Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ về “Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo khí hậu nông nghiệp, áp dụng cho dự báo điều kiện khí hậu nông nghiệp và tác động đến sản xuất lúa ở khu vực đồng bằng sông Hồng” do ThS. Trần Thị Tâm làm chủ nhiệm, nhóm thực hiện đề tài đã nghiên cứu xác định thành công các đầu vào cho mô hình cây trồng.
Hiện nay có rất nhiều mô hình mô phỏng cây trồng đang được sử dụng trong các nghiên cứu. Trong đó mô hình ORYZA2000 được sử dụng phổ biến nhất. Mô hình ORYZA2000 bao gồm các module mô phỏng gọi là chương trình con, cấu trúc của mô hình được trình bày ở hình 1.
Hình 1. Cấu trúc mô hình ORYZA2000
Mô hình gồm có một số các mô đun chính như: Mô đun mô phỏng quá trình sinh trưởng, phát triển lúa, tính tốc độ sinh trưởng hàng ngày của lúa dựa trên dữ liệu thời tiết, đặc điểm cây trồng và các điều kiện quản lý (ORYZA1); Mô đun tính bốc thoát hơi tiềm năng (ET); Mô đun tính toán điều kiện ức chế do thiếu nước (WSTRESS) và không ức chế (WNOSTRESS); Mô đun tính toán điều kiện nước tưới (IRRIG); Mô đun tính toán cân bằng nước của ruộng lúa nước (PADDY); Mô đun tính toán yêu cầu nitơ tối ưu (NCROP); Mô đun tính ảnh hưởng của sự ức chế do thừa và thiếu N (NNOSTRESS).
Khả năng chống chịu nhiệt độ thấp cũng được đưa vào tính toán trong mô hình, trong đó mô hình chấp nhận giả thiết cho rằng cây lúa sẽ chết nếu gặp nhiệt độ trung bình ngày Tn<120C kéo dài liên tục trên 3 ngày (ngưỡng 120C có thể điều chỉnh). Mô hình cũng xem xét ảnh hưởng của tình trạng thiếu nước đối với sự phát triển của lúa, đặc biệt là ảnh hưởng hạn hán trong các giai đoạn sinh trưởng, phát triển và hình thành năng suất.
Mô hình tính toán tốc độ đồng hóa CO2 tổng cộng dựa vào các tham số: Tốc độ đồng hóa CO2 tối đa của lá đơn, hàm lượng N của lá, hệ số sử dụng hữu hiệu ánh sáng ban đầu của lá đơn (e), tổng lượng bức xạ hàng ngày, tổng số diện tích xanh của lúa (lá và thân), các hệ số suy giảm đối với ánh sáng nhìn thấy được trong tán lá và ảnh hưởng của điều kiện thiếu nước.
Sự phân bố của lá lúa từ trên xuống dưới đã tạo nên sự khác biệt về khả năng quang hợp theo chiều sâu của tán lá. Do vậy, để tính toán tốc độ đồng hóa CO2, cần xem xét đến tốc độ đồng hóa CO2 của tầng lá ở phía trên, tầng lá này nhận được bức xạ trực tiếp và tán xạ, các tầng lá ở phía dưới bị che khuất (shaded leaves) chỉ nhận được phần năng lượng của tán xạ.
Ba hợp phần của hô hấp duy trì có thể được phân biệt ở cấp độ tế bào: duy trì sự khác biệt nồng độ ion qua các màng, duy trì các protein, và một hợp phần liên quan đến các hoạt động trao đổi chất của tế bào. Trong mô đun ORYZA1, các yêu cầu hô hấp duy trì tỷ lệ thuận với các trọng lượng khô của các bộ phận của lúa sẽ được duy trì.
Sự sinh trưởng và phát triển của lúa do hạn hán (thiếu nước) được mô hình biểu diễn thông qua các yếu tố ức chế về điều kiện thiếu nước dựa vào các đặc trưng sau: Độ cuộn của lá, mức độ bông lúa không hiệu quả, mức giảm tốc độ mở rộng lá, sự thay đổi sự phân bố đồng hóa, mức tăng độ dài của rễ, quá trình suy giảm lá, sự giảm tỷ lệ quang hợp (thông qua giảm tỷ lệ thoát hơi nước).
Các lá lúa sẽ bị cuộn lại khi gặp hạn hán. Sự cuộn của lá ảnh hưởng đến tổng lượng bức xạ quang hợp được hấp thụ cho quang hợp. Trong các thí nghiệm để xây dựng mô hình ORYZA1 đã theo dõi được điểm số cuộn lá từ 0 đến 5, trong đó: điểm số 0 cho thấy không có sự cuộn lá, điểm số 1 cho thấy những dấu hiệu đầu tiên của sự cuộn lá, và điểm số 5 cho thấy các lá bị cuộn hoàn toàn. Các điểm số này được chuẩn hóa thành độ cuộn lá (LR), trong đó: giá trị 1 cho thấy không xảy ra sự cuộn lá và giá trị 0 cho thấy sự cuộn lá là tối đa. Mối quan hệ giữa LR và áp lực của nước trong đất cho thấy: Lá bắt đầu bị cuộn khi áp lực nước trong đất khoảng 200-300 kPa (giới hạn trên) và lá cuộn tối đa khi áp lực này khoảng 400-1,000 kPa (giới hạn dưới). Mô hình đã thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa LR và LOG (h), ở đây h là áp lực nước trong đất.
Sự phân bố carbohydrate giữa thân và rễ lúa trong điều kiện hạn hán thường thay đổi có lợi cho sinh khối rễ. Khi lá ngừng mở rộng, sự quang hợp vẫn tiếp tục và mức độ dự trữ carbohydrate tăng lên, điều này làm cho carbohydrate được sử dụng nhiều hơn cho sự phát triển của hệ thống. Do đó, trong ORYZA1 sử dụng yếu tố độ mở rộng lá để biểu thị ảnh hưởng của hạn hán đối với lúa như sau: i) Ảnh hưởng đến sự phân bố các chất đồng hóa giữa thân, rễ, và đối với độ sâu sinh rễ được tính từ yếu tố giảm độ mở rộng của lá lúa. ii) Ảnh hưởng đến quá trình chậm ra hoa của lúa.
Thí nghiệm của IRRI đưa ra ngưỡng áp lực nước trong đất tới hạn/nguy kịch mà tại đó lá lúa hoàn toàn ngừng mở rộng. Áp lực nước trong đất dao động từ 50 kPa (giới hạn trên của độ mở rộng lá) đến 260 kPa (giới hạn dưới của độ mở rộng lá). Áp lực tới hạn trong mùa mưa/ẩm thấp hơn trong mùa khô có lẽ do nhu cầu bốc hơi trong mùa mưa/ẩm thấp hơn. Đối với các cây lúa non hơn lá sẽ ngừng vươn rộng ở áp lực thấp hơn do nhu cầu bốc hơi của các lá non thấp hơn. Việc tính toán đặc trưng biểu thị giảm sự vươn rộng của lá (LE cho từng tầng đất; LEAV là trung bình cho toàn bộ tầng đất có rễ) được tiến hành theo sơ đồ giống như sơ đồ tính toán đặc trưng biểu thị độ cuộn lá.
Từ kết quả thực nghiệm của IRRI cho thấy: Lá bắt đầu chết sau khi áp lực nước trong đất tăng lên trên khoảng 300 kPa và sẽ chết hoàn toàn nếu áp lực đó đạt đến khoảng 700 kPa. Việc tính toán đặc trưng biểu thị lá chết trung bình do hạn cho toàn bộ độ sâu của rễ lúa (LD cho từng tầng đất; LDAV là trung bình cho toàn bộ tầng đất có rễ) được tiến hành theo một sơ đồ giống như sơ đồ tính toán đặc trưng biểu thị độ cuộn lá và độ mở rộng lá.
Với điều kiện số liệu của Việt Nam, các đầu vào của mô hình ORYZA2000 bao gồm: 1) Dữ liệu thời tiết: Số giờ nắng, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp, lượng mưa, áp suất hơi nước theo ngày trong suốt mùa vụ; 2) Dữ liệu bề mặt: đặc trưng về ruộng canh tác (khả năng thoát nước đồng ruộng, …); số liệu tính chất đất gồm thành phần cơ giới (hàm lượng sét, cát mùn); tính chất lý hóa (pH đất, dung trọng, tỉ trọng, tổng nitrogen, kali, hàm lượng hữu cơ, …theo các độ sâu khác nhau); 3) Dữ liệu cây trồng: Giống lúa, đặc trưng sinh trưởng phát triển của lúa, thời vụ gieo trồng (ngày trồng, ngày nẩy mầm, mật độ gieo, phương pháp gieo trồng, khoảng cách hàng, giữa các cây, độ sâu trồng,…), biện pháp canh tác (làm đất, tưới nước, bón phân), ngày thu hoạch,…,các dữ liệu thực nghiệm đo vật hậu cây trồng.
Nguồn: Báo cáo nghiên cứu xác định đầu vào cho mô hình cây trồng (CROP) thuộc đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo khí hậu nông nghiệp. Áp dụng cho dự báo điều kiện khí hậu nông nghiệp và tác động đến sản xuất lúa ở khu vực đồng bằng sông Hồng”; Viện KHKTTVBĐKH.