1. Nhu cầu và vai trị của N
- Nhu cầu N của hầu hết các lịai cây trồng rất cao, trong sản xuất N thường là yếu tố dinh dưỡng giới hạn năng suất. Cây trồng hấp thu N để hình thành các Amino acids, amides, amines, các cấu trúc khung, các hợp chất trung gian như Proteins, chlorophyll, nucleic acids, proteins/enzymes điều hịa các phản ứng sinh hĩa
- N là 1 phần tổng hợp cấu trúc diệp lục tố, nên khi thiếu N: lá xanh bẩn, vàng. - N cũng là thành phần của DNA, RNA
2. Sự di động của N.
N là nguyên tố dễ di chuyển trong cây, cĩ thể chuyển vị từ lá già đến lá non. Do đĩ, triệu chứng thiếu đầu tiên thể hiện ở lá già, bên dưới.
Khơng như các nguyên tố dinh dưỡng khác, khi hấp thu thừa N, cĩ thể tác hại đối với sản xuất cịn lớn hơn khi thiếu N. N làm tăng cường sinh trưởng dinh dưỡng (thân lá, ra cành), tăng tốc độ quang hợp, khả năng sử dụng CH2O cao, kéo dài thời gian chín, mơ cây mọng nước, dễ đổ ngã và nhạy cảm với sâu bệnh
3. Các nguồn cung cấp N trong đất
3.1. Phân giải chất hữu cơ
3.2. Cố định N sinh học. Gồm cố định N sinh học do vi sinh vật cơng sinh và khơng cộng sinh
3.3. Cố định N trong khí quyển. Sấm sét và cố định cơng nghiệp 3.4. Phân hĩa học. Phân hữu cơ, chất thải rắn sinh học
4. Các dạng N cây trồng hấp thu
4.1. Lá hấp thu trực tiếp NH3 . Liều lượng hấp thu phụ thuộc vào nồng độ ammonia trong khơng khí, ngịai ra ammonia cũng cĩ thể bay hơi qua lá.
4.2. Phần lớn N được rễ cây hấp thu dưới dạng vơ cơ: ion NH4+ (ammonium) và NO3- (nitrate).
Tỉ lệ hấp thu 2 ion này phụ thuộc vào điều kiện đất NO3 -N thường chiếm ưu thế trên đất thĩang khí, nhưng cây hấp thu NH4+ cao ở pH trung tính và NO3- ở pH thấp hơn.
NO3- di chuyển chủ yếu đền rễ bằng dịng chảy khối lượng, NH4+ khơng di động, phần lớn di chuyển do khuếch tán, và dịng chảy khối lượng
- Khi cây hấp thu Ammonium vào bên trong khơng bị khử, do đĩ bảo tồn năng lượng, nên hàm lượng protein, CH2O trong cây cao hơn so với hấp thu nitrate.
Do luơn cĩ sự cân bằng điện tích Cation/anion, nên khi cây hấp thu ammonium sẽ giảm hấp thu các cation khác như Ca, Mg, K, nhưng tăng hấp thu các anion như phosphate, sulfate, chloride.
Cũng do hấp thu dinh dưỡng của rễ là trao đổi ion, nên khi rễ hấp thu ammonium, pH vùng rễ sẽ giảm do rễ giải phĩng H+ dễ trao đổi với NH4+
- Khi cây hấp thu Nitrate vào trong, nitrate phải được khử trước khi tổng hợp amino acids. NO3- khử thành NH3 . Cũng do cân bằng Cation/anion, nên khi cây hấp thu NO3- sẽ tăng hấp thu Ca, Mg, K, và giảm hấp thu phosphate, sulfate, chloride, và pH vùng rễ sẽ tăng do rễ giải phĩng HCO3- (OH-)
Nếu cây hấp thu NH4+ với lượng cao cĩ thể gây độc (NH4+ - NH3) Thừa NO3- cĩ thể được tích lũy an tịan trong khơng bào.
Cây trồng hấp thu dạng nào nhiều hơn? Phần lớn cây trồng sinh trưởng tốt với sự kết hợp cả 2 dạng N.
Cây trồng thích ứng với đất chua thường hấp thu nhiều NH4+ Họ cà sinh trưởng tốt nhất với NO3- cao, cây cĩ nhu cầu cation cao.
III. Sự chuyển hĩa của N trong đất
Khi được bổ sung vào đất dưới dạng các hợp chất hữu cơ, N sẽ được chuyển hĩa theo các tiến trình khĩang hĩa, hấp thu sinh học, Nitrite/nitrate hĩa, khử nitrate hay phản N hĩa, bay hơi, cố định N trở lại
1. Khĩang hĩa.
Là tiến trình giải phĩng N hữu cơ thành dạng NH4 -N hữu dụng cho cây, thực hiện do hầu hết các vi sinh vật đất như vi khuẩn, nấm dị dưỡng. Chất hữu cơ trong đất cĩ hàm lượng N khoảng 5%, và khỏang 1 -4% N hữu cơ được khĩang hĩa hàng năm. Khĩang hĩa gồm 2 bước: Amine hĩa và ammonium hĩa
1.1 Amine hĩa. Proteins + H2O → amino acids + amines + urea + CO2 + năng lượng Protein được phân chia thành các phân nhỏ hơn
1.2 Ammonium hĩa Các amino acid tiến tục được biến đổi thành ammonium R -NH2 + H2O → NH3 + R - OH + E
2. Hấp thu sinh học (đồng hĩa) N.
Hấp thu sinh học là tiến trình ngược lại tiến trình khĩang hĩa. Vi sinh vật hấp thu N vơ cơ từ đất và hình thành các hợp chất N hữu cơ trong cơ thể sinh vật. Sinh vật cĩ thể hấp thu sinh học NH4+ hay NO3-
Sự cân bằng giữa khĩang hĩa và hấp thu sinh học được quyết định bởi tỉ lệ C:N của chất hữu cơ.
3. Nitrate hĩa.
Là tiến trình biến đổi NH4+ thành NO3- . Nguồn NH4+ cĩ thể được giải phĩng từ sự phân giải chất hữu cơ hay từ phân bĩn. Nitrate hĩa là phản ứng Oxi hĩa sinh học. Trang thái oxi hĩa của N tăng từ -3 đến +5. Tiến trình gồm 2 bước, được thực hiện bởi 2 vi khuẩn tự dưỡng khác nhau, vi khuẩn này nhận năng lượng từ sự oxi hĩa N, và nhận C từ CO2
3.1 Nitrite hĩa
2NH4+ + 3O2 → 2NO2- (nitrite) + 2H2O + 4H+ Vi khuẩn tham gia Nitrosomonas và một số lịai khác
3.2 Nitrate hĩa 2NO2- + O2 → 2NO3-
Vi khuẩn tham gia Nitrobacter , và một số lịai khác
Nitrite là độc chất, nhưng thường khơng tích lũy trong đất do tốc độ chuyển hĩa nitrite thành nitrate nhanh hơn rất nhiều so với chuyển hĩa ammonium thành nitrite.
3.3 Ý nghĩa của tiến trình Nitrate hĩa. Khi tiến trình nitrate hĩa xảy ra nhanh sẽ làm tăng tiềm năng rửa trơi N, do NO3- hịa tan cao nên khơng giữ lại trên keo đất như NH4+ là cation trao đổi nên được giữ lại bởi keo đất, chỉ di chuyển trong đất cát, CEC thấp.
Nitrate hĩa là tiến trình chính làm chua đất. Theo phản ứng nitrite hĩa ta thấy 2 moles H+ được hình thành khi 1 mole NH4+ nitrite hĩa. Do đĩ cần tính đến ảnh hưởng gây chua của phân N-ammonium, hay phân sẽ hình thành ammonium (urea).
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến nitrate hĩa. Yêu cầu đất thĩang, do vi khuẩn tham gia là cácvi khuẩn hảo khí, và O2 là chất tham gia phản ứng trong cả 2 bước. Nhanh ở pH cao, tối hảo khoảng 8.5, vi khuẩn cần đủ Ca (và P). Nhanh khi nhiệt độ ấm, ẩm độ đồng ruộng
3.5 Các chất ức chế tíên trình nitrate hĩa. Do nitrate dễ bị mất do rửa trơi nên trong sử dụng phân N thường chúng ta sử dụng các chất ức chế nitrate hĩa để hạn chế mất N do rửa trơi dưới dạng nitrate. Ví dụ. N-Serve (nitrapyrin), là hợp chất gây độc cho Nitrosomonas
4. Khử nitrate/phản N hĩa.
Là tiến trình chuyển hĩa N-NO3- thành N dạng khí, làm N mất dưới dạng khí như N2 và N2O. Tiến trình do các vi khuẩn yếm khí Pseudomonas, Bacillus, và 1 số
lịai khác và vi sinh vật kỵ khí khơng bắt buộc thực hiện. Vi sinh vật này sử dụng oxi trong nitrate như là nguồn cung cấp O2 cho hơ hấp. Khử nitrate xảy ra trên đất ngập nước hay những vùng thiếu O2 cục bộ trong đất, ví dụ. xung quanh rễ hay dư thừa vật vật đang phân giải.
Vi khuẩn khử nitrate cần chất hữu cơ, vì vậy chất hữu cơ dễ phân giải là nguồn cung cấp năng lượng cho vi khuẩn.
4(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 4CO2 + 2N2O + 6H2O 5(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 5CO2 + 2N2O + 7H2O
Khử nitrate là tiến trình làm N trong đất bị giảm, thường mất khoảng10- 30% lượng phân N bĩn vào đất
-Các điều kiện thích hợp cho tiến trình khử nitrate bao gồm bĩn phân hữu cơ trên đất yếm khí, nhiệt độ ấm áp, pH >5.5, bĩn lượng nitrate cao, cây trồng đang sinh trưởng do cĩ thể cây trồng cung cấp C và làm giảmO2 , nhưng cây trồng cũng cĩ thể hạn chế khử nitrate do làm giảm ẩm độ đất và hấp thu NO3-
5. Bay hơi.
N bị mất dưới dạng khí NH3 . Tiến trình này chủ yếu do bĩn vãi phân N trên mặt đất, nhưng cũng cĩ thể do bĩn vãi phân chuồng trên mặt đất. Bay hơi N từ phân chuồng cũng cĩ thể xảy ra trong quá trình ủ và tồn trử.
Phản ứng tổng quát của tiến trình bay hơi N NH4+ → H+ + NH3
NH3 mất khi pH cao, pH dung dịch đất >7.
Để giảm thiểu bằng cách vùi phân N ngay sau bĩn, hay tưới nhỏ giọt
Trong các lọai phân N, Urea là lọai phân rất dễ bay hơi do urea rất hịa tan và Urea thủy phân làm tăng pH xung quanh hạt phân.
CO(NH2) 2 (urea) + H+ + 2H2O → 2NH4+ + HCO3- . Phản ứng thủy phân này nhận H+ vàlàm tăng pH, xung quanh hạt phân cĩ thể pH> 7, dẫn đến NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2 .
Trên đất đá vơi, N-Urea mất cao, phân NH4+ bị bay hơi cao hơn trên đất chua và trung tính do phản ứng với carbonates. Phản ứng cơ bản
NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2
Phân ammonium phosphates và sulfates bị bay hơi nhiều hơn phân hịa tan khác ammonium chlorides và nitrates)
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bay hơi.
5.1 Phân dạng rắn ít bay hơi so với dạng dung dịch
5.2 Bĩn vãi trên mặt đất bay hơi cao hơn so với bĩn theo tưới nhỏ giọt/bĩn vùi sâu
5.3 Nhiệt độ cao bay hơi nhiều
5.4 Đất mặt ẩm và tốc độ bốc hơi nhanh, bay hơi cao
5.5 CEC thấp/ Khả năng giữ NH4+ và khả năng đệm pH thấp nên N bay hơi cao. 5.6 Dư thừa cây trồng, đồng cỏ, cây họ đậu che phủ hạn chế bay hơi
Các kỹ thuật hạn chế bay hơi. -Duy trì ẩm trên mặt
-Giảm tiếp xúc với đất và di chuyển vào đất
-Chất ức chế Urease. các chất làm chậm tiến trình phân hủy urea và giảm bay hơi N, Urease là enzyme phân hủy urea cĩ nguồn gốc từ cả 2 nguồn: cây trồng và đất (vi sinh vật).
Chế phẩm Agrotrain thường khơng hiệu quả cao khi phương pháp bĩn được cải thiện. Ví dụ khi bĩn tập trung theo hàng
Các loại phân urea chậm phân giải: Ureaform, Urea-formaldehyde, SCU là Urea bọc lưu huỳnh.
Các chất ức chế hay hạn chế bay hơi thường hữu dụng trong trường hợp đất rửa trơi mạnh, bay hơi mạnh, nhưng giá cao tính trên 1 đơn vị N, do đĩ thường sử dụng cho cây trồng cĩ giá trị cao.
Ammonia lỏng khan, dạng bay hơi, nên cần tiêm sâu vào đất. Điều kiện dễ mất: Đất khơ, tiêm khơng sâu, đường rạch khơng kín làm cho NH3 khơng chuyển thành NH4+ . Đất sét ẩm ướt, đường rạch khơng kín hoặc đất cĩ sa cấu thơ, NH3 sẽ khuếch tán nhanh, đất vĩn cục, NH3 khuếch tán nhanh, hàm lượng chất hữu cơ thấp, OM giữ NH3 , tiêm nơng
Chất ức chế nitrate hĩa. Làm chậm nitrate hĩa và hạn chế rửa trơi N. Ví dụ: N- Serve, DCD, ức chế tiến trình nitrite hĩa
IV. Cố định N
Trong sản xuất cây trồng, N là yếu tố thường thiếu nhất, mặc dù khơng khí chứa 78% N hay khoảng 70 triệu kg N/ha. Cây trồng khơng sử dụng trực tiếp N2 được. N2 phải được chuyển đổi (cố định) thành dạng hữu dụng cho cây.
1. Cố định cơng nghiệp
N2 khử trong điều kiện cần nhiều năng lượng, yêu cầu điều kiện nhiệt độ và áp suất cao,
1.200oC và 500 atmospheres. Phản ứng cố định N: 3H2 + N2 → 2NH3
NH3 (anhydrous ammonia) cĩ thể sử dụng trực tiếp như phân bĩn hay sử dụng sản xuất các dạng phân N khác.
2 Cố định N sinh học
Nhiều chũng vi sinh vật cĩ thể cố định N2 như vi sinh vật cộng sinh và tự do,
Rhizobia và cây họ đậu, là loại vi khuẩn cộng sinh rất quan trọng trong nơng nghiệp,
hình thành nốt sần ở rễ. Cây chủ nhận N đã được cố định và vi khuẩn nhận các sản phẩm quang hợp từ cây chủ.
Rhizobia và cây họ đậu cĩ quan hệ chuyên biệt, nhĩm cây họ đậu khác nhau, yêu cầu
chũng Rhizobia khác nhau.
Cần chũng hạt giống, rất cần thiết cho đất mới trồng cây họ đậu đầu tiên Chũng Rhizobia thích hợp
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cố định sinh hoc N
- pH đất. pH thấp cĩ hại cho Rhizobia và rễ cây họ đậu. Độc chất Al, Mn cao Thiếu Ca, Mo, P
Chũng khác nhau, khả năng thích ứng khác nhau, ví dụ R. meliloti (cỏ 3 lá) rất nhạy cảm với pH thấp. Một số chũng khác cĩ khả năng chống chịu cao hơn.
- N hữu dụng trong đất. Đất cĩ hàm lượng N cao, sẽ giảm N cố định sinh học do khử NO3- cạnh tranh với hình thành sản phẩm quang hợp
- Sinh trưởng của cây trồng và quản lý. Cường độ quang hop cao, tăng cố định N
Bất cứ yếu tố nào làm giảm sinh trưởng hay năng suất của cây họ đậu sẽ làm giảm cố định N. Ví dụ Chu kỳ cắt cỏ họ đậu
- Lượng N cố định. Cây họ đậu lưu niên, cĩ thể cố định khoảng 100 - 200 kgN./ha/năm
Cây họ đậu hàng năm, 50 - 100 kgN./ha/năm
Nhưng lượng N hữu dụng cho cây trồng vụ sau phụ thuộc vào lượng N được lấy đi theo nơng sản.
2.2 Những quan hệ khác trong cố định sinh học N
Azolla - Anabaena
Cộng sinh giữa dương xĩ và tảo lục lam (cyanobacteria). Cố định lượng N cĩ ý nghĩa trên ruộng lúa nước.
Các quan hệ cố định N khác ít quan trọng trong nơng nghiệp, nhưng rất quan trọng trong các hệ sinh thái tự nhiên và hệ thống nơng lâm kết hợp. vi du cây gỗ họ đậu Bồ kết, trinh nữ, keo
Frankia. Xa khuẩn cộng sinh, phi lao
Cyanobacteria (tảo lục lam), sống tự do, Đất ngập nước
Azospirillum. Vi khuẩn sống tự do, liên kết với rễ cây ngũ cốc và cây họ hịa bản khác. Azotobacter. Vi khuẩn sống tự do, Đất, nước, vùng rễ, bề mặt lá
V. Các loại phân bĩn chứa N.
Tất cả các vật liệu hay phân bĩn hữu cơ đều cĩ chứa N, mặc dù nồng độ N khơng cao, nhưng nếu sử dụng một khối lượng lớn cĩ thể cung cấp 1 lượng N đáng kể cho cây trồng. Nhưng các vật liệu và phân hữu cơ thường được xem là chất cải tạo đất hơn là loại cung cấp dinh dưỡng cho cây. Nên ở đây chỉ trình bày các loại phân N vơ cơ (cố định N cơng nghiệp).
1. Sản xuất các loại phân N.
Bước đầu tiên hình thành NH3.
Nguồn cung cấp H2 là các khí tự nhiên (Methane, CH4) CH4 + 2H2O → CO2 + 2H2
600-800°C, Ni xúc tác
Cố định N cơng nghiệp: tiến trình Haber-Bosch
Xúc tác
3H2 + N2 → 2NH3 200°C, 500 atm
Sản xuất phân N hĩa học cần rất nhiều năng lượng.
Từ nguyên liệu ban đầu là NH3, các loại phân N khác được sản xuất theo sơ đồ sau:
2. Các loại phân N-tính chất và sử dụng
2.1 Ammonia lỏng khan (khí lỏng) .
Cơng thức hĩa học: NH3, chứa 82-0-0, tất cả cĩ dạng NH4-N. Sử dụng: yêu cầu thiết bị tồn trử, dung cụ bĩ đặc biệt, tiêm sâu vào đất.
Hút nước rất mạnh-cháy da, cay mắt, phổi,…
Là nguồn phân N kinh tế nhất, sử dụng phổ biến trên các nước phát triển. 2.2. Urea (dạng rắn)
Cơng thức : CO(NH2) 2, chứa 46-0-0
Dạng NH4-N (dạng amide), cĩ tiềm năng bay hơi cao, sử dụng phổ biến nhất trên thế giới
2.3. Ammonium Nitrate (rắn)
NH4NO3, chứa 34-0-0, gồm 1/2 NH4-N và 1/2 NO3-N. nguồn N khơng bay hơi.
2.4. Ammonium Sulfate (rắn)
(NH4) 2SO4, 21-0-0-24S, dạng NH4-N, cĩ chứa S, phân N khơng bay hơi, là loại phân N gây chua mạnh nhất.
2.5. Ammonium Phosphates.
Thường được xem là nguồn phân P chính, nhưng cĩ chứa 1 lượng N đáng kể Monoammonium Phosphate (MAP – dạng rắn)
NH4NO3 Ammonium Nitrate (34%N)
+ NH3
+ O2 (NH4)2SO4 Ammonium Sulfate (21%N)
NH4H2PO4 Monoammonium Phosphate (18%N)
(NH4)2HPO4 Diammonium Phosphate (11%N)
CO(NH2)2 Urea (46%N)
+ H2SO4 + H3PO4
+ CO2 HNO3
NH4OH Ammonia nước (20%N)
+ H2O NH3
NH4H2PO4, chứa11-52-0
Diammonium Phosphate (DAP – dạng rắn) (NH4) 2HPO4, chứa18-46-0
Ammonium Polyphosphate – dạng dung dịch APP hay Poly-N, chứa 10-34-0
2.6. Các loại phân N chậm tan.