích luỹ cacbon hữu cơ trong đất

1.1.1. Khái niệm và nguồn cacbon hữu cơ trong đất
Cacbon hữu cơ trong đất đóng vai trò quan trọng đối với tất cả quá trình xảy ra trong
đất và có tác động đến hầu hết các tính chất lý, hoá, sinh học của đất, cacbon hữu cơ là
thành phần cacbon có trong chất hữu cơ của đất, ký hiệu là OC. Chất hữu cơ trong đất
là một trong bốn hợp phần cơ bản của đất: phần khoáng, phần chất hữu cơ, phần
không khí đất và dung dịch, cacbon hữu cơ có ý nghĩa quan trọng đối với độ phì nhiêu
của đất, bao gồm các tàn dư thực vật và động vật ở các giai đoạn phân huỷ khác nhau,
các tế bào và mô của sinh vật đất và các chất tổng hợp bởi các sinh vật đất. Đây là hợp
phần quan trọng và có tác động mạnh trong quá trình hình thành, phát triển và duy trì
độ phì nhiêu của đất. Cacbon hữu cơ của đất ảnh hưởng đến nhiều tính chất đất, như
khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, khả năng hấp thụ, giữ nhiệt và kích thích sinh
trưởng cây trồng [5]. Cacbon hữu cơ là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng và năng

lượng chủ yếu trong hệ sinh thái đất.
Trong đất tự nhiên nguồn hữu cơ cung cấp duy nhất cho đất là tàn dư sinh vật bao gồm
xác thực vật và phân hữu cơ.
1.1.1.1. Tàn dư sinh vật
Sinh vật sống trong đất, lấy chất dinh dưỡng từ đất để sinh trưởng, phát triển khi chết
để lại những tàn dư sinh vật (xác hữu cơ). Trong tàn tích sinh vật, chủ yếu chiếm tới
4/5 là tàn tích thực vật màu xanh. Trong quá trình sống chúng quang hợp tạo chất hữu
cơ và khi chết chúng để lại cho đất, thân, rễ, cành, lá, quả và hạt [6].
Thực vật màu xanh có nhiều loại, số lượng và chất lượng chất hữu cơ chúng đưa vào
đất cũng khác nhau. Cây gỗ sống lâu năm cung cấp chủ yếu là cành, lá khô và quả
rụng tạo thành trên mặt đất một tầng thảm mục ở đất rừng, sau đó mới bị phân giải bởi
vi sinh vật đất. Cây thân cỏ cho lượng chất hữu cơ nhiều và tốt hơn, lượng hữu cơ mà

chúng để lại trong đất chủ yếu lại là rễ ở vùng đồng cỏ lượng rễ để lại trong đất ở tầng
mặt hàng năm là rất lớn. Ngoài thực vật màu xanh còn có xác động vật và vi sinh vật,
4


lượng của chúng không nhiều, song chất lượng lại rất tốt đối với dinh dưỡng cây trồng.
Thành phần hoá học của những tàn tích hữu cơ rất khác nhau tuỳ thuộc vào nguồn gốc
của chúng. Nhìn chung các tàn tích hữu cơ chứa đến 75% - 90% là nước. Trong thành
phần chất khô, ngoài các chất gluxit, protit, lipit, lignin, tanin, nhựa, sháp, tàn tích hữu
cơ còn chứa một lượng nhất định các nguyên tố vô cơ như Si, Ca, Fe, Mg.
1.1.1.2. Phân hữu cơ
Đối với những nơi có mức độ thâm canh cao thì phân hữu cơ là một nguồn lớn bổ

sung chất hữu cơ cho đất. Trong những năm 70, 80 của thế kỷ 20, ở nhiều vùng đất,
người dân thu hoạch cả hạt lẫn cây, vì vậy phân hữu cơ gần như nguồn chính để tăng
lượng mùn trong đất. Hiện nay có nhiều loại phân hữu cơ như: phân chuồng phân bắc,
phân rác, phân xanh, bùn ao. Số lượng và chất lượng của chúng tuỳ theo trình độ kỹ
thuật canh tác, thâm canh cây trồng ở mỗi nơi [1].
Quá trình hình thành hữu cơ trong đất từ các nguồn trên. Sự biến hoá xác hữu cơ trong
đất là một quá trình sinh hoá học phức tạp, xảy ra với sự tham gia trực tiếp của vi sinh
vật, động vật, oxy không khí và nước. Xác thực vật tồn tại trên mặt đất hoặc trong các
tầng đất, trong quá trình phân giải chúng mất cấu tạo, hình dạng ban đầu và biến thành
những hợp chất hoạt tính hơn, dễ hoà tan hơn. Một phần những hợp chất này được
khoáng hoá hoàn toàn, sản phẩm của quá trình này là nước, một số khí và những hợp
chất khoáng đơn giản, trong số đó có nhiều chất dinh dưỡng cho thực vật thế hệ tiếp

sau. Một phần được vi sinh vật dùng để tổng hợp protit, lipit, gluxit và một số hợp chất
mới, xây dựng cơ thể chúng và khi chúng chết đi lại được phân huỷ. Phần thứ ba biến
thành những hợp chất cao phân tử có cấu tạo phức tạp đó là những hợp chất mùn.
Những hợp chất mùn này lại có thể bị khoáng hoá.
Quá trình khoáng hoá là quá trình biến đổi chất hữu cơ thành chất vô cơ với sự tham
gia của các men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp sẽ bị thuỷ phân, phân
giải và tạo ra những sản phẩm trung gian như protein, peptit, axit amin và cuối cùng là
sự oxy hoá hoàn toàn những hợp chất hữu cơ. Quá trình này diễn ra theo 2 giai đoạn
nhỏ là sự thối mục chất hữu cơ diễn ra trong quá trình hiếu khí và tạo ra các sản phẩm
oxy hoá hoàn toàn thành các sản phẩm: (CO2, H2O, NO-3, PO43-SO42-… đây là quá

5

trình toả nhiệt. Giai đoạn tiếp theo là thối rữa là quá trình vi sinh vật phân giải chất
hữu cơ xảy ra trong quá trình kỵ khí (có thể do vi sinh vật hiếu khí phát triển quá
nhanh đã sử dụng hết oxy hoặc do thiếu oxy do ngập nước), và bên cạnh những sản
phẩm bị oxy hoá hoàn toàn như CO2, H2O còn tạo ra một lượng lớn các chất khử trong
điều kiện yếm khí và sản phẩm cuối cùng tạo thành từ các sản phẩm trung gian bao
gồm: CH4, H2S, NH3, PH3, H2, CO2… Khoáng hoá là quá trình phân huỷ các hợp chất
hữu cơ tạo thành các hợp chất khoáng đơn giản, sản phẩm cuối cùng là những hợp chất
tan và khí [2].
1.1.2. Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất
Chất hữu cơ không chỉ là kho dinh dưỡng cho cây trồng mà còn có thể điều tiết nhiều

tính chất đất theo hướng tốt. Vai trò của chúng được thể hiện ở những điểm chính sau:
Chất mùn có vai trò quan trọng trong sự hình thành cấu trúc đất và duy trì độ bền cấu
trúc của đất. Nó gắn kết các phần tử cơ học với nhau tạo thành các đoàn lạp có độ bền
cao giúp cho việc chống xói mòn và các ngoại lực khác tác động vào đất [3].
Hàm lượng chất hữu cơ trong đất và độ bền cấu trúc có liên quan chặt chẽ với nhau.
Hằng năm do được bổ sung xác hữu cơ thực vật vào trong đất đã làm tăng thêm khả
năng duy trì độ bền cấu trúc trong đất. Trong đất thường xảy ra quá trình suy thoái
chất hữu cơ nhanh hơn quá trình tích luỹ chúng. Chính vì vậy việc duy trì độ bền cấu
trúc đất đòi hỏi bổ sung chất hữu cơ cho đất, nhất là đất trồng ở các vùng nhiệt đới, địa
hình có độ xáo trộn mạnh.
1.1.2.1. Đối với quá trình hình thành tính chất đất
Chất hữu cơ và mùn trong đất là dấu hiệu cơ bản phân biệt đất với đá mẹ. Sự tích luỹ

của chất hữu cơ và mùn trong đất gắn liền với sự phát sinh đất. Sự tích luỹ chất hữu cơ
và mùn tập trung ở tầng đất mặt là dấu hiệu hình thái quan trọng biểu thị độ phì nhiêu
của đất.
- Ảnh hưởng tới lý học của đất
Chất hữu cơ và mùn có tác dụng cải thiện trạng thái kết cấu đất, các keo mùn gắn các
hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết dính tốt, bền vững, từ đó ảnh hưởng đến toàn
6


bộ lý tính của đất như chế độ nước (tính thấm và giữ nước tốt hơn), chế độ khí, chế độ
nhiệt (sự hấp thụ và giữ nhiệt tốt hơn), các tính chất vật lý phổ biến của đất, việc làm
đất cũng dễ dàng hơn. Nhờ đó mà nếu đất giàu chất hữu cơ người ta có thể trồng trọt

tốt cả nơi có thành phần cơ giới quá nặng hoặc quá nhẹ.
- Ảnh hưởng tới tính hoá học đất:
Chất hữu cơ xúc tiến các phản ứng hoá học, cải thiện điều kiện oxy hoá, gắn liền với
sự di động và kết tủa của các nguyên tố vô cơ trong đất. nhờ có nhóm định chức các
hợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói chung làm tăng khả năng hấp phụ của đất, giữ
được các chất dinh dưỡng, đồng thời làm tăng tính đệm của đất.
1.1.2.2. Đối với sinh vật
Đối với các sinh vật sống trong đất, chất hữu cơ và mùn vừa là nguồn thức ăn vừa là
môi trường sống của quần thể sinh vật này. Đối với cây, chất hữu cơ vừa là kho dự trữ
vừa là nguồn cung cấp thức ăn cho cây sinh trưởng và phát triển:
Chất hữu cơ đất (kể cả các chất mùn và ngoài mùn) đều chứa một lượng khá lớn các
nguyên tố dinh dưỡng N, P, K, Ca, Ma và các nguyên tố vi lượng trong đó đặc biệt là

N, những nguyên tố này được giữ một thời gian dài trong các hợp chất hữu cơ đất vừa
cung cấp thức ăn thường xuyên vừa là kho dự trữ dinh dưỡng lâu dài của cây trồng
cũng như vi sinh vật đất. Chất hữu cơ là nguồn lớn cung cấp CO 2 cho thực vật quang
hợp, các hoạt tính sinh học, chất sinh trưởng tự nhiên, men, vitamin) kích thích sự phát
sinh và phát triển của bộ rễ, làm nâng cao tính thẩm thấu của màng tế bào, huy động
dinh dưỡng. Ngoài ra chất hữu cơ còn có tác dụng duy trì bảo vệ đất [5, 7].
1.1.2.3. Chất hữu cơ đất có tác dụng duy trì bảo vệ đất
Chất hữu cơ chứa các hợp chất kháng sinh cho thực vật chống lại sự phát sinh sâu
bệnh và lá của thực vật rất lớn làm tăng hoạt tính của hầu hết vi sinh vật đất. Tăng
cường sự phân giải của vi sinh vật hoặc xúc tác cho sự phân giải các thuốc bảo vệ thực
vật trong đất, chất hữu cơ còn đóng vai trò như một chất mang và hấp phụ cố định các
chất gây ô nhiễm trong đất làm giảm mức độ dễ tiêu của các chất độc cho thực vật.

7


1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất
Chất hữu cơ trong đất có vai trò vô cùng quan trọng đối với đất đai và cây trồng. Tuy
nhiên quá trình hình thành chất hữu cơ cũng như để duy trì mức độ ổn định của chất
dinh dưỡng trong đất còn phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố sinh học, hoá học và lý
học của đất, những yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hàm lượng chất hữu cơ thông
qua tàn tích sinh vật có từ rất lâu đời trên bề mặt đất như:
- Thảm phủ thực vật: Việc thường xuyên duy trì thảm phủ thực vật sẽ giúp cung cấp
cho bề mặt đất một lượng lớn chất hữu cơ, giúp cho vi sinh vật đất có nguồn thức ăn

cũng như quá trình trao đổi hoá sinh làm tăng khả năng mùn hoá, làm cho đất có độ tơi
xốp giữ được độ ẩm đất. Tuy nhiên khi con người can thiệp và canh tác cây trồng và
kỹ thuật không hợp lý cũng sẽ là nguyên nhân dẫn đến sự ảnh hưởng đối với chất và
lượng của chất hữu cơ trong đất.
- Thành phần xác hữu cơ: quá trình khoáng hoá các hợp chất hữu cơ khác nhau không
giống nhau. Khoáng hoá mạnh nhất là các loại đường, tinh bột, sau đó đến protit,
hemicenlulo và cenlulo, bền vững hơn cả là lignin, sáp, nhựa, cho nên đối với những
tàn tích sinh vật khác nhau, có thành phần hoá học khác nhau thì tốc độ các quá trình
khoáng hoá không thể giống nhau. Tỷ lệ C/N trong thành phần hữu cơ là yếu tố đặc
biệt quan trọng đối với tốc độc phân hủy chất hữu cơq [5].
- Vi sinh vật: Trong đất nhờ có các vi sinh vật phân huỷ xác sinh vật và tổng hợp thành
mùn thực vật cung cấp vật chất hữu cơ cho đất, phá huỷ đá động vật sống trong đất

góp phần làm biến đổi tính chất đất.
- Các tính chất lý hóa môi trường đất: Tốc độ mùn hóa để hình thành chất hữu cơ và
khoáng hóa để phân hủy chất hữu cơ cũng phụ thuộc vào pH, thành phần cơ giới đất,
độ ẩm, nhiệt độ [2]. Khoáng hoá cần điều kiện thoáng khí, nước, nhưng nếu độ ẩm cao
quá gây ra yếm khí, vi sinh vật khó hoạt động. Ở các điều kiện độ ẩm khoảng 70%, đủ
ánh sáng, pH 6,5 - 7,5, nhiệt độ 25˚ - 30˚C là thích hợp cho sự hoạt động của vi sinh
vật, và do đó khoáng hoá xảy ra mạnh mẽ. Những điều kiện này thích hợp với đất có
nhiệt độ ẩm như ở Việt Nam, cho nên ở nước ta các quá trình khoáng hoá rất mạnh,
phân giải ra nhiều chất dinh dưỡng cho cây trồng, nhưng đồng thời chất hữu cơ và
8

mùn trong đất bị phá huỷ nhanh chóng làm cho đất không nhiều mùn và ít đạm, vì vậy
đối với đất nhẹ, cần có biện pháp giảm tốc độ khoáng hoá.
- Một số yếu tố khác: Đá mẹ và địa hình cũng có thể có vai trò nhất định đối với sự
tích lũy chất hữu cơ. Địa hình cũng là một trong những yếu tố quyết định đến chất
lượng của chất hữu cơ trong đất, nếu ở môi trường điều kiện địa hình khí hậu không
thuận lợi thì sẽ làm thay đổi nhiệt độ, độ ẩm sẽ làm mất khả năng giữ các chất dinh
dưỡng và làm nghèo vi sinh vật có lợi, địa hình cũng dẫn đến xói mòn rửa trôi các chất
dinh dưỡng, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng tới quá trình tổng hợp chất hữu cơ trong
đất.
Ngoài các yếu tố trên thì hiện tượng xói mòn, sa mạc hoá, hạn hán, chính sách đất đai,
luật đất đai và tình hình thực hiện, cơ cấu cây trồng nghèo nàn, phá rừng cũng là
những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất.

1.2. Khái quát về cây guột
1.2.1. Đặc điểm sinh học của cây guột
Cây guột có tên khoa học là Dicranopteris linearis (D. linearis). Nó thuộc bộ
Gleicheniales, họ Gleicheniaceae, chi Dicranopteris. Họ Gleicheniaceae là một họ
thuộc ngành dương xỉ Polypodiophyta. Guột D. linearis là loài thực vật ưa sáng, có
mặt rộng ở rất nhiều vùng sinh thái trên trái đất, đặc biệt là ở vành đai nhiệt đới và cận
nhiệt đới. Guột D. linearis là loài chiếm ưu thế phát triển mạnh mẽ ở vùng nhiệt đới
ẩm, dưới cường độ ánh sáng cao, ở các khu vực bị xáo trộn mạnh như sạt lở đất hay
đất rừng bị suy thoái. Chúng sinh sản vô tính, thân rễ mọc ngầm dưới đất và bò lan
rộng trên mặt đất và leo lên các thảm thực vật khác, thường tạo thành những cây bụi
dày, có thể cao đến hơn 3 mét. Lá to, phiến rộng, chia lưỡng phân đều đặn, giữa các
nhánh có chồi phủ lông. Tận cùng lá là những lá phụ chẻ lông chim sâu, có chùy dạng

thuôn dài, tròn đầu, mép nguyên và cuốn lại, màu xanh, gân mảnh dạng lông chim.
Cây có cuống lá dài nhẵn bóng nâu đậm và phiến lá chia đôi đều đặn và xòe rộng. Sự
phát triển của cây tạo thành tấm thảm, từng lớp và lan rộng [7]. Do đó, khi nó trở
thành một tấm thảm dày đặc chúng có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc
chống lại sự xâm chiếm của các loài ngoại lai. Loài này phát triển và chiếm lĩnh rất
9


nhanh các khu vực đất mới bị phát quang và đóng vai trò tiên phong trong diễn thế
sinh thái, phục hồi rừng.

Hình 1.1. Hình ảnh cây guột tại vị trí lấy mẫu thuộc huyện Ngân Sơn, Cao Bằng

1.2.2. Ý nghĩa môi trường của cây guột
1.2.2.1. Vai trò của guột trong phục hồi đất và diễn thế sinh thái
Diễn thế sinh thái là quá trình biến đổi tuần tự của quần xã sinh vật qua các giai đoạn
khác nhau, từ trạng thái tiên phong được thay thế lần lượt qua các giai đoạn chuyển
tiếp bởi các dạng quần xã tiếp theo và cuối cùng dẫn tới một quần xã tương đối ổn
định và tồn tại lâu dài theo thời gian. Guột là loài phát triển và chiếm lĩnh rất nhanh
các khu vực đất mới bị phát quang và đóng vai trò tiên phong trong diễn thế sinh thái,
phục hồi rừng. Rõ ràng vai trò của guột mang lại một lượng lớn chất hữu cơ đối với sự
hình thành và phát triển của đất. Vì vậy, việc nghiên cứu các biện pháp để nâng cao
hàm lượng mùn hay tích lũy nhiều hơn CO2 vào sinh khối (dưới đất), bảo vệ chất hữu
cơ đất là rất cần thiết, nhất là trong điều kiện ở Việt Nam chất hữu cơ (mùn) dễ bị
khoáng hoá và rửa trôi khỏi đất.

Nghiên cứu vai trò của guột D. linearis như một loài chỉ thị sinh học cho các vùng đồi
núi, địa hình phức tạp, nghèo chất dinh dưỡng luôn bị xáo trộn bởi các tác động của
môi trường sẽ có giá trị về mặt kinh tế và môi trường vô cùng lớn. Guột là loài cây có
vòng đời ngắn chính vì vậy khi kết thúc chu trình sinh học của mình thì lượng hoàn trả
10


sinh khối cho đất hàng năm rất lớn [5], đóng góp tới 74% năng suất sơ cấp trên mặt đất
trong khu vực mà chỉ chứa 14% sinh khối thảm mục guột rất khó bị phân hủy sinh học
(tạp chí của hiệp hội Sinh thái của Vương Quốc Anh nghiên cứu về cây guột ở
HaWaii). Lá và thân cây D. linearis sau khi chôn vùi vào trong đất phân hủy rất chậm.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng phân giải chậm của guột là do lượng

lignin, tỷ lệ C/N và hàm lượng nhôm cao. Khi đó các mảnh vụn của lá và thân cây sẽ
tạo thành một lớp thảm phủ thực vật dày có thể lên đến một mét đóng vai trò như chất
nền riêng để nó phát triển. Nếu guột bị loại bỏ, các loài thực vật xâm lấn khác có thể di
chuyển và phát triển, vì vậy “một chức năng quan trọng” của guột là ngăn loài xâm lấn
xâm nhập vào rừng nhiệt đới.
1.2.2.2. Vai trò của cây guột trong cố định và tích lũy cacbon hữu cơ
Các loài thực vật trên mặt đất đều có khả năng cố định cacbon trong sinh khối và trong
đó có khoảng một nửa được bổ sung và tích luỹ lại trong đất. Do vậy, đất được xem là
bể chứa cacbon rất lớn và tham gia tích cực trong chu trình cacbon trong tự nhiên,
Thông thường, lượng xác hữu cơ bổ sung từ các thảm phủ thực vật cho đất hàng năm
là khá cao. Guột giống như các loài thực vật khác có thể tích luỹ cacbon trong cây nhờ
vai trò của phytolith hay còn gọi là “tế bào sinh học” được hình thành nhờ quá trình

sinh trưởng guột hút thu silic có trong đất và được kết tủa trong thành tế bào của nó.
Phytolith có vai trò giữ cacbon lại và sau khi vòng đời của guột kết thúc nó sẽ trả lại
cho đất một lượng cacbon hữu cơ và làm chậm quá trình giải phóng CO2 từ đất vào khí
quyển góp phần giảm biến đổi khí hậu toàn cầu [7, 8].
1.2.3. Một số ứng dụng khác của cây guột
Không chỉ có vai trò quan trọng trong môi trường sinh thái mà cây guột còn có nhiều
những ứng dụng khác. Việc tận dụng guột để làm vật liệu che tủ, phủ đồi núi trọc,
hoặc đồi mới khai hoang, nhờ các thảm phủ thực vật này mà các vi khuẩn hoạt động
và sử dụng chúng như nguồn thức ăn và sản phẩm là phân huỷ ra các chất hữu cơ cho
đất. Ngoài ra guột còn là một nguồn nguyên liệu quý giá để phát triển nghề thủ công
mỹ nghệ đan đồ gia dụng giúp mang lại nguồn thu nhập đáng kể cho các hộ gia đình ở
làng nghề.

11


Ngày nay, những sản phẩm của làng nghề lấy sợi từ thân cây guột kết hợp với các
nguyên liệu khác từ tre, nứa, bèo tây, mây, bẹ chuối tạo nên rất nhiều sản phẩm mỹ
nghệ có mẫu mã và chất lượng cao, với ưu thế từ nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự
nhiên, thân thiện với môi trường và dễ dàng tái tạo. Nên đã nhận được sự quan tâm
của người tiêu dùng trong cả nước và đã bắt đầu được các nước trên thế giới biết đến.
Guột còn là nguồn dược liệu quý trong đông y, những bộ phận có thể dùng được như:
rễ, chồi và thân (toàn cây) có thể dùng tươi hoặc phơi khô. Cây có tính mát, vị ngọt, có
tác dụng thanh nhiệt lợi niệu, khu đờm, chì huyết. Thường được dùng để chữa bệnh

tiết niệu, bạch đới, viêm phế quản cấp. Ngọn non dùng để ăn được. Nước chiết lá có
tính kháng sinh. Lá cây được sử dụng ở Madagascar làm thuốc trị hen suyễn. Thân rễ
được sử dụng trong dân gian làm thuốc trị giun. Guột còn mang lại giá trị thẩm mỹ,
giải trí cao từ những hình ảnh cảnh quan, khi đất trống đồi trọc được phủ bởi màu
xanh của guột ở những vùng núi phía tây bắc này sẽ giúp cho hệ sinh thái, đa dạng
sinh học thêm phong phú, tạo cho thiên nhiên những vùng này thêm sinh động. Giúp
cho việc khai thác du lịch sinh thái hiện nay đang có tốc độ phát triển nhanh và là
nguồn thu lợi lớn của người dân và địa phương.
Ngoài ra trong quá trình canh tác các loại cây công nghiệp ở các vùng đồi núi nghèo
chất dinh dưỡng, chất lượng đất rễ bị rửa trôi thì bà con còn dùng cây guột để làm các
nguồn nguyên liệu che tủ ở gốc cho cây nhằm tăng cường phục hồi đất trồng cũng như
cải thiện chất lượng cây trồng, che tủ còn có tác dụng giảm lượng bốc hơi, điều tiết

nhiệt độ của lớp đất mặt. Sử dụng tàn dư guột che tủ cho đất vào mùa khô, hạn chế sự
bay hơi nước bề mặt. Đa dạng cơ cấu cây trồng, tạo sinh khối nhanh, chuyển hoá hữu
cơ nhanh, có thể dùng các vật liệu hữu cơ khác nhau như [9].
1.3. Khái quát sự hình thành tích luỹ phytolith trong cây và trong đất
1.3.1. Silic trong đất
Trong đất, Si có mặt trong hầu hết tất cả các loại đá mẹ. Do đó, Si trở thành một trong
những nguyên tố cơ bản có mặt trong phần lớn các loại đất. Hàm lượng Si trong các
loại đất khác nhau thì khác nhau, phụ thuộc vào bản chất của đá mẹ và quá trình

12

chuyển hóa diễn ra trong đất. Si tồn tại khá ổn định và ở các pha bao gồm rắn, lỏng và
dạng hấp phụ

Hình 1.2. Các dạng silic trong môi trường đất [10]
Oxit Si rắn phổ biến nhất là khoáng chất silicat (MSi), chiếm hơn 90% của vỏ trái đất
và bao gồm các khoáng nguyên sinh và thứ sinh, có cấu trúc thấp (cấu trúc vô định
hình). Si sinh học ở dạng vô định hình trong đất có nguồn gốc chủ yếu từ phần oxit
silic kết tủa trong cơ thể thực vật gọi là phytolith và một phần từ tàn tích sinh vật tích
lũy Si (ví dụ: diatomit). Dưới tác động của quá trình phong hóa hóa học và sinh học thì
Si trong đá mẹ giải phóng vào trong đất thành các dạng: Si bị hấp phụ với một số hợp
chất có trong đất đặc biệt là oxit/hydroxit của Fe và Al; Si tồn tại ở các dạng hòa tan
trong dung dịch đất, trong pha rắn Si tồn tại trong các khoáng vô định hình, các

khoáng có cấu trúc tinh thể yếu, các tinh thể có cấu trúc micro và khoáng có cấu trúc
tinh thể [10].
1.3.1.1. Dạng silic trong khoáng vật
Các axit silicic hòa tan trong đất được hấp phụ vào một loạt các pha rắn của đất, bao
gồm các hạt sét, hydroxit Fe và Al [11]. Si trong khoáng vật gồm hai loại lớn: (1)
khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ (thạch anh, fenspat, mica) và (2) các
khoáng vật thứ sinh là kết quả của quá trình hình thành đất và bao gồm bốn giai đoạn:
tinh thể (chủ yếu khoáng vật sét), tinh thể thấp (thạch anh autigenic, opa CT,
chalcedon), các dạng khoáng vật nano có trật tự thấp (Opal A, imogolite, allophane),

13

oxit silic vô định hình [12]. Khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ quyết
định tính chất vật lý và hóa học của khoáng vật thứ sinh và các loại đất phát triển trên
đó. Sự hình thành các silicat trong đất thích hợp ở pHH2O > 5,0 [13]. Sự hình thành
khoáng thứ sinh trong môi trường đất có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như pH đất,
nhiệt độ, sự có mặt của các cation và các hợp chất hữu cơ. Quá trình phong hóa
khoáng vật nguyên sinh giải phóng ra nhiều cation linh động (Ca2+, Mg2+, K+, Na+),
một phần Si(OH)4 vào dung dịch đất [10]. Một phần của Si giải phóng từ cấu trúc
khoáng vật phản ứng với Al (và ở mức độ thấp hơn Fe và Mg) để tạo thành các
khoáng sét thứ sinh, trong khi phần còn lại bị rửa trôi.
1.3.1.2. Dạng silic hòa tan
Thành phần chính của dung dịch đất là axit silicic dưới dạng axit silicon monosilicic

(Si(OH)4). Axit silicic trong dung dịch đất có nồng độ Si trong khoảng 3,5 và 40 mg/l
[14]. Trong môi trường kiềm, axit monosilicic có thể chuyển thành dạng polyme,
thường gồm hai hay nhiều nguyên tử Si. Axit polysilicic có thể ở các dạng khác nhau
như dạng chuỗi, dạng phân nhánh hoặc các khối hình cầu.
Thông thường khi pH < 7, H4SiO4 tồn tại dưới dạng không mang điện. Khi pH > 9,
H4SiO4 sẽ phân ly thành H+ + H3SiO4-. Nếu pH > 11, axit monosilicic phân ly thành
2H+ + H2SiO42- [15]. Nồng độ của silic hòa tan trong đất biến thiên đa dạng, mặc dù
quá trình rửa trôi của Si từ đất và sự hấp thu của thực vật là quá trình quan trọng trong
việc xác định nồng độ Si. Phần lớn nồng độ cân bằng được kiểm soát bằng các phản
ứng hấp phụ/giải hấp, thành phần khoáng vật, sự cân bằng nước, nhiệt độ và các phản
ứng sinh hóa. pH đất ảnh hưởng đến độ hòa tan và tính linh động của Si, chẳng hạn
như pH cao dẫn đến làm giảm nồng độ và tính linh động của axit monosilic [15]. Khi

nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C, nồng độ cân bằng của Si trong dung dịch đất tăng lên gấp
đôi [15].
Dạng Si hoà tan trong dung dịch (DSi), Trong đó dạng DSi có thể biến đổi sang các
dạng còn lại và là dạng duy nhất thực vật có thể sử dụng.

14


Hình 1.3. Sự biến đổi của DSi trong đất [16]
DSi có thể liên kết với Al hoà tan để tạo thành dạng khoáng vật chuyển tiếp như
imogolite hoặc allophane [17], hoặc có thể kết tủa từ dung dịch đất lên bề mặt khoáng
vật, ngoài ra, DSi còn được hấp phụ hóa học ở bề mặt của các thành phần khác trong

đất như cacbonat, oxit hoặc hydroxit sắt và nhôm. Trong quá trình này, hydroxit sắt
đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tác giữa thể rắn và thể lỏng trong đất do
sự hình thành axit polysilicic từ DSi trên bền mặt của hydroxit này. DSi trong dung
dịch đất có thể kết tinh lại dẫn đến sự tích tụ Si. Trong vùng khí hậu với giai đoạn khô
rõ rệt, tầng đất bị cứng hơn bởi sự bổ sung của Si vô định hình gây ra sự gắn kết của
các hạt đất. Những quá trình này dẫn đến sự chai cứng của đất [18].
1.3.1.3. Dạng silic sinh học
Silic sinh học (BSi) được giữ trong đất dưới dạng Si vô định hình (opal A,
SiO2.nH2O). Si vô định hình (ASi) được tìm thấy trong lá cây, thân cây, cơ quan sinh
sản, rễ cây và tập trung nhiều nhất ở những nơi có lượng nước mất đi lớn nhất của cây.
Sau khi lá rụng và cây chết đi, phytolith sẽ được trả lại cho tầng mặt và đóng góp vào
bồn ASi ở tầng này. Si sinh học trong đất có thể chia thành các nhóm chính: Si (1) từ

động vật, (2) từ thực vật (bao gồm cả phytolith), (3) từ vi sinh vật và (4) từ sinh vật
đơn bào (Hình 1).
15


Hình 1.4. Các dạng Si sinh học trong đất [19]
Si sinh học (BSi) trong đất có thể chia thành Si hữu cơ có nguồn gốc từ động vật, Si
trong thực vật (Si phytogenic) đặc biệt là các loài thuộc nhóm siêu tích luỹ Si, vi
khuẩn và sinh vật đơn bào (chủ yếu là tảo diatomit) (hình1.4). Nhìn chung, hiểu biết
về các dạng Si này vẫn còn hạn chế ở hầu hết các loại đất.
Lượng Si mất đi từ đất trong hệ sinh thái có thực vật bao phủ có thể gấp 2 – 8 lần so
với các vùng đất trống, điều này được giải thích là do sự phong hoá dưới tác động của

sinh vật đặc biệt là thực vật diễn ra nhanh hơn so với sự phong hoá khoáng do các cơ
chế vật lý, hoá học. Sự biến đổi trong chu trình tuần hoàn Si trả lại cho đất dưới tác
động của con người đã trở thành một vấn đề tác động đến trạng thái cân bằng và phát
triển bền vững trong nông nghiệp. Nếu coi phytolith là nguồn Si duy nhất cho cây
trồng, với tốc độ mất Si là 50 – 100kg/ha/năm và lượng Si phytogenic bổ sung là
1tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn hết trong vài thập kỷ [20]. Ở Úc, 30 năm canh
tác mía dẫn đến sự sụt giảm của Si dễ tiêu có sẵn trong đất đến khoảng một nửa so với
số lượng ban đầu (tương ứng là 5,3 và 13,1 mg/kg). Trong nghiên cứu trên cây lúa
nước được thực hiện bởi [21] tại Laguna, Philipin cho thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa
khi thu hoạch là 51,4 – 70,8 g Si/m2 và phần lớn Si đã được lưu trữ trong tàn dư sau
thu hoạch (> 86%). Với việc người dân không hoàn trả lượng lớn phụ phẩm sau thu
hoạch lại cho đất và hàm lượng Si có trong nước tưới ở dưới giới hạn phát hiện gây

ảnh hưởng tới năng suất của vụ kế tiếp cho thấy tàn dư sinh khối sau thu hoạc là một
16


nguồn cung cấp Si quan trọng.
Trong hệ sinh thái lúa nước Việt Nam và Philippin, hàm lượng Si cây trồng có thể hấp
thụ được trên tầng đất mặt ở Philippin cao hơn so với Việt Nam (222 ± 92 mg/kg so
với 37 ± 14 mg/kg). Do ở Việt Nam nguồn Si chủ yếu giải phóng ra từ quá trình phong
hoá các tầng đất cổ, trong khi ở Philippin có sự bổ sung từ tro của núi lửa đang hoạt
động hoặc nguồn nước chảy ra từ các núi lửa đang hoạt động âm ỉ. Ngoài ra, phương
thức canh tác trong nông nghiệp, phương thức quản lý dư lượng cây trồng cũng là yếu
tố ảnh hưởng. Tổng Si hấp thu bởi cây lúa của Philippin cũng cao hơn đáng kể ở Việt

Nam, 700 ± 144 kg/ha so với 201 ± 102 kg/ha, sự khác biệt này có thể là do tác động
phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi đất nước là khác nhau vì nó sẽ phụ thuộc vào
(giống, khí hậu, chế độ thuỷ lợi và đặc biệt là phương thức quản lý dư lượng cây
trồng).
1.3.2. Sự tích luỹ sillic và vai trò của phytolith trong thực vật
Si là nguyên tố giàu thứ hai trong lớp vỏ Trái đất, tồn tại chủ yếu ở dạng oxit silic
(SiO2) kết hợp với một loạt khoáng chất mang Si trong pha rắn, pha lỏng và pha hấp
phụ [12]. Vào đầu những năm 1990, Si được công nhận là một trong 15 yếu tố cần
thiết cho sự sống của thực vật. Si là thành phần vô cơ chủ yếu ở thực vật bậc cao và có
nhiều bằng chứng cho thấy giá trị của Si trong việc cải thiện năng suất cây trồng [12,
22]. Về mặt dinh dưỡng, Si từ khoáng vật sẽ được giải phóng vào đất ở dạng axit
silicic (H2SiO4) hoặc Si(OH)3O-, từ đó thực vật có thể hút thu cho quá trình sinh

trưởng và phát triển. Cây lấy Si thông qua hệ rễ sau đó kết tủa trong mô thực vật để
hình thành nên các “tế bào Si sinh học” hay còn được gọi là phytolith [23], như trong
hình 1.5. Khi thực vật chết đi phytolith sẽ được giải phóng và tích lũy trong đất đi kèm
với lượng xác thực vật chưa phân hủy. So với các khoáng vật silic thì phytolith dễ tan
và là nguồn dinh dưỡng tiềm năng cho cây trồng.

17