1. Phát biểu định luật:
Khối lượng và tốc độ tuần hoàn vật chất (trong một cảnh quan văn hóa nông thôn) hay năng suất và phẩm chất nông sản (trong một khu đồng) phụ thuộc vào năng lượng (nhiệt độ và ánh sáng) cung cấp cho quá trình chuyển hóa vật chất, các yếu tố dùng làm nguyên liệu tạo sinh khối (nước, khí CO2, O2) và các yếu tố khoáng trong đất.
Sự có ít một trong các yếu tố, hạn chế hoạt động các yếu tố khác trên con đường đạt đến năng suất phẩm chất giới hạn sinh vật (xét một khu đồng) hoặc cảnh quan phồn vinh (xét một cảnh quan). Định luật này còn gọi là định luật tối thiểu.
2. Giải thích định luật:
2.1. Tính luân phiên trở thành yếu tố hạn chế:
Năng suất và phẩm chất nông sản phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi một yếu tố nào đó có ít sẽ hạn chế các yếu tố khác phát huy tác dụng, dẫn đến năng suất thấp. Khi tăng thêm yếu tố có ít, năng suất sẽ tăng dần, đồng thời một yếu tố mới lại trở thành yếu tố có ít, hạn chế năng suất. Cứ như vậy các yếu tố sẽ luân phiên xuất hiện như một yếu tố hạn chế.
2.2. Giới hạn sinh vật:
Nhu cầu về dinh dưỡng và năng suất của cây trồng là có giới hạn. Khi ta cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cho cây trồng thì nó sẽ đạt năng suất cao nhất. Nhưng nếu ta cung cấp quá nhiều dinh dưỡng cho cây thì năng suất nó không thể vượt qua giới hạn đó được mà có khi nó lại giảm về năng suất và phẩm chất, có những trường hợp bị mất trắng.
Năng suất sinh vật cao nhất có thể đạt được, quy định do tính di truyền của sinh vật được gọi là giới hạn sinh vật.
Khi các yếu tố ảnh hưởng năng suất tốt dần lên thì năng suất cũng tăng theo, đến giới hạn sinh vật.
Trong tự nhiên sự phá vỡ và nâng dần giới hạn sinh vật là do sự biến dị được tuyển chọn và lưu tồn trong quá trình chọn lọc tự nhiên. Tác động của con người là tạo ra sự phá vỡ hạn chế này dựa vào chọn lọc nhân tạo.
2.3. Tính định tính của định luật yếu tố hạn chế:
Định luật yếu tố hạn chế là định luật định tính bởi vì ...........
Các nhà nghiên cứu mong muốn tìm mối tương quan định lượng giữa năng suất và lượng yếu tố hạn chế trong đất. Nhưng cho đến nay các cố gắng đều không có kết quả. Định luật yếu tố hạn chế là định luật định tính.
3. Ứng dụng:
3.1. Bón phân cải tạo (sửa chữa) và bón phân phục hồi:
- Bón phân để khắc phục yếu tố hạn chế hoặc yếu tố thừa gây độc trong đất bằng phân bón là một mặt của bón phân cải tạo (reformation, reparation).
- Bón phân phục hồi (redresse) có nghĩa khắc phục yếu tố hạn chế mới xuất hiện trong quá trình trồng trọt.
- Bón phân bồi dưỡng còn mang ý nghĩa nâng lên (amelioration)
3.2. Cách xác định yếu tố hạn chế:
Các phương pháp thường áp dụng:
- Chẩn đoán trên cây
3.3. Khắc phục yếu tố hạn chế.
- Vận dụng quy luật các yếu tố hạn chế thay thế nhau xuất hiện để khắc phục dần từng yếu tố hạn chế năng suất theo đường xoáy trôn ốc là cách làm có hiệu quả và kinh tế hơn cả.
- Không có tỷ lệ cân đối chất dinh dưỡng thích hợp cho một loài cây trồng trên một loại đất nhất định cứng nhắc. Điều cần tìm làm cân đối dinh dưỡng cụ thể cho từng năng suất mong muốn.
3.4. Bón phân dự trữ (lay in stock)
Câu hỏi đặt ra là có nên bảo đảm mức dự trữ cao hơn mức nhu cầu để không thể xảy ra hiện tượng yếu tố hạn chế hay không? Có hay không còn là vấn đề tranh cãi.
- Hiện tượng ưu tiên sử dụng các chất dinh dưỡng dự trữ trong đất so với phân mới bón vào cho thấy bón dự trữ có thể có lợi.
- Các mặt cần được suy xét:
+ Sự rửa trôi và bào mòn có thể tăng thêm.
+ Có thể xảy ra sự hút thừa.
+ Có thể xảy ra sự mất các yếu tố khác.
3.5. Định luật yếu tố hạn chế chứng minh sự cần thiết hóa học hóa nông nghiệp:
Vì sao như vậy? Bởi vì:
- Khi tạo ra giống mới sẽ xuất hiện yếu tố hạn chế mới.
Hóa học hóa nông nghiệp còn có tác dụng khắc phục yếu tố hạn chế mới để đến năng suất sinh vật mở đường cho cách mạng xanh phát triển.
- Khắc phục yếu tố hạn chế trong một khu đồng có thể khắc phục bằng phân hữu cơ (di chuyển chất dinh dưỡng nội bộ cảnh quan) - yếu tố hạn chế trong toàn cảnh quan chỉ có thể khắc phục bằng phân hóa học.
3.6. Yếu tố hạn chế trong một cảnh quan văn hóa.
Một số cảnh quan văn hóa nông thôn không phồn thịnh (cảnh quan sa mạc, cảnh quan đất cát ven biển, cảnh quan đất bạc màu) là do có yếu tố hạn chế.
Một số trường hợp sự xuất hiện yếu tố hạn chế đã gây ra các loại bệnh cho người và gia súc: bệnh địa lý.
Cách khắc phục: không còn có cách nào khác là đưa nhân tố mới vào cảnh quan.
A. ĐẠM
1. Nguồn gốc của nitơ trong cảnh quan văn hóa nông thôn.
Nhìn sâu xa hoạt động của vi sinh vật trong thời gian hàng triệu năm đã tạo ra các hợp chất có chứa nitơ trong cảnh quan văn hóa nông thôn, các hợp chất này phần lớn ở dạng các hợp chất hữu cơ.
2. Vòng tuần hoàn lớn.
Người ta có thể phân biệt hai loại vòng tuần hoàn N trong cảnh quan văn hóa nông thôn:
2.1. Vòng tuần hoàn lớn là vòng tuần hoàn không khép kín, có phần đưa sang cảnh quan khác, có phần từ cảnh quan khác đưa vào.
Phần đưa vào bao gồm:
- Đạm do vi sinh vật cố định.
- Đạm đưa vào do nước mưa và nước tưới.
- Đạm phân chuồng, phân rác (khi xem xét một khu đồng), thức ăn gia súc, thực phẩm mua từ nơi khác đến (khi xem xét toàn bộ một cảnh quan).
- Đạm bón vào bằng phân hóa học.
Phần chuyển ra bao gồm:
- Đạm lấy đi trong sản phẩm nông nghiệp thương phẩm (nếu xét toàn bộ một cảnh quan) hoặc lấy đi trong sản phẩm thu hoạch (nếu xét một khu đồng).
- Đạm do rửa trôi và và xói mòn.
- Đạm mất đi do hiện tượng phản nitrat hóa và bay hơi amôn.
Hình- Tuần hoàn đạm trong cảnh quan nông nghiệp.
2.2. Vòng tuần hoàn lớn về N là vòng tuần hoàn có xu hướng thoái hóa.
So sánh phần đưa vào và phần chuyển ra có thể thấy:
- Nhìn toàn bộ cảnh quan: Càng trồng trọt lâu ngày cảnh quan càng nghèo kiệt về đạm.
- Nhìn một khu đồng: Nếu tăng cường lấy phân hữu cơ từ nơi khác đến thì cũng có thể giữ được cân bằng trên một diện tích hẹp, nhưng điều đó không thể thực hiện lây dài trên diện tích rộng khi diện tích canh tác ngày càng mở rộng.
2.3. Kết luận:
Hóa học hóa nông nghiệp đưa thên N bổ sung vào phần thiếu hụt là biện pháp cơ bản. Các biện pháp bổ sung để giữ cân bằng đạm là: trả lại hữu cơ, chống rửa trôi và bào mòn, chống quá trình phản đạm hóa, bay hơi amôn, tăng cường hoạt động vi sinh vật cố định N.
3. Vòng tuần hoàn nhỏ:
Có 2 vòng tuần hoàn nhỏ.
3.1. Vòng thứ nhất: Có 2 quá trình: sự phân giải các hợp chất hữu cơ có chứa N thành hợp chất vô cơ có chứa đạm và ngược lại. Cả hai quá trình này đều do các vi sinh vật thực hiện.
- So sánh hai quá trình: nếu chất hữu cơ tỷ lệ C/N cao, sự tổng hợp mạnh. Nếu tỷ lệ C/N thấp sự phân giải mạnh. Nếu sự tổng hợp mạnh, cây sẽ thiếu đạm dễ tiêu.
Kết luận rút ra:
Cần chú ý tỷ lệ C/N lúc sử dụng các phân hữu cơ. Tăng thêm N vô cơ khi bón phân rác hoặc vụìi trả lại xác bã thực vật.
3.2. Vòng thứ 2: Vòng thứ hai là sự chuyển từ đạm hòa tan trong nước thành đạm hấp thu trong hệ hấp thu và ngược lại.
- Quá trình này chỉ đáng chú ý ở N dạng amôn vì N ở dạng nitrat ít bị đất hấp thu.
- Khả năng giữ đạm phụ thuộc khả năng hấp thu của đất.
Kết luận rút ra: để tăng hiệu quả phân đạm cần bón phân hữu cơ, bón sét, bón đạm nhiều lần.
4. Các ứng dụng thực tiễn.
Từ đó có thể rút ra các ứng dụng sau đây:
- Xem trọng hóa học hóa nông nghiệp
- Phân loại cảnh quan văn hóa nông thôn để đánh giá mức nhu cầu đạm từng vùng.
- Áp dụng các biện pháp canh tác hợp lý để tăng cường sự cố định N do vi sinh vật và hạn chế sự mất đạm.
(Định luật năng suất và phẩm chất nông sản không tăng tỷ lệ thuận với lượng bón - còn gọi là định luật Mitseclic).
* Phát biểu định luật
Nếu trong đất có quá nhiều một yếu tố dễ tiêu, do sẵn có trong tự nhiên hoặc do bón phân, các yếu tố khác có thể bị giảm hiệu quả, cây trồng có thể bị nhiễm độc dẫn đến năng suất và phẩm chất tăng chậm lại hoặc giảm năng suất và phẩm chất. Năng suất và phẩm chất nông sản không tăng tỷ lệ thuận với lượng bón.
* Giải thích định luật
+ Các hình thức thể hiện định lượng của định luật
- Mitseclic diễn tả dưới dạng hàm số lũy thừa.
log (A-y) = logA - cx
log (A-y) = logA - c(x-b)
dy: là năng suất tăng lên khi tăng lượng dx phân bón
A: là năng suất giới hạn sinh vật
c: là hệ số thay đổi theo khí hậu, đất đai...
y: là năng suất đạt được khi bón x
b: là lượng chất dinh dưỡng dự trữ trong đất.
- Bôle diễn tả dựa theo khái niệm đơn vị Bôle (đặt A=100)
log(100-y) = log100 - 0,301x
x: là lượng bón
y: là năng suất tính theo đơn vị Bôle.
Một đơn vị Bôle là lượng bón để đạt 50% năng suất giới hạn sinh vật.
- Phương trình Spillman: y = A(1-10-2x)
log(A-y) = logA - 0,301x
y: là năng suất khi bón lượng x
A: là năng suất giới hạn sinh vật.
- Phuơng trình Uyncos: giữa năng suất và hàm lượng đạm trong cây trồng có mối quan hệ:
n: là tỷ lệ N trong sản phẩm
k: là hằng số
Nhược điểm của các cách diễn tả theo định lượng khi ứng dụng trong thực tiễn là khả năng xác định A và hằng số c.
Một mặt nhược điểm khác là định luật Mitseclic biểu hiện bằng hàm số lũy thừa, khi biểu hiện bằng đồ thị là một đường tiệm cận với năng suất tối đa, nên không thể hiện được sự giảm năng suất khi bón quá lượng.
Vì vậy nhiều tác giả cho rằng định luật tối đa cũng như định luật tối thiểu có giá trị định tính.
+ Sự giảm năng suất khi bón quá lượng
Nhiều thí nghiệm về lượng bón cho thấy rằng khi bón với lượng cao không những chỉ xuất hiện hiện tượng trị số tăng năng suất thấp hơn trước, mà còn xuất hiện hiện tượng trị số tăng năng suất âm, tức là sản lượng giảm - đường cong biểu hiện mối tương quan giữa năng suất và lượng bón có đỉnh tối đa.
Hiện tượng này rất rõ đối với các yếu tố dễ di động như N, S,... và ít rõ hơn các yếu tố ít di động P, K, Ca, Mg.
+ Nguyên nhân của sự giảm năng suất khi bón quá lượng
Nguyên nhân của sự giảm năng suất đến từ hai phía:
à Sinh lý cây trồng: ảnh hưởng tiêu cực của lượng chất dinh dưỡng quá cao đối với các quá trình sinh lý của cây: sự hút thừa có hại.
à Đất: bón nhiều một yếu tố nào đấy sẽ:
- Ảnh hưởng đến tính dễ tiêu của các chất dinh dưỡng của bộ rễ.
- Ảnh hưởng đến tính dễ tiêu của các chất dinh dưỡng khác trong đất.
- Ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật.
+ Định luật tối đa áp dụng đối với phẩm chất nông phẩm
Phẩm chất nông sản thay đổi tuân theo định luật tối đa và tối thiểu: khi thiếu chất dinh dưỡng hay thừa chất dinh dưỡng, phẩm chất nông sản đều kém.
Sự thiếu hay thừa yếu tố dinh dưỡng ảnh hưởng trước hết đến phẩm chất nông sản, sau đó khi thiếu hoặc thừa cao hơn nữa mới ảnh hưởng đến năng suất.
+ Sự gây độc
Sự giảm năng suất hay sự gây phát triển không bình thường, hoặc chết cây do sự có mặt nhiều một yếu tố nào đó gọi là sự gây độc. Lượng chất đến mức gây độc gọi là ngưỡng gây độc.
- Khi lượng một chất do quá ít, hạn chế hoạt động các yếu tố khác nó là yếu tố hạn chế. Khi quá nhiều nó là yếu tố gây độc.
- Không có một chất gây độc tuyệt đối. Nhiều chất được xem là chất độc khi có ít lại các tác dụng có lợi.
- Các chất được xem là chất độc theo kiểu thông thường là những chất có rất ít, ít khi thiếu nên ít khi gặp trường hợp do thiếu mà gây ra hạn chế, mà thường gặp trường hợp do có nhiều mà gây độc.
+ Định luật tối đa áp dụng cho hiệu suất phân bón
àHai cách tính hiệu suất:
- Tính so với đối chứng không bón.
- Tính so với lượng bón trước nó.
à Với cả hai cách tính định luật tối đa vẫn thể hiện: khi tăng dần lượng bón hiệu suất sử dụng phân bón đạt đến đỉnh tối ưu sau đó giảm dần.
+ Định luật tối đa áp dụng cho lãi suất phân bón
Khi tăng dần lượng bón, lãi suất bón phân tăng, đạt đến đỉnh tối đa sau đó giảm dần.
Tùy theo tỷ giá phân bón và nông sản mà lượng bón tương ứng với đỉnh tối đa của lãi suất xuất hiện trước hay đỉnh tối đa của hiệu suất sẽ xuất hiện trước.