Có những phương pháp nhạy để thăm dò và đo lượng C2H2 và sản phẩm khử
C2H4 của nó, cho phép sử dụng phản ứng này như là sự khảo nghiệm gián tiếp hoạt
động enzyme nitrogenase (Page et al., 1982).
Phương pháp khử acetylen dùng để ước lượng sự hoạt động của nitrogenase. Trong quá trình cốđịnh N2, ezyme nitrogenase khử N2 thành NH3 cùng với nó là sự
phóng thích H2 từ sự khử proton H + theo phương trình:
N2 + 8e + 8H + + 16ATP 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16Pi
Enzyme nitrogenase còn có thể khử được các chất khác. Một trong những phản ứng được xúc tác bởi nitrogenase là sự khử acetylene thành ethylene.
Nitrogenase
C2H2 + 2H+ + 2e C2H4
Sự khử acetylene thành ethylene cần 2 điện tử, ngược với 8 điện tử cần cho sự khử N2 và 2H+. Do đó, 3 phân tử ethylene tương ứng với sự 1 phân tử N2. Căn cứ
vào lượng C2H4 sinh ra mà đánh giá hoạt tính nitrogenase của vi khuẩn và khả năng cốđịnh N2 tự do.
Phương pháp khử acetylene nhạy hơn 1000 lần so với phương pháp 15N2, rẻ
và đơn giản hơn trong việc ứng dụng. Acetylene được đưa vào trong hệ thống ở
nồng độ đủ để bão hòa nitrogenase (thường 0,05–0,1 atm) và ức chế hoàn toàn sự
khử N2 từ không khí. Sau thời gian ủ thích hợp, lượng C2H4 hình thành được xác
định bởi phương pháp sắc ký khí.
Nguyên tắc của phương pháp sắc ký khí đo ARA: mỗi chất khí đều được đốt cháy ở một nhiệt độ nhất định, dựa vào đặc điểm này, máy sắc ký khí có thể xác
định thành phần, thể tích các loại khí có trong một hỗn hợp khí khi đưa vào máy. Trước tiên, phải xác định nhiệt độ cháy của ethylene bằng cách bơm ethylene tinh khiết vào buồng chứa khí của máy. Kết quả ethylene bị đốt cháy ở 900 sau khoảng 0,5 phút. Vì vậy, khi đưa một hỗn hợp khí ethylene vào máy và chỉnh nhiệt độ lên 900 thì sau 0,5 phút máy có thểđo được lượng ethylene trong hỗn hợp khí ban đầu.
1.5 CÁC DẠNG VÀ CÂN BẰNG DINH DƯỠNG NPK TRONG ĐẤT 1.5.1 Các dạng và cân bằng đạm trong đất
1.5.1.1 Các dạng đạm trong đất
Trong đất đạm được đánh giá qua đạm tổng số hoặc đạm dễ tiêu. Hơn 95%
đạm ở lớp đất mặt thường hiện diện dạng hữu cơ. Thông qua sự khoáng hóa của vi sinh vật, một phần đạm hữu cơ được chuyển thành ammonium (NH4+) và sau đó ôxy hóa bởi tiến trình nitrate hóa của vi sinh vật thành nitrite (NO2–) và nitrate (NO3–). Tiến trình ngược lại là làm giảm nitrate thành ammonium bởi vi sinh vật và thường xảy ra ởđiều kiện ngập nước.
Hàm lượng đạm trong tầng đất mặt thông thường khoảng 0,02–0,5%, một hecta đất có thể chứa 3,5 tấn đạm trong tầng A và khoảng 3,5 tấn đạm trong các tầng bên dưới, hầu hết đạm trong đất ở dạng hữu cơ (Võ Thị Gương, 2004). Lớp đất mặt có chứa đến vài ngàn kg N/ha, hầu hết chúng được giữ trong chất hữu cơ và
không trực tiếp hữu dụng cho cây trồng. Vi sinh vật sẽ biến đổi chất hữu cơ thành
đạm vô cơ, đạm khoáng hóa là một tiến trình cơ bản quan trọng để cung cấp đạm cho cả trong tự nhiên và hệ thống cây trồng. Sự khác nhau về số lượng và chất lượng của chất hữu cơ trong đất, yếu tố thời tiết như nhiệt độ và ẩm độ; và quản lý
đất như làm đất, vùi chất hữu cơ dẫn đến ngưỡng đạm khoáng hóa trên đồng ruộng thay đổi theo thời gian và không gian. Đạm khoáng hóa có thể đo được ở điều kiện chuẩn trong phòng thí nghiệm hoặc sử dụng mô hình dựđoán qua hiểu biết về loại
đất, khí hậu và quản lý. Dựđoán đạm khoáng hóa trên đồng ruộng là vấn đề nghiên cứu quan trọng trong thâm canh (Campbell and Zentner, 1993).
Nitrate vô cơ và ammonium là nguồn đạm đầu tiên được rễ cây hút thu. Cả
hai nguồn đạm có sẵn trong đất và phân đạm được bón là những nguồn đạm hữu dụng cho cây trồng. Chúng chiếm tỉ lệ rất nhỏ so với tổng số đạm trong đất. Lượng
đạm hữu dụng cung cấp cho cây trồng được xác định qua tính toán cân bằng giữa phóng thích đạm từ chất hữu cơ và đạm bất động bởi vi sinh vật. Một phần đạm khác có thể được thủy phân từ các chất hữu cơ chứa đạm dưới tác động của các vi sinh vật đất cũng tạo thành NH4+ và NO3-. NH4+ chủ yếu được keo đất hấp thu và sẽ
phóng thích NH4+ vào dung dịch đất khi có nguồn ion trao đổi. NH4+ hiện diện nhiều trong đất ngập nước. NO3- lại thường gặp trong môi trường thoáng khí và khô. Ion NO3- ít bị keo đất hấp thu và dễ dàng bị rửa trôi khỏi đất. Các dạng NH4+ và NO3- dễ dàng chuyển biến qua lại và động thái của chúng trong đất khá phức tạp. Hàm lượng của chúng cho biết lượng đạm hữu dụng cho cây trồng (Campell and Zentner, 1993). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.5.1.2 Cân bằng đạm trong đất
Các nghiên cứu về tác động lâu dài của hệ thống canh tác trên đầu vào, đầu ra và cân bằng đạm còn rất hạn chế. Vài kết quả nghiên cứu về sự cân bằng đạm dài hạn đưa đến kết quả trái ngược nhau. Chẳng hạn Campbell và Zentner (1993) báo cáo rằng có sự cân bằng âm trên tất cả 15 vụ luân canh trong 24 năm thí nghiệm luân canh ở Canada. Ngược lại, Drinkwater et al. (1998) lại tìm thấy sự cân bằng
dương trên 2 hệ thống canh tác trên nền cây họ đậu và nền cây trồng khác ở
Pensylvania. Qua 15 năm thí nghiệm trên hệ thống canh tác ở Pensylvania, Drinkwater et al. (1998) đã kết luận có sự gia tăng đạm trong đất có ý nghĩa trên hệ
thống luân canh với cây họđậu trong khi các nền cây trồng khác thì hàm lượng đạm trong đất lại giảm.
Trong hầu hết các đất trồng trọt ở Việt Nam có cân bằng dinh dưỡng đạm âm (Mutert, 1993; Đỗ Ánh trích, 2001). Nhưng trong cơ cấu luân canh với cây họ đậu
đã cho thấy sự cải thiện cân bằng đạm trong đất. Thí nghiệm đồng ruộng được thực hiện bởi Cao Ngọc Điệp (2002) trên đất phù sa không phèn tại Cần Thơ và Vĩnh Long cho thấy, biện pháp luân canh cây họđậu đã cải thiện số lượng vi sinh vật đất, sinh khối và chất hữu cơ trong đất.
Nghiên cứu về quản lý dinh dưỡng được thực hiện đối với vùng thâm canh lúa ở ĐBSCL từ năm 1997–2000, Tan et al., (2000) đánh giá lượng NPK có sẵn trong đất, áp dụng phương pháp bón phân theo nhu cầu của cây, điều chỉnh lượng phân đạm bằng bảng so màu lá ở Cần Thơ kết hợp với điều tra cho thấy phần lớn nông dân bón không cân đối NPK. Nông dân bón phân đạm trong vụ HT là 123 kg N/ha nhiều hơn so với vụĐX là 113 kg N/ha. Kết quả thực nghiệm trên đã đem lại hiệu quả và lợi nhuận cho người trồng lúa, năng suất tăng khoảng 10% và tiết kiệm
được khoảng 20–25 kg N/ha.
Kết quả thí nghiệm ở Nhật và Philippine đã xác định rằng lượng đạm thay
đổi trong đất so với lượng đạm bị lấy đi bởi cây trồng. Watanabe và Kuwasuka (1991) cho rằng ở những lô không bón phân thì lượng đạm tăng lên từ 20–70 kg/ha/năm và việc bón phân lân và kali đã làm tăng thêm lượng đạm trong đất, nhưng trong hầu hết các nghiệm thức bón đạm ở liều lượng cao thì hàm lượng đạm trong đất giảm trong tính toán cân bằng. Nghiên cứu về sự hút thu đạm trong những thí nghiệm không bón đạm ở Nhật cho thấy hàm lượng đạm được cây hút trung bình là 64 kg N/ha, điều này cho thấy cần bón ít nhất khoảng 60 kg N/ha trong một vụđể
Nghiên cứu cân bằng đạm ở lớp đất mặt độ sâu 0–20 cm trong suốt 15 năm canh tác lúa nước 2–3 vụ trên năm và không bón phân đạm, trong 2 trường hợp lấy rơm rạđi và vùi rơm rạ trở lại qua Bảng 1.5 cho thấy đạm trong đất được cân bằng dương (Pampolino et al., 2007a).
Bảng 1.5 Cân bằng N hàng năm trên ruộng trồng lúa nước với không bón phân N (Pampolino et al., 2007a).
Điểm thí nghiệm Số vụ trên năm N trong đất thay đổi Cây trlấy đồi ng Đánh giá BNF đầu vào hàng năm † Bón rơm rạ lại Bicol (LTFE) 2 19 67 66 18‡ PhilRice (LTFE) 2 54 56 90 16‡ IRRI (LTFE) 2 −5 63 38 21‡ IRRI (LTCCE) 3 9 109 88 0 Ghi chú:
Cân bằng N hàng năm ở độ sâu 0–20 cm trong suốt 15 năm canh tác lúa nước, đơn vị tính kg N/ha/năm.
LTFE (the long-term fertility experiments): lúa 2 vụ và vùi rơm rạ trở lại
LTCCE (the long–term continuous cropping experiment): lúa 3 vụ với lấy đi rơm rạ † Giả định rằng không có mất N bởi bay hơi NH3, khử nitrate, trực di, chảy tràn.
Giảđịnh rằng đầu vào từ nước tưới và nước mưa là 10 kg N/ha/vụ. ‡ 60% từ rơm rạ trả lại.
BNF(biological nitrogen fixation):cốđịnh đạm sinh học.
Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống cây trồng và quản lý trên cân bằng đạm hàng năm ở lớp đất mặt (0–15 cm) suốt 13 năm canh tác với bón phân đạm (250– 290 kg N/ha/năm) cho thấy hàng năm có một lượng lớn đạm mất đi đối với nghiệm thức lúa–lúa (146–151 kg N/ha/năm) và nghiệm thức lúa–bắp (174–176 kg N/ha/năm) qua Bảng 1.6 (Pampolino et al., 2007a).
Bảng 1.6 Ảnh hưởng hệ thống cây trồng và quản lý trên cân bằng N hàng năm (Pampolino et al., 2007a)
Hệ thống cây trồng Làm đất Qurơm rản lý ạ Thay đổi N trong đất (A) Cây trồng lấy đi (B) Phân đầu vào (D) Khác thêm vào (C) Cân bằng N [(A+B)- (C+D]
Lúa – lúa Trễ Vùi vào 8 a 147 b 272 30 -146 a Lúa – bắp Trễ Vùi vào -13 b 134 c 272 25 -176 b Lúa – lúa Sớm Vùi/lấy -19 bc 169 a 272 30 -151 a Lúa – bắp Sớm Vùi/lấy -31 c 154 b 272 25 -174 b
Ghi chú: ở lớp đất mặt (0–15cm) suốt 13 năm canh tác với bón phân N (250–290 kg N/ha/năm).
Hiệu quả sử dụng đạm thấp vào khoảng 44% nếu mức đạm cung cấp cao (Fageria, 1996). Hiệu quả sử dụng đạm thấp trong đất lúa ngập nước có liên quan tới sự bốc hơi của NH3, sự khử nitrate, sự rữa trôi, cố định và sự bất động đạm (Savant and De Datta, 1982). Sự bốc hơi NH3 trong đất lúa ngập nước là một cơ chế
quan trọng gây ra sự mất đạm từ 5–47% lượng đạm cung cấp trong điều kiện ngoài
đồng. Theo Freney (1996) cho biết sự bốc hơi NH3 có thể từ 20–80% lượng đạm từ
nguồn phân bón. Sự mất đạm ở dạng NH3 xảy ra mạnh trong đất có pH cao, đất khô và đất cát; đất sét có khả năng kiềm giữ NH4+, đạm bị mất ở dạng này thường xảy ra trên các loại đất chua nhẹ (Võ Thị Gương, 2004). De Datta (1987) cũng cho rằng lượng đạm mất đi do sự khử nitrate vào khoảng 28–33%. Trong điều kiện đồng ruộng, N2O và N2 bị mất đi với số lượng lớn và tùy thuộc vào sự canh tác và điều kiện đất, thông thường khoảng từ 60–70% đạm bị mất ở dạng này (Võ Thị Gương, 2004). De Datta et al. (1991) nghiên cứu trên ruộng lúa tại Philippines cho thấy mất N từ phân urea bón vào ruộng do bay hơi NH3 từ 46–54% và khử nitrate (N2 + N2O) là 0,1%.
Trên đất phèn khả năng cung cấp đạm từ sự khoáng hóa thường thấp do trên
khoáng hóa đạm bị giới hạn trong đất khô có lượng nước hữu dụng thấp, nhưng trong đất ướt, sự khoáng hóa gia tăng tối đa, tiếp theo đó sự khoáng hóa đạm trong (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đất giảm khi nước trong đất bảo hòa. Sự khoáng hóa trong nước bị giới hạn bởi lượng ôxy trong đất thấp (Henry et al., 1997).
Sự bất động đạm là tiến trình ngược lại với tiến trình khoáng hóa, do vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ chứa carbon trong đất, chúng có nhu cầu đạm cao hơn lượng đạm có trong hợp chất hữu cơ được chúng phân hủy để phát triển cơ thể vì thế chúng sử dụng đạm vô cơ (NH4+ và NO3-) có sẵn trong đất, tỉ lệ C/N cao hơn 25 thì bất động đạm sẽ xảy ra. Ngoài ra, chất đạm còn bị kềm giữ trong đất, NH4+ được cố định bởi khoáng sét, NH4+ bị kẹt lại giữa 2 phiến sét và trở thành dạng khó trao
đổi, tầng đất dưới có khả năng cốđịnh NH4+ cao hơn tầng đất mặt và sự cốđịnh này có thể đến 5–15% đạm tổng số ở tầng đất mặt và 20–40% ở tầng đất bên dưới (Võ Thị Gương, 2004).
Witt et al. (2000) qua 2 năm đầu tiên thí nghiệm luân canh bắp–lúa đã cho biết có giảm carbon và đạm so với hệ thống canh tác lúa liên tục (Sự giảm này do sự
khoáng hóa carbon gia tăng và giảm lượng đạm được đưa vào từ cốđịnh đạm trong suốt vụ trồng bắp. Sự gia tăng lượng đạm từ cố định đạm không cộng sinh trong
điều kiện đất ngập nước lớn hơn trong điều kiện thoáng khí (Roger and Ladha, 1992). Nitrate trong đất được tích tụ sau vụ bắp nhiều hơn sau vụ lúa, và nitrate này bị mất do bị khử dưới điều kiện ngập của đất trồng lúa.
Pampolino et al (2007b) nghiên cứu trên 2 hệ thống lúa–lúa và lúa–bắp, ở 2 trường hợp vùi rơm ra lại (Hình 1.1) và lấy rơm rạ đi (Hình 1.2) cho thấy lượng nitrate trong đất trong suốt giai đoạn bỏ hoang sau mùa khô đến khi ngập nước canh tác vụ lúa trong mùa mưa, có một lượng lớn nitrate trong lớp đất mặt 10 cm, sau vụ
bắp nhiều hơn sau vụ lúa (Hình 1.1). Sự khác biệt giữa 2 hệ thống canh tác đối với lượng nitrate trong suốt giai đoạn bỏ hoang là cao hơn ở làm đất trễ (phần đất bỏ
hoang và giữ rơm rạ lại trên ruộng) và thấp hơn ở làm đất sớm (lấy rơm rạđi và làm
khô đến trước khi canh tác vụ lúa mùa mưa (Pampolino et al., 2007b) Hình 1.1 Ảnh hưởng của bón phân N đến nitrate trong lớp đất mặt sau vụ mùa
Ghi chú: bón phân N trong vụ mùa khô trước 150 kg N/ha, xác định nitrate trong lớp đất mặt 10 cm ở thời điểm sau thu hoạch của vụ trước đến trước vụ lúa mùa mưa, khi đó đất được làm với việc vùi rơm rạ lại ngay sau khi nước ngập của vụ lúa mùa mưa.
Ở nghiệm thức làm đất trễ, nitrate ở lô bắp lớn hơn lúa cho tất cả các lần lấy mẫu ở giai đoạn đất bỏ hoang và không ngập nước (Hình 1.1). Ở nghiệm thức làm
ớm, giá trị nitrate trong đất dao động trong cả lô bắp và lúa. Tuy nhiên, số liệu lớn hơn ở lô bắp (Hình 1.2).
đất s
Hình 1.2 Ảnh hưởng của bón phân N đến nitrate trong lớp đất mặt sau vụ mùa khô đến trước khi canh tác vụ lúa mùa mưa (Pampolino et al., 2007b)
Vụ trước lúa Vụ trước bắp
Ngày trước khi ngập nước Ngày trước khi ngập nước
Vụ trước lúa Vụ trước bắp
Ghi chú: bón phân 150 kg N/ha của vụ mùa khô trước, xác định nitrate ở lớp đất ặt 10 cm sau khi thu hoạch của vụ tr
m ước và trước khi canh tác vụ lúa mùa mưa, khi đó rơm rạ được lấy đi, làm đất cho việc trồng lúa vụ mùa mưa khoảng 40 ng
ate ho vụ lúa
à c ướ bắp te nà khi p.
Nitrate lô bắp mất cao hơn 4 đ n so vớ ở nghiệ hức làm đ ; và vớ thức làm sớm (Bả
n của hệ g cây à thờ làm i
et al., 2007b)
N-nitrate biến mất ởđiều kiện ngập nước
(kg N/ha)
ày trước khi ngập nước.
Nitr mùa mưa l trong đất ở l tr ớp đất mặt 50 cm ở lúc bắt đầu ngập nước c ao hơn lô c đó trồng và nitra i lô lúa y sẽ mất nước ngậ ất trễ ến 6 lầ m t 2–4 lần đối i nghiệm đất ng 1.7). Bảng 1.7 Ả h hưởng thốn trồng v i gian đất đối vớ nitrate (Pampolino 2001 2002 Phân N xử sớm 5.5 15 ns Hệ thống
cây trồng lý v(kg N/ha)ụ trước Làm đất Làm đất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sớm ‡ Làm đất Làm đất trễ † trễ Lúa – lúa 0 13 24 ** Lúa – bắp 0 27 29 ns 15 19 ns Pr > F ns ns ns ns a – lúa 150 9.4 16 ** Lú 6.1 9.7 ns Lúa – bắp 150 38 36 ns 35 44 ns