Bài giảng sinh lý thực vật - chương 3

1

Chương III

DINH DƯỠNG KHOÁNG VÀ NITƠ

(NITROGEN) Ở THỰC VẬT

Dinh dưỡng khoáng và nitơ đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong

đời sống của thực vật. Điều kiện dinh dưỡng khoáng và nitơ là một trong

những nhân tố chi phối có hiệu quả nhất quá trình sinh trưởng và phát triển

của thực vật.

Khi phân tích thành phần hóa học của thực vật, người ta phát hiện ra

có đến hơn 60 nguyên tố có trong thành phần của cây. Tuy nhiên chỉ có

một số nguyên tố nhất định là tối cần thiết cho cây gọi là các nguyên tố

thiết yếu. Một nguyên tố thiết yếu là nguyên tố có vai trò sinh lý rất quan

trọng và rất cần cho sinh trưởng, phát triển mà nếu thiếu, cây không thể

hoàn thành chu trình sống của mình.

Bằng phương pháp trồng cây trong dung dịch và các phương pháp

nghiên cứu dinh dưỡng chính xác khác, người ta đã phát hiện ra có khoảng

19 nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với cây. Đó là : C, H, O, N, O, P,

K, Mg, Ca, Fe, Cu, Mn, Zn, B.

Mo, Cl, Na, Si, Ni. Khi có đủ các nguyên tố thiết yếu và năng lượng

ánh sáng, cây có thể tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết cho các hoạt động

sinh lý, quá trình sinh trưởng phát triển của cây và hoàn thành chu kỳ sống

của mình.. .

Ngoài 19 nguyên tố thiết yếu đó ra cây cũng cần rất nhiều nguyên tố

khác mà nếu thiếu cũng có ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển của cây

nhưng cây vẫn hoàn thành chu kỳ sống của mình, vẫn ra hoa kết quả.

Có hai quan niệm về nguyên tố khoáng trong cây:

Theo quan niệm thứ nhất nguyên tố khoáng là các nguyên tố chứa

trong phần tro của thực vật. Để phát hiện các nguyên tố khoáng của cây,

người ta phân tích tro thực vật. Đốt thực vật ở nhiệt độ cao (khoảng 550-

600 0

C) Các nguyên tố C, O, H, N sẽ mất đi dưới dạng khí CO2, hơi H2O,

NO2, O2 hoặc N2. Phần còn lại là tro thực vật Nguyên tố C chiếm khoảng

45%. O chiếm khoảng 42%, H khoảng trên 6,5% và N khoảng 1,5% hàm

lượng chất khô. Các nguyên tố C, H, O, N là thành phần chủ yếu cấu tạo

nên các chất hữu cơ trong cây. Chúng xâm nhập vào cây dưới dạng H2O,

khí CO2, O2, NH3, NO3

-

, số còn lại, xấp xỉ 5% khối lượng chất khô của

cây, là các nguyên tố khoáng. Với quan điểm này N không phải là nguyên

tố khoáng.

2

Theo quan niệm thứ hai, trừ các nguyên tố có nguồn gốc từ CO2 và

H2O (C, H và O), các nguyên tố còn lại được cây hấp thu từ đất gọi là các

nguyên tố khoáng.

Theo quan niệm này thì N là nguyên tố khoáng vì nó được rễ hấp thu

từ đất. Do đó các phân bón có N (phân đạm) đều được gọi là phân khoáng.

Quan niệm này hiện nay được nhiều người thừa nhận.

Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong cây khác nhau rất lớn.

Chúng phụ thuộc vào loài cây, vào các bộ phận khác nhau, vào giai đoạn

sinh trưởng...

Nhiều thí nghiệm đã chứng minh .rằng 95% vật chất trong cây là do

cây lấy từ không khí và nước, chỉ 5% là lấy trong đất.

Trong thành phần hóa học của thực vật, người ta thấy:

- Hàm lượng các nguyên tố có nguồn gốc từ CO2 và H2O

H 6% C 45% O 42%

- Hàm lượng các nguyên tố có nguồn gốc từ đất

N 1,5% K 1,0% Ca 0,5%

Mg 0,2% P 0,1% S 0,1%

- Hàm lượng một số nguyên tố vi lượng

Cl 100ppm Fe 100ppm B 20ppm

Mn 50ppm Na 10ppm Zn 20ppm

Cu 6ppm Ni 0,1ppm Mo 0,1ppm

Căn cứ vào hàm lượng chứa trong cây, người ta chia các nguyên tố

khoáng trong cây thành ba nhóm:

- Nhóm các nguyên tố đại lượng, có hàm lượng biến động từ 10-1 đến

10-4 % chất khô, gồm: N, P, K, Ca, S, Mg, Si, ...

- Nhóm các nguyên tố vi lượng, có hàm lượng nhỏ từ 10-5 đến 10-7

% chất khô, gồm các nguyên tố Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, B, Co, Ti, Sr, Ba,...

- Nhóm các nguyên tố siêu vi lượng có hàm lượng rất nhỏ, từ 10-7

đến 10-14 % chất khô chúng gồm các nguyên tố Hg, Cd, Cs, I, Pb, Ag, Au,

Ra...

Các nguyên tố được cây hấp thụ vào có thể có vai trò khác nhau.

Qua phân tích ta thấy mức độ cần thiết của các nguyên tố khoáng,

song cũng có một số như Ai, Si, Na chứa với lượng lớn trong cây, ý nghĩa

sinh lý của chúng không đáng kể trong khi đó một số nguyên tố vi lượng

lại cần thiết cho cây.

3

1. Cơ chế hấp thụ chất khoáng.

1.1. Sự thích nghi của bộ rể với chức năng hút khoáng.

Chức năng quan trọng nhất của rễ là hấp thụ nước và các ion

khoáng. Rễ cây có đặc điểm về cấu trúc hình thái, khả năng sinh trưởng và

hoạt động sinh lý phù hợp với chức năng hút nước và hút khoáng của

chúng.

Trước hết rễ có những biến đổi để thích nghi với chức năng hấp thụ:

vách tế bào biểu bì mỏng, không thấm cutin; từ biểu bì hình thành vô số

lông hút làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của rễ lên rất lớn; tế bào vỏ rễ

có nhiều khoảng gian bào để dự trữ nước và ion khoáng; tề bào nội bì có

đai Caspary làm cho rễ có khả năng điều chỉnh dòng vật chất vào trụ mạch

dẫn.

Rễ cây có khả năng đâm sâu, lan rộng trong lòng đất để chủ động

tìm nguồn nước và chất dinh dưỡng nuôi cây. Khả năng này thể hiện ở tính

hướng nước và hướng hóa của rễ. Rễ cây có thể đâm sâu 1,5-2 m, có loại

rễ đâm sâu từ 5- 10 m. Rễ cây thường lan rộng gấp 2-3 lần tán lá của cây.

Nhờ khả năng phân nhánh mạnh, nhất là sự phát triển của hệ thống lông

hút nên hệ rễ có bề dài tổng cộng và bề mặt tiếp xúc với đất rất lớn. Số l￾ượng lông hút của rễ các loại cây rất khác nhau. Độ dài chung của rễ các

cây trồng đạt tới hàng chục triệu m/ha, tạo nên bề mặt hút thu lớn. Bề mặt

tiếp xúc của rễ thường đạt cực đại ở giai đoạn ra hoa. Sự xuất hiện các

lông hút có độ dài 2-3 m làm cho bề mặt hút thu của rễ choán từ 10-13 lần

tổng thể tích của đất. Bề mặt tổng cộng của rễ và lông hút đạt 130 lần lớn

hơn bề mặt của bộ phận kí sinh. Hệ rễ của đại mạch đen có 13 815 678 rễ,

tổng chiều dài là 623 km, bề mặt tổng cộng là 673.28 m.

Sự phân bố của rễ trong đất chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố bên

trong và bên ngoài.

1.2. Cơ chế hút khoáng của hệ rễ.

Các chất khoáng muốn đi vào cây thì trước hết phải tan trong dung

dịch đất và được hấp phụ trên bề mặt rễ. Các ion khoáng được hấp phụ

trên bề mặt rễ theo phương thức trao đổi ion giữa đất và lông hút. Có hai

phương thức trao đổi ion: trao đổi tiếp xúc (trao đổi trực tiếp) hoặc trao

đổi gián tiếp thông qua H2CO3 trong dung dịch.

Trong quá trình hô hấp của rễ, CO2 được tạo thành. Trên bề mặt của

rễ sẽ xảy ra phản ứng:

CO2 + H2O H+ + HCO3

-

Rễ trao đổi ion H+

với các cation, trao đổi ion HCO3

-

với các anion

4

trong đất. Sự trao đổi ion giữa rễ và đất theo đúng hóa trị và đương lượng

của các ion.

Chất khoáng sau khi hút bám lên bề mặt rễ sẽ được đi vào tế bào

để vận chuyển vào bên trong rễ và đi lên các bộ phần trên mặt đất hoặc

tham gia một số quá trình chuyển hóa ngay tại rễ. Theo quan niệm hiện

nay, quá trình hút các chất khoáng của cây là một quá trình sinh lý rất

phức tạp, tiến hành theo nhiều cơ chế khác nhau vừa có tính chất thụ động

không liên quan đến các quá trình trao đổi chất, vừa có tính chất chủ động

liên quan mật thiết đến các quá trình trao đổi chất trong thực vật. Sau đây

là hai cơ chế hấp thụ chất khoáng cơ bản: cơ chế thụ động và cơ chế chủ

động.

1.2.1. Cơ chế hút khoáng bị động.

Theo cơ chế này rễ cây có thể hút các chất khoáng bằng các cơ

chế mang tính chất thụ động dựa theo quá trình khuếch tán và thẩm

thấu, quá trình hút bám trao đổi. Đây là quá trình mang tính chất vật lý

đơn thuần.

Đặc trưng của cơ chế hút khoáng bị động là :

- Quá trình xâm nhập chất khoáng không cần cung cấp năng lượng,

không liên quan đến trao đổi chất và không có tính chọn lọc.

- Phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ ion trong và ngoài tế bào

(gradient nồng độ) và hướng vận chuyển theo gradient nồng độ.

- Chỉ vận chuyển các chất có thể hòa tan và có tính thấm đối với

màng.

Tốc độ xâm nhập của các chất tan (V) vào tế bào được xác định theo

công thức :

V = Const. K. M-l/2 (Co - Ci)

Trong đó:

K: hệ số biểu thị tính tan của chất tan trong lipid

M: phân tử lượng của chất tan khuếch tán.

Co ; Ci: nồng độ các chất khuếch tán ở ngoài và trong tế bào.

Const: hằng số khuếch tán.

Như vậy tốc độ xâm nhập chất tan vào tế bào phụ thuộc vào 3 điều

kiện:

- Tính hòa tan của chất tan trong lipid (K) càng cao thì xâm nhập

càng mạnh

- Phân tử lượng của chất tan (M) càng nhỏ thì càng dễ xâm nhập.