Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nguồn gốc, phân bố và điều kiện ngoại cảnh của cây cao lương Cây cao lương (Sorghum bicolor L. Moench) thuộc chi lúa miến hay chi Cao lương (chi Sorghum) một trong 30 loài thực vật họ hòa thảo (họ Poaceae). Theo Evelyn (1951) [18], cao lương có nguồn gốc từ miền Trung Phi cách đây 5 - 7 nghìn năm, sau đó được phát triển ở Ấn Độ, Trung Quốc và được du nhập vào Mỹ năm 1890 để làm thức ăn gia súc.
Hiện nay có hàng triệu người ở châu Phi, châu Mỹ La Tinh… dùng cao lương như một loại lương thực chính trong bữa ăn hàng ngày. Cao lương có khả năng chống chịu với những điều kiện ngoại cảnh bất thuận đặc biệt là hạn và ngập úng, chúng đóng vai trò quan trọng hơn trong các khu vực có khí hậu khô cằn. Hiện tại cao lương là cây lương thực chủ yếu của vùng bán khô hạn của thế giới. Cao lương thường được trồng luân canh với lúa mỳ, ngô và là một thành phần quan trọng trên các bãi chăn thả gia súc của nhiều khu vực nhiệt đới.
Các loài lúa miến là cây lương thực quan trọng ở châu Phi, Trung Mỹ và Nam Á, là “cây lương thực đứng hàng thứ năm trên thế giới”. Trung tâm khởi nguyên chính của cao lương là ở châu Phi, vùng đất khô hạn, lượng mưa hàng năm rất thấp. Có thể cao lương được trồng đầu tiên ở Ethiopia sau đó lan rộng ra nhiều nước ở Châu Phi (Martin, 1970) [23]. Cao lương được trồng ở Hoa Kỳ vào năm 1850.
Hiện nay cao lương được phân bố rộng khắp các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới, và các khu vực ôn đới ấm của thế giới. Cao lương là loại cây trồng nhiệt đới và bán nhiệt đới do đó không thể trồng ở điều kiện lạnh giá; cao lương thích nghi với khoảng điều kiện khí hậu rộng lớn từ những vùng có lượng mưa hàng năm cao đến những nơi khô hạn. Mặc dù lượng mưa và các yếu tố khác quyết định mùa vụ và thời gian sinh 5 trưởng của cao lương nhưng cao lương vẫn có thể trồng và phát triển ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt và trình độ thâm canh hạn chế. Cao lương rất thích nghi với vùng đất nóng, khô hạn và bán khô hạn và là cây trồng chính ở châu Phi, châu Á, Nam Mỹ và châu Đại Dương, những nơi quá nóng và khô không phù hợp sản xuất ngô.
Đây cũng là cây trồng lấy hạt chính ở những vùng khô hạn và bán khô hạn. Cây cao lương có xuất xứ từ vùng nhiệt đới nên điều kiện khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi cho phát triển. Cao lương có ngưỡng nhiệt phát triển 15 - 370C, nhiệt độ tối thích là 270C (Wilson và Myer, 1954) [32]. Đa số các giống cao lương hiện nay không phản ứng với ánh sáng, tuy nhiên cao lương là cây trồng ngày ngắn.
Đặc tính thực vật học và khả năng chống chịu của cây cao lương Cao lương ngọt (Sweet sorghum) là một cây thuộc họ hòa thảo, chiều cao trung bình từ 0,6 - 5m tùy thuộc vào giống, điều kiện canh tác và môi trường. Đặc điểm thực vật học cũng như thời gian sinh trưởng của cây cao lương tương tự cây ngô và các cây ngũ cốc khác. Cao lương là cây thân thẳng, chứa nhiều nước. Tùy từng giống và điều kiện sinh trưởng mà chiều cao cây thay đổi từ 0,5 - 5m, cũng có giống cao tới 6m.
Đa số là cây hàng năm nhưng có các giống cây lâu năm tùy thuộc vào tổng tích ôn của từng giống trong điều kiện trồng cụ thể, do vậy mà thời gian sinh trưởng của chúng cũng khác nhau. Thân cao lương gồm các lóng và đốt, lá mọc ra từ đốt, chồi có thể mọc ra từ các đốt thân. Thời gian đẻ nhánh sớm hay muộn tùy thuộc vào giống, thời vụ và kỹ thuật canh tác. Cao lương có khả năng đẻ nhánh, nhánh được sinh ra từ các đốt trên thân, các đốt sát mặt đất ra nhánh trước, nếu thân chính bị chết đi thì các nhánh con sẽ mọc ra thay thế thân chính.
Cao lương có sức tái sinh rất mạnh, trồng một vụ có thể thu hoạch liên tiếp 2 - 3 lần, có khi tới 4 lần tùy vào mức độ thâm canh. Nếu chăm sóc tốt, năng suất vụ gốc không kém vụ tơ, thậm chí cao hơn. Mỗi mắt trên thân cao lương có những chồi 6 mầm, khi đã thu hoạch thân được chặt đi, những mầm ở phần gốc sẽ tiếp tục phát triển cho ra những cây mới ở vụ sau. Nên thu hoạch vụ tơ đúng lúc khi hạt vừa cứng, nếu thu hoạch trễ các chồi mầm sẽ già yếu đi.
Bộ rễ cao lương phát triển rộng, rễ chính đâm sâu với nhiều rễ phụ và rễ bên, rễ chủ yếu xuất hiện ở tầng đất mặt. Rễ chính có thể đâm sâu tới 1,5m dưới mặt đất nhưng thông thường tập trung ở độ sâu 0,9m hoặc có thể tăng lên gấp 2 lần chiều sâu đó. Rễ cao lương là rễ chùm với rất nhiều rễ bên có khả năng hút nước hiệu quả, rễ đâm rộng. Nhờ đặc điểm này mà cao lương có thể sống ở những nơi khô hạn hơn ngô.
(Wilson, 1995) [31] Thân cây cứng, thông thường thuộc dạng thân đứng, thân có thể khô hoặc chứa nhiều nước, giữa thân có thể rỗng hoặc không, có đốt giống cỏ, nằm trong họ hòa thảo. Đường kính thân dao động từ 0,5 - 5cm và thu nhỏ ở phần ngọn. Tại mỗi mắt thân xuất hiện một lá và một chồi. Trên thân phát triển một vài chồi nách làm cho cây cao lương đẻ nhánh nhiều và khỏe.
Lá cao lương rộng và dài, phân bố trên thân rất đa dạng, chúng có thể tập trung phần gốc hoặc phân bố đồng đều trên thân ít hoặc nhiều. Số lá trên thân chính có thể thay đổi từ 7 - 24 lá tùy thuộc từng giống. Lá cây trông rất giống lá ngô, đôi khi cuộn tròn lại. Lá cao lương cũng có phần bẹ ôm sát vào thân cây làm tăng độ cứng cho cây, bẹ lá thông thường có chiều dài khoảng 15 - 35cm và cuộn chặt lấy thân.
Phiến lá thẳng hoặc lòng mo, dài từ 30 - 135cm và rộng từ 1,5 - 13cm với mép lá thẳng hoặc gợn sóng, mặt lá thường phủ một lớp phấn sáp. Gân giữa lá có thể có màu trắng, vàng đối với giống có thân rỗng và khô hoặc màu xanh đối với giống thân có dịch. Hoa cao lương kết lại thành bông dài 4 - 25cm, rộng 2 - 20cm, có thể mọc thẳng đứng hoặc cong xuống như cổ ngỗng. Hoa cao lương mọc thành chùm, chùm hoa có cả hoa đực và hoa cái, mỗi chùm gồm khoảng 6000 bông con.
Chùm hoa có một cuống trung tâm, với những nhánh cấp 1, cấp 2, đôi khi có cấp 3, từ các nhánh này sinh ra các chùm hoa nhỏ. Chiều dài và khoảng 7 cách của những nhánh hoa quyết định hình dạng của chùm, từ hình nón hoặc hình ô van kín. Một số hình ảnh về bông của cây cao lương (Nguồn: FAOSTAT, 2007) [35] Cao lương là cây tự thụ phấn, đôi khi xảy ra hiện tượng giao phấn, tỷ lệ giao phấn thường nhỏ hơn 6% (Conley, 2003) [14]. Hạt cao lương có dạng tròn hoặc ô van có kích thước từ 4 - 8mm, có nhiều màu sắc, hình dạng khác nhau tùy từng giống.
Thường hạt được bao phủ bởi lớp mày. Vỏ hạt cao lương cứng, có màu sẫm hoặc màu nâu đậm, có tính kháng bệnh và các tác động gây hại nhưng làm gia súc khó tiêu hóa hơn (Icrisat, 1996) [34]. Một kg hạt giống chứa 25. Hạt cao lương có nhiều màu sắc khác nhau từ màu vàng nhạt, màu nâu đỏ nhạt đến màu nâu sẫm tùy thuộc vào từng nhiều tanin làm cho hạt có vị đắng.
Hạt cao lương khá nhỏ, đường kính khoảng 3 - 4mm, màu sắc hạt thay đổi từ vàng nhạt đến nâu đỏ và nâu sẫm tùy thuộc vào giống. Giống NL3 có 8 hạt màu nâu sẫm. Chùm hoa cao lương nhỏ, các hoa trên bông không đồng đều nở hoa. Các loài cao lương hoang dại phân biệt bởi vòng đặc trưng với lông dài tại những mấu.
Chúng dễ nở hoa và nở trên nhiều nhánh, nhánh hoa có hình xoắn ốc. Đầu hoa mang hai loại hoa, một loại không có cuống và có cả hoa đực lẫn hoa cái, loại còn lại có cuống và thông thường là hoa đực (Ramph, 2005) [28]. Cũng như ngô, cao lương là cây C4 có khả năng sử dụng ánh sáng cao hơn các loại cây khác, dưới điều kiện ánh sáng cao và nhiệt độ nóng, chúng có thể quang tổng hợp mạnh hơn (nhiều nghiên cứu cho thấy hơn 90% chất khô tích lũy được là do quang hợp) và sản xuất nhiều sinh khoáng, có khả năng thích nghi và tiến hóa trong những vùng bị hạn chu kỳ (Trần Văn Hòa, 2003) [3]. Phần lớn các loài cây cao lương có khả năng chịu khô hạn và chịu nóng cao, đóng vai trò quan trọng trong các khu vực có khí hậu khô cằn.
Chúng tạo thành một phần quan trọng của các bãi chăn thả gia súc tại nhiều khu vực nhiệt đới. Theo báo cáo từ các khu vực Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Tây Á, Địa Trung Hải… thì cây cao lương là cây trồng chống chịu được với các loại đất từ chua đến kiềm, đất ngập nước hay khô hạn, nồng độ muối cao, các loại nấm bệnh cũng như cỏ dại (Duke, 1983) [17]. Cao lương có các đặc điểm về hình thái và sinh lý cho phép nó có thể sinh trưởng và tồn tại trong điều kiện hạn như: bộ rễ ăn sâu và lan rộng, bộ rễ phụ nhiều gấp 2 lần so với ngô, trên phiến lá hoặc bẹ lá có một lớp sáp màu trắng nhạt bao phủ để bảo vệ chúng khỏi sự mất nước dưới điều kiện khô nóng và làm giảm sự mất nước, khả năng tái sinh mạnh mẽ và tự dừng sinh trưởng trong điều kiện hạn, phục hồi bình thường trở lại khi điều kiện thuận lợi. Do vậy, cao lương có thể phát triển ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới với lượng mưa hàng năm chỉ khoảng 400 - 600mm, nơi quá khô ngô không trồng được.
Không chỉ có khả năng sinh trưởng trong vùng hạn mà nó còn có khả năng phát triển được ở điều kiện 9 thường xuyên ngập nước, do đó nó cũng có thể trồng ở những vùng có lượng mưa lớn. Cao lương sinh trưởng được ở độ cao 0 - 2300m so với mực nước biển, khoảng pH đất mà cao lương có thể sinh trưởng được rất rộng từ 5,0 - 8,5 (Icrisat,1996) [34].