1.4.1. Vai trò của nước đối với cây trồng
Nƣớc có vai trò rất quan trọng trong đời sống cây trồng, chiếm 70 - 90% trọng lƣợng tế bào. Nƣớc chứa trong các tế bào thực vật để duy trì các hoạt động sinh lý, sinh hóa diễn ra hàng ngày [29, 32]. Nƣớc đƣợc xem nhƣ là một thành phần quan trọng xây dựng nên cơ thể, là dung môi đặc hiệu cho các phản ứng hóa sinh và cũng là nguyên liệu quan trọng trong một số phản ứng: Nƣớc cung cấp điện tử và proton để khử CO2 để tạo nên các sản phẩm hữu cơ trong quang hợp, nƣớc tham gia trực tiếp vào việc oxy hóa nguyên liệu hô hấp để giải phóng năng lƣợng, nƣớc tham gia vào các phản ứng thủy phân tinh bột, protein... Nƣớc là môi trƣờng hòa tan tất cả các khoáng chất lấy từ đất, các sản phẩm quang hợp, vitamin, enzim... và vận chuyển đến tất cả các tế bào, các mô và cơ quan trong cơ thể [2, 3, 33]. Có thể nói,
nƣớc có chức năng lƣu thông, phân phối, điều hòa trong cơ thể thực vật đảm bảo mối quan hệ mật thiết, hài hòa giữa các cơ quan trong cơ thể nhƣ một chỉnh thể thống nhất. Ngoài ra, nƣớc còn là yếu tố điều chỉnh nhiệt độ cho cây trồng nhất là khi nhiệt độ không khí cao, nhờ quá trình bay hơi nƣớc làm giảm nhiệt độ ở bề mặt lá tạo điều kiện cho quá trình quang hợp và các hoạt động sống khác thuận lợi... Nhu cầu nƣớc của cây trồng thay đổi theo từng giai đoạn sinh trƣởng, phát triển. Khi nhu cầu nƣớc không đƣợc đáp ứng thì cân bằng nƣớc trong cây bị phá vỡ, ảnh hƣởng đến hoạt động sinh lý nhƣ quang hợp, hô hấp, vận chuyển, tích lũy chất hữu cơ và giảm năng suất, phẩm chất nông sản. Đối với đất, nƣớc cũng là nhân tố điều hòa nhiệt độ và không khí, khi thiếu nƣớc, hạn hán xảy ra thì các tính chất cơ lý- hóa học của đất nhƣ độ chặt, tính kết dính, tính liên kết, tính trƣơng - co, sự hòa tan các chất dinh dƣỡng... thay đổi do đó ảnh hƣởng trực tiếp cây trồng.
Với cây ngô, trong suốt thời gian sinh trƣởng cây ngô yêu cầu độ ẩm trong khoảng 70 - 85%. Nếu nằm ngoài giới hạn này sẽ làm giảm năng suất 9 - 32% nhất là vào thời kỳ cây 13 - 14 lá. Muốn tạo ra một gam chất khô trong cây ngô cần khoảng 390g nƣớc. Trong khi đó với cây lúa cần 500 - 600g, bông cần 465g, cây mía cần 200g, lạc cần 400g, đậu tƣơng cần 500g....
1.4.2. Vai trò của NPK đối với cây trồng.
Trong những thập kỷ vừa qua, năng suất của cây trồng không ngừng tăng nhanh ngoài vai trò của giống mới, biện pháp trồng trọt mới còn có vai trò của phân bón và vi lƣợng.
- Vai trò của phân đạm: Tỷ lệ đạm trong cây từ 1 - 6% trọng lƣợng chất khô
[47]. Đạm nằm trong các bộ phân non nhiều hơn các bộ phận già, trong thời kỳ hình thành quả đạm tập trung chủ yếu ở các cơ quan sinh sản. Đạm là yếu tố quan trọng hàng đầu đối với cơ thể sống, là thành phần cơ bản hình thành protein. Đạm nằm trong nhiều hợp chất cần thiết cho sự phát triển của cây nhƣ diệp lục, các chất men, AND, ARN... Do vậy đạm là yếu tố cơ bản của quá trình đồng hóa cacbon, kích thích sự phát triển của bộ rễ và việc hút các chất dinh dƣỡng khác. Cây đƣợc bón đủ
đạm có lá màu xanh thẫm, sinh trƣởng khỏe mạnh, chồi búp phát triển mạnh, năng suất cao. Bón 100kg đạm/ha cho năng suất lúa 5tấn; 1kg đạm cho 50-105kg sắn; 15- 23kg lúa; 1,3-4,6kg bông; 3,2-11kg đậu tƣơng...
- Vai trò của phân lân: Tỷ lệ lân trong cây từ 0,08 - 1,4% trọng lƣợng chất
khô [47]. Lân chủ yếu tập trung trong hạt và một phần nhỏ trong thân và lá, chủ yếu dƣới dạng hữu cơ và một phần nhỏ dƣới dạng vô cơ. Lân trong cây có vai trò phân chia tế bào, tạo thành chất béo và protein, thúc đẩy việc ra hoa, rễ, hình thành quả, quyết định phẩm chất hạt giống, làm cho cây vững chắc. Cây thiếu lân sinh trƣởng chậm, dáng mảnh khảnh. Cây non rất mẫn cảm với việc thiếu lân, nếu thiếu lân trong thời kỳ này thì sau đó có bón nhiều lân cũng không bù lại đƣợc. Cây lúa nếu thiếu lân thì đẻ nhánh kém, chín muộn, năng suất thấp, phẩm chất hạt kém.
- Vai trò của phân kali: Tỷ lệ kali trong cây từ 0,5 - 6% trọng lƣợng chất khô
[47]. Hàm lƣợng kali cao trong thân, lá và một lƣợng nhỏ trong hạt, rễ, củ. Kali tồn tại dƣới dạng ion trong dịch bào và một phần nhỏ tạo phức với các chất keo của tế bào chất. Trong các mô thực vật kali tồn tại dƣới dạng ion hidrat hóa do vậy nó rất linh động có thể di chuyển đƣợc ngay cả trong các cấu trúc dƣới tế bào, có thể len lỏi vào giữa các bào quan để trung hòa các axit, kích thích quá trình hô hấp, quang hợp.... Kali tham gia vào hầu hết các quá trình sinh lí, hóa sinh quan trọng nhƣ quang hợp, vận chuyển các sản phẩm quang hợp, hoạt hóa enzim, làm tăng áp suất thẩm thấu do vậy tăng khả năng hút nƣớc của rễ, điều khiển hoạt động của khí khổng giúp cây có thể chống chịu với khô hạn. Kali tham gia vào quá trình hoạt hóa 60 loại men trong cơ thể thực vật, nó vừa đóng vai trò trực tiếp nhƣ một coenzim, vừa đóng vai trò gián tiếp nhƣ một chất xúc tác. Thiếu kali làm giảm quá trình quang hợp, hô hấp, vận chuyển đƣờng, nƣớc, lá mất sức trƣơng.... giảm khả năng sống sót của cây.
1.4.3. Vai trò của silic đối với cây trồng.
Trong cơ thể, silic (Si) có trong các mô liên kết, xƣơng sụn và gân do silic tham gia quá trình sinh tổng hợp của các tổ chức này. Cơ thể ngƣời chứa khoảng
1,4g silic, trong đó hàm lƣợng silic ở động mạch, da, tuyến ức giảm dần theo độ tuổi, nhƣng hàm lƣợng silic lại ổn định trong các cơ quan nội tạng. Silic đƣợc đƣa vào cơ thể qua đƣờng thức ăn, tan rất nhanh và đƣợc phân bố đi khắp cơ thể. Silic có nhiều trong thức ăn có nguồn gốc thực vật. Nhu cầu cơ thể khoảng 5-30mg/ngày. Sự bài tiết silic ra ngoài chủ yếu qua đƣờng tiết niệu. Trong cơ thể, silic tác động đến nhiều quá trình canxi hóa xƣơng, là thành phần của hợp chất collagen của mô liên kết. Nếu bị thiếu silic sẽ làm ức chế quá trình tổng hợp mucopolysaccharide cần thiết cho sự hình thành xƣơng sụn. Khi bị giảm hàm lƣợng silic trong động mạch chủ sẽ dẫn tới xơ cứng động mạch. Sự xơ hóa động mạch, xơ hóa khớp và mô liên kết chủ yếu do rối loạn sử dụng silic hoặc sự thoái hóa theo độ tuổi.
Silic giúp cây trồng cứng cáp, tăng khả năng quang hợp, chống lại sự tấn công của sâu bệnh và các yếu tố môi trƣờng bất lợi nhƣ nhiễm mặn, hạn, úng, ngộ độc kim loại, giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dƣỡng có hại giữa kẽm và lân. 1 ha lúa cho năng suất 5 tấn thóc sẽ lấy 230 – 470 kg silic từ đất. Nhu cầu silic ở cây trồng cao gấp 8 lần nhu cầu kali, gấp 4 lần nitơ [20]. Để có một tấn lúa, cây lúa hấp thụ khoảng 20kg N, nhƣng cần hấp thụ đến hơn 80kg silic. Nhƣ vậy, silic là dƣỡng chất có lợi vì làm gia tăng sự sinh trƣởng, phát triển và năng suất của lúa. Silic giúp lá, thân và rễ cây cứng cáp. Khi cây trồng có đủ silic, lá đứng thẳng nên hấp thu đƣợc nhiều ánh sáng, làm gia tăng khả năng quang hợp của cây, thân cứng ít bị đổ ngã, giảm đƣợc tỷ lệ hạt lép và lửng. Tuy nhiên, nhu cầu silic thấp ở giai đoạn sinh dƣỡng, nhƣng lại rất cao ở giai đoạn sinh sản.
Khi cây đƣợc cung cấp đủ silic thì hàm lƣợng silic trong lá gia tăng. Sự tích tụ silic trong lớp tế bào biểu bì trên bề mặt lá là rào cản vật lý ngăn chặn sự xâm nhiễm của bệnh đạo ôn lá. Một cơ chế khác giúp lá chống lại sự xâm nhiễm của bệnh đạo ôn là sự hình thành hợp chất silic-hữu cơ giúp ổn định vách tế bào, chống lại sự suy thoái của vách tế bào biểu bì lá dƣới tác dụng của những men do nấm bệnh tiết ra. Silic còn làm giảm bệnh đốm nâu trên lúa, đạo ôn cổ bông, khô vằn, lép hạt do nhiều loại nấm gây ra và cháy bìa lá cũng nhƣ tuyến trùng rễ, bón bổ sung 3 tấn SiO /ha cho năng suất lúa tăng 12% [20].
Silic phát huy tác dụng của thuốc trừ nấm. Kết hợp bón silic với phun thuốc trừ nấm làm gia tăng tác dụng của thuốc Benomyl, Mancozeb, Edifenfos, từ đó làm gia tăng năng suất cây trồng. Silic giúp giảm số lần sử dụng thuốc hoặc giảm nồng độ thuốc sử dụng. Ở đất phèn, silic còn giúp cây trồng ngăn ngừa ngộ độc mangan và sắt bằng cách nở rộng đƣờng vận chuyển oxi từ lá xuống rễ, giúp rễ nhận đƣợc nhiều oxi hơn để oxit hóa sắt và mangan, làm các chất này không còn hòa tan trong dung dịch đất, hạn chế sự hấp thụ của rễ cây đối với những độc chất này.
Silic là một chất khoáng chiếm khoảng 28% bề mặt vỏ trái đất, là một nguyên tố quan trọng với hàm lƣợng đứng hàng thứ hai trong đất. Khoáng sét chứa silic trong đất có thành phần cấu tạo chủ yếu là silic và nhôm. Trung bình nồng độ của silic có trong dung dịch đất từ 7 - 80 mg/lít SiO2 tùy từng loại đất. Ở vùng nhiệt đới ẩm, mức độ phong hóa diễn ra mạnh mẽ, chủ yếu là sự phân hủy silic, hậu quả là tạo ra đất bạc màu chứa nhiều oxit sắt, oxit nhôm, nghèo dƣỡng chất bazơ và silic. Loại đất xám bạc màu này đƣợc tìm thấy nhiều ở các tỉnh miền Đông Nam bộ, một số huyện ở Đồng bằng Sông Cửu Long, trong đó có huyện Giang Thành - Kiên Giang. Sự rửa trôi silic có thể là nguyên nhân làm cho sản xuất nông nghiệp ở những vùng này kém phát triển. Đối với vùng đất phù sa trẻ giàu silic, nhƣng cây trồng cũng có thể không hấp thu đủ silic khi cây đƣợc bón quá nhiều phân đạm. Bón silic cho đất nghèo silic giúp cho cây trồng giảm sự nhiễm bệnh do nấm, vi khuẩn, tuyến trùng và cải thiện năng suất là một kỹ thuật phù hợp với khái niệm quản lý dịch hại một cách thân thiện với môi trƣờng, giúp canh tác đƣợc bền vững.
Nhà khoa học ngƣời Mỹ, Julia Cooke nhận định lâu nay chúng ta chƣa đánh giá đúng vai trò của silic trong đời sống của thực vật [100]. Ở Pakistan, silic đƣợc biết nhƣ là nguyên tố dinh dƣỡng nên nhu cầu dùng phân có silic đã giúp cây trồng cải thiện đáng kể tính chống chịu với các tác nhân gây bệnh. Các kết quả nghiên cứu này đã đặt ra yêu cầu phải đánh giá lại vai trò của silic nhƣ là nguyên tố dinh dƣỡng thiết yếu. Silic hiện diện trong một số cây trồng với số lƣợng lớn có thể sánh với canxi, lƣu huỳnh và ngay cả lân. Do vậy, cần cân nhắc xem silic nhƣ là nguyên tố trung lƣợng đối với cây lớp một lá mầm. Ở Nhật, Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp
và Thủy sản nƣớc này công nhận xỉ canxi silicat là phân bón cung cấp silic từ năm 1955 và phân bón silic đã có nhiều hứa hẹn trong việc tăng năng suất, giữ ổn định sản xuất cho Nhật. Ở Trung Quốc, việc bón phân bổ sung silic cho ngô với lƣợng bón khoảng 40kg/mẫu (667m2) cho sản lƣợng tăng 7,9%-12,3%. Cụ thể, nếu bón lót 35-50kg silic/mẫu sản lƣợng tăng 6,7% -19,1%; bón thúc 40kg silic/mẫu sản lƣợng tăng 17,4% - 21,4% [136, 150].
Silic là nguyên tố rất giàu trong lớp vỏ trái đất, ít ai nghĩ rằng đất trồng thiếu silic. Tuy nhiên, silic trong đất hầu hết nằm ở dạng không hòa tan gồm cát, khoáng thạch anh và dioxit silic. Vì hầu hết các hợp chất chứa silic nằm ở dạng trơ nên silic hữu hiệu trong đất rất thấp. Việc nghiên cứu tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để cung cấp trực tiếp các chất dinh dƣỡng hữu cơ sẵn có, trong đó có silic tồn tại dƣới cấu trúc hữu cơ giúp cây trồng dễ hấp thu hiện chƣa đƣợc quan tâm.
1.4.4. Vai trò của các nguyên tố vi lượng đối với cây trồng.
Vai trò sinh lý và sinh hóa của các nguyên tố vi lƣợng thể hiện ở nhiều mặt. Chúng tồn tại trong các men, vitamin, hoocmon [5]... Vi lƣợng thúc đẩy sự trao đổi chất trong cây, tác động đến các quá trình sinh lý, sinh hóa, ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp diệp lục, nâng cao cƣờng độ quang hợp, tăng cƣờng khả năng chống chịu hạn, sâu bệnh và các điều kiện bất lợi của môi trƣờng nhƣ nóng, lạnh, hạn hán, úng ngập... Khi thiếu một vi lƣợng nào đấy thì hoạt tính của men chứa nó giảm đi rất nhiều. Mỗi nguyên tố vi lƣợng có vai trò riêng trong đời sống thực vật, trong sinh trƣởng, phát triển, năng suất cây trồng.
+ Magie (Mg): Hàm lƣợng magie trong hạt khoảng 0,13-0,54%: hạt bông - 0,54%, hạt hƣớng dƣơng 0,51%, trong thân lá ngô 0,2-0,3%, trong lá rau 0,1% tỷ lệ chất khô [4]…. Magie có trong thành phần của diệp lục, có vai trò rất quan trọng đối với đời sống của cây trồng: đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp diệp lục, ảnh hƣởng đến các hoạt động quang hợp và hấp thu của cây; điều chỉnh pH trong tế bào, giữ pH nằm ở phạm vi thích hợp với hoạt động sinh lý của cây. Đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein nhƣ một tác nhân vận
chuyển Riboxom. Magie tham gia nhiều phản ứng hoạt hóa enzim trong các quá trình tổng hợp ATP, điều chỉnh việc phân chia sản phẩm đồng hóa giữa việc tổng hợp tinh bột và chuyển triozơ photphat ra khỏi lục lạp… Ngoài ra, magie còn tham gia vào việc chuyển hóa năng lƣợng và đồng hóa lân của cây, tạo thuận lợi cho việc hình thành lipit trong cây có dầu, tăng sức trƣơng của tế bào, góp phần ổn định cân bằng nƣớc trong tế bào tạo điều kiện cho các quá trình sinh học trong tế bào xảy ra bình thƣờng.
+ Bo (B) là nguyên tố vi lƣợng rất quan trọng với cây trồng, ảnh hƣởng đến hoạt động của một số enzim, nó có khả năng tạo phức với các hợp chất polihidroxi khác nhau. Bo làm tăng khả năng thấm ở màng tế bào, giúp cho thành tế bào vững chắc, ảnh hƣởng đến quá trình phân chia tế bào và quá trình thụ phấn ở cây, đóng vai trò trong sự hình thành phấn hoa. Thiếu bo phấn hoa không hình thành đƣợc, hoa rụng, không tạo đƣợc hạt hoặc hạt lép [4]. Bo tăng cƣờng sự tổng hợp và vận chuyển hidratcacbon, các chất sinh trƣởng và axit ascobic từ lá đến cơ quan tạo quả. Thiếu bo, sự trao đổi hidratcacbon và protein giảm, đƣờng và tinh bột bị tích lũy ở lá dẫn tới đỉnh sinh trƣởng bị chết. Bo ảnh hƣởng tới sự hấp thu và sử dụng canxi của cây, giúp điều chỉnh tỉ lệ K/Ca trong cây. Ngoài ra, bo cũng là nguyên tố điều hòa nitơ trong thực vật. Hàm lƣợng bo trong cây trồng khoảng 4,7 - 8,1mg/kg chất khô, riêng trong khoai tây hàm lƣợng bo là 10-13mg/kg. Lƣợng bo trong đất mất đi sau mỗi vụ thu hoạch khoảng 30 - 270g/ha. Bo là nguyên tố ít di động nên triệu chứng thiếu bo thƣờng bắt đầu xuất hiện ở các bộ phận non của cây, đỉnh sinh trƣởng chùn lại, héo khô, lá non biến dạng, gấp nếp và mỏng. Thiếu bo làm sự phát triển của rễ bị ảnh hƣởng, các rễ cây nhỏ, mỏng, đầu rễ thƣờng bị chết hoại. Đối với ngô, thiếu bo làm cây thấp, khả năng trỗ cờ kém, bắp và hạt nhỏ, lõi lớn, số hạt trên bắp ít. Ở cây bông, hoa rụng nhiều, xuất hiện các vết nứt gãy, mất màu trên nụ.