Trong nghiên cứu này sẽ khảo sát đánh giá thực trạng canh tác và nguồn nước tưới cho nông nghiệp hữu cơ ở huyện Ba Tri, Bến Tre từ đó đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ tưới tự động thông minh, tiết kiệm nước cho canh tác rau hữu cơ tại đây. Nghiên cứu này ở huyện Ba Tri nói riêng và áp dụng cho các địa phương khác nói chung sẽ góp phần bảo vệ môi trường, thích ứng cao với biến đổi khí hậu, hướng đến nền nông nghiệp 4.0 và xu hướng kinh tế tuần hoàn, tiết kiệm tài nguyên nước và phát triển bền vững.

Từ khóa: tưới thông minh, nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu, tiết kiệm nước tưới, phát triển bền vững.

Giới thiệu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) trong thời gian gần đây đã có những tác động nghiêm trọng đến tất cả các vùng, miền, các lĩnh vực về TN,MT và KT-XH của thế giới trong đó có nước ta, đặc biệt là tác động đến nguồn tài nguyên nước cho sản xuất nông nghiệp. Việt Nam được xếp vào nhóm các quốc gia thiếu nước với tổng bình quân đầu người cả nước mặt và nước ngầm trên phạm vi lãnh thổ là 4.400 m3/người/năm (so với bình quân thế giới là 7.400 m3/người/năm). Trong khai thác, sử dụng tài nguyên nước, Việt Nam có nhiều yếu tố không bền vững. Do đó, các tác động của biến đổi khí hậu các làm cho vấn đề suy giảm tài nguyên nước ở nước ta càng trở nên nghiêm trọng hơn [1-4].

Theo Sở NN&PTNT tỉnh Bến Tre, mùa khô 2023-2024 từ tháng 01 đến tháng 04/2024, khu vực tỉnh không mưa, lượng mưa thiếu hụt 100%, cả tỉnh trong tình trạng ngày nắng đến nắng nóng, có những ngày nắng nóng gay gắt. Nhiệt độ cao nhất quan trắc được là 38,2oC (02/5/2024) đã vượt giá trị lịch sử từng ghi nhận là 38,1oC (06/5/2005). Nguồn nước mặt trên các sông cũng bị thiếu hụt, bị nhiễm mặn do tình trạng xâm nhập mặn sớm, sâu và kéo dài hơn trung bình nhiều năm (2012-2023) nhất là các tháng cao điểm cuối tháng 02 đến tháng 04/2024. Theo UBND tỉnh Bến Tre, thiệt hại do xâm nhập mặn đối với địa phương này là rất lớn, tác động trên hầu hết các lĩnh vực (ước tính thiệt hại của riêng ngành nông nghiệp do xâm nhập mặn năm 2015-2016 đã lên đến gần 1.800 tỷ đồng) [5].

Công nghệ tưới tự động thông minh là một giải pháp thích ứng, giảm thiểu tác động của BĐKH cho canh tác nông nghiệp trước thực trạng khan hiếm nguồn nước hiện nay. Đây là giải pháp ứng dụng kỹ thuật cao và công nghệ thông tin (CNTT) vào quy trình tưới nước trong canh tác nông nghiệp hữu cơ. Các nước phát triển trên thế giới đều ứng dụng CNTT trong sản xuất nông nghiệp như: Israel, Nhật Bản, Mỹ, Hà Lan,… Phương pháp này nhằm xác định lượng nước tưới chính xác và các hệ số cây trồng. Tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng hoặc nghiên cứu, các ứng dụng được thiết kế phù hợp thông qua hệ thống cảm biến và phần mềm điều khiển [6]. Trong quá trình tưới nước người quản lý không nhất thiết phải trực tiếp trên cánh đồng mà có thể quản lý từ xa, các hệ thống cảm biến có thể giúp người quản lý biết được các thông số hiện tại trên cánh đồng của họ và từ đó, tưới hoặc bón phân chính xác cho cây trồng được thực hiện thông qua một lệnh điều khiển khá đơn giản bằng cách gửi lệnh qua tin nhắn điện thoại [7]. Nhóm nghiên cứu Trương Phong Tuyên và cộng sự [8] đã thiết kế máy bay điều khiển từ xa cho phép chụp không ảnh phục vụ sản suất Nông-Lâm nghiệp. Để nền nông nghiệp được phát triển bền vững, việc đưa ứng dụng CNTT vào phục vụ sản xuất nông nghiệp là một trong những việc cần đầu tư, xúc tiến [9]. 

Bảng 1. Kết quả khảo sát một số nông hộ trồng rau hữu cơ tại địa bàn xã An Hòa Tây, huyện Ba Tri

Nghiên cứu này sẽ tập trung khảo sát và đánh giá tình hình canh tác cùng nguồn nước tưới cho nông nghiệp hữu cơ tại huyện Ba Tri, Bến Tre. Từ đó, đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ tưới tự động thông minh, giúp tiết kiệm nước cho việc trồng rau hữu cơ. Điều này không chỉ mang lại giải pháp hữu ích cho huyện Ba Tri mà còn có thể áp dụng ở các địa phương khác, góp phần BVMT, thích ứng với BĐKH và phát triển bền vững.

Kết quả khảo sát đánh giá thực trạng canh tác và nguồn nước tưới cho nông nghiệp hữu cơ ở huyện Ba Tri

Hiện trạng canh tác nông nghiệp hữu cơ 

Huyện Ba Tri là địa phương có diện tích trồng rau màu khá lớn của tỉnh Bến Tre, với trên 2.800 ha, tập trung tại các xã: Tân Thủy, An Hòa Tây và Vĩnh An,... Rau màu tại huyện Ba Tri không chỉ phục vụ thị trường trong huyện mà đã có mặt tại nhiều tỉnh, thành khác [10].

Bảng 2. Giá bán rau của các nông hộ theo 2 tiêu chuẩn hữu cơ PGS và VietGAP

Nhìn chung, các hộ dân canh tác nông nghiệp hữu cơ theo phương thức thủ công, chưa đầu tư công nghệ. Cùng với quan niệm tưới truyền thống lãng phí nước và rửa trôi chất dinh dưỡng gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận, ô nhiễm môi trường. Hệ lụy từ việc này là làm cho canh tác nông nghiệp hữu cơ trở nên kém hiệu quả. Ngoài ra, việc tưới dư thừa và khai thác quá mức còn gây suy giảm nghiêm trọng tài nguyên nước ngầm [11].

Hiện trạng nguồn nước tưới cho canh tác nông nghiệp hữu cơ 

Trở ngại đáng kể trong nông nghiệp ở huyện Ba Tri, Bến Tre là thời tiết và khí hậu dị thường, khô hạn và xâm nhập mặn, làm thiếu hụt nguồn nước tưới cho canh tác nông nghiệp. Trong điều kiện khô hạn và nhiễm mặn trên diện rộng làm khan hiếm nguồn nước, các nông hộ canh tác rau hữu cơ ở đây phải sử dụng nguồn nước giếng để bơm lên hồ chứa nhỏ (2 - 3 m3), sau đó sử dụng nước này tưới cho vườn rau. Tuy nhiên nguồn nước ngầm từ giếng khoan có trữ lượng hạn chế, không đủ cấp nước tưới tiêu trong mùa hạn mặn. Do đó, diện tích canh tác nông nghiệp hữu cơ ở địa phương ngày càng bị thu hẹp. Những tác động ngày càng tiêu cực của BĐKH như hiện tại, vấn đề tưới tiết kiệm nước, BVMT và phát triển bền vững đang là thách thức [12].

Đề xuất nghiên cứu thiết lập công nghệ tưới tự động thông minh, tiết kiệm nước cho canh tác rau hữu cơ 

Hình 1. Cụm thiết bị điều khiển  tưới. 

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát thực địa tại các vườn rau hữu cơ tiêu chuẩn PGS - VietGAP của nông dân ở xã An Hòa Tây, huyện Ba Tri và nghiên cứu ứng dụng hệ thống tưới tự động, thông minh, tiết kiệm nước trong canh tác. Qua đó, ứng dụng CNTT và công nghệ truyền dữ liệu, kết hợp căn cứ các nghiên cứu về đặc tính sinh học của các loại rau để thiết lập hệ thống tưới vận hành tự động dựa trên độ ẩm của đất và thời tiết cho các vườn rau ở đây, đảm bảo tưới đủ lượng nước cần thiết cho rau, không dư thừa lãng phí nước. Trong đó, nguyên tắc hoạt động của hệ thống cảm biến độ ẩm đất là cảm biến độ ẩm đất hoạt động dựa trên sự thay đổi của điện trở (hoặc điện dung) đầu dò của cảm biến. Khi lượng nước chứa trong đất thay đổi, hằng số điện môi và độ dẫn điện của môi trường đất xung quanh đầu dò sẽ thay đổi tương ứng. Mạch xử lý của cảm biến sẽ phát hiện và đo lường sự thay đổi này để xác định độ ẩm của đất. Cảm biến độ ẩm được tích hợp và hệ thống điều khiển với 2 mức độ ẩm dự báo cho cây trồng là (i) độ ẩm thích hợp, không cần tưới; (ii) độ ẩm dưới mức yêu cầu, cần phải tưới. Toàn bộ hệ thống bao gồm bộ cảm biến tự động kết nối với bộ điều khiển trung tâm và máy bơm được đơn giản hóa bằng các nút trên tủ điện hoặc trên ứng dụng điện thoại giúp người nông dân dễ dàng thao tác và giám sát. 

Hình 2. Sơ đồ kết nối Bộ xử lý trung tâm và mạng internet.

Người sử dụng có thể truy cập vào server từ xa để xem dữ liệu, theo dõi bằng máy tính và thiết bị di động thông qua một chương trình ứng dụng được cài đặt trên máy tính và điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android. Trong trường hợp kết nối internet gặp sự cố kỹ thuật hoặc ở khu vực không có kết nối mạng internet, người sử dụng vẫn có thể kiểm tra trạng thái của hệ thống, giám sát hoạt động của hệ thống bơm nước tưới bằng cách theo dõi tin nhắn SMS qua mạng điện thoại di động. Các thông tin cảnh báo về tình trạng độ ẩm của đất sẽ được Bộ xử lý trung tâm gửi đến người sử dụng qua tin nhắn SMS để kịp thời có biện pháp xử lý thích hợp.

Hình 3. Một số hình ảnh thực tế lắp đặt hệ thống tưới thông minh.

a) Tủ điện điều khiển;    
b) Cảm biến độ ẩm đất;
c) Hệ thống tưới phun mưa trên vườn rau hữu cơ

Kết luận

BĐKH và hạn mặn kéo dài hằng năm ảnh hưởng nặng nề đến nền nông nghiệp hữu cơ tại Ba Tri, Bến Tre. Khảo sát các hộ dân trồng rau hữu cơ VietGAP/PGS ở xã An Hòa Tây huyện Ba Tri, diện tích trồng từ 300 m2 đến 1500 m2 mỗi hộ, các loại rau trồng chủ yếu là rau ăn lá, rau thơm, rau ăn trái và một số loại rau ăn củ. Quy trình canh tác truyền thống chưa ứng dụng công nghệ cao, lượng nước tưới quá nhiều, gây dư thừa, lãng phí nước, năng suất kém nên chưa mang lại giá trị kinh tế cao. Nguồn cấp nước tưới chủ yếu trong mùa khô là giếng khoan, tuy nhiên trữ lượng nước ngầm không đủ đáp ứng hoặc cũng bị nhiễm mặn. Nghiên cứu này, “đã” đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ tưới tự động, thông minh, tiết kiệm nước cho canh tác rau hữu cơ hoạt động dựa trên thông số của cảm biến độ ẩm đất, đảm bảo tưới vừa đủ nước cho cây trong thích ứng với thực trạng xâm nhập mặn và khan hiếm nguồn nước tưới tại Ba Tri nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Đề tài nghiên cứu khoa học - Sở KH&CN tỉnh Bến Tre năm 2023-2025.

Tài liệu tham khảo

1.    Trần Đức Viên, Trần Trọng Phương, Nguyễn Thanh Lâm, Cao Trường Sơn (2024). “Tác động của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp và an ninh lương thực của Việt Nam”. Kỷ yếu Hội thảo khoa học quốc gia “Môi trường nông nghiệp, nông thôn và Phát triển bền vững”, trang 6-10;

2.    Trần Đình Hòa (2021), “An ninh nguồn nước của Việt Nam trước những thách thức về sử dụng nước và tác động của biến đổi khí hậu”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam, số 3, 21-24;

3.    Lê Trung Hưng, Phùng Thị Mỹ Linh, Vũ Văn Thăng, Tạ Hữu Chỉnh, Phạm Thị Hải Yến (2022). “Đặc điểm khí hậu và các cực đoan trên lãnh thổ việt nam trong năm 2021”. Tạp chí khoa học biến đổi khí hậu, số 22, 26-35.

4.    Phạm Thị Thanh Ngà (2023). “El Nino khốc liệt ở Tây Nguyên và Nam Bộ từ cuối năm”. VNEXPRESS;

5.    Vũ Anh (2024). “Bến Tre: Đã có giải pháp gì cho tình hình hạn hán, xâm nhập mặn theo chu kỳ trong nhiều năm qua”. Tạp chí Thanh Tra Việt Nam;

6.    Jimenez Carvajal, C., Ruiz Pe#alver, L., Vera, J., Jiménez-Buendía, M., Antolino-Merino, A., & Molina Martínez, J. (2016). “Weighing lysimetric system for the determination of the water balance during irrigation in potted plants”. Agricultural Water Management, 183. doi:10.1016/j.agwat.2016.10.006;

7.    Ruiz-Canales, A., & Ferrández-Villena, M. (2015). “New proposals in the automation and remote control of water management in agriculture: Agromotic systems Preface”. Agricultural Water Management, 151. doi:10.1016/j.agwat.2014.12.001;

8.    Trương Phong Tuyên và cộng sự (2014). “Thiết kế máy bay điều khiển từ xa cho phép chụp không ảnh phục vụ sản suất Nông-Lâm nghiệp”, Kỷ yếu Hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc. Tập 1, 265-275.

9.    Võ Quang Minh (2014). “Công nghệ thông tin trong Nông nghiệp”, Hội thảo Khoa học Công nghệ thông tin với Biến đổi khí hậu, Kiên Giang, 64-78.

TRẦN ANH TRUNG^1,2, HỒ THỊ THANH VÂN*¹, LÝ CẨM HÙNG^2
1 Viện Nghiên cứu và Phát triển Sinh học Nông nghiệp tiên tiến - Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
² Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 14 (Kỳ 2 tháng 7) năm 2024