Các kỹ sư dưới mặt đất: Rễ cây có thể cứu mùa màng khỏi hạn hán như thế nào

Phương pháp, thiết lập thử nghiệm và mô hình toán học. Nguồnt: Tạp chí Biological Physics and Mechanics (2025). 

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào một rễ cây mỏng manh có thể vươn lên qua nền đất cứng? Đó là một kỳ công kỹ thuật đang diễn ra ngay dưới chân chúng ta.

Việc hiểu được quá trình này quan trọng hơn bao giờ hết khi chúng ta đang phải đối mặt với hạn hán và tình trạng đất nông nghiệp bị nén chặt, đe dọa an ninh lương thực. Sự nén chặt này, thường do sức nặng của máy móc nông nghiệp hạng nặng, khiến rễ cây khó tiếp cận nước và chất dinh dưỡng cần thiết.

Nghiên cứu gần đây của chúng tôi được công bố trên tạp chí Biological Physics and Mechanics cung cấp cái nhìn thoáng qua về cơ chế mạnh mẽ mà rễ cây sử dụng để đẩy chúng qua đất cứng và thậm chí làm vỡ đá phấn rắn. Hãy tưởng tượng nó như tầm nhìn tia X, nhìn thấu vào cuộc sống bí mật của rễ cây.

Sự phát triển của rễ tạo ra các kênh, được gọi là lỗ sinh học, giúp cải thiện khả năng thoát nước, cho phép không khí và nước thấm sâu hơn vào đất. Lỗ sinh học cũng hỗ trợ các hệ sinh thái vi sinh vật thiết yếu, chẳng hạn như vi khuẩn và nấm, tương tác với thực vật, nhiều loài trong số đó cần oxy mà các lỗ này cung cấp.

Để xem điều gì đang xảy ra ở quy mô nhỏ bé này, chúng tôi không thể chỉ đào một cây lên. Chúng tôi đã mang thí nghiệm của mình đến Diamond Light Source ở Anh. Cơ sở khoa học này là nơi đặt một máy gia tốc synchrotron, một loại máy gia tốc hạt hoạt động giống như một kính hiển vi siêu mạnh. Nó tạo ra tia X sáng hơn ánh sáng mặt trời 10 tỷ lần. Chúng tôi đã tập trung các tia X này vào một mô hình rễ nhân tạo, cho phép chúng tôi thực hiện các phép đo được kiểm soát.

Đầu tiên, để quan sát hình dạng của đất, chúng tôi đã sử dụng hình ảnh X-quang 3D, hoạt động tương tự như chụp CT y tế, tạo ra hình ảnh chi tiết về cấu trúc đất xung quanh rễ mô hình. Điều này cho phép chúng tôi quan sát cách các hạt và lỗ rỗng nhỏ trong đất bị nén và dịch chuyển. Nhưng để đo lường các lực vô hình đang tác động, chúng tôi cần một kỹ thuật khác gọi là nhiễu xạ tia X hội tụ. Việc đo lường các lực nhỏ này bên trong một hỗn hợp các hạt đất bình thường là bất khả thi. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã tạo ra một loại đất thay thế từ thạch cao, một khoáng chất có cấu trúc tinh thể tự nhiên hoàn hảo, trật tự. Mỗi tinh thể trong đất hoạt động như một lò xo nhỏ, có thể đo lường được. Khi rễ mô hình ấn vào đất, những "lò xo" này bị nén hoặc kéo giãn. Nhiễu xạ tia X có thể phát hiện những thay đổi nhỏ này.

Cách tiếp cận này, quan sát sự thay đổi cấu trúc đất và lập bản đồ các lực bên trong nó, chưa từng được thực hiện trước đây cho loại vấn đề này.

Thí nghiệm của chúng tôi được thực hiện bằng cách giữ một mô hình rễ cây làm bằng nhựa đặc biệt, chắc chắn, ở một vị trí cố định, trong khi một bệ đẩy chạy bằng động cơ đẩy mẫu đất lên trên. Đúng như dự đoán, hình ảnh 3D cho thấy một vùng nén hình thành xung quanh đầu rễ cây mô hình. Các hạt đất được nén chặt lại với nhau hơn, và các túi khí nhỏ, hay lỗ rỗng, giữa chúng đang co lại. Sự nén chặt này thực sự là bước đầu tiên để thiết kế một con đường bền vững xuyên qua đất. Bản đồ lực từ các phép đo nhiễu xạ tia X đã tiết lộ một điều đáng ngạc nhiên. Khi rễ cây mô hình lần đầu tiên được đẩy vào, chúng tôi thấy dấu hiệu ứng suất tích tụ trong các tinh thể đất gần đầu rễ. Nhưng khi nó thâm nhập sâu hơn, khoảng 8mm, ứng suất trong các tinh thể gần đầu rễ nhất dường như giảm bớt, mặc dù tổng lực cần thiết để đẩy hình nón tăng lên.

Để hiểu tại sao điều này lại xảy ra, chúng tôi đã tạo ra một mô phỏng thí nghiệm trên máy tính. Mô phỏng này đã xác nhận lý thuyết của chúng tôi: vật liệu đã bắt đầu bị biến dạng vĩnh viễn. Về cơ bản, đất không còn hoạt động như một lò xo bị nén nữa mà bắt đầu hoạt động như đất sét mô hình, giữ nguyên hình dạng mới và tạo ra một rãnh mới, có thể giữ vững ngay cả trong điều kiện khô cứng.

Lần đầu tiên, phương pháp này cho phép chúng tôi lập bản đồ ranh giới của "vùng dẻo" trong đất. Chúng tôi quan sát thấy nó bắt đầu như một vùng nhỏ ngay tại đỉnh và sau đó mở rộng khi rễ mô hình đâm sâu hơn, cho thấy ảnh hưởng của rễ lan rộng đến đất xung quanh đến mức nào. Trong vùng này, các hạt đất có thể bị vỡ hoặc tự sắp xếp lại thành các cấu hình mới, nhỏ hơn. Sự sắp xếp lại này có thể dẫn đến sự giãn nở ứng suất đàn hồi bên trong các tinh thể, ngay cả khi toàn bộ cấu trúc chịu áp lực lớn. Điều này không có nghĩa là đất trở nên dễ bị đẩy qua hơn. Các phép đo cho thấy lực tổng thể cần thiết để rễ mô hình tiến lên tiếp tục tăng, ngay cả khi vùng dẻo này phát triển. Thay vì chỉ đơn giản đẩy đất sang một bên, rễ cây kiểm soát áp lực ở đầu rễ, khiến đất lún và chảy xung quanh nó, một cách hiệu quả hơn nhiều để xuyên qua nền đất cứng.

Từ phòng thí nghiệm đến đồng ruộng

Phương pháp nghiên cứu mới này mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu cách rễ cây tương tác với đất một cách chi tiết chưa từng có. Chúng ta có thể bắt đầu trả lời những câu hỏi như: Hình dạng rễ khác nhau mang lại lợi thế như thế nào cho một số loại cây trên nền đất cứng?

Hiểu biết về kỹ thuật dưới mặt đất có ý nghĩa thực tiễn. Nông dân thường dựa vào việc cày xới để làm tơi xốp bề mặt đất trước khi trồng trọt. Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng, chi phí cao và có thể gây hại cho sức khỏe đất lâu dài bằng cách làm tăng xói mòn và giải phóng carbon dự trữ vào khí quyển.

Việc xác định các đặc điểm rễ vượt trội trong điều kiện đất bị nén chặt này có thể giúp các nhà lai tạo giống cây trồng phát triển các giống cây trồng chịu hạn tốt hơn và ít cần chuẩn bị đất hơn.

Hiểu được cách rễ cây điều chỉnh môi trường của chúng có thể hỗ trợ các dự án tái tạo hoang dã nhằm trẻ hóa các khu vực canh tác quá mức. Ví dụ, các nhà bảo tồn có thể sử dụng những hiểu biết này để lựa chọn các loài thực vật bản địa có đặc điểm rễ mạnh mẽ làm cây trồng tiên phong. Rễ của chúng sẽ phá vỡ đất bị nén chặt, tạo ra các kênh dẫn nước mới và mở đường cho một hệ sinh thái phong phú hơn trở lại.

Nhìn vào thế giới bên dưới có thể giúp chúng ta học cách đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm và tái tạo hành tinh của chúng ta.Newsletter sign 

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org