qua nhiều năm.
Nghiên cứu của Olk và Cassman (2002), năng suất ban đầu của lúa đạt đến tiềm năng tối đa, sau đó giảm khoảng 35% khi canh tác hai, ba vụ liên tục 20 - 30 năm. Kết quả thí nghiệm trên đất lúa ba vụ ở Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế Philippines, năng suất lúa giảm khi canh tác liên tục 24 năm khoảng 3 tấn/ha (mùa khô) tương ứng 38% và 2 tấn/ha vào mùa mưa tương ứng giảm 50% so
với năng suất ban đầu (Cassman et al., 1995). Năng suất hạt có liên quan đến lượng N hữu dụng trong đất và khả năng hấp thu N của cây trồng (Cassman et al., 1997). Giảm dần khả năng cung cấp
N của đất, hiệu quả hấp thu N và sử dụng phân N chưa hiệu quả có thể là nguyên nhân làm giảm
năng suất (Cassman et al., 1995; Dawe et al., 2000; Dobermann et al., 2000).
Ở 30 thí nghiệm dài hạn vùng nhiệt đới và bán nhiệt đới của Châu Á, với hệ thống độc canh cây lúa nước cho thấy tất cả năng suất đều giảm, tuy nhiên năng suất vào mùa khô có thuận lợi
hơn (Dawe et al., 2000).
Trong thí nghiệm dài hạn của Ladha et al. (2003) có 22% trường hợp năng suất lúa giảm,
là do sự suy giảm C tổng số, N, Zn và P hữu dụng trong đất làm giảm sự phát triển của cây trồng, giảm bức xạ mặt trời và tăng nhiệt độ tối thiểu là những tiềm năng làm cho năng suất lúa giảm.
Theo Schmidt-Rohr et al. (2004), tăng vụ lúa nước trong thời gian dài dẫn đến giảm năng
suất một cách ý nghĩa, là do giảm sự hữu dụng của nitrogen trong đất, mà phần lớn bị giữ ở chất hữu cơ trong đất. Qua phân tích lượng tăng trong đất canh tác ba vụ lúa, nitrogen amide có cấu trúc vòng thơm trong thành phần acid humic ở đất lúa ba vụ ngập liên tục, vì nitrogen liên kết trong hợp chất hữu cơ không hữu dụng cho cây trồng, điều này có thể giải thích làm cho năng suất giảm.
Nhiều nghiên cứu về nguyên nhân của giảm năng suất lúa trong điều kiện canh tác ba vụ liên tục cho thấy do cây trồng giảm sự hấp thu lượng đạm hữu cơ trong đất, do giảm sự khoáng hóa
đạm trong suốt mùa vụ (Cassman et al., 1995; Dobermann et al., 2000). Theo Olk et al. (2006) là do
sự thiếu N, làm giảm sự hấp thu N từ đất vào giữa vụ, ức chế sự khoáng hóa N liên quan đến sự tích lũy N xãy ra đồng thời với sự tích lũy phenol trong đất. Nghiên cứu ở Philippines cho thấy canh tác lúa nước liên tục trong thời gian dài năng suất giảm là do cây trồng giảm sự hấp thu nitrogen khoáng hóa từ chất hữu cơ trong đất. Kết quả phân tích đất cho thấy có sự tích lũy hợp chất phenolic lignin trong chất hữu cơ. Qua phân tích nuclear magnetic resonance spectroscopy về lượng lignin - liên quan đến nitrogen được tìm thấy ở đất lúa ba vụ trong các thí nghiệm dài hạn ở Philippines. Phân hũy yếm khí của tồn dư thực vật là điểm đặc trưng của cây trồng trong điều kiện yếm khí thúc
đẩy sự tích lũy hợp chất phenolic lignin và kết hợp với N trong đất (Olk et al., 2006).
Ở Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL), trên đất phù sa không phèn, yếu tố giới hạn năng suất chính là chất dinh dưỡng và bón phân sẽ làm gia tăng năng suất cây trồng rõ rệt. Trong điều kiện trồng lúa ba vụ nhiều năm, tầng đế cày sẽ dày lên theo thời gian là yếu tố giới hạn bộ rễ phát triển, làm ảnh hưởng đến khả năng hút dinh dưỡng của đất (Dương Văn Nhã, 2006). Trồng ba
vụ lúa liên tục trong năm sẽ dẫn đến kết quả là: đạm tổng số, chất hữu cơ, lân tổng số có khuynh hướng giảm dần theo thời gian (Trần Quang Tuyến, 1997).
Với việc độc canh cây lúa, sản xuất hai hay ba vụ lúa trong năm thì cả lượng phân bón sử dụng, thời gian đất ngập nước và tổng lượng chất hữu cơ để lại từ rễ lúa và gốc rạ đều tăng. Do đó dưới điều kiện yếm khí, hoạt động của vi sinh vật giảm, tồn dư của cây trồng tích lũy dần trong chất hữu cơ của đất lúa. Duy trì độ phì nhiêu của đất dưới điều kiện tăng vụ là vấn đề được đặt ra, cây
trồng canh tác liên tục trong thời gian dài là nguyên nhân làm thay đổi đặc tính đất (Cassman et al.,
1995).
Theo Cassman et al. (1995, 1997), canh tác lúa liên tục sau 10 năm năng suất giảm được
xác định do các nguyên nhân: (1) giảm đặc tính di truyền của giống lúa, (2) do thay đổi khí hậu, (3) thời gian dài làm thay đổi hóa tính của đất ngập nước ảnh hưởng đến khả năng cung cấp dinh dưỡng của đất, (4) thay đổi chất lượng chất hữu cơ của đất làm giảm khả năng cung cấp N của đất, (5) vi sinh vật trong đất ngập nước thay đổi, (6) thiếu N hoặc ngộ độc do các dinh dưỡng khác như Zn, B, (7) giảm sự hấp thu N từ rễ, (8) giảm số lượng, mật số rễ, (9) canh tác liên tục làm tăng áp lực sâu bệnh hại. Thí nghiệm dài hạn của Cassman và Pingali (1995b), cây lúa được trồng liên tục dưới điều kiện ngập nước, dịch hại được quản lý tốt nhưng năng suất giảm, cho thấy chất lượng đất bị giảm.
Ảnh hưởng khả năng cung cấp đạm hữu dụng ở đất lúa
Đất bị ngập nước làm thay đổi lý, hoá, sinh học ảnh hưởng lớn đến động thái của độ phì nhiêu đất và sự phát triển của cây lúa nước (Sahrawat, 2004). Đạm là yếu tố giới hạn năng suất chủ yếu trên đa số loại đất và cây trồng ở ĐBSCL, ở đất phù sa có hàm lượng đạm từ trung bình đến khá. Cây lúa hấp thu 2/3 tổng lượng N từ đất, còn lại 1/3 từ phân vô cơ (Koyama, 1975; Patrick và Reddy, 1976). Sự mất N từ phân vô cơ và hiệu quả sử dụng phân kém, vì vậy nguồn N cung cấp từ
đất quan trọng cho sự phát triển của lúa (Vo Thi Guong et al., 1994). Nghiên cứu của Olk et al.
(2007), một lượng lớn nitrogen trong đất sẽ phóng thích từ từ dưới dạng hữu dụng cho cây trồng. Ở Châu Á nhiệt đới, năng suất hạt và cây trồng hấp thu lượng N phóng thích giảm dài hạn đối với canh tác lúa nước hai – ba vụ trong năm. Khả năng cung cấp N của đất cao cũng có liên quan đến chứa nhiều C hữu cơ và sự khử Fe (Sahrawat và Narteh, 2003).
Sự tăng vụ có liên quan đến tình trạng đất ngập liên tục. Trong một số thí nghiệm, canh tác lúa liên tục 20 – 30 năm sự sinh trưởng của cây giảm, cây thiếu N vào giai đoạn từ giữa đến cuối chu kỳ sinh trưởng, do lượng N hữu dụng trong đất giảm, lượng N tổng số trong đất thì không thay
đổi, thậm chí còn tăng (Cassman et al., 1995).
Trong thời gian dài, cây trồng hấp thu đạm từ nguồn chất hữu cơ của đất giảm dưới điều
hợp chất phenolic lignin trong chất hữu cơ của đất, hợp chất này sẽ kiềm giữ đạm. Có giả thuyết cho rằng giảm lượng N hữu dụng nguyên nhân chủ yếu từ phân hũy yếm khí của tồn dư cây trồng trong đất, phân 15N- đánh dấu được sử dụng ba lần trong một vụ để so sánh phân hũy yếm khí với phân hũy háo khí đối với mô hình lúa – lúa và lúa – bắp. Kết quả cho thấy có sự ức chế N khoáng hóa đối với mô hình lúa – lúa khi tồn dư thực vật được phân hũy yếm khí, cả N15 và N tổng số đều bị cố
định từ giữa giai đoạn sinh trưởng của cây (Olk et al., 2007). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở mô hình lúa – lúa, số lượng hợp chất phenolic chiếm 35% với điều kiện phân huỷ yếm khí cũng như phân huỷ háo khí. Sự tích luỹ hợp chất phenol làm ức chế sự khoáng hoá N ở mô hình lúa – lúa với sự phân huỷ yếm khí của tồn dư thực vật, giả thiết cho rằng hợp chất phenolic lignin kết hợp với N hữu cơ khi canh tác lúa liên tục, canh tác ba vụ lúa trong thời gian dài (Schmidt -
Rohr et al., 2004).
Đất ngập nước thường xuyên thuận lợi cho sự tích lũy các hợp chất lignin trong đất và sự phân hũy mùn ở đất ngập nước xãy ra với tốc độ chậm hơn đất không ngập nước (Nguyễn Xuân Cự, 2005). Khi ngập nước thường xuyên, thiếu oxy làm hạn chế hoạt động của vi sinh vật đất, là nguyên nhân chính làm trì hoãn sự phân hũy lignin, dẫn đến tích lũy các nhóm phenolic, có nguồn gốc từ lignin vào thành phần mùn của đất (Olk và Cassman, 2002). Sự tích lũy của tồn dư lignin phenolic
làm giữ chặt lượng N trong đất (Olk et al., 1998; 2006).
Canh tác lúa hai vụ lúa trong năm trong thời gian dài ở vùng nhiệt đới làm giảm N hữu dụng trong đất và năng suất hạt, trong đất tích lũy phenols. Trong suốt 4 năm, điều kiện phân hũy yếm khí dẫn đến làm giàu hợp chất phenolic và giảm sự khoáng hóa N từ chất hữu cơ (22 kg N/ha) so với phân hũy thoáng khí. Sự ức chế khoáng hóa N có liên quan đến giàu hợp chất phenol vào giữa đến cuối vụ, sinh khối của chất thải thực vật đạt cao nhất. Phân hũy yếm khí của chất thải thực vật ức chế sự khoáng hóa N trong suốt giai đoạn sinh trưởng và làm tích lũy hợp chất phenol, trong thời gian dài giảm năng suất hạt (Olk và Cassman, 2002). Phân huỷ yếm khí của tồn dư thực vật thường xãy ra khi canh tác lúa nước ở Châu Á, là nguyên nhân làm giảm sự hấp thu N từ đất của cây trồng xãy ra khi canh tác lúa liên tục, không chỉ đơn thuần là số lượng N khoáng hoá mà còn liên quan đến thời gian khoáng hoá N, liên quan đến nhu cầu N của cây trồng (De Datta, 1981).
N hữu dụng bị kiềm giữ ở đất lúa ngập nước thì cao hơn so với trong đất thoáng khí (Ponnamperuma, 1976; Dobermann và Fairhurst, 2000). Sự khoáng hoá chất hữu cơ và sự bất động nitrogen ở đất ngập nước ít hơn đất thoáng khí (Borthakur và Mazunda, 1968).
Ở vùng thâm canh lúa ba vụ trong năm, độ phì nhiêu đất thấp, đất bị nén dẽ, vì thế yếu tố vật lý đất có ảnh hưởng bất lợi cho sự phát triển của bộ rễ và giảm tiến trình sinh học trong đất: giảm sự khoáng hoá và sự cung cấp N trong đất thông qua sự khoáng hoá N hữu cơ (Trần Bá Linh và ctv, 2002).
Phân 15N được sử dụng cho lúa để so sánh rơm rạ phân huỷ trong điều kiện yếm khí và háo khí. Kết quả cho thấy sự phóng thích 15N dưới dạng hữu dụng khi rơm rạ phân huỷ trong điều
kiện háo khí nhiều hơn là phân huỷ ở điều kiện ngập nước (Olk et al., 2007).
Ảnh hưởng đến tình trạng khử của đất
Đất ngập nước làm thay đổi hàng loạt tính chất lý – hoá – sinh học đất và các chất dinh dưỡng quan trọng của cây lúa. Khi ngập nước, rễ chịu ảnh hưởng điển hình bởi sự thiếu oxy và hàng loạt những thay đổi do tình trạng khử, giữa đất và không khí cản trở (Ponmamperuma, 1981). Ở lúa ngập nước, gần chóp rễ tiềm thế oxy hoá khử tăng đáng kể. Sự khử ở vùng rễ xảy ra khác nhau, mạnh nhất ở 1 mm trở lại, đất khử đến 4 mm, sự khử yếu dần. Tiến trình oxy hoá xãy ra ở vùng rễ phụ thuộc vào lượng oxygen cung cấp đến rễ (Flessa và Fischer, 1992).
Tiềm thế oxy hóa khử (redox potential: Eh) chỉ tình trạng oxy hoá hay tình trạng khử
trong đất, là một trong nhiều tiêu chuẩn chất lượng khó của đất đặc biệt trên đất lúa (Tanji et al.,
2003). Cây trồng cạn sẽ không phát triển bình thường trong điều kiện khử kéo dài. Cây lúa thì ngược lại, phát triển bình thường trong điều kiện ngập nước vì có một hệ thống chuyển vận oxy từ thân lá đến rễ (Đặng Thị Thanh Loan, 2007). Tình trạng khử ở đất lúa ngập nước được đo bằng tiêu chuẩn, quá trình oxy hóa khử ở đất lúa xảy ra nhanh và thay đổi lớn ở điều kiện ngập yếm khí (De
Laune et al., 1981). Trong đất lúa giàu chất hữu cơ ngập nước, đất khử cao, bộ rễ có triệu chứng
phát triển rất kém có liên quan đến các hợp chất giảm sự tăng trưởng được sinh ra trong tiến trình khử (acid hữu cơ, sulfide, CO2). Trong đất lúa bị ngập lâu ngày, điều kiện khử mạnh, các chất khử: Mn2+, Fe2+, H2S có thể tích luỹ cao đến mức gây độc cho sự phát triển của lúa (Đặng Thị Thanh
Loan, 2007; Nguyen Bao Ve et al., 2002). Và sự thay đổi nhanh xảy ra ở đất lúa là do sự phân huỷ chất hữu cơ bao gồm rơm rạ (Tanji et al., 2003).
Ảnh hưởng đến chất hữu cơ trong đất
Chất hữu cơ đóng vai trò chủ yếu ở đất ngập nước. Chất hữu cơ trong đất là nguồn cung cấp N ở đất lúa nước (Ponnamperuma, 1984) và là chỉ số của N hữu dụng ở đất lúa nước. Mối quan hệ giữa chất hữu cơ và sự khoáng hóa N là điều kiện để xác định nhu cầu N ở đất lúa nước. Cả số lượng và chất lượng chất hữu cơ ảnh hưởng đến sự khoáng hóa N ở đất lúa nước (Sahrawat, 2006). Sự thay đổi khí hậu và cách sử dụng đất có ảnh hưởng ý nghĩa đến động thái chất hữu cơ trong đất,
đặc biệt quan tâm đến tỉ lệ vòng quay của đất (Rustad et al., 2001; West và Marland 2002). Tính
hoá học tự nhiên của chất hữu cơ trong đất trở nên kém mùn hơn với sự tăng canh tác lúa nước và
đất bị ngập nước (Olk et al., 1996; 1998).
Theo Howeler và Bouldin (1971), ở đất ngập nước tỉ lệ phân hũy chất hữu cơ thấp do thiếu oxygen . Ở đất lúa, sự phân huỷ chất hữu cơ thường giới hạn nên dẫn đến tích luỹ chất hữu cơ
Với các sản phẩm phân huỷ, chất hữu cơ được chia làm 2 dạng: (1) dạng hữu dụng chiếm 10 – 20% tổng số chất hữu cơ trong đất, (2) dạng khó phân huỷ có cấu trúc đa phân tử, đây là thành phần chính liên kết với các khoáng sét tạo nên đất hữu cơ (Brady và Well, 1996).