Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1. Lý lu n về dinh dư ng c y tr ng t i thích 1. inh ư ng thiết yếu của cây tr ng Cây trồng chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành các hợp chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp để tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế khác nhau như các loại hạt ngũ cốc, xơ, rau, củ, quả thực phẩm và thức ăn gia súc. Để thực hiện được chức năng này, cây trồng cần được cung cấp đầy đủ ánh sáng, nhiệt độ thích hợp, nước, CO2 và O2 và các chất dinh dư ng dễ tiêu.
Sự tồn tại của con người và động vật trên trái đất phụ thuộc vào các hợp chất hữu cơ. Điều này giải thích tại sao cây trồng và động vật (kể cả con người) đều có có chung một số nguyên tố dinh dư ng thiết yếu. Tương tự như tất cả các sinh vật khác, cây trồng yêu cầu các chất dinh dư ng cho sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Các nguyên tố dinh dư ng có vai trò quan trọng trong các phản ứng sinh hóa và tổng hợp các chất hữu cơ (hydrat cacbon, protein, chất b o, vitamin…) thông qua quá trình quang hợp Trong l nh vực trồng trọt, cung cấp dinh dư ng cho cây trồng ở mức tối thích là điều kiện tiên quyết để đạt năng suất, chất lượng nông sản cao.
Cây trồng hấp thu các nguyên tố dinh dư ng thiết yếu từ nguồn dinh dư ng dự trữ trong đất và các nguồn dinh dư ng khác được cung cấp thông qua phân bón (phân khoáng, phân hữu cơ) hoặc từ không khí, nước mưa, nước tưới… Hầu hết 90 nguyên tố hóa học trong tự nhiên đều có mặt trong cây trồng. Tuy nhiên trong số đó chỉ có 16 nguyên tố được coi là nguyên tố dinh dư ng thiết yếu cho sự sinh trưởng, phát triển của cây. Theo Arnon and Stout (1939) có 3 tiêu chuẩn để một nguyên tố hóa học được coi là nguyên tố dinh dư ng thiết yếu đối với cây trồng là: (1) Thiếu nguyên tố dinh dư ng đó làm cho cây trồng khó hoàn 5 thành chu k sống của mình; (2) Chỉ có thể khắc phục được việc thiếu nguyên tố dinh dư ng bằng cách bổ sung chính nguyên tố dinh dư ng đó mà không một nguyên tố dinh dư ng nào khác có thể thay thế được, (3) Nguyên tố dinh dư ng đó phải tồn tại ở dạng dễ tiêu đối với cây trồng (dẫn theo (dt) FAO, 2006. Fertilizer and plant nutrition bulletin No16) [42].
Trong số 16 nguyên tố dinh dư ng thiết yếu, các bón (C) và oxy (O2) được cung cấp từ khí cacbonic (CO2); hydro (H) được cung cấp từ nước thông qua phản ứng quang phân ly nước trong quá trình quang hợp. Cây trồng yêu cầu các nguyên tố này với số lượng lớn cho việc hình thành hợp chất hữu cơ. 13 nguyên tố khác còn lại được gọi là nguyên tố dinh dư ng khoáng vì chúng được cây trồng hấp thu ở dạng khoáng. Tùy theo yêu cầu của cây trồng, các nguyên tố dinh dư ng này được chia thành 3 nhóm là: dinh dư ng đa lượng: đạm (N), lân (P), kali (K); dinh dư ng trung lượng: canxi (Ca), magie (Mg), lưu hu nh (S) và dinh dư ng vi lượng: sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), mangan (Mn), bo (B), molipden (Mo) và clo (Cl).
9 % khối lượng chất xanh của cây trồng được tạo thành từ các nguyên tố C, H, O, chỉ có % được tạo thành từ các nguyên tố dinh dư ng đa, trung lượng và vi lượng. Sự khác biệt về hàm lượng của các nguyên tố dinh dư ng đa, trung lượng và vi lượng trong cây là rất lớn. Tỷ lệ tương đối của N và Mo trong cây là 10. Nhu cầu về Mg của cây gấp 40 lần nhu cầu về e.
Dạng ion cây trồng hấp thụ của 13 nguyên tố dinh dư ng thiết yếu là: N: NH4+ và NO3-; P: H2PO4-, HPO42-; K: K+; S: SO42-; Ca: Ca2+; Mg: Mg++; B: H3BO3; H2BO3-; Fe: Fe2+; Mn: Mn2+; Cu: Cu2+; Zn: Zn2+; Mo: MoO42- và Cl: Cl-. Dinh dư ng dễ tiêu trong đất được cây trồng hấp thu qua rễ và vận chuyển đến lá, từ đó tham gia các phản ứng sinh hóa theo chức năng của từng nguyên tố. Trong cây, hàm lượng N và K chiếm khoảng 80% tổng số các nguyên tố dinh dư ng khoáng; P, S, Ca và Mg chiếm 19%; các nguyên tố vi 6 lượng chỉ chiếm 1%. Hầu hết các nguyên tố dinh dư ng được cây trồng hấp thụ thông qua sự trao đổi ion chủ động hoặc bị động với các ion tương ứng trong dung dịch đất.
Ngoài ra, một số nguyên tố dinh dư ng được hấp thu ở dạng phân tử như: axit boric, các amino axit, các hợp chất dạng chelate và một lượng nh urê. Mặc dù nguồn gốc của các ion dinh dư ng trong đất có thể là hữu cơ hoặc vô cơ, song cây trồng chỉ hấp thu chúng ở dạng khoáng (Roy L và cs, 1977; Finck, 2006)[48];[43]. hức năng của t số nguyên tố inh ư ng cây tr ng thiết yếu 1. Đ N là nguyên tố dinh dư ng khoáng chiếm tỷ lệ lớn nhất trong cây (2 - 4% khối lượng chất khô).
Trừ các loại cây họ đậu sử dụng được N2 trong không khí thông qua quá trình cố định đạm, cây trồng hút N ở hai dạng NO3- và NH4+. N là thành phần của diệp lục (sắc tố màu xanh trong lá). N có mặt trong thành phần của tất cả các protein. N là yếu tố chi phối màu xanh của thân và lá cây, chi phối sự đẻ nhánh, phân cành, ra lá, tăng trưởng chiều cao, đường kính thân, ra hoa, hình thành quả, do vậy ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng nông sản.
Sau khi cây hút, N được vận chuyển đến bộ lá ở dạng ion nitrat thông qua hệ thống mạch dẫn của thân, hoặc là được khử ngay trong vùng rễ, sau đó vận chuyển đến lá ở dạng hữu cơ như amino axit hoặc amide. N rất linh động trong phần v của thân cây. Do vậy N được tái vận chuyển từ các lá già về lá non khi tình trạng thiếu N xảy ra. N cũng được vận chuyển từ lá về hạt hoặc quả đang phát triển.
Dạng N hữu cơ trong v cây chủ yếu là amide, amino axit và uric. NO3- và NH4+ không tồn tại trong phần v thân cây. Thiếu N, tốc độ sinh trưởng giảm, cây thấp b , kh ng khiu, đẻ nhánh k m, diện tích lá giảm mạnh. N có mặt trong thành phần của diệp lục.
Thiếu N lá có màu vàng úa. Hiện tượng vàng lá thường xuất hiện trước hết ở các lá già ở phần gốc trước 7 trong khi các lá non ở phần ngọn vẫn duy trì được màu xanh do N từ lá già đã di chuyển về các lá non. Trong trường hợp thiếu N nghiêm trọng, lá chuyển màu nâu và chết. nh hưởng của việc bón thừa N ít r ràng hơn so với thiếu N.
Bón thừa N dẫn đến k o dài thời k sinh trưởng, quá trình chín chậm lại. Hàm lượng NH4+ cao trong dung dịch đất gây độc cho cây, đặc biệt là trong điều kiện pH đất cao. Bón thừa N, hàm lượng NH4+ trong cây cao, gây độc cho cây, buộc cây phải hút nhiều nước để giải độc, dẫn đến thân, lá vươn dài, mềm, che bóng lẫn nhau, hàm lượng nước trong thân, lá cao. Hàm lượng N hữu cơ hòa tan (axit amin) trong cây cao làm cho cây dễ bị nhiễm sâu, bệnh hại.
Bón nhiều N, tỷ lệ diệp lục trong lá cao, lá có màu xanh tối lại hấp dẫn sâu bệnh. Bón nhiều N, quá trình phát triển thân lá k o dài, quá trình hình thành hoa, quả, hạt bị chậm lại, cây thành thục muộn. Bón nhiều N, phẩm chất nông sản k m, giá trị sinh học thấp, hàm lượng NO3, hàm lượng nước cao, hàm lượng hydrat cabon thấp (Finck, 2001; Mosier, 2004) [44];[46]. Lân Hàm lượng P trong cây ít hơn nhiều so với N và K.
Trong chất khô, hàm lượng P bằng 1/5 - 1/10 so với N. Cây hút P ở dạng orthophosphate (H2PO4 – hoặc HPO42-) phụ thuộc vào pH đất. Khi pH đất tăng, tỷ lệ tương đối của H2PO4 – giảm và HPO42- tăng. P cần thiết cho sự sinh trưởng, phân chia tế bào, phát triển chiều dài rễ, thúc đẩy hình thành và phát triển hoa, quả và chín sớm.
P có nhiều trong các hợp chất hữu cơ như axit photphoglixeric, axit nucleic, các chất dự trữ cao năng như adenozin diphotphat (ADP), adenozin triphotphat (ATP) coenzim (nicotinamit dinucleotit photphat (NADP), lexitin, photpholipid. Đây là các hợp chất quan trọng trong hoạt động sống của cây. Axit photphoglixeric hình thành trong giai đoạn đầu của quá trình quang hợp có tác dụng như là chất khởi động quá trình quang hợp của cây xanh. Axit 8 nuleic trong nhân bào quyết định việc sinh sôi nảy nở của tế bào.
ADP và ATP là những hợp chất cao năng cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của cây. NADP là một co-enzim quan trọng làm nhiệm vụ vận chuyển H+ trong quá trình khử NO3- thành NH4+ và thúc đẩy việc tổng hợp protein trong cây. Lexitin là hợp chất hữu cơ có nhiều trong hạt, khi thủy phân sẽ cung cấp P vô cơ, là nguồn dự trữ thức ăn cần thiết cho quá trình nảy mầm của hạt. Photpholipid là thành phần quan trọng của màng tế bào (membran) có chức năng bảo vệ cho tế bào chống lại điều kiện bất thuận.
Ngoài ra một phần nh P vô cơ nằm dưới dạng các orthophosphate, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hệ thống đệm trong tế bào nhờ sự chuyển hóa của các ion photphat. Sự chuyển hóa này cung cấp thêm H+ cho quá trình khử NO3- thành NH4+, có lợi cho quá trình tổng hợp protein. Vì vậy dinh dư ng P có liên quan đến dinh dư ng N của cây. P vô cơ cũng là nguồn dự trữ cần thiết cho việc tổng hợp P hữu cơ.
Khác với P trong đất, P trong cây rất di động trong cả xylem và tế bào v cây. Trong trường hợp cây trồng thiếu P, P từ các lá già sẽ được di chuyển về các lá non. Thiếu P, sinh trưởng của cây trồng bị đình trệ, đẻ nhánh k m, rễ phát triển chậm, quá trình chín cũng chậm lại. Việc thiếu hụt P vô cơ trong lục lạp dẫn đến làm giảm quang hợp.
Do việc tổng hợp RNA giảm dẫn đến làm giảm quá trình tổng hợp protein. Việc giảm tỷ lệ giữa chồi và rễ là đặc trưng của việc thiếu P vì thiếu P thường dẫn đến làm giảm sự sinh trưởng của ngọn (Finck, 2001)[44]. Kali K là nguyên tố dinh dư ng khoáng có hàm lượng trong cây cao thứ hai sau N.