Từ khóa: Phân bón ure phân hủy chậm, dư lượng phân bón, nông nghiệp xanh, nông nghiệp bền vững

Đặt vấn đề

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với hơn 70% dân số làm việc trong lĩnh vực này [1]. Kinh tế nông nghiệp đóng vai trò quan trọng, với diện tích đất nông nghiệp gần 28 triệu ha [2]. Sử dụng phân bón hóa học để tăng năng suất là không thể thiếu, với tổng lượng phân bón khoảng 11 triệu tấn mỗi năm [3]. Tuy nhiên, thói quen sử dụng quá nhiều phân bón do tính chất hòa tan nhanh của chúng đã gây ra dư lượng phân bón trong môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng đất, nước, hệ sinh thái và sức khỏe con người. 

Để giảm dư lượng phân bón trong môi trường, các nhà nghiên cứu và chuyên gia nông nghiệp đã đưa ra nhiều giải pháp, trong đó có việc sử dụng phân bón phân hủy chậm. Phân bón phân hủy chậm có thời gian phân hủy lâu hơn so với phân bón hóa học thông thường, giúp giải phóng dinh dưỡng từ từ vào đất. Điều này cho phép cây trồng hấp thụ dinh dưỡng hiệu quả hơn và hạn chế sự thất thoát phân bón ra môi trường. Nghiên cứu về phân bón phân hủy chậm tại Việt Nam còn hạn chế, mặc dù đã có những công trình như phân ure bọc polyme sinh học và chitosan cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện năng suất và giảm ô nhiễm [4, 5]. Các quốc gia khác như Nhật Bản, Mỹ và Trung Quốc đã có những thành tựu đáng kể trong việc phát triển và sử dụng phân bón phân hủy chậm [6-9]. 

Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này nhằm (1) đưa ra một quy trình tổng hợp phân bón ure phân hủy chậm đơn giản và dễ thực hiện và (2) khảo sát ảnh hưởng của chúng lên sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. 

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Dụng cụ, thiết bị, và nguyên vật liệu

Quá trình điều chế phân ure phân hủy chậm trong nghiên cứu này sử dụng các dụng cụ và thiết bị đơn giản có sẵn trong các phòng thí nghiệm chuyên ngành, bao gồm bình định mức, becher, ống đong, bình tia, pipet, cân, đũa thủy tinh, cối chày sứ, tủ sấy và chậu trồng cây. Đất trồng cây, hạt giống cây cải và phân đạm bình thường cũng được chuẩn bị để khảo sát ảnh hưởng của phân ure phân hủy chậm lên sự phát triển của cây trồng và so sánh hiệu quả với phân đạm bình thường bán trên thị trường [10, 11].

Trong quá trình điều chế phân ure phân hủy chậm, các nguyên vật liệu sử dụng bao gồm: 1 kg phân ure (đạm) từ Công ty Đạm Phú Mỹ, cung cấp đạm cho cây trồng; 500 g đồng sunfat từ Đài Loan, cung cấp dưỡng chất trung lượng giúp cây tăng cường sức đề kháng; 500 g magie sulfate từ Trung Quốc, cung cấp dưỡng chất vi lượng và ngăn ngừa nấm; 1 kg tro trấu từ cửa hàng cây trồng, giúp tăng thời gian tan và giảm bay hơi phân; 250 g chitosan từ Trung Quốc, tăng cường kết dính nguyên liệu và bảo vệ cây trồng; 500 ml axit acetic từ Italia, bảo quản phân bón và ổn định cấu trúc; 1 kg keo latex từ Việt Nam, kết dính các nguyên liệu tạo viên phân có độ ổn định cao. Ngoài ra, đất trồng cây, hạt giống cây cải và phân đạm bình thường cũng được sử dụng để khảo sát hiệu quả của phân bón ure phân hủy chậm.

Quy trình tổng hợp phân bón ure phân hủy chậm

Nghiên cứu này nhằm tổng hợp 2 loại phân bón ure phân hủy chậm bao gồm phân ure kết hợp với MgSO4, và phân ure kết hợp với CuSO4 [12]. 

Hình 1. Quy trình tổng hợp phân bón ure phân hủy chậm

Quy trình tổng hợp phân được trình bày trong Hình 1. Quy trình tổng hợp phân bón ure phân hủy chậm bao gồm các bước sau (Hình 1): Đầu tiên, nghiền các nguyên liệu cần thiết như ure, MgSO4 hoặc CuSO4, tro trấu và trộn đều hỗn hợp này. Tiếp theo, thêm latex và nước vào hỗn hợp rồi khuấy đều trước khi cho vào khuôn ép với lực 90 nm² để tạo thành viên phân. Các viên phân này sau đó được ngâm vào dung dịch chitosan và axit acetic 1.5% trong 5 phút để tạo màng bọc bảo vệ. Sau khi ngâm, các viên phân được sấy khô ở nhiệt độ 900C trong máy sấy và sau đó để ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ để hoàn thiện quá trình sấy. Sản phẩm cuối cùng là các viên phân bón ure phân hủy chậm có cấu trúc ổn định và độ tan thấp hơn so với phân ure thông thường, giúp cung cấp dinh dưỡng lâu dài cho cây trồng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Đánh giá cảm quan và chất lượng phân thành phẩm

Đánh giá chất lượng phân ure phân hủy chậm được thực hiện dựa trên các chỉ tiêu cảm quan và phân tích hóa học. Về mặt cảm quan, phân thành phẩm được quan sát về màu sắc, kích thước, và độ cứng.Ngoài ra, độ tan của phân ure phân hủy chậm được kiểm tra bằng cách thả các mẫu phân vào nước và khuấy nhẹ, thời gian tan hết của các mẫu phân được ghi chép lại để đối chứng.

Về mặt hóa học, các mẫu phân được gửi phân tích tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường 3 để đo các chỉ tiêu bao gồm pH, độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ, tỉ lệ C/N, hàm lượng nitơ, magie, đồng và E.coli trong các mẫu phân. Các kết quả đo lường này là cơ sở để kết luận về khả năng cung cấp dinh dưỡng từ từ cho cây trồng, đảm bảo an toàn vệ sinh, đồng thời là minh chứng giảm thiểu dư lượng phân bón trong môi trường, góp phần bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Thí nghiệm khảo sát tác dụng của phân ure phân hủy chậm lên sinh trưởng cây trồng

Khảo nghiệm tác dụng của phân ure phân hủy chậm lên sự sinh trưởng của cây trồng được thực hiện bằng cách gieo hạt giống cải ngọt trong ba chậu riêng biệt và chăm sóc trong 15 ngày. Chậu thứ nhất được bón phân ure thông thường, chậu thứ hai bón phân ure phân hủy chậm kết hợp với MgSO4, và chậu thứ ba bón phân ure phân hủy chậm kết hợp với CuSO4. Tỉ lệ hạt nảy mầm và sự phát triển của cây con ở cả ba chậu được quan sát và ghi chép lại.

Kết quả và thảo luận

Các chỉ tiêu cảm quan

Quan sát bằng mắt thường cho thấy, phân thành phẩm có màu đen do thành phần chính của nguyên liệu tổng hợp phân là tro trấu. Kích thước các viên phân vào khoảng 1 cm (Hình 2). Kết quả thử nghiệm độ cứng cho thấy, các mẫu phân ure phân hủy chậm cứng hơn các mẫu phân ure thông thường. Các viên phân có cấu trúc viên tròn và không bị rã ở điều kiện bình thường. 

Hình 2. Đo kích thước các viên phân

Kết quả từ các thí nghiệm xác định độ tan cho thấy, 2 mẫu phân ure phân hủy chậm có độ tan khá giống nhau. Thời gian tan hết của 2 mẫu phân ure phân hủy chậm là từ 40-45 phút. Trong khi đó mẫu phân ure thông thường tan rất nhanh, tan hoàn toàn trong vòng 1-2 phút ngâm trong nước. Điều này cho thấy, vai trò của các thành phần hỗ trợ tính tan là latex và chitosan được sử dụng trong quá trình tổng hợp phân. Keo latex giúp tăng tính kết dính của các loại nguyên liệu, giúp cấu trúc viên phân ổn định hơn trong nước. Màng bọc chitosan tạo ra rào cản để nước khó hòa tan các mẫu phân hơn. 

Các chỉ tiêu chất lượng phân

Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng các mẫu phân ure phân hủy chậm tổng hợp từ nghiên cứu này được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng phân ure phân hủy chậm

Kết quả phân tích chất lượng của hai mẫu phân ure phân hủy chậm, bao gồm phân ure kết hợp với MgSO4 và CuSO4 (Bảng 2). Mẫu ure + MgSO4 có pH 7,2 gần trung tính, độ ẩm 1,96%, hàm lượng chất hữu cơ 28,3%, tỉ lệ C/N 7,39 và hàm lượng nitơ 17,5%, cho thấy nó thích hợp cho nhiều loại cây trồng và cung cấp dinh dưỡng lâu dài. Mẫu ure + CuSO4 có pH 5,0 hơi axit, độ ẩm 1,35%, hàm lượng chất hữu cơ 31,3%, tỉ lệ C/N 5,35, hàm lượng nitơ 2,82% và hàm lượng đồng 1,82×104 mg/kg, phù hợp cho cây cần kháng bệnh tốt. Cả hai mẫu đều không phát hiện E.coli, đảm bảo an toàn vệ sinh. Hai loại phân này giúp cây trồng phát triển bền vững và giảm ô nhiễm môi trường do dư lượng phân bón.

Hiệu quả của phân bón ure phân hủy chậm lên cây trồng

Sau 5 ngày gieo hạt, cả ba chậu đều có tỷ lệ hạt nảy mầm tốt và tương đồng. Sau 10 ngày, các cây con trong ba chậu phát triển đều nhau. Sau 15 ngày, các cây cải ngọt đều phát triển khỏe mạnh, với chiều cao cây tăng trưởng tốt và không có sự khác biệt rõ rệt giữa các chậu. Điều này cho thấy phân ure phân hủy chậm được tổng hợp trong nghiên cứu này có chất lượng và hiệu quả tương đương với phân ure thông thường. Dù sử dụng lượng ure ít hơn trong chậu bón phân ure phân hủy chậm, cây trồng vẫn phát triển tốt, nhờ tính năng tan chậm của phân bón. Kết quả này khẳng định phân ure phân hủy chậm không chỉ đảm bảo cung cấp đủ dinh dưỡng cho cây mà còn giúp giảm thiểu dư lượng phân bón trong môi trường, bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Hình 3. Hiệu quả của phân bón lên sự sinh trưởng và phát triển của cây cải ngọt sau a) 5 ngày, b)10 ngày, và c) 15 ngày gieo hạt

Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này đã giới thiệu một quy trình đơn giản và dễ thực hiện để tổng hợp phân bón ure phân hủy chậm, với hai loại phân thành phẩm là phân ure kết hợp với MgSO4 và phân ure kết hợp với CuSO4. Kết quả cho thấy, các viên phân có màu đen, kích thước 1 cm, độ cứng tốt và độ tan thấp hơn so với phân ure thông thường. Điều này là do sự kết dính của các nguyên liệu nhờ có các thành phần như keo latex và chitosan. Thí nghiệm khảo sát tác dụng của phân ure phân hủy chậm lên sự phát triển của cây cải ngọt cho thấy cây nảy mầm và phát triển tốt, không kém so với phân ure thông thường. Việc sử dụng phân bón ure phân hủy chậm không chỉ đảm bảo cung cấp đủ dinh dưỡng cho cây trồng mà còn giúp giảm thiểu dư lượng phân bón trong môi trường, bảo vệ môi trường, hệ sinh thái và sức khỏe con người. Nghiên cứu này, mặc dù còn gặp một số hạn chế, đã cho thấy tiềm năng lớn của phân bón ure phân hủy chậm trong nông nghiệp bền vững. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện quy trình điều chế và sử dụng các công nghệ tiên tiến để đánh giá chính xác hơn chất lượng phân bón thành phẩm.

Tài liệu tham khảo

1.    THIÊN, T.Đ., Vài đề xuất về mối quan hệ giữa áp lực dân số-lao động và sự phát triển nông nghiệp - nông thôn;
2.    Quế, P.T., N.T. Hải, and T.T.J.T.C.K.H.V.C.N.L.N. Hà, đánh giá kết quả công tác dồn điền đổi thửa đất nông nghiệp trên địa bàn xã hồng thái, huyện phú xuyên, Tp. Hà Nội. 2019(5): p. 143-150.
3.    Bộ, N.V.J.N.N.n., Nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón ở Việt Nam. 2013. 42;
4.    Toàn, T.Q., Đ.T.H.J.T.J.o.S. Phương, and Technology, Động học nhả chất dinh dưỡng và khả năng phân hủy sinh học trong đất của phân bón ure nhả chậm với vỏ bọc polyme. 2018. 181(05): p. 41-46;
5.    Toàn, T.Q.J.T.J.o.S. and Technology, Tính chất và tốc độ nhả dinh dưỡng trong đất của phân bón kali nhả chậm qua lớp phủ polyme. 2019. 208(15): p. 215-220;
6.    Katsumi, N., et al., Accumulation of microcapsules derived from coated fertilizer in paddy fields. 2021. 267: p. 129185;
7.    Cao, X., et al., Effects of late#stage nitrogen fertilizer application on the starch structure and cooking quality of rice. 2018. 98(6): p. 2332-2340;
8.    Giroto, A.S., et al., Role of slow-release nanocomposite fertilizers on nitrogen and phosphate availability in soil. 2017. 7(1): p. 46032;
9.    Ji, Y., H. Liu, and Y.J.P.O. Shi, Will China's fertilizer use continue to decline? Evidence from LMDI analysis based on crops, regions and fertilizer types. 2020. 15(8): p. e0237234;
10.    Schaber, P.M., et al., Thermal decomposition (pyrolysis) of urea in an open reaction vessel. 2004. 424(1-2): p. 131-142;
11.    Yamamoto, C.F., et al., Slow release fertilizers based on urea/urea–formaldehyde polymer nanocomposites. 2016. 287: p. 390-397;
12.    Azeem, B., et al., Review on materials & methods to produce controlled release coated urea fertilizer. 2014. 181: p. 11-21.

TS. HOÀNG HỒNG GIANG¹, NGUYỄN TIẾN TÂN¹, 
DƯƠNG NGỌC LINH¹, ThS. ĐỒNG THỊ THU HUYỀN¹, 
TS. BÙI THỊ PHƯƠNG THÚY^2,*
¹ Khoa Công nghệ, Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai, TP. Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai
² Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Văn Lang, TP. Hồ Chí Minh, Việt Nam
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 11+12 năm 2024