Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Silic trong đất Đất là yếu tố chính làm nên hệ sinh thái trên cạn trong đó quá trình hóa học và quá trình sinh học tác động qua lại lẫn nhau. Trong đất các chất dinh dưỡng được cố định, hòa tan, biến động cũng như được vận chuyển ngang dọc do các tác nhân khác nhau. Quá trình vận chuyển ngang và dọc, quá trình cố định tạm thời hay lâu dài hoạt động ở nhiều mức độ, tạo nên rất nhiều bồn chứa Si cũng như các nguyên tố khác trong đất.
Theo đó, Si có thể bị chia nhỏ ra thành bồn Si vô cơ và bồn Si sinh học. Bồn Si, quá trình chuyển đổi và dòng Si trong đất (không tính xói mòn/lắng) Trong bồn Si vô cơ, Si có mặt trong trên 370 khoáng vật hình thành đá và là nguyên tố cơ bản của các loại đá mẹ hình thành đất. Có thể chia Si trong bồn vô cơ thành bốn pha tồn tại như một dạng sản phẩm trong quá trình phong hoá hình thành đất: (1) các khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ, (2) các khoáng vật thứ sinh chủ yếu là khoáng sét, (3) các dạng khoáng vật nano có độ trật tự thấp (opal-A, imogolit, allophan) (Monger và Kelly, 2002) và (4) cuối cùng là dạng Si hoà tan 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com trong dung dịch đất (DSi). Trong đó dạng DSi có thể biến đổi sang các dạng còn lại và là dạng duy nhất thực vật có thể sử dụng (Hình 2).
Sự biến đổi của DSi trong đất DSi có thể liên kết với Al hòa tan để tạo thành dạng khoáng vật chuyển tiếp như imogolite hoặc allophanes (Harsh và nnk, 2002) hoặc có thể kết tủa từ dung dịch đất lên bề mặt khoáng vật (Drees và nnk, 1989). Ngoài ra, DSi còn được hấp phụ hóa học ở bề mặt của các thành phần khác trong đất khác như cacbonat, oxit hoặc hydroxit sắt và nhôm (Dietzel, 2002). Trong quá trình này, hydroxit sắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tác giữa thể rắn và thể lỏng trong đất do sự hình thành axit polysilicic từ DSi trên bề mặt của hydroxit này (Dietzel, 2002). DSi trong dung dịch đất có thể kết tinh lại dẫn đến sự tích tụ Si.
Trong vùng khí hậu với giai đoạn khô rõ rệt, tầng đất bị cứng hơn bởi sự bổ sung của Si vô định hình gây ra sự gắn kết của các hạt đất. Những quá trình này dẫn đến sự chai cứng của đất (Monger và Kelly, 2002). 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các dạng Si sinh học trong đất (Puppe và nnk, 2015) Si sinh học (BSi) trong đất có thể chia thành Si hữu cơ có nguồn gốc từ động vật, Si trong thực vật (Si phytogenic) đặc biệt là các loài thuộc nhóm siêu tích lũy Si, vi khuẩn và sinh vật đơn bào (chủ yếu là tảo diatomit) (Hình 3).
Nhìn chung, hiểu biết về các dạng Si này vẫn hạn chế ở hầu hết các loại đất. Chưa có nhiều thông tin được đưa ra với vi khuẩn và sinh vật đơn bào mà chỉ có những bằng chứng cho sự tồn tại của chúng trong đất dưới dạng sống hoặc vết tích khảo cổ (Clarke, 2003). Hầu hết thông tin về BSi có được nhờ các kết quả nghiên cứu về Si phytogenic – dạng Si vô định hình kết tinh tại rễ, thân cây, cành, lá và gai ở cây. Thành phần của Si phytogenic trong đất dao động từ 0,01% tới 50% (Clarke, 2003).
Nếu tốc độ tích tụ dạng Si phytogenic lớn hơn tốc độ phân rã, một bồn BSi có thể hình thành trong đất. Meunier và nnk (1999) nghiên cứu lớp đất giàu Si phytogenic dày 15 cm tại phía bờ tây của Piton des Neiges (đảo La Réunion, Ấn Độ Dương) nơi có loài tre đặc hữu Nastus borbonicus. Kết quả của ông chỉ ra rằng, loài tre này có chứa lượng Si vô định hình lên tới 41 đến 58 mg/g sinh khối khô và ước tính dạng Si vô định hình lắng đọng trong đất từ sinh khối tre cho giá trị khoảng 453 – 649 kg/ha/năm. Việc trồng cây có hàm lượng Si cao như lúa, mía, có thể dẫn đến sự tích lũy Si trong hệ nhiều hơn.
Một ví dụ khác, hơn 100 kg Si/ha có thể được trả lại đất sau mỗi năm ở các cánh đồng mía (Berthelsen và nnk, 2001). Lượng Si mất đi từ đất trong hệ có thực vật bao phủ có thể gấp 2 - 8 lần so với các vùng đất trống (Moulton và nnk, 2000). Lucas (2001) đã giải thích điều này 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com do sự phong hóa dưới tác động của sinh vật đặc biệt là thực vật diễn ra nhanh hơn so với sự phong hóa khoáng do các cơ chế vật lý, hóa học. Những thay đổi của vòng tuần hoàn Si trên mặt đất dưới tác động của con người đã trở thành một vấn đề có thể tác động đến trạng thái cân bằng và phát triển bền vững nông nghiệp.
Nếu coi phytogenic là nguồn Si duy nhất cho cây trồng, với tộc độ mất Si là 50 – 100 kg/ha/năm và lượng phytogenic bổ sung là 1 tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn kiệt trong vòng vài thập kỷ (Bartoli, 1983). Hay ở Úc, 30 năm canh tác mía dẫn đến sự sụt giảm của Si dễ tiêu có sẵn trong đất đến khoảng một nửa so với số lượng ban đầu (tương ứng là 5,3 và 13,1 mg/kg) (Berthelsen và nnk, 2001). Trong nghiên cứu thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) tại Laguna, Philipin trên cây lúa nước cho thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa khi thu hoạch là 51,4 - 70,8 g Si/m2 và phần lớn Si đã được lưu trữ trong tàn dư sau thu hoạch (> 86%). Với việc người dân không hoàn trả lượng lớn phụ phẩm sau thu hoạch lại cho đất và hàm lượng Si có trong nước tưới ở dưới giới hạn phát hiện gây ảnh hưởng tới năng suất của vụ kế tiếp cho thấy tàn dư sinh khối sau thu hoạch là một nguồn cung Si quan trọng.
Trong hệ sinh thái lúa nước Việt Nam và Philipin, hàm lượng Si cây trồng có thể hấp thụ được trên tầng đất mặt ở Philipin cao hơn so với Việt Nam (222 ± 92 mg/kg so với 37 ± 14 mg/kg). Do ở Việt Nam, nguồn Si chủ yếu giải phóng ra từ quá trình phong hoá các tầng đất cổ, trong khi ở Philipin có sự bổ sung từ tro của các núi lửa đang hoạt động hoặc nguồn nước chảy ra từ các núi lửa hoạt động âm ỉ. Tổng Si hấp thu bởi cây lúa của Philippin cũng cao hơn đáng kể ở Việt Nam, 709 ± 144 kg/ha so với 201 ± 102 kg/ha, sự khác biệt này có thể là do tác động phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi đất nước là khác nhau (giống, khí hậu, chế độ thuỷ lợi và đặc biệt là phương thức quản lý dư lượng cây trồng) (Marxen và nnk, 2014). Sự tích lũy silic trong thực vật 1.
Vai trò của silic với thực vật Si được coi là một nguyên tố dinh dưỡng “không bình thường” bởi xét về vai trò dinh dưỡng có lẽ nó không thật sự cần thiết cho sự sinh trưởng và phát 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com triển của thực vật. Nhưng dù sao Si hữu hiệu vẫn thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của một vài loại cây trồng, bao gồm: lúa, mía đường, lúa mì và một số loại cây hai lá mầm. Trong mô tế bào, Si được tìm thấy với một khối lượng lớn và chúng ngang bằng với tổng các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg). Cây trồng hút Si ở một dạng duy nhất là axit monosilicic, phổ biến gọi là axit Ortho-Si và tích lũy thông qua việc hình thành cấu trúc ở lá, thân và hệ thống rễ (Parr và Sullivan, 2005).
Vai trò của Si trong vòng đời của cây trồng thể hiện qua một số khía cạnh sau: - Tăng khả năng quang hợp, điều hòa dinh dưỡng khoáng Si giúp cho cây mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng hiệu quả, tăng khả năng quang hợp. Si đã được coi là quan trọng cho sự phát triển bình thường của cây lúa. Chức năng sinh lý của Si trong trong hệ thống biểu bì lá là có thể hoạt động như một "cửa sổ" để tạo thuận lợi cho việc truyền ánh sáng đến mô thịt lá. Tầm quan trọng của góc lá đối với quang hợp của tán ruộng trồng được biết nhiều, lá đứng được mong muốn ở giống lúa có năng suất cao.
Góc lá là yếu tố đặc trưng của giống, nó cũng bị ảnh hưởng tình trạng dinh dưỡng. Nitơ có khuynh hướng làm cho lá lúa rủ xuống trong khi đó Si làm cho lá đứng thẳng. Sự rủ xuống của lá lúa là một chỉ tiêu quan sát để biết đến sự thiếu hụt Si trong cây lúa. Hiện tượng không xuất hiện ngay sau khi cấy lúa vào trong dung dịch không có Si.
Một tuần sau khi cấy và thời gian sau thì có sự khác nhau giữa hai dung dịch có và không có Si. Lá lúa của dung dịch có cung cấp Si thì đứng thẳng trong khi lá lúa không cung cấp Si thì rủ xuống. Sự rủ xuống của lá lúa là do ảnh hưởng của mức độ cung cấp nitơ. Khi nồng động nitơ trong dung dịch thấp thì mức độ rủ xuống của lá lúa khi thiếu Si trở nên nhỏ và ngược lại.
Si có ảnh hưởng rõ ràng đến hoạt tính của một vài loại enzim có liên quan đến quang hợp của cây lúa thông qua việc hạn chế sự già cỗi của lá lúa. Si có thể làm giảm sự thoát ra ngoài của các chất điện phân từ lá lúa và vì vậy đã giúp đẩy mạnh hơn quá trình quang hợp của các loại cây trồng được trồng trong điều kiện khô hạn hoặc nắng nóng. 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Ngoài ra, sự tăng hấp thu Si làm giảm quá trình bốc thoát hơi nước và tăng tính chống chịu của cây đối với giảm thế năng thẩm thấu trong môi trường mọc rễ. Sự hấp thu Si tăng làm tăng lực oxy hóa của rễ và giảm sự hấp thu thái quá của Fe và Mn giúp cây lúa sinh trưởng tốt (Okuda và Takahashi, 1965).
Si tăng cường sự hấp thu P của cây, giảm sự giữ chặt P trong đất, giúp tăng hàm lượng P dễ tiêu cho cây. Theo Ma và Takahashi (1990), Si tác động gián tiếp đến tăng trưởng thực vật khi nồng độ P thấp hay cao trong đất. Phương thức này tác động khác nhau theo mức P trong dung dịch. Khi P thấp, Si làm hạn chế sự cố định P gây ra bởi Fe và Mn và do đó làm tăng P hữu dụng trong cây.