Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 5: Các nguyên tố dinh dưỡng và phân bón đa lượng

Chia sẻ: Vi Đinh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

145
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 5: Các nguyên tố dinh dưỡng và phân bón đa lượng với kết cấu gồm 3 phần giới thiệu những nội dung về đạm trong đất và các loại phân bón có chứa đạm, lân và phân lân, kali và phân kali.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phân bón và độ phì - Chương 5: Các nguyên tố dinh dưỡng và phân bón đa lượng

CHƯƠNG 5 CÁC NGUYÊN TỐ DINH DƯỠNG VÀ PHÂN BÓN ĐA LƯỢNG BÀI 1: ĐẠM TRONG ĐẤT VÀ CÁC LOẠI PHÂN BÓN CÓ CHỨA ĐẠM I Đạm Trong Tự Nhiên 1 Chu kỳ chất đạm trong tự nhiên Đạm là chất dinh dưỡng rất quan trọng và thường bị thiếu hụt trong sản xuất cây trồng, vì vậy hầu hết các hệ thống cây trồng trừ cây họ đậu đều phải được bón phân đạm. Nghiên cứu về trạng thái và tính chất của đạm trong đất là việc rất cần thiết để nâng cao năng suất trong sản xuất nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu tác động xấu của phân đạm đến môi trường. Hiện nay, có rất nhiều nguồn phân bón được dùng để cung cấp đạm cho cây trồng. Ngoài phân đạm vô cơ được sản xuất từ các nhà máy công nghiệp, phân đạm hữu cơ từ các loại phân gia súc và chất thải khác và từ sự cố định đạm bởi các cây họ đậu đều có thể cung cấp đạm cho cây trồng. Nguồn nguyên liệu N chủ yếu được dùng để sản xuất phân bón đạm là khí N 2 trong khí quyển, khí này chiếm 75 % thể tích khí quyển, và đạm hữu cơ trong các loại phân hữu cơ. Thực vật bậc cao không thể đồng hóa N2 thành protein trực tiếp được, đạm dạng khí phải được biến đổi thành các dạng khác hữu dụng cho cây trồng. Sự chuyển hóa đạm từ dạng khí sang dạng đạm hữu dụng cho thực vật có thể thực hiện bằng một trong những con đường sau: Cố định bởi các vi sinh vật cộng sinh trên rễ các cây họ đậu và trên một số thực vật khác. Cố định bởi các vi sinh vật sống tự do hay không cộng sinh. Cố định đạm dạng khí thành các oxide bởi sự phóng điện trong không khí. Cố định đạm N2 thành NH3, NO3, hay CN22 bởi công nghiệp sản xuất phân đạm tổng hợp. Hình 5.1 Chu kỳ đạm trong tự nhiên Sự luân chuyển đạm trong khí quyển là một sự cân bằng động, trong đó những dạng đạm khác nhau được cố định trong đất. Cùng lúc với quá trình cố định đạm N 2 cũng sẽ có rất nhiều tiến trình hóa học và sinh học giải phóng đạm trở lại khí quyển. Chu kỳ của đạm trong hệ thống đất cây trồng khí quyển liên quan đến rất nhiều quá trình chuyển hóa của các dạng đạm vô cơ và hữu cơ. Trong chu kỳ đạm ta cần phải hiểu rõ hai phần quan trọng là đầu vào và đầu ra của đạm, hay sự thu nhập và mất đi của đạm trong đất. Ngoại trừ phân đạm công nghiệp, tất cả sự chuyển hóa này đều xảy ra trong tự nhiên, con người cũng có tác động rất lớn đến quá trình chuyển hóa này thông qua các hoạt động quản lý đất và cây trồng. Mục đích phần này là nêu lên 1
chu kỳ hóa học và sinh vật học của đạm trong tự nhiên; chủ yếu là trong đất và các tác động hay quản lý của con người nhằm đạt năng suất cây trồng một cách tối hảo và hạn chế tối đa tác hại của phân đạm đối với môi trường. 2 Quá trình cố định trong tự nhiên 2.1 Sự cố định đạm bởi vi khuẩn cộng sinh Trong lịch sử nông nghiệp, các cây họ đậu và phân súc vật là nguồn cung cấp đạm chính cho cây trồng. Từ những năm 1940, giá trị của các chất hữu cơ này bị giảm dần do gia tăng sản xuất và sử dụng đạm tổng hợp có giá thành rẻ và có phản ứng nhanh với cây trồng. Tuy nhiên đạm hữu cơ vẫn còn là nguồn đạm quan trọng ở nhiều nước. 2.1.1 Lượng đạm được cố định do sự cộng sinh Người ta ước đoán, hàng năm trên địa cầu tổng lượng đạm N2 được cố định sinh học 100 – 175.106 tấn, trong đó khoảng 90.106 tấn được cố định bởi vi khuẩn Rhizobia. Sự sử dụng phân bón đạm tổng hợp trên thế giới là 77,1.106 tấn trong năm 1977. Lượng đạm N được cố định bởi các cây họ đậu có nốt sần chiếm khoảng 75% tổng lượng đạm sử dụng bởi cây trồng. 2.1.2 Các sinh vật có liên quan đến sự cố định đạm Lượng đạm cố định được bởi các cây họ đậu khác nhau. Sự cố định đạm bởi phần lớn các cây họ đậu đa niên biến động từ 100 – 200 kg/ ha/năm, nhưng trong những điều kiện tối hảo, lượng đạm cố định có thể đạt gấp 2 – 3 lần giá trị này. Các cây họ đậu ngắn ngày có thể cố định được 10 – 20 kg/ha/năm. Hình 5.2 Vi khuẩn Rhizobium Có rất nhiều chủng Rhizobium hiện diện trong đất, mỗi chủng yêu cầu cây chủ riêng biệt. Ví dụ, vi khuẩn cộng sinh với cây đậu nành sẽ không cố định N với cỏ alfalfa. Hạt giống của cây họ đậu được khuyến cáo nên chủng với các vi khuẩn thích hợp trước khi gieo cho các vùng lần đầu tiên trồng các loại cây họ đậu mới. Ví dụ, sự cố định đạm của cỏ alfalfa tăng 40% khi chủng vi khuẩn và các dòng alfalfa thích hợp. Sự hiện diện của các nốt sần trên rễ cây họ đậu không phải luôn luôn hữu hiệu. Các nốt sần trưởng thành hữu hiệu của alfalfa thường to, có màu hồng hay đỏ ở trung tâm nốt sần. Màu đỏ là do đặc tính của chất leghemoblobin và màu này chứng tỏ những tế bào nốt sần này có chứa rhizobia và đang hoạt động cố định N2. Những nốt sần vô hiệu thường nhỏ (đường kính
Năng suất của các cây trồng khác thường tăng khi chúng được trồng ngay sau vụ trồng các cây họ đậu. Một số nguyên nhân là do có liên quan đến lượng đạm hữu dụng của đất được cải thiện, mặc dù cũng có những ảnh hưởng do luân canh có thể làm tăng năng suất. Có rất nhiều nghiên cứu đồng ruộng đã được thiết lập để đánh giá sự hữu dụng của đạm trong cây họ đậu đến các cây trồng khác trong vụ sau. Thông thường, khi trồng bắp sau vụ đậu nành thì nhu cầu đạm cho năng suất tối hảo thường thấp hơn nhu cầu đạm khi trồng hai vụ bắp liên tục. Sự khác nhau này có sự đóng góp của đạm hữu dụng từ cây trồng họ đậu như bắp trồng sau đậu nành. Các kết quả này minh chứng mạnh mẽ rằng lợi ích của sự luân canh cây họ đậu và một số lợi ích khác là do mức độ hữu dụng của đạm trong đất tăng lên. Lượng đạm hữu dụng do cố định sinh học trong hệ thống phụ thuộc vào các yếu tố sau: Lượng đạm được cố định. Lượng và loại dư thừa của cây họ đậu được vùi trong đất. Lượng đạm hữu dụng trong đất đối với cây họ đậu. Sự quản lý khi thu hoạch. Sử dụng đạm trong cây phân xanh của cây trồng vụ sau cũng biến đổi rất cao. Mức độ hữu dụng của đạm trong dư thừa cây họ đậu đối với cây trồng vụ sau biến thiên từ 20 – 50 %. Sự hữu dụng của đạm trong cây họ đậu đến các cây trồng xen chưa được nghiên cứu nhiều, một lượng nhỏ các amino acid và các hợp chất đạm hữu cơ khác có thể được tiết ra từ rễ cây họ đậu. Sự phân giải sinh học của rễ chết và nốt sần cũng đóng góp một phần đạm cho cây trồng được trồng cùng với cây họ đậu. Trong một số điều kiện, lượng đạm được cố định và sự hữu dụng của đạm của cây họ đậu thường không đủ cho nhu cầu của cây trồng sau đó, nên cần thiết phải bón thêm phân đạm cho cả hai loại cây trồng, cây họ đậu và cây trồng khác đạt năng suất tối hảo. Để sử dụng đạm trong cây họ đậu của các cây trồng khác, sự khoáng hóa đạm của cây họ đậu yêu cầu xảy ra cùng lúc với thời gian cây trồng sử dụng đạm. Sự khoáng hóa đạm trong cây họ đậu bởi các vi sinh vật đất được kiểm soát bởi khí hậu, sự khoáng hóa này tăng khi nhiệt độ và độ ẩm thích hợp. Nhưng thời kỳ hấp thu đạm của các cây trồng có thể khác nhau, phụ thuộc vào loại cây trồng. Vì vậy, để các cây trồng khác sử dụng tối đa đạm của cây họ đậu, sự hấp thu phải đồng thời với sự khoáng hóa đạm. Do đó, để quản lý đạm của cây họ đậu hiệu quả cần phải chọn cây trồng thích hợp trong hệ thống luân canh. 2.1.4 Bón phân đạm cho cây họ đậu Sự cố định đạm tối đa chỉ xảy ra khi đạm hữu dụng trong đất ở mức tối thiểu. Sự hoạt động của Rhizobium giảm khi cây họ đậu được bón phân vô cơ. Tuy nhiên, đôi khi người ta khuyến cáo bón lót ruộng một lượng đạm nhỏ để đảm bảo cho cây con của cây họ đậu đủ đạm cho đến khi Rhizobia cộng sinh trong rễ. Bón phân đạm cũng có lợi cho cây họ đậu khi sự hoạt động của Rhizobia bị hạn chế do những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như lạnh, ẩm ướt. Trong điều kiện này sự cố định đạm của các cây thường thấp và nên bón phân đạm cho cây. 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố định đạm của vi khuẩn cộng sinh Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến lượng đạm cố định bởi Rhizobia là pH đất, dinh dưỡng khoáng trong đất, hoạt động quang hợp, khí hậu, và sự quản lý cây họ đậu. Bất cứ sự khủng hoảng nào trong cây họ đậu gây ra bởi các yếu tố này cũng có thể làm giảm nghiêm trọng năng suất của cây họ đậu và mức độ hữu dụng của đạm đối với cây trồng sau. pH đất, độ chua của đất là yếu tố chính hạn chế sự tồn tại và sinh trưởng của Rhizobia trong đất và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự hình thành nốt sần và tiến trình cố định đạm. Rhizobia và rễ của cây họ đậu có thể bị tổn thương bởi độ chua do liên quan đến độ độc Al3+, Mn2+, và H+ trong đất, cũng như mức độ hữu dụng của Ca 2+, H2PO4 thấp. Sự mẫn cảm của các loài Rhizobia đến độ chua của đất khác nhau rất đáng kể. pH
của alfalfa, trong khi đó pH khoảng 5,0 – 7 chỉ có ảnh hưởng rất ít đến R. trifoli và cây họ đậu chủ yếu là cỏ ba lá. Bón vôi cho đất chua là một biện pháp cải thiện pH cho các cây họ đậu cộng sinh với Rhizobium. Đối với những nơi không có nguồn vôi có thể thay đổi phương pháp trồng cây họ đậu, bằng cách chủng các vi khuẩn vào trong hạt hay sử dụng các chủng thích ứng với đất chua. Tình trạng dinh dưỡng khoáng trong các loại đất, các loại đất chua thiếu Ca2+, H2PO4 có thể hạn chế sự sinh trưởng của Rhizobia; nhưng sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng khoáng khác ít khi làm giảm sự cố định đạm. Sự cố định đạm trong nốt sần cây yêu cầu nhiều Mo hơn cây chủ, vì vậy Mo là yếu tố vi lượng rất quan trọng đối với các cây cố định đạm. Sự bắt đầu hình thành và phát triển của nốt sần có thể bị ảnh hưởng do thiếu các nguyên tố Co, B, Fe và Cu. Sự khác nhau trong mẫn cảm của các chủng Rhizobium đến sự thiếu các chất dinh dưỡng. Nồng độ NO3 cao trong đất có thể làm giảm sự hoạt động của enzym nitrogenase và vì vậy làm giảm sự cố định đạm. Các nốt sần bị mất màu hồng khi trong đất có hàm lượng NO3 cao. Ngoài ra sự giảm cố định đạm cũng có liên quan đến sự cạnh tranh trong sử dụng các sản phẩm quang hợp giữa quá trình khử NO3 và các phản ứng cố định đạm. Quang hợp và khí hậu, tốc độ hình thành các sản phẩm quang hợp có liên quan mạnh mẽ đến sự gia tăng cố định đạm bởi vi khuẩn Rhizobia. Những yếu tố làm giảm tốc độ quang hợp cũng đồng thời làm giảm sự cố định đạm. Các yếu tố này bao gồm cường độ ánh sáng giảm, thiếu nước và nhiệt độ thấp. Phương pháp quản lý cây họ đậu, thông thường bất cứ biện pháp kỹ thuật nào làm giảm năng suất của cây họ đậu sẽ làm giảm lượng đạm được cố định bởi cây họ đậu. Những biện pháp kỹ thuật này bao gồm việc quản lý nước và chất dinh dưỡng, cỏ dại côn trùng, bệnh và thu hoạch. Kỹ thuật thu hoạch thường khác nhau rất nhiều giữa các khu vực, chu kỳ thu hoạch quá ngắn, quá sớm hoặc quá trễ đều có thể làm giảm năng suất của cây họ đậu và lượng đạm cố định. 2.3 Sự cố định đạm bởi các cây gỗ và cây bụi thuộc họ đậu Sự cố định đạm bởi các cây gỗ và cây bụi thuộc cây họ đậu rất quan trọng trong hệ sinh thái rừng nhiệt đới và á nhiệt đới, và cho các hệ thống nông lâm kết hợp trong các quốc gia đang phát triển. Nhiều cây họ đậu cố định được lượng đạm đáng kể. Ví dụ, Mimosa, Acaica, bồ kết đen, và ba loài cây họ đậu lấy gỗ là Gliricidia sepium, Leucaena leucocephala, Sesbania biosbinosa đã được dùng làm cây phân xanh trên những hệ thống cây trồng với lúa là cây trồng chính. Sự cố định đạm của các thực vật khác. Một số cây khác được phân bố rộng rãi cũng có khả năng cố định đạm bởi cơ chế tương tự như cây họ đậu và Rhizobia cộng sinh. Một số họ thực vật sau đây có mang nốt sần trên rễ và cố định được đạm. Betulaceae, Elaegnaceae, Myricaceae, Coriariaceae, Rhamnaceae và Casurinaceae. Phi lao và Ceanothus là hai loài được tìm thấy phổ biến trong các vùng rừng ở Tây Bắc Thái Bình Dương, có thể đóng góp một phần đạm đáng kể vào hệ sinh thái ở đây. Frankia, một loại xạ khuẩn và vi sinh vật tham gia trong quá trình cố định đạm bởi các cây lấy gỗ không thuộc họ đậu này. 2.4 Sự cố định đạm bởi các vi sinh vật không cộng sinh trong đất Sự cố định đạm trong đất cũng có thể được tiến hành bởi một số chủng vi khuẩn sống tự do và các loại tảo lục lam. 2.4.1 Tảo 4
Hình 5.3 Tảo lam và bèo hoa dâu Các loại tảo lục lam là những sinh vật hoàn toàn tự dưỡng có nhu cầu ánh sáng, nước, N2, CO2, và các nguyên tố khoáng cần thiết khác. Số lượng các loài này trong đất ngập nước cao hơn nhiều so với các vùng đất khô. Vì cần ánh sáng, cho nên chúng chỉ góp một phần nhỏ đạm cho đất cây trồng cạn sau khi cây trồng đã giao tán. Trong sa mạc hay các vùng bán khô hạn, tảo lục lam hay rong rêu chứa tảo sẽ bắt đầu hoạt động sau vài cơn mưa và cố định lượng đạm đáng kể trong thời gian hoạt động rất ngắn của chúng. Sự cố định đạm của tảo lục lam rất có ý nghĩa về mặt kinh tế trong các vùng khí hậu nóng, đặc biệt trên các vùng đất nhiệt đới, đạm trở nên hữu dụng cho các sinh vật khác bởi tảo lục lam có thể khá quan trọng trong các giai đoạn đầu của sự hình thành đất. Có một quan hệ cộng sinh đáng chú ý giữa Anabaena azola (một loại tảo lục lam) và Azolla (bèo hoa dâu) trong sông hồ nhiệt đới và ôn đới. Tảo lục lam định vị trong khoang lá của bèo hoa dâu nên được bảo vệ chống lại các điều kiện bên ngoài và có khả năng cung cấp tất cả đạm cần thiết cho cây chủ. Một đặc điểm quan trọng của tổ hợp này là bèo hoa dâu có bề mặt thu nhận ánh sáng rất lớn, đây là một đặc điểm giới hạn khả năng cố định đạm của tảo lam sống tự do. Vi sinh vật Beijerinckia, hiện diện trong hầu hết các vùng nhiệt đới, sống trên bề mặt lá của nhiều loại cây nhiệt đới và cố định đạm trên những lá này thay vì hoạt động trong đất. Ở khu vực Đông Nam Á, Azolla được sử dụng làm phân xanh hàng thế kỷ nay trên các vùng canh tác lúa nước, cũng như làm thức ăn cho gia súc, hay làm các loại phân bón hỗn hợp bón cho các loại cây trồng khác, và cũng được sử dụng như là một biện pháp diệt cỏ dại. Khi sử dụng làm phân xanh bèo hoa dâu cung cấp 50 – 60 kg N/ hecta làm tăng năng suất lúa đáng kể so với ruộng lúa không bón phân. 2.4.2 Vi khuẩn liên kết cố định đạm Một số vi khuẩn cố định đạm có thể sinh trưởng trên bề mặt rễ và trong một số trường hợp có thể sinh trưởng ngay trong mô rễ của bắp, cỏ, kê, lúa, cao lương, lúa mì và rất nhiều loại thực vật bậc cao khác. Azospirillum brasilense là loại vi khuẩn cố định đạm được xác định. Tiêm chủng Azospirillum brasilense cho cây ngũ cốc cải thiện được sự sinh trưởng và dinh dưỡng đạm, mặc dù phản ứng của sự chủng này biến động rất cao. Một số yếu tố có thể làm gia tăng sự hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng là khả năng thấm của rễ được thay đổi những hoạt động của hormon và tăng cường sự khử NO3 trong rễ. Đối với chủng Azotobacter và Clostridium có thể cung cấp tối đa 5 kg N/ hecta; vì vậy những sinh vật không cộng sinh này có giá trị rất thấp đối với sự hữu dụng của đạm trong nền nông nghiệp thâm canh. 2.5 Sự bổ sung đạm trực tiếp từ khí quyển vào đất Các hợp chất đạm trong khí quyển được trả lại cho đất theo mưa, dưới các dạng NH 3, NO3 , NO2, N2O; và đạm hữu cơ, đạm dạng ammonia chiếm một lượng lớn ở các khu công 5
nghiệp, nơi NH3 được sử dụng hay sản xuất. Ammonia cũng có thể thoát ra từ bề mặt đất do kết quả của các phản ứng hóa học trong đất. Đạm hữc cơ tích lũy dưới dạng những dư thừa hữu cơ bị phân giải và thoát vào khí quyển từ bề mặt trái đất. Đất có khả năng hấp thu một lượng đáng kể NH3 từ khí quyển. Trong những vùng không khí có nồng độ NH3 cao đất có thể hấp thu 50 – 70 kg NH 3/ hecta/ năm. Sự hấp thu này tương quan thuận với nồng độ NH3 và nhiệt độ nhưng độc lập với lượng mưa. Do có một lượng nhỏ NO2 hiện diện trong khí quyển nên thường cả NO2 và NO3 được gọi chung là NO3, NO3 trong khí quyển được hình thành trong thời gian phóng điện trong khí quyển, nhưng những nghiên cứu mới đây cho thấy rằng chỉ có khoảng 10 – 20 % NO3 trong nước mưa có liên quan đến sấm sét. Phần còn lại do khí thải công nghiệp hay phát sinh từ đất. Các hợp chất đạm trong khí quyển liên tục được trả lại cho đất thông qua nước mưa. Tổng lượng đạm trong nước mưa biến thiên từ 1 – 50 kg/hecta/ năm, phụ thuộc vào vị trí địa lý. Điều này cho thấy rằng lượng đạm trong nước mưa thường cao ở các vùng xung quanh khu công nghiệp, và thông thường nồng độ đạm trong nước mưa trong vùng nhiệt đới cao hơn so với vùng cực và ôn đới. 2.6 Sự cố định đạm công nghiệp, công nghiệp sản xuất phân đạm vô cơ Đạm được cố định từ công nghiệp là nguồn đạm quan trọng nhất hiện nay và trong tương lai. Quá trình sản xuất đạm bằng phương pháp cố định công nghiệp dựa trên quy trình Haber – Bosch, trong đó khí H2 và N2 phản ứng với nhau để tạo thành NH3 3 H2 + 2 N2  2 NH3 (ở điều kiện 1200oC và 500 atm) NH3 được sản xuất có thể được sử dụng làm phân bón trực tiếp (NH3 khan) tuy nhiên NH3 thường dùng làm nguyên liệu để sản xuất các dạng phân đạm khác. 3 Đạm trong đất 3.1 Các dạng đạm trong đất Lượng đạm trong đất thay đổi từ 0,02 % ở tầng đất sâu đến 2,5 % trong đất than bùn. Nồng độ đạm trong lớp đất mặt của phần lớn các loại đất canh tác thường biến thiên từ 0,03 – 0,4 %. Đạm trong đất hiện diện ở hai dạng đạm hữu cơ và đạm vô cơ. Nhưng 95 % đạm trong đất mặt là đạm hữu cơ. Các hợp chất đạm vô cơ, các dạng đạm vô cơ trong đất bao gồm ammonium (NH4+), nitrite (NO2), nitrate (NO3), nitrous oxide (N2O), nitric oxide (NO) và đạm nguyên tố (N 2) chỉ được sử dụng bởi Rhizobia và các vi sinh vật cố định đạm khác. Trên quan điểm về độ phì nhiêu của đất, NH4+, NO3 và NO2 là quan trọng nhất và được hình thành từ sự phân giải hảo khí của chất hữu cơ trong đất hay từ các loại phân đạm được bón vào. Tuy nhiên ba dạng đạm này chỉ chiếm khoảng 2 – 5 % tổng lượng đạm trong đất. N 2O và NO là các dạng đạm rất dễ bị mất thông qua quá trình phản N hóa. Các hợp chất đạm hữu cơ, đạm hữu cơ trong đất tồn tại ở các dạng như là protein, amino acid, amino sugar và các hợp chất đạm phức tạp khác. Tỉ lệ của các dạng đạm hữu cơ này khác nhau như sau: amino acid 20 – 40 %, amino sugar như hexosamine 5 – 10 % và các hợp chất có nguồn gốc như purine, pyrimidine
Rễ cây trồng hấp thu đạm ở hai dạng NH4+ và NO3. Thông thường, trên đất không ngập nước, NO3 có nồng độ cao hơn NH4+, NO3 di chuyển đến rễ bằng dòng chảy khối lượng và khuếch tán. Nhưng đồng thời, một số NH 4+ luôn hiện diện trong đất và có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và trao đổi chất của cây trồng bằng nhiều cơ chế khác nhau. Mức độ hấp thu đạm dạng NH4+ hay NO3 của cây trồng tùy thuộc vào tuổi và loại cây trồng, điều kiện môi trường và các yếu tố khác. Ngũ cốc, bắp, đậu, củ cải đường, dứa, lúa sử dụng cả hai dạng này. Cải xoăn, cần tây, các loại đậu, bí, sinh trưởng tốt nhất khi được cung cấp dạng đạm NO3 cao. Các cây thuộc họ cà như thuốc lá, ca chua, khoai tây thích hợp môi trường dinh dưỡng có tỉ lệ NO3/NH4+ cao. 3.2.1 Nitrate Tốc độ hấp thụ NO3 cao và thích hợp trong điều kiện pH thấp, khi cây hấp thụ NO 3, sẽ gia tăng sự tổng hợp các anion hữu cơ trong cây, cùng với sự gia tăng tương ứng các cation vô cơ (Ca, K, Mg) nên môi trường sẽ trở nên kiềm tính và một số HCO 3 có thể được phóng thích từ rễ cây để duy trì sự trung hòa điện tích trong cây và trong dung dịch đất. 3.2.2 Ammonium Nhiều giả thuyết cho rằng NH4+ là nguồn đạm cây trồng ưa chuộng hơn, vì sẽ tiết kiệm được năng lượng khi cây trồng sử dụng dạng đạm này thay vì hấp thu NO3 để tổng hợp protein. Quá trình khử NO3 trong cây là tiến trình cần năng lượng, chúng cần hai phân tử NADH cho mỗi ion NO3 được khử trong việc tổng hợp protein. Hơn nữa, NH 4+ trong đất ít bị mất do rửa trôi và phản N hóa. Sự hấp thu NH4+ của cây trồng tốt nhất ở pH trung tính và sự hấp thu này giảm khi độ chua tăng. Sự hấp thu NH4+ của rễ sẽ làm giảm sự hấp thu Ca2+, Mg2+ và K+ trong khi đó làm tăng sự hấp thu H2PO4, SO42 và Cl do tính tương tác thuận và nghịch của các ion. Cây trồng hấp thu NH4+ có thể gia tăng hàm lượng carbohydrate và protein so với hấp thu NO3. pH vùng rễ bị giảm khi cây trồng hấp thu NH4+ do rễ tiết H+ để trung hòa điện tích hay cân bằng điện tích bên trong cây. Người ta nhận thấy trên lúa mì có sự khác biệt đến hai đơn vị pH khi lúa mì được cung cấp NH4+ và NO3. Sự hóa chua này có ảnh hưởng đến sự hữu dụng của các chất dinh dưỡng và sự hoạt động sinh học xung quanh vùng rễ. Giới hạn chống chịu với nồng độ NH4+ trong cây tương đối hẹp, khi nồng độ NH4+ tăng cao sẽ gây ra các phản ứng ngộ độc. Hàm lượng NH4+ cao có thể làm ngưng sự tăng trưởng, hạn chế sự hấp thu K+, và phát sinh hiện tượng thiếu K +, ngược lại, cây trồng chống chịu với nồng độ NO3 cao và tích lũy NO3 trong mô ở mức độ rất cao. 3.3 Sự tổng hợp NH4+ và NO3 trong cây Sự sinh trưởng của cây trồng thường được cải thiện khi được cung cấp cả hai dạng NH4 và NO3 so với trường hợp chỉ cung cấp từng loại riêng lẻ. Có nhiều dẫn chứng cho thấy + khi cung cấp cả hai dạng đạm này sẽ có lợi ở một số giai đoạn sinh trưởng đối với một số giống bắp, cao lương, đậu nành, lúa mì, và lúa mạch. Năng suất của lúa mì, lúa mạch và cao lương tăng khi được bón NH4+ và NO3 và số nhánh cũng cao hơn. Năng suất bắp tăng từ 8 – 25 % khi cung cấp NH4+ và NO3 so với việc cung cấp đơn thuần NO3. Những kết quả nghiên cứu gần đây cho rằng nên bón NH4+ trong giai đoạn hạt vào chắc để năng suất bắp tăng tối đa và tỉ lệ bón NH4+ / NO3 50:50 là tối hảo. Các kết quả thí nghiệm khác cũng nhận thấy là 2 – 4 ngày sau khi phun râu là giai đoạn tốt nhất để bón NH 4+ sẽ làm tăng năng suất đáng kể. 3.4 Dạng đạm vô cơ và các bệnh của cây trồng Dinh dưỡng NH4+ và NO3 là yếu tố ảnh hưởng đến sự xuất hiện và mức độ nghiêm trọng của các loại bệnh cây. Một số loại bệnh sẽ nghiêm trọng hơn khi dạng đạm NH4+ là dạng 7
đạm chủ yếu hiện diện trong vùng rễ, một số bệnh khác lại chiếm ưu thế khi NO 3 hiện diện trong vùng rễ. Có hai tiến trình có thể liên quan đến vấn đề này, bắt đầu với sự ảnh hưởng trực tiếp của các dạng đạm đến hoạt động phát sinh bệnh. Nguyên nhân khác là do ảnh hưởng của NH 4+ hay NO3 đến hoạt động của các vi sinh vật có khả năng làm thay đổi sự hữu dụng của các cation vi lượng. Ví dụ, bón NO3 cao kích thích hoạt động của một số vi khuẩn làm giảm mức độ hữu dụng của Mn đối với lúa mì. Ảnh hưởng của dạng đạm đến pH đất trong vùng rễ cũng là một phần lý do giải thích tại sao có sự khác biệt trong mức độ nghiêm trọng của các bệnh khi bón các dạng phân đạm khác nhau. 3.5 Chuyển hóa đạm trong đất Khả năng hữu dụng của NH4+ và NO3 đối với cây trồng phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện như liều lượng, dạng phân đạm được bón vào đất, lượng đạm được bón và lượng đạm trong chất hữu cơ của đất được khoáng hóa. Trong đó, lượng đạm được giải phóng từ đạm hữu cơ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự khoáng hóa chất hữu cơ, hấp thu sinh học đạm và các quá trình mất đạm của đất. Chất hữu cơ trong đất là các vật liệu hữu cơ có tình trạng phân giải ở nhiều giai đoạn khác nhau. Chất hữu cơ trong đất có thể chia làm hai loại: Mùn là các vật liệu tương đối ổn định và bền vững phân giải tương đối chậm. Những vật liệu hữu cơ phân giải khá nhanh bao gồm các vật liệu còn tươi từ dư thừa thực vật đến hợp chất sắp hình thành mùn tương đối ổn định. Các tiến trình sinh học chủ yếu liên quan đến sự chuyển hóa của dư thừa thực vật và hình thành mùn trong đất là quá trình khoáng hóa và cố định sinh học của đạm trong đất. Những phản ứng này kết hợp với các yếu tố vật lý, hóa học, và môi trường khác có ý nghĩa rất quan trọng trong sự ổn định của chất hữu cơ trong đất và sự hữu dụng của đạm vô cơ đối với cây trồng. 3.6 Sự khoáng hóa đạm trong đất Sự khoáng hóa đạm là quá trình biến đổi đạm hữu cơ thành đạm vô cơ, sự khoáng hóa đạm hữu cơ bao gồm hai phản ứng, amine hóa và amonium hóa, các phản ứng này diễn ra thông qua sự hoạt động của nhiều vi sinh vật dị dưỡng. Các vi sinh vật dị dưỡng cần các hợp chất carbon hữu cơ làm nguồn cung cấp năng lượng. Sự khoáng hóa gia tăng khi nhiệt độ gia tăng, đủ nước, và đầy đủ oxy, sự phân giải cũng có thể xảy ra trong điều kiện ngập nước mặc dù với tốc độ chậm hơn, thường không phân giải hoàn toàn. Sự hô hấp thoáng khí và trong điều kiện ít yếm khí chất hữu cơ bị phân giải sẽ giải phóng đạm dưới dạng NH4+. Phản ứng amine hóa: các vi khuẩn dị dưỡng và nấm tham gia vào một hay nhiều bước trong các phản ứng phân giải chất hữu cơ. Vi khuẩn chiếm ưu thế trong việc phá vỡ các chất hữu cơ trong môi trường trung tính và kiềm, và một số ít loại nấm; trong điều kiện đất chua nấm là tác nhân chính tiến hành phản ứng amine hóa. Sản phẩm cuối cùng của những hoạt động của nhóm này sẽ là chất nền cho các hoạt động của nhóm tiếp theo và tiếp tục cho đến khi vật liệu bị phân giải. Một trong những giai đoạn cuối cùng là sự phân giải protein và giải phóng amine, amino acid và urea. Bước này gọi là amine hóa, được hình thành theo sơ đồ sau: H2O NH2 NH2 Protein R – C – COOH + R – NH + C =O + CO2 + năng lượng 2 R – NH2 Vi khuẩn, nấm H NH2 Amino acids Amines Urea 8
Phản ứng Amonium hóa. Các amine và amino acid được sản sinh bởi sự amine hóa của N hữu cơ được tiếp tục phân giải bởi các sinh vật dị dưỡng khác, giải phóng ammonium. Bước này được gọi là quá trình ammonium hóa và được trình bày như sau: R – NH2 + H2O  NH3 + R – OH + năng lượng NH3 + H2O  NH4+ + OH Rất nhiều loại vi khuẩn hảo khí và kị khí, nấm, và xạ khuẩn có khả năng tham gia vào quá trình này để giải phóng NH4+. Khi NH4+ hình thành chúng có thể bị biến đổi như sau: Có thể được biến đổi thành NO2 và NO3 bởi các quá trình nitrite và nitrate hóa. Có thể hấp thụ trực tiếp bởi thực vật bậc cao. Có thể được sử dụng bởi các vi sinh vật dị dưỡng trong sự phân giải các dư thừa của C hữu cơ sau đó hấp thu sinh học. Có thể bị cố định, bị kẹt trong các lá sét, thành dạng không hữu dụng trong một số loại khoáng sét có tính trương nở. Có thể được giải phóng trở lại khí quyển dưới dạng NH4 quá trình bay hơi. 3.7 Nồng độ đạm trong dư thừa thực vật Nồng độ đạm trong dư thừa thực vật cũng có thể được dùng để dự đoán lượng đạm có thể hấp thu sinh học hay được khoáng hóa. Nồng độ đạm khoảng 1,5 – 1,7% trong dư thừa hữu cơ đủ để tối thiểu hóa sự hấp thu sinh học của đạm trong đất, trong điều kiện thoáng khí. Trong điều kiện yếm khí, đất ngập nước, nhu cầu đạm cho sự phân giải các dư thừa thực vật có thể chỉ là 0,5%. Các ảnh hưởng của sự khoáng hóa và hấp thu sinh học đến chất hữu cơ trong đất; Trên các loại đất nguyên thủy (chưa có sự canh tác) hàm lượng mùn được quyết định bởi thành phần cơ giới của đất, địa hình và các điều kiện khí hậu. Thông thường đất ở vùng khí hậu lạnh có hàm lượng chất hữu cơ cao hơn trong vùng khí hậu nóng và chất hữu cơ tăng khi lượng mưa tăng. Những sự khác nhau này do sự giảm oxi hóa chất hữu cơ trong điều kiện lạnh và sinh khối tăng khi lượng mưa tăng. Hàm lượng mùn trong đất có sa cấu mịn thường cao hơn trong đất có sa cấu thô vì liên quan đến sự hình thành sinh khối trong đất có sa cấu mịn thường cao vì sự dự trữ nước của đất được cải thiện và có sự giảm tiềm năng oxi hóa mùn. Hàm lượng chất hữu cơ trong đất đồng cỏ thường cao hơn trong đất rừng. Những quan hệ này thường được thể hiện rõ ràng trên các loại đất được tiêu nước tốt. Trong điều kiện ngập nước, sự phân giải hảo khí bị cản trở và chất hữu cơ sẽ tích lũy với hàm lượng cao, bất kể trong điều kiện nhiệt độ và sa cấu như thế nào. Duy trì mức độ OM đầy đủ sẽ ảnh huởng rất lớn đến nhiều đặc tính khác của đất, các đặc tính này có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng sản xuất của đất. OM rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúc của đất, đặc biệt là đất có sa cấu mịn. OM làm tăng CEC, làm giảm tiềm năng rửa trôi các nguyên tố như K+, Ca2+, Mg2+. Sự khoáng hóa chất hữu cơ cung cấp một cách liên tục, mặc dù hàm lượng bị giới hạn, N hữu dụng cho cây trồng và cả P và S. Khả năng giữ nước của đất được cải thiện khi hàm lượng OM tăng. Sự bền vững và gia tăng khả năng sản xuất của đất cho các thế hệ tương lai tùy thuộc vào việc duy trì hàm lượng chất hữu cơ trong đất một cách tối hảo. 3.8 Quá trình nitrate hóa Một số NH4+ được phóng thích trong quá trình khoáng hóa của đạm hữu cơ sẽ được biến đổi thành NO3, quá trình này được gọi là quá trình nitrate hóa, là một tiến trình bao gồm hai bước trong đó đầu tiên NH4+ bị biến đổi thành NO2 và sau đó thành NO3. Nitrite hóa: sự oxi hóa sinh học của NH4+ thành NO2 được trình bày như sau: 9
2 NH4+ + 3O2 > 2 NO2 + 2 H2O + 4 H+ Nitrosomonas Nitrosomonas là vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc, chúng thu nhận năng lượng từ sự oxi hóa đạm và nhận C từ CO2. Các vi khuẩn tự dưỡng khác (nitrosolobus, nitrospira, nitrosovibrio), và một số vi khuẩn dị dưỡng cũng có thể oxi hóa NH4+ và các hợp chất đạm khử khác (amine) thành NO2. Nitrate hóa: trong bước thứ 2 NO2 tiếp tục bị oxi hóa thành NO3 2 NO2 + O2 > 2NO3 Nitrobacter Sự oxi hóa nitrite xảy ra do vi khuẩn tự dưỡng nitrobacter, mặc dù tiến trình này cũng có một số vi khuẩn khác tham gia. Nguồn NH4+ có thể được cung cấp từ sự khoáng hóa N hữu cơ hay từ phân đạm có chứa NH 4+, hay các loại phân đạm sẽ hình thành NH 4+ khi bón vào đất. Tốc độ phản ứng liên quan đến sự nitrate hóa trong phần lớn các loại đất thoát nước tốt theo thứ tự NO2  NO3 > NH4+  NO2. Do đó NO2 thường không được tích lũy trong đất, NO2 là chất gây độc cho rễ khi ở nồng độ cao. Cả hai phản ứng trên đều cần O 2 phân tử vì vậy sự nitrate hóa chỉ xảy ra trên đất thoáng khí. Những phản ứng trên cũng cho thấy rằng khi nitrate hóa một mole NH4+ sẽ hình thành 2 mole H+. Sự gia tăng độ chua của đất với tiến trình nitrate hóa là tiến trình tự nhiên, mặc dù sự hóa chua của đất sẽ càng thêm nghiêm trọng khi bón liên tục các loại phân đạm chứa NH4+ hay các loại phân đạm khi bón vào đất sẽ hình thành NH4+. Bởi vì ion NO3 được hình thành dễ dàng và rất di động nên cũng dễ dàng bị rửa trôi. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự nitrate hóa trong đất sẽ giúp chúng ta hiểu biết kỹ thuật quản lý nhằm tối thiểu hóa sự mất NO3 dưới dạng rửa trôi. 3.8.1Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nitrta hóa Do có liên quan đến sự hoạt động của các vi sinh vật, nên tốc độ và phạm vi nitrate hóa chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các điều kiện môi trường. Thông thường bất cứ yếu tố môi trường nào thích hợp cho sự sinh trưởng của phần lớn cây trồng cạn thì sẽ thích hợp cho sự hoạt động của các vi khuẩn nitrate hóa. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nitrate hóa trong đất bao gồm Sự cung cấp NH4+ Mật số các vi sinh vật tham gia vào sự nitrate hóa pH đất Độ thoáng khí của đất Độ ẩm của đất Nhiệt độ đất Sự cung cấp NH4+ là yêu cầu đầu tiên cho sự nitrate hóa Nếu điều kiện không thích hợp cho sự khoáng hóa của NH4+ từ chất hữu cơ (hay đất không đuợc bón các loại phân chứa hay hình thành NH 4+) quá trình nitrate hóa sẽ không xảy ra. Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho nitrate hóa cũng thích hợp cho quá trình amonium hóa. Nếu có một lượng lớn rơm rạ của ngũ cốc, thân bắp hay các vật liệu tương tự có tỉ lệ C/N cao được vùi vào trong đất có hàm lượng đạm vô cơ thấp, điều này sẽ dẫn đến kết quả là có sự cố định đạm sinh học bởi các vi sinh vật tham gia trong quá trình phân giải các dư thừa thực vật. Nếu cây trồng được trồng ngay sau khi cày đất cây trồng có thể bị thiếu đạm, sự thiếu đạm có thể được hạn chế bằng cách bón phân đạm để cung cấp đủ đạm cho nhu cầu của vi sinh vật và cây trồng đang sinh trưởng. Mật độ vi sinh vật nitrate hóa Các loại đất khác nhau sẽ có khả năng nitrate hóa khác nhau mặc dù có những điều kiện nhiệt độ, ẩm độ, và mức độ NH4+ cung cấp giống nhau. Yếu tố gây nên sự khác nhau này là dân số các vi khuẩn nitrate hóa hiện diện với mật độ khác nhau trong các loại đất khác nhau. Sự hiện diện của các vi khuẩn trong đất khác nhau về mật độ sẽ dẫn đến kết quả là sẽ có sự khác nhau về thời gian từ khi cung cấp NH 4+ đến khi hình thành NO3 trong đất. Dân số vi 10
sinh vật có khuynh hướng tăng rất nhanh khi cung cấp đầy đủ C, nên tổng lượng nitrate hóa không ảnh hưởng bởi số lượng vi sinh vật ban đầu, chỉ phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ ẩm độ thích hợp cho sự nitrate hóa. pH đất Sự nitrate hóa có thể xảy ra trên một biên độ pH rộng (4,5 – 10) nhưng pH tối hảo cho nitrate hóa là trung tính. Các vi khuẩn nitrate hóa cần cung cấp đầy đủ Ca 2+ và H2PO4 và sự cân bằng hợp lý của các nguyên tố vi lượng. Ảnh hưởng của pH và Ca2+ hữu dụng đến sự hoạt động của các vi sinh vật nitrate hóa cho thấy tầm quan trọng của việc bón vôi trên đất nông nghiệp. Độ thoáng khí của đất Các vi khuẩn nitrate hóa là vi khuẩn hảo khí cho nên chúng sẽ không hoạt động khi thiếu O2, sự nitrate hóa xảy ra tối đa ở nồng độ 20% O 2 tương tự nồng độ O2 trên khí quyển. Cho thấy tầm quan trọng của sự duy trì các điều kiện cho phép sự khuếch tán nhanh của các chất khí ra vào trong đất. Các loại đất có sa cấu thô hay cấu trúc tốt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi khí nhanh chóng và đảm bảo cho sự cung cấp O2 đầy đủ cho các vi sinh vật nitrate hóa. Trả lại dư thừa thực vật và những chất bổ sung hữu cơ khác cho đất sẽ duy trì hay cải thiện được độ thoáng khí của đất làm gia tăng tiến trình nitrate hóa. Độ ẩm của đất, sự hoạt động của các vi vật rất mẫn cảm với độ ẩm của đất. Tốc độ nitrate hóa cao nhất ở độ ẩm là 1/3 bar (độ ẩm đồng ruộng). Nước chiếm khoảng 80 – 90% các lỗ rỗng của đất. Sự khoáng hóa và nitrate hóa bị giảm khi đất quá ẩm ướt với độ ẩm vượt quá độ ẩm đồng ruộng. Nhiệt độ Phần lớn các phản ứng sinh học đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ Q10 của sự khoáng hóa N = 2, trong khoảng nhiệt độ từ 5 – 35 0C. Có nghĩa là tốc độ khoáng hóa tăng 2 lần khi nhiệt độ tăng 100C trong khoảng nhiệt độ này (hình 5.12). Nhiệt độ dưới 5 0C và trên 400C sẽ làm giảm tốc độ khoáng hóa, thường nhiệt độ tối hảo từ 30 – 350 C, hàm lượng NO3 hình thành đáng kể chỉ sau 2 tháng khi nhiệt độ từ 0 – 2 0C. Nhiệt độ rất tối hảo cho sự nitrate hóa NH4+ thành NO3 từ 25 – 350C, mặc dù sự nitrate hóa có thể xảy ra trong khoảng nhiệt độ rộng hơn. Trong điều kiện đồng ruộng, sự thay đổi nhiệt độ sẽ quyết định mức độ nitrate hóa. Vì vậy nếu bón phân NH4+ trong mùa đông, vùng có nhiệt độ trung bình trong những tháng lạnh là 2,80C, có thể sự thay đổi nhiệt độ đất sẽ cho phép sự nitrate hóa đáng kể. Nhiệt độ cao xảy ra trước nhiệt độ thấp dẫn đến kết quả là sự nitrate hóa lớn hơn nếu tình trạng ngược lại xảy ra. 3.8.2 Sự di động của NO3 Anion NO3 rất dễ hòa tan trong nước và không chịu ảnh hưởng bởi sự hấp thu bề mặt của keo đất. Do đó nên NO3 di động rất cao và bị mất do rửa trôi là chính khi hàm lượng N trong đất cao và có sự di chuyển của nước. Sự rửa trôi NO 3 thường là cơ chế mất N chính trên các loại đất trong các vùng khí hậu ẩm. Cần phải kiểm soát cẩn thận sự rửa trôi của NO 3 vì NO3 có tác động nghiêm trọng đối với môi trường. Mức độ NO3 (và H2PO4) cao trong nước chảy tràn trên mặt và nước thấm lậu sẽ có thể làm ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt và sẽ kích thích sự sinh trưởng của các thực vật có hại và tảo trong các ao hồ và các nơi dự trữ nước. Một số yếu tố ảnh hưởng đến lượng NO3 mất do rửa trôi là . Liều lượng, thời gian, loại và phương pháp bón phân N. . Sử dụng các chất ức chế sự nitrate hóa. . Thâm canh và sự hấp thu N của cây trồng. . Các đặc tính của đất ảnh hưởng đến sự thấm lậu. . Lượng, chế độ, thời gian mưa hay tưới. 11
3.9 Một số quá trình mất đạm khác trong đất 3.9.1Sự cố định Ammonium Một số khoáng sét, đặc biệt là vermiculite, illite, có khả năng cố định NH4+ do sự thay thế NH4+ bởi các cation khác trong các lá sét NH 4+ bị cố định cũng có thể lại được thay thế bởi các cation khác trong lá sét như Ca2+, Mg2+, Na+, H+ nhưng không bị thay thế bởi các cation cùng kích thước với nó (K+). Sự cố định NH4+ mới được bón vào đất có thể xảy ra trên các hạt có kích thước sét, thịt và cát nếu đất chứa hàm lượng vermiculite cao. Sét thô (0,2 – 2 m) và thịt mịn (2 – 5 m) là các phần quan trọng nhất trong việc cố định khi NH4+ được bón vào đất. Sự hiện diện của K+ thường sẽ hạn chế cố định NH4+ vì K+ cũng có thể bị cố định đầy các vị trí cố định trên lá sét. Do đó, người ta cho rằng việc bón phân K+ trước khi bón phân NH4+ là một biện pháp kỹ thuật để làm giảm sự cố định NH4+ trên các vùng đất cố định NH4+cao. Sự cố định NH4+ của sét xảy ra tương đối nhanh trên một số loại đất khi NH4+ được phóng thích chậm. Sự hữu dụng của NH 4+ mới bị cố định có thể bị thay thế, ít nhất là một phần, NH 4+ đã bị cố định tại chỗ. Hơn nữa, người ta cũng nhận thấy rằng chất ức chế nitrate hóa làm giảm sự hữu dụng của NH4+ mới bị cố định đối với cây trồng, điều này đã củng cố thêm lý thuyết cho rằng một số NH4+ bị cố định thường trao đổi và biến đổi thành NO3 nên có thể được cây trồng sử dụng dễ dàng. 3.9.2 Sự mất N ở dạng khí N trong đất bị mất chủ yếu là do cây trồng lấy đi và rửa trôi. Tuy nhiên trong 1 số điều kiện, các ion N vô cơ có thể biến đổi thành dạng khí và bị mất vào khí quyển. Con đường N chủ yếu bị mất ở dạng khí là sự phản N hóa và sự bay hơi của NH 3 (bảng 5.1). Phần sau đây sẽ nhấn mạnh đến các cơ chế được xem là quan trọng nhất trong sự mất N. Bảng 5.1 Sự mất N trong đất ở dạng khí Dạng N bị Nguồn cung cấp N Phản ứng tổng quát mất Khí N2 và NO2 A. Sự phản N hóa NO3 NO2 NO N2O N2 NH4+ NH2OH (thí dụH2N2O2) NO2 NO3 B. Sự nitrate hóa NO3 NH4+ + NO2 N2 + 2 H2O C. Các phản ứng hóa học của nitrite với: HNO2 + NH2R N2 + ROH+ H2O Ammonium HNO2 + Lignin N2 + N2O CH3ONO Amino acids D. Lignin 3 HNO2 2NO + H NO3 + H2O Mn2+ + HNO2 H+ Mn2+ + NO + H2O E. Phenol 2+ + 3+ Sự phân hủy của nitrous acid cation kim Fe + HNO2 + H Fe + NO + H2O loại chuyển tiếp Khí NH3 A. Phân NH3 lỏng khan NH3 lỏng NH3 khí Urea (NH2)2CO + H2O 2NH3 + CO2 Muối NH4+ (pH > 7) NH4+ + OH NH3 + H2O B. Sự phân giải chất hữu cơ và phân hữu Giải phóng và bay hơi NH3 cơ 12
3.10 Sự phản N hóa Khi đất bị ngập nước, đất mất O 2 và xảy ra sự phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Một số vi sinh vật có khả năng nhận O 2 cho hoạt động của chúng từ NO2 và NO3, kèm theo là sự giải phóng N2 và N2O. Con đường hóa sinh có thể dẫn đến sự mất N này được trình bày trong phương trình sau : 2HNO3 + 4H+ 2HNO2 + 2H+ 2NO 2H+ N2O 2H+ N2 2H2O 2H2O 2H2O 2H2O Những thí dụ về sự mất NO2 và NO3 và sự hình thành N2 và N2O bởi sự phản N hóa trong đất chua và đất kiềm được trình bày trong hình 5.15. Chỉ có 1 ít loại vi khuẩn hảo khí không bắt buộc riêng biệt tham gia trong quá trình phản N hóa và các vi khuẩn chủ động tham gia vào quá trình nitrate hóa thuộc các chủng Pseudomonas, Bacillus và Paracoccus. Một số sinh vật tự dưỡng cũng có thể tham gia vào quá trình phản N hóa bao gồm Thiobacillus denitrificans và T .thipbarus . Các sinh vật phản N hóa thường có mật số rất lớn trong đất trồng trọt và chúng thường tập trung xung quanh rễ cây. Carbonat tiết ra từ các rễ hoạt động kích thích sự sinh trưởng của vi khuẩn phản N hóa trong vùng rễ. Tiềm năng của sự phản N hóa rất lớn trong hầu hết các loại đất đang canh tác, nhưng phải có các điều kiện phát sinh làm cho những sinh vật này tăng hoạt động từ sự hô hấp hảo khí đến kiểu phản N hóa của chế độ trao đổi chất liên quan đến việc sử dụng NO3 như là chất nhận điện tử trong điều kiện thiếu O2. Số lượng N bị mất ở dạng khí do phản N hóa rất biến đổi tùy thuộc các điều kiện môi trường, từ mùa này sang mùa khác và năm này sang năm khác. Các tỉ lệ của 2 sản phẩm chính của sự phản N hóa, N2 và N2O cũng thay đổi và sự tương quan đơn giữa chúng chưa được xác nhận. Tuy nhiên, người ta cho rằng N2 chiếm ưu thế, đôi khi chiếm đến 90% của tổng N bị mất. Sự hình thành N2O trở nên lớn hơn khi sự cung cấp O2 của đất được cải thiện. 3.10.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phản N hóa Hàm lượng và tốc độ của sự phản N hóa chịu ảnh hưởng rất lớn bởi một số yếu tố về đất và môi trường. Quan trọng nhất trong các yếu tố này là hàm lượng và tính chất của chất hữu cơ hiện diện trong đất, ẩm độ đất, độ thoáng khí, pH đất, nhiệt độ đất, hàm lượng và dạng N vô cơ (thí dụ NH4+ và NO3). Chất hữu cơ dễ phân giải Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân giải trong đất cũng có ảnh hưởng đến sự nitrate hóa N trong đất. 4(CH2O) + 4 NO3 + 4H+ 4CO2+2N2O+6H2O 5(CH2O) + 4 NO3 + 4H+ 5CO2+2N2+7H2O Theo những phương trình này, cần 1 ppm C hữu dụng để sản sinh 1,17 ppm NN2O hay 0,99 ppm NN2. Phần lớn các thông tin cơ bản có liên quan tới sự phản N hóa trong đất đã được thu nhận những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với các mẫu đất khô không khí được giữ trong những khoảng thời gian dài khác nhau trước khi phân tích. Đất được phơi khô và trữ trong không khí làm gia tăng rất lớn khả năng phản N hóa NO3 dưới điều kiện yếm khí. Việc xử lý đất trước này làm tăng đáng kể hàm lượng chất hữu cơ của đất được các vi sinh vật phản N hóa sử dụng dễ dàng. Trong điều kiện đồng ruộng, dư thừa thực vật tươi được bón vào đất có thể kích thích làm gia tăng sự phản N hóa. Ẩm độ của đất 13
Trong các điều kiện môi trường, ẩm độ đất là yếu tố quan trọng nhất quyết định sự mất N do phản N hóa. Đất ngập nước làm tăng nhanh sự phản N hóa do sự khuếch tán của O2 đến các địa điểm hoạt động của vi sinh vật bị hạn chế. Các nhà khoa học Anh đã cho rằng đối với mỗi 25 mm mưa trong khoảng thời gian 4 tuần lễ sau khi bón phân N, sẽ có khoảng 8 % N được bón sẽ bị mất. Sự biến đổi NO3 thành N2O và N2 sẽ tăng nhanh khi mưa làm bão hòa 1 loại đất do làm tăng hoạt động sinh học. Tiềm năng mất N do phản N hóa lên đến 16 kg N/ha trong những ngày đầu khi đất mới bão hòa nước. Tỷ lệ N mất (% NO3 –N bón vào) 100 90 550% 80 450% 70 350% 60 50 40 100% 30 20 20 75% 10 50% 0 10 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Thời gian (ngày) Hình 5.4 Ảnh hưởng của ẩm độ (diễn tả bằng % khả năng giữ nước của đất) đến sự phản N hóa trong đất (đất được xử lý với glucose). Trên các loại đất lúa nước, các loại phân NNO3 thường không hiệu quả do sự mất N từ quá trình phản N hóa. Tuy nhiên, có một số NO3 luôn hiện diện trong các loại đất này bởi vì một phần NH4+ trong vùng thoáng khí (lớp oxid hóa) của hệ thống cây trồng – đất – nước được biến đổi thành NO3. Khi NO3 này khuếch tán vào các phần đất yếm khí, nó nhanh chóng bị phản N hóa hoàn toàn. Độ thoáng khí của đất Độ thoáng khí hay sự hữu dụng của O2 ảnh hưởng đến sự phản N hóa theo 2 cách tương phản nhau. Sự hình thành NO3 và NO2 phụ thuộc vào sự cung cấp đầy đủ O2. Tuy nhiên sự phản N hóa của chúng chỉ tiến hành khi sự cung cấp O 2 bị hạn chế đến mức thấp nhất cho nhu cầu vi sinh vật. Tiến trình phản N hóa cũng có thể xảy ra trong đất có độ thoáng khí tốt, có thể là các vị trí yếm khí nơi mà nhu cầu O2 sinh học vượt quá sự cung cấp. Sự mất N lớn do sự phản N hóa có thể xảy ra đồng thời với sự khuếch tán O2 thấp vào trong đất và nhu cầu hô hấp cao trong đất. Áp suất O2 giảm sẽ làm tăng sự mất N do phản N hóa. Tuy nhiên N mất trong điều kiện này sẽ không đáng kể cho đến khi hàm lượng O 2 giảm nghiêm trọng đến nồng độ 10 % hay thấp hơn. pH đất Độ chua của đất có thể có ảnh hưởng đáng kể đến sự phản N hóa do có nhiều vi khuẩn tham gia trong quá trình phản N hóa rất mẫn cảm với pH thấp. Kết quả là các loại đất chua 14
thường chứa một dân số rất nhỏ các vi sinh vật phản N hóa. Sự phản N hóa không đáng kể trong các loại đất có pH 5,0 nhưng phản N hóa sẽ xảy ra rất nhanh trong các loại đất có pH cao Độ chua cũng làm thay đổi các tiến trình hình thành và hàm lượng tương đối của các loại N dạng khí khác nhau trong quá trình phản N hóa. Ở pH dưới 6,0 đến 6,5, N 2O chiếm ưu thế và chúng thường hiện diện hơn ½ N dạng khí được giải phóng trong môi trường chua. Sự hình thành NO luôn được hình thành trong điều kiện pH thấp (pH luôn thấp hơn 5,5). NO2 có thể là dạng khí đầu tiên hình thành trong đất có phản ứng trung tính hay hơi chua, nhưng do bị khử về mặt vi sinh vật học nên N2 có xu hướng là sản phẩm chính ở pH > 6,0. Sự hiện diện của N 2O đến sự khử tiếp tục thành N2. Nhiệt độ Sự phản N hóa rất mẫn cảm với nhiệt độ đất và tốc độ phản N hóa tăng rất nhanh trong khoảng nhiệt độ 2 – 250C. Sự phản N hóa xảy ra ở tốc độ cao hơn khi nhiệt độ tăng trong khoảng 25 – 600C. Sự phản N hóa bị ức chế khi nhiệt độ > 60 0C. Sự phản N hóa tăng nhanh khi nhiệt độ đất tăng là do các vi sinh vật hảo khí đóng vai trò chính trong sự phản N hóa. Hàm lượng NO3 Sự cung cấp NO3 hay NO2 trong đất là điều kiện tiên quyết cho sự phản N hóa. Nồng độ NO3 cao làm tăng tốc độ phản N hóa và ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ các khí N2O:N2 được giải phóng từ đất do sự phản N hóa. Một thí dụ về NO3, NO2 và các hỗn hợp của 2 dạng này chịu ảnh hưởng như thế nào đến sự tích lũy N2O trong điều kiện yếm khí được trình bày trong bảng 5.2. Mặc dù NO2 ức chế sự khử N2O thành N2, nhưng các số liệu cho thấy rằng NO 3 lại có một tác động lớn hơn nhiều trong quá trình nitrate hóa. Bảng 5.2: Ảnh hưởng của các hàm lượng NO3 và NO2 đến hàm lượng N2 và N2O hình thành trong điều kiện khử Đất pH NO3 N bón NO2 –N bón N2 hình thành trong Sự ức chế sự khử 4 giờ N2O (%) µ g / g đất 0 0 43 20 0 17 60 Clarion 7,2 10 10 20 53 5 15 21 51 0 20 27 37 0 0 33 20 0 5 85 Tama 6,6 10 10 8 76 5 15 12 64 Đất khô không khí (30g) được đặt trong bình thủy tinh được xử lý với 8ml nước và ủ ở 30 C với He trong 15 giờ. Các mẫu đất sau đó được cho vào 10 ml nước hay 10 ml nước có chứa 0 KNO3 hay NaNO3 (20 µg/g đất) và ủ 300C trong He có chứa N2O (1.000 µg N2O – N /g đất). Sự hiện diện của thực vật Mặc dù các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ mất N do phản N hóa chưa thống nhất được, nhưng người ta đã nhất trí một cách tổng quát là trong điều kiện đồng ruộng tốc độ phản N hóa gia tăng bởi cây trồng vì sự giải phóng C hữu dụng tiết ra từ rễ và từ các mô rễ bị chết. Sự phản N hóa trong hầu hết các hệ thống canh tác có bón phân được tác nhân chính cung cấp C hữu cơ cho vi sinh vật phản N hóa. Cây trồng cũng có làm gia tăng sự phản N hóa do: Sự tiêu thụ O2 thông qua hoạt động của rễ. 15
Sự làm tăng dân số vi sinh vật trong vùng rễ. Cây trồng cũng có thể hạn chế sự phản N hóa do sự tiêu thụ O2 thông qua hoạt động của rễ hấp thu NO3. Sử dụng NH4+ mà NH4+ dễ dàng biến đổi thành NO3. Làm giảm ẩm độ đất, kết quả là cải thiện sự cung cấp O2. Trực tiếp làm tăng mức độ O 2 trong vùng rễ của một số loại cây có thể tự vận chuyển O2 (thí dụ như cây lúa nước). 3.10.2 Ý nghĩa của sự phản N hóa về mặt nông nghiệp Phân N là nguồn N dễ tiêu của đất bị mất N vào không khí do phản N hóa liên tục. Vì khí quyển có hàm lượng N2 rất lớn, trong khi NO 3 trong nước biển ở dạng tự do nên sự phản N hóa có thể là tiến trình chính trong việc luân chuyển N vào khí quyển. Vì vậy đây là quá trình bù trừ vào quá trình cố định N2 sinh học. Có thể có 2 kiểu mất N do sự phản N hóa : Các dòng chảy nhanh và rộng kết hợp với các trận mưa to, tưới, tuyết tan. Mất ít nhưng liên tục trong những thời kỳ dài trong các vị trí yếm khí trong đất. Những sự mất N như thế này có thể chiếm đến 0 – 70 % lượng phân N bón, tiêu biểu là 10 – 30 %. Cả 2 tốc độ và phạm vi của các sự mất N trong điều kiện đồng ruộng vẫn còn là sự ước đoán mặc dù được nghiên cứu rất nhiều. Sự mất N chủ yếu do sự phản N hóa là tổng N mất do bay hơi N 2O + N2 từ một loại đất thịt pha sét, được tưới và tiêu nước tốt là 2,5% tổng phân N bón cho bắp. Trong đó xấp xỉ 75% N mất dạng khí là N2O. Có sự tương quan giữa gia tăng sự sử dụng phân N và sự bay hơi của N 2O từ đất và do đó dẫn đến sự phá hủy từng phần tầng ozone bảo vệ sinh quyển từ tia cực tím có hại về mặt sinh học từ mặt trời. Mặc dù rõ ràng rằng sự phản N hóa của NO 3 có từ phân N là nguyên nhân chính của sự bay hơi N2O, nhưng lượng NO3 được hình thành bởi các sự chuyển hóa tự nhiên của chất hữu cơ trong đất và các tàn dư thực vật thường bị bỏ qua hay không được tính đến trong nghiên cứu. Sự phản N hóa có thể có lợi đối với việc mất đi 1 lượng thừa NO 3 từ nước tưới và từ các nguồn nước thải khác. Đối với việc xử lý nước trực tiếp, có thể cần thiết phải chủng cấy vi sinh vật phản N hóa và cung cấp đầy đủ C ở các dạng có thể được khoáng hóa dễ dàng như methanol. Nơi những hệ thống xử lý nước thải bị nhiễm bẩn trên đất, cần phải tính để bảo đảm nồng độ C có thể được khoáng hóa phải đủ trong vùng đất đang được xử lý. 4. Các phản ứng hóa học liên quan đến NO2 Ngoài sự phản N hóa sinh học, có một số trường hợp sự mất N trong đất và trong phân bón có thể xảy ra thông qua các phản ứng hóa học liên quan đến NO2 (bảng 5.9). Mặc dù NO2 không phải luôn luôn được tích lũy trong đất, nhưng hàm lượng có thể cao trong các loại đất đá vôi và trong một số vùng đất cục bộ bị ảnh hưởng do việc bón phân N chứa NH 4+ hay sẽ hình thành NH4+ trong đất. 4.1 Phản ứng của NO2 với chất hữu cơ trong đất Sự mất N từ NO2 do các phản ứng hóa học gia tăng theo sự gia tăng hàm lượng chất hữu cơ. Các vị trí phenolic của chất hữu cơ trong đất có thể là yếu tố chính khử NO2 thành N2 và N2O, với nitrophenols được hình thành như là các sản phẩm trung gian. Tất cả N 2O hay N2 bay hơi đều phát sinh NO2 tích lũy, mặc dù tổng lượng N mất do phản ứng này không cao. NO 2 khi phản ứng với thành phần của chất hữu cơ trong đất như lignin sẽ trở thành cố định hay liên kết dưới dạng hữu cơ và bền vững đối với sự khoáng hóa. 4.2 Các yếu tố thích hợp cho sự tích lũy NO2 16
NO2 không phải luôn luôn được tích lũy trong đất, nhưng khi được tích lũy NO2 có thể ảnh hưởng bất lợi cho cây trồng và vi sinh vật. Các điểm bất lợi do NO 2 thường gây ra là hoạt động của Nitrobacter bị giảm, do có liên quan đến pH và mức độ NH4+ cao. Ở pH 7,5 – 8,0 tiềm năng biến đổi NH4+ thành NO2 vượt quá tiềm năng biến đổi NO2 thành NO3, nhưng ở pH trung tính thì ngược lại. Mặc dù sự hình thành NO2 trong đất do pH cao, nhưng sự biến đổi NO2 thành N2O và N2 lại bị hạn chế do pH đất cao 4.3 Ảnh hưởng của các loại phân bón đến sự tích lũy NO2 Bón các loại phân Urea, NH3 lỏng khan, DAP theo hàng sẽ gây ra sự gia tăng nồng độ NH4+ và pH tạm thời, do đó làm gia tăng sự tích lũy NO2 trong hàng, bất kể pH ban đầu như thế nào. Khoảng cách hàng trồng cây cũng ảnh hưởng tốc độ chuyển hóa NH 4+ và sự hình thành NO2 và NO3 . Các hạt phân urea to hay các kỹ thuật bón đặc biệt, đặt các hạt phân urea có kích thước to được điều chỉnh trong các lưới hay dụng cụ phân tán sẽ làm gia tăng tạm thời pH và nồng độ NO2 cục bộ. Sự khuếch tán hay sự pha loãng của NH4+ trong các hàng được bón phân sẽ tạo điều kiện thích hợp cho sự biến đổi NO2 thành NO3. NO2 có thể khuếch tán qua các điểm ở vùng có pH cao và NH4+ cao để đạt đến môi trường đất nơi Nitrobacter hoạt động sẽ nhanh chóng biến đổi NH4+ thành NO3. Một lượng nhỏ N2O cũng có thể được hình thành bởi sự nitrate hóa NH4+ từ phân bón do các vi sinh vật tự dưỡng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khoảng 0,15% N được bón bị mất ở dạng N 2O. Tuy nhiên, NH3 lỏng khan sẽ sản sinh N 2O nhiều hơn rất đáng kể so với phân NH4+. Tóm lại, các cơ chế có thể xảy ra đối với sự mất N liên quan đến NO2 bao gồm như sau: Sự phân giải của NH4NO3. Sự tự phân giải của HNO2 , kết quả hình thành nên NO + NO2. Sự biến dạng của NO2 do sự khử các hợp chất hữu cơ. Sự cố định NO2 do chất hữu cơ trong đất và sự biến đổi một phần NO2 thành N2 và N2O. Phản ứng xúc tác của NO2 với các kim loại như Cu, Fe,và Mn. Tầm quan trọng tương đối của các cơ chế mất N này sẽ có thể khác nhau giữa các loại đất và phụ thuộc vào các hệ thống quản lý N. Trên quan điểm thực tiễn, sự mất N do phản N hóa hóa học trong điều kiện đồng ruộng là quá nhỏ. 5. Sự bay hơi của NH3 Sự bay hơi của NH3 là cơ chế mất N xảy ra một cách tự nhiên trong đất (hình 5.1). Tuy nhiên, so với sự bay hơi NH3 từ phân N thì sự mất NH 3 từ N được khoáng hóa từ N hữu cơ tương đối hơi nhỏ. Vì vậy, sự bay hơi NH 3 sẽ được thảo luận liên quan đến sự bón phân N vãi trên mặt đất. Rất nhiều các yếu tố đất, môi trường, quản lý phân N ảnh hưởng đến lượng N bị bay hơi từ phân bón. Để hiểu biết các yếu tố này tương tác như thế nào cần phải hiểu biết các phản ứng hóa học của các loại phân N với đất. Sự bay hơi NH3 hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lượng NH3 và NH4+ trong dung dịch đất, hàm lượng này phụ thuộc rất lớn vào pH (hình 5.5). Sự quan hệ được mô tả như sau: NH4+ NH3 + H+ ( pKa =9,3 ) (1) % 100 Ammonia 80 60 17
40 20 Ammonium 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH dung dịch Hình 5.5 Ảnh hưởng của pH đến tỉ lệ NH3 và NH4+ trong dung dịch Hàm lượng NH3 chỉ xuất hiện đáng kể khi pH dung dịch vượt quá 7,5. Thí dụ, ở pH 8 và 9,3, NH3 hiện diện là 10% và 50% tổng NH3 + NH4+ trong dung dịch. Vì vậy, sự mất NH3 gia tăng do pH đất cao tự nhiên hay do các phản ứng tạm thời làm tăng pH. Khi NH4+ trong phân bón được bón vào đất chua hay trung tính thì sẽ có rất ít hay không có sự bay hơi NH3 xảy ra vì pH của dung dịch đất không tăng. Cần nhớ lại rằng pH đất sẽ giảm nhẹ khi NH 4+ bị nitrate hóa. Khi bón các loại phân sẽ hình thành NH4+ trong đất chua hay trung tính như urea, pH dung dịch chung quanh hạt urea tăng trong thời gian thủy phân theo phương trình như sau : (NH2)2CO + H+ + 2H2O 2NH4+ + HCO3 (2 ) pH dung dịch tăng trên 7 vì H+ được tiêu thụ trong phản ứng; vì vậy sự cân bằng của NH4 NH3 sẽ dịch về phía phải (phương trình 1) tạo điều kiện thích hợp cho sự bay hơi NH 3. + Vì vậy trên đất chua và đất trung tính, phân NH4+ sẽ bị mất NH3 ít hơn là phân urea và các loại phân N có chứa urea. Sự thủy phân của urea sẽ được thảo luận chi tiết ở phần sau. Trên các loại đất phát triển trên đá vôi, pH được đệm ở khoảng 7,5; vì vậy các loại phân chứa NH4+ có thể bị mất do bay hơi NH 3. Thí dụ, khi bón (NH4)2SO4 vào đất đá vôi, phân sẽ bị phản ứng theo các phương trình sau : (NH4)2SO4 + 2CaCO3 + 2 H2O 2NH4+ + 2HCO3 + Ca2+ + CaSO4 (3) NH4+ + HCO3 NH3 + CO2 + H2O (4) pH của dung dịch đất sẽ tăng do sự hình thành OH . Ca2+ và OH sau đó có thể kết hợp với (NH4)2SO4 như sau : (NH4)2SO4 + Ca2+ + 2 OH NH3 + CaSO4 + H2O (5) Khi cả 3 phương trình (3,4,5) được kết hợp lại, một phản ứng tổng quát có thể được trình bày như sau : (NH4)2SO4 + CaCO3 2NH3 + CO2 + CaSO4 + H2O (6) Vì CaSO4 được hình thành có tính hòa tan yếu nên phản ứng sẽ dịch chuyển về phía phải và sự bay hơi NH3 sẽ thuận lợi hơn. Các phản ứng tương tự xảy ra với các loại phân NH4+ khác và sẽ hình thành các kết tủa Ca không hòa tan như (NH 4)2HPO4. Sự mất N do bay hơi sẽ giảm đối với các loại phân chứa NH4+ nhưng hình thành các sản phẩm có phản ứng hình thành các muối Ca hòa tan như NH4NO3, NH4Cl. Thông thường sự mất N do bay hơi NH 3 trên đất đá vôi khá lớn đối với các loại phân urea hơn là các muối NH4+, ngoại trừ sự hình thành các kết tủa Ca không hòa tan. Sự mất NH 3 cũng gia tăng với sự gia tăng liều lượng phân bón và với phân dạng lỏng so với nguồn phân N dạng rắn. Sự bay hơi NH3 cao rất nhiều khi bón vãi đều trên mặt ruộng so với cách bón vùi sâu dưới lớp đất mặt hay phương pháp bón theo hàng. Bón vãi phân N và cày vùi ngay sẽ giảm đáng kể lượng NH3 bay hơi. 18
Sự mất NH3 cũng chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường trong giai đoạn phản ứng của urea và các muối NH4+ với đất. Thông thường, sự bay hơi gia tăng với sự tăng nhiệt độ đến khoảng 450C, do liên quan đến tốc độ phản ứng cao hơn và hoạt động của urease. Nếu đất mặt khô, sẽ làm chậm các phản ứng vi sinh học và hóa học. Sự mất NH3 tối đa xảy ra khi ẩm độ đất xung quanh độ ẩm đồng ruộng và khi đất bị khô. Sự bốc hơi nước từ mặt đất sẽ làm thích hợp hơn cho sự bay hơi NH3. Sự hiện diện của các dư thừa thực vật trên mặt đất cũng có thể làm tăng rất lớn tiềm năng bay hơi NH3. Dư thừa thực vật làm tăng sự mất NH3 do duy trì điều kiện ẩm, ướt ở mặt đất và do làm giảm lượng phân urea khuếch tán vào trong đất. Các tàn dư thực vật cũng làm cho sự hoạt động của urease cao. Cày vùi một phần tàn dư thực vật có thể làm giảm sự mất NH3 có ý nghĩa khi bón phân urea vãi trên mặt đất. Mặc dù sự mất NH3 chủ yếu được xác định trong phòng thí nghiệm, nhưng giá trị của chúng được nghiên cứu tỉ mỉ. Người ta nhận thấy rằng kết quả của các hệ thống thí nghiệm với các điều kiện nhân tạo về sự di chuyển không khí, nhiệt độ và ẩm độ tương đối khá đặc biệt với những gì xảy ra trong tự nhiên. Thí dụ, sự mất do bay hơi NH3 cao đến 70 % lượng phân N bón đã được báo cáo từ những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, nhưng những nghiên cứu trên đồng ruộng được thiết lập trên một số điều kiện cho thấy rằng sự mất N do bay hơi với (NH 4)2SO4 được bón vãi trên mặt đất đá vôi có thể chỉ 50 % tổng lượng phân bón, trong khi sự mất do bay hơi chỉ cao khoảng 25 % đối với urea. Trên đất chua, sự mất NH 3 đối với urea sẽ lớn hơn đối với SA. Lượng NH 3 bị mất phụ thuộc vào sự tương tác của nhiều yếu tố đất, môi trường và phân N. Sự mất do bay hơi NH3 sẽ lớn nhất trên đất đá vôi có sa cấu thô cùng với sự che phủ bởi các dư thừa trên bề mặt. 6 Sự trao đổi NH3 với cây trồng Các cây trồng có thể nhận đến 10% nhu cầu N của chúng do hấp thu trực tiếp NH 3 từ khí quyển. Các nhà nghiên cứu cho thấy rằng cây bắp non có thể hấp thu NH 3 trong khí quyển, có thể hấp thu đến 43% từ không khí chứa 1 ppm NH 3. NH3 được hình thành gần mặt đất của đồng cỏ 3 lá có thể hấp thu hoàn toàn bởi cây trồng trên đó. Một phản ứng bất lợi là sự bay hơi NH3 từ lá cây, cũng được nhận thấy từ một số cây trồng, bao gồm cỏ 3 lá, bắp, lúa mì mùa đông. Sự giải phóng của NH 3 có liên quan đến giai đoạn sinh trưởng của cây trồng, sự mất NH3 xảy ra trong thời kỳ thuần thục và úa tàn của cây. Một số nghiên cứu cho thấy rằng nhiều hơn 1/3 N trong lúa mì bị bay hơi ở dạng NH3 sau thời kỳ nở hoa. Sự mất NH3 cũng được báo cáo xảy ra ở lúa gạo và đậu nành. Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng cả 2 sự hấp thu và mất NH 3 có thể xảy ra trên các cây trồng trên đồng ruộng. Hàm lượng NH 3 mất phụ thuộc vào ẩm độ của mặt đất và mức độ bốc hơi, cả 2 đều ảnh hưởng đến lượng NH3 giải phóng vào không khí tiếp xúc với tán cây trồng. II Các Loại Phân Đạm Cả 2 nguồn N hữu cơ và vô cơ đều là nguồn hữu dụng để cung cấp N cần thiết cho khả năng sản xuất tối hảo của cây trồng. Trên quan điểm quản lý, sự hiểu biết về các tiến trình và các phản ứng của N trong đất là rất quan trọng (sự nitrate hóa, sự bay hơi, sự phản N hóa, sự rửa trôi) bất kể khi sử dụng nguồn N nào. Vì vậy, các biện pháp kỹ thuật quản lý nhằm làm tối thiểu hóa sự mất N và gia tăng hiệu quả của phân N sẽ làm tăng hiệu quả sản xuất và làm giảm tiềm năng tác động xấu của sự sử dụng phân N đến môi trường. 1 Các dạng phân hữu cơ 19
Trước năm 1850 toàn bộ các loại phân N được tiêu thụ trên thế giới là dạng của các vật liệu hữu cơ thiên nhiên, chủ yếu là N trong phân gia súc và của cây họ đậu. Hiện nay các vật liệu này chỉ còn chiếm khoảng 0,1 % hay thấp hơn tổng lượng N sử dụng. Tuy nhiên, phụ thuộc vào khối lượng phân gia súc được bón mà lượng N và các chất dinh dưỡng khác được bón vào đất cùng với phân gia súc chiếm 1 tỉ lệ đáng kể. Nồng độ N trung bình trong các chất hữu cơ tự nhiên tiêu biểu từ 1 – 13 %. Các vật liệu hữu cơ ở một thời điểm nhất định được cho là có sự giải phóng N chậm, tuy nhiên các chất hữu cơ ngoài sự cung cấp N cho cây trồng đồng thời tránh sự hấp thu thừa và làm giảm tiềm năng bị mất do rửa trôi và phản N hóa. Phần lớn N trở nên hữu dụng chỉ trong vòng 2 – 4 tuần đầu tiên sau khi bón phân hữu cơ. Trong các điều kiện tối hảo cho sự khoáng hóa và nitrate hóa, chỉ có khoảng ½ tổng số N sẽ được biến đổi thành dạng hữu dụng cho cây trồng ở 2 – 3 tháng cuối. Ngoài ra, N được khoáng hóa trong khoảng thời gian 23 tháng, 80% được biến đổi thành dạng NO3 ở cuối 3 tuần đầu tiên. Rõ ràng trong điều kiện đủ ẩm và ấm, sự giải phóng chậm của N từ các vật liệu hữu cơ không bị ảnh hưởng, và lượng N hữu dụng cho cây từ phân hữu cơ là một phần của tổng lượng N chứa trong cây trồng. 2 Các loại phân N tổng hợp Phân hóa học hay phân tổng hợp là nguồn phân N quan trọng nhất. Trên 20 năm qua, lượng phân N trên thế giới tăng từ 22 đến 79 triệu tấn. Sự tiêu thụ này có xu hướng sẽ tiếp tục tăng trong thế kỷ 21. NH3 lỏng khan là vật liệu cơ bản để sản xuất các loại phân N khác. Phần lớn NH 3 được sản xuất tổng hợp trên thế giới bằng cách cho các phản ứng các khí N2 và H2 (tiến trình Haber Bosch). Từ NH3 rất nhiều hợp chất N khác được sản xuất. Có một ít loại phân N không bắt nguồn từ NH3 tổng hợp, chúng chỉ chiếm phần nhỏ trong các loại phân N. Để thuận tiện, các hợp chất N khác nhau được xếp nhóm thành các loại: phân N ammonium, phân N nitrate, phân N chậm phân ly. 2.1 Phân N ammonium 2.1.1 NH3 lỏng khan NH3 lỏng khan chứa xấp xỉ 82%N, có hàm lượng N cao nhất so với bất kỳ loại phân N nào (bảng 5.3). NH3 có tính chất tương tự như nước, chúng có thể tồn tại ở các trạng thái khí, lỏng và rắn. Ưu điểm lớn của NH3 lỏng khan là đặc tính hòa tan của chúng. Sự thu hút nước mạnh của NH3 là điểm nổi bậc của NH 3 lỏng khan trong đất. Hậu quả của tính chất này là NH 3 nhanh chóng bị hấp thu bởi nước trong tế bào con người. Bởi vì NH3 dễ gây phản ứng với mắt, phổi và da nên những cảnh báo an toàn phải luôn được thực hiện trong sử dụng NH 3 lỏng khan. Cần thiết phải có các dụng cụ bảo hộ khi sử dụng NH3 lỏng khan. Bảng 5.3 Thành phần tiêu biểu của một số phân phổ biến Loại phân N % P2O5 % K2O CaO % MgO S % Cl % % % Ammonium sulfate 21,0 24,0 Ammonia lỏng khan 82,0 Ammonium chloriide 25,026,0 66,0 Ammonium nitrate 33,034,0 Ammonium nitrate sulfate 30,0 5,06,0 Ammonium nitrate với vôi 20,5 10,0 7,0 0,6 Superphosphat đơn 4,0 16,0 23,0 0,5 10,0 0,3 ammoniumhóa Monoammonium phosphate 11,0 48,055,0 2,0 0,5 1,03,0 MAP Diammonium phosphate DAP 18,021,0 46,054,0 20