Tổng quan luận án

Tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu đang gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan, làm thay đổi chế độ mưa và nhiệt độ, dẫn tới sự thiếu hụt nghiêm trọng nguồn nước ngọt phục vụ sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Dọc theo hơn 3.000 km bờ biển với các vùng đồng bằng châu thổ và duyên hải, quá trình xâm nhập mặn diễn ra sâu vào nội đồng, đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực và sinh kế của người dân. Điển hình tại khu vực Nam Trung Bộ, dung tích trữ của các hồ chứa thủy lợi từ Đà Nẵng đến Phú Yên chỉ đạt 60–80% dung tích thiết kế, trong khi các tỉnh Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận chỉ đạt 30–50% dung tích thiết kế; dự kiến có khoảng 40.000 ha đất lúa phải dừng sản xuất (Khánh Hòa 10.000 ha, Ninh Thuận 10.000 ha, Bình Thuận 20.000 ha). Riêng tại huyện Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận, giai đoạn 2014–2016 đã phải ngưng gieo trồng khoảng 12.500 ha lúa.

Trước bối cảnh khan hiếm nước ngọt, chủ trương tái cơ cấu ngành nông nghiệp và thủy lợi của Chính phủ đặt ra yêu cầu chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ lúa nước sang các loại cây trồng cạn tiêu thụ ít nước, đồng thời tìm kiếm các giải pháp khai thác nguồn nước phi truyền thống. Nguồn nước mặt và nước ngầm tại vùng ven biển tuy dồi dào nhưng thường bị nhiễm mặn ở các mức độ khác nhau. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là làm rõ cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng trực tiếp nguồn nước nhiễm mặn để tưới cho cây trồng cạn thông qua kỹ thuật tưới tiết kiệm (tưới nhỏ giọt), nhằm giảm áp lực lên nguồn nước ngọt mà không làm suy thoái môi trường đất canh tác.

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định cơ sở khoa học của 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 ở những nơi nguồn nước ngọt hạn chế và nguồn nước nhiễm mặn phong phú.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm giống đậu tương ĐT84 và giống ngô LVN10 canh tác trên đất phù sa trung tính ven biển (thành phần cơ giới cát pha đến thịt nhẹ) thuộc đồng bằng sông Hồng. Nguồn nước tưới thí nghiệm được lấy từ sông Vạc, xử lý thành 3 mức độ mặn: công thức 1 (CT1: độ mặn < 1‰, tương ứng nước đạt tiêu chuẩn nước tưới nông nghiệp, làm đối chứng), công thức 2 (CT2: độ mặn 1–2‰, trung bình 2‰, ECiw = 2,8 dS/m) và công thức 3 (CT3: độ mặn 2–3‰, trung bình 3‰, ECiw = 4,3 dS/m). Kỹ thuật tưới áp dụng xuyên suốt là phương pháp tưới nhỏ giọt.

Phạm vi nghiên cứu về không gian được thực hiện tại xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình – vị trí đại diện cho vùng sinh thái chuyển tiếp ven biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ. Về thời gian, nghiên cứu được triển khai qua 6 vụ gieo trồng trong 2 năm 2012 và 2013 (gồm 2 vụ xuân, 2 vụ mùa và 2 vụ đông). Do hai vụ mùa có lượng mưa tự nhiên lớn nên không phát sinh nhu cầu tưới nước nhiễm mặn; số liệu phân tích và đánh giá của luận án tập trung vào 4 vụ tưới thực tế: vụ xuân 2012, vụ đông 2012, vụ xuân 2013 và vụ đông 2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các công trình nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn sử dụng nước nhiễm mặn trong nông nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam:

Trên phạm vi quốc tế:

  • Tại Hoa Kỳ, việc sử dụng nước mặn để tưới đã được áp dụng tại thung lũng sông Arkansas (Colorado), Arizona, New Mexico và phía Tây Texas. Tại thung lũng Pecos (Tây Texas), nguồn nước có tổng lượng muối tan 2.500–6.000 mg/l (EC lên đến 8 dS/m) được sử dụng để tưới cho hơn 81.000 ha bông, lúa miến và cỏ chăn thả bằng các kỹ thuật tưới rãnh cách hàng, gạt đỉnh luống loại bỏ váng muối, tưới phun mưa ban đêm và tưới nhỏ giọt.
  • Tại Israel, nguồn nước ngầm có độ mặn EC 2–8 dS/m (1.200–5.600 mg/l) được sử dụng rộng rãi nhờ hệ thống chuyển tải quốc gia để hòa loãng và áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt kết hợp bón thạch cao ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$). Tại Nahal Oz, bông được tưới bằng nước ngầm có EC = 5 dS/m và SAR = 26 trên đất pha limon.
  • Tại Tunisia, nước sông Medjerda có độ mặn trung bình EC = 3,0 dS/m được sử dụng tưới cho chà là, lúa miến, đại mạch trên đất sét nặng chứa đến 35% $CaCO_3$. Báo cáo của Trung tâm CRUESI phối hợp cùng UNESCO/UNDP (1970) kết luận rằng thành phần hóa học đất ổn định sau khoảng 4 năm tưới nếu kiểm soát tốt kỹ thuật canh tác và tận dụng mưa mùa đông để rửa mặn.
  • Tại Ấn Độ, Gupta và Pahwa (1981), Pal (1984), Jain (1984) ghi nhận việc sử dụng nước ngầm mặn có EC lên đến 8 dS/m tại bang Haryana từ năm 1975 để tưới cho lúa mì, đại mạch nhờ cơ chế rửa mặn theo mùa của lượng mưa gió mùa (300–1.100 mm).
  • Tại Ai Cập, chính sách quốc gia sử dụng khoảng 4,7 tỷ $m^3$/năm nước tiêu nông nghiệp (độ mặn 2–4,5 dS/m) pha trộn với nước sông Nile hoặc tưới luân phiên cho hơn 10.000 ha tại các tỉnh Bhcin, Kafr-El-Sheikh, Damietta, Fayoum và ốc đảo Siwa.

Tại Việt Nam:

  • Chu Đình Hoàng và Lê Quang Vinh (1994) nghiên cứu dùng nước mặn rửa phèn và tưới lúa NN3A trên đất phèn Nam Bộ, xác định nồng độ muối cho phép giai đoạn mạ không quá 2 g/l và giai đoạn lúa sạ sau 15–20 ngày là dưới 4 g/l khi tưới xen kẽ.
  • Sái Hồng Dương và Phạm Văn Đông (2012) nghiên cứu ảnh hưởng của độ mặn nước tưới (1–4‰) đến cây lạc vụ xuân tại Hải Hậu (Nam Định) bằng phương pháp tưới rãnh, chỉ ra nước tưới có độ mặn < 2‰ ít ảnh hưởng đến năng suất.
  • Bùi Thế Khuynh và cộng sự (2013) khảo sát phản ứng của các giống lạc với độ mặn nhân tạo 2‰ và 4‰ trong điều kiện nhà lưới tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam, cho thấy độ mặn làm giảm chiều cao thân chính, chất khô và hàm lượng proline trong lá.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: Trước đây, các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào việc tuyển chọn giống cây chịu mặn hoặc sử dụng phương pháp tưới rãnh, tưới ngập truyền thống. Luận án đi sâu nghiên cứu ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt – kỹ thuật đưa nước trực tiếp vào vùng rễ tích cực – kết hợp với nguồn nước nhiễm mặn có kiểm soát nồng độ (2‰ và 3‰) trên hai đối tượng cây trồng cạn phổ biến là ngô và đậu tương tại dải đất phù sa ven biển phía Bắc, đồng thời theo dõi định lượng sự tích lũy ion và diễn biến tính chất lý, hóa học của đất qua nhiều vụ canh tác liên tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Đặc điểm hóa học nguồn nước ven biển: Nguồn nước vùng cửa sông ven biển chứa hàm lượng muối $NaCl$ cao nhưng đồng thời rất giàu các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng như Bo (B), Molipden (Mo), Iot (I). Molipden là thành phần quan trọng đối với hoạt động cố định đạm của vi khuẩn cộng sinh Rhizobium ở cây họ đậu, còn Bo cần thiết cho quá trình thụ phấn, ra hoa kết quả.
Nguyên tố vi lượng hòa tan Nước sông ($\mu g/l$) Nước biển ($\mu g/l$)
$B(OH)_3, B(OH)_4^-$ 10 4.600
$MoO_4^{2-}$ 0,5 10
$I^-, IO_3^-$ 7 60
$Co^{2+}$ 0,2 0,05
$SO_4^{2-}$ 11.200 2.650.000
  • Lý thuyết hấp phụ và trao đổi cation: Quá trình trao đổi cation tuân theo cân bằng Donnan tại lớp điện kép của phức hệ hấp phụ đất (Bole et al.). Mức độ liên kết của các cation với keo đất tỷ lệ nghịch với năng lượng hydrat hóa: $Na^+ < K^+ < Mg^{2+} < Ca^{2+} < Al^{3+}$. Cation $Na^+$ có bán kính ion sau hydrat hóa lớn, lực liên kết yếu nhất nên chủ yếu tồn tại tự do trong dung dịch đất và dễ dàng bị rửa trôi.
  • Tỷ số hấp phụ Natri (SAR): Mức độ nguy hại của $Na^+$ trong đất và nước được xác định qua công thức: $$SAR = \frac{[Na^+]}{\sqrt{\frac{[Ca^{2+}] + [Mg^{2+}]}{2}}}$$
  • Sinh lý chịu mặn và bốc thoát hơi nước: Luận án vận dụng mô hình bốc thoát hơi nước và mối quan hệ giữa thiếu hụt nước tương đối với suy giảm năng suất cây trồng theo Karlberg (2005), Kahlaoui và cộng sự (2011), Maas (1977) và Bernstein (1964).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Bố trí thí nghiệm đồng ruộng: Thí nghiệm được thiết kế theo khối ngẫu nhiên trên các ô đất thực nghiệm tại xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình. Bố trí 3 công thức độ mặn:
    • CT1 (Đối chứng): Nước sông Vạc có độ mặn tự nhiên < 1‰.
    • CT2: Nước pha muối đạt nồng độ 1–2‰ (trung bình 2‰, tương đương $EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$).
    • CT3: Nước pha muối đạt nồng độ 2–3‰ (trung bình 3‰, tương đương $EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$).
  • Hệ thống tưới và kiểm soát độ ẩm: Sử dụng mạng lưới đường ống tưới nhỏ giọt với các đầu tưới định lượng. Độ ẩm đất được giám sát liên tục bằng thiết bị Tensiometer đặt tại tầng rễ 0–30 cm, duy trì áp lực kế ẩm đất trong ngưỡng thế nước tối ưu quanh độ ẩm đồng ruộng ($\Psi_m = -10\text{ kPa}$ đến $-25\text{ kPa}$ / $-50\text{ kPa}$).
  • Thu thập và phân tích mẫu:
    • Chỉ tiêu cây trồng: Chiều cao thân, số lá, chỉ số diện tích lá (LAI), thời gian sinh trưởng, các yếu tố cấu thành năng suất (số bắp/cây, số hàng hạt/bắp, số hạt/hàng, số quả chắc/cây, trọng lượng 1.000 hạt) và năng suất thực thu (hạt khô, sinh khối chất khô).
    • Chỉ tiêu lý học đất: Thành phần cơ giới (phương pháp ống hút Robinson), dung trọng (phương pháp ống đai), tỷ trọng (bình Picnometer), độ xốp, độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, hệ số thấm ($K_t$).
    • Chỉ tiêu hóa học đất: pH ($pH_{H_2O}$ đo bằng máy đo pH), độ dẫn điện dịch chiết bão hòa (EC đo bằng Conductometer), chất hữu cơ tổng số và mùn (Walkley-Black), đạm tổng số (Kjeldahl), lân tổng số (so màu Photomet), kali tổng số (quang kế ngọn lửa), cation trao đổi $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ (chuẩn độ EDTA), $Na^+, K^+$ trao đổi (quang kế ngọn lửa Flame Photometer), dung tích hấp thu (CEC), tổng muối tan (phương pháp khối lượng), ion $Cl^-$ (chuẩn độ bạc nitrat $AgNO_3$), $SO_4^{2-}$ (kết tủa $BaSO_4$).
  • Xử lý số liệu và phân tích thống kê: Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng các hàm thống kê trong Microsoft Excel; kiểm định sai khác giữa các công thức thông qua tiêu chuẩn Student ($t\text{-Test}$), phân tích tương quan và hồi quy tuyến tính/phi tuyến.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu xác lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh hạn hán, xâm nhập mặn ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu tại vùng duyên hải Việt Nam. Tác giả trình bày mục tiêu, đối tượng nghiên cứu (ngô LVN10, đậu tương ĐT84), phạm vi không gian (Kim Sơn, Ninh Bình) và thời gian (2012–2013), các phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án.

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

Chương này hệ thống hóa các đặc điểm thủy văn, thành phần hóa học của nguồn nước ven biển; phân loại nước mặn theo tiêu chuẩn của FAO (Tài liệu Tưới tiêu số 48) với các ngưỡng phân định từ nước ngọt ($EC < 0,7\text{ dS/m}$), nước lợ ($EC = 0,7–3,0\text{ dS/m}$), nước mặn nhẹ ($EC = 3,0–6,0\text{ dS/m}$) đến nước mặn ($EC > 6,0\text{ dS/m}$). Tác giả phân tích kinh nghiệm quốc tế tại Hoa Kỳ, Israel, Tunisia, Ấn Độ, Ai Cập và các nghiên cứu bước đầu tại Việt Nam. Về mặt lý thuyết, chương tổng quan làm rõ cơ chế Donnan trong trao đổi ion đất, tính linh động và khả năng rửa trôi của cation $Na^+$, phản ứng sinh lý của màng tế bào thực vật khi chịu stress mặn, vai trò của các nguyên tố Bo, Mo, I trong nước mặn, cũng như cơ sở của công nghệ tưới nhỏ giọt nhằm duy trì thế nước đất cao để hạn chế cây hấp thu muối.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên tại địa bàn thí nghiệm (xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình) với đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển, lượng mưa hàng năm lớn tập trung từ tháng 5 đến tháng 10. Tác giả trình bày đặc tính lý hóa ban đầu của đất thí nghiệm (đất phù sa ven biển, thành phần cơ giới cát pha đến thịt nhẹ, $pH_{H_2O} \approx 7,4$, $EC \approx 1,1–1,2\text{ mS/cm}$), thiết kế sơ đồ bố trí ô thí nghiệm, cấu tạo hệ thống tưới nhỏ giọt, nguyên lý vận hành thiết bị đo áp lực ẩm đất Tensiometer, đặc tính nông học của hai giống cây trồng thí nghiệm (ngô lai LVN10 và đậu tương ĐT84), quy trình lấy mẫu đất, nước, cây trồng và phương pháp xử lý số liệu bằng kiểm định thống kê sinh học.

Chương 3: Các kết quả nghiên cứu và thảo luận

1. Chế độ mưa và lượng nước tưới thực nghiệm

Lượng mưa trong các vụ xuân và vụ đông có sự biến động lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến số lần và định mức tưới cho cây trồng. Khi duy trì áp lực ẩm đất quanh độ ẩm đồng ruộng ($\Psi_m = -10\text{ kPa}$ đến $-25\text{ kPa}$ / $-50\text{ kPa}$) bằng kỹ thuật tưới nhỏ giọt, lượng nước tưới giữa các công thức mặn không có sự khác biệt:

  • Đối với cây ngô:
    • Vụ xuân: Tổng lượng nước tưới đạt $1.436\text{ m}^3\text{/ha}$ với số lần tưới từ 13 đến 14 lần.
    • Vụ đông: Tổng lượng nước tưới từ $755$ đến $873\text{ m}^3\text{/ha}$ với số lần tưới từ 5 đến 9 lần.
  • Đối với cây đậu tương:
    • Vụ xuân: Tổng lượng nước tưới từ $1.087$ đến $1.142\text{ m}^3\text{/ha}$ với số lần tưới từ 10 đến 11 lần.
    • Vụ đông: Tổng lượng nước tưới từ $685$ đến $707\text{ m}^3\text{/ha}$ với số lần tưới từ 5 đến 7 lần.

2. Ảnh hưởng của nước tưới nhiễm mặn đến sinh trưởng và năng suất

Qua 4 vụ thí nghiệm (Xuân 2012, Đông 2012, Xuân 2013, Đông 2013), phản ứng của ngô LVN10 và đậu tương ĐT84 được ghi nhận như sau:

  • Ở công thức CT2 (độ mặn 2‰, ECiw = 2,8 dS/m): Chiều cao cây ngô và đậu tương có xu hướng giảm nhẹ so với đối chứng CT1, tuy nhiên qua kiểm định thống kê ($t\text{-Test}$), sự sai khác về năng suất hạt khô và năng suất chất khô là không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$).
  • Ở công thức CT3 (độ mặn 3‰, ECiw = 4,3 dS/m): Sự phát triển chiều cao, các chỉ tiêu cấu thành năng suất và năng suất thực thu của cả hai loại cây trồng đều suy giảm rõ rệt so với đối chứng CT1 ($p < 0,05$ và $p < 0,01$). Mức độ suy giảm năng suất được tổng hợp cụ thể:
Cây trồng Chỉ tiêu theo dõi Mức giảm ở vụ Xuân (%) Mức giảm ở vụ Đông (%)
Ngô LVN10 Năng suất hạt khô 9,71 9,57
Năng suất chất khô 9,79 9,39
Đậu tương ĐT84 Năng suất hạt khô 6,73 6,07
Năng suất chất khô 6,29 5,68

Kết quả so sánh chỉ ra rằng cây đậu tương ĐT84 có mức độ giảm năng suất thấp hơn rõ rệt so với cây ngô LVN10 khi tưới nước nhiễm mặn 3‰, chứng minh khả năng chống chịu mặn của đậu tương cao hơn ngô.

3. Ảnh hưởng của nước tưới nhiễm mặn đến tính chất lý, hóa học của đất

Các đợt phân tích mẫu đất lấy tại vùng rễ (độ sâu 0–30 cm) sau vụ thu hoạch thứ 1, vụ thứ 2 và vụ thứ 4 cho thấy:

  • Tính chất lý học: Tưới nước mặn 2‰ và 3‰ không làm thay đổi đáng kể thành phần cơ giới, dung trọng, tỷ trọng và độ xốp của đất. Chỉ tiêu hệ số thấm của đất ($K_t$) sau vụ thứ 4 có xu hướng giảm từ $15,2\text{ mm/ngày}$ (ở CT1) xuống $12,8\text{ mm/ngày}$ (ở CT2) và $11,8\text{ mm/ngày}$ (ở CT3) do ion $Na^+$ hydrat hóa mạnh làm giảm độ thấm nước của đất.
  • Tính chất hóa học:
    • Các chỉ tiêu độ phì cơ bản gồm hàm lượng chất hữu cơ (TOC: 1,71–1,78%), mùn (1,20–1,29%), đạm tổng số N (0,19–0,27%), lân tổng số P (0,03–0,07%), kali tổng số K (1,84–1,86%), độ chua trao đổi và dung tích hấp thu (CEC: 8,0–8,8 meq/100g đất) không bị thay đổi đáng kể qua các vụ tưới.
    • Các cation trao đổi $Ca^{2+}, Mg^{2+}, K^+$ biến động không đáng kể.
    • Độ dẫn điện của đất ($EC$) tăng mạnh theo độ mặn nước tưới: sau vụ thứ 4, EC đất tăng từ $1,1\text{ mS/cm}$ (ở CT1) lên $1,9\text{ mS/cm}$ (ở CT2) và $2,8\text{ mS/cm}$ (ở CT3) với mức ý nghĩa thống kê cao ($p < 0,001$).
    • Hàm lượng $Na^+$ trao đổi tăng nhẹ (từ 0,55 meq/100g đất ở CT1 lên 0,74 meq/100g đất ở CT2 và 0,81 meq/100g đất ở CT3) và tỷ số hấp phụ Natri (SAR tăng từ 0,25 lên 0,34–0,37). Tuy nhiên, kết quả kiểm định thống kê ($t\text{-Test}$) từ dữ liệu của cả 3 đợt phân tích khẳng định sự khác biệt về $Na^+$ trao đổi và chỉ số SAR giữa các công thức là không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$).

Sự tích lũy không đáng kể của $Na^+$ trao đổi và SAR trong đất được luận án lý giải do hai nguyên nhân: (1) Phương pháp tưới nhỏ giọt đưa lượng nước vừa đủ cục bộ quanh gốc, hạn chế dư thừa muối; (2) Điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm tại miền Bắc có lượng mưa hàng năm lớn tập trung vào mùa hè - thu đã rửa trôi nhanh chóng các cation $Na^+$ linh động (vốn có lực hấp phụ yếu) ra khỏi tầng đất canh tác.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Khẳng định tính khả thi của việc dùng nước mặn 2‰ để tưới: Luận án xác định có thể sử dụng nguồn nước nhiễm mặn có nồng độ 2‰ ($EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$) để tưới bằng phương pháp tưới nhỏ giọt cho cây ngô LVN10 và cây đậu tương ĐT84 trên đất phù sa ven biển Kim Sơn (Ninh Bình) mà không gây ảnh hưởng tiêu cực có ý nghĩa thống kê đến sinh trưởng, năng suất hạt khô và năng suất chất khô.
  2. Xác định giới hạn cho phép trong điều kiện thiếu nước nghiêm trọng: Tại các vùng ven biển Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và hải đảo, trong điều kiện hạn hán bất khả kháng, có thể sử dụng nước có độ mặn 3‰ ($EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$) để tưới nhỏ giọt cho ngô LVN10 và đậu tương ĐT84. Mức độ suy giảm năng suất thực thu được xác định ở mức chấp nhận được: năng suất ngô giảm dưới 10% (vụ xuân giảm 9,71%, vụ đông giảm 9,57%) và năng suất đậu tương giảm dưới 7% (vụ xuân giảm 6,73%, vụ đông giảm 6,07%).
  3. Làm rõ tính ổn định của môi trường đất: Chứng minh được việc tưới nước nhiễm mặn đến 3‰ bằng công nghệ tưới nhỏ giọt qua nhiều vụ liên tiếp không làm biến đổi tiêu cực các tính chất lý, hóa học cơ bản của đất phù sa ven biển; chỉ số SAR và hàm lượng $Na^+$ trao đổi không bị gia tăng đáng kể nhờ cơ chế tự rửa mặn của lượng mưa tự nhiên trong vùng nhiệt đới ẩm gió mùa.
  4. Xác lập chế độ tưới định lượng: Xác định cụ thể tổng lượng nước tưới và chu kỳ tưới cho ngô và đậu tương theo phương thức duy trì áp lực kế ẩm đất quanh độ ẩm đồng ruộng ($\Psi_m = -10\text{ kPa}$ đến $-25\text{ kPa}$ / $-50\text{ kPa}$).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề nghị chuyển đổi nhận thức, coi nguồn nước nhiễm mặn ở vùng ven biển là một dạng tài nguyên thiên nhiên có thể khai thác phục vụ sản xuất nông nghiệp trong điều kiện biến đổi khí hậu.
  • Khuyến nghị ứng dụng quy trình tưới nhỏ giọt với nước mặn nồng độ 2‰ cho ngô và đậu tương tại các dải đất ven biển Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ khi nguồn nước ngọt bị thiếu hụt.
  • Đề xuất mở rộng các nghiên cứu thực nghiệm đối với các loại cây trồng cạn có giá trị kinh tế khác (cây rau, cây ăn quả, cây công nghiệp ngắn ngày) tại các vùng ven biển thường xuyên khô hạn như Nam Trung Bộ.
  • Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu chi tiết về phân bố không gian độ ẩm và độ mặn trong khối đất ướt dưới vòi tưới nhỏ giọt, kết hợp các giải pháp bón phân cân đối (đặc biệt là phân hữu cơ, vôi, thạch cao) để nâng cao hiệu quả sử dụng nước nhiễm mặn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm chỉ giới hạn trên hai giống cây trồng cụ thể là ngô lai LVN10 và đậu tương ĐT84, chưa khảo sát đa dạng các bộ giống cây trồng cạn khác.
  • Địa bàn nghiên cứu tập trung tại một vị trí đại diện (xã Kim Chính, huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình) trên loại đất phù sa trung tính có thành phần cơ giới cát pha đến thịt nhẹ.
  • Thời gian nghiên cứu triển khai qua 6 vụ nhưng thực tế chỉ thực hiện tưới nước nhiễm mặn trong 4 vụ (2 vụ xuân, 2 vụ đông), do 2 vụ mùa có mưa lớn liên tục nên không phát sinh nhu cầu tưới mặn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thử nghiệm công nghệ tưới nhỏ giọt bằng nước nhiễm mặn trên các đối tượng cây trồng cạn có giá trị kinh tế cao khác (cây gia vị, cây ăn quả, hoa màu cao cấp).
  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm sang các vùng sinh thái ven biển có lượng mưa thấp và mùa khô kéo dài nghiêm trọng hơn, đặc biệt là vùng duyên hải Nam Trung Bộ (Ninh Thuận, Bình Thuận).
  • Nghiên cứu sâu hơn về quy luật di chuyển, phân bố độ mặn hai chiều và ba chiều trong tầng đất quanh đầu tưới nhỏ giọt, cũng như tương tác giữa nồng độ muối nước tưới với chế độ bón phân khoáng hòa tan qua hệ thống tưới (Fertigation).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo học thuật cho nhiều đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Tưới tiêu cho cây trồng, Thủy nông, Thổ nhưỡng học, Khoa học cây trồng và Nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu: Có thể tham khảo cơ sở lý thuyết về trao đổi cation Donnan, mô hình tương tác ion $Na^+ - Ca^{2+} - Mg^{2+}$, quy trình bố trí thí nghiệm đồng ruộng kiểm soát nồng độ mặn và phương pháp giám sát ẩm độ bằng Tensiometer.
  • Kỹ sư nông nghiệp và cán bộ khuyến nông: Tham khảo định mức tưới, số lần tưới thực tế và ngưỡng giới hạn độ mặn (2‰ và 3‰) để tư vấn cho người dân các giải pháp cứu hạn, duy trì sản xuất ngô và đậu tương trong mùa khô hạn hoặc khi cống ngăn mặn bị đóng.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách (Bộ Nông nghiệp và PTNT, Sở Nông nghiệp các tỉnh ven biển): Có thêm cơ sở khoa học để xây dựng chiến lược tái cơ cấu ngành trồng trọt vùng ven biển, chuyển đổi đất lúa kém hiệu quả sang cây trồng cạn và quy hoạch sử dụng nguồn nước lợ/nước nhiễm mặn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tưới nước nhiễm mặn 2‰ và 3‰ bằng công nghệ nhỏ giọt lại không làm đất bị mặn hóa và không làm tăng đáng kể chỉ số SAR qua 4 vụ canh tác?

Nguyên nhân chủ yếu do đặc tính lý hóa của ion $Na^+$ và điều kiện khí hậu vùng nghiên cứu. Về mặt hóa học, $Na^+$ là cation hóa trị 1 có mức độ hydrat hóa mạnh, bán kính ion hydrat hóa lớn nên lực liên kết với phức hệ hấp phụ của đất rất yếu (yếu nhất trong dãy $Na^+ < K^+ < Mg^{2+} < Ca^{2+} < Al^{3+}$). Phần lớn $Na^+$ tồn tại ở dạng tự do trong dung dịch đất. Về mặt kỹ thuật và tự nhiên, phương pháp tưới nhỏ giọt chỉ cung cấp lượng nước cục bộ quanh vùng rễ, kết hợp với lượng mưa trung bình hàng năm lớn của khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Kim Sơn (tập trung vào mùa mưa hè - thu) đã tạo ra cơ chế rửa trôi tự nhiên toàn bộ lượng muối tích lũy, ngăn ngừa hiện tượng kiềm hóa và mặn hóa đất.

2. Khi tưới nước nhiễm mặn 3‰ (ECiw = 4,3 dS/m), năng suất ngô LVN10 và đậu tương ĐT84 suy giảm như thế nào và cây nào chịu mặn tốt hơn?

Ở mức mặn 3‰, năng suất của cả hai loại cây trồng đều suy giảm có ý nghĩa thống kê so với đối chứng nước ngọt:

  • Cây ngô LVN10: Năng suất hạt khô giảm 9,71% (vụ xuân) và 9,57% (vụ đông); năng suất chất khô giảm 9,79% (vụ xuân) và 9,39% (vụ đông).
  • Cây đậu tương ĐT84: Năng suất hạt khô giảm 6,73% (vụ xuân) và 6,07% (vụ đông); năng suất chất khô giảm 6,29% (vụ xuân) và 5,68% (vụ đông). Mức độ suy giảm năng suất của đậu tương thấp hơn rõ rệt so với ngô (giảm < 7% so với giảm < 10%), chứng minh cây đậu tương ĐT84 có khả năng chống chịu mặn tốt hơn ngô LVN10.

3. Định mức lượng nước tưới và số lần tưới thực nghiệm cho ngô và đậu tương bằng kỹ thuật tưới nhỏ giọt qua các vụ được xác định ra sao?

Theo chế độ tưới duy trì áp lực kế ẩm đất quanh độ ẩm đồng ruộng ($\Psi_m = -10\text{ kPa}$ đến $-25\text{ kPa}$ / $-50\text{ kPa}$), định mức tưới thực nghiệm được xác định:

  • Cây ngô LVN10: Vụ xuân cần tổng lượng nước tưới $1.436\text{ m}^3\text{/ha}$ với 13–14 lần tưới; vụ đông cần $755–873\text{ m}^3\text{/ha}$ với 5–9 lần tưới.
  • Cây đậu tương ĐT84: Vụ xuân cần tổng lượng nước tưới $1.087–1.142\text{ m}^3\text{/ha}$ với 10–11 lần tưới; vụ đông cần $685–707\text{ m}^3\text{/ha}$ với 5–7 lần tưới.

4. Nguồn nước nhiễm mặn ven biển có những ưu điểm dinh dưỡng nào đối với cây trồng họ đậu?

Nước biển và nước lợ ven biển chứa hàm lượng các nguyên tố vi lượng hòa tan cao hơn nhiều so với nước sông nội địa, đặc biệt là Bo ($4.600\text{ }\mu g/l$ so với $10\text{ }\mu g/l$), Molipden ($10\text{ }\mu g/l$ so với $0,5\text{ }\mu g/l$) và Iot ($60\text{ }\mu g/l$ so với $7\text{ }\mu g/l$). Molipden là nguyên tố vi lượng quyết định quá trình cố định Nitơ phân tử của vi khuẩn cộng sinh Rhizobium trong nốt sần cây họ đậu, còn Bo cần thiết cho sự nảy mầm hạt phấn và đậu quả. Khi sử dụng nguồn nước nhiễm mặn nồng độ thấp (2‰), các nguyên tố vi lượng này đóng vai trò bổ sung dinh dưỡng có lợi cho cây đậu tương.

5. Chỉ tiêu lý, hóa học nào của đất thay đổi rõ rệt nhất dưới tác động của tưới nước nhiễm mặn?

Chỉ tiêu có sự biến đổi rõ rệt và có ý nghĩa thống kê cao nhất ($p < 0,001$) là độ dẫn điện của đất ($EC$). Sau vụ thu hoạch thứ 4, độ dẫn điện đất tăng từ $1,1\text{ mS/cm}$ (ở công thức đối chứng CT1) lên $1,9\text{ mS/cm}$ (ở CT2 tưới mặn 2‰) và đạt $2,8\text{ mS/cm}$ (ở CT3 tưới mặn 3‰) do sự hiện diện của muối $NaCl$. Về tính chất lý học, hệ số thấm của đất ($K_t$) có sự suy giảm nhẹ từ $15,2\text{ mm/ngày}$ xuống $11,8\text{ mm/ngày}$ sau 4 vụ tưới do tác động hydrat hóa của ion Natri.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Lê Việt Hùng đã giải quyết thành công vấn đề cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng nước nhiễm mặn để tưới cho cây ngô LVN10 và đậu tương ĐT84 tại dải đất phù sa ven biển Kim Sơn, Ninh Bình. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng phương pháp tưới nhỏ giọt với nước mặn nồng độ 2‰ ($EC_{iw} = 2,8\text{ dS/m}$) hoàn toàn không làm giảm năng suất cây trồng, và trong điều kiện bất khả kháng có thể tưới nước mặn 3‰ ($EC_{iw} = 4,3\text{ dS/m}$) với mức giảm năng suất chấp nhận được (< 10% ở ngô và < 7% ở đậu tương). Đồng thời, việc tưới nhỏ giọt kết hợp với lượng mưa tự nhiên của vùng nhiệt đới ẩm không gây tích lũy $Na^+$ và không gây kiềm hóa đất canh tác. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu và giảm thiểu áp lực thiếu hụt nguồn nước ngọt tại các vùng ven biển Việt Nam.