Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu mang tên "Nghiên cứu sử dụng nước nhiễm mặn để tưới cho cây trồng (ngô, đậu tương) vùng ven biển" do nghiên cứu sinh Lê Việt Hùng thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi (thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), bảo vệ năm 2017. Luận án thuộc chuyên ngành Tưới tiêu cho cây trồng, mã số 62 62 27 01, dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể cán bộ hướng dẫn gồm TS. Nguyễn Trọng Hà (sau này là PGS.TS) và TS. Nguyễn Thị Lan Hương (sau này là PGS.TS).

1. Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam sở hữu bờ biển dài trên 3.000 km cùng các vùng châu thổ và đồng bằng duyên hải giữ vị trí then chốt trong nền nông nghiệp quốc gia. Dưới tác động của biến đổi khí hậu và hiện tượng nước biển dâng, các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán kéo dài và xâm nhập mặn sâu vào nội đồng đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước ngọt phục vụ sản xuất. Tình trạng thiếu hụt nguồn nước tưới diễn ra phổ biến tại nhiều khu vực ven biển, đặc biệt là Đồng bằng sông Cửu Long và Duyên hải Nam Trung Bộ (như Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận), khiến hàng chục nghìn hecta đất nông nghiệp phải ngưng canh tác.

Trước bối cảnh đó, các chủ trương của Chính phủ về "Tái cơ cấu ngành nông nghiệp", "Tái cơ cấu ngành thủy lợi" và nâng cao hiệu quả khai thác công trình thủy lợi đều hướng đến việc đa dạng hóa cơ cấu cây trồng, giảm dần diện tích lúa nước tiêu thụ nhiều nước sang các loại cây trồng cạn có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, việc thiếu hụt nguồn nước ngọt tại chỗ đòi hỏi phải tìm kiếm và tận dụng các nguồn nước phi truyền thống. Nguồn nước lợ và nước nhiễm mặn ở các vùng cửa sông, ven biển có trữ lượng rất dồi dào nhưng chưa được khai thác hợp lý do lo ngại về nguy cơ mặn hóa đất và giảm năng suất cây trồng. Luận án được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu về cơ sở khoa học, công nghệ tưới và đánh giá tác động toàn diện của việc dùng nước nhiễm mặn tưới cho cây trồng cạn tại dải ven biển Việt Nam.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Xác định cơ sở khoa học của việc tưới nước nhiễm mặn bằng phương pháp tưới nhỏ giọt đến sinh trưởng, năng suất của cây ngô, cây đậu tương và tính chất lý, hóa học của đất tại huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình.
  2. Đánh giá khả năng sử dụng nước nhiễm mặn để tưới cho cây trồng tại các khu vực ven biển có nguồn nước ngọt hạn chế nhưng nguồn nước nhiễm mặn phong phú.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Cây trồng: Giống ngô lai LVN 10 và giống đậu tương ĐT84 (DT84), là hai giống cây trồng cạn phổ biến tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.
    • Loại đất: Đất cát pha đến thịt nhẹ thuộc vùng đất phù sa sông biển ven biển châu thổ sông Hồng.
    • Nguồn nước và các mức độ mặn thí nghiệm: Nước lấy từ sông Vạc, được xử lý đạt 3 mức độ mặn nghiên cứu gồm:
      • Công thức 1 (CT1 - đối chứng): Nước có nồng độ muối $\le 1‰$ (đạt tiêu chuẩn nước tưới).
      • Công thức 2 (CT2): Nước có nồng độ muối $2‰$ (tương đương $EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$).
      • Công thức 3 (CT3): Nước có nồng độ muối $3‰$ (tương đương $EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$).
    • Kỹ thuật tưới: Phương pháp tưới nhỏ giọt.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thí nghiệm đồng ruộng được triển khai tại xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình (khu vực nằm giữa Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ).
    • Thời gian: Nghiên cứu thực hiện trong 6 vụ mùa gồm 2 vụ xuân, 2 vụ mùa và 2 vụ đông trong hai năm 2012 và 2013 (trong đó 2 vụ mùa do lượng mưa tự nhiên lớn nên không phát sinh nhu cầu tưới nước mặn).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã tổng hợp kinh nghiệm và kết quả nghiên cứu sử dụng nước mặn, nước lợ tưới cho cây trồng tại nhiều quốc gia trên thế giới:

  • Hoa Kỳ: Nghiên cứu và áp dụng thành công tại các vùng khô hạn phía Tây Nam (thung lũng sông Arkansas bang Colorado, bang Arizona, bang New Mexico và phía Tây bang Texas). Tại thung lũng Pecos (bang Tây Texas), nguồn nước ngầm có độ mặn từ 2.500 mg/l đến trên 6.000 mg/l đã được dùng tưới cho 81.000 ha đất canh tác bông, cỏ chăn nuôi và lúa miến qua ba thập kỷ. Các giải pháp kỹ thuật đi kèm gồm tưới rãnh cách hàng, cấy hàng kép trên luống phẳng (gạt bỏ đỉnh luống chứa váng muối tại El Paso), tưới phun mưa ban đêm với nước có độ dẫn điện $EC \le 5\text{ dS/m}$, và ứng dụng hệ thống tưới nhỏ giọt với nước có $EC$ lên tới $8\text{ dS/m}$.
  • Israel: Sử dụng nước ngầm mặn có $EC$ từ 2 đến $8\text{ dS/m}$ (tổng lượng muối tan 1.200 - 5.600 mg/l). Nước mặn được hòa loãng qua hệ thống chuyển tải quốc gia hoặc tưới bằng phương pháp nhỏ giọt và phun mưa kết hợp xử lý thạch cao ($CaSO_4$) trên đất sét pha limon (điển hình tại vùng Nahal Oz với nước có $EC = 5\text{ dS/m}$ và $SAR = 26$).
  • Tunisia: Nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu Sử dụng Nguồn nước mặn để tưới (CRUESI) phối hợp cùng UNESCO và UNDP (1970). Nước sông Medjerda có $EC = 3,0\text{ dS/m}$ (hàm lượng muối 2.000 - 6.500 mg/l) được sử dụng tưới cho chà là, lúa miến, đại mạch, atiso trên đất cacbonat sét nặng. Kết quả cho thấy thành phần hóa học của đất ổn định sau 4 năm tưới nhờ chế độ mưa mùa đông rửa mặn.
  • Ấn Độ: Tổng kết của Gupta và Pahwa (1981) và các khảo sát giai đoạn 1983-1985 tại bang Haryana cho thấy nông dân sử dụng nước ngầm mặn nông có $EC$ lên tới $8\text{ dS/m}$ để tưới trực tiếp hoặc pha trộn với nước kênh ngọt trên đất thịt pha cát, chấp nhận mức giảm năng suất 30-40% nhờ lượng mưa mùa mưa rửa mặn định kỳ.
  • Ai Cập: Do nguồn nước ngọt sông Nile hạn chế, chính phủ Ai Cập đã tái sử dụng nước tiêu nông nghiệp (độ mặn 2 - 4,5 dS/m) và nước ngầm mặn (độ mặn 2 - 4 dS/m) để tưới trực tiếp hoặc pha trộn với nước sông Nile tại các tỉnh Beheira, Kafr-El-Sheikh, Damietta, Dakhlia và ốc đảo Siwa cho cây lúa mì, củ cải đường, bông, ô liu và chà là.
  • Các nghiên cứu sinh lý và nông học khác: Shalhevet và cộng sự (1969, 1973) nghiên cứu tác động của độ mặn đất đến kích thước hạt và tỷ lệ dầu trong hạt lạc, trọng lượng và tỷ lệ chất khô hòa tan của quả cà chua; Goldberg và Gornat (1971) chứng minh hiệu quả bổ sung chất dinh dưỡng (đặc biệt là $K^+$) vào nước mặn; Stillard (2010) đánh giá vai trò của tưới nhỏ giọt trong việc kiểm soát độ mặn vùng rễ; Kahlaoui và cộng sự (2011) so sánh tưới nhỏ giọt bề mặt (DI) và tưới nhỏ giọt dưới mặt đất (SDI) trên cây cà chua.

2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và vị trí của luận án

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào việc tuyển chọn giống lúa chịu mặn (của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Cần Thơ), nghiên cứu dùng nước mặn rửa phèn và tưới cho giống lúa NN3A ở Nam Bộ (độ mặn mạ $\le 2\text{ g/l}$, lúa sạ sau 15-20 ngày $< 4\text{ g/l}$), hoặc nghiên cứu tưới rãnh bằng nước mặn 1-4‰ cho cây lạc vụ xuân tại Hải Hậu (Nam Định) và thử nghiệm mặn nhân tạo trên cây lạc tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam (2012).

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn là: Các nghiên cứu trong nước về tưới nước nhiễm mặn cho cây trồng cạn còn rất ít, chưa có nghiên cứu hệ thống nào áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt với nước nhiễm mặn cho cây ngô và cây đậu tương trên đất phù sa ven biển, đồng thời chưa đánh giá đầy đủ diễn biến lý hóa tính của đất qua nhiều chu kỳ canh tác liên tiếp.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

a. Đặc điểm thành phần hóa học nguồn nước ven biển

Nguồn nước vùng ven biển là sự pha trộn giữa nước sông và nước biển. Ngoài hàm lượng muối $NaCl$ cao, nước biển còn chứa nhiều nguyên tố vi lượng hòa tan có vai trò thiết yếu cho thực vật mà nước sông thường thiếu hụt như Bo (B), Molipđen (Mo) và Iot (I).

Nguyên tố Dạng tồn tại chính Hàm lượng trong nước biển ($\mu\text{g/l}$) Hàm lượng trong nước sông ($\mu\text{g/l}$)
B $\text{B(OH)}_3, \text{B(OH)}_4^-$ $4,61 \times 10^3$ 18
Mo $\text{MoO}_4^{2-}$ 11 0,5
I $\text{IO}_3^-$ 59,5 0,05
F $\text{F}^-$ 1.333 5,3
Al $\text{Al(OH)}_3, \text{Al(OH)}_4^-$ 0,3 50
Fe $\text{Fe}^{2+}, \text{FeCl}^+, \text{Fe(OH)}_3$ 0,03 50
Zn $\text{Zn}^{2+}, \text{ZnCl}^+, \text{ZnSO}_4$ 0,38 30

(Nguồn số liệu: Đặng Trung Thuận, 2005 - dẫn theo luận án)

b. Phân loại nước mặn theo FAO (Paper 48)

Loại nước Độ dẫn điện $EC$ (dS/m) Nồng độ muối (mg/l) Mục đích sử dụng / Nguồn gốc
Không mặn $< 0,7$ $< 500$ Nước uống và nước tưới
Hơi mặn 0,7 - 2,0 500 - 1.500 Nước tưới
Mặn vừa (nước lợ) 2,0 - 10,0 1.500 - 7.000 Nước cửa sông và nước ngầm
Mặn nhiều 10,0 - 25,0 7.000 - 15.000 Nước tiêu thứ cấp và nước ngầm
Rất mặn 25,0 - 45,0 15.000 - 35.000 Nước ngầm rất mặn
Nước muối $> 45,0$ $> 35.000$ Nước biển

c. Cơ chế hấp phụ, trao đổi cation và cân bằng Donnan

Quá trình trao đổi cation trong đất tuân theo mô hình lớp điện kép và cân bằng Donnan (Bolt và cộng sự, 1976). Cation $Na^+$ có bán kính ion ngậm nước lớn và năng lượng hydrat hóa cao, nên lực liên kết với phức hệ hấp phụ của keo đất là yếu nhất so với các cation khác: $$\text{Na}^+ < \text{K}^+ < \text{Mg}^{2+} < \text{Ca}^{2+} < \text{Al}^{3+}$$ Do lực hấp phụ yếu, $Na^+$ chủ yếu tồn tại tự do trong dung dịch đất và dễ dàng bị rửa trôi khi có nước mưa hoặc nước tưới thừa.

Sự hấp thụ $Na^+$ của thực vật chịu sự đối kháng cạnh tranh ion từ $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ và $K^+$ (Pagel H., 1981). Tỷ số hấp phụ Natri ($SAR$) được sử dụng để đánh giá nguy cơ mặn hóa và kiềm hóa: $$SAR = \frac{[\text{Na}^+]}{\sqrt{\frac{[\text{Ca}^{2+}] + [\text{Mg}^{2+}]}{2}}}$$ Theo QCVN 39:2011/BTNMT, nước tưới có $SAR \le 18$ thích hợp cho đất có hệ thống tiêu thoát tốt.

d. Cơ chế rửa trôi tự nhiên

Khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ có lượng mưa trung bình năm đạt từ 1.600 đến 3.000 mm, tập trung chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 9 (mỗi tháng trên 200 mm). Lượng mưa tự nhiên này tạo cơ chế rửa trôi triệt để các ion $Na^+$ và $Cl^-$ tích lũy trong đất sau các vụ tưới mùa khô (vụ xuân và vụ đông).

e. Cơ chế phản ứng hóa học và tác động đến đất

Khi nồng độ $Na^+$ trong dung dịch đất tăng cao, quá trình kiềm hóa (solonisation) và tạo soda ($Na_2CO_3$) có thể diễn ra theo các phản ứng: $$\text{[Phức hệ hấp phụ]}\cdot 2\text{Na}^+ + \text{CaCO}_3 \rightleftharpoons \text{[Phức hệ hấp phụ]}\cdot\text{Ca}^{2+} + \text{Na}_2\text{CO}_3$$ $$\text{CaCO}_3 + 2\text{NaCl} \rightleftharpoons \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CaCl}_2$$ $$\text{[Phức hệ hấp phụ]}\cdot 2\text{Na}^+ + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{[Phức hệ hấp phụ]}\cdot 2\text{H}^+ + \text{Na}_2\text{CO}_3$$

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Bố trí thí nghiệm đồng ruộng: Các ô thí nghiệm được thiết kế theo khối ngẫu nhiên có lặp lại tại xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình.
  • Hệ thống tưới và kiểm soát nước: Lắp đặt hệ thống tưới nhỏ giọt dẫn nước từ bể chứa đến từng luống cây. Độ ẩm đất được giám sát liên tục bằng ẩm kế Tensiometer cắm tại tầng rễ cây. Nước tưới được pha chế và kiểm tra nồng độ muối bằng máy đo độ dẫn điện ($EC$) định kỳ.
  • Giống thí nghiệm: Ngô lai LVN 10 và Đậu tương ĐT84.
  • Phương pháp quan trắc sinh trưởng và năng suất:
    • Ngô: Theo dõi chiều cao cây, động thái ra lá, tổng số lá, chỉ số diện tích lá (LAI), thời gian sinh trưởng qua các giai đoạn trổ cờ, phun râu, tích lũy chất khô, các yếu tố cấu thành năng suất (chiều dài bắp, đường kính bắp, số hàng hạt/bắp, số hạt/hàng, trọng lượng 1.000 hạt) và năng suất hạt khô (kg/cây và tạ/ha).
    • Đậu tương: Theo dõi chiều cao thân, số cành cấp 1, số đốt/cây, số quả chắc/cây, số hạt/quả, trọng lượng 1.000 hạt, năng suất chất khô và năng suất hạt khô.
  • Phương pháp phân tích đất và nước: Lấy mẫu đất trước thí nghiệm và sau các vụ thu hoạch thứ 1, thứ 2 và thứ 4. Phân tích các chỉ tiêu lý học (dung trọng, tỷ trọng, độ xốp, thành phần cơ giới, tốc độ thấm) và hóa học ($pH_{H2O}$, $pH_{KCl}$, chất hữu cơ tổng số, $EC_e$, các cation trao đổi $Ca^{2+}, Mg^{2+}, K^+, Na^+$, hàm lượng $Cl^-$ và $SAR$).
  • Phương pháp xử lý số liệu: Tính toán các giá trị đặc trưng thống kê mẫu ($\bar{X}, S, CV%$), kiểm định so sánh giá trị trung bình giữa các công thức ở mức ý nghĩa $p \le 0,05$ và $p \le 0,01$, xây dựng các phương trình tương quan và hồi quy trên phần mềm Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nước biển dâng và khô hạn tại Việt Nam; ý nghĩa khoa học và thực tiễn; mục tiêu nghiên cứu; đối tượng, phạm vi; phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng thể của luận án gồm 3 chương chính cùng phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị.

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nước nhiễm mặn để tưới

Chương 1 tổng hợp các tài liệu khoa học trong và ngoài nước liên quan đến tài nguyên nước mặn và công nghệ tưới. Các nội dung trọng tâm bao gồm:

  1. Đặc điểm thành phần hóa học nguồn nước ven biển, sự giàu có về vi lượng (Bo, Mo, I) nhưng chứa độc tố chính là ion $Na^+$ và $Cl^-$.
  2. Bảng phân loại nguồn nước mặn theo tiêu chuẩn của FAO.
  3. Bức tranh toàn cảnh về việc sử dụng nước nhiễm mặn trong sản xuất nông nghiệp tại Hoa Kỳ, Israel, Tunisia, Ấn Độ, Ai Cập và Việt Nam.
  4. Cơ sở khoa học của việc tưới nước nhiễm mặn: Động học hấp phụ ion, cân bằng Donnan, hiện tượng đối kháng cation ($Ca^{2+}, Mg^{2+}, K^+$ đối kháng với $Na^+$), và cơ chế rửa trôi mặn tự nhiên của chế độ mưa nhiệt đới.
  5. Ảnh hưởng sinh lý của muối đến thực vật: Sự suy giảm áp suất thẩm thấu của tế bào rễ, hiện tượng ức chế hấp thụ nước và dinh dưỡng khoáng, suy giảm hàm lượng diệp lục tổng số, diệp lục a, diệp lục b và diện tích lá (dẫn chứng nghiên cứu trên cà chua của Kahlaoui và cộng sự, 2011).
  6. Tác động của tưới nước nhiễm mặn đến tính chất lý học (phân tán keo đất, làm đất bí chặt, suy giảm độ thấm) và tính chất hóa học của đất (mặn hóa, kiềm hóa solonisation, hình thành soda $Na_2CO_3$).
  7. Đánh giá ưu thế của công nghệ tưới nhỏ giọt trong việc hạn chế muối đọng trên bề mặt tán lá và kiểm soát sự phân bố muối trong phẫu diện đất.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện khu vực nghiên cứu và quy trình thực nghiệm:

  1. Điều kiện tự nhiên huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình: Vị trí địa lý, địa hình địa mạo phù sa trẻ, đặc điểm đất cát pha đến thịt nhẹ; chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển với các chuỗi số liệu về nhiệt độ không khí, số giờ nắng, độ ẩm không khí, lượng bốc hơi, tốc độ gió; diễn biến độ mặn nguồn nước sông Vạc theo chu kỳ triều; mực nước ngầm nông và khả năng tiêu thoát nước.
  2. Bố trí thí nghiệm đồng ruộng: Thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt, sơ đồ bố trí các lô ngô và đậu tương, mặt cắt ngang luống trồng, nguyên lý pha loãng và bổ sung muối để duy trì chính xác 3 cấp độ mặn nước tưới ($CT1 \le 1‰, CT2 = 2‰, CT3 = 3‰$).
  3. Quy trình quan trắc và kỹ thuật phân tích: Quy chuẩn lấy mẫu nông học cho giống ngô LVN 10 và đậu tương ĐT84; kỹ thuật cắm và đọc chỉ số ẩm kế Tensiometer; phương pháp phân tích mẫu đất và mẫu nước tại Phòng thí nghiệm Đất nước và Môi trường.
  4. Phương pháp thống kê: Ứng dụng các thuật toán thống kê mô tả, phân tích hồi quy tương quan và kiểm định sai khác thống kê trên Excel.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được qua các vụ thí nghiệm:

  1. Đặc điểm khí tượng và lượng nước tưới: Phân tích lượng mưa phân bố qua các giai đoạn sinh trưởng của ngô và đậu tương trong các vụ Xuân 2012, Đông 2012, Xuân 2013 và Đông 2013. Xác định định mức và thời điểm tưới nước cho từng loại cây trồng.
  2. Tỷ lệ nảy mầm: Đánh giá tác động của các mức độ mặn đến khả năng nảy mầm của hạt ngô LVN 10 và đậu tương ĐT84.
  3. Ảnh hưởng đến cây ngô LVN 10:
    • Vụ Xuân 2012 & Xuân 2013: Động thái tăng trưởng chiều cao cây, số lá, chỉ số diện tích lá (LAI), thời gian sinh trưởng, năng suất chất khô. Năng suất hạt khô ở công thức CT2 ($2‰$) không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê so với đối chứng CT1; ở công thức CT3 ($3‰$), năng suất giảm dưới 10%.
    • Vụ Đông 2012 & Đông 2013: Quy luật suy giảm chiều cao cây ở giai đoạn trổ cờ và các yếu tố cấu thành năng suất.
  4. Ảnh hưởng đến cây đậu tương ĐT84:
    • Vụ Xuân 2012 & Xuân 2013: Chiều cao thân chính, số cành cấp 1, số quả chắc, tỷ lệ hạt chắc, năng suất chất khô và năng suất hạt. Mức suy giảm năng suất ở công thức CT3 ($3‰$) duy trì ở mức dưới 7% so với CT1.
    • Vụ Đông 2012 & Đông 2013: Đánh giá các phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa độ mặn nước tưới với năng suất hạt khô đậu tương.
  5. Tổng hợp so sánh và kiểm định thống kê: Bảng tổng hợp mức độ suy giảm các chỉ tiêu hình thái, sinh lý và năng suất giữa công thức CT2, CT3 so với đối chứng CT1 qua 4 vụ tưới mặn.
  6. Ảnh hưởng đến tính chất đất:
    • Tính chất lý học: Biến động dung trọng, tỷ trọng, độ xốp và tốc độ thấm của đất sau vụ thu hoạch thứ 1, thứ 2 và thứ 4.
    • Tính chất hóa học: Đánh giá sự tích lũy muối, diễn biến $pH$, độ dẫn điện dịch chiết đất ($EC_e$), hàm lượng ion $Na^+, Cl^-$, các cation trao đổi ($Ca^{2+}, Mg^{2+}, K^+$) và chỉ số $SAR$ của đất sau các chu kỳ tưới và sau các mùa mưa rửa mặn tự nhiên.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Những đóng góp mới của luận án

Luận án tự nêu hai đóng góp mới quan trọng về mặt khoa học và thực tiễn kỹ thuật tưới:

  1. Khẳng định ngưỡng sử dụng nước nhiễm mặn an toàn: Có thể sử dụng nước nhiễm mặn với độ mặn $2‰$ ($EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$) để tưới bằng phương pháp tưới nhỏ giọt mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến sinh trưởng và năng suất của cây ngô giống LVN 10 và cây đậu tương giống ĐT84 trên nền đất phù sa sông biển tại huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình.
  2. Khẳng định ngưỡng sử dụng nước mặn trong điều kiện bất khả kháng: Tại các vùng ven biển Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và hải đảo, trong điều kiện hạn hán thiếu nước ngọt nghiêm trọng (điều kiện bất khả kháng), có thể sử dụng nguồn nước có độ mặn lên tới $3‰$ ($EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$) để tưới bằng phương pháp nhỏ giọt cho cây ngô LVN 10 và cây đậu tương ĐT84. Khi đó, mức độ suy giảm năng suất được xác định là $< 10%$ đối với ngô và $< 7%$ đối với đậu tương so với công thức tưới nước ngọt.

2. Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cho phép khai thác nguồn nước lợ/nhiễm mặn có độ mặn $\le 2‰$ để tưới thường xuyên và nước có độ mặn $\le 3‰$ để tưới cứu hạn cho ngô và đậu tương bằng công nghệ tưới nhỏ giọt tại các vùng ven biển.
  • Bắt buộc áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt nhằm đưa nước và muối trực tiếp vào vùng rễ, tránh làm tổn thương bộ lá do tiếp xúc trực tiếp với ion $Cl^-$ và $Na^+$.
  • Tận dụng triệt để chế độ mưa mùa hè - thu (từ tháng 5 đến tháng 9) của vùng nhiệt đới gió mùa để rửa trôi lượng muối tích lũy trong đất sau các vụ canh tác mùa khô.
  • Kết hợp các biện pháp bón phân hợp lý, đặc biệt là bổ sung các cation đối kháng như $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ (bón vôi, bón thạch cao) và $K^+$ nhằm giảm thiểu sự hấp phụ $Na^+$ vào phức hệ keo đất và hạn chế sự hấp thụ $Na^+$ của rễ cây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi không gian của thí nghiệm đồng ruộng mới được thực hiện tập trung tại một địa điểm (xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình) trên loại đất phù sa sông biển thành phần cơ giới từ cát pha đến thịt nhẹ.
  • Đối tượng cây trồng chỉ giới hạn trên hai giống cụ thể là ngô LVN 10 và đậu tương ĐT84.
  • Thời gian nghiên cứu thực nghiệm diễn ra trong 6 vụ (2012-2013), trong đó chỉ có 4 vụ thực tế phải tưới nước mặn (vụ xuân và vụ đông), 2 vụ mùa có lượng mưa tự nhiên lớn nên không phát sinh việc tưới mặn.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng công nghệ tưới nước nhiễm mặn cho các đối tượng cây trồng cạn khác có giá trị kinh tế cao (như cây ăn quả, cây rau màu, cây dược liệu) tại các vùng duyên hải.
  • Thử nghiệm trên các nhóm đất khác nhau như đất cát biển miền Trung, đất phèn mặn Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Theo dõi dài hạn qua nhiều năm liên tục về diễn biến lý hóa tính của đất và vi sinh vật đất dưới tác động tích lũy muối khi có sự biến động khí hậu cực đoan giữa các năm khô hạn và năm mưa nhiều.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo khoa học:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp tài liệu tổng quan toàn diện về cơ chế lý sinh, cân bằng Donnan, động học trao đổi ion trong đất nhiễm mặn, và phương pháp thiết kế thí nghiệm đồng ruộng về công nghệ tưới tiết kiệm nước.
  • Đối với các cơ quan quản lý nông nghiệp, thủy lợi và khuyến nông: Cung cấp cơ sở khoa học và các định mức kỹ thuật cụ thể ($EC_{iw}, SAR$, ngưỡng độ mặn $2‰$ và $3‰$) phục vụ việc ban hành quy trình tưới tiêu thích ứng với biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn tại các tỉnh ven biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 1 (hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về trao đổi cation, cân bằng Donnan và mô hình lý sinh) và Chương 3 (số liệu thực nghiệm chi tiết về phản ứng sinh trưởng, các yếu tố cấu thành năng suất của ngô LVN 10, đậu tương ĐT84 và các phân tích lý hóa học đất).

Câu hỏi thường gặp

1. Ngưỡng độ mặn nước tưới nào được luận án xác định là an toàn và ngưỡng nào dùng cho điều kiện bất khả kháng?

Luận án kết luận: Ngưỡng độ mặn $2‰$ ($EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$) có thể sử dụng an toàn để tưới bằng phương pháp nhỏ giọt mà không ảnh hưởng đáng kể đến sinh trưởng và năng suất ngô LVN 10 và đậu tương ĐT84. Trong điều kiện bất khả kháng (thiếu nước ngọt nghiêm trọng), có thể dùng nước có độ mặn $3‰$ ($EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$).

2. Mức độ suy giảm năng suất của ngô và đậu tương khi tưới nước có độ mặn 3‰ là bao nhiêu?

Khi tưới nước có độ mặn $3‰$ ($CT3$) bằng phương pháp tưới nhỏ giọt, năng suất ngô LVN 10 giảm dưới $10%$ và năng suất hạt đậu tương ĐT84 giảm dưới $7%$ so với khi tưới bằng nước ngọt đối chứng ($CT1 \le 1‰$).

3. Tại sao cation $Na^+$ từ nước tưới nhiễm mặn ít bị tích lũy trong phức hệ hấp phụ của đất?

Do ion $Na^+$ có hóa trị 1, bán kính ion hydrat hóa lớn và năng lượng hydrat hóa cao, nên lực liên kết của $Na^+$ với phức hệ hấp phụ keo đất yếu hơn rất nhiều so với các cation đa hóa trị ($K^+ < Mg^{2+} < Ca^{2+} < Al^{3+}$). Vì vậy, $Na^+$ tồn tại chủ yếu ở dạng hòa tan tự do trong dung dịch đất và rất dễ bị rửa trôi bởi nước mưa.

4. Điều kiện tự nhiên vùng ven biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ có ưu thế gì giúp hạn chế tác hại của việc tưới nước mặn?

Khu vực này có lượng mưa hàng năm rất lớn (từ 1.600 đến 3.000 mm), tập trung vào mùa hè - thu với nhiều tháng có lượng mưa trên 200 mm. Lượng mưa lớn và cường độ mưa mạnh tạo cơ chế tự nhiên rửa trôi triệt để lượng muối $Na^+$ và $Cl^-$ đã tích lũy trong đất sau các vụ tưới mùa khô.

5. Tại sao phương pháp tưới nhỏ giọt lại phù hợp hơn tưới phun mưa khi dùng nước nhiễm mặn?

Tưới nhỏ giọt đưa nước và dung dịch muối trực tiếp vào vùng rễ dưới mặt đất hoặc sát mặt đất, tránh làm ướt tán lá (không gây hiện tượng cháy mép lá, rụng lá do muối $NaCl$ như tưới phun mưa), đồng thời giảm tổn thất do gió tạt và duy trì độ ẩm vùng rễ ổn định, hạn chế sự tích lũy nồng độ muối cục bộ.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Việt Hùng đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn cao trong bối cảnh biến đổi khí hậu và hạn hán, xâm nhập mặn tại Việt Nam. Công trình đã làm sáng tỏ cơ sở khoa học về động học trao đổi ion, cơ chế rửa trôi mặn tự nhiên và chứng minh tính khả thi của việc sử dụng nước nhiễm mặn ở mức $2‰$ (và $3‰$ trong điều kiện bất khả kháng) để tưới nhỏ giọt cho cây ngô LVN 10 và đậu tương ĐT84. Các kết quả thực nghiệm và đánh giá lý hóa tính đất cung cấp căn cứ khoa học xác thực cho công tác quy hoạch, chuyển đổi cơ cấu cây trồng và quản lý tài nguyên nước tại các vùng ven biển.