Cây trồng và dưỡng chất cho cây trồng

Nền kinh tế-xã hội tân tiến phát triển dựa vào sản lượng cây trồng cung ứng trực tiếp hoặc gián tiếp cho con người dùng. Việc cung ứng đầy đủ dinh dưỡng khoáng cho cây trồng là nhân tố quan trọng nhất để đạt được sản lượng cao.

1/ Cây trồng

Cây trồng trong nông nghiệp là nguồn lương thực, thực phẩm cho con người và thức ăn cho gia súc, hoặc nguyên vật liệu thô cung ứng sản phẩm cho công nghệ chế biến. Việc phân loại cây trồng dựa trên đặc điểm thực vật hoặc mục đích dùng, hoặc dựa trên cả hai. Tiêu chuẩn phân loại cây trồng thường phân thành nhóm cây dùng như hạt (ngũ cốc), hột (đậu), sợi, dầu, rễ và nhựa (Donald và Hamblin, 1983). Cây sử dụng làm lương thực như ngũ cốc và hạt như lúa, lúa mì, lúa mạch, bắp, yến mạch, và lúa mạch đen và hột đậu. Cây làm thức ăn gia súc gồm vài loài tương đương như cây sử dụng làm lương thực, cỏ cho gia súc và cỏ chăn thả và nhiều loại thực phẩm ăn liền và phụ phẩm từ chế biến. Cỏ được ủ lên men yếm khí hoặc cỏ khô sử dụng làm thức ăn cho gia súc.

Một số loại ngũ cốc như lúa, lúa mì và bắp là các cây lương thực đa phần. Tổng sản xuất của chúng trên thế giới cao hơn cực kỳ nhiều so sánh với cây lương thực khác. Những cây trồng nầy đa phần được lai tạo và được canh tác đa phần trên đất có tưới tiêu, chiếm một diện rộng ở nhiều nơi đa phần trên toàn cầu và lần lượt thay thế các cây có năng suất thấp, khó chăm sóc. Tuy vậy, việc thay thế quá mức của cây ngũ cốc có thể sinh ra sự mất cân bằng trong chế độ ăn của con người, mà còn hạ đi độ màu mở đất, nâng cao dịch hại và bệnh, và phá vở tính ổn định hay vững chắc của hệ thống nông nghiệp.

Năng suất cây trồng lấy hột trung bình trên toàn cầu chỉ khoảng bằng nửa năng suất hạt ngũ cốc, tỉ lệ nầy ngày càng hạ trong trong một vài năm trở lại đây, và năng suất cũng hạ thấp hơn. Tuy vậy, năng suất hột thấp bù lại một phần hàm lượng calorie cao hơn của protein và lipid (cây lấy dầu như đậu tương, hướng dương, cải dầu). Việc so sánh nhu cầu năng lượng qua quá trình biến dưỡng khác nhau cho thấy năng suất hột tương đối ở cải dầu 60; ở đậu tương, 70; ở đậu (pea), 90; và 100 ở lúa mì và bắp (Evans, 1980).

Hàm lượng protein của hột cao hơn có liên quan tới sự dịch chuyển của protein ra khỏi lá, gây giảm khả năng lá quang hợp và năng suất sinh khối thấp. Kiểu sinh trưởng và phát triển họ đậu, đặc biệt kiểu ra bông và đậu hột từ dưới lên có thể hạ tiềm năng năng suất so sánh với kiểu ra bông hàng loạt ở ngũ cốc (Evans, 1980). Chu kỳ sinh trưởng của đậu nói chung ngắn hơn chu kỳ sinh trưởng của ngũ cốc, vì vậy mà giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng ngắn hơn, cây có ít thời gian hấp thụ dinh dưỡng hơn, và tiêu biểu cho biết sản xuất đậu đòi hỏi đất màu mỡ hơn cây ngũ cốc.

Trong số cây lương thực, thì khoai tây, khoai lang, và khoai mì đóng góp vào vai trò quan trọng cung ứng calorie cho dân số trên toàn cầu. Nói chung, những cây lương thực nầy có chất lượng kém hơn, hàm lượng protein thấp hơn so sánh với ngũ cốc. Hạt ngũ cốc chiếm 7-11% protein, trông khi đó cây cho củ có chứa chỉ khoảng 0,4-2,8% (Vries et al., 1967). Việc xác định chất lượng lương thực, ngoại trừ protein, những thông số khác phải được đo đếm (Bảng 1/1). Lúa là loại cây lương thực được dùng nhiều nhất trên toàn cầu, và không thể so với cây củ lương thực về mặt dinh dưỡng (Bảng 1/1). Hàm lượng protein của hạt lúa cao hơn nhiều loại cây trồng khác, nhưng thông số chất lượng khác ở cây lấy củ cao hơn cây lúa và các giống cây hạt khác. Do đó, có thể kết luận rằng, về mặt chất lượng thì cây cho hạt không cao hơn cây cho củ. Cây trồng cho củ cần phải được quan tâm nhiều hơn trong chương trình lai tạo và chọc lọc nhằm cung ứng calorie nhiều hơn.

Bảng 1 Thành phần/100 calories phần ăn được của hạt và củ quan trọng

2/ Dinh dưỡng khoáng

Dinh dưỡng khoáng bao gồm cung ứng, hấp thụ, và dùng những dưỡng chất cấp thiết cho sinh trưởng và năng suất cây trồng. Chẳng ai hay biết có lẽ rằng, loài người biết dùng những chất hữu cơ, chất thải gia súc, hoặc tro gỗ làm phân bón trong đất để kích thích cây trồng sinh trưởng từ khi nào. Tuy vậy, nhiều tài liệu được ghi lại vào đầu 2/500 năm trước Công nguyên, cho biết con người đã nhận biết được độ màu mỡ đất phù sa ở thung lũng Tigris và sông Euphrates (Tisdale et al., 1985). Bốn mươi hai thế kỷ tiếp đến, những nhà khoa học tìm cách xác định dưỡng chất cho cây trồng có phải bắt nguồn từ nước, không khí, hoặc từ đất được rễ cây trồng hấp thụ hay không. Cho dù người Hy Lạp và La Mã đã có rất nhiều đóng góp từ các năm 800 đến 200 năm trước Công nguyên, nhưng tiến bộ bước đầu về hiểu biết tính màu mỡ của đất và dưỡng chất cho cây trồng còn chậm (Westerman và Tucker, 1987). Ông Justus von Liebig (1803-1873) là người danh tiến trong việc thu thập và tóm tắt nhiều tài liệu về nguyên tố khoáng của cây và thiết lập nên môn học khoa học dưỡng chất cho cây trồng (Marschner, 1983).

Vào năm 1840, Liebig đã công bố thành quả nghiên cứu về sự việc phân tích hoá học cây trồng và sự đóng góp của dưỡng chất trong đất. Các nghiên cứu này mở đầu cho công cuộc nghiên cứu tân tiến về dưỡng chất cho cây trồng, sự quan trọng và nhân tố giới hạn của dưỡng chất đến sự phát triển và tiềm năng sinh trưởng của cây (Sinclair và Park, 1993). Khám phá nghiên cứu nầy đưa tới nhiều ứng dụng về phân hoá học. Vào cuối thế kỷ 19, đặc trưng ở Châu Âu, một lượng lớn potash, superphosphate, và đạm vô cơ được dùng trong nông nghiệp và nghề vườn nhằm cải tiến sinh trưởng cây trồng (Marschner, 1995). Dù vậy, chưa đến hết thế kỷ 20, những nhà khoa học đã công bố 16 nguyên tố cấp thiết cho cây trồng và đưa ra nhiều định nghĩa quan trọng. Tuy vậy, dưỡng chất cho cây trồng vẫn chưa được hiểu hết hoàn toàn (Glass, 1989).

Một hàm lượng nhỏ gồm 90 nguyên tố hoặc hơn thế nữa được tìm ra trong cây qua phân tích, nhưng chỉ có 16 nguyên tố cấp thiết quan trọng cho cây (Epstein, 1972; Fageria, 1984). Các chất dinh dưỡng cấp thiết được chia thành hai nhóm cơ bản, dựa trên số lượng nhu cầu của cây. Đối với các chất dinh dưỡng mà cây cần số lượng lớn gọi là chất dinh dưỡng đa lượng và cây cần một lượng nhỏ gọi là chất dinh dưỡng vi lượng. Carbon (C), hydro (H2), oxygen (O2), nitrogen (N2), lân (P), kali (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), và lưu huỳnh (S) là chất dinh dưỡng đa lượng. Chất dinh dưỡng vi lượng gồm có sắt (Fe), manganese (Mn), boron (B), kẽm (Zn), đồng (Cu), molybdenum (Mo), clorine (Cl). Sodium (Na), silicon (Si), cobalt (Co) là các chất có lợi rất nhiều cho một số cây trồng nhưng nó không được xem như nguyên tố cấp thiết cho đa số thực vật bậc cao (Mengel và Kirkby, 1982).

Sự phân loại chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng chỉ thuần túy dựa trên nhu cầu số lượng mà cây cần. Toàn bộ chất dinh dưỡng quan trọng như nhau về mặt sinh trưởng. Nếu thiếu bất cứ chất dinh dưỡng nào thì tác động không có lợi đến sinh trưởng cây. Phân tích đất và cây là cách thông thường để xác định thiếu dưỡng chất trong sản xuất. Tuy vậy, tiêu chuẩn tối ưu nhất cho chẩn đoán thiếu dưỡng chất ở cây hàng niên là qua nhận xét phản ứng cây đối với dinh dưỡng ứng dụng. Nếu cây phản ứng lại với dinh dưỡng cung ứng cho đất, nghĩa là dinh dưỡng thiếu cho cây. Năng suất tương đối hạ trong hoàn cảnh không có dinh dưỡng so sánh với đất chứa đựng nhiều dưỡng chất và có thể đưa ra định nghĩa quan trọng thiếu dưỡng chất.

Thí nghiệm tại Oxiol do Trung Tâm Nghiên Cứu Lúa-Đậu Quốc gia ở EMBRAPA, Goiania, Brazil nhận xét năng suất 5 loại cây trồng hàng niên hạ mà dường như không dùng trong số 12 chất dinh dưỡng cấp thiết cho cây. Năng suất hạ khác nhau trong số loại cây trồng và dinh dưỡng khoáng. Phosphorus và calcium là hai chất dinh dưỡng giới hạn năng suất nhiều nhất trong số 5 giống cây trồng ngoại trừ cây lúa rẫy không mẫn cảm thiếu Ca. Trong số chất dinh dưỡng vi lượng, boron là chất dinh dưỡng giới hạn năng suất nhiều nhất thường hay gặp ở đậu, kế đó là Zn. Molybpdenum và kẽm là chất dinh dưỡng giới hạn năng suất nhất ở giống lúa rẫy; đối với Zn, Cu, và Mn ở đậu tương ; Zn, B, và Mo ở bắp; và Mn giới hạn năng suất nhất ở lúa mì. Trong năm loại cây, tính mẫn cảm thiếu P căn cứ vào năng suất chất khô theo thứ tự: lúa rẫy > đậu thường > đậu tương > bắp > lúa mì. Giống mẫn cảm thiếu Ca gồm: đậu thường > lúa mì > bắp > đậu tương > lúa rẫy. Việc này cho biết, lúa rẫy hầu hết chịu được đất chua, và giống đậu thường chống chịu kém nhất trong những giống thử nghiệm.

Nhu cầu dinh dưỡng đa lượng ở nồng độ từ 1/000 µg/g trọng lượng khô hoặc cao hơn, trái lại chất dinh dưỡng vi lượng ở nồng độ khoảng 100 µg/g trọng lượng hoặc nhỏ hơn (Oertli, 1979). Cây có mong muốn thấp chất dinh dưỡng vi lượng được giải thích là do những chất dinh dưỡng nầy bị kết tủa trong những phản ứng enzyme và thành phần của kích
thích tố sinh trưởng, khác hơn là thành phần sản phẩm đa phần của cây như mô cấu trúc và chất nguyên sinh tế bào (Stevenson, 1986). Chất dinh dưỡng đa lượng đóng một vai trò cấu trúc, trong khi đó chất dinh dưỡng vi lượng đa phần tham dự vào quá trình enzyme (Bảng 1/2).

Theo tài liệu, thuật ngữ chất dinh dưỡng khoáng thì thông dụng và thỉnh thoảng được biết đến như là dưỡng chất cho cây trồng . Thuật ngữ này hơi nhầm lẫn với khoáng, hoặc dưỡng chất cho cây trồng, thì không phải là khoáng. Đa số nguyên tố khoáng cấp thiết được phối hợp với những nguyên tố khác ở dạng dưỡng chất, mà cuối cùng phá vỡ thành nhiều phần kết cấu nên nó. Chất dinh dưỡng khoáng gồm toàn bộ dinh dưỡng cấp thiết cho cây trồng ngoại trừ carbon, hydro, và oxy có xuất xứ CO₂ và H₂O, và nitrogen có xuất xứ khí N₂ (Bennett, 1993).

Những chất dinh dưỡng khoáng cây trồng cấp thiết có thể phân nhóm kim loại hoặc không kim loại. Nhóm kim loại gồm K, Ca, Mg, Fe, Zn, Mn, Cu, và Mo. Nhóm không kim loại có N, P, S, B và Cl (Bennett, 1993). Theo Mengel và Kirkby (1982), phân loại dưỡng chất cho cây trồng căn cứ vào hoạt tính sinh hoá và chức năng sinh lý của chúng có thể phù hợp hơn. Cơ sở phân loại căn cứ vào sinh lý, dinh dưỡng được phân chia thành 4 nhóm sau:

• Nhóm 1: C, H, O, N, và S. Các dưỡng chất nầy đa số là thành phần kết cấu chất hữu cơ, có liên quan trong suốt quá trình enzyme và phản ứng oxy hoá khử.
• Nhóm 2: P và B, có liên quan tới phản ứng truyền năng lượng và este hoá với những nhóm có xuất xứ alcohol trong cây trồng.
• Nhóm 3: K, Ca, Mg, Mn, và Cl. Nhóm này đóng một vai trò thẩm thấu và cân bằng ion, có các chức năng chuyên biệt cấu thành enzyme và xúc tác.
• Nhóm 4: Fe, Cu, Zn, và Mo. Hiện diện trong cấu trúc chelate hoặc protein kim loại, dinh dưỡng nầy có thể chuyển vận điện tử bằng phương pháp thay đổi hóa trị.

Một số nguyên tố nầy được biết từ thời cổ, nhưng tính cấp thiết của chúng chỉ được công bố trong thế kỷ qua (Tamhance et al., 1966; Marschner, 1995). Việc khám phá chất dinh dưỡng cấp thiết, công thức hoá học, và dạng cây trồng hấp thụ được trình bày ở Bảng 1/3/

Tóm lại, cung ứng đầy đủ dưỡng chất cấp thiết là một trong các nhân tố quan trọng nhất để đạt được năng suất cây trồng cao. Mười sáu dưỡng chất cấp thiết cho sinh trưởng cây trồng, những dưỡng chất cấp thiết gồm C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Zn, Cu, Fe, Mn, B, Mo và Cl. Ba dinh dưỡng C, H, O chiếm 95% trọng lượng khô của cây, được cung ứng từ CO₂ trong không khí và H₂O; Chlorine được cung ứng từ khí quyển. Những dưỡng chất còn lại (12 dinh dưỡng) cần được cung ứng đầy đủ để đạt năng suất cây trồng cao. Nhu cầu dinh dưỡng khoáng của cây trồng sẽ được thảo luận chi tiết ở các chương sau.

Bảng 2 Vai trò của những dưỡng chất cấp thiết cho cây (Oertli, 1979; Ting, 1982; và Stevenson 1986).

Bảng 3 Các chất dinh dưỡng cấp thiết cho cây sinh trưởng, dạng hấp thụ đa phần và sự khám phá.

Hơn 2/000 năm qua trong lãnh vực nông nghiệp, con người đã biết dùng chất dinh dưỡng khoáng để nâng cấp sự phát triển cây trồng. Vào cuối thế kỹ XIX, đặc trưng ở những nước Châu Âu, một lượng lớn phân kali, supperphosphate và nhiều dạng phân đạm vô cơ đã được dùng trong nông nghiệp nhằm nâng cao năng suất của cây. Kết quả nhiều thí nghiệm cho biết cây trồng hấp thụ có lựa chọn chất dinh dưỡng khoáng cấp thiết để phát triển, tuy vậy ngoài ra một vài dưỡng khoáng không cấp thiết cho cây cũng được cây hấp thu và thậm chí gây độc cho cây. Để biết được nhu cầu dưỡng chất khoáng và để nắm rõ vai trò biến dưỡng trong cây, cần phải thực thi nhiều thí nghiệm trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng, hoặc trong môi trường chứa chất dinh dưỡng được khống chế.

Một nguyên tố khoáng được khái niệm là chất dinh dưỡng khoáng cấp thiết của cây khi thỏa mãn 03 điều kiện sau:

– Cây trồng không thể hoàn tất chu kỳ sinh trưởng khi không có sự tham dự của nguyên tố khoáng đó.

– Vai trò của nguyên tố khoáng đó trong cây không thể thay thế được bằng một nguyên tố khoáng nào khác.

– Nguyên tố khoáng đó phải tham dự trực tiếp vào quá trình biến dưỡng của cây. Thí dụ: tham dự vào thành phần cấu trúc của enzyme, hoặc tham dự trong suốt quá trình biến dưỡng, đặc biệt trong phản ứng enzyme.

Theo khái niệm trên cho biết, các nguyên tố khoáng nào được hấp thụ chỉ nhằm gây giảm tác động gây độc của nguyên tố khoáng khác, hay có một số chức năng ít chuyên biệt không cấp thiết, thì có thể coi như là nguyên tố khoáng có ích (benificial eliment). Thí dụ: như chức năng duy trì áp suất thẩm thấu. Các chất dinh dưỡng khoáng và nguyên tố có ích ở cây cối thượng đẳng và hạ đẳng được trình bày ở Bảng 2/1/

Bảng 4 Các chất dinh dưỡng khoáng đa phần và chất có ích của thực vật thượng đẳng và hạ đẳng

Chất dinh dưỡng khoáng vi lượng được khái niệm là loại cây trồng cần một lượng nhỏ; chất dinh dưỡng khoáng vi lượng đa phần có trong thành phần kết cấu của những phân tử enzyme. Trái lại, chất dinh dưỡng khoáng đa lượng thì cây trồng cần với lượng lớn, nó là thành phần kết cấu những hợp chất hữu cơ ví dụ như protein, acid nhân. Sự khác nhau về hàm lượng trung bình của những chất dinh dưỡng khoáng được phân tích ở chồi phát triển bình thường (chồi đủ dưỡng chất ) được trình bày ở Bảng 2, hàm lượng nầy thay đổi phụ thuộc vào loại cây trồng, tuổi cây và nồng độ của những chất dinh dưỡng khoáng khác.

Bảng 5 Hàm lượng trung bình của chất dinh dưỡng khoáng có trong chồi phát triển bình thường, tính theo trọng lượng khô. (Epstein, 1965)

Tài liệu tham khảo

Bennett, W. F. (1993). Plant nutrition utilization and diagnostic plant symptoms, pp. 1-7/ In: W. F. Bennett (ed.) Nutrient deficiencies and toxicities in crop plants. APS Press, The American Phytopathological Society, St. Paul, Minnesota.

Donald, C. M. and Hamblin (1983). The convergent evolution of annual seed crops in agriculture. Adv. Agron. 36: 97-143/

Epstein, E. (1972). Plant nutrition of plants: Principles and perspectives. Wiley, New York.

Evans, L. T. (1980). The natural history of crop yield. Am. Sci. 68: 388-397/ Fageria, N. K. (1984). Fertilization and mineral nutrition of rice. EMBRAPA-

CNPAF/Editora Campus, Rio de Janeiro.

Glass, A. D. M. (1989). Plant nutrition: an introduction lớn current concepts. Jones and Barlett Publishers, Boston.

Marschner, H. (1983). General introduction lớn the mineral nutrition of plants, pp. 5-

60. In “A. Läuchli and R. L. Bieleski (eds.). Encyclopedia of plant physiology, New Ser.,” Vol. 15A. Springer-Verlag. New York.

Marschner, H. (1995). Mineral nutrition of higher plant. 2nd ed. Academic Press, New York.

Mengel, K. and E. A. Kirkby (1982). Principles of plant nutrition. 3rd ed.

International Potash Institute, Bern.

Oertli, J. J. (1979). Plant nutrients, pp. 382-385/ In: R. W. Fairbridge and C. W. Finkl, Jr. (eds.). The encyclopedia of soil science, Part 1/ Dowden, Hutchison and Ross, Stroudsburg, Pennsilvania.

Sinclair, T. R. and W. I. Park (1993). Inadequacy of the Liebig limiting-factor paradigm for explaining varying crop yields. Agro. J. 85: 742-746/

Stevenson, F. J. (1986). The micronutrient cycle, pp. 321-367/ In: Cycles of soil.

Wiley, New York.

Tamhance, R. V., D. P. Motiramani, Y. P. Bali, and R. L. Donahue (1966). Soils: Their chemistry and fertility in tropical Asia, Prentice-Hall of India, New Delhi.

Ting, I. P. (1982). Plant mineral nutrition and ion uptake, pp. 331-363/ In: Plant physiology. Addison-Wesley, Reading, Masschusetts.

Tisdale, S. L., W. L. Nelson, and J. D. Beaton (1985). Soil fertility—past and present, pp, 5-18/ In: Soil fertility and fertilizers, 4th ed. Macmillan, New York.

Vries, C. A., J. D. Ferwerda, and M. Flach (1967). Choice of food crops in relation lớn actual and potential production in the tropics. Neth, J. Agric. Sci. 15: 241- 248/

Westerman, R. L. and T. C. Tucker (1987). Soil fertility con concepts: Past, present and future, pp. 171-179/ In: Future developments in soil science research. Soil Sci. Soc. Am., Madison, Wisconsin.

Epstein, E. (1965) Mineral metabolism. In “Plant biochemistry” (J. Bonner and J. E. Varner, eds.), pp. 438-466/ Academic Press, London and Orlando.