Hình 2.4: các đơn vị cơ bản của lignin
(Nguồn:L ơng Bảo Uyên v Phạm Th nh ồng, 2010)
Lignin là một phức hợp chất hóa h c phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ.Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn (Lương Bảo Uyên và Phạm Thị Ánh Hồng, 2010).
Lignin (mô tế bào gỗ) rất bền vững trong quá trình phân giải vi sinh. Trong điều kiện đủ ôxy, đất chua do nấm Basidiomycetes phân hủy lignin là chủ yếu. Một số nhà khoa h c không loại trừ khả năng phân giải lignin của vi khuẩn giống
Pseudomonas.Trong sản phẩm phân giải của lignin có các hợp chất mùn màu tối,
chua, nghèo đạm, dễ hòa tan. Ở điều kiện thiếu ôxy các hợp chất này ít bị phân hủy và được tích lũy khá nhiều (Phạm Văn Kim, 2007).
Nấm đảm có thể phân hủy lignin theo nhiều kiểu. Một kiểu phân hủy được xem là sự phân hủy lignin có ch n l c , trong đó một hàm lượng lớn lignin được phân hủy mà không làm giảm hàm lượng cellulose. Nấm đảm trắng (Phanerochaete
chrysosporium) là nấm phân hủy đồng thời cellulose và lignin, trong đó có vài loài
có khả năng làm giảm một lượng lớn lignin nhưng chỉ phân hủy một lượng rất ít cellulose và hemicellulose. Một kiểu phân hủy khác được tìm thấy ở một vài loài nấm gây mục trắng, lúc đầu chúng phân hủy lignin nhưng sau đó lại phân hủy cellulose. Vì thế, sự ch n l c những loài nấm phân hủy lignin có thể thay đổi phụ thuộc vào loại nấm phân hủy (Nguyễn Thị Thanh Kiều, 2004).
19
Hình 2.5: Một số loại sinh vật phân giải lignin
Cơ chế phân giải lignin: vi sinh vật tiết enzyme phân giải lignin có khoảng 15 loại nhưng các enzyme đóng vai trò chủ chốt là: ligninaza, lignin pezocydaza, mangan pezocydaza và laccaza (Nguyễn Xuân Thành và ctv., 2003).
Vi sinh vật phân giải lignin:
- Vi khuẩn: Pseudomonas, Xanthomonas, Acinebacter... - Nấm: Basidiomycetes, Acomycetes
- Xạ khuẩn: Streptomyces
2.6. Môi trƣờng đất lúa
Ngâp nước tạo ra một môi trường đồng đều cho cây lúa sinh trưởng và hút chất dinh dưỡng. Trong đất ngập nước rễ lúa thường thiếu oxy và diễn ra hàng loạt các quá trình khử oxy, việc trao đổi giữa đất và không khí bị cản trở (Yoshida, 1981).
Chỉ vài giờ sau khi ngập nước, các vi sinh vật đã sử dụng hết oxy có trong nước hoặc rút được trong đất, sau khi mất oxy phân tử. Khí CO2 và acid hữu cơ tăng lên rõ rệt. Số lượng khí methan và hidro phân tử tăng lên do hoạt động của vi sinh vật yếm khí (Yoshida, 1981).
i huẩn seudomon s
20
Trong đất lúa ngập nước, khi các tế khổng trong đất chứa đầy nước, Oxy bị đẩy ra khỏi các tế khổng, chỉ trừ lớp đất oxy hóa là có sự hiện diện của oxy. Trong điều kiện yếm khí các vi sinh vật háo khí bị bất động hoặc chết đi. Quần thể vi sinh vật yếm khí tùy ý và bắt buộc phát triển. Các vi sinh vật này sử dụng các chất oxy hóa trong điều kiện không có oxy là Fe3+, Mn4+, SO42-, CO2,...các chất này bị khử tạo nên quá trình khử trong đất ngập nước (Nguyễn Mỹ Hoa, 2010).
Theo Lê Huy Bá (1996), giai đoạn đầu của của quá trình gley khi đất ngập nước mất oxy nhanh chóng do sự hô hấp của vi sinh vật háo khí (trong vài ngày). Sau đó là quá trình khử nitrat, đây là quá trình vi sinh vật sử dụng nitrat như một chất nhận điện tử thay cho oxy (g i là sự hô hấp yếm khí). Trong quá trình này NO3 NO2 NO, N2O và N2. Kết thúc giai đoạn này là tiếp tục giai đoạn hình thành khí CH4 và quá trình khử Fe3+ Fe2+. Sự khử Fe là kết quả lên men hô hấp của vi sinh vật. Kết quả của các quá trình sảnh sinh ra CH4, H2, H2S, acid hữu cơ và acid mùn. Các hệ vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn, sau đó là nấm và xạ khuẩn tham gia mạnh vào quá trình này.
Cây trồng cạn sẽ không phát triển bình thường trong điều kiện khử kéo dài. Ngược lại, cây lúa có thể phát triển bình thường trong điều kiện ngập nước vì có một hệ thống chuyển vận oxy từ lá, thân đến rễ. Tuy nhiên, trong điều kiện khử mạnh, Eh thấp các chất khử như Mn2+, Fe2+, H2S, CH4 có thể tích lũy cao đến mức gây độc cho sự phát triển của cây lúa (Nguyễn Mỹ Hoa et al., 2012).
Ở đất chua pH gia tăng trong đất ngập nước vì quá trình khử tiêu thụ H+. Kết quả nghiên cứu sự thay đổi EC trên đất ngập nước cho thấy EC có khuynh hường gia tăng đạt đến đỉnh cao và sau đó giảm dần đến một trị số ổn định (Nguyễn Mỹ Hoa et al., 2009).
Sự phân hủy chất hữu cơ trong đất ngập nước xảy ra chậm hơn nhiều so với sự phân hủy trong điều kiện háo khí, vì hoạt động của nhóm vi khuẩn yếm khí cần ít năng lượng hơn vi khuẩn hiếu khí (Nguyễn Mỹ Hoa, 2009).
Trên đất lúa ngập nước, sự khử đạm ở tầng đất khử bên dưới làm cho đạm bị mất đi ở dạng hơi. Trên các vùng lúa nước trời sự luân phiên khô và ngập nước cũng làm đạm trong đất bị mất. Khi đất thoàng khí, đạm NH4 được khoáng hóa sẽ bị nitrat hóa cho ra NO3-. Khi đất ngập nước trong mùa mưa NO3 bị khử cho ra N2, NO, N2O làm mất đạm trong đất (Võ Thị Gương, 2010).
Khi Eh giảm thì pH, lân dễ tiêu, NH4+ tăng lên ở đất chua. Tuy nhiên quan hệ giữa pH đất và lân dễ tiêu là một vấn đề phức tạp. Nhiều kết quả nghiên cứu sơ bộ kết luận khi pH từ 5,5 – 6,5 lân sẽ được giải phóng nhiều nhất, nếu thấp hơn hoặc cao hơn đều bị cố định khá nhiều (Nguyễn Thế Đặng và Nguyễn Thế Hùng, 1999).
21
Đất ruộng lúa sau thu hoạch có nồng độ dung dịch giảm đi rõ rệt là do rễ cây hút trong quá trình sinh trưởng, phát triển và do hoạt động của vi sinh vật đất (Nguyễn Đình Giao et al., 1997).
2.7 Nhu cầu dinh dƣỡng của câ lúa
2.7.1 Các giai đoạn sinh trƣởng của câ lúa
Đời sống cây lúa bắt đầu từ lúa hạt nảy mầm cho đến khi lúa chín. Theo Yoshida (1981) có thể chia làm 3 giai đoạn chính: giai đoạn tăng trưởng (sinh trưởng dinh dưỡng), giai đoạn sinh sản (sinh dục) và giai đoạn chín.
Giai đoạn tăng trưởng bắt đầu từ khi hạt nảy mầm đến khi cây lúa bắt đầu phân hóa đòng. Giai đoạn này, cây phát triển về thân lá, chiều cao tăng dần và ra nhiều chồi mới (nở bụi). Cây ra lá ngày càng nhiều và kích thước lá ngày càng lớn giúp cây lúa nhận nhiều ánh sáng mặt trời để quang hợp, hấp thụ dinh dưỡng, gia tăng chiều cao, nở bụi và chuẩn bị cho các giai đoạn sau. Trong điều kiện đầy đủ dinh dưỡng, ánh sáng và thời tiết thuận lợi, cây lúa có thể bắt đầu nở bụi khi có lá thứ 5 – 6. Chồi ra sớm trong nương mạ là chồi ngạnh trê. Sau khi cấy, cây mạ mất một thời gian để phục hồi, bén rễ rồi nở bụi rất nhanh, cùng với sự gia tăng chiều cao, kích thước lá đến khi đạt số chồi tối đa thì không tăng nữa mà các chồi yếu bắt đầu rụi dần (chồi vô hiệu hay còn g i là chồi vô ích), số chồi giảm xuống. Thời điểm có chồi tối đa có thể đạt được trước, cùng lúc hay sau thời kỳ bắt đầu phân hóa đòng tùy theo giống lúa.
Giai đoạn sinh sảnbắt đầu từ khi phân hóa đòng đến khi lúa trổ bông. Giai đoạn này kéo dài khoảng 27 đến 35 ngày, trung bình 30 ngày và giống lúa dài hay ngắn ngày thường không khác nhau nhiều. Lúa này số chồi vô hiệu giảm nhanh, chiều cao tăng lên rõ rệt do sự vươn dài của 5 lóng trên cùng. Đòng lúa hình thành và phát triển qua nhiều giai đoạn, cuối cùng thoát ra khỏi bẹ của lá cờ: lúa trổ bông. Trong suốt thời gian này, nếu đầy đủ dinh dưỡng, mực nước thích hợp, ánh sáng nhiều, không sâu bệnh và thời tiết thuận lợi thì bông lúa sẽ hình thành nhiều hơn và vỏ trấu sẽ đạt được kích thước lớn nhất của giống, tạo điều kiện gia tăng tr ng lượng hạt sau này.
Giai đoạn chín bắt đầu từ lúc trổ bông đến lúc thu hoạch. Giai đoạn này trung bình khoảng 30 ngày đối với hầu hết các giống lúa vùng nhiệt đới. Tuy nhiên, nếu đất ruộng có nhiều nước, thiếu lân, thừa đạm, trời mưa ẩm, ít nắng trong thời giai này thì giai đoạn chín sẽ kéo dài hơn và ngược lại. Trong giai đoạn này các chất dinh dưỡng trong thân lá và sản phẩm quang hợp được chuyển vào trong hạt. Hơn 80% chất khô tích lũy trong hạt là do quang hợp ở giai đoạn sau khi trổ. Do đó, các điều kiện dinh dưỡng, tình trạng sinh trưởng, phát triển của cây lúa và thời tiết từ giai đoạn lúa trổ trở đi hết sức quan tr ng đối với quá trình hình thành năng suất lúa.
22
2.7.2 Điều kiện đất đai
Nói chung, đất trồng lúa cần giàu dinh dưỡng, nhiều hữu cơ, tơi xốp, thoáng khí, khả năng giữ nước tốt, tầng canh tác dày để bộ rễ ăn sâu, bám chặt vào đất và huy động dinh dưỡng nuôi cây. Loại đất thịt hay đất pha sét, ít chua hoặc trung tính (pH = 5,5 – 7,5) là thích hợp với đất lúa (Nguyễn Ng c Đệ, 2008). Tuy nhiên muốn trồng lúa đạt năng suất cao, đất ruộng cần bằng phẳng và chủ động nước. Trong thực tế,có những giống lúa có thể thích nghi được trong những điều kiện đất canh tác khắc nghiệt (như: phèn, mặn, khô hạn, ngập úng) rất tốt.
a. Chất đạm (N)
Đạm là chất tạo hình cây lúa, là thành phần chủ yếu của protein và chất diệp lục làm cho lá xanh tốt, gia tăng chiều cao cây, số chồi và kích thước lá thân. Do đó, dựa vào màu sắc và kích thước lá, chiều cao và khả năng nở bụi của cây lúa, người ta có thể chẩn đoán tình trạng dinh dưỡng đạm trong cây (Bùi Huy Đáp, 1994).
Khác với các cây trồng cạn, cây lúa có thể hấp thu và sử dụng cả hai dạng đạm nitrat (NO3-) và ammonium (NH4+), mà chủ yếu là đạm ammonium, nhất là trong giai đoạn sinh trưởng ban đầu. Cây lúa thích hút và hút đạm ammonium nhanh hơn nitrat. Dù vậy, cây lúa vẫn không tích lũy ammonium trong tế bào lá, lượng ammonium dư thừa sẽ được kết hợp thành asparagin ở trong lá. Ngược lại, khi nồng độ nitrat trong môi trường cao thì cây lúa sẽ tích lũy nhiều nitrat trong tế bào. Điều đó làm cho người ta cho rằng, cây lúa có khả năng khữ nitrat thấp hơn đối với ammonium. Về mặt năng lượng sinh h c, việc đồng hóa đạm nitrat cần nhiều năng lượng hơn đạm ammonium, vì đạm nitrat trước hết phải được khử thành ammonium.
b. Chất lân (P)
Lân là chất sinh năng (tạo năng lượng), là thành phần của ATP, NADP…. Thúc đẩy việc sử dụng và tổng hợp chất đạm trong cây, kích thích rễ phát triển, giúp cây lúa mau lại sức sau khi cấy, nở bụi mạnh, kết nhiều hạt chắc, tăng phẩm chất gạo, giúp lúa chín sớm và tập trung hơn. Lân còn là thành phần cấu tạo acid nhân (acid nucleic), thường tập trung nhiều trong hạt. Cây lúa cần lân nhất là trong giai đoạn đầu, nên cần bón lót trước khi sạ cấy. Khi lúa trổ, khoảng 37 – 83 % chất lân được chuyển lên bông (Nguyễn Văn Hoan và Vũ Văn Hiền, 1999).
Khi ngập nước, hàm lượng lân hòa tan gia tăng từ 0,05 ppm đến khoảng 0,6 ppm, sau đó giảm xuống và ổn định ở khoảng 40-50 ngày sau khi ngập.
Hàm lượng lân di động trong dung dịch đất phụ thuộc vào độ pH. Ở pH = 4-8 các ion chủ yếu có mặt trong dung dịch đất là H2PO4- và HPO42- . Đối với năng
23
suất hạt, hiệu quả của phân lân ở các giai đoạn đầu cao hơn các giai đoạn cuối, do lân cần thiết cho sự nở bụi. Nhu cầu tổng số về lân của cây lúa ít hơn đạm.
2.8 Ch phẩm sinh học phân hủ trực ti p rơm rạ tr n đồng ruộng 2.8.1 Ch phẩm Biomix
Biomix là chế phẩm sinh h c đang được nghiên cứu tại Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Khoa H c và Công nghệ Việt Nam. Biomix được sử dụng để phân huỷ nhanh các phế thải hữu cơ (rác thải sinh hoạt, rơm rạ, bã dong riềng, than bùn, phân gia súc gia cầm,...) thành phân bón hữu cơ bằng các vi sinh vật ưa nhiệt.
Chế phẩm Biomix có thể phân huỷ nhanh các chất hữu cơ thành mùn, tăng nguồn phân bón hữu cơ cho đất, làm sạch môi trường, góp phần giảm chi phí sản xuất cho nông hộ, hạn chế sử dụng phân hoá h c và góp phần cải tạo đất. Ngoài ra, chế phẩm Biomix còn có thể tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh cho động vật và thực vật có trong chất thải.
Mật độ vi sinh vật hữu hiệu trong Biomix đạt 109
CFU/g chế phẩm. Thành phần vi sinh vật của chế phẩm Biomix bao gồm 30 chủng xạ khuẩn ưa nhiệt nhóm
Streptomyces và 20 chủng vi khuẩn ưa nhiệt nhóm Bacillus.
2.8.2 Ch phẩm Trichomix-DT
Chế phẩm Trichomix-DT là sản phẩm của nhà máy phân bón Điền Trang. Sản phẩm được lưu hành theo quyết định số 55/2006/QĐ-BNN, ng y 07 tháng 7 năm
2006Về việc ban h nh “Danh mục bổ sung phân b n đ ợc phép sản xuất, kinh doanh v sử dụng ở Việt Nam”. Trong Trichomix-DT có chứa:
- Vi sinh vật phân giải Cellulose
+ Trichoderma spp. > 108 CFU/g
+ Streptomyces spp. > 106 CFU/g - Vi sinh vật phân giải lân
+ Bacillus subtilis > 109 CFU/g
+ Pseudomonas sp. > 106 CFU/g
- Thành phần khác: đa lượng: N: 2%, P2O5: 2%, K2O: 1%; Trung lượng: CaO: 1%, MgO: 0,5%; Hữu cơ: 23%.
Công dụng:
- Phòng ngừa hiệu quả bệnh vàng lá, thối rễ, lở cổ rễ, nứt thân, xì mủ, chạy dây, chết nhanh, nấm hồng… do nấm bệnh như Furasium spp., Rhizoctonia
solani,Phytophthora spp., Pythium spp., Corticium spp.,… và tuyến trùng hại rễ
24
- Cung cấp dưỡng chất dễ tiêu và hệ vi sinh vật có ích giúp cải tạo đất, phục hồi, bảo vệ bộ rễ và kích thích rễ cây phát triển cực mạnh.
- Tăng khả năng sinh trưởng, phát triển cây trồng. Tăng năng suất và chất lượng nông sản. Phân giải nhanh lân khó tiêu, cellulose, chitin, lignin, pectin,… thành chất dễ tiêu giúp cây trồng hấp thu tốt.
- Trên lúa: phòng ngừa ngộ độc hữu cơ, đạo ôn lá và cổ bông do các loại nấm bệnh gây ra.
Hình 2.6 : Chế phẩm Trichomix-DT
2.8.3. Ch phẩm Bio- decomposer
Chế phẩm Bio- decomposer (còn được g i là AT xử lý nhanh rơm rạ) là một chế phẩm phân hữu cơ sinh h c, được Công ty TNHH MTV Sinh h c Nông nghiệp Văn Giang (VAB Co) sản xuất bao gồm một tập hợp các vi sinh vật có ích đã được ch n l c thử nghiệm hoạt tính. Các vi sinh vật có mặt trong AT xử lý nhanh rơm rạ gồm các chủng nấm có lợi, vi khuẩn và xạ khuẩn chúng tạo ra các loại enzymes như: celluloza, amylaza, hemcellulaza, lignin và proteaza…giúp phân giải nhanh các chất hữu cơ khó hấp thụ thành dạng dễ hấp thụ cho cây trồng, rút ngắn thời gian ủ phân, phân hủy nhanh rơm rạ và giảm ô nhiễm môi trường.
25
Hình 2.7: Chế phẩm AT sử dụng trong thí nghiệm
Thành phần vi sinh vật có ích trong chế phẩm gồm : Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus, Emericella nivea, Pseudoeurotium zonatum, Mucor sp, Penicillium variabile, Trichoderma hamatum, Trichoderma harzianum, Humicola fuscoatra, Achaetomium,Monascus.
AT xử lý nhanh rơm rạ được sử dụng để xúc tác quá trình phân hủy nhanh rơm rạ trên đồng ruộng và phân giải rơm rạ thành phân hữu cơ có giá trị dinh dưỡng cao cho cây trồng và tăng độ phì nhiêu của đất, tạo độ tơi xốp cho đất.Hòa loãng 200ml chế phẩm AT xử lý nhanh rơm rạ với 15-20 lít nước phun đều trên bề mặt diện tích 360m2đồng lúa đã thu hoạch để xử lý rơm rạ trực tiếp trên đồng ruộng.
2.9. Các công trình nghi n cứuvề biện pháp xử lý rơm rạ
Theo đề tài nghiên cứu của Nguyễn Thành Hối (2008) cho thấy có 37% tr ng lượng khô của rơm rạ lưu tồn trong đất sau khi chôn vùi vào ruộng lúa ngập nước 90 ngày. Trồng lúa trên đồng ruộng có chôn vùi gốc rạ hoặc rơm làm năng suất lúa