D- H+ A→ H A
CHƯƠNG 3 DINH DƯỠNG KHOÁNG VÀ NITƠ (NITROGEN) Ở THỰC VẬT
(NITROGEN) Ở THỰC VẬT
1. Khái niệm chung
1.1.Lược sử phát triển của học thuyết dinh dưỡng khoáng ở thực vật
Những hiểu biết của loài người về đời sông của cây cỏ đã được thể hiện từ thời cổ Hy Lạp và thường bắt đầu bằng những quan niệm về dinh dưỡng sinh vật. Aristote (384 – 322 trước công nguyên) cho rằng: Thực vật khác với động vật ở chỗ nó không có dạ dày vì nó đã có đất thay thế. Đất chế biến mọi thức ăn cho cây. Sau đó, Theophraste (372 – 287 trước công nguyên) đã dự đoán rằng, cây dinh dưỡng không chỉ nhờ rễ mà còn nhờ lá. Các nhà tư tưởng cổ Hy Lạp còn cho rằng: nước, đất, không khí và lửa là những nhân tố cơ bản của đời sống thực vật.
Năm 1563, Bemard Palissi-nhà tự nhiên học người Pháp lần đầu tiên đề xuất ý kiến đúng đắn rằng: “Muối là cơ sở của sự sống và sinh trưởng của cây trồng”.
Năm 1629 đánh dấu bước phát triển mới trong nghiên cứu dinh dưỡng thực vật nhờ công trình khoa học của Van Helmon (nhà thực vật học Hà Lan). Ông trồng cành liễu nặng 2,25kg vào thùng gỗ chứa 80kg đất và trong suốt 5 năm liền chỉ tưới cho cây bằng nước mưa. Kết quả cành liễu nặng 66kg, trong khi đó trọng lượng của đất chỉ giảm có 56g. Ông kết luận rằng: cây chỉ cần nước để sống. Van Helmon là người đầu tiên biết sử dụng phương pháp trồng cây trong chậu (đất) và phương pháp cân trọng lượng so sánh.
Năm 1699, Woodward - nhà khoa học người Anh đã lặp lại thí nghiệm của Van Helmon với một loại cỏ thơm và đưa ra một kết luận mới: Để sinh trưởng bình thường, cây không chỉ cần nước mà còn những chất gì đó do đất cung cấp. Woodward là người đầu tiên sáng tạo ra phương pháp trồng cây trong dung dịch, mở đường cho khoa học phát triển. Kết quả thực nghiệm của ông có ý nghĩa quan trọng đặt nền móng cho thuyết dinh dưỡng đất (dinh dưỡng khoáng) đối với thực vật.
Suốt thế kỷ 18 tới thế kỷ 19, các nhà khoa học tập trung vào việc tìm chất gì trong đất có ý nghĩa chủ yếu đối với đời sống thực vật. Thuyết chất mùn của Thaer (1828) đã được hình thành: chất mùn là nguồn dinh dưỡng chủ yếu của thực vật, còn các chất khác có trong đất như muối khoáng, các hạt cát, các hạt sét chỉ có tác dụng hỗ trợ cho sự đồng hóa các chất béo của mùn.
Người có công to lớn trong việc xây dựng và hoàn chỉnh học thuyết dinh dưỡng khoáng thực vật là nhà khoa học người Đức – Justusvon Leibig (1803-1873). Ông là người đầu tiên đề ra và sử dụng phương pháp phân tích tro để đánh giá vai trò của các nguyên tố khoáng. Ông phát hiện trong tro thực vật có nhiều nguyên tố khoáng với hàm lượng lớn như S, K, Mg, Ca, Fe, Si, Na…Ông chứng minh độ phì của đất không phải do mùn mà do các chất khoáng, Leibig đánh giá cao vai trò của chất khoáng và xem nhẹ vai trò của chất mùn. Ông đã đề ra “Định luật tối thiểu”, nghĩa là bón bất kì liều lượng nào các chất khoáng sẽ không làm tăng thu hoạch cho đến khi chưa loại bỏ được sự thiếu hụt của các chất còn ở lượng tối thiểu.
Mặc dù lý thuyết dinh dưỡng khoáng thực vật của Leibig còn nhiều mặt hạn chế, song kết quả nghiên cứu của ông đã có ảnh hưởng lớn đến việc đẩy mạnh sản xuất và sử
dụng phân hóa học ở các nước phương tây từ nửa sau thế kỷ 19. Nhờ đó chỉ vài chục năm năng suất lúa mì của châu Âu đã tăng lên gấp đôi (7tạ/ha/năm lên 14tạ/ha/năm). Mức độ tăng năng suất này trước đó phải mất đến vài thế kỷ và có thể nói đó là “cuộc cách mạng xanh lần thứ hai”.
1.2.Các phương pháp nghiên cứu dinh dưỡng khoáng
1.2.1. Phương pháp phân tích tro
Đây là phương pháp được Leibig (1840) đề xuất và sử dụng đầu tiên để đánh giá vai trò các nguyên tố khoáng trong cây. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp là đốt cháy sinh khối ở nhiệt độ cao 400 – 500oC (là nung) trong nhiều giờ gọi là quá trình khoáng hóa. Bản chất hóa học của quá trình là oxy hóa các chất hữu cơ nhờ oxy. Các nguyên tố C, H, O, N được giải phóng dưới dạng CO2, NO2 và hơi nước (H2O), các nguyên tố còn lại trong tro màu trắng gọi là nguyên tố khoáng. Dùng phương pháp cân tro ta xác định được lượng khoáng tổng số. Dùng phương pháp hòa tan tro trong dung dịch axit HCl ta xác định được các thành phần nguyên tố khoáng và đồng thời cũng xác định được hàm lượng các nguyên tố đó trong tro nhờ các phương pháp lý hóa học (so màu, quang phổ, hấp phụ nguyên tử…). Người ta xác định được trị số trung bình chất khoáng ở thực vật là 5% khối lượng khô của cây. Lá cây có hàm lượng tro cao nhất, sau đó đến vỏ cây gỗ và rễ, hạt và thân chứa ít khoáng hơn cả.
1.2.2. Phương pháp dinh dưỡng
Đây là phương pháp dễ làm, lại cho kết quả khá chính xác. Một trong những ưu điểm nổi bậc của phương pháp là dễ dàng đảm bảo đồng đều các điều kiện sống của cây (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm…) chủ động điều chỉnh chế độ dinh dưỡng. Phương pháp này giúp người nghiên cứu giải quyết hàng loạt các vấn đề như: Tìm hiểu vai trò sinh lý của từng loại nguyên tố khoáng đối với từng loại cây trồng, từng loại đất khác nhau, trong từng giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây. Trên cơ sở đó, người ta xây dựng được quy trình, chế độ bón chất dinh dưỡng hợp lý cho cây như thành phần, liều lượng, tỷ lệ giữa các thành phần, thời kỳ bón, cách bón.
Phương pháp trồng cây trong dung dịch
Năm 1860, các nhà khoa học Đức đã trồng cây bằng cách nhúng rễ của chúng trong dung dịch muối khoáng. Bằng cách này, họ đã xác định được 10 nguyên tố cần thiết cho cây.
Về sau, người ta sử dụng nhiều loại dung dịch dinh dưỡng khác nhau để nghiên cứu dinh dưỡng khoáng ở các loài cây khác nhau.
Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng
Đây là phương pháp đảm bảo thí nghiệm gần với điều kiện tự nhiên cho phép kiểm tra lại các kết quả của phân tích tro và thí nghiệm trong chậu đối với cây trồng cụ thể trong điều kiện đất đai và thời tiết cụ thể. Phương pháp thí nghiệm thực địa được
sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tiễn sản xuất.
Điều kiện thực địa rất phức tạp, khó đảm bảo được mức độ đồng đều, do đó độ chính xác, độ tin cậy của thi nghiệm thấp. Tuy nhiên, bằng cách xử lý đất cẩn thận, sử dụng diện tích đất lớn, diện tích ô thí nghiệm hợp lý sơ, đồ bố trí thí ngiệm đúng, ta có thể hạn chế được ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên và nâng cao độ chính xác của thí nghiệm này.
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu nhu cầu dinh dưỡng khoáng ở thực vật
Phương pháp nghiên cứu nhu cầu dinh dưỡng khoáng của thực vật là yêu cầu cần thiết của con người, đặc biệt đối với các nhà trồng trọt và làm vườn để biết cây cần những chất gì và lượng cần là bao nhiêu, vào giai đoạn nào của quá trình phát triển cá thể để tránh tác hại xấu đến cây trồng, đồng thời sử dụng hiệu quả chất dinh dưỡng.
Ngoài các phương pháp phân tích tro và trồng cây trong dung dịch, để nghiên cứu nhu cầu khoáng của cây trồng, người ta còn sử dụng các phương pháp phân tích hàm lượng khoáng trong đất sau:
+ Phương pháp phân tích hoá học: Phương pháp này có thể tìm hiểu được thành phần, trữ lượng thức ăn của cây mà đất có thể giữ được: phân tích hàm lượng tổng số như mùn, nitơ, photpho và kali tổng số; phân tích các dạng dễ tiêu: đạm dễ tiêu NH4+, NO3-, các dạng nitơ thuỷ phân như axit amin, lân dễ tiêu, kali dễ tiêu.
+ Phương pháp phân tích vật lý: Bằng máy quang phổ, ngoài việc phân tích được hàm lượng các chất có trong đất, còn biết được cách sắp xếp và cấu trúc của các nguyên tố.
+ Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp điện hoá học để đo độ pH quá trình oxy hoá khử của đất, các dạng keo đất.
2. Vai trò sinh lý của các nguyên tố dinh dưỡng khoáng trong cây2.1. Các nguyên tố cần cho sự phát triển của thực vật