Luận án Nghiên cứu đặc điểm nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn và một số biện pháp kỹ thuật canh tác lúa cạn địa phương tại vùng tây bắc Việt Nam

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VĂN KHOA NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU HẠN VÀ MỘT SỐ BIỆN PHÁP KỸ THUẬT CANH TÁC LÚA CẠN ĐỊA PHƯƠNG TẠI VÙNG TÂY BẮC VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 iii HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VĂN KHOA NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU HẠN VÀ MỘT SỐ BIỆN PHÁP KỸ THUẬT CANH TÁC LÚA CẠN ĐỊA PHƯƠNG TẠI VÙNG TÂY BẮC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoa học cây trồng Mã số: 62 62 01 10 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Văn Cường 2. TS. Nguyễn Thị Kim Thanh HÀ NỘI - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận án NGUYỄN VĂN KHOA ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của đồng nghiệp, gia đình. Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phạm Văn Cường và TS. Nguyễn Thị Kim Thanh đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Cây lương thực, Khoa Nông học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Dự án JICA-JST-DCG, đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, cán bộ, giảng viên và sinh viên khoa Nông Lâm trường Đại học Tây Bắc, Dự án JICA-TBU đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận án./. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh NGUYỄN VĂN KHOA iii MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................ i Lời cảm ơn ................................................................................................................... ii Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt...................................................................................................vi Danh mục bảng .......................................................................................................... vii Danh mục hình .............................................................................................................ix PHẦN 1. MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................1 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................2 1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................................................2 1.3.1. Đối tượng nghiên cưu ........................................................................................ 2 1.3.2. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 1.4. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI .........................................................3 1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ..................3 1.5.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................... 3 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 3 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................................... 4 2.1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, KHÍ HẬU VÙNG TÂY BẮC .....................................4 2.1.1. Vị trí địa lý vùng Tây Bắc .................................................................................. 4 2.1.2. Đặc điểm địa hình .............................................................................................. 4 2.1.3. Đặc điểm khí hậu ............................................................................................... 5 2.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT LÚA CẠN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ..........7 2.2.1. Giới thiệu chung về lúa cạn ................................................................................ 7 2.2.2. Tình hình sản xuất lúa cạn trên thế giới và ở Việt Nam ...................................... 8 2.3. ĐẶC ĐIỂM SINH TRƯỞNG VÀ CHỊU HẠN Ở CÂY LÚA CẠN .................. 11 2.3.1. Đặc điểm sinh trưởng của lúa cạn .................................................................... 11 2.3.2. Phản ứng của cây lúa đối với các điều kiện hạn khác nhau ............................... 12 2.3.3. Đặc điểm hình thái, giải phẫu liên quan đến khả năng chịu hạn của cây lúa ...... 15 2.3.4. Đặc điểm sinh lý liên quan đến khả năng chịu hạn ở cây lúa ............................ 18 2.3.5. Di truyền tính chịu hạn ở cây lúa ..................................................................... 22 2.4. CÔNG TÁC CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CẠN .................................................. 25 iv 2.4.1. Công tác chọn tạo giống lúa cạn trên thế giới ................................................... 25 2.4.2. Công tác chọn tạo giống lúa cạn, lúa chịu hạn tại Việt nam .............................. 27 2.5. KỸ THUẬT CANH TÁC LÚA CẠN ............................................................... 29 2.5.1. Thời vụ trồng lúa cạn ....................................................................................... 29 2.5.2. Sử dụng phân bón ở lúa cạn ............................................................................. 29 2.5.3. Các ký thuật canh tác khác ở cây lúa cạn. ......................................................... 35 PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 38 3.1. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU............................................................................... 38 3.2. THỜI GIAN NGHIÊN CỨU ............................................................................ 38 3.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU .................................................. 38 3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 39 3.4.1. Nội dung 1: Tình hình sản xuất và đặc điểm nông sinh học của các mẫu giống lúa cạn thu thập tại vùng Tây Bắc .......................................................................... 39 3.4.2. Nội dung 2: Nghiên cứu các đặc điểm nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn của một số giống lúa cạn vùng Tây Bắc ..................................................... 39 3.4.3. Nội dung 3: Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nâng cao năng suất lúa cạn vùng Tây Bắc................................................................................................... 39 3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................. 41 3.2.1. Phương pháp điều tra, khảo sát và thu thập mẫu giống lúa cạn ......................... 41 3.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm và theo dõi các chỉ tiêu .................................... 41 PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................................. 50 4.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA CÁC MẪU GIỐNG LÚA CẠN THU THẬP TẠI VÙNG TÂY BẮC .................................. 50 4.1.1. Đánh giá hiện trạng sản xuất lúa cạn vùng Tây Bắc ......................................... 50 4.1.2. Đặc điểm hình thái, nông học và đa dạng di truyền tập đoàn các mẫu giống lúa cạn vùng Tây Bắc ............................................................................................ 56 4.2. ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA MỘT SỐ GIỐNG LÚA CẠN VÙNG TÂY BẮC. .................................... 69 4.2.1. Đánh giá khả năng đâm xuyên của rễ mầm. ..................................................... 69 4.2.2. Đánh giá khả năng chịu hạn giai đoạn cây con 3 lá .......................................... 73 4.2.3. Đánh giá đặc điểm nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn giai đoạn đẻ nhánh và trỗ bông ............................................................................................ 79 v 4.2.4. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển và chịu hạn của một số giống lúa cạn trong điều kiện nước trời và điều kiện có tưới .................................................. 89 4.3. NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP KỸ THUẬT CANH TÁC LÚA CẠN ............... 103 4.3.1. Hiệu quả sử dụng phân đạm của lúa cạn vùng Tây Bắc .................................. 103 4.3.2. Ảnh hưởng của mật độ trồng và mức phân đạm bón đến sinh trưởng, phát triển và năng suất lúa cạn vùng Tây Bắc ................................................................ 113 PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 121 5.1. KẾT LUẬN .................................................................................................... 121 5.2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ......................................................... 123 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt AE Hiệu suất nông học của phân bón B/C Số bông / cây BV Dải bảo vệ CCC Chiều cao cây CDRX3 Chiều dài rễ đâm xuyên qua 3 lớp sáp CĐQH Cường độ quang hợp CĐTN Cường độ thoát nước CHDCND Cộng hòa dân chủ nhân dan ĐC Đối chứng ĐKRX3 Đường kính rễ đâm xuyên qua 3 lớp sáp H/B Số hạt / bông HLNTĐ Hàm lượng nước tương đối HSSDN Hiệu suất sử dụng nước TCDR Tổng chiều dài rễ KLLBHN Khối lượng lá bão hòa nước KLLK Khối lượng lá khô kiệt KLKTL Khối lượng khô thân lá KLKR Khối lượng khô rễ KLLT Khối lượng lá tươi LAI Chỉ số diện tích lá NL Nhắc lại NNTr Giống lúa Nếp Nương Tròn NSCT Năng suất cá thể NSLT Năng suất lý thuyết NSTT Năng suất thực thu NUE Hiệu suất sử dụng nitơ tạo năng suất P1000 Khối lượng 1000 hạt PE Hiệu suất sinh lý của phân bón SPAD Chỉ số đánh giá hàm lượng diệp lục SPD Split plot design TB Trung bình TGST Thời gian sinh trưởng TLC Tỷ lệ hạt chắc TLPH Tỷ lệ cây phục hồi TLRX1 Tỷ lệ rễ đâm xuyên qua 1 lớp sáp TLRX2 Tỷ lệ rễ đâm xuyên qua 2 lớp sáp TLRX3 Tỷ lệ rễ đâm xuyên qua 3 lớp sáp TSR Tổng số rễ UE Hiệu quả sử dụng phân bón WUE Hiệu suất sử dụng nước vii DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 2.1 So sánh nhiệt độ mùa đông ở Tây Bắc với các vùng khác 5 2.2 Đặc trưng chế độ mưa Bắc Tây Bắc 6 2.3 Đặc trưng chế độ mưa ở Nam Tây Bắc 7 2.4 Diện tích lúa chịu ảnh hưởng của hạn ở châu Á 9 4.1 Diện tích, năng suất và sản lượng lúa cạn so tổng diện tích lúa vùng Tây Bắc 50 4.2 Diện tích, năng suất và sản lượng lúa cạn phân theo các tỉnh tại vùng Tây Bắc năm 2014 51 4.3 Hiện trạng canh tác lúa cạn vùng Tây Bắc 52 4.4 Kết quả thu thập các giống lúa cạn vùng Tây Bắc 53 4.5 Ảnh hưởng của mật độ đến năng suất lúa cạn vùng Tây Bắc 53 4.6 Ảnh hưởng của mức phân bón đến năng suất lúa cạn vùng Tây Bắc 54 4.7 Phân loại tập đoàn giống lúa cạn theo dạng hình lúa nếp, lúa tẻ 56 4.8 Phân nhóm tập đoàn các mẫu giống lúa cạn theo thời gian sinh trưởng 57 4.9 Phân nhóm tập đoàn giống lúa cạn theo chiều cao và số nhánh hữu hiệu 58 4.10 Phân nhóm tập đoàn các mẫu giống lúa cạn theo chiều dài bông 59 4.11 Phân nhóm tập đoàn các mẫu giống lúa cạn theo kích thước hạt 60 4.12 Năng suất và khả năng chịu hạn của các mẫu giống lúa cạn 61 4.13 Các chỉ thị SSR cho alen đặc trưng ở 5 mẫu lúa nếp và 7 mẫu lúa tẻ 63 4.14 Đặc điểm một số mẫu giống lúa cạn có triển vọng 68 4.15 Khả năng đâm xuyên của rễ mầm các giống lúa cạn 70 4.16 Khả năng sinh trưởng của thân lá, rễ và sự tích lũy chất khô của cây con khi bị hạn 7 ngày so với đối chứng không hạn 74 4.17 Hàm lượng Proline tích lũy và lượng nước tương đối của cây con khi bị hạn 7 ngàyvà đối chứng không hạn 76 4.18 Tương quan giữa các chỉ tiêu chịu hạn giai đoạn cây con 79 4.19 Cường độ quang hợp (CĐQH) của các mẫu giống lúa ở giai đoạn bị hạn và phục hồi (µmol CO2 /m 2 lá/s) 80 4.20 Cường độ thoát hơi nước (CĐTN) của các giống lúa ở giai đoạn hạn và phục hồi (mmol H2O/m 2 lá/s) 82 viii 4.21 Chỉ số SPAD các giống lúa cạn khi gây hạn ở các giai đoạn khác nhau 85 4.22 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất cá thể của các giống lúa cạn trong điều kiện gây hạn giai đoạn đẻ nhánh 86 4.23 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất cá thể của các giống lúa cạn trong điều kiện gây hạn giai đoạn trỗ bông 87 4.24 Thời gian sinh trưởng, chiều cao cây, số nhánh và tỷ lệ nhành hữu hiệu của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời 90 4.25 Chỉ số diện tích lá qua các giai đoạn sinh trưởng của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời (m2lá/ m2 đất) 92 4.26 Chỉ số diệp lục (SPAD) qua các giai đoạn sinh trưởng của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời 93 4.27 Khả năng tích lũy chất khô qua các giai đoạn sinh trưởng của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời (g chất khô/m2 đất trồng) 94 4.28 Các yếu tố cấu thành năng suất của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời 98 4.29 Năng suất của các giống lúa trong điều kiện đủ nước và nước trời 99 4.30 Hệ số tương quan giữa năng suất thực thu với các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển của cây trong điều kiện đủ nước và nước trời 100 4.31 Khả năng chịu hạn của các giống lúa trong điều kiện nước trời vụ mùa năm 2014 102 4.32 Ảnh hưởng của mức đạm bón đến sinh trưởng thân lá ở lúa cạn 104 4.33 Ảnh hưởng của phân đạm đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất lúa cạn 106 4.34 Lượng nitơ trong thân lá, trong hạt và khả năng hấp thu nittơ của lúa cạn 110 4.35 Hiệu quả sử dụng phân đạm đối với lúa cạn 111 4.36 Ảnh hưởng của mật độ và phân đạm đến khả năng đẻ nhánh, chỉ số SPAD và cường độ quang hợp 114 4.37 Ảnh hưởng của mật độ và mức bón đạm khác nhau đến các yếu tố cấu thành năng suất, năng suất và hiệu quả của phân đạm 117 ix DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 2.1 Sơ đồ của 3 thành phần dưới điều kiện môi trường hạn (Tiềm năng năng suất, hình thức trốn hạn và tính trạng chịu hạn) và mối quan hệ giữa năng suất với các hình thức hạn khác nhau ở lúa 13 3.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 40 3.2 Mô hình thí nghiệm đánh giá khả năng đâm xuyên của rễ mầm 43 3.3 Sơ đồ thiết kế của thí nghiệm 6 46 3.4 Sơ đồ thiết kế của thí nghiệm 8 49 4.1 Hình ảnh điện di một số mẫu giống lúa cạn vùng Tây Bắc 62 4.2 Kết quả phân tích PIC của lúa nếp (A) và lúa tẻ (B 64 4.3 Phân nhóm 62 mẫu giống lúa nếp theo phân tích tương đồng di truyền 65 4.4 Phân nhóm 26 mẫu giống lúa tẻ theo phân tích tương đồng di truyền 66 4.5 Tương quan giữa tổng số rễ/10 cây với tỷ lệ rễ (A), đường kính rễ (B) và chiều dài rễ của các rễ thâm nhập qua 3 lớp sáp (C) 71 4.6 Tương quan giữa tỷ lệ rễ thâm nhập qua 3 lớp sáp với đường kính rễ (A), chiều dài rễ (B) và giữa đường kính (C) với chiều dài các rễ thâm nhập qua 3 lớp sáp 72 4.7 Tương quan giữa chiều dài rễ (DR) với chiều cao cây (CCC) (A), khốilượng khô thân lá (KLKTL) (B), khối lượng khô rễ (KLKR) (C) và hàm lượng proline (D) 75 4.8 Lượng proline tích lũy của các giống trong điều kiện hạn và không hạn 77 4.9 Tương quan giữa hàm lượng proline với CC (A), TCDR (B), KLKR (C), KLKTL (D), HLNTĐ (E), TLPH (F) 78 4.10 Tương quan giữa cường độ quang hợp và thoát hơi nước trong điều kiện trước hạn, hạn, phục hồi ở giai đoạn đẻ nhánh (A) và giai đoạn trỗ bông (B) 83 4.11 Hiệu suất sử dụng nước của các mẫu giống lúa trong giai đoạn đẻ nhánh (A) và trỗ bông (B) 84 4.12 Tương quan giữa cường độ quang hợp lúc phục hồi hạn giai đoạn đẻ nhánh và giai đoạn trỗ với năng suất cá thể 88 x 4.13 Tương quan giữa chất khô tích lũy với diện tích lá trong các giai đoạn đẻ nhánh (A), trỗ bông (B) và chín sáp (C) trong điều kiện đủ nước và nước trời 95 4.14 Tương quan giữa chất khô tích lũy với hàm lượng diệp lục (SPAD) trong các giai đoạn đẻ nhánh (A), trỗ bông (B) và chín sáp (C) trong điều kiện đủ nước và nước trời 96 4.15 Tương quan giữ mức đạm với chiều cao cây (A), số nhánh/khóm (B), chỉ số SPAD (C), năng suất sinh vật học (D), số hạt chắc/bông (E) và năng suất hạt (F) 108 4.16 Tương quan giữ mức bón đạm với lượng nitơ hấp thu trong cây (G), hiệu quả sinh lý (H), hiệu quả nông học (I) và hiệu quả sử dụng phân bón (K) của giống Nếp Nương Tròn và giống LC93-1. 112 4.17 Tương quan giữ mức bón đạm với số nhánh/m2, cường độ quang hợp, tỷ lệ bông hữu hiệu và chỉ số SPAD 116 4.18 Năng suất thực thu ở các mức đạm và mật độ trồng khác nhau 118 4.19 Tương quan giữa năng suất thực thu với chỉ số SPAD và cường độ quang hợp 119 4.20 Tương quan giữa yếu tố cấu thành năng suất và năng suất 119 xi TRÍCH YẾU LUẬN ÁN Tên tác giả: Nguyễn Văn Khoa Tên Luận án: Nghiên cứu đặc điểm nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn và một số biện pháp kỹ thuật canh tác lúa cạn địa phương tại vùng Tây Bắc Việt Nam Chuyên ngành: Khoa học cây trồng Mã số: 62 62 01 10 Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu Thu thập, xác định đặc tính nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn của các giống lúa cạn và đề xuất một số biện pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện canh tác nhờ nước trời tại vùng Tây Bắc Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu - Đánh giá các đặc điểm hình thái, nông học của cây lúa cạn vùng Tây Bắc dựa theo tiêu chuẩn đánh giá nguồn gen cây lúa của IRRI 2002. - Đánh giá đa dạng di truyền bằng phương pháp sử dụng chỉ thị phân tử SSR. - Nghiên cứu khả năng đâm xuyên của rễ mầm qua 3 lớp sáp có độ cứng 1,5Mpa. Khả năng phát triển của bộ rễ khi gặp hạn ở giai đoạn cây con 3 lá bằng phương pháp SCAN rễ và phần mềm phân tích rễ WinRhizo. Phân tích hàm lượng proline giai đoạn cây con 3 lá theo phương pháp của (Bates et al., 1973). - Nghiên cứu hàm lượng diệp lục và khả năng quang hợp, thoát hơi nước của cây lúa bằng phương pháp sử dụng máy đo chỉ số diệp lục SPAD - 502Plus của Nhật Bản và máy đo cường độ quang hợp TPS-2 của Mỹ. - Nghiên cứu khả năng hấp thu đạm, phân tích hàm lượng nitơ trong thân lá theo phương pháp kjedahl. xii Kết quả chính và kết luận - Vùng Tây Bắc có 53,2 nghìn ha lúa cạn, chiếm 36,9% diện tích tổng diện tích lúa toàn vùng, do điều kiện khó khăn về nước, thiếu giống, thiếu phân bón và kỹ thuật chưa phù hợp nên năng suất chỉ đạt từ 10 – 14 tạ/ha. - Đã thu thập được 88 mẫu giống lúa cạn tại vùng Tây Bắc, trong đó chủ yếu là các mẫu giống có thời gian sinh trưởng trên 125 ngày (chiếm 72,7%), chiều cao cây trên 125 cm (chiếm 88,6%) và khả năng đẻ nhánh ít (< 5 nhánh/ khóm) (chiếm 90,9%). Trong 88 mẫu giống lúa cạn có 62 mẫu giống lúa nếp, 26 mẫu giống lúa tẻ. Ở mức độ tương đồng di truyền 66%, tập đoàn 62 mẫu giống lúa nếp được phân thành 4 nhóm và 26 mẫu giống lúa tẻ được phân thành 3 nhóm khác nhau về di truyền. - Phát hiện được các đặc điểm hình thái liên quan đến khả năng chịu hạn tốt của cây lúa cạn gồm: Chiều dài rễ, đường kính rễ và khối lượng