Cây trồng và dinh dưỡng cây trồng

Nền kinh tế-xã hội hiện đại phát triển phụ thuộc vào sản lượng cây trồng cung cấp trực tiếp hoặc gián tiếp cho con người sử dụng. Việc cung cấp đầy đủ dưỡng chất khoáng cho cây trồng là yếu 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 vật liệu thô cung cấp sản phẩm cho công nghệ chế biến. Việc phân loại cây trồng dựa vào đặc tính thực vật hoặc mục đích sử dụng, hoặc dựa vào cả hai. Tiêu chuẩn phân loại cây trồng thường phân thành nhóm cây sử dụng như hạt (ngũ cốc), hột (đậu), sợi, dầu, rễ và nhựa (Donald và Hamblin, 1983). Cây dùng 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 tự như cây dùng 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 dùng làm thức ăn cho gia súc.

Các loại ngũ cốc như lúa, lúa mì và bắp là những cây lương thực chủ yếu. Tổng sản xuất của chúng trên toàn cầu cao hơn rất nhiều so với cây lương thực khác. Các cây trồng nầy chủ yếu được lai tạo và được trồng phần lớn trên đất có tưới tiêu, chiếm một diện tích rộng ở nhiều nơi chủ yếu trên thế giới và lần lượt thay thế những cây có năng suất thấp, khó chăm sóc. Tuy nhiên, việc thay thế quá mức của cây ngũ cốc có thể tạo ra sự mất cân bằng trong chế độ ăn của con người, mà còn giảm đi độ màu mở đất, gia tăng dịch hại và bệnh, và phá vở tính ổn định hay bền vững của hệ thống nông nghiệp.

Năng suất cây trồng lấy hột trung bình trên thế giới chỉ khoảng bằng nửa năng suất hạt ngũ cốc, tỉ lệ nầy ngày càng giảm trong những năm gần đây, và năng suất cũng giảm thấp hơn. Tuy nhiên, năng suất hột thấp bù lại một phần hàm lượng calorie cao hơn của protein và lipid (cây lấy dầu như đậu nành, hướng dương, cải dầu). Việc so sánh nhu cầu năng lượng qua quá trình biến dưỡng khác nhau cho biết năng suất hột tương đối ở cải dầu 60; ở đậu nành, 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 di chuyển của protein ra khỏi lá, làm giảm khả năng lá quang hợp và năng suất sinh khối thấp. Kiểu sinh trưởng ở họ đậu, đặc biệt kiểu ra hoa và đậu hột từ dưới lên có thể giảm tiềm năng năng suất so với kiểu ra hoa đồng loạt ở ngũ cốc (Evans, 1980). Chu kỳ sinh trưởng của đậu nói chung ngắn hơn chu kỳ sinh trưởng của ngũ cốc, do vậy mà thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng ngắn hơn, cây có ít thời gian hấp thu dinh dưỡng hơn, và điển hình cho thấy sản xuất đậu yêu cầu đất màu mỡ hơn cây ngũ cốc.

Trong số cây lương thực, thì khoai tây, khoai lang, và khoai mì đóng vai trò quan trọng cung cấp calorie cho dân số trên thế giới. Nhìn chung, các cây lương thực nầy có chất lượng kém hơn, hàm lượng protein thấp hơn so với ngũ cốc. Hạt ngũ cốc chiếm 7-11% protein, trông khi đó cây cho củ chứa chỉ khoảng 0,4-2,8% (Vries et al., 1967). Việc xác định chất lượng lương thực, ngoại trừ protein, các thông số khác phải được đo đếm (Bảng 1.1). Lúa là cây lương thực được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, và không thể so sánh với cây củ lương thực về mặt dinh dưỡng (Bảng 1.1). Hàm lượng protein của hạt lúa cao hơn các loại cây trồng khác, nhưng thông số chất lượng khác ở cây lấy củ cao hơn cây lúa và các loại cây hạt khác. Vì vậy, có thể kết luận rằng, về mặt chất lượng thì cây cho hạt không cao hơn cây cho củ. Cây trồng cho củ cần được quan tâm nhiều hơn trong chương trình lai tạo và chọc lọc nhằm cung cấp 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 cấp, hấp thu, và sử dụng các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng và năng suất cây trồng. Không ai biết chắc rằng, loài người biết sử dụng các chất hữu cơ, chất thải gia súc, hoặc tro gỗ làm phân bón trong đất để kích thích cây trồng sinh trưởng từ lúc nào. Tuy nhiên, nhiều tài liệu được ghi lại vào đầu 2.500 năm trước Công nguyên, cho thấy 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 sau đó, các nhà khoa học tìm cách xác định dinh dưỡng cây trồng có phải bắt nguồn từ nước, không khí, hoặc từ đất được rễ cây trồng hấp thu hay không. Mặc dù người Hy Lạp và La Mã đã có nhiều đóng góp từ những năm 800 đến 200 năm trước Công nguyên, nhưng tiến bộ bước đầu về hiểu biết tính màu mỡ của đất và dinh dưỡng 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 dinh dưỡng cây trồng (Marschner, 1983).

Vào năm 1840, Liebig đã công bố kết quả nghiên cứu về việc phân tích hoá học cây trồng và sự đóng góp của khoáng chất trong đất. Những nghiên cứu này mở đầu cho công cuộc nghiên cứu hiện đại về dinh dưỡng cây trồng, tầm quan trọng và yếu tố giới hạn của khoáng chất đến sự sinh trưởng và tiềm năng sinh trưởng của cây (Sinclair và Park, 1993). Khám phá nghiên cứu nầy đưa đến nhiều ứng dụng về phân hoá học. Vào cuối thế kỷ 19, đặc biệt ở Châu Âu, một lượng lớn potash, superphosphate, và đạm vô cơ được sử dụng trong nông nghiệp và nghề vườn nhằm cải tiến sinh trưởng cây trồng (Marschner, 1995). Dù vậy, chưa đến hết thế kỷ 20, các nhà khoa học đã công bố 16 nguyên tố cần thiết cho cây trồng và đưa ra nhiều khái niệm quan trọng. Tuy nhiên, dinh dưỡng cây trồng vẫn chưa được hiểu hết hoàn toàn (Glass, 1989).

Một hàm lượng nhỏ gồm 90 nguyên tố hoặc hơn nữa được tìm thấy trong cây qua phân tích, nhưng chỉ có 16 nguyên tố cần thiết quan trọng cho cây (Epstein, 1972; Fageria, 1984). Những dưỡng chất cần thiết được chia làm hai nhóm cơ bản, dựa vào số lượng nhu cầu của cây. Đối với những dưỡng chất mà cây cần số lượng lớn gọi là dưỡng chất đa lượng và cây cần một lượng nhỏ gọi là dưỡng chất vi lượng. Carbon (C), hydro (H2), oxygen (O2), nitrogen (N2), lân (P), kali (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), và lưu huỳnh (S) là dưỡng chất đa lượng. Dưỡng chất 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 những chất có lợi cho một vài cây trồng nhưng nó không được xem như nguyên tố cần thiết cho hầu hết thực vật bậc cao (Mengel và Kirkby, 1982).

Sự phân loại dưỡng chất đa lượng và vi lượng chỉ đơn thuần dựa vào nhu cầu số lượng mà cây cần. Tất cả dưỡng chất quan trọng như nhau về mặt sinh trưởng. Nếu thiếu bất kỳ dưỡng chất nào thì ảnh hưởng bất lợi đến sinh trưởng cây. Phân tích đất và cây là cách thông thường để xác định thiếu dinh dưỡng trong sản xuất. Tuy nhiên, tiêu chuẩn tốt nhất cho chẩn đoán thiếu dinh dưỡng ở cây hàng niên là qua đánh giá phản ứng cây đối với dinh dưỡng áp dụng. Nếu cây phản ứng lại với dinh dưỡng cung cấp cho đất, nghĩa là dinh dưỡng thiếu cho cây. Năng suất tương đối giảm trong điều kiện không có dinh dưỡng so với đất chứa nhiều dinh dưỡng và có thể đưa ra khái niệm quan trọng thiếu dinh dưỡng.

Thí nghiệm tại Oxiol do Trung Tâm Nghiên Cứu Lúa-Đậu Quốc gia ở EMBRAPA, Goiania, Brazil đánh giá năng suất 5 loại cây trồng hàng niên giảm mà không sử dụng trong số 12 dưỡng chất cần thiết cho cây. Năng suất giảm khác nhau trong số loại cây trồng và dinh dưỡng khoáng. Phosphorus và calcium là hai dưỡng chất giới hạn năng suất nhiều nhất trong số 5 giống cây trồng ngoại trừ cây lúa rẫy không mẫn cảm thiếu Ca. Trong số dưỡng chất vi lượng, boron là dưỡng chất giới hạn năng suất nhiều nhất thường thấy ở đậu, kế đó là Zn. Molybpdenum và kẽm là dưỡng chất giới hạn năng suất nhất ở giống lúa rẫy; đối với Zn, Cu, và Mn ở đậu nành; 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 dựa trên năng suất chất khô theo thứ tự: lúa rẫy > đậu thường > đậu nành > bắp > lúa mì. Giống mẫn cảm thiếu Ca gồm: đậu thường > lúa mì > bắp > đậu nành > lúa rẫy. Điều này cho thấy, lúa rẫy hầu như chịu được đất chua, và giống đậu thường chịu đựng kém nhất trong các giống thử nghiệm.

Nhu cầu dưỡng chất đa lượng ở nồng độ từ 1.000 µg/g trọng lượng khô hoặc cao hơn, trái lại dưỡng chất vi lượng ở nồng độ khoảng 100 µg/g trọng lượng hoặc nhỏ hơn (Oertli, 1979). Cây có nhu cầu thấp dưỡng chất vi lượng được giải thích là do các dưỡng chất nầy bị kết tủa trong các phản ứng enzyme và thành phần của kích
thích tố sinh trưởng, khác hơn là thành phần sản phẩm chủ yếu của cây như mô cấu trúc và chất nguyên sinh tế bào (Stevenson, 1986). Dưỡng chất đa lượng đóng vai trò cấu trúc, trong khi đó dưỡng chất vi lượng chủ yếu tham gia vào quá trình enzyme (Bảng 1.2).

Theo tài liệu, thuật ngữ dưỡng chất khoáng thì thông dụng và đôi khi được xem là dinh dưỡng cây trồng. Thuật ngữ này hơi nhầm lẫn với khoáng, hoặc dinh dưỡng cây trồng, thì không phải là khoáng. Hầu hết nguyên tố khoáng cần thiết được kết hợp với các nguyên tố khác ở dạng khoáng chất, mà cuối cùng phá vỡ thành nhiều phần cấu tạo nên nó. Dưỡng chất khoáng gồm tất cả dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng ngoại trừ carbon, hydro, và oxy có nguồn gốc CO₂ và H₂O, và nitrogen có nguồn gốc khí N₂ (Bennett, 1993).

Các dưỡng chất khoáng cây trồng cần 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 dinh dưỡng cây trồng dựa trên hoạt tính sinh hoá và chức năng sinh lý của chúng có lẽ thích hợp hơn. Cơ sở phân loại dựa trên sinh lý, dinh dưỡng được phân chia thành 4 nhóm sau:

• Nhóm 1: C, H, O, N, và S. Những dinh dưỡng nầy chủ yếu là thành phần cấu tạo chất hữu cơ, có liên quan trong 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 các nhóm có nguồn gốc alcohol trong cây trồng.
• Nhóm 3: K, Ca, Mg, Mn, và Cl. Nhóm này đóng vai trò thẩm thấu và cân bằng ion, có những 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 khả năng chuyển vận điện tử bằng cách thay đổi hóa trị.

Một vài nguyên tố nầy được biết từ thời cổ, nhưng tính cần thiết của chúng chỉ được công bố trong thế kỷ qua (Tamhance et al., 1966; Marschner, 1995). Việc khám phá dưỡng chất cần thiết, công thức hoá học, và dạng cây trồng hấp thu được trình bày ở Bảng 1.3.

Tóm lại, cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cần thiết là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đạt được năng suất cây trồng cao. Mười sáu chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng cây trồng, các dinh dưỡng cần 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 cấp từ CO₂ trong không khí và H₂O; Chlorine được cung cấp từ khí quyển. Các dinh dưỡng còn lại (12 dinh dưỡng) cần phải được cung cấp đầy đủ để đạt năng xuất cây trồng cao. Nhu cầu dưỡng chất khoáng của cây trồng sẽ được thảo luận chi tiết ở những chương sau.

Bảng 2 Chức năng của các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây (Oertli, 1979; Ting, 1982; và Stevenson 1986).

Bảng 3 Những dưỡng chất cần thiết cho cây sinh trưởng, dạng hấp thu chủ yếu và sự khám phá.

Hơn 2.000 năm qua trong lãnh vực nông nghiệp, con người đã biết sử dụng dưỡng chất khoáng để cải thiện sự sinh trưởng cây trồng. Vào cuối thế kỹ XIX, đặc biệt ở các nước Châu Âu, một lượng lớn phân kali, supperphosphate và nhiều dạng phân đạm vô cơ đã được sử dụng trong nông nghiệp nhằm gia tăng năng suất của cây. Kết quả nhiều thí nghiệm cho thấy cây trồng hấp thu có chọn lọc dưỡng chất khoáng cần thiết để phát triển, tuy nhiên bên cạnh đó một số dưỡng khoáng không cần thiết cho cây cũng được cây hấp thụ và thậm chí gây độc cho cây. Để biết được nhu cầu dinh dưỡng khoáng và để hiểu rõ vai trò biến dưỡng trong cây, cần phải thực hiện nhiều thí nghiệm trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng, hoặc trong môi trường có chứa dưỡng chất được kiểm soát.

Một nguyên tố khoáng được định nghĩa là dưỡng chất khoáng cần 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 gia của nguyên tố khoáng đó.

- Chức năng 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 gia trực tiếp vào quá trình biến dưỡng của cây. Thí dụ: tham gia vào thành phần cấu trúc của enzyme, hoặc tham gia trong quá trình biến dưỡng, đặc biệt trong phản ứng enzyme.

Theo định nghĩa trên cho thấy, những nguyên tố khoáng nào được hấp thu chỉ nhằm làm giảm ảnh hưởng gây độc của nguyên tố khoáng khác, hay có một vài chức năng ít chuyên biệt không cần thiết, thì có thể coi như là nguyên tố khoáng có lợi (benificial eliment). Thí dụ: như chức năng duy trì áp suất thẩm thấu. Những dưỡng chất khoáng và nguyên tố có lợi ở thực vật thượng đẳng và hạ đẳng được trình bày ở Bảng 2.1.

Bảng 4 Những dưỡng chất khoáng chủ yếu và chất có lợi của thực vật thượng đẳng và hạ đẳng

Dưỡng chất khoáng vi lượng được định nghĩa là cây trồng cần một lượng nhỏ; dưỡng chất khoáng vi lượng phần lớn có trong thành phần cấu tạo của các phân tử enzyme. Trái lại, dưỡng chất khoáng đa lượng thì cây trồng cần với lượng lớn, nó là thành phần cấu tạo các hợp chất hữu cơ chẳng hạn như protein, acid nhân. Sự khác nhau về hàm lượng trung bình của các dưỡng chất khoáng được phân tích ở chồi sinh trưởng bình thường (chồi đủ dinh dưỡng) được trình bày ở Bảng 2, hàm lượng nầy thay đổi tùy thuộc vào loại cây trồng, tuổi cây và nồng độ của các dưỡng chất khoáng khác.

Bảng 5 Hàm lượng trung bình của dưỡng chất khoáng có trong chồi sinh trưởng 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 to current concepts. Jones and Barlett Publishers, Boston.

Marschner, H. (1983). General introduction to 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 to 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.