- Chu kỳ chất Đạm trong tự nhiên
Sự luân chuyển của N2 trong khí quyển là 1 sự cân bằng động, trong đó nhiều dạng N khác nhau được cố định trong đất và cùng lúc đó, nhiều tiến trình sinh học và hóa học giải phóng N2 trở lại khí quyển.
- Nhu cầu N của hầu hết các lòai cây trồng rất cao, trong sản xuất N thường là yếu tố dinh dưỡng giới hạn năng suất. Cây trồng hấp thu N để hình thành các Amino acids, amides, amines, các cấu trúc khung, các hợp chất trung gian như Proteins, chlorophyll, nucleic acids, proteins/enzymes điều hòa các phản ứng sinh hóa
- N là 1 phần tổng hợp cấu trúc diệp lục tố, nên khi thiếu N: lá xanh bẩn, vàng.
- N cũng là thành phần của DNA, RNA
N là nguyên tố dễ di chuyển trong cây, có thể chuyển vị từ lá già đến lá non. Do đó, triệu chứng thiếu đầu tiên thể hiện ở lá già, bên dưới.
Không như các nguyên tố dinh dưỡng khác, khi hấp thu thừa N, có thể tác hại đối với sản xuất còn lớn hơn khi thiếu N. N làm tăng cường sinh trưởng dinh dưỡng (thân lá, ra cành), tăng tốc độ quang hợp, khả năng sử dụng CH2O cao, kéo dài thời gian chín, mô cây mọng nước, dễ đổ ngã và nhạy cảm với sâu bệnh
3.1. Phân giải chất hữu cơ
3.2. Cố định N sinh học. Gồm cố định N sinh học do vi sinh vật công sinh và không cộng sinh
3.3. Cố định N trong khí quyển. Sấm sét và cố định công nghiệp
3.4. Phân hóa học. Phân hữu cơ, chất thải rắn sinh học
4.1. Lá hấp thu trực tiếp NH3 . Liều lượng hấp thu phụ thuộc vào nồng độ ammonia trong không khí, ngòai ra ammonia cũng có thể bay hơi qua lá.
4.2. Phần lớn N được rễ cây hấp thu dưới dạng vô cơ: ion NH4+ (ammonium) và NO3- .
Tỉ lệ hấp thu 2 ion này phụ thuộc vào điều kiện đất NO3 -N thường chiếm ưu thế trên đất thóang khí, nhưng cây hấp thu NH4+ cao ở pH trung tính và NO3- ở pH thấp hơn.
NO3- di chuyển chủ yếu đền rễ bằng dòng chảy khối lượng, NH4+ không di động, phần lớn di chuyển do khuếch tán, và dòng chảy khối lượng
- Khi cây hấp thu Ammonium vào bên trong không bị khử, do đó bảo tồn năng lượng, nên hàm lượng protein, CH2O trong cây cao hơn so với hấp thu nitrate.
Do luôn có sự cân bằng điện tích Cation/anion, nên khi cây hấp thu ammonium sẽ giảm hấp thu các cation khác như Ca, Mg, K, nhưng tăng hấp thu các anion như phosphate, sulfate, chloride.
Cũng do hấp thu dinh dưỡng của rễ là trao đổi ion, nên khi rễ hấp thu ammonium, pH vùng rễ sẽ giảm do rễ giải phóng H+ dễ trao đổi với NH4+
- Khi cây hấp thu Nitrate vào trong, nitrate phải được khử trước khi tổng hợp amino acids. NO3- khử thành NH3 . Cũng do cân bằng Cation/anion, nên khi cây hấp thu NO3- sẽ tăng hấp thu Ca, Mg, K, và giảm hấp thu phosphate, sulfate, chloride, và pH vùng rễ sẽ tăng do rễ giải phóng HCO3- (OH-)
Nếu cây hấp thu NH4+ với lượng cao có thể gây độc (NH4+ - NH3)
Thừa NO3- có thể được tích lũy an tòan trong không bào.
Cây trồng hấp thu dạng nào nhiều hơn? Phần lớn cây trồng sinh trưởng tốt với sự kết hợp cả 2 dạng N.
Cây trồng thích ứng với đất chua thường hấp thu nhiều NH4+
Họ cà sinh trưởng tốt nhất với NO3- cao, cây có nhu cầu cation cao.
III. Sự chuyển hóa của N trong đất
Khi được bổ sung vào đất dưới dạng các hợp chất hữu cơ, N sẽ được chuyển hóa theo các tiến trình khóang hóa, hấp thu sinh học, Nitrite/nitrate hóa, khử nitrate hay phản N hóa, bay hơi, cố định N trở lại
Là tiến trình giải phóng N hữu cơ thành dạng NH4 -N hữu dụng cho cây, thực hiện do hầu hết các vi sinh vật đất như vi khuẩn, nấm dị dưỡng. Chất hữu cơ trong đất có hàm lượng N khoảng 5%, và khỏang 1 -4% N hữu cơ được khóang hóa hàng năm.
Khóang hóa gồm 2 bước: Amine hóa và ammonium hóa
1.1 Amine hóa. Proteins + H2O → amino acids + amines + urea + CO2 + năng lượng
Protein được phân chia thành các phân nhỏ hơn
1.2 Ammonium hóa Các amino acid tiến tục được biến đổi thành ammonium
R -NH2 + H2O → NH3 + R - OH + E
NH3 + H2O → NH4+ + OH-
Hấp thu sinh học là tiến trình ngược lại tiến trình khóang hóa. Vi sinh vật hấp thu N vô cơ từ đất và hình thành các hợp chất N hữu cơ trong cơ thể sinh vật. Sinh vật có thể hấp thu sinh học NH4+ hay NO3-
Sự cân bằng giữa khóang hóa và hấp thu sinh học được quyết định bởi tỉ lệ C:N của chất hữu cơ.
Là tiến trình biến đổi NH4+ thành NO3- . Nguồn NH4+ có thể được giải phóng từ sự phân giải chất hữu cơ hay từ phân bón. Nitrate hóa là phản ứng Oxi hóa sinh học. Trang thái oxi hóa của N tăng từ -3 đến +5. Tiến trình gồm 2 bước, được thực hiện bởi 2 vi khuẩn tự dưỡng khác nhau, vi khuẩn này nhận năng lượng từ sự oxi hóa N, và nhận C từ CO2
3.1 Nitrite hóa
2NH4+ + 3O2 → 2NO2- (nitrite) + 2H2O + 4H+
Vi khuẩn tham gia Nitrosomonas và một số lòai khác
3.2 Nitrate hóa
2NO2- + O2 → 2NO3-
Vi khuẩn tham gia Nitrobacter , và một số lòai khác
Nitrite là độc chất, nhưng thường không tích lũy trong đất do tốc độ chuyển hóa nitrite thành nitrate nhanh hơn rất nhiều so với chuyển hóa ammonium thành nitrite.
3.3 Ý nghĩa của tiến trình Nitrate hóa. Khi tiến trình nitrate hóa xảy ra nhanh sẽ làm tăng tiềm năng rửa trôi N, do NO3- hòa tan cao nên không giữ lại trên keo đất như NH4+ là cation trao đổi nên được giữ lại bởi keo đất, chỉ di chuyển trong đất cát, CEC thấp.
Nitrate hóa là tiến trình chính làm chua đất. Theo phản ứng nitrite hóa ta thấy 2 moles H+ được hình thành khi 1 mole NH4+ nitrite hóa. Do đó cần tính đến ảnh hưởng gây chua của phân N-ammonium, hay phân sẽ hình thành ammonium (urea).
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến nitrate hóa. Yêu cầu đất thóang, do vi khuẩn tham gia là cácvi khuẩn hảo khí, và O2 là chất tham gia phản ứng trong cả 2 bước. Nhanh ở pH cao, tối hảo khoảng 8.5, vi khuẩn cần đủ Ca (và P). Nhanh khi nhiệt độ ấm, ẩm độ đồng ruộng
3.5 Các chất ức chế tíên trình nitrate hóa. Do nitrate dễ bị mất do rửa trôi nên trong sử dụng phân N thường chúng ta sử dụng các chất ức chế nitrate hóa để hạn chế mất N do rửa trôi dưới dạng nitrate. Ví dụ. N-Serve (nitrapyrin), là hợp chất gây độc cho Nitrosomonas
Là tiến trình chuyển hóa N-NO3- thành N dạng khí, làm N mất dưới dạng khí như N2 và N2O. Tiến trình do các vi khuẩn yếm khí Pseudomonas, Bacillus, và 1 số lòai khác và vi sinh vật kỵ khí không bắt buộc thực hiện. Vi sinh vật này sử dụng oxi trong nitrate như là nguồn cung cấp O2 cho hô hấp. Khử nitrate xảy ra trên đất ngập nước hay những vùng thiếu O2 cục bộ trong đất, ví dụ. xung quanh rễ hay dư thừa vật vật đang phân giải.
Vi khuẩn khử nitrate cần chất hữu cơ, vì vậy chất hữu cơ dễ phân giải là nguồn cung cấp năng lượng cho vi khuẩn.
4(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 4CO2 + 2N2O + 6H2O
5(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 5CO2 + 2N2O + 7H2O
Khử nitrate là tiến trình làm N trong đất bị giảm, thường mất khoảng10- 30% lượng phân N bón vào đất
-Các điều kiện thích hợp cho tiến trình khử nitrate bao gồm bón phân hữu cơ trên đất yếm khí, nhiệt độ ấm áp, pH >5.5, bón lượng nitrate cao, cây trồng đang sinh trưởng do có thể cây trồng cung cấp C và làm giảmO2 , nhưng cây trồng cũng có thể hạn chế khử nitrate do làm giảm ẩm độ đất và hấp thu NO3-
N bị mất dưới dạng khí NH3 . Tiến trình này chủ yếu do bón vãi phân N trên mặt đất, nhưng cũng có thể do bón vãi phân chuồng trên mặt đất. Bay hơi N từ phân chuồng cũng có thể xảy ra trong quá trình ủ và tồn trử.
Phản ứng tổng quát của tiến trình bay hơi N
NH4+ → H+ + NH3
NH3 mất khi pH cao, pH dung dịch đất >7.
Để giảm thiểu bằng cách vùi phân N ngay sau bón, hay tưới nhỏ giọt
Trong các lọai phân N, Urea là lọai phân rất dễ bay hơi do urea rất hòa tan và Urea thủy phân làm tăng pH xung quanh hạt phân.
CO(NH2) 2 (urea) + H+ + 2H2O → 2NH4+ + HCO3- . Phản ứng thủy phân này nhận H+ và làm tăng pH, xung quanh hạt phân có thể pH> 7, dẫn đến NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2 .
Trên đất đá vôi, N-Urea mất cao, phân NH4+ bị bay hơi cao hơn trên đất chua và trung tính do phản ứng với carbonates. Phản ứng cơ bản
NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2
Phân ammonium phosphates và sulfates bị bay hơi nhiều hơn phân hòa tan khác ammonium chlorides và nitrates)
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bay hơi.
5.1 Phân dạng rắn ít bay hơi so với dạng dung dịch
5.2 Bón vãi trên mặt đất bay hơi cao hơn so với bón theo tưới nhỏ giọt/bón vùi sâu
5.3 Nhiệt độ cao bay hơi nhiều
5.4 Đất mặt ẩm và tốc độ bốc hơi nhanh, bay hơi cao
5.5 CEC thấp/ Khả năng giữ NH4+ và khả năng đệm pH thấp nên N bay hơi cao.
5.6 Dư thừa cây trồng, đồng cỏ, cây họ đậu che phủ hạn chế bay hơi
Các kỹ thuật hạn chế bay hơi.
-Duy trì ẩm trên mặt
-Giảm tiếp xúc với đất và di chuyển vào đất
-Chất ức chế Urease. các chất làm chậm tiến trình phân hủy urea và giảm bay hơi N, Urease là enzyme phân hủy urea có nguồn gốc từ cả 2 nguồn: cây trồng và đất (vi sinh vật).
Chế phẩm Agrotrain thường không hiệu quả cao khi phương pháp bón được cải thiện. Ví dụ khi bón tập trung theo hàng
Các loại phân urea chậm phân giải: Ureaform, Urea-formaldehyde, SCU là Urea bọc lưu huỳnh.
Các chất ức chế hay hạn chế bay hơi thường hữu dụng trong trường hợp đất rửa trôi mạnh, bay hơi mạnh, nhưng giá cao tính trên 1 đơn vị N, do đó thường sử dụng cho cây trồng có giá trị cao.
Ammonia lỏng khan, dạng bay hơi, nên cần tiêm sâu vào đất. Điều kiện dễ mất: Đất khô, tiêm không sâu, đường rạch không kín làm cho NH3 không chuyển thành NH4+ . Đất sét ẩm ướt, đường rạch không kín hoặc đất có sa cấu thô, NH3 sẽ khuếch tán nhanh, đất vón cục, NH3 khuếch tán nhanh, hàm lượng chất hữu cơ thấp, OM giữ NH3 , tiêm nông
Chất ức chế nitrate hóa. Làm chậm nitrate hóa và hạn chế rửa trôi N. Ví dụ: N-Serve, DCD, ức chế tiến trình nitrite hóa
Trong sản xuất cây trồng, N là yếu tố thường thiếu nhất, mặc dù không khí chứa 78% N hay khoảng 70 triệu kg N/ha. Cây trồng không sử dụng trực tiếp N2 được. N2 phải được chuyển đổi (cố định) thành dạng hữu dụng cho cây.
N2 khử trong điều kiện cần nhiều năng lượng, yêu cầu điều kiện nhiệt độ và áp suất cao,
1.200oC và 500 atmospheres. Phản ứng cố định N:
3H2 + N2 → 2NH3
NH3 (anhydrous ammonia) có thể sử dụng trực tiếp như phân bón hay sử dụng sản xuất các dạng phân N khác.
Nhiều chũng vi sinh vật có thể cố định N2 như vi sinh vật cộng sinh và tự do, Rhizobia và cây họ đậu, là loại vi khuẩn cộng sinh rất quan trọng trong nông nghiệp, hình thành nốt sần ở rễ. Cây chủ nhận N đã được cố định và vi khuẩn nhận các sản phẩm quang hợp từ cây chủ.
Rhizobia và cây họ đậu có quan hệ chuyên biệt, nhóm cây họ đậu khác nhau, yêu cầu chũng Rhizobia khác nhau.
Cần chũng hạt giống, rất cần thiết cho đất mới trồng cây họ đậu đầu tiên
Chũng Rhizobia thích hợp
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cố định sinh hoc N
- pH đất. pH thấp có hại cho Rhizobia và rễ cây họ đậu. Độc chất Al, Mn cao
Thiếu Ca, Mo, P
Chũng khác nhau, khả năng thích ứng khác nhau, ví dụ R. meliloti (cỏ 3 lá) rất nhạy cảm với pH thấp. Một số chũng khác có khả năng chống chịu cao hơn.
- N hữu dụng trong đất. Đất có hàm lượng N cao, sẽ giảm N cố định sinh học do khử NO3- cạnh tranh với hình thành sản phẩm quang hợp
- Sinh trưởng của cây trồng và quản lý. Cường độ quang hop cao, tăng cố định N
Bất cứ yếu tố nào làm giảm sinh trưởng hay năng suất của cây họ đậu sẽ làm giảm cố định N. Ví dụ Chu kỳ cắt cỏ họ đậu
- Lượng N cố định. Cây họ đậu lưu niên, có thể cố định khoảng 100 - 200 kgN./ha/năm
Cây họ đậu hàng năm, 50 - 100 kgN./ha/năm
Nhưng lượng N hữu dụng cho cây trồng vụ sau phụ thuộc vào lượng N được lấy đi theo nông sản.
2.2 Những quan hệ khác trong cố định sinh học N
Azolla - Anabaena
Cộng sinh giữa dương xĩ và tảo lục lam (cyanobacteria). Cố định lượng N có ý nghĩa trên ruộng lúa nước.
Các quan hệ cố định N khác ít quan trọng trong nông nghiệp, nhưng rất quan trọng trong các hệ sinh thái tự nhiên và hệ thống nông lâm kết hợp. vi du cây gỗ họ đậu
Bồ kết, trinh nữ, keo
Frankia. Xa khuẩn cộng sinh, phi lao
Cyanobacteria (tảo lục lam), sống tự do, Đất ngập nước
Azospirillum. Vi khuẩn sống tự do, liên kết với rễ cây ngũ cốc và cây họ hòa bản khác.
Azotobacter. Vi khuẩn sống tự do, Đất, nước, vùng rễ, bề mặt lá
Tất cả các vật liệu hay phân bón hữu cơ đều có chứa N, mặc dù nồng độ N không cao, nhưng nếu sử dụng một khối lượng lớn có thể cung cấp 1 lượng N đáng kể cho cây trồng. Nhưng các vật liệu và phân hữu cơ thường được xem là chất cải tạo đất hơn là loại cung cấp dinh dưỡng cho cây. Nên ở đây chỉ trình bày các loại phân N vô cơ (cố định N công nghiệp).
Bước đầu tiên hình thành NH3.
Nguồn cung cấp H2 là các khí tự nhiên (Methane, CH4)
CH4 + 2H2O → CO2 + 2H2
600-800°C, Ni xúc tác
Cố định N công nghiệp: tiến trình Haber-Bosch
Xúc tác
3H2 + N2 → 2NH3
200°C, 500 atm
Sản xuất phân N hóa học cần rất nhiều năng lượng.
Từ nguyên liệu ban đầu là NH3, các loại phân N khác được sản xuất theo sơ đồ sau:
Công thức hóa học: NH3, chứa 82-0-0, tất cả có dạng NH4-N.
Sử dụng: yêu cầu thiết bị tồn trử, dung cụ bó đặc biệt, tiêm sâu vào đất.
Hút nước rất mạnh-cháy da, cay mắt, phổi,…
Là nguồn phân N kinh tế nhất, sử dụng phổ biến trên các nước phát triển.
2.2. Urea (dạng rắn)
Công thức : CO(NH2) 2, chứa 46-0-0
Dạng NH4-N (dạng amide), có tiềm năng bay hơi cao, sử dụng phổ biến nhất trên thế giới
2.3. Ammonium Nitrate (rắn)
NH4NO3, chứa 34-0-0, gồm 1/2 NH4-N vaø 1/2 NO3-N. nguồn N không bay hơi.
2.4. Ammonium Sulfate (rắn)
(NH4) 2SO4, 21-0-0-24S, dạng NH4-N, có chứa S, phân N không bay hơi, là loại phân N gây chua mạnh nhất.
2.5. Ammonium Phosphates.
Thường được xem là nguồn phân P chính, nhưng có chứa 1 lượng N đáng kể
Monoammonium Phosphate (MAP – dạng rắn)
NH4H2PO4, chứa11-52-0
Diammonium Phosphate (DAP – dạng rắn)
(NH4) 2HPO4, chứa18-46-0
Ammonium Polyphosphate – daïng dung dịch
APP hay Poly-N, chứa 10-34-0
2.6. Các loại phân N chậm tan.
Urea bọc Sulfur -SCU(rắn)
36-0-0 (thay đổi), dạng NH4-N, phân N tác dụng/phân giải chậm. Khi lớp phủ S được oxi hóa bởi vi sinh vật, Urea mới được thủy phân. Nên tốc độ thủy phân phụ thuộc vào độ dày của lớp phủ, kích thước hạt, ẩm độ và nhiệt độ đất. Do giá thành cao nên thường sử dụng cho các cây có giá trị kinh tế cao.
Urea bọc polymer (dạng rắn)
Tương tự SCU nhưng Urea được bọc bằng polymer thay cho sulfur. Chứa 41% - 44% N, tất cả là dạng NH4-N. là nguồn phân N chậm phân giải. Các monomer bọc hình thành polyurethane phủ trên bề mặt urea. Tốc độ phân giải phụ thược vào mức độ thấm của nước qua lớp phù, không phụ thuộc vào mức độ hòa tan trong nước.
Những sản phẩm của Urea Formaldehyde (dạng rắn)
Hổn hợp của các chuỗi methylene urea có độ dài nhau. Mức độ phân giải phụ thuộc vào vi sinh vật đất, pH, nhiệt độ, ẩm độ. Mức độ hòa tan phụ thuộc vào độ dài các chuỗi-chuỗi càng dài, hòa tan càng thấp.
Isobutylidene diurea IBDU (dạng rắn)
Chứa 31-0-0, không tan trong nước, thường được trộn với các loại phân hòa tan khi sử dụng. N giải phóng chậm do phản ứng thủy phân và hòa tan đều chậm
Khi được bón vào đất, tất cả các loại phân N đều diễn biến theo con đường chuyển hóa của N trong đất: khoáng hóa, hấp thu sinh học, hấp phụ bề mặt, bay hơi, nitrate hóa, rửa trôi, khử nitrate.
N-hữu cơ → NH4 → NO2 → NO3 →N2
Phân hữu cơ; Ammonium, Urea N-nitrate
VII. Các tiến trình làm giảm hiệu quả sử dụng phân N và các kỹ thuật khắc phục.
1.1.Phản ứng của Urea trong đất.
Urease
CO(NH2) 2 + 2 H2O → 2NH4+ + CO32-
Urea Ammonium -N Carbonate
CO32- + H2O → HCO3- + OH-
N-Urea – nguồn của NH4-N và pH cao, bao gồm: Urea, Urea-Ammonium Nitrate (UAN), phâ chuồng. Khi bón cần vùi sâu, hạn chế hình thành NH3, bay hơi.
Khoảng mất 30% N trong phaân urea nếu bón không vùi sâu
NH4+ + OH- → NH3 + H2O
N-Ammonium pH cao Ammonia
1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến bay hơi của Urea: lượng N bay hơi càng cao khi:
- Nhiệt độ càng cao,
-Tốc độ gió cao,
- Ẩm độ đất cao,
- CEC càng thấp, NH4+ hấp phụ càng thấp,
1.3.Quản lý bay hơi của Urea:
-Vùi nay sau khi bón.
- Bón khi đất đủ ẩm: tưới hay mưa 10mm.
- Tưới nhỏ giọt
- Sử dụng chất ức chế Urease như Ammonium thiosulfate, NBPT (N-(n-butyl) thiophosphoric triamide-Agrotain.
Xảy ra đối với nitrate.
Hạn chế rửa trôi nitrate.Sử dụng các chất ức chế tiến trình nitrite hóa như Nitripyrin (N-serve, dicyandiamide (DCD hay Guardian).
Quản lý rửa trôi nitrate.
- Liều lượng bón.
-Thời gian bón.
ĐẠM (Nitrogen) VÀ PHÂN ĐẠM
Ngày đăng: 27-10-2017 07:48:36
