Bài viết Ảnh hưởng của phân than sinh học hữu cơ - khoáng đến tuần hoàn nitơ trong đất, khả năng quang hợp và hiệu suất sử dụng nitơ của cây trồng tìm hiểu động lực học của N trong đất và cây trồng dưới tác động của phân bón hữu cơ, phân bón than sinh học thương mại và phân than sinh học hữu cơ-khoáng.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN THAN SINH HỌC HỮU CƠ KHỐNG ĐẾN TUẦN HỒN NITƠ TRONG ĐẤT, KHẢ NĂNG QUANG HỢP VÀ HIỆU SUẤT SỬ DỤNG NITƠ CỦA CÂY TRỒNG Nguyễn Thị Thu Nhạn1, 2*, Hoàng Thị H1, Nguyễn Hồng Nam3 TĨM TẮT Phân bón sinh học hữu cơ-khống có khả thay than sinh học thơng thường phân bón hữu để cải thiện chất lượng đất tăng khả quang hợp trồng Nghiên cứu khám phá chế liên quan đến chu trình luân chuyển nitơ (N) đất gừng (Zingiber officinale: Zingiberaceae) cơng thức khác Đất bón bốn loại phân bón khác nhau, bao gồm: (1) phân hữu thương mại: tấn/ha, làm mẫu đối chứng; (2) phân than sinh học thương mại từ tre: tấn/ha; (3) phân than sinh học hữu cơ-khoáng liều thấp: tấn/ha; (4) phân than sinh học hữu cơ-khoáng liều cao: 7,5 tấn/ha Các dạng C N đất thực vật phép đo trao đổi khí phân tích Kết cho thấy giai đoạn đầu, bón phân than sinh học hữu cơ-khống liều thấp làm tăng N Phân than sinh học hữu cơ-khoáng liều cao làm tăng đáng kể hiệu suất sử dụng N (NUE) sinh khối mặt đất so với công thức khác cải thiện quang hợp so với công thức đối chứng Nghiên cứu cho thấy phân than sinh học hữu cơ-khống có lợi nông học so với phân đạm vô hữu tươi/thơ cho phép người nơng dân đưa chất dinh dưỡng vào đất với nồng độ cao mà không hạn chế khả dễ tiêu, hấp thu N quang hợp Nghiên cứu khuyến cáo nên sử dụng phân than sinh học hữu cơ-khoáng liều thấp để thay phân hữu thương mại Từ khóa: Than sinh học, phân bón, nitơ, quang hợp, hiệu suất sử dụng nitơ (NUE) ĐẶT VẤN ĐỀ Nitơ (N) thành phần dinh dưỡng đất đóng vai trị quan trọng q trình quang hợp, giúp tăng suất trồng [1-3] Than sinh học nghiên cứu nhiều thập kỷ nguyên liệu đầy hứa hẹn để cải thiện N đất, hoạt động loại phân bón giải phóng N chậm và/hoặc làm giảm q trình rửa trơi N [4-6] Than sinh học tăng cường quang hợp cách: (1) hoạt động loại phân bón chứa N giải phóng chậm, (2) làm giảm nồng độ malondialdehyt, superoxitvà hydro peroxit (H2O2) lá, nguyên nhân gây suy thối chất diệp lục, (3) cải thiện nước có sẵn đất (4) hấp thụ độc tố thực vật có đất [7] Than sinh học tác động đến biến đổi N đất, tác động đến N quang hợp Khi than sinh Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Khoa Khoa học, Sức khỏe, Giáo dục Kỹ thuật, Đại học Sunshine Coast, Úc * Email: nttnhan.mt@hunre.edu.vn Khoa Môi trường, Biến đổi khí hậu Đơ thị, Trường Đại học Kinh tế Quốc dân học cải thiện hấp thu N tăng N dễ tiêu đất (NH4+-N NO3 N), giúp tăng hàm lượng N tổng số lá, làm tăng q trình quang hợp Ngoài ra, số trường hợp, việc cung cấp N tốt cải thiện q trình quang hợp cách kích thích phát triển tăng tổng số tán khơng ảnh hưởng đến N tổng số [7] Các nghiên cứu gần cho thấy cần phải phát triển loại phân bón than sinh học dinh dưỡng giảm chi phí đầu vào, sử dụng than sinh học đơn tỉ lệ bón cao khơng hiệu mặt kinh tế [7] Phân bón than sinh học hữu cơ-khoáng định nghĩa sản phẩm phân bón sinh học có hiệu cao, liều lượng thấp [7] Đối với đất, phân bón than sinh học hữu cơ-khoáng giảm nitơ (N) nhờ khả trao đổi cation (CEC) lớn nhiều loại than sinh học khác Có nhiều phương pháp tiếp cận khác để tạo loại phân bón phần lớn số liên quan đến việc xử lý than sinh học với vật liệu giàu dinh dưỡng rẻ tiền (ví dụ, chất hữu cơ, bùn, phân hóa hc, khoỏng cht) [7] Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 11/2021 51 KHOA HC CÔNG NGHỆ Các chế than sinh học ảnh hưởng đến động học N sinh lý thực vật nghiên cứu Tuy nhiên, làm phân bón than sinh học hữu cơ-khống ảnh hưởng đến động học N sinh lý thực vật chưa hiểu đầy đủ Mục đích nghiên cứu tìm hiểu động lực học N đất trồng tác động phân bón hữu cơ, phân bón than sinh học thương mại phân than sinh học hữu cơ-khoáng NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Địa điểm nghiên cứu Nghiên cứu thực Mt Mellum, QLD, Úc trang trại gừng hữu địa phương Thí nghiệm thiết lập vào tháng 10 năm 2014 gừng thu hoạch vào tháng năm 2015 Nhiệt độ trung bình tối đa tháng suốt thời gian thí nghiệm dao động từ 22°C đến 27°C tổng lượng mưa 1.680 mm [8] Loại đất dermosol đen, kết cấu đất sét màu nâu Thiết lập thí nghiệm: Đất thu thập độ sâu 300 mm, đồng sàng qua rây mm trước sử dụng cho thí nghiệm Tính chất đất dermosol đen điển hình với độ pH 6,1; C tổng số đất (TC) 2,71%; N tổng số đất (TN) 0,27% NH4+-N NO3 N 17,12 56,28 µg/g (Bảng 1) kg đất đặt vào chậu nhựa 300 mm Củ gừng giống lựa chọn chuẩn bị cẩn thận để đảm bảo khối lượng tương tự (khoảng 60 gram) Củ gừng giống bao phủ kg mùn cưa thực tế canh tác gừng địa phương Bảng Tính chất hóa học đất loại phân bón dùng thí nghiệm Chỉ số Đơn vị Đất Các loại phân bón Phân hữu Phân than sinh học Phân than sinh thương mại thương mại từ tre học hữu cơkhoáng CEC M.E./100g 38,18 EC Ds/m 0,045 11,0 12,0 pH(CaCl2) 6,1 7,8 7,8 7,1 Khả trung hịa axít % CaCO3 5,2 7,4 C % 2,71 28,0 50,0 28,0 N % 0,27 2,9 1,1 1,2 WSOC* µg/g 201,26 WSTN* µg/g 52,16 C:N 12,89 9,7 45,5 23,3 NH4+-N µg/g 17,12 300,0 220,0 NO3 -N µg/g 56,28 0,71 4,0 Ghi chú: WSOC- C hữu hòa tan nước (Water-soluble organic carbon); WSTN- tổng N hòa tan nước (Water-soluble total nitrogen) Có bốn cơng thức thí nghiệm bao gồm: (1) phân hữu thương mại: tấn/ha, làm mẫu đối chứng; (2) phân than sinh học thương mại từ tre: tấn/ha; (3) phân than sinh học hữu cơ-khoáng liều thấp: tấn/ha; (4) phân than sinh học hữu cơ-khống liều cao: 7,5 tấn/ha Tính chất hóa học loại phân bón tóm tắt bảng Mỗi chậu công thức (1) (2) bón thêm thạch cao: 25 g, phốt phát đá: g, boron dạng hạt: 0,125 g kali sunfat: 1,25 g Mỗi công thức lặp lại lần (n=5) Phân hữu thương mại sản phẩm Super Growth, loại phân bón đa dựa phân gia 52 cầm ủ hoai mục hoàn toàn mặt sinh học, chứa vi khuẩn sống có ích ngun tố vi lượng Cơng ty Katek Fertilizers Australia Phân than sinh học thương mại từ tre sản xuất từ than tre, tro tre, giấm tre, bột cám gạo, cặn đậu nước Sản phẩm có nguồn gốc từ nhà cung cấp thương mại Cơng ty Seek Bio-Technology (Shanghai) Co., Ltd có trụ sở Thượng Hải, Trung Quốc Sản xuất phân than sinh học hữu cơ-khống mơ tả tài liệu Farrar et al (2019) [8] Hai sản phẩm than sinh học khác bao gồm: than sinh học gốc phân (P1) than sinh học gốc tre (P2) trộn với số thành phần khác P1 Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - TH¸NG 11/2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ than sinh học tự chế tạo sản xuất từ phân gia cầm tươi, rơm lúa mạch, oxit sắt đất sét (tỷ lệ phần trăm 45: 45: 5: 5) nhiệt độ cao 450oC P2 hỗn hợp than sinh học từ tre sản xuất nhiệt độ cao (600oC 450oC), phân hữu thương mại, oxit sắt sunfat sắt (tỷ lệ phần trăm 8: 32: 50: 5: 5) P1 P2 kết hợp với khoáng chất, phân hữu thương mại, đất sét, tro rơm lúa mạch quặng sắt magnetit (tỷ lệ phần trăm 30: 20: 18: 15: 10: 5: 2) Hỗn hợp cuối làm ẩm, đồng sấy 80oC Thu thập phân tích mẫu: Các mẫu thực vật đất thu thập từ cơng thức để đo trao đổi khí tính chất hóa học khác Ba lần thu mẫu tiến hành vào tháng 1, tháng tháng năm 2015 (tương ứng vào tuần 14, 22 30 sau trồng) để phản ánh giai đoạn giữa, cuối tăng trưởng lão hóa gừng [9] Vụ thu hoạch thực vào tháng năm 2015 (vào tuần 30) thể giai đoạn lão hóa cuối Chỉ số hấp thụ N thân/rễ/lá (UI) tính cho thân, rễ theo phương trình sau: N hấp thụ khối lượng thân (mg/chậu) = Hàm lượng N thân (mg/kg sinh khối khô) x N sinh khối khô (Phương trình 1) Hiệu suất sử dụng N (NUE) tính cho sinh khối mặt đất theo công thức sau: NUEsinh khối mặt đất = (Tổng sinh khối mặt đất)/(Tổng N sinh khối mặt đất) [10] (Phương trình 2) NUE sinh khối mặt đất khơng tính tốn khơng chắn việc đo lường tổng C tổng N liên quan đến việc làm khơ rễ Đo trao đổi khí phân tích lá: Các phép đo trao đổi khí quang hợp tiến hành cho năm chọn công thức vào tháng tháng năm 2015 (tuần 14 22 sau trồng) sử dụng hệ thống quang hợp cầm tay (Li-Cor 6400, Lincoln, NE, Hoa Kỳ) trang bị CO2 kiểm sốt nhiệt độ mơ-đun Việc đo trao đổi khí cho vụ thu hoạch (30 tuần) không thực già hóa Hai trưởng thành mở rộng hoàn toàn từ đỉnh thân chọn để đo trao đổi khí Đường cong A-Ci, tức phản ứng trạng thái ổn định quang hợp (A) áp suất riêng phần TCO2 (tổng cacbonic) bên tạo cho chọn 28oC khoảng sáng đến chiều Áp suất riêng phần CO2 (Ca) cài đặt thành 10 11 mức khoảng từ đến 200 Pa (2.000 ppm) Tại điểm đặt Ca, thông số quang hợp ghi lại trao đổi khí đạt trạng thái cân Các sau cắt, quét phần mềm Win Folia 2004 (Regent Instrument Inc., Sainte-Foy, Quebec, Canada) để đo diện tích sấy khơ 65oC để phân tích thêm Đường cong A-Ci phân tích cách sử dụng phần mềm Photosynthesis Assistant (Dundee Scientific, Scotland, Vương quốc Anh) để tính tốc độ carboxyl hóa tối đa Rubisco (Vcmax) khả tái sinh RuBP điều chỉnh tốc độ vận chuyển điện tử tối đa (Jmax) Tốc độ quang hợp điểm bão hòa CO2 (Asat) quang hợp tối đa (Amax) tính tốn mật độ quang thơng quang hợp (PPFD) 1.500 μmol m2/s 30 Pa Ci (300 ppm) Asat, Amax, số độ dày (SLA) TN (N tổng số) sử dụng để tính tốn Asat Amax dựa khối lượng Asat Amax dựa N SLA tính theo phương trình sau: SLA = (Diện tích lá) / (Khối lượng khơ lá) (m2/g) [11] (Phương trình 3) Lá sấy khơ có khối lượng khơng đổi nghiền thành bột mịn để phân tích TN, TC (tổng bon) máy quang phổ khối (GV Isoprime, Manchester, UK) Tại thời điểm 30 tuần sau trồng cây, phận gồm lá, thân, rễ, củ thu hoạch, sấy khô đến khối lượng khơng đổi, nghiền thành bột mịn phân tích TN, TC Thu thập phân tích mẫu đất: Khoảng 100 g đất lấy từ năm chậu lặp lại công thức mà không làm xáo trộn rễ lần lấy mẫu Các mẫu đất sàng qua rây mm trước phân tích Độ pH đất, N vô (NH4+-N NO3 N), C N hữu hòa tan, đất TC, đất TN phân tích NH4+-N NO3 N đất chiết xuất dung dịch KCl 2M phân tích máy phân tích hóa học SmartChem 200 (Unity Scientific, Brookfield, CT, Hoa Kỳ) Một mẫu khác chiết nước để đo C hữu hòa tan nước (Water-soluble organic carbon WSOC) tổng N hịa tan nước (Water-soluble total nitrogen WSTN) N«ng nghiƯp phát triển nông thôn - K - THáNG 11/2021 53 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ g đất thêm vào 35 ml nước cất, sau lắc máy phút, ly tâm 10.000 vòng/phút 10 phút lọc qua giấy lọc Whatman 42, sau lọc qua lọc 0,45 mm điều khiển ống tiêm Millex Nồng độ WSOC WSTN dung dịch lọc đo máy phân tích Shimadzu TOCVCSH/CSN TOC/N Phân tích thống kê: Tất liệu kiểm tra phân phối chuẩn phương pháp Shapiro Wilk; tính đồng phương sai kiểm tra sử dụng phương pháp Levene Dữ liệu ban đầu phân tích phân tích phương sai lặp lặp lại (repeated ANOVA) với tuần lấy mẫu số đo lặp lại Do tương tác đáng kể tuần lấy mẫu thí nghiệm cho nhiều tham số, liệu phân tích cách sử dụng phân tích phương sai chiều (one-way ANOVA), sau trắc nghiệm a Duncan new multiple range test (p