Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng

Chia sẻ: Vi Đinh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

185
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng "Phân bón và độ phì - Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng" để nắm bắt được những nội dung chi tiết như các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SINH TRƯỞNG CÂY TRỒNG BÀI 1: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA CÂY TRỒNG Tiềm năng sản lượng tối đa của 1 loại cây trồng nhất định phụ thuộc vào các yếu tố môi trường và các biện pháp kỹ thuật của người nông dân, trong việc xác định và làm giảm đi các yếu tố bất lợi của môi trường có thể làm tăng tiềm năng sản lượng. Chương này sẽ thảo luận các yếu tố ảnh hưởng đến những phản ứng của cây trồng đối với các chất dinh dưỡng và định lượng hoá sự sinh trưởng và sự đáp ứng của cây trồng. Bảng 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiềm năng năng suất của cây trồng Các yếu tố về khí hậu Các yếu tố về đất Các yếu tố về cây trồng Mưa Chất hữu cơ Giống /loài Lượng mưa Sự phân bố mưa Nhiệt độ không khí Sa cấu Thời gian sinh trưởng Ẩm độ tương đối Cấu trúc Đặc tính sinh học của hạt giống Ánh sáng Khả năng trao đổi cation Đặc điểm canh tác Hàm lượng chiếu sáng Khoảng cách gieo Cường độ chiếu sáng trồng Thời gian chiếu sáng Yêu cầu chăm sóc Vị trí địa lí Độ bão hòa base Hiệu quả sử dụng nước Vĩ độ Độ dốc và địa hình Sự hữu dụng của Kinh độ Nhiệt độ đất nước Bốc thoát hơi nước Gió Các yếu tố quản lý Sâu bệnh Tốc độ gió Làm đất Côn trùng Sự phân bố gió Thoát thủy Sâu hại Cỏ dại Nồng độ CO2 Độ sâu tầng đất mặt Dinh dưỡng Hiệu suất thu hoạch Có trên 50 yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và năng suất cây trồng; một số các yếu tố quan trọng được liệt kê trong bảng 2.1. Trong đó có nhiều yếu tố mà người trồng trọt có thể kiểm soát được, nhưng để đạt được năng suất cao thì các yếu tố này phải vận hành một cách đồng bộ, vì các yếu tố này luôn có sự quan hệ hữu cơ với nhau. Những nhà trồng trọt thường không có khả năng quản lý các yếu tố khí hậu, ngoại trừ lượng mưa họ có thể kiểm soát được thông qua tưới và gió thông qua các quạt gió. Tuy nhiên, người trồng trọt có thể kiểm soát phần lớn các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng đó là giống cây trồng và các yếu tố của đất. Các yếu tố có liên quan đến sự sinh trưởng của cây trồng có thể được phân loại thành 2 nhóm, nhóm yếu tố do di truyền và nhóm các yếu tố do môi trường. 1
1 Các yếu tố di truyền Tầm quan trọng của di truyền học trong sự sinh trưởng của các cây trồng nông nghiệp được thể hiện qua sự gia tăng rất lớn trong năng suất của các giống bắp lai mới và các giống lúa nước, lúa mì và hàng loạt các giống cây trồng khác. Năng suất đạt được đối với bắp trong thời gian gần đây là cao hơn 38 – 61 % (trong điều kiện tốt và xấu) so với các giống đã lai tạo trong những năm 1930. Từ năm 1930, năng suất hạt của lúa mì mùa đông đã tăng 16,4 tấn/ha, hay khoảng 0,7 %/năm, sự gia tăng năng suất này do sự đóng góp trực tiếp từ sự cải thiện về tính di truyền. 1.1 Giống và nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng Các giống mới có năng suất cao sẽ có nhu cầu chất dinh dưỡng cao. Thực tế quan trọng cần được nghiên cứu kỹ trong các quyết định thay đổi các giống có năng suất cao hơn, sự tương quan giữa năng suất các giống mới và nhu cầu dinh dưỡng. Trong điều kiện độ phì nhiêu của đất thấp thì một giống năng suất cao không thể phát triển đầy đủ tiềm năng năng suất. Nhưng trên các loại đất có độ phì nhiêu cao thì các giống mới sẽ làm cạn kiệt chất dinh dưỡng trong đất nhanh hơn và cuối cùng là năng suất sẽ giảm nếu không được bổ sung thích hợp các chất dinh dưỡng. 1.2 Các tương tác giữa giống và độ phì nhiêu của đất Thông thường các giống có mức độ thích ứng hẹp thì có xu hướng có những tương tác chặt giữa giống và phân bón, ngược lại các giống có 1 biên độ thích ứng rộng thì sẽ có sự tương tác yếu. Vào đầu năm 1922, một số nơi trên thế giới đã khuyến cáo là tiêu chuẩn chọn các giống bắp là dựa trên cơ sở mức độ phì nhiêu của đất. Các giống được chọn cho các đất nghèo khác với giống được chọn trồng trên các loại đất giàu dinh dưỡng. Trong phần lớn các nước nông nghiệp phát triển người ta có tập quán là bón đầy đủ chất dinh dưỡng cho cây trồng trên đất có độ phì nhiêu thấp. Vì vậy những khuyến cáo về chọn giống hay lai giống không còn cần thiết phải dựa trên cơ sở của mức độ phì nhiêu của đất, nhưng cần chú trọng đến khả năng chống chịu được với sâu bệnh, hay ẩm độ, nhiệt độ bất lợi. Tuy nhiên, trong một chiến lược quản lý các vùng đất bất lợi như đất có hàm lượng Fe hữu dụng thấp hay thừa Al hay thừa các muối hoà tan thì phải chọn các giống hay loài có khả năng chống chịu được điều kiện đặc biệt này. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp khi độ phì nhiêu của đất không còn là yếu tố giới hạn sự sinh trưởng của cây trồng, thì sự hiểu biết các cơ chế hấp thu dinh dưỡng và tính thích ứng chuyên biệt của các giống là cần thiết. 1.3 Tầm quan trọng của sự tiếp tục nghiên cứu di truyền học. Các thành phần cấu tạo trong di truyền học của 1 loài cây nhất định nào đó thường làm cho cây trồng chỉ có thể phát triển trọng 1 phạm vi giới hạn nhất định. Hầu như không có một loại cây nào có thể sinh trưởng tốt trong tất cả các điều kiện môi trường. Do đó, người ta đề nghị nên có từng chương trình sản xuất các giống mới hay giống lai có khả năng đạt năng suất cao trong từng điều kiện riêng biệt. 2 Các yếu tố môi trường Môi trường được định nghĩa là tập hợp tất cả điều kiện và những ảnh hưởng của ngoại cảnh ảnh hưởng đến đời sống và sự phát triển của 1 sinh vật. Trong các yếu tố 2
được biết là ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, các yếu tố sau đây có thể là quan trọng nhất 1. Nhiệt độ. 2. Ẩm độ. 3. Năng lượng bức xạ. 4. Thành phần của khí quyển. 5. Cấu trúc của đất và thành phần không khí trong đất. 6. Phản ứng của đất (pH đất). 7. Các yếu tố sinh học. 8. Sự cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng khoáng. 9. Sự hiện diện hay không của các chất hạn chế sinh trưởng. Nhiều yếu tố môi trường có sự quan hệ hỗ tương lẫn nhau. Ví dụ, luôn có sự quan hệ nghịch giữa hàm lượng không khí và ẩm độ trong đất hay giữa hàm lượng O 2 và CO2 của không khí trong đất. Khi ẩm độ đất tăng, thì hàm lượng không khí trong đất giảm, và khi hàm lượng CO2 của không khí trong đất tăng thì hàm lượng O 2 của không khí trong đất giảm, và ngược lại. 2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ giới hạn cho sự tồn tại của sinh vật là khoảng 35o đến +75oC . Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng và phát triển của phần lớn cây trồng nông nghiệp chỉ biến thiên trong khoảng nhiệt độ hẹp hơn; có thể từ 1540 oC. Ở nhiệt độ cao hay thấp hơn khoảng giới hạn này thì sự sinh trưởng sẽ bị giảm 1 cách nhanh chóng. Nhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng khác nhau tùy theo giống hay loài, tùy theo thời gian tác động của nhiệt độ, tuổi cây, thời kỳ phát triển, và các ngưỡng sinh trưởng riêng biệt được dùng để đánh giá khả năng hoàn thành chu kỳ sống, sự hấp thu nước và dinh dưỡng, hô hấp, khả năng thấm của màng tế bào, và sự tổng hợp protein. Các ảnh hưởng này được phản ảnh bằng sự sinh trưởng của cây trồng. Khả năng sinh trưởng của cây trồng phụ thuộc rất lớn vào tốc độ hình thành lá mới, có nghĩa là diện tích quang hợp mới tăng làm ảnh hưởng rất lớn đến tổng quang hợp và sản lượng của cây trồng. Vì vậy, tốc độ ra lá và sự phát triển các lá mới và thời gian phát triển của các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây đóng góp rất lớn đến sản lượng của cây trồng. Tiến trình hô hấp và sự thoát hơi nước của cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ, các quá trình này giảm khi nhiệt độ giảm và ngược lại. Ở nhiệt độ cao, tốc độ hô hấp ban đầu tăng rất nhanh nhưng sau đó vài giờ thì lại giảm rất nhanh đối với 1 số cây trồng. Đối với nhiều loại cây trồng thì nhiệt độ tối hảo cho quang hợp thấp hơn nhiệt độ tối hảo cho hô hấp. Điều này đã được chứng minh là năng suất của các cây trồng lấy tinh bột như bắp và khoai tây, trong các vùng khí hậu mát mẽ cao hơn năng suất các cây này khi trồng trong vùng khí hậu nóng hơn. Có thể là trong điều kiện nhiệt độ cao kéo dài, cây trồng có thể bị mất cân đối trong quá trình tích lũy chất hữu cơ, bởi vì sự hô hấp tiến hành nhanh hơn quang hợp. Trong điều kiện nhiệt độ cao, sự mất nước do thoát hơi có thể vượt quá lượng nước hấp thu vào, và hậu quả là cây bị héo. Sự hấp thu nước của rễ cây chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong môi trường nhiệt độ tăng từ 0o60oC hay 70oC thì sự hấp thu nước của rễ tăng. Nhiệt độ đất thấp cũng có thể ảnh hưởng bất lợi đến sự sinh trưởng của cây do ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp thu nước. Nếu nhiệt độ đất thấp mà sự thoát hơi cao, thì cây trồng có thể bị tổn thương do các mô bị mất nước. Ẩm độ đất cũng có thể bị ảnh 3
hưởng do nhiệt độ, thời tiết nóng không bình thường sẽ làm cho sự bốc hơi nước nhanh hơn từ mặt đất. Nhiệt độ cũng gây ảnh hưởng một cách gián tiếp đến sự sinh trưởng của cây, do ảnh hưởng của nhiệt độ đến dân số vi sinh vật trong đất. Sự hoạt động của các vi khuẩn chuyển hoá N, cũng như phần lớn sinh vật tự dưỡng, tăng theo sự tăng nhiệt độ. pH đất cũng có thể thay đổi theo nhiệt độ, và pH lại ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng. Người ta nhận thấy rằng. Điều này thường được giải thích là sự hoạt động của vi sinh vật trong đất, mang theo sự giải phóng CO2, CO2 này kết hợp với nước hình thành carbonic acid (H2CO3). Trong các đất chua ít thì chỉ 1 sự thay đổi nhỏ về pH cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng vi lượng như Mn, Zn hay Fe. Nhiều nghiên cứu về mối quan hệ giữa năng suất hay sản lượng chất khô và nhiệt độ đã được thực hiện. Sự hiểu biết về các mối quan hệ giữa nhiệt độ và sự sinh trưởng của cây trồng là rất quan trọng bởi vì khi trồng 1 cây hay giống nào đó không thích hợp với điều kiện nhiệt độ trong 1 vùng nào đó sẽ dẫn đến kết quả là tiềm năng năng suất sẽ bị giảm, và có thể sẽ không có thu hoạch gì cả. Nhiệt độ cũng có thể làm thay đổi thành phần không khí trong đất, do sự tăng hay giảm sự hoạt động của vi sinh vật trong đất. Khi hoạt động của vi sinh vật đất tăng, thì hàm lượng CO2 của không khí trong đất tăng và hàm lượng O 2 giảm. Trong điều kiện mà sự khuếch tán của các khí trong đất bị hạn chế, thì việc giảm hàm lượng O2 có thể ảnh hưởng đến tốc độ hô hấp của rễ cây, và vì thế ảnh hưởng đến khả năng hấp thu dinh dưỡng của rễ. 2.2 Ẩm độ đất Trong một giới hạn nào đó thì sự sinh trưởng của cây trồng tỉ lệ thuận với hàm lượng nước hiện diện. Nước cần thiết cho sản xuất carbohydrate, để duy trì tính hút nước của nguyên sinh chất, và nước là 1 phương tiện vận chuyển carbohydrate và các chất dinh dưỡng. Sự thiếu nước bên trong có thể làm giảm cả sự phân chia và phát triển của tế bào, và vì vậy làm giảm sự sinh trưởng của cây. Ẩm độ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thu dinh dưỡng của cây. Hàm lượng nước hữu dụng trong vùng rễ thấp làm giảm sự hữu dụng các chất dinh dưỡng nên làm cản trở các tiến trình có liên quan đến sự hấp thu dinh dưỡng. Các tiến trình đó là (1) sự khuếch tán, (2) dòng chảy khối lượng, và (3) sự tiếp xúc của rễ. Theo qui luật thông thường, sự hấp thu dinh dưỡng tăng khi hàm lượng nước trong đất tăng. Khi các tế khổng đất hoàn toàn đầy nước sẽ là 1 bất lợi vì hậu quả là rễ sẽ thiếu O2, làm hạn chế sự hô hấp và hấp thu ion của rễ. Người ta cũng lưu ý rằng cần bón phân đầy đủ để sử dụng nước đạt cao nhất. Xu hướng chung đối với các chất dinh dưỡng của cây trồng là các chất dinh dưỡng được hấp thu dễ dàng khi ẩm độ đất tăng và ảnh hưởng tốt đến hiệu quả sử dụng nước (water use effection, WUE) của cây trồng. WUE là lượng chất khô tạo thành từ 1 đơn vị nước, thường diễn tả bằng gram trọng lượng chất khô/hacm nước. Bón nhiều lần với lượng nhỏ phân bón, kết hợp với phương pháp tưới theo lịch dựa trên số liệu đo bằng tensiometer, sẽ tạo nên 1 hiệu quả sử dụng nước cao nhất trên đất này. Ngoài ra, nước còn cần thiết cho sản xuất carbohydrate, để duy trì tính hút nước của nguyên sinh chất, và nước là 1 phương tiện vận chuyển carbohydrate và các chất dinh dưỡng. Sự thiếu nước bên trong mô có thể làm giảm cả sự phân chia và phát triển của tế bào. Sự thiếu nước xảy ra khi mà nước hữu dụng (cây có thể hút được) trong vùng rễ không đủ để thoả mãn nhu cầu thoát hơi của cây trồng. Sự thiếu hụt nước với các mức độ khác nhau chính là nguyên do làm cho năng suất cây trồng biến động hàng năm. Các tiến trình sinh lý trong cây khác nhau bị tác động của sự thiếu nước khác nhau. Ví dụ, sự vươn dài của lá mẫn cảm với sự thiếu nước hơn là các tiến trình khác và sự phát triển là sẽ bị 4
ngừng trước khi toàn bộ nước hữu dụng trong đất được tiêu thụ. Rễ cây sinh trưởng tốt nhất khi đất có đủ ẩm, cây cũng có thể ra rễ ngay cả khi đất tương đối khô. Khi sự thiếu nước làm giới hạn sự sinh trưởng của rễ, sự hấp thu dinh dưỡng và nước sẽ bị giới hạn. Cách bón phân trong đất cũng là 1 yếu tố quan trọng cần chú ý trong các trường hợp mà phần trên của vùng rễ bị khô nhanh và khô kéo dài. Bón phân sâu vào vùng rễ nơi ẩm sẽ có hiệu quả hơn. Trong các vùng khô hạn và bán khô hạn nơi mà sự rửa trôi không đáng kể, sự phân bố đều phân bón trong vùng rễ được cải thiện bằng cách bón thúc trên mặt đất với liều lượng phân bón cao. Ẩm độ đất cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự sinh trưởng của cây trồng do ảnh hưởng đến dân số vi sinh vật trong đất. Ở ẩm độ quá thấp hay quá cao thì sự hoạt động của các vi sinh vật tham gia trong các quá trình chuyển hoá chất dinh dưỡng hữu dụng cho cây bị hạn chế. 2.3. Năng lượng bức xạ mặt trời Năng lượng bức xạ mặt trời là 1 yếu tố rất có ý nghĩa trong sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Chất lượng, cường độ, và thời gian chiếu sáng là các thông số quan trọng. Bức xạ trong ngày quang mây là 1 chỉ thị hữu dụng của lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho các quá trình sinh lý bên trong cây. Các giá trị đối với các thời kỳ sinh trưởng của cây bắp cho thấy là tiềm năng năng suất cao nhất đối với cây trồng này là gần 40o vĩ độ, 1 vùng chạy dài từ đông sang tây. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng đến sự sinh trưởng của cây cho thấy rằng toàn bộ phổ của ánh sáng mặt trời thường thoả mãn được sự sinh trưởng của cây trồng. Mặc dù chất lượng ánh sáng được biết là có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, nhưng dường như đây là yếu tố con người không thể kiểm soát được trong tương lai trên 1 diện rộng. Những nghiên cứu cũng cho thấy rằng thông thường cây trồng có khả năng đạt được sự sinh trưởng tốt khi lượng áng sáng thấp hơn lượng ánh sáng của ban ngày hoàn toàn quang mây. Tuy nhiên, các cây khác nhau có sự đáp ứng với cường độ ánh sáng khác nhau. Những sự thay đổi cường độ ánh sáng gây ra do che bóng có thể tạo ra ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của cây trồng. Với mật độ cây trồng cao, ánh sáng xuyên qua các vị trí bên dưới trong tán cây có thể không đủ cho các lá bên dưới để tiến hành quang hợp. Sự che bóng của cây trồng cũng có thể xảy ra khi trồng xen 2 loài cây khác nhau, cân bằng sự sinh trưởng giữa các loại cây là vấn đề quan trọng trong quản lý cây trồng. Sự phát triển không đồng đều thường xảy ra trong vườn cây hay trong một ruộng trồng. Điều này phần lớn là do sự canh tranh dinh dưỡng và nước, mặc dù cường độ ánh sáng bị giảm cũng là 1 yếu tố quan trọng giải thích hiện tượng này Những nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật dùng lúa mì làm cây thử nghiệm cho thấy rằng sự hấp thu NH4+, SO42 và nước tăng khi cường độ ánh sáng tăng, nhưng sự hấp thu Ca2+ và Mg2+ ít bị ảnh hưởng. Cường độ ánh sáng có ảnh hưởng rất đáng kể đến sự hấp thu P và K. Người ta cũng nhận thấy rằng sự hấp thu O 2 của rễ cũng tăng theo cường độ ánh sáng. 2.4. Chế độ quang kỳ Mối quan hệ giữa thực vật với độ dài ngày được gọi là chế độ quang kỳ. Trên cơ sở phản ứng của cây với quang kỳ, các cây được phân loại thành các cây ngày ngắn, ngày dài hay trung gian. Cây ngày ngắn là cây sẽ chỉ ra hoa khi quang kỳ ngắn bằng hay ngắn hơn thời gian ngưỡng. Nếu thời gian chiếu sáng dài hơn thời gian ngưỡng, cây trồng sẽ 5
phát triển dinh dưỡng không hoàn tất chu kỳ sinh sản của chúng. Bắp, cao lương, lúa là những cây ngày ngắn. Cây ngày dài là cây sẽ chỉ ra hoa nếu trong đó thời gian chiếu sáng dài hơn thời gian ngưỡng. Nếu cây được chiếu sáng với những thời gian ngắn hơn thời gian ngưỡng này, chúng sẽ chỉ phát triển sinh trưởng dinh dưỡng. Các cây ra hoa và hoàn thành chu kỳ phát triển trong điều kiện ngày ngắn và cả ngày dài là cây có quang kỳ trung tính . Bông vải là cây có quang kỳ trung tính. 6
2.5 Thành phần của khí quyển Ngoại trừ nước, C là nguyên tố cần thiết cho sự sinh trưởng có hàm lượng lớn nhất trong cây. Nguồn cung cấp C chính cho cây là khí CO 2 trong khí quyển. CO2 được hấp thu vào lá, và thông qua hoạt động quang hợp, được nối hoá học trong các phân tử hữu cơ. CO2 tiếp tục được trả lại vào khí quyển dưới dạng sản phẩm của hô hấp động vật và thực vật và sự phân giải vi sinh vật các dư thừa hữu cơ. Mặc dù bình thường nồng độ CO2 trong khí quyển khoảng 0,03 %, nhưng nồng độ này có thể biến đối từ 0,015 0,3 %. Trong 1 tán cây dày trong 1 ngày không gió, nồng độ CO 2 có thể thấp trong những giờ có chiếu sáng khi cây có tốc độ quang hợp cao. Tương tự, trong rừng dày, hàm lượng CO 2 có thể xuống thấp đáng kể trong thời gian có chiếu sáng. Sự gia tăng nhiệt độ và nồng độ CO2 trong khí quyển, được được diễn tả bằng thuật ngữ hiệu ứng nhà kính, có thể có ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng và năng suất của cây trồng. Một số chương trình nghiên cứu cho thấy là năng suất có thể sẽ tăng, ngược lại 1 số chương trình khác lại dự báo là năng suất sẽ giảm. Mặc dù năng suất của 1 số cây trồng có thể tăng theo sự tăng nồng độ CO2, nhưng nhiệt độ cao có thể làm gia tăng hạn hán và làm giảm năng suất. Nhiều nhà khoa học kết luận rằng mặc dù hiệu ứng nhà kính có thể gây ra những thay đổi trong các kiểu dáng cây trồng, nhưng năng suất sẽ tiếp tục tăng bởi vì các biện pháp kỹ thuật đồng ruộng sẽ có thể đáp ứng được hầu hết các sự thay đổi của môi trường. 2.6 Các chất gây độc trong khí quyển Chất lượng không khí chung quanh các bộ phân thân lá của cây có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây. Một số khí như sulfur dioxide (SO2), carbon monoxide (CO), và hydrofluoric acid (HF), khi được giải phóng vào trong không khí với hàm lượng lớn sẽ gây độc cho cây. Các acid mạnh như H2SO4, nitric acid HNO3, và hydrochloric acid (HCl)đã làm giảm pH trong nước mưa ở rất nhiều nơi trên thế giới. Có nơi pH của nước mưa thấp đến 2,1 3,0. Mưa acid thường chủ yếu là do nồng độ SO2 và SO42 tương đối cao. Một số ảnh hưởng của mưa acid đến cây trồng và đất có thể có như làm tăng sự rửa trôi các chất dinh dưỡng vô cơ và các chất hữu cơ từ lá; làm tăng sự bào mòn biểu bì lá; hủy hoại lá khi pH xuống 3,5; thay đổi các phản ứng với các nguồn bệnh, các vật cộng sinh, và hoại sinh; làm giảm sự nẩy mầm; làm giảm sự hữu dụng của N; làm giảm hô hấp; và làm tăng sự rửa trôi các chất dinh dưỡng trong đất. Tổn thương thân lá do fluorine giải phóng trong thời gian sản xuất Al kim loại và sản xuất phân P đã được báo cáo. Tuy nhiên sự hủy hoại của mưa acid đối với cây trồng có thể không quan trọng bằng sự gây độc cho vật nuôi thông qua ảnh hưởng đến chất lượng đồng cỏ. Sự giải phóng chlorofluorohydrocarbon (CFC) và các khí khác vào khí quyển có liên quan đến sự hủy hoại tầng ozone, là tầng lọc các bức xạ có hại. Mặc dù sự xáo trộn môi trường này chủ yếu được nhận thấy ở các vùng cực Bắc và cực Nam, nhưng sự tiếp tục hủy hoại tầng ozone có thể dẫn đến những vấn đề bất lợi về sức khoẻ của động vật và thực vật. 2.7 Cấu trúc của đất và thành phần không khí trong đất Cấu trúc và sa cấu của đất quyết định dung trọng của đất. Theo qui luật chung, dung trọng đất càng cao thì đất càng bị nén chặt, cấu trúc đất càng xấu, và độ rổng của đất càng thấp. Những điều kiện này thường được phản ảnh thông qua sự sinh trưởng của cây trồng bị giới hạn. 7
Dung trọng đất cao sẽ cản trở sự nẩy mầm của hạt và làm tăng sự trở ngại về mặt cơ học cho việc xuyên phá của rễ. Dung trọng cao làm giảm sự khuếch tán O 2 vào các tế khổng trong đất, và sự hô hấp của rễ có liên quan trực tiếp đến sự cung cấp liên tục và đầy đủ khí này. Trong điều kiện đồng ruộng, sự khuếch tán O2 vào đất được quyết định phần lớn bởi ẩm độ của đất, nếu dung trọng của đất không phải là yếu tố giới hạn. Trên 1 loại đất thoát thủy tốt cộng với cấu trúc tốt, thì hàm lượng O2 có thể không là yếu tố hạn chế sự sinh trưởng của cây ngoại trừ trong thời gian bị ngập nước, khi đó sự cung cấp O 2 có thể hạn chế sự hấp thu ion. Sự cung cấp O2 ở bề mặt hấp thu của rễ là 1 tiêu chuẩn đánh giá rễ cây có được cung cấp đủ oxygen hay không. Vì vậy, không chỉ là tổng lượng O2 của không khí trong đất mà tốc độ khuếch tán của O2 xuyên suốt phẫu diện đất để duy trì nồng độ đủ ở bề mặt rễ cũng rất quan trọng. Với tốc độ khuếch tán O2 thấp, thì khi tăng tốc độ khuếch tán lên 1 ít có tác động rất lớn đến sự sinh trưởng của bắp trên các loại đất có độ phì nhiêu trung bình và cao, hơn là đất có độ phì nhiêu thấp. Khi đất có độ phì nhiêu đầy đủ có thể giúp cho cây trồng tăng trưởng tốt trong điều kiện ẩm độ đất cao. 2.8 Phản ứng của đất Phản ứng của đất hay pH của đất có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng do pH ảnh hưởng đến khả năng hữu dụng của 1 số chất dinh dưỡng. Ví dụ, sự hữu dụng của P bị giảm trên đất chua chứa nhiếu Fe, Al. Sự hữu dụng của Mo giảm là hậu quả của sự giảm pH đất. Các loại đất khoáng chua thường hay có hàm lượng Al và Mn hoà tan cao, và khi hàm lượng các nguyên tố này đạt mức thừa sẽ gây độc cho cây. Khi bón các loại phân bón có chứa NH 4N và bón trên mặt đất có pH >7,0 thì có thể N sẽ bị mất do sự bay hơi. pH đất 7,0 sẽ làm gia tăng sự biến đổi phân P hoà tan trong nước thành các dạng có tính hữu dụng thấp hơn đối với cây trồng. Một số loại bệnh phát sinh từ đất cũng bị ảnh hưởng bởi pH đất. Bệnh nấm vảy (Scab) của khoai tây Irish, bệnh ghẻ của khoai lang, và thối rễ đen của thuốc lá phát triển trong điều kiện đất trung tính và kiềm. Tầm quan trọng của độ chua của đất đến sự sinh trưởng của cây trồng và sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng đối với cây trồng được trình bày chi tiết ở chương 4. Độ chua của đất là tính chất quan trọng nhất của đất đối với người trồng trọt và là 1 tính chất rất dễ thay đổi theo thời gian. 2.9 Các yếu tố sinh học Nhiều yếu tố sinh học có thể hạn chế sự sinh trưởng và làm giảm năng suất của cây trồng. Bón phân nhiều có thể làm tăng sự sinh trưởng dinh dưỡng nhưng đồng thời cũng tạo điều kiện thuận lợi cho 1 số bệnh phát triển. Sự mất cân đối dinh dưỡng cũng có thể là 1 lý do làm tăng tỉ lệ bệnh, sự cân bằng thích hợp các chất dinh dưỡng, đặc biệt là K kết hợp với N, làm giảm bệnh thối thân và tăng năng suất lúa. Một số sâu bệnh có thể gây ra những triệu chứng chúng ta có thể lầm lẫn với nhu cầu phân bón của cây trồng. Ví dụ, virus và tuyến trùng tấn công vào rễ 1 số cây trồng và làm giảm 1 lượng lớn chất dinh dưỡng. Sự tấn công của côn trùng cũng có thể làm hạn chế nghiêm trọng sự sinh trưởng của cây. Bón phân nhiều có thể kích thích 1 số côn trùng, như mọt đục quả bông vải, là do sự sinh trưởng dinh dưỡng của cây quá lớn. Để làm giảm ảnh hưởng của sâu bệnh đến năng suất cây trồng, nên thực hiện luân canh cây trồng hợp lý và áp dụng chiến lược quản lý dịch hại tổng hợp, sau đó là bón phân đầy đủ, nhưng không thừa, bón phân để giữ cho cây phát triển mạnh mẽ nhằm có thể chống chịu được tối đa với các nguồn sâu bệnh. 8
Cỏ dại cũng là yếu tố quyết định đến năng suất cây trồng, vì cỏ có thể cạnh tranh dinh dưỡng, nước, và trong rất nhiều trường hợp là ánh sáng. Ngoài những ảnh hưởng cạnh tranh này của cỏ dại, sự sinh trưởng của cây trồng cũng có thể bị giảm do sự cản trở về mặt sinh hoá hay allelopathy. Một số cỏ dại hình thành và giải phóng các chất có hại cho cây vào môi trường rễ. 9
2.10 Sự cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng khoáng Từ 5 – 10 % trọng lượng khô của cây là thành phần của các chất dinh dưỡng cần thiết của cây. Những vấn đề về sự cung cấp, sự hữu dụng, và sự hấp thu khác nhau của các nguyên tố này sẽ được thảo luận trong các chương tiếp theo. 2.11 Sự hiện diện của các chất hạn chế sự sinh trưởng Sự phát triển bình thường của cây có thể bị hạn chế hay bị ngưng hoàn toàn do các độc chất. Hầu hết các nguyên tố trong đất, ngay cả các chất cần thiết cho sự sinh trưởng của cây trồng, sẽ trở nên độc đối với cây khi chúng hiện diện ở nồng độ cao không bình thường trong vùng rễ. Người ta chưa hoàn toàn biết là tính độc của các nguyên tố này là do hậu quả trực tiếp của những hàm lượng cao hay là do các nguyên tố này khi có nồng độ cao làm cản trở sự hấp thu các chất dinh dưỡng có tính chất hoá học tương tự. Có thể là 1 trong các chất gây độc phổ biến nhất là hàm lượng Al hoà tan cao trong đất. Các nguyên tố khác có tiềm năng gây độc là Ni, Pb, Hg, Cd, Cr, Mn, Cu, Zn, Se, As, Mo, Cl, B, và F. May mắn là các vấn đề ngộ độc do các nguyên tố này trên đất nông nghiệp thì không thường xuyên xảy ra. Chúng có thể xảy ra ở những nơi có liên quan đến hay những nơi chứa chất thải, hầm mỏ, công nghiệp kim loại, các hệ thống rác thải sinh hoạt, và công nghiệp giấy và bột giấy. Các hợp chất hữu cơ như phenol, cresols, hydrocarbons, các biến dạng của ureas, và thuốc trừ sâu hydrocabon chlorine hoá, có thể gây độc nếu chúng hiện diện với nồng độ cao. Các hoá chất này thường không gây ra vấn đề gì nếu ở nồng độ thấp bởi vì một số vi sinh vật đất có khả năng phân giải chúng. 3 Sự sinh trưởng và các diễn tả sự sinh trưởng của cây trồng Sự sinh trưởng được định nghĩa là sự phát triển liên tục của 1 sinh vật, và có nhiều phương pháp diễn tả sự phát triển này. Sự sinh trưởng có thể được diễn tả bằng trọng lượng chất khô, chiều cao hay đường kính thân. Các nhà khoa học đã dùng rất nhiều mô hình toán học khác nhau để mô tả hay định nghĩa sự sinh trưởng của cây trồng. Những mô hình này có thể hữu ích trong dự đoán sự đáp ứng của cây trồng đối với các chất dinh dưỡng và các yếu tố sinh trưởng khác. Sự sinh trưởng có thể được diễn tả bằng trọng lượng khô hay chiều cao cây, có 1 quan hệ tương đối không đổi giữa sự sinh trưởng và thời gian. Có một kiểu mẫu chung đó là sự sinh trưởng gia tăng chậm trong thời gian đầu, nhưng sau đó tăng nhanh, và tiếp theo là 1 thời kỳ sự sinh trưởng chậm lại hay không tăng nữa. Vì vậy, tốc độ sinh trưởng của cây trồng thay đổi theo thời gian, và tốc độ sinh trưởng tối đa xảy ra ở 1 điểm trên đường cong nơi có độ dốc lớn nhất. Mặc dù dạng tổng quát của đường cong được quyết định bởi các yếu tố di truyền cho mỗi loài cây và các điều kiện môi trường, nhưng có nhiều yếu tố sinh trưởng có thể làm thay đổi dạng của đường cong sinh trưởng này. Mặc dù đường cong sinh trưởng rất hữu ích trong nghiên cứu kiểu mẫu tổng quát sự phát triển của cây trồng, nhưng chúng không chỉ thị điều gì cụ thể cả, về các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng như là sự cung cấp các chất dinh dưỡng, ánh sáng, CO2, và nước. Cây trồng là 1 sản phẩm của các yếu tố di truyền và môi trường. Kiểu di truyền là 1 đại lượng cố định cho 1 loài cây và quyết định tiềm năng sinh trưởng của cây trồng trong 1 môi trường nhất định. Sự sinh trưởng của cây trồng là 1 hàm số phụ thuộc vào nhiều yếu tố sinh trưởng khác nhau, hàm số của sự sinh trưởng này có thể được diễn tả như sau: G = f(x1, x2, x3,…, xn) (1) với G= đại lượng sự sinh trưởng và x1, x2, x3,…, xn là các yếu tố sinh trưởng khác nhau. 10
Nếu tất cả các yếu tố sinh trưởng đều đầy đủ, chỉ trừ 1 yếu tố bị thiếu, thì khi gia tăng về lượng của yếu tố giới hạn (thiếu) này thường sẽ làm tăng sự sinh trưởng của cây trồng. Mối quan hệ này được gọi là định luật tối thiểu của Liebig. Tuy nhiên, đây không phải là 1 tương quan tuyến tính đơn giản. Mặc dù có sự tương quan tuyến tính xảy ra trong những phần nhỏ của đường cong năng suất, mỗi sự gia tăng của 1 yếu tố sinh trưởng sẽ làm tăng liên tiến trong sự sinh trưởng Năm 1909, E.A. Mitscherlich, 1 người Đức, là 1 trong những người đầu tiên định lượng hoá sự tương quan giữa sự đáp ứng trong sinh trưởng của cây trồng với 1 trong các yếu tố sinh trưởng tác động vào. Ông ta phát biểu rằng “năng suất có thể được tăng do 1 yếu tố sinh trưởng đơn giản ngay cả khi yếu tố này không hiện diện ở mức độ tối thiểu trong 1 thời gian dài, yếu tố này không hiện diện trong mức độ tối hảo” và rằng “khi sự gia tăng năng suất của cây trồng là do sự gia tăng của 1 yếu tố sinh trưởng đơn giản thì mức độ gia tăng năng suất tỉ lệ với mức độ gia tăng yếu tố đơn này tác động vào. 3.1 Phương trình Mitscherlich. Phương trình sinh trưởng được định nghĩa trong phần trước là sự diễn tả tổng quát mối tương quan giữa tất cả các yếu tố có liên quan đến sự sinh trưởng. Mitscherlich đã đưa ra 1 phương trình mà sự sinh trưởng có tương quan đến sự cung cấp các chất dinh dưỡng. Ông ta đã nhận thấy rằng khi cây trồng được cung cấp tất cả các chất dinh dưỡng 1 cách đầy đủ, chỉ trừ 1 chất dinh dưỡng là không đầy đủ, thì sự sinh trưởng của cây trồng tỉ lệ với hàm lượng của chất này được cung cấp vào đất. Sự sinh trưởng của cây trồng càng tăng khi càng tăng chất dinh dưỡng này, nhưng sự gia tăng về mặt sinh trưởng càng nhỏ dần khi tiếp tục bón chất dinh dưỡng này. Mitscherlich đã diễn tả phương trình này như sau: dy/dx = (Ay)c (2) với dy là năng suất tăng do tăng dx yếu tố sinh trưởng x, A là năng suất tối đa có thể đạt được khi tất cả các yếu tố sinh trưởng được cung cấp với 1 lượng tối hảo, y là năng suất đạt được do cung cấp 1 lượng yếu tố sinh trưởng x, và c là hằng số tỉ lệ có thể xem như là 1 hệ số. Phương trình Mitscherlich có thể đơn giản thành: y = A(110cx) (3) Thật ra trong 2 phương trình này thì không có 1 phương trình nào đơn giản cả, nhưng ta có thể lấy tích phân phương trình (2) bằng cách dùng logarithm thập phân: log(Ay) = logA c(x) (4) Các ký hiệu được dùng trong phương trình này giống như trong phương trình (2). Nếu hàm này được vẽ lên đồ thị, thì đường cong thu được như hình 2.1 Năng suất tối đa 100 % 80 60 40 20 0 11
0 2 4 6 8 10 Số đơn vị yếu tố sinh trưởng, x Hình 2.1 Sự tương quan giữa % năng suất tối đa và sự gia tăng yếu tố sinh trưởng x. Tính toán giá trị của hằng số tỉ lệ c. Hằng số c trong phương trình 4 là 0,301 khi năng suất tương đối là 100 % và x là hàm lượng của 1 yếu tố sinh trưởng. Điều này cho thấy bởi phương trình (4): logA log(A y) = cx hay log A = cx Ay Khi tăng sự cung cấp chất dinh dưỡng x để đạt được 50 % năng suất tối đa, A = 100 = 2 Ay 50 Vì log 2 = c(1) nên c = 0,301 Giá trị c thay đổi tùy theo từng yếu tố sinh trưởng. Mitscherlich nhận thấy rằng giá trị của c = 0,122 đối với N, c = 0,60 đối với P, và c = 0,40 đối với K. Ông ta cho rằng c là 1 hằng số đối với từng chất dinh dưỡng, độc lập với cây trồng, đất, hay các điều kiện khác. Giá trị c trung bình trong các thí nghiệm ở Anh được thực hiện trước 1940 là 1,1 đối với N, 0,8 đối với P, và 0,8 đối với K. Trong nhiều nghiên cứu khác, người ta nhận thấy rằng c không phải là 1 hằng số mà thay đổi rất rộng tùy theo cây trồng khác nhau và trồng trong những điều kiện khác nhau. Ý nghĩa của c là khả năng năng suất tối đa có thể đạt được khi 1 hàm lượng tương đối thấp hay tương đối cao của 1 yếu tố sinh trưởng nhất định được cung cấp. Khi giá trị c nhỏ, thì cần phải cung cấp yếu tố sinh trưởng 1 lượng lớn và ngược lại. 3.2 Tính toán năng suất tương đối do sự gia tăng hàm lượng của 1 yếu tố sinh trưởng Nếu A là năng suất tối đa được cho là 100%, thì phương trình (4) đơn giản thành: log(100 y) = log100 – 0,301(x) (5) Người ta có thể xác định năng suất tương đối từ 1 số đơn vị x được cung cấp. Trong điều kiện không có 1 yếu tố sinh trưởng nào có sẵn, thì x = 0, do đó y = 0; nhưng giả sự rằng có 1 đơn vị x hiện diện. Thì: log(100 y) = log100 – 0,301(1) log(100 y) = 2 – 0,301 log(100 y) = 1,699 100 y = 50 y = 50 vậy khi thêm 1 đơn vị yếu tố sinh trưởng x vào thì năng suất sẽ đạt được 50 % năng suất tối đa. Tuy nhiên giả sử rằng có 2 đơn vị của yếu tố sinh trưởng x hiện diện. Trong trường hợp này thì: log(100 y) = log100 – 0,301(2) log(100 y) = 2,000 – 0,602 log(100 y) = 1,398 100 y = 25 12
y = 75 Ta có thể tính tương tự đến 10 đơn vị yếu tố sinh trưởng x. Kết quả được trình bày trong bảng 2.2. Ta dễ dàng nhận thấy rằng khi gia tăng 1 đơn vị yếu tố sinh trưởng thì năng suất tăng 50 % so với năng suất ngay trước đó với 1 đơn vị x ít hơn cho đến 1 điểm không còn sự gia tăng nữa. 13
Bảng 2.2 Ví dụ về lợi nhuận giảm dần khi tăng yếu tố x được trình bày trong phương trình Mitscherlich Số đơn vị của yếu tố Năng suất (%) Năng suất tăng (%) sinh trưởng, x 0 0 1 1 50 50 2 75 25 3 87,5 12,5 4 93,75 6,25 5 96,88 3,125 6 98,44 1,562 7 99,22 0,781 8 99,61 0,390 9 99,80 0,195 10 99,90 0,098 Sự sinh trưởng của cây trồng là 1 hàm logarith phụ thuộc vào hàm lượng của chất dinh dưỡng được bón vào và thường theo 1 kiểu mẫu là sự gia tăng giảm dần, như đã trình bày trong phương trình Mitscherlich. Sự sinh trưởng của cây hàng năm có khuynh hướng đạt tối đa theo sự gia tăng của chất dinh dưỡng được cung cấp trong 1 môi trường nhất định, và thường khi cây trồng hình thành 1 năng suất chất khô cao nhất thì trong mô của chúng lại có tỉ lệ N thấp nhất. Tuy nhiên, hiện nay người ta vẫn còn tiếp tục nghiên cứu để xác định 1 sự diễn tả đơn giản hơn có thể được để dự báo 1 cách rộng rải đại lượng sinh trưởng mà cây có thể hình thành do 1 sự cung cấp lượng chất dinh dưỡng nào đó khi các yếu tố sinh trưởng thuộc về di truyền và môi trường được mô tả 1 cách đầy đủ. 3.2 Thí nghiệm nhiều yếu tố và phương trình hồi qui Nhiều thí nghiệm về phân bón đã sử dụng kiểu thí nghiệm nhiều yếu tố. Trong những thí nghiệm như thế thì ảnh hưởng của 1 số mức độ phân bón khác nhau đến năng suất cây trồng được đánh giá cùng 1 lúc. Ví dụ, ảnh hưởng của các mức độ bón N và P đến năng suất cây trồng có thể nghiên cứu cùng 1 lúc trên 1 thí nghiệm. Nếu có 3 mức độ N và 3 mức độ P được thử nghiệm, thì thí nghiệm được gọi là kiểu thí nghiệm 3 2 factorial và cần 9 nghiệm thức để đánh giá ảnh hưởng đến năng suất của tất cả các tương tác của N và P. Một phương trình hồi qui được hình thành trong đó năng suất là 1 hàm số phụ thuộc vào phân bón. Khi khí hậu, đất, mật độ cây trồng, cách bón phân, và các yếu tố khác đồng nhất và không đổi, những nghiên cứu như thế giúp chúng ta dự đoán nhu cầu phân bón của cây, nhưng các phương trình được hình thành từ các thí nghiệm này thì không được áp dụng rộng rải. Các mô hình được hình thành từ các số liệu của những nghiên cứu này thường là kiểu mô hình theo định luật lợi nhuận giảm dần, tương tự như năng suất giảm dần trong phương trình Mitscherlich, và có thể được dùng để tính toán năng suất kinh tế tối đa hay lượng phân bón cần thiết để đạt lợi nhuận tối đa. Chúng ta cần lưu ý rằng các kỹ thuật tính toán trong phương trình hồi qui chỉ là sự xắp xếp các số liệu có sẵn trong 1 số điều kiện nhất định và có rất ít giá trị trong dự báo trong các điều kiện khác. Kỹ thuật hồi qui thường được dùng để đưa ra các khuyến cáo bón phân. 14
3.3 Sự tương tác của các chất dinh dưỡng Sự tương tác giữa các chất dinh dưỡng của cây trồng thường không được xem xét kỹ ngay cả khi chúng có thể có ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của cây trồng. Vai trò tương tác của các chất dinh dưỡng cây trồng chỉ được nghiên cứu một cách tốt nhất trong các thí nghiệm nhiều yếu tố trong đó mỗi chất dinh dưỡng được thử nghiệm ở 3 mức độ hay nhiều hơn. Hai hay 3 yếu tố sinh trưởng được cho là tương tác khi ảnh hưởng riêng biệt của chúng bị thay đổi do sự hiện diện của 1 hay 2 yếu tố kia. Sự tương tác xảy ra khi sự đáp ứng 2 hay nhiều yếu tố được cung cấp kết hợp với nhau thì không bằng với tổng của sự đáp ứng của từng yếu tố riêng lẻ. Có thể có tương tác thuận và tương tác nghịch trong các nghiên cứu về độ phì nhiêu của đất. Ngoài ra có những trường hợp không có sự tương tác, sự tác động của các yếu tố chỉ là những tác động hỗ trợ thêm. Trong tương tác nghịch, khi 2 chất dinh dưỡng được bón kết hợp với nhau sẽ làm cho năng suất giảm hay là tăng ít hơn khi ta bón chúng riêng lẻ từng loại phân. Kiểu tương tác này cũng có thể là kết quả của sự thay thế hay ngăn cản của 1 yếu tố này đối với yếu tố khác. Vôi x P, vôi x Mo, Mo x P, và Na x K là các tương tác nghịch phổ biến, dường như có liên quan đến các ảnh hưởng của sự thay thế giữa chúng với nhau. Sự thay đổi pH đất có thể gây ra rất nhiều tương tác nơi mà 1 ion này gây trở ngại hay cạnh tranh với 1 ion khác trong sự hấp thụ và sử dụng chất dinh dưỡng của cây trồng. Tương tác thuận tương ứng với định luật tối thiểu của Liebig. Nếu có 2 yếu tố bị giới hạn, hay gần bị giới hạn, thì khi cung cấp 1 yếu tố sẽ có ảnh hưởng rất ít đến sự sinh trưởng, ngược lại, khi cung cấp cả 2 yếu tố thì sẽ có ảnh hưởng rất lớn. Trong điều kiện thiếu hụt nghiêm trọng của 2 hay nhiều chất dinh dưỡng, thì tất cả các loại phân bón được cung cấp sẽ cho tương tác thuận rất mạnh. Sự gia tăng năng suất do bón 1 chất dinh dưỡng có thể làm giảm nồng độ của chất dinh dưỡng thứ hai trong cây, nhưng khi năng suất tăng cao hơn nữa thì sự hấp thu chất dinh dưỡng thứ hai sẽ lớn hơn. Đây là hiệu ứng pha loãng, hiệu ứng này có thể thấy rỏ trong ảnh hưởng đối kháng giữa các ion. Ngoài các tương tác giữa 2 hay nhiều chất dinh dưỡng, còn có nhiều kiểu tương tác khác; ví dụ, các chất dinh dưỡng và bệnh, các chất dinh dưỡng và kỹ thuật canh tác; chất dinh dưỡng và giống/loài; chất dinh dưỡng và ngày gieo trồng; chất dinh dưỡng và mật độ cây; và chất dinh dưỡng và các điều kiện môi trường…. 3.4 Khái niệm của Bray về tính di động của chất dinh dưỡng Bray và các cộng sự của ông ta đã cải tiến phương trình của Mitscherlich. Nói 1 cách tóm tắt là năng suất cây trồng tuân theo định luật Mitscherlich đối với các nguyên tố như P và K, là các nguyên tố tương đối không di động trong đất. Khái niệm này dựa trên cơ sở tính di động chất dinh dưỡng, khái niệm này được phát biểu như sau: khi sự di động của 1 chất dinh dưỡng trong đất giảm, thì hàm lượng của chất dinh dưỡng đó cần thiết trong đất để cho 1 năng suất tối đa (nhu cầu dinh dưỡng của đất) phải gia tăng từ 1 giá trị được xác định bởi lượng năng suất và thành phần % tối hảo của cây trồng, cho đến 1 giá trị không đổi. Giá trị của hằng số này độc lập với lượng năng suất cây trồng, phụ thuộc vào loại cây trồng, kiểu và tỉ lệ trồng , và độ phì nhiêu tồn tại không đổi, các điều kiện đất và thời tiết tương tự. Ngoài ra Bray cũng phát biểu rằng đối với 1 nguyên tố có tính di động cao như NO3N, thì áp dụng định luật tối thiểu của Liebig để diễn tả sự sinh trưởng của cây trồng là tốt nhất. Bray đã cải tiến phương trình Mitscherloch thành: log (A Y) = logA C1b Cx (6) 15
với A, Y, và x có nghĩa như phần trên; C1 là hằng số thể hiện tính hữu hiệu của b đối với năng suất trong đó b là hàm lượng chất dinh dưỡng ở dạng không di động, nhưng hữu dụng đối với cây trồng, như P hay K, có thể đo được bằng các phương pháp phân tích đất thích hợp; và C là hệ số của x, với x là dạng của chất dinh dưỡng b trong phân được bón vào. Bray đã chỉ ra rằng C1 và C là chuyên biệt và tương đối không đổi trên 1 vùng rộng, bất kể năng suất và mùa vụ cho những cây trồng sau: bắp, lúa mì và đậu nành. Tuy nhiên đối với các chất dinh dưỡng không di động, thì khi các yếu tố này thay đổi giá trị rất lớn trong các loại đất, mật độ cây trồng và kiểu trồng, và dạng và sự phân bố. Vì thế, khi các biện pháp kỹ thuật quản lý và phương pháp bón phân thay đổi để đạt năng suất cao, các giá trị này và phải được nghiên cứu lại. 3.5 Những giới hạn trong việc áp dụng các mô hình diễn tả sự sinh trưởng Rất nhiều phương trình hay hàm số dùng để mô tả mối quan hệ giữa sự sinh trưởng của cây trồng và các chất dinh dưỡng được bón vào. Steenbjerg và Jakobsen, người Đan mạch, trong nghiên cứu về sự biến động giữa các đường cong sinh trưởng, chỉ ra rằng “ các hằng số trong các công thức không phải là hằng số bởi vì các biến trong các công thức không phải là các biến độc lập”. Các tương tác của các chất dinh dưỡng rỏ ràng là có ảnh hưởng đến dạng của đường cong năng suất. Các tương tác bao gồm các tương tác của các yếu tố môi trường như đã thảo luận ở trên. Sự thay đổi về hình dạng và vị trí của đường cong quan hệ giữa năng suất và chất dinh dưỡng bón vào với sự thay đổi của các yếu tố môi trường là quan trọng nhất đối với các nhà nông học. Hiểu những tương tác giữa các yếu tố sinh trưởng ảnh hưởng đến cây trồng này là rất quan trọng để xác định các biện pháp kỹ thuật quản lý cây trồng và đất cần thiết để đạt được năng suất có lợi cao nhất trong sản xuất cây trồng. Thuật ngữ yếu tố sinh trưởng giới hạn thường được dùng trong môn học này, đã được trình bày rỏ ràng bằng sụ biến động tự nhiên của các đường cong. Ví dụ, nếu 1 cây trồng không đủ ẩm, khi bón 1 lượng phân bón thì sẽ cho 1 năng suất thấp hơn là trường hợp cây trồng đủ ẩm. Một ví dụ khác và là 1 ví dụ quan trọng, là bón phân cho cây trồng trên đất quá chua. Nếu không bón vôi thì độ chua là yếu tố giới hạn làm giảm cả năng suất và lợi nhuận của người nông dân. Nói lên tầm quan trọng đối với thực tế đồng ruộng của khái niệm kiểu sinh trưởng và nó có thể thay đổi như thế nào do các yếu tố giới hạn khác nhau có thể không phải là quá cường điệu. 4. Áp dụng mô hình hoá trong nghiên cứu độ phì nhiêu của đất Sự sử dụng máy tính trong nông nghiệp là rất quan trọng để phân tích các quyết định trong quản lý trước khi được áp dụng trên đồng ruộng. Các mô hình đã hình thành, cung cấp các thông tin về sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng trong nhiều tình huống khác nhau. Các biện pháp kỹ thuật như làm đất; ngày gieo trồng; liều lượng phân bón; thời gian bón; phương pháp bón; lịch tưới nước; và vv… có thể được tính toán bằng các mô hình trên máy tính, và đầu ra (năng suất) từ các hoàn cảnh khác nhau có thể được thử nghiệm trước, trước khi bắt đầu tiến hành gieo trồng trên đồng ruộng. Các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình để thử nghiệm các sự thay đổi khác nhau để giúp họ bảo đảm rằng trong giới hạn của các nghiệm thức xử lý có đủ để thử giả thuyết hay không. Nông dân sẽ áp dụng các biện pháp đã được thử nghiệm này để giúp họ giảm bớt nguy cơ rủi ro và đạt lợi nhuận cao. Mô hình thật ra chỉ là 1 tình huống được tính toán trước điều mà chúng ta biết về những sự thay đổi đã nghiên cứu. Khi 1 mô hình được dùng để dự báo, hay mô phỏng, thì khả năng hiện thực của nó chỉ tốt khi các dữ liệu được sử dụng có mức độ tin cậy cao. Các thông tin càng chính xác và càng phức tạp, thì mô phỏng càng hiện thực. Trong tiến trình chạy mô hình, các nhà 16
nghiên cứu hay nông dân có thể khám phá những điểm yếu trong mô hình hay trong dữ liệu và có thể tránh những lỗi lầm đắt giá trước khi áp dụng trên đồng ruộng. Một kỹ thuật mới đi trước 1 bước với máy tính, cho phép máy tính vẽ ra những kết luận và giải đoán. Các hệ thống chuyên gia (expert systems), 1 dạng của sự thông minh nhân tạo, đưa ra các sự kiện, dữ kiện, mô hình, và các ý tưởng của nhiều chuyên gia trên các lãnh vực khác nhau quan tâm đến các mối quan hệ đang được nghiên cứu. Hệ thống chuyên gia lấy các thông tin và phát triển thành 1 bộ các qui luật và xác định xác suất sẽ xảy ra, với nhiều tình huống khác nhau. Trong khi các hệ thống chuyên gia là tương đối mới trong nông nghiệp, nhưng chúng đã được sử dụng trong y học và trong cơ khí nhiều năm qua. Một lần nữa cần nhấn mạnh là, mô hình hoá trong nghiên cứu độ phì nhiêu của đất bị hạn chế do nguyên nhân chính là tính chính xác và phức tạp của các dữ liệu, thông tin do chúng ta thu thập và đưa vào máy tính. Mô hình là kỹ thuật cần phải được thử nghiệm nhiều hơn nữa để có thể được chấp nhận 1 cách rộng rãi. Nhưng có rất nhiều thành công, và mô hình là 1 dụng cụ quan trọng cho sự phát triển các kỹ thuật quản lý cây trồng. Máy tính thực hiện chi tiết các phân tích những sự thay đổi 1 cách kỹ lưỡng. Chúng là những dụng cụ quản lý quan trọng đối với nhà nghiên cứu và nông dân, nhưng không bao giờ thay thế được những tiến trình suy nghĩ của cá nhân, mà chỉ bổ sung vào nó nhiều suy nghĩ có thể được xem là hình thành nên những quyết định. 17
BÀI 2 CÁC NGUYÊN TỐ DINH DƯỠNG CẦN THIẾT CHO CÂY TRỒNG 1 Sự cần thiết của các nguyên tố trong dinh dưỡng cây trồng Một nguyên tố khoáng được xem là cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng khi nguyên tố đó liên quan đến các chức năng trao đổi chất trong cây trồng, và cây trồng không thể hoàn tất chu kỳ sống nếu thiếu hụt một chất dinh dưỡng nào đó, và sự thiếu hụt này có thể điều chỉnh hay ngăn chặn bằng cách cung cấp chất dinh dưỡng đó cho cây. Ngoài yếu tố dinh dưỡng các triệu chứng thiếu dinh dưỡng có thể còn do nhiều yếu tố khác gây ra, vì vậy trong công việc chuẩn đoán cần lưu ý tất cả các hiện tượng thiếu dinh dưỡng của cây trồng. Các thuật ngữ sau đây được sử dụng phổ biến để diễn tả các mức độ chất dinh dưỡng trong cây trồng. Hình 2.2 Mối quan hệ giữa hàm lượng của các nguyên tố tối cần thiết đối với sự phát triển hay năng suất của cây Thiếu dinh dưỡng: khi nồng độ của một nguyên tố trong cây thấp, làm giảm năng suất nghiêm trọng và các triệu chứng này biểu hiện ra ngoài một cách rõ ràng. Sự thiếu hụt nghiêm trọng có thể làm cây bị chết. Nhưng với mức độ thiếu hụt trung bình hay nhẹ, các triệu chứng có thể không biểu hiện ra ngoài nhưng năng suất bị giảm. Nồng độ tới hạn (nồng độ ngưỡng): khi nồng độ chất dinh dưỡng trong cây thấp hơn mức độ này, nếu được bón phân sẽ làm tăng năng suất. mức độ tới hạn khác nhau giữa các loại cây trồng và giữa các chất dinh dưỡng nhưng mức độ tới hạn này đều nằm trong khoảng trung gian giữa mức độ thiếu và đủ của chất dinh dưỡng đó. Đầy đủ dinh dưỡng: là mức độ chất dinh dưỡng trong cây thỏa mãn nhu cầu dinh dưỡng của cây, với mức độ này, nếu bón thêm phân vào sẽ không làm tăng thêm năng suất nhưng có thể làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng đó trong cây. Thuật ngữ tiêu thụ xa xỉ thường được dùng để miêu tả sự hấp thu dinh dưỡng của cây trồng nhưng sự hấp thu này không ảnh hưởng đến năng suất. Mức độ thừa hay gây độc: là nồng độ các nguyên tố cần thiết hay bất cứ một nguyên tố nào đó cao đủ để làm giảm sự sinh trưởng và năng suất của cây trồng. Nồng độ dinh dưỡng thừa có thể gây ra sự mất cân bằng giữa các chất dinh dưỡng cần thiết khác, sự mất cân bằng này có thể gây giảm năng suất. 18
Năng suất bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi bị thiếu chất dinh dưỡng và khi điều chỉnh sự thiếu hụt chất dinh dưỡng này sự sinh trưởng của cây trồng tăng nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng nồng độ chất dinh dưỡng trong cây. Trong trường hợp bị thiếu nghiêm trọng, nếu được bón phân thì năng suất có thể tăng nhanh, nhưng nồng độ chất dinh dưỡng đó trong cây có thể bị giảm. Hiện tượng này được gọi là “ hiệu ứng Steenberg” và là hậu quả của sự pha loãng nồng độ chất dinh dưỡng trong cây do sự sinh trưởng của cây trồng quá nhanh so với hàm lượng chất dinh dưỡng cây hấp thu. Khi nồng độ đạt đến mức độ tới hạn, năng suất cây trồng thường đạt tối đa. Nồng độ chất dinh dưỡng đủ thỏa mãn nhu cầu của cây thường nằm một khoảng biên độ rộng, nếu nồng độ dinh dưỡng nằm trong khoảng này sẽ không ảnh hưởng đến năng suất. Nhưng khi nồng độ tăng cao hơn mức độ tới hạn, cây trồng sẽ cho thấy có sự hấp thu xa xỉ các chất dinh dưỡng (trên mức cần thiết để đạt năng suất tối đa). Sự tiêu thụ xa xỉ này rất phổ biến trong hầu hết các loại cây trồng. Các nguyên tố được hấp thu với một lượng thừa có thể làm giảm năng suất trực tiếp do sự gây độc, hay gián tiếp do làm giảm nồng độ đến dưới mức độ tới hạn của các chất dinh dưỡng khác. 2 Các nguyên tố hóa học cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của cây trồng Có 16 nguyên tố hóa học được cho là cần thiết cho sự sinh trưởng của cây trồng, nồng độ tương đối của các nguyên tố này trong cây được liệt kê trong bảng 2.3. Carbon (C), hydrogen (H), và oxygen (O) chiếm một hàm lượng rất lớn trong cây. Tiến trình quang hợp trong lá sẽ biến đổi CO2 và H2O thành các carbohydrates, từ đó các amino acids, đường, proteins, nucleic acid, và các hợp chất hữu cơ khác được tổng hợp. Các nguyên tố C, H và O không được xem là các chất dinh dưỡng khoáng. Sự cung cấp CO2 cho cây trồng tương đối ổn định, sự cung cấp nước ít khi làm hạn chế trực tiếp sự quang hợp nhưng có thể sự quang hợp bị hạn chế gián tiếp thông qua các ảnh hưởng khác do sự thiếu hụt trong độ ẩm đất. Mười ba nguyên tố còn lại được phân loại thành các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, dinh dưỡng trung lượng và các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng, sự phân loại này có tính tương đối và dựa trên hàm lượng tương đối của chúng trong cây (bảng 2.3). Các nguyên tố đa lượng bao gồm đạm (N), lân (P). kali (K), các nguyên tố trung lượng gồm lưu huỳnh (S), calcium (Ca) và magnesium (Mg). So với các nguyên tố đa lượng và trung lượng nồng độ của các nguyên tố vi lượng sắt (Fe), kẽm (Zn), manganese (Mn), đồng (Cu), boron (B), chlorine (Cl) và molybdenum (Mo) trong cây rất nhỏ, năm nguyên tố khác được xếp vào các nguyên tố có ích sodium (Na), cobalt (Co), vanadium (Va), nickel (Ni) và silaicon (Si) các nguyên tố này chỉ có ích cho một số cây trồng nhất định. Các nguyên tố vi lượng được xem là nguyên tố thứ yếu, nhưng điều này không có nghĩa là chúng kém quan trọng hơn là nguyên tố đa lượng và trung lượng. Sự thiếu hụt hay ngộ độc của các nguyên tố vi lượng có thể làm giảm năng suất cây trồng tương tự như sự thiếu hụt hay ngộ độc các nguyên tố đa, trung lượng. 19
Bảng 2.3 Một số chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng Nguyên tố Ký hiệu Dạng hữu Trọng Hàm lượng trong chất hóa học dụng lượng khô nguyên tử pp m % Oxygen O O2, H2O 16,00 450.000 45 Carbon C CO2 12,01 450.000 45 Hydrogen H H2O 1,01 60.000 6 Nitrogen N NO3 ,NH4 - + 14,01 15.000 1,5 Potassium K K+ 39,10 10.000 1,0 Phosphorus P H2PO4 , - 30,98 2.000 0,2 HPO42- Calcium Ca Ca2+ 40,08 5.000 0,5 Magnesium Mg Mg2+ 24,32 2.000 0,2 Sulfur S SO4 2- 32,07 1.000 0,1 Chlorine Cl Cl- 35,46 100 0,01 Copper Cu Cu ,Cu + 2+ 63,54 6 0,0006 Iron Fe Fe3+, Fe2+ 55,85 100 0,01 Zinc Zn Zn2+ 65,38 20 0,002 Boron B BO3 , 2- 10,82 20 0,002 B4O72- Molybdenu Mo MoO42- 95,95 0,1 0,00001 m Manganese Mn Mn2+ 54,94 50 0,005 (Nguồn M. Schwarz trong Soilless Cultural Management ) Mặc dù aluminum (Al) không phải là nguyên tố cần thiết trong dinh dưỡng cây trồng, nhưng nồng độ nhôm trong cây có thể cao khi đất chứa một lượng lớn Al trong dung dịch. Thật ra cây hấp thu nhiều nguyên tố không cần thiết cho sự sinh trưởng của cây và có trên 90 nguyên tố được tìm thấy trong cây trồng. Khi thực vật bị đốt, phần tro còn lại chứa tất cả các nguyên tố cần thiết và không cần thiết, ngoại trừ C, H, O, N và S bị mất ở dạng khí. Hàm lượng của các nguyên tố khoáng trong cây chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, và hàm lượng của chúng khác nhau rất đáng kể trong các loại cây khác nhau. Các số liệu phân tích nồng độ chất dinh dưỡng trong cây rất có giá trị cho các chương trình quản lý phân bón và có thể dùng để giúp khuyến cáo cho việc bón phân. Bởi vì có nhiều phản ứng sinh học và hóa học xảy ra trong phân bón và trong đất, nên hàm lượng chất dinh dưỡng hấp thu bởi cây trồng thường không tương ứng với hàm lượng phân bón được bón vào. Sự quản lý phân bón thích hợp có thể làm tăng tối đa tỉ lệ chất dinh dưỡng trong phân được hấp thu bởi cây trồng (tăng hiệu quả bón phân). Cây trồng hấp thu chất dinh dưỡng từ đất để sinh trưởng và phát triển, sau khi hoàn thành chu kỳ sống của chúng khi chết đi các chất dinh dưỡng dư thừa trong cây trồng sẽ được trả lại cho đất. Các chất dinh dưỡng này trải qua các phản ứng sinh học và hóa học tương tự như là các chất dinh dưỡng trong phân bón. Mặc dù chu kỳ này có thể khác nhau giữa các chất dinh dưỡng, nhưng việc nghiên cứu các động thái dinh dưỡng trong hệ thống đất – cây trồng – khí quyển là rất cần thiết để quản lý chế độ phân bón hợp lý. 20