Nghiên cứu biện pháp tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc

TRÍCH YẾU LUẬN VĂNTên tác giả: Dương Khôi Khoa Tên Luận văn: Nghiên cứu biện pháp tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc Tên cơ sở đào tạo: Học Viện Nông Nghiệp Vi

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

DƯƠNG KHÔI KHOA

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP TẠO THẢM THỰC VẬT BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC NHẰM BẢO VỆ ĐẤT DỐC

Chuyên ngành:

Mã số:

Người hướng dẫn khoa học:

Khoa học môi trường 8440301

PGS TS Nguyễn Thị Minh

NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan

và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày…tháng …năm 2018

Tác giả luận văn

Dương Khôi Khoa

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi

đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng

và biết ơn sâu sắc PGS TS Nguyễn Thị Minh đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian giúp đỡ tôi thực hiện đề tài Ngoài ra, tôi vô cùng cảm ơn PGS TS Nguyễn Thị Minh đã tạo điều kiện cho tôi được kế thừa các

số liệu về phân lập, tuyển chọn các chủng nấm rễ trong đề tài nghiên cứu

“Tuyển chọn giống Arbuscular mycorrhizae và Rhizobium dùng để sản xuất vật liệu sinh học nhằm tái tạo thảm thực vật làm tiểu cảnh trong khuôn viên” Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo,

Bộ môn Vi sinh vật, Khoa Môi trường – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp

đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./.

Hà Nội, ngày…tháng …năm 2018

Tác giả luận văn

Dương Khôi Khoa

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục bảng vii

Danh mục hình viii

Trích yếu luận văn ix

Thesis abstract xi

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Phạm vi của đề tài 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Thời gian và địa điểm thực hiện nghiên cứu 2

1.4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 4

2.1 Khái niệm về đất dốc, đất trống đồi trọc tại Việt Nam 4

2.2. Nguyên nhân gây tăng diện tích đất trống đồi trọc và ảnh hưởng của nó đến môi trường 4

2.3 Các biện pháp tái tạo thảm thực vật 6

2.3.1 Các biện pháp tái tạo thảm thực vật trên thế giới 6

2.3.2 Các biện pháp tái tạo thảm thực vật ở Việt Nam 7

2.4 Khái niệm và thành phần của vật liệu sinh học 9

2.4.1 Khái niệm vật liệu sinh học 9

2.4.2 Thành phần của vật liệu sinh học 10

2.5 Nấm rễ cộng sinh Mycorrhizae 11

2.5.1 Khái niệm, phân loại 11

2.5.2 Endomycorrhizal (nấm rễ nội cộng sinh) 13

2.5.3 Ectomycorrhizal (nấm rễ ngoại cộng sinh) 17

2.5.4 Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM) 17

2.6. Cơ sở khoa học của việc sử dụng nấm rễ cộng sinh để sản xuất vật liệu

sinh học và tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học 19

2.6.1 Mối quan hệ cộng sinh giữa nấm rễ và cây chủ 19

2.6.2 Sự phản hồi của cây trồng với nấm rễ nội cộng sinh 21

Phần 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 23

3.1 Đối tượng nghiên cứu 23

3.2 Vật liệu nghiên cứu 23

3.3 Phạm vi nghiên cứu 23

3.4 Nội dung nghiên cứu 23

3.5 Phương pháp nghiên cứu 23

3.5.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp 23

3.5.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 23

3.5.3 Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 24

3.5.4 Phương pháp lựa chọn cây chủ 24

3.5.5 Phương pháp xử lý số liệu 25

3.5.6 Phương pháp sản xuất vật liệu sinh học 25

3.5.7 Phương pháp kế thừa 27

Phần 4 Kết quả và thảo luận 27

4.1 Đặc điểm của nấm rễ dùng để sản xuất vật liệu sinh học 27

4.2 Lựa chọn cây chủ dùng để tái tạo thảm thực vật 29

4.2.1 Lựa chọn cây chủ để nhân giống nấm rễ 29

4.2.2 Lựa chọn cây chủ để tái tạo thảm thực vật ngoài thực địa 34

4.3 Chất lượng của vật liệu sinh học 35

4.4. Điều kiện sử dụng vật liệu sinh học và quá trình tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học trên đất dốc 36

4.4.1 Điều kiện sử dụng vật liệu sinh học trên đất dốc 36

4.4.2. Quy trình công nghệ sử dụng vật liệu sinh học nhằm tái tạo thảm thực vật nhằm bảo vệ đất dốc 39

4.5 Hiệu quả tái tạo thảm thực vật trên đất dốc bằng vật liệu sinh học 40 4.5.1. Hiệu quả của xử lý vật liệu sinh học đến sinh trưởng, phát triển của đậu mèo 40 4.5.2 Ảnh hưởng của vật liệu sinh học đến tính chất đất thí nghiệm 47

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 49

5.1 Kết luận 49

5.2 Kiến nghị 49

Tài liệu tham khảo 51

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AM (Arbuscular Mycorrhizae) Nấm rễ cộng sinh ArbuscularAMF (Arbuscular Mycorrhizal Fungi) Loại hình nấm nội cộng sinh thể A

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Đặc điểm của nấm rễ AM 28Bảng 4.2.Sự phát triển của nấm rễ trên các cây chủ sau 30 ngày xử lý nấm rễ 30Bảng 4.3.Ảnh hưởng của nấm rễ đến sinh trưởng và phát triển của cây chủ

33

Bảng 4.4 Theo dõi sự nảy mầm của hạt giống 35Bảng 4.5 Tính chất của vật liệu sinh học 36Bảng 4.6 Hiệu quả của màng che phủ 37Bảng 4.7.Ảnh hưởng của xử lý vật liệu sinh học đến một số chỉ tiêu sinh trưởng

của cây đậu mèo 40Bảng 4.8.Ảnh hưởng của xử lý vật liệu sinh học đến một số chỉ tiêu nông hóa

của đất sau 8 tuần thí nghiệm 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sự phát triển của Glomus mosseae 14

Hình 2.2 Vesicles (túi) trong VAM 14

Hình 2.3 Sự xâm nhập vào rễ thực vật của nấm cộng sinh rễ trong 15

Hình 2.4 Mô hình một số mycorrhizal từ các loài nấm khác nhau 16

Hình 2.5 Hartig net của Populus 18

Hình 2.6 Sự xâm nhập rễ thông của Pisolithus tinctorius 18

Hình 3.1 Quy trình sản xuất vật liệu sinh học 25

Hình 4.1 Bào tử nấm AM 27

Hình 4.2 Quá trình sinh trưởng của bào tử nấm rễ Gigaspora sp6 28

Hình 4.3. Tỷ lệ mức độ xâm chiếm rễ và số lượng bào tử so với đối chứng khi xâm nhiễm 2 chủng nấm rễ lên hệ rễ cây Đậu xanh 31

Hình 4.4. Tỷ lệ chiều dài rễ so với đối chứng khi xâm nhiễm 2 chủng nấm rễ lên hệ rễ cây Đậu xanh 32

Hình 4.5 Nhân giống nấm rễ trên cây Đậu xanh 33

Hình 4.6 Quy trình sử dụng vật liệu sinh học nhằm tái tạo thảm thực vật 38 Hình 4.7 Thí nghiệm về màng che phủ đát 39

Hình 4.8 Chiều cao cây đậu mèo trong 8 tuần khảo sát 41

Hình 4.9 Tỷ lệ chiều cao các cây chủ so với các đối chứng 43

Hình 4.10 Sự biến động của diện tích lá theo thời gian thử nghiệm 44

Hình 4.11 Tỷ lệ giá trị LAI so với các đối chứng của Đậu mèo, Ngô và Vừng 45 Hình 4.12 Tái tạo thảm thực vật ở Bắc Giang 46

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Dương Khôi Khoa

Tên Luận văn: Nghiên cứu biện pháp tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc

Tên cơ sở đào tạo: Học Viện Nông Nghiệp

Việt Nam Mục đích nghiên cứu

Arbuscular Mycorhizae (AM) là loài nấm rễ nội cộng sinh ở rễ cây mang lại nhiều lợi ích cho cây chủ như làm tăng sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng do tăng cường hấp thụ các chất dinh dưỡng và nâng cao khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường.

Trên cơ sở các đặc tính nêu trên, nấm rễ nội cộng sinh được tích hợp vào vật liệu sinh học trong việc tái tạo thảm thực vật trên đất dốc Mục đích của đề tài là xây dựng quy trình tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc và bước đầu đánh giá hiệu quả của biện pháp tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học trên đất dốc.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài với các nội dung nghiên cứu bao gồm: (i) nghiên cứu đặc điểm của nấm rễ

AM dùng để sản xuất vật liệu sinh học; (ii) lựa chọn cây chủ dùng tái tạo thảm thực vật; (iii) chất lượng của vật liệu sinh học; (iv) điều kiện sử dụng vật liệu sinh học trên đất dốc

và quá trình tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học trên đất dốc; (v) hiệu quả tái tạo thảm thực vật trên đất dốc bằng vật liệu sinh học Tương ứng với các nội dung nghiên cứu trên, phương pháp nghiên cứu quan trọng trong đề tài bao gồm: (i) phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng nhằm đánh giá hiệu quả của màng che phủ đất và đánh giá hiệu quả tái tạo thảm thực vật; (ii) phương pháp lựa chọn cây chủ để nhân giống nấm rễ

và lựa chọn cây chủ để tái tạo thảm thực vật.

Kết quả chính và kết luận

Các chủng AM sử dụng trong vật liệu sinh học kế thừa từ nghiên cứu của Nguyễn Thị Minh (2016) là Gigaspora sp6 và Dentiscutata nigra có tỷ lệ nảy mầm lớn trên 80% và có khả năng cộng sinh tốt với hệ rễ cây chủ Cây đậu xanh (Vigna radiata) được lựa chọn làm cây chủ để nhân giống nấm rễ do có thời gian sinh trưởng ngắn, bộ rễ phát triển nhanh và khỏe mạnh, có khả năng tạo sinh khối lớn trong thời gian ngắn và

phù hợp để cho nấm rễ phát triển và nhân sinh khối nhanh chóng Xét về mức độ xâm chiếm rễ, xử lý nấm rễ bằng Gigaspora sp6 và Dentiscutata nigra lần lượt gấp 13,16 và 11,34 lần so với đối chứng Đối với số lượng bào tử, kết quả này cũng cao gấp 7,71 lần (đối với Gigaspora sp6) và 7,05 lần (đối với Dentiscutata nigra) so với đối chứng.

Quy trình tái tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học trên đất dốc gồm 3 bước chính: (i) Kiểm tra chất lượng vật liệu sinh học, (ii) bổ sung hạt giống (nếu có), (iii) tích hợp màng che phủ Kiểm tra cho thấy vật liệu sinh học có chất lượng luôn

ổn định và vẫn có thể phát huy hiệu quả sử dụng sau 6 tháng sản xuất.

Vật liệu sinh học được thử nghiệm trên cây đậu mèo (Mucuna Pruriens) ở độ

dốc 5 o , trên đất Feralit Thí nghiệm sử dụng 2 công thức: (i) Đối chứng (không dùng vật liệu sinh học, dinh dưỡng tương đương vật liệu sinh học), (ii) sử dụng vật liệu sinh học Sau 8 tuần, chiều cao cây đậu mèo ở công thức có sử dụng vật liệu sinh học vượt trội gấp khoảng 2,07 lần so với đối chứng Cũng sau khoảng thời gian này, giá trị LAI ở công thức sử dụng vật liệu sinh học cao gấp 3,38 lần so với đối chứng.

Một số chỉ tiêu nông hóa đánh giá chất lượng đất trước và sau khi thí nghiệm chưa cho thấy sự thay đổi ngoại trừ số bào tử nấm rễ ở công thức sử dụng vật liệu sinh học có cao hơn so với trước thí nghiệm là 56,6 lần và so với đối chứng là 14,89 lần.

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Duong Khoi Khoa

Thesis title: Study on measures to create vegetation cover by bio-material

to protect sloping land.

Educational organization: Vietnam National University of

Agriculture (VNUA) Research Objectives

Arbuscular Mycorhizae is an endosymbiotic fungus that provides many beneficial effects to the host as it enhances plant growth and development by enhancing the uptake of nutrients and enhancing the resistance of the host plants adverse conditions of the environment.

Based on the above characteristics, an endosymbiotic fungi was integrated into biological material in the regeneration of vegetation on sloping land The purpose of the project is to develop a process of regeneration of vegetation cover with bio-material to protect sloping land and to first evaluate the effectiveness

Materials and Methods

Research topics include: (i) characterization of AM rootstocks for the production of biological materials; (ii) selection of trees for vegetation regeneration; (iii) the quality of the biological material; (iv) conditions for the use of biological materials on sloping land and the process of regeneration of vegetation by biological materials on sloping land;

(v) efficient regeneration of vegetation on sloping land by bio-material In line with the above research topics, important research methods in the subject matter include: (i) field orchestration methodology for evaluating the effectiveness of soil cover films and assessing the effect of regeneration vegetation; (ii) method of selection of host plants for propagation of mycorrhizal fungi and selection of host plants for

vegetation regeneration Main findings and conclusions

The mycorrhizal strains inherited from the biotech legume Nguyen Thi Minh (2016) are Gigaspora sp6 and Dentiscutata nigra with a high germination rate of over 80% and good symbiosis with host root systems Green bean (Vigna radiata) is selected as the host for rooting mycorrhizal fungi due to their short growth time, rapid growth and strong root formation, which is capable of producing large biomass in short time

and is suitable for for root growth and rapid multiplication In terms of root penetration, rooting with Gigaspora sp6 and Dentiscutata nigra was 13.16 and 11.34 times, respectively, than control For the number of spores, this result was 7.71 times higher (for Gigaspora sp6) and 7.05 times (for Dentiscutata nigra) than control.

The process of regeneration of vegetation cover by biological material on sloping land consists of 3 main steps: (i) quality control of biological material, (ii) seed supplementation (if any), (iii) cover The test showed that the quality of the bio-material is always stable and can still be used effectively after 6 months of production.

Biological material was tested on Mussel (Mucuna Pruriens) at 5 0 slope, on Feralit soil The experiment uses 2 formulas: (i) control (no biological material, contens of nutrient like materials), (ii) use of biological materials After 8 weeks, the height of the formula was 2.07 times higher than the control Also after this period, the LAI value of the bio-material formula was 3.38 times higher than that of the control.

Some agronomic indicators of soil quality before and after the experiment showed no changes except the number of mycorrhizal spores

in the formulation using biomass were higher than before the experiment was 56, 6 times and compared to the control is 14.89 times

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Vùng đồi núi Việt Nam chiếm 3/4 diện tích tự nhiên của cả nước Thống kê gần đây cho thấy ở vùng đồi núi hiện có nhiều triệu hecta đất tầng mỏng, đất trống đồi núi trọc Mặc dù còn gặp nhiều khó khăn trở ngại, đất đồi núi ở Việt Nam, mà chủ yếu là đất dốc, có rất nhiều tiềm năng phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội của cộng đồng Vùng đất dốc ngày càng có vai trò quan trọng khi ảnh hưởng của biến đổi khí hậu rõ rệt, đặc biệt là khi mực nước biển dâng cao, ảnh hưởng xấu đến nhiều vùng châu thổ rộng lớn Miền đồi núi không chỉ là địa bàn cư trú của người dân mà còn là nơi có thể canh tác sản xuất nông sản Chính vì vậy, việc phục hồi sử dụng đất dốc không chỉ đơn thuần là phục hồi tài nguyên mà còn là một trong những hướng đi đúng đắn thích ứng với biến đổi khí hậu.

Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước về các phương thức bảo vệ và phục hồi đất dốc Các phương thức có thể kể đến như trồng cây băng xanh, xen canh cây họ đậu với các cây trồng khác, hoặc mới hơn

cả là sử dụng vật liệu sinh học (VLSH) để tái tạo thảm thực vật (TTV) nhằm cải tạo đất Trong điều kiện đất dốc bị xói lở bề mặt mạnh, đất chai cứng, đá ong hóa, đất không đủ nước và thiếu hụt các chất dinh dưỡng cần thiết thì công nghệ tái tạo thảm thực vật bằng VLSH có nhiều tính ưu việt, tiết kiệm công sức

do sử dụng nấm rễ cộng sinh (Mycorrhizae) Nấm rễ Mycorrhizae cộng sinh ở rễ cây và mang lại nhiều lợi ích cho cây chủ như làm tăng sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng do phát triển bộ rễ tăng cường sự hấp thụ chất dinh dưỡng

và nâng cao khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi của môi trường sống, đồng thời làm tăng khả năng kháng sâu bệnh cho cây (Miller and Jastrow, 1991; Jasper, 1994) Nấm rễ có vai trò đặc biệt quan trọng trong sức sản xuất của cây, sinh thái học của cây và đất và đóng vai trò then chốt trong thuật ngữ “Nông nghiệp bền vững” (Gianinazzi and Schuepp; 1994) Sự tăng cường sinh trưởng của các loài nấm rễ sẽ giúp cho sự thiết lập một hệ sinh thái đa dạng, bền vững

và trở thành yếu tố quan trọng cho sự tái tạo thành công thảm thực vật và rừng.

Ngày nay, việc ứng dụng xử lý các chủng nấm rễ cho cây trồng là xu hướng phổ biến; đặc biệt sự cộng sinh của nấm rễ giúp cho cây có thể sinh trưởng và phát triển được trên các vùng đất trống đồi núi trọc hay bị thiên tai tàn

phá vốn rất nghèo dinh dưỡng và có độ mùn kém Vì vậy, nấm rễ là một trong những nguyên liệu chính để tạo ra vật liệu sinh học dùng cho quá trình tái tạo thảm thực vật và rừng nhằm phủ xanh đất trống đồi núi trọc trong chiến lược phát triển một nền nông nghiệp bền vững Tuy nhiên, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu sinh học này ở Việt nam vẫn còn bỏ ngỏ.

Chính vì những lí do nêu trên, tôi tiến hành thực hiện đề tài: "Nghiên cứu biện pháp tạo thảm thực vật bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc”.

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

nhằm bảo vệ đất dốc.

- Bước đầu đánh giá hiệu quả của biện pháp tái tạo TTV bằng VLSH trên

đất dốc.

1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Biện pháp tái tạo TTV bằng VLSH.

1.3.2 Thời gian và địa điểm thực hiện nghiên cứu

huyện Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang.

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Tài nguyên đất dốc Việt Nam đang đứng trước nguy cơ thoái hóa nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau như sản xuất nông nghiệp không bền vững, hoạt động phá rừng đặc biệt là rừng đầu nguồn, hay do chính sách bảo vệ đất không hợp lý Đất bị thoái hóa, mất dinh dưỡng, giảm độ phì nhiêu làm giảm

sự đa dạng các loại vi sinh vật có ích trong đất kéo theo sự suy giảm của thảm thực vật Thảm thực vật bị tàn phá gây nguy cơ xói mòn, lũ lụt và mất nơi cư trú của nhiều loài sinh vật Đó cũng là nguyên nhân dẫn đến biến đổi khí hậu, ảnh hưởng lớn tới cuộc sống của con người và sinh vật Các biện pháp cải tạo đất

và thảm thực vật hiện nay như vật liệu giữ ẩm, bầu cây, chế phẩm sinh học chưa thực sự hiệu quả do hạn chế về mặt kỹ thuật, kinh phí, giống vi sinh vật có hiệu lực chưa cao, Một hướng mới có triển vọng trong ứng dụng thực tiễn là sử

dụng vật liệu sinh học từ một số chủng vi sinh vật có tính năng đặc biệt với hoạt tính sinh học và khả năng cộng sinh cao trên cây chủ như Mycorrhizae Arbuscular Mycorrhyza Fungi (AMF) là một loại nấm rễ cộng sinh khá phổ biến trên cây trồng và

có vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng của cây, đặc biệt trong điều kiện bất lợi của môi trường Arbuscular mycorrhizae (AM) với khả năng nội cộng sinh, các sợi nấm rễ liên kết chặt chẽ lại với nhau tạo thành một mạng lưới phát triển dày đặc sẽ giúp tăng khả năng hút nước và chất dinh dưỡng cung cấp cho sự phát triển của cây trồng, đặc biệt là các chất dinh dưỡng ở dạng ít tan như photpho (Dighton, 2009) Ngoài ra, hệ thống nấm rễ này còn sản xuất ra các axit mùn làm tăng độ tơi xốp và độ phì nhiêu cho đất, giúp cho cây có thể sinh trưởng và phát triển trên các vùng đất bị tàn phá nghèo dinh dưỡng (Zaki et al., 2008) Trên thế giới, một số tác giả

đã nghiên cứu về việc ứng dụng của AM như bảo vệ rừng tại Bangladesh theo phương pháp xử lý nấm rễ cho cây tại vườn ươm (Mridha, 2003) Dự thảo Mike Amaranthus (2001) ứng dụng nấm rễ cho cỏ Bermuda để xây dựng và bảo trì sân golf tại California và Oregon (Mỹ) giúp cải thiện, tăng cuờng sự phát triển và sức đề kháng của cỏ trên sân golf Nguyễn Thị Minh và cs (2014) đã phân lập và tuyển chọn được giống AM dùng để xử lý cho cây trồng và sản xuất vật liệu sinh học phủ xanh đất trống Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nghiên cứu nào về quy trình tái tạo TTV bằng vật liệu sinh học nhằm bảo vệ đất dốc Nhờ sự cộng sinh giữa nấm rễ và cây trồng, diện tích bề mặt hấp thụ của hệ rễ được tăng lên Do đó, cây chủ hấp thu tốt hơn các chất dinh dưỡng từ bên ngoài (đặc biệt là môi trường nghèo dinh dưỡng) nhờ liên kết với các sợi nấm Như vậy, với sự cộng sinh giữa nấm rễ và cây chủ, cây chủ sẽ có bộ rễ phình to hơn cho phép hút thu được nhiều chất dinh dưỡng hơn, thúc đẩy sinh trưởng phát triển của cây chủ, đảm bảo việc tái tạo thành công thảm thực vật.

PHẦN 2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT DỐC, ĐẤT TRỐNG ĐỒI TRỌC TẠI VIỆT NAM

Vùng đồi núi Việt Nam chiếm 3/4 diện tích tự nhiên của cả nước, phân

bổ từ Bắc vào Nam, có điều kiện tự nhiên phong phú và đa dạng Các yếu tố hình thành đất thay đổi theo từng vùng địa lý thể hiện rõ về các mặt: Ðá mẹ

và mẫu chất, thảm thực vật, khí hậu, địa hình, mặt khác, vùng đồi núi nước

ta đã chịu những tác động rất sâu sắc của con người Nhiều tác động xấu như khai thác rừng không đúng kế hoạch, phá rừng, đốt rừng làm nương rẫy, không thực hiện tốt các biện pháp chống xói mòn dẫn đến hậu quả là nhiều diện tích đất bị thoái hoá nghiêm trọng Thống kê gần đây cho thấy ở vùng đồi núi hiện có nhiều triệu hecta đất tầng mỏng, đất trống đồi núi trọc.

Trần Đình Lý (2003) đưa ra khái niệm về đất dốc, trống (không có TTV che phủ) là "Đất trống đồi núi trọc là những vùng đất chưa có thảm thực vật cây gỗ là chủ yếu hoặc đã có nhưng đã bị tàn phá mà trên đó chỉ còn là những trảng cỏ, trảng cây bụi hoặc các loại cây ăn quả, cây công nghiệp hay đồng cỏ chăn nuôi bị thoái hóa, năng suất thấp, không ổn định" Đây là khái niệm đầu tiên về đất trống đồi trọc ở nước ta Tác giả cũng đã căn cứ vào thành phần thực vật, cấu trúc phẫu diện và độ phì của đất, phân chia đất trống đồi trọc ở nước ta thành 3 nhóm như sau:

- Nhóm I: Gồm những diện tích do rừng bị khai thác kiệt, hoặc do bị đốt, chặt phá rừng để trồng cây nông nghiệp sau 2-3 vụ (đôi khi hơn) rồi bỏ hóa.

rừng bị chặt, đốt để lấy đất trồng cây nông nghiệp ngắn ngày lặp đi lặp lại nhiều lần nhưng không có biện pháp bảo vệ và giữ gìn độ phì của đất, làm cho đất bị xói mòn rửa trôi hóa mạnh.

sỏi đá mà lớp đất mặt còn rất mỏng hoặc đất phát sinh chưa hoàn chỉnh.

2.2 NGUYÊN NHÂN GÂY TĂNG DIỆN TÍCH ĐẤT TRỐNG ĐỒI TRỌC

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN MÔI TRƯỜNG

Ở nước ta có 54 dân tộc thì 50 dân tộc tiến hành canh tác nương rẫy với khoảng 3 triệu người dân du canh trong số 9 triệu đồng bào dân tộc thiểu số Công tác định canh định cư tiến hành từ năm 1968 đến nay về cơ bản mới định

canh tốt được gần 1 triệu người Do vậy, canh tác nương rẫy trong điều kiện hiện nay với diện tích rừng giảm mạnh, dân số gia tăng là nguyên nhân chủ đạo dẫn đến đất TTV che phủ đất đồi núi càng giảm Qua đó, diện tích đất dốc, đất trống ngày ngày càng tăng (Nguyễn Đình Bồng, 2014).

Vấn đề trên xuất hiện gắn liền với sự chặt phá rừng, đốt rừng, làm nương rẫy, sử dụng đất bừa bãi, phương thức canh tác đất dốc lạc hậu của con người, đặc biệt các hiện tượng suy thoái đất diễn ra nhanh trong những thập niên gần đây Sự suy thoái đất của vùng đồi núi không chỉ gây tác hại đến khả năng sản xuất của đất mà nghiêm trọng hơn là đã phá vỡ sự cân bằng hệ sinh thái tự nhiên của vùng đồi núi, làm mất thảm thực vật tự nhiên, mất nguồn dự trữ và khả năng điều hành nước của rừng, gây thảm hoạ thiên tai hạn hán, lũ lụt, thay đổi khí hậu trong vùng Sự suy thoái của đất đồi núi

đã làm thay đổi gần như hoàn toàn cảnh quan tự nhiên của nhiều khu vực đồi núi Diện tích các rừng nhiệt đới nguyên sinh còn rất ít Theo số liệu của

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích che phủ rừng năm 2016 khoảng 41,19% Tuy vậy, có nơi như vùng Tây Bắc chỉ còn 9%, quá thấp so với quy định của Quốc tế (khoảng 40%) Diện tích đất trống đồi núi trọc trên toàn quốc khoảng 13 triệu ha thì vùng đồi núi là hơn 11 triệu ha, trong đó đất xói mòn trơ sỏi đá và đất kết von đá ong hoá không còn khả năng sản xuất nông nghiệp là hơn nửa triệu ha (Nguyễn Đắc Bình Minh, 2017).

Các quá trình trong đất sau đây đã dẫn đến sự suy thoái đất đồi núi :

mưa, tạo ra đất xói mòn trơ sỏi đá Dòng chảy nước càng mạnh, đất càng dốc, càng bị mất lớp thực vật phủ đất thì quá trình này càng xẩy ra mạnh Đây là một trong những trở ngại nghiêm trọng nhất khi sử dụng đất đồi núi.

- Quá trình kết von đá ong hoá trên các vùng đồi gò đã bị chặt phá rừng và mất lớp TTV Lớp đất mặt vừa mỏng, vừa lẫn sỏi kết von, khô hạn và nghèo dinh dưỡng ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển nông lâm nghiệp vùng đồi núi.

- Quá trình chua hoá đất do quá trình Feralit xảy ra khá mãnh liệt ở độ cao 200-1000m của vùng đồi núi Đất đồi núi chua ở nhiều nơi có hàm lượng nhôm di động cao, gây độc trực tiếp cho cây trồng, đặc biệt là các loại cây lương thực và hoa màu Hàm lượng sắt nhôm di động cao còn gây nên hiện tượng giữ chặt lân trong đất làm giảm hiệu lực bón lân cho các loại cây trồng.

- Sự suy giảm cấu trúc đất và giảm khả năng thấm nước và giữ ẩm của đất: do hiện tượng đốt nương, tập quán dọn sạch lớp cỏ, TTV che phủ đất hàng năm trước khi trồng tỉa Đất bị giảm hàm lượng mùn nhanh chóng, đất bị chai cứng, bí chặt nên khó thấm, giữ nước, làm tăng hiện tượng xói mòn rửa trôi (Nguyễn Tử Siêm và Thái Phiên, 1999).

2.3 CÁC BIỆN PHÁP TÁI TẠO THẢM THỰC VẬT

2.3.1 Các biện pháp tái tạo thảm thực vật trên thế giới

Trung tâm nghiên cứu Quốc tế về nông lâm nghiệp (ICRAF) trong báo cáo hàng năm cho biết trong giai đoạn 1996-1998 đã nghiên cứu phủ xanh đất trống đồi trọc bằng nhiều giải pháp khác nhau Có thể nêu một số mô hình đã thực hiện như sau:

Các mô hình đã thực hiện:

Mô hình thảm cỏ luân phiên (Rotation woodlost) nhằm phủ xanh đất trong thời kỳ bỏ hoá Trong mô hình này, người ta đã dùng cây Điển (Sesbaina sesban), một loài cây thuộc họ Đậu (Fabaceae) trồng để phủ xanh đất trong thời kỳ bỏ hoang Sau 2-3 năm có thể khai thác làm củi Phần còn lại đốt hoặc để mục để tăng thêm chất mùn và chất dinh dưỡng cho đất.

Mô hình trồng cây gỗ + cây ăn quả đa tầng (Multitistrata) Trong

mô hình này, các loài cây trồng chủ yếu là cây bản địa sẽ tạo ra một hệ thống trồng trọt bền vững có nhiều sản phẩm và tăng thu nhập.

thảm cỏ chăn nuôi dưới tán rừng thứ sinh (Atangana, 2014)

hình đã xây dựng đều nhằm mục đích bảo đảm an toàn lương thực

và phủ xanh đất trống trọc Những mô hình đã thực hiện gồm:

- Mô hình trồng trọt cải tạo vườn nhà (Home garden) Mô hình nông lâm kết hợp đa tầng, nhiều sản phẩm (Multistrata), trồng cây ăn quả với cây lấy gỗ theo mô hình đa loài nhiều tầng Năm 1968, F.A Bazzaz nghiên cứu quá trình diễn thế phục hồi thảm thực vật trên đất sau trồng trọt bị bỏ hoang ở vùng núi cao Shawnee, Illions (Mỹ) (Atangana, 2014)

* Tại châu Á: gồm các nước Malaysia, Thái Lan.

- Nghiên cứu sử dụng tri thức bản địa trong canh tác phủ xanh để bảo vệ đất và tăng thu nhập cho hệ nương rẫy.

cylindrica).

- Mô hình sử dụng độ tàn che của cây họ đậu để kiểm soát cỏ dại Những nghiên cứu khác cũng đã được thực hiện: phương pháp xây dựng mô hình nông lâm kết hợp (CH.Trachummok, 1982; L Roche, 1982), đào tạo và huấn luyện kỹ năng xây dựng mô hình nông lâm kết hợp để phủ xanh đất trống đồi trọc (R.F Fisher, 1991) Năm 1992, T.Tiunei và cộng sự nghiên cứu về phục hồi thảm thực vật thứ sinh trên đất sau nương rẫy ở Mengla - XiSuang banna (Trung Quốc) đã cho thấy, sau 10 năm rừng phục hồi có 3 tầng: tầng cây gỗ ưu thế, tầng cây bụi, dưới cùng là tầng cỏ và dây leo (Smith and Mbow, 2014).

* Sử dụng vật liệu sinh học

Có nhiều biện pháp cải tạo đất và thảm thực vật nhưng biện pháp sinh học thể hiện tính ưu việt hơn cả Việc sử dụng nấm rễ Arbuscular mycorrhizae (AM) trong tái tạo thảm thực vật đã được nghiên cứu rộng rãi và hiệu quả của chúng đã được chứng minh Tại Nhật Bản, Marumoto K et al (1997) đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ xử lý nấm rễ để tái tạo thảm thực vật và rừng cho các sườn dốc tại vùng đất bị phá hủy sau khi núi lửa phun tại Nagasaki, tạo cảnh quan cho đường cao tốc ở quận Yamaguchi Việc ứng dụng nấm rễ cho cỏ Bermuda để xây dựng và bảo trì sân golf tại California (Mỹ) cũng

đã thu được những kết quả đáng ghi nhận (Mike Amarathus, 2001).

2.3.2 Các biện pháp tái tạo TTV ở Việt Nam

* Giải pháp phủ xanh đất trống đồi núi trọc

Trước đây quan niệm phủ xanh là trồng rừng trên đất trống đã bị mất hoặc chưa có rừng Nhưng đến đầu những năm 1980, cùng với trồng rừng, các biện pháp khác như nông lâm kết hợp, trồng cây ăn quả, cây công nghiệp đều được coi là phủ xanh đất trống đồi trọc Như vậy, phủ xanh đất trống đồi trọc không chỉ có trồng rừng, mà nó còn có giải pháp khác đó là thực hiện canh tác theo mô hình nông lâm kết hợp, trồng cây ăn quả, cây công nghiệp, xây dựng vườn rừng, đồng cỏ chăn nuôi (Nguyễn Đắc Bình Minh, 2017)

* Phủ xanh đất trống đồi trọc bằng trồng rừng

Đối với việc trồng rừng (rừng sản xuất, rừng đặc dụng, rừng phòng hộ) bằng các loài cây nhập nội, các nghiên cứu thường tập trung vào việc tuyển chọn và khảo nghiệm giống, nghiên cứu điều kiện lập địa, phương thức trồng, sinh trưởng phát triển của các loài, cấu trúc rừng phục vụ cho công tác chăm sóc tu bổ Đối với việc trồng rừng nhằm mục đích phòng hộ và bảo vệ môi trường, các tác giả đã đi sâu vào nghiên cứu phục hồi các hệ sinh thái rừng nhiệt đới theo hướng đa loài nhiều tầng bằng các loài cây bản địa (Lê Đồng Tấn, 2007)

* Phủ xanh đất trống đồi núi trọc bằng khoanh nuôi phục hồi rừngCho tới nay, khoanh nuôi phục hồi rừng đang là một giải pháp tích cực để tăng nhanh độ che phủ rừng của nước ta Vấn đề này đã được nhà nước đặc biệt quan tâm, thể hiện qua việc ban hành 2 qui phạm nhằm lợi dụng năng lực tái sinh tự nhiên cho phục hồi rừng: Qui phạm các giải pháp lâm sinh áp dụng cho rừng sản xuất và rừng đặc dụng (QPN 14 - 92) và Qui phạm phục hồi rừng bằng khoanh nuôi xúc tiến tái sinh (QPN 21 - 98) (Nguyễn Đắc Bình Minh, 2017)

* Phủ xanh đất trống đồi núi trọc băng các giải pháp nông lâm kết hợp

Từ những năm 1980, đã có nhiều công trình nghiên cứu về xây dựng

mô hình nông lâm kết hợp để phủ xanh đất trống đồi núi trọc Nguyễn Xuân Đợt (1984) sử dụng đất trống đồi núi trọc theo phương thức nông lâm kết hợp nhằm phát huy hiệu quả tiềm năng lao động và tài nguyên rừng phục vụ các nhiệm vụ kinh tế xã hội bảo vệ môi trường Lâm Công Định (1982, 1984)

đã có một số công bố trong đó trình bày cơ sở khoa học và cơ cấu sản xuất nông lâm kết hợp và giới thiệu một số mô hình nông lâm kết hợp có thể thực hiện ở các tỉnh miền núi để phủ xanh đất trống đồi núi trọc Theo hướng xây dựng mô hình kinh tế môi trường, Nguyễn Hải Tuấn và cs (1993) đã nghiên cứu xây dựng mô hình kinh tế môi trường bền vững ở vùng thượng nguồn sông Trà Khúc Lê Trần Chấn (1994) xây dựng mô hình nông lâm kết hợp 3 tầng: tầng vượt tán là cây công nghiệp, tầng ưu thế sinh thái là Cam bù và tầng dưới tán là cây ưa bóng đa tác dụng Phan Anh (2004) đã xây dựng mô hình Vườn - Ao - Chuồng (VAC), mô hình Vườn - Ao - Chuồng - Rừng (VACR) nhằm nhanh chóng phủ xanh đất trống đồi trọc ở Bản dân tộc Vân Kiều - Phú Lộc - Thừa Thiên Huế Trên cơ sở kết qủa đạt được tác giả đã đề xuất giải pháp phát triển vườn cây lâu năm theo hướng vườn đồi, vườn rừng, phát triển lâm nghiệp theo hướng nông nghiệp để làm vườn đồi vườn rừng.

Như vậy, những năm trước đây, phục hồi, tái tạo TTV chủ yếu là các hoạt động khoanh nuôi đất rừng, sử dụng các mô hình nông lâm kết hợp Tuy vậy, một số các nghiên cứu khác lại cho thấy khả năng phục hồi là không cao Nghiên cứu đặc điểm về cấu trúc rừng thứ sinh phục hồi sau nương rẫy ở huyện Đồng Hỷ

- Thái Nguyên cho thấy khả năng phục hồi tự nhiên của thảm thực vật trong khu vực là không lớn, vì vậy cần có giải pháp chăm sóc tu bổ (Đặng Kim Vui, 2002) Các yếu tố ảnh hưởng và khả năng phục hồi tự nhiên của các quần xã thực vật tái sinh trên đất sau nương rẫy tại Thái Nguyên cho rằng khả năng phục hồi tự nhiên của thảm thực vật trên đất sau nương rẫy phụ thuộc rất nhiều vào mức độ thoái hoá đất, nguồn giống và điều kiện lập địa (Lê Ngọc Công, 2003)

Ngoài ra, mô hình khoanh nuôi phủ xanh đất trống, đồi trọc cũng cho thấy sự bất lợi về kinh tế Lê Đồng Tấn (2007) đã có công trình nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế của một số mô hình phủ xanh đất trống trọc tại Thái Nguyên - Bắc Kạn Theo tác giả mô hình phủ xanh bằng khoanh nuôi phục hồi rừng đã mang lại hiệu quả sinh thái cao đó là tại ra được thảm thực vật đa dạng có khả năng bảo vệ đất, bảo vệ mô trường, nhưng về hiệu quả kinh tế thì không cao Trong khi mô hình vườn rừng và

mô hình trồng rừng sản xuất đã măng lại lợi nhuận cao, góp phần đáng kể trong việc cải thiện đời sống cho người dân địa phương

rễ Arbuscular mycorrhizae (AM) trong tái tạo thảm thực vật đã cho thấy hiệu quả trong sự sinh trưởng, phát triển của cây, cải thiện tính chất đất

và tăng độ che phủ đất đạt trên 60% (Nguyễn Thị Minh và cs., 2014).

2.4 KHÁI NIỆM VÀ THÀNH PHẦN CỦA VẬT LIỆU SINH HỌC

2.4.1 Khái niệm vật liệu sinh học

Khái niệm: Ngành học về vật liệu sinh học (khoa học VLSH) nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học, sinh học của các vật liệu và tương tác giữa các vật liệu này với môi trường sinh học Sự nghiên cứu và phát triển mạnh nhất là hướng đến việc tổng hợp, tối ưu hóa, xác định đặc tính, thử nghiệm và đánh giá

đặc điểm sinh học của các tương tác vật chủ - vật liệu Hầu hết các VLSH gây

ra một phản ứng sinh học không đặc hiệu và rập khuôn Hiện nay, các nhà khoa học đang nỗ lực hướng đến việc phát triển các bề mặt đã được kĩ nghệ

để có thể phù hợp với một ứng dụng cụ thể (Trần Lê Bảo Hà, 2012).

VLSH là vật liệu có chứa các thông tin di truyền, có khả năng tự tái tạo hoặc được tái tạo trong hệ thống sinh học, ví dụ như tế bào, gen, cây chuyển gen.

Dựa theo chất mang có thể chia VLSH thành 2 loại:

+ VLSH được phối trộn theo phương pháp phối trộn chất mang không thanh trùng: tất cả các nguyên liệu dùng để sản xuất VLSH được phối trộn với nhau trong điều kiện tự nhiên.

+ VLSH được phối trộn theo phương pháp phối trộn chất mang có thanh trùng: các nguyên liệu dùng để sản xuất VLSH được phối trộn với nhau trong điều kiện vô trùng (Trần Lê Bảo Hà, 2012) 2.4.2 Thành phần của vật liệu sinh học

Các thành phần cơ bản của VLSH gồm có: cùng với chất hữu cơ, VSV sống trong đất, nước, vùng rễ cây có ý nghĩa quan trọng trong mối quan hệ giữa cây trồng, đất và phân bón Hầu như mọi quá trình xảy ra trong đất đều có sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp của VSV: mùn hóa, khoáng hóa, giải phóng chất dinh dưỡng vô cơ từ hợp chất khó tan hoặc tổng hợp chất dinh dưỡng từ môi trường (Trần Lê Bảo Hà, 2012).

- Giống VSV: VSV là những sinh vật có kích thước nhỏ, được quan sát dưới kính hiển vi bao gồm cả virus, vi khuẩn, nấm, tảo…Chúng có nhiều vai trò quan trọng đối với môi trường như: làm tăng độ phì nhiêu của đất, cải tạo đất, xử lý ô nhiễm môi trường đất, nước, cung cấp các chất dinh dưỡng dễ tiêu từ quá trình cố định đạm hay phân hủy các chất khó tiêu thành các chất dễ tiêu cho cây trồng sinh trưởng, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng nông sản…Việc lựa chọn giống VSV để bổ sung vào VLSH phải đảm bảo yêu cầu, đó là các chủng VSV có ích đã được tuyển chọn có hoạt lực, khả năng cạnh tranh cao, có mật độ đạt tiêu chuẩn quy định và không có khả năng gây hại Việc sử dụng vi sinh vật hữu ích đặc biệt là các chủng nấm rễ nội cộng sinh AM để làm VLSH ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới (Marumoto.K et al., 2006; Mike Amarathus, 2011; M.A.U Mridha, 2003).

- Chất nền: Là chất để VSV được cấy vào đó, cung cấp môi trường thuận lợi cho VSV tồn tại và phát triển, bên cạnh đó nó còn tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển, bảo quản, sử dụng và duy trì hiệu lực của VLSH Chất nền phải chứa một lượng dinh dưỡng nhất định, đảm bảo cung cấp được dinh dưỡng để VSV tồn tại Không được chứa chất có hại cho VSV, cho người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng nông sản…(Nguyễn Như Hà, 2011).

Chất nền được sử dụng trong sản xuất VLSH khá phong phú, thường được sử dụng các loại chất mang dạng vô cơ (bột photphorit, bột apatit, bột xương, bột vỏ sò) hay chất mang dạng hữu cơ (than bùn, bã nấm, phế thải nông nghiệp, rác thải) (Nguyễn Như Hà, 2011).

Chất mang dạng vô cơ đều là các dạng phân lân thiên nhiên, chỉ được dùng

để bón lót và nên bón lót sớm vào đất để cung cấp lân tốt hơn cho cây trồng, thường bón theo hàng, theo hốc, càng gần rễ cây càng tốt, rất phù hợp cho cải tạo đất Tuy nhiên hiệu lực của phân lân tự nhiên phụ thuộc vào độ mịn của phân và kéo dài qua nhiều vụ, phân này chỉ phát huy được hiệu quả khi bón đủ đạm và các loại phân khác, nhất là đất nghèo dinh dưỡng (Nguyễn Như Hà, 2011).

Chất mang dạng hữu cơ có đặc điểm là không tan trong nước, thường có phản ứng trung tính hay kiềm yếu, có tác dụng cải tạo đất khá toàn diện nhưng cần thời gian dài và hàm lượng lớn Về mặt dinh dưỡng, chất mang dạng hữu cơ

là những phân đa yếu tố, nhưng có tỷ lệ các chất dinh dưỡng đều thấp, các chất trong phân đều ở dạng khó tiêu cho cây trồng Nếu sử dụng loại phân này khó

có thể đáp ứng được điều kiện dinh dưỡng của cây trồng đặc biệt là thời kỳ sinh trưởng và thời kỳ cây có nhu cầu dinh dưỡng cao (Nguyễn Như Hà, 2011).

- Chất phụ gia: Ngoài ra, trong thành phần của VLSH còn có thể có các chất dinh dưỡng cho cây trồng Phân bón là nguồn cung cấp chủ yếu dinh dưỡng vô cơ cho cây trồng thông qua quá trình hô hấp của rễ, vì thế nên phân bón được sử dụng để bổ sung vào VLSH nhằm nâng cao giá trị sử dụng của vật liệu Tuy nhiên việc lựa chọn chất phụ gia để bổ sung vào VLSH phải chú ý tính phù hợp đối với sự có mặt của VSV có trong VLSH (Nguyễn Như Hà, 2011).

2.5 NẤM RỄ CỘNG SINH MYCORRHIZAE

2.5.1 Khái niệm, phân loại

Trong đất có rất nhiều loại VSV như nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn, tảo, Chúng phân bố theo điều kiện tự nhiên, địa lý, thực bì, đất đai, loài cây khác

nhau, thậm chí theo mùa khác nhau và thường tụ tập quanh rễ cây Hầu hết các loài thực vật khai thác tiềm năng đất trồng nhờ sự giúp ích của các VSV trong đó có một số loài nấm gọi là Mycorrhizae (nấm rễ) Từ Mycorrhizae là một thuật ngữ được Frank sử dụng lần đầu tiên vào năm 1885 khi phát hiện mối liên hệ giữa sợi nấm và rễ cây trên cây thông và một số loại cây lá rộng Xuất phát từ tên gọi rễ cây ở Hy Lạp “Myker” và “Rhiza” Sau đó ghép từ tiếng anh “Myco” thành Mycorrhizae, nghĩa là nấm rễ (Trần Văn Mão, 2011).

Nấm rễ là hiện tượng cộng sinh thực vật phổ biến trong tự nhiên Nấm cộng sinh được nhận từ cơ thể thực vật nguồn Cacbon và các chất dinh dưỡng mà thực vật cũng nhận được dinh dưỡng và nước cần thiết, chúng giúp nhau cùng có lợi Nấm rễ xuất hiện ở hầu hết các loại cây trồng khác nhau, đặc biệt xuất hiện nhiều ở các quần xã thực vật có tính

đa dạng cao như rừng nhiệt đới hay đồng cỏ ôn đới, có tỷ lệ thấp hơn trong đất khô cằn hay đất nhiều chất dinh dưỡng (Trần Văn Mão, 2011).

Dựa vào một vài kiểu kết hợp khác nhau giữa nấm và cây chủ mà chúng được chia làm 3 nhóm chính là: Ectomycorrhizae; Endomycorrhizae; Ectoendmycorrhizae (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

- Ectomycorrhizae: Là loại Mycorrhizae ngoại cộng sinh, cộng sinh với rễ cây chủ theo kiểu nấm bao quanh rễ dinh dưỡng chưa hóa gỗ, không xuyên qua

mô tế bào mà chỉ kéo dài giữa các vách tế bào Đặc trưng cơ bản của chúng là sợi nấm phát triển trên bề mặt rễ được gọi là những sợi khuẩn ty của bề mặt rễ Các sợi khuẩn ty không ăn sâu vào trong các tế bào gốc nhưng phát triển một mạng trong không gian ngoại bào được gọi là Hartig Do tác động của Mycorrhizae bộ rễ ngắn, to, giòn và có màu sắc khác nhau, tán rễ biểu bì không

có lông hút, bề mặt màng có nhiều sợi nấm kéo dài ra Ectomycorrhizae nói chung không có hình dạng và màu sắc nhất định, rất dễ nhận biết bằng mắt thường Hầu hết sự kết hợp Ectomycorrhizae được hình thành giữa nấm cộng sinh với cây nấm (mushroom) và giữa nấm cộng sinh với cây gỗ lớn trong rừng như bạch dương, sồi, thông, liễu (Trần Thị Dạ Thảo, 2012)

- Endomycorrhizae: Là loài nấm cộng sinh kết hợp với rễ cây theo kiểu sợi nấm xuyên qua tế bào và rễ cây chủ hình thành nên các cấu trúc đặc trưng là versicles và arbuscules nên có thể gọi là Vesicular Arbuscular Mycorrhizae (VAM), bề mặt rễ sẽ không hình thành màng nấm mà chỉ có các sợi lưa thưa,

lông hút vẫn giữ nguyên Tuy nhiên, sợi nấm vẫn kéo dài giữa gian bào nhưng không hình thành mạng lưới Hartig Sợi nấm xuyên qua vách tế bào vào trong hình thành vòi hút Những loài này rất khó phân biệt bằng mắt thường.

Căn cứ vào kết cấu sợi nấm có vách ngăn và vòi hút, người ta chia ra 2 loại là không có vách ngăn và có vách ngăn (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

cộng sinh có đặc trưng của cả 2 loại Ectomycorrhizae và Endomycorrhizae (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

Việc sử dụng đặc biệt là các chủng nấm rễ nội cộng sinh AM

để làm VLSH ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới (Marumoto.K et al., 2006; Mikeamarathus, 2011; M.A.U Mridha, 2003).

2.5.2 Endomycorrhizal (nấm rễ nội cộng sinh)

Nấm rễ nội cộng sinh là loại Mycorrhizal có sợi nấm xâm nhập vào trong các tế bào thực vật, tạo ra cấu trúc giống như quả bóng (túi - Vesicles) hoặc phân nhánh (Arbuscule) Cấu trúc này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các sợi nấm và tế bào chất của tế bào, tạo điều kiện cho việc vận chuyển các chất dinh dưỡng giữa chúng.

Một số loài cây phổ biến cộng sinh với nấm này là các loại cây thân thảo, hoa lan và một số loại cây khác

Arbuscules là những giác mút nhánh phức tạp được hình thành trong tế bào vỏ rễ Nó được đặt tên bởi Gallaud (1905), bởi vì chúng trông giống như cây nhỏ Arbuscules được hình thành do sự phân nhánh lặp đi lặp lại và sự giảm chiều rộng sợi nấm, bắt đầu từ thân sợi nấm ban đầu (đường kính 5-10 µm) và kết thúc bằng sự gia tăng của các nhánh sợi nấm nhỏ (đường kính < 1 µm).

Arbuscules bắt đầu hình thành khoảng 2 ngày sau khi xâm nhập vào rễ (Brundrett et al., 1985) Chúng phát triển bên trong các tế bào riêng lẻ của vỏ rễ, nhưng vẫn còn ở bên ngoài tế bào chất, do sự lõm vào của màng huyết tương Arbuscules được coi là nơi trao đổi chính giữa các loại nấm và cây chủ Giả thiết này được dựa trên diện tích lớn của bề mặt arbuscular nhưng đã không được xác nhận (Smith 1995) Arbuscule hình thành sau sự tăng trưởng của sợi nấm, lan ra phía ngoài từ các điểm ban đầu Arbuscules tồn tại trong thời gian ngắn và bắt

đầu hỏng sau một vài ngày, nhưng sợi nấm và các túi có thể vẫn còn trong rễ trong nhiều tháng hoặc năm.

Sự phát triển Arbuscule của Glomus mosseae

trong một tế bào rễ với nhánh nhỏ của sợi nấm

Bar = 10 µm

Arbuscule trưởng thành của Glomus với thân và nhiều sợi nấm nhỏ

Bar = 10 µm

Hình 2.1 Sự phát triển của Glomus mosseae

Arbuscule của Glomus mosseae trong một tế bào vỏ rễ với các nhánh sợi nấm dày đặc được gói trong các tế bào vỏ của cây chủ.

Các túi được tạo ra bởi một loài Glomus trong rễ tỏi tây Mũi tên = vesicles, A = arbuscules, Bar = 100 µm

Rễ này cũng chứa nhiều sợi nấm ở giữa các tế bào

Hình 2.2 Vesicles (túi) trong VAM

rễ trong Vesicles (túi) phát triển để tích luỹ các sản phẩm dự trữ trong nhiểu quần

hợp VAM Vesicles được hình thành ngay sau khi có arbuscule đầu tiên, nhưng tiếp tục phát triển khi các arbuscule trở nên già Vesicles là sợi nấm sưng phồng lên trong vỏ rễ có chứa chất béo và tế bào chất Vesicles

có thể phát triển các thành dày trong rễ già hơn và có thể có

tự như cấu trúc của các bào tử mà chúng tạo ra trong đất.

Sự xâm nhập vào rễ thực vật của nấm cộng sinh rễ trong: Mycorrhizal hình thành khi sợi nấm trong đất hướng theo rễ, thiết lập điểm tiếp xúc và phát triển dọc theo

bề mặt của rễ Tiếp theo, một hoặc nhiều sợi nấm hình thành chỗ phồng giữa các tế bào biểu bì Sự xâm nhập

rễ xảy ra khi sợi nấm từ chỗ sưng phồng thâm nhập vào tế bào biểu bì hoặc tế bào vỏ để vào rễ Các sợi nấm băng ngang qua lớp dưới và bắt đầu phân nhánh trong vỏ bên ngoài.

1 5

Ngoài ra, còn có một số mô hình một số mycorrhizal từ các loài nấm khác nhau Ví dụ như Glomus, Acaulospora, Gigaspora và Scutellospora (hình 4).

Scutellospora Hình 2.4 Mô hình một số mycorrhizal từ các loài nấm khác

nhau - Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Glomus:

thường phân nhánh "H" do sự tăng trưởng đồng thời ở 2 hướng

+ Vesicles hình oval thường ở giữa các tế bào vỏ rễ Các vesicles tồn tại trong rễ và thường phát triển thành dày lên và nhiều lớp

- Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Gigaspora và Scutellospora:

Chi này có kiểu xâm chiếm rễ tương tự như Acaulospora, nhưng sợi nấm ở vỏ nói chung vách dày và biến màu sẫm.

+ Thân sợi nấm thường dài và dày hơn so với Glomus Arbuscules xuất hiện thành dải do những nhánh uốn cong tương đối dài

Scutellospora, với sợi nấm rộng (Trần Văn Mão, 2011)

- Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Acaulospora

+ Điểm vào của sợi nấm có các kiểu phân nhánh đặc trưng Sợi nấm ở vỏ bên ngoài thường phân nhánh không đều, cuộn hơn Glomus Các cụm trong rễ tương đối nhỏ.

nhưng có thể nhìn thấy được do những hàng của các giọt lipid.

nhưng thường trở nên không đều do phồng ra các tế bào lân cận, đây cũng là một tính năng đặc trưng (Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

2.5.3 Ectomycorrhizal (nấm rễ ngoại cộng sinh)

Ectomycorrhizas thường được hình thành do nấm thuộc Basidiomycota, Ascomycota, và Zygomycota sống cộng sinh với rễ của khoảng 10% các loài thực vật, chủ yếu là cây thân gỗ gồm có bạch dương, bạch đàn, thông, sồi, và các loài hoa hồng Trong đó nấm tạo thành một lớp áo xung quanh rễ và một mạng lưới Hartig giữa các tế bào rễ mà không xâm nhập vào nội bì.

Hartig Net là một mạng lưới các sợi nấm, mở rộng vào rễ, thâm nhập giữa các tế bào biểu bì và tế bào vỏ Mạng lưới này là nơi trao đổi chất dinh dưỡng giữa nấm và cây chủ (Hình 5).

Khi sợi nấm tiếp xúc, nhận biết, sẽ bám chặt các tế bào biểu bì

rễ ở gần đỉnh của rễ non, tích cực phát triển (Hình 6).

2.5.4 Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM)

Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular Mycorrhizae (AM) khi cộng sinh trên thực vật phân hóa thành các dạng cấu trúc khác nhau bao gồm:

- Cấu trúc trong rễ ngăn:

nhánh bên trong lớp vỏ rễ hình thành nên cấu trúc bụi và túi.

- Cấu trúc trong đất: Bào tử và sợi nấm

được tạo thành từ sợi nấm trong đất hoặc rễ.

+ Sợi nấm: Mạng lưới sợi nấm trong đất có hình dạng sợi mỏng, chức năng của nó là ống dẫn để hấp thu chất dinh dưỡng (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

Trong đó:

thành khi dinh dưỡng đã cạn và sự kết hợp giữa nấm và cây chủ bị già yếu Bào tử chứa đựng lipid, tế bào chất và nhiều nucleid.

+ Sợi nấm: Sự kết hợp Mycorrhiza bắt đầu bằng sự nảy mầm của bào tử khi có sự hiện diện của rễ Sợi nấm có khả năng phát triển giới hạn, chúng sẽ chết sau vài tuần khi nảy mầm mà không gặp rễ ký chủ Chúng có nhiệm vụ hấp thu chất dinh dưỡng và làm gia tăng sự kết hợp với rễ và hình thành bào tử nấm.

Bụi: bụi phân nhánh rất phức tạp và được hình thành bên trong tế bào

vỏ rễ Bụi được hình thành từ sự chia đôi của nhánh và sự nén bề rộng của sợi nấm, bắt đầu từ thân sợi nấm (đường kính: 5-10µm) và kết thúc bằng sự phát triển mạnh của cành nhánh sợi nấm (đường kính 1µm) Bụi được xem là

vị trí chủ đạo để trao đổi dinh dưỡng giữa nấm và cây chủ.

Túi: Túi phát triển để tích lũy sản phẩm dự trữ ở nhiều loại VAM Túi

là chỗ phình to lên của sợi nấm trong tế bào vỏ rễ, nó chứa lipid và tế bào chất Túi có thể nằm trong hoặc ngoài gian bào Túi có chức năng như yếu tố lan truyền giống (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).

2.6 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG NẤM RỄ CỘNG SINH

ĐỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU SINH HỌC VÀ TÁI TẠO THẢM THỰC VẬT BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC

2.6.1 Mối quan hệ cộng sinh giữa nấm rễ và cây chủ

Trong mối quan hệ cộng sinh, sợi nấm xâm nhập vào tế bào vỏ rễ, phát triển bên trong tế bào và hình thành những cấu trúc dạng bụi (arbuscules) hay dạng bọng (vesicules) Cấu trúc Arbuscules do các cành nhánh của sợi nấm được bao gọn bên trong huyết tương của tế bào nguyên vẹn của cây chủ và làm tăng bề mặt tiếp xúc của sợi nấm và nguyên sinh chất của tế bào rễ giúp cho việc trao đổi dinh dưỡng giữa nấm và thực vật trở nên hiệu quả hơn (Nancy Collins Johnson, 2007) Mối quan hệ tương hỗ này cung cấp cho nấm một lượng cacbon đáng kể như glucoza, saccaroza được tạo ra từ quá trình quang hợp của cây Cacbonhydrat được chuyển từ lá đến rễ và sau đó đến hệ thống sợi nội bào của nấm đã liên kết chặt chẽ với tế bào rễ.

Ngược lại, cây nhận được nhiều khoáng chất và nước hơn từ hệ sợi lan tỏa của nấm trong đất Hệ sợi xâm nhập bên trong có thể đâm nhánh ra ngoài và phát triển dài dọc theo bề mặt rễ và hình thành thêm nhiều điểm xâm nhập vào rễ hơn Chúng cũng phát triển đi vào sợi đất, sợi nấm kết các hạt đất lại Smith (1997) đã chỉ

ra rằng chiều dài sợi nấm phát triển trong đất ước lượng trung bình là khoảng 1m sợi nấm trên 1cm rễ Mạng lưới sợi nấm này có thể mở rộng hàng nghìn centimet bên ngoài từ bề mặt rễ cây, đi qua khu vực cạn kiệt dinh dưỡng cho rễ hấp thu những khoáng kém linh động từ trong đất cung cấp cho cây trồng (Smith, 1988).

Vai trò của cây chủ đối với nấm rễ là như sau: Chủ yếu là nấm

rễ lấy nguồn dinh dưỡng Cacbon từ cây chủ để sinh trưởng và phát triển Bên cạnh đó, rễ của cây chính là giá đỡ để bào tử nấm rễ có thể cộng sinh với cây trồng (Trần Văn Mão, 2011; Geogre E, 1995).

Mặt khác, nấm rễ có vai trò rất quan trọng trong đời sống thực vật ở cạn, chúng có vai trò thực tiễn trong nền kinh tế, khoa học và các chu trình vật chất, năng lượng trong tự nhiên:

- Mở rộng diện tích hấp thu của rễ cây: Sợi nấm cộng sinh là cơ quan hấp thu chủ yếu của rễ thực vật, nấm rễ làm tăng diện tích bề mặt hấp thụ của rễ cây từ 10 –

100 lần, do đó cải thiện đáng kể khả năng tận dụng dinh dưỡng từ đất và tăng khả năng hòa tan các chất như P, Fe để cây hấp thụ Quá trình lấy dinh dưỡng của cây trồng dễ dàng hơn và cây không đòi hỏi nhiều phân bón Nấm rễ tạo thành một mạng lưới phức tạp để cây huy động các chất dinh dưỡng Trong điều kiện không có nấm

rễ, dinh dưỡng có thể bị mất khỏi đất do bị rửa trôi (Brudrett MC, 2012).

- Hình thành chất kích thích sinh trưởng: Trong quá trình cộng sinh với rễ cây, nấm rễ hình thành nhiều chất kích thích sinh trưởng như Auxin, Cytokinin, Gibberelin, Vitamin B1, IAA (Trần Văn Mão, 1999).

- Tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng: Sự gia tăng về số lượng của sợi nấm trong đất giúp rễ cây có thể hấp thu dinh dưỡng tốt hơn, vì vậy mà làm gia tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng bị cố định, đặc biệt là Photpho (P) – là một nguyên tố rất quan trọng đối với cây trồng, có nhiều trong đất nhưng ở dạng khó hấp thu Trong đất có lượng P nhất định, những gốc Photphat khó di động, kết hợp với các ion Fe, Al, Na cố định trong đất tạo thành các P không tan, cây trồng không hấp thụ được, số P không hấp thụ được đó chiếm 90 – 95%, chỉ có một lượng rất ít P hòa tan được cây sử dụng Nấm rễ sản sinh ra enzim photphotaza chuyển P không tan thành P hòa tan giúp cây trồng có thể dễ dàng sử dụng.

Đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của phân bón đến hoạt động của AM và cây chủ Năm 2001, khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và độ phì nhiêu của đất đến phân bố AMF, Friberg (2001) nhận thấy: Mức độ đa dạng AMF

tỷ lệ thuận với phần trăm lượng chất hữu cơ và tỷ lệ nghịch với hàm lượng Ca,

Mg và P trong đất Số lượng bào tử tăng đồng thời với mức tăng hàm lượng chất hữu cơ và N trong đất, giảm khi hàm lượng Ca, Mg và P cao.

- Phương tiện quan trọng làm nhiệm vụ vận chuyển cacbon vào trong đất chính là nấm rễ Theo nhà khoa học về đất người Úc Christine Jones, loài cây nào có nấm rễ sẽ vận chuyển được nhiều cacbon vào trong đất hơn 15% so với loài không

có nấm rễ Nấm rễ xâm nhập vào đất tốt hơn so với rễ cây vì sợi của chúng mỏng hơn rễ cây Quan trọng hơn, nấm rễ có khả năng sản xuất raglomalin

– một chất đặc biệt giúp đất duy trì được cấu trúc và giữ cacbon trong đất khỏi bị phân hủy trong thời gian dài.

- Nâng cao sức chống chịu của cây: Cùng với sự gia tăng hấp thụ dinh dưỡng, sợi nấm cũng cho phép gia tăng hấp thu nước Hơn nữa mạng lưới sợi nấm

rộng rãi cũng ngăn chặn sự tấn công của bệnh hại đến rễ, gia tăng sự chống chịu hạn Nấm rễ tập hợp kim loại trong vùng rễ lại và làm thay đổi khả năng hấp thu kim loại của cây trồng Khi trồng rừng trên núi đá vôi, tỷ lệ sống của cây con nhiễm nấm cộng sinh tăng 14% trong điều kiện khô hạn tuyệt đối (Trần Văn Mão, 2011).

- Tăng khả năng kháng bệnh của cây trồng: Bệnh thực vật có thể được kiểm soát bằng các thuốc đối kháng làm giảm mầm bệnh Nấm AM

và tương tác cộng sinh của chúng với thảm thực vật làm giảm bớt thiệt hại gây ra bởi các tác nhân gây bệnh (Harier L.A and Watson C.A, 2004).

- Cải thiện cấu trúc đất: Sợi nấm rễ nội cộng sinh được chứng minh rằng nó thải ra một chất đường dính như keo, gọi là “Glomaline”,

nó giúp các hạt đất kết lại với nhau làm cấu trúc đất được cải thiện Bên cạnh đó, nó tiết ra axit mùn làm cho đất tơi xốp hơn.

2.6.2 Sự phản hồi của cây trồng với nấm rễ nội cộng sinh

Quá trình cộng sinh mang lại lợi ích cho cả thực vật và vi sinh vật Các nhà khoa học đã xác định được một số hình thức cộng sinh Trong

đó, quá trình cộng sinh chủ yếu là giữa nấm Glomeromycete và rễ cây, được gọi là "arbuscular mycorrhiza" – nấm rễ cộng sinh Có đến 70-90% trong số các loài thực vật sống trên đất tham gia vào việc hình thành cộng sinh nấm rễ (arbuscular mycorrhizae) Các nghiên cứu gần đây cho thấy nấm có khả năng kích thích sự sinh trưởng của cây, giúp cho thực vật có thể hấp thụ hiệu quả nước và các chất dinh dưỡng vi lượng từ đất.

Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, nấm Glomeromycete có thế phát ra các tín hiệu phân tử cộng sinh khuếch tán Trên thực tế, phương pháp hóa học phân tích đã lọc và xác định được cấu trúc của các tín hiệu phân tử này đối với nấm rễ, những tín hiệu phân tử đó được gọi là các nhân

tố Myc Các thí nghiệm cho thấy rằng các nhân tố Myc kích thích quá trình hình thành nấm rễ và phát triển hệ thống rễ trong những mẫu cây họ đậu (Medicago truncatula), ngoài ra, còn trong các loài thuộc các họ thực vật khác như cúc vạn thọ (Asteraceae) và cà rốt (Apiaceae) (Jean Dénarié, 2007).

Nhiều tác giả đã nghiên cứu chuyên sâu về nấm rễ AM và đều cho thấy hầu hết cây trồng tăng năng suất sau khi nhiễm nấm AM (Jakobsen and Nielsen, 1983; Baon et al., 1992; Talukda av Germida, 1994; Xavier and Geermida, 1997; Alkaraki et al., 1998), đặc biệt là ở đất có nguồn photpho thấp (Thoson, 1990; Rubio et al., 2003).