CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN 1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón Theo thống kê FAO (2019), hơn 48% dân số thế giới tồn tại được do sự gia tăng sản lượng cây trồng nhờ sử dụng phân bón nitơ. Theo dự báo dân số thế giới sẽ đạt trên 9 tỷ vào năm 2050 và sản xuất lương thực phải tăng hơn 40% so với năm 2019. Trong khi đó, diện tích đất trồng, lượng nước ngọt sử dụng đang tiếp tục giảm do tốc độ đô thị hóa và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, vì vậy để đảm bảo tình hình an ninh lương thực toàn cầu, lượng sử dụng phân bón ngày càng nhiều. Tính đến hết năm 2019, tổng lượng phân bón vô cơ sử dụng trên toàn thế giới ước tính hơn 190,5 triệu tấn và dự đoán đến năm 2022, lượng phân bón sử dụng đạt hơn 200 triệu tấn, tăng trung bình khoảng 1,6%/năm [1].
Ở Việt Nam, lượng phân bón sử dụng tăng từ 6,5 triệu tấn năm 2002 đến gần 11 triệu tấn năm 2021 và là một trong 10 quốc gia sử dụng phân bón nhiều nhất trên thế giới. Lượng phân bón tiêu thụ trung bình ở Việt Nam là 430 kg/ha, cao gấp 3,1 lần mức trung bình của thế giới (138 kg/ha), chỉ sau một số quốc gia như New Zealand (1.717 kg/ha), Malaysia (1.539 kg/ha), Ai Cập (645,5 kg/ha), Trung Quốc (503 kg/ha) (thống kê năm 2019). Trong khi đó, hiệu suất sử dụng phân bón hiện nay là khá thấp. Hiệu suất sử dụng phân bón Nitơ (N) khoảng 50%-60% ở năm đầu tiên [2] và thường trung bình từ 30% đến 50%, phụ thuộc vào mùa vụ, loại cây trồng, điều kiện thời tiết và tính chất thổ nhưỡng.
Hiệu suất sử dụng của phân phốt pho (P) đạt khoảng 10%-25% trong năm đầu tiên và tăng khoảng 1%-2% mỗi năm ở các mùa vụ tiếp theo [2], [3]. Hiệu suất sử dụng phân phốt pho phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, độ pH của đất, loại cây trồng, vị trí và thời gian bón [4]. Phân Kali có hiệu suất sử dụng trung bình ở mức 50%-60% [2], [4]. Theo số liệu của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế và tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hóa học ở Việt Nam, hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt 30-45%, lân 40-45% và kali 40-50%, tuỳ theo loại đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp bón và loại phân bón [5], [6].
4 Từ đó cho thấy, một lượng lớn phân bón không được cây trồng hấp thụ và thất thoát vào môi trường. Vì vậy, việc sử dụng phân bón quá mức cần thiết đã tạo ra những tác động tiêu cực như: - Làm suy thoái nguồn dinh dưỡng, làm chua hóa và giảm độ phì nhiêu của đất [6]. - Gây ô nhiễm không khí, nguồn nước khu vực dân cư sinh sống do sự phát thải ra các chất độc hại chưa được xử lý triệt để và các chất có mùi [5]. - Làm tăng nồng độ nitrat trong nước gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, đây là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh giảm nồng độ oxy trong máu, bệnh ung thư dạ dày, bướu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch,… [7].
Ngoài ra, trong hầu hết các hệ sinh thái thủy sinh, khi hàm lượng phốt pho cao cũng làm gia tăng sinh khối của tảo, giảm lượng oxy trong nước gây chết thủy hải sản và dễ phân hủy tạo mùi [4], [8]. - Sự thất thoát nitơ vào không khí do sự dư thừa đạm trong quá trình sử dụng phân bón cho cây trồng chiếm một lượng khá lớn (khoảng từ 26 đến 60 triệu tấn nitơ/năm) được xem như một nguyên nhân chính làm tăng lượng nitơ trong bầu khí quyển. Bên cạnh đó, phát thải khí nhà kính từ sử dụng phân bón cũng lên đến 607 triệu tấn CO2/năm [9]. Đây là những nguyên nhân gây nên hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu.
- Nhiều nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng chất lượng nông sản có xu hướng giảm khi sử dụng nhiều phân bón vô cơ. Hơn nữa, sự dư thừa nitơ trong đất cũng là nguyên nhân gây hiện tượng axit hóa đất làm tăng khả năng tấn công của vi sinh vật, sâu, rầy gây bệnh trên cây trồng và gây ra ngộ độc nhôm, mangan [7]. - Việc sử dụng dư thừa lượng phân bón nitơ tạo nên sự hao phí đáng kể nguồn nguyên liệu và năng lượng để sản xuất như khí tự nhiên, dầu, naphtha, than,. trong sản xuất phân urê.
Chi phí khai thác và chế biến phân phốt phát cũng sẽ tăng cao hơn nhiều khi phải khai thác sâu, chất lượng thấp. Ngoài ra, việc khai thác quặng phốt phát cũng tạo ra hiện tượng xói mòn, thoái hóa đất sử dụng. Vì vậy, các giải pháp đồng bộ cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng phân bón trong nông nghiệp là rất cần thiết, vừa phải bảo đảm an ninh lương thực, sức khỏe người và vật nuôi vừa phải ứng phó với biến đổi khí hậu, giảm lượng khí phát thải và bảo vệ môi trường. 5 Năm 1999, Dave và cộng sự [10] đã công bố một sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa hàm lượng dinh dưỡng của phân bón cung cấp và nhu cầu cho sự phát triển của cây trồng trong một vụ mùa như Hình 1.
Sơ đồ nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cung cấp chất dinh dưỡng hiệu quả nhằm cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương Hình 1.2: Sự đồng bộ giữa sự giải phóng đối của phân bón với cây trồng, gồm nhu chất dinh dưỡng của phân lý tưởng (phân cầu cây trồng (1), phân bón thông thường thông minh) và yêu cầu chất dinh dưỡng (2), bón bổ sung (3) và phân bón thông của cây trồng [2] minh (4). Trong một chu kỳ cây trồng, ở giai đoạn đầu lượng chất dinh dưỡng cung cấp của phân bón cao hơn nhu cầu của cây trồng, tạo nên sự dư thừa, nhưng sau đó là sự thiếu hụt ở giai đoạn 2, đặc trưng khu vực bóng mờ (S). Do đó, cây trồng sẽ không nhận được đủ lượng chất dinh dưỡng cần thiết vào đúng thời điểm, dẫn đến kết quả là năng suất thu hoạch, chất lượng sản phẩm kém. Theo tập quán canh tác thông thường, chất dinh dưỡng sẽ được bổ sung bằng cách bổ sung phân bón ở giai đoạn 2 (bón thúc) như đường cong (3).
Điều này sẽ giúp khắc phục sự thiếu hụt chất dinh dưỡng nhưng lượng chất dinh dưỡng dư thừa cũng tăng lên, lượng phân sử dụng nhiều hơn. Trong khi đó, đường cong mô tả cho phân bón thông minh được thiết kế phù hợp sẽ tuân theo mô hình được biểu thị bởi đường cong (4). Một sản phẩm lý tưởng thì lượng dinh dưỡng giải phóng đáp ứng một phần hoặc hoàn toàn nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng đảm bảo đúng thời điểm, vừa đủ, hiệu quả và tránh các vùng thừa hoặc thiếu như Hình 1. 6 Cho nên, việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng các loại phân bón thông minh luôn được xem là lựa chọn ưu tiên trong sản xuất nông nghiệp hiện đại [2], [8].
Phân bón thông minh không những giúp tối thiểu hóa chi phí trong sản xuất nông nghiệp mà còn giúp tăng sản lượng canh tác, chất lượng sản phẩm, tăng lợi nhuận của người nông dân, tăng cường bảo vệ môi trường và cải thiện tính bền vững đất trồng [4], [11].2 Phân bón thông minh Khái niệm phân bón thông minh được Lu và cộng sự giới thiệu đầu tiên năm 2013 [12]. Phân bón thông minh hay còn gọi là phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF), là một trong những loại bón hiệu suất sử dụng cao (EEF) [13]. Theo Hiệp hội quản lý kiểm soát thực phẩm thực vật Hoa Kỳ (AAPFCO), phân bón hiệu suất sử dụng cao được định nghĩa là các sản phẩm phân bón với các đặc tính có thể cải thiện hiệu quả sử dụng dinh dưỡng của cây trồng và giảm nguy cơ mất chất dinh dưỡng ra ngoài môi trường như: bay hơi, rửa trôi hoặc lôi cuốn khi so sánh với một sản phẩm tham chiếu thích hợp (Official 2018). Ngoài phân bón giải phóng có kiểm soát, hai loại phân bón khác được xem là phân bón hiệu suất sử dụng cao, đó là phân bón ổn định và phân bón giải phóng chậm (SRF).
Phân bón giải phóng chậm là phân bón mà hình thức giải phóng, hoặc chuyển đổi thành chất dinh dưỡng phù hợp với cây trồng ở tốc độ chậm hơn so với một sản phẩm hòa tan được sử dụng làm tham chiếu thích hợp (AAPFCO, Official 2018). Việc làm chậm quá trình giải phóng chất dinh dưỡng từ phân bón được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như: thay đổi cấu trúc hóa học, tính chất vật lý, tăng khối lượng phân tử, tạo ma trận liên kết bền vững hoặc giảm tỉ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng của phân bón. Các phương pháp này chỉ thực hiện được bằng cách sử dụng các quá trình phản ứng tổng hợp, bốc hơi – kết tinh và tạo hạt. Điều này đòi hỏi phải có sự thay đổi cả quy trình công nghệ và thiết bị sản xuất, nên tiêu tốn thời gian, chi phí đầu tư và chi phí sản xuất cao.
Ngược lại, phân bón ổn định không có đặc tính giải phóng chậm, trên thực tế tính chất của chúng không thay đổi. Phân bón ổn định là một sản phẩm phân bón đã được bổ sung với các chất phụ gia làm giảm tốc độ chuyển hóa của hợp chất trong phân bón, kéo dài thời gian cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng (AAPFCO, Official 2014). Chúng chứa các chất phụ gia thường hoạt động trên các vi khuẩn như: chất ức chế chuyển hóa 7 urê (Urease inhibitors) và chất ức chế nitrat hóa (Nitrification inhibitors), từ đó cho phép cung cấp chất dinh dưỡng cho cây lâu hơn và ít bị thất thoát ra môi trường hơn. Phân bón giải phóng chậm và phân bón ổn định thường chỉ giúp kéo dài thời gian giải phóng dinh dưỡng chứ không thể điều chỉnh được thời gian giải phóng và không kiểm soát được hàm lượng chất dinh dưỡng giải phóng.
Trong khi đó, phân bón thông minh được cấu tạo để nhằm cung cấp chất dinh dưỡng theo thời gian với tốc độ dự đoán được, trong các điều kiện cụ thể (AAPFCO, Official 2018). Phân bón thông minh được sản xuất chủ yếu bằng cách bọc lên một loại phân bón thông thường (còn gọi là nhân) với một hay nhiều lớp màng bọc với những vật liệu không tan, bán thấm hoặc không thấm nước bằng cách sử dụng quá trình bọc hạt. Điều này giúp kiểm soát sự xâm nhập của nước, điều chỉnh thời gian và tốc độ giải phóng nhằm giúp cung cấp chất dinh dưỡng vừa đủ, đúng thời điểm, phù hợp với nhu cầu của cây trồng [14].