Tổng quan nghiên cứu

Lúa gạo là cây lương thực thiết yếu nuôi sống hơn 50% dân số toàn cầu và cung cấp hơn 20% tổng năng lượng hấp thụ hàng ngày của nhân loại. Tại Việt Nam, canh tác lúa chiếm khoảng 4,36 triệu ha, trong đó có hơn 2,1 triệu ha (tương đương hơn 48%) diện tích nằm trong điều kiện canh tác khó khăn, bao gồm 0,5 triệu ha lúa cạn và 0,8 triệu ha đất bấp bênh nguồn nước tưới. Biến đổi khí hậu toàn cầu đang gia tăng tần suất và cường độ hạn hán, khiến Việt Nam trở thành một trong 5 quốc gia châu Á chịu tổn thất nặng nề nhất. Tại tỉnh Thừa Thiên Huế, diện tích đất gieo trồng lúa hàng năm đạt trên 53,7 nghìn ha với sản lượng trên 317 nghìn tấn, nhưng áp lực hạn hán tại các vùng bãi ngang ven biển như xã Phú Diên, huyện Phú Vang đang đe dọa trực tiếp đến sinh kế nông hộ.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự thiếu hụt các giống lúa cải tiến có khả năng chịu hạn vừa cho năng suất cao vừa đảm bảo phẩm chất hạt phù hợp với điều kiện đất cát pha phụ thuộc hoàn toàn vào nước trời. Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát toàn diện đặc điểm nông sinh học, khả năng chống chịu stress hạn, các yếu tố cấu thành năng suất và chất lượng hạt của 5 giống lúa chịu hạn nhập nội từ Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) gồm IRCH 6, IRCH 12, IRCH 15, IRCH 20, IRCH 23 so sánh với giống đối chứng địa phương X21. Phạm vi thực nghiệm diễn ra trong vụ Đông Xuân 2015 - 2016 tại xã Phú Diên, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi xác định được các giống lúa ưu việt giúp nâng cao năng suất thực thu vượt mức 56 tạ/ha, giảm thiểu 20% đến 35% thiệt hại do hạn hán cục bộ, đồng thời đóng góp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy cho chiến lược tái cơ cấu ngành trồng trọt thích ứng với biến đổi khí hậu tại vùng Bắc Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hệ thống lý thuyết cân bằng nước thực vật trong mối liên hệ tương tác giữa đất, thực vật và khí quyển theo mô hình của Dure và cộng sự (1989), kết hợp định nghĩa hạn nông nghiệp của Nguyễn Đức Ngữ (2002). Cây lúa (Oryza sativa L.) là cây trồng mẫn cảm với chế độ nước, đòi hỏi lượng nước bốc thoát trung bình từ 6 đến 9 mm/ngày và tiêu tốn khoảng 628 gam nước để tích lũy 1 gam chất khô. Cơ chế chịu hạn của thực vật bao gồm hai phương thức cơ bản: khả năng né tránh hạn thông qua rút ngắn chu kỳ sinh trưởng và khả năng chống chịu hạn nhờ duy trì thế nước trong mô tế bào, đóng mở khí khổng hợp lý, tích lũy các chất bảo vệ thẩm thấu như proline và tăng sinh axit abscisic (ABA).

Các khái niệm chính được vận dụng bao gồm: tính chịu hạn của nguồn gen lúa thuần nông, chỉ số tổn thương tế bào dưới áp lực khô hạn, các chỉ tiêu hình thái chỉ thị hạn (độ cuộn lá, độ khô đầu lá, độ tàn lá theo thang chuẩn IRRI), và các yếu tố cấu thành năng suất hạt (số bông/m2, số hạt chắc/bông, khối lượng 1000 hạt). Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng khung phân loại phẩm chất lúa gạo dựa trên tiêu chuẩn tỷ lệ amylose và protein nhằm xác định giá trị thương phẩm của hạt gạo trong điều kiện thiếu nước tưới.

Phương pháp nghiên cứu

Thí nghiệm đồng ruộng được thiết kế theo phương pháp khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD) với 3 lần nhắc lại. Tổng số gồm 18 ô thí nghiệm, mỗi ô có diện tích 10 m2 (kích thước 2 m x 5 m), bố trí 10 hàng lúa với mật độ cấy 1 dảnh/khóm, khoảng cách hàng cách hàng 20 cm và cây cách cây 15 cm. Tổng diện tích ô thí nghiệm thực tế là 180 m2, dải cách ly bảo vệ xung quanh chiếm 250 m2, tạo nên tổng diện tích khu thực nghiệm 230 m2. Thời gian triển khai kéo dài từ tháng 12/2015 đến tháng 5/2016. Quy trình bón phân chuẩn áp dụng liều lượng: 10 tấn phân chuồng hoai mục + 100 kg N + 90 kg P2O5 + 60 kg K2O cho mỗi hecta, chia làm 1 lần bón lót và 3 lần bón thúc theo đúng sinh lý cây lúa.

Cỡ mẫu quan trắc được thu thập cố định trên 10 cây mẫu định trước cho mỗi ô thí nghiệm, tương ứng 30 cây mẫu cho mỗi công thức giống qua 3 lần nhắc lại. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên không lặp lại ở các hàng giữa ô, loại trừ triệt để hiệu ứng viền ở hai hàng ngoài cùng. Việc xác định khối lượng 1000 hạt được thực hiện chuẩn xác trên 8 mẫu lặp lại ở độ ẩm tiêu chuẩn 14%. Điều tra sâu bệnh hại tuân thủ phương pháp điều tra 10 điểm theo đường chéo góc trên diện tích ô, sử dụng khung lấy mẫu 20 cm x 25 cm cho sâu hại và đếm trên 100 bông mẫu cho bệnh hại cổ bông.

Toàn bộ quy trình theo dõi hình thái, sinh trưởng và đánh giá khả năng chống chịu tuân thủ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-55:2011/BNNPTNT và Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá nguồn gen cây lúa của IRRI (1996). Hàm lượng protein hòa tan tổng số được định lượng bằng phương pháp đo quang phổ Bradford ở bước sóng 595 nm trên máy SmartSpec3000 BioRad. Hàm lượng amylose được xác định bằng phương pháp so màu phức chất iod-tinh bột ở bước sóng 600 nm theo Quyết định 05/2004/QĐ-BNN. Việc lựa chọn thiết kế RCBD và phân tích phương sai ANOVA thông qua phần mềm chuyên dụng Statistix 10 và Excel 2013 nhằm triệt tiêu tối đa sai số do độ không đồng nhất của nền đất cát pha, đảm bảo kết quả đạt độ tin cậy thống kê cao ở ngưỡng ý nghĩa p < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, về thời gian sinh trưởng và khả năng thích ứng thời tiết, các giống lúa nhập nội IRCH thuộc nhóm lúa ngắn ngày đến lỡ với tổng thời gian sinh trưởng dao động từ 118 đến 132 ngày. Trong vụ Đông Xuân 2015 - 2016, diễn biến thời tiết khắc nghiệt với đợt rét kéo dài trong tháng 2/2016 (nhiệt độ thấp nhất chạm mức 15,6 độ C) và đợt nắng nóng cực đoan giữa tháng 4/2016 (nhiệt độ cực đại lên tới 39,5 độ C) đã thử thách nghiêm ngặt tính thích nghi của các giống. Trong đó, giống IRCH 15 và IRCH 20 thể hiện tốc độ bén rễ hồi xanh nhanh, đẻ nhánh tập trung với tỷ lệ nhánh hữu hiệu đạt lần lượt 71,2% và 68,5%, vượt trội hơn đối chứng X21 chỉ đạt 62,1%.

Thứ hai, về chỉ số chịu hạn và chống chịu sâu bệnh, các giống IRCH 15 và IRCH 20 bộc lộ tính chịu hạn xuất sắc với điểm cuộn lá đạt điểm 1 (lá chỉ hơi uốn nhẹ) và điểm khô đầu lá đạt điểm 0 đến điểm 1 theo thang đo IRRI, trong khi giống đối chứng X21 bị cuộn sâu dạng chữ V đạt điểm 3 đến điểm 5 và khô 1/4 diện tích lá. Về tình hình sâu bệnh, các giống IRCH có tỷ lệ nhiễm bệnh đạo ôn lá, đạo ôn cổ bông và rầy nâu ở mức rất nhẹ (điểm 1), thấp hơn 1 đến 2 cấp điểm so với giống X21.

Thứ ba, về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất, giống IRCH 15 đạt các thông số nông học tối ưu: số bông hữu hiệu đạt 285 bông/m2, số hạt chắc trên bông đạt 112,4 hạt, tỷ lệ lép chỉ ở mức 13,8% và khối lượng 1000 hạt đạt 26,4 gam. Năng suất lý thuyết của IRCH 15 đạt 84,6 tạ/ha và năng suất thực thu đạt đỉnh 58,4 tạ/ha, cao hơn giống đối chứng X21 tới 18,5% (X21 đạt 49,3 tạ/ha). Giống IRCH 20 xếp thứ hai với năng suất thực thu đạt 56,8 tạ/ha, cao hơn đối chứng 15,2%.

Thứ tư, về phẩm chất hạt và dinh dưỡng, giống IRCH 15 có tỷ lệ gạo nguyên cao, độ bạc bụng thấp dưới 5% (điểm 1), hàm lượng amylose đạt 21,4% (thuộc nhóm hàm lượng trung bình, cơm mềm và dẻo), hàm lượng protein đạt 9,25% (thuộc nhóm cao). Giống IRCH 20 đạt hàm lượng protein 9,12% và amylose 22,1%, vượt trội rõ rệt về độ ngon cơm so với giống X21 có hàm lượng amylose cao trên 25,6% khiến cơm khô cứng khi để nguội.

Thảo luận kết quả

Khả năng duy trì năng suất vượt trội của các dòng IRCH, đặc biệt là IRCH 15 và IRCH 20, bắt nguồn từ cấu trúc giải phẫu hệ thống rễ ăn sâu và cơ chế sinh lý điều hòa áp suất thẩm thấu nội bào bền vững. Khi gặp stress thiếu nước trong giai đoạn làm đòng đến trỗ bông (thời điểm lượng mưa tháng 3/2016 chỉ đạt 24,8 mm), các giống chịu hạn duy trì được hàm lượng diệp lục cao, giảm thiểu tốc độ thoát hơi nước qua biểu bì lá, nhờ đó tỷ lệ thoái hóa hoa giảm mạnh và nâng cao tỷ lệ đậu hạt chắc.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây của Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm trên các dòng lúa CH207, CH208 hay công trình chọn tạo dòng LH1, LH2 của Trường Đại học Khoa học Huế, các giống IRCH nhập nội từ IRRI thể hiện sự đồng đều cao về tính trạng hình thái, khả năng chống đổ ngã tốt nhờ chiều cao cây lý tưởng (95 - 105 cm) và tiềm năng thâm canh cao hơn từ 5 đến 8 tạ/ha trên cùng loại đất cát pha.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được hệ thống hóa rõ ràng thông qua biểu đồ cột kép so sánh tương quan giữa năng suất lý thuyết và năng suất thực thu của 6 công thức giống. Bên cạnh đó, biểu đồ đường biểu diễn động thái tăng trưởng chiều cao cây và động thái đẻ nhánh theo chu kỳ 7 ngày/lần đã mô tả trực quan quy luật tích lũy sinh khối. Bảng ma trận tương quan giữa các chỉ tiêu phẩm chất hạt (hàm lượng protein, amylose, độ bạc bụng) và năng suất thực thu giúp chứng minh mối quan hệ di truyền tích cực giữa tính chịu hạn và chất lượng thương phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, đưa hai giống lúa IRCH 15 và IRCH 20 vào cơ cấu sản xuất thử nghiệm mở rộng tại các vùng đất cát ven biển và vùng ruộng thiếu nước tưới của huyện Phú Vang và các huyện lân cận như Phong Điền, Quảng Điền. Mục tiêu hướng đến là xây dựng mô hình trình diễn quy mô 20 đến 50 ha trong vụ Đông Xuân 2016 - 2017, do Trung tâm Khuyến nông tỉnh Thừa Thiên Huế chủ trì phối hợp với Phòng Nông nghiệp và Phát triển nông thôn huyện Phú Vang thực hiện.

Thứ hai, hoàn thiện và chuyển giao gói kỹ thuật thâm canh tiết kiệm nước thích hợp cho giống lúa chịu hạn trên nền đất cát pha. Gói kỹ thuật tập trung vào việc duy trì mật độ gieo cấy 1 dảnh/khóm, áp dụng chế độ tưới ướt khô xen kẽ nhằm tiết kiệm 25% đến 30% lượng nước tiêu thụ, bón phân cân đối kết hợp bổ sung phân hữu cơ vi sinh và phân bón lá giàu kali giai đoạn phân hóa đòng. Cơ quan phụ trách chuyển giao là Trạm Bảo vệ Thực vật và Trạm Khuyến nông huyện Phú Vang, triển khai liên tục từ năm 2016 đến năm 2018.

Thứ ba, tiếp tục khảo nghiệm đánh giá tính ổn định di truyền và khả năng chống chịu stress môi trường của bộ giống IRCH trong vụ Hè Thu và trên các chân đất nhiễm phèn, mặn nhẹ. Kế hoạch nghiên cứu bổ sung cần hoàn thành trong giai đoạn 2017 - 2019 do nhóm nghiên cứu Bộ môn Thực vật học phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành thực hiện.

Thứ tư, xây dựng chuỗi liên kết giá trị từ khâu cung ứng hạt giống xác nhận, hướng dẫn canh tác đến bao tiêu lúa gạo chất lượng cao tại xã Phú Diên. Phấn đấu đến năm 2020 nâng cao giá trị thu nhập trên mỗi hecta canh tác lúa cạn từ 15% đến 20%, do Hợp tác xã Nông nghiệp Phú Diên liên kết với các doanh nghiệp chế biến lương thực trên địa bàn tỉnh triển khai thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Thực vật học, Di truyền học, Khoa học Cây trồng và Nông học. Luận văn cung cấp nguồn tư liệu học thuật giá trị về phản ứng nông sinh học và cơ chế thích ứng của các nguồn gen lúa chịu hạn nhập nội trong điều kiện sinh thái đặc thù miền Trung.

Nhóm thứ hai là cán bộ kỹ thuật nông nghiệp, chuyên viên khuyến nông và chuyên gia quản lý dịch hại tại các trạm khuyến nông, chi cục trồng trọt cấp tỉnh và huyện. Luận văn cung cấp quy trình khảo nghiệm chuẩn mực theo thang đo IRRI và các thông số cụ thể về chế độ phân bón, mật độ gieo cấy tối ưu cho các vùng canh tác khó khăn.

Nhóm thứ ba là các nhà hoạch định chính sách, lãnh đạo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ủy ban nhân dân các huyện ven biển đang tìm kiếm giải pháp chuyển đổi cơ cấu cây trồng. Tài liệu là căn cứ khoa học vững chắc để phê duyệt các đề án tái cơ cấu ngành nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu giai đoạn 2020 - 2030.

Nhóm thứ tư là các hợp tác xã nông nghiệp, doanh nghiệp sản xuất kinh doanh giống cây trồng và các chủ trang trại lúa tại vùng đất bấp bênh nguồn nước. Use case điển hình là áp dụng trực tiếp quy trình gieo cấy giống IRCH 15 để nâng cao năng suất thực thu vượt mốc 55 tạ/ha, tối ưu hóa lợi nhuận kinh tế trên diện tích đất nghèo dinh dưỡng.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào giúp giống lúa IRCH 15 đạt năng suất thực thu cao vượt trội so với đối chứng X21 trong điều kiện thiếu nước? Giống IRCH 15 sở hữu bộ rễ khỏe ăn sâu, tỷ lệ nhánh hữu hiệu đạt 71,2% cùng khả năng giữ nước mô lá vượt trội với điểm cuộn lá chỉ ở mức 1 theo thang IRRI. Nhờ hạn chế tối đa sự thoát hơi nước trong giai đoạn làm đòng, số hạt chắc trên bông của IRCH 15 đạt 112,4 hạt, giúp năng suất thực thu đạt 58,4 tạ/ha, vượt 18,5% so với X21.

Điều kiện thời tiết vụ Đông Xuân 2015 - 2016 tại Thừa Thiên Huế tác động như thế nào đến quá trình sinh trưởng của các giống lúa? Khí hậu trong vụ có sự phân hóa phức tạp với đợt rét 15,6 độ C kéo dài trong tháng 2 làm chậm tốc độ đẻ nhánh ban đầu, tiếp nối là đợt nắng nóng gay gắt 39,5 độ C trong tháng 4. Tuy nhiên, các giống IRCH nhập nội đã thể hiện khả năng chống chịu stress nhiệt xuất sắc, hồi phục sinh trưởng nhanh và không bị hiện tượng nghẹn đòng hay lép hạt hàng loạt.

Phẩm chất hạt gạo của các giống lúa chịu hạn mới có đáp ứng được yêu cầu thương phẩm trên thị trường không? Các giống được tuyển chọn như IRCH 15 và IRCH 20 hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn gạo thương phẩm chất lượng cao. Với tỷ lệ bạc bụng dưới 5%, hàm lượng amylose lý tưởng ở mức 21,4% giúp cơm mềm dẻo và hàm lượng protein hòa tan đạt 9,25%, hạt gạo có giá trị dinh dưỡng cao, vượt trội hơn các giống lúa thuần truyền thống thường bị khô cứng.

Quy trình bón phân nào được chứng minh đem lại hiệu quả kinh tế và sinh học cao nhất cho các giống lúa chịu hạn tại xã Phú Diên? Công thức bón phân tối ưu trên mỗi hecta đất cát pha gồm 10 tấn phân chuồng kết hợp 100 kg N + 90 kg P2O5 + 60 kg K2O. Bón lót 100% phân chuồng và phân lân, phân đạm và kali được chia bón thúc 3 đợt tập trung vào giai đoạn sau cấy 10 ngày, sau cấy 20 ngày và giai đoạn đón đòng nhằm nuôi đòng to và hạt mẩy.

Kết quả nghiên cứu tại xã Phú Diên có thể mở rộng ứng dụng cho các địa phương khác có điều kiện tương tự không? Hoàn toàn có thể nhân rộng mô hình cho các vùng đất cát ven biển, vùng gò đồi thiếu nước tưới tại Quảng Trị, Quảng Bình và các huyện lân cận thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế. Các đặc tính thích ứng hạn và quy trình canh tác đã được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc gia QCVN 01-55:2011/BNNPTNT, đảm bảo tính ổn định sinh thái và hiệu quả kinh tế đồng bộ.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện 5 giống lúa chịu hạn nhập nội từ IRRI (IRCH 6, IRCH 12, IRCH 15, IRCH 20, IRCH 23) và 1 giống đối chứng X21 trên tổng diện tích thực nghiệm 230 m2 tại xã Phú Diên.
  • Tuyển chọn thành công 2 giống lúa thuần triển vọng nhất là IRCH 15 và IRCH 20 với thời gian sinh trưởng ngắn (120 - 126 ngày), khả năng chống đổ ngã và kháng sâu bệnh đạt điểm 1 đến điểm 2.
  • Năng suất thực thu của giống IRCH 15 đạt 58,4 tạ/ha và IRCH 20 đạt 56,8 tạ/ha, vượt trội từ 15,2% đến 18,5% so với giống đối chứng địa phương X21.
  • Chất lượng hạt gạo đạt tiêu chuẩn thương phẩm xuất sắc với hàm lượng protein đạt 9,25%, hàm lượng amylose đạt 21,4% và tỷ lệ hạt bạc bụng dưới mức 5%.
  • Đóng góp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc giải quyết bài toán an ninh lương thực và nâng cao thu nhập cho nông dân vùng đất cát bấp bênh nguồn nước tưới.

Đóng góp chính của công trình là luận giải thành công cơ chế sinh lý thích ứng hạn của các dòng lúa cải tiến, cung cấp nguồn vật liệu di truyền quý giá cho công tác chọn tạo giống lúa tương lai. Bước đi tiếp theo là mở rộng khảo nghiệm sản xuất trên quy mô 50 ha trong giai đoạn 2016 - 2017 và hoàn tất thủ tục công nhận giống lúa mới cấp cơ sở. Các cơ quan quản lý nông nghiệp, hợp tác xã và bà con nông dân hãy chủ động tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để đưa các giống lúa chịu hạn ưu việt vào sản xuất thực tế, góp phần xây dựng nền nông nghiệp bền vững thích ứng với biến đổi khí hậu.