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

TS.Nguyễn Đăng Nghĩa

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

Viện Nông hóa Thổ nhưỡng

1. Vai trò của silic (Si) đối với cây trồng.

Silic có nhiều loại, nhiều nguồn khác nhau. Thông thường trong đất có hàm lượng Silic là thành phần chính từ 50-60% tùy loại đất. Hạt cát và một số loại đá cũng có Silic (đặc biệt cát có hàm lượng Silic rất cao 80-90%), nhưng quan trọng nhất là Silic đó ở dạng hòa tan được hay không, cây trồng có sử dụng được hay không. Silic trong cát và đá đa phần không thể hòa tan do vậy cây trồng không hấp thụ được. Silic, nguyên tố nhiều đứng thứ 2 trên trái đất, dạng ưu thế của nó là acid mono silic Si(OH)₄. Acid silic được tìm thấy trong dung dịch đất chứa khoảng từ 3,5 - 4,0 mg/l (từ 3,5 - 4,0 ppm).  Trong các loại khoáng chứa Si thì khoáng Clinoptiolite có chứa hàm lượng SiO₂ cao hơn rất nhiều so với các loại khoáng khác và đặc biệt là có tỷ lệ SiO₂ hữu hiệu cao (có thể hòa tan được) đạt đến 65-70%, vì vậy SiO₂ được cây trồng hấp thu được ngay khi bón vào trong đất. Khoáng Clinoptiolite được hình thành từ nham thạch núi lửa (đặc biệt 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 công dụng trong ngành công nghiệp như: dầu mỏ, sản xuất giấy, gốm sứ,... Kaolinite và Diatomite không có khả năng trao đổi Ion giống như khoáng Clinoptiolite, do đó không thể hấp thu được Amonia (NH₄⁺).

Trong nhiều trường hợp, lượng Si khá 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 thu anion (-) là ưu 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 giúp cho thành tế bào cứng cáp hơn. Điều đó cho thấy Si thì có ích cho rất nhiều loài thực vật bậc cao. Các thực vật bậc cao khác nhau ở khả năng hấp thu Si. Các loài thực vật chứa  hàm lượng Si cao bao gồm họ Gramineae (cỏ) ở đất khô và đất ướt, hầu hết ở dạng hai lá mầm, đặc biệt các cây họ đậu (legume). Rễ sau khi hấp thu Si sẽ được vận chuyển và tích tụ ở xylem (mạch gỗ) và thành tế bào xylem, và giúp ngăn cản 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 rất hiệu quả chống lại sự xâm nhiễm vào trụ giữa của cây do tác nhân bệnh và thực vật ký sinh. Ở chồi và lá, sự phân phối Si phụ thuộc vào tỉ lệ thoát hơi nước của cây và được tích tụ sau khi thoát hơi nước ở giai đoạn 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 thành những rào cản có hiệu quả chống lại sự mất nước do thoát hơi nước qua lớp cutin và sự xâm nhiễm của nấm.

Si là một nguyên tố khá linh động, nó có khả năng thay đổi cấu trúc khi gặp điều kiện thời tiết khắc nghiệt và nhờ khả năng này nó có thể kiểm soát và điều hòa nhiệt độ và các thay đổi  bất thường khác bởi sự thay đổi cấu trúc của nó ở thành tế bào, khi các tương tác với acid silic (hình thành liên kết este) sẽ dẫn đến tích tụ một lượng lớn Silic vào cấu trúc thành tế bào trưởng thành. Si tăng cường hệ thống miễn dịch cho cây, giúp cây tăng trưởng nhanh, khỏe mạnh. Tăng cường sức đề kháng cho cây chống lại các loại côn trùng và vi sinh vật gây hại như: sâu, rầy, nấm và vi khuẩn. Tăng năng suất cây trồng, đặc biệt cây lúa rất cần silic hơn các loại chất dinh dưỡng cơ bản khác như N P K. Chất silic sẽ giúp thân lúa khỏe mạnh, cứng cáp, chịu ngập và chịu gió tốt. Có khả năng kháng lại một số loại vi sinh vật và côn trùng gây hại như: rầy và ốc bươu vàng. Silic (S) có 4 ưu điểm khi sử dụng có thể tóm tắt như sau:

- Silic giúp tăng cường độ cứng cho thân cây, ngăn ngừa sâu bệnh và côn trùng gây hại.

- Giúp bảo vệ đất do sử dụng các hóa chất. Tăng cường độ màu mỡ cho đất và có khả năng giữ nước tốt. Giúp cân bằng và nâng cao lượng khoáng chất trong đất để cây trồng hấp thụ.

- Phân chứa silic giúp cho các loại cây trồng và hoa màu không bị thoái hóa giống. Giúp tăng năng suất cây trồng, rau quả có vị thơm ngon. Đặc biệt đối với cây lúa và ngô sử dụng phân có silic sẽ cho năng suất cao.

- Về lĩnh vực môi trường sinh thái, ngành công nghiệp sạch cần sử dụng axit silic để phân hủy các tạp chất trong quá trình sản xuất.

Tác dụng của Si đối với một số 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 thụ 250 kg Silic. Trong quá trình trồng lúa chúng ta cần thiết phải bổ sung Silic, Silic rất quan trọng đối với cây lúa vì nó là nguyên tố dinh dưỡng trung lượng để hình thành các tế bào trên cây và vỏ của hạt lúa, đồng thời tham gia quá trình vận chuyển dinh dưỡng trong cây và giải phóng P, K trong đất giúp tăng khả năng sử dụng P, K. Vì các lý do trên khi bổ sung đầy đủ Silic, cây lúa sẽ đứng thẳng, giúp tăng khả năng quang hợp, cây lúa cứng, các tế bào có thành dày sẽ ngăn cản sự xâm nhập từ nấm hoặc sâu bệnh. Trong giai đoạn sinh sản (preproductive), Si được ưu tiên chuyển vào lá đòng và 2 lá công năng. Do đó, sự gián đoạn Si ở giai đoạn này thì sẽ rất bất lợi cho khả năng tạo số lượng hoa (spikelet fertility). Đây chính là yếu tố làm tăng số hạt trên bông. Đối với cây lúa yêu cầu dinh dưỡng ngoại trừ N, P, K còn có yêu cầu Silic rất cao (cao hơn hẳn Ca, Mg và S).

+ Cây Mía: Yêu cầu  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 giảm đi ½. Triệu chứng thiếu Si trên lá mía được biểu hiện rõ như lá bị cháy nắng (leaf freckling).

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

+ Các loài cây 2 lá mầm: Si làm tăng hiệu lực sinh lý của kẽm (Zn), chống lại sự thiếu kẽm-cảm ứng hình thành độc tố do phospho. Nếu Si hữu hiệu thấp (Si hòa tan thấp) sẽ làm giảm  sự kết hợp Phosphat vô cơ vào ATP và ADP. Si thấp là nguyên nhân sụt giảm hàm lượng lignin của thành tế bào, gây nên sự giảm hợp chất phenol. Si ảnh hưởng đến hàm lượng và sự biến dưỡng polyphenol và tương tác với các thành phần khác của thành tế bào qua liên kết pectin và polyphenol. Polyphenol là thành phần của con dường phòng thủ đầu tiên của cây chống lại sự xâm nhiễm nấm.

+ Cây bông vải (Cotton): đòi hỏi hàm lượng Si khá cao (0,5 % trọng lượng lá khô) trong giai đoạn sớm của sự kéo dài sợi cotton, sau đó giảm trong quá trình tích tụ cellulose.

Si với vai trò nâng cao khả năng ngăn cản sự tấn công của sâu bệnh hại:

Sự nảy mầm của bào tử ở bề mặt lá và rễ  bị kích thích bởi sự có mặt của dịch tiết thực vật. Dòng dịch tiết đóng góp vào sự thành công hay thất bại của sự xâm nhiễm ở hầu hết các bệnh do nấm từ tác nhân gây bệnh trong không khí và trong đất. Tỷ lệ, dòng chảy và vị trí của dịch tiết phụ thuộc vào nồng độ tế bào chất và gradient khuếch tán phù 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 Ca hay B (đây là nguyên nhân tăng tính thấm của màng) và thiếu K (làm suy yếu tổng hợp polyme).

Hầu hết nấm ký sinh và vi khuẩn xâm nhập theo con đường apoplasm (lớp tế bào biểu bì bề mặt lá) bằng cách giải phóng enzym pectolytic làm phân hủy phiến giữa. Hoạt động của những enzym này rất 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 các cơ chế này.

Các hợp chất phenol đóng vai trò chìa khóa trong giai đoạn sớm của sự xâm nhiễm và sinh tổng hợp lignin. Các hợp chất phenol có ảnh hưởng làm cố định nấm và tích lũy ở vị trí nhiễm. Vài nguyên tố vi lượng (B và Cu) có ảnh hưởng sâu sắc lên sự sinh tổng hợp hợp chất phenol. Khi mô trưởng thành (riêng đối với lá), sự hình thành lignin và tích tụ Si ở lớp tế bào biểu bì hình thành rào cản vật lý hiệu quả đối với sự xâm nhập của sợi nấm. Đây chính là vai trò đa chức năng của Si.

Sự hình thành rào cản vật lý ở tế bào biểu bì chống lại sự xâm nhập của sợi nấm hay côn trùng như rệp (aphid) thì không chỉ có cơ chế do Si đóng góp vào tính kháng ở thực vật. Còn nhiều thành phần linh động nữa, sự tái đóng góp của Si liên quan đến xung quanh vị trí nhiễm. Ví dụ: Si tích lũy tại các vị trí xâm nhiễm của sợi nấm powdery mildew trong 20 giờ và sự tích tụ này ở xung 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 xâm nhập bệnh yêu cầu tiếp tục cung cấp 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. Điều 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 xâm nhập của sợi nấm. sự tích tụ nhanh chóng của phenol hay lignin và sự có mặt Si hình thành cơ chế kháng cự chung. Ảnh hưởng kháng cự sâu sắc này của Si trên bệnh do nấm  thì không hạn chế đối với các loài graminaceous nhưng cũng cũng là tư liệu tốt cho dưa chuột và nho và minh họa việc kiểm soát côn trùng có thể đạt được ở hầu hết thực vật bậc cao cùng với sử dụng phân bón và dinh dưỡng khoáng thích hợp.

Các ảnh hưởng tốt của việc sử dụng Si hòa tan [Si(OH)₄] trên Gramineae và cây hai lá mầm bao gồm hầu hết các cây trồng có giá trị trong nông nghiệp là tài liệu tốt và không thể không chú ý. Việc cung cấp phân bón qua lá hay sử dụng phân có chứa Si dưới dạng dễ hòa tan sẽ có ảnh hưởng bảo vệ và chống lại sự tấn công gây bệnh của nấm và vi khuẩn trên thực vật.

Ngoài ra, một số kết quả nghiên cứu về phân bón có chứa Silic đã cho thấy:

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

2. Một số giải pháp sản xuất phân bón chứa Si hữu hiệu

- Tại Việt Nam hiện đang có rất nhiều vật liệu chứa silic như: quặng Secpentine; khoáng sét Montmorilloit, Kaolinite, Thạch Anh. Nhưng hàm lượng Si hòa tan hay hữu hiệu rất nhỏ. Do vậy, cần phải có những công nghệ tác động nhằm nâng cao hàm lượng Si hữu hiệu trước khi sử dụng như một loại nguyên liệu chế biến làm phân bón.

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

- Cấn có những nghiên cứu thêm về hiệu quả của Secpentine để khai thác tối đa hàm lượng và hiệu lực nông học của MgO và SiO2.

- Sử dụng Si hòa tan trong thành phần các loại phân bón lá sẽ tận dụng tối đa vai trò đa năng của nguyên tố Si, góp phần giảm thiểu sử dụng thuốc BVTV.

- Sử dụng nguyên 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 vật liệu tốt.