Ảnh hưởng của việc sử dụng phân đạm đến khả năng tích lũy hàm lượng NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm tại xã Đặng Xá - huyện Gia Lâm – thành phố Hà Nội

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Môi trường ngày nay không phải là vấn đề quan tâm của mỗi quốc gia mà trở thành vấn đề toàn cầu. Bảo vệ môi trường là một tiêu chuẩn đạo đức, là điều kiện phát triển của một cá nhân, một cộng đồng, một quốc gia. Đặc biệt bảo vệ môi trường nước là vấn đề được quan tâm hàng đầu vì chúng rất dễ gây ra những ảnh hưởng trực tiếp cho con người các quần thể sinh vật đồng thời dễ lan truyền những tác động xấu ra những vùng lân cận. Nước là một nhân tố quyết định đến sự sống của các sinh vật trên hành tinh, hiện nay trên thế giới mức độ sử dụng nước ngày một tăng nhanh, thế giới có khoảng 14000 triệu km3 nước, nước mặn chiếm 97%, nước ngọt chiếm 3% chỉ có khoảng 10 triệu km3 nước có thể sử dụng được phần còn lại là nước đóng băng tập trung ở hai cực [1]. Nhu cầu nước cho các ngành cũng tăng lên khoảng 69% sử dụng trong nông nghiệp, 23% sử dụng cho công nghiệp, 8% nhu cầu cho đời sống. Dưới sức ép của sự gia tăng dân số, nhu cầu lương thực thực phẩm đang tăng lên cả về số lượng và chất lượng cùng với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa thâm canh nông nghiệp và thói quen sử dụng nước tùy tiện không quan tâm đến chất lượng nước ở các nước chậm phát triển. Gần 20% dân số thế giới không được sử dụng nước sạch và 50% thiếu nước vệ sinh an toàn. Việt Nam là một nước đang phát triển có bình quân thu nhập đầu người tháp, nông nghiệp chiếm một vai trò quan trọng đối với 75% lao động và 80% dân số sống chủ yếu dựa vào nông nghiệp. Nông nghiệp là ngành sử dụng nước nhiều nhất chủ yếu là do tưới tiêu. Để đảm bảo an ninh lương thực cho toàn xã hội việc sử dụng phân bón đặc biệt là phân đạm nhằm tăng năng suất cây trồng đang ngày một tăng lên. Lượng phân bón hóa học sử dụng ở Việt Nam mức trung bình 62.7 kg/ha vào năm 1985 và 73.5 kg/ha vào năm 1990 và vẫn còn có chiều hướng gia tăng từ năm 1990 trở lại đây [30]. Đặc biệt, sử dụng phân đạm hóa học bị lạm dụng ở một số vùng trồng rau và thâm canh lúa nước gây ra dư thừa trong nước mặt và có nguy cơ tích lũy trong nước ngầm do nông dân sử dụng một lượng lớn và không hợp lý đó là nguồn sản sinh NO3-, NH4+ đi vào đất và nước. Khi bón phân đạm vào đất chủ yếu một phần cây trồng sử dụng được, 30 – 40% phần còn lại bị lãng phí theo con đường bay hơi vào khí quyển, rửa trôi theo nguồn nước tích lũy trong đất. Lượng phân bón thải vào môi trường nước gây ra ảnh hưởng đến nước mặt và nước ngầm, đặc biệt là tình hình tích lũy NO3-, NH4+ trong nước. Do vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của phân bón đặc biệt là phân đạm đến mức độ tích lũy NO3-, NH4+ là cần thiết, là cơ sở đề xuất biện pháp tránh tích lũy NO3-, NH4+ trong nước tưới cho sản xuất nông nghiệp, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ảnh hưởng của việc sử dụng phân đạm đến khả năng tích lũy hàm lượng NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm tại xã Đặng Xá - huyện Gia Lâm – thành phố Hà Nội”. 1.2. Mục đích, yêu cầu nghiên cứu 1.2.1. Mục đích Xác định ảnh hưởng của việc sử dụng phân đạm đến sự tích luỹ hàm lượng NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm tại một số địa điểm ở xã Đặng Xá, đề xuất hướng sử dụng phân bón hợp lý, hiệu quả nhằm hạn chế ảnh hưởng tới môi trường nước. 1.2.2. Yêu cầu - Điều tra, đánh giá mức độ sử dụng phân đạm đối với cây trồng ở một số hộ sản xuất nông nghiệp của xã Đặng Xá. - Xác định mối liên quan giữa việc sử dụng phân đạm đến sự thay đổi hàm lượng NO3-, NH4+ và một số chỉ tiêu khác (DO, pH, Eh) trong nước mặt và nước ngầm ở một số điểm nghiên cứu. - Tìm hiểu mối quan hệ giữa NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm. - Đề xuất một số biện pháp sử dụng phân bón hiệu quả, hợp lý PHẦN II: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Vai trò của phân khoáng trong sản xuất nông nghiệp Trong nền kinh tế của nước ta hiện nay, nông nghiệp chiếm một vị trí quan trọng. Một trong những biện pháp hàng đầu để đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp là sử dụng phân bón.Với tốc độ tăng dân số như hiện nay bình quân diện tích đất canh tác tính theo đầu người quá thấp. Nhưng con số đó lại ngày càng thấp hơn ở các nước đang phát triển do tốc độ tăng dân số và diện tích trồng trọt bị thu hẹp lại trong quá trình công nghiệp hoá và đô thị hoá. Để đảm bảo lương thực, thực phẩm tiêu dùng trong nước và xuất khẩu, hướng thâm canh sản xuất nông nghiệp là biện pháp tất yếu. Theo thống kê, nhân dân các vùng thâm canh phải đầu tư 30 – 50% tổng chi phí trồng trọt vào phân bón khiến yêu cầu sử dụng phân bón ngày càng cao. Việt Nam có trên 80% dân số sống bằng nghề nông, nông nghiệp đã cung cấp trên 40% tổng sản phẩm quốc doanh ( GDP ) và đóng góp vai trò quan trọng trong xuất khẩu nông sản. Trong vài năm gần đây kinh tế nông nghiệp cả nước tăng trưởng ở mức ổn định 5 – 7% /năm, mang lại thu nhập cho nông dân sống ở nông thôn, góp phần xoá đói giảm nghèo, đảm bảo an ninh lương thực cho xã hội, góp phần ổn định kinh tế xã hội của đất nước. Bón phân là biện pháp kỹ thuật có ảnh hưởng quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng, hiệu quả và thu nhập của người sản xuất. Thực tiễn sản xuất ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở nước ta trong những năm qua đã chứng minh rằng, không có phân bón đặc biệt là phân hoá học thì không thể đạt năng suất và sản lượng cao. Nếu không có phân hoá học, nông nghiệp không thể nào trong tăng gấp 4 lần sản lượng trong vòng 50 năm, trở thành một trong các yếu tố cơ bản để tăng mức sống và trình độ văn minh. Phân bón hoá học đã chiếm lĩnh chủ yếu trong các loại phân được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của hầu hết các nước trên thế giới [24]. Phân bón ngoài hiệu ứng trực tiếp là tăng năng suất cây trồng, nó còn có tác động rất lớn đến việc tạo ra nền đất thâm canh mà lâu nay người sử dụng ít chú ý tới. Tuy nhiên, sử dụng phân hoá học quá mức và không hợp lý đã dẫn đến những ảnh hưởng xấu đến tính chất đất, phẩm chất nông sản cũng như môi trường, do đó ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người và động vật. Trước thế kỷ XIX nông nghiệp thế giới nói chung và nông nghiệp Việt Nam nói riêng vốn là nền nông nghiệp hữu cơ. Ở châu Âu trước khi có phân hoá học, một ha không đủ cung cấp lương thực cho một người, điều này càng khẳng định vai trò không thể thiếu của phân hoá học trong nền nông nghiệp hiện nay khi có sự bùng nổ về dân số. Trong bốn chất dinh dưỡng N, P, K, S cho cây trồng N ( Nitơ ) là chất dinh dưỡng số một, là nguyên tố tham gia vào tất cả các protein đơn giản và phức tạp, là thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh của tế bào thực vật, N cũng là thành phần các axit nucleic đóng vai trò hết sức quan trọng trong trao đổi chất của cơ thể, cây trồng...Khi cung cấp không đủ Nitơ cho cây trồng thì cây trồng sinh trưởng và phát triển kém, lá vàng có màu lục nhạt, năng suất mùa màng giảm [17]. Trong các cây lương thực chủ yếu trên thế giới: lúa mỳ, lúa nước và ngô lúa là cây lương thực chính, sản phẩm lúa gạo là nguồn lương thực nuôi sống hơn 1/2 dân số thế giới nhất là các nước thuộc châu Á, châu Phi, châu Mỹ Latinh, lúa còn có vai trò trong công nghiệp chế biến và chăn nuôi. Ở các nước phát triển châu Âu, châu Mỹ, lúa coi là nguồn thức ăn tốt nhất cho sức khoẻ, một số quốc gia lúa gạo còn đóng vị trí quan trọng trong vấn đề an ninh lương thực. (FAO, 1999) [10]. Trong những năm qua sản xuất lúa của Việt Nam phát triển mạnh cả về diện tích và năng suất. Năm 2000 diện tích gieo trồng là gần 7,7 triệu ha, gấp 1,3 lần năm 1989 năng suất đạt 4,2 tấn/ha [27]. Để đạt được những thành tựu trên là do có những đổi mới trong chính sách sản xuất lúa đặc biệt là kỹ thuật đầu tư sử dụng giống, thuỷ lợi và phân bón... Cây lúa bất kỳ lúa nước hay lúa trồng cạn muốn có năng suất cao cần nguồn dinh dưỡng lớn đặc biệt là phân bón và kỹ thuật bón, phương pháp bón phù hợp cân đối. Cũng như các cây trông khác, lúa hút dinh dưỡng khoáng đạm, lân, kali, canxi, lưu huỳnh, magiê và nguyên tố vi lượng: Ca, Zn, Mn... để sinh trưởng phát triển và cho năng suất cao. Đặc biệt là ba nguyên tố N, P, K yêu cầu số lượng phụ thuộc vào từng giống, từng giai đoạn sinh trưởng phát triển. Theo kết quả tổng kết của Mai Văn Quyền trên 60 thí nghiệm khác nhau thực tiễn ở 40 nước có khí hậu khác nhau cho thấy. Nếu năng suất lúa 3 tấn thóc/ha thì lúa lấy đi hết 50 kg N, 260 kg P2O5, 80 kg K2O, 10 kg Ca, 6 kg Mg, 5 kg S và nếu ruộng lúa đạt năng suất trên 6 tấn thóc/ha thì lượng dinh dưỡng cây lúa lấy đi 100 kg N, 50 kg K2O5, 160 kg K2O, 19 kg Ca, 12 kg Mg, 10 kg S [11]. Trong giai đoạn hiện nay nước ta đưa vào sản xuất nhiều giống lúa lai, lúa cao sản cho năng suất cao như C70, VL24, NN10...những giống lúa này đòi hỏi yêu cầu phân bón lớn hơn nhiều so với lúa thuần, lúa đặc sản địa phương. Theo Thomas Dierolf và cộng sự 2001, ở vùng Đông Nam châu Á để có năng suất 4 tấn hạt/ha cây lúa hút 90 kg N, 13 kg P, 108 kg K, 11 kg Ca, 10 kg Mg, 4 kg S. Các giống lúa địa phương cho năng suất 2 tấn/ha chỉ hút 45 kg N, 7 kg P, 54 kg K, 6 kg Ca, 5 kg Mg, 2 kg S. Theo Nguyễn Văn Bộ và cộng sự ( 2003 ) trung bình cây lúa lấy đi 222 kg N, 7,1 kg K2O5, 31,6 kg K2O, 3,9 kg CaO, 4 kg MgO, 0,9 kg S và 51,7 kg Si [31]. Dinh dưỡng đạm với cây lúa là vấn đề quan trọng đặc biệt là đối với các giống lúa lai. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc sau khi nghiên cứu phân đạm với lúa lai đã đưa ra kết luận: cùng mức năng suất, lúa lai hấp thu lượng đạm và lân thấp hơn lúa thuần, ở mức năng suất 75 tạ/ha lúa lai hấp thu đạm thấp hơn lúa thuần 4,8%, hấp thu P2O5 hơn 18,2%, nhưng hấp thu K2O cao hơn 30%.Với ruộng lúa cao sản thì lúa lai hấp thu đạm cao hơn lúa thuần 10%, hấp thu K2O cao hơn 45%, hấp thu P2O5 bằng lúa thuần [25]. Theo Bùi Huy Đáp ( 1980 ): Đạm là nguyên tố dinh dưỡng tốt nhất đối với cây lúa trong các giai đoạn sinh trưởng và phát triển và chỉ khi có đủ đạm các chất khác mới phát huy tác dụng [9]. Theo Đinh Thế Lộc, Vũ Văn Liết: Đủ đạm ở giai đoạn đầu sẽ làm phát triển chiều cao, số nhánh, tăng kích thước lá, tăng số hạt trên bông, tăng tỷ lệ % hạt chắc. Nếu thiếu đạm quá trình sinh trưởng sinh dưỡng bị hạn chế, số hạt trên bông giảm. Lúa cần đạm ở giai đoạn đầu và giai đoạn đẻ nhánh hình thành số bông tối đa [22]. Theo kết quả nghiên cứu của Mitsui (1973) về ảnh hưởng của đạm đến hoạt động sinh lý của cây lúa: sau khi tăng lượng N thì cường độ quang hợp, cường độ hô hấp và hàm lượng diệp lục của cây lúa tăng lên, nhịp độ quang hợp hô hấp không khác nhau nhiều nhưng cường độ quang hợp tăng mạnh hơn cường độ hô hấp 10 lần, cho nên vai trò của đạm làm tăng tích luỹ chất khô [21]. Hiệu suất phân đạm đối với lúa theo Iruka (1963) cho thấy (nếu bón đạm với liều lượng cao thì hiệu suất cao nhất là vào lúc lúa đẻ nhánh và sau đó giảm dần. Nếu bón với liều lượng thấp thì bón vào lúc lúa đẻ và trước trỗ 10 ngày có hiệu quả cao [35]. Ngoài ra khi nghiên cứu dinh dưỡng đạm của cây lúa ngắn ngày, các nhà khoa học trong và ngoài nước cho rằng nhu cầu về đạm của cây lúa có tính chất liên tục từ đầu sinh trưởng đến lúc chín. Có hai thời kỳ đặc biệt trong dinh dưỡng đạm của cây lúa thời kỳ đẻ nhánh và làm đòng. Đặc điểm thời kỳ đẻ nhánh nhất là khi đẻ rộ cây lúa hút đạm nhiều nhất thường lúa hút 70% lượng đạm cần thiết trong thời gian đẻ nhánh quyết định 74% năng suất. Lúa cũng cần nhiều đạm trong thời kỳ phân hoá đòng và phát triển thành bông, tạo ra các bộ phận sinh sản. Giai đoạn này lúa hút 10 – 15% lượng N là thời kỳ bón đạm có hiệu suất cao. Phần đạm còn lại được cây hút đến lúc chín [9]. Bảng 2.1: Động thái tích luỹ dinh dưỡng của cây lúa (%) Dinh dưỡng  Từ nảy mầm đến đẻ nhánh tối đa  Nhánh tối đa đển phân hoá đòng  Phân hoá đòng đến hình thành bông  Thành bông đến chín   Đạm  37  12  31  20   Lân  33  23  34  10   Kali  36  21  20  23   (Nguồn: Ishizuka. Y, 1973 - Nguyễn Xuân Trường, 2000) Theo nghiên cứu của Nguyễn Vi - Trần Khải (1978): Trong đất phù sa sông Hồng bón đạm mức 180 kg N/ha trong vụ Xuân và 150 kg N/ha trong vụ Mùa cho lúa lai vẫn không làm giảm năng suất lúa. Hiệu suất phân đạm đạt từ 10 – 14 kg thóc/ 1 kg N đối với các giống lúa lai còn các giống lúa thuần đạt từ 7 – 8 kg thóc/ 1 kg N [20]. Ngoài đạm, lân cũng có vai trò quan trọng với mỗi cây trồng như chúng ta đã biết cây cần lân tham gia vào thành phần tổng hợp hydratcacbon, Prôtein và chất béo giữ quá trình hô hấp và quang hợp, giúp cho việc hút N tăng cường phát triển bộ rễ, kích thích nốt sần, đẻ nhánh, tăng phẩm chất nông sản, làm quả mau chín hạt mẩy. Năm 1994 kết quả thí nghiệm bón lân cho lúa của trường Đại học nông nghiệp II tại xã Thủy Dương - huyện Hương Thủy (Thừa Thiên - Huế) cho thấy: trong vụ Xuân bón lân cho lúa từ 30 – 120 kg P2O5/ha đều làm tăng năng suất lúa 10 – 17%. Với liều lượng bón 90 kg P2O5 thì năng suất cao nhất và nếu bón hơn liều lượng 90 kg P2O5 thì năng suất có xu hướng giảm xuống. Trong vụ hè thu với giống lúa VM1 bón sưpe lân hay lân nung chảy làm tăng năng suất rõ rệt. Kali là 1 trong ba yếu tố dinh dưỡng quan trọng đối với cây lúa, trước tiên cây hút K sau đó hút N, để thu được 1 tấn thóc cây lúa lấy đi 22 – 26 kg K2O nguyên chất tương ứng với 36,74 – 43,4 kg KCl (60% K). K là nguyên tố điều khiển chất lượng tham gia vào các quá trình hình thành hợp chất và vận chuyển các hợp chất đó, K còn có tác dụng làm cho tế bào cây được củng cố, tăng tỷ lệ đường, giúp vận chuyển chất dinh dưỡng nhanh chóng về hoa và tạo hạt [6]. Trên đất phù sa sông Hồng trong thâm canh lúa ngắn ngày, để đạt năng suất lúa 5 tấn/ ha ở vụ mùa và 6 tấn/ha nhất thiết phải bón K. Để đạt năng suất 7 tấn/ha ở vụ Xuân cần bón 102 – 135 kg K2O/ha/vụ (ở mức 193 kg N/ha, 120 kg P2O5/ha) và năng suất vụ mùa 6 tấn cần bón 88 – 107 kg K2O/ha/vụ (ở mức 160 kg N/ha, 88 kg P2O5/ha/vụ). Hiệu suất phân K có thể đạt 6,2 – 7,2 kg thóc /kg K2O [4]. Vai trò cân đối của đạm và Kali càng lớn khi lượng đạm sử dụng càng nhiều. K điều chỉnh dinh dưỡng đạm, làm cho cây sử dụng được nhiều đạm và các chất dinh dưỡng khác nhiều hơn. Nếu không bón K thì hệ số sử dụng đạm chỉ đạt 15 – 30% trong khi bón K thì hệ số này tăng lên 39 – 49%. Trong vụ Xuân ở Miền Bắc, nhiệt độ thấp, thời tiết âm u hiệu lực sử dụng phân K cao hơn, cần bón K nhiều trong vụ này [6]. K được sử dụng trong nguyên sinh chất tế bào như một tác dụng kích thích hoạt động chuyển hoá vật chất vô cơ thành hữu cơ đồng thời thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm quang hợp lên lá, hoa và hạt. Sự có mặt của K thời kỳ sau trỗ của lúa lai là một ưu thế thúc đẩy quá trình mẩy của hạt giúp nâng cao năng suất. Trong vụ Xuân để đạt năng suất cao thì cần bón sớm, Bón K là yêu cầu bắt buộc đối với lúa lai ngay cả trên đất giàu K [5]. 2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng phân khoáng trên thế giới và Việt Nam 2.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân khoáng trên thế giới Một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất cây trồng là sử dụng phân bón. Để nuôi sống 7 – 8 tỷ người trên thế giới trong những năm tới, số lượng lương thực phải được gia tăng và điều đó phụ thuộc vào phân bón. Chính vì vậy nhịp độ sản xuất và tiêu thụ phân bón hoá học của thế giới tăng không ngừng. Nhờ phân bón mà năng suất cây trồng có thể tăng từ 30 – 50% nhưng để sản lượng tăng lên gấp đôi thì chi phí phân bón, thuốc trừ sâu và kỹ thuật tăng lên gấp 10 lần [32]. Theo FAO: toàn thế giới năm 1960 sử dụng 10 triệu tấn phân đạm, năm 1980 là 62,7 triệu tấn đến năm 1990 là 150 triệu tấn. Về phân lân của những năm 60 thế giới sử dụng 2,1 triệu tấn (P2O5) đến năm 1990 là 40 triệu tấn. Như vậy, về tổng thể không thể phủ nhận vai trò của phân hoá học trong thực tế, đây là nhu cầu quan trọng nhằm tăng tính sản xuất của đất. Hiện nay trên thế giới việc sử dụng phân bón rất biến động, tuy nhiên nơi sử dụng nhiều nhất vẫn là các nước Tây Âu và một số nước châu Á. Còn ở Châu Phi, vùng Trung Đông và các nước Mỹ la tinh nhìn trung lượng phân hóa học sử dụng còn thấp hơn nhiều mức bình quân thế giới. Bảng 2.2: Tình hình sử dụng phân hóa học của các nước Quốc gia  Lượng phân hoá học bình quân sử dụng cho 1 ha gieo trồng (kg/ha)   Hà Lan Hàn Quốc Nhật Bản Trung Quốc Việt Nam  758 467 430 390 80 - 90   ( Nguồn: Nông nghiệp và môi trường, Lê Văn Khoa, NXBNN) Qua bảng trên ta thấy trong khu vực châu Á lượng phân bón sử dụng cho một ha gieo trồng năm 2001 ở Hà Lan lớn nhất 758 kg/ha, Việt Nam chỉ bằng 30,8% lượng sử dụng ở Trung Quốc và 19,4% lượng sử dụng ở Nhật Bản. Năng suất lúa của Việt Nam bằng 53,9% của Trung Quốc, 48,1% của Nhật Bản. Theo kết quả nghiên cứu của Hiệp hội công nghiệp phân bón thế giới IFA: nhìn tổng thể xu hướng tiêu thụ phân bón giảm xuống từ đầu những năm 90: năm 1990 đến 1992 giảm 9 triệu tấn, năm 1993 đến 1994 giảm gần 14 triệu tấn. Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển xu hướng sử dụng phân bón vẫn tăng lên. Năm 1993 đến 1994 các nước đang phát triển tiêu thụ phân bón tăng lên 55%, năm 1998 đến 1999 tăng lên 58%. Vì lẽ đó sản xuất phân đạm cũng tăng lên ở các nước phát triển, năm 1980 đến năm 1981 tăng 31% đến năm 1992 – 1993 tăng lên 45% [23]. Phân hóa học đặc biệt là phân đạm đã đóng góp vai trò quan trọng trong tăng năng suất cây trồng, phân bón đã tăng ở các nước công nghiệp phát triển: tại Mỹ ure tăng 11 lần, Pháp tăng 6 – 8 lần, Liên Xô cũ tăng 11 – 13 lần ... các nước đang phát triển như châu Phi tăng 2 lần, châu Mỹ la tinh tăng 2,5 lần, châu Á tăng 3 lần. Bảng 2.3: Nhu cầu phân bón trên thế giới Đơn vị: triệu tấn Dinh dưỡng  Năm 1987  Năm 1995   Đạm (tính theo N)  72  91   Lân (tính theo P)  15  18   Kali (tính theo K)  22  26   (Nguồn: Lê Văn Khoa, 2001) Vào những năm 1900 mức tiêu thụ phân đạm của thế giới là 2 triệu tấn, 50 năm sau lên tới 14 triệu tấn, năm 1978 là 100 triệu tấn, đến năm 1982 là 130 triệu tấn, năm 2000 khoảng 180 triệu tấn. Về phân lân những năm 60 thế giới sử dụng 21 triệu tấn (P2O5) đến năm 1990 là 40 triệu tấn [30]. Hiệp hội phân bón quốc tế IFA cho biết trong giai đoạn 5 năm tới nhu cầu phân bón thế giới dự kiến sẽ đạt 171,9 triệu tấn trong năm 2010/2011, tăng 11,6% so với năm 2005/2006, tương ứng mức bình quân 2,2%/năm trong đó K, phân lân và phân đạm dự kiến tăng lần lượt 3%, 2,6% và 1,8%. Trong giai đoạn 2006 – 2010 dự báo của IFA về nhu cầu tiêu thụ của từng loại phân bón: - Đối với phân ure: nhu cầu tiêu thụ toàn cầu sẽ tăng bình quân 3%/năm và đạt 143,6 triệu tấn vào năm 2010. Sản lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng 40 triệu tấn vào năm 2010, đạt 180 triệu tấn. Riêng năm 2010 sản lượng phân ure của thế giới có khả năng tăng thêm 14 triệu tấn, chủ yếu nhờ sự gia tăng sản lượng của khu vực Tây Á và Trung Quốc. - Phân đạm và amoniac: năm 2010 sản lượng amoniac toàn cầu có thể đạt 202 triệu tấn tăng 35 triệu tấn so với 167 triệu tấn năm 2006. sản lượng amoniac của thế giới dự kiến tăng bình quân 7%/năm trong giai đoạn 2006 – 2009 và có thể tăng thêm 15 triệu tấn năm 2010. khu vực Tây Á có thể chiếm 1/3 mức gia tăng sản lượng trong khoảng thời gian trên. Theo IFA, nhu cầu tiêu thụ phân đạm của thế giới trong giai đoạn 2006-2010 dự kiến tăng bình quân 1,8%/năm đạt 99,1 triệu tấn vào năm 2010. nguồn cung ứng phân đạm toàn cầu có thể tăng bình quân 5,4%/năm, trong khi nhu cầu tiêu thụ chỉ tăng 2,1%. - Đối với lân: sản lượng phân lân của thế giới sẽ tăng bính quân khoảng 2%/năm từ 177 triệu tấn trong năm 2006 lên 195 triệu tấn năm 2010. Trong đó Trung Quốc có khả năng chiếm 1/3 mức gia tăng này trong thời gian trên. Ngoài ra sản lượng phân lân của các nước và khu vực Tây Á, châu Phi, Đông Á và Mỹ la tinh dự kiến sẽ tăng lên khi tình hình sản xuất tại Mỹ không thuận lợi. - Đối với phân DAP: sản lượng DAP toàn cầu dự kiến tăng thêm 3,3 triệu tấn P2O5 vào năm 2010, đạt 24,1 triệu tấn P2O5. Trung Quốc chiếm 40% mức gia tăng sản lượng DAP kể trên. - Đối với phân MOP: sản lượng phân kali (MOP) toàn cầu năm 2010 dự báo sẽ đạt 71,3 triệu tấn, tăng mạnh so với 64,3 triệu tấn năm 2005. IFA dự đoán sản lượng phân kali (K2O) của thế giới có thể đạt 41,4 triệu tấn vào năm 2010, tăng so với mức 37,5 triệu tấn trong năm 2006, trong khi nhu cầu tiêu thụ loại phân này dự kiến đạt 30,8 triệu tấn vào năm 2010, tăng so với 27,1 triệu tấn năm 2006. Theo IFA, hầu hết sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ phân bón đều xuất phát từ thị trường châu Á, trong đó khu vực Nam Á và Đông Á chiếm hơn một nửa tổng mức tăng này. Ngoài ta, các khu vực khác trên thế giói dự kiến mức tiêu thụ tăng trưởng bình quân hàng năm: Mỹ la tinh và vùng Caribe (3%), Bắc Mỹ (2,1%), Đông Nam Á (3,3%), Đông Âu và Trung Á (3%), châu Đại Dương (2,1%), Tây Á và Đông Bắc Phi (1,9%). Nhu cầu phân bón của thị trường châu Phi giai đoạn 2006 – 2009 dự kiến tăng 4,2% so với năm 2005/2006, thị trường châu Âu giai đoạn này tăng nhẹ [13]. 2.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng phân khoáng ở Việt Nam Việt Nam là một nước nông nghiệp trồng lúa nước nhưng so với thế giới mãi đến năm 50 của thế kỷ này mới bắt đầu làm quen với phân bón hóa học. Tuy vậy mức độ sử dụng phân bón hóa học ở Việt Nam mỗi năm một tăng. Năm 1980 cả nước sử dụng 500.000 tấn phân đạm (quy về đạm tiêu chuẩn) và trên 200.000 tấn phân lân ( quy về super photphat đơn). Đến năm 1990 đã sử dụng 2,1 triệu tấn phân đạm và 650.000 tấn phân lân [30]. Mức độ sử dụng phân bón hóa học (N + P2O5 + K2O) trong 17 năm (1985 – 2001) tăng bình quân 9%/năm và đang có xu hướng mỗi năm tăng khoảng 10% trong thời gian tới. Từ năm 1985 đến nay sử dụng phân đạm tăng trung bình 7,2%/năm, phân lân tăng 13,9%/năm, phân kali tăng tốc độ cao nhất 23,9 %/năm. Tổng lượng dinh dưỡng (N + P2O5 + K2O) sử dụng năm 1985/1986 là 385,6 ngàn tấn, năm 1989/1990 là 541,7 ngàn tấn thì năm 1990/2000 là 2234,0 ngàn tấn tăng 5,8 lần so với năm 1985/1986 [16]. Trong 5 năm trở lại đây (2001 – 2005) lượng dinh dưỡng sử dụng cho trồng trọt đang ngày một gia tăng: Bảng 2.4: Số lượng phân hóa học được sử dụng qua các năm Đơn vị: 1000 tấn dinh dưỡng Năm  N  P2O5  K2O  NPK (kg/ha)  Tỷ lệ N:P2O5:K2O   2000/2001  1245,5  475,0  390,0  171,5  1:0,38:0,31   2001/2002  1071,4  620,2  431,9  165,5  1:0,58:0,4   2002/2003  1251,8  668,0  411,0  179,7  1:0,53:0,33   2003/2004  1317,5  733,2  480,0  -  1:0,56:0,36   2004/2005  1385,5  806,6  516,0  -  1:0,58:0,37   (Nguồn: Đất và phân bón, Bùi Huy Hiền, 2005[3]) Theo bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn ở nước ta lượng phân bón sử dụng trong nông nghiệp ngày càng tăng cả về số lượng và chủng loại. Hàng năm ít nhất có 1.420 loại phân bón khác nhau được đưa ra thị trường. Trong đó phân đơn, phân NPK khoảng 1.084 loại, phân hữu cơ – khoáng, phân vi sinh, phân trung – vi lượng và các loại phân khác. Nhìn chung, mức sản xuất và sử dụng dinh dưỡng cho cây trồng thấp và không cân đối. Phân đạm ure mới chỉ đáp ứng được 10% so với nhu cầu sản xuất, phân lân đáp ứng 60 – 70%, phân Kali phải nhập khẩu hoàn toàn [32]. Hàng năm nhập khẩu khoảng 1,4 triệu tấn ure/năm 200 – 300.000 tấn lân/năm và 150 – 200.000 tấn/năm Kali [18]. Tỷ lệ dinh dưỡng trung bình thế giới là N : P2O5 : K2O là 1 : 0,47 : 0,36 trong đó các nước đang phát triển tỷ lệ này là 1 : 0,37 : 0,17. Ở Việt Nam mới chỉ đạt 1 : 0,23 : 0,04 mức độ sử dụng phân bón khác nhau ở nhiều vùng [30]. Lượng phân bón sử dụng cho lúa không đều giữa các vùng trong cả nước. Liều lượng phân hóa học sử dụng đối với lúa ở Đồng Bằng sông Hồng 155 – 210 kg NPK/ha, vùng Đồng Bằng sông Cửu Long 150 – 200 kg NPK/ha một vụ. Khoảng 80% lượng phân học sử dụng ở nước ta tập trung ở vùng trồng lúa (lượng phân bón thích hợp cho lúa thể hiện ở bảng 2.5, phần phụ lục). Tuy nhiên, do hệ số sử dụng đạm của lúa không cao nên lượng đạm bón cho lúa cao hơn nhiều so với nhu cầu. Trên các loại đất khác nhau tỷ lệ liều lượng phân bón cho lúa rất khác nhau (bảng 2.6, phần phụ lục). Mặc dù lượng phân bón hóa học ở nước ta còn chưa cao so với một số quốc gia phát triển song đã tồn tại một số hạn chế gây sức ép lên vấn đề môi trường do: - Sử dụng không đúng kỹ thuật nên hiệu quả phân bón thấp - Bón phân không cân đối giữa tỷ lệ NPK, nặng về sử dụng phân đạm. Cả nước tỷ lệ NPK là 1,0 : 0,3 : 0,1 trong khi tỷ lệ thích hợp là : 1 : 0,5 : 0,3. - Chất lượng phân bón không đảm bảo: Hiện nay ngoài lượng phân bón nhập khẩu do nhà nước quản lý hoặc các doanh nghiệp công nghiệp trong nước sản xuất, còn một lượng lớn phân bón nhập lậu không được kiểm soát và một số cơ sở nhỏ lẻ sản xuất trong nước không đảm bảo chất lượng. Chính lượng phân bón này gây ra áp lực và ảnh hưởng xấu tới môi trường đất. 2.2.3 Tình hình sử dụng phân khoáng ở Đồng bằng sông Hồng Đồng bằng sông Hồng là một vùng trọng điểm trồng lúa quan trọng có nhiệm vụ cùng với Đồng bằng sông Cửu Long thâm canh lúa nhằm đảm bảo an toàn lương thực cho cả nước. Cả nước hiện có khoảng 9.415.568 ha đất sản xuất nông nghiệp chiếm 28,43% tổng diện tích đất tự nhiên và chiếm 37,93% tổng diện tích đất sản xuất nông nghiệp. Trong đó Đồng bằng sông Hồng diện tích sản xuất nông nghiệp 764.024,56 ha chiếm 8,11%diện tích đất sản xuất nông nghiệp của cả nước [14]. Diện tích cây lương thực hàng năm 1.576,7 nghìn ha, sản lượng thóc trung bình hàng năm khoảng 5 triệu tấn. Do nằm trong vùng đất chật người đông, diện tích đất nông nghiệp của Đồng bằng sông Hồng tính theo đầu người khoảng 560 m2 vì thế thâm canh tăng vụ cùng với sử dụng phân hóa học là con đường duy nhất giải quyết vấn đề lương thực tạo sản phẩm hàng hóa, tăng thu nhập cho người dân [7]. Theo số liệu điều tra 420 hộ giàu, nghèo ở Đồng bằng sông Hồng về sử dụng phân bón cho thấy hộ giàu bón trung bình 280 kg NPK nguyên chất có 14,9 tấn phân chuồng, hộ trung bình bón 258 kg NPK nguyên chất và 13,8 tấn phân chuồng, hộ nghèo cũng bón 103 kg NPK nguyên chất và 9,7 tấn phân chuồng (cho 1 ha gieo trồng) [29]. Ở vùng Đồng bằng sông Hồng với năng suất lúa trung bình mỗi vụ 5 triệu tấn thóc/ha cây trồng sử dụng 100 kg N, 60 kg P2O5, 200 kg K2O, 22 kg CaO và 9 kg S, tỷ lệ N : P : K = 1 : 0,6 : 2,1. Trên đất phù sa sông Hồng để có năng suất cao có thể đầu tư 150 – 160 kg N phối hợp 16 tấn phân chuồng 90 kg P2O5 và 60 kg K2O/ha. Muốn hiệu quả kinh tế cao chỉ nên đầu tư phân khoáng ở mức 120 kg N + 60 kg P2O5 + 30 kg K2O/ha. Bảng 2.7: Hệ số sử dụng phân khoáng của cây lúa trên đất phù sa sông Hồng (%) [12]. Chất dinh dưỡng  Vụ Xuân  Vụ Mùa   N  43,0  25,8   P2O5  20,5  22,0   K2O  46,0  43,0   Theo kết quả điều tra của Nguyễn Văn Bộ và cộng sự năm 1998 thấy rằng các hộ nông dân các tỉnh Đồng bằng sông Hồng tỷ lệ N : P2O5 : K2O bón cho cây trồng thích hợp hơn so với cả nước, tuy nhiên vẫn không đều giữa các địa phương . So với cả nước tỷ lệ N : P2O5 : K2O = 1 : 0,59 : 0,3 thì tỉnh Nam Định mức đầu tư cho lúa xuân cao: phân chuồng 10,6 tấn/ha, phân đạm 138,8 kg N/ha, phân lân 74,1 kg P2O5, phân kali 50,6 kg K2O/ha, tỷ lệ bón N : P2O5 : K2O 1 : 0,53 :0,36 ; ở Bắc Giang tỷ lệ này lên tới 1 : 0,52 : 0,95 với lượng N bón là 93,9 kg N/ha. Mức bón trung bình của các tỉnh khác là 100 kg N/ha, 59 kg P2O5 và 30 kg K2O/ha [7]. Các loại phân N, P, K hóa học đều có hiệu lực rõ trong bón phân cho lúa trên đất phù sa sông Hồng. Trong đó phân đạm có hiệu lực cao nhất nhưng với trình độ canh tác hiện nay chỉ nên bón 120 kg/ha là mức đạm bón có thể đạt năng suất 5 – 5,5 tấn/ha/vụ. Mặt khác để đảm bảo chất lượng tốt, hiệu suất bón phân cao và ổn định độ phì nhiêu của đất cần phối hợp N vói P,K theo tỷ lệ N : P : K là 1 : 0,5 : 0,5. Với mức độ bón 80 kg N/ha/vụ có thể đạt năng suất 5 tấn/ha/vụ nhưng không đảm bảo được độ phì nhiêu của đất. 2.3 Sự mất đạm trong đất ngập nước Đất lúa nước do đặc điểm của quá trình phát sinh cùng với quá trình canh tác trong lớp đất cày phân hóa thành hai ranh giới rõ ràng : tầng oxy hóa và tầng khử. Tầng oxy hóa là lớp đất trên cùng của tầng canh tác, dày từ vài mm tới 1cm, ở đó vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hảo khí. Do lớp nước trên mặt ruộng lúa giàu oxy, nhờ quá trình quang hợp của những thực vật thủy sinh sống trong ruộng lúa và tiếp xúc với không khí. Dưới tầng oxy hóa là tầng khử, vi sinh vật tồn tại trong điều kiện yếm khí. Do đặc điểm trên khi bón phân đạm cho lúa diễn ra quá trình sau: Thủy phân Urea, mất đạm ở thể hơi NH3, mất đạm do qúa trình Nitrat hóa và phản Nitrat hóa và quá trình mất đạm do rửa trôi bề mặt hoặc thấm sâu theo chiều thẳng đứng. Hiện tượng mất đạm khi bón vãi trên mặt ruộng do bón đạm amon hoặc đạm Ure khi bón vào tầng oxy hóa bị các vi khuẩn Nitrat hóa thành NO3-. Nitrat không được keo đất giữ lại, bị rửa trôi xuống tầng khử oxy ở dưới rồi tham gia vào quá trình phản đạm do vi sinh vật sống trong điều kiện yếm khí có đủ chất khử thành N2 bay vào không khí, một phần bị rửa trôi hoặc ngấm xuống tầng đất phía dưới. Cơ chế của các quá trình mất đạm trong đất diễn ra như sau : 2.3.1 Sự mất đạm ở thể hơi NH3 - Quá trình thủy phân Urê: là quá trình chuyển hóa đạm urê sang dạng amon nhờ xúc tác của men Ureaza theo phương trình : CO(NH2)2 + 2H2O + H+ → 2 NH4+ + HCO3- (NH4)2CO3 + H2O → 2 NH3 + H2O + CO2 NH4+ + OH- → NH4OH → NH3 + H2O - Quá trình trên diễn ra ngay sau khi bón Urê vào đất và kết thúc sau 3 – 4 ngày sau khi bón. Hoạt tính của men ureaza tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi pH thấp, gây ra hiện tượng mất đạm. Lượng đạm mất ở dạng khí NH3 phụ thuộc vào: + Nồng độ NH+4 trong nước ruộng + pH nước ruộng: theo tính toán của Vlek và Stumpl năm 1978 thì nồng độ NH3 trong nước ruộng tăng 10 lần khi pH tăng 7 – 9. Ở pH 9,2 có 50% NH4+ trong nước ruộng chuyển hóa thành NH3. + Nhiệt độ nước ruộng và tốc độ gió ảnh hưởng đến quá trình bay hơi 2.3.2 Sự mất đạm do quá trình Nitrat hóa và phản Nitrat hóa - Quá trình Nitrat hóa: Dưới tác dụng của một số loài vi sinh vật đặc biệt, NH3 được hình thành do quá trình amon hóa hoặc NH4+ ở các dạng phân hóa học sẽ tiếp tục chuyển hóa thành NO2- rồi sau đó thành NO3-. Quá trình Nitrat hóa chia thành hai giai đoạn: + Giai đoạn Nitrit hóa: NH3 + 3/2 O2 → NO2- + H2 O + 2H+ + Giai đoạn Nitrat hóa NO2- + 3/2 O2 → NO3- + H2O + 2H+ Quá trình Nitrat hóa khử Nitơ là quá trình gây ra tổn thất đạm rất lớn và hiệu quả sử dụng đạm không cao, sự hoạt động của các loại vi khuẩn phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, và tính chất khác nhau của đất: ♦ pH: khi pH < 5,5 hoạt tính của quần thể vi sinh vật sẽ thấp, hoạt động tối thích của vi sinh vật ở pH trung tính ♦ Nhiệt độ: vi sinh vật chịu tác động của nhiệt độ, quá trình Nitrat hóa hoạt động ở nhiệt độ tối thích 30 – 35oC. ♦ Tốc độ Nitrat hóa còn phụ thuộc vào nồng độ NH+4 dễ tiêu trong đất Tuy nhiên, quá trình Nitrat hóa sẽ làm NO3- dễ bị rửa trôi và làm chua đất, là nguồn N của vi khuẩn phản Nitrat hóa làm cho đất mất đạm ở dạng N2. - Quá trình phản Nitrat hóa: NO3- dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ chuyển hóa thành N2: NO3-→ NO2- → NO → N2O →N2 Quá trình phản Nitrat hóa chỉ xảy ra khi có Nitơ bị oxy hóa và có ít Oxy trong một môi trường thích hợp cho vi khuẩn phản Nitrat hóa hoạt động. Các vi khuẩn phản Nitrat hoạt động ở pH trung tính 6 – 8, tỷ lệ nước/ không khí thích hợp và nhiệt độ đất khoảng 20 – 30oC. Quá trình phản Nitrat hóa chịu ảnh hưởng của các yếu tố: + Hàm lượng chất hữu cơ trong đất + Nồng độ NO3- trong đất: khi nồng độ NO3- 40 mg N/g chất khô sẽ không xuất hiện quá trình phản Nitrat hóa. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới tốc độ phản Nitrat hóa nhanh, nhiệt độ tối thích là 60 – 65oC. Quá trình phản Nitrat hóa diễn ra chậm ở pH thấp, thích hợp ở khoảng pH từ trung tính đến hơi kiềm. Quá trình này diễn ra mạnh trên đất bão hòa nước hoặc ngập nước. 2.3.3 Sự mất đạm do rửa trôi bề mặt hoặc thấm sâu theo chiều thẳng đứng Sự tích đọng mạnh của NH3 hoặc NH+4 có tác động khác nhau tới môi trường. Sau khi bón phân Urê hoặc các loại phân khác có NH4+ ở đất lúa ngập nước xuất hiện sự lắng đọng NH3, NH+4. NO3- tạo ra do quá trình oxy hóa sẽ tác động tới mực nước ngầm và rửa trôi bề mặt. Theo Bùi Huy Đáp năm 1980 bón vãi phân N trên mặt ruộng lúa đối với đất có thành phần cơ giới nhẹ sau 15 ngày làm mất 50% N, đối với đất thịt nhẹ sau một tháng mất 40% N. Đạm bị mất ảnh hưởng đến môi sinh nếu chúng bị rửa trôi dạng Nitrat, bị bay hơi ở dạng NH3 hoặc bị loại ra ở dạng NO2-. Đạm bị rửa trôi xuống các tầng đất sâu hơn hòa vào nước ngầm và các tầng đất ngập nước gây ô nhiễm. Đạm Urê được đất giữ lại bám và di chuyển tự do theo nước và đất. Đạm Amon tồn tại trong đất đa dạng: NH4+ và khí NH3 (hay NH4OH). Sự cân bằng giữa hai dạng này trong đất hoàn toàn phụ thuộc vào pH đất. Ion NH4+ ít di động trong đất còn NH4OH và NH3 di động tự do trong đất. Trong đất cát amon di chuyển nhanh hơn trong đất sét, trong đất kiềm lại lớn hơn so với đất axit nhẹ. Khi phức hệ trao đổi của keo đất đã hấp thụ bão hòa amon thì sự rửa trôi amon lớn hơn. Trong dung dịch đất amon có thể trao đổi với ion Ca2+ do chuyển lên mặt đất và ở mặt đất nhiều hơn K+ và các ion khác nhất là trong đất kiềm. Amon có thể mất dạng khí NH3 và bị rửa trôi theo nước xuống nước ngầm. 2.4 Phân đạm và vấn đề tích lũy NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm. 2.4.1 Độc tính của NO3- và NH4+ đối với cơ thể người và động vật Do hệ số sử dụng đạm được xác định trung bình 30 – 40%, lượng còn lại bị mất và là nguồn ô nhiễm đối với môi trường đất, nước. Lượng đạm cao tích luỹ trong sản phẩm nông nghiệp sẽ xâm nhập vào cơ thể. Vì chạy theo năng suất và thói quen sử dụng phân đạm (đặc biệt ở các vành đai rau màu của các thành phố lớn) nhân dân sử dụng với liều lượng cao làm xuất hiện trong đất, sản phẩm có chứa nhiều NO3-, NO2. Các hợp chất này dẫn đến hội chứng Methaemoglobinaemia (hội chứng trẻ da xanh) hiện tượng rất phổ biến hiện nay ở các nước đang phát triển. Trong các loại lương thực thực phẩm, nước uống ... rau được sử dụng hàng ngày đưa vào cơ thể lượng NO3- lớn nhất [28]. Sự tích lũy NO3- trong mô cây không độc với cây trồng, nhưng nó có thể làm hại gia súc, người và đặc biệt là trẻ em khi sử dụng lương thực, thực phẩm có hàm lượng NO3- cao. Thực ra tính độc của NO3- rất thấp, NO3- trong lương thực thực phẩm, nước uống đe dọa sức khỏe của con người là do khả năng khử NO3- thành NO2- trong quá trình bảo quản, vận chuyển và ngay trong bộ máy tiêu hóa của con người. 2H+ + 2e H2O NO3- NO2- (NO3- + 2H+ 2e NO2- + NAD+ + H2O Trong máu, ion NO2- ngăn cản sự kết hợp oxi với hemoglobin ở quá trình hô hấp, quá trình này được lặp lại nhiều lần. Vì vậy, mỗi phân tử nitrit có thể biến đổi rất nhiều phân tử hemoglobin thành methaemoglobin. Methaemoglobin được tạo thành do oxyhemoglobin đã bị Fe2+ oxy hoá thành Fe3+ làm cho phân tử hemoglobin mất khả năng kết hợp với oxy tức là việc trao đổi khí của hồng cầu không được thực hiện. Cơ chế này dễ dàng xảy ra với trẻ nhỏ, đặc biệt là trẻ có sức khỏe yếu, tiêu hóa kém vì trẻ em còn thiếu các enzym cần thiết để khử nitrit xuống N2 và NH3 rồi thả ra ngoài. Nelson (1984) cho rằng: bệnh methaemoglobin có triệu chứng rõ rệt khi hàm lượng methaemoglobin lớn hơn 10% và trẻ em có thể chết khi trong máu có triệu chứng 50 – 70% methaemoglobin [39]. Trong dạ dày, do tác dụng của hệ vi sinh vật, các loại enzym và do các quá trình hóa sinh mà NO2- dễ dàng tác dụng với các axit amin tự do tạo thành Nitrosamie là hợp chất gây ung thư [37]. Các axit amin trong môi trường axit yếu (pH = 3 – 6) đặc biệt với sự có mặt của ion Nitrit sẽ dễ bị phân hủy thành anđêhit và axit amin bậc 2, từ đó tiếp tục vận chuyển thành Nitrosamie. Nitrit có mặt trong rau quả thường vào khoảng 0,05 – 2 mg/kg. Ngày nay, nhiều tác giả nhắc đến Nitrosamie như là một tác nhân làm sai lệch NST, dẫn đến truyền đạt sai thông tin di truyền. Đối với người NO3- có thể gây ngộ độc ở liều lượng 4 g/ngày, ở liều lượng 5 g/ngày có thể gây chết, 13 – 18 g/ngày gây chết hoàn toàn. Việc sử dụng nước có tồn dư NO3- qúa cao gây bệnh methemoglobin lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1945. Theo tổ chức y tế thế giới (WHO) và cộng đồng kinh tế châu Âu (EEC) giới hạn hàm lượng NO3- trong nước uống là 50 mg/l. Trẻ em thường xuyên uống nước có hàm lượng NO3- cao hơn 45 mg/l sẽ bị rối loạn trao đổi chất giảm khả năng kháng bệnh của cơ thể. Theo một số tác giả nhiễm độc NO3- ít xảy ra với người lớn [36]. Tính độc của NO3- cũng được các tác giả tính theo liều độc LD50 ngưỡng tối đa, liều gây chết tức thì. Thêm nữa, tính độc lại phụ thuộc vào lượng NO2- được tạo thành từ NO3- , vì vậy các tác giả đưa ra ngưỡng hàm lượng rất khác nhau. Theo Jecfa (1974), người nặng 60 kg liều lượng NO3- chấp nhận được là 220 – 440 mg, còn NO2- chỉ là 8 – 16 mg [33]. Theo Simon (1966) liều độc của NO3- là 5000 mg trong khi đối với NO2- chỉ là 500 mg. Các loại rau thường được sử dụng làm thức ăn cho trẻ đã được tính toán cho rằng hàm lượng NO3- không được quá 300 mg/kg [40]. (Bảng 2.8, phần phụ lục). Theo Lê Doãn Diên (1993) ngộ độc Nitrat và Nitrit có các biểu hiện khi trong máu có từ 30 – 40% Methaemoglobin cơ thể sẽ bị hôn mê nhẹ, lên tới 50% có biểu hiện nghiêm trọng, 70 – 80% thì có thể thiếu oxy nghiêm trọng dẫn đến suy tim mạch và chết trong trạng thái tím tái. Ngoài ngộ độc còn có một số biểu hiện mạch máu ngoại vi dãn rộng, huyết áp thấp, niêm mạc tái, hoạt động của tuyến giáp giảm, vitamin B2, B6 không được tổng hợp, Vitamin A thiếu [8]. Độc NO3-, NO2- và bệnh lý methaemoglobin với động vật nhai lại cũng được nhiều tác giả đề cập đến. Năm 1950 ở bang Missouri (Mỹ) nhiều gia súc bị chết ngạt do bệnh methaemoglobin, do gia súc ăn cỏ có hàm lượng NO3- quá cao. Nhìn chung độc NO3- xảy ra đối với cừu (ovis arils) biểu hiện rối loạn màu, da, thở nhanh, máu biến đổi thành nâu và có thể xảy ra hiện tượng xảy thai và sau đó gia súc bị chết [41]. Các nghiên cứu về tồn dư NO2- cho thấy hàm lượng chất này trong nước uống, trong rau và trong thực phẩm là không nhiều thậm chí ở trong nước uống là không đáng kể.Tuy nhiên các công trình nghiên cứu thấy phân đạm tăng tồn dư NO3- trong nông sản khi bón đạm 30 – 180 kg N/ha thì lượng tồn dư trong cà rốt và củ cải tăng 21,7 lên 40,6 mg/kg và 236 lên 473 mg/kg. Theo Bùi Quang Xuân (1998) ảnh hưởng của phân bón tới năng suất và hàm lượng NO3- trong cà chua, hành tây cho thấy: bón phân đạm tăng năng suất nhưng cũng tăng hàm lượng NO3- trong củ hành tây 72,8 – 87,4 mg/kg, cà chua 300 – 485 mg/kg [33]. Chính vì vậy số lượng thực phẩm ăn có nồng độ NO3- cao trong rau là nguồn NO2- quan trọng, chiếm 75% tổng mức cung cấp. 2.4.2. Sự tích lũy NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm Nhiều nhà khoa học quốc tế cho rằng muốn thâm canh tăng năng suất cây trồng thì đất nào cũng phải sử dụng phân hóa học. Những mối lo ngại về môi trường trong lĩnh vực nông nghiệp ở các nước phát triển và đang phát triển thông thường hay nói đến các vùng thâm canh, nơi sử dụng phân bón hóa học với mức độ cao, cây trồng không sử dụng hết dẫn đến tồn dư tích luỹ của N trong đất nước mặt và rửa trôi xuống tầng nước ngầm. Theo viện tài nguyên thế giới, đến năm 1993 quỹ đất của toàn nhân loại là 14.042 triệu ha. Như vậy mỗi năm theo mức sử dụng phân đạm hóa học năm 1995 mỗi ha phải gánh chịu: 200 triệu tấn NO3-. Tuy nhiên, cũng theo tư liệu của viện tài nguyên thế giới, đất trồng trọt chiếm 20,6 %. Như vậy, lượng NO3- tích lũy trong đất trồng trọt tăng lên gấp 5 lần, nghĩa là 75 kg NO3-/ha. Nếu tính lượng đất trên 1 ha có phân bố NO3- ngấm sâu 0,5 m thì sau 1 năm sử dụng phân đạm khoáng hàm lượng NO3- trong đất khoảng 7,5 – 8 ppm. Một số nghiên cứu xác định được rằng lượng đạm sản sinh ra trên đồng ruộng chỉ khoảng 35 – 55 % có nguồn gốc phân hóa học, phần lớn vẫn nhờ phân hữu cơ. Như vậy, NO3- tích lũy sẽ lớn hơn rất nhiều giá trị 8 ppm [23]. Mặc dù thực vật rất cần Nitơ nhưng nguyên tố này gần như được hấp phụ rất ít và rất yếu trong đất nhờ khả năng hấp phụ của phức hệ keo đất và chúng thường tồn tại trong dung dịch đất dưới dạng Ion NO3- linh động, dễ bị rửa trôi vào các nguồn nước và thấm sâu vào đất. Chính vì thế mà nhiều nơi trên thế giới nước mặt, nước ngầm đã bị nhiễm bẩn do quá trình hoà tan và tích lũy NO3- gây ra. Theo kết quả nghiên cứu của Russel (1972) ở 18 con sông ở nước Anh cho thấy hệ số tương quan giữa sự gia tăng hàm lượng NO3- ở nước sông và mức sử dụng phân đạm có tương quan r = + 0,7. Trong nước ao, hồ, nồng độ Nitơ dạng Nitrat (NO3-) có thể thay đổi từ 0 – 4 mg/l đôi khi lên tới 10 mg/l. Trên thế giới 10% số sông được khảo sát bởi hệ thống GEMS đều cho thấy hàm lượng NO3- vượt tiêu chuẩn của WHO đối với nước uống. Ở châu Âu, hơn 90% các sông được khảo sát đều có hàm lượng nitrat khác nhau và có 5% số sông có hàm lượng cao hơn 200 lần so với nồng độ nền của các sông chưa bị ô nhiễm. Ở Mỹ, dòng chảy từ các trang trại đã gây ô nhiễm chính, 64% các sông và 57% các hồ bị hại từ nghiêm trọng đến trung bình do ô nhiễm trên diện rộng. Một thông báo của Ấn Độ cho biết: vùng Haryana đã bị nhiễm bẩn Nitrat, một số giếng nước ngầm có nồng độ Nitrat rất cao (so với tiêu chuẩn quốc gia 45 ppm) từ 114 ppm đến 1800 ppm. Nghiên cứu sự nhiễm bẩn NO3- vào nước ngầm Diez và cộng sự (1994) đã thấy rằng lượng Nitrat thấm vào nước ngầm phụ thuộc vào 2 nguyên tố chính là nồng độ NO3- trong dịch đất và lượng mưa. Mặt khác những kết quả nghiên cứu bằng nguyên tử đánh dấu cũng khẳng định NH4+ trong nước có nguồn gốc chủ yếu từ Nitơ bón vào đất. Nồng độ NO3- trong nước phụ thuộc chặt chẽ vào hàm lượng Nitrat bón và chiếm khoảng 0,2 – 1,5%. Tùy theo liều lượng bón và phân bón, hàm lượng NH4+ có thể đạt tới 9,4 mg/l. Sau khi bón thúc hàm lượng NO3- trong nước đã tăng nhanh trong một số ngày đầu và qua 6 ngày đêm chiếm khoảng 11,5 – 17,4% tổng liều lượng Nitơ bón cho lúa [18]. Tuy nhiên, thực tế cũng cho thấy dù lượng N được sử dụng rất nhiều trong sản xuất nông nghiệp song quá trình Nitrat và phản Nitrat là quá trình mất đạm, mất chất dinh dưỡng đối với cây trồng cũng diễn ra khá mạnh và nếu đứng từ góc độ môi trường thì quá trình chuyển hoá đạm ở các dạng NO3-, NO2- về dạng Nitơ phân tử trở lại khí quyển góp phần làm cân bằng, ổn định hài hòa thành phần môi trường 2 NH3 + 3 O3 → 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O 4 NO2 + O2 + 2 H2O → 4 HNO3 NO3- + 5 (CH2O) + 4 H+ → 2 N2 + 5 CO2 +7 H2O Quá trình này thực hiện trong môi trường nhờ sự hoạt động của 2 loại vi sinh vật chủ yếu Nitrosomonas và Nitrit bactri. Quá trình phản Nitrat nhờ vi sinh vật, quá trình rửa trôi theo các mặt là thấm sâu dưới tầng đất làm (NO3-) giảm xuống trong 1 năm canh tác. Khi nghiên cứu sự nhiễm do NO3-, trong canh tác ngô khi không bón phân, có bón urê, bón Floranid và Compost với 2 chế độ tưới là: tưới bình thường theo truyền thống canh tác và tưới tối ưu có quản lý đã cho kết quả rất khác nhau về nồng độ NO3- trong đất [23]. Bảng 2.9: Hàm lượng NO3- trong dung dịch đất ở độ sâu 50 và 140 cm (mg/l) Công thức bón  Tưới bình thường  Tưới có quản lý    50cm  140cm  50cm  140cm   Không phân bón  92,7 ± 86  193 ± 33  59,3 ± 43  -   Bón ure  447,2 ± 90  425 ± 53  215,2 ± 71  413 ± 55   Bón Floranid – 32  188,9 ± 54  341 ± 21  170,4 ± 46  375 ± 84   Bón Compost  131,1 ± 61  404 ± 48  187,7 ± 65  219 ± 53   (Nguồn J.A.Diez và cộng sự - 1994) Từ kết quả cho thấy: Ở độ sâu 50 cm khi bón ure, hàm lượng NO3- cao hơn hẳn khi bón phân ủ và bón Floranid – 32. Ở độ sâu cao hơn 140 cm hàm lượng NO3- chỉ cao hơn so với phân ủ và Floranid – 32. Cả hai kiểu tưới ở tầng sâu 140 cm hàm lượng NO3- trong dung dịch đất đều cao hơn. Như vậy, sử dụng phân hóa học ure dẫn đến khả năng tích đọng NO3- lớn hơn thì khả năng rửa thấm NO3- theo chiều sâu phẫu diện cũng cao hơn. Kết quả tổng hợp của J.Hajin và Anat Lowenegarit (1996) đã cho thấy: gia tăng sử dụng phân hóa học sẽ làm tăng lượng dinh dưỡng trong nước ngầm và nước mặt. Từ năm 1936 đến nay, mức tăng sử dụng nitrogen từ 4,2kg lên đến 153 kg N/ha đã làm cho hàm lượng (NO3-) trong các giếng nước tăng từ 40mg/l (1953) lên đến 105 mg/l như hiện nay. Nước sông Thames có hàm lượng nitrat là 2 mg/l (1938) và hiện nay đã đạt tới 10mg/l (1984). Hai tác giả nêu ra hiện tượng đặc biệt nguy hiểm từ kết quả nghiên cứu với 4 mức bón Đạm và Lahav và Kalmar (1993) cho thấy: khi sử dụng phân đạm hóa học ở 4 mức bón từ 80 kgN/ha đến 640 kgN/ha đã làm cho hàm lượng (NO3-) ở lớp đất mặt (0 – 30 cm) thay đổi từ 4,2 mg/kg lên đến 427,2 mg/kg. Từ kết quả đó cần phải thấy rằng: quá trình tích lũy (NO3-) trong đất ở các lớp đất khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng khi tăng mức bón lên 8 lần ( theo lượng N bón) thì tích lũy (NO3-) ở lớp mặt tăng lên không phải 8 lần mà là 102 lần còn tích lũy ở tầng đất 60 – 90 cm sẽ tăng lên đến 464 lần [23]. Ở Việt Nam cũng có một số nghiên cứu ô nhiễm N trong nước ngầm. Tuy nhiên, những nghiên cứu theo hướng này chưa nhiều. Theo Lê Văn Tiến (1997) Viện KHKTNN Việt Nam kết luận hàm lượng đạm tích tụ trong nước ngầm ở Thanh Trì ngoại thành phía nam Hà Nội cũng là dạng NH4+ tích tụ khá cao hàm lượng này đạt khoảng 1 – 2 mg N/l và nước cất từ nguồn này không thể dùng để phân tích đúng nếu không xử lý qua cột lọc Cationit để loại trừ đạm. Nhiễm bẩn môi trường từ phân bón là một vấn đề nguy hại. Nguồn gốc trong nước là do bón phân vô cơ và hữu cơ nguyên nhân là nhân dân không biết cách bón, bón không đều và bón thúc vào thời kỳ cây không cần. Theo Bùi Quang Xuân (1999) phân Urê CO(NH2)2 sau khi được vùi vào đất sẽ nhanh chóng thủy phân chuyển thành đạm dễ tiêu NH4+. Khoảng 8 ngày sau đó lượng NH4+ đạt mức cao nhất, sau đó giảm nhanh chóng và đến sau khoảng 16 ngày trở đi hàm lượng NH4+ giảm xuống gần như bằng không. Ngược lại, hàm lượng NO3- trong đất bắt đầu tăng dần từ sau bón Urê 4 – 8 ngày và đạt cao nhất sau khi bón từ 12 – 16 ngày. Tăng liều lượng Ure làm tăng hàm lượng NO3- trong đất. Phân Ure được hòa vào nước tưới có hàm lượng NO3- cao nhất ở 4 ngày sau tưới và sau đó thì hàm lượng này sẽ giảm dần [34]. Lượng phân bón hóa học tùy từng nơi, từng lúc, tùy vào yêu cầu sử dụng đất, mức độ thâm canh... mà gây ra tình tranạg tích lũy NO3-, NH4+ khác nhau. Theo Trần Công Tấu (1997) khi nghiên cứu xác định hàm lượng NO3- trong nước ngầm trên cánh đồng lúa Minh Khai – Hà Nội thấy hàm lượng NO3- trong nước ngầm xu hướng tăng từ mùa khô sang mùa mưa và dao động từ 111,2 – 116,9 mg/l. Hàm lượng trung bình 41,7 mg/l đến 116,9 mg/l. Nếu so với nước uống (tiêu chuẩn do Bộ Y tế Việt Nam ban hành) thì hàm lượng Nitrat trong nước ngầm ở khu vực nghiên cứu vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép 8 – 11 lần (tiêu chuẩn cho phép là 10 mg/l) [23]. Hàm lượng NO3- cũng có sự thay đổi theo từng loại đất, vùng nước và theo thời gian. Nitrat ở kênh tưới rau tháng 1 là 0,45 mg/l và đến tháng 7 là 0,24 mg/l [26]. Theo Đỗ Trọng Sự (1991) đã nghiên cứu khá toàn diện sự biến đổi các thành phần hóa học của nước ngầm ở Hà Nội theo các mùa trong các năm 1991 – 1993 cho thấy: hàm lượng các thành phần nghiên cứu đều tăng theo thời gian và mùa khô lớn hơn mùa mưa. Hàm lượng NH4- mùa mưa năm 1991 là 2,9 mg/l tăng lên 4.9mg/l vào mùa mưa năm 1992, muà khô năm 1992 là 5,12mg/l tăng lên 6,06mg/l vào năm 1993. Hiện tượng tương tự cũng thấy ở các chỉ tiêu NO2-, NO3- và các thành phần khác. Tuy nhiên chưa thể coi đây là quy luật diễn biến của các thành phần hóa học theo thời gian vì thời gian theo dõi còn quá ngắn [19]. Nguồn NO3- có thể tạo ra từ chất hữu cơ trong đất, phân chuồng, phân bắc tươi, và phế phụ phẩm nông nghiệp, khoảng 35 – 55% đạm sản sinh trên đồng ruộng có nguồn gốc từ phân hóa học, phần còn lại nhờ phân hữu cơ. Ngoài ra nguồn gốc gây tích lũy NO3-, NH4+ còn thấy xuất hiện ở các con sông ven các nhà máy. Theo hội bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam (2004) tại một số điểm xả thải tại nhà máy giấy Bãi Bằng, nhà máy supe phốt phát Lâm Thao, khu công nghiệp Việt Trì – Phú Thọ một số chỉ tiêu ô nhiễm vượt mức giới hạn cho phép. Đoạn sông Hồng từ Diên Hồng tới ngã ba Việt Trì về mùa cạn nhiều chỉ tiêu ô nhiễm vượt TCCP đối với nước mặt loại A: NO2- vượt 1,4 lần, NH4+ vượt 2 lần. Tại cầu Việt Trì NO2- cao hơn TCCP đối với nước mặt loại A từ 4 – 20 lần [15]. Các chỉ tiêu tích lũy NO3-, NH4+ đang tăng ở các lưu vực sông đặc biệt ở các lưu vực sông Cầu, sông Nhuệ - Đáy. Hàm lượng nitrit là yếu tố ô nhiễm cao nhất cả về quy mô phân bố cũng như hàm lượng tập trung trên đoạn sông đi qua khu Thái Nguyên, Cam Gía, chợ Mới (Bắc Cạn), cầu Loàng, thác Huống. Giá trị trung bình tại các vị trí quan trắc là 0,05 – 0,2 mg/l vượt quá TCCP mức A từ 5 – 20 lần và 4 lần so với mức B. Giá trị cao nhất đạt 2 – 2,8 mg/l cao hơn TCCP 56 lần so với mức B. Giá trị thấp nhất thường < 0,01 – 0,07 mg/l ở mức xấp xỉ và vượt quá TCCP mức A 1,4 lần. Trên đoạn sông Nhuệ, sông Đáy, mức độ ô nhiễm nitrit đã đến mức báo động, hầu hết các điểm đo trong lưu vực có giá trị vượt tiêu chuẩn mức A gấp 4 – 5 lần. Tích lũy NH4+ diễn ra trên diện khá rộng trong lưu vực. Tại các vị trí lấy mẫu trên sông Nhuệ hàm lượng NH4+ trung bình đạt 1,2 – 1,7 mg/l vượt tiêu chuẩn A (TCVN 5942 – 1995) từ 25 - 33 lần và vượt quá tiêu chuẩn B (TCVN 5942 – 1995) từ 1,2 – 1,7 lần. Trên sông Đáy, hàm lượng NH4+ tại các vị trí đo đạt từ 0,06 – 1,5 mg/l vượt quá tiêu chuẩn A từ 1,2 – 30 lần. Hàm lượng NH4+ tại các điểm đo trên các sông thuộc nội thành Hà Nội đạt trên 20mg/l vượt tiêu chuẩn B từ 10 – 20 lần [2]. Nguy hại hơn mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian từ 2002 – 2003. Xã Yên Sở trong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng NH4+ là 37,2 mg/l đến năm 2003 tăng lên 45,2 mg/l, phường Bách Khoa mức ô nhiễm NH4+ từ 9.4 – 14,7mg/l có nơi chưa từng bị ô nhiễm NH4+ xong nay cũng đã vượt TCCP như Long Biên, Tây Mỗ, Đông Ngạc... hiện bản đồ nguồn nước bẩn bị nhiễm bẩn đã lan rộng ra toàn thành phố. Theo Lê Huy Hoàng mức ô nhiễm các hợp chất N và P trong nước dưới đất ở Hà Nội đang tăng lên. Diện tích nước dưới đất bị nhiễm bẩn tăng từ năm 1992 – 1995. Điều tra 109 giếng của 28 nhà máy nước có 48,6% số giếng khoan nhiễm bẩn bởi NH4+ trên 63% giếng nhiễm bẩn NO3-, 4% nhiễm bẩn NO2- [2]. PHẦN III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: hàm lượng N (NH4+,NO3-) trong nước ruộng lúa, mương lúa và nước giếng khoan tại xã Đặng Xá - Gia Lâm - Hà Nội.