Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
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, với điều kiện tự nhiên phong phú và đa dạng từ Bắc vào Nam Các yếu tố hình thành đất như đá mẹ, thảm thực vật, khí hậu và địa hình thay đổi theo từng vùng địa lý Tuy nhiên, vùng đồi núi đã chịu nhiều tác động tiêu cực từ con người, bao gồm khai thác rừng không đúng kế hoạch, phá rừng, và không thực hiện tốt các biện pháp chống xói mòn Hậu quả là nhiều diện tích đất bị thoái hóa nghiêm trọng, với hàng triệu hecta đất tầng mỏng và đất trống đồi núi trọc hiện nay.
Trần Đình Lý (2003) định nghĩa đất dốc, trống (không có thảm thực vật che phủ) là những khu vực chưa có hoặc đã bị tàn phá thảm thực vật cây gỗ, chỉ còn lại cỏ, cây bụi, cây ăn quả, cây công nghiệp hoặc đồng cỏ chăn nuôi kém chất lượng Đây là khái niệm đầu tiên về đất trống đồi trọc ở Việt Nam Tác giả phân loại đất trống đồi trọc thành ba nhóm dựa trên thành phần thực vật, cấu trúc phẫu diện và độ phì của đất.
Nhóm I bao gồm các diện tích rừng bị khai thác kiệt, hoặc bị đốt và chặt phá để trồng cây nông nghiệp Sau 2-3 vụ trồng trọt (đôi khi hơn), những diện tích này thường bị bỏ hoang.
Nhóm II bao gồm các loại đất trống đồi trọc, hình thành từ việc chặt và đốt rừng để lấy đất trồng cây nông nghiệp ngắn ngày Quá trình này diễn ra lặp đi lặp lại mà không có biện pháp bảo vệ, dẫn đến tình trạng xói mòn và rửa trôi đất nghiêm trọng.
Nhóm III bao gồm các bãi cát ven biển và nội đồng, cùng với những ngọn núi trọc trơ sỏi đá, nơi lớp đất mặt mỏng hoặc đất phát sinh chưa hoàn chỉnh.
Nguyên nhân gây tăng diện tích đất trống đồi trọc và ảnh hưởng của nó đến môi trường
Ở Việt Nam, trong số 54 dân tộc, có 50 dân tộc thực hiện canh tác nương rẫy với khoảng 3 triệu người dân du canh trong tổng số 9 triệu đồng bào dân tộc thiểu số Từ năm 1968 đến nay, công tác định canh định cư chỉ mới giúp gần 1 triệu người ổn định cuộc sống Sự canh tác nương rẫy trong bối cảnh hiện nay, với diện tích rừng giảm mạnh và dân số gia tăng, đã dẫn đến tình trạng suy giảm diện tích đất che phủ, đặc biệt là trên các vùng đồi núi Hệ quả là diện tích đất dốc và đất trống ngày càng gia tăng (Nguyễn Đình Bồng, 2014).
Sự suy thoái đất ở vùng đồi núi đang gia tăng do chặt phá rừng, đốt rừng, và canh tác lạc hậu, dẫn đến mất cân bằng hệ sinh thái tự nhiên Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng sản xuất của đất mà còn làm mất thảm thực vật, giảm nguồn nước và gia tăng nguy cơ thiên tai như hạn hán và lũ lụt Cảnh quan tự nhiên của nhiều khu vực đồi núi đã bị thay đổi đáng kể, trong khi diện tích rừng nhiệt đới nguyên sinh ngày càng thu hẹp.
Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích che phủ rừng năm 2016 đạt khoảng 41,19%, tuy nhiên, một số khu vực như Tây Bắc chỉ có 9%, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn quốc tế 40% Toàn quốc có khoảng 13 triệu ha đất trống đồi núi trọc, trong đó hơn 11 triệu ha nằm ở vùng đồi núi Đáng chú ý, hơn nửa triệu ha đất bị xói mòn và không còn khả năng sản xuất nông nghiệp.
Các quá trình trong đất sau đây đã dẫn đến sự suy thoái đất đồi núi :
Quá trình rửa trôi và xói mòn đất diễn ra mạnh mẽ vào mùa mưa, đặc biệt ở các sườn núi và đồi dốc Khi dòng chảy nước mạnh và lớp thực vật bị mất, đất dễ bị xói mòn, để lại sỏi đá trơ trọi Đây là một trong những thách thức lớn nhất trong việc sử dụng đất đồi núi.
Quá trình kết von đá ong hóa ở các vùng đồi gò bị ảnh hưởng nghiêm trọng do chặt phá rừng và mất lớp thực vật tầng bề mặt (TTV) Lớp đất mặt mỏng, chứa nhiều sỏi kết von, dẫn đến tình trạng khô hạn và nghèo dinh dưỡng, gây trở ngại lớn cho sự phát triển nông lâm nghiệp tại khu vực đồi núi.
Quá trình chua hoá đất do Feralit diễn ra mạnh mẽ ở độ cao từ 200-1000m tại vùng đồi núi, dẫn đến đất đồi núi có hàm lượng nhôm di động cao, gây độc cho cây trồng, đặc biệt là cây lương thực và hoa màu Ngoài ra, hàm lượng sắt nhôm di động cao còn làm giảm hiệu quả của phân lân, do giữ chặt lân trong đất, ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của cây trồng.
Sự suy giảm cấu trúc đất dẫn đến giảm khả năng thấm nước và giữ ẩm của đất, chủ yếu do hiện tượng đốt nương và thói quen dọn sạch lớp cỏ trước khi trồng Điều này làm giảm nhanh chóng hàm lượng mùn, khiến đất trở nên chai cứng và bí chặt, khó thấm nước và giữ ẩm, từ đó gia tăng hiện tượng xói mòn và rửa trôi.
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) đã công bố báo cáo hàng năm, cho biết từ năm 1996 đến 1998, tổ chức này đã thực hiện nghiên cứu về việc phủ xanh đất trống đồi trọc thông qua nhiều giải pháp khác nhau Một số mô hình tiêu biểu được áp dụng trong giai đoạn này bao gồm các phương pháp cải thiện độ che phủ cây xanh và phục hồi hệ sinh thái.
* Tại châu Phi: gồm các nước Zambia, Tanzania, Zambabuwe Các mô hình đã thực hiện:
Mô hình thảm cỏ luân phiên (Rotation woodlost) được áp dụng để phủ xanh đất trong thời kỳ bỏ hoang, sử dụng cây Điển (Sesbaina sesban), một loài thuộc họ Đậu (Fabaceae) Sau 2-3 năm trồng, cây có thể được khai thác làm củi, trong khi phần còn lại sẽ được đốt hoặc để mục nhằm tăng cường chất mùn và dinh dưỡng cho đất.
Mô hình trồng cây gỗ kết hợp với cây ăn quả đa tầng (Multitistrata) sử dụng các loài cây bản địa, nhằm xây dựng một hệ thống nông nghiệp bền vững Mô hình này không chỉ tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng mà còn góp phần tăng thu nhập cho người nông dân.
- Mô hình chăn nuôi lâm sinh (Silvopastoral) bằng việc tạo ra thảm cỏ chăn nuôi dưới tán rừng thứ sinh (Atangana, 2014)
Tại châu Mỹ, các quốc gia như Mỹ, Brazil, Peru và Mexico đã triển khai các mô hình nhằm đảm bảo an toàn lương thực và phủ xanh các vùng đất trống Những mô hình này tập trung vào việc cải thiện sản xuất nông nghiệp và bảo vệ môi trường.
Mô hình trồng trọt cải tạo vườn nhà kết hợp nông lâm đa tầng, bao gồm trồng cây ăn quả và cây lấy gỗ theo phương pháp đa loài Nghiên cứu của F.A Bazzaz vào năm 1968 về quá trình phục hồi thảm thực vật trên đất bị bỏ hoang sau trồng trọt ở vùng núi cao Shawnee, Illinois, đã chỉ ra tầm quan trọng của mô hình này trong việc cải thiện sinh thái và tăng năng suất.
* 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
- Mô hình nông lâm kết hợp để cải tạo thảm cỏ tranh (Imperata cylindrica)
- Mô hình trồng cây trên đỉnh đồi để chống xói mòn
- Mô hình trồng cây họ đậu trong việc phủ xanh cải tạo đất
Mô hình sử dụng độ tàn che của cây họ đậu để kiểm soát cỏ dại đã được nghiên cứu và phát triển, bao gồm các phương pháp xây dựng mô hình nông lâm kết hợp (CH.Trachummok, 1982; L Roche, 1982) và đào tạo kỹ năng xây dựng mô hình này nhằm phủ xanh đất trống đồi trọc (R.F Fisher, 1991) Nghiên cứu của T.Tiunei và cộng sự vào năm 1992 về phục hồi thảm thực vật thứ sinh trên đất sau nương rẫy ở Mengla - XiSuang banna (Trung Quốc) cho thấy sau 10 năm, rừng phục hồi đã hình thành ba tầng: tầng cây gỗ ưu thế, tầng cây bụi, và tầng cỏ cùng dây leo (Smith and Mbow, 2014).
* Sử dụng vật liệu sinh học
Biện pháp sinh học, đặc biệt là việc sử dụng nấm rễ Arbuscular mycorrhizae (AM), đã chứng minh tính ưu việt trong cải tạo đất và thảm thực vật Nghiên cứu của Marumoto K et al (1997) tại Nhật Bản cho thấy công nghệ xử lý nấm rễ có hiệu quả trong việc tái tạo thảm thực vật và rừng trên các sườn dốc bị tàn phá bởi núi lửa ở Nagasaki, đồng thời tạo cảnh quan cho đường cao tốc tại quận Yamaguchi Ngoài ra, ứng dụng nấm rễ cho cỏ Bermuda trong xây dựng và bảo trì sân golf tại California cũng đã mang lại kết quả tích cực (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, phủ xanh chủ yếu được hiểu là trồng rừng trên những vùng đất trống Tuy nhiên, từ đầu những năm 1980, khái niệm này đã mở rộng để bao gồm các biện pháp như nông lâm kết hợp, trồng cây ăn quả và cây công nghiệp Do đó, phủ xanh không chỉ đơn thuần là trồng rừng mà còn bao gồm các hoạt động như canh tác nông lâm kết hợp, xây dựng vườn rừng và đồng cỏ chăn nuôi, nhằm cải thiện và phục hồi môi trường đất trống đồi trọc.
Phủ xanh đất trống đồi trọc bằng việc trồng rừng là một giải pháp quan trọng, bao gồm rừng sản xuất, rừng đặc dụng và rừng phòng hộ Nghiên cứu về trồng rừng thường tập trung vào việc tuyển chọn giống cây, khảo nghiệm điều kiện lập địa, phương thức trồng và theo dõi sự sinh trưởng của các loài cây Đặc biệt, đối với mục đích phòng hộ và bảo vệ môi trường, việc phục hồi hệ sinh thái rừng nhiệt đới với đa dạng loài cây bản địa được coi là hướng đi hiệu quả (Lê Đồng Tấn, 2007).
Phủ xanh đất trống và đồi núi trọc thông qua khoanh nuôi phục hồi rừng là một giải pháp hiệu quả nhằm gia tăng độ che phủ rừng tại Việt Nam Nhà nước đã chú trọng đến vấn đề này bằng cách ban hành hai quy phạm quan trọng: Quy phạm các giải pháp lâm sinh cho rừng sản xuất và rừng đặc dụng (QPN 14 - 92) và Quy 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, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về mô hình nông lâm kết hợp nhằm phủ xanh đất trống đồi núi trọc Nguyễn Xuân Đợt (1984) đã áp dụng phương pháp này để tận dụng lao động và tài nguyên rừng cho các nhiệm vụ kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Lâm Công Định (1982, 1984) giới thiệu cơ sở khoa học và mô hình nông lâm kết hợp có thể triển khai ở các tỉnh miền núi Nguyễn Hải Tuấn và cộng sự (1993) nghiên cứu mô hình kinh tế môi trường bền vững tại vùng thượng nguồn sông Trà Khúc Lê Trần Chấn (1994) phát triển mô hình nông lâm kết hợp ba tầng với cây công nghiệp ở tầng vượt tán, Cam bù ở tầng ưu thế sinh thái và cây ưa bóng ở tầng dưới tán Phan Anh (2004) xây dựng mô hình Vườn - Ao - Chuồng (VAC) và Vườn - Ao - Chuồng - Rừng (VACR) để nhanh chóng phủ xanh đất trống ở Bản dân tộc Vân Kiều - Phú Lộc - Thừa Thiên Huế, đồng thời đề xuất giải pháp phát triển vườn cây lâu năm theo hướng vườn đồi, vườn rừng và phát triển lâm nghiệp theo hướng nông nghiệp.
Trong những năm qua, hoạt động phục hồi và tái tạo tài nguyên thiên nhiên chủ yếu tập trung vào việc khoanh nuôi đất rừng và áp dụng các mô hình nông lâm kết hợp Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy khả năng phục hồi của các hệ sinh thái này không đạt yêu cầu Nghiên cứu về cấu trúc rừng thứ sinh phục hồi sau nương rẫy tại huyện Đồng Hỷ đã chỉ ra những thách thức trong quá trình phục hồi.
Thái Nguyên cho thấy khả năng phục hồi tự nhiên của thảm thực vật trong khu vực không lớn, do đó cần có giải pháp chăm sóc và tu bổ (Đặng Kim Vui, 2002) Khả năng phục hồi tự nhiên của các quần xã thực vật tái sinh trên đất sau nương rẫy phụ thuộc vào mức độ thoái hoá đất, nguồn giống và điều kiện lập địa (Lê Ngọc Công, 2003).
Mô hình khoanh nuôi phủ xanh đất trống và đồi trọc cho thấy bất lợi về kinh tế, theo nghiên cứu của Lê Đồng Tấn (2007) tại Thái Nguyên - Bắc Kạn Mặc dù mô hình phục hồi rừng mang lại hiệu quả sinh thái cao với thảm thực vật đa dạng, khả năng bảo vệ đất và môi trường, nhưng hiệu quả kinh tế lại không cao Ngược lại, mô hình vườn rừng và trồng rừng sản xuất đã tạo ra lợi nhuận cao, góp phần cải thiện đời sống cho người dân địa phương.
Các biện pháp tái tạo thảm thực vật đã được áp dụng rộng rãi, nhưng biện pháp sinh học tỏ ra vượt trội hơn cả Nghiên cứu của các nhà khoa học tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã xác định các nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu sinh học nhằm phục hồi thảm thực vật cho đất trống đồi trọc Việc sử dụng nấm rễ Arbuscular mycorrhizae (AM) trong quá trình tái tạo đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện sự sinh trưởng và phát triển của cây, nâng cao chất lượng đất và đạt độ che phủ đất trên 60% (Nguyễn Thị Minh và cs., 2014).
Khái niệm và thành phần của vật liệu sinh học
2.4.1 Khái niệm vật liệu sinh học
Ngành học về vật liệu sinh học (khoa học VLSH) nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học và sinh học của vật liệu cùng với sự tương tác của chúng với môi trường sinh học Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này tập trung vào việc tổng hợp, tối ưu hóa, xác định đặc tính và đánh giá đặc điểm sinh học của các tương tác giữa vật chủ và vật liệu Mặc dù hầu hết các VLSH gây ra phản ứng sinh học không đặc hiệu, các nhà khoa học hiện đang nỗ lực phát triển các bề mặt được kĩ nghệ hóa để phù hợp với ứng dụng cụ thể.
VLSH là vật liệu chứa thông tin di truyền, có khả năng tự tái tạo hoặc được tái tạo trong các hệ thống sinh học như tế bào, gen và cây chuyển gen.
Dựa theo chất mang có thể chia VLSH thành 2 loại:
VLSH được sản xuất bằng cách phối trộn các nguyên liệu trong điều kiện tự nhiên mà không cần thanh trùng, giúp bảo toàn các đặc tính tự nhiên của chất mang.
VLSH được sản xuất bằng cách phối trộn các nguyên liệu trong điều kiện vô trùng, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả (Trần Lê Bảo Hà, 2012) Thành phần của vật liệu sinh học này đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và ứng dụng.
Các thành phần cơ bản của VLSH bao gồm chất hữu cơ và vi sinh vật (VSV) sống trong đất, nước và vùng rễ cây, đóng vai trò quan trọng trong mối quan hệ giữa cây trồng, đất và phân bón Hầu hết các quá trình trong đất, như mùn hóa, khoáng hóa và giải phóng chất dinh dưỡng vô cơ từ hợp chất khó tan, đều có sự tham gia của VSV, giúp tổng hợp chất dinh dưỡng từ môi trường.
VSV, hay vi sinh vật, là những sinh vật nhỏ được quan sát dưới kính hiển vi, bao gồm virus, vi khuẩn, nấm và tảo, đóng vai trò quan trọng trong môi trường như tăng độ phì nhiêu của đất, cải tạo đất và xử lý ô nhiễm Chúng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng thông qua quá trình cố định đạm và phân hủy chất khó tiêu, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng nông sản Việc lựa chọn giống VSV để bổ sung vào vi sinh vật trong đất cần đảm bảo các chủng có ích được tuyển chọn có hoạt lực cao, khả năng cạnh tranh tốt, mật độ đạt tiêu chuẩn và không gây hại Sử dụng vi sinh vật hữu ích, đặc biệt là các chủng nấm rễ nội cộng sinh AM, trong nông nghiệp đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Chất nền là yếu tố quan trọng để vi sinh vật (VSV) có thể cấy ghép, cung cấp môi trường thuận lợi cho sự tồn tại và phát triển của chúng Nó không chỉ hỗ trợ trong việc vận chuyển, bảo quản và duy trì hiệu lực của vật liệu sinh học (VLSH) mà còn phải chứa đủ dinh dưỡng cần thiết cho VSV Đặc biệt, chất nền không được chứa các chất độc hại đối với VSV, con người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng nông sản.
Trong sản xuất vật liệu xây dựng, chất nền rất đa dạng, bao gồm cả chất mang vô cơ như bột photphorit, bột apatit, bột xương và bột vỏ sò, cũng như chất mang hữu cơ như than bùn, bã nấm, phế thải nông nghiệp và rác thải (Nguyễn Như Hà, 2011).
Chất mang dạng vô cơ là các dạng phân lân thiên nhiên, được khuyến nghị bón lót sớm vào đất để cung cấp lân hiệu quả cho cây trồng Phân nên được bón theo hàng hoặc theo hốc, càng gần rễ cây càng tốt, giúp cải tạo đất hiệu quả Tuy nhiên, hiệu lực của phân lân tự nhiên phụ thuộc vào độ mịn của phân và kéo dài qua nhiều vụ, chỉ phát huy hiệu quả khi kết hợp với đủ đạm và các loại phân khác, đặc biệt là trong đất nghèo dinh dưỡng (Nguyễn Như Hà, 2011).
Chất mang dạng hữu cơ không tan trong nước, có tính trung tính hoặc kiềm yếu, và có khả năng cải tạo đất toàn diện nhưng cần thời gian và lượng lớn Về dinh dưỡng, chúng là phân đa yếu tố với tỷ lệ dinh dưỡng thấp và khó tiêu cho cây trồng, do đó khó đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trong giai đoạn sinh trưởng và khi cây cần nhiều dinh dưỡng (Nguyễn Như Hà, 2011).
Chất phụ gia trong VLSH có thể bao gồm các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng, với phân bón là nguồn cung cấp chủ yếu dinh dưỡng vô cơ qua quá trình hô hấp của rễ Việc bổ sung phân bón vào VLSH không chỉ nâng cao giá trị sử dụng mà còn cần chú ý đến tính phù hợp với sự hiện diện của vi sinh vật trong VLSH (Nguyễn Như Hà, 2011).
Nấm rễ cộng sinh Mycorrhizae
Trong đất có rất nhiều loại vi sinh vật (VSV) như nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo, phân bố theo điều kiện tự nhiên, địa lý, thực bì và loài cây khác nhau, thường tụ tập quanh rễ cây Các loài thực vật khai thác tiềm năng đất trồng nhờ sự hỗ trợ của VSV, đặc biệt là nấm Mycorrhizae (nấm rễ) Thuật ngữ Mycorrhizae được Frank lần đầu tiên sử dụng vào năm 1885 khi phát hiện mối liên hệ giữa sợi nấm và rễ cây, xuất phát từ từ Hy Lạp “Myker” (rễ cây) và “Rhiza”, kết hợp với từ “Myco” trong tiếng Anh, mang nghĩa là nấm rễ.
Nấm rễ là hiện tượng cộng sinh phổ biến giữa nấm và thực vật, trong đó nấm nhận carbon và chất dinh dưỡng từ cây, trong khi cây cũng nhận được nước và dinh dưỡng cần thiết từ nấm Hiện tượng này thường xuất hiện ở các loại cây trồng khác nhau, đặc biệt là trong các quần xã thực vật đa dạng như rừng nhiệt đới và đồng cỏ ôn đới, nhưng tỷ lệ thấp hơn trong đất khô cằn hoặc đất giàu dinh dưỡng (Trần Văn Mão, 2011).
Nấm được phân loại thành ba nhóm chính dựa trên các kiểu kết hợp khác nhau với cây chủ, bao gồm Ectomycorrhizae, Endomycorrhizae và Ectoendmycorrhizae (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).
Ectomycorrhizae là loại nấm cộng sinh bao quanh rễ cây mà không xâm nhập vào tế bào, tạo ra mạng lưới sợi nấm ở không gian ngoại bào gọi là Hartig Chúng làm cho bộ rễ cây trở nên ngắn, to và giòn, đồng thời không có lông hút ở tán rễ biểu bì Ectomycorrhizae dễ nhận biết bằng mắt thường và thường kết hợp với các loài cây gỗ lớn như bạch dương, sồi, thông và liễu.
Endomycorrhizae, hay còn gọi là nấm cộng sinh, kết hợp với rễ cây thông qua sự phát triển của sợi nấm xuyên qua tế bào rễ, tạo ra các cấu trúc đặc trưng như versicles và arbuscules, được gọi là Vesicular Arbuscular Mycorrhizae (VAM) Bề mặt rễ không hình thành màng nấm mà chỉ có các sợi lưa thưa, trong khi lông hút vẫn giữ nguyên Sợi nấm kéo dài giữa gian bào nhưng không tạo thành mạng lưới Hartig, và chúng xuyên qua vách tế bào để hình thành vòi hút Những loài nấm này thường rất khó phân biệt bằng mắt thường.
Dựa vào cấu trúc sợi nấm, người ta phân loại thành hai loại chính: loại không có vách ngăn và loại có vách ngăn (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012).
- Ectoendmycorrhizae: Là loài nấm Mycorrhizae nội ngoại cộng sinh có đặc trưng của cả 2 loại Ectomycorrhizae và Endomycorrhizae (Trần Văn Mão, 2011; Trần Thị Dạ Thảo, 2012)
Việc nghiên cứu sử dụng nấm rễ nội cộng sinh AM làm vật liệu sinh học trong nông nghiệp đã được tiến hành ở nhiều quốc gia trên thế giới, với các nghiên cứu tiêu biểu từ Marumoto.K et al (2006), Mikeamarathus (2011) và M.A.U Mridha (2003).
2.5.2 Endomycorrhizal (nấm rễ nội cộng sinh)
Nấm rễ nội cộng sinh, thuộc nhóm Mycorrhizal, có khả năng xâm nhập vào tế bào thực vật, hình thành cấu trúc như túi (Vesicles) hoặc phân nhánh (Arbuscule) Những cấu trúc này tăng cường diện tích tiếp xúc giữa sợi nấm và tế bào thực vật, từ đó cải thiện quá trình vận chuyển 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 các giác mút nhánh phức tạp được hình thành trong tế bào vỏ rễ, được đặt tên bởi Gallaud vào năm 1905 do hình dạng giống như cây nhỏ Chúng được hình thành thông qua quá trình phân nhánh lặp lại và sự giảm chiều rộng của sợi nấm, bắt đầu từ sợi nấm ban đầu có đường kính từ 5-10 micromet và kết thúc bằng sự gia tăng của các sợi nấm nhỏ với đường kính dưới 1 micromet.
Arbuscules bắt đầu hình thành khoảng 2 ngày sau khi nấm xâm nhập vào rễ cây và phát triển bên trong các tế bào của vỏ rễ, nhưng vẫn giữ vị trí bên ngoài tế bào chất nhờ vào màng huyết tương Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi chất giữa nấm và cây chủ, mặc dù giả thuyết này chưa được xác nhận do diện tích bề mặt lớn của arbuscular Arbuscules hình thành sau khi sợi nấm phát triển và lan rộng từ các điểm khởi đầu, nhưng chúng chỉ tồn tại trong thời gian ngắn và bắt đầu hỏng sau vài ngày, trong khi sợi nấm và các túi có thể tồn tại trong rễ trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm.
Sự phát triển Arbuscule của Glomus mosseae trong một tế bào rễ với nhánh nhỏ của sợi nấm
Arbuscule trưởng thành của Glomus với thân và nhiều sợi nấm nhỏ
Hình 2.1 minh họa sự phát triển của Glomus mosseae Arbuscule trong tế bào vỏ rễ, nơi các nhánh sợi nấm dày đặc được bao bọc 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 àm
Rễ này cũng chứa nhiều sợi nấm ở giữa các tế bào
Hình 2.2 Vesicles (túi) trong VAM
Sợi nấm đất hình thành 2 chỗ phồng giữa các tế bào biểu bì (mũi tên)
Sợi nấm tại một điểm vào (E) xâm nhập các tế bào vỏ (mũi tên) khoảng
1 ngày sau khi tiếp xúc với gốc
Các tế bào dài (L) và ngắn (S) của rễ Smilacina racemosa Sợi nấm của VAM đã thâm nhập vào tế bào ngắn (mũi tên)
Nấm cộng sinh rễ trong Vesicles xâm nhập vào rễ thực vật để tích lũy sản phẩm dự trữ trong quần hợp VAM Vesicles được hình thành ngay sau khi xuất hiện arbuscule đầu tiên và tiếp tục phát triển khi các arbuscule già đi Chúng là các sợi nấm sưng phồng trong vỏ rễ, chứa chất béo và tế bào chất Vesicles có thể phát triển thành các thành dày trong rễ già hơn và có thể hoạt động như chồi, tương tự như cấu trúc của các bào tử mà chúng tạo ra trong đất.
Nấm cộng sinh rễ (mycorrhizal) xâm nhập vào rễ thực vật thông qua quá trình hình thành khi sợi nấm trong đất hướng về phía rễ, thiết lập điểm tiếp xúc và phát triển dọc theo bề mặt của rễ Sau đó, một hoặc nhiều sợi nấm tạo ra chỗ phồng giữa các tế bào biểu bì Sự xâm nhập rễ diễn ra khi sợi nấm từ chỗ phồng thâm nhập vào tế bào biểu bì hoặc tế bào vỏ, tiếp theo, các sợi nấm đi qua lớp dưới và bắt đầu phân nhánh trong vỏ bên ngoài.
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).
Mycorrhizas tạo thành từ loài Mycorrhizas tạo thành từ Mycorrhizas tạo thành từ
Glomus loài Acaulospora loài Gigaspora và
Hình 2.4 Mô hình một số mycorrhizal từ các loài nấm khác nhau - Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Glomus:
+ Sợi nấm tương đối thẳng phân nhánh dọc theo vỏ rễ, thường phân nhánh "H" do sự tăng trưởng đồng thời ở 2 hướng
+ Arbuscules có thể dày và chắc
+ 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:
Sợi nấm cuộn vòng thường xuất hiện gần các điểm vào, có kiểu xâm chiếm rễ giống như Acaulospora Tuy nhiên, sợi nấm ở vỏ thường có vách dày và màu sắc sẫm hơn.
+ Không xuất hiện các túi bên trong
+ Thân sợi nấm thường dài và dày hơn so với Glomus Arbuscules xuất hiện thành dải do những nhánh uốn cong tương đối dài
+ Mô hình xâm nhập của Gigaspora tương tự như
Scutellospora, với sợi nấm rộng (Trần Văn Mão, 2011)
- Đối với Mycorrhizas tạo thành từ loài Acaulospora
Sợi nấm có điểm vào với các kiểu phân nhánh đặc trưng, trong đó sợi nấm ở vỏ bên ngoài thường phân nhánh không đều và cuộn hơn so với Glomus, đồng thời các cụm trong rễ cũng tương đối nhỏ.
+ Sợi nấm có vách mỏng do đó có thể rất khó nhìn thấy, nhưng có thể nhìn thấy được do những hàng của các giọt lipid
Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
- Biện pháp tái tạo TTV bằng VLSH.
Vật liệu nghiên cứu
- Giống vi sinh vật: Nấm rễ nội cộng sinh Arbuscular mycorrhizae
- Thực vật nhân giống nấm rễ: cây đậu xanh (Vigna radiata)
- Thực vật dùng để tái tạo TTV ngoài thực địa: cây đậu mèo (Mucuna Pruriens).
Phạm vi nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu: tháng 4/2017 – tháng 5/2018
- Địa điểm nghiên cứu: Học viện Nông nghiệp Việt Nam và xã Xuân Cẩm, huyện Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang.
Nội dung nghiên cứu
- Đặc điểm của nấm rễ AM dùng để sản xuất VLSH
- Lựa chọn cây chủ dùng tái tạo TTV
- Điều kiện sử dụng VLSH trên đất dốc và quá trình tái tạo TTV bằng VLSH trên đất dốc
- Hiệu quả tái tạo TTV trên đất dốc bằng VLSH.
Phương pháp nghiên cứu
3.5.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp
Nghiên cứu tài liệu về công nghệ tái tạo thảm thực vật bằng VLSH được thực hiện thông qua các nguồn như báo khoa học, website, thông tin từ internet, ấn phẩm nghiên cứu khoa học, cùng với sách và tư liệu liên quan đến vấn đề này.
3.5.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng
Thí nghiệm đánh giá hiệu quả của màng che phủ đất được thực hiện với hai công thức: CT1 là đối chứng, không sử dụng màng che phủ và để đất trống, trong khi CT2 chỉ sử dụng màng che phủ đất Mỗi công thức có diện tích 10 m² và độ dốc 5 độ.
Chỉ tiêu theo dõi: tỷ lệ che phủ của cỏ dại: đo đếm trực tiếp
- Thí nghiệm đánh giá hiệu quả tái tạo TTV gồm 2 công thức (CT):
+ CT1: Đối chứng (không sử dụng VLSH), có hạt giống (cây con) và dinh dưỡng tương đương VLSH
+ Diện tích 100 m 2 /CT, độ dốc 5 0 , thổ nhưỡng: đất Feralit
Các chỉ tiêu theo dõi bao gồm:
Để đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của cây, bao gồm chiều cao và số lượng lá kép, cùng với chỉ số diện tích lá (LAI), chúng tôi tiến hành đo đếm trực tiếp trên 5 cây: 4 cây được đặt ở 4 góc và 1 cây ở giữa khu vực thí nghiệm Sau đó, giá trị trung bình sẽ được tính toán để có kết quả chính xác.
+ Tính chất đất trước và sau thí nghiệm: Các chỉ tiêu tổng số là N, P,
K và OC Giá trị pH và độ ẩm đất VSV tổng số và số bào tử nấm rễ
3.5.3 Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm
Chỉ tiêu vi sinh tổng số được xác định bằng phương pháp pha loãng Koch, trong đó số lượng tế bào được tính bằng cách đếm số khuẩn lạc hình thành khi nuôi cấy trên môi trường bán rắn chuyên dụng.
- Xác định Nitơ tổng số: TCVN 6498: 1999 – phương pháp Kjendahl
- Xác định Lân tổng số: TCVN 4052: 1985 – phương pháp so màu
-Xác định Kali tổng số TCVN 4053: 1985 – phương pháp quang kế ngọn lửa.
- Xác định Cacbon hữu cơ tổng số: TCVN 6644:2000 – phương pháp Walkley & Black
- Xác định pH: TCVN 4402:1987 – đo bằng pH
- Xác định độ ẩm: TCVN 1867:2001 – phương pháp sấy khô
- Xác định mật độ bào tử nấm AM theo phương pháp đo đếm trực tiếp (Brundrett, 1991)
3.5.4 Phương pháp lựa chọn cây chủ
- Xác định tỷ lệ nảy mầm trên giấy lọc ẩm ở điều kiện vô trùng 25 0 C
- Nhiễm nấm rễ vào rễ cây chủ trực tiếp Số lượng bào tử được xác định theo phương pháp sàng ướt của Linderman (1963)
- Tỷ lệ xâm nhiễm rễ cây được xác định theo phương pháp phóng đại ô giao nhau của McGonigle (1991)
3.5.5 Phương pháp xử lý số liệu
Kết quả thí nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm Excel
3.5.6 Phương pháp sản xuất vật liệu sinh học
VLSH được sản xuất theo quy trình của Nguyễn Thị Minh và cs (2014) theo sơ đồ dưới đây:
Lựa chọn và nhân giống nấm rễ
Giống nấm rễ: Gigaspora sp6 và Dentiscutata
Nigra Cây chủ: Cây đậu xanh Mật độ nấm rễ:
Chất nền: Đất phù sa cũ Gia Lâm
Xử lý: Sàng qua rây 2-5 mm trước khi sử dụng
Bổ sung NPK 15-0-15 với tỷ lệ 15-20g/1kg VLSH
Lựa chọn cây giống sử dụng
Cây giống sử dụng: Cây đậu mèo
Kiểm tra chất lượng – Bảo quản và sử dụng Kiểm tra chất lượng: Mật độ nấm rễ AM, độ ẩm, pH, hàm lượng dinh dưỡng (N,P,K tổng số…)
Bảo quản và sử dụng:
Bảo quản ở 4-8 0 C và sử dụng trong vòng 6 tháng
Hình 3.1 Quy trình sản xuất vật liệu sinh học
Nghiên cứu của PGS TS Nguyễn Thị Minh và cộng sự (2016) đã tập trung vào việc phân lập và tuyển chọn các chủng nấm rễ, đặc biệt là Arbuscular mycorrhizae và Rhizobium, nhằm sản xuất vật liệu sinh học Mục tiêu của nghiên cứu là tái tạo thảm thực vật cho các tiểu cảnh trong khuôn viên, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao giá trị thẩm mỹ.