Tối ưu hóa việc sử dụng phân bón trong trồng trọt với kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N11:25:00 30/05/2018

Phân bón là một trong những yếu tố đầu vào tối quan trọng để duy trì và nâng cao hàm lượng dinh dưỡng trong đất canh tác nông nghiệp. Các chất dinh dưỡng chính (N, P và K) cần phải được cung cấp thường xuyên để bù lại lượng thất thoát khỏi đất nông nghiệp sau khi thu hoạch. Hiệu quả sử dụng phân bón là một phép đo định lượng việc hấp thu phân bón của cây trồng trong thực tế so với lượng phân được bón vào đất. Hiệu quả sử dụng phân bón được tính bằng tỷ lệ lượng dinh dưỡng trong cây trồng có nguồn gốc từ phân bón trên tổng lượng dinh dưỡng của phân bón được bón vào đất. Phương pháp truyền thống để đo hiệu quả sử dụng phân bón đó là đo đạc các phản ứng sinh học hoặc các tác động của việc tăng lượng phân bón trên cánh đồng. Tuy nhiên, sản lượng nông sản thực tế không chỉ phụ thuộc vào một yếu tố (như phân bón), mà còn nhiều yếu tố khác trong đó có những yếu tố kiểm soát được và yếu tố không kiểm soát được. Bên cạnh phương pháp truyền thống, phương pháp đồng vị (hay ứng dụng kỹ thuật đồng vị) là phương pháp trực tiếp nhất để đánh giá việc hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng. Kỹ thuật đồng vị đã được triển khai thông qua sử dụng phân bón Ni-tơ với đồng vị bền 15N và phân bón Phốt-pho với đồng vị phóng xạ 32P hoặc 33P.

Kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N: nguyên lý và ứng dụng

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học có cùng số proton và electron nhưng có số neutron khác nhau. Có hai loại đồng vị: đồng vị phóng xạ (không bền, bị phân hủy theo thời gian) và đồng vị không phóng xạ hay đồng vị bền. Trong tự nhiên, nguyên tố N chỉ có 2 đồng vị bền là 14N và 15N, còn lại là các đồng vị phóng xạ như: 12N, 13N, 16N, 17N,… Trong khí quyển, 14N chiếm 99,634% và phần rất nhỏ còn lại 0,366% là 15N.

Khi sản xuất phân Ni-tơ có đánh dấu đồng vị thì toàn bộ 14N trong công thức cấu tạo của phân N được chuyển thành 15N. Khi được bổ sung phân Ni-tơ, cây trồng không phân biệt giữa phân không đánh dấu và phân có đánh dấu, vì vậy phân có 15N đánh dấu vẫn được sử dụng như nguồn dinh dưỡng N. Trong tự nhiên tỉ lệ 15N/14N là hằng số vì vậy sự khác nhau của tỉ lệ 15N/14N trong các hợp chất khi sử dụng phân 15N đánh dấu đã được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu động học của phân N.

Minh họa phương pháp sử dụng phân đánh dấu 15N để đo hiệu quả sử dụng phân bón

Trong các kỹ thuật khác, hiệu quả của phân Ni-tơ được tính bằng cách lấy năng suất (ví dụ: củ, lá, hoa, quả, hạt…) thu được khi cây không bón phân trừ đi năng suất có bón phân. Khi không bón phân cây hút chất dinh dưỡng Ni-tơ hoàn toàn từ đất, nhưng khi được bón thêm phân N, chất dinh dưỡng cung cấp cho cây sẽ được cung cấp từ cả đất và phân bón. Như vậy, việc cây hút bao nhiêu N từ phân và bao nhiêu N từ đất là không thể xác định được.

Hạn chế của các phương pháp khác hoàn toàn được khắc phục bởi kỹ thuật đồng vị 15N. Trong kỹ thuật đồng vị, thay vì sử dụng phân N bình thường (ví dụ: urê - H2 14NCO 14NH2) thì người ta sử dụng phân có 15N đánh dấu (ví dụ: urê 2% - 15N H2 15NCO 15NH2). Cây sẽ sử dụng phân Ni-tơ đánh dấu giống như phân Ni-tơ bình thường nên sự di chuyển và tích lũy của 15N trong cây hoặc trong đất trồng hoàn toàn có thể xác định được bằng máy khối phổ và quang phổ phát xạ dựa trên sự thay đổi của tỷ lệ 15N/14N có trong cây (ví dụ: củ, lá, hoa, quả, hạt…), đất và nước. Bên cạnh đó, các loại phân N có đánh dấu hoàn toàn an toàn với sức khỏe con người và môi trường.

Ứng dụng kỹ thuật 15N trong quản lí phân bón N vô cơ

Phân bón Ni-tơ đóng vai trò quan trọng trong việc giúp gia tăng năng suất cây trồng, do đó được sử rất phổ biến trên toàn thế giới và nhu cầu tiêu thụ phân Ni-tơ không ngừng gia tăng, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển ở châu Á, Bắc Phi và Châu Mỹ. Tuy nhiên, cây chỉ hấp thu một phần (chỉ khoảng 50%) lượng phân được bón, phần còn lại sẽ bị thất thoát do quá trình rửa trôi, bay hơi… gây ô nhiễm môi trường và lãng phí về kinh tế. Chính vì vậy, làm thế nào để xác định và cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón của từng loại cây trồng là nhu cầu cấp thiết không những giúp tiết kiệm rất lớn lượng phân bón cần sử dụng mà còn giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do phân bón dư thừa gây ra.

Hiệu quả sử dụng phân N tùy thuộc vào rất nhiều yếu tố như chủng loại và số lượng phân N, cách bón, đặc tính thổ nhưỡng, loại cây trồng và thời tiết. Kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N có thể giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phân N bởi vì kỹ thuật 15N có thể cung cấp các thông số chính xác của các yếu tố có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến hiệu quả sử dụng phân N như:

- Kỹ thuật bón phân N: giúp xác định thời điểm bón phân N hợp lí, cách bón đúng, sử dụng loại phân N nào tối ưu… để cây trồng có năng suất cao nhất.

- Mối liên hệ giữa các yếu tố nông học: tưới tiêu, giống cây, thời vụ, khâu chuẩn bị đất… sao cho hiệu quả sử dụng phân tối ưu.

- Sự thất thoát phân bón N: xác định nguyên nhân thất thoát phân N do rửa trôi, bay hơi hoặc xói mòn đất để từ đó khuyến cáo các kỹ thuật bón thích hợp nhằm hạn chế sự thất thoát phân N.

- Theo dõi quá trình di chuyển của phân N nhằm đánh giá ô nhiễm nitrat trong nước (nước ngầm và nước mặt) do rửa trôi phân N trong canh tác nông nghiệp.

- Xác định nhu cầu phân bón N của từng giống cây trồng.  

Ứng dụng kỹ thuật 15N trong nghiên cứu cố định đạm sinh học và quản lí nguồn hữu cơ

Cố định đạm sinh học là quá trình các hệ vi sinh vật sống cộng sinh trong các nốt sần của rễ cây thu nhận khí Ni-tơ trong không khí và chuyển chúng thành dạng cây có thể sử dụng được. Nhờ vào quá trình cố định đạm sinh học mà khi canh tác các loại cây có khả năng cố định đạm (như cây họ đậu) sẽ giảm lượng phân bón N sử dụng. Trong các nghiên cứu về cố định đạm sinh học, kỹ thuật 15N được sử dụng để nghiên cứu số lượng N cố định được bởi các cây họ đậu, mối tương quan trong việc cung cấp N (cho cây và đất) khi trồng xen hoặc trồng luân canh giữa cây họ đậu với các loại cây trồng khác từ đó có chế độ bón phân N hợp lý.

Kỹ thuật 15N là kỹ thuật duy nhất có thể giúp xác định tồn dư phân N đã sử dụng trong đất và trong các phần không được thu hoạch của cây trồng. Các số liệu về tồn dư N có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý nguồn hữu cơ rất phong phú của nông nghiệp đồng thời giúp xây dựng mô hình cây luân canh, chế độ bón phân N cho vụ sau một cách kinh tế và hiệu quả nhằm hướng đến một nền nông nghiệp phát triển bền vững.

Hỗ trợ của IAEA và FAO trong phát triển ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N ở một số quốc gia, khu vực trên thế giới

Các kỹ thuật hạt nhân cung cấp dữ liệu để tăng độ màu mỡ của đất và sản lượng cây trồng, đồng thời làm giảm thiểu tối đa các tác động của môi trường (Ảnh: website IAEA).

Ở nhiều quốc gia, các chuyên gia hiện đang ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N để giúp các nông dân tối ưu hóa việc sử dụng phân bón cho cây trồng. Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc (FAO) hiện hỗ trợ việc sử dụng kỹ thuật này ở nhiều quốc gia trên thế giới, cung cấp các hỗ trợ kỹ thuật thông qua chương trình hợp tác kỹ thuật của IAEA và đóng vai trò là nền tảng cho hợp tác nghiên cứu thông qua nhiều dự án phối hợp. Hiện tại có hơn 100 quốc gia đang hưởng lợi từ những hỗ trợ này.

Lượng phân bón cần cho cây trồng để đạt được năng suất tối đa.

Ở Myanmar, lúa là cây lương thực quan trọng nhất. Tại đây có nhiều giống lúa truyền thống chỉ cho năng suất cao khi có sự hỗ trợ của phân bón. Nhưng nông dân thì thường không thể mua đủ phân bón, do đó sản lượng và thu nhập của nông dân vẫn thấp. Với sự hỗ trợ của IAEA và FAO, các chuyên gia ở Myanmar đang ứng dụng kỹ thuật đồng vị 15N để xác định khả năng hấp thụ Nitơ của các giống lúa khác nhau. Theo ông Joseph Adu-Gyamfi, một chuyên gia thuộc Phòng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong lương thực và nông nghiệp (liên kết giữa FAO và IAEA) cho biết, các kết quả ban đầu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phân bón nitơ một cách khôn ngoan cho các giống lúa sẽ giúp tiết kiệm khoảng 30% lượng phân bón và giảm khoảng 20% phân bón bị thất thoát vào môi trường trong khi vẫn đạt được sản lượng tối ưu.

Ở Botswana, các nhà khoa học về thổ nhưỡng đang bước đầu sử ụng kỹ thuật đồng vị để xác định lượng phân bón cần thiết cho ớt xanh, rau chân vịt, một số cây trồng khác và đất vườn. Các thí nghiệm vẫn đang được tiến hành, nhưng từ những kết quả ban đầu, ước tính khoảng từ ¼ đến một nửa lượng phân bón sử dụng trên các cánh đồng ngũ cốc bị lãng phí. Điều này không chỉ làm tăng chi phí không cần thiết cho nông dân, mà các chất nitrat không được sử dụng sẽ làm ô nhiễm nguồn nước ngầm gần các khu vực canh tác nông nghiệp. Đối với một đất nước dựa nhiều vào các hồ chứa nước ngầm để làm nguồn cung cấp nước uống như Botswana thì điều này là rất rủi ro.

Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật 15N ở Việt Nam 

Ở Việt Nam, từ những năm 1980, với sự giúp đỡ, phối hợp của FAO và IAEA, nhiều nghiên cứu của Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam và một số đơn vị nghiên cứu – triển khai trong nước (chủ yếu ở khu vực Nam Bộ) đã được thực hiện, trong đó đồng vị 15N được sử dụng làm chất đánh dấu để định lượng chính xác sự di chuyển trong cây và đất của N có nguồn gốc từ phân bón, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phân N. Nhiều dự án hợp tác kỹ thuật, đề tài cấp Bộ liên quan đến việc ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N để xác định lượng phân bón tối ưu, khả năng cố định đạm sinh học,… đã được triển khai thực hiện, với sự tham gia của các đơn vị như Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Khoa học Nông nghiệp Miền Nam, Đại học Cần Thơ,… Trong đó có thể kể đến như Dự án hợp tác kỹ thuật với IAEA mã số VIE/5/11 “Ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N và 32P trong nghiên cứu quan hệ Đất-Phân-Cây trồng” (từ 1988-1992), Chương trình “Khảo sát hiệu quả sử dụng phân nitơ của lúa cao sản trồng trên đất phù sa Đồng bằng Sông Cửu Long bằng phương pháp 15N đánh dấu” (từ 1990 -1994), Đề tài cấp Bộ “Tuyển chọn và khảo sát ảnh hưởng của vi khuẩn cố định đạm lên cây cao su, sử dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N” (từ 2016 – 2017),... Những kết quả thu được từ các nghiên cứu kể trên đã giúp nông dân tại một số địa phương thuộc tỉnh Cần Thơ, Tiền Giang, Đồng Nai… sử dụng phân bón một cách hiệu quả nhất, góp phần tiết kiệm được chi phí đầu vào. Một số kết quả đã được đăng tải trên các tạp chí khoa học quốc tế, được trình bày và ghi nhận tại các hội nghị, hội thảo khoa học liên quan trong và ngoài nước. 

***

Kỹ thuật đánh dấu đồng vị 15N là kỹ thuật trực tiếp xác định nhanh và chính xác lượng phân bón cây hấp thu có nguồn gốc từ phân bón N, cũng như tồn dư phân N đã sử dụng trong đất và trong các phần không được thu hoạch của cây trồng. Các số liệu về tồn dư N có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý nguồn hữu cơ rất phong phú của nông nghiệp đồng thời giúp xây dựng mô hình cây luân canh, chế độ bón phân N cho vụ sau một cách kinh tế và hiệu quả nhằm hướng đến một nền nông nghiệp phát triển bền vững.

Trần Xuân Bách, Phòng Thông tin năng lượng nguyên tử 

Tổng hợp từ nguồn: IAEA, Trung tâm Hạt nhân Tp. Hồ Chí Minh

Google translate
Liên kết
  • Bộ Khoa học và Công nghệ
    Bộ Khoa học và Công nghệ
Thư viện ảnh
Đối tác
Media
Thống kê truy cập