CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Động thái của Nitơ trong đất trồng lúa Nitơ (N) là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với cấy lúa và được coi là yếu tố giới hạn năng suất. Tuy là nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết cho cây trồng nhưng N lại chứa ít trong đất. Tỷ lệ N trong đất Việt Nam biến động từ 0,042% (đất bạc màu) đến 0,62% (đất lầy thụt), trung bình là 0,12% (đất phù sa sông Hồng). Tỷ lệ N trong đất ít phụ thuộc vào đá mẹ mà chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện hình thành và quá trình sử dụng đất (Nguyễn Thế Đặng, 2011) [3].
Cây lúa hấp thu 2/3 tổng lượng N từ đất và 1/3 từ phân vô cơ (Reddyn K. Trong canh tác lúa, N ở dạng ammonium (NH4+) được xem là nguồn cung cấp N chính hơn N ở dạng nitrate (NO3-) (Wang Y. Chính vì thế việc gia tăng hiệu quả sử dụng phân đạm cũng đồng nghĩa với gia tăng năng suất. Lượng N cần thiết để tạo ra 1 tấn thóc là 17 - 25 kg N, trung bình cần 22,2 kg N.
Ở mức năng suất cao hơn thì lượng N cần thiết để tạo ra 1 tấn thóc càng cao (Giang Thu Thảo et al, 2009) [7]. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, nhưng cho đến nay cây lúa vẫn chỉ sử dụng khoảng dưới 40% lượng N bón vào và thường là thấp khoảng 20% đến 30% (Schneiders, M. Những tiến trình sinh học trong đất, chẳng hạn như sự khoáng hóa, tiến trình nitrate hóa và khử nitrate có ảnh hưởng rất lớn đến động thái của N trong đất và chi phối sự hấp thụ N của cây trồng. Sự biến đổi của N trong đất lúa diễn ra rất phức tạp và trải qua nhiều quá trình khác nhau, được thể hiện qua hình 1.1 cho thấy N bị biến đổi rất phức tạp trong môi trường đất.
Dưới đây là một số quá trình chuyển hóa N chính trong đất. 1 Quá trình chuyển hóa N trong đất lúa (Nguồn: Brady, N.1 Quá trình ammonium hóa Sự chuyển hóa N hữu cơ sang N khoáng được gọi là quá trình ammonium hóa (sự khoáng hóa N). Khoáng hóa là tiến trình sinh học quan trọng liên quan đến tính hữu dụng trên đất lúa nước. Dưới điều kiện đất lúa ngập nước, sự khoáng hóa tạo N-NH4+ được kiểm soát bởi VSV dị dưỡng sử dụng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng (Alexander M.
Quần thể VSV dị dưỡng trong đất bao gồm nhiều nhóm vi khuẩn, nấm. Chúng sử dụng N như là nguồn nguyên liệu để đáp ứng nhu cầu năng lượng và phát triển sinh khối của chúng. Các VSV dị dưỡng này phân hủy các hợp chất protein hoặc hợp chất humic thành nhóm amine đơn giản, sau đó nhóm này được thủy phân và N được phóng thích ở dạng N-NH4+, tiến trình này xảy ra ở hai điều kiện yếm khí và háo khí (Stephen C. Jarvis et al, 1996) [11].
Mỗi nhóm đáp ứng một hoặc nhiều bước trong phản ứng phân hủy chất hữu cơ. Sản phẩm cuối cùng cho sự hoạt động của một nhóm là nguồn nguyên liệu cung cấp cho phản ứng tiếp theo, cứ như vậy cho đến khi chất hữu cơ hoàn toàn bị phân hủy (Võ Thị Gương, 2004a) [12]. et al (2005) [13], khoáng hóa N là chuyển N ở dạng hữu cơ thành dạng N-NH4+. Khoáng hóa N là tiến trình quan trọng bởi vì nó kiểm soát nguồn cung cấp và sự quan trọng của N khoáng đối với cây trồng.
Dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa là một yêu cầu quan trọng cho việc tối hảo hiệu quả sử dụng N trong nhiều hệ thống mùa vụ (Wang G. Ngoài ra, dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa có thể đóng vai trò quan trọng để tránh mất lượng N đáng kể (Fan X. et al, 2005a) [15], (Zhang Y. et al, 2004) [16], (Su C.
Tuy nhiên, sự ảnh hưởng đa dạng của các loại đất, khí hậu, tập quán canh tác (Li G. et al, 2001) [18], (Fan X. et al, 2005b) [19], dự đoán chính xác lượng N khoáng hóa thì khó. Hơn nữa, việc bón phân đạm dài hạn cũng có những ảnh hưởng tích cực và tiêu cực (Carpenter L.
Quá trình khoáng hóa N hữu cơ trong đất được thực hiện theo các bước bằng các phản ứng: amin hóa, amôn hóa. Dưới tác dụng của tập đoàn VSV trong đất (nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn) các axit amin phân hủy giải phóng NH3. Quá trình khoáng hóa có thể thực hiện trong điều kiện háo khí hoặc yếm khí, môi trường ôxy hóa hay môi trường khử (Vũ Hữu Yêm, 1995) [21].2 Quá trình nitrate hóa Là sự ôxy hóa ammonium chuyển sang nitrate. Trong điều kiện thoáng khí, sau khi N-NH4+ được khoáng hóa từ các hợp chất hữu cơ sẽ được nitrate hóa tạo thành N-NO3-.
Đất ngập nước trong mùa mưa thì N-NO3- bị khử thành NO, N2O và N2 làm mất đạm trong đất và sự khử đạm ở tầng đất bên dưới sẽ làm mất đạm ở dạng hơi (Võ Thị Gương, 2004b) [22]. Đây là một quá trình chuyển hóa N qua hai bước và do các VSV tự dưỡng đảm nhận. Một số VSV dị dưỡng cũng có thể tham gia vào quá trình này nhưng với số lượng rất nhỏ. - Bước 1: Quá trình nitrite hóa do nhóm vi khuẩn tự dưỡng gồm Nitrosomonas, Nitrosobolus, Nitrosopira, Nitrosococus, Nitrosobibrio thực hiện.
Một số VSV dị 7 dưỡng gồm các vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm cũng có thể tham gia vào phản ứng, nhưng hoạt động của Nitrosomonas là quan trọng nhất. Phản ứng tổng quát: NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + 63,8 kcal (1. 1) - Bước 2: Quá trình nitrate hóa do vi khuẩn tự dưỡng Nitrobacter, Nitrospira thực hiện. Phản ứng tổng quát: NO2- + 1/2 O2 → NO3- + 17,5 kcal (1.
2) VSV nitrate hóa tự dưỡng chỉ dùng C của CO2 và các muối cacbonat có rất nhiều trong đất.3 Quá trình khử nitrate Quá trình khử nitrate hóa là quá trình mà trong đó đạm NO3- bị khử thành N2 hoặc các dạng ôxit nitơ khác. Theo Đỗ Thị Ren (1999) [23] ở đất lúa nước có sự mất đạm do khử nitrate có thể rất cao. Thông thường 60 - 70% lượng đạm bón vào bị bay hơi dưới dạng NO2 và N2. Quá trình khử nitrate hóa được thực hiện trong phạm vi pH khá rộng từ 5,5 - 10,0 tốt nhất là 6,2 - 8,2; nhiệt độ từ 20 - 300 C và ẩm độ đất từ 60 - 70% [21].
Trong đất, phần lớn các trường hợp quá trình khử nitrate hóa là kết quả hoạt động của VSV yếm khí ngập nước. Các vi khuẩn phản đạm như Pseudomonas, denitrificans, Micrococcus denitrificans, Micrococcus halodenitrificans; hoặc có VSV tự dưỡng hóa năng như Thiobaccillus denitrificans, Hydrogennomonas agilis sẽ bị khử thành đạm tự do bay đi (Dương Minh Viễn, 2006) [24]. 3) Ngay trong môi trường thoáng khí nơi giàu chất hữu cơ dễ đồng hóa VSV cũng có thể dùng NO3- làm nguồn ôxy. Gọi là quá trình khử dị hóa đạm nitrate.
Trong đất một số VSV có thể đồng hóa trực tiếp đạm NO3- để tạo thành sinh khối của nó làm cho nitrate được tạo thành biến mất, gọi là quá trình khử đồng hóa đạm nitrate. Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình khử nitrate sinh học nói trên còn có quá trình khử nitrate hoá học thường xảy ra ở pH < 5,5. Các quá trình này không có sự tham gia của VSV (Lê Xuân Phương, 2011) [25]: NH4Cl + HNO2 → N2 + HCl + 2H2O (1. 4) 8 R-NH2 + HNO2 → N2 + R-OH + H2O (1.
5) R-CH(NH2)COOH + HNO2 → N2 + R-CHOHCOOH + H2O (1. 6) R-CO-NH2 + HNO2 → N2 + R-COOH + H2O (1. 7) Đối với nông nghiệp quá trình khử nitrate hoá là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất N. Quá trình này xảy ra mạnh trong điều kiện kỵ khí.
Ôxy có tác dụng ức chế các enzym xúc tác cho quá trình khử nitrate, đó là các enzym nitrat reductaza và nitrit reductaza. Ở các ruộng lúa nước người ta thường làm cỏ xục bùn để hạn chế quá trình này, đồng thời bón đạm amôn chứ không bón đạm nitrate.2 Động thái của Phốt pho trong đất trồng lúa Phốt pho (P) trong đất tồn tại ở 2 dạng: P hữu cơ và P vô cơ. - P hữu cơ trong đất: chiếm từ 20 - 80% tổng lượng P trong đất. Hàm lượng P hữu cơ trong đất cao hay thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện khí hậu, thảm thực vật, kết cấu đất, loại sử dụng đất, chế độ phân bón.
Các dạng P hữu cơ chủ yếu trong đất bao gồm: inositol phốt phát: 1,4 - 356 mg/kg (chiếm 0,3 - 62%), axit nucleic: 0,1 - 97 (chiếm 0,1 - 65%), phốt pho lipit: 0,4 - 17 (chiếm 0,03 - 5,4%) lượng lân hữu cơ trong đất [3]. - P vô cơ trong đất: chủ yếu ở dưới dạng phốtphat của các cation canxi (chiếm ưu thế trên đất có phản ứng trung tính hoặc kiềm), sắt hoặc nhôm (chiếm ưu thế trên đất chua).1 Sự chuyển hóa Phốt pho hữu cơ trong đất Sự chuyển hoá các hợp chất P hữu cơ thành muối của H3PO4 được thực hiện bởi nhóm VSV phân huỷ P hữu cơ. Những VSV này có khả năng tiết ra enzym photphataza để xúc tác cho quá trình phân giải. Khả năng phân huỷ P hữu cơ của VSV được thể hiện qua sơ đồ tổng quát sau: Nucleoproteit → Nuclein → a.
8) Lơxitin → Glyxerophotphat → H3PO4 (1. 9) H3PO4 thường phản ứng với các kim loại trong đất tạo thành các muối phốt phát khó tan như Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4. 9 VSV phân giải P hữu cơ chủ yếu thuộc 2 chi: Bacillus và Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải mạnh là B.
mycoides và Pseudomonas sp. Ngoài ra, một số xạ khuẩn và vi nấm cũng có khả năng phân giải P hữu cơ.2 Sự chuyển hóa Phốt pho vô cơ trong đất Quá trình phân giải P vô cơ do VSV: sự sản sinh axit trong quá trình sống của một số nhóm VSV đã làm cho nó có khả năng chuyển các hợp chất P từ dạng khó tan sang dạng có thể hoà tan. Đa số các VSV có khả năng phân giải lân P vô cơ đều sinh CO2 trong quá trình sống, CO2 sẽ phản ứng với H2O có trong môi trường tạo thành H2CO3. H2CO3 sẽ phản ứng với P khó tan tạo thành P dễ tan theo phương trình sau: Ca3(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O → Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 + H2O (1.
10) Dạng khó tan Dạng dễ tan Dạng dễ tan Đa số P trong đất ở dạng khó hòa tan và cây trồng không sử dụng được. Đặc biệt, đất ở vùng nhiệt đới có tính axit tự nhiên và nghèo P. Những loại đất này có nồng độ P hòa tan rất thấp. P trong đất hình thành phức hợp ion phốt phát với Ca, Al, Fe,.
