CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lớp phủ nông nghiệp 1.1 Khái niệm về lớp phủ nông nghiệp Lớp phủ được định nghĩa đơn giản là dùng một loại vật liệu phủ lên trên bề mặt đất (tên tiếng anh là mulch), có thể gọi là màng phủ hay tấm phủ. Việc che phủ xong quanh cây trồng làm thay đổi nhiệt độ của đất, hạn chế sự phát triển của cỏ dại, duy trì độ ẩm của đất từ đó giúp cây trồng phát triển và tăng năng suất tốt hơn [1-3]. Tấm phủ này chỉ bắt đầu được biết đến vào năm 1930. Năm 1941, các màng phủ được dùng để trồng các loại cây vì chúng bảo vệ chống lại nạn hạn hán cũng như sương giá làm giảm thiệt hại cho cây trồng trong môi trường khắc nghiệt.
Có 3 loại tấm phủ: hữu cơ (organic), vô cơ (inorganic) và vật liệu đặc biệt (special) [4].1 sẽ giới thiệu một vài loại lớp phủ khác nhau, lần lượt là phủ bằng phân hữu cơ, rơm rạ, vỏ cây, phủ bằng giấy báo, gỗ vụn và mùn cưa. Chúng đều là loại phủ hữu cơ thân thiên với môi trường cũng như dễ tìm kiếm. Các hình còn lại sẽ là màng phủ nhựa, màng màu đen làm từ nhựa và màng nhựa PE tỉ trọng thấp (LDPE).1 Các loại lớp phủ khác nhau [4] 1.1 Tấm phủ hữu cơ Tấm phủ hữu cơ được làm từ thực vật hoặc động vật. Các chất thải nông nghiệp, phế phẩm từ công nghiệp gỗ, thức ăn thừa hay phân từ động vật được sử dụng cho các tấm phủ hữu cơ [4, 5].
Một số lợi ích của loại tấm phủ này có thể kể đến như chúng có khả năng giảm thiểu quá trình rửa trôi nitrat, cải thiện chất lượng của đất trồng, tăng cường hoạt động sinh học với các hoạt động như hấp thụ, phân phối, trao đổi chất [6], cân bằng chu trình nitrogen, cung cấp chất hữu cơ, kiểm soát nhiệt độ và khả năng giữ nước cũng như giảm sự xói mòn đất. Một số loại tấm phủ hữu cơ có thể kể đến như: - Rơm: Là thân cây khô, phần sau khi thu hoạch các loại cây như lúa, cỏ, đậu, khoai, các loại cây thân thảo khác hay cây thân dây leo. Loại vật liệu này chủ yếu làm lớp phủ ở đồng ruộng do số lượng có nhiều từ cây lương thực. Tuy nhiên nếu chỉ sử dụng rơm để phủ sẽ gây ra một vài vấn đề.
Chúng cần phải được thay hàng năm vì 5 rất dễ bắt cháy hay các hạt giống còn sót trong rơm có thể sẽ nảy mầm và làm mất đi lượng nitrogen từ đất khi lớp phủ này phân hủy. - Vỏ cây: Là loại vật liệu dùng để phủ khá hiệu quả nhờ vào khả năng giữ ẩm trong thời gian dài và cung cấp nước cho cây trổng. Tuy nhiên vỏ cây không thích hợp để phủ trên đất trồng rau củ do chúng có tính acid. - Dăm gỗ: Có thể làm bằng gỗ tái chế và từ nhiều loài cây khác nhau.
Hàm lượng C:N (Carbon:Nitro) của dăm gỗ cao nên nó có thể hạn chế lượng nitro có sẵn trong đất để cây hấp thụ chúng khi loại vật liệu này phân hủy. - Mùn cưa: là một loại mùn phổ biến vì đây là các sản phẩm phụ hay chất thải từ các hoạt động chế biến gỗ như cưa, bào hay phay gỗ. Nó có giá trị dinh dưỡng thấp hơn so với rơm và chỉ bằng một nửa chất dinh dưỡng. Sự phân hủy diễn ra rất chậm do tỷ lệ C:N cao, khi phân hủy sẽ dẫn đến thiếu hụt N2 trong đất, đòi hỏi phải sử dụng phân bón thường xuyên.
Ngoài ra, do tính chất acid của mùn cưa nên lưu ý không sử dụng trong đất có độ pH thấp. Tuy nhiên, loại phủ này vẫn có ưu điểm là giữ được độ ẩm trong một khoảng thời gian dài. - Phân hữu cơ: Đây là một loại phủ phổ biến và có truyền thống lâu đời do chúng dễ dàng tự làm bằng cách dùng nhiều loại chất thải như lá cây, rơm, cỏ và một số chất thải nông nghiệp khác. Phân hữu cơ có khả năng điều hòa đất rất tốt, làm tăng các đặc tính của đất và hàm lượng carbon, giúp cải thiện độ ẩm và độ bền của đất.
Mặt khác, hàm lượng N cao nên được khuyên hạn chế dùng cho rau vì khả năng cỏ dại sẽ phát triển nhiều hơn. - Giấy báo: Che phủ bằng giấy báo giúp tiết kiệm chi phí và thời gian trong việc giảm cỏ dại bằng cách ngăn chặn mầm của hạt cỏ dại rơi vào. Các tờ báo phân hủy nhanh chóng vào đất nên vì thế sẽ cần phải kiểm tra thường xuyên và do chúng không bền khi gặp nước nên vẫn chưa phù hợp để trồng trên ruộng. Tuy nhiên loại phủ này với các thành phần tự nhiên rất khó để áp dụng để trồng trọt và đòi hỏi rất nhiều công sức để có thể sử dụng rộng rãi do các vấn đề về chi phí hay hậu cần.
Hiện nay chỉ có một lượng nhỏ sử dụng trong thương mại với quy mô lớn [4]. Đã có nhiều nghiên cứu về tấm phủ hữu cơ và có các kết quả khả quan như màng không dệt dựa trên sợi gai có thể phân hủy sinh học từ Viện Cây trồng lấy sợi Bast, Học viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc [7] hay phát triển màng phủ không dệt có thể phân hủy dựa trên sợi tự nhiên có thể tái chế được từ phế phẩm nhà máy của các nhà khoa 6 học từ đại học Donghua, đại học Tân cương và Học viện Khoa học Nông nghiệp Tân Cương đã nghiên cứu [8].2 Màng vải không dệt sợi gai/tinh bột [7] 1.2 Tấm phủ vô cơ Màng nhựa như polyethylene hay polymer tổng hợp là nguyên liệu chính cho lớp phủ vô cơ [4]. Có hai loại màng phủ nhựa chính: màng nhựa trong suốt và màng nhựa màu. Phủ bằng loại nhựa trong suốt chiếm khoảng 99 % tổng lượng màng nhựa tiêu thụ [9].
Các loại vật liệu để làm tấm phủ nhựa này thường là PE, PP, polyvinyl cloride (PVC) và các loại nhựa nhiệt dẻo khác [1, 4]. Trong những năm 60, nhiều loại màng nhựa dựa trên các những polymer khác nhau đã được thử nghiệm để kiểm tra khả năng che phủ của chúng. PVC, polyethylene tỉ trọng cao (HDPE) và LDPE đều cho thấy không có quá nhiều sự khác biệt kỹ thuật. Tuy nhiên, polyethylene mạch thẳng tỷ trọng thấp (LLDPE) tiết kiệm chi phí hơn khi sử dụng nên loại màng này đã chiếm phần lớn các loại lớp phủ ngày nay.3 Màng phủ từ nhựa PE Năm 1948, màng nhựa lần đầu được sử dụng bởi giáo sư Emmert tại đại học Kentucky, ông được xem là cha đẻ của sự phát triển của sử dụng nhựa trong nông nghiệp (plasticulture) ở Mỹ.
Kể từ thời điểm này thì màng nhựa dùng để trồng cây hay rau củ ngày càng rộng rãi [9, 10]. Năm 1999, lớp phủ bằng nhựa đã được sử dụng với diện tích hơn 22 triệu ha đất canh tác trên toàn thế giới. Riêng Trung Quốc vào năm 2002 đã phủ đến 15 triệu ha các tấm nhựa. Các thống kê cho thấy hàng năm trên toàn thế giới sử dụng trung bình 700.000 tấn tấm nhựa để làm lớp phủ [4].
Theo số liệu từ Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), ước tính khoảng 7.4 triệu tấn màng nhựa đã sử dụng để phục vụ cho nông nghiệp và cũng theo dữ liệu từ bài báo này tổng hợp thì 40 % số lượng nhựa dùng trong ngành này là từ màng phủ nhựa. Dự kiến thị trường lớp phủ nhựa này sẽ tăng 50 % từ 6.1 triệu tấn lên 9.5 triệu tấn vào năm 2030 [1].3 Tấm phủ đặc biệt [4] Một số loại màng có thể phân hủy sinh học (BM) hay phân hủy quang học là những vật liệu đặc biệt làm tấm phủ. Đây chính là loại lớp phủ cùng với lớp phủ hữu cơ làm giải pháp thay thế lớp phủ PE nhờ khả năng phân hủy thân thiện với môi trường. BM hiện nay bao gồm nhiều loại polymer hoặc chất phụ gia có sẵn trên thị trường toàn cầu như lớp phủ LDPE.
Tinh bột, cellulose, polyhydroxyalkanoates (PHA) và polylactic acid (PLA) là các polymer điển hình để sử dụng làm BM. Ngoài ra còn có các loại polymer khác có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch như polybutylene succinate (PBS), polybutylene succinate-co-adipate (PBSA) và polybutylene-adipate-co- 8 terephthalate (PBAT). Thông thường các liên kết ester hay polysaccharides dễ bị thủy phân bởi các sinh vật, chúng được tìm thấy có trong các polymer để sử dụng làm BM. Về mặt lý thuyết thì các vi sinh vật dị hóa hoàn toàn BM và chuyển hóa hoàn toàn thành sinh khối vi sinh vật, CO2 và nước [11].4 Màng phủ không dệt từ (a) sợi viscose và (b) nhựa PLA [12] 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của tấm phủ 1.1 Ưu điểm Sử dụng màng phủ trong nông nghiệp giúp cải thiện các tính chất của đất như nhiệt độ, độ ẩm hay cấu trúc của đất [2, 4, 10, 12, 13].
Các loại màng phủ nhựa thường sử dụng nhờ vào khả năng kể trên nên quá trình khoáng hóa chất dinh dưỡng của đất cũng tốt hơn. Việc phủ lên đất sẽ giúp phân bón không bị rửa trôi và giữ chất dinh dưỡng ở gần rễ cây [4]. Một lợi ích quan trọng khác là khả năng ngăn chặn cỏ dại phát triển của tấm phủ. Các loại màng có độ truyền ánh sáng càng thấp thì nó sẽ chặn được nhiều ánh sáng từ mặt trời và khiến cho hạt giống cỏ dại khó nảy mầm hơn [8].
Mặt khác, sử dụng màng phủ trong nông nghiệp cũng làm cho cảnh quan đẹp và đồng nhất hơn [4]. Đối với BM (tấm phủ hữu cơ và tấm phủ đặc biệt), các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng màng phủ có thể phân hủy sinh học có các đặc tính trên tương tự như màng phủ PE. Các trang trại trồng khoai tây, bông, cà chua… đã có thể dùng các tấm phủ hữu cơ hoặc màng nhựa phân hủy sinh học thay thế cho màng PE [8, 12-15]. Ngoài ra, màng phủ có thể phân hủy sinh học không ảnh hưởng quá nhiều đến năng suất của cây trồng.
Sản lượng thu được có thể thấp hơn hoặc ngang bằng với màng nhựa PE nhưng lớp phủ hữu cơ cho thấy chúng tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng phát triển và cũng an toàn hơn cho đất so với màng nhựa có thể phân hủy. Ở khía cạnh kinh tế, BM đã tiết 9 kiệm chi phí tài chính ở việc loại bỏ và xử lý màng nhựa sau khi sử dụng [8, 16]. Sau khi phân hủy, lớp phủ hữu cơ cung cấp chất dinh dưỡng cho đất và khả năng cung cấp dinh dưỡng cũng sẽ được lâu dài hơn. Tổng hàm lượng nitro, phốt pho và kali khả dụng của đất đều tăng lên khi xử lý lớp phủ BM.