Dự án nghiên cứu “Ứng dụng cảm biến thông minh nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng nước trong canh tác lúa ở ĐBSCL” nhằm kiểm nghiệm tính khả thi của việc ứng dụng cảm biến thông minh cho hệ thống bơm tưới tự động, qua đó thúc đẩy việc ứng dụng kỹ thuật ngập khô sen kẻ (AWD) trong canh tác lúa nước ở Việt Nam. Dự án được triển khai từ tháng 7/2017 đến tháng 5/2019 tại 3 tỉnh: Trà Vinh, Cần Thơ và An Giang. Kết quả từ vụ lúa đầu tiên cho thấy, lượng nước tưới cho nghiệm thức ứng dụng AWD có cảm biến ít hơn rất nhiều so với nghiệm thức không có cảm biến (8.401 m3 /ha/vụ so với 12.551 m3 /ha/vụ). Điều này gợi ý rằng ứng dụng kỹ thuật AWD có cảm biến giúp giảm lượng nước tưới trong sản xuất lúa. Về năng suất, phân tích năng suất lý thuyết và năng suất thực tế đều cho thấy rằng ứng dụng kỹ thuật AWD giúp gia tăng tỷ lệ hạt trên bông, vì vậy giúp tăng năng suất lúa. Về phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, kết quả đo lường lượng phát thải khẳng định việc quản lý nước hiệu quả trên ruộng lúa bằng kỹ thuật AWD có thể giúp giảm một lượng đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (lượng CO2 tương đương).
Trang 1480
Phạm Vũ Bằng Diệp Thanh Tùng
TÓM TẮT
Dự án nghiên cứu “Ứng dụng cảm biến thông minh nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng nước trong canh tác lúa ở ĐBSCL” nhằm kiểm nghiệm tính khả thi của việc ứng dụng cảm biến thông minh cho hệ thống bơm tưới tự động, qua đó thúc đẩy việc ứng dụng kỹ thuật ngập khô sen kẻ (AWD) trong canh tác lúa nước ở Việt Nam Dự án được triển khai từ tháng 7/2017 đến tháng 5/2019 tại 3 tỉnh: Trà Vinh, Cần Thơ và An Giang Kết quả từ vụ lúa đầu tiên cho thấy, lượng nước tưới cho nghiệm thức ứng dụng AWD có cảm biến ít hơn rất nhiều
so với nghiệm thức không có cảm biến (8.401 m3/ha/vụ so với 12.551
m3/ha/vụ) Điều này gợi ý rằng ứng dụng kỹ thuật AWD có cảm biến giúp giảm lượng nước tưới trong sản xuất lúa Về năng suất, phân tích năng suất lý thuyết
và năng suất thực tế đều cho thấy rằng ứng dụng kỹ thuật AWD giúp gia tăng tỷ
lệ hạt trên bông, vì vậy giúp tăng năng suất lúa Về phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, kết quả đo lường lượng phát thải khẳng định việc quản lý nước hiệu quả trên ruộng lúa bằng kỹ thuật AWD có thể giúp giảm một lượng đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (lượng CO2 tương đương)
Từ khóa: Canh tác lúa thích ứng với biến đổi khí hậu; AWD thông minh;
Hiệu quả sử dụng nước; Nông nghiệp chính xác; Ngập khô xen kẻ
1 Giới thiệu
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là một thách thức mang tính toàn cầu Trong những năm gần đây, đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đang phải đối mặt với rất nhiều những tác động tiêu cực của BĐKH, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh hoạt của người dân ở toàn vùng Duyên hải phía đông Hiện tượng El Nino cực đoan năm 2015 – 2016 làm cho lượng mưa trong lưu vực sông Mekong thấp kỷ lục, dẫn đến tình trạng hạn hán và xâm nhập mặn nghiêm trọng trên toàn vùng Số liệu thống kê của Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam (2016)
Trang 2481
ghi nhận: đến cuối tháng 2/2016, nước mặn với nồng độ 4‰ đã xâm nhập sâu
đến 65 km tại các khu vực thuộc cửa sông Tiền và đến 60 km tại các khu vực
thuộc cửa sông Hậu Do ảnh hưởng của xâm nhập mặn, nhiều lĩnh vực kinh tế
và đời sống dân sinh của 10/13 tỉnh thành phố trong khu vực (Long An, Tiền
Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Kiên Giang, Cà Mau, Hậu
Giang và Vĩnh Long) đã bị ảnh hưởng nghiêm trọng Thống kê đến tháng
3/2016 đã có 224.552 ha đất canh tác lúa của 10/13 tỉnh, thành phố thuộc khu
vực ĐBSCL bị thiệt hại do nhiễm mặn; khoảng 800.000 người bị thiếu nước
sinh hoạt (Bộ nông nghiệp & phát triển nông thôn, 2016)
Dựa trên các kịch bản về BĐKH và mực nước biển dâng có thể khẳng
định rằng tình trạng thiếu hụt tài nguyên nước đặc biệt là cho sản xuất nông
nghiệp tiếp tục là một thách thức trong một đến hai thập niên tới Vấn đề thiếu
hụt tài nguyên nước xuất phát nhiều nguyên nhân, bao gồm: việc khai thác quá
mức nguồn nước ngầm (ở vùng thượng nguồn và hạ nguồn sông Mekong, xâm
nhập mặn gia tăng (do hạn chế dòng chảy và nước biển dâng), sự kém hiệu quả
trong sử dụng nước, …
Trước những thách thức như trên, Chính phủ xác định cần phải phát triển
ngành nông nghiệp theo hướng thích ứng và thông minh với BĐKH, khuyến
khích và xúc tiến các giải pháp canh tác bền vững về môi trường Ngày 17
tháng 11 năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Nghị quyết 120/NQ –
CP về phát triển bền vững đồng bằng sông Cửu Long thích ứng với biến đổi khí
hậu Theo đó, Chính phủ xác định các mô hình phát triển nông nghiệp cần thích
ứng theo tự nhiên, thân thiện với môi trường và phát triển bền vững với phương
châm chủ động sống chung với lũ, ngập, nước lợ, nước mặn trên cơ sở khuyến
khích sự tham gia của tất cả các bên liên quan
Ở cấp độ các dự án phi chính phủ, nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm
hướng đến các giải pháp canh tác nông nghiệp bền vững và thích ứng với
BĐKH Có thể kể đến một số dự án ở ĐBSCL như Dự án thích ứng biến đổi khí
hậu vùng Đồng bằng sông Cửu Long (AMD) tại tỉnh Trà Vinh và Bến Tre được
thực hiện theo Hiệp định vốn vay giữa nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt
Nam và Quỹ phát triển nông nghiệp Quốc tế (IFAD), dự án Mekong Future
(được tài trợ bởi AusAID), dự án CLUES (do Trung tâm Nghiên cứu Nông
nghiệp Quốc tế Australia tài trợ), …
Trong bối cảnh này, Trường Đại học Trà Vinh là một trong những Viện,
Trang 3482
để phối hợp, chủ trì thực hiện các dự án có liên quan đến BĐKH Trong giai đoạn 2018 – 2019, Trường Đại học Trà Vinh đã chủ trì dự án và cùng với các đối tác để triển khai dự án “Ứng dụng cảm biến thông minh nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng nước trong canh tác lúa ở ĐBSCL” (Feasibility Study of Improving Water Use Efficiency in Irrigated Rice through Deployment of Smart Sensors, gọi tắt là Smart Farming) do Ngân hàng Thế giới tài trợ trên cơ
sở tích hợp giải pháp tưới khô xen kẽ (AWD) và công nghệ kết nối vạn vật (IoT) để quản lý nước trong canh tác lúa Dự án này là một trong nhiều dự án đang minh họa cho những nỗ lực của Trường Đại học Trà Vinh để gắn kết với cộng đồng trước những thử thách phức tạp của biến đổi khí hậu trong khu vực
2 Tổng quan nghiên cứu
2.1 Mục tiêu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là nhằm đưa ra các bằng chứng thực nghiệm về các tiện ích, lợi ích và rào cản trong việc ứng dụng công nghệ (cụ thể là cảm biến thông minh đo mực nước và ứng dụng trên nền tản điện thoại thông minh) để quản lý hiệu quả nguồn nước trong canh tác lúa ở ĐBSCL
2.2 Giải pháp công nghệ
Kỹ thuật canh tác ngập khô sen kẻ (AWD) đã được chứng minh là một trong những giải pháp giúp tiết kiệm nước tưới trong canh tác lúa Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng dụng AWD có thể giảm lượng nước tưới khoảng 23% (Bouman & Tuong, 2001) hoặc có thể giảm đến 30% (Reiner Wassmann, 2014) so với phương thức canh tác để ngập nước liên tục Bên cạnh đó, ứng dụng AWD trong canh tác lúa cũng góp phần giảm đáng kể lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính Tapan K và cộng sự (2014) chứng minh rằng về lý thuyết việc quản lý nguồn nước tưới một cách tối ưu có thể giảm đến 90% lượng khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính Trong khi đó, Yamaguchi Takayoshi
và cộng sự (2017) cũng khẳng định, việc ứng dụng AWD có thể làm giảm đáng
kể phát thải khí mê-tan (CH4)
Tuy nhiên, việc ứng dụng AWD trong canh tác lúa ở ĐBSCL chưa được phổ biến phần lớn là do tập quán canh tác truyền thống với nhận thức rằng cây lúa luôn cần nhiều nước trong suốt thời gian sinh trưởng của nó Trong phạm vi
dự án Smart Farming, Trường Đại học Trà Vinh đã kết hợp các ưu điểm từ
Trang 4483
phương pháp canh trác AWD và công nghệ IoT giúp việc quản lý nước hiệu quả
hơn, đồng thời, giảm đáng kể phát thải nhà kính (mê-tan) nảy sinh từ canh tác
lúa
Như mô tả chi tiết trong Hình 1 bên dưới, công nghệ cảm biến thông
minh và ứng dụng IoT sẽ hỗ trợ nông dân trồng lúa đưa ra các quyết định bơm
tưới chính xác theo nhu cầu cây lúa trong từng giai đoạn sinh trưởng Các ống
AWD được tích hợp các cảm biến thông minh đo mực nước sẽ được lắp đặt trên
đồng ruộng Cảm biến sẽ liên tục cập nhật dữ liệu về mực nước theo thời gian
thực lên trung tâm lưu trữ đám mây thông qua một thiết bị điều khiển trung
tâm Bằng cách truy cập vào ứng dụng (App) trên điện thoại di động, nông dân
có thể điều khiển (bậc / tắt) máy bơm từ xa để đưa nước vào ruộng
Việc tích hợp công nghệ nêu trên được kỳ vọng không chỉ tạo ra sự tiện
lợi và tiết kiệm thời gian cho người sản suất mà còn thúc đẩy việc ứng dụng
rộng rãi kỹ thuật canh tác AWD trên cây lúa, góp phần ổn định và cải thiện sinh
kế người trồng lúa trong bối cảnh nguồn tài nguyên nước phục vụ sản suất
trong vùng ngày càng trở nên khan hiếm do tác động của BĐKH
Hình 1 Giải pháp công nghệ Nguồn: Thiết kế dự án, 2017
2.3 Thời gian và vùng nghiên cứu
Dự án nghiên cứu “Ứng dụng cảm biến thông minh nhằm cải thiện hiệu
quả sử dụng nước trong canh tác lúa ở ĐBSCL” được triển khai tại ba tỉnh: Trà
Vinh, Cần Thơ và An Giang trong 4 vụ lúa, giai đoạn từ tháng 7/2019 đến
tháng 5/2019 Nghiên cứu này sử dụng phương pháp có sự tham gia, với
khoảng 100 hộ nông dân trên quy mô diện tích khoảng 150 ha Đến thời điểm
Trang 5484
đủ cho cả dự án Các số liệu, kết quả được trình bày sau đây là dữ liệu từ vụ lúa đầu tiên
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Về hiệu quả sử dụng nước tưới
Lượng nước tưới cho nghiệm thức ứng dụng cảm biến thông minh ít hơn đáng kể so với nghiệm thức ứng dụng phương pháp canh tác truyền thống (8.401 m3/ha/vụ so với 12.551 m3/ha/vụ) Điều này cho thấy kỹ thuật AWD với cảm biến giúp giảm lượng nước tưới trong sản xuất lúa Bên cạnh đó, nông dân tham gia dự án xác nhận rằng với AWD tích hợp cảm biến, việc bơm tưới trở nên tiện lợi hơn bởi vì họ không cần phải tự tay đo mực nước trên ruộng trước khi vận hành máy bơm Thay vào đó, họ có thể dễ dàng và điều khiển máy bơm bằng cách sử dụng ứng dụng được cài đặt trên điện thoại thông minh của mình Điều này có nghĩa là với công nghệ nông dân có thể có nhiều thời gian hơn để tham gia vào các hoạt động tạo thu nhập khác
Bảng 1 So sánh lượng nước tưới giữa các nghiệm thức
Lượng nước tưới (m3/ha)
Lô AWD có cảm biến 7.486 3.242 10.728
Lô AWD thủ công 6.982 3.242 10.224
Lô canh tác thông thường 6.982 3.242 10.224
Nguồn: Dữ liệu nghiên cứu, 2017 3.2 Về năng suất
Trung bình, tỷ lệ hạt chắc trong nghiệm thức AWD có cảm biến và nghiệm thức AWD thủ công cao hơn so với nghiệm thức ngập thông thường (lần lượt là 7% và 11%) Cần lưu ý rằng sự khác biệt về năng suất này cao hơn
số liệu được báo cáo trong nghiên cứu của dự án CORIGAP (chỉ khoảng 3,4% vào mùa khô và 5,2% vào mùa mưa của năm 2014) và một nghiên cứu của Khoa Nông nghiệp và Ứng dụng Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ (khoảng 4% vào mùa khô năm 2014) (Nguyễn Ngọc Đệ, 2017) Phân tích cả năng suất
lý thuyết và thực tế cho thấy việc áp dụng kỹ thuật AWD trong sản xuất lúa giúp tăng năng suất Kỹ thuật AWD cho phép nông dân quản lý nguồn cung cấp nước để tạo ra những điều kiện tốt nhất cho sự tăng trưởng của cây lúa Đồng
Trang 6485
thời, giảm đáng kể lượng nước tưới cho cây lúa vào những giai đoạn lúa không
cần nhiều nước Một mặt, cách làm này giúp tiết kiện nước, mặt khác, theo đặc
điểm sinh học của cây lúa, rễ cây có khuynh hướng lan sâu hơn vào đất để tìm
nước, giúp cho cây lúa đững vững hơn, hạn chế ngã đổ khi thu hoạch Thông
qua đó, phương thức này giúp gia tăng số bông và tỷ lệ hạt chắc
Bảng 2 Năng suất lý thuyết và năng suất thực tế
Nghiệm thức Số
bông/
m 2
Số hạt / bông
Tỷ lệ hạt chắc (%)
Khối lượng của
1000 hạt (g)
Năng suất lý thuyết (tấn/h a)
Năng suất thực tế (tấn/ha)
Mẫu 5m2
Cả lô
Lô AWD có cảm
biến
254 90.2 65.8 24.04 3.625 3,760 3,364
Lô AWD thủ công 275 85.1 68.6 24.38 3.913 3,800 3,498
Lô canh tác thông
thường
300 68.5 70.8 23.99 3.492 3,300 3,270
Trung bình 276 81.3 68.4 21.40 3.676 3,620 3,377
Nguồn: Dữ liệu nghiên cứu, 2017
3.2 Về phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính
Lượng phát thải khí mê-tan (CH4) trong nghiệm thức AWD có cảm biến
thấp hơn 30% so với nghiệm thức canh tác thông thường (tương đương 3 tấn
CO2/ha/vụ so với 4,5 tấn CO2/ha/vụ
Trang 7486
Lô với AWD
Canh tác thông thường
Hình 2 Lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (tấn CO2 tương đương/ha/vụ)
Nguồn: Dữ liệu nghiên cứu, 2017
Kết quả từ các nghiên cứu khác cũng khẳng định rằng lượng phát thải khí mê-tan được quyết định bởi thực hành quản lý nước tưới và sử dụng phân bón
Ví dụ, dự án VLCRP triển khai tại hai tỉnh Kiên Giang và An Giang trong năm
2015 kết luận rằng lượng phát thải khí mê-tan tối đa là 55 tấn CO2 tương đương/ha/vụ (Tran Kim Tinh and Joseph Rudek, 2015) Trong khi đó, việc quản lý nước hiệu quả hơn nhờ ứng dụng kỹ thuật AWD giúp giảm đến 60% lượng khí thải Nguyễn Thị Kiều và cộng sự (2017) chỉ ra rằng ứng dụng kỹ thuật AWD tại vùng Hậu Giang giúp giảm đến 33% lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính (khoảng 15 tấn CO2 tương đương/ha/vụ)
4 Kết luận
Mặc dù còn khá sớm để đưa ra các kết luận chính xác hơn khi chỉ qua một vụ triển khai nghiên cứu; song, những kết quả bước đầu như trên cho thấy việc ứng dụng kỹ thuật AWD trong canh tác lúa nước là hoàn toàn phù hợp trong bối cảnh khan hiếm nguồn tài nguyên nước Bên cạnh việc góp phần cải thiện năng suất cây trồng, thực hành quản lý hiệu quả nước tưới thông qua kỹ thuật AWD còn góp phần giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính
Mặc dù vậy, việc triển khai mô hình AWD kết hợp với IoT ở phạm vi rộng cũng đối mặt với nhiều thử thách, bao gồm một số đặc điểm sau đây:
- Chi phí đầu tư trên một đơn vị diện tích canh tác còn cao Các yêu cầu đặt ra để áp dụng mô hình này hiệu quả về mặt kỹ thuật cần thiết phải có sự
Trang 8487
chuẩn bị cẩn thận về hạ tầng, bao gồm bờ bao, hệ thống dẫn nước, áp dụng các
kỹ thuật san bằng mặt ruộng, máy bơm và hệ thống điện để vận hành máy bơm
và các thiết bị cảm biến chuyên dùng để đo mực nước và truyền thông tin qua
internet và đến điện thoại
- Nhận thức và sự hiểu biết của người dân về AWD và biến đổi khí hậu
chưa phổ biến Trong phạm vi dự án, chỉ một số nông dân tham gia đã có kinh
nghiệm thực hành về AWD trước đó Ngoài ra, bên cạnh các chi phí kỹ thuật
nêu trên, các nông dân tham gia còn được dự án cam kết bù năng suất nên nhận
được sự hưởng ứng cao của người dân Việc truyền thông về các hiệu quả thực
tế của dự án sẽ đóng vai trò quan trọng đến sự chủ động thực hành của người
dân khi có thể triển khai ở phạm vi rộng
- Sự hỗ trợ của các tổ chức, chính quyền địa phương là rất quan trọng để
triển khai dự án, cũng như khả năng mở rộng sau dự án Để triển khai mô hình
hiệu quả, xét về cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế, việc quy hoạch vùng sản xuất
cần phải được thực hiện đồng bộ và với quy mô, diện tích đất canh tác lớn
Trong trường hợp áp dụng các kỹ thuật nêu trên ở những địa phương có diện
tích đất canh tác nhỏ, manh mún, sẽ dẫn đến rất nhiều khó khăn, đặc biệt đối
với việc cải tạo hạ tầng và đầu tư thiết bị
Như trên đã đề cập, một trong những lợi ích của phương pháp canh tác
được đề xuất trong dự án là nhằm giảm thiểu phác thải nhà kính được sản sinh
từ canh tác lúa Với vai trò là cây lương thực chủ lực ở vùng ĐBSCL và cả
nước, cây lúa có diện tích trồng lớn nên tổng lượng khí thải ra sẽ rất cao Việc
tiết giảm khí thải nhà kính là một lợi ích vô hình, hoặc ít ra, chưa được định giá
cụ thể vào thời điểm hiện tại ở Việt Nam Các lợi ích này cần được nhìn nhận
và có những hỗ trợ cụ thể từ Nhà nước, thay vì, chỉ dựa vào các hiệu quả tài
chính hữu hình được đánh giá bởi người sản xuất./
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Bouman, B A M., & Tuong, T P (2001) Field water management to
save water and increase its productivity in irrigated lowland rice
Agricultural Water Management, 49(1), 11-30
https://doi.org/10.1016/S0378-3774(00)00128-1
2 Bộ nông nghiệp & Phát triển nông thôn, 2016 Tình hình hạn hán, xâm
nhập mặn ở ĐBSCL, Nam trung bộ và Tây nguyên năm 2016: Nguyên
Trang 9488
3 Nguyen Ngoc De, 2017 AWD training material WB-AWD project
4 Nguyen Thi Kieu (2017) Doctoral thesis
5 Reiner Wassmann (2014) Putting Alternate Wetting and Drying (AWD)
on the map, globally and nationally: International Rice Research Institute (IRRI)
6 Tapan K Adhya, Bruce Linquist, Tim Searchinger, Reiner Wassmann, &
Xiaoyuan Yan (2014) Wetting and drying reducing greenhouse gas
emissions and saving water from rice production Installment 8 of
“Creating a Sustainable Food Future”
7 Thủ tướng Chính phủ, 2017, Nghị quyết 120/NQ – CP về phát triển bền vững đồng bằng sông Cửu Long thích ứng với biến đổi khí hậu
8 Tran Kim Tinh and Joseph Rudek, 2015.The Final report on greenhouse gas measurement in Kien Giang and An Giang provinces Vietnam low carbon rice farming practices project- VLCRP-EDF, 2015
9 Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2016 Báo cáo dự báo mặn xâm nhập tại các cửa sông vùng ven biển ĐBSCL và đề xuất giải pháp chống hạn
http://www.siwrr.org.vn/tv3_files/VKHTLMN_Dubaoman_DBSCL_Cap
%20nhat%20Cuoi%20T2_2016_End.pdf
10 Yamaguchi Takayoshi, Luu Minh Tuan, Minamikawa Kazunori, &
Yokoyama Shigeki (2017) Compatibility of Alternate Wetting and Drying Irrigation with Local Agriculture in An Giang Province, Mekong
Delta, Vietnam Trop Agr Develop., 61(3), 117-127