Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
2.3. Khái quát chung về môi trường đất nông nghiệp
2.3.3. Hệ giun đất trong môi trường đất
2.3.3.1. Khái niệm giun đất
Theo bách khoa toàn thư mở Wikipedia thì “Giun đất”là tên thông thường của các thành viên lớn nhất của phân lớp Oligochaeta trong ngành Annelida. Giun đất thường sống ở những khu vực đất ẩm ướt có nhiều mùn hữu cơ, theo vị trí cư trú, ta thấy có loài chuyên sống ở lớp đất mặt, có loài sống sâu dưới đất và có loài sống lưng chừng giữa những loài trên. Chúng có vai trò to lớn đối với ngành nông nghiệp do chúng làm đất tơi xốp và tăng độ phì nhiêu của đất. Giun đất còn là thức ăn cho gia súc và gia cầm.
Giun yêu cầu đất có độ ẩm phù hợp, giàu thức ăn, pH trung tính hoặc ít chua. Khi đất có pH nhỏ hơn 4,5 giun đất phát triển rất kém. Trong đất đồng cỏ vùng ôn đới khối lượng giun đất có thể lên 1000- 4000 kg/ ha. Ngược lại ở đất trồng trọt chỉ đạt 50- 500 kg/ ha (Bùi Thị Nga, 2000).
2.3.3.2. Vai trò của giun đất đối với kết cấu đất và sự phát triển của cây trồng Trong số các động vật có lợi cho đất trồng thì giun đất là loài điển hình. Ở những vùng thích hợp, mật độ của giun đất có thể lên tới hàng trăm cá thể trên 1m2. Chúng dùng lá, rễ cây hoai mục làm thức ăn, dọn sạch lá cây, rác rưởi tồn đọng trong đất đồng thời thải ra một lượng lớn chất thải, trong đó có đầy đủ các hợp chất N, P, K cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Khi giun ăn trong đất, các chất hữu cơ cũng như vô cơ được trộn đều trong bộ tiêu hoá của chúng. Qua đó đất có một hỗn hợp cân bằng giữa chất đất sét và chất mùn cũng như nước, không khí và chất dinh dưỡng.
Ngoài ra giun còn đóng một vai trò khác nữa trong lúc ăn. Giun là loại diệt vi sinh vật gây bệnh rất hữu hiệu. Khi ăn lá cây chúng ăn và tiêu hoá luôn những mầm nấm mốc. Phân của chúng là môi trường tốt để các loại vi sinh hữu ích phát triển. Các loại này tạo ra chất kháng sinh có thể ngăn chặn các loại vi sinh vât gây hại cho cây trồng (Tác dụng của loài giun đất trong đất nông nghiệp, 2017).
Theo Lê Văn Khoa (2007) giun đất giúp thuyên chuyển các sản phẩm thực vật từ trên mặt đất xuống lớp đất sâu, đào hang làm cho đất thoáng, tạo điều kiện cho các sinh vật và động vật không xương sống khác hoạt động, đẩy nhanh quá trình tạo mùn và khoáng hóa các chất hữu cơ thành các chất dinh dưỡng khoáng nuôi sống cây trồng.
Theo số liệu của C.A. Edwards and J. R. Lofty (1972) cho biết phân giun đất chứa 53,9ppm photpho, 49,0ppm đạm amon, 1,52% mùn, 0,151% đạm tổng số và 23,7% canxi oxit. Như vậy có thể cho rằng phân giun đất là một loại phân bón tổng hợp. Đáng chú ý là nguồn phân bón này được giun bón cho đất hằng năm với số lượng lớn.
2.3.4. Hệ thống vi sinh vật trong môi trường đất và vai trò của chúng đối với cây trồng
2.3.4.1. Khái niệm
Theo bách khoa toàn thư mở Wikipedia: Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào hoặc đa bào nhân sơ hoặc nhân thực có kích thước rất nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi. Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với bất kỳ đơn vị phân loại nào trong phân loại khoa học.
Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn (bao gồm cả cổ khuẩn), nấm, tảo, nguyên sinh động vật.
Vi sinh vật là những sinh vật có kích thước bé không quan sát được bằng mắt thường mà phải dùng kính hiển vi mới nhìn thấy. Những cơ thể nhỏ bé này có thể chưa phải là tế bào (virus), là tế bào nhưng chưa có nhân thật
(Prokaryota)- nhân nguyên sinh như vi khuẩn hay có nhân (Eukaryota) như sinh
vật bậc cao của vi nấm. Kích thước của vi sinh vật thường được đo bằng micromet (µm) hay bằng nanomet (nm) (1nm= 10-3µm = 10-6mm).
Có khả năng hấp thu và chuyển hóa mạnh vật chất do bề mặt tiếp xúc lớn (từ mọi phía của tế bào). Chúng có thể hấp thu được khối lượng lớn hơn hàng ngàn lần trọng lượng cơ thể.
Có khả thích ứng cao với môi trường và dễ biến dị. Đây sẽ là cản trở trong quá trình chọn lọc hoặc và duy trì một giống vi sinh vật.
Sinh trưởng và phát triển nhanh. Nhiều loài cứ 20 phút thì một tế bào được nhân đôi.
Vi sinh vật phổ biến khắp mọi nơi trong mọi điều kiện. Trong một gam đất trồng trọt có thể có tới 109 tế bào với nhiều chủng loại khác nhau (Phạm Văn Kim, 2000).
2.3.4.2. Hệ thống vi sinh vật trong môi trường đất
Môi trường đất là một hệ sinh thái phức tạp được hình thành qua nhiều quá trình vật lý, hoá học cũng như sinh học trong một thời gian rất dài, ngay từ khi sự sống mới bắt đầu hình thành. Đất là môi trường chứa hàm lượng chất hữu cơ vô cùng lớn, do đó đất trở thành môi trường thích hợp nhất đối với sự sinh trưởng và phát triển của hệ vi sinh vật.
Nếu theo định nghĩa chung thì vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm. Trong phạm vi tổng quan nghiên cứu này chúng tôi giới thiệu các nhóm chính sau đây: Vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm.
a. Vi khuẩn (Bacteria)
Vi khuẩn có cấu tạo tế bào nhưng chưa có nhân (prokaryota). Nhân là một chuỗi AND không có màng nhân, có màng ngoài. Có cả gam âm (bắt màu tím) và gam dương (bắt màu hồng). Vi khuẩn có nhiều dạng: hình cầu, hình que, hình sợi, hình xoắn (Hình 2.3).
Hình 2.2. Hình thái của vi khuẩn
Nguồn: Phạm Văn Ty (1998)
Kích thước của vi khuẩn từ 0,2- 2,0 µm x 2,0- 8,0 µm. Vi khuẩn nguyên sinh bé hơn. Trong đất vi khuẩn chiếm tới 90 % tổng số sinh vật. Khối lượng của chúng trong đất có thể lên tới hàng tấn (trong đất đồng cỏ ôn đới đạt 10 tấn/ ha) (Phạm Văn Kim, 2000).
Vi khuẩn nguyên sinh
Vi khuẩn nguyên sinh kích thước bé hơn vi khuẩn Eubacteria (vi khuẩn thật), đa số sống ký sinh trên thực vật, trên động vật hay người. Có 3 nhóm vi khuẩn nguyên sinh: Micoplatma ký sinh trên thực vật, Ricketxi ký sinh trên người và động vật và Clamidia ký sinh trên các sinh vật có nhân và gây bệnh cho chúng (Phạm Văn Kim, 2000).
Vi khuẩn (Eubacteria)
Bao gồm các vi khuẩn có cấu tạo tế bào đầy đủ gồm thành tế bào (màng ngoài), màng tế bào chất (màng trong), nhân, tế bào chất, riboxom và các vật thể nằm trong tế bào chất. Vi khuẩn này bắt màu cả gam âm và gam dương. Có loài có cơ quan di chuyển gọi là tiêm mao. Có loài hình thành bào tử sống rất lâu (có
thể tới hàng ngàn năm). Sinh sản nhân đôi. Một số loài tế bào xung quanh có lớp nhầy gọi là bao nhầy hay giáp mạc. Các bào nhầy có tính dính do đó chúng kết lại thành khối và cũng làm cho các hạt đất kết dính tạo nên kết cấu đất.
Phần lớn vi khuẩn thuộc vi khuẩn tự dưỡng - heterotrophia. Chúng lấy dinh dưỡng bằng cách phân hủy xác hữu cơ. Vi khuẩn tự dưỡng (autotrophia) có khả năng tổng hợp cacbon từ CO2 từ quá trình ôxy hóa của các chất vô cơ. Nhờ vậy các vi khuẩn tự dưỡng sống được trong cả các đất nghèo dinh dưỡng như đất cát và đất xám bạc màu. Đối với các vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ thành chất khoáng cần thiết nhất là nitơ. Phần lớn xác hữu cơ trong đất có hơn 1,5- 2,0 % N, nhìn chung là tương đối đủ cho vi khuẩn. Nếu xác hữu cơ chứa ít nitơ thì vi khuẩn lấy nitơ từ đất. Khi có nhiều xác hữu cơ năng lượng cao nhưng nghèo nitơ sẽ xảy ra cạnh tranh về nitơ giữa vi khuẩn và thực vật. Vì thế tỷ lệ C/ N trong xác hữu cơ có ảnh hưởng đáng kể. Người ta cho rằng tỷ lệ này bằng 25 là tốt nhất, khi đó gần như toàn bộ nitơ được vi khuẩn sử dụng hết để nuôi cơ thể, khi tỷ lệ này lớn hơn 25 sẽ xảy ra cạnh tranh và nitơ trong đất sẽ cạn kiệt. Điều này khuyến cáo chúng ta không nên bón phân hữu cơ nghèo đạm như rơm rạ chẳng hạn. Sự phụ thuộc số lượng vi khuẩn vào hàm lượng chất hữu cơ trong phẫu diện đất có thể xem ở số liệu ở bảng 2.6.
Bảng 2.6. Phân bố chất hữu cơ và vi khuẩn trong đất đen (chernozem)
Tầng Độ sâu (cm) Chất hữu cơ (%) Vi khuẩn (MPN/100ml)
Háo khí Yếm khí A1 0- 6 8,04 49,2 1,0 A2 6- 12 3,18 131,8 1,0 B1 12- 28 2,41 158,3 10,0 B2 28- 48 1,76 45,3 1,0 C 48- 80 0,80 6,0 0,001 Nguồn: Phạm Văn Ty (1998)
Nhìn chung ở vùng rễ cây có nhiều vi khuẩn hơn vì rễ cây thải ra một số chất hữu cơ là nguồn năng lượng cho vi khuẩn.
Pha rắn của đất có khả năng tiếp nhận vi khuẩn từ dung dịch đất vì vậy vi khuẩn khó di chuyển trong dung dịch đất. Ví dụ, vi khuẩn amôn hóa di chuyển từ dung dịch lên bề mặt các hạt đất và cư trú tại đó.
Hoạt động của vi khuẩn phụ thuộc rất lớn vào điều kiện không khí - nước trong đất. Người ta cho rằng hoạt động của vi khuẩn kém khi đất khô và rất kém tại độ ẩm cây héo (pF= 4,2). Số liệu ở bảng 2.7 cho thấy rõ điều này.
Bảng 2.7. Quan hệ giữa độ ẩm đất và số lượng vi khuẩn trong đất
Sức chứa ẩm tối đa (%) Tỷ lệ nước so với nước
mao quản (%) Số tế bào vi khuẩn (MPN/100ml) 30,0 6,51 9,98 56,0 10,85 11,89 65,0 14,10 16,41 80,0 17,35 29,96 100,0 21,69 25,29 Nguồn: Phạm Văn Ty (1998)
Độ chua của đất cũng quyết định thành phần và số lượng của vi khuẩn. Phần lớn vi khuẩn thích hợp ở pH = 7,0. Tuy nhiên chúng có thể hoạt động được trong phạm vi rộng hơn nhiều (pH 1-10). Vi khuẩn phân giải lưu huỳnh (Bacillus thiooxidans) thích ứng tốt ở trong đất chua.
Có rất nhiều loài vi khuẩn với chức năng khác nhau trong đất, ta có thể phân biệt ra một số như sau:
- Vi khuẩn phân giải chất hữu cơ không chứa đạm - Vi khuẩn phân giải protein, ure giải phóng amôniắc - Vi khuẩn phản nitrat hóa
- Vi khuẩn tổng hợp nitơ tự do - Vi khuẩn ôxy hóa lưu huỳnh - Vi khuẩn ôxy hóa sắt
- Vi khuẩn phân giải P, K (Phạm Văn Kim, 2000).
b. Xạ khuẩn (Actinomycetes)
Về mặt cấu trúc xạ khuẩn thuộc nhóm Eubacteria vì chúng cũng chưa có nhân đặc trưng, nhân của chúng giống với nhân của vi khuẩn (prokaryota). Tuy nhiên hình thái, kích thước và cả vai trò trong đất có những nét đặc trưng riêng khác với vi khuẩn (Hình 2.4).
Hình 2.3. Hình thái của xạ khuẩn
Nguồn: Phạm Văn Ty (1998)
Vì thế xạ khuẩn được giới thiệu tương đương với nhóm vi khuẩn (Eubacteria). Xạ khuẩn có cấu trúc sợi, đường kính sợi thường 0,2- 3,0 µm. Xạ khuẩn cũng có khả năng hình thành bào tử để sinh sản. Xạ khuẩn có gam dương.
Xạ khuẩn trong đất là một trong các nhóm sinh vật đất đông nhất và quan trọng nhất, chúng chiếm tới 10- 70 % số tế bào vi sinh vật trong đất. Ở môi trường trung tính xạ khuẩn phát triển mạnh nhất trong đất giàu hữu cơ và thông thoáng. Xạ khuẩn có vai trò phân giải chất hữu cơ và nhất là phân giải đường tan trong nước (hemicenluloza và cenluloza). Xạ khuẩn tham gia vào quá trình hình thành các axit mùn. Một vài loài xạ khuẩn có khả năng cố định nitơ tự do từ khí trời khi cộng sinh với thực vật không thuộc bộ đậu. Xạ khuẩn là vi sinh vật tạo ra kháng sinh chủ yếu (tới 80 % chất kháng sinh) vì thế trong đất có nhiều xạ khuẩn cây trồng ít bị bệnh hơn. Đưa xạ khuẩn vào đất gây nhiễm sinh học là một hướng nghiên cứu (Phạm Văn Kim, 2000).
c. Vi nấm (Microfungi)
Vi nấm bao gồm các loài nấm đa bào và nấm sợi sinh quả thể lớn. Kích thước của chúng bé nên là đối tượng của vi sinh vật học. Khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, vi nấm có nhân thật (Eukaryuta) giống như tế bào sinh vật bậc cao kể cả của người.
Vi nấm gồm 2 nhóm: nấm men (Yeast) là nấm ở dạng đơn bào có kích thước lớn hơn vi khuẩn (khoảng 10 lần) và nấm sợi (Filamentous fungi) là nấm hệ sợi phức tạp, đa phần là đa bào, một số ít loài hệ đơn bào.
Nấm men (Yeast) sinh sản bằng vô tính giống vi khuẩn, đa số theo hình thức nảy mầm (mẹ mọc con, con mọc cháu…), một vài loài sinh bào tử. Nấm cũng có sinh sản hữu tính như chi Saccharomyces. Nấm sợi còn gọi là nấm mốc (Filamentous fungi) có quá trình sinh sản phức tạp hơn nấm men. Sinh sản vô tính có nhiều cách: bào tử trần, bào tử kín. Sinh sản hữu tính của nấm sợi cũng có vài hình thức khác nhau.
Sự phát triển của nấm trong đất phụ thuộc vào điều kiện không khí - nước. Chúng có thể sống được trong những điều kiện khác nhau dù ít hay nhiều không khí và nước, nhiệt độ cao hay thấp. Tuy nhiên khi nước xuống dưới mức cây héo hoặc bão hòa nước gây khó khăn cho không khí xâm nhập thì nấm phát triển kém.
Trong đất trồng trọt và đất đồng cỏ khối lượng nấm tương đương khối lượng vi khuẩn. Ngược lại nấm lấy nhiều nitơ từ đất hơn là vi khuẩn vì nấm dùng tới 60% xác hữu cơ phân giải để xây dựng bào tử.
Trong đất rất nhiều loài nấm phá hoại cây trồng. Ta có thể chia ra 3 nhóm: nhóm biểu sinh (saprofite), nhóm ký sinh (pasoryte) trên rễ và nhóm tấn công trên thân, lá thực vật.
Thuộc nhóm thứ nhất có: loài Pythium gây tổn thương cho rễ bắp cải, thuốc lá và củ cải đường nếu đất quá ẩm; giống Rhizoctma solani gây tổn thương cho mầm khoai tây; loài Fusarium culmorum phá hoại rễ ngũ cốc. Chúng gây tổn thương cho rễ chủ yếu tiết ra chất độc.
Thuộc nhóm hai một số nấm như loài Synchytrium endobioticum gây ung thư khoai tây hoặc thối cổ rễ ngũ cốc như loài Ophiobolus gramini hay
Cercosporella herpotrichoides.
Cũng có loài tấn công vào các bộ phận trên thân, lá thực vật như
Piricularia oryzae gây bệnh đạo ôn cho lúa.
Ý nghĩa lớn nhất đối với quá trình hình thành đất là các nấm sống trong đất chua dưới rừng, tập trung chủ yếu ở tầng thảm mục với chức năng phân giải xác hữu cơ (ví dụ, phân giải cenlulo, tinh bột, nhựa, lignin) và làm cho đất trở nên chua. Trong đất chua lầy thụt cũng có rất nhiều nấm hoạt động.
Theo Waksman, Müller, de Koening… nấm đóng vai trò quan trọng trong quá trình mùn hóa, đặc biệt là các loài: Cladosporium humificans, Trichoderma viride…
Nấm lấy nitơ chủ yếu dưới dạng amôniắc nhưng lại không có khả năng ôxy hóa amôniắc thành nitrat mặc dù có khả năng ôxy hóa các hợp chất lưu huỳnh ở mức độ yếu.
Thường thường người ta cũng gặp các nấm cộng sinh với thực vật tạo ra hiện tượng gọi là mikoryza. Mikoryza có trên rễ nhiều cây (như cây rừng, ngũ cốc, cây bộ đậu…) chúng cung cấp cho cây nước và thành phần dinh dưỡng (N, P, K…); ngược lại nấm trong các mikoryza lấy từ cây cacbua hydro. Ngoài ra các nấm còn kích thích nảy mầm và sinh trưởng cho cây (Phạm Văn Kim, 2000). 2.3.4.3. Vai trò của vi sinh vật đối với môi trường đất và cây trồng
a. Phân giải chất hữu cơ không chứa đạm
Trong môi trường trung tính ít chua và đầy đủ ôxy, cenlulo bị phân giải chủ yếu bởi vi khuẩn: Cytophaga, Cellvibrio, Pseudomonas và một số xạ khuẩn.
Trong môi trường chua, nghèo dinh dưỡng hoặc rất chua và háo khí, trong số các vi sinh vật phân hủy cenlulo nấm giữ vai trò quan trọng. Trong môi trường dư ẩm cenlulo lại do vi khuẩn yếm khí như Clostridium Omejanski, Plectridium
phân hủy là chính.
Sản phẩm của quá trình phân giải vi sinh cenlulo một loạt chất trung gian được tạo ra như celobioza, glucoza, axit uronic, axit béo…Những hợp chất này sẽ bị khoáng hóa. Đồng thời xảy ra quá trình tổng hợp một phần tạo nên mùn.
Lignin (mô tế bào gỗ) rất bền vững trong quá trình phân giải vi sinh này. Trong điều kiện đủ ôxy, đất chua do nấm Basidiomycetes phân hủy lignin là chủ yếu. Một số nhà khoa học 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 (ví dụ, trong than bùn).
Quá trình phân giải xác hữu cơ không chứa nitơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất xác hữu cơ, độ ẩm đất, cây trồng, khí hậu…(Phạm Văn Kim, 2000).