Silic (Si) – Nguyên tố dinh dưỡng nhiều chức năng

TS.Nguyễn Đăng Nghĩa

Trung tâm Nghiên cứu Đất – Phân bón & Môi trường phía Nam,

Viện Nông hóa Thổ nhưỡng

1/ Chức năng của silic (Si) đối với các loại cây trồng.

Silic có rất nhiều loại, nhiều nguồn khác nhau. Thường thì trong đất có hàm lượng Silic là thành phần chính từ 50-60% tùy loại đất. Hạt cát và một vài loại đá cũng có Silic (đặc biệt cát có hàm lượng Silic cực kỳ cao 80-90%), nhưng quan trọng nhất là Silic đó ở dạng hòa tan được hay không, cây trồng có dùng được hay không. Silic trong cát và đá phần lớn không thể hòa tan vì vậy cây trồng không hấp thu được. Silic, nguyên tố nhiều đứng thứ 2 trên trái đất, dạng lợi thế của chính nó là acid mono silic Si(OH)₄. Acid silic được tìm ra trong dung dịch đất có chứa khoảng từ 3,5 – 4,0 mg/l (từ 3,5 – 4,0 ppm).  Trong một số loại khoáng có chứa Si thì khoáng Clinoptiolite chứa hàm lượng SiO₂ cao hơn cực kỳ nhiều so sánh với một số loại khoáng khác và nhất là có tỷ lệ SiO₂ hữu hiệu cao (có thể hòa tan được) đạt đến 65-70%, do đó SiO₂ được cây trồng hấp thụ được ngay khi bón vào trong chất đất. Khoáng Clinoptiolite được tạo thành từ nham thạch núi lửa (nhất là núi lửa ở vùng ven biển). Căn cứ trên bản đồ khoáng sản Việt Nam, không có báo cáo Việt Nam có khoáng Clinoptiolite. Tại Việt Nam chỉ có khoáng Kaolinite (cao lanh) và Diatomite, cả 02 loại chất này thuộc dạng nhóm đất sét nhẹ có tác dụng trong ngành công nghiệp như: dầu mỏ, sản xuất giấy, gốm sứ,… Kaolinite và Diatomite không có thể trao đổi Ion giống như khoáng Clinoptiolite, vậy nên không thể hấp thụ được Amonia (NH₄⁺).

Trong nhiều trường hợp, lượng Si tương đối lớn nhưng lại không có hoạt tính sinh học và có hàm lượng hữu hiệu thấp khi ở đất có pH > 7 hay trong đất có mặt một lượng lớn sesquioxide và sự hấp thụ anion (-) là lợi thế (đất sét). Acid silic trong dung dịch nước sẽ tương tác với pectin và polyphenol trong thành tế bào và được định vị chính ở thành tế bào hỗ trợ cho thành tế bào cứng cáp hơn. Việc đó cho biết Si thì có lợi cho cực kỳ đa số loài thực vật bậc cao. Những thực vật bậc cao khác nhau ở khả năng hấp thụ Si. Những loài thực vật có chứa nbsp; hàm lượng Si cao bao gồm họ Gramineae (cỏ) ở đất khô và đất ướt, đa số ở dạng hai lá mầm, đặc biệt những cây họ đậu (legume). Rễ sau khi hấp thụ Si sẽ được vận chuyển và tích tụ ở xylem (mạch gỗ) và thành tế bào xylem, và hỗ trợ ngăn không cho sự sụp đổ khi hô hấp tăng. Si cũng tích tụ dọc trục rễ và tích tụ nhiều ở thành trong của biểu bì (endodermis) và hoạt động như một cơ chế rào cản có hiệu quả cao chống lại sự xâm nhập và lây nhiễm vào trụ giữa của cây do nguyên nhân bệnh và thực vật ký sinh. Ở chồi và lá, sự phân phối Si dựa vào tỉ lệ thoát hơi nước của cây và được tích tụ sau khi thoát hơi nước ở thời kỳ cuối của dòng thoát hơi nước thường ở ngoài và trong thành tế bào biểu bì lá. Thành tế bào biểu bì lá bị thấm một màng mỏng Si và trở nên các rào cản có hiệu quả chống lại sự mất nước do thoát hơi nước qua lớp cutin và sự xâm nhập và lây nhiễm của nấm.

Si là một nguyên tố tương đối linh động, nó có thể thay đổi cấu trúc khi gặp hoàn cảnh thời tiết khắc nghiệt và nhờ khả năng này nó có thể khống chế và điều hòa nhiệt độ và những thay đổi  không bình thường khác bởi sự thay đổi cấu trúc của chính nó ở thành tế bào, khi những tương tác với acid silic (tạo thành kết hợp este) sẽ dẫn tới tích tụ một lượng lớn Silic vào cấu trúc thành tế bào trưởng thành. Si đẩy mạnh hệ thống miễn dịch cho cây, hỗ trợ cây phát triển nhanh, khỏe khoắn. Đẩy mạnh sức đề kháng cho cây chống lại một số loại côn trùng và vi sinh vật gây bệnh như: sâu, rầy, nấm và vi khuẩn. Nâng cao năng suất cây trồng, đặc biệt cây lúa cực kỳ cần silic hơn một số loại dưỡng chất cơ bản khác như N P K. Chất silic sẽ giúp thân lúa khỏe khoắn, cứng cáp, chịu ngập và chịu gió tốt. Có thể kháng lại một vài loại vi sinh vật và côn trùng gây bệnh như: rầy và ốc bươu vàng. Silic (S) có 4 điểm mạnh khi dùng có thể tóm tắt như sau:

– Silic giúp đẩy mạnh độ cứng cho thân cây, hạn chế sâu hại và côn trùng gây bệnh.

– Giúp bảo vệ đất do dùng những hóa chất. Đẩy mạnh độ màu mỡ cho đất và có thể giữ nước tốt. Giúp cân bằng và gia tăng lượng dưỡng chất trong đất để cây trồng hấp thu.

– Phân có chứa silic hỗ trợ cho nhiều loại cây trồng và hoa màu không bị thoái hóa giống. Giúp nâng cao năng suất cây trồng, rau quả thường có vị thơm ngon. Đặc biệt đối với các loại cây lúa và ngô dùng phân có silic sẽ đạt năng suất cao.

– Về lĩnh vực môi trường sinh thái, ngành công nghiệp sạch cần dùng axit silic để phân hủy những tạp chất trong suốt quá trình sản xuất.

Công dụng của Si đối với một vài cây trồng cụ thể:

+ Cây lúa: Theo kết quả phân tích của FAO (hiệp hội lương thực thế giới), mỗi 01 ha sản xuất ra 05 tấn lúa trong 01 vụ cây lúa sẽ hấp thu 250 kilogam Silic. Trong suốt quá trình trồng lúa chúng ta cấp thiết phải bổ sung Silic, Silic cực kì quan trọng đối với các loại cây lúa vì nó là nguyên tố dinh dưỡng trung lượng để tạo thành những tế bào trên cây và vỏ của hạt lúa, đồng thời tham dự quá trình vận chuyển dưỡng chất trong cây và giải phóng P, K trong đất giúp nâng cao khả năng dùng P, K. Vì những nguyên do trên khi bổ sung đầy đủ Silic, cây lúa sẽ đứng thẳng, giúp nâng cao khả năng quang hợp, cây lúa cứng, những tế bào có thành dầy sẽ ngăn không cho sự thâm nhập từ nấm hoặc sâu hại. Trong thời kỳ sinh sản (preproductive), Si được ưu tiên chuyển vào lá đòng và 2 lá công năng. Vậy nên, sự gián đoạn Si ở thời kỳ này thì sẽ cực kỳ không có lợi cho khả năng tạo số lượng hoa (spikelet fertility). Đây là nhân tố nâng cao số hạt trên bông. Đối với các loại cây lúa đòi hỏi dinh dưỡng ngoại trừ N, P, K còn có đòi hỏi Silic cực kỳ cao (cao hơn hẳn Ca, Mg và S).

+ Cây Mía: Đòi hỏi  ít nhất phải có 1% Si chiếm trong lá mía (trọng lượng khô của lá) và khi lá mía chỉ đạt 0,25% Si thì năng suất mía sẽ bị hạ đi ½. Dấu hiệu thiếu Si trên lá mía được dấu hiệu rõ như lá bị cháy nắng (leaf freckling).

+ Cây Cà chua, Dưa leo, Dâu tây, Đậu tương: Thiếu Si là nguyên do hạ mạnh năng suất quả và cũng gây nên dị hình trái (giống như thiếu Ca và B), những lá phát triển sớm, héo, lão suy sớm, khả năng sống sót của hạt phấn bị suy yếu, ảnh hưong đến tỷ lệ thụ phấn và không có sự tạo thành trái.

+ Những loài cây 2 lá mầm: Si nâng cao hiệu lực sinh lý của kẽm (Zn), chống lại sự thiếu hụt chất kẽm -cảm ứng tạo thành độc tố do phospho. Nếu Si hữu hiệu thấp (Si hòa tan thấp) sẽ gây giảm nbsp; sự phối hợp Phosphat vô cơ vào ATP và ADP. Si thấp là nguyên do giảm sút hàm lượng lignin của thành tế bào, tạo ra sự hạ hợp chất phenol. Si ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng và sự biến dưỡng polyphenol và tương tác với những thành phần khác của thành tế bào qua kết hợp pectin và polyphenol. Polyphenol là thành phần của con dường phòng thủ giai đoạn đầu của cây chống lại sự xâm nhập và lây nhiễm nấm.

+ Cây bông vải (Cốt tông ): yêu cầu hàm lượng Si tương đối cao (0,5 % trọng lượng lá khô) trong thời kỳ sớm của sự nối dài sợi cốt tông, tiếp đến hạ trong suốt quá trình tích tụ cellulose.

Si với vai trò tăng khả năng ngăn không cho sự tấn công của sâu hại gây bệnh:

Sự nảy mầm của bào tử ở bề mặt của lá và rễ  bị kích thích bởi sự hiện diện của dịch tiết thực vật. Dòng dịch tiết đóng góp vào sự thành công hay thất bại của sự xâm nhập và lây nhiễm ở đa số những bệnh do nấm từ nguyên nhân tạo bệnh trong không khí và trong đất. Tỷ lệ, dòng chảy và vị trí của dịch tiết dựa vào nồng độ tế bào chất và gradient lây lan thích hợp. Ví dụ nồng độ đường và acid amin cao khi N vượt quá mức và có thể tăng đáng kể cùng với việc thiếu hụt Ca hay B (đây chính là nguyên do nâng cao tính thấm của màng) và thiếu K (làm suy giảm tổng hợp polyme).

Đa số nấm ký sinh và vi khuẩn thâm nhập theo con đường apoplasm (lớp tế bào biểu bì bề mặt của lá ) bằng phương pháp giải phóng enzym pectolytic làm phân hủy phiến giữa. Hoạt động của các enzym này cực kỳ mạnh và chỉ bị cản bởi Ca, giải thích cho sự đồng tương quan giữa hàm lượng Ca của mô và khả năng kháng bệnh do nấm và vi khuẩn. Trạng thái dinh dưỡng khoáng của thực vật thì trực tiếp liên quan đến những cơ chế này.

Những hợp chất phenol đóng một vai trò chìa khóa trong thời kỳ sớm của sự xâm nhập và lây nhiễm và sinh tổng hợp lignin. Những hợp chất phenol gây ảnh hưởng làm cố định nấm và tích lũy ở vị trí nhiễm. Vài nguyên tố vi lượng (B và Cu) gây ảnh hưởng sâu sắc lên sự sinh tổng hợp hợp chất phenol. Khi mô trưởng thành (riêng đối với lá), sự tạo thành lignin và tích tụ Si ở lớp tế bào biểu bì tạo thành rào cản vật lý hiệu quả đối với sự thâm nhập của sợi nấm. Đây là vai trò nhiều vai trò của Si.

Sự tạo thành rào cản vật lý ở tế bào biểu bì chống lại sự thâm nhập của sợi nấm hay côn trùng như rệp (aphid) thì không những có cơ chế do Si đóng góp vào tính kháng ở cây cối. Còn nhiều thành phần linh động nữa, sự tái đóng góp của Si liên quan đến chung quanh vị trí nhiễm. Ví dụ:Si tích lũy tại những vị trí xâm nhập và lây nhiễm của sợi nấm powdery mildew trong 20 giờ và sự tích tụ này ở chung quanh vị trí nhiễm không thành công cao gấp 3-4 lần hơn vị trí nhiễm thành công. Sự ưu tiên tích tụ Si này, tại điểm thâm nhập bệnh đòi hỏi tiếp tục cung ứng Si từ rễ và từ phân bón qua lá. Sau khi tích tụ và polyme hóa ở mô lá, Si có thể không bị tái linh động. Việc đó không do bản thân Si, mà còn do phức hợp của phenol và Si tại vị trí nhiễm đã chống lại sự phát triển và thâm nhập của sợi nấm. sự tích tụ mau chóng của phenol hay lignin và sự hiện diện Si tạo thành cơ chế kháng cự chung. Tác động kháng cự sâu sắc này của Si trên bệnh do nấm  thì không hạn chế đối với những loài graminaceous nhưng cũng cũng là tư liệu tốt cho dưa chuột và nho và minh họa việc khống chế côn trùng có thể đạt được ở đa số thực vật bậc cao cùng với dùng phân bón và dinh dưỡng khoáng phù hợp.

Những tác động tốt của việc dùng Si hòa tan[Si(OH)₄] trên Gramineae và cây hai lá mầm bao gồm đa số những cây trồng có giá trị trong nông nghiệp là tài liệu tốt và không thể không lưu ý. Việc cung ứng phân bón qua lá hay dùng phân chứa Si dưới dạng dễ tan sẽ gây ảnh hưởng bảo vệ và chống lại sự tấn công tạo bệnh của nấm và vi khuẩn trên thực vật.

Bên cạnh đó, một vài thành quả nghiên cứu về phân bón chứa Silic đã cho biết:

 – Khả năng hấp phụ lân của đất phèn hạ dưới tác động của anion silicate (dạng Na₂SiO₃) và silicofluoride (dạng Na₂SiF₆). Trong hoàn cảnh không không điều chỉnh pH của dung dịch, bổ sung silicate hoặc silicofluoride gây giảm lượng lân hấp phụ nhiều nhất (Q_max) 3-18%, hạ P_0,2 41-73% so sánh với đối chứng. Trong hoàn cảnh dung dịch hấp phụ được điều chỉnh pH = 4,7, bổ sung Na₂SiO₃ gây giảm 12-17% giá trị P_0,2 nhưng không có công dụng gây giảm Q_max; bổ sung Na₂SiF₆ gây giảm 55-74% Q_max và 12-17% P_0,2. Bổ sung silicofluoride có công dụng gây giảm khả năng hấp phụ lân của đất mạnh hơn bổ sung silicate. Không có khác nhau lớn về khả năng hấp phụ lân của đất khi nâng cao nồng độ Na₂SiO₃ trong dung dịch, ngược lại khả năng hấp phụ P hạ nhiều khi tăng nồng độ Na₂SiF₆. Bón silic phối hợp bón lân nâng cao hàm lượng lân dễ tiêu (P-Bray) trong đất so sánh với bón lân thuần túy. Những hợp chất silicate và silicofluoride có công dụng kềm hãm tốc độ khử  sắt trong suốt quá trình đất ngập nước, việc này có thể là nguyên do dẫn tới sự suy yếu quá trình giải phóng lân trong dung dịch. Bón lân nâng cao mạnh lượng silic hòa tan trong đất. Bón riêng lẻ phân lân hoặc hợp chất silicate natri và bón phối hợp lân với silicate natri hoặc silicofluoride natri đều cho tác động tốt lên sự phát triển của cây lúa trồng trên đất phèn, đất xám trong nhà lưới, nâng cao trọng lượng sinh khối, số nhánh/cây và chiều cao cây. Bón silicofluoride natri trên nền không bón phân lân không có công dụng tốt lên sự phát triển của cây. – Mối quan hệ tương hỗ giữa silic và lân trong cây có công dụng tích cực lên sự hấp thụ và chuyển hóa những dưỡng chất P, Si và N của cây lúa. Bón riêng lẻ hoặc bón phối hợp lân với silicate hoặc silicofluoride đều có công dụng gây giảm hàm lượng sắt, nhôm do đó nâng cao tỷ lệ P/Fe và P/Al trong cây lúa; việc này thuận lợi cho sự phát triển và phát triển của cây.  Trên đất phèn không bón lân, bón silicate natri hoặc silicofluoride natricó xu hướng nâng cao năng suất lúa. Ở trên đất phèn được bón lân, bón silicate natri hoặc silicofluoride natri cũng nâng cao năng suất so sánh với đối chứng (chỉ bón phân N và K), nhưng không có khác nhau về năng suất so sánh với công thức bón lân. Ở trên đất xám, việc bón silicate và silicofluoride có công dụng bổ sung dinh dưỡng silic hơn là công dụng gây giảm sự cố định lân trong đất. Cho dù có công dụng gây giảm khả năng hấp phụ lân của đất, nhưng việc bón silicate và silicofluoride cho lúa trồng ngoài đồng trên đất phù sa chưa đem lại bội thu năng suất lúa.

2/ Một vài biện pháp sản xuất phân bón có chứa Si hữu hiệu

– Tại Việt Nam hiện đang có cực kỳ nhiều nguyên vật liệu có chứa silic như: quặng Secpentine; khoáng sét Montmorilloit, Kaolinite, Thạch Anh. Nhưng hàm lượng Si hòa tan hay hữu hiệu cực kỳ nhỏ. Vì vậy, cần phải có các công nghệ ảnh hưởng nhằm gia tăng hàm lượng Si hữu hiệu trước khi dùng như một trong các loại nguyên vật liệu chế biến làm phân bón.

– Trong phần rơm rạ, vỏ trấu, bã cây mía, vỏ dừa có hàm lượng Si tương đối cao, nếu khai thác chế biến hợp lý cũng nâng cao hiệu lực của Si và tăng hiệu quả của phân hữu cơ – Khoáng (chứa Si hữu hiệu cao).

– Cấn có các nghiên cứu thêm về hiệu quả của Secpentine để khai thác nhiều nhất hàm lượng và hiệu lực nông học của MgO và SiO2/

– Dùng Si hòa tan trong thành phần một số loại phân bón lá sẽ tận dụng nhiều nhất vai trò đa năng của nguyên tố Si, góp thêm phần hạ thiểu dùng thuốc bvtv (thuốc bảo vệ thực vật).

– Dùng nguyên vật liệu Thạch Anh cò nhiều ở Việt Nam để đưa vào hệ thống lò nung nhiệt với nhiệt độ cao trong môi trường kiềm sẽ có được nguồn nguyên vật liệu tốt.