Các công nghệ quản lý đất trồng

​

Năng suất của đất phụ thuộc vào khả năng đất cung cấp các điều kiện vật lý, hóa học, sinh học và độ ẩm để duy trì sự tăng trưởng thực vật. Nhằm nâng cao năng suất nông nghiệp, các nhà khoa học đã nghiên cứu các công nghệ giúp phục hồi và duy trì cấu trúc vật lý của đất, nâng cao hiệu quả việc sử dụng nước và chất dinh dưỡng cũng như cải thiện bầu rễ nơi vi khuẩn tương tác với rễ của thực vật. Hàm lượng và cấu trúc của các loại đất ở các vùng khác nhau có sự khác biệt đáng kể, và khí hậu cũng vậy, do đó, những công nghệ ứng dụng trong quản lý đất cục bộ là cần thiết. Các hoạt động sản xuất nông nghiệp hiện nay sử dụng một số các công nghệ nhằm duy trì năng suất đất và cải thiện dinh dưỡng đất như: tạo lớp phủ, sử dụng phân bón, luân canh cây trồng, tạo đường bao quanh, canh tác bảo tồn và không cày, kiểm soát thủy lợi, quản lý dinh dưỡng đất, cố định đạm sinh học, kiểm soát sử dụng phân bón. Carbon hữu cơ trong đất (SOC) tương quan mạnh mẽ với năng suất đất, ví dụ, ở Ấn Độ, khi những hoạt động trong quản lý đất giúp làm tăng SOC, sản lượng cũng đã tăng gấp 4,7 lần.

Công nghệ cố định ni-tơ cho thực vật không thuộc họ đậu
Chuyển gen. Vì nitơ trong đất được coi là không đủ cho sự tăng trưởng của cây, nên phân bón hóa học được sử dụng cho hầu hết các loại cây trồng. Vi khuẩn có khả năng chuyển đổi nitơ trong khí quyển sang dạng có thể được thực vật sử dụng để cố định ni-tơ. Trong các loại cây họ đậu tồn tại một mối quan hệ cộng sinh giữa các vi khuẩn Rhizobia cố định đạm và nấm rễ tương tác với rễ thực vật để cung cấp nitơ cho thực vật. Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu các cách thức chuyển hóa khả năng cố định đạm của thực vật họ đậu sang các loài cây trồng khác như ngũ cốc, tuy nhiên họ vẫn chưa đạt được thành công. Năm 2008, các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu phát triển và Đại học Munich đã tìm ra các yếu tố di truyền trong cây họ đậu có khả năng cố định đạm. Đây có thể là bước đầu tiên trong quá trình phát triển công nghệ chuyển gen để thiết lập khả năng cố định đạm cho các cây trồng thuộc loại ngũ cốc như gạo, ngô và lúa mì. Tuy nhiên, đó mới chỉ là bước đầu tiên bởi cần chuyển tối thiểu 10 gen sang loài thực vật không thuộc họ đậu để làm cho chúng cóvới khả năng cố định nitơ.

Hỗ trợ tiến hóa. Sự phát triển khả năng cố định nitơ trong các loài không thuộc họ đậu bằng hỗ trợ tiến hóa là một hướng nghiên cứu nhằm phát triển khả năng cố định đạm cho loài cây phi họ đậu. Phương pháp này đòi hỏi phải thực hiện cải thiện di truyền từng bước của cả vi khuẩn cố định đạm và cây chủ với mục đích cuối cùng nhằm tìm ra mối liên kết cố định nitơ hiệu quả. Nghiên cứu này đòi hỏi phải xác định hàng chục gen tham gia vào mối tương tác phức tạp giữa các vi khuẩn và cây chủ. Các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu trên các loại cây trồng ngũ cốc chính và các loại vi khuẩn Rhizobia, Frankia, và vi khuẩn lam bằng cách đưa các vi khuẩn vào rễ cây hoặc toàn bộ cây. Cho đến thời điểm này, họ cũng đã thu được một số kết quả ban đầu trong việc kiểm soát di truyền khả năng của vi khuẩn cố định đạm khu trú bên trong cây trồng.

Nếu phương pháp chuyển gen hoặc hỗ trợ tiến hóa thành công trong việc chuyển đổi khả năng cố định đạm cho các loại cây trồng ngũ cốc chính, thì bước đột phá này sẽ có ý nghĩa đặc biệt trong công nghệ nông nghiệp. Tuy nhiên, công nghệ chuyển gen này phải đối mặt với một số rào cản kỹ thuật không dễ vượt qua như: thứ nhất, sự liên kết của các gen cố định đạm mong muốn với các gen cung cấp sự kháng bệnh và sâu hại có khả năng can thiệp vào sức đề kháng của cây đối với sâu bệnh; thứ hai, việc đưa vào các chuỗi plasmid vi khuẩn cùng với các gen cố định đạm mong muốn có thể gây hại cho cây; và thứ ba, gen có thể truyền từ cây được chuyển sang cây không chuyển gen hoặc các loài thực vật hoang dã. Do vẫn còn tồn tại những khó khăn mà thách thức kỹ thuật mang lại cũng như những hạn chế trong nỗ lực nghiên cứu, việc cố định đạm có thể không được thực hiện đối với các loài cây ngũ cốc cho đến năm 2040.

Công nghệ biến đổi vi sinh vật đất

Kích thích thực vật. Vùng rễ bao gồm mô rễ, bề mặt rễ, và đất nơi rễ vươn ra. Vi khuẩn tồn tại trong môi trường này ở trên rễ cây và bề mặt đất trong màng sinh học nước mỏng. Vùng rễ khác với đất bên ngoài vùng rễ cả về sinh học và hóa học, và những ảnh hưởng của bệnh thực vật và vi sinh vật thúc đẩy tăng trưởng ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cây trồng. Nghiên cứu về vùng rễ đã chỉ ra rằng biến đổi vi sinh vật đất có thể làm giảm nhu cầu phân bón và thuốc trừ sâu cũng như kích thích tăng trưởng. Kích thích thực vật đề cập đến công nghệ kích thích ảnh hưởng của vùng rễ đối với sức khỏe và sự phát triển của cây. Nông dân thường sử dụng phân bón cho đất để tăng cường sự tăng trưởng và gia tăng năng suất cây trồng, nhưng mối quan hệ giữa thực vật và vi sinh vật vùng rễ vẫn chưa được nhận thức một cách rõ ràng. Việc áp dụng sinh học phân tử cho các vi sinh vật vùng rễ góp phần làm tăng năng suất cây trồng. Chẳng hạn như, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các hormones thực vật của vi khuẩn lam có khả năng cải thiện sự tăng trưởng và năng suất của cây lúa mì.

Đất ức chế bệnh. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một số nhóm vi sinh vật đất có khả năng bảo vệ cây trồng cũng như ức chế bệnh ở cây trồng. Bởi có nhiều loài vi sinh vật không thể được nuôi cấy trong môi trường phòng thí nghiệm, nên người ta sử dụng phân tích metagenomic để nghiên cứu chúng trong môi trường tự nhiên, xác định và sử dụng chúng trong phân đất. Việc phát triển hơn nữa trong lĩnh vực này có thể giúp kiểm soát bệnh ở cây trồng tốt hơn cũng như giảm thiểu sử dụng thuốc trừ sâu.

Hấp thu phốt pho. Một yếu tố đầu vào quan trọng cho sự tăng trưởng ở thực vật là phốt pho, và nó cần phải được cung cấp cho cây từ bên ngoài. Khả năng hấp thụ phốt pho trong cây thường không hiệu quả vì phần lớn lượng phốt pho này bị giữ lại trong đất nên cây không thể hấp thu được. Cây chỉ thu được từ 10%-20% lượng phốt pho sử dụng. Ngoài ra, lượng cung cấp phốt pho trên quy mô toàn cầu sử dụng trong phân bón hạn chế với dự báo tổng lượng cạn kiệt trước cuối thế kỷ này. Vi khuẩn và nấm cũng có thể làm tăng khả năng hấp thụ phốt pho, thế nhưng cho đến nay việc phát triển công nghệ này còn rất hạn chế. Nghiên cứu về mối quan hệ giữa cây trồng và sinh vật hấp thu phốt pho cuối cùng có thể dẫn tới sự cải thiện lớn về hiệu quả của khả năng hấp thu phân bón phốt pho. Tuy nhiên, vì cho đến nay, kết quả đạt được chưa khả quan, do đó, sự cải thiện này có thể sẽ chưa thể mang lại thành công trước năm 2040.

Hạt Nano. Zeolite được sử dụng làm chất cải tạo đất để nâng cao hiệu quả của phân bón, cải thiện độ thấm hút và giữ nước cũng như giữ lại chất dinh dưỡng cho cây. Nghiên cứu về zeolite tập trung vào việc thay đổi cấu trúc phân tử zeolite nhằm cải thiện hiệu quả của khoáng chất này. Một số chuyên gia nghiên cứu công nghệ nano như một cách thức để cải thiện hiệu suất của zeolite. Sự sắp xếp từng nguyên tử một trong công nghệ nano cho phép khả năng kiểm soát kích thước, hình dạng, và hướng phản ứng với đất hoặc mô cây. Việc áp dụng công nghệ nano vào đất được đề xuất bao gồm zeolit nanoporous giúp cho phân bón và nước thoát chậm hơn, nanocapsules giúp kiểm soát quá trình thoát thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu và nanosensor giúp phát hiện dịch hại. Tuy nhiên, mối lo ngại về ảnh hưởng của hạt nano đến sức khỏe của con người đang là một vấn đề rất được quan tâm, một số tổ chức đã có chủ trương không sử dụng chúng trong đất cho đến khi thiết lập được điều kiện an toàn của yếu tố này. 

NASATI (theo Global Food Security: Emerging Technologies to 2040)