Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI
SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ
TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Vân

NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI
SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ
TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SƠNG HỒNG

Chun ngành: Khoa học Mơi trường
Mã số:

8440301.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC MINH

Hà Nội – Năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu, học viên đã nhận được sự quan tâm
giúp đỡ và sự hỗ trợ nhiệt tình của nhiều tập thể, cá nhân tạo điều kiện thuận lợi cho
học viên hoàn thành luận văn này.
Lời đầu tiên, học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô và Bộ môn Tài
nguyên và Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để học viên có thể học tập và
làm việc trong thời gian nghiên cứu.
Đặc biệt, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành, lòng biết ơn sâu sắc và sự
kính trọng tới PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh - Bộ môn Tài nguyên và Môi trường
Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn,
tận tình giúp đỡ và góp ý để học viên hoàn thành luận văn.
Học viên xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln quan tâm động viên,
ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình hồn thiện luận văn.
Học viên xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện từ đề tài QG.17.22.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2020

Học viên

Nguyễn Thị Vân


MỤC LỤC
Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 3
1.1.Tổng quan về silic và phytolith...................................................................................... 3
1.1.1.Các dạng tồn tại của silic trong mơi trường đất .......................................................... 3
1.1.2.Sự hình thành phytolith trong thực vật ....................................................................... 7
1.1.3.Vai trò của phytolith đối với thực vật ....................................................................... 12
1.1.4.Sự tích lũy phytolith và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy phytolith trong môi
trường đất
.................................................................................................................. 16
1.2.Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trường đất ..................................................... 19
1.2.1.Nguồn cacbon hữu cơ trong môi trường đất ............................................................. 19
1.2.2.Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất ......................................................................... 21
1.2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất ................................... 22
1.3. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ (PhytOC) trong môi trường............... 24
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 28
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 28
2.2. Phương pháp thu thập và tiền xử lý mẫu nghiên cứu ................................................. 30
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 31
2.3.1. Xác định đặc điểm của phytolith trong cây lúa ....................................................... 32
2.3.2. Xác định đặc điểm của phytolith trong môi trường đất ........................................... 33
2.3.3. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong mơi
trường đất
.................................................................................................................. 34
2.3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith và một số tính chất lý, hóa học với loại đất .. 36
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 37
3.1.Đặc điểm của khu vực nghiên cứu ............................................................................... 37

3.2.Đặc điểm của phytolith trong cây lúa .......................................................................... 39
3.2.1. Hình thái và cấu trúc của phytolith trong cây lúa .................................................... 39
3.2.2. Thành phần hóa học của phytolith trong cây lúa ..................................................... 42
3.3.Đặc điểm của phytolith trong mơi trường đất .............................................................. 45
3.3.1. Hình dạng và cấu trúc của phytolith trong môi trường đất ...................................... 45
3.3.2. Thành phần hóa học của phytolith trong mơi trường đất ......................................... 46
3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong mơi
trường đất
..................................................................................................................... 47
3.5.Xác định mối quan hệ giữa phytolith, một số tính chất lý, hóa học trong môi trường
đất với loại đất ................................................................................................................... 54
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 59
PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 64


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Alox

Hàm lượng Al linh động được tách chiết bằng oxalat

ASi

Silic vơ định hình

C
EC

Cacbon
Nồng độ muối tan trong đất

Feox

Hàm lượng Fe linh động được chiết bằng oxalat

MSi

Silic trong khoáng vật

OC
PhytOC
Si

Chất hữu cơ
Phytolith chứa chất hữu cơ
Silic

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Địa điểm và thời gian thu thập mẫu nghiên cứu ....................................... 28
Bảng 2. Tóm tắt phương pháp nghiên cứu được sử dụng để xác định một số chỉ
tiêu lý, hóa học trong mơi trường đất ..................................................................... 34
Bảng 3: Kết quả phân tích một số tính chất lý, hóa cơ bản của mẫu đất ............... 47
Bảng 4: Hàm lượng phytolith trong mẫu đất ......................................................... 49
Bảng 5: Hệ số tương quan (theo Pearson’s test) giữa phytolith và một số tính chất
lý hóa học mơi trường đất khu vực nghiên cứu. .................................................... 53
Bảng 6: Thơng tin về tính đồng nhất của phương sai ............................................54
Bảng 7: Hệ số tương quan trong phân tích Anova ................................................. 55


DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Bồn Si trong đất và q trình biến đổi (khơng tính xói mịn, lắng). ........... 3
Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất ..................................................................... 5
Hình 3: Phytolith trong cây lúa ................................................................................ 9
Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật ............................. 11
Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại năng ở thực vật ..... 14
Hình 6: Vịng tuần hồn của silic/phytolith trong đất lúa. ..................................... 17
Hình 7: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau .................. 25
Hình 8: Vị trí lấy mẫu nghiên cứu khu vực đồng bằng sơng Hồng ....................... 28
Hình 9: Cấu trúc khung xương silic (phytolith) trong lá lúa (a) và trong mặt cắt
ngang thân cây lúa (b) tái hiện từ dữ liệu chụp cắt lớp siêu hiển vi. ..................... 41
Hình 10: Hình ảnh phytolith trong tro rơm rạ được chụp qua kính hiển vi (a) và
Phổ EDX của mẫu phytolith trong tro đốt rơm rạ (b). ........................................... 42
Hình 11. Biểu đồ phân tích nhiệt sai đối với mẫu rơm rạ của khu vực nghiên cứu .... 44
Hình 12: Hình ảnh phytolith trong mơi trường đất được chụp bằng kính hiển vi
điện tử .................................................................................................................... 45
Hình13: Phổ EDX của mẫu phytolith trong mẫu phytolith được tách tỷ trọng ..... 46


LỜI MỞ ĐẦU
Phytolith là một dạng khống silic hình thành trong thực vật và mới chỉ
nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ gần đây, nhờ vào
ý nghĩa đối với mơi trường của nó, cũng như đối với dòng dinh dưỡng Si trong các
hệ sinh thái nông nghiệp (Sommer và nnk, 2006). Trong số 10 cây lương thực
quan trọng nhất thì có đến 7 cây trồng thuộc nhóm siêu tích lũy Si, trong đó có lúa
và ngơ. Trung bình mỗi năm trên diện tích 1 ha, lúa có thể lấy đi khỏi đất khoảng
1 tấn Si, và lượng Si này sẽ bị mất đi nếu phế phụ phẩm (rơm rạ, trấu) khơng được
hồn trả lại đồng ruộng. Kể cả khi được hoàn trả lại thơng qua vùi lấp hay đốt và
bón trở lại, Si cũng có thể nằm ở dạng phytolith (Si sinh học). Phytolith được coi
là kho dự trữ Si lý tưởng để cung cấp kịp thời cho nhu cầu của cây trồng do chúng
hòa tan dễ hơn so với các silicat trong đất. Do tồn tại ở dạng vơ định hình,

phytolith có tốc độ hòa tan nhanh gấp khoảng 50 lần so với đa số các khoáng vật
silicat trong đất (Fraysse và nnk, 2009). Tuy nhiên, q trình hịa tan của phytolith
bị chi phối mạnh mẽ bởi các yếu tố lý hóa học trong môi trường đất như pH, Eh,
nồng độ và dạng các ion hòa tan trong dung dịch đất. Các yếu tố lý hóa học này có
thể tác động trực tiếp đến các liên kết hóa học bề mặt của phytolith (Nguyen và
nnk, 2015), giúp tăng cường hoặc hạn chế sự bẻ gãy các liên kết Si-O trên bề mặt
và do đó thay đổi khả năng hịa tan của phytolith.
Việt Nam có gần 4 triệu hecta đất canh tác lúa nước phân bố chủ yếu ở
đồng bằng sông Hồng, dải đồng bằng duyên hải miền trung, và đồng bằng sông
Cửu Long. Đây được coi là các “hệ sinh thái giàu C và Si”, và có dịng tuần hồn
các ngun tố (theo thời vụ canh tác) tương đối nhanh. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng
của những phương pháp canh tác trong nông nghiệp, như hình thức vùi hoặc đốt
rơm rạ có tác động như thế nào đối với “hệ sinh thái giàu C và Si” vẫn là một nội
dung được quan tâm rất nhiều, không chỉ đối với các nhà khoa học mà cịn có sự
quan tâm đặc biệt của những người nông dân tại đất nước nông nghiệp này.
Hơn nữa, trong những năm gần đây, sự gia tăng lượng phát thải khí CO 2
trên tồn cầu đang là một trong những vấn đề ngày càng trở nên cấp bách vì đây là

1


nguyên nhân góp phần làm cho trái đất nóng lên. Sự tích lũy cacbon trong các hệ
sinh thái trên cạn là hướng tiếp cận đầy triển vọng nhằm giảm thiểu lượng phát
thải khí CO2 vào bầu khí quyển, từ đó giảm nhẹ các tác động tiêu cực của biến đổi
khí hậu. Vì vậy, các nghiên cứu về phytOC - cacbon hữu cơ có trong cấu trúc của
phytolith ngày càng được biết đến và nghiên cứu rộng rãi hơn. Do đó, đề tài
“Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất
lúa vùng đồng bằng sông Hồng” được thực hiện với mục tiêu như sau:
1. Cung cấp thông tin về cacbon hữu cơ và phytolith có trong mơi trường
đất và trong rơm rạ;

2. Tìm hiểu mối quan hệ giữa cacbon hữu cơ và phytolith; các yếu tố có
ảnh hưởng đến sự tích lũy hoặc giải phóng của thành phần cacbon hữu
cơ và phytolith trong mơi trường;
3. Tìm hiểu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và đến các yếu tố môi
trường;
4. Đánh giá ảnh hưởng của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong môi
trường.
Với những mục tiêu trên, đề tài được tiến hành với những nội dung chính:
1. Nghiên cứu mức độ tích lũy cacbon hữu cơ và phytolith trong môi
trường đất và trong rơm rạ;
2. Nghiên cứu mối quan hệ của cacbon hữu cơ và phytolith trong môi
trường đất và các điều kiện ảnh hưởng đến mối quan hệ của 2 yếu tố;
3. Nghiên cứu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và các yếu tố mơi
trường;
4. Nhận diện vai trị của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong
môi trường đất.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng quan về silic và phytolith

1.1.1. Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất
Silic (Si) là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng
khoảng 28,8%. Là nguyên tố có mặt trong hầu hết 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 đất rất khác nhau đối với các loại đất khác nhau, phụ thuộc vào bản

chất của đá mẹ và các q trình chuyển hóa diễn ra trong đất. Mặc dù Si là một
nguyên tố có tỷ trọng lớn, quan trọng trong đất, tuy nhiên nguyên tố này cịn ít nhận
được sự quan tâm của các nhà khoa học.

Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (khơng tính xói mịn, lắng)
(Sommer và nnk, 2006).
Trong lớp vỏ trái đất, Si chủ yếu tồn tại trong các khống vật silicat, trong đó
bao gồm các oxit silic và 90% tất cả các loại khoáng vật đều chứa Si. Do đó, Si trở
thành nguyên tố phổ biến thứ hai trên vỏ trái đất chỉ sau oxy. Bồn Si trong các
khống vật đất bao gồm 3 phần chính: (1) khoáng vật nguyên sinh từ đá mẹ; (2)
khoáng vật thứ sinh (chủ yếu là các khống vật sét có cấu trúc tinh thể) và (3)
khống vật thứ sinh có cấu trúc vi tinh thể và vơ định hình được phát triển thơng
qua q trình hình thành đất (Monger và nnk, 2002).

3


a) Dạng silic trong khoáng vật
Bồn khoáng vật Si trong đất 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 kém (thạch anh autigenic, opa CT, chalcedon), các dạng
khống vật nano có trật tự thấp (Opal A, imogolite, allophane), oxit silic vô định
hình (pedogenic Si) (Sommer và nnk, 2006). Khống vật ngun sinh có nguồn gốc
từ đá mẹ quyết định tính chất vật lý và hóa học của khống vật thứ sinh và các loại
đất phát triển trên đó. Q trình phong hố khống vật ngun sinh giải phóng ra
các cation linh động cao (Ca2+, Mg2+, K+, Na+), một phần Si(OH)4, Al và Fe ít linh
động vào dung dịch đất (Karathanasis và nnk, 2006). 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 cấp, trong khi phần cịn lại bị rửa trơi.

b) Dạng silic hòa tan
Trong dung dịch đất, Si tồn tại dưới dạng hịa tan có hàm lượng dao động từ
khoảng 0,1 - 0,6 mM hoặc lên đến 0,8 mM ở trạng thái cân bằng khi pH dung dịch
dưới 9 (Ma và Takahashi, 2002). Tuy nhiên, trong điều kiện kiềm mạnh (pH > 9),
một phần của axit monosilicic chuyển sang thành polyme và nồng độ Si hòa tan
trong dung dịch đất tăng gần như theo cấp số nhân với pH, là kết quả của sự phát
triển đặc biệt H3SiO4- và H2SiO42-. Nồng độ của Si hòa tan trong đất biến thiên đa
dạng, mặc dù quá trình thẩm thấu 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 phản ứng sinh hóa.
Hơn nữa, nồng độ Si hịa tan trong dung dịch đất có liên quan đến chế độ
nhiệt và khả năng giữ nước của đất (Drees và nnk, 1989). Nồng độ Si tăng gấp đôi
khi nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C. Các hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ có phân tử
thấp góp phần vào sự phong hóa khống vật đất thơng qua q trình axit hóa và
phản ứng tạo phức. Sự hiện diện của nhôm và sắt oxit dẫn đến giảm hàm lượng của

4


Si hòa tan trong dung dịch đất. Cụ thể, quá trình phong hóa mạnh mẽ, SiO2 tự do có
thể bị cạn kiệt bởi sự hấp thụ hoặc liên kết của sesquioxit lên bề mặt và tách ra khỏi
dung dịch đất. pH là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới sự hòa tan của Si, liên quan đến
sự hấp thụ của axit monosilicic bởi sắt, nhơm và khống sét trong đất. Quá trình hấp
thụ này được cho là tối ưu khi pH khoảng 9,5; khả năng hấp thụ Si hòa tan của đất
thay đổi theo giá trị pH và đạt giá trị tốt nhất ở pH trong khoảng 8 đến 9.
c) Dạng silic sinh học
Si vơ định hình 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, Si sinh học sẽ được trả lại cho tầng mặt và đóng góp vào bồn

Si vơ định hình 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 2).

Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất (Sommer và nnk, 2006)
Đối với các bồn Si có nguồn gốc từ vi sinh vật và sinh vật đơn bào, hiện nay
mới chỉ có các bằng chứng chứng tỏ sự có mặt của của bồn Si này trong đất (Clarke,
2003). Hệ vi sinh vật ảnh hưởng tới quá trình chuyển hóa Si trong đất thơng qua các
q trình: (1) phân hủy lá, xác thực vật (giúp giải phóng Si từ rễ và các mô thực vật)
và (2) thúc đẩy quá trình hịa tan các khống vật do hoạt động của nấm sợi (Smits
và nnk 2005). Thành tế bào của vi sinh vật có thể đóng vai trị như hạt nhân tinh thể
trong quá trình kết tủa Si (Kawano và Tomita, 2001).
5


Si tích lũy vào thực vật thơng qua q trình hút thu bị động cùng với nước
hoặc qua cơ chế hút thu chủ động. Hàm lượng Si trong thực vật dao động từ 0,1 đến
16% khối lượng khô (Datnoff và nnk, 2001; Epstein, 1994). Trung bình, hàm lượng
Si trong thực vật chiếm từ 1 đến 3% trọng lượng khô, tuy nhiên, một số lồi tích lũy
lượng Si vơ định hình tới 10%, thậm chí cao hơn. Từ việc tiến hành điều tra trên
175 loài thực vật phát triển trên cùng một loại đất, Takahashi và Miyake (1976) đã
phân chia thực vật thành hai nhóm: nhóm tích lũy Si (lượng Si hút thu >> lượng
nước hút thu) và nhóm khơng tích lũy Si (lượng Si hút thu ≤ lượng nước hút thu).
Marschner (1995) đã phân loại thực vật thành ba nhóm dựa trên hàm lượng Si trong
chất khô của cây: (1) các lồi họ Cói (Cyperaceae) thuộc bộ hịa thảo và các cây
sống ở đất ngập nước (ví dụ như cây lúa) có chứa 10 - 15% SiO2 trong chất khơ; (2)
các cây trồng cạn như lúa mì, mía… với hàm lượng Si trong cây thấp hơn (1 - 3%
SiO2 trong chất khơ); và (3) nhóm khơng tích lũy Si gồm phần lớn các loài cây song
tử diệp như cây họ đậu với ít hơn 0,5% SiO2 trong chất khơ.
Hàm lượng Si có nguồn gốc từ thực vật trong đất dao động từ 0,01 đến 50%

(Clarke, 2003). Nếu tốc độ tích tụ Si có nguồn gốc từ thực vật lớn hơn tốc độ phân
hủy, một bồn Si sinh học có thể hình thành trong đất. Việc trồng các loại cây có
hàm lượng Si cao như lúa, mía có thể dẫn tới sự tích lũy Si nhiều hơn trong hệ sinh
thái đất. Ví dụ, theo nghiên cứu của Berthelsen và nnk (1997) mỗi năm các cánh
đồng mía có thể trả lại hơn 100 kg Si/ha cho đất. Tuy nhiên, 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 hồn 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 Si sinh học là nguồn Si duy nhất cho cây trồng,
với tốc độ mất Si là 50 – 100 kg/ha/năm và lượng Si trong thực vật bổ sung là 1
tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn hết trong vài thập kỷ (Bartoli, 1983). 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
6


cứu trên cây lúa nước được thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) tại Laguna,
Philipin cho thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa khi thu hoạch là 51,4 – 70,8 gSi/m2 và
phần lớn Si đã được lưu trữ trong tàn dư sau thu hoạch (> 86%). Với việc người dân
khơng hồn 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 hoạch là một nguồn cung cấp Si quan trọng.
1.1.2. Sự hình thành phytolith trong thực vật
Phytolith (trong tiếng Hy Lạp, phyto = cây, lithos = đá (cây hố thạch) là
dạng oxit sillic vơ định hình có cơng thức tổng quát là SiO 2.nH2O (Alexandre và
nnk, 1997) hình thành trong cả nội hay ngoại bào các mô của thực vật sống (Jones
và Handreck, 1967). Nhiều họ thực vật hạt kín, hạt trần và một vài họ của thực vật
khơng có hoa, đặc biệt là guột được biết đến như các nhà máy sản xuất phytolith với

lượng khác nhau từ 0,1 đến 16% (Epstein và Bloom, 2005). Sự hình thành và phát
triển của phytolith trong thực vật liên quan đến một số yếu tố, bao gồm điều kiện
khí hậu, tính chất đất, lượng nước trong đất, độ tuổi của cây và quan trọng nhất là
sự tương tác qua lại giữa các thành tố này. Quá trình hình thành phytolith được bắt
đầu khi thực vật hấp thụ Si hoà tan qua rễ và kết thúc khi các tế bào Si rắn được
hình thành trên tế bào, tế bào nội chất, hoặc các khoảng gian bào. Q trình này đơi
khi ở giai đoạn rất sớm hoặc cũng có thể rất muộn trong vòng đời phát triển của
thực vật tuỳ thuộc vào loại thực vật và điều kiện môi trường sống của chúng.
Sau khi cây chết, phytolith có thể hịa tan và tham gia vào chu trình Si hoặc
được kết hợp và bảo quản trong đất, trầm tích hoặc trầm tích khảo. Cho đến nay,
phytolith được phát hiện trong khoảng 260 loài thực vật khác nhau, trong đó 110
loại là từ cỏ, 50 loại từ dương xỉ, cây thân gỗ, tre nứa và các loài khác. Trong đất,
sự tồn tại của phytolith có thể phụ thuộc vào nguồn nước, nhiệt độ, hoạt động của vi
sinh vật và độ axit của khoảng hổng trong đất, trong đó sự hịa tan chậm nhất ở pH
thấp và nhiệt độ thấp (Fraysse và nnk, 2006, 2009, 2010). Thời gian hòa tan
phytolith được xác định bằng thực nghiệm là từ 6 tháng đến 3 năm (Fraysse và nnk,
2009).

7


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
q trình phong hố các tầng trầm tích 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.
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) (Klotzbücher và nnk, 2014).
Cơ chế hấp thu Si của thực vật: Si hồ tan được thực vật hút thu qua lơng hút
của rễ và vận chuyển lên các cơ quan khí sinh trong dòng vận chuyển nước qua hệ
thống mạch gỗ. Dạng Si trong dung dịch đất đi vào thực vật là axit monosilicic
Si(OH)4 trong điều kiện pH từ 2 - 9, cịn pH < 9 thì Si tồn tại ở dạng H4SiO4 (Raid
và nnk,1992; Song và nnk, 2013), đây là dạng Si cây hút thu. Sự hút thu Si của cây
được giải thích theo hai cơ chế: (1) Hút thu một cách thụ động bằng q trình thốt
hơi nước của cây; (2) Hút thu có chọn lọc do sự chi phối của quá trình trao đổi chất.
Van der Worm (1980) cho rằng, sự hút thu Si một cách thụ động hay được điều
khiển bằng quá trình trao đổi chất phụ thuộc vào loại cây và nồng độ của H4SiO4 ở
bề mặt rễ. Cây hút thu lượng Si khác nhau tùy thuộc vào dạng và nồng độ axit
silicic hòa tan trong dung dịch đất. Ví dụ cùng một tỷ lệ silica, sự hút thu ở cây lúa
lớn hơn cây đậu. Hầu hết các cây, đặc biệt là cây bưởi, chúng không thể tích lũy
được lượng Si cao ở cành. Sự tích lũy Si giữa các lồi có sự khác nhau do khả năng
hấp thu Si của rễ. Trong chồi, axit silicic được tập trung nhiều hơn thơng qua việc
thốt hơi nước và trùng hợp. Parr và Sullivan (2011) cho rằng khi nồng độ Si hoà
tan trong thực vật đạt ngưỡng 100 - 200 mg/kg, phản ứng trùng hợp của axit
monosilicic sẽ diễn ra hình thành hạt nhân cơ sở, các hạt nhân này tiếp tục phát triển
thành các hạt hình cầu ổn định với kích thước tới hạn. Phản ứng polyme hố tiếp tục
ở cấp độ các hạt hình cầu tạo thành chuỗi phân nhánh hoặc cấu trúc hình học. Khi
8


hạt polyme Si phát triển tiệm cận kích thước 1 - 3 nm chúng sẽ mang điện tích âm
bề mặt. Các hạt này sau đó tương tác với mơi trường nội bào và lắng đọng tạo thành
các lớp Si tiếp giáp với màng tế bào (phủ bên ngồi hoặc lót bên trong tế bào).

Hình 3: Phytolith trong cây lúa (Rashid và nnk, 2019).
Cường độ hấp thu Si cũng thay đổi phụ thuộc vào các loài thực vật. Các

nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bởi về vận chuyển Si trên ba loài thực vật
khác nhau bao gồm gạo, dưa chuột và cà chua. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc vận
chuyển Si giữa dung dịch đất và vỏ tế bào được chuyển qua một trung gian đặc biệt
trong cả ba loài. Sự vận chuyển Si được suy đoán phụ thuộc năng lượng, nhiệt độ
thấp và chất ức chế vận chuyển Si. Trong q trình hấp thu Si, dịng chảy Si được vận
chuyển từ tế bào vỏ đến mạch gỗ tải. Sự khác biệt ở đây cho thấy mạch gỗ tải trong
gạo được trung gian bởi một loại vận chuyển thay vì khuếch tán như trong dưa chuột
và cà chua. Kết quả này chỉ ra rằng mạch gỗ là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối
với việc tích luỹ Si ở mức độ cao hoặc H2CO3 để hồ tan các khống vật silicat trong
giá thể mà chúng sinh trưởng. Nói cách khác, thực vật ở đất nghèo Si hoà tan vẫn có
thể quan sát được hàm lượng đáng kể phytolith được tạo ra (Blackman, 1996).
Các nghiên cứu cho ra những bằng chứng tương đối thuyết phục, chứng
minh cho sự tồn tại của hai cơ chế hút thu Si của thực vật, tuy nhiên, mối quan hệ

9


cũng như vai trò riêng biệt của mỗi cơ chế trong quá trình hút Si ra sao thì chưa
được làm rõ. Trong thực vật tồn tại đồng thời hai cơ chế hút thu Si chủ động và thụ
động tuỳ vào điều kiện môi trường mà mối quan hệ giữa 2 cơ chế có thể là tương hỗ
hoặc cản trở nhau (ở đây là sự điều chỉnh quá trình hút thu thụ động dựa trên các cơ
chế hút thu chủ động qua việc tăng cường hoặc cản trở sự xâm nhập của Si qua
màng tế bào lông hút hoặc màng tế bào mạch gỗ). Tuy nhiên, sự biến động hàm
lượng Si trong các loài thực vật được cho là phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố môi
trường quyết định nồng độ của Si hòa tan trong đất (mức độ phong hoá khoáng vật
silicat và dạng tồn tại của Si trong đất).
Sự hấp thu của Si bởi thực vật tăng lên cùng với lượng nước hút thu và có
thể là nhiệt độ của đất. Jones và Handreck (1967) nhận xét rằng lúa nước gần như
chắc chắn có chứa Si nhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 – 15%, cũng nhận thấy
rằng cỏ trồng trong điều kiện ấm áp, môi trường ẩm có q trình phytolith hố hồn

chỉnh hơn ở các lớp biểu bì so với cỏ ở các vùng có điều kiện khơ lạnh
(McNaughton và Tarrants, 1983). Bên cạnh đó, có bằng chứng cho thấy các loại đất
có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao thường kèm theo sự gia tăng lượng Si hoà
tan. Trong khi, sự hiện diện của N và P với hàm lượng lớn được cho là dẫn đến việc
giảm nồng độ của Si trong thực vật (Jones và Handreck, 1967).
Quá trình hình thành phytolith trong thực vật: Khi axit monosilicic đi vào
mơ thực vật, q trình hình thành phytolith được bắt đầu, một phần Si hồ tan được
polyme hố và hình thành dạng rắn của oxit silic (dạng SiO2 ngậm nước có tính chất
giống với silicagel) lắng đọng bên trong và xung quanh các tế bào. Trong mơ thực
vật có ba vị trí có thể xảy ra sự lắng đọng: Si kết tủa trên thành tế bào, lấp đầy hệ
thống khoang trống của tế bào và lắng đọng ở không bào. Các thông tin về quá trình
lắng đọng Si ở cấp độ tế bào trong thực vật trên cạn chưa được giải thích một cách
thỏa đáng và có hai giả thiết được đưa ra để giải thích cho q trình này: thứ nhất là
do kết tủa, và thứ hai là do lắng đọng xảy ra một cách thụ động như là kết quả của
quá trình hút thu và thốt hơi nước hoặc q trình lắng đọng Si được kiểm soát một
cách chủ động. Trong thực tế, hai giả thuyết tương thích với nhau và cơ chế hoạt
động phụ thuộc vào loại tế bào (Parr và Sullivan, 2011; Jones và Handreck, 1967).
10


Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ, hàm lượng SiO2 lắng đọng ở lá cao hơn
nhiều so với ở thân và rễ. Nguyên nhân do ở lá có mật độ khí khổng cao hơn nhiều
so với ở than, trong khi ở rễ thì hồn tồn khơng có. Sự mất nước trong q trình
thốt hơi nước dẫn đễn nồng độ Si trong tế bào lá tăng lên tương đối tại một thời
điểm nào đó (khi lượng thốt hơi nước từ khí khổng lớn hơn so với lượng nước dẫn
truyền lên qua mạch gỗ sau khi được hút thu bởi rễ) tại thời điểm này quá trình
trùng hợp các phân tử axit monosilicic diễn ra (Jones và Handreck, 1967).

Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật (Perry và nnk, 2003)
Một số nghiên cứu khác cho rằng, Si trong q trình hình thành sẽ trùng hợp

có thể được liên kết với các chất hữu cơ tham gia vào quá trình lignin hố. Cơ sở
của q trình được hình thành bởi ái lực mạnh mẽ của axit monosilicic với hợp chất
hữu cơ polyhydroxy tham gia vào tổng hợp lignin (Perry và Keeling-Tucker, 1998),
ví dụ trong cây ngơ, các phối tử Si liên kết với gen teosinte glume architecture 1
(tga 1) (Dorweiler và Doebley, 1997); trong khi ở bí ngơ (Cucurbita), sự hình thành
phytolith chủ yếu được quyết định bởi một di truyền chi phối. Bên cạnh đó một số
đại phân tử hữu cơ khác giúp hình thành các ma trận hữu cơ tương hỗ cho sự lắng
đọng của Si. Một số đại phân tử hữu cơ khác hình thành các ma trận hữu cơ tương
hỗ cho sự lắng đọng của Si có thể kể đến như lysine và arginine được tổng hợp từ
gen PRP1 (pronline – rich protein 1). Ở dưa chuột (Sativus) (Kauss và nnk, 2003),
peptit này mang điện tích dương với mật độ lớn và có thể kết hợp với sản phẩm
polyme của axit monosilicic.

11


1.1.3. Vai trị của phytolith đối với thực vật
Tuy khơng phải là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng, nhưng
Si vẫn được tìm thấy trong mơ tế bào với một khối lượng lớn, ngang bằng với tổng
các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg). Cây trồng hút Si ở một dạng duy
nhất là axit monosilicic, phổ biến gọi là axit Ortho-Si và tích lũy thơng qua việc
hình thành cấu trúc ở lá, thân và hệ thống rễ (Parr và Sullivan, 2005), sau đó kết tủa
trong mơ thực vật để hình thành nên các “tế bào Si sinh học” hay còn được gọi là
phytolith (Alexandre và nnk, 1997). 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. Vai trò của Si trong vòng đời của cây trồng thể hiện qua:
Tăng khả năng quang hợp, điều hồ dinh dưỡng khống: Si giúp cho cây
mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng năng lượng mặt trời một
cách hiệu quả, tăng khả năng quang hợp. Si được xem như là một nguyên tố quan

trọng cần thiết cho sự phát triển bình thường của cây (Nguyễn Ngọc Minh, 2014).
Chức năng sinh lý của Si trong hệ thống biểu bì lá là có thể hoạt động như một cửa
sổ để tạo thuận lợi cho việc truyền ánh sáng đến mô thịt của lá. Nhiều cơng trình
nghiên cứu đã chứng tỏ vai trị của Si trong việc tăng cường khả năng chống chịu
hạn của một số loại cây trồng như lúa gạo, lúa mì, dưa chuột, hoa hướng dương và
ớt (Raid và nnk, 1992). Si giúp cây tránh bị ngộ độc Mn, Fe và Al vì Si giúp phân
phối các nguyên tố kim loại này trong cây một cách hợp lý. Bên cạnh đó, Si còn
giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dưỡng giữa Zn và P trong cây làm cho cây khỏe
hơn (Ehrlich và nnk, 2010). Trong đất phèn, Si tạo phức với Fe, Al thành những
hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu tố độc hại như Fe, Mn và Al trong
dung dịch đất (Dorweiler và Doebley, 1997). Bên cạnh đó, Si đóng vai trị quan
trọng trong giảm độc tính Cd ở lúa bằng cách tăng tích lũy Cd trong rễ và giảm vận
chuyển Cd từ rễ đến chồi (Ehrlich và nnk, 2010).
Tăng cường sức chống chịu cơ học: Trong thực vật, Si kết hợp với biểu bì
giúp thành tế bào trở nên chắc chắn hơn. Silic có khả năng làm tăng khả năng chống

12


chịu của cây trồng đối với các yếu tố vô sinh hoặc hữu sinh (Koranteng và nnk,
2011; Li và nnk, 2013). Các yếu tố hữu sinh bao gồm bệnh hại và các loại côn trùng
gây hại, trong khi các yếu tố vô sinh quan trọng thường được đề cập tới như hạn
hán, lũ lụt, mặn hóa hoặc kim loại gây độc cho cây. Đối với các loại cây được trồng
trên đất thiếu Si và thường xuyên chịu tác động của các yếu tố kể trên, việc bón
phân Si sẽ góp phần làm tăng năng suất cây trồng một cách đáng kể. Ví dụ: việc bón
phân Si cho cây mía đường góp phần làm tăng sản lượng mía 10 - 50% ở Hawaii,
20% ở khu vực Florida và 21 - 41% ở Australia (Fraysse và nnk, 2009; Parr và
Sullivan, 2011).
Si làm tăng khả năng kháng bệnh, bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố gây
bệnh hại (chủ yếu do nấm và một số loại vi khuẩn) thông qua hai cơ chế. Thứ

nhất, Si kết hợp với lớp biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chắn hơn, giúp cây
cứng cáp nhưng lại có khả năng đàn hồi. Si tạo nên các phức hợp với polyphenol
để hình thành những hợp chất với lignin tăng cường độ cứng của thành tế bào,
ngăn cản khả năng xâm nhập của các loại nấm bệnh. Thứ hai, Si hịa tan đóng vai
trị quan trọng trong cơ chế vật lý, hóa sinh/cơ chế phân tử để kháng bệnh hại
(Fraysse và nnk, 2009; Ghareeb và nnk, 2011). Sự lắng đọng của Si ở lớp biểu bì
cũng tạo ra một rào cản vật lý ngăn ngừa sự tấn cơng của cơn trùng và các lồi sâu
bướm ăn lá. Si cũng có thể kích hoạt một số cơ chế phịng bệnh. Ví dụ, trong rễ
của cây dưa leo bị nhiễm nấm Pythium, Si làm tăng hoạt tính của một số enzym
như peroxidase, chitinase và polyphenoloxydase, từ đó ức chế sự xâm nhiễm của
nấm gây hại (Cary và nnk, 2005).
Các phản ứng sinh hóa chỉ xảy ra với Si hịa tan, cho thấy Si hịa tan đóng
vai trị tích cực trong việc tăng khả năng chống lại các kháng nguyên của vật chủ
bằng cách kích thích một số cơ chế phản ứng phòng vệ (Fauteux và nnk, 2005). Một
nghiên cứu gần đây cho thấy trong quá trình tạo ra sức đề kháng từ hệ thống (SAR)
ở dưa leo, sự biểu hiện của một gen mã hóa protein giàu axit amin proline được tăng
cường (Karathanasis, 2002). Protein có các trình tự lặp đi lặp lại điểm đầu và điểm
cuối là C chứa lượng lysine và arginine cao bất thường. Các peptit tổng hợp có
nguồn gốc từ các trình tự lặp đi lặp lại đã có thể trùng hợp axit orthosilicic với silica
13


khơng hịa tan, liên quan đến việc cố định tại vị trí của sự xâm nhập của nấm vào tế
bào biểu bì. Nghiên cứu cho thấy sự tăng cường khả năng kháng bệnh, tăng cường
sức đề kháng thực vật đối với côn trùng gây hại như sâu đục thân và rầy (Keeping
và nnk, 2009). Tác dụng này được cho là sự lắng đọng của Si trong mô thực vật, tạo
ra một rào cản cơ học chống lại sự phá hoại của côn trùng.
Tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường: Trong đất phèn,
Si tạo phức với Fe, Al thành những hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu
tố độc hại như Fe, Mn và Al trong dung dịch đất (Datnoff và nnk, 2001). Bên cạnh

đó, Si đóng vai trị quan trọng trong giảm độc tính Cd ở thực vật bằng cách tăng tích
luỹ Cd trong rễ và giảm vận chuyển từ rễ đến chồi (Epstein và Bloom, 2005; Ma và
Yamaji, 2006).

Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật (Ma và
Yamaji, 2006)
Cây trồng được hấp thu Si ở điều kiện có muối sẽ kích thích màng khơng bào
của tế bào rễ cây, phần bề mặt xung quanh không bào tạo ra enzym và các enzym
này sẽ kết hợp với nhau trong việc đưa gốc Na+ từ tế bào chất vào trong không bào,
điều này làm cho việc vận chuyển từ rễ cây đến ngọn và lá giảm đi so với cây
14


khơng được hấp thụ Si. Nếu trong lá cây có lượng Na+ cao sẽ làm cho lượng
chlorophyl giảm, dẫn đến khả năng quang hợp của cây cũng bị giảm. Khi cây trồng
phát triển ở điều kiện có muối thì sẽ làm cho cây bị yếu và sinh ra các gốc tự do, khi
tích tụ ở mức độ nhiều sẽ gây nguy hiểm cho tế bào. Nếu được hấp thụ Si vừa đủ sẽ
tạo ra nhóm enzym có khả năng kiểm sốt các chất thuộc nhóm tự do là nhóm
enzym antioxidant. Ngoài ra, Si làm giảm các tổn thương được gây ra bởi các điều
kiện bất lợi của khí hậu như bão, mưa đá; sẽ làm giảm bớt khả năng ảnh hưởng của
nhiệt độ thấp đối với một số loại cây trồng khác.
Tăng năng suất và chất lượng cây trồng: Ngoài các cơ chế tác động tới khả
năng quang hợp, đặc điểm cấu tạo cũng như khả năng chống lại một số sâu bệnh và
sự thay đổi thiếu tích cực của điều kiện môi trường, các kết quả nghiên cứu cũng
cho thấy Si có tác dụng làm tăng số bơng, số hạt/bông và số hạt chắc, tăng năng suất
lúa cũng như một số loài cây hai lá mầm khác. Theo một nghiên cứu tại Hàn Quốc ở
lúa gạo: bón 2.000 kg phân Si/ha, thì năng suất tăng lên 20%; lúa mạch: bón 1.370
kg phân Si/ha, năng suất tăng 37%. Bón phân chứa Si cịn có tác dụng giảm tỷ lệ hạt
lép, giúp cho hạt lúa vàng sáng, sạch bệnh, góp phần tăng phẩm chất và giá trị của
lúa gạo (Ma và Yamaji, 2006).

Tăng sức đề kháng, ngăn ngừa sâu bệnh: Si là một ngun tố có hoạt tính
sinh học tác dụng cả hai cơ chế sinh học và sinh lý. Si tác động như một chất điều
chỉnh liên quan đến thời điểm và mức độ phản ứng của cây trồng tạo sức đề kháng
cho cây trồng. Việc bổ sung Si có tác động đến việc kiểm soát nhiều bệnh quan
trọng của cây lúa. Những nghiên cứu cho thấy khi bón bổ sung từ 1,5 – 2 tấn/ha các
nguồn Si khác nhau trên những ruộng lúa thiếu Si đã làm giảm đột ngột tỷ lệ mắc
bệnh và giảm thiệt hại do bệnh đạo ôn, đốm nâu, khô vằn và bạc lá cây lúa Oryza
sativa (Datnoff và nnk 2001; Ma và Yamaji, 2006), chứng minh rằng bón Si dưới
dạng CaAl2Si2O8 làm giảm 73 – 78% tỷ lệ lúa bị nhiễm đạo ôn, giảm được 58 –
75% tỷ lệ lúa bị nhiễm đốm nâu giúp tăng năng suất và chất lượng của cây trồng.
Ở chồi và lá, sự phân phối Si phụ thuộc vào tỷ lệ thốt hơi nước của cây và
được tích tụ ở giai đoạn cuối của dịng thốt hơi nước, thường ở ngoài và trong

15


thành tế bào biểu bì lá. Thành tế bào biểu bì là bị thấm một màng mỏng Si và trở
thành những rào cản có hiệu quả chống lại sự mất nước do thoát hơi nước qua lớp
cutin và sự xâm nhiễm của nấm (Epstein và Bloom, 2005; Ma và Yamaji, 2006).
Si cũng ngăn chặn côn trùng gây hại như sâu đục thân, châu chấu và rầy lưng
trắng, bọ hình nhện và bọ ve. Dưỡng chất giúp cây trồng kháng lại sâu bệnh bằng
cách làm thay đổi hình thái, cấu trúc hay hoá học của cây ở vào một số giai đoạn
sinh trưởng và phát triển. Chẳng hạn như làm cho tế bào biểu bì của lá dày hơn,
mức độ hố gỗ của các mô mạnh hơn, giúp lá chống lại sự xâm nhiễm của nấm
bệnh, thân, lá cứng cáp hơn, chống lại sự tấn công của côn trùng, hoặc cây sản sinh
ra những chất ngăn cản hay xua đuổi côn trùng.
1.1.4. Sự tích lũy phytolith và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy phytolith
trong mơi trường đất
Rơm rạ chứa phytolith và là một mắt xích quan trọng chi phối dịng tuần
hồn của các ngun tố trong mơi trường đất (Hình 6). Cây trồng vừa hút thu để lấy

đi silic từ môi trường đất, vừa là nguồn cung cấp trả silic về đất thơng qua hồn trả
sinh khối và phytolith. Bồn silic sinh học (phytolith) trong thực vật có ý nghĩa quan
trọng đối với quản lý độ phì đất (liên quan đến khả năng cung cấp khoáng chất dinh
dưỡng), vai trị mơi trường (liên quan đến khả năng cố định cacbon).

16


Hình 6: Vịng tuần hồn của silic/phytolith trong đất lúa.
Trong đất lúa một lượng phytolith đáng kể có thể được tích lũy do rơm rạ chứa
phytolith được hồn trả lại đồng ruộng sau mỗi vụ mùa thu hoạch. Quá trình này phụ
thuộc nhiều vào cách yếu tố ngoại cảnh (người dân hoàn trả lại đồng ruộng hay sử
dụng cho các mục đích khác) và cách thức hồn trả các phụ phẩm trở lại đất (đốt hoặc
vùi). Phytolith giải phóng từ phương thức vùi rơm rạ thường chậm do tốc độ phân
hủy các hợp chất hữu cơ bao bọc quanh phytolith diễn ra chậm. Ngược lại, đốt rơm rạ
sẽ phân hủy tức thì các hợp chất hữu cơ bao bọc, và khi đó phytolith là thành phần
chính cịn lại trong tro rơm rạ. Tuy nhiên, điều kiện đốt khác nhau cũng có thể tác
động đáng kể đến các sản phẩm tạo thành (Nguyễn Ngọc Minh và nnk, 2016).
Dạng silic hòa tan mà cây trồng hút thu được điều tiết bởi các nguồn bổ sung
và lượng mất đi. Lượng silic bổ sung liên quan đến những q trình: hịa tan/giải
phóng từ pha rắn trong đất (các khoáng vật silicat, silic sinh học, silic hấp phụ trên
keo đất), hồn trả rơm rạ, bón phân/chế phẩm chứa silic, tưới tiêu, lắng đọng khí

17


quyển. Lượng mất đi chủ yếu liên quan đến các q trình rửa trơi, cây hút thu và
hình thành các khoáng vật mới.
Sự phá hủy phytolith xuất phát từ quá trình hịa tan oxit silic và q trình
phân hủy các hợp chất hữu cơ xen kẹp với oxit silic. Hai quá trình này chịu sự chi

phối của các yếu tố khác nhau (oxit silic: do các yếu tố hóa học; chất hữu cơ: do các
phản ứng hóa học và các vi sinh vật). Q trình hịa tan do sự ln chuyển dòng
chảy là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự suy giảm hàm lượng phytolith trong đất.
Một số nghiên cứu gần đây dựa trên phân tích đặc tính điện động và các chuyển
động vật lý (Brownian) cho thấy phytolith có thể bị rửa trôi khá dễ dàng trong điều
kiện ngập nước. Tuy vậy, sự di chuyển của một “vật thể có kích thước tương tự
limon” trong mơi trường đất phụ thuộc khá nhiều vào các yếu tố như độ xốp cũng
như tốc độ thẩm thấu, do vậy nó có thể rất khác biệt ở những loại đất khác nhau.
Ngược lại, q trình hịa tan lại phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của nước
trong đất ví dụ như pH, nồng độ ion hòa tan.
Phytolith hòa tan rất nhanh và giúp duy trì nồng độ Si trong đất lúa có thể đạt
ngưỡng 40 mg/L (Nguyễn và nnk, 2014). Ngưỡng nồng độ cao này giúp cho lúa có
thể hút thu tốt hơn tuy nhiên cũng tiềm ẩn nguy cơ mất Si do rửa trơi. Các phân tích
mơ hình hóa cho thấy lượng Si mất đi do rửa trơi có thể lớn gấp 10 lần so với lượng
Si cây hút thu được. Ước tính khoảng 500 – 700 kg Si/ha có thể bị mất đi do rửa trôi
sau mỗi vụ (Nguyễn và nnk, 2015). Q trình hịa tan của phytolith phụ thuộc rất
nhiều vào phản ứng của đất. Đất có pH thấp sẽ làm giảm tốc độ hòa tan phytolith và
ngược lại khi pH tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình hịa tan phytolith để giải phóng Si
(Nguyễn và nnk, 2014). Do vậy, các biện pháp canh tác liên quan đến điều chỉnh pH
đất có thể là chìa khóa cho các biện pháp sử dụng hiệu quả nguồn dự trữ phytolith
và các chất dinh dưỡng kèm theo trong cấu trúc phytolith. Các biện pháp tiên tiến
trong xử lý rơm rạ có thể là một giải pháp góp phần hạn chế sự suy hao vơ ích (rửa
trơi) nguồn dự trữ phytolith trong đất và cần được nghiên cứu chi tiết hơn.

18


1.2.

Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trƣờng đất

1.2.1. Nguồn cacbon hữu cơ trong môi trường đất
Cacbon hữu cơ trong đất đóng vai trị quan trọng đối với tất cả q trình diễn
ra trong mơi trường đất và có tác động đến hầu hết các tính chất lý, hố, 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 khơng khí đất và dung dịch, OC 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 q
trình hình thành, phát triển và duy trì độ phì nhiêu của đất. OC 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 (Amatangelo và nnk, 2008). OC 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.
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 (Đỗ Ánh, 2005).
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 cịn có xác
động vật và vi sinh vật, 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

19