Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong canh tác nông nghiệp tại Việt Nam, cải củ (Raphanus sativus) và cà chua (Solanum lycopersicum) là hai đối tượng cây rau giữ vai trò kinh tế quan trọng, cung cấp nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng và dễ dàng luân canh trong hệ thống canh tác. Tuy nhiên, việc mở rộng diện tích canh tác hai loại cây này tại các vùng đồng bằng ven biển đang chịu nhiều áp lực do cạnh tranh quỹ đất với các cây trồng khác. Tại tỉnh Quảng Bình (tổng diện tích tự nhiên 805.500 ha), quỹ đất nông nghiệp còn khoảng 6.000 ha đất cát biển chưa được khai thác sử dụng. Đất cát ven biển mang những đặc tính bất lợi: hàm lượng cát chiếm 85% - 90%, nghèo hữu cơ và mùn, cấu trúc rời rạc, khả năng giữ nước và phân bón rất kém, dễ bị rửa trôi, dẫn đến năng suất cây trồng thấp nếu không có biện pháp thâm canh cải tạo đồng bộ.

Song song với thách thức thổ nhưỡng, ngành năng lượng nhiệt điện than thải ra khối lượng phế thải rắn rất lớn. Tính đến năm 2016, cả nước có 20 nhà máy nhiệt điện đang vận hành với tổng công suất 13.110 MW, phát thải trên 15,7 triệu tấn tro xỉ/năm (theo số liệu từ Bộ Xây dựng). Tro bay nhiệt điện có cấp hạt mịn tương đương cấp hạt phù sa, chứa nhiều khoáng chất và nguyên tố đa, trung, vi lượng, có khả năng nâng cao độ xốp, dung tích hấp thu cation (CEC), tăng khả năng giữ ẩm và điều hòa độ chua của đất.

Từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn tro xỉ nhà máy nhiệt điện đến sinh trưởng, phát triển của cây cải củ và cây cà chua trên các nền đất khác nhau" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán tái sử dụng tro bay làm vật liệu phối trộn cải tạo đất cát biển và đất phù sa cho cây rau.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

  • Mục tiêu: Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của cây cải củ và cây cà chua dựa vào tỷ lệ phối trộn tro xỉ nhà máy nhiệt điện trên nền đất cát Quảng Bình và đất phù sa trong điều kiện vụ Xuân Hè năm 2021 tại Gia Lâm – Hà Nội; từ đó xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp nhằm cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng.
  • Nhiệm vụ/Yêu cầu nghiên cứu:
    1. Theo dõi một số chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và đặc điểm hình thái của cây cải củ và cây cà chua trên các nền đất cát Quảng Bình và đất phù sa phối trộn tro bay.
    2. Theo dõi một số chỉ tiêu sinh lý (diện tích lá, chỉ số diệp lục SPAD) của cây cải củ và cà chua trên các nền đất thí nghiệm.
    3. Đánh giá chất lượng củ và năng suất sinh khối ở các công thức phối trộn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Giống cải củ trắng F1 Long White (nguồn gốc Pháp).
    • Giống cà chua quả tròn Sao Đỏ 719 (hợp tác giữa Viện Nghiên cứu Rau quả và Công ty East-West Seed).
    • Vật liệu giá thể: Đất phù sa, đất cát ven biển Quảng Bình (pH 4,5 - 7,5, hàm lượng cát 85% - 90%), tro bay loại C từ nhà máy nhiệt điện, phân bón NPK 16-16-16.
  • Phạm vi không gian: Nhà lưới số 10 - Bộ môn Cây lương thực, Khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam (Gia Lâm, Hà Nội).
  • Phạm vi thời gian: Vụ Xuân Hè năm 2021 (từ tháng 3/2021 đến tháng 9/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Tro bay nhiệt điện loại C (tro bazơ) chứa hàm lượng oxit canxi ($CaO$) cao cùng các khoáng chất Quarts ($SiO_2$ chiếm 40,42%) và Mullite ($Al_6Si_2O_{13}$ chiếm 16,13%). Kích thước hạt từ 1 - 8 $\mu m$ (cấp hạt phù sa) giúp lấp đầy các khoảng rỗng lớn của đất cát thô, làm giảm dung trọng, gia tăng độ xốp và nâng cao dung tích giữ nước từ 39% - 55%. Tro bay cung cấp các nguyên tố khoáng đa lượng ($K_2O$ chiếm trên 4,97%, $P_2O_5$), trung và vi lượng ($Ca, Mg, Fe, S, Zn, Cu$), đóng vai trò như chất điều hòa pH và chất cải tạo độ phì cho đất nghèo dinh dưỡng. Nghiên cứu kiểm soát các chỉ tiêu độc chất đảm bảo ngưỡng an toàn theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 03-MT:2015/BTNMT.

Phương pháp bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm hai nhân tố được thiết kế theo khối hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) gồm 10 công thức (2 nền đất $\times$ 5 tỷ lệ tro bay):

Nhóm nền đất Ký hiệu công thức Tỷ lệ phối trộn cụ thể
Nền đất phù sa (ND1) ND1TB1 (ĐC1) 100% Đất phù sa (Đối chứng 1)
ND1TB2 95% Đất phù sa + 5% Tro bay
ND1TB3 90% Đất phù sa + 10% Tro bay
ND1TB4 85% Đất phù sa + 15% Tro bay
ND1TB5 80% Đất phù sa + 20% Tro bay
Nền đất cát Quảng Bình (ND2) ND2TB1 (ĐC2) 100% Đất cát Quảng Bình (Đối chứng 2)
ND2TB2 95% Đất cát Quảng Bình + 5% Tro bay
ND2TB3 90% Đất cát Quảng Bình + 10% Tro bay
ND2TB4 85% Đất cát Quảng Bình + 15% Tro bay
ND2TB5 80% Đất cát Quảng Bình + 20% Tro bay
  • Quy mô và chăm sóc: Cây cải củ nhắc lại 5 lần (50 chậu, gieo 5 hạt/chậu sau tỉa còn 1 cây/chậu); cây cà chua nhắc lại 3 lần (30 chậu, 1 cây/chậu). Lượng phân bón gốc áp dụng đồng đều 0,26 g NPK 16-16-16/gốc.
  • Phương pháp thu thập chỉ tiêu:
    • Sinh trưởng, hình thái: Tỷ lệ nảy mầm (%), động thái tăng trưởng chiều cao cây (đo định kỳ 10 ngày/lần), số lá xanh tồn tại (lá), chiều dài củ và đường kính củ (sử dụng thước kẹp điện tử).
    • Sinh lý: Hàm lượng diệp lục đo bằng máy đo SPAD-502 (Nhật Bản) tại 3 vị trí gốc lá, giữa lá và đỉnh lá; diện tích lá qua các thời kỳ.
    • Năng suất và chất lượng: Khối lượng tươi và khô (sấy ở nhiệt độ $80^\circ\text{C}$ trong 36 giờ); đánh giá chất lượng củ qua 5 tiêu chí: kích thước, hình dạng, màu sắc, độ mịn vỏ và độ mọng nước.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu được tổng hợp trên Microsoft Excel 2016 và phân tích phương sai (ANOVA) qua phần mềm IRRISTAT 5.0. Sự sai khác giữa các giá trị trung bình được kiểm định bằng chỉ số $LSD_{0,05}$.

Nội dung chính theo từng chương

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu mở rộng diện tích trồng rau ăn củ và ăn quả trên vùng đất cát bạc màu ven biển miền Trung, cụ thể là Quảng Bình với hơn 6.000 ha đất cát chưa sử dụng. Phân tích thực trạng phát thải tro xỉ nhiệt điện than tại Việt Nam và cơ sở ứng dụng tro bay làm chất cải tạo lý hóa tính đất. Xác định mục đích, yêu cầu và giới hạn nghiên cứu trong vụ Xuân Hè 2021.

PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Hệ thống hóa toàn diện các tư liệu nghiên cứu liên quan:

  • Tình hình sản xuất cải củ và cà chua: Sản lượng cải củ toàn cầu đạt khoảng 7 triệu tấn/năm (chiếm 2% sản lượng rau thế giới); diện tích cà chua thế giới năm 2019 đạt 5,03 triệu ha, năng suất 35,9 tấn/ha, sản lượng 180,8 triệu tấn (FAOSTAT 2021). Tại Việt Nam, cà chua chiếm 7 - 10% diện tích và 3 - 4% sản lượng rau cả nước.
  • Đặc tính thực vật học và nhu cầu dinh dưỡng: Đặc điểm giải phẫu rễ, thân, lá, hoa, quả/củ của cải củ và cà chua; yêu cầu về ánh sáng, nhiệt độ (cải củ ưa nhiệt độ $15 - 28^\circ\text{C}$, giai đoạn phình củ tối thích $17 - 18^\circ\text{C}$; cà chua thích hợp $21 - 24^\circ\text{C}$), chế độ nước và vai trò của các nguyên tố $N, P, K$.
  • Nghiên cứu về giá thể và tro bay nhiệt điện: Tổng kết các công trình trong nước (Lê Văn Thiện & cs., Phạm Thị Hạnh Lê, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Ngô Trà Mai & cs.) và quốc tế (Chang & cs., Khan & Khan, Gourab & Joy). Tro bay làm tăng dung tích hấp thu ($CEC$), tăng hàm lượng $K_2O$ tổng số từ 3,3 - 12,6 lần trên đất cát, cải thiện độ xốp và giữ ẩm, đồng thời hàm lượng kim loại nặng tích lũy vẫn nằm dưới ngưỡng giới hạn cho phép.

PHẦN III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô tả chi tiết vật liệu nghiên cứu (giống cải củ F1 Long White, giống cà chua Sao Đỏ 719, tro bay loại C, phân NPK 16-16-16), sơ đồ bố trí 10 công thức thí nghiệm trong nhà lưới, quy trình làm đất, tưới nước, tỉa thưa cây con, kỹ thuật bón phân và phương pháp theo dõi các chỉ tiêu nông sinh học, sinh lý, năng suất và xử lý thống kê bằng phần mềm IRRISTAT 5.0.

PHẦN IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Khả năng nảy mầm của hạt giống cải củ

Tro bay thể hiện tác động rõ rệt trong việc cải thiện khả năng giữ ẩm, thúc đẩy tốc độ nảy mầm nhanh hơn trên nền đất cát so với đất phù sa:

Nền đất Công thức phối trộn 2 NST (%) 3 NST (%) 4 NST (%) 5 NST (%) 7 NST (%)
Đất phù sa (ND1) 0% tro bay (ĐC1) 8 56 84 96 100
5% tro bay 28 80 92 100 100
10% tro bay 40 76 84 92 100
15% tro bay 4 44 76 96 100
20% tro bay 24 80 88 92 100
Trung bình ND1 20,8 67,2 84,8 96,0 100
Đất cát bạc màu (ND2) 0% tro bay (ĐC2) 92 100 100 100 100
5% tro bay 76 100 100 100 100
10% tro bay 64 96 100 100 100
15% tro bay 84 100 100 100 100
20% tro bay 100 100 100 100 100
Trung bình ND2 83,2 99,2 100 100 100

Trên nền đất cát, tỷ lệ nảy mầm đạt 100% chỉ sau 4 ngày gieo, trong đó công thức phối trộn 20% tro bay đạt tỷ lệ nảy mầm 100% ngay từ 2 ngày sau gieo. Đến 7 ngày sau gieo, toàn bộ 10 công thức trên cả hai nền đất đều đạt tỷ lệ nảy mầm tuyệt đối 100%.

2. Động thái tăng trưởng chiều cao cây cải củ

Chiều cao cây tăng mạnh nhất trong giai đoạn từ 41 đến 51 ngày sau trồng (NST) với mức tăng từ 6,28 đến 8,78 cm/10 ngày. Cây trồng trên nền đất phù sa đạt chiều cao vượt trội so với nền đất cát:

Nền đất Tỷ lệ tro bay 11 NST (cm) 31 NST (cm) 51 NST (cm) CCCC (61 NST) (cm)
Đất phù sa (ND1) 0% (ĐC1) 8,32 13,18 25,96 29,72a
5% 9,02 16,42 27,42 30,74a
10% 10,10 16,76 27,00 30,58a
15% 9,14 14,78 26,16 30,12a
20% 8,66 14,76 25,60 29,98a
Đất cát bạc màu (ND2) 0% (ĐC2) 9,02 12,96 17,58 20,04c
5% 9,38 14,68 19,64 23,64b
10% 9,16 15,06 20,14 24,94b
15% 8,74 14,78 19,60 24,62b
20% 7,86 11,70 18,20 24,60b
$LSD_{0,05(ND*TB)}$ 0,454 0,785 1,248 1,564

Trên nền đất cát bạc màu, chiều cao cuối cùng ở các công thức phối trộn tro bay (5% - 20%) dao động từ 23,64 đến 24,94 cm, sai khác có ý nghĩa thống kê ($p < 0,05$) so với công thức đối chứng không trộn tro (20,04 cm).

3. Sự phát triển số lá xanh trên cây cải củ

Số lá trên cây ở nền đất phù sa cao hơn trung bình 29% (gấp 1,44 lần) so với nền đất cát bạc màu. Tỷ lệ phối trộn tro bay ở mức 5% - 10% cho số lá tồn tại cao nhất:

  • Nền đất phù sa: Đạt cực đại ở công thức 5% và 10% tro bay với 19,4 lá/cây (so với đối chứng ĐC1 đạt 17,8 lá/cây).
  • Nền đất cát: Cao nhất ở công thức 5% tro bay với 15,6 lá/cây và 15% tro bay đạt 15,4 lá/cây (đối chứng ĐC2 chỉ đạt 12,4 lá/cây).

4. Kích thước và hình thái củ cải

Kích thước củ chịu tác động đồng thời của nền đất và liều lượng phối trộn tro bay:

Nền đất Công thức phối trộn Chiều dài củ (cm) Đường kính củ (cm)
Đất phù sa (ND1) 0% tro bay (ĐC1) 12,66d 3,03bc
5% tro bay 16,66a 3,15ab
10% tro bay 17,36a 3,29a
15% tro bay 14,90b 2,95c
20% tro bay 14,06c 2,74d
Đất cát bạc màu (ND2) 0% tro bay (ĐC2) 10,24e 2,15f
5% tro bay 12,32d 2,95c
10% tro bay 13,70c 2,51e
15% tro bay 12,16d 2,50e
20% tro bay 10,46e 2,16f
$LSD_{0,05(ND*TB)}$ 0,729 0,161

Chiều dài củ trên đất phù sa cao hơn đất cát 23,7%. Trên nền đất cát, công thức 10% tro bay cho chiều dài củ lớn nhất đạt 13,70 cm, tăng 33,8% so với đối chứng ĐC2 (10,24 cm). Đường kính củ đạt tối ưu ở mức phối trộn 5% - 10% tro bay trên cả hai loại đất. Khi tăng tỷ lệ tro bay lên mức 20%, chiều dài và đường kính củ có xu hướng suy giảm.

5. Ảnh hưởng đến sinh trưởng cây cà chua

Khóa luận theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng của cây cà chua Sao Đỏ 719: chiều cao cây, số lá, chỉ số diệp lục SPAD, đường kính thân, số quả và tích lũy khối lượng quả tươi/khô. Kết quả chỉ ra việc bổ sung tro bay ở tỷ lệ thích hợp (5% - 10%) giúp gia tăng đường kính thân, nâng cao chỉ số diệp lục SPAD và cải thiện sinh khối quả trên cả hai nền đất.

PHẦN V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng hợp các phát hiện chính, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm vật liệu phối trộn cải tạo đất cát; đưa ra kiến nghị về tỷ lệ phối trộn tối ưu và đề xuất phạm vi thử nghiệm mở rộng trong điều kiện đồng ruộng.


Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  1. Tốc độ nảy mầm: Bổ sung tro bay cải thiện độ ẩm đất cát rõ rệt, giúp hạt cải củ nảy mầm 100% chỉ sau 2 ngày ở tỷ lệ 20% tro bay (đối chứng mất 4 ngày).
  2. Kích thước và sinh trưởng cải củ:
    • Chiều cao cây cuối cùng trên nền đất cát bổ sung 10% tro bay đạt 24,94 cm (tăng 24,45% so với đối chứng 20,04 cm).
    • Chiều dài củ trên nền đất cát đạt 13,70 cm ở công thức 10% tro bay, vượt đối chứng 33,8%.
    • Số lá trung bình trên nền đất phù sa đạt cao nhất 19,4 lá/cây (ở mức 5% và 10% tro bay) và trên đất cát đạt 15,6 lá/cây (ở mức 5% tro bay).
    • Tỷ lệ phối trộn tro bay tối ưu cho sự phát triển hình thái và kích thước củ nằm trong khoảng 5% - 10%. Khi vượt quá 15% - 20%, hiệu quả sinh trưởng bị kìm hãm.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tỷ lệ phối trộn khuyến nghị: Ứng dụng tỷ lệ 5% - 10% tro bay nhiệt điện kết hợp bón phân NPK cân đối để cải tạo đất cát phục vụ trồng cải củ và cà chua.
  • Khuyến nghị mở rộng: Cần tiếp tục triển khai các mô hình khảo nghiệm đồng ruộng quy mô lớn trên các vùng đất cát ven biển miền Trung để hoàn thiện quy trình canh tác thực tế.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp dẫn liệu khoa học định lượng về phản ứng sinh trưởng của hai đối tượng rau ăn củ (cải củ) và rau ăn quả (cà chua) đối với các nồng độ tro bay nhiệt điện khác nhau trên đất cát biển Quảng Bình và đất phù sa.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp xử lý, tái chế phế thải rắn từ các nhà máy nhiệt điện than thành nguồn tài nguyên cải tạo đất, mở ra hướng khai thác 6.000 ha đất cát hoang hóa tại Quảng Bình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện chậu vại tại nhà lưới (Nhà lưới số 10, Học viện Nông nghiệp Việt Nam) trong một vụ duy nhất (Xuân Hè 2021), chưa đánh giá được toàn diện biến động thời tiết tự nhiên, chế độ mưa thực địa và sự rửa trôi dưỡng chất qua nhiều vụ canh tác liên tiếp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Triển khai thí nghiệm trên đồng ruộng thực tế tại vùng đất cát ven biển tỉnh Quảng Bình.
    • Phân tích dư lượng kim loại nặng tích lũy trong đất và trong sản phẩm củ, quả qua nhiều chu kỳ thu hoạch theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.
    • Nghiên cứu kết hợp tro bay với các nguồn phân hữu cơ ủ hoai hoặc than sinh học (biochar) để tối ưu hóa lý hóa tính và hệ vi sinh vật đất.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Nông học, Khoa học Cây trồng, Thổ nhưỡng và Nông hóa, Môi trường nông nghiệp.
    • Các kỹ sư nông nghiệp và cán bộ khuyến nông tại các tỉnh ven biển miền Trung có nhu cầu cải tạo đất cát phục vụ sản xuất rau màu.
  • Nội dung giá trị:
    • Phương pháp thiết kế thí nghiệm phối trộn giá thể vô cơ - thổ nhưỡng.
    • Dữ liệu chi tiết về ngưỡng phối trộn tro bay an toàn (5% - 10%) giúp cải thiện sinh trưởng cây trồng mà không gây ức chế sinh lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Tro bay nhiệt điện được sử dụng trong nghiên cứu là loại nào và có đặc tính gì?
Nghiên cứu sử dụng tro bay loại C (tro bazơ) từ quá trình đốt than. Loại tro này có kích thước hạt mịn từ 1 - 8 $\mu m$ (cấp hạt phù sa), chứa hàm lượng $CaO$ cao, giàu các khoáng chất $SiO_2$ (40,42%), Mullite (16,13%), các nguyên tố $K_2O$ (>4,97%), $Mg, Fe, Ca$, có tác dụng giảm độ chua, tăng $CEC$ và tăng khả năng giữ nước của đất.

2. Tỷ lệ phối trộn tro bay nào cho kết quả sinh trưởng và kích thước củ cải tốt nhất?
Tỷ lệ phối trộn tối ưu là từ 5% đến 10% tro bay. Ở tỷ lệ 10% tro bay, cây cải củ trên đất cát đạt chiều cao 24,94 cm, chiều dài củ đạt 13,70 cm (tăng 33,8% so với đối chứng), và đường kính củ đạt kích thước lớn nhất trên cả hai nền đất.

3. Vì sao hạt cải củ trên nền đất cát phối trộn 20% tro bay lại nảy mầm nhanh nhất (100% sau 2 ngày)?
Do tro bay có cấu trúc hạt mịn dạng phù sa giúp cải thiện độ rỗng mao quản và khả năng giữ nước của nền đất cát thô rời rạc, duy trì độ ẩm tối ưu quanh hạt giống, từ đó kích thích quá trình hút nước và nảy mầm nhanh hơn.

4. Khi tăng tỷ lệ phối trộn tro bay lên 15% - 20%, sinh trưởng của cây cải củ thay đổi như thế nào?
Khi tỷ lệ tro bay vượt quá 10% (ở mức 15% và 20%), các chỉ tiêu như chiều dài củ, đường kính củ và diện tích lá bắt đầu có xu hướng giảm dần do sự thay đổi về độ xốp, thông khí hoặc nồng độ khoáng hòa tan vượt quá ngưỡng tối ưu cho cây.

5. Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp nào và xử lý số liệu bằng công cụ gì?
Thí nghiệm được bố trí theo khối hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) 2 nhân tố gồm 10 công thức, nhắc lại 5 lần đối với cây cải củ (50 chậu) và 3 lần đối với cây cà chua (30 chậu). Số liệu được xử lý phân tích phương sai (ANOVA) qua phần mềm IRRISTAT 5.0 và kiểm định sai khác bằng chỉ số $LSD_{0,05}$.


Kết luận

Khóa luận của tác giả Lê Mạnh Cường đã chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng tro bay nhiệt điện làm vật liệu cải tạo đất cát bạc màu và đất phù sa trong canh tác cải củ và cà chua. Kết quả thực nghiệm xác định tỷ lệ phối trộn 5% - 10% tro bay là ngưỡng tối ưu giúp cải thiện độ ẩm, nâng cao tỷ lệ nảy mầm, tăng trưởng chiều cao, số lá và kích thước củ vượt trội so với đối chứng không phối trộn. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn có giá trị cho việc tái chế phế thải nhiệt điện gắn liền với khai thác tiềm năng quỹ đất cát nông nghiệp ven biển.