Bài 4: SILIC VÀ VAI TRÒ DINH DƯỚNG VỚI CÂY TRỒNG – Phân Bón Miền Nam – Nâng tầm Nông sản Việt

VAI TRÒ CỦA SILIC ĐỐI VỚI CÂY TRỒNG

1. Si TRONG ĐẤT

. Si tổng số

Trong vỏ quá đất, Si là nguyên tố phổ biến thứ 2 sau oxy, chiếm 25% khối lượng quả đất. Lượng SiO2 trong đất cát ít bị phong hóa có thể đến 90% nhưng trong những đất nhiệt đới bị phong hóa mạnh chỉ khoảng 20%. Nhìn chung lượng SiO2 chiếm khoảng 60 -90% trong đất. Si là thành phần chính cấu tạo nên đá và khoáng vật.

Nếu môi trường có phản acid chiếm ưu thế thì Si chuyển thành những axit silic tự do, dễ bị rửa trôi và di chuyển xuống dưới sâu. Vì vậy mà vỏ phong hóa nhiệt đới ẩm và đất nhiệt đới hình thành trên vỏ phong hóa này nghèo keo Si.

. Si hòa tan

Khả năng hòa tan của Si trong nước không phụ thuộc vào pH trong khoảng 2-9. So sánh giữa những đất bình thường, nồng độ Si trong dung dịch dao động nhiều từ 3-37ppm. Ở Nhật Bản và Hàn Quốc, nồng độ Si (chiết bằng NaOAc)> 130ppm được đánh giá là thích hợp đối với sự sinh trưởng của cây lúa; ở Đài Loan nồng độ Si thích hợp cho lúa là >90ppm. Nồng độ Si trong dung dịch đất < 0,9 – 2ppm cho thấy không đủ cho sự dinh dưỡng thỏa đáng của cây mía (Samuel và cộng sự, 1993). 1

Viện Ứng dụng Công nghệ, Chi nhánh Tp Hồ Chí Minh Nồng độ của H4SiO4 trong dung dịch phần lớn bị chi phối bởi phản ứng hấp phụ phụ thuộc vào pH trên bề mặt các secquioxit. Si bị hấp phụ trên bề mặt của oxit Fe và Al; sự hấp phụ giảm nhiều nhất ở pH 9,5. Tỷ lệ giữa lượng Si dễ chiết so với lượng secquioxit tự do hoặc dễ chiết dùng để ước lượng Si dễ tiêu trong đất. Tỷ lệ Si/Al hoặc Si/Fe càng lớn thì sự thu hút được Si bởi cây trồng càng nhiều. Khả năng hấp phụ của oxit Al giảm đáng kể khi sự kết tủa gia tăng. Trong đất chua nồng độ Si trong dung dịch đất có xu hướng cao hơn so với đất kiềm; việc bón vôi cho thấy làm giảm sự thu hút Si của một số cây trồng.

. Các yếu tố chính ảnh hưởng khả năng hữu dụng của Si

Ngưỡng tiêu chuẩn dùng đánh giá sự thiếu hụt Si trong đất là 40mg Si/kg (chiết bằng NaOAc 1M, pH 4). Một số yếu tố chính – thuộc tính chất đất và chế độ canh tác – có ảnh hưởng đối với khả năng hữu dụng của Si bao gồm: mức độ phong hóa, điều kiện ngập nước và chế độ bón phân.

– Ảnh hưởng của mức độ phong hóa: Mức độ hữu dụng của Si phụ thuộc nhiều vào tốc độ phong hóa phóng thích Si từ khoáng vật vào dung dịch đất. Trong khoáng vật bền với sự phong hóa như thạch anh, Si hoàn toàn không dễ tiêu cho cây. Sự mất mát Si trong đất phong háo mạnh mẽ sẽ làm giảm nồng độ Si hào tan và lượng Si cây hút. Sự tích lũy hàm lượng oxit sắt, nhôm tương đối và tuyệt đối làm giảm hàm lượng Si dễ tiêu cho cây.

– Chế độ bón phân: Bón vôi có thể làm giảm sự thu hút Si của một số loại cây như lúa, cao lương và mía.

– Điều kiện ngập nước: Trong quá trình ngập nước hàm lượng Si dễ tiêu tăng, đặc biệt trong đất chứa nhiều chất hữu cơ. Sự thu hút Si dễ dàng hơn khi hàm lượng nước trong đất cao, đặc biệt đối với lúa. Nồng độ Si hòa tan tăng theo thời gian ngập nước do nồng độ dạng thủy phân H2SiO4 gia tăng. Khả năng dễ tiêu của Si tăng lên thường đi cùng với sự gia tăng hàm lượng của các hydroxide Fe, Mn khử vô định hình trong đất ngập nước.

2. Si TRONG CÂY

2.1. Hàm lượng và Si trong cây

Hàm lượng Si trong cây phụ thuộc vào tuổi cây. Cây trưởng thành và lá già có hàm lượng Si cao hơn cây còn nhỏ và lá non. Cây trồng có thể được xếp vào nhóm cây tích lũy Si hoặc không tích lũy Si.

– Nhóm cây tích lũy Si: Bao gồm những loại sống ở đất ngập nước như cây lúa, các loại thuộc họ hòa thảo, chứa 10-15% SiO2 trong chất khô. Nhóm này cũng bao gồm những loại cây trồng cạn nhưng: ngủ cốc, mía và một số cây song tử diệp với hàm lượng Si trong cây thấp hơn (1-3% SiO2 trong chất khô).

Những loài cây có thể thích nghi cao ở đất liền cho đến biển như cỏ, tảo và họ hòa thảo đều là cây thuộc nhóm tích lũy Si. Tro của một số cây đơn tử diệp có thể chứa đến 90% SiO2.

– Nhóm cây không tích lũy Si: Gồm hầu hết các loại cây song tử diệp như cây họ đậu với ít hơn 0,5% SiO2 trong chất khô. Dạng silica vô định hình hiện diện trong cây là dạng silica gel (tức là một dạng của silica vô định hình được hydrate hóa, SiO2.n H2O, hoặc axit silica dược trùng hợp). Silica gel là dạng phổ biến nhất của Si trong cây, chiếm 90 – 95% Si tổng số trong cây. Ngoài ra: Si cũng hiện diện ở những dạng khác, Si trong nhựa cây ở dạng axit silic H4SiO4. Silic có thể được kết hợp với các thành phần của vách tế bào dạng silica hoặc có thể trong pectin. Phân tử của axit silic sẵn sàng kết hợp với nhiều chất (cả cá phân tử đơn giản như methemoglobin, albumin, collagen, gelatin, insulin, pepsin và lamirarin). Một phần silica trong cây được liên kết chặt trong cấu trúc của cellulose và chỉ có thể tách rời được sau khi cellulose bị phân hủy.

2.2. Cơ chế hút Si của cây

Trong dung dịch pH < 9, trong dung dịch đất và nước tự nhiên Si tồn tại ở dạng H4SiO4 (Mengel và Kirkby, 1987; Samuel và công sự, 1993), và đây là dạng Si cây hút. Sự thu hút Si của cây được giải thích theo hai cơ chế:

• Thu hút một cách thụ động bằng quá trình thoát hơi nước của cây;
• Thu hút có chọn lọc do sự chi phối của quá trình trao đổi chất.

Các nghiên cứu từ rất lâu cho rằng: Si được thu hút vào cây một cách thụ động, ít nhất là đối với các giống lúa trong nghiên cứu, do lượng Si cây hút thực tế rất thống nhất với số liệu Si được hút vào rễ tính toán từ nồng độ Si trong dung dịch đất và hệ số thoát hơi nước của cây. Axit silic cũng có thể được phân bố trong cây theo dòng chảy do sự thoát hơi nước của cây. Axit silic được cung cấp liên tục bởi sự hấp thụ qua rễ và sự tích lũy silica liên tục trong các bộ phận trên không, đặc biệt trong biểu bì, khi nước thoát ra bởi sự bốc hơi. Tuy nhiên, các tác giả cũng lưu ý rằng những loại cây có tỷ lệ silica trong chồi tương đối thấp phải có cơ chế để đẩy nó ra khỏi bề mặt rễ. Sự thu hút Si thụ động do dòng chảy khối lượng được tính toán từ hệ số thoát hơi nước và nồng độ Si trong dung dịch.

Mức độ ảnh hưởng của Silic đối với sinh trưởng của lúa

• Bảng 1. Lượng Si thực tế cây hút và lượng Si vào rễ theo dòng chảy khối lượng của cây lúa, lúa mì và đậu nành trồng trong dung dịch dinh dưỡng với 3 mức nồng độ Si

Cây trồng
Nồng độ Si trong dung dịch dinh dưỡng
Hệ số thoát hơi nước
Si cây hút thực tế
Si cung cấp theo dòng chảy

Lúa
mg Si/L
L H2O/kg chất khô
 G SiO2/kg chất khô
 

0,75
286
10,9
0,2

30
246
94,5
7,4

162
248
124,0
40,2

Lúa mì
0,75
295
1,2
0,22

30
295
18,4
8,9

162
267
41,0
43,3

 Đậu tương
0,75
197
0,2
0,15

 
30
197
1,7
5,9

 
162
197
4,0
31,9

Nguồn: Van Der Vorm, 1980.

Van der Vorm (1980 – trích dẫn bởi Mengel và Kirkby, 1987) cho rằng dù sự thu hút Si một cách thụ động hay được điều khiển bằng quá trình trao đổi chất dường như phụ thuộc vào loại cây và nồng độ của H4SiO4 ở bề mặt rễ. Số liệu trình bày trong bảng 1 cho thấy, đối với lúa, lượng Si cây hút thực tế cao hơn rất nhiều so với kết quả tính toán cho thấy có sự trao đổi chất tham gia vào quá trình thu hút Si của cây. Điều này càng rõ hơn trong trường hợp nồng độ Si trong dung dịch dinh dưỡng thấp. Hiện tượng tương tự xảy ra với lúa mì nhưng sự chênh lệch giữa số liệu cây hút thực tế so với số liệu tính toán út hơn trường hợp của cây lúa, ngoại trừ ở mức nồng độ cao nhất sự thu hút Si của cây dường như là thụ động. Đối với đậu nành, sự vận chuyển Si vào cây rõ ràng bị hạn chế, ngoại trừ trường hợp có nồng độ Si thấp nhất. Ở mức nồng độ Si trong dung dịch trung bình (30mg Si/L) có thể kết luận trong điều kiện đồng ruộng sự thu hút Si của cây lúa có tính chọn lọc cao, tương tự đối với lúa mì nhưng mức độ kém hơn nhiều và sự thu hút Si của đậu nành bị giới hạn. Do sự thu hút Si của cây lúa có tính chọn lọc nên nồng độ Si trong nhựa cây có thể cao hơn hàng trăm lần so với dung dịch bên ngoài.

Cây hút những lượng và tỷ lệ Si khác nhau tùy thuộc vào dạng và nồng độ của acid silicic hòa tan trong dung dịch canh tác. Ví dụ, cùng tỷ lệ của silica, lúa hút lơn hơn đậu từ 10-20 lần. Những cây trong cùng họ cũng thu hút Si với tỷ lệ khác nhau. Hàm lượng Si trong cây (tính trên % chất khô) tăng tỷ lệ với acid silicic hòa tan trong dung dịch đất, như thấy ở cây lúa, hướng dương và yến mạch.

2.3. Sự vận chuyển và phân bố Si trong cây

Cho dù silica gel được đông đặc hay tích tụ lại trong bộ phận nào đó của cây đều trở nên không linh động, vì vậy không thể là nguồn cung cấp Si cho các bộ phận khác trong cây nếu có sự thiếu hụt Si xảy ra trong các giai đoạn sau đó. Tương tự đối với Silica gel trong tảo, nó vẫn giữ nguyên trong các tế bào sống và chỉ bắt đầu phân hủy khi tế bào chết đi. Sự phân bố Si trong cây tùy thuộc vào loại cây và bộ phận của cây. Trong một số cây, Si được phân bố đồng thời khá đồng nhất giữa chồi và rễ, trong khi những cây khác nó có thể tích lũy trong chồi nhiều hơn trong rễ. Thỉnh thoảng, có trường hợp hàm lượng Si trong rễ cao hơn ở chồi. Đối với cà chua, hành, củ cải và bắp cải Trung Quốc có hàm lượng Si khá thấp, lượng Si trong rễ tương đương hoặc cao hơn trong chồi. Khi lượng Si tổng số trong cây cao, Si dường như tập trung nhiều ở các bộ phận trên không (lá, bẹ lá, đốt thân), thể hiện rõ ở cây lúa, cây yến mạch. Hàm lượng silica trong rễ cây yến mạch ít hơn 2% lượng silica của toàn cây. Vách tế bào của lớp biểu bì, ống mạch và sợi chứa nhiều silica (dạng được hydrate hóa nhiều). Trong lá, Si có trong biểu bì, bó mạch cùng với bao của bó mạch và cương mô. Trong bẹ lá và thân, Si chủ yếu có trong biểu bì phía ngoài, bó mạch và dọc theo vách tế bào nhu mô. Ngược lại với lá, Si được tìm thấy ở tất cả các bộ phận của rễ. Sự liên kết giữa silica với cellulose trong các tế bào biểu bì lá như sau: trên lớp biểu bì là một lớp silica, kế đó ở bên ngoài là lớp cutin mỏng. Lớp kép này, lớp silica và lớp cutin, có ý nghĩa rất lớn trong việc hạn chế sự thoát hơi nước không cần thiết qua lớp biểu bì, cũng như tác dụng bảo vệ chống lại sự xâm nhập của nấm bệnh. Theo Mengel và Kirkby (1987), sự phân bố Si trong cây phụ thuộc vào mức độ thoát hơi nước của các bộ phận khác nhau của cây.

2.4. Vai trò của Si đối với đời sống của cây

Si có ảnh hưởng lên sự tổng hợp lignin. Vách tế bào của rễ cây lúa mì không có Si cho thấy tỷ lệ lignin bị sụt giảm trong khi đó tỷ lệ các phenolic gia tăng (Jones và công sự, 1978). Si đóng vai trò như chất dinh dưỡng có tác dụng tăng cường sự sinh trưởng, cải thiện năng suất cây trồng và chất lượng nông sản. Tùy trường hợp, Si có thể được đánh giá là có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự sinh trưởng và năng suất cây trồng, hoặc không ảnh hưởng.(còn nữa)

 Sưu tầm và biên tập Ks Lê Minh Giang/Ms.Linh; Mr.Quang