Investigation of drought effects on plant growth and rhizosphere microbiota in soybean under climate change context

Chuyên khảo phân tích Investigation of drought effects on plant growth and rhizosphere microbiota in soybean under, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• 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: Nghiên Cứu Tác Động Của Hạn Hán Đến Sự Phát Triển Cây Trồng Và Vi Sinh Vật Trong Rễ Đậu Nành Dưới Bối Cảnh Biến Đổi Khí Hậu
• Loại tài liệu: master's thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• 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
• PLEDGE
• ACKNOWLEDGEMENT
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Tác động hạn hán Tổng quan về ảnh hưởng tới cây trồng vi sinh vật

Biến đổi khí hậu đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng, trong đó hạn hán là một trong những mối đe dọa lớn nhất đối với nền nông nghiệp toàn cầu và tại Việt Nam. Hạn hán không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng, làm giảm năng suất đậu nành, mà còn tác động tiêu cực đến hệ vi sinh vật trong rễ cây, vốn đóng vai trò quan trọng trong quá trình dinh dưỡng và phát triển. Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, sự thay đổi về lượng mưa và nhiệt độ do biến đổi khí hậu có thể làm trầm trọng thêm tình trạng stress hạn ở cây trồng, đặc biệt là ở các vùng như Đồng bằng sông Hồng. Việc hiểu rõ tác động của hạn hán đến sự tương tác giữa cây trồng và vi sinh vật là vô cùng cần thiết để đưa ra các giải pháp thích ứng hiệu quả. Theo IPCC (2019, 2022), các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, bao gồm Đông Nam Á, đặc biệt dễ bị tổn thương do sự suy giảm độ ẩm đất.

1.1. Liên kết giữa biến đổi khí hậu hạn hán và an ninh lương thực

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó có hạn hán. Sự thiếu hụt nước nghiêm trọng ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của cây trồng, gây ra những hệ lụy lớn đối với an ninh lương thực. Báo cáo của IPCC (2021) cho thấy nhiệt độ bề mặt toàn cầu đã tăng gần 1.1°C so với mức trước công nghiệp (1850-1900), làm tăng nguy cơ hạn hán và giảm năng suất đậu nành, đặc biệt ở các khu vực phụ thuộc vào nông nghiệp. Giải pháp thích ứng, bao gồm việc sử dụng giống đậu nành chịu hạn và quản lý nguồn nước, trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

1.2. Tác động của hạn hán đến hoạt động vi sinh vật đất và sinh trưởng cây trồng

Hạn hán có những tác động tiêu cực đến cả cây trồng và hệ vi sinh vật đất. Khi thiếu nước, cây trồng giảm khả năng hấp thụ dinh dưỡng, làm chậm quá trình sinh trưởng và phát triển. Đồng thời, hạn hán cũng làm thay đổi thành phần và chức năng của hệ vi sinh vật, ảnh hưởng đến các quá trình sinh hóa quan trọng trong đất, như chu trình nitơ và phốt pho. Điều này dẫn đến sự suy giảm năng suất đậu nành và các cây trồng khác. Vì vậy, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa cây trồng, vi sinh vật, và hạn hán là vô cùng quan trọng.

II. Thách thức Stress hạn ảnh hưởng tới sự phát triển rễ đậu nành

Một trong những thách thức lớn nhất trong bối cảnh biến đổi khí hậu là làm thế nào để duy trì năng suất đậu nành trong điều kiện stress hạn. Rễ đậu nành đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ nước và dinh dưỡng, nhưng chúng đặc biệt nhạy cảm với hạn hán. Khi độ ẩm đất giảm, rễ cây phải đối mặt với nhiều khó khăn, bao gồm việc giảm khả năng tiếp cận nguồn nước, thay đổi thành phần hệ vi sinh vật xung quanh rễ, và giảm sự hình thành quan hệ cộng sinh với các vi sinh vật có lợi. Việc này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng và năng suất đậu nành. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các cơ chế giúp cây trồng thích ứng hạn hán và cải thiện khả năng chống chịu hạn của rễ đậu nành.

2.1. Ảnh hưởng của stress hạn đến sự phát triển của rễ và khả năng hấp thụ dinh dưỡng

Stress hạn gây ra những thay đổi đáng kể trong quá trình phát triển của rễ đậu nành. Khi thiếu nước, rễ cây có xu hướng phát triển sâu hơn để tìm kiếm nguồn nước, nhưng đồng thời cũng phải đối mặt với tình trạng thiếu dinh dưỡng. Hạn hán làm giảm khả năng hòa tan và di chuyển của các chất dinh dưỡng trong đất, khiến cây trồng khó hấp thụ nitơ, phốt pho, và các nguyên tố vi lượng cần thiết. Điều này dẫn đến sự suy giảm năng suất đậu nành. Giải pháp bao gồm việc sử dụng giống đậu nành chịu hạn và cải thiện phương pháp bón phân.

2.2. Tác động của hạn hán đến hệ vi sinh vật trong vùng rễ đậu nành

Hạn hán làm thay đổi đáng kể thành phần và hoạt động của hệ vi sinh vật trong vùng rễ đậu nành (rhizosphere). Khi độ ẩm đất giảm, một số loài vi sinh vật có lợi có thể bị suy giảm, trong khi các loài khác có khả năng thích ứng hạn hán lại phát triển mạnh mẽ. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến các quá trình sinh hóa quan trọng, như chu trình nitơ, phốt pho, và sự phân giải chất hữu cơ. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các loài vi sinh vật có khả năng hỗ trợ cây trồng chống chịu hạn và cải thiện năng suất đậu nành.

2.3. Mối quan hệ cộng sinh giữa đậu nành và vi sinh vật trong điều kiện hạn hán

Mối quan hệ cộng sinh giữa đậu nành và một số loài vi sinh vật, như vi khuẩn cố định nitơ, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Tuy nhiên, hạn hán có thể làm suy yếu mối quan hệ này, ảnh hưởng đến khả năng cố định nitơ và hấp thụ phốt pho. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tìm hiểu cơ chế mà hạn hán ảnh hưởng đến quan hệ cộng sinh này, và phát triển các phương pháp để duy trì và tăng cường sự hợp tác giữa cây trồng và vi sinh vật trong điều kiện stress hạn. Công nghệ sinh học có thể được ứng dụng để cải thiện khả năng thích ứng hạn hán.

III. Giải pháp Ứng dụng công nghệ sinh học tăng khả năng chịu hạn đậu nành

Để giảm thiểu tác động của hạn hán đến năng suất đậu nành trong bối cảnh biến đổi khí hậu, cần có những giải pháp sáng tạo và hiệu quả. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là ứng dụng công nghệ sinh học để tăng cường khả năng chống chịu hạn của cây trồng. Các phương pháp như chọn tạo giống đậu nành chịu hạn, sử dụng các chế phẩm sinh học chứa vi sinh vật có lợi, và cải thiện quản lý nước có thể giúp cây trồng vượt qua giai đoạn stress hạn và duy trì năng suất. Ngoài ra, cần có sự kết hợp giữa các giải pháp công nghệ sinh học và các biện pháp canh tác bền vững để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

3.1. Phát triển giống đậu nành chịu hạn thông qua chọn tạo và công nghệ gen

Việc phát triển giống đậu nành chịu hạn là một trong những giải pháp quan trọng để đối phó với tác động của hạn hán. Các phương pháp chọn tạo giống truyền thống và công nghệ gen có thể được sử dụng để tạo ra các giống cây trồng có khả năng thích ứng hạn hán tốt hơn. Các giống đậu nành chịu hạn có thể có những đặc điểm như hệ rễ phát triển mạnh mẽ, khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu, và khả năng duy trì quá trình quang hợp trong điều kiện thiếu nước. Việc thử nghiệm và đánh giá các giống đậu nành mới trong điều kiện thực tế là rất quan trọng.

3.2. Sử dụng chế phẩm sinh học chứa vi sinh vật tăng cường khả năng chịu hạn

Các chế phẩm sinh học chứa vi sinh vật có lợi có thể được sử dụng để tăng cường khả năng chịu hạn của đậu nành. Các vi sinh vật này có thể giúp cây trồng hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn, tăng cường hệ miễn dịch, và sản xuất các chất bảo vệ giúp cây trồng chống lại stress hạn. Một số loài vi sinh vật còn có khả năng cố định nitơ, giúp cải thiện dinh dưỡng nitơ cho cây trồng. Việc sử dụng các chế phẩm sinh học là một giải pháp thân thiện với môi trường và có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào phân bón hóa học.

3.3. Quản lý nước hiệu quả trong canh tác đậu nành để giảm thiểu tác động hạn hán

Việc quản lý nước hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của hạn hán đến năng suất đậu nành. Các biện pháp như tưới tiết kiệm nước, sử dụng các kỹ thuật giữ ẩm đất, và cải thiện hệ thống thoát nước có thể giúp cây trồng sử dụng nước hiệu quả hơn và giảm thiểu thiệt hại do hạn hán. Việc lựa chọn thời điểm tưới nước phù hợp và sử dụng các phương pháp tưới chính xác cũng có thể giúp tiết kiệm nước và tăng năng suất đậu nành.

IV. Nghiên cứu mới Ảnh hưởng NPK và hạn hán tới vi sinh vật tăng trưởng đậu

Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của hạn hán và việc bổ sung phân bón NPK (Nitơ, Phốt pho, Kali) đến hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ đậu nành và sự phát triển của cây trồng. Kết quả cho thấy rằng hạn hán làm giảm đáng kể sinh khối vi sinh vật và hoạt động enzyme trong đất, nhưng việc bổ sung NPK có thể giúp bù đắp phần nào những tác động tiêu cực này. Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều phân bón hóa học có thể gây ra những hệ lụy không mong muốn, như ô nhiễm môi trường và suy giảm đa dạng sinh học. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để xác định liều lượng và phương pháp bón phân phù hợp, nhằm tối ưu hóa năng suất đậu nành mà không gây hại cho môi trường.

4.1. Ảnh hưởng của hạn hán và phân bón NPK đến sinh khối vi sinh vật đất

Hạn hán có xu hướng làm giảm sinh khối vi sinh vật đất, do thiếu nước và sự thay đổi về nguồn dinh dưỡng. Tuy nhiên, việc bổ sung phân bón NPK có thể cung cấp thêm dinh dưỡng cho vi sinh vật, giúp chúng duy trì hoạt động và sinh trưởng. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các loài vi sinh vật nào bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi hạn hán và NPK, và làm thế nào để tăng cường sự phát triển của các loài vi sinh vật có lợi.

4.2. Tác động của hạn hán và NPK đến hoạt động enzyme trong vùng rễ đậu nành

Hạn hán có thể làm giảm hoạt động của các enzyme quan trọng trong vùng rễ đậu nành, ảnh hưởng đến quá trình phân giải chất hữu cơ và giải phóng dinh dưỡng cho cây trồng. Việc bổ sung NPK có thể kích thích hoạt động enzyme, nhưng đồng thời cũng có thể ức chế một số enzyme khác. Nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá tác động của hạn hán và NPK đến các enzyme khác nhau, và tìm cách điều chỉnh việc sử dụng phân bón để tối ưu hóa hoạt động enzyme.

4.3. Mối quan hệ giữa sinh khối vi sinh vật hoạt động enzyme và sinh trưởng đậu nành

Sinh khối vi sinh vật và hoạt động enzyme có mối quan hệ chặt chẽ với sự phát triển của đậu nành. Vi sinh vật giúp phân giải chất hữu cơ và giải phóng dinh dưỡng cho cây trồng, trong khi enzyme xúc tác các phản ứng sinh hóa quan trọng. Hạn hán có thể làm gián đoạn mối quan hệ này, ảnh hưởng đến năng suất đậu nành. Việc bổ sung NPK có thể giúp cải thiện mối quan hệ này, nhưng cần phải được thực hiện một cách cẩn thận để tránh gây ra những tác động tiêu cực.

V. Ứng dụng thực tiễn Giải pháp quản lý hạn hán và giống đậu nành mới

Các kết quả nghiên cứu về tác động của hạn hán đến cây trồng và vi sinh vật có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các giải pháp quản lý hạn hán hiệu quả và phát triển các giống đậu nành mới có khả năng chịu hạn tốt hơn. Các giải pháp này có thể bao gồm việc sử dụng các phương pháp tưới tiết kiệm nước, cải thiện quản lý đất, và ứng dụng công nghệ sinh học để tăng cường khả năng thích ứng hạn hán của cây trồng. Ngoài ra, cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, nhà quản lý, và người nông dân để triển khai các giải pháp này một cách hiệu quả.

5.1. Phát triển và triển khai các biện pháp quản lý hạn hán hiệu quả cho đậu nành

Các biện pháp quản lý hạn hán hiệu quả cho đậu nành bao gồm việc sử dụng các phương pháp tưới tiết kiệm nước, như tưới nhỏ giọt và tưới phun mưa, cải thiện khả năng giữ ẩm của đất, và sử dụng các biện pháp che phủ đất để giảm sự bốc hơi nước. Ngoài ra, cần có hệ thống cảnh báo sớm hạn hán để người nông dân có thể chủ động ứng phó với tình hình.

5.2. Xây dựng quy trình canh tác đậu nành thích ứng với biến đổi khí hậu

Quy trình canh tác đậu nành thích ứng với biến đổi khí hậu cần bao gồm việc lựa chọn giống đậu nành chịu hạn, áp dụng các biện pháp quản lý đất và nước hiệu quả, và sử dụng các chế phẩm sinh học để tăng cường khả năng chịu hạn của cây trồng. Ngoài ra, cần có sự linh hoạt trong việc điều chỉnh quy trình canh tác để phù hợp với điều kiện thời tiết thực tế.

5.3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho người nông dân về quản lý hạn hán

Việc đào tạo và chuyển giao công nghệ cho người nông dân về quản lý hạn hán là rất quan trọng để đảm bảo rằng họ có thể áp dụng các giải pháp hiệu quả trong thực tế. Các chương trình đào tạo cần tập trung vào việc cung cấp kiến thức về tác động của hạn hán đến cây trồng, các biện pháp quản lý nước và đất hiệu quả, và cách sử dụng các chế phẩm sinh học.

VI. Tương lai Nghiên cứu sâu hơn về vi sinh vật và khả năng chịu hạn

Để đối phó với những thách thức do biến đổi khí hậu gây ra, cần có những nghiên cứu sâu hơn về tác động của hạn hán đến cây trồng và vi sinh vật. Các nghiên cứu này cần tập trung vào việc khám phá các cơ chế mà vi sinh vật giúp cây trồng chống chịu hạn, và phát triển các giống đậu nành mới có khả năng thích ứng hạn hán tốt hơn. Ngoài ra, cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, nhà quản lý, và người nông dân để triển khai các giải pháp này một cách hiệu quả.

6.1. Nghiên cứu cơ chế vi sinh vật hỗ trợ cây trồng chịu hạn ở cấp độ phân tử

Các nghiên cứu ở cấp độ phân tử có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế mà vi sinh vật giúp cây trồng chống chịu hạn. Ví dụ, một số loài vi sinh vật có thể sản xuất các chất bảo vệ giúp cây trồng chống lại stress oxy hóa, hoặc tăng cường khả năng hấp thụ nước và dinh dưỡng. Việc xác định các gen và protein liên quan đến cơ chế này có thể giúp chúng ta phát triển các giống đậu nành mới có khả năng thích ứng hạn hán tốt hơn.

6.2. Phát triển công nghệ phân tích nhanh để đánh giá khả năng chịu hạn của giống

Việc phát triển các công nghệ phân tích nhanh để đánh giá khả năng chịu hạn của giống đậu nành là rất quan trọng để đẩy nhanh quá trình chọn tạo giống. Các công nghệ này có thể bao gồm việc sử dụng các chỉ số sinh lý, hóa sinh, và phân tử để đánh giá khả năng thích ứng hạn hán của cây trồng trong điều kiện kiểm soát.

6.3. Xây dựng mô hình dự báo tác động của hạn hán đến năng suất đậu nành

Việc xây dựng các mô hình dự báo tác động của hạn hán đến năng suất đậu nành có thể giúp người nông dân và nhà quản lý chủ động ứng phó với tình hình. Các mô hình này cần tính đến các yếu tố như lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm đất, và đặc điểm của giống đậu nành. Việc sử dụng các dữ liệu thời tiết lịch sử và các dự báo thời tiết có thể giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình này.

Nội dung chính

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 (Red River Delta - RRD), 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, gây áp lực lớn lên sản xuất nông nghiệp, trong đó có cây đậu tương – một loại cây trồng đa dụng, cung cấp protein thực vật và dầu ăn quan trọng.

Nghiên cứu tập trung vào tỉnh Thái Bình, đại diện cho vùng RRD, với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng, nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 24±0.5°C, lượng mưa trung bình 1600±100 mm và độ ẩm tương đối 85±1%. Mục tiêu chính của luận văn là điều tra ảnh hưởng của hạn hán đến sự phát triển của cây đậu tương và hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ (rhizosphere), đồng thời đánh giá vai trò của phân bón NPK trong việc giảm thiểu tác động tiêu cực của hạn hán. Phạm vi nghiên cứu bao gồm giai đoạn sinh trưởng thực vật non của đậu tương, với thí nghiệm được tiến hành tại Viện Nghiên cứu Đất và Phân bón, Hà Nội, trong điều kiện kiểm soát độ ẩm đất và phân bón hữu cơ NPK.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng phân bón hợp lý nhằm tăng cường khả năng chịu hạn của cây đậu tương, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn 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 và sự phát triển của cây đậu tương. Hai mô hình nghiên cứu chính được áp dụng gồm:

1. Mô hình tương tác cây-rễ-vi sinh vật trong vùng rễ (rhizosphere): Vùng rễ là khu vực đất xung quanh rễ cây, nơi diễn ra các quá trình sinh hóa phức tạp do sự tương tác giữa rễ cây và cộng đồng vi sinh vật. Các chất bài tiết từ rễ (root exudates) gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ ảnh hưởng đến sự phát triển và hoạt động của vi sinh vật, từ đó điều chỉnh quá trình chuyển hóa dinh dưỡng và khả năng chịu hạn của cây.

2. Mô hình tác động của hạn hán đến hoạt động enzyme đất và sinh khối vi sinh vật: Hạn hán làm giảm độ ẩm đất, ảnh hưởng đến hoạt động enzyme như β-glucosidase và acid phosphatase, các enzyme quan trọng trong chu trình cacbon và photpho, đồng thời làm giảm sinh khối vi sinh vật, ảnh hưởng đến khả năng chuyển hóa dinh dưỡng trong đất.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Sinh khối vi sinh vật photpho (Microbial Biomass Phosphorus - MBP): lượng photpho tích lũy trong vi sinh vật đất, phản ánh hoạt động chuyển hóa photpho.
• Hoạt động enzyme β-glucosidase và acid phosphatase: chỉ số đánh giá hoạt động chuyển hóa cacbon và photpho trong đất.
• Độ ẩm đất (Water Holding Capacity - WHC): tỷ lệ nước giữ lại trong đất, được điều chỉnh để mô phỏng điều kiện hạn hán (25-30% WHC) và điều kiện tối ưu (60-65% WHC).
• Phân bón hữu cơ NPK: hỗn hợp nitơ (N), photpho (P), kali (K) dùng để bổ sung dinh dưỡng cho cây và vi sinh vật đất.

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, Thái Bình. Đất được xử lý, sàng lọc và điều chỉnh độ ẩm theo hai mức: 60% WHC (điều kiện tối ưu) và 25-30% WHC (điều kiện hạn hán).

Hạt giống đậu tương DT96, có khả năng chịu hạn, được xử lý khử trùng và gieo trong hộp rhizobox với 4 nhóm xử lý: có phân bón và không phân bón, trong điều kiện tối ưu và hạn hán, mỗi nhóm 3 lần lặp lại (tổng 12 mẫu). Phân bón hữu cơ NPK được bổ sung 3 ngày sau khi gieo.

Các chỉ số được đo gồm:

• Sinh khối vi sinh vật photpho (MBP) bằng phương pháp khử trùng chloroform và màng trao đổi anion (AEM).
• Hoạt động enzyme β-glucosidase và acid phosphatase bằng phương pháp huỳnh quang với cơ chất đặc hiệu.
• Chiều dài rễ và thân cây bằng thước dây sau 1.5 tháng thí nghiệm.

Dữ liệu được phân tích thống kê bằng phương pháp ANOVA và kiểm định Tukey để xác định ý nghĩa khác biệt giữa các nhóm xử lý với mức ý nghĩa p < 0.05.

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 không có xu hướng rõ rệt. Mưa tập trung chủ yếu vào mùa mưa (tháng 5-10) chiếm 84% tổng lượng mưa năm, mùa khô (tháng 11-4) có lượng mưa rất thấp, dưới 50 mm/tháng.

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 (20.56 μg P/g đất). Việc bổ sung phân bón NPK làm tăng MBP lên gần 30% (18.53 μg P/g đất) so với nhóm không bón phân trong điều kiện hạn hán.

3. Hoạt động enzyme β-glucosidase và acid phosphatase:

• Hoạt động β-glucosidase không thay đổi đáng kể giữa điều kiện hạn hán và tối ưu, nhưng bị giảm đáng kể khi bón phân NPK (giảm khoảng 50% so với nhóm không bón phân).
• Hoạt động acid phosphatase giảm khoảng 35% dưới hạn hán khi có bón phân (59.95 so với 90.42 nmol MUF/g đất/giờ), trong khi không có sự khác biệt rõ rệt giữa hạn hán và tối ưu ở nhóm không bón phân.

4. Đặc điểm sinh trưởng của đậu tương: Hạn hán làm giảm đáng kể chiều dài thân cây, chỉ còn khoảng một nửa so với điều kiện tối ưu, trong khi chiều dài rễ không bị ảnh hưởng hoặc thậm chí có xu hướng tăng nhẹ, cho thấy cây ưu tiên phát triển rễ để tìm nước. Bón phân NPK không làm thay đổi đáng kể chiều dài rễ và thân cây trong cả hai điều kiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hạn hán làm giảm mạnh hoạt động vi sinh vật trong vùng rễ, đặc biệt là sinh khối vi sinh vật photpho, do hạn chế độ ẩm và sự vận chuyển chất dinh dưỡng trong đất. Việc bổ sung phân bón NPK giúp cải thiện sinh khối vi sinh vật bằng cách cung cấp dinh dưỡng bổ sung, giảm thiểu sự thiếu hụt do hạn hán gây ra. Tuy nhiên, hoạt động enzyme β-glucosidase giảm khi bón phân có thể do sự thay đổi cân bằng vi sinh vật 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 cơ chế thích nghi của cây đậu tương nhằm tăng khả năng hút nước trong điều kiện khô hạn, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Việc bón phân không làm tăng chiều dài thân hoặc rễ có thể do cây đã đạt ngưỡng dinh dưỡng cần thiết hoặc do khả năng cố định đạm của đậu tương làm giảm nhu cầu bổ sung N từ phân bón.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh MBP và hoạt động enzyme giữa các nhóm xử lý, 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 hợp lý nhằm cải thiện sinh khối vi sinh vật và khả năng chuyển hóa dinh dưỡng trong đất, đặc biệt trong mùa khô hạn, với mục tiêu tăng MBP ít nhất 20% trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý nông nghiệp và nông dân.

2. Phát triển và áp dụng kỹ thuật quản lý nước hiệu quả như tưới tiết kiệm, giữ ẩm đất để duy trì độ ẩm đất ở mức tối ưu (60% WHC) trong giai đoạn sinh trưởng quan trọng của đậu tương, giảm thiểu tác động hạn hán trong vòng 5 năm. Chủ thể thực hiện: nông dân, doanh nghiệp công nghệ nông nghiệp.

3. Nghiên cứu và phát triển giống đậu tương chịu hạn kết hợp với quản lý dinh dưỡng phù hợp, nhằm tăng khả năng thích nghi với điều kiện khô hạn tại vùng đồng bằng sông Hồng trong 5-7 năm tới. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học.

4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cho nông dân về tác động của hạn hán và cách sử dụng phân bón hợp lý, tránh lạm dụng phân bón gây ô nhiễm môi trường và giảm hiệu quả cây trồng, thực hiện thường xuyên hàng năm. Chủ thể thực hiện: các tổ chức khuyến nông, 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. Cơ quan quản lý nông nghiệp và chính sách công: Thông tin về tác động của biến đổi khí hậu và giải pháp ứng phó giúp xây dựng chính sách hỗ trợ nông dân và phát triển nông nghiệp thích ứng với biến đổi khí hậu.

3. Nông dân và doanh nghiệp nông nghiệp: Hướng dẫn thực tiễn về quản lý đất, nước và dinh dưỡng cây trồng trong điều kiện hạn hán, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất đậu tương.

4. Tổ chức phi chính phủ và các dự án phát triển nông nghiệp bền vững: Cơ sở khoa học để thiết kế các chương trình hỗ trợ kỹ thuật, đào tạo và chuyển giao công nghệ phù hợp với điều kiện địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạn hán ảnh hưởng như thế nào đến vi sinh vật trong đất?
   Hạn hán làm giảm độ ẩm đất, làm giảm sinh khối vi sinh vật photpho và hoạt động enzyme quan trọng như acid phosphatase, từ đó ảnh hưởng đến khả năng chuyển hóa dinh dưỡng và sức khỏe đất.

2. Phân bón NPK có giúp cây đậu tương chịu hạn tốt hơn không?
   Phân bón NPK giúp tăng sinh khối vi sinh vật và cải thiện chuyển hóa dinh dưỡng trong đất dưới điều kiện hạn hán, tuy nhiên không làm tăng đáng kể chiều dài rễ và thân cây trong giai đoạn nghiên cứu.

3. Tại sao chiều dài rễ không giảm dưới hạn hán?
   Cây đậu tương ưu tiên phát triển rễ để tăng khả năng hút nước khi bị hạn hán, đây là cơ chế thích nghi giúp cây tồn tại trong điều kiện khô hạn.

4. Có nên sử dụng phân bón hóa học thay cho phân bón hữu cơ trong điều kiện hạn hán?
   Phân bón hữu cơ được khuyến khích vì cải thiện cấu trúc đất và hoạt động vi sinh vật, trong khi phân bón hóa học có thể gây ô nhiễm và không bền vững nếu sử dụng quá mức.

5. Làm thế nào để duy trì độ ẩm đất phù hợp cho cây đậu tương trong mùa khô?
   Áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm, phủ đất, và quản lý đất hợp lý giúp giữ ẩm đất, giảm thiểu tác động của hạn hán và duy trì điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây.

Kết luận

• Biến đổi khí hậu đã làm tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối tại Thái Bình, gây ra nguy cơ hạn hán nghiêm trọng cho sản xuất đậu tương.
• Hạn hán làm giảm mạnh sinh khối vi sinh vật photpho và hoạt động enzyme acid phosphatase trong vùng rễ, ảnh hưởng tiêu cực đến chuyển hóa dinh dưỡng đất.
• Bón phân hữu cơ NPK giúp cải thiện sinh khối vi sinh vật và giảm thiểu tác động hạn hán, nhưng không làm tăng đáng kể chiều dài rễ và thân cây trong giai đoạn nghiên cứu.
• Cây đậu tương thích nghi với hạn hán bằng cách duy trì hoặc tăng trưởng chiều dài rễ, ưu tiên hút nước trong điều kiện khô hạn.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng phân bón hợp lý và quản lý nước nhằm phát triển nông nghiệp bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu tại vùng đồng bằng sông Hồng.

Khuyến khích triển khai các giải pháp quản lý dinh dưỡng và nước dựa trên kết quả nghiên cứu, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các giai đoạn sinh trưởng khác và các giống đậu tương chịu hạn mới. Các nhà quản lý và nông dân nên áp dụng các khuyến nghị để nâng cao năng suất và khả năng chống chịu của cây trồng trước biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIENAM JAPAN UNIVERSITY _______________ NGUYEN BICH NGOC INVESTIGATION OF DROUGHT EFFECTS ON PLANT GROWTH AND RHIZOSPHERE MICROBIOTA IN SOYBEAN UNDER CLIMATE CHANGE CONTEXT MASTER'S THESIS VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIENAM JAPAN UNIVERSITY _______________ NGUYEN BICH NGOC INVESTIGATION OF DROUGHT EFFECTS ON PLANT GROWTH AND RHIZOSPHERE MICROBIOTA IN SOYBEAN UNDER CLIMATE CHANGE CONTEXT MAJOR: CLIMATE CHANGE AND DEVELOPMENT CODE: RESEARCH SUPERVISORS: 1. HOANG THI THU DUYEN 3. KHUONG THI THU HUONG Hanoi, 2022 PLEDGE I assure that this thesis is original and has not been published. The use of results of other research and other documents must comply with regulations.

The citations and references to documents, books, research papers, and websites must be in the list of references of the thesis. I have read and understood the plagiarism violations. I pledge with personal honor that this research result is my own and does not violate the Regulation on prevention of plagiarism in academic and scientific research activities at VNU Vietnam Japan University (Issued together with Decision No 700/QD-ĐHVN dated 30/9/2021 by the Rector of Vietnam Japan University). Author of the thesis Nguyen Bich Ngoc ACKNOWLEDGEMENT Overall, I would like to thank my friends, the lecturers and staff at the MCCD-VJU- VNU, for this higher education experience, leading to the completion of this thesis.

My appreciation also goes to my two highly dedicated supervisors, Dr. Khuong Thi Thu Huong and especially Dr. Hoang Thi Thu Duyen, for their immense support in every way possible during my time doing this thesis, from formulating the research questions and methodology, collecting soil and seed samples, setting up the experiment, to processing and analysing data. I would like to acknowledge those who have helped me with the experiment process when I couldn’t be present at the laboratory, as well as MCCD lecturers and the reviewers of my thesis for their advice and constructive feedback.

My thesis was sponsored by the NAFOSTED research project titled “Assessment on microbial enzyme distribution and pH zoning in the rhizosphere, identifying the mechanism of carbon and nutrient metabolism in the rhizosphere under drought conditions– Code: 105. The thesis also used materials provided by project number KCB-TS.06 of the program KCB-TS under collaboration between the Soil and Fertilizers Research Institute and Centre of Marine Environmental Monitoring and Analysis. This has been quite a journey that I would have messily suffered through without the from-strangers-to-friends I have made along the way out of the sensei-gata and my schoolmates. Therefore, my genuine words of affection are directed at them, for making my time here in VJU more than just an academic experience, and for making me a better person in life by casually lending me sympathetic ears and putting up with my episodes.

Finally, I dedicate this thesis to my family, though it is highly unlikely that they would ever come to know about its existence. For mom and dad; although it was not all pretty, they tried their best. My sincerest gratitude goes to all of the above-mentioned. And to myself, a struggling student coming from a social background to storm into all of this, a pat well done! TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES.

i LIST OF FIGURES. ii LIST OF ABBREVIATIONS. iii CHAPTER 1 INTRODUCTION. Climate change, drought, and food security linkage in the world and Red River Delta, Viet Nam.

Impact of drought on soil microbial activities and plant growth. Plant nutrient demands and impacts of NPK fertilisers on soil microbial activities and plant growth. Necessity of the research: Filling the scientific knowledge gap. Research questions and hypotheses.

Research object and scope. Research conceptual framework.12 CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODOLOGIES. Trend analysis of hydro-meteorological data. Experiment design of drought and NPK fertiliser on soybean plant and soil samples.

Measurements and analyses .20 CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION. Weather and climate change in Thai Binh province, Red River Delta, Viet Nam. Drought and NPK fertiliser impacts rhizosphere microbial activities. Microbial biomass phosphorus.

Enzyme activities of β-glucosidase and acid phosphatase. Relationship between microbial biomass and enzyme activities. Soybean growth characteristics change under drought effects and addition of NPK fertiliser .41 CHAPTER 4 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS .56 LIST OF TABLES Table 1. Research questions and hypotheses.

Properties of the collected soil samples. Parameters of interest and their respective methodology of measurement. Monthly average temperature, total precipitation and relative humidity in Thai Binh province, from 2010 to 2021. Annual average temperature, total precipitation and average humidity in Thai Binh province, from 2010 to 2021.

Monthly average temperature, total precipitation and relative humidity in Thai Binh province in 2021. Change in average temperature (T) and total precipitation (R) in 61 years from 1958 to 2018 in Northern Delta by the season. Research questions and hypotheses, compared with findings .44 i LIST OF FIGURES Figure 1. Morphological, anatomical, physiological, biochemical, and molecular responses of plants to drought stress.

Schematic representation of the impact of drought stress on microbial communities and activities. Research conceptual framework. Soil sampling location. Illustration of the experiment design.

Average monitored WHC of samples under drought treatment. Monthly average temperature & total precipitation in Thai Binh province, 2010-2021. Monthly average temperature & total precipitation in Thai Binh province in 2021. Annual average temperature in Thai Binh province,.

Annual total precipitation in Thai Binh province, 2010-2021. Annual average relative humidity in Thai Binh province, 2010-2021. Change in annual average temperature and total precipitation across Viet Nam, 1958-2018. Change in the number of hot days under RCP4.

Change in the number of hot days under RCP8. Change in the number of drought months during dry season at the end of 21st century. Mean Microbial biomass phosphorus under optimal and drought condition, with and without addition of fertiliser. β-glucosidase enzyme activity under optimal and drought condition, with and without addition of fertiliser.

Acid phosphatase enzyme activity under optimal and drought condition, with and without addition of fertiliser. Flow diagram of a simple enzyme-based decomposition model. Microbial biomass phosphorus and Acid phosphatase enzyme activity under optimal and drought condition, with and without addition of fertiliser. Mean Root/Shoot length under optimal and drought condition, with and without addition of fertiliser.42 ii LIST OF ABBREVIATIONS AEM Anion exchange membrane AP Acid phosphatase C Carbon GLU β-glucosidase IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change K Potassium MONRE Ministry of Natural Resources and Environment MRD Mekong River Delta N Nitrogen OC Organic Carbon P Phosphorus RCP Representative Concentration Pathway RRD Red River Delta WHC Water holding capacity iii CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.

Climate change, drought, and food security linkage in the world and Red River Delta, Viet Nam It has been now widely acknowledged that negative environmental change, including human-induced climate change, is one of the most alarming development issues modern humans have faced, both a crisis and a crisis multiplier itself (UNSC, 2021). According to Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2021) in their latest 6th Assessment reports (AR6), the global surface temperature in the recent decade of 2011-2020 has risen by nearly 1.1oC compared to the pre-industrial level (1850-1900). While climate change is by now should be a fact, the link between climate change and natural disasters was, for a while, a complicated matter; yet this human-induced climate change has arguably caused many weather and climate extremes such as heatwaves, heavy precipitation, droughts, and typhoons, around the world (IPCC, 2021, 2022). As climate change continues to exacerbate, these natural hazards are predicted to be more frequent and intense.

Since water is unquestionably vital for plant growth (Lambers & Oliveira, 2019), drought, made more frequent and severe by human-induced climate change, is one of the major individual abiotic stresses that severely affect the distribution and productivity of crop plants (P. IPCC Special Report on Climate Change and Land (2019) warned against increasing aridity of land areas resulting in desertification along with land degradation due to climate change; this was reaffirmed by the IPCC’s 6th Assessment Reports, for example of WGII on Impacts, Adaptation, and Vulnerability (2022). The projected decline in soil moisture under all emissions scenarios (IPCC, 2021) can further enhance aridity through land surface temperature-relative humidity-precipitatio feedbacks. Increasing temperature alone can enhance the evapotranspiration process of land surface and depletion of soil moisture; coupled with the change in precipitation and precipitation variability, they result in water stress for plants in decreases in crop 1 yield (IPCC, 2019, 2021, 2022).

Regarding this, IPCC (2019, 2022) reported that the tropics and subtropics regions like Sub-Saharan Africa, Southeast Asia, and Central and South America would be particularly vulnerable. This decline in agricultural land and crop yield in turn impacts the livelihood of farmers and both regional and global food security in general, in terms of availability alone, to feed the ever expanding human population (FAO, 2017, 2018; IPCC, 2019, 2022; Turral et al. Amid these global changes, farmers must make agronomic improvements to increase productivity and cope with the negative impacts of climate change. Viet Nam is one of the countries highly vulnerable to climate change (MONRE, 2008, 2021a) with a significant agricultural sector that is inherently sensitive to climate change regardless of rainfed or irrigated cultivation (MONRE; 2021a).

Specifically, the two low-lying sub-regions of Mekong River Delta (MRD) and Red River Delta (RRD) serving as the two main agricultural fields in Viet Nam (GSO, 2021) are considered to the be two most vulnerable sub-regions to climate change (MONRE, 2021a). Red River Delta of Viet Nam is located in a sub-tropical monsoon region with 2 distinct seasons: rainy season from May to October and dry season from November to April (MONRE, 2021a). In the latest report on Climate change scenarios for Viet Nam by (MONRE, 2021b), the average temperature has increased by 0.89oC in the 1958- 2018 period, and specifically by 0.74oC in the period after Doi Moi from 1986 to 2018. While climate change scenarios for Viet Nam (MONRE, 2021b) suggested increases in both annual average temperature and precipitation for both sub-regions, they also projected greater intra- and inter-annual variability, leading to increased risks in both unlikely floods and drought.

Notably, the report also indicated the increase in the number of drought months in Northern Viet Nam, with the highest increase in the Northern Delta. Thai Binh province delta was established from sedimentation the of Hong-Thai Binh province river basin thousands of years ago. This basin also pra ovides major source of irrigation water for Thai Binh delta. However, recent studies such as Cuong, et al.

(2019) and Nong et al. (2021) warned about drought manifestation as a result of climate change in this delta. Thai Binh province is a coastal 2 province belonging to the Red River Delta, wan ith annual average temperature at 24±0.5⁰C, total precipitation at 1600±100mm, and average relative humidity at 85±1% (analysis from hydro-meteorological data retrieved from Thai Binh province weather station, Northern Delta hydro-meteorological station. Among the crops, soybean can be considered a major multi-purpose short-term crop plant around the world and in Viet Nam as well, aside from rice and maize.

Beyond being a primary and economical source of vegetable protein and oil for human consumption, its usage also extends to the energy sector as biofuel and to livestock and aquaculture as feed. Furthermore, soybean is also known for its ability to improve soil quality (Phạm Thị Xuân et al. Soybean is widely grown across every sub- region in Viet Nam due toitse suitability to environmental conditions (Viet Nam Academy of Agriculture Sciences, 2009), especially in RRD (IAS, 2019). Winter- spring season in the Red Red River delta, however, collides with the dry season when droughts usually happen (Cuong et al., 2019; DCSVN, 2014; Kim Nhuệ, 2017; Lan et al., 2015; Overland, 2010; Tien Phong, 2017; UNW-DPC, 2014); yet soybean is susceptible to drought stress (Basal & Szabó, 2020; Wei et al., 2018), particularly during vegetative and reproductive stages (Kunert et al.