Giáo trình Sinh thái học đồng ruộng (Phần 2) - Trần Đức Viên

Nội dung text: Giáo trình Sinh thái học đồng ruộng (Phần 2) - Trần Đức Viên

1. Chương III SỰ VẬN ĐỘNG CỦA HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG Nội dung Trồng trọt bắt đầu từ việc trừ cỏ trên đồng ruộng, thúc đẩy vô cơ hoá các chất hữu cơ trong đất. Như thế có nghĩa là đồng ruộng luôn luôn giữ giai đoạn ban đầu của hàng loạt diễn biến thiên nhiên, đồng thời, chất hữu cơ mà thảm thực vật thiên nhiên tích luỹ hàng chục năm, hàng trăm năm đang trong quá trình bị tiêu hao. Chương này sẽ bàn về đặc trưng của diễn biến đồng ruộng, những thay đổi hình thức sản xuất để duy trì khả năng sản xuất của đồng ruộng và quan hệ giữa năng suất cây trồng với vùng thích ứng sinh thái. Các nội dung sau đây sẽ được đề cập trong chương này: 1. Diễn biến của đồng ruộng. 2. Sự biến đổi hình thức sản xuất nông nghiệp và ý nghĩa sinh thái của nó. 3. Trồng cây thích hợp với vùng đất trồng. a. Nghiên cứu ngô nếp lai b. Nghiên cứu cải tiến c. Sinh viên làm thí nghiệm vụ thu đông 2004 giống đậu tương trong nhà lưới Ảnh 1.3. Một số nghiên cứu về cải tiến giống cây trồng của khoa Nông học, trường Đại học Nông nghiệp I (Nguồn: Mục tiêu Sau khi học xong chương này, sinh viên cần: 1. Hiểu được sự diễn biến trên đồng ruộng về dinh dưỡng đất, thành phần cây trồng và cỏ dại. 2. Nắm được sự thích ứng của cây trồng với vùng đất trồng. 3. Nắm được một số phương pháp điều khiển dinh dưỡng, thành phần cây trồng và cỏ dại ở trên đồng ruộng. 85
2. 1. Diễn biến của đồng ruộng 1.1. Sự biến đổi đạm tổng số của đất đồng ruộng và sự cân bằng vi sinh vật Cùng với những diễn thế sinh thái của thảm thực vật tự nhiên, lượng đạm tổng số trong đất dần dần tăng lên. Người ta thấy rằng, đất trở nên màu mỡ rõ rệt khi diễn thế thảm thực vật tự nhiên trên những chất phun ra từ núi lửa, từ đất trồng đến quần thể thực vật ổn định nhất (climax), rừng lá rộng thường xanh. Trong quần thể rừng ổn định nhất có thể tích luỹ đạm nhiều đến 1 kg/m2. Do khai khẩn rừng và đồng cỏ làm cho trạng thái cân bằng giữa thảm thực vật thiên nhiên và đất bị phá vỡ, diễn biến của đất theo chiều ngược lại, dẫn đến phân giải và tiêu hao chất hữu cơ, trong điều kiện tác động của con người sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới. Hình 1.3 cho thấy sự biến đổi hàm lượng đạm trong đất của những đồng cỏ khác nhau sau khi khai khẩn và qua canh tác như nhau. Lượng đạm tổng số trong đất giảm xuống rất nhanh từ khi bắt đầu canh tác đến năm thứ 10, sau đó có xu thế chậm dần và sau 40 năm thì đến trạng thái ổn định. Ðất ẩm thấp qua cải tạo biến thành đất cạn cũng 0,25 có xu thế biến đổi giống như vậy. Ðất lúa nước sau 0,20 khi thoát nước, lượng đạm tổng số, hiệu quả phân Hays giải chất hữu cơ ở đất cạn và tỷ lệ amôn hoá cũng 0,15 giảm dần từng năm, qua 7 - 10 năm sẽ gần bằng các 0,10 Colby trị số của đất cạn. Thời gian đầu ruộng nước cải tạo 0,03 Garden City thành đất cạn, nhiều chất hữu cơ dễ phân giải được 0 tích luỹ khi đất ướt sẽ phân giải thành các chất vô 10 20 30 40 50 cơ mà hiệu quả đạm đối với lúa hết sức rõ ràng Số năm canh tác (Harada, 1963). Từ đất hoang biến thành đồng ruộng, hay trong quá trình từ đất ướt biến thành đất Hình 1.3. Biến đổi N trong cạn, chất hữu cơ trong đất giảm đi là đặc trưng của đồng ruộng qua nhiều năm diễn biến đồng ruộng, nhưng trong điều kiện bón Ghi chú: Hays, Colby, Graden, City phân vẫn không thể nói nhất định sẽ dẫn đến giảm là địa danh của bang Kanzat ngay năng suất. Trong đất ướt có khá nhiều chất hữu cơ chưa mục nát, gặp độ nhiệt cao sẽ phân giải rất nhanh, vì sự khử oxi của đất thường thường gây nên mục rễ và tạo thành nhiều NH3- N, cây hút chất dinh dưỡng không cân đối và bị đổ. Sau khi cải tạo thành đất cạn, chất hữu cơ dễ phân giải giảm đi, tình trạng dao động năng suất do thời tiết thất thường cũng giảm tương ứng, và rồi năng suất ổn định. Nhưng sự giảm chất hữu cơ trong đất vượt quá một giới hạn nhất định, thường dẫn đến giảm năng suất, vì chất hữu cơ trong đất là nguồn cung cấp các loại chất dinh dưỡng vô cơ cần thiết cho cây trồng sinh trưởng; trong điều kiện thông thoáng khí, độ chua và lượng nước phù hợp thì hiệu quả phân đặc biệt rõ rệt. Mặt khác, thủy canh cũng thu được năng suất cao, nên có những sự nhìn nhận khác nhau về ý nghĩa của chất hữu cơ đất. Tập đoàn sinh vật đất gồm vô số vi khuẩn, sợi nấm và động vật nguyên sinh. Nguồn dinh dưỡng và năng lượng của những vi sinh vật này là chất hữu cơ của đất, do 86
3. đó chất lượng của chất hữu cơ trong đất đủ để làm thay đổi vi sinh vật. Sự giảm nhanh chất hữu cơ do diễn biến đồng ruộng và việc bù đắp lại bằng cách sử dụng quá nhiều phân hoá học đều có thể phá vỡ những loại cân bằng nào đó giữa những vi sinh vật, khiến cho sâu, bệnh lây lan trong đất có xu thế tăng lên. Trong đất có rất nhiều tuyến trùng và nấm bệnh lan truyền, nhưng cũng có nhiều loài vi sinh vật chống lại chúng. Những loài trực tiếp ký sinh trong nấm gây bệnh và diệt chết chúng, đã biết được có: Coniothyrium minitan đối với Slerotinia, Trichoderma lignorum, Papulospora; Penicillium vetmiculatum đối với Rhizôctnia solani; Trichoderma đối với Armillaria mellea, một loại nấm dạng tuyến đối với tuyến trùng Khi trồng một loại cây liên tục thì năng suất giảm rõ rệt, một trong những nguyên nhân chính là sự phá hại của tuyến trùng và nấm bệnh lan truyền trong đất. Thí dụ, khi trồng lúa cạn liên tục có một loài tuyến trùng phá hoại, qua luân canh có thể tránh được sự phá hại đó. Nhưng cũng có nơi có thể trồng liên tục một loại cây. Ðất của vùng quen trồng liên tục tường có tầng dày, hơn nữa phần nhiều có hàm lượng nước khá cao; chất hữu cơ đất, kể cả phân chuồng bón vào đã có tác dụng tránh hoặc làm giảm nhẹ tác hại của việc trồng liên tục. Hiệu quả ở đây là có thể cung cấp dinh dưỡng vô cơ ổn định cho cây trồng, ngoài ra là tác dụng của sinh vật - phát triển những loài vi sinh vật và động vật nhỏ nào đó có tác dụng tiêu diệt hoặc hạn chế sự phát triển của tuyến trùng. Ngoài ra, bón phân hữu cơ còn có thể phòng trừ có hiệu quả đối với Rhizoctonia solani, phát triển được khuẩn Fumarium có thể làm tan chất vỏ cứng trên Fusarium oxisporum (nấm bệnh héo rũ vàng), do đó mà có tác dụng ức chế nấm bệnh. Các vấn đề nói trên đều là sự lợi dụng tác dụng kháng sinh và cạnh tranh lẫn nhau của vi sinh vật lấy chất hữu cơ làm môi giới. Từ đó cho thấy, ý nghĩa của chất hữu cơ của đất đồng ruộng không chỉ ở chỗ là nguồn dinh dưỡng trực tiếp của cây trồng, đứng về quan điểm cân bằng sinh vật, còn cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa. 1.2. Diễn biến của cây trồng Như trên đã nói, đạm tổng số của đất biến thiên theo thời gian - diễn biến của đất, cũng biểu hiện về mặt diễn biến cây trồng. Trong trường hợp này, diễn biến của cây trồng do sự lựa chọn của con người tạo nên. Diễn biến của cây trồng dẫn đến diễn biến đất. Trong quá trình biến đất hoang thành đất thuộc, tính chất lý hoá học của đất phát sinh biến đổi, từ đó dẫn đến diễn biến cây trồng. Ðất khai hoang thời gian đầu mới khai khẩn nhiều chất hữu cơ và được vô cơ hoá do hiệu ứng đất cạn, dễ dẫn đến đất thiếu ôxi, nên trước hết trồng lúa cạn, khoai sọ và mạch đen là những cây chịu được tình trạng thiếu oxi; đợi đất thuộc dần, sự phân giải chất hữu cơ giảm đi, mới trồng các cây cần tương đối nhiều oxi hơn như ngô, đại mạch, cỏ ba lá và khoai tây. Nếu thời gian đầu mới khai khẩn bón nhiều phân chuồng và phân lân, tiến hành cải tạo đất, thì sự biến đổi của cây trồng sẽ quyết định chủ yếu ở sự thay đổi qua các năm về vô cơ hoá chất hữu cơ đất. Bảng 1.3 là tình hình biến đổi năng suất cây trồng sau khi dùng nhiều phân lân và phân chuồng trên đất xám núi lửa trung tính. Thí dụ, năm đầu sau khi khai khẩn đất ở 87
4. thời kỳ đạm phân giải ra tương đối ít thì cây trồng thích ứng là khoai tây. Thời kỳ chất hữu cơ của đất vô cơ hoá dần dần tăng lên thì cây trồng thích hợp là đậu tương. Thời kỳ cung cấp chất dinh dưỡng tốt nhất thì trồng ngô vì cây này có tính chống đổ khoẻ. Bảng 1.3. Quan hệ giữa năng suất cây trồng (kg/a) và sự thuần thục của đất qua các năm Cây trồng Ðậu tương Khoai tây Ngô Năm 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Phân bón Phân tiêu chuẩn 17,1 26,7 25,1 27,0 82,5 63,3 70,3 86,0 56,6 50,1 58,1 69,0 Phân tiêu chuẩn 23,6 31,8 30,1 27,0 96,7 81,3 65,8 84,0 61,7 61,8 65,8 69,0 + Phân chuồng Phân lân 3 lần 26,9 29,4 28,5 28,0 106,1 85,5 75,1 86,0 56,7 58,0 67,7 70,0 Phân lân 3 lần 32,2 29,0 31,7 32,0 109,3 74,5 68,8 89,0 62,2 64,0 71,6 70,0 + Phân chuồng Tình trạng chất dinh dưỡng đất thay đổi rất lớn do lượng phân bón, dẫn đến thay đổi giống cây trồng tương ứng. Lượng phân bón, nhất là phân hoá học qua từng năm, đã tăng lên rõ rệt. Như lượng phân hoá học dùng ở Nhật Bản, phân đạm năm 1928 là 36,2 kg/ha, đến năm 1975 tăng lên tới 124,6 kg/ha. Hiện nay vẫn tiếp tục tăng lên. Tình hình này ở Việt Nam cũng tương tự. Thích ứng với lượng phân cao như vậy, một số giống chịu phân, chống đổ và chống bệnh khoẻ được tạo ra. Qua các thời kỳ, khuynh hướng chọn và bồi dục giống lúa nước là tỷ lệ thóc/rơm rạ và hệ số kinh tế cao (hình 2.3). Ðáng chú ý là trọng lượng thóc tăng lên qua các năm, còn trọng lượng rơm rạ thì hầu như không thay đổi. Phân liều cao đã làm tăng diện tích lá và cường độ quang hợp, do đó đã nâng cao năng suất chất khô, nhưng mặt khác cũng dễ lốp đổ. Ðể khắc phục mâu thuẫn sinh ra do phân liều cao, người ta đã tiến hành cải tiến giống, kết quả đã xuất hiện một số giống có tỷ lệ thóc/rơm rạ lớn, chống lốp và chống đổ tốt hơn. % Khối lượng riêng thóc % Khối lượng rơm rạ % Tỷ lệ thóc / rơm rạ 14 0 140 140 13 0 130 130 12 0 120 120 110 11 0 110 100 100 100 90 90 90 I II III IV V I II III IV V I II III IV V Thời kỳ Thời kỳ Thời kỳ Hình 2.3. Sự biến đổi tính chất giống cây trồng qua các thời kỳ 88
5. Ngoài ra, những chất tiết ra từ rễ cây trồng, chất phân giải của xác hữu cơ hoặc sâu bệnh lây lan trong đất cũng có thể gây ra diễn biến cây trồng. Ở đây sẽ nói thêm về tác dung tương hỗ hoá học (allelopathy). Tác dụng tương hỗ hoá học tức là những chất sinh ra trong quá trình trao đổi chất của thực vật này có ảnh hưởng tới sự nẩy mầm hay sinh trưởng phát triển của thực vật khác, quan hệ tương hỗ giữa thực vật với nhau như vậy gọi là Allelopathy. Ðó là một trong những nguyên nhân dẫn đến diễn biến cây trồng. Thí dụ điển hình là đại mạch. Overland (1966) đã trồng lẫn đại 100 S.media mạch và Stellaria media, phát hiện chất 80 Thuốc lá tiết ra từ bộ rễ đại mạch có tác dụng ức 60 chế rõ rệt đối với sự sinh trưởng của 40 Thuốc lá + Ðại mạch Stellaria media (hình 3.3). Tác dụng 20 S.media + Ðại mạch của chất này khác nhau đối với từng 0 loại cây. Như ức chế rõ rệt đối với 2 61014 18 Ngày Stellaria midia Stellaria media, ức chế rất nhẹ đối với Thuốc lá thuốc lá, hoàn toàn không ảnh hưởng Stellaria midia + Chất lấy được từ rễ đại mạch đối với lúa mì. Chất lấy được từ cây Thuốc lá + Chất lấy được từ rễ đại mạch sống và rễ sống có hiệu quả ức chế lớn hơn lấy từ cây chết. Hình 3.3. Ảnh hưởng của chất lấy được từ rễ Theo một số tài liệu, chất này là từ đại mạch đối với sự nẩy mầm của cây thuốc lá rễ hay thân bò chết của cỏ mào gà và Stellaria media (Overland, 1966) (Agropyrum repens) khi ở nồng độ cao, có thể ức chế nảy mầm của cải dầu và yến mạch, nhưng ở nồng độ thấp lại có tác dụng kích thích (Numada, 1971). Những thí dụ trên cho thấy, diễn biến thảm cây của đồng ruộng ngoài diễn biến của đất ra, còn có tác dụng sinh học của bản thân cây trồng. 1.3 Diễn biến của cỏ dại Ðể giữ đồng ruộng ở trạng thái ban đầu, hàng năm cần tiến hành cày đất, xới đất, làm cỏ để ngăn chặn diễn biến tự nhiên. ảnh hưởng của những hoạt động như vậy được phản ánh trên sự diễn biến cỏ dại trên đồng ruộng. Trên đất mới khai khẩn, thực vật dưới rừng như loại cây thân rễ, thân ngầm, cây dây leo, hoặc các loại cây cỏ lâu năm của đất hoang chiếm ưu thế. Ðất càng thuộc dần thì các loài cỏ hàng năm càng trở thành số nhiều. Trong chế độ luân canh ruộng nước - ruộng cạn, điều kiện trồng trọt mà lượng nước trong đất thay đổi có tính chu kỳ, diễn biến của cỏ dại rất rõ. Biến ruộng nước thành đất cạn, rồi sau một thời gian nhất định lại đổi thành ruộng nước, cách trồng trọt này khá phổ biến ở miền Bắc Việt Nam trong vụ đông. Ở Mỹ, Italia và Nhật Bản, vùng trồng rau và nuôi tương đối nhiều bò sữa cũng có phương thức luân canh này. 89
6. Bảng 2.3. Diễn biến cỏ dại trên ruộng nước luân canh Thời gian trồng lúa Thời gian trồng màu 1 năm 2 năm 3 năm 1 năm 2 năm 3 năm Xử lý Loài quay quay quay Loài cỏ quay quay quay cỏ dại lại lại lại dại lại lại lại (cây) (cây) (cây) (cây) (cây) (cây) Ruộng nước Ưa nước 1.166 1.571 2.237 Ưa cạn 83 239 471 liên tục Ưa ẩm 194 169 166 Ưa ẩm 486 8.580 7.532 Ruộng nước Ưa nước 261 641 1.680 Ưa cạn 15 49 177 luân canh I Ưa ẩm 71 138 200 Ưa ẩm 23 405 3.864 Ruộng nước Ưa nước 581 1.488 1.727 Ưa cạn 36 260 470 luân canh II Ưa ẩm 101 144 257 Ưa ẩm 59 1.335 7.868 Bảng 2.3 cho thấy, khi đất cạn quay lại thành ruộng nước, so sánh với ruộng nước liên tục, số lượng cỏ dại phát sinh ở ruộng nước luân canh cả trong thời gian trồng lúa và mùa đông đều ít và sau 1 năm thì dần dần gần sát với ruộng nước liên tục, đến năm thứ ba thì hầu như không còn sai khác. Loài cỏ dại của ruộng nước luân canh cũng thay đổi qua các năm, tỷ lệ cỏ dại ưa ẩm trong thời gian trồng lúa và tỷ lệ cỏ dại ưa cạn trong thời gian mùa đông đều giảm và dần dần gần với ruộng nước liên tục. Khi biến ruộng nước thành đất cạn để luân canh, cũng có xu thế giống như vậy. Luân canh ruộng nước - đất cạn có tác dụng ức chế đối với cỏ dại, chủ yếu do có ảnh hưởng rất lớn đến đường lan truyền hạt giống cỏ dại. Nhất là đất ruộng tưới bằng nước ao, hồ, cỏ dại mọc tương đối ít trong thời gian dài. Còn đất ruộng tưới bằng nước sông, hạt giống cỏ dại chảy theo nước vào ruộng nhiều hơn. Thay đổi phương pháp trừ cỏ và phương pháp trồng trọt cũng dẫn đến diễn biến cỏ dại khác nhau. Trong ruộng nước gần đây, một số loài cỏ tăng lên, người ta cho rằng do bỏ việc sục bùn, dùng phổ biến thuốc trừ cỏ để phòng trừ cỏ dại một năm và do giảm trồng xen. 2. Sự biến đổi hình thức sản xuất nông nghiệp và ý nghĩa sinh thái của nó Lấy những biến đổi về phương pháp tưới nước trồng lúa làm thí dụ Rừng và đồng cỏ sau khi khai khẩn thành đồng ruộng, chất hữu cơ của đất mà thảm thực vật thiên nhiên tích luỹ bị tiêu hao dần qua nhiều năm trồng trọt, độ màu mỡ của đất vì thế mà giảm đi. Nông nghiệp, trong quá trình lâu dài nhờ sáng tạo ra một số hình thức sản xuất vừa tránh được thoái hoá đất vừa giữ được năng suất cao, mà được phát triển. Trong đó, tưới ngập nước trồng lúa và chế độ luân canh đất cạn có tác dụng vô cùng quan trọng đối với việc giữ năng suất cao cho cây trồng và sự tái sản xuất. Nông nghiệp hiện đại đang lấy đó làm cơ sở để phát triển. Tưới ngập nước và chế độ luân canh có hiệu quả cao trong việc giữ độ màu mỡ của đất, đồng thời có thể giảm nhẹ và 90
7. tránh được những nguy hại do cỏ dại và trồng liên tục, có tác dụng lớn về mặt ổn định năng suất cây trồng. Trong nông nghiệp hiện đại, cây trồng có năng suất tăng rõ rệt trong điều kiện nhiều phân do các chất dinh dưỡng vô cơ cần thiết cho cây trồng được cung cấp đầy đủ. Nhưng cũng vì thế mà dẫn đến cây thừa dinh dưỡng, tạo nên nguy cơ lốp đổ và sâu bệnh phá hại. Nguy hại của đồng ruộng quá màu mỡ thường phát sinh cùng với những năm có thay đổi thất thường về điều kiện khí tượng như chiếu sáng, nhiệt độ. Do đó hình thức sản xuất hiện đại phải thích ứng với biến động khí tượng và chú ý nghiên cứu khống chế hiệu lực độ màu mỡ như thế nào, nhằm hiểu rõ hơn sự cân bằng động thái giữa cây trồng và môi trường trên trình độ thâm canh cao để đạt năng suất cao. Phương pháp trồng lúa và tính hai mặt của cách tưới nước ngập Người ta cho rằng có các phương thức trồng lúa sau đây: (1) trồng lúa sử dụng nước trời; (2) trồng lúa tưới chu kỳ, không liên tục; (3) trồng lúa tưới ngập nước liên tục; (4) cuối cùng phát triển thành trồng lúa cấy (mạ) ngập nước liên tục. Nguyên nhân biến đổi của các phương thức trồng lúa khác nhau đó là thiên tai, hạn hán, cỏ dại và cây mọc không đều. Phương thức sản xuất trồng lúa ở các nơi trên thế giới hiện nay có khác nhau rõ rệt do tình hình xã hội và điều kiện tự nhiên. Vùng Ðông Á như Nhật Bản, Trung Quốc, Triều Tiên trồng lúa phần lớn là cấy ngập nước. Ở Ðông Nam Á, Ấn Ðộ, SriLanca, Italia có cấy lúa, cũng có gieo thẳng ngập nước. Khác với các nước trên, ở Mỹ, Ôxtrâylia, Xurinam đều trồng lúa cơ giới hoá diện tích lớn, phát triển thành loại hình gieo thẳng ngập nước. Ở Coxta Rica, Panama (Trung Mỹ) lợi dụng mưa nhiều (300 mm/tháng trở lên) trong thời gian làm lúa, áp dụng rộng rãi gieo thẳng không tưới. Trồng lúa ở Nhật Bản 99% là cấy ngập nước, một số ít vùng như Kigyoku, Okayama, Saga, Kumamoto có gieo thẳng ruộng khô (sau nẩy mầm 30 ngày giữ trạng thái ruộng khô, sau đó mới ngập nước), cũng có gieo thẳng ngập nước (có nước ngay khi gieo). Như vậy, phương thức trồng lúa, tỷ lệ gieo thẳng và cấy có sự khác nhau theo vùng. Nói chung, trừ vùng cá biệt ra, đều tiến hành trồng lúa ở trạng thái nước ngập ruộng, lý do như sau: (1) Ngập nước có thể thúc đẩy tảo xanh và vi sinh vật cố định đạm và tăng lân dễ tiêu trong đất. Sự phân giải chất hữu cơ đất bị ức chế, độ màu mỡ đất tiêu hao ít. (2) Trong nước tưới có các thể keo hữu cơ và các loại muối vô cơ N, K, Ca, Si, Mg vì thế ở trạng thái đất ngập nước, lượng cung cấp cao hơn ở trạng thái đất cạn. Tưới nước có khi dẫn đến hiện tượng quá màu mỡ, nhưng có khác nhau do tính chất nước tưới, đặc tính vật lý của đất và độ sâu nước ngầm. Nếu đất không có tầng đế cày thì lại tiêu hao mất dinh dưỡng khi ở trạng thái ngập nước. (3) Tỷ nhiệt của nước cao, tưới nước sâu (15 cm hoặc hơn) vào mùa lạnh có thể bảo vệ lúa tránh tác hại của độ nhiệt thấp. (4) Ngập nước có thể ức chế rõ rệt cỏ dại mọc, nhất là loài Panicum sp. cạnh tranh kịch liệt với lúa, ngập nước khoảng 15 cm hầu như phòng trừ được. 91
8. (5) Lúa nước trồng ngâm nước dù có trồng liên tục mấy chục năm cũng không bị hại như cây trồng cạn bị hại do trồng liên tục. Lúa nước trồng trên cạn liền 2-3 năm thì năng suất thấp đi rõ rệt, do một loại tuyến trùng phá hại (tuyến trùng Heterodera hại lúa). Mặt khác, ngập nước thường không lợi cho cơ năng sinh lý của rễ lúa, tuy rằng cây lúa nước có mô thông khí vận chuyển oxi từ lá xuống rễ, có thể nhờ oxi tiết ra từ rễ để thích ứng với trạng thái khử oxi, nhưng cùng với độ nhiệt tăng lên, sự khử oxi của đất tăng mạnh và tích luỹ càng nhiều các loại chất bị khử như metan, axit hữu cơ, H2S, cuối cùng làm cho lúa không thích ứng được và bị thối rễ. Kết quả làm suy giảm sự hút chất dinh dưỡng của cây lúa, thậm chí gây ra các bệnh sinh lý như bệnh lúa đực (Straight head), bệnh khô đỏ, bệnh khô đốm lá và bệnh đồng thau (Bronzing). Ở trạng thái ngập nước, ôxi hoà lẫn trên mặt ruộng nước nhờ khuếch tán và thẩm thấu mà bổ sung vào đất. Oxi hoà lẫn trên mặt ruộng nước, do quang hợp của các loài tảo mà thay đổi từng ngày, trong điều kiện chiếu sáng có thể đạt 12 -14 mg/lít Oxi này thẩm thấu xuống đất nhờ nước (tốc độ thẩm thấu tương đương số milimet độ sâu nước giảm một ngày). Nhưng trên 95% oxi hoà lẫn trên mặt ruộng nước tiêu dùng cho vi sinh vật sống ở lớp 2 cm bề mặt, vì thế oxi nhờ thẩm thấu qua nước cung cấp cho vùng rễ bị hạn chế rất lớn (bảng 3.3). Từ đó cho thấy, ngập nước đối với sự sinh trưởng phát triển của lúa nước có tính hai mặt hoàn toàn đối lập nhau. Bảng 3.3. Lượng oxi hoà lẫn (mg/l) vào trong nước trong đất nhờ thẩm thấu qua nước (Tanaka, 1970) Ngày Ngày giờ lấy mẫu Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày 19/8 20/8 21/8 22/8 31/8 9/9 13/9 Xử lý 13 14 6 giờ 13 giờ 13 13 13 Vị trí lấy mẫu giờ giờ 20 phút giờ giờ giờ Nước trên đất Nước trong đất 9,4 9,0 3,0 9,1 6,4 14,1 13,1 Ðối chứng (2cm) 0,4 0,4 0,4 0,2 0,3 0,4 0,6 Nước trong đất 0,4 0,7 0,6 0,5 0,3 0,5 0,4 (12cm) Nước trên đất Nước trong đất 11,4 12,2 4,4 12,2 9,0 13,3 10,3 Nước (2cm) 0,3 0,6 0,5 0,5 0,4 0,3 0,3 thẩm thấu Nước trong đất 0,3 0,6 0,6 0,7 0,3 0,2 0,3 (12cm) Ðể giải quyết mâu thuẫn trong cách tưới ngập nước như vậy, từ trước đến nay đã có biện pháp tháo nước tạm thời, phơi ruộng giữa vụ để đề phòng thối rễ. Thời kỳ phơi ruộng giữa vụ tương ứng vào thời kỳ sau đẻ nhánh khi tác dụng khử oxi của đất rất mạnh, trước khi sắp phát sinh thối rễ nhiều. Lúc này, đúng là thời kỳ cây lúa có tính chống chịu với sự thiếu nước mạnh nhất trong cả thời gian sinh trưởng của nó, qua một 92
9. số ngày rút nước ngầm trong đất sẽ có thể phòng tránh thối rễ. Ở vùng ấm áp, do tác dụng khử oxi của đất rất mạnh, nên áp dụng rộng rãi biện pháp phơi ruộng giữa vụ. Ðối với đất ẩm ướt hoặc dùng quá nhiều phân xanh và quá màu mỡ dẫn tới chậm chín, biện pháp này cũng có hiệu quả. Trong khi tưới ngập nước, xen vào một thời gian phơi khô ruộng giữa vụ, có thể khắc phục phần lớn mâu thuẫn do tưới ngập nước gây ra, làm cho sản xuất lúa phát triển lên trình độ cao hơn. Hai vấn đề mới của cách tưới ngập nước Sản xuất lúa nước qua quá trình phát triển: không tưới - tưới gián đoạn - tưới ngập nước - tưới ngập nước + phơi ruộng giữa vụ, chính là để khắc phục hạn hán, giảm nhẹ tác hại của cỏ dại, duy trì độ màu mỡ của đất và tránh được tác hại do trồng liên tục. Nhưng nghề trồng lúa tưới ngập nước hiện nay đứng trước vấn đề làm thế nào điều tiết hiệu lực phân đạm và tiết kiệm nước. Ở Việt Nam và nhiều nuớc trồng lúa khác, để thu được năng suất lúa cao trên diện tích đất đai có hạn, đã sử dụng ngày càng nhiều phân bón, nhất là phân đạm. Trong điều kiện lượng phân cao, khi điều kiện khí tượng (chiếu sáng, nhiệt độ ) biến đổi thất thường, sự hút đạm của lúa nước thường hay ở trạng thái quá thừa, do đó dẫn đến lốp và đổ. Ðể nâng cao khả năng làm dịu đối với những biến đổi khí tượng, biện pháp thường áp dụng trước đây là dùng giống chịu phân chống đổ, phòng trừ sâu bệnh, bón phân nhiều lần Nhưng quan trọng nhất là điều tiết sự hút đạm tương ứng với biến đổi điều kiện khí tượng. Vấn đề thứ hai là lợi dụng hợp lý nước. Lượng nước tiêu dùng cho trồng lúa là 10.000 - 14.000 m3/ha, dẫn đến mâu thuẫn ngày càng lớn với nước dùng cho công nghiệp và thành phố. Do đó, hệ thống quản lý nước hợp lý cần được nghiên cứu. Quan hệ giữa lượng nước trong đất và sự sinh trưởng phát triển của lúa Với điều kiện nước trong đất như thế nào thì lúa nước mới có thể sinh trưởng và cho năng suất tốt nhất là đề tài quan trọng nói rõ sự diễn biến hệ thống sinh thái lúa nước. Về quan hệ giữa lượng nước trong đất với sự sinh trưởng phát triển và năng suất của lúa nước đã có nhiều nghiên cứu chỉ rõ: năng suất lúa nước ngày càng tăng theo lượng nước trong đất, đất ngập nước thường có thể có năng suất cao nhất, lúa thiếu nước thì năng suất giảm, nhất là từ thời kỳ làm đòng đến khi trỗ mà gặp hạn thì giảm năng suất càng rõ. Lượng nước cần của lúa nước là 280 -310 gam, bằng hoặc hơi nhiều hơn các cây trồng cạn. Về sự tiêu dùng nước sinh lý, lúa nước không nhất thiết đặc biệt cần ngập nước, nó chỉ cần nước cung cấp cho tiêu hao bốc thoát hơi nước là được. Bảng 4.3 chỉ rõ sự biến đổi năng suất của lúa nước và lúa cạn trồng ở trạng thái đất ngập nước, ẩm ướt và khô. Ðiều kiện nước ở đây là khu ngập nước có mực nước sâu 5 cm, khu ẩm ướt có mực nước ngầm -5 cm, không ngập nước; khu đất cạn điều tiết nước trong trạng thái có lượng chứa nước đồng ruộng bình thường (lượng chứa nước lớn nhất) hoặc gần như thế. Bảng 4.3 cho thấy năng suất trong điều kiện đất cạn hầu như hơn hẳn so với điều kiện ngập nước. Ở đất cạn, sở dĩ tăng năng suất là do đã giảm nhẹ hiện tượng thối rễ, đã thúc đẩy phân giải chất hữu cơ đất, tăng sự hút đạm lên một cách tương ứng. Ðiều đó nói rõ điều kiện cung cấp nước và dinh dưỡng vô cơ có quan hệ tới năng suất, ngập nước không nhất thiết là điều kiện không thể thiếu được đối với sự sinh trưởng, phát triển của lúa nước. 93
10. Rễ của lúa nước phân bố 19 - 23 / 7 16 - 20 / 8 0,8 0 0.8 0 nông hơn so với các cây trồng 0 đất cạn. Trên 90% số rễ và trọng 10 55% 32% 28 28 lượng rễ lúa nước ở điều kiện 20 30 17 15 đất cạn được phân bố trong lớp 40 13 12 đất 20cm dưới mặt đất, cho nên 50 Lúa cạn phạm vi hút nước và dinh dưỡng 0 vô cơ thật nhỏ hẹp. Từ hình 4.3 10 58% 52% có thể thấy: lúa nước trồng đất 20 35 20 cạn, lượng tiêu dùng nước ở 30 7 7 40 tầng đất mặt rất lớn, dù vào cuối 50 Lúa nước đời rễ đã ăn rất sâu, mức tiêu dùng nước ở tầng mặt đất (0- Hình 4.3. Tiêu dùng nước ở các lớp đất khác nhau của lúa cạn và lúa nước trồng cạn (trích dẫn từ 20cm) vẫn chiếm 80%. Lúa cạn "trồng lúa nước trên đất cạn" của Hasegawa) thì ngược lại, tiêu dùng nước ở tầng đất sâu nhiều, tính chống hạn khoẻ. Khi lượng nước trong đất tương đương với 75-100 % lượng chứa nước lớn nhất, quang hợp của lúa nước sẽ không biến động vì nước, nhưng nếu thấp hơn 75% thì giảm thấp nhanh chóng. Ðiều kiện nước trong đất dẫn tới sẽ giảm thấp quang hợp thì lúa nước cao hơn đậu tương và lạc. Từ đó cho thấy, lúa nước là một loài cây trồng dễ bị giảm năng suất chất khô khi sự hút nước và thoát hơi nước ở trạng thái không cân bằng. Lượng thoát hơi nước của lúa nước tăng lên theo sự sinh trưởng, phát triển từ thời kỳ làm đòng đạt diện tích lá lớn nhất đến thời kỳ trỗ bông, một ngày có thể đến 7-8mm. Lúa nước trồng thường xuyên ở trạng thái đất cạn thì giảm năng suất. Bảng 4.3. Năng suất lúa nước ở điều kiện đất ngập nước, ẩm ướt và đất cạn (Tanaka, 1970) Sinh khối Trọng lượng bông Giống Ðiều kiện năng suất (g/m2) (g/m2) Ngập nước 1.100 521 Manryo ẩm ướt 956 437 Ðất cạn 1.755 666 Ngập nước 1.033 470 Kusabue ẩm ướt 1.015 446 Ðất cạn 1.622 465 Ngập nước 945 472 Tachiminoru ẩm ướt 1.142 534 Ðất cạn 1.724 811 Ngập nước 960 500 Lúa nếp Norin - 1 ẩm ướt 1.039 498 Ðất cạn 1.634 728 Ghi chú: Manryo và Kusabue là giống lúa nước; Tachiminoru và lúa nếp Norin - 1 là giống lúa cạn. 94
11. Nhưng nếu lấy thời kỳ làm đòng làm trung tâm, cho đất ngập nước trên dưới 10 ngày, còn các thời kỳ còn lại dù vẫn ở trạng thái đất cạn, cũng có thể thu được năng suất bằng như thường xuyên ngập nước. Từ đó cho thấy, lúa nước sở dĩ thường tiến hành trồng trọt ở trạng thái ngập nước không phải vì không ngập nước bất lợi đối với cơ năng sinh lý của lúa nước, mà là do lúa nước là cây rễ nông, ở trạng thái không ngập nước hễ gặp mưa thất thường dễ bị thiếu nước, nhất là trước và sau thời kỳ làm đòng, thiếu nước khi lượng thoát hơi nước lớn nhất sẽ ảnh hưởng xấu đến năng suất lúa. Quan hệ của sự vận động nước với đạm trong đất Như trên đã nêu, lúa nước ở khu đất cạn tăng năng suất là do tăng sự hút đạm. Nhưng phần lớn đạm ở đây là đạm dạng vô cơ trong đất (NO3 - N) nếu gặp mưa thất thường hoặc biến động mức nước ngầm, dễ bị rửa trôi và mất đạm, do đó mà không ổn định. Dưới đây sẽ đề cập đến vấn đề mực nước ngầm cao thấp ảnh hưởng đến sự vận động nước ở đất cạn, quan hệ của sự biến đổi chu kỳ và lượng thẩm thấu của nó với hàm lượng đạm dạng vô cơ trong đất. mg N/100g NH3-N NO3-N 500 NH -NO 3 3 400 300 200 100 0 ng ộ t ru i i i i i a a ặ a a a n ữ ữ ữ ê ữ ên ữ ên ên ướ ên ướ ướ i ướ i ướ i i r r r r r t g g g g g c m g d g d g d t d t g t d t n n p p n p gi n p p p p p n p p p p p p p ộ ộ ướ ớ ộ ớ ộ ớ ớ ớ ớ ớ ớ ộ ớ ớ ớ ớ ớ ớ ớ C L L L L L C L L L N L C L L C L L L C L Mực nước ngầm + 7cm 0 cm -10 cm -20 cm -30 cm Hình 5.3. Quan hệ giữa mực nước ngầm và đạm dạng vô cơ trong đất (Tanaka, 1970) Ghi chú: Lớp trên: 0 - 10 cm Lớp giữa: 10 - 20 cm Lớp dưới: 20 - 30 cm 95
12. Hình 5.3 nói rõ hàm lượng đạm dạng vô cơ (NH3 - N và NO3 - N) của đất tăng lên rõ rệt khi mực nước ngầm hạ thấp đến 20cm cách mặt đất. Làm hạ thấp mực nước ngầm, trở thành trạng thái đất cạn, nói chung có thể thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn hảo khí, giảm bớt sự mất đạm, dẫn tới tăng thêm đạm dạng vô cơ trong đất. Nhưng phần lớn đạm dạng vô cơ của khu đất cạn là đạm dạng nitrat, trước khi được lúa nước hút, nếu gặp biến động mực nước ngầm hay mưa, dễ bị mất mát. Ngoài ra, ở điều kiện đất cạn, chất hữu cơ của đất tiêu hao nhanh chóng, nếu không bón phân chuồng hay phân rác ủ thì lượng đạm vô cơ sẽ ít hơn khu ngập nước. Ðây là một vấn đề cần quan tâm của việc trồng trọt có tưới nước ở đất cạn. Trên thực tế, mực nước ngầm của ruộng đại trà thường biến động do mưa, tưới và chảy ngầm, làm cho đất ở trạng thái lúc ướt lúc khô. Hình 6.3 cho thấy ảnh hưởng lặp đi lặp lại trạng thái đất cạn và đất ướt (trạng thái bão hoà nước) do biến đổi chu kỳ mực nước ngầm, trị số trong hình là sau 30 ngày bắt đầu làm thí nghiệm. Có thể thấy đạm dạng vô mg/100 gam đất khô 18 cơ trong đất giảm rõ rệt do amonsunfat biến động mực nước ngầm. 16 14 canxi nitrat Loại đạm này bị mất mát ơ c 12 nhiều chủ yếu do mực nước vô ng 10 ngầm biến động làm cho quá ạ 8 trình oxi hoá và khử oxi trong m d 6 đất xen nhau liên tiếp, do đó Đạ 4 dẫn tới mất đạm. Vì vậy, để 2 giữ được hàm lượng đạm dạng vô cơ cao hơn trong đất, 0 c y y và ng và y ướ y yên y y phải ổn định mực nước ngầm, ng à à ườ g n g n p n ê n ườ ê n ậ y 2 ngà y làm cho đất giữ được trạng 10 ngà n th 5 8 ng xu u n u – ạ x ạ x n n m th t ng ườ ạ ạ thái oxi hoá hay khử oxi. t c Ẩ c c ấ th m 8 m ít 5 ngà m ít 2 ngà Đấ và c Ẩ Ẩ Đ Ngược lại, như tưới gián đoạn Ẩ cho thấy, khi đất ở trạng thái (A) (B) (C) (D) (E) (F) oxi hoá và khử oxi có tính Hình 6.3. Ảnh hưởng của sự biến động chu kỳ chất chu kỳ lặp đi lặp lại thì mực nước ngầm đối với đạm dạng vô cơ trong đất sự mất đạm sẽ tăng lên. (Tanaka - 1970) Ở trạng thái đất cạn, Ghi chú: Ðạm dạng vô cơ là NH3 - N + NO3 - N, hàm lượng đạm vô cơ của đất lượng phân bón là 7,3 mg N/100 g đất khô giảm xuống gần thành đường thẳng theo lượng thấm nước, ngoài sự mất mát như trên ra, còn lượng đạm mất do đạm dạng nitrat của tầng đất mặt di động xuống tầng sâu về chỗ nồng độ oxi thấp hơn, số lượng này không nhỏ. Người ta đã dùng 15N tiến hành thí nghiệm, khi nồng độ oxi là 19%, bón đạm dạng nitrat bị mất đi 16% do mất đạm, khi nồng độ oxi là 4,2%, đạm bón bị mất đi 52%, điều đó nói rõ khả năng phát sinh mất đạm tăng do oxi giảm. 96
13. Hàm lượng đạm dạng vô cơ trong đất ở trạng thái không ngập nước chịu ảnh hưởng của lượng mưa nhiều ít và mực nước ngầm cao thấp, nếu so sánh với trạng thái ngập nước thì từ trạng thái dương tức trạng thái có lợi trở thành trạng thái âm, bất lợi. Tưới gián đoạn và tưới muộn Như trên đã nêu, hàm lượng đạm dạng vô cơ của đất có thể được điều tiết nhờ mực nước ngầm cao thấp và việc tưới ngập nước không phải là không thể thiếu đối với sự sinh trưởng phát triển của lúa nước. Phần này với một phương pháp thực dụng điều tiết hiệu lực phân, tức là tưới nước từng đợt làm xuất hiện lặp đi lặp lại chu kỳ trạng thái ngập nước và không ngập nước, với cách tưới gián đoạn như vậy đem so sánh với cách tưới muộn không ngập nước trong thời kỳ đẻ nhánh, bắt đầu ngập nước từ thời kỳ hình thành đòng và cách tưới sớm ngập nước từ thời kỳ đẻ nhánh đến thời kỳ chín, để nói rõ những đặc trưng và hiệu quả của các cách tưới khác nhau. Hình 7.3 cho thấy hiệu quả ít phân Tưới muộn của tưới gián đoạn và tưới muộn 180 Nhiều phân 160 ít phân Tưới gián đoạn đối với sự hút dinh dưỡng và 140 Nhiều phân năng suất, tức là mực nước ngầm 120 và lượng mưa liên hệ với cách 100 tưới khác nhau ở thời kỳ đẻ 80 60 nhánh (tương đương với thời kỳ 40 không ngập nước và của cách 20 tưới muộn), chia làm bốn loại sau N P K Si Mn N P K Si Mn N P K Si Mn N P K Si Mn đây: loại ẩm ướt mực nước ngầm Mực nước ngầm: Cao Cao Thấp Thấp cao, mưa nhiều; loại ẩm ướt vừa Lượng mưa: Nhiều ít Nhiều ít mực nước ngầm cao, mưa ít; loại Hình 7.3. Ảnh hưởng của tưới muộn và đất cạn mực nước ngầm thấp, tưới gián đoạn đối với sự hút dinh dưỡng vô cơ của lúa nước (Tanaka, 1970) mưa nhiều và loại khô cạn mực nước ngầm thấp, mưa ít. Phân loại như vậy, đạm vô cơ trong đất cạn, như hình 23, khi mực nước ngầm ở - 20cm trở xuống, nhiều hơn khu ngập nước; và khi -20 cm trở lên thì không thấy sai khác có ý nghĩa. Ngoài ra, lượng thoát hơi nước của thời kỳ đẻ nhánh là từ 4-6 mm/ngày. Nói mực nước ngầm cao là mực nước bình quân ở trong khoảng từ -7 cm đến -18 cm; nói thấp là trong khoảng từ -25 cm đến -35 cm; mưa nhiều thì bình quân là 5,0- 5,3 mm/ngày, mưa ít thì bình quân là 3,0 mm/ngày. Hình 7.3 cho thấy, lượng hút đạm của loại đất ẩm ướt giảm, loại đất cạn và loại khô cạn thì có tăng lên. Nhưng lượng hút Mn có chiều hướng ngược lại với lượng hút đạm; lượng hút lân và silic đều giảm ở tất cả các loại, rõ nhất là ở loại khô cạn. Về năng suất, hình 8.3 cho thấy, không chỉ có quan hệ với điều kiện nước mà còn có quan hệ với lượng đạm bón. Ở loại ẩm ướt, thì ít phân: giảm năng suất, nhiều phân: không sai khác, rất nhiều phân: tăng năng suất; ở loại khô cạn thì ít phân: không sai khác, nhiều phân: bị đổ và giảm năng suất; ở loại ẩm ướt vừa và loại ẩm đất cạn thì ở khoảng giữa. 97
14. 1,8kg/a-N 110 1,2kg/a-N Tưới 100 0,6kg/a-N muộn 0,3kg/a-N 90 1,8kg/a-N 80 1,2kg/a-N Tưới gián đoạn 70 0,6kg/a-N 0,3kg/a-N 60 Mực nước ngầm: Cao Cao Thấp Thấp Lượng mưa: Nhiều ít Nhiều ít Hình 8.3. Ảnh hưởng của tưới muộn và tưới gián đoạn đối với khối lượng gạo lật (Tanaka, 1970) Như trên đã nêu, sự hút đạm của cây lúa nước có thay đổi do cách tưới, giữa những thay đổi này và năng suất trong điều kiện khí tượng nhất định có quan hệ biểu hiện bằng phương trình bậc hai sau đây: Y = 14,42 + 6,79 X - 0,33 X2 (1) Y: là khối lượng gạo lật (kg/a) X: là hàm lượng đạm của cây lúa nước thời kỳ làm đòng (g/m2). R = 0,901 (hệ số tương quan) Dựa vào công thức này, tìm ra hàm lượng đạm tốt nhất là 10,35 g/m2. Nghĩa là hiệu quả của các cách tưới quyết định ở mức độ sát gần của hàm lượng đạm cây lúa thay đổi do cách tưới so với hàm lượng đạm tốt nhất. Dự đoán là trị số tốt nhất này còn có quan hệ với lượng chiếu sáng nhiều hay ít; đương nhiên, quản lý nước cũng là một trong những con đường quan trọng để đạt đến trị số tốt nhất này. Sự biến đổi cách tưới và ý nghĩa sinh thái của nó Phần này sẽ đi đến kết luận nhỏ về ý nghĩa sinh thái của các cách tưới nước cho lúa trồng đã nói ở trên. Trồng lúa ở Việt Nam về cơ bản chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và lượng mưa. Khí hậu Việt Nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa, một kiểu khí hậu thích hợp cho lúa nước sinh trưởng phát triển. Nhưng nhiệt độ và lượng mưa khác nhau tuỳ theo vùng và biến động rõ rệt theo năm. Ðể làm dịu những nguy hại do biến động của điều kiện tự nhiên - khô hạn và giá rét, như vẫn thường nói, tưới ngập nước có tác dụng quan trọng. Không chỉ như vậy, tưới ngập nước còn ức chế sự tiêu hao độ màu mỡ của đất, giảm cỏ dại, tránh tác hại do trồng liên tục, hoàn thành vụ sản xuất năm này lại đảm bảo chắc chắn điều kiện tái sản xuất năm sau. Vì thế, ở trạng thái này có thể làm cho sản xuất lúa nước và môi trường của nó phát triển ở trạng thái ổn định hơn (hình 9.3). 98
15. Trồng lúa kết hợp tưới ngập Tưới đất cạn nước cố nhiên có thể làm cho sản xuất ổn định, nhưng cũng đem lại Tiết kiệm nước một số tác hại như sinh ra thối rễ. X Thối rễ xảy ra ở nhiều vùng ấm áp, Tưới muộn đất ẩm thấp giàu chất hữu cơ hoặc Tiết kiệm nước trong ruộng nước có hàm lượng sắt X thấp, đó là một trong những Tưới gián đoạn nguyên nhân chủ yếu cản trở sản xuất lúa. Vì thế, thực hiện phơi Nhiều phân dẫn tới thừa đạm ruộng giữa vụ (làm thoát nước Ngập nước + phơi ruộng giữa chừng ngầm) phòng chặn thối rễ có tác Thối rễ dụng quan trọng để khắc phục mâu thuẫn do tưới ngập nước. Kết hợp Tưới ngập nước tưới ngập nước và phơi ruộng giữa Tác hại rét vụ có thể làm cho năng suất lúa Tác hại trồng liên tục nước tăng lên chủ yếu dựa vào Tác hại cỏ dại cung cấp nước ổn định và bón nhiều phân. Dựa vào bón nhiều Cung cấp dinh dưỡng không ổn định phân để có năng suất cao chủ yếu Tác hại hạn bị điều kiện khí tượng, độ chiếu Không tưới sáng và nhiệt độ hạn chế. Nhất là Hình 9.3. Sự biến đổi cách tưới lúa nước và tình trạng chiếu sáng và nhiệt độ các nhân tố liên quan với nó thay đổi khác thường theo từng năm, thường làm cho lúa nước bón nhiều phân ở vào trạng thái quá thừa đạm, hiện tại ngoài cách tưới gián đoạn thúc đẩy sự mất đạm, vẫn chưa có biện pháp thích đáng nào khác. Tưới gián đoạn cố nhiên có thể nâng cao tính thích ứng với sự thay đổi điều kiện khí tượng, do đó ức chế lốp do hút đạm quá thừa, nhưng do cách tưới này có tác dụng ức chế hút đạm tương đối lớn, vì vậy về nguyên tắc chỉ thích hợp với điều kiện trồng trọt nhiều phân. Then chốt của việc tăng năng suất lúa nước là làm thế nào trong điều kiện thời tiết cụ thể, đến gần với lượng hút đạm tốt nhất và loại trừ những chất có hại sinh ra trong đất. Nhiều phân kết hợp với tưới gián đoạn có thể làm cho năng suất lúa nước tiến tới ổn định và từng bước tiến sát gần tới trạng thái ổn định của nó. Tưới muộn và tưới đất cạn có thể hiểu đó là phương hướng phát triển của tưới gián đoạn. Thoát nước có thể giảm bớt thối rễ, nhưng sự cung cấp nước và chất dinh dưỡng vô cơ lại trở nên không đủ do thiếu ổn định. Hiệu quả của các cách tưới này như thế nào, chủ yếu nhất là xem sự cung cấp nước và chất vô cơ có thể ổn định đến mức độ nào. Tiến hành trồng lúa nước ở trạng thái đất cạn, nếu lượng nước trong đất giữ được trạng thái lượng chứa nước đồng ruộng lớn nhất hoặc gần như thế, thì có thể thu được 99
16. năng suất bằng hoặc thậm chí cao hơn trồng trọt ngập nước. Nhưng tưới đất cạn khó mà thích ứng được với sự thay đổi độ nhiệt và mưa, nhất là chất dinh dưỡng chảy mất khi mưa nhiều, khó bảo đảm cung cấp nước khi mưa. Bộ rễ lúa tương đối nông, lợi dụng được ít chất dinh dưỡng và nước ở lớp đất sâu, nhất là thời kỳ từ hình thành đòng đến trỗ bông với lượng thoát hơi nước lớn, năng suất chất khô dễ bị giảm do thiếu nước. Sự thay đổi lượng nước trong đất tất nhiên liên quan tới sự hút chất dinh dưỡng vô cơ, nhất là lân và silic trở lên không ổn định. Ngoài ra, môi trường sinh học của lúa nước - cỏ dại, bệnh truyền nhiễm trong đất do ở trạng thái không ngập nước (tưới đất cạn hoặc tưới muộn) lâu dài sẽ trở nên phức tạp hơn so với trạng thái ngập nước. Tưới ngập nước sở dĩ được sử dụng rộng rãi vì có thể ức chế rõ rệt cỏ dại và dễ làm cỏ bằng tay hoặc bằng máy. Ở Mỹ và Italia, nhờ tưới nước sâu và luân canh ruộng nước - đất cạn để phòng trừ cỏ dại, có hiệu quả tiết kiệm sức lao động làm cỏ rõ rệt. Ðiểm này dù kỹ thuật trừ cỏ có phát triển nhảy vọt như ngày nay cũng không cho phép coi thường. Còn nói về sâu bệnh hại lan truyền trong đất, để đảm bảo điều kiện tái sản xuất của lúa nước, tác hại do trồng liên tục là một vấn đề. Lúa nước trồng liên tục lâu dài hầu như không dẫn tới tác hại như cây trồng cạn. Người ta thấy rằng, ở điều kiện tưới đất cạn, hại do trồng liên tục của lúa cạn tuyệt nhiên không nhẹ đi. Trong điều kiện tưới muộn cho ngập nước từ thời kỳ hình thành đòng, thì không thấy hại do trồng liên tục. Còn khi gieo thẳng ruộng khô (thời kỳ đầu đẻ nhánh ở trạng thái đất cạn) đã thấy có tác hại của một loài tuyến trùng. Tác hại trồng liên tục khác nhau do các điều kiện như loại cây trồng, số năm trồng liên tục, điều kiện khí tượng, đất đai quyết định; khi tiến hành lâu dài tưới muộn ở trạng thái đất cạn thì dễ có khả năng bị hại. Tóm lại, từ tưới gián đoạn đến tưới muộn và phát triển cho đến tưới đất cạn, tất nhiên liên quan tới nhiều vấn đề đã gặp phải trong quá trình không tưới nước đến tưới ngập nước như không ổn định cung cấp nước và chất dinh dưỡng, tác hại của cỏ dại Những vấn đề này còn đang khó giải quyết với trình độ kỹ thuật hiện nay. Do đó cần phát triển thành một loạt phương thức tưới phù hợp, từ tưới gián đoạn đến tưới muộn và tưới đất cạn. 3. Trồng cây thích hợp với vùng đất trồng Thảm cây thiên thiên trải qua diễn thế tự nhiên, đa số trở thành quần xã ổn định (climax) với một số loài ổn định nhất thích hợp với điều kiện thích ứng của nó - chủ yếu là điều kiện khí hậu (nhiệt độ, mưa) và đất đai. Còn sự phân bố và năng suất của cây trồng không hoàn toàn do điều kiện tự nhiên quyết định mà còn chịu ảnh hưởng của lịch sử cải tiến phương pháp tạo giống, phương pháp trồng trọt và ảnh hưởng của hoạt động xã hội. Có thể lấy việc trồng lúa ở Việt Nam làm thí dụ để nói rõ sự cải biến cây trồng đúng vùng đất theo sự phát triển của kĩ thuật. Ngô của nước Mỹ cũng là một thí dụ về trồng cây đúng vùng đất trồng. Mục này sẽ bàn về những quan hệ giữa năng suất cây trồng và vùng sinh thái thích hợp. 100
17. Biến đổi theo vùng về năng suất lúa của Việt Nam Bảng 5.3. Năng suất lúa hè thu và đông xuân tại các vùng khác nhau từ năm 1995-2003 Năng suất lúa hè thu (tấn/ha) Khu vực 1995 2000 2001 2002 2003 Ðồng bằng sông Hồng 4,17 5,09 4,89 5,30 4,83 Ðông Bắc 2,80 3,62 3,77 3,96 4,03 Tây Bắc 2,17 2,45 2,69 2,76 2,91 Bắc Trung Bộ 2,48 2,87 3,24 3,46 3,65 Duyên hải Nam Trung Bộ 2,54 3,05 3,22 3,19 3,45 Tây Nguyên 2,14 2,80 3,05 2,84 3,39 Ðông Nam Bộ 2,48 2,69 2,98 3,18 3,25 Ðồng bằng sông Cửu Long 2,89 3,12 3,39 3,41 3,67 Năng suất lúa đông xuân (tấn/ha) Ðồng bằng sông Hồng 4,71 5,97 5,79 5,99 6,13 Ðông Bắc 2,95 4,56 4,47 4,65 4,87 Tây Bắc 3,50 4,74 4,77 4,94 5,18 Bắc Trung Bộ 3,65 4,91 4,95 5,32 5,44 Duyên hải Nam Trung Bộ 3,52 4,36 4,49 5,07 5,13 Tây Nguyên 3,85 4,98 4,96 4,28 4,72 Ðông Nam Bộ 3,52 3,95 3,94 4,15 4,23 Ðồng bằng sông Cửu Long 5,16 5,26 5,04 5,70 5,66 Nguồn: Tổng cục thống kê (2004) Từ sau Cách mạng tháng Tám (1945) đến nay, năng suất lúa của nước ta tăng lên không ngừng, nhưng sự khác nhau giữa các vùng về năng suất lại rất khác nhau theo thời kỳ và giữa các vùng sinh thái. Bảng 5.3 cho thấy năng suất lúa bình quân ở Ðồng bằng sông Hồng và Ðồng bằng sông Cửu Long luôn cao hơn các vùng khác, phù hợp với điều kiện địa hình và đất phù sa rất thuận lợi cho sản xuất lúa ở hai vùng này. Mặt khác, năng suất lúa vụ đông xuân có xu hướng cao hơn vụ hè thu tại nhiều vùng của cả nước. 101
18. Năng suất lúa nước, trên mặt hình thái có thể biểu thị là: số bông/m2 × tỷ lệ chín × khối lượng nghìn hạt. Munekata xét đến đặc trưng hình thái lúa nước thời kỳ trỗ bông, độ nhiệt không khí và chiếu sáng ở thời kỳ chín, đề ra công thức tính năng suất sau đây: N S . . Y = α . av . f (LB,T) (1) N + 50.000 S + 500 Trong đó: N: số bông/m2; Y: khối lượng gạo lật; S: lượng chiếu sáng bình quân ngày trong 30 ngày sau khi trỗ đều; T: nhiệt độ không khí bình quân ngày (0C) trong 30 ngày sau khi trỗ đều; LB: khối lượng phiến lá/m2; F (LB,T): chỉ số hiệu ứng tổng hợp của LB và T so với năng suất (tính được bằng đồ thị tính toán); av: hệ số giống; α: chỉ số hiệu ứng của những nhân tố chưa biết ngoài N, LB, S, T, av. Nói chung, năng suất tính ra bằng công thức này tăng lên theo số bông/m2 và lượng chiếu sáng tăng lên, trên một địa điểm nào đó thì gần như là nhất định. Nhưng ở thời kỳ chín, khi độ nhiệt không khí cao (270C trở lên) nếu lượng chiếu sáng mặt trời ở điều kiện 450cal/cm2/ngày, thì lại có tác dụng ngược lại đối với năng suất. Về ảnh hưởng của độ nhiệt ở thời kỳ chín, như hình 10.3 cho thấy, chỉ số năng suất của bất kỳ giống nào cũng đều thành đường cong tối thích mà điểm đỉnh ứng với 20 - 220C, hơn nữa, đường cong về phía độ nhiệt thấp thì hạ thấp rất nhanh, về phía độ nhiệt cao thì hạ thấp chậm hơn. Matsusima đã nghiên cứu ảnh hưởng của chênh lệch độ nhiệt ngày đêm trong thời kỳ chín đối với tỷ lệ chín của lúa nước. Kết quả chứng minh: tỷ lệ chín cao xuất hiện ở tình hình độ nhiệt ngày 260C, đêm 160C (độ nhiệt bình quân 210C), nếu nhiệt độ/ ngày và nhiệt độ/đêm quá cao hoặc quá thấp, tỷ lệ chín đều giảm thấp. Ngoài ra, nhiệt độ thích hợp lại Ðộ nhiệt không khí bình quân chịu ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng, trong 30 ngày sau khi trỗ đều chiếu sáng mạnh thêm, độ nhiệt thích hợp Hình 10.3. Quan hệ của độ nhiệt cũng cao lên tương ứng. không khí bình quân trong 30 ngày Như trên đã nói, độ nhiệt tốt nhất, trong sau trỗ đều và chỉ số hiệu chỉnh năng suất của các giống lúa khác nhau thời kỳ chín quyết định năng suất cuối cùng (aa là số gié có quan hệ với việc trừ hiệu quả của lúa nước là tương đối thấp, do đó điều chiếu sáng thời kỳ chín) kiện độ nhiệt quá cao cũng như độ nhiệt thấp (Munekata, 1967) đều có tác dụng ngược đối với năng suất. Hình 11.3 cho thấy quan hệ của năng suất gạo lật với thời kỳ trỗ đều của các vùng khác nhau theo điều kiện khí tượng thời kỳ chín, nói rõ năng suất lúa ở Okayama, 102
19. Maehasi nằm ở vùng đồng bằng ấm áp, (kg) 700 Akaisi (vùng núi của Chuzoku) nhìn vào thời kỳ trỗ đều thích hợp nhất, rõ ràng là thấp hơn ở Akaisi thuộc vùng 650 Okayama (đất bằng cao rét hay Morioka ở Đông Bắc. Ðiều của Chuzoku 600 Merioka đó có nghĩa là nguyên nhân tăng năng Maehasi suất với mức độ cao của vùng giá rét 550 như Đông Bắc là ở việc sử dụng ruộng 500 mạ bảo vệ làm cho lúa trỗ sớm lên N: 30,000 450 LB: 200 nhiều, làm cho thời kỳ chín kết hợp được với điều kiện chiếu sáng mạnh 400 của tháng 8, hơn nữa độ nhiệt thời kỳ 1 10 2030 10 2030 10 20 30 này đúng gần với độ nhiệt thích hợp Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 (210C). Từ đó cho thấy, vùng thích hợp Thời kỳ trỗ đều của cây trồng không phải là không thay Hình 11.3. Quan hệ giữa năng suất đổi, mà thay đổi do cải cách phương và thời kỳ trỗ khác nhau pháp trồng trọt. (Munekata, 1967) Năng suất ngô của nước Mỹ và vùng sinh thái thích hợp Ở nước Mỹ, người ta dựa vào điều kiện khí tượng và đất đai của môi trường sống khác nhau, tương ứng chia ra: vành đai ngô, vành đai lúa mì đông, vành đai lúa mì xuân, vành đai bông và vành đai cây á nhiệt đới. Từ vùng rừng đến vùng đồng cỏ cao đều có thể trồng ngô một cách rộng rãi, nhất là vùng lấy miền trung Iowa làm trung tâm, là vùng sản xuất ngô chính. Người ta đã phân tích hàm lượng đạm trong đất của các vùng ) n ât (% trồng ngô của bang Mixixipi, và đã nghiên n 40 0,3 đ â u cứu quan hệ giữa N% trong đất, nhiệt độ với a) q cr nh a 30 trong năng suất ngô (hình 12.3), và thấy hàm lượng / m bì 0,2 t hel ấ đạm trong đất rừng và đất đồng cỏ hạ thấp đạ us 20 su ng hàm số mũ theo nhiệt độ tăng lên. Năng suất (b ng 0 ượ ngô ở bang Iowa với bình quân năm 10 C ă 0,1 N (500F) là cao nhất, nhưng độ nhiệt tăng lên 10 m l Hà nữa thì năng suất lại thấp xuống và gần thành 320 400 500 600 700 tỷ lệ với sự giảm N% trong đất. Ðó là một Nhiệt độ bình quân năm 0F trong những nguyên nhân khiến năng suất ngô thấp hơn ở vùng độ nhiệt cao hơn, điều Hình 12.3. Quan hệ năng suất ngô đó nói rõ là do độ nhiệt cao, chất hữu cơ đất với đạm của đất và độ nhiệt bị tiêu hao, tất nhiên giảm dinh dưỡng cho (Jenny, 1990) cây trồng. Ghi chú: Mặt khác, khi độ nhiệt bình quân năm Năng suất ngô 0 N của đất đồng cỏ trên 10 C, dù N% trong đất rất cao, năng suất N của tầng mặt đất rừng ngô vẫn thấp, chứng tỏ nhiệt đã trở thành N của tầng dưới đất rừng 103
20. nhân tố hạn chế. Wallace và Brassama cũng cho rằng vành đai bông (vùng độ nhiệt cao phía Nam) nếu đất màu mỡ cũng có thể trở thành vùng ngô mạnh. Họ căn cứ vào các điểm năng suất cao dùng nhiều phân trồng dày đạt 200 bushel/acrơ trở lên hầu như đều ở các vùng phía Nam. Do đó có người cho rằng vùng độ nhiệt cao, năng suất ngô thấp có liên quan với tình hình sâu bệnh hại nhiều, nước thiếu do mưa phân bố không đồng đều. Từ đó cho thấy, vành đai ngô của nước Mỹ trên mức độ rất lớn là bị độ màu mỡ của đất hạn chế chịu ảnh hưởng của độ nhiệt, độ ẩm. Klages (1949) cho rằng, một cây trồng nào đó thích ứng với vùng đất nào đó thường biểu hiện là năng suất cao đồng đều và tương đối ít thay đổi qua các năm. Năng suất ngô của các vành đai ngô nước Mỹ cao hơn so với các vùng khác và ít biến động, cũng tức là ngô của vanh đai ngô, đúng như quần thể ổn định của thảm cây thiên nhiên climax, giữ được trạng thái tương đối ổn định với môi trường. 4. Sự cân bằng năng lượng của quần thể cây trồng Khai khẩn rừng và đồng cỏ để mở ra địa bàn có điều kiện chiếu sáng tốt hơn cho cây trồng, tức là sản xuất nông nghiệp đã hình thành. Loài người trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp đã chọn ra một số giống cây trồng có khả năng lợi dụng bức xạ mặt trời cao hơn, đồng thời nhờ điều tiết sự cung cấp nước và dinh dưỡng, đã tìm ra con đường lợi dụng năng lượng ánh sáng mặt trời với mức độ ngày càng cao. Sự phân bố năng lượng ánh 1 sáng và quang hợp của thực vật Xích đạo Nguồn năng lượng của sinh vật, 2 bắt nguồn trực tiếp hay gián tiếp từ năng lượng bức xạ mặt trời. Thực vật màu xanh lục hấp thụ năng lượng mặt 3 trời, đồng thời lợi dụng hoá năng do CO2, nước và chất vô cơ sinh ra trong quá trình quang hợp, tạo thành các loại 4 chất hữu cơ có năng lượng. Năng lượng mà thực vật màu xanh lục cố 1234567 8 9 10 11 12 Tháng định được trong hệ sinh thái, được Hình 13.3. Quan hệ của vĩ độ và lượng tổng động vật và sinh vật dị dưỡng khác bức xạ mặt trời (Berliand) tiêu dùng, biến thành nhiệt và toả đi 1) Xích đạo; 2) 200 vĩ Bắc; mất. Cường độ năng lượng mặt trời ở 3) 400 vĩ Bắc; 4) 600 vĩ Bắc lớp trên khí quyển là khoảng 1,9 cal cm-2phút-1, gọi là hằng số mặt trời. Cường độ ánh sáng đến mặt đất khác nhau theo vĩ độ. Ở vùng vĩ độ cao, độ cao mặt trời thấp hơn, khoảng cách mà ánh sáng xuyên qua khí quyển dài, cường độ ánh sáng vì thế giảm thấp. Thí dụ lượng tổng bức xạ mặt trời vào tiết xuân phân có lượng mây đều, ở 400 vĩ Bắc thấp hơn 30% so với gần xích đạo. 104
21. Năng lượng ánh sáng một ngày mà thực vật tiếp thu không những có quan hệ với cường độ ánh sáng mà còn chịu ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng. Lượng tổng bức xạ mặt trời của ngày nắng (hình 13.3) ở gần xích đạo cả năm gần như cố định (khoảng 650 cal/cm2/ngày). Ở vùng vĩ độ cao, có thay đổi rõ rệt theo mùa, lượng tổng bức xạ mặt trời vào cuối xuân đến mùa hạ lại nhiều hơn ở gần xích đạo. Tốc độ sinh trưởng và thời gian sinh trưởng của cây trồng ở vùng vĩ độ cao, tuy bị độ nhiệt hạn chế rõ rệt, nhưng chiếu sáng ngày dài và năng lượng ánh sáng phong phú của mùa hạ đủ để bù lại sự hạn chế của độ nhiệt thấp, có tác dụng quan trọng đối với tính ổn định của sản xuất đồng ruộng. Yếu tố khí hậu, nhất là lượng mây, có ảnh hưởng rất lớn tới điều kiện chiếu sáng. Ðiều kiện chiếu 60 sáng ở vùng nhiệt đới có sự khác 50 nhau giữa mùa mưa và mùa khô, số giờ chiếu sáng của mùa mưa ít hơn 40 40 - 50% so với mùa khô. 30 Bản thân thực vật cũng có thể làm thay đổi điều kiện chiếu sáng 20 của môi trường. Cường độ ánh sáng 10 lọt qua trong quần thể cây trồng giảm theo diện tích lá tăng và cây 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 vươn cao. Quần thể lúa nước sinh trưởng tốt, thân lá xanh tốt, mức lọt Cường độ chiếu sáng sáng giảm còn 20% trở xuống. Cỏ Hình 14.3. Sự khác nhau giữa các loài và dại trong quần thể cây trồng cạnh phản ứng ánh sáng quang hợp (Moss, 1963) tranh với cây trồng, tốc độ phát triển Ghi chú: và sinh trưởng của chúng bị sự thay Ngô Cỏ vịt (cỏ ba lá đỏ, cải đường, thuốc lá) đổi điều kiện chiếu sáng trong quần Cây sồi (Querous L.) nhiều loài thực vật thân gỗ thể cây trồng chi phối rất lớn. Cây họ thích (Aceracaea) (thực vật chịu râm) Thực vật trong quá trình tiến hoá, không ngừng biến đổi để thích ứng với các điều kiện chiếu sáng khác nhau trên mặt đất, qua đào thải tự nhiên một số loài còn sống lại, cùng với ảnh hưởng do con người bồi dục định hướng về mặt nông học, làm cho sự lựa chọn của loài càng nhanh. Sự khác nhau giữa các loài về cường độ quang hợp với cường độ chiếu sáng như hình 14.3, các cây trồng như ngô, mía, cỏ vịt (Dactylis glometata) trồng ở điều kiện đồng ruộng được mặt trời chiếu sáng tốt có cường độ quang hợp cao hơn một số thực vật như các cây họ thích (aceraceae) sống trong hoàn cảnh rừng có sự cạnh tranh về chiếu sáng. Ngoài ra, từ vùng vĩ độ cao chuyển sang vùng nhiệt đới vĩ độ thấp, từ đất thấp chuyển lên núi cao, từ vùng tương đối nhiều mây sang vùng tương đối nhiều ngày nắng cùng vĩ độ, loài thực vật có cường độ quang hợp cao hơn càng nhiều. 105
22. Thí dụ, các thực vật C4 như ngô, mía miến gốc ở nhiệt đới trồng ở điều kiện chiếu (1[1]) sáng mạnh, cường độ quang hợp của chúng cao hơn các thực vật C3 gốc ôn đới như lúa mì, luzec hoa tím, cải đường, thuốc lá; hơn nữa, phạm vi thích ứng nhiệt của quang hợp cũng cao hơn. Thực vật C4 còn có đặc tính sinh lý là nhu cầu nước để sản xuất 1 gam chất khô ít hơn so với thực vật C3. Trong thực vật núi cao thường có những loài có 2 cường độ quang hợp cao hơn, có thể đạt 100 mgCO2/cm h. Cỏ dại chủ yếu trên đồng ruộng thường là thực vật C4, ở điều kiện chiếu sáng mạnh, cường độ quang hợp cao. Cỏ dại sở dĩ sinh tồn được trong ruộng không những vì chúng có tính thích ứng rộng hơn với nước và nhiệt độ, thân lá và rễ phát triển nhanh, tốc độ và số lượng nẩy mầm của hạt giống cao, mà còn có quan hệ chặt với việc chúng có thể lợi dụng được đầy đủ điều kiện chiếu sáng tốt của đồng ruộng và có cường độ quang hợp mạnh. Mức hút và hiệu suất sử dụng năng lượng của quần thể cây trồng Như đã nêu ở trên, thực % % vật trong quá trình tiến hoá lâu 40 70 dài một số loài thích ứng được với điều kiện chiếu sáng được t qua (t) ọ a chọn ra. Các loài thực vật này c l ứ 30 trong thời gian sinh trưởng 60 tương đối ngắn nhờ mở to t ng (oC) (a) m g n phiến lá và vươn cao cây lên, ượ hút và cố định năng lượng ánh ượ ng l ă sáng với mức độ lớn nhất. ng l 20 50 ă a c n ứ n Hình 15.3 là sự cân bằng ạ M năng lượng của quần thể lúa n x Trỗ bông nước ở trạng thái sinh trưởng ả bình thường (chỉ số diện tích c ph ứ 1 11 21 1 11 21 1 11 lá lớn nhất là 3,5). Ánh sáng M Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 chiếu tới trong quần thể, một phần từ tầng mặt quần thể Hình 15.3. Sự chuyển đổi cân bằng năng lượng phản xạ đi, tương đương với trong quần thể lúa nước (Murata và ctv., 1968) 17 ∼ 20% của ánh sáng chiếu vào, trong suốt thời gian sinh trưởng, chênh lệch rất nhỏ. 1[1] ( ) Thực vật C3 ở giai đoạn đầu khử CO2 đã tạo ra PGA(C3) của đường cacbon từ RuDP (ribulodifofat). Trái lại, thực vật C4 sinh ra từ axit oxaloaxetic (C4) của đường 4 cacbon từ DEF (fotfoenola piruvat). Thực vật C3 có hệ hô hấp ánh sáng nhỏ CO2 dưới điều kiện ánh sáng mặt trời; thực vật C4 không có hệ hô hấp ánh sáng. Trong quang hợp của thực vật C3 có hô hấp ánh sáng xem ra là vô dụng, hiện nay ý nghĩa sinh học của hoạt động đó vẫn chưa rõ ràng. Về đặc trưng giải phẫu hình thái, lá của thực vật C4 có bao bó mạch có diệp lục, thực vật C3 không có mô này. Vì thế, việc có hay không có bao bó mạch có diệp lục là một đầu mối quan trọng có thể phán đoán một cây chưa biết nào đó thuộc thực vật C3 hay C4. Phần nhiều thực vật gốc ở nhiệt đới là thực vật C4 nhưng lúa nước là ngoại lệ, thuộc thực vật C3. 106
23. Mức hút năng lượng của quần thể tăng theo sự sinh trưởng phát triển, sau khi trỗ bông khoảng 20 ngày, đạt đến trị số lớn nhất, khoảng 70%. Mức lọt qua và mức hút đại thể là có quan hệ nghịch, khi thân lá xum xuê nhất, mức lọt qua giảm nhiều, tương đương dưới 20% ánh sáng chiếu vào. Sự biến đổi về cân bằng năng lượng này có quan hệ chặt chẽ với sự tăng giảm diện tích lá, trỗ bông và sự biến đổi hình dạng cây tương ứng. Nhưng mức hút năng lượng ánh sáng của lá lại có khác biệt rõ rệt do bước sóng của quang phổ mặt trời. Theo Gates và Loomis (1965), mức hút của lá ở vùng màu xanh da trời (0,4 ∼ 0,5 µm) là 80 - 95 %, vùng màu xanh lục (05 ∼ 0,6 µm) là 60 - 80 %, vùng màu đỏ (0,6 ∼ 0,7 µm) là 80 - 90% còn ở vùng hồng ngoại (0,7 ∼ 1,1 µm) thì chỉ hút 5%, phần lớn năng lượng ánh sáng mất đi theo phản xạ hoặc lọt qua. Ðiều đó cho thấy lá là cơ quan quang hợp có đặc tính hút lựa chọn đối với năng lượng của bước sóng hữu hiệu (0,4 ∼ 0,7 µm) để tiến hành các phản ứng quang hoá học. Trong số năng lượng ánh sáng mà quần thể cây trồng hút thì bao nhiêu năng lượng được quang hợp cố định? Biểu thị bằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng (E ∅) và hiệu suất sử dụng năng lượng (Eµ) như sau: K.∆W K.∆W E∅ = E µ = Σα. S Σ S K: nhiệt đốt 1 gam chất khô, lúa nước là khoảng 3.760 cal/g, suốt trong thời gian sinh trưởng hầu như không thay đổi; ∆W: lượng tăng chất khô (g/m2); α: tỷ suất hút năng lượng; S: lượng chiếu sáng của mặt trời (cal/m2/ngày). Hình 16.3 chỉ rõ % ) ∆W hiệu suất chuyển đổi 2 Φ g/m /ngày năng lượng (E∅) tương ứng với sự sinh ng (E 8 40 ) trưởng phát triển của ượ W 7 EΦ ∆ ( quần thể lúa nước. ng l Trước khi trỗ bông có ă 6 30 i n t khô 5 ấ trị số khoảng 4,7%, đổ n thời kỳ trỗ bông là ể 4 20 ng ch uy ∆W 6,9%, là trị số lớn ă nhất, sau đó giảm rất t ch 3 ng t ấ Trỗ bông 10 nhanh. Nói một cách 2 ượ u su L khác, trong số năng ệ 1 lượng ánh sáng được Hi hút quang hợp cố định 0 21 1 10 21 1 11 Ngày tháng được không quá 7% Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 (hiệu suất sử dụng Hình 16.3. Sự chuyển đổi hiệu suất chuyển đổi năng lượng năng lượng là 3,7%), trong quần thể lúa nước (Murata và ctv, 1968) phần rất lớn năng lượng hút được bị mất đi qua bốc hơi nhiệt và phóng xạ nhiệt. 107
24. Hình 16.3 cho thấy, hiệu suất chuyển đổi năng lượng sau khi trỗ thấp đi rất nhanh là do: 1/ Lá hoá già dẫn đến hạ thấp cường độ quang hợp. 2/ Cường độ quang hợp của bông thấp nhưng hút ánh sáng lại tăng. 3/ Góc mở của lá đã nằm ngang làm giảm hiệu suất sử dụng năng lượng ánh sáng. Do đó, một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng là phải chọn giống sau khi trỗ bông có tư thế thu nhận ánh sáng tốt và bón phân hợp lý để nâng cao cường độ quang hợp. 5. Sự chuyển hoá năng lượng của đồng ruộng Trong số năng lượng cố định nhờ quang hợp, có một phần bị tiêu hao để duy trì các hoạt động sống của thực vật, như sinh tổng hợp và vận chuyển vật chất protit, lipit, nhiều loại đường và sự sinh trưởng, sinh sản của bản thân thực vật. Trong đó, tỷ lệ lượng hô hấp so với tổng lượng quang hợp có sự khác nhau do tỷ lệ giữa phần đồng hoá và phần không đồng hoá của quần thể, do điều kiện nhiệt độ, điều kiện phân bón theo nghiên cứu ở quần thể cây trồng, hàng năm là khoảng 30 ∼ 40%. Trong số chất hữu cơ mà cây trồng sản xuất ra có tới 70 ∼ 90% bị lấy ra khỏi đồng ruộng. Lượng để lại đồng ruộng như lá rụng, gốc, rễ rất ít. Trong các cây trồng, tỷ lệ giữa lượng để lại so với toàn bộ lượng chất hữu cơ, đạt lớn hơn cả là cây đậu tương, khoảng 30%; lúa cạn, ngô, khoai, chỉ khoảng 10 - 20%. Chất hữu cơ thu hoạch từ đồng ruộng, làm thức ăn cho người và gia súc, trong đó có một phần phân chuồng và phần rác trả lại đồng ruộng, cùng với lượng chất hữu cơ còn lại trên đồng ruộng được vi sinh vật phân giải, biến thành nhiệt và toả vào không trung. 553 x 103 Lượng bức xạ của mặt trời 3,72 x 103 Bông 3 3,72 x 10 Thân 3 0,93 x 10 Lá 0,24 x 103 Rễ Hình 17.3. Lượng tích trữ năng lượng cố định của lúa nước trong các bộ phận (kcal/m2) 108
25. Ghi chú: Hình 17.3. căn cứ vào số liệu của Trại thử nghiệm nông nghiệp Nagano thực hiện theo "Chương trình sinh học quốc tế ở Nhật Bản" (JIBP)(2[2]) và nhóm nghiên cứu năng suất lục địa (PP)(3[3]), mẫu lấy là giống lúa Mantya, thời kỳ lấy mẫu là 27 tháng 9 (lúa chín), trị số biểu thị bằng kcal/m2. Năng lượng tích trữ của các cơ quan tính theo lượng nhiệt toả ra khi đốt (cal/g) × lượng chất khô (g/m2). Nhiệt đốt cháy: bông = 4.040, lá tươi = 3.930, lá khô = 3.580, thân (kể cả bẹ lá) = 3.400, rễ = 3.330. Bảng 6.3 trình bày mối quan hệ giữa năng suất chất khô và hiệu suất sử dụng năng lượng của các loại cây trồng khác nhau nhằm phân tích quan hệ của điều kiện khí tượng và sản lượng cây trồng trong điều kiện Nhật Bản. Năng suất cây trồng ở đây đạt đến mức khá cao so với các nông hộ thông thường. Hiệu suất sử dụng năng lượng có sự khác biệt tuỳ cây trồng, ngô là cao nhất, đậu tương là thấp nhất. Hiệu suất sử dụng năng lượng cao nhất mà các thí nghiệm đó đạt được như sau: Lúa nước 1,64%, đậu tương 1,13%, ngô 2,18%, cải đường 1,8%. Hiệu suất sử dụng năng lượng tính theo năng suất kinh tế thì cải đường là cao nhất, đậu tương thấp nhất, theo toàn bộ lượng chất khô, thì trị số này là 1/2 - 1/3 hiệu suất sử dụng năng lượng. Bảng 6.3. Quan hệ năng suất chất khô và hiệu suất sử dụng năng lượng của các loài cây trồng khác nhau (JIBP/PP, 1970) Hạng mục Lượng NAR(4[4]) Trọng lượng hạt Hiệu suất chất khô (g/m2 diện (trọng lượng củ) sử dụng năng (tấn/ha) tích lá/ngày) (tấn/ha) lượng (%) Loài Năm cây trồng 1967 1968 1967 1968 1967 1968 1967 1968 Lúa 15,05 14,64 11,54 15,86 6,08 6,33 1,17 1,26 Ðậu tương 7,28 9,99 7,60 8,05 2,87 2,76 0,17 0,81 Ngô 18,38 16,68 16,66 13,35 9,07 7,56 1,52 1,36 Cải đường 16,37 20,01 9,67 10,28 10,17 12,27 1,16 1,18 Ghi chú: Hiệu suất sử dụng năng lượng là trị số lấy được trong suốt cả thời gian sinh trưởng. NAR là trị số lớn nhất. Trong điều kiện khí hậu Việt Nam, nếu trồng trọt thâm canh với các cây trồng thì hiệu suất sử dụng năng lượng của chúng có thể mong muốn đạt từ 2,5 đến 5,0 trên đất tốt (đất màu mỡ, thâm canh cao) và từ 1,5 đến 3,5 trên đất bạc màu, ít được thâm canh (bảng 7.3). Ðồng thời hiệu suất năng lượng cũng khác nhau theo thời vụ và loài cây trồng. Từ đó cho thấy, trong điều kiện khí tượng Việt Nam, trị số giới hạn trên của hiệu suất sử dụng năng lượng có thể đạt được với tiền đề các giống cây trồng và phương pháp trồng trọt hiện có từ 5,0% trở lên sẽ tăng thêm không được bao nhiêu. (2[2]) JIBP (Japan International Biological Programme): Chương trình sinh học quốc tế Nhật Bản. (3[3]) PP: Nhóm nghiên cứu năng suất lục địa (4[4]) NAR (Net Assimilation Rate): Suất đồng hoá thuần (còn gọi là hiệu suất quang hợp thuần) 109
26. Bảng 7.3. Các giá trị cực đại của hệ số sử dụng hữu hiệu bức xạ quang hợp trong điều kiện của Việt Nam Hệ số sử dụng hữu hiệu bức xạ quang hợp Năng lượng Hệ số Cây trồng Vụ trồng thu được khi đốt Ðất màu Ðất kinh tế mỡ, thâm bạc màu, ít cháy 1g chất khô canh cao thâm canh Ðông xuân 3,00 1,50 0,55 Lúa 3.760 Hè 2,85 1,50 0,50 Ðông 4,50 2,50 0,30 Ngô Xuân 4,50 1,50 0,30 3.660 Hè thu 2,50 1,50 0,25 Ðông xuân 2,50 1,50 0,34 Ðậu tương 4.100 Thu đông 2,50 1,50 0,34 Ðông xuân 2,50 1,50 0,57 Lạc 3.000 Hè thu 2,50 1,50 0,40 Khoai tây Ðông xuân 5,00 3,50 0,71 1.000 Nguồn: Trần Ðức Hạnh và cộng tác viên, 1997 Có thể căn cứ vào trọng lượng khô của các cơ quan cây trồng, kể cả lượng chất khô của cây trồng để suy ra năng lượng mà cây trồng đồng ruộng cố định được đã chuyển hoá theo hướng và mức độ như thế nào. Nhưng chính xác hơn vẫn phải biểu thị bằng năng lượng. Thí dụ, tính toán năng lượng của các cơ quan lúa nước (như hình 17.3), có thể thấy trong số năng lượng được cố định, 53% ở phần bông, 44% ở thân lá, 2% ở phần rễ. Phần rất lớn bông và thân lá làm nguồn năng lượng của người và gia súc, bị lấy ra khỏi đồng ruộng, do đó nếu không có phân chuồng, phân rác để trả chất hữu cơ lại đồng ruộng, thì nguồn năng lượng cho vi sinh vật đất ruộng, nói chung, chỉ có dưới 10% số năng lượng mà cây trồng cố định được. Do giảm bớt nguồn năng lượng cho vi sinh vật đất, dẫn đến làm xấu dần đặc tính lý - hoá của đất liên quan tới hoạt động của vi sinh vật đất, và ảnh hưởng tới sản xuất cây trồng. 6. Tuần hoàn vật chất của đồng ruộng Chức năng của hệ sinh thái gồm chủ yếu các giai đoạn sau: (1) thực vật màu xanh lục hút năng lượng ánh sáng, sản xuất chất hữu cơ; (2) động vật và thực vật dị dưỡng tiêu dùng và dị hoá chất hữu cơ; (3) dưới tác dụng của vi sinh vật, chất hữu cơ bị phân giải thành chất vô cơ và dạng thích ứng. Trong đó, quá trình sản xuất chất hữu cơ của thực vật xanh lục và quá trình 110
27. phân giải của vi sinh vật là không thể thiếu được đối với sự duy trì chức năng của hệ sinh thái, hơn nữa hai quá trình đó phải giữ được quan hệ cân bằng động thái. Giữa sinh vật và môi trường có đến vài chục loại trao đổi chất, đó là một số nguyên tố cần thiết cho thực vật như C, H, O, P, N, P, K, S, Zn, Cu, Mn, Fe, B, Mo, Ca, Mg Trong các nguyên tố này, thiếu bất kỳ một nguyên tố nào, đời sống sẽ có thể bị ngừng lại. Nguồn C là ở CO2; nguồn O ở O2, CO2 và H2O; H ở H2O; N lấy từ các hợp chất đạm hoá trong đất như muối NO3 và muối NH4, suy cho cùng là từ N2 trong không khí, các nguyên tố khác đều lấy từ chất khoáng trong đất, tốc độ cung cấp những vật chất đó cho thực vật chịu ảnh hưởng của lượng cung cấp và tính hữu hiệu. Hàm lượng CO2 trong không khí chỉ là 0,03% nhưng do hô hấp của sinh vật, hoạt động của núi lửa, toả ra từ các đại dương, đốt cháy than và dầu mà được cung cấp không ngừng, do đó nói chung có thể cân bằng được giữa tiêu thụ và cung cấp cho hoạt động quang hợp của thực vật. O2 trong không khí hết sức phong phú, trong môi trường lục địa, trừ ở loại đất kém thông khí ra, O2 hầu như không phải là một nhân tố hạn chế. N và H2O mặc dù có phong phú, nhưng lượng hữu hiệu trong đất có thể cung cấp cho thực vật trực tiếp hút nếu không quá ít thì lại quá thừa, dễ dẫn đến gây tác hại, có ảnh hưởng rất lớn đối với chức năng của thực vật. Lượng cung cấp các nguyên tố như P, K, Zn có sự khác biệt rõ rệt tuỳ thuộc điều kiện đất. Ở một vùng nhất định, do thiếu các thành phần dinh dưỡng này mà ảnh hưởng rất lớn đến năng suất cây trồng. Nhưng so sánh với N và H2O thì thường lượng cung cấp của chúng tương đối ổn định. Do đó, dưới đây chủ yếu lấy N và H2O để nói rõ sự tuần hoàn vật chất của đồng ruộng. Tuần hoàn của đạm Cố định đạm từ trong không khí: Đạm mà thực vật sử dụng suy cho cùng là bắt nguồn từ đạm ở dạng phân tử trong không khí. Nhưng rất nhiều thực vật không thể trực tiếp lợi dụng đạm ở dạng phân tử, chỉ hút đạm của hợp chất đạm hoá như muối nitrat và muối amon. Có những loài thực vật có thể cố định đạm từ trong không khí, như vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây bộ đậu, tảo xanh, loài vi khuẩn quang hợp và vi sinh vật dị dưỡng Azotobacter, Clostridium Những sinh vật cố định được đạm này có tác dụng quan trọng đối với sự cân bằng đạm của tự nhiên. Khuẩn nốt sần cộng sinh với cây bộ đậu tiếp thu hợp chất gluxit từ ký chủ, làm nguồn năng lượng cần thiết để khử đạm dạng phân tử, rồi lại trả axit amin tạo ra cho ký chủ. Lượng đạm cố định được của khuẩn nốt sần có sự khác nhau do chủng loại ký chủ và dòng khuẩn. Như hình 18.3 cho thấy, trong số những cây bộ đậu, luzec hoa tím, cỏ ba lá trắng có lượng đạm cố định được tương đối cao, có thể vượt 200 kg/ha, lạc và đậu tương cũng được khoảng 50 kg/ha. Lượng đạm cố định được của luzec hoa tím có thể đạt đến bằng 2-3 lần lượng hút của thực vật không phải bộ đậu lấy ở đất trong một năm, điều đó nói rõ việc đưa cây bộ đậu vào hệ thống luân canh có hiệu quả giữ độ màu mỡ của đất như thế nào. Trong những vi sinh vật không cộng sinh, có các vi khuẩn dị dưỡng có thể cố định đạm như Azotobacter, Clostridium, Aerobacter; các vi khuẩn quang hợp cố định đạm là Rhodospirillum, Chromotium, Chlorobium, Rhodomicrobium; tảo xanh 111
28. cố định đạm là Nostoc, Calothrix. Trong số các vi sinh vật này, lượng đạm cố định của Azotobacter, Clostridium và tảo xanh tương đối cao. Tảo xanh thích ứng được điều kiện môi trường khá rộng, nhất là dễ phát triển trong nước. Tảo xanh cố định đạm có thể nâng cao hàm lượng đạm của ruộng nước, đã được nêu rõ từ năm 1943. Sau Chiến tranh thế giới lần thứ hai, người ta đã phát hiện nhiều loài tảo xanh ở vùng nhiệt đới, có năng lực cố định đạm tương đối cao, đã tiến hành thí nghiệm cấy giống nhiều lần trên đồng ruộng. Kết quả chứng mình rằng, khi tảo xanh sinh trưởng phát triển tốt, đã tăng ) ha 250 cao lượng hút đạm của lúa nước, năng g/ (k suất thóc tăng 5-15%. Ðộ nhiệt thích h n 200 đị hợp cho sinh trưởng của tảo xanh là 30 ố 0 - 35 C và cần chiếu sáng đầy đủ cho c 150 ợ quang hợp. Ruộng nước ở vùng nhiệt đư đới Ðông Nam Á, Ấn Ðộ có điều m 100 đạ kiện thích hợp cho tảo xanh sinh trưởng ng ượ 50 phát triển. Do đó, tảo xanh có tác dụng L quan trọng đối với sự cân bằng đạm 0 g n của ruộng nước. Vi sinh vật không n ắ a g đỏ tr n cộng sinh ở đây như Azotobacter, á ơ à L l lá ư tím t H a Clostridium đều lợi dụng năng lượng tự b u u ba c ỏ ỏ ạ Hoa Đậ Đậ C C do khi chất hữu cơ oxi hoá, vừa khử L đạm, vừa tạo ra hợp chất cần cho các Hình 18.3. Lượng đạm cố định được khuẩn thể. Vì thế, lượng đạm cố định của cây bộ đậu (Erdman, 1959) được của các vi khuẩn này dễ bị ảnh Ghi chú: Trích dẫn của Tisdale và Nelson; hưởng của điều kiện chất hữu cơ do rễ Dinh dưỡng đất và phân bón tiết ra và những mô rụng ra, đáp ứng cho sự sinh trưởng của Azotobacter và Clostridium. Theo ước tính, năng lực cố định đạm của các vi khuẩn này là khoảng 7 kg/ha. Như vậy, lượng cố định đạm của các vi sinh vật không cộng sinh này thấp hơn khuẩn nốt sần. Ngoài đạm cố định do sinh vật ra, còn có axit nitric, amon do mưa cung cấp. Có amon trong không khí là do khí thải của các nhà máy và amon bốc hơi từ mặt đất. Axit nitric có từ hiện tương phóng điện trong không khí và khí thải của các nhà máy. Theo nhiều tài liệu thì sự cung cấp đạm nước mưa dao động từ 1 - 62kg/ha/năm, phần nhiều là dưới 10kg/ha. Phân giải chất hữu cơ và quá trình chuyển biến: Các hợp chất đạm trong xác và chất bài tiết của động vật và thực vật bị một số loại nấm và vi khuẩn phân giải, qua hợp chất amôn và axit amin biến thành muối. Protein Æ R - NH2 + CO2 + các chất khác R - NH2 + HOH Å NH3 + R - OH 112
29. Những vi sinh vật tham dự các quá trình phân giải này, trong đất khô hạn chủ yếu là các loài khuẩn, còn trong đất ẩm ướt và ngập nước thì vi khuẩn có tác dụng chính. Những biến đổi sau khi tạo thành amôn là: (1) dưới tác dụng của vi khuẩn nitrat hoá, qua oxi hoá axit hữu cơ thành axit nitric, (2) trực tiếp cho thực vật hấp thu; (3) để cho vi sinh vật dị dưỡng phân giải gluxit. Trong đất thông khí tốt, amôn hầu như chuyển toàn bộ thành nitrat. Nitrat hoá chia làm hai giai đoạn: quá trình NH3 Æ NO2 và quá trình NO2 Æ NO3. Các quá trình oxi hoá này được hoàn thành nhờ hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng. Dưới tác dụng của Nitrosomonas, amon biến thành muối nitric dưới tác dụng của Nitrobacter, muối nitric oxi hoá thành muối nitrat. Các vi sinh vật này lợi dụng năng lượng tự do khi oxi hoá axit nitơ và amôn để tiến hành khử CO2, nên có thể sinh sống được chỉ bằng chất vô cơ. Trong quá trình amôn biến thành nitrat, về cơ bản là cần oxi, cho nên ở điều kiện kỵ khí, vi khuẩn nitrat hoá sẽ không hoạt động. Tuần hoàn đạm ở điều kiện kỵ khí, amon có hình thành cũng sẽ ngừng lại. Trong đất thông khí tốt, tốc độ oxi hoá từ NO2 sang NO3 nhanh hơn tốc độ hình thành NH3 sang NO3, hơn nữa tốc độ hình thành NO2 nhanh hơn tốc độ NH3, do đó NO3 được tích lũy trong đất. Nói chung, thực vật sinh trưởng trên đất khô hạn được bón muối nitrat thì sinh trưởng tốt hơn so với bón muối amon. Ngược lại, lúa nước ở ruộng ngập nước thì bón muối amôn tốt hơn. Ðiều này có liên hệ chặt chẽ với các hợp chất đạm chủ yếu của môi trường. N2 trong không khí sinh trung c Ðộng vật ăn cỏ ng ọ ộ Ðộng vật ăn thịt ng sinh t xanh hông ộ ậ ông c n k t c c v ệ ậ i N2 ự Sinh vật ký sinh đ n t kh ế ậ Hoá chất đạm Th Phân hoá h tưới thêm vào a bi ủ Vi sinh v Phóng Xác và chất n bài tiết m c Vi sinh v ẩ Mất đi do nước ẩ Các loài nấm và gió n ph ả Vi khu và vi khuẩn S m đạ NO3 NH3 ử n kh ẩ 2 NO Vi khu Nitrobacter Nitrosomonas Hoà tan Hình 19.3. Quá trình chủ yếu của tuần hoàn đạm trong tự nhiên 113
30. Phần lớn nitrat nói trên được thực vật hút, phần còn lại bị mất đi do mưa rửa trôi và tác dụng phản nitrat hoá. Khi nước trong đất ở trạng thái bão hoà do mưa hoặc ngập nước, do thiếu ôxi mà sinh ra phản nitrat hoá. Có thể nêu ra một số khuẩn phản nitrat hoá: Pneudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus Chúng lấy O2 từ NO2, khử thành N2 và thoát ra khỏi đất. Hình 19.3 là quá trình chủ yếu của tuần hoàn đạm trong tự nhiên. Hợp chất đạm mà thực vật hút từ đất, một phần như gốc rễ được trả lại đất, phần còn lại được động vật và thực vật dị dưỡng tiêu thụ, lại biến thành các chất bài tiết và xác và trả lại đất. Những chất hữu cơ này dưới tác dụng của nhiều loài vi sinh vật, nấm, bị khử thành đạm ở dạng hữu hiệu. 15Nmg Trên thực tế trong tuần hoàn này, 500 đạm bị mất đi khá nhiều. Phần lớn phân Đạm mất người và gia súc theo nước thải chảy ra 400 Đạm được đất giữ biển; do tưới, do mưa mà số lớn đạm trong đất bị rửa trôi, cuối cùng chảy vào 300 biển. Số đạm này, một phần được trả lại bằng phân bón có nguồn gốc từ sản phẩm của biển, nhưng phần rất lớn là ở 200 Đạm được cây trồng hút dạng mà thực vật lục địa hầu như không thể sử dụng được nữa, nghĩa là bị loại ra 100 ngoài hệ thống tuần hoàn. Ðạm cố định bằng con đường sinh học nhờ khuẩn nốt sần của cây họ đậu và vi sinh vật không 0 1956 1957 1958 1959 1960 1961 cộng sinh, đạm cố định, do phóng điện Năm trong không khí và đạm của phân hoá Hình 20.3. Quan hệ về bón phân hoá học học được sử dụng đã bù đắp những mất và cân bằng đạm của đất (Jansson, 1963) mát đạm như vậy, nhờ đó mà giữ được Ghi chú: Trích từ Soil - Plant Relationship của Black cân bằng đạm của môi trường lục địa. Quan hệ của việc dùng phân hoá học và sự cân bằng đạm trong đất: Sự cân bằng đạm của đồng ruộng bị nhiều nhân tố hạn chế. Dưới tác dụng của vi sinh vật, chất hữu cơ của đất biến thành chất vô cơ hoặc chất vô cơ biến thành chất hữu cơ, sự hút đạm của thực vật và sự khử xác hữu cơ, sự mất đạm do phản nitrat hoá và bốc hơi và sự cố định đạm của khuẩn nốt sần hay vi khuẩn, mất do rửa trôi và được do bón phân, mất do nước và gió cuốn và được do tưới , quan hệ giữa các nhân tố này vô cùng phức tạp. Người ta đã dùng 15N để phân tích về biến đổi số lượng giữa chúng. Jansson (1963) đã quan sát trong khoảng thời gian 6 năm về ảnh hưởng của việc bón phân đạm đối với cân bằng đạm của đất. Trong thực nghiệm này, đậu Hà Lan được bón NaNO3, (NH4)2SO4 đánh 15 15 15 dấu bằng N, đã trồng 6 năm để nghiên cứu động thái của N. kết quả đo Na NO3 như hình 21.3. Năm đầu bón 500 mg 15N vào 5,5, kg đất cát, sau đó dùng phân thường để trồng trọt. Trong thực nghiệm, phần rửa trôi do mưa đều được trả lại cho đất. Như hình 20.3 114
31. cho thấy, thoạt đầu 15N bón vào có 57% được cây trồng hút, 17% toả mất vào không khí, còn lại 26% ở lại trong đất, mà phần lớn là đạm đã hữu cơ hoá. Năm thứ hai về sau, 15N còn lại được cây trồng hút với tỷ lệ rất thấp, chỉ bằng 2,6 - 3,9% hàm lượng trong đất lúc bắt đầu trồng. Với tỷ lệ như vậy thì phải 20 năm mới thu về được một nửa N đánh dấu. Ðiều đó nói rõ một khi đạm đã hữu cơ hoá thì việc vô cơ hoá sẽ cực kỳ chậm. Nishikaki từ năm 1955 đã tiến hành thí nghiệm truy tìm vết tích bón 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Năm thứ 15 110 N5 N. Thí nghiệm chứng minh, 1,4% N4 15 100 N của ( NH ) SO bón năm đầu được 3 hóc 4 2 4 N2 t 90 N g lúa nước năm sau hút, nếu năm nào 1 n 80 cũng bón (15NH ) SO thì tỷ lệ đó ượ 4 2 4 70 ng l chứa trong lúa nước cũng tăng hàng ọ 60 N0 Tr năm. Nghĩa là, ruộng nước do được 50 bón liên tục hàng năm bằng phân hoá 120 học loại amôn sunfat nên đã dần dần N6 110 u hình thành độ mầu mỡ đạm hữu hiệu. N ấ 100 4 Nhưng sự hình thành độ mầu mỡ đạm N3 ch 90 ng của đất quyết định ở những quan hệ N2 80 ượ phức tạp về hoạt động vi sinh vật với N1 70 ng l phần thu hoạch và để lại của cây ọ 60 Tr trồng, vì thế mà không thể nói, việc 50 `N0 bón phân hoá học hiệu lực nhanh luôn 40 luôn có thể dẫn đến tăng tốc độ màu mỡ đạm của đất. Hình 21.3. Biến đổi năng suất lúa nước do bón liên tục bằng phân hoá học (Joka, 1962) Joka từ 1962 đã tiến hành nhiều thí nghiệm về năng suất của lúa nước Ghi chú: No - không bón phân, 0kg/ha, N1 - 45kg/ha; N2 - 60kg/ha; và động thái đạm của đất khi chỉ dùng N4 - 90kg/ha; N5 - 105kg/ha phân bón hoá học với điều kiện bón phân như nhau trong thời gian khoảng 10 năm. Ðầu tiên năng suất lúa nước biến đổi từng năm như hình 21.3, tính theo trọng lượng thóc, trong 5 năm đầu thí nghiệm lượng bón phân thích hợp nhất là công thức N5. Nhưng sau đó lại xuống thấp dần từng năm, trị số cao nhất về trọng lượng thóc trong 3 năm cuối cùng là công thức N2. Mặt khác, nếu tính trọng lượng rơm rạ, thì bất kể năm nào cũng tăng theo lượng đạm tăng. Nói một cách khác lúa nước bón nhiều phân năng suất rơm, rạ hàng năm tuy cao, nhưng dần dần trở thành dạng thoái hoá kết hạt ít hơn. Ðể làm rõ nguyên nhân, hãy quan sát cacbon tổng số (T - C) và đạm tổng số của đất sau 10 năm thí nghiệm, như hình 22.3, cả hai đều lấy giới hạn ở lượng bón phân nào đó (công thức N3), từ tăng chuyển sang giảm. Ðiều đó nói rõ nếu nhiều năm liền bón lặp lại liều phân cao hiệu lực nhanh ở mức nhất định trở lên, tất sẽ dẫn đến tiêu hao độ màu mỡ của đạm. 115
32. T - C (%) T - N (%) Lúa nước bón phân liều cao liên T - C (tầng I) tục nhiều năm làm đất bị thoái hoá, độ màu mỡ tiềm tàng bị tiêu hao do 2,0 hiệu lực của phân không tiếp tục duy 2,0 trì được vào thời kỳ cuối sinh trưởng T - N (tầng I) của lúa. Ruộng nước thường xuyên T - C (tầng II) sử dụng nước bẩn của thành phố có chứa nhiều đạm dạng amon và chất 12 T - N (tầng II) 1,0 hữu cơ, cũng có hiện tượng tương tự như sự tiêu hao độ màu mỡ đạm của đất do dùng quá nhiều phân hoá học. 0 Hình 23.3 cho thấy, sau khi tưới N0 N1 N2 N3 N4 N5 nước bẩn, lượng đạm tổng số của đất 0 Hình 22.3. Biến đổi màu mỡ của đất đã giảm đi. Ở 30 C, ngập nước 4 tuần do liên tục dùng phân hoá học lễ lượng đạm được phân giải thêm rõ Ghi chú: Tầng I: 0 - 12cm; tầng II: 12 - 17cm rệt chứng tỏ đạm quá thừa dễ gây hại. Nói khác đi, đạm dạng amôn và chất hữu cơ trong nước bẩn hầu như chẳng có tác dụng gì để tăng thêm chất mùn cho đất, chỉ tăng thêm chất hữu cơ dễ phân giải. Như trên đã nói, độ màu mỡ đạm của đất tăng lên do bón phân hoá học nhưng khi bón vượt quá mức độ nhất định thì giảm xuống. Như đã biết, độ màu mỡ đạm của đất chỉ trong tình hình giải phóng ổn định mới có ảnh hưởng rõ rệt đến năng suất cây trồng. Mấy năm gần đây, lượng phân đạm bón cho ruộng nước ở Việt Nam đã vượt quá 80- 100 kg/ha/vụ, có nơi đến mức 120 kg/ha/vụ (Agroviet, 2002). Nhưng việc bón phân chuồng, phân rác lại giảm đi rõ rệt, hầu như đều được thay bằng phân hoá học. Trồng trọt mà dùng phân liều cao lệch về NH4-N (%) T-N ppm n 0 Ðất 30 C ẩ phân hoá học như vậy, đất bị suy 0,4 80 chu thoái lâu dài dẫn đến những hậu 60 quả khó lường trước được. 0,2 40 trung bình ố ch trên Tuần hoàn nước: Nước dưới ệ s 20 ị tác dụng của năng lượng mặt trời, Tr 0 0 Sai l tuần hoàn trên quả đất qua các quá 1953 1962 1953 1962 trình bốc hơi, ngưng đọng, lưu (nước trong) (nước bẩn) (nước trong) (nước bẩn) động. Sinh vật sống trong vòng Hình 23.3. Hàm lượng đạm trong đất tuần hoàn vô hạn đó của nước và trước và sau khi tưới nước bẩn chiếm giữ một phần trong lưu (Trại thí nghiệm Nông nghiệp Tokyo, 1967) chuyển của nước. Các đặc tính lý, hoá học: biến đổi năng lượng tính di động, tính hoà tan, tỷ nhiệt cao của nước có quan hệ chặt chẽ với toàn bộ hoạt động sống của sinh vật. 116
33. Mưa và lượng nước trong đất: Tổng lượng nước trên quả đất ước tính khoảng 165.000 x 109 acrơ - fut (5[5]), trong đó nước ngọt chiếm khoảng 7%. Phần lớn nước ngọt là nước ngầm và băng tuyết ở hai cực quả đất, cộng tất cả nước sông ngòi, ao hồ và nước trong đất dùng được trong nông nghiệp chỉ bằng khoảng 0,08% tổng lượng và chỉ bằng khoảng 0,05% lượng mưa hàng năm (bảng 8.3). Bảng 8.3. Ước tính lượng nước của thuỷ quyển quả đất (Ackerman, 1959) acrơ - fut So với lượng mưa năm Tổng lượng nước 165.000 × 109 1850 Toàn lượng nước ngọt 11.000 × 109 124 Nước ngầm 8.200 × 109 92 Sông và hồ 118 × 109 1.3 Nước trong không khí 12 × 109 0.14 Nước trong đất 6.5 × 109 0.07 Thực vật và động vật 0.9 × 109 0.01 Lượng mưa năm 89 × 109 1.0 Lượng chảy ra năm 17 × 109 0.2 Ghi chú: Acrơ = 0,4047 ha; fut = 0,3048 m Về mặt nông nghiệp, tuần hoàn nước quan trọng nhất là tuần hoàn lượng nước mưa. Lượng mưa ở Việt Nam khoảng 1920 mm/năm, nhưng khác biệt rất lớn giữa các vùng. Ví dụ lượng mưa cao nhất tại huyện Bắc Quang (Hà Giang): 4.802 mm, lượng mưa thấp nhất tại Phan Rí - Mũi Dinh (Ninh Thuận): 600 mm trong năm. Ðối với sản xuất cây trồng, sự phân bố mùa mưa quan trọng hơn lượng mưa. Ở vùng mưa nhiều, nếu phân bố mùa mưa không khớp với mùa cần nước của cây trồng thì dễ dẫn đến hạn hán. Tính không đều của phân bố mưa là một trong những đặc trưng tuần hoàn nước, không thể tránh khỏi. Ðất, với tư cách là vật hút chứa nước, có tác dụng quan trọng về mặt làm dịu tính không đều của tuần hoàn nước. Nước mà cây trồng hút được từ đất (nước hữu hiệu) thường biểu thị bằng trị số lấy lượng giữ nước lớn nhất của đất trừ đi lượng nước cây trồng không hút được (hệ số héo). Hình 24.3 cho thấy, nước hữu hiệu khác nhau tùy loại đất, đất thịt, đất thịt pha sét giữ được nhiều nước hữu hiệu hơn đất cát hay đất sét. Nhưng phản ứng của cây trồng đối với lượng nước trong đất dù trong phạm vi nước hữu hiệu cũng vẫn có khác nhau. Hình 25.3 cho thấy, thực vật trước khi héo, quang hợp thấp xuống rõ rệt, đó là do lượng nước trong đất ít đi, hút nước và thoát hơi nước ở trạng thái không cân bằng, khí khổng đóng kín lại. (5[5]) Lượng nước ngầm đến độ sâu 3.810 m. 117
34. 4 3 2 1 0 t t a n ị h cá p m t t cá t sét t sét t sét a t thô t t ị ị ị ị ị h h h h h t t t t t t sét t ph t cá t cá t cá ẹ n ng ị ấ ấ ấ ấ ấ ấ ấ ấ ấ ấ ặ m Ð Ð min Ð nh Ð Ð n Ð Ð Ð Ð Ð Hình 24.3. Quan hệ giữa loại đất và sức giữ nước (U.S.D.A. Yearbook, Agr, 1955) Hàm lượng nước trong đất giảm Ðại mạch Lúa nước (% so với sức chứa nước lớn nhất) 100 100 dẫn đến hạ thấp quang hợp cũng 80 80 khác nhau tuỳ loại cây trồng: lúa 60 60 57%; đậu tương 45%; đại mạch 41%; lạc 33% (Inoyama và ctv., 40 40 1961). Hình 20 cho thấy, lượng nước 20 20 cần tưới cũng khác nhau tuỳ loại đất 20 40 60 80 20 40 60 80 100 canh tác. Cân bằng nước của các lưu Lượng nước trong đất (tỷ lệ % so với lượng chứa nước lớn nhất) vực khác nhau và lượng nước dùng cho ruộng nước: Hình 25.3. Quan hệ giữa lượng nước trong đất và quang hợp Mưa phân bố không đều và Kí hiệu là chỉ hệ số héo chưa chắc đã khớp với nhu cầu nước của cây trồng, vì vậy muốn sản xuất ổn định cần có nguồn nước ổn định. Nhất là đối với nền nông nghiệp ruộng nước có nhu cầu nước nhiều hơn, sông ngòi có cung cấp nước đắc lực hay không, rõ ràng là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến sản lượng đồng ruộng. Nhưng nước không chỉ dùng cho nông nghiệp; thành phố và công nghiệp cũng dùng khối lượng nước rất lớn, nên phải nắm vững cân bằng nước theo lưu vực. Trên thế giới, diện tích đất được tưới tăng khoảng 36% từ năm 1970 - 1990. Tổng lượng nước sử dụng năm 1990 cho nông nghiệp khoảng 2.700 km3. Mặc dù diện tích được tưới chiếm 1/6 tổng diện tích canh tác nhưng nó sản xuất 1/3 sản lượng lương thực trên thế giới (Lê Văn Khoa và ctv, 1999). Như vậy việc sử dụng nước hiệu quả trong nông nghiệp sẽ đảm bảo an ninh lương thực của loài người. 118
35. Ở Việt Nam, nhìn chung số lượng nước và chất lượng nước đủ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Năm 1995, Việt Nam có hơn 5,6 triệu ha chủ động được tưới, 1,4 triệu ha chủ động tiêu. Bảng 9.3 cho thấy nhu cầu nước cho 7 vùng kinh tế sinh thái của Việt Nam khoảng 47 tỷ m3 vào năm 1990, 61 tỷ m3 năm 2000 và dự kiến nhu cầu sử dụng nước cho ngành nông nghiệp 74 tỷ m3 (Nguyễn Trọng Sinh, 1998). Tuy nhiên, hạn hán thỉnh thoảng vẫn xảy ra như vào đầu mùa khô năm 2004 ở miền Trung Nam Bộ và Tây Nguyên đã làm thiệt hại hàng trăm tỷ đồng do cây trồng bị khô héo và chết hàng loạt. Bảng 9.3. Nhu cầu nước cho nông nghiệp ở Việt Nam (triệu m3) Vùng 1990 2000* 2010* Miền núi và trung du Bắc Bộ 5.959,4 8.793,2 11.273,5 Ðồng bằng Bắc Bộ 7.283,8 7.750,0 9.067,5 Duyên hải Bắc Trung Bộ 5.353,3 6.206,6 7.699,8 Duyên hải Nam Trung Bộ 4.583,8 6.618,2 7.610,9 Tây Nguyên 1.792,6 2.888,3 4.324,5 Ðông Nam Bộ 3,622,5 4,951,6 6.719,3 Ðồng bằng sông Cửu Long 18.398,6 23,774,8 27.340,1 Tổng cộng 46.976,6 60.928,7 74.035,6 Nguồn: Nguyễn Trọng Sinh (1998) trích từ Lê Văn Khoa và ctv., (1999) Ghi chú: Mùa hạ tháng 6-9; lượng mưa cả năm: 1920 mm; lượng mưa mùa hạ: 1500-1700 mm; lượng tiêu dùng nước trong chính vụ ruộng nước (trồng lúa) là 10-20 m3/ngày. * Ước tính Lượng tiêu dùng nước của ruộng lúa bằng tổng của lượng bốc hơi, lượng thấm xuống đất và lượng chảy mất trên mặt. Lượng nước bốc hơi của ruộng lúa là 4-7 mm/ngày, ít sai khác giữa các vùng. Mặc dù sau khi lúa tốt có tác dụng che phủ, trị số đó cũng hầu như không thay đổi. Nước chảy trên bề mặt có thể được tiếp tục dừng lại, xem xét nước dùng cho cả khu vực rộng lớn thì thấy không thành vấn đề. Về lượng nước thấm xuống đất thì có khác biệt rất lớn, do tính vật lý của đất, mực nước ngầm dưới đất, ruộng nước được cầy lật hay không, ở ruộng nước thường thay đổi từ mấy milimet đến mấy chục milimet. Vì thế lượng tiêu dùng nước của ruộng nước có sự sai khác rất lớn, tuỳ theo cách xử lý đối với lượng nước thấm. Ðộng thái của nước thấm xuống đất vẫn còn một số điểm chưa rõ ràng, một phần nước thấm xuống đất có thể trở lại thành nước chảy bề mặt và được dùng lặp lại. Do nâng cao mức sử dụng lại nước, lượng tiêu dùng nước của ruộng nước diện tích lớn sẽ dần dần gần với lượng bốc hơi. Nhưng nước tồn tại lúc nào, nơi nào và với hình thức nào lại trở thành vấn đề đối với nông nghiệp. Ðể thoả mãn nhu cầu nước cho sinh trưởng phát triển và việc trồng trọt chăm sóc cây trồng, chủ yếu nhất là nhân tố thời gian. Diện tích ruộng nước của nước ta khoảng 4,24 triệu hecta (diện tích gieo trồng 7,35 triệu ha/2 vụ, 2003), không tăng nhiều 119
36. trong hơn một thập kỷ qua (Tổng cục Thống kê, 2002; Bùi Thị Hương và cộng tác viên, 2004). Nhìn về điều kiện phát sinh đất, đất ruộng có thể khai khẩn được đều đã khai khẩn hết. Mặt khác, trong quá trình khai khẩn lâu dài, hễ thiếu nước là bỏ hoang, kết quả qua vô số lần sai lầm như vậy, cuối cùng mới tìm được cân bằng tự nhiên giữa diện tích ruộng nước và nguồn nước. Thoát hơi nước của cây trồng và lượng nước cần: Thực vật có tác dụng quan trọng trong quá trình tuần hoàn nước. Trong những chất mà thực vật lấy ở môi trường thì lớn nhất là nước. Lúa nước sinh trưởng tốt, một ngày hút lượng nước khoảng 70 tấn/ha. Số nước hút này, có 5% dùng để duy trì chức năng của chất nguyên sinh và quang hợp, phần lớn số còn lại biến thành hơi nước thoát ra qua khí khổng. Quan hệ giữa các nhân tố bên trong như sự thoát hơi nước, diện tích lá, cấu trúc lá, độ mở của khí khổng với các điều kiện bên ngoài như cường độ chiếu sáng, độ nhiệt, độ ẩm, gió, lượng nước trong đất vô cùng phức tạp. Phần dưới sẽ đề cập tới quan hệ định lượng giữa chúng, ở đây chỉ nêu lên sự khác biệt giữa các loài cây trồng về sự thoát hơi nước ở điều kiện được tưới đầy đủ. 1,6 13 22 24 8 6 21 12 7 5 1,2 21 11 17 4 19 18 10 3 20 0,8 15 25 9 2 26 0,4 14 1 2 4 6 8 Chỉ số diện tích lá Hình 26.3. Tỉ số thoát hơi nước của các loài cây trồng khi chỉ số diện tích lá lớn nhất (Uchifuji 1969) 1. Rau diếp; 2. Xà lách; 3. Rau cần; 4. Su hào; 5. Bắp cải không cuốn; 6. Su lơ; 7. Bắp cải cuốn; 8. Bắp cải Sơn Ðông; 9. Khoai tây; 10. Khoai sọ; 11. Gừng; 12. Ớt xanh; 13. Cà; 14. Bí ngô; 15. Dưa hấu; 16. Lúa nước (1962); 17. Lúa nước (1963); 18. Lúa nước trồng cạn (1962); 19. Lúa nước trồng cạn (1963); 20. Ngô; 21. Dưa chuột (có cọc leo); 22. Dưa chuột (bò mặt đất); 23. Đậu tương; 24. Đậu tương; 25. Cây ngấy (Rubus); 26. Nho Hình 26.3 cho thấy quan hệ giữa tỷ số thoát hơi nước và chỉ số diện tích lá của các loài cây trồng ở điều kiện gần sát với sức chứa nước đồng ruộng, khi đạt đến diện tích lá 120
37. lớn nhất. Tỷ số thoát hơi nước còn gọi là lượng thoát hơi nước tương đối, là trị số tìm được do lấy lượng thoát hơi nước chia cho lượng bốc hơi khoảng trống (đo bằng chậu đo bốc hơi), dùng phương pháp này có thể loại trừ được ảnh hưởng của khí tượng. Từ hình 26.3 cho thấy, các cây trồng có chỉ số diện tích lá từ 3 trở xuống, diện tích lá càng lớn thì tỉ số thoát hơi nước càng cao. Nhưng khi chỉ số diện tích lá lớn hơn 3, cây trồng khác nhau sẽ không thay đổi gì nữa, trị số bình quân là 1,2. Ðiều này cho thấy rõ trước khi hình thành tầng tán cây, lượng thoát hơi nước do nhân tố cây trồng là diện tích lá quyết định; sau khi đã hình thành tầng tán cây thì lại chịu ảnh hưởng nhiều hơn của điều kiện khí tượng. Người ta cho rằng: trong quần thể cây trồng đủ nước và cây che đều hoàn toàn mặt đất, dù loại cây trồng khác nhau, chỉ cần suất phản xạ (albedo) giống nhau (màu sắc lá giống nhau), không kể loại hình đất như thế nào, thì khả năng bốc thoát hơi nước là cố định và do điều kiện khí tượng quyết định. Như vậy, hình 26.3 ở một mức độ nào đó là nhất trí với luận điểm này. Qua các báo cáo và tỷ số thoát hơi nước và khả năng bốc thoát hơi nước cho thấy, trị số này phần nhiều ở trong phạm vi 1,0 - 1,4, khác biệt giữa các loài cây trồng tương đối nhỏ (Uchifuji, 1969). Khi diện tích lá đạt đến mức nào đó trở lên, lượng thoát hơi nước của cây trồng có xu thế cố định, đó là do lượng chiếu sáng mặt trời quan hệ chặt chẽ với sự thoát hơi nước, có hạn độ nhất định. Diện tích lá như nhau, nhưng với từng loại cây trồng có sự khác nhau chút ít về lượng thoát hơi nước là vì có sự khác về lượng thu nhận ánh sách do cấu trúc tầng lá có khác nhau, có sai khác về suất phản xạ của tầng tán cây và có sự sai khác vê sự di động hiện nhiệt và tiềm nhiệt gây ra bởi dòng xoáy khi gió lay động và độ cao cây không đều. Lượng nước cần được dùng làm thước đo hiệu suất sử dụng nước của thực vật, là lượng nước cần thiết để sản xuất 1 gam vật chất khô. Lượng nước cần là tỉ số của lượng thoát hơi nước so với trọng lượng chất khô, nên nó cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường liên quan với hai nhân tố đó. Trị số lượng nước cần khác nhau ở các loài thực vật khác nhau. Hà Học Ngô (1986) và Lê Thị Nguyên (1984) đã nghiên cứu và tìm ra nhu cầu nước của các loại cây trồng chính ở vùng Đồng bằng sông Hồng (bảng 10.3). Bảng 10.3. Nhu cầu nước của một số loại cây trồng ở vùng Đồng bằng sông Hồng Cây trồng Lượng nước cần (m3/ha) Nguồn Ðậu tương đông 2390 Ðậu tương xuân 2886 Khoai tây 2594 - 2687 Lạc xuân 3347 Hà Học Ngô (1986) Thuốc lá đông 2974 Thuốc lá xuân 2652 Bắp cải 2498 - 3625 Lúa xuân 3000 - 3700 Lê Thị Nguyên (1984) Lúa mùa 4750 - 5890 121
38. Theo Lê Sâm (1995) và Lê Thị Nguyên (1984), lượng nước cần để tạo ra một tấn sản phẩm thay đổi theo mùa vụ trong năm. Ví dụ, đậu tương xuân yêu cầu 1.064 m3 nước, đậu tương hè thu yêu cầu 876 m3 (Nguyễn Tất Cảnh, 2000). Các nghiên cứu của Hà Học Ngô (1986) cho thấy đậu tương xuân cần nhiều nước hơn đậu tương đông, Lê Thị Nguyên (1994) đã tìm ra nhu cầu nước của lúa mùa lớn hơn rất nhiều so với lúa xuân. Nhiều công trình nghiên cứu của Việt Nam (Ðàm Xuân Hoàn, 1994; Nguyễn Tất Cảnh, 2000) cho thấy có mối quan hệ chặt giữa độ ẩm đất và lượng nước cần bình quân ngày của ngô vụ đông xuân và vụ xuân trên đất phù sa sông Hồng. Theo Nguyễn Tất Cảnh (1994), lượng nước cần của đậu tương vụ xuân trên đất thịt nhẹ (0,23 - 4,28 mm/ngày) có mức dao động lớn hơn so với mức nhu cầu của cây trên đất thịt trung bình (0,25 - 3,73 mm/ngày). Bảng 11.3 cho thấy lượng nước cần (mm/ngày) của ngô đông xuân tỷ lệ thuận với độ ẩm trong đất. Bảng 11.3. Quan hệ giữa độ ẩm đất và lượng nước cần bình quân ngày của ngô vụ đông xuân Lượng nước cần (mm/ngày) Ðộ ẩm tính theo % độ giữ ẩm tối đa Ðất thịt nhẹ Ðất thịt trung bình 80 - 100 1,29 1,27 70 - 79 1,13 1,10 60 - 69 0,62 0,57 Nguồn: Ðàm Xuân Hoàn (1994) Theo kết quả đo được của Akrron ở Colorado đối với 150 loài thực vật thì trị số này thay đổi rất lớn, từ 216 ở loài cỏ kê Kursk (Setaria) đến 1131 ở loài cỏ dại Fraseria. Vấn đề khác biệt về lượng nước cần giữa các loài thực vật đã được chú ý từ lâu, nhưng vẫn chưa rõ nguyên nhân. Gần đây, về mặt quang hợp người ta đã nghiên cứu sự khác biệt giữa các loài thực vật về sự tăng trọng lượng chất khô, dùng nó làm một trong những chỉ tiêu của lượng nước cần, khiến cho vấn đề được tiến triển. Như trên đã nêu, cường độ quang hợp của thực vật C4 cao hơn thực vật C3, như bảng 12.3, có thể thấy lượng nước cần của thực vật C4 thấp hơn rõ rệt so với thực vật C3, chỉ bằng 1/2 nhưng vì sao lượng nước cần của thực vật C4 thấp, thì lý lẽ vẫn chưa rõ ràng lắm. Căn cứ vào thực nghiệm của Shakawy và Hesketh (1965), lượng thoát hơi nước/cm2/h của ngô là thực vật C4 không chênh lệch lớn lắm so với hướng dương, yến mạch là thực vật C3. Nhìn vào kết quả này, nguyên nhân chủ yếu là lượng nước cần của thực vật C4 thấp có thể là do năng lực cố định CO2 cao, mức sinh trưởng tương ứng cũng cao, kết quả là làm giảm một cách tương đối lượng nước cần để sản xuất chất khô. 122
39. Bảng 12.3. Lượng nước cần của một số loài cây trồng phụ thuộc vào hệ thống quang hợp Hệ thống quang hợp Tên loài Lượng nước cần Kê chổi Panicum 267 Lúa miến 304 Thực vật C4 Ngô 349 Rau giền Amaranthus 260 Rau sam Portulacc 281 Ðại mạch 518 Lúa mì 557 Yến mạch 583 Cỏ mào gà Agropyren semicostarim 678 Lúa 682 Bông 368 Mạch đen 644 Thực vật C 3 Cà 487 Cải bẹ trắng 614 Cải dầu 714 Dưa hấu 377 Dưa chuột 686 Cỏ ba lá tía Trifolium incarratum 636 Luzec hoa tím 844 Nguồn: Shantz và Piemeisel (1927) Mặt khác, ngay trong cùng một loài cũng có thực vật C4 và cũng có thực vật C3. V.G. Alexandrop (1924) trong thời kỳ còn chưa biết thực vật C3 và C4 đã chỉ ra rằng các loài gần nhau về mặt phân loại, lượng nước cần của chúng cũng khác nhau, hơn nữa, lượng nước cần là bao nhiêu lại có quan hệ với mô lá có hay không có bao bó mạch có diệp lục. Như Atriplex laciniatum trong loại Atriplrex là thực vật C4 có bao bó mạch có diệp lục, tiêu phí 1000 gam nước, sản xuất 5 gam chất khô. Ngược lại, A. hortense (thực vật C3) không có bao bó mạch có diệp lục, chỉ sản xuất 3,4 gam chất khô. Trong họ Zygophyllaceae, Tribulus terrestris có bao bó mạch có diệp lục có lượng sản xuất chất khô trên mỗi đơn vị nước dùng cao hơn Zygophyllum fabago, Peganum harmala không có mô này. Alexandrop không có luận thuyết nào về tác dụng về bó mạch có diệp lục, Maximop cho rằng mô này có tác dụng thúc đẩy sản phẩm đồng hoá chảy nhanh và nhiều từ lá ra, do đó có thể tăng nhanh quá trình tích lũy chất khô trong thân thực vật, và suy luận, cũng có quan hệ với quá trình di động nước trong thân thực vật. 123
40. Lượng nước cần khác nhau theo loài, vậy thì giữa nó và tính chịu hạn có quan hệ gì? Vấn đề này đã được nhiều người chú ý. Ngay từ năm 1957 Burton đã thu được kết quả thực nghiệm rất thú vị về quan hệ giữa lượng nước cần và tính chịu hạn. Cỏ chăn nuôi (thực vật C4) dòng phương Nam trồng trong điều kiện nước khác nhau, trong đó một loài cỏ gà (Cynodon dactylon) có tính chịu hạn khoẻ, lượng nước cần khi lượng nước trong đất không đủ lại thấp hơn khi đất đủ nước. Một loài cỏ gà (Cynodon dactylon), một loài Paspalum sp., cỏ Pangola (Digitaria decumbens), thường thấy tính chịu hạn kém hơn thì ngược lại, trong trường hợp lượng nước trong đất không đủ thì lượng nước cần tăng thêm. Maximop căn cứ vào nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng tính chịu hạn và lượng nước không có quan hệ trực tiếp. Parker cho rằng tính chịu hạn có quan hệ với độ sâu và rộng của bộ rễ, kết cấu của nguyên sinh chất, độ dày của tầng mô sừng (cutin), tính phản ứng của khí khổng cũng không đề cập quan hệ với lượng nước cần. Song cùng với những tiến triển gần đây về nghiên cứu quang hợp, lượng nước cần giữa các loài có sự khác nhau, nguyên nhân ngày càng rõ ràng. Vì vậy, vấn đề quan hệ giữa lượng nước cần và tính chịu hạn cần được xem xét lại trong mối liên hệ với hệ thống quang hợp. Sự di động vật chất nhờ nước: Nước có tác dụng hoà tan, chuyển vận vật chất, do vận động của nước mà đất bị mất màu hay được thêm màu. Phần lục địa của quả đất không ngừng bị mưa bào mòn, đưa nhiều loại muối qua các dòng sông ra biển, số lượng này hàng năm đến 2.491 triệu tấn. Người ta thấy rằng, các dòng sông của hệ thống đá trầm tích, lượng Ca chảy qua khá lớn; các dòng sông của hệ thống đá macma (núi lửa) thì lượng chảy ra của oxit silic lại nhiều hơn. Ruộng nước sở dĩ màu mỡ hơn đất cạn vì ở trạng thái ngập nước có tảo xanh và vi khuẩn quang hợp tiến hành cố định đạm, sự phân giải chất hữu cơ ở trạng thái bị ức chế và được thiên nhiên bù đắp Ca, Mg, SiO2 và K có khá nhiều trong nước tưới. Hiện tượng tưới nước làm giàu đồng ruộng do động thái của nước ở ruộng nước, nhất là động thái của nước ngầm mà ta chưa biết rõ, hơn nữa còn lượng mưa và sự phân bố mưa, số lượng các chất dinh dưỡng vô cơ hoà tan trong nước sông biến động khá lớn, nên hiện nay chưa thể nêu rõ về mặt định lượng. Nền nông nghiệp dựa vào nước ở điều kiện khí hậu khô, có chiếu sáng đầy đủ, có thêm dinh dưỡng vô cơ cung cấp theo nước tưới, vì thế mà thu được năng suất cao. Nhưng ở điều kiện khí hậu này, tưới lâu dài làm cho các loại muối tích tụ trên mặt đất, thường dẫn đến giảm năng suất cây trồng. Vì vậy, để khử các loại muối tích tụ trong đất cần phải có đầy đủ nước. Nền nông nghiệp của Đồng bằng sông Cửu Long được duy trì nhờ sự cung cấp các chất dinh dưỡng vô cơ và các chất hữu cơ do sông Cửu Long không ngừng mang lại và tác dụng rửa mặn của nước lũ chu kỳ. Ngược lại, vùng ẩm ướt nhiều, đất bị bào mòn và tiêu hao dinh dưỡng rõ rệt, nhất là ở các vùng đất dốc, bào mòn là một vấn đề lớn. Ðể giữ nước và đất, mặt đất cần có cỏ tự nhiên hay các lớp thảm tự nhiên hay nhân tạo khác che phủ, và cần bón phân hữu cơ để hình thành cấu trúc viên bền trong nước, tiến hành trồng trọt theo băng và canh tác theo đường đồng mức. 124
41. TÓM TẮT • Hệ sinh thái đồng ruộng có quá trình phát triển lâu dài bao gồm sự biến đổi đạm tổng số và các chất dinh dưỡng khác trong đất kết hợp với diễn biến của cây trồng và cỏ dại. Các phương pháp điều khiển sự phát triển của cây trồng, hạn chế sự phát triển của cỏ dại và huy động thành phần dinh dưỡng trong đất được đề cập đến trong chương này. Số lượng và thành phần loài cỏ dại có sự thay đổi sâu sắc khi đất được thuần thục hóa. Ðặc biệt, phương pháp tưới gián đoạn và tưới muộn có khả năng điều khiển hàm lượng đạm vô cơ trong đất thông qua sự thay đổi mực nước ngầm cao hay thấp. • Khác với sự phân bố của thảm thực vật tự nhiên, sự phân bố và năng suất của cây trồng không hoàn toàn do điều kiện tự nhiên quyết định mà còn chịu ảnh hưởng của lịch sử cải tiến phương pháp tạo giống, phương pháp trồng trọt và ảnh hưởng của hoạt động xã hội. Lựa chọn cây trồng thích hợp với từng vùng sinh thái có nghĩa là chọn cây trồng phù hợp với điều kiện đất đai và khí hậu của từng vùng. Ðây cũng là chủ trương chuyển đổi cơ cấu cây trồng và vật nuôi của Chính phủ Việt Nam. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy trình bày sự biến đổi đạm tổng số của đất đồng ruộng và sự cân bằng vi sinh vật? 2. Quá trình diễn biến của cây trồng xảy ra như thế nào trên đồng ruộng? 3. Hãy nêu diễn biến của cỏ dại trên đồng ruộng? 4. Sự thay đổi về phương pháp tưới nước có ý nghĩa sinh thái như thế nào? 5. Hãy nêu mối liên hệ giữa phương pháp trồng lúa và tính hai mặt của cách tưới ngập? 6. Hai vấn đề mới của cách tưới ngập nước? 7. Mối quan hệ của sự vận động nước với đạm trong đất? 8. Sự khác biệt giữa tưới gián đoạn và tưới muộn? 9. Hãy nêu phương hướng lựa chọn cây thích hợp với vùng đất trồng ? 125
42. TÀI LIỆU ĐỌC THÊM 1. Ota Keizaburo, Tanaka Ichir, Udagawa Taketoshi và Munekate Ken, 1972 Sinh thái học đồng ruộng. NXB Nông nghiệp, Hà Nội 1981 (Bản dịch của Đoàn Minh Khang). 2. Masae Shiyomi and Hiroshi Koizumi. Structure and Function in Agroecosystem design and management. CRC Press. New York. 2001. 3. Nguyễn Tất Cảnh. Nghiên cứu mô hình mô phỏng động thái độ ẩm đất và chẩn đoán nhu cầu tưới cho ngô và đậu tương trên đất bạc màu Ðông Anh và phù sa sông Hồng, Gia Lâm. Luận án Tiến sỹ Nông nghiệp. ÐHNNI, Hà Nội. 2000. 4. Trần Ðức Viên. Sinh thái học nông nghiệp. NXB Giáo dục. Hà Nội. 1998. 5. Trần Ðức Viên (Chủ biên). Thành tựu và thách thức trong quản lý tài nguyên và cải thiện cuộc sống của người dân ở trung du - miền núi Việt Nam. NXB Chính trị Quốc gia. Hà Nội. 2001. 6. Tổng cục Thống kê. Niên giám thống kê 2003. NXB Thống kê, Hà Nội. 2004. 126
43. Chương IV ĐIỀU KHIỂN HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG Nội dung Trong lịch sử phát triển của loài người, hệ sinh thái đồng ruộng không ngừng được cải tiến và điều chỉnh theo hướng có lợi cho con người. Về phương pháp điều khiển, người ta thường nhấn mạnh đến kỹ thuật điều khiển vật lý, điều khiển hóa học, điều khiển sinh học (bao gồm lai tạo giống). Ảnh 1.4. Nghiên cứu tổ hợp ngô lai Ð5 X TN115 tại trường ÐHNN I (năm 2003) Các nội dung sau đây sẽ được đề cập trong chương này: • Ý nghĩa và phương pháp điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng • Ðiều khiển quá trình của hệ sinh thái đồng ruộng Mục tiêu Sau khi học xong chương này, sinh viên cần: • Hiểu được cơ sở lý luận và thực tiễn của các phương pháp điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng 127
44. 1. Ý nghĩa và phương pháp điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng Hệ sinh thái đồng ruộng trong điều kiện hoạt động của con người đã không ngừng được điều chỉnh theo chiều hướng có lợi nhằm cung cấp những sản phẩm cần thiết cho con người. Trên phương diện này, nó có thể được gọi là hệ sinh thái bị điều khiển. Tuy nhiên, con người đã phá vỡ mối cân bằng vốn có của thế giới tự nhiên do giới hạn về khoa học công nghệ cũng như nhận thức. Chính vì vậy, những tác động của con người trong sản xuất nông nghiệp cần được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng để đề ra các biện pháp khắc phục hợp lý. Về phương pháp điều khiển, người ta thường nhấn mạnh đến kỹ thuật canh tác; nói một cách tương đối, theo quan điểm cải tạo chức năng của hệ sinh thái thì chưa đầy đủ (Phạm Chí Thành và ctv, 1996; Trần Ðức Viên, 1998). Nhờ việc cải tạo bản thân cây trồng, tức là phát triển kỹ thuật tạo giống đã làm năng suất tăng vọt, đương nhiên không chỉ thoả mãn tính năng cho năng suất cao mà còn nâng cao cả tính chống chịu sâu bệnh và thiên tai, v.v Vấn đề điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng nêu trong chương này chủ yếu là cải tiến chức năng của hệ sinh thái nhằm nâng cao năng suất cây trồng. Phương pháp điều khiển có thể chia ra làm ba kiểu: điều khiển vật lý, điều khiển hoá học và điều khiển sinh học. Ðiều khiển vật lý Môi trường xung quanh cây trồng có thể hiểu là điều kiện khí tượng và khí hậu trong tầng không khí gần mặt đất, các điều kiện này thường có tác dụng bất lợi đối với sự sản xuất của cây trồng. Ðể có thu hoạch ổn định, phải khắc phục các điểm bất lợi đó, nghiên cứu cải thiện điều kiện khí tượng và khí hậu. Vì thế đặc biệt coi trọng nghiên cứu cấu trúc môi trường mà quan trọng là bức xạ mặt trời (chiếu sáng mặt trời) và hệ số khuếch tán. Ðối với bức xạ mặt trời, tác dụng của biện pháp nông nghiệp nhiều lắm mới chỉ là đề phòng độ nhiệt lên cao do chiếu sáng quá độ, hoặc dùng vật liệu che phủ để thay đổi suất phản xạ, hầu như khó gây được tác dụng nào tích cực hơn nữa. Trồng rừng chắn gió để giảm tốc độ gió, vật che chắn hay bờ đất cũng có thể giảm tốc độ gió gần mặt đất, nghĩa là có tác dụng đối với hệ số khuếch tán. Ðối với đất, nhờ cày bừa mà cải thiện tính chất vật lý của đất, tưới nước có thể điều khiển tình trạng nước của cây trồng, nếu không nói đến tác dụng nào khác, thì chính là để cải thiện tình trạng độ nhiệt gần mặt đất. Bảng 1.4 là một kết luận nhỏ về sự cải thiện điều kiện độ nhiệt gần mặt đất. Do có sự tồn tại của cây trồng, nên những tác dụng đó ít nhiều cũng có biến đổi, ảnh hưởng của bản thân cây trồng đối với nhiệt thì không lớn, nhưng sự tồn tại của cây trồng đã làm thay đổi mức lọt vào của ánh sáng hoặc làm giảm tốc độ gió, một số ảnh hưởng như vậy tương đối rõ rệt. 128