Các nhà khoa học chỉ ra cách trồng lúa giàu dinh dưỡng hơn mà ít sử dụng phân bón hơn

Các nhà khoa học chỉ ra cách trồng lúa giàu dinh dưỡng hơn mà ít sử dụng phân bón hơn

Cao Thị Hải Yến theo Đại học Massachusetts

Việc trồng lúa - lương thực chính của hơn 3,5 tỷ người trên toàn thế giới - đi kèm với những chi phí cực kỳ cao về môi trường, khí hậu và kinh tế. Tuy nhiên, điều này có thể sắp thay đổi, nhờ nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Đại học Massachusetts Amherst và Đại học Giang Nam, Trung Quốc dẫn đầu. Họ đã chỉ ra rằng việc ứng dụng selen ở kích cỡ nano có thể làm giảm lượng phân bón cần thiết cho việc trồng lúa, đồng thời duy trì năng suất, tăng cường dinh dưỡng, cải thiện sự đa dạng vi sinh vật trong đất và cắt giảm phát thải khí nhà kính. Hơn nữa, trong một bài báo mới được công bố trên PNAS (Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ), lần đầu tiên họ chứng minh rằng những ứng dụng ở kích cỡ nano như vậy có thể hoạt động trong điều kiện thực tế.

(a) Lúa được bón selen và ít hơn 30% phân bón (RF+ Se ENMs) có khối lượng lớn hơn nhiều so với lúa được bón ít hơn (RF) và tương đương với lúa trồng thông thường (CK). (b) Thí nghiệm thực địa kiểm tra lượng khí thải nhà kính của lúa được xử lý bằng phương pháp nano selen.

Baoshan Xing, giáo sư Hóa học Môi trường và Đất, Giám đốc Trường Nông nghiệp Stockbridge thuộc Đại học Massachusetts, đồng thời là đồng tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết: “Cách mạng Xanh đã thúc đẩy mạnh mẽ sản lượng nông nghiệp vào giữa thế kỷ trước. Nhưng cuộc cách mạng đó đang dần mất đà. Chúng ta cần tìm ra cách để khắc phục và phát huy hiệu quả”.

Một phần tạo nên cuộc Cách mạng Xanh mang tính cách mạng là việc phát minh ra phân bón tổng hợp giàu nitơ, có thể duy trì năng suất nông nghiệp cao. Nhưng chúng rất tốn kém, tạo ra một lượng lớn carbon dioxide và phần lớn phân bón bị rửa trôi.

Hầu hết các loại cây trồng chỉ sử dụng khoảng 40–60% lượng nitơ bón cho chúng, một phép đo được gọi là hiệu suất sử dụng nitơ (NUE) và NUE của lúa có thể chỉ đạt 30% - điều này có nghĩa là 70% lượng nitơ mà người nông dân bón cho ruộng đồng bị rửa trôi vào các dòng suối, hồ và đại dương, gây ra hiện tượng phú dưỡng, vùng chết và hàng loạt vấn đề môi trường khác. Điều này cũng có nghĩa là 70% chi phí phân bón cũng bị lãng phí.

Hơn nữa, khi bón nitơ vào đất, nó sẽ tương tác với hệ vi sinh vật và hóa học vô cùng phức tạp của đất và cuối cùng dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng khí Metan, amoniac và nitơ oxit - tất cả đều góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Hơn nữa, bản thân việc tổng hợp phân bón cũng là một hoạt động thải ra rất nhiều khí nhà kính.

“Mọi người đều biết rằng chúng ta cần cải thiện NUE”, Xing nói - câu hỏi là làm thế nào?

Điều mà Xing và các đồng tác giả của ông, bao gồm tác giả chính Chuanxi Wang và một tác giả cao cấp khác, Zhenyu Wang, các giáo sư về quy trình môi trường và kiểm soát ô nhiễm tại Đại học Giang Nam phát hiện ra là selen ở dạng nano, một nguyên tố quan trọng đối với sức khỏe của thực vật và con người, khi được bón vào lá và thân lúa đã làm giảm 41% tác động tiêu cực của việc bón đạm vào môi trường và tăng 38,2% lợi ích kinh tế trên mỗi tấn lúa so với các phương pháp thông thường.

 (a) Một trong những cánh đồng thử nghiệm tại thành phố Côn Sơn, Trung Quốc; (b) và (c) so sánh năng suất và trọng lượng hạt của lúa trồng thông thường (CK), lúa được xử lý bằng lượng phân bón ít hơn 30% (RF) và lúa được xử lý bằng lượng phân bón ít hơn 30% và nano-selen (RF+Se ENMs).

Wang nói: “Chúng tôi đã sử dụng máy bay không người lái để phun nhẹ dung dịch selen nano lên lúa đang phát triển trong ruộng. Tiếp xúc trực tiếp này đồng nghĩa với việc cây lúa hấp thụ selen hiệu quả hơn nhiều so với khi chúng tôi bón xuống đất”.

Selen kích thích quá trình quang hợp của cây, tăng hơn 40%. Quá trình quang hợp tăng đồng nghĩa với việc cây hấp thụ nhiều CO2 hơn, sau đó chuyển hóa thành carbohydrate. Những carbohydrate này chảy xuống rễ cây, giúp rễ phát triển. Rễ cây to hơn, khỏe mạnh hơn sẽ giải phóng một loạt các hợp chất hữu cơ nuôi dưỡng các vi khuẩn có lợi trong đất, và chính những vi khuẩn này sau đó sẽ cộng sinh với rễ lúa để hút thêm nitơ và amoni từ đất vào cây, tăng NUE từ 30 lên 48,3%, giảm lượng nitơ oxit và amoniac thải ra khí quyển từ 18,8–45,6%.

Với nhiều chất dinh dưỡng hơn, bản thân cây lúa sẽ cho năng suất cao hơn, hạt gạo cũng giàu dinh dưỡng hơn: Hàm lượng protein, một số axit amin quan trọng và selen cũng tăng vọt.

Trên hết, Xing, Wang và các đồng nghiệp của họ phát hiện ra rằng ứng dụng nano-selen của họ cho phép nông dân giảm 30% lượng nitơ sử dụng. Vì trồng lúa chiếm 15–20% lượng nitơ sử dụng trên toàn cầu, kỹ thuật mới này thực sự hứa hẹn giúp giải quyết mối đe dọa kép: dân số ngày càng tăng, biến đổi khí hậu và chi phí kinh tế và môi trường ngày càng tăng của ngành nông nghiệp.