Thạc Sĩ Ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15N trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC - HÓA HỌC
NĂM - 2010

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU . 3
1.1. Tình hình sử dụng phân bón ở Việt Nam 4
1.2. Ảnh hưởng của nitrat đến sức khỏe con người 5
1.3. Các dạng hóa học của nitơ hữu dụng cho cây trồng 6
1.4. Chu trình nitơ - Các quá trình chuyển đổi của nitơ . 8

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 12
2.1. Địa hình . 12
2.2. Điều kiện khí hậu . 13
2.3. Điều kiện thủy văn . 13
2.4. Tài nguyên đất và nước . 13
2.5. Khu vực nghiên cứu . 14

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 16
3.1. Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị trong nghiên cứu 16
3.2. Nitơ và đồng vị của nitơ 17
3.3. Thí nghiệm tại hiện trường 19
3.4. Xử lý sơ bộ mẫu đất trước khi phân tích . 20
3.5. Xác định hàm lượng 15N trong mẫu đất . 20
3.5.1. Nguyên lý chung 20
3.5.2. Chuyển đổi nitơ đánh dấu trong mẫu về dạng NH4 +-N . 21
3.5.2.1. Nitơ tổng số . 21
3.5.2.2. Nguyên lý của phương pháp Kjeldahl . 24
3.5.3. Chuyển đổi NH4 + sang khí nitơ N2 . 28
3.6. Thiết bị phân tích tỉ số đồng vị nitơ . 29
3.6.1. Khối phổ - Nguyên lý hoạt động của khối phổ . 29
3.6.2. Quang phổ phát xạ - Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ phát xạ dùng phân tích đồng vị 15N
3.7. Thiết bị và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu . 34
3.7.1. Danh mục các thiết bị sử dụng 34
3.7.2. Hóa chất sử dụng . 35
3.7.3. Chuẩn bị hóa chất 35
3.8. Quy trình phân tích hàm lượng 15N trong mẫu đất 39
3.8.1. Phá mẫu theo quy trình Kjeldahl . 39
3.8.2. Chưng cất và chuẩn độ 39
3.8.3. Xác định hàm lượng 15N 40
3.9. Các công thức tính toán sử dụng trong nghiên cứu . 40
3.9.1. Các công thức tính toán nitơ tổng số . 40
3.9.2. Các công thức tính toán với đồng vị 15N . 41

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . . 46
4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng 15N trên máy NOI-7 . 46
4.1.1. Đường chuẩn 46
4.1.2. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) . 47
4.2. Một số khảo sát trước khi tiến hành phân tích mẫu hàng loạt . 48
4.3. Lấy mẫu và ký hiệu các mẫu . 49
4.4. Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất . 52
4.5. Hàm lượng đồng vị đánh dấu 15N trong các mẫu đất 55
4.6.Tỉ số phần trăm nitơ có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất . 63
4.7. Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất 66
4.8. Thí nghiệm đánh dấu với đồng vị phóng xạ 131I 69

KẾT LUẬN 72
KIẾN NGHỊ . 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 74
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Số liệu phân tích nitơ tổng số . 76
Phụ lục 2: Số liệu đo đồng vị đánh dấu 15N . 81
Phụ lục 3: Thống kê hàm lượng 15N (%nguyên tử) trong mẫu theo từng
lớp đất tại các thời điểm lấy mẫu 86
Phụ lục 4: Tính toán dung trọng đất 87
Phụ lục 5: Tính toán khối lượng 1 ha các lớp đất 88
Phụ lục 6: Thống kê phần trăm lượng phân đánh dấu với đồng vị 15N còn
tồn dư trong từng lớpp đất tại các thời điểm lấy mẫu . 89
Phụ lục 7: Khảo sát hàm lượng nitơ dạng NO2 -, NO3 - trong một số mẫu đất . 90
Phụ lục 8: Xác định nồng độ dung dịch NaOBr bằng phép chuẩn độ với dung dịch chuẩn Na3AsO3 . 91
Phụ lục 9: Các chi tiết vận hành của máy NOI-7 92
Phụ lục 10: Sơ đồ đường khí trong máy NOI-7 . 93
Phụ lục 11: Các thông số kỹ thuật của máy NOI-7 . 95
Phụ lục 12: Một số hình ảnh trong nghiên cứu 96

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các dạng phân bón nitơ thông thường 7
Bảng 3.1: Các đồng vị của nitơ và tính hữu dụng trong nghiên cứu . 18
Bảng 4.1: Dãy các dung dịch chuẩn 15N và tín hiệu đo được 46
Bảng 4.2: Số đo thực nghiệm của mẫu trắng 47
Bảng 4.3: Kí hiệu mẫu theo độ sâu và ngày lấy mẫu 50
Bảng 4.4: Hàm lượng phần trăm nitơ tổng số trong các mẫu đất 54
Bảng 4.5: Hàm lượng đồng vị 15N trong các mẫu đất . 57
Bảng 4.6: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất 65
Bảng 4.7: Phần trăm lượng phân đánh dấu tồn dư trong đất . 66
Bảng 4.8: Kết quả đánh dấu đồng vị 131I – đợt 1 . 69
Bảng 4.9: Kết quả đánh dấu đồng vị 131I – đợt 2 . 70

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Chu trình nitơ . 8
Hình 2.1: Bản đồ huyện Củ Chi . 12
Hình 3.1: Khu vực thí nghiệm tại thời điểm đang trồng ớt . 19
Hình 3.2: Sơ đồ khối phổ dùng phân tích tỉ số đồng vị . 29
Hình 3.3: Sơ đồ một máy quang phổ phát xạ đơn giản . 30
Hình 3.4: Phổ phát xạ của phân tử nitơ . 31
Hình 3.5: Máy quang phổ phát xạ – NOI-7 . 33
Hình 3.6: Sơ đồ máy quang phổ phát xạ NOI 7 33
Hình 4.1: Đường chuẩn xác định 15N trên máy NOI-7 46
Hình 4.2: Sơ đồ lấy mẫu 51
Hình 4.3: Hàm lượng nitơ tổng số trong các mẫu đất . 52
Hình 4.4: Hàm lượng nitơ tổng trong các lớp đất ở độ sâu khác nhau 53
Hình 4.5: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 0cm – 5cm . 58
Hình 4.6: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 5cm – 15cm . 59
Hình 4.7: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 15cm – 30cm . 59
Hình 4.8: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 30cm – 45cm 60
Hình 4.9: Hàm lượng 15N trong các lớp đất 45cm – 60cm 61
Hình 4.10: Sự thay đổi của hàm lượng đồng vị đánh dấu 15N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 62
Hình 4.11: Sự xuất hiện đồng vị đánh dấu 15N ở các độ sâu khác nhau 62
Hình 4.12: Tỉ số phần trăm N có nguồn gốc từ phân đánh dấu 15N trong các mẫu đất ở các độ sâu khác nhau 64
Hình 4.13: Lượng phân nitơ đánh dấu tồn dư trong đất ở các độ sâu khác nhau theo thời gian 67
Hình 4.14: Sự phân bố của phân đánh dấu tồn dư trong đất ở độ sâu khác nhau tại các thời điểm lấy mẫu . 68
Hình 4.15: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131I – đợt 1 . 69
Hình 4.16: Sự dịch chuyển của đồng vị đánh dấu 131I – đợt 2 . 70


MỞ ĐẦU
Nước ngầm là một trong những nguồn tài nguyên quan trọng phục vụ cấp nước sinh hoạt cho nhân dân và góp phần phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Sự phát triển nhanh chóng của các hoạt động công nghiệp, dịch vụ trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số đòi hỏi nhu cầu nước sinh hoạt rất cao và ngày càng tăng. Chính vì vậy việc bảo vệ nguồn nước và môi trường nước ngầm luôn là một vấn đề được quan tâm hàng đầu. Trong đó, vấn đề nhiễm bẩn nguồn nước, cụ thể là nguy cơ nhiễm bẩn từ hoạt động nông nghiệp do các loại phân bón nói chung và phân bón nitơ nói riêng, là một vấn đề rất đáng quan tâm vì nó ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người.
Sự nhiễm bẩn nguồn nước ngầm cần đặc biệt lưu ý hơn ở các vùng sản xuất nông nghiệp trồng lúa, trồng rau và hoa màu . vì những nơi này sử dụng nhiều phân bón. Tại nhiều vùng trồng rau và thâm canh lúa nước, việc sử dụng các loại phân hóa học ngày càng bị người dân lạm dụng dẫn đến dư thừa và tích lũy trong đất.
Một phần lượng phân bón nitơ dư thừa mà cây trồng không sử dụng đến sẽ ở lại trong đất, một phần bị rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt, một phần thấm theo chiều dọc vào các tầng nước ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình khử nitrat trong chu trình nitơ.
Các quá trình biến đổi của phân nitơ khi bón vào đất cho thấy khả năng gây ô nhiễm của việc bón phân nitơ không hợp lý là đáng lo ngại. Khi phân bón dịch chuyển, thấm sâu trong đất, vượt ra khỏi tầng rễ cây, mặc dù không còn hữu dụng cho cây trồng nhưng nguy cơ xâm nhập vào nước ngầm lại rất lớn, đặc biệt khi lượng phân bón dư thừa này ở dạng nitrat thì đây chính là nguồn gây nhiễm bẩn
nitrat cho nước ngầm. Việc theo dõi và đánh giá khả năng xâm nhập của phân bón nitơ vào nước ngầm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì qua đó chúng ta có thể đưa ra chế độ bón phân, tưới tiêu tối ưu cho cây trồng, nhằm giảm thiểu các nguy cơ gây ô nhiễm nước ngầm nói riêng và ô nhiễm môi trường sống nói chung. Một trong những cách đánh giá là xem xét khả năng thấm của phân bón nitơ trong đất theo chiều sâu.
Với các lý do trên chúng tôi xây dựng đề tài “Ứng dụng kết quả phân tích đồng vị đánh dấu 15N trong dự đoán tốc độ thấm sâu của phân bón trong đất” để bước đầu khảo sát khả năng dịch chuyển của phân bón nitơ trong đất theo độ sâu và theo thời gian bằng cách áp dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N, dùng phân urê làm giàu 15N bón cho cây trồng. Cùng với thí nghiệm đánh dấu đồng vị 15N, vào mùa mưa, chúng tôi thực hiện thí nghiệm đánh dấu với đồng vị 131I tại khu vực khảo sát để xem xét tốc độ thấm của nước trong đất theo chiều sâu.