Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN Báo cáo chuyên đề Công nghệ sinh thái ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH THÁI TRONG KHÔI PHỤC TÀI NGUYÊN ĐẤT GVHD: TS. Lê Quốc Tuấn Thực Hiện: Nhóm –DH08DL 1. Nguyễn Thị Mỹ Thạnh 08157193 2. Huỳnh Thị Cẩm Bình 08157021 3. Hà Văn Tồn 08157231 4. Nguyễn Văn Nam 08157128 5. Nguyễn Thị Hồng Liên 08157099 6. Dương Hữu Đạt 08157040 7. Nguyễn Ngọc Thăng Long 07157093 Tháng 3_2011 Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 2 MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 4 2. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT ............................................................. 5 2.1. Tổng quan về đất .............................................................................................. 5 2.1.1. Khái niệm................................................................................................. 5 2.1.2. Thành phần vật chất của đất ................................................................... 5 2.1.3. Thành phần khoáng vật hạt đất. ................................................................ 5 2.1.4. Thể khí của đất ......................................................................................... 6 2.1.5. Quá trình hình thành đất: ......................................................................... 6 2.2. Hiện trạng môi trường đất: .............................................................................. 7 2.2.1. Dân số và tài nguyên đất: ........................................................................ 7 2.2.2. Suy giảm tài nguyên đất: ......................................................................... 7 2.2.3. Tài nguyên đất ở Việt Nam: ..................................................................... 7 2.3. Công nghệ sinh thái trong môi trường đất ...................................................... 8 2.3.1. Các khái niệm .......................................................................................... 8 2.3.2. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm đất bằng phương pháp vi sinh. ...... 8 Kỹ thuật cấp khí (Bioventing) ........................................................................... 9 Kỹ thuật trải đất có che mái và hệ thống xử lý khí .......................................... 9 Kỹ thuật đống ủ ................................................................................................. 9 Kỹ thuật trải đất có che mái ............................................................................ 11 Kỹ thuật trải đất .............................................................................................. 11 Kỹ thuật Bùn nhão ........................................................................................... 12 3. CÁC CÔNG NGHỆ SINH THÁI ĐƯỢC ỨNG DỤNG ĐỂ KHÔI PHỤC TÀI NGUYÊN ĐẤT ............................................................................................................ 12 3.1. Khả năng tự làm sạch của đất: ...................................................................... 12 3.1.1. Định nghĩa:............................................................................................ 12 3.1.2. Điều kiện để khả năng tự làm sạch phát huy tác dụng: ........................ 12 3.1.3. Giới hạn của khả năng tự làm sạch: ..................................................... 13 3.2. Xử lý ô nhiễm môi trường đất nông nghiệp: ................................................. 14 3.2.1. Nguyên nhân ô nhiễm: .......................................................................... 14 3.2.1.1. Ô nhiễm do phân hóa học: .................................................................. 14 Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 3 3.2.1.2. Ô nhiễm do nông dược khác:............................................................... 15 3.2.2. Tác hại của ô nhiễm đất nông nghiệp: .................................................. 16 3.2.2.1. Tác hại của việc sử dụng phân bón hóa học: ....................................... 16 3.2.2.2. Ảnh hưởng của việc sử dụng nông dược: ............................................. 17 3.2.3. Xử lý ô nhiễm môi trường đất nông nghiệp: ......................................... 18 3.3. Xử lý xói mòn đất ........................................................................................... 18 3.3.1. Khái niệm xói mòn đất ........................................................................... 18 3.3.2. Các phương pháp xử lý xói mòn đất ...................................................... 19 3.3.3. Phòng chống xói mòn trên phạm vi toàn lãnh thổ ................................ 19 3.3.4. Phòng chống xói mòn trên phạm vi khu vực ....................................... 20 3.4. Xử lý nhiễm độc kim loại trong đất: .............................................................. 20 3.4.1. Tác động của nhiễm độc kim loại trong đất: ......................................... 20 3.4.2. Các biện pháp xử lý ............................................................................... 22 3.5. Quản lý nước mưa chảy tràn trong quá trình đô thị hóa ............................. 24 3.4.1. Tác hại của nước mưa chảy tràn ........................................................... 24 3.4.2. Sử dụng BMPs để quản lý nước chảy tràn ............................................ 24 3.6. Sử dụng sinh vật như những kĩ sư sinh thái trong việc chống xói mòn, cải tạo đất, điều chỉnh thủy văn .................................................................................... 27 4. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 29 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 30 Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 4 1. GIỚI THIỆU Đất là một hệ sinh thái hoàn chỉnh, là tư liệu sản xuất đặc biệt , là đối tượng lao động độc đáo và là một yếu tố cấu thành của hệ sinh thái trái đất. Trên quan điểm sinh thái học thì đất là một hệ sinh thái tái tạo, là vật mang nhiều hệ sinh thái trên trái đất. Con người tác động vào đất cũng chính là tác động vào các hệ sinh thái mà đất mang trên mình nó. Tài nguyên đất của thế giới hiện đang bị suy thoái nghiêm trọng do xói mòn, rửa trôi, bạc màu, nhiễm mặn, nhiễm phèn và ô nhiễm đất, biến đổi khí hậu. Hiện nay 10% đất có tiềm năng nông nghiệp bị sa mạc hoá. Đất là một hệ sinh thái hoàn chỉnh nên thường bị ô nhiễm bởi các hoạt động cuả con người. Con người tác động, cải tạo tự nhiên tạo ra nhiều loại đất với mục đích sử dụng khác nhau, nhưng mục đích chính là phục vụ cho việc cư trú và cung ứng tài nguyên. Các hoạt động tác động vào đất như quá trình di cư, phá rừng, sử dụng đất không hợp lý….làm biến đổi thủy học, địa mạo học, hủy hoại các thảm thực vật, gây xói mòn tác động vào môi trường gây tổn thất cho sản xuất nông nghiệp, ô nhiễm nguồn nước và nhiều vấn đề khác....Và công nghệ sinh học đất là một ngành khoa học rõ nét mang đậm thuộc tính sinh thái, công nghệ sinh thái và khoa học công nghệ để làm ổn định những vị trí bị xói mòn, hoàn trả lại hành lang ven sông, góp phần làm suy giảm các tác động xấu của các chất ô nhiễm đến môi trưởng đất, đồng thời có khả năng tự làm sạch khi hàm lượng chất ô nhiễm không vượt quá ngưỡng giới hạn. Công nghệ sinh thái sử dụng các hệ thống trong tự nhiên để kiểm soát hệ sinh thái thủy văn và điều chỉnh các quá trình xói mòn và bồi lắng, đồng thời nó cũng nổ lực phục hồi lại các chức năng của đất đã bị thay đổi do hoạt động sử dụng đất của con người, không đòi hỏi công nghệ cao nhưng vẫn đạt hiệu quả xử lý tốt, đóng góp cho sự phát triển của ngành nông nghiệp, tái tạo tài nguyên đất, cải tạo đất mặn, đất phèn. Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 5 2. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐẤT 2.1. Tổng quan về đất 2.1.1. Khái niệm. Đất hay thổ nhưỡng là lớp ngoài cùng của thạch quyển bị biến đổi tự nhiên dưới tác động tổng hợp của nước, không khí, sinh vật. Các thành phần chính của đất là chất khoáng, nước, không khí, mùn và các loại sinh vật từ vi sinh vật cho đến côn trùng, chân đốt v.v... Đất có cấu trúc hình thái rất đặc trưng, xem xét một phẫu diện đất có thể thấy sự phân tầng cấu trúc từ trên xuống dưới như sau: - Tầng thảm mục và rễ cỏ được phân huỷ ở mức độ khác nhau. - Tầng mùn thường có màu thẫm hơn, tập trung các chất hữu cơ và dinh dưỡng của đất. - Tầng rửa trôi do một phần vật chất bị rửa trôi xuống tầng dưới. - Tầng tích tụ chứa các chất hoà tan và hạt sét bị rửa trôi từ tầng trên. - Tầng đá mẹ bị biến đổi ít nhiều nhưng vẫn giữ được cấu tạo của đá. - Tầng đá gốc chưa bị phong hoá hoặc biến đổi. Mỗi một loại đất phát sinh trên mỗi loại đá, trong điều kiện thời tiết và khí hậu tương tự nhau đều có cùng một kiểu cấu trúc phẫu diện và độ dày. Thành phần khoáng của đất bao gồm ba loại chính là khoáng vô cơ, khoáng hữu cơ và chất hữu cơ. Khoáng vô cơ là các mảnh khoáng vật hoặc đá vỡ vụn đã và đang bị phân huỷ thành các khoáng vật thứ sinh. Chất hữu cơ là xác chết của động thực vật đã và đang bị phân huỷ bởi quần thể vi sinh vật trong đất.Ngoài các loại trên, nước, không khí, các sinh vật và keo sét tác động tương hỗ với nhau tạo thành một hệ thống tương tác các vòng tuần hoàn của các nguyên tố dinh dưỡng nitơ, phôtpho, v.v... Các nguyên tố hoá học trong đất tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ có hàm lượng biến động và phụ thuộc vào quá trình hình thành đất. Thành phần hoá học của đất và đá mẹ ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất có quan hệ chặt chẽ với nhau. Về sau, thành phần hoá học của đất phụ thuộc nhiều vào sự phát triển của đất, các quá trình hoá, lý, sinh học trong đất và tác động của con người. 2.1.2. Thành phần vật chất của đất Đất do các hạt đất tạo nên các hạt đất tự sắp xếp thành khung cốt đất có nhiều lỗ rỗng,trong lỗ rỗng thường chứa nước và không khí. Đất gồm 3 thành phần vật chất hợp thành: thể rắn gồm các hạt đất làm chủ thể, thể lỏng (nước) và thể khí (không khí). - Nếu đất khô tức trong lỗ rỗng không có nước, đất khô gồm 2 thể: rắn và khí. - Nếu đất bảo hòa nước, tức lỗ rỗng chứa đầy nước, gồm 2 thể: rắn và lỏng. - Nếu đất ẩm ướt không bảo hòa nước thì đất gồm 3 thể: rắn,lỏng ,khí. Về định lượng, hạt đất và nước trong nước thường có một tỉ lệ nào đó tùy thuộc điều kiện tạo thành và tồn tại của đất trong thiên nhiên. 2.1.3. Thành phần khoáng vật hạt đất. Thành phần khoáng vật hạt đất phụ thuộc thảnh phần khoáng vật tạo đá và tác dụng phong hóa đá. Tác dụng phong hóa khác nhau sẽ sản sinh các khoáng vật khác nhau ngay cả khi tác dụng phong hóa trên cùng một loại đá gốc. Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 6 Thành phần khoáng vật hạt đất gồm 3 loại: khoáng vật nguyên sinh,khoáng vật thứ sinh, chất hóa hợp hữu cơ. - Khoáng vật nguyên sinh thường gặp là fenpat, thạch anh, mica.Các hạt đất có thành phần khoáng vật nguyên sinh thường có kích thước lớn, lớn hơn 0.005mm. - Khoáng vật thứ sinh chia làm 2 loại:  Khoáng vật không hòa tan trong nước, thường gặp là kaolinit, ilit, monmorilonit, chúng là thành phần chủ yếu của hạt sét trong đất nên còn được gọi là khoáng vật sét.  Khoáng vật hòa tan trong nước thường gặp là canxit, dolomite, mica trắng, thạch cao, muối mỏ. Các khoáng vật thứ sinh có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn 0,005mm - Chất hóa hợp hữu cơ là sản phẩm được tạo ra từ di tích thực vật và động vật.Ở giai đoạn phá hủy hoàn toàn , sản phẩm này được gọi là mùn hữu cơ. Kích thước hạt đất có quan hệ mật thiết với thành phần khoáng vật:  Hạt đất lớn hơn hạt cát (lớn hơn 2mm) có thành phần khoáng vật tương tự đá gốc.  Hạt cát (2÷ 0,05mm) do khoáng vật nguyên sinh tạo thành.  Hạt bụi (0,05÷0,005mm) do khoáng vật nguyên sinh đã ổn định về mặt hóa học như thạch anh,fenpat,mica trang tao thành.  Hạt sét(<0,005mm) chủ yếu do khoáng vật thứ sinh tạo thành,gồm các khoáng vật sét như kaolinit,ilit,monmorilonit. 2.1.4. Thể khí của đất Nếu các lỗ rỗng của đất không chứa đầy nước thì khí sẽ chiếm những chỗ còn lại đó. Căn cứ ảnh hưởng của khí đến tính chất cơ học của đất, có thể phân thể khí trong đất thành hai loại:  Loại thông với khí quyển  Loại không thông với khí quyển Khí thông với khí quyển không ảnh hưởng gì đáng kể đến tính chất của đất. Khí không thông với khí quyển, thường thấy trong đất dính. Chủ yếu là đất sét. Sự hình thành loại khí này có liên quan đến đường rỗng chằng chịt trong đất. Sự tồn tại khí kín trong đất dính có ảnh hưởng lớn tới tính chất cơ học của đất. Do có khí kín nên trong đất hình thành ranh giới giữa nước và bọc khí.Vì vậy sinh ra lưc căng mặt ngoài,hoặc áp lưc mao dẫn. Sự tồn tại của các bọc khí còn làm giảm tính thấm của đất, làm tăng tính đàn hồi và ảnh hưởng đến quá trình ép co của đất dưới tác dụng của lưc ngoài. 2.1.5. Quá trình hình thành đất: Sự hình thành đất là một quá trình lâu dài và phức tạp, có thể chia các quá trình hình thành đất thành ba nhóm: Quá trình phong hoá, quá trình tích luỹ và biến đổi chất hữu cơ trong đất, quá trình di chuyển khoáng chất và vật liệu hữu cơ trong đất. Tham gia vào sự hình thành đất có các yếu tố: Đá gốc, sinh vật, chế độ khí hậu, địa hình, thời gian. Các yếu tố trên tương tác phức tạp với nhau tạo nên sự đa dạng của các loại đất trên bề Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 7 mặt thạch quyển. Bên cạnh quá trình hình thành đất, địa hình bề mặt trái đất còn chịu sự tác động phức tạp của nhiều hiện tượng tự nhiên khác như động đất, núi lửa, nâng cao và sụt lún bề mặt, tác động của nước mưa, dòng chảy, sóng biển, gió, băng hà và hoạt động của con người. 2.2. Hiện trạng môi trường đất: 2.2.1. Dân số và tài nguyên đất: Hàng năm trên thế giới diện tích đất canh tác bị thu hẹp, kinh tế nông nghiệp trở nên khó khăn hơn. Hoang mạc hoá hiện đang đe doạ 1/3 diện tích trái đất, ảnh hưởng đời sống ít nhất 850 triệu người. Một diện tích lớn đất canh tác bị nhiễm mặn không canh tác được một phần cũng do tác động gián tiếp của sự gia tăng dân số. Ở Việt Nam từ năm 1978 đến nay, 130.000 ha bị lấy cho thủy lợi, 63.000 ha cho phát triển giao thông, 21 ha cho các khu công nghiệp. 2.2.2. Suy giảm tài nguyên đất: - Theo số liệu của viện tài nguyên thế giới năm 1993 quỹ đất của tòan thế giới khoảng 13 tỉ ha - Mật độ dân số 43 người/km2 - Một số nước có quỹ đất hạn hẹp như Hà Lan, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Ấn Độ, Singapore (chỉ 0,3ha/người) - Diện tích nước ta là trên 33 triệu ha đứng thứ 55 trên 200 nước, diện tích bình quân đầu người khỏang 0,4ha - Quỹ đất trồng trọt tăng không đáng kể trong khi dân số tăng nhanh nên diện tích đất trên đầu ngừơi ngày càng giảm - Đất ngày bị sa mạc hóa, bạc màu… do sự khai thác của con người 2.2.3. Tài nguyên đất ở Việt Nam: Diện tích Việt Nam là 33.168.855 ha, đứng thứ 59 trong hơn 200 nước trên thế giới. Đất bằng ở Việt Nam có khoảng >7 triệu ha, đất dốc >25 triệu ha. Lớn hơn 50% diện tích đất đồng bằng và gần 70% diện tích đất đồi núi là đất có vấn đề, đất xấu và có độ phì nhiêu thấp, trong đó đất bạc màu gần 3 triệu ha, đất trơ sỏi đá 5,76 triệu ha, đất mặn 0,91 triệu ha, đất dốc trên 25o gần 12,4 triệu ha. Bình quân đất tự nhiên theo đầu người là 0,4 ha. Theo mục đích sử dụng năm 2000, đất nông nghiệp 9,35 triệu ha, lâm nghiệp 11,58 triệu ha, đất chưa sử dụng 10 triệu ha (30,45%), chuyên dùng 1,5 triệu ha. Đất tiềm năng nông nghiệp hiện còn khoảng 4 triệu ha. Bình quân đất tự nhiên ở Việt Nam là 0,6 ha/người. Bình quân đất nông nghiệp theo đầu người thấp và giảm rất nhanh theo thời gian, năm 1940 có 0,2 ha, năm 1995 là 0,095 ha. Đây là một hạn chế rất lớn cho phát triển. Đầu tư và hiệu quả khai thác tài nguyên đất ở Việt Nam chưa cao, thể hiện ở tỷ lệ đất thuỷ lợi hoá thấp, hiệu quả dùng đất thấp, chỉ đạt 1,6vụ/năm, năng suất cây trồng thấp, riêng năng suất lúa, cà phê và ngô đã đạt mức trung bình thế giới. Suy thoái tài nguyên đất Việt Nam bao gồm nhiều vấn đề và do nhiều quá trình tự nhiên xã hội khác nhau đồng thời tác động. Những quá trình thoái hoá đất nghiêm trọng ở Việt Nam là: Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 8 - Xói mòn rửa trôi bạc màu do mất rừng, mưa lớn, canh tác không hợp lý, chăn thả quá mức. Hơn 60% lãnh thổ Việt Nam chịu ảnh hưởng của xói mòn tiềm năng ở mức >50 tấn/ha/năm; - Chua hoá, mặn hoá, phèn hoá, hoang mạc hoá, cát bay, đá lộ đầu, mất cân bằng dinh dưỡng,... Tỷ lệ bón phân N : P2O5 : K2O trung bình trên thế giới là 100 : 33 : 17, còn ở Việt Nam là 100 : 29 : 7, thiếu lân và kali nghiêm trọng. Việt Nam phấn đấu đến 2010 đất nông nghiệp sẽ đạt 10 triệu ha, trong đó có 4,2 - 4,3 triệu ha lúa, 2,8 - 3 triệu ha cây lâu năm, 0,7 triệu ha mặt nước nuôi trồng thuỷ sản, đảm bảo cung ứng 48 - 55 triệu tấn lương thực (cả màu); Đất lâm nghiệp đạt 18,6 triệu ha (50% độ che phủ), trong đó có 6 triệu ha rừng phòng hộ, 3 triệu ha rừng đặc dụng, 9,7 triệu ha rừng sản xuất; Cảnh quan tự nhiên (chủ yếu là sông, suối, núi đá,...) còn 1,7 triệu ha. 2.3. Công nghệ sinh thái trong môi trường đất 2.3.1. Các khái niệm Công nghệ sinh học trong môi trường đất là sự kết hợp về mặt nguyên lý của nhiều ngành khoa học và kỹ thuật để sử dụng khả năng sinh hóa to lớn của các vi sinh vật, thực vật hay một phần cơ thể của những sinh vật này để phục hồi, bảo vệ môi trường đất và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên đất. Việc nghiên cứu về địa sinh học luôn gắn liền mật thiết với thủy sinh học. Đây là hai môi trường có mối quan hệ gắn bó tác động qua lại lẫn nhau. Muốn áp dụng các biện pháp sinh học nhằm cải tạo môi trường đất phải hiểu rõ những tác động của môi trường thủy sinh lên các biện pháp đang dùng nhằm thu được hiệu quả mà không gây tác hại đến môi trường. 2.3.2. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm đất bằng phương pháp vi sinh. Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 9 Kỹ thuật cấp khí (Bioventing) Kỹ thuật trải đất có che mái và hệ thống xử lý khí Kỹ thuật đống ủ Tách nước giếng mở- khí vàoớ khí vào Giếng hút khí vào Tách nước Tách khí Xử lí khí Đất không ô nhiễm Đất ô nhiễm Mái che chống thoát khí Hệ thống xử lí khí (chất ô nhiễm bay hơi) Đất ô nhiễm Hệ thống tưới Đường thoát nước Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 10 Bao phủ bằng lớp nhựa PE Lấy mẫu Bao phủ bằng lớp nhựa PE Đất ô nhiễm Nhìn mặt trước Nhìn mặt sau ụ sỏi van Đất nền sạch ống thông gió Lớp PVC trơn ống khoan thông gió Bể tích lũy Bơm chất lỏng Than hoạt hóa Van đồng hay PVC Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 11 Kỹ thuật trải đất có che mái Kỹ thuật trải đất Lớp đất ô nhiễm Lớp cát Hệ thống tưới Đường thoát nước Lớp vật liệu đá sỏi hoặc xây xi măng Ứng dụng công nghệ sinh thái trong khôi phục tài nguyên đất Trang 12 Kỹ thuật Bùn nhão 3. CÁC CÔNG NGHỆ SINH THÁI ĐƯỢC ỨNG DỤNG ĐỂ KHÔI PHỤC TÀI NGUYÊN ĐẤT 3.1. Khả năng tự làm sạch của đất: 3.1.1. Định nghĩa: Là khả năng tự điều tiết trong hoạt động của môi trường thông qua một số cơ chế đặc biệt để gỉam thấp ô nhiễm từ bên ngoài để tự làm sạch, để loại trừ, biến chất độc thành không độc. Khả năng này tại môi trường đất cao hơn môi trường nước, không khí. Vì vậy mà môi trường đất được giữ lâu hơn, ít độc hơn. Các nhà môi trường, kể cả kỹ sư hay quản lý, đều cần nắm vững vấn đề khả năng tự làm sạch của đất để tính tóan xử lý ô nhiễm cũng như quản lý trong từng trường hợp cụ thể. 3.1.2. Điều kiện để khả năng tự làm sạch phát huy tác dụng: Bản chất của môi trường sinh thái là khả n