Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tác động của hạn hán lên sinh trưởng cây đậu nành và hệ vi sinh vật vùng rễ trong bối cảnh biến đổi khí hậu

• Tác giả: Nguyen Bich Ngoc
• Người hướng dẫn: Dr. Hoang Thi Thu Duyen
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Climate Change and Development
• Đề tài: Investigation of Drought Effects on Plant Growth and Rhizosphere Microbiota in Soybean Under Climate Change Context
• Loại tài liệu: Master's thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Climate change, drought, and food security linkage in the world and Red River Delta, Viet Nam
• 1.2. Impact of drought on soil microbial activities and plant growth
• 1.3. Plant nutrient demands and impacts of NPK fertilisers on soil microbial activities and plant growth
• 1.4. Necessity of the research: Filling the scientific knowledge gap
• 1.5. Research questions and hypotheses
• 1.6. Research object and scope
• 1.7. Research conceptual framework
• 2. CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODOLOGIES
• 2.1. Trend analysis of hydro-meteorological data
• 2.2. Experiment design of drought and NPK fertiliser on soybean plant and soil samples
• 2.3. Measurements and analyses
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Weather and climate change in Thai Binh province, Red River Delta, Viet Nam
• 3.2. Drought and NPK fertiliser impacts rhizosphere microbial activities
• 3.3. Microbial biomass phosphorus
• 3.4. Enzyme activities of β-glucosidase and acid phosphatase
• 3.5. Relationship between microbial biomass and enzyme activities
• 3.6. Soybean growth characteristics change under drought effects and addition of NPK fertiliser
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

I. Ảnh hưởng của hạn hán đến sinh trưởng cây đậu nành

Hạn hán là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sinh trưởng cây đậu nành, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Nghiên cứu chỉ ra rằng hạn hán làm giảm hiệu quả sử dụng nước của cây, dẫn đến giảm tỷ lệ quang hợp và ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ. Cây đậu nành là một loại cây trồng quan trọng trong nông nghiệp, nhưng nó rất nhạy cảm với hạn hán, đặc biệt trong giai đoạn sinh trưởng và sinh sản. Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ của hạn hán, gây ra những thách thức lớn cho sản xuất nông nghiệp.

1.1. Tác động của hạn hán đến quá trình quang hợp

Hạn hán làm giảm hiệu quả quang hợp của cây đậu nành, dẫn đến giảm năng suất. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thiếu hụt nước làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng của cây. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng cây và năng suất cây trồng.

1.2. Ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ

Hạn hán làm giảm sự phát triển của rễ, dẫn đến khả năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng kém. Rễ là bộ phận quan trọng giúp cây hấp thụ nước và chất dinh dưỡng từ đất trồng. Sự thiếu hụt nước làm giảm khả năng này, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây và hệ sinh thái.

II. Tác động của hạn hán đến hệ vi sinh vật vùng rễ

Hệ vi sinh vật trong vùng rễ đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ sinh trưởng cây đậu nành. Hạn hán làm thay đổi chất lượng và số lượng các chất tiết ra từ rễ, ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật. Nghiên cứu chỉ ra rằng hạn hán làm giảm hoạt động của vi sinh vật, bao gồm sinh khối vi sinh vật và hoạt động enzyme. Điều này ảnh hưởng đến chu trình dinh dưỡng và sinh thái của đất.

2.1. Thay đổi chất lượng và số lượng chất tiết từ rễ

Hạn hán làm thay đổi chất lượng và số lượng các chất tiết ra từ rễ, ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật. Các chất tiết từ rễ bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ, giúp thu hút vi sinh vật và hỗ trợ quá trình phân hủy chất hữu cơ. Hạn hán làm giảm sự tiết ra các chất này, ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

2.2. Giảm hoạt động của vi sinh vật và enzyme

Hạn hán làm giảm hoạt động của hệ vi sinh vật và enzyme trong đất. Các enzyme như β-glucosidase và acid phosphatase đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ và giải phóng chất dinh dưỡng. Hạn hán làm giảm hoạt động của các enzyme này, ảnh hưởng đến chu trình dinh dưỡng và sinh thái của đất.

III. Biến đổi khí hậu và tác động đến nông nghiệp

Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của hạn hán, gây ra những thách thức lớn cho nông nghiệp. Nghiên cứu chỉ ra rằng biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa và nhiệt độ, dẫn đến sự gia tăng hạn hán và tác động môi trường. Điều này ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và quản lý nước.

3.1. Thay đổi lượng mưa và nhiệt độ

Biến đổi khí hậu làm thay đổi lượng mưa và nhiệt độ, dẫn đến sự gia tăng hạn hán. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự gia tăng nhiệt độ làm tăng quá trình bốc hơi nước, dẫn đến giảm độ ẩm của đất. Điều này ảnh hưởng đến sinh trưởng cây và năng suất cây trồng.

3.2. Tác động đến quản lý nước và sản xuất nông nghiệp

Biến đổi khí hậu làm gia tăng hạn hán, gây ra những thách thức lớn cho quản lý nước và sản xuất nông nghiệp. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự thiếu hụt nước làm giảm năng suất cây trồng, ảnh hưởng đến nông nghiệp và an ninh lương thực.

IV. Thích ứng với biến đổi khí hậu trong nông nghiệp

Thích ứng với biến đổi khí hậu là một yếu tố quan trọng trong nông nghiệp. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc áp dụng các biện pháp quản lý nước và sử dụng phân bón hợp lý có thể giúp cải thiện sinh trưởng cây và năng suất cây trồng. Biến đổi khí hậu đòi hỏi các giải pháp bền vững để đảm bảo sản xuất nông nghiệp.

4.1. Quản lý nước hiệu quả

Quản lý nước hiệu quả là một trong những biện pháp quan trọng để thích ứng với biến đổi khí hậu. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng các hệ thống tưới tiêu hiệu quả có thể giúp cải thiện sinh trưởng cây và năng suất cây trồng.

4.2. Sử dụng phân bón hợp lý

Việc sử dụng phân bón hợp lý có thể giúp cải thiện sinh trưởng cây và năng suất cây trồng. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng phân bón NPK có thể giúp cải thiện sinh khối vi sinh vật và hoạt động enzyme trong đất, hỗ trợ sinh trưởng cây.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiệt độ trung bình bề mặt Trái Đất trong thập kỷ 2011-2020 đã tăng gần 1.1°C so với thời kỳ tiền công nghiệp (1850-1900) theo báo cáo của IPCC (2021). Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tần suất và cường độ các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán, sóng nhiệt và mưa lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và an ninh lương thực toàn cầu. Tại Việt Nam, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Hồng, biến đổi khí hậu đã làm tăng nhiệt độ trung bình khoảng 0.89°C trong giai đoạn 1958-2018, đồng thời làm gia tăng số tháng hạn hán trong mùa khô, đe dọa năng suất cây trồng chủ lực như đậu tương.

Đậu tương (Glycine max L.) là cây trồng đa dụng, cung cấp nguồn protein và dầu thực vật quan trọng, đồng thời có khả năng cải thiện chất lượng đất nhờ khả năng cố định đạm từ không khí. Tuy nhiên, đậu tương rất nhạy cảm với hạn hán, đặc biệt trong giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng và sinh sản. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của hạn hán và việc bón phân NPK đến hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ và sự phát triển của cây đậu tương tại tỉnh Thái Bình, đại diện cho vùng đồng bằng sông Hồng. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện thí nghiệm mô phỏng hạn hán nhẹ (25-30% khả năng giữ nước của đất) và điều kiện tối ưu (60% khả năng giữ nước), với sự bổ sung phân bón hữu cơ NPK.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các giải pháp canh tác bền vững, thích ứng với biến đổi khí hậu, góp phần nâng cao năng suất đậu tương và đảm bảo an ninh lương thực khu vực đồng bằng sông Hồng nói riêng và Việt Nam nói chung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về tác động của biến đổi khí hậu đến hệ sinh thái đất và cây trồng, đặc biệt là ảnh hưởng của hạn hán đến hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ (rhizosphere) và sự phát triển của cây đậu tương. Hai mô hình chính được áp dụng gồm:

1. Mô hình tương tác cây-rễ-vi sinh vật trong vùng rễ: Vùng rễ là khu vực đất xung quanh rễ cây, nơi diễn ra các quá trình sinh hóa do rễ cây tiết ra các chất chuyển hóa và vi sinh vật đất tham gia vào chu trình dinh dưỡng, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây.

2. Mô hình tác động của hạn hán đến hoạt động enzyme đất: Hạn hán làm giảm độ ẩm đất, ảnh hưởng đến hoạt động enzyme như β-glucosidase và acid phosphatase, từ đó làm giảm khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ và chuyển hóa dinh dưỡng trong đất.

Các khái niệm chính bao gồm: khả năng giữ nước của đất (WHC), sinh khối vi sinh vật photpho (MBP), hoạt động enzyme β-glucosidase (GLU) và acid phosphatase (AP), cũng như các chỉ số sinh trưởng của cây như chiều dài rễ và thân.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thứ cấp về khí tượng thủy văn của tỉnh Thái Bình trong giai đoạn 2010-2021 để phân tích xu hướng biến đổi khí hậu. Thí nghiệm được tiến hành tại Viện Nghiên cứu Đất và Phân bón, sử dụng đất Fluvisols lấy từ cánh đồng đậu tương tại huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình.

Cỡ mẫu gồm 12 hộp thí nghiệm (rhizobox), chia thành 4 nhóm điều trị với 3 lần lặp lại mỗi nhóm: (i) bón phân NPK ở điều kiện tối ưu (60% WHC), (ii) bón phân NPK ở điều kiện hạn hán (25-30% WHC), (iii) không bón phân ở điều kiện tối ưu, (iv) không bón phân ở điều kiện hạn hán. Phân bón hữu cơ NPK được sử dụng với nồng độ 3% N, 1.5% P và 5% K.

Phân tích số liệu sử dụng phương pháp ANOVA một chiều và hai chiều, kiểm định Tukey để so sánh các nhóm điều trị. Các chỉ số đo lường bao gồm: sinh khối vi sinh vật photpho bằng phương pháp khử trùng chloroform, hoạt động enzyme β-glucosidase và acid phosphatase bằng phương pháp huỳnh quang, chiều dài rễ và thân cây bằng thước dây. Thời gian thí nghiệm kéo dài khoảng 1.5 tháng, tập trung vào giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng của cây đậu tương.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Biến đổi khí hậu tại Thái Bình: Nhiệt độ trung bình hàng năm tăng khoảng 1°C trong giai đoạn 2010-2021, độ ẩm tương đối giảm khoảng 2%, trong khi tổng lượng mưa hàng năm không có biến động đáng kể. Mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 với lượng mưa thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho hạn hán xảy ra.

2. Ảnh hưởng của hạn hán đến sinh khối vi sinh vật photpho (MBP): MBP giảm mạnh dưới điều kiện hạn hán, chỉ còn khoảng 5.10 μg P/g đất, thấp hơn ít nhất 3 lần so với điều kiện tối ưu (20.18 μg P/g đất). Việc bón phân NPK làm tăng MBP lên gần 30% so với nhóm không bón phân trong điều kiện hạn hán.

3. Hoạt động enzyme β-glucosidase và acid phosphatase: Hạn hán không làm thay đổi đáng kể hoạt động β-glucosidase, nhưng làm giảm hoạt động acid phosphatase khoảng 35% khi có bón phân NPK. Bón phân NPK làm giảm hoạt động β-glucosidase đáng kể ở cả hai điều kiện nước, trong khi acid phosphatase tăng khoảng 16% ở điều kiện tối ưu.

4. Đặc điểm sinh trưởng của đậu tương: Hạn hán làm giảm chiều dài thân cây gần một nửa so với điều kiện tối ưu, trong khi chiều dài rễ không bị ảnh hưởng hoặc có xu hướng tăng nhẹ, cho thấy cây ưu tiên phát triển rễ để thích nghi với hạn hán. Bón phân NPK không tạo ra sự khác biệt đáng kể về chiều dài rễ và thân trong cả hai điều kiện nước.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hạn hán làm giảm đáng kể hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ, đặc biệt là sinh khối vi sinh vật photpho, do hạn chế độ ẩm và sự thay đổi chất lượng rễ tiết ra. Việc bón phân NPK hữu cơ giúp cải thiện sinh khối vi sinh vật dưới điều kiện hạn hán, có thể do bổ sung dinh dưỡng giúp vi sinh vật duy trì hoạt động. Tuy nhiên, hoạt động enzyme β-glucosidase giảm khi bón phân, có thể do sự thay đổi cân bằng dinh dưỡng hoặc ảnh hưởng của các hợp chất hữu cơ trong phân bón.

Chiều dài rễ duy trì hoặc tăng nhẹ dưới hạn hán phản ánh chiến lược sinh học của cây đậu tương nhằm tăng khả năng hút nước trong điều kiện khô hạn, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về phản ứng sinh trưởng của cây trồng dưới stress nước. Việc bón phân không làm tăng chiều dài thân hoặc rễ có thể do giai đoạn sinh trưởng ngắn hạn của thí nghiệm hoặc khả năng tự cố định đạm của đậu tương làm giảm nhu cầu dinh dưỡng bổ sung.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh MBP và hoạt động enzyme giữa các nhóm điều trị, cũng như biểu đồ thanh thể hiện chiều dài rễ và thân cây, giúp minh họa rõ ràng tác động của hạn hán và phân bón.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng phân bón hữu cơ NPK trong canh tác đậu tương nhằm cải thiện hoạt động vi sinh vật đất và tăng khả năng chống chịu hạn hán, áp dụng trong vòng 1-2 vụ mùa tại các vùng đồng bằng sông Hồng, do các cơ quan quản lý nông nghiệp và hợp tác xã nông dân thực hiện.

2. Phát triển kỹ thuật tưới nước tiết kiệm và quản lý độ ẩm đất để duy trì khả năng giữ nước ở mức tối ưu (khoảng 60% WHC), giảm thiểu tác động của hạn hán trong giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng của đậu tương, triển khai trong 3 năm tới bởi các trung tâm nghiên cứu và địa phương.

3. Nghiên cứu sâu hơn về tương tác cây-rễ-vi sinh vật dưới điều kiện hạn hán kéo dài và các loại phân bón khác nhau, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phân bón và tăng cường khả năng thích ứng của cây trồng, thực hiện bởi các viện nghiên cứu nông nghiệp trong 5 năm tới.

4. Tuyên truyền và đào tạo nông dân về quản lý dinh dưỡng cây trồng và kỹ thuật canh tác thích ứng biến đổi khí hậu, giúp nâng cao nhận thức và áp dụng các biện pháp bền vững, thực hiện liên tục bởi các tổ chức khuyến nông và chính quyền địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực biến đổi khí hậu và nông nghiệp bền vững: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích sâu về ảnh hưởng của hạn hán và phân bón đến hệ sinh thái đất và cây trồng, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

2. Chuyên gia và cán bộ quản lý nông nghiệp: Thông tin về tác động của hạn hán và giải pháp bón phân hữu cơ giúp xây dựng chính sách và chương trình hỗ trợ nông dân thích ứng với biến đổi khí hậu.

3. Nông dân và hợp tác xã trồng đậu tương tại vùng đồng bằng sông Hồng: Áp dụng các kiến thức về quản lý nước và dinh dưỡng cây trồng để nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro do hạn hán.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan phát triển quốc tế: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế các dự án hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững và thích ứng biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạn hán ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động vi sinh vật trong đất?
   Hạn hán làm giảm độ ẩm đất, làm giảm sinh khối vi sinh vật photpho và hoạt động enzyme như acid phosphatase, từ đó ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa dinh dưỡng trong đất. Ví dụ, MBP giảm hơn 3 lần dưới điều kiện hạn hán so với điều kiện tối ưu.

2. Việc bón phân NPK có giúp cây đậu tương chống chịu hạn hán không?
   Bón phân NPK hữu cơ giúp tăng sinh khối vi sinh vật trong đất dưới điều kiện hạn hán khoảng 30%, hỗ trợ cải thiện khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây. Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, phân bón không làm tăng đáng kể chiều dài rễ và thân cây.

3. Tại sao hoạt động enzyme β-glucosidase giảm khi bón phân?
   Có thể do sự thay đổi cân bằng dinh dưỡng hoặc các hợp chất hữu cơ trong phân bón ảnh hưởng đến hoạt động enzyme. Đây là hiện tượng phức tạp và cần nghiên cứu thêm để hiểu rõ cơ chế.

4. Chiều dài rễ cây đậu tương có bị ảnh hưởng bởi hạn hán không?
   Chiều dài rễ không giảm mà có xu hướng duy trì hoặc tăng nhẹ dưới hạn hán, cho thấy cây ưu tiên phát triển rễ để tăng khả năng hút nước trong điều kiện khô hạn.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng khác ngoài Thái Bình không?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung tại Thái Bình, kết quả có thể tham khảo cho các vùng đồng bằng sông Hồng và các khu vực có điều kiện khí hậu tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh theo đặc điểm địa phương.

Kết luận

• Hạn hán làm giảm đáng kể sinh khối vi sinh vật photpho và hoạt động enzyme acid phosphatase trong vùng rễ đậu tương, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình chuyển hóa dinh dưỡng.
• Bón phân hữu cơ NPK giúp cải thiện sinh khối vi sinh vật dưới điều kiện hạn hán, góp phần tăng khả năng chống chịu của cây.
• Chiều dài thân cây giảm gần một nửa dưới hạn hán, trong khi chiều dài rễ duy trì hoặc tăng nhẹ, phản ánh chiến lược sinh trưởng thích nghi của cây đậu tương.
• Việc bón phân NPK không làm tăng đáng kể chiều dài rễ và thân trong giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng, cần nghiên cứu thêm về tác động lâu dài và các chỉ số sinh trưởng khác.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các giải pháp canh tác bền vững, thích ứng biến đổi khí hậu tại vùng đồng bằng sông Hồng, góp phần đảm bảo an ninh lương thực.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích triển khai các biện pháp bón phân hữu cơ kết hợp quản lý nước hiệu quả, đồng thời mở rộng nghiên cứu về tương tác cây-rễ-vi sinh vật trong điều kiện hạn hán kéo dài. Các nhà nghiên cứu và cán bộ quản lý nông nghiệp nên áp dụng kết quả này để phát triển chính sách và kỹ thuật canh tác thích ứng biến đổi khí hậu.