2.2.1. Một số nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có 114 nước trồng lúa và phân bố ở tất cả các châu lục trên thế giới. Việc sản xuất lúa gạo vẫn tập trung chủ yếu ở các nước châu Á, nơi chiếm hơn 90% về diện tích gieo trồng cũng như về sản lượng.
Tại Đài Loan để nâng cao hiệu quả sử dụng đất, người ta đã nghiên cứu ra giống cây hoa mầu chịu bóng để trồng xen với cây mía và giống cây chịu hạn trồng mùa khô sau khi thu hoạch lúa mùa.
Theo tài liệu của Trung tâm Môi trường và Phát triển bền vững (1999), hiện nay có khoảng 25% diện tích đất canh tác trên thế giới đang bị sa mạc hoá, mỗi năm có 8,5 triệu ha đất canh tác bị mất do xói mòn.
Đặc biệt việc sử dụng nhiều phân đạm vô cơ trong sản xuất nông nghiệp
đã làm cho hàm lượng NO-3 tăng lên đáng kể, làm ô nhiễm nguồn nước ngầm
và chất lượng nông sản phẩm.
Hiện nay, các nước trên thế giới đang quan tâm đến việc sử dụng phân hữu cơ. Phân hữu cơ làm cây phát triển tốt, giảm sâu bệnh, đất xốp và có tác dụng của phân bền lâu hơn hẳn so với phân bón hoá học. Phân hữu cơ sinh học là loại sản phẩm phân bón được tạo thành thông qua quá trình lên men vi sinh vật các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau (phế thải nông nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt, …) trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp dưới tác động của vi sinh vật hoặc các hoạt chất sinh học được chuyển hoá thành mùn (Lê Văn Tri, 2004). Ấn Độ hàng năm sản xuất vào khoảng 286 triệu tấn phân ủ (compost) từ các chất thải nông thôn và thành phố. Ước tính thu được 3,5 - 4,0 triệu tấn NPK (Lê Văn Tri, 2001).
Trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp lâu dài, loài người đã lựa chọn ra nhiều giống cây trồng phù hợp với điều kiện tự nhiên của từng vùng sinh thái
và con người đã thiết lập nên các hệ thống cây trồng cho phù hợp với từng vùng sinh thái khác nhau.
Các nhà nông nghiệp trên thế giới đã và đang tập trung mọi nỗ lực nghiên cứu cải tiến hoàn thiện hệ thống cây trồng bằng cách đưa thêm một số loại cây trồng và hệ thống canh tác nhằm tăng sản lượng lương thực, thực phẩm trên một đơn vị diện tích.
Zandstra (1981), khẳng định xen canh gối vụ có tác dụng tăng tổng sản lượng của các cây trồng cạn, đã tạo ra chế độ che phủ đất tốt hơn, tận dụng được bức xạ mặt trời trong suốt thời gian sinh trưởng. Các hệ thống cây trồng đã được thực hiện: ngô - lúa; lúa - đậu xanh; lúa - lúa mì; lúa - rau; lúa - lúa mì - ngô.
Theo Ahmad et al. (2006) khi luân canh cây họ đậu với các loại ngũ cốc
như lúa, lúa mì thì năng suất ngũ cốc tăng đáng kể nhờ tổng lượng đạm cây họ đậu để lại cho đất, nếu trồng lúa sau trồng đậu xanh thì lượng đạm để lại đất 26 - 36 kg/ha và năng suất tăng lên 0,6 - 1,1 tấn/ha, còn trồng lúa mì sau trồng đậu xanh thì năng suất tăng lên 0,5 - 1,1 tấn/ha nhờ lượng đạm tăng 30 -36 kg /ha của đậu xanh đã để lại cho đất.
Sự thay đổi HTCTr trong hệ canh tác có ý nghĩa to lớn trong việc tăng sản lượng lương thực, thực phẩm và nâng cao độ phì nhiêu của đất. Nghiên cứu nhằm hoàn thiện HTCTr luôn là động lực thúc đẩy phát triển sản xuất. Nghiên cứu đặc tính sinh học, giống, thời vụ, công thức luân canh, cơ cấu diện tích… luôn là mục tiêu được các nhà khoa học quan tâm nhằm tìm ra những ưu điểm, hạn chế và đưa ra các giải pháp, phát huy các tiềm năng, ưu thế và khắc phục những nhược điểm.
Các nhà nghiên cứu của IRRI đã thấy rằng các giống lúa mới kiểu thấp cây, tiềm năng năng suất cao chỉ có thể giải quyết vấn đề lương thực trong phạm vi hạn chế. Vậy từ những năm đầu thập kỷ 70 họ đã nghiên cứu toàn bộ hệ thống cây trồng cả vùng và lấy cây lúa làm trọng tâm, tăng cường cây họ đậu, cây màu, cây trồng cạn. Các chế độ trồng xen, trồng gối ngày càng được chú ý nghiên cứu (Bùi Huy Đáp, 1993).
Để nâng cao hơn nữa năng suất, chất lượng cây lúa nói riêng và cây lương thực, thực phẩm nói chung cần thực hiện đồng bộ các giải pháp như: Lai tạo, phục tráng, tạo bộ giống lúa mới có năng suất cao, chất lượng gạo ngon và hoàn chỉnh
các biện pháp kỹ thuật, đẩy mạnh đầu tư thâm canh trong sản xuất …Theo dự đoán của FAO, trong vòng 30 năm từ 1970 - 2000, tổng sản lượng lúa trên toàn thế giới phải tăng được 56% mới đảm bảo được nhu cầu lương thực cho mọi người dân.
Ở những khu vực đất bằng, nông dân châu Á đã sử dụng nhiều hệ canh tác. Những hệ canh tác này gồm các hệ thống cây trồng khác nhau (lúa, rau, khoai lang, ngô, đậu...). Nói chung hệ thống cây trồng luân canh giữa chế độ cây trồng nước và chế độ cây trồng cạn, giữa cây lương thực và cây họ đậu, hệ thống luân canh giữa không gian và thời gian có hiệu quả cao (Hoàng Văn Đức, 1992).
Chương trình nghiên cứu nông nghiệp phối hợp với Ấn Độ năm 1960 -1972 lấy hệ thâm canh tăng vụ chu kỳ 1 năm làm hướng chiến lược phát triển sản xuất nông nghiệp đã kết luận “Hệ thống trồng trọt dành ưu tiên cho cây lương thực chu kỳ 1 năm 2 vụ ngũ cốc (2 vụ lúa nước hoặc 1 vụ lúa và một vụ lúa mì) đưa thêm vào một vụ đậu đỗ đã đáp ứng được 3 mục tiêu khai thác tối ưu tiềm năng đất đai, ảnh hưởng tích cực đến độ phì nhiêu của đất trồng và đảm bảo lợi ích của người nông dân” (Bùi Huy Đáp, 1985).
Nhật Bản là nước có điều kiện sản xuất nông nghiệp không thuận lợi, vì thế họ đã nghiên cứu và đề ra chính sách quan trọng, xây dựng những chương trình với mục tiêu như: (1) an toàn về lương thực; (2) cải tạo ruộng đất; (3) ổn định thị trường nông sản trong nước; (4) đẩy mạnh công tác khuyến nông; (5) một số giải pháp kỹ thuật trong sản xuất; (6) cải cách nông thôn.
Ngoài ra các nhà khoa học Nhật Bản đã đề ra 4 tiêu chuẩn khi xây dựng hệ thống nông nghiệp là: (1) phối hợp giữa cây trồng với vật nuôi; (2) phối hợp giữa kỹ thuật trồng trọt và kỹ thuật chăn nuôi gia súc; (3) tăng cường độ lao động, vốn đầu tư, tổ chức sản xuất và sản phẩm làm ra; (4) sản phẩm mang tính chất hàng hoá cao. Nhờ vậy mà Nhật Bản trở thành một nước có nền nông nghiệp phát triển hàng đầu thế giới (Nguyễn Duy Tính, 1995).
Một số nước ở khu vực Đông Nam Á đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống nông nghiệp, cơ cấu cây trồng, kết quả nghiên cứu đã góp phần nâng cao năng suất, sản lượng và giá trị sản xuất của cây trồng. Những mô hình thử nghiệm có 3 vụ lúa, 2 vụ lúa, 2 vụ lúa - 1 vụ màu, 1 vụ lúa - 1 vụ màu đã được áp dụng và nhân ra diện rộng, các cây màu chủ yếu là cây họ đậu, các loại rau, ngô.
Ở Philippin là nước nhiệt đới, tổng số nhiệt độ 98000C, không có tháng nào
dưới 200C, từ trước đến nay nhân dân vẫn có tập quán làm 2 vụ cây xứ nóng ở
đất có nước tưới, nay nhờ có giống cây trồng ngắn ngày đã xác định có thể trồng 3 - 4 vụ/năm. Đưa cây trồng cạn vào hệ thống luân canh như: lúa - lúa - đậu tương hoặc lúa - khoai tây - đậu tương - ngô đường, đều cho kết quả tốt.
Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế đã góp nhiều thành tựu về cơ cấu giống lúa. Ở Thái Lan, bằng việc chuyển vụ lúa xuân sang trồng đậu tương trong hệ thống lúa xuân - lúa mùa hiệu quả thấp do độc canh và thiếu nước tưới đã làm tăng hiệu quả kinh tế lên gấp đôi, đồng thời độ phì cũng được tăng lên (Dẫn theo Nguyễn Hữu Tề, 2004).
Ở Thái Lan có nhiều tiến bộ kỹ thuật góp phần phát triển hệ thống cây trồng. Trồng kết hợp giữa cây lương thực và cây họ đậu trên đất dốc giúp cho năng suất cây trồng tăng 2 lần. Những công thức luân canh trên hệ thống canh tác 3 vụ đất lúa được trồng ở Phayou gồm: Hành - lúa - đậu tương; Đậu xanh - lúa - đậu tương; Đậu xanh - lúa - lúa mỳ; Ngô đông - lúa - lúa mỳ; Đậu xanh - lúa - khoai tây; Hệ thống canh tác 2 vụ trên đất lúa nên dùng công thức: đậu xanh - lúa ; ngô đông - lúa (Dẫn theo Nguyễn Xuân Mai, 1998).
Các nghiên cứu ở Indonesia 1975 - 1976 đã thí nghiệm thành công các mô hình tăng vụ và đa dạng hóa cây trồng ở đất có tưới 10 tháng, 7 tháng và 5 tháng. Các mô hình chọn thử nghiệm như: 3 vụ lúa; 2 vụ lúa; 1 vụ lúa - 1 vụ màu; 2 vụ lúa 1 vụ màu (màu chủ yếu là đậu đỗ, rau và ngô).
Trong điều kiện thiếu nước, một hệ thống cây trồng lúa xuân - lúa mùa ít mang lại hiệu quả vì chi phí tiền nước quá lớn, cộng thêm sự độc canh cây lúa làm ảnh hưởng xấu đến chế độ đất. Bằng việc chuyển cây lúa xuân sang cây lạc làm cho giá trị tổng sản phẩm tăng lên đáng kể, diện tích tăng gấp đôi, hiệu quả kinh tế tăng gấp rưỡi, độ phì đất được tăng lên rõ rệt. Đây là một thành công lớn trong việc chuyển dịch cơ cấu cây trồng ở Thái Lan (Tejwani V.L. - Chun K.Lai Indonesia, 1992).
Khi nghiên cứu các mô hình luân canh cây trồng FAO (1970) cho rằng, luân canh có 4 lợi ích sau:
-Các cây trồng khác nhau sẽ hấp thu dinh dưỡng từ đất khác nhau.
-Cây trồng tận dụng được chất khoáng trong đất.
- Cây trồng có thể bổ sung dinh dưỡng cho nhau nên đất đỡ nghèo dinh dưỡng hơn.
2.2.2. Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Nông nghiệp nước ta từ những thời kỳ xa xưa cũng đã có các HTCTr khá phong phú. Theo Bùi Huy Đáp và Nguyễn Điền (1996), cùng với lúa nước là loại cây lương thực chủ yếu, ngay từ thời kỳ Hùng Vương dựng nước, HTCTr đã bao gồm nhiều loại cây có củ (các loại khoai nước, khoai sọ, khoai môn, củ cải...); một số cây ăn quả (chuối, cam, quýt, vải, nhãn...), một số loại rau đậu (cà, rau cải...), một số cây có sợi (đay, gai, dâu tằm...), đã ngày càng được phong phú thêm trong quá trình phát triển của sản xuất và của xã hội. Đặc biệt ở vùng Phong Châu - Phú Thọ, cố đô Văn Lang xưa, có nhiều chứng tích của nền văn minh nông nghiệp sông Hồng thuở sơ khai mà chủ đạo là cây lúa nước, hiện còn 1 số giống lúa, đậu, lạc, cây ăn quả quý đã được sử dụng từ lâu.
Tuy nhiên, những nghiên cứu tại Việt Nam về hệ thống cây trồng mới nói riêng hay hệ thống canh tác nói chung đã được các nhà khoa học Nông nghiệp Việt Nam bắt đầu nghiên cứu ngay từ đầu những năm 1960.
Năm 1960, Đào Thế Tuấn đã cùng các nhà nghiên cứu khoa học của Viện khoa học kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam nghiên cứu cây lúa vụ xuân với các giống ngắn ngày có tiềm năng năng suất cao và tập đoàn cây vụ đông vào chân đất hai vụ lúa, đưa cây màu vụ xuân vào chân đất vụ mùa, đã tạo nên bước chuyển biến rõ nét về sản xuất lương thực thực phẩm ở vùng đồng bằng sông Hồng.
Các nhà khoa học miền Bắc đã dày công nghiên cứu đưa vụ lúa xuân thành vụ sản xuất chính. Hệ thống canh tác lúa xuân đã xuất hiện ở miền Bắc Việt Nam từ năm 1965 như ở xã Phú Thạch, huyện Ứng Hoà. Năm 1971 diện tích lúa xuân đã vượt diện tích lúa chiêm, có nơi diện tích lúa xuân chiếm 60 - 65% diện tích lúa chiêm. Năm 1970 nhờ chuyển vụ mạnh năng suất lúa chiêm xuân toàn miền Bắc được nâng lên 19,73 tạ/ha so với năng suất lúa chiêm năm 1960 - 1969 là 13,6 đến 18,94 tạ/ha. Năm 1985 năng suất lúa chung của miền Bắc được nâng lên 31,9 tạ/ha. Điển hình là tỉnh Thái Bình, bình quân năng suất 48 tạ/ha, Đan Phượng 55 tạ/ha. Có những hợp tác xã đạt năng suất cao như: Hợp tác xã Vũ Thắng 70 tạ/ha, Trực Đông - Hải Hậu đạt 72 tạ/ha (Dẫn theo Nguyễn Xuân Mai, 1998).
Cùng thời gian nghiên cứu vụ xuân các nhà khoa học nông nghiệp miền Bắc đã tiến hành nghiên cứu vụ đông cho các vùng sinh thái với mô hình canh tác 3 vụ/năm: 2 vụ lúa - 1 vụ đông hoặc lúa - màu - vụ đông. Cơ cấu cây trồng vụ đông ở miền Bắc hoàn toàn thích hợp với các cây trồng có nguồn gốc ôn đới như bắp cải, su hào, khoai tây, hành tây, xà lách, các loại cây rau họ thập tự... và một số cây trồng như lạc, khoai lang, cà chua, thuốc lá, ngô.... Nước ta có tập đoàn giống cây trồng khá phong phú, từ các cây trồng có nguồn gốc nhiệt đới đến các cây trồng có nguồn gốc á nhiệt đới và ôn đới. Từ tập đoàn giống cây trồng ngắn ngày đến trung ngày và dài ngày, đó là cơ sở để đa dạng hoá cây trồng, đa dạng hoá sản phẩm nông sản, góp phần tăng thu nhập cho nông dân (Bùi Huy Đáp, 1998).
Nguyễn Duy Tính (1995) cho rằng, hầu hết các diện tích canh tác có nước tưới được sử dụng để trồng lúa, màu, cây công nghiệp ngắn ngày. Được sử dụng theo công thức luân canh phổ biến sau.
- Một vụ lúa/năm (một vụ lúa mùa bỏ hoá một vụ chiêm); - Hai vụ lúa/năm (lúa chiêm - lúa mùa);
- Ba vụ /năm (hai vụ lúa - 1 vụ màu (lúa chiêm - lúa mùa - vụ đông).
Gần đây xuất hiện một số công thức luân canh 4 vụ/năm: Lúa xuân - lúa hè thu - lúa mùa - vụ đông và công thức lúa - cá - cây ăn quả… Tuy nhiên, hai công thức này chiếm tỷ lệ diện tích chưa nhiều.
Các tiến bộ kỹ thuật mới gần đây được nhiều tác giả nghiên cứu trên nhiều vùng sinh thái khác nhau.
- Nguyễn Thị Lan và cs. (2016) nghiên cứu phát triển dòng lúa (Oryza
sativa L.) chống chịu ngập thông qua khai thác nguồn gen Sub1 để chuyển vào giống lúa địa phương và dòng cải tiến. Kết quả cho thấy: từ sự phân ly khác nhau và biến thiên di truyền cho thấy tính trạng chống chịu ngập có nền tảng di truyền phức tạp. Tất cả các dòng lúa được đánh giá trong 2 điều kiện có ngập và không ngập. Hệ số tương quan giữa mật độ sống sót (%) và số chồi lúa tính trên 10 khóm lúa tương quan thuận rất có ý nghĩa r = 0,8880**.
- Phạm Tiến Dũng và cs. (2001) khi nghiên cứu tại Hòa Bình cho thấy, để góp phần xây dựng nền nông nghiệp bền vững cần tăng cường các loại cây trồng có khả năng cải tạo đất như: đậu tương, lạc bằng cách tăng vụ, trồng xen.
- Nguyễn Văn Khoa và Phạm Văn Cường (2015), nghiên cứu hiệu quả sử dụng đạm của cây lúa cạn vùng Tây Bắc thấy rằng: Khi tăng lượng phân đạm bón làm tăng hàm lượng nitơ trong thân lá nhưng không làm tăng đáng kể hàm lượng nitơ trong hạt. Mặc dù vậy lượng đạm hấp thu trong thân lá, trong hạt và tổng lượng đạm hấp thu tăng khi tăng lượng phân đạm bón. Hiệu suất sử dụng nitơ tạo năng suất (NUE), hiệu suất nông học (AE), hiệu suất sinh lý (PE) và hiệu quả sử dụng đạm (UE) ở cả hai giống đều giảm khi tăng mức bón đạm. Hiệu quả sử dụng đạm (UE) cao nhất của cả hai giống đều ở mức đạm N1, lần lượt đạt 111,4 mg/mg N đối với giống Nếp nương tròn và 100,2 mg/mg N với giống đối chứng.
Bên cạnh những nghiên cứu trên còn rất nhiều công trình nghiên cứu có giá trị lý luận và thực tiễn cao, là cơ sở cho việc hoàn thiện, phát triển hệ thông nông nghiệp Việt Nam hiệu quả, bền vững.
Đối với nước ta, trong hệ thống nông nghiệp thì cây lúa vẫn là cây trồng