1.3.1 Carbon trong đất
Dựa vào khả năng phân hủy, có thể chia chất hữu cơ thành hai thành phần chính: thành phần dễ phân hủy và thành phần đa phân tử, mùn khó phân hủy. Hàm lượng C dễ phân hủy và C khó phân hủy, được xác định bằng cách dùng acid thủy phân (Sollins và ctv., 1999). Acid HCl sẽ loại bỏ những thành phần dễ phân hủy (esters, amides, carbohydrates, N và polysaccharides) thành phần còn lại trong đất là C khó phân hủy (vòng thơm humic và lignin) (Martel and Paul, 1974; Paul và ctv., 1997). Carbon hữu cơ đất là một phức hợp không đồng nhất, bao gồm các thành phần phân khác nhau. Trong đó, nguồn carbon hữu cơ dễ phân hủy chiếm một tỷ lệ nhỏ trong đất và thay đổi rất nhanh theo thời gian (Campbell và ctv., 1967; Campbell, 1978; Cambardella và Elliott, 1992; Huggins và ctv., 1998). Dựa trên kỹ thuật phân tích khác nhau, carbon hữu cơ dễ phân hủy có thể được thể hiện như carbon hữu cơ hòa tan (Cook và Allan, 1992), hạt carbon hữu cơ (Christensen, 1986), carbon sinh khối vi sinh vật (Sparling, năm 1992) hoặc dễ dàng bị oxy hóa bởi carbon (Loginow và ctv.,
nhau và nó thay đổi theo thời gian hoặc tỉ lệ của sự phân hủy. Nhóm dễ phân hủy thì có chu kì chuyển hoá nhanh (< 5 năm) bao gồm rễ thực vật và những sinh vật sống, trong khi nhóm C khó phân hủy thì có thời gian chuyển hoá chậm hơn, khoảng 20-40 năm, thành phần C đen thì có thời gian chuyển hoá khoảng hàng trăm đến hàng nghìn năm.
Nguồn Carbon khó phân hủy có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi cation và khả năng giữ nước, nó không được vi sinh vật phân hủy để tạo lại chất dinh dưỡng cho đất và cây trồng. Trái lại, nhóm carbon dễ phân hủy có ảnh hưởng mạnh tạo nên chất hữu cơ mới cung cấp cho cây hằng niên và có vai trò quan trọng trong việc tái tạo và cung cấp N. Khi carbon dễ phân hủy được tái tạo tương đối nhanh, nó được coi như là một chất làm thay đổi chất lượng và chức năng của chất hữu cơ hơn so với carbon tổng. Sự đóng góp các thành phần carbon dể phân hủy vào chất hữu cơ tổng làm ảnh hưởng đến độ màu mỡ của đất. Đất có hàm lượng hữu cơ >18% được xếp vào nhóm đất hữu cơ, nhóm đất khoáng có hàm lượng hữu cơ <18%. Đất phèn ở ĐBSCL thường có hàm lượng carbon cao (có thể biến động từ 3,7 – 11,7% C (Nguyễn Mỹ Hoa, 2002). Sự đóng góp của thành phần carbon dễ phân hủy vào chất hữu cơ tổng làm ảnh hưởng đến độ màu mỡ của đất. Hàm lượng carbon dễ phân hủy ảnh hưởng đến hoạt động và sinh khối vi sinh vật trong đất. Vi sinh vật có khả năng phóng thích ra N hữu dụng cho cây trồng. Sự phóng thích ra N từ chất hữu cơ dễ phân hủy được thể hiện ở tỉ lệ C/N ở khoảng 22/1. Chất cặn bả cao có thể làm tăng tỉ lệ C/N trong hợp chất dễ phân hủy và đưa đến bất động N làm cho cây trồng không hấp thu được.
Nhóm C dễ phân hủy có ảnh hưởng bởi việc giữ lại gốc rạ trên ruộng với sự giảm dần lượng N cung cấp khoảng trên 4 kg/ha/ngày khi loại bỏ những chất cặn bả này. Ở đất nhiệt đới, sự tăng hàm lượng C dễ phân hủy sẽ cho năng suất cao hơn (Stine and Weil, 2002). Những nghiên cứu gần đây về CHC trong đất đã chú trọng hơn đến thành phần mùn di động dễ phân hủy cũng như các thành phần đa phân tử, chậm phân hủy và rất khó phân hủy của mùn. Bởi đây là thành phần chính liên kết với các khoáng sét tạo nên CHC trong đất. (Võ Thị Gương và ctv., 2010).
Các kết quả nghiên cứu của (Carter, 2001), cho thấy hàm lượng chất hữu cơ có ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng Clabile và thông thường trong đất, hàm lượng carbon
hữu cơ thường cao gấp hai lần hàm lượng Carbon dễ phân huỷ (Hình1.6).
Hình 1.6 Tỷ lệ thành phần carbon dễ phân hủy (t / ha), carbon hữu cơ tổng số (t / ha)
được cung cấp vào đất.
Hiện nay, với 50% tổng đất hữu cơ đang có vấn đề là hữu cơ dễ phân hủy ao hồ, cho thấy đất có hoạt tính sinh học có tiềm năng lớn cho thành phần dinh dưỡng hơn so với hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy chỉ chiếm 5% (Carter, 2001) (Bảng 1.6)
Bảng 1.6: Thời gian phân hủy của các thành phần hữu cơ và mức độ liên kết các thành
phần trong đất (Carter, 2001)
Thành phần chất hữu cơ Thời gian phân hủy (năm)
Thành phần chất hữu cơ
Rác, dư lượng thực vật 5 - 2
Sinh khối vi sinh vật 0.1- 0.4
Chất hữu cơ tổng số 1 - 8
Thành phần hữu cơ nhẹ 1 – 15
Không tổng hợp 1 – 7
Mức độ liên kết 1 - 23
Mức độ liên kết 3 - 80
Hạt hữu cơ 5 - 1000
1.3.2 Đạm trong đất
Đạm là nguyên tố quyết định năng suất cây trồng, là chỉ tiêu hàng đầu đánh giá độ phì của đất. N không có nguồn gốc từ khoáng mà chủ yếu do nguồn chất hữu cơ và nguồn cố định từ không khí cung cấp.
Đạm hữu cơ dễ phân hủy là chỉ tiêu giúp đánh giá chất lượng chất hữu cơ chứa thành phần dễ phân hủy, từ đó có thể đánh giá khả năng cung cấp đạm từ chất hữu cơ trong đất và là nguồn cung cấp dinh dưỡng chính cho cây trồng. Theo Smith và Li (1993), đạm hữu cơ dễ phân hủy là nguồn đạm vi sinh vật và thực vật sử dụng nhanh nhất có sự tương quan chặt chẻ giữa hàm lượng hữu cơ đã phân hủy và hàm lượng khoáng hóa trong đất (Tất Anh Thư, 2003; Sano và ctv., 2004, 2006). Vi sinh vật có khả năng phóng thích ra N hữu dụng cho cây trồng. Sự phóng thích ra N từ chất hữu cơ dễ phân hủy được thể hiện ở tỷ lệ C/N ở khoảng 22/1. Chất cặn bã cao có thể làm tăng tỷ lệ C/N trong hợp chất dễ phân hủy và đưa đến bất động N làm cho cây trồng không hấp thu được. Mengel và Kirkby (1987) cho rằng đạm là dinh dưỡng chính, là thành phần quan trọng của nhiều hợp chất cần thiết của cây trồng. Đạm là thành phần chính của tất cả các amino acid tạo nên protein, anzyme mà các hợp chất này kiểm soát toàn bộ tiến trình sinh học bên trong cây. Các base có đạm, thành phần cơ bản của acid nucleic, trong các ADN, ARN của nhân tế bào, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp protein và trong việc gia tăng năng suất cây trồng. Đạm giữ chức năng chính trong thành phần cấu trúc trong suốt quá trình phát triển của thực vật. Trên hầu hết các loại đất bón phân N giúp gia tăng sự tăng trưởng của cây đặc biệt là sự phát triển thân lá. Cây được cung cấp N đầy đủ, thân lá và chồi phát triển tốt, bộ rễ phát triển cân đối hơn so với cây thiếu N (Ken, 2001). Đạm trong đất thường ở hai dạng chính là hữu cơ và vô cơ:
- Đạm hữu cơ: chất hữu cơ trong đất chủ yếu chứa đạm dạng amino acid từ 20- 40%, các hợp chất vòng (các acid nucleic) chiếm khoảng 5% và purin, pirimidin cơ bản chiếm ít hơn 1% đạm trong lớp đất mặt. Quá trình khoáng hóa đạm hữu cơ thành NH4+ là tiến trình chính trong đất ngập nước, quá trình này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường và các đặc tính lý hóa của đất (De Datta, 1987).
- Đạm vô cơ: đạm vô cơ trong đất có các dạng sau: N2O, NO2 , NO, NH3 , NH4+, NO3-, NO2-. Trong đó, có ba dạng sau ở dạng ion được tìm thấy trong dung dịch đất: NH4+trao đổi, NH4+hòa tan trong dung dịch đất và NH4+cố định (De Datta, 1987).
Theo Ngô Ngọc Hưng và ctv. (2004) hầu hết đạm trong đất ở dạng hữu cơ. Dạng này chiếm vào khoảng 95% tổng số đạm. Chất hữu cơ trong đất thường chứa khoảng 5% đạm. Do đó hàm lượng chất hữu cơ trong đất cao thường đi đôi với giàu đạm tổng số trong đất.
Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân huỷ có ảnh hưởng đến khả năng cung cấp đạm của đất (Hình 1.7)
Hình 1.7 Mối tương quan giữa tỷ lệ carbon hữu cơ dễ phân hủy và đạm trong đất.
Đất việt Nam do có pH thấp, nhôm di động cao, độ no kiềm thấp, nhiều chất hữu cơ hòa tan và độ thoáng khí kém nên quá trình nitrat hóa rất yếu, đặc biệt đối với đất trồng lúa. Mặt khác do độ ẩm cao, nên N-NH4+ tích lũy nhiều, ít rửa trôi hơn NO3-. Tuy nhiên ở các loại đất trồng cạn thành phần hạt sét nhỏ và có bón phân hữu cơ thì hàm lượng NO3- trao đổi đáng kể và thường cao hơn hàm lượng NH4+.
Trong đất, các hợp chất N mà cây có thể hấp thu chủ yếu là N-NH4+ và N-NO3-. Một phần N khác có thể được phân thủy phân từ các chất hữu cơ chứa N dưới tác động của các vi sinh vật đất cũng tạo thành N - NH4+ và N - NO3-. N - 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 N-NH4+ và N-NO3- dễ dàng chuyển biến qua lại và động thái của chúng trong đất khá phức tạp. Hàm lượng của chúng cho biết lượng cho biết lượng N hữu dụng cho cây trồng. Thông thường đạm ở dạng amonium trao đổi và hòa tan trong dung dịch đất, nitrite và nitrate chiếm ít hơn 2% tổng số đạm trong đất (Brady và Weil, 1999). Đạm NH4
+
, NO3-và NO2- được tạo thành từ sự phân hủy háo khí của các hợp chất hữu cơ trong đất hoặc từ phân bón. Tuy có hàm lượng nhỏ nhưng rất cần thiết đối với cây trồng cho thấy lượng đạm tổng số và hữu dụng được tích lũy trong đất là kết quả của lượng chất hữu cơ tích lũy trong đất nhiều hơn từ việc bón đạm.
Hàm lượng ammonium: Sự nitrate hóa xảy ra khi có nguồn amonium bị oxy hóa. Tỷ lệ C/N của xác thải cao ngăn chặn sự phóng thích amonium đồng thời cũng ngăn chặn sự nitrate hóa. Nếu NH3 hiện diện quá cao cũng kiềm hãm sự nitrate hóa do NH3 gây độc đối với nitrobacter vì thế có sự tích lũy các ion NO2- gây độc (Brady, 1984).
1.3.3 Lân tổng trong đất
Sau N, P là nguyên tố rất cần thiết đối với cây trồng, có ý nghĩa về mặt dinh dưỡng cũng như về mặt khắc phục một số yếu tố độc hại của đất. Theo Johnston (2000) lân là nguyên tố thiết yếu cho tất cả các sinh vật sống, tuy nhiên nguyên tố lân trong đất không hiện diện ở hình thức đơn như trong tự nhiên mà nó luôn luôn ở hình thức liên kết với các nguyên tố khác với hình thức phức tạp. Đối với cây trồng lân có vai trò quan trọng trong việc tao năng lượng biến dưỡng, hiện diện trong các men điều khiển các phản ứng hóa học trong việc kết hợp các nguyên tố khác để tạo nên cấu trúc thực vật. Trong đất lân tổng số chia làm hai dạng là hữu cơ và vô cơ (khoáng). Tỷ lệ này phụ thuộc vào sự hình thành và điều kiện đất, lân hữu cơ thường chiếm khoảng từ 20-80% lân tổng số.
Hàm lượng lân hữu dụng trong đất rất thấp, trên đất phèn lân bị cầm giữ do phản ứng với Fe, Al và các hydroxite của chúng tạo ra những chất kết tủa mà cây trồng không sử dụng được. Độ hữu dụng của lân phụ thuộc vào pH đất (tối hão từ 5,5-
7,0), đất ở điều kiện oxy hóa bị cố định nhiều hơn đất ở điều kiện khử (Nguyễn Xuân Cự, 1992; Đỗ Thị Thanh Ren, 1999).
Theo kết quả của Võ Thị Gương và ctv. (2010) thì do hàm lượng chất hữu cơ nghèo đất vườn lên liếp lâu năm, không có nguồn phù sa bồi đắp, đất có pH thấp dưới 4 lân hữu dụng trong đất thấp. Lân dễ tiêu trong đất là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá độ phì của đất. Nếu hàm lựợng lân dễ tiêu cao thì đất có khả năng cung cấp lân nhanh và việc hút thu chất lân của bộ rễ cây trồng được thuận lợi (Lê Văn Căn, 1985).
Hàm lượng lân trong đất thường thấp hơn đạm và kali. Nguyên tố P không ở dạng tự do trong đất, nó kết hợp tự phát với oxi để tạo ra P2O5, với nước để tạo ra các orthophosphoric (Đỗ Thị Thanh Ren, 2004).
Lân tổng số cho ta biết được tổng lượng lân trong đất mà không cho biết khả năng cung cấp lân cho cây trồng. Lân trong đất có thể không hữu dụng cho cây trồng khi nó tồn tại dưới dạng hợp chất khó tan như phosphate sắt, nhôm. Hàm lượng P tổng số biến thiên trung bình từ 0,02 – 0,15% P2O5. Đất vùng ĐBSCL nhìn chung nghèo P tổng số, hàm lượng P trung bình của các nhóm đất chính khoảng 0,06% P2O5. Trong hầu hết các loại đất, lượng lân hữu dụng cho cây trồng từ dung dịch đất rất thấp, theo Bùi Hữu Trí và Moormann (1959) hàm lượng lân hữu dụng chủ yếu khoảng 0,1 – 0,2% P2O5.
Lân dễ tiêu trong đất là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá độ phì của đất. Nếu hàm lượng lân dễ tiêu cao thì đất có khả năng cung cấp lân rất nhanh và việc hút thu lân của bộ rễ cây trồng được thuận lợi (Lê Văn Căn, 1985). Độ hữu dụng của lân trong đất đạt tối đa trong khoảng pH từ 5,5 – 7,0. Độ hữu dụng của lân giảm khi pH< 5,5 và pH > 7 (Đỗ Thị Thanh Ren, 2004). Đối với đất, lân là một chỉ tiêu của độ phì nhiêu đất ‘‘Đất giàu lân mới có độ màu mỡ cao và ngược lại đất có độ màu mỡ cao điều giàu lân’’.
1.3.4 Các cation trao đổi trong đất
- Kali trong đất
Kali là nguyên tố đa lượng rất quan trọng đối với sự sinh trưởng của cây trồng sau đạm và lân. Kali là chất duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào. Trong cây kali giữ nhiều vai trò sinh lý quan trọng là chất hoạt hóa enzyme tham gia tông hợp protein,
vận chuyển carbohydrate, kiểm soát tính thấm và pH của màng tế bào (Evans và Wildes, 1971). Ngoài ra kali còn có vai trò điều hòa sự bốc thoát hơi nước của cây thông qua cơ chế đóng mở khí khẩu, đồng hóa nitrate, làm tăng tốc độ ngậm nước của nguyên sinh chất, giúp cây chịu hạn, chịu rét hơn (Humble và Hsiao, 1970). Lượng mưa hằng năm cao, kết hợp với tập quán tưới phun mưa nhiều cho vườn vào mùa nắng làm tăng rửa trôi trong đất.
Theo Đỗ Thị Thanh Ren (2003) hàm lượng kali trung bình là 1,2% và thường tồn tại ở 4 dạng chính là: kali trong dung dịch đất, kali trao đổi, kali không trao đổi và khoáng kali. Kali trao đổi và kali trong dung dịch đất là dạng hữu dụng đối với cây, chiếm tỉ lệ rất nhỏ (1-2%) của kali tổng số. Kali không hữu dụng gồm kali không trao đổi và khoáng kali chiếm 80-98%). Hàm lượng kali tổng số trong đất tùy thuộc vào thành phần khoáng của mẫu chất và mức độ phong hóa của các khoáng chứa kali trong quá trình hình thành đất. Đất có chứa các loại mica, tràng khoáng chứa hàm lượng kali tổng số cao. Đất cát chứa chủ yếu là thạch anh trong thành phần khoáng nên có hàm lượng kali tổng số và hàm lượng kali hữu dụng thấp (Ngô Ngọc Hưng và ctv.,
2004). Những nghiên cứu của Nguyễn Bảo Vệ (1998) cho thấy rằng sau nhiều năm canh tác thường không bón hay bón không đủ lượng kali bị cây trồng lấy đi. Trong khi đó lượng kali trao đổi trong đất không đủ cung cấp cho cây trồng nên kali ở giữa hai phiến sét được phóng thích ra dạng dễ hữu dụng hơn, đất trở nên thiếu kali, khi bón kali vào dẫn đến sự hấp thu mạnh để bù đắp vào những vị trí trên gây nên sự cố định kali. Trên đất phù sa và đồng bằng có khả năng hấp thụ kali rất cao sau khi được bón (Dobermann và ctv., 1995).
Sự thiếu hụt kali có thể phục hồi qua một chế độ bón phân hợp lý phân KCl hoặc K2SO4 , tuy nhiên ở đất phù sa mịn, mặn hoặc đất đá vôi thì cung cấp kali vào đất đôi khi không hiệu quả hoặc chậm phục hồi. Phân chuồng là loại phân giàu kali cho nên