3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.6. Tổng quan về Nitơ, Phốt pho trong đất trồng lúa
1.6.1. Quá trình chuyển hóa của N, P trong đất lúa
1.6.1.1. Quá trình chuyển hóa của N trong đất lúa
Do chế độ ngập nước của đất lúa mà quá trình canh tác của đất lúa khác với các loại đất khác và đặc biệt sự chuyển hóa N trong đất có những nét đặc trưng. Đất lúa ngập nước có đặc điểm phân thành lớp ôxy hóa và khử. Lớp khử (lớp đất sâu) có Eh < 200 mV, có mặt của NH4+, Fe2+, Mn2+ và S2-. Lớp ôxy hóa (lớp tiếp giáp mặt nước) giàu ôxy hơn có Eh dao động trong khoảng 250 – 400 mV và có mặt của NO3-, Fe3+, Mn4+, SO42-. Khi xuất hiện quá trình khử thì NO3- là chất dinh dưỡng đầu tiên bị khử làm mất N khỏi đất.
Trong đất lúa ngập nước N khoáng chủ yếu ở dạng NH4+ là kết quả của quá trình khoáng hóa – quá trình chủ đạo cung cấp N khoáng dạng NH4+ cho cây lúa. Trong đất lúa thì NH4+, NO3- cũng bị cố định tạo thành N hữu cơ trong cơ thể sinh vật. Nếu quá trình khoáng hóa chiếm ưu thế hơn quá trình cố định thì N khoáng được tích lũy cung cấp cho cây và ngược lại thì N bị mất tạm thời đối với dinh dưỡng của cây trồng.
Trong đất lúa N còn có thể mất liên quan đến hai quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa. Sự phản nitrat hóa là một hiện tượng phổ biến trong đất ngập nước do phản ứng sinh hóa giữa nitrat và các sản phẩm của sự trao đổi chất yếm khí gây ra.
Vì vậy áp suất ôxy thấp và sự có mặt của các chất hữu cơ dễ phân giải là các điều kiện thuận lợi cho sự phản nitrat hóa.
Theo Broadbent và Stojanoyic thì lượng NO3- bị tổn thất do NO3- bị khử thành NH3 không lớn, chỉ vào khoảng 0 – 6%. Nitrit là sản phẩm trung gian của sự phản nitrat hóa và sự khử ôxy của nitrat, luôn có mặt trong đất ngập nước với hàm lượng không cao (≤ 3 ppm).
1.6.1.2. Quá trình chuyển hóa của P trong đất lúa
Sự cố định lân trong đất chua bởi các thành phần khoáng thường là kết quả từ phản ứng của các ion phốt phat với Fe, Al và có thể là các khoáng sét silicate. Trong đất phèn sau 15 ngày ngập nước thì hầu hết P chuyển sang dạng liên kết với Fe, Al. Lúc này hàm lượng Fe, Al giảm đi nhanh chóng sau 15 – 20 ngày ngập nước. Đất ở điều kiện ôxy hóa cố định P nhiều hơn dưới điều kiện khử.
Ở đất chua, ion phốt phatkhông những phản ứng với Al3+ và Fe3+ hòa tan mà còn phản ứng với các oxit ngậm nước của các nguyên tố gibsit (Al2O3.3H2O) và Geothit (Fe2O3.3H2O).
Ở đất chua số lượng lân bị các oxit sắt và oxit nhôm ngậm nước cố định còn vượt qua cả số lượng lân bị kết tủa với Al3+,Fe3+ và Mn hòa tan.
Tương tự trong đất kiềm thì Ca2+ sẽ phản ứng với ion phốt phat để tạo thành các hợp chất khó tan.
1.6.2. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình chuyển hóa N, P trong đất
1.6.2.1. Ảnh hưởng của thành phần cơ giới đất
Trong đất chứa nhiều CO2 hơn O2. Lượng CO2 trong đất phụ thuộc vào trạng thái của đất. Đất chặt (thành phần cơ giới nặng) lượng CO2 nhiều hơn đất tơi xốp. Càng xuống sâu lượng CO2 càng tăng lên. Trong đất nhiều CO2 và ít O2 thì bất lợi cho sự hô hấp và sinh trưởng của các vi sinh vật. Vì vậy sự chuyển hóa N, P trong đất có thành phần cơ giới nặng bao giờ cũng chậm hơn trong đất có thành phần cơ giới nhẹ. Điều này đồng nghĩa với việc trong đất thành phần cơ giới nhẹ chất hữu cơ và mùn bị phá hủy nhanh chóng làm đất không nhiều mùn và ít đạm.
1.6.2.2. Ảnh hưởng của chất hữu cơ trong đất
Tốc độ khoáng hóa N, P trong đất phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ trong đất. Đối với N thì khoáng hóa mạnh nhất là các loại đường, tinh bột, sau đó đến protit, cenlulo, bền vững hơn cả là lignin, sáp, nhựa. Còn đối với P thì axit nucleic dễ khoáng hóa hơn phytin.
Tỷ số C/N càng thấp (< 15:1) điều đó chứng tỏ khoáng hóa xảy ra mạnh giải phóng nhiều N dạng vô cơ. Nếu C/N cao (> 30:1) quá trình khoáng hóa xảy ra chậm. Không những vậy C/N cao sẽ ngăn chặn sự phóng thích NH4+ đồng thời ngăn chặn sự nitrat hóa. Nếu NH3 hiện diện quá cao cũng làm kìm hãm sự nitrat hóa do NH3 gây độc đối với nitrobacter vì thế có sự tích lũy các ion NO2- gây độc (Brady, 1984).
Theo Đỗ Thị Thanh Ren và ctv (1995) thì đất giàu mùn làm tăng hiệu quả cố
định N của Rhizobium và Azotobacter, khả năng nitrat hóa cũng tăng lên.
Ngưỡng C/P càng thấp thì khoáng hóa xảy ra càng nhanh, giải phóng lân vô cơ nhanh hơn so với C/P cao.
1.6.2.3 Ảnh hưởng của pH
Giá trị pH có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình chuyển hóa N trong đất.
Quá trình cố định đạm bằng con đường sinh học thì hầu hết các loài vi khuẩn tham gia vào quá trình này có thể phát triển tốt ở pH = 6 – 7. Sự phát triển
và hoạt động của Rhizobium sẽ giảm khi tính axit của đất tăng.
Quá trình khoáng hóa đạm được tăng cường khi pH > 5,5.
Quá trình nitrat hóa xảy ra trong khoảng pH = 5,5 – 10 và tối ưu ở pH = 7. Quá trình phản nitrat hóa
Phản nitrat hóa không thể xảy ra khi pH thấp vì ở điều kiện đó vi khuẩn phản nitrat hóa không hoạt động. Các nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ phản nitrat hóa có giá trị cao nhất trong khoảng pH = 7 – 7,5. pH = 4,9 – 5,6 đạm bị mất chủ yếu ở dạng N2O, pH > 7 chủ yếu mất đạm ở dạng N2.
Trong đất có phản ứng axit thì P sẽ liên kết với Fe, Al làm giảm hàm lượng P dễ tiêu trong đất tạo thành phức như (Fe(OH)2H2PO4) và (Al(OH)2 H2PO4). Trong đó tại pH < 4 thì sẽ tạo phức Fe – P và tại pH = 5 – 5,5 thì tạo phức Al – P là chủ yếu [21].
Đối với đất có phản ứng kiềm thì P sẽ liên kết với Ca. Trong điều kiện hiếu khí có cả Fe, Al và Ca thì phốt phat tan nhiều nhất tại pH = 6 – 7. Khi môi trường không có ôxy Fe3+ bị khử thành Fe2+ tạo phức với phốt pho, làm giảm độ dễ tiêu của phốt pho.
Lân trong đất không những bị cố định bởi cation Al, Fe mà còn bị cố định bởi các ôxit ngậm nước của các nguyên tố gibsit (Al2O3.3H2O) và geothit (Fe2O3.3H2O).
Hình 2: Hiệu lực phốt pho bị ảnh hưởng bởi pH đất
1.6.2.4 Ảnh hưởng của cường độ ôxy hóa khử dung dịch đất
Cường độ ôxy hóa khử của dung dịch đất được xác định bằng điện thế ôxy hóa – khử (kí hiệu Eh). Thế ôxy hóa khử ảnh hưởng rất lớn tới các quá trình biến đổi N trong đất.
Quá trình khoáng hóa:
Tốc độ khoáng hóa cũng phụ thuộc vào điều kiện thoáng khí của đất. Sự khoáng hóa cần có nước nhưng nếu độ ẩm quá cao gây yếm khí thì sẽ dẫn đến tình
trạng phân hủy chất hữu cơ giảm. Đối với đất ruộng ngập nước việc cày ải phơi ruộng (giúp đất thoáng khí trước khi trở lại trạng thái ẩm sẽ làm cho quá trình khoáng hóa diễn ra mạnh hơn đất bị ngập liên tục (Nguyễn Quan Lữ, 1981).
Quá trình nitrat hóa
Nitrat hóa là một quá trình oxy hóa vì vậy cần điều kiện đất thoáng khí. Đối với đất thoáng khí và đất thoát nước tốt cung cấp đầy đủ oxy thì quá trình nitrat xảy ra mạnh và nhanh. Trong đất ngập nước liên tục, đất ở điều kiện yếm khí thì quá trình nitrat hầu như không xảy ra (Brady, 1984).
Quá trình phản nitrat hóa
Quá trình phản nitrat hóa xảy ra trong điều kiện thiếu oxy, vi sinh vật dùng nitrat làm nguồn oxy để hô hấp yếm khí giải phóng khí N2 hoặc các khí nitơ oxit trả lại môi trường. Trong điều kiện đất thoáng khí giàu oxy thì vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng oxy trước làm chất nhận điện tử, khi đó quá trình phản nitrat hóa bị cản trở.
Cũng giống như quá trình khoáng hóa đạm thì quá trình khoáng hóa lân cũng xảy ra mạnh trong điều kiện môi trường có sự xen kẽ khô – ẩm liên tục. Trong điều kiện thoáng khí P có thể bị cố định bởi Fe3+.
1.6.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và ẩm độ
Quá trình cố định đạm: vi khuẩn nốt sần Rhizobium thích ứng và phát triển
tốt tại đất có ẩm độ 60 – 70%, nhiệt độ từ 28 – 300C. Quá trình khoáng hóa
Độ ẩm đất ảnh hưởng đến tốc độ khoáng hóa N. Theo Alexander (1961) cho rằng đất có độ ẩm 70% thì làm hượng N khoáng hóa khoảng 180ppm sau 28 ngày ủ và hàm lượng chỉ đạt 40 ppm ở độ ẩm 27% khả năng giữ nước của đất trên cùng một điều kiện thí nghiệm. Độ ẩm thích hợp cho sự khoáng hóa N thường là 50 – 60% khả năng giữ nước của đất.
Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nhiệt độ tối hảo cho quá trình khoáng hóa là 25-300C. Nhiệt độ lạnh lâu dài cũng làm cho tốc độ khoáng hóa xảy ra chậm, do đó vùng ôn đới đất thường giàu mùn hơn vùng nhiệt đới.
Quá trình nitrat hóa
Nhiệt độ và độ ẩm đều ảnh hưởng mạnh đến quá trình nitrat hóa. Nhiệt độ thích hợp cho sự nitrat hóa là 25 – 350C. Nhiệt độ thấp < 150C làm quá trình nitrat diễn ra chậm. Sự nitrat giảm khi nhiệt độ > 350C và giảm liên tục khi nhiệt độ lớn hơn 500C. Hầu hết các vi khuẩn nitrat hóa không còn sinh trưởng ở nhiệt độ nhỏ hơn 40C. Khoảng nhiệt độ gây chết vi khuẩn Nitrosomonas là 55 – 580C.
Theo Brady (1984) thì quá trình nitrat cũng cần cung cấp đủ nước. Độ ẩm đất quá thấp hoặc quá cao cũng làm chậm sự nitrat hóa. Trên thực tế độ ẩm thích hợp cho sự sinh trưởng của cây trồng cũng là độ ẩm thích hợp cho sự nitrat hóa.
Quá trình phản nitrat hóa
Quá trình phản nitrat hóa có thể xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 5 – 350C. Nhiều loài vi khuẩn phản nitrat hóa dễ thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ.
Các chủng vi sinh vật có nhiệt độ thích hợp cho quá trình phân giải lân là khác nhau. Mỗi chủng sẽ thích hợp ở một nhiệt độ nhất định nằm trong một khoảng nhiệt độ nhất định nào đó. Nhìn chung khoảng nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng 30 – 500C.
Ở những nơi có độ ẩm cao, do hoạt động của vi sinh vật mạnh nên tạo ra nhiều axit hữu cơ làm tăng phân giải lân.
1.7. Ảnh hưởng của chế độ nước đến các yếu tố chi phối sự tồn tại và chuyển hóa Nitơ, Phốt pho trong đất
1.7.1. Ảnh hưởng của chế độ nước đến chất hữu cơ trong đất
Chế độ nước ảnh hưởng đến điều kiện háo khí hoặc yếm khí. Trong điều kiện khô hanh quanh năm, tốc độ mùn hóa chậm, nhưng nếu thường xuyên ngập nước mùn hóa thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí sẽ sinh ra những axit hữu cơ và các chất khử (CH4, H2S…), những chất này kìm hãm hoạt động của vi sinh vật làm cho tốc độ mùn hóa chậm hơn và xác hữu cơ biến thành than bùn.
Trong điều kiện có mùa khô, ẩm xen kẽ thì mùn được tích lũy nhiều nhất. Trong điều kiện ẩm, nóng, khoáng hóa chiếm ưu thế. Khi khô, lạnh các hợp chất hữu cơ đã hình thành khi phân giải ở mùa nóng, ẩm được vi sinh vật chuyển hóa, trùng hợp lại tạo thành mùn.
1.7.2. Ảnh hưởng của chế độ nước đến diễn biến pH đất
Ảnh hưởng của chế độ nước đến pH đất đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu và đưa ra kết luận khi các loại đất ngập nước thì có xu hướng tăng hoặc giảm pH và tiệm cận về giá trị pH = 7. Đối với các loại đất có pH < 7 thời gian ngập càng dài giá trị pH càng tăng do khi ngập nước quá trình khử xảy ra. Đây là quá trình sử dụng proton (H+). Do vậy nồng độ H+ trong đất giảm, pH tăng.
Fe2O3 + 6H+ + 2e- → Fe2+ + 3H2O MnO2 + 4H+ + 2e- → Mn2+ + 2H2O
Ngược lại trong đất pH > 7 thì CO2 hòa tan trong nước tạo thành HCO3- làm cho pH giảm. Quá trình trung hòa pha loãng xảy ra làm pH đất giảm và tiệm cận về giá trị pH = 7.
1.7.3. Ảnh hưởng của chế độ nước đến diễn biến thế ôxy hóa khử của đất
Trong đất lúa ngập nước động thái Eh phụ thuộc vào 3 yếu tố là thời gian ngập nước, chế độ bón phân và sự sinh trưởng của cây lúa. Trong đó chế độ nước có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với động thái Eh. Thời gian ngập nước càng dài thì Eh càng giảm và ngược lại.
Theo TS. Nguyễn Việt Anh (2009) [2] tiến hành thí nghiệm sự thay đổi Eh theo thời gian ngập nước cũng cho kết quả tương tự. Trong 8 ngày đầu sau khi ngập nước giá trị Eh giảm nhanh chóng (từ 129 mV xuống còn -84 mV và từ 168 mV xuống – 185 mV). Sau 8 ngày giá trị Eh có xu hướng không giảm theo thời gian ngập nước mà có xu hướng ổn định. Đến giai đoạn rút nước phơi ruộng sự tăng Eh phụ thuộc vào trạng thái bề mặt đất sau khi rút nước. Nếu bề mặt đất se mặt (không có vết nứt) giá trị Eh dao động từ 90 – 100 mV. Nếu bề mặt đất nứt chân chim, giá trị Eh đạt từ 150 – 200 mV.
Theo nghiên cứu của TS. Văn Huy Hải (1986) [24] về động thái của Eh trên bốn công thức: CT1 mẫu đất có bón thêm đạm dạng NO3-, CT2 mẫu đất bón rơm + đạm NO3-, CT3 mẫu đất bón phân chuồng + đạm NO3-, CT4 đối chứng không bón thêm gì cho kết quả như sau:
Cả bốn công thức Eh đều giảm trong vòng hai tuần đầu sau khi ngập nước. Trong đó trừ CT1 ra thì cả ba công thức nghiên cứu còn lại Eh đều giảm, mạnh nhất
là mẫu bón phân chuồng và rơm. Sau hai tuần đầu ngập nước thì chỉ số Eh tiếp tục giảm nhưng không đáng kể có thể coi ở mức ổn định.
Như vậy chế độ nước có ảnh hưởng tới Eh và qua đó gián tiếp ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại các chất có trong đất lúa như N, P.
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Địa điểm và đối tượng nghiên cứu
Địa điểm nghiên cứu: xã Văn Hoàng – Phú Xuyên – Hà Nội.
Đối tượng nghiên cứu: Đất trồng lúa lấy tại địa điểm nghiên cứu, chế độ tưới và N, P trong đất.
2.2. Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng – không trồng lúa tại phòng phân tích thuộc Trường Đại học Thủy Lợi.
2. Bố trí thí nghiệm đồng ruộng tại địa điểm nghiên cứu. 3. Nội dung nghiên cứu bao gồm:
Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Phú Xuyên. Tính chất nền của đất trồng lúa huyện Phú Xuyên.
Động thái Eh, pH đất liên quan đến chế độ tưới khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Động thái Eh, pH đất liên quan đến chế độ tưới trong thí nghiệm đồng ruộng. Theo dõi sự biến động hàm lượng N, P trong điều kiện phòng thí nghiệm. Theo dõi sự biến động hàm lượng N, P trong thí nghiệm đồng ruộng. 2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp kế thừa
Trên cơ sở các nghiên cứu đã công bố trước đây sẽ kế thừa một số kết quả nghiên cứu nhằm đạt được mục tiêu đề tài.
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu ngoài thực địa
Đối với thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
Đất được lấy tại địa điểm bố trí thí nghiệm đồng ruộng vào thời điểm trước khi bước vào vụ Hè Thu.
Mẫu đất được lấy ở tầng mặt (0-20 cm) theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp,