Tổng quan nghiên cứu

Thoái hóa đất do nhiễm mặn đang là một trong những thách thức môi trường và nông nghiệp nghiêm trọng nhất trên toàn cầu. Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO), hơn 952,1 triệu ha đất trên thế giới (chiếm khoảng 7% diện tích đất tự nhiên) chịu ảnh hưởng bởi mặn, trong đó khoảng 76 triệu ha đất canh tác nông nghiệp bị suy thoái nặng nề. Tại Việt Nam, diện tích đất nhiễm mặn ước tính lên tới gần 2 triệu ha, tương đương 6% tổng diện tích đất tự nhiên, tập trung chủ yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long với 744.000 ha (chiếm 18,9% diện tích toàn vùng) và dải ven biển Đồng bằng sông Hồng với hàng chục nghìn hecta tại Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình.

Trước tác động ngày càng khốc liệt của biến đổi khí hậu và hiện tượng xâm nhập mặn sâu từ 40 đến 50 km vào nội đồng, các biện pháp công trình thủy lợi hay hóa học truyền thống thường bộc lộ hạn chế lớn về chi phí đầu tư, nguy cơ kiềm hóa đất và thiếu tính bền vững sinh thái. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học môi trường của tác giả Trần Hải Yến tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã triển khai đề tài nghiên cứu chế phẩm sinh học từ nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM) nhằm cải tạo và phục hồi đất nhiễm mặn.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 9 năm 2018 đến tháng 8 năm 2019, tập trung tuyển chọn các chủng nấm rễ bản địa tối ưu và đánh giá hiệu quả trên cây đậu đũa trồng trên đất phù sa nhiễm mặn nhân tạo ở các mức 0,5%, 1,0% và 1,5%. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi đột phá, giúp nâng cao chiều dài rễ từ 14,69% đến 46,27%, tăng năng suất quả từ 29,17% đến 40% và giảm tỷ lệ sâu bệnh hại từ 23,29% đến 32,24%, đóng góp giải pháp công nghệ sinh học an toàn cho nền nông nghiệp tuần hoàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cộng sinh tương hỗ giữa vi sinh vật và thực vật bậc cao, kết hợp với lý thuyết về động thái tích tụ muối và suy thoái lý hóa tính đất. Theo tiêu chuẩn nông hóa thổ nhưỡng, đất mặn là đất có nồng độ muối hòa tan vượt quá 1% đến 1,5% hoặc độ dẫn điện EC lớn hơn 4 dS/m ở 25 độ C, tạo áp suất thẩm thấu cao gây hạn sinh lý cho rễ cây.

Khung lý thuyết của luận văn tập trung vào 4 khái niệm và cơ chế sinh học cốt lõi:

  • Nấm rễ nội cộng sinh (Arbuscular Mycorrhizae - AM): Vi nấm thuộc ngành phụ Zygomycotina xâm nhập tế bào vỏ rễ hình thành hai cấu trúc chuyên biệt là túi (vesicle) để tích lũy dinh dưỡng và bụi (arbuscule) làm nhiệm vụ trao đổi dưỡng chất. Hệ thống sợi nấm ngoài rễ phát triển mở rộng diện tích tiếp xúc từ 10 đến 100 lần, kéo dài tới 8 cm xung quanh vùng rễ, giúp cây tăng tốc độ hấp thu photpho gấp 6 lần so với lông hút thông thường.
  • Cơ chế kích thích sinh trưởng và điều hòa thẩm thấu: Nấm rễ và vi sinh vật vùng rễ tổng hợp các hormone thực vật quan trọng như Indole-3-acetic acid (IAA auxin), cytokinin và vitamin B1, thúc đẩy sự phân chia tế bào và kích hoạt tính kháng hệ thống (Induced Systemic Resistance - ISR).
  • Khả năng chuyển hóa khoáng và tiết enzyme: Nấm AM tiết enzyme phosphatase hòa tan nguồn photpho khó tiêu (chiếm 95% đến 99% tổng lượng lân trong đất), đồng thời sản sinh siderophore cạnh tranh ion Fe3+ để ức chế các tác nhân nấm bệnh như Fusarium hay Pythium.
  • Cải tạo cấu trúc đất: Mạng lưới sợi nấm sản sinh hợp chất keo hữu cơ glomalin giúp gắn kết các hạt khoáng sét, cải thiện độ xốp và duy trì khả năng giữ ẩm cho đất mặn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng quy trình thu thập mẫu đất vùng rễ ở độ sâu 15 đến 20 cm tại hai vùng sinh thái đại diện gồm đất phù sa cổ xã Tri Phương (Bắc Ninh) và đất nhiễm mặn tỉnh Nam Định. Cỡ mẫu ban đầu gồm 12 chủng nấm rễ bản địa được tách chiết theo phương pháp sàng ướt cải tiến qua hệ thống rây kích thước giảm dần từ 1,0 mm xuống 0,045 mm, kết hợp quan sát dưới kính hiển vi soi nổi và định danh theo khóa phân loại của Franke và Morton (1994) cùng bảng màu chuẩn CMYB của INVAM.

Quy trình đánh giá đặc tính sinh học và khả năng chịu mặn được tiến hành trên đĩa nuôi cấy ở 4 mức nồng độ mặn (0,5%, 1,0%, 1,5% và 2,0%) trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm 25 độ C. Thử nghiệm khả năng cộng sinh và hiệu quả chế phẩm sinh học được thiết kế bằng thí nghiệm chậu vại theo phương pháp Vincent (1976) trên cây đậu đũa (Vigna unguiculata subsp. sesquipedalis). Thí nghiệm gồm 7 công thức xử lý với 5 lần lặp lại, mỗi chậu chứa 5 kg đất phù sa sông Hồng đã khử trùng và gây mặn nhân tạo (tổng số 35 đơn vị chậu thí nghiệm).

Tỷ lệ xâm nhiễm của nấm rễ vào mô thực vật được xác định qua kỹ thuật nhuộm xanh Trypan Blue và phương pháp phóng đại ô giao nhau của McGonigle (1990). Các chỉ tiêu hóa lý của đất như pH, độ dẫn điện EC, hàm lượng chất hữu cơ tổng số OC theo Walkley - Black (TCVN 9294:2012), đạm tổng số theo Kjeldahl (TCVN 8557:2010), lân dễ tiêu theo Oniani (TCVN 8661:2011) và kali dễ tiêu theo Maslova (TCVN 8560:2010) được phân tích đối chứng nghiêm ngặt. Toàn bộ số liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng IRRISTAT 5.0 và Microsoft Excel để so sánh sai khác có ý nghĩa thống kê ở mức xác suất sai số LSD 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

  • Đa dạng hình thái và tuyển chọn chủng chịu mặn ưu việt: Từ 12 chủng nấm rễ bản địa phân lập thuộc 5 chi (Gigaspora, Acaulospora, Glomus, Scutellospora, Dentiscutata) với kích thước bào tử dao động từ 85 đến 430 µm, nghiên cứu đã chọn lọc được 2 chủng có sức sống vượt trội là Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2. Hai chủng này duy trì tỷ lệ nảy mầm cao, phát triển hệ sợi nấm cấp độ 3 mạnh mẽ ngay cả ở môi trường có độ mặn cao từ 1,5% đến 2,0%.
  • Xác định công thức chế phẩm sinh học tối ưu: Đất phù sa cổ rây qua cỡ hạt 2 mm được lựa chọn làm chất mang (chất nền) lý tưởng. Công thức phối trộn chuẩn hóa gồm 1 kg chất mang bổ sung 2.000 bào tử nấm rễ (đạt mật độ 200 bào tử/100g đất), kết hợp dinh dưỡng khoáng NPK 15-0-15 tỷ lệ 10 đến 20 g/kg (tương ứng 2,6 g Ure và 2,0 g KCl), duy trì độ ẩm ổn định ở mức 20% đến 25%.
  • Kích thích sinh trưởng và tăng năng suất cây trồng: Trong thử nghiệm 8 tuần trên cây đậu đũa ở các mức độ mặn từ 0,5% đến 1,5%, các công thức có bổ sung chế phẩm sinh học (CT3, CT5, CT7) cho thấy sự vượt trội rõ rệt so với công thức đối chứng không dùng chế phẩm (CT2, CT4, CT6). Chiều cao cây tăng thêm từ 8,31 đến 26,71 cm (tăng 7,9% đến 15,59%); chiều dài rễ tăng từ 1,25 đến 4,22 cm (tăng 14,69% đến 46,27%); số lượng quả tăng từ 1,4 đến 1,6 quả/cây (tăng từ 29,17% đến 40,0%).
  • Cải thiện diện tích quang hợp và ức chế sâu bệnh: Diện tích lá ở các nghiệm thức xử lý chế phẩm tăng từ 10,07 đến 21,51 cm2/cây (tăng 12,5% đến 26,78%). Đồng thời, tỷ lệ sâu bệnh hại giảm mạnh từ 23,29% đến 32,24% trên toàn bộ các ngưỡng mặn thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt bậc của chế phẩm sinh học bắt nguồn từ cơ chế cộng sinh chặt chẽ giữa hai chủng vi nấm Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2 với hệ rễ đậu đũa. Khi gặp nồng độ muối hòa tan cao, áp suất thẩm thấu của đất bị gia tăng mạnh, cản trở sự hút nước tự nhiên của thực vật. Hệ sợi nấm AM đóng vai trò như hệ thống rễ phụ mở rộng, thẩm thấu sâu vào các vi mao quản đất để thu gom nước và ion khoáng, đồng thời tiết ra enzyme phosphatase giúp hòa tan các phức hợp photpho khó tiêu cung cấp trực tiếp cho cây.

Trong báo cáo nghiên cứu, các chuỗi dữ liệu sinh trưởng được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột ghép (clustered column chart) thể hiện mối tương quan giữa nồng độ mặn (0,5%, 1,0%, 1,5%) và các chỉ tiêu sinh học (chiều cao, chiều dài rễ, số quả). Dữ liệu đối chứng khẳng định rằng khi độ mặn tăng lên 1,5%, cây đối chứng bị còi cọc nghiêm trọng, nhưng cây được xử lý nấm rễ vẫn duy trì đà phát triển ổn định nhờ mạng lưới trao đổi chất được bảo vệ.

Bên cạnh đó, bảng phân tích dinh dưỡng đất trước và sau 8 tuần thử nghiệm chỉ ra rằng mật độ vi sinh vật hữu ích tổng số tăng lên rõ rệt, hàm lượng đạm, lân và kali dễ tiêu trong đất được bảo tồn và chuyển hóa hiệu quả hơn so với đất đối chứng bị rửa trôi. Những kết quả này hoàn toàn tương thích và làm sáng tỏ thêm các nghiên cứu của Smith và Read (2008) cũng như Nguyễn Thị Minh và cộng sự (2014) về vai trò thích ứng biến đổi khí hậu của nấm rễ nội cộng sinh trên các lập địa khắc nghiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn sản xuất nông nghiệp trên diện rộng, các giải pháp và khuyến nghị cụ thể được đề xuất như sau:

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ và sản xuất thử nghiệm quy mô pilot: Các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành cần tiến hành chuẩn hóa quy trình nhân sinh khối in-vitro kết hợp in-vivo cho hai chủng Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2, nâng mật độ bào tử đạt 2.500 đến 3.000 bào tử/kg chế phẩm và hạ giá thành sản xuất từ 15% đến 20% trong khung thời gian 6 đến 12 tháng tới.
  • Mở rộng khảo nghiệm đồng ruộng tại các vùng đất mặn ven biển: Trung tâm Khuyến nông quốc gia phối hợp cùng Chi cục Trồng trọt và Bảo vệ thực vật các tỉnh Hải Phòng, Nam Định, Sóc Trăng, Bến Tre triển khai mô hình trình diễn 10 đến 20 ha trên các cây trồng cạn chịu mặn (cây họ đậu, ngô, rau màu), đặt mục tiêu gia tăng năng suất cây trồng thực tế từ 20% đến 30% trong thời gian 12 đến 24 tháng.
  • Đa dạng hóa đối tượng cây chủ và tối ưu hóa phổ cộng sinh: Các trường đại học khối nông lâm nghiệp cần tiếp tục nghiên cứu khả năng tương thích của chế phẩm trên các giống cây ăn quả, cây công nghiệp và cây lâm nghiệp ngập mặn (như keo, phi lao, xoài cát, bưởi da xanh), thiết lập danh mục 5 đến 7 loại cây trồng chủ lực thích ứng mặn trong lộ trình 18 đến 36 tháng.
  • Xây dựng chính sách hỗ trợ chuyển giao công nghệ sinh học: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng chính quyền địa phương cần ban hành các gói hỗ trợ kỹ thuật, khuyến khích nông dân thay thế tối thiểu 30% phân bón vô cơ bằng chế phẩm sinh học cải tạo đất, hướng tới tiếp cận và chuyển giao cho 5.000 hộ nông dân vùng ven biển trong giai đoạn 3 đến 5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tài liệu khoa học có giá trị cao, phục vụ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Thổ nhưỡng và Công nghệ Sinh học: Sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân lập, định danh nấm rễ AM bản địa theo hình thái học, cùng kỹ thuật thiết kế thí nghiệm chậu vại đánh giá stress mặn.
  • Doanh nghiệp sản xuất phân bón vi sinh và chế phẩm nông nghiệp: Khai thác công thức phối trộn giá thể đất phù sa cổ với tỷ lệ NPK 15-0-15 và bào tử AM để ứng dụng vào dây chuyền sản xuất thương phẩm phục vụ thị trường cải tạo đất mặn.
  • Cán bộ quản lý nông nghiệp và khuyến nông viên các tỉnh duyên hải: Sử dụng số liệu thực chứng để xây dựng cẩm nang hướng dẫn canh tác nông nghiệp thông minh thích ứng biến đổi khí hậu cho bà con nông dân vùng xâm nhập mặn.
  • Hợp tác xã nông nghiệp và chủ trang trại canh tác vùng ven biển: Ứng dụng quy trình xử lý chế phẩm nấm rễ trực tiếp cho cây giống họ đậu và rau màu nhằm gia tăng sức đề kháng của rễ, giảm chi phí thuốc bảo vệ thực vật và nâng cao năng suất thu hoạch.

Câu hỏi thường gặp

  • Chế phẩm sinh học từ nấm rễ AM cải tạo đất nhiễm mặn theo cơ chế nào? Chế phẩm hoạt động thông qua mạng lưới sợi nấm nội cộng sinh giúp mở rộng vùng hút nước và dinh dưỡng của rễ cây gấp 10 đến 100 lần. Vi nấm tiết enzyme phosphatase hòa tan photpho khó tiêu, giải phóng chất hữu cơ glomalin cải thiện kết cấu đất và sinh hormone IAA kích thích rễ phát triển, giúp cây vượt qua tình trạng hạn sinh lý do áp suất thẩm thấu cao của muối.

  • Vì sao nghiên cứu lại chọn hai chủng vi nấm Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2? Trong số 12 chủng phân lập từ đất phù sa cổ và đất mặn Nam Định, hai chủng Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2 thể hiện khả năng chịu mặn tốt nhất ở nồng độ từ 1,5% đến 2,0%. Hai chủng này có tốc độ nảy mầm nhanh, hình thành hệ sợi nấm dày đặc cấp độ 3 và tỷ lệ xâm nhiễm rễ đạt mức cao nhất trên cây ký chủ.

  • Hiệu quả cụ thể của chế phẩm đối với sự phát triển của cây đậu đũa là bao nhiêu? Sau 8 tuần thử nghiệm trên đất nhiễm mặn từ 0,5% đến 1,5%, cây được xử lý chế phẩm có chiều cao tăng 7,9% đến 15,59% (cao hơn 8,31 đến 26,71 cm), chiều dài rễ tăng 14,69% đến 46,27%, năng suất quả tăng 29,17% đến 40,0% và diện tích bề mặt lá tăng 12,5% đến 26,78% so với đối chứng.

  • Thành phần và tỷ lệ phối trộn chuẩn của chế phẩm sinh học gồm những gì? Chế phẩm sử dụng đất phù sa cổ rây mịn qua mắt sàng 2 mm làm chất nền chính, phối trộn mật độ 2.000 bào tử nấm rễ/kg đất (200 bào tử/100g). Hỗn hợp được bổ sung dinh dưỡng khoáng NPK 15-0-15 với liều lượng 10 đến 20 g/kg (gồm 2,6 g Ure và 2,0 g KCl) và duy trì độ ẩm kỹ thuật từ 20% đến 25%.

  • Chế phẩm sinh học có tác dụng như thế nào trong việc phòng ngừa sâu bệnh hại? Nhờ cơ chế kích kháng hệ thống (ISR) và khả năng tiết protein siderophore cạnh tranh ion sắt với vi sinh vật gây hại trong đất, chế phẩm giúp giảm tỷ lệ sâu bệnh hại trên cây đậu đũa từ 23,29% đến 32,24%, giúp giảm thiểu việc lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật độc hại.

Kết luận

  • Luận văn đã phân lập thành công 12 chủng nấm rễ AM bản địa và tuyển chọn được 2 chủng ưu việt là Dentiscutata nigra và Acaulospora sp2 có khả năng chống chịu độ mặn lên tới 2,0%.
  • Xác lập thành công quy trình sản xuất chế phẩm sinh học sử dụng chất mang đất phù sa cổ với mật độ 2.000 bào tử/kg cùng tỷ lệ phối trộn NPK 15-0-15 tối ưu.
  • Thực nghiệm chậu vại 8 tuần chứng minh chế phẩm giúp cây họ đậu tăng trưởng mạnh về chiều dài rễ (14,69% đến 46,27%), tăng sản lượng quả (29,17% đến 40,0%) và giảm sâu bệnh (23,29% đến 32,24%).
  • Công trình đóng góp giải pháp công nghệ sinh học an toàn, thân thiện với hệ sinh thái, giúp phục hồi độ phì nhiêu của đất mặn và thay thế phân bón hóa học.
  • Trong kế hoạch 12 đến 24 tháng tới, đề tài cần được tiếp tục mở rộng khảo nghiệm trên các cánh đồng canh tác thực tế tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng. Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp nông nghiệp và nhà quản lý hãy tích cực liên kết chuyển giao công nghệ để chung tay xây dựng nền nông nghiệp Việt Nam xanh, thích ứng bền vững với biến đổi khí hậu.