Bón phân nitơ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa bón phân nitơ

Bón phân nitơ là quá trình bổ sung các hợp chất chứa nitơ vào đất, bề mặt lá hoặc hệ thống thủy canh nhằm cung cấp nguyên tố nitơ – thành phần thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng. Quá trình này có thể thực hiện bằng cách rải phân bón trực tiếp lên mặt đất (broadcast), đặt vào rãnh cạnh luống (banding), phun dung dịch lên lá (foliar feeding) hoặc hòa tan vào dung dịch thủy canh. Mục tiêu là đảm bảo cây hấp thu đủ nitơ cho các giai đoạn phát triển quan trọng như phân hoá mầm hoa, sinh trưởng thân lá và hình thành quả.

Các loại phân nitơ phổ biến bao gồm ure (CO(NH₂)₂), ammonium nitrate (NH₄NO₃), ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄) và calcium nitrate (Ca(NO₃)₂). Lựa chọn dạng phân và phương pháp bón phụ thuộc vào đặc tính đất, nhu cầu của cây và điều kiện khí hậu. Bón đúng kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phân, giảm thất thoát qua bay hơi, rửa trôi và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường.

Vai trò của nitơ trong cây trồng

Nitơ là nguyên tố đa lượng đứng đầu trong các nhu cầu dinh dưỡng của cây, đóng vai trò cấu thành protein, enzyme và diệp lục – chất quyết định hiệu suất quang hợp. Thiếu nitơ khiến lá non chuyển sang màu vàng (chứng vàng lá), giảm diện tích quang hợp và làm chậm quá trình sinh tổng hợp các hợp chất thiết yếu. Ở giai đoạn phân hoá mầm hoa, nitơ vừa đủ giúp hình thành hoa và quả đầy đặn.

Trong cơ thể thực vật, nitơ tham gia tổng hợp axit nucleic (DNA, RNA), nhiều chất trung gian chuyển hóa như ATP, NADH và các coenzyme. Sự có mặt của nitơ trong các hợp chất này duy trì hoạt động trao đổi năng lượng, truyền tín hiệu nội bào và điều tiết hoạt động sinh học. Thiếu nitơ không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn giảm chất lượng nông sản về hàm lượng protein, kích thước hạt và độ bền của mô.

• Tăng trưởng thân lá: nitơ thúc đẩy phân chia tế bào, kéo dài mô, tăng chiều cao và diện tích lá.
• Hiệu suất quang hợp: nguyên liệu tạo chlorophyll, quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng.
• Sinh tổng hợp protein: thành phần của enzyme và cấu trúc tế bào.
• Hình thành hạt và quả: hỗ trợ phát triển mầm hoa, tăng trọng lượng hạt.

Dạng hóa học và đặc tính

Ure (CO(NH₂)₂) chứa hàm lượng N cao nhất (~46 %), dễ hòa tan và phổ biến trong nông nghiệp. Tuy nhiên, ure dễ bị vi sinh vật trong đất phân hủy thành NH₃ và CO₂, gây mất nitơ qua bay hơi nếu không kết hợp rải sâu hoặc rải trước mưa. Quá trình thủy phân ure do enzyme urease xúc tác:

$CO(NH_{2})_{2} + H_{2}O \xrightarrow{\text{urease}} 2\,NH_{3} + CO_{2}$

Ammonium nitrate (NH₄NO₃) cung cấp nitơ ở hai dạng: NH₄⁺ và NO₃⁻, giúp cây dễ dàng hấp thu. Hợp chất này hòa tan nhanh nhưng cần lưu ý rủi ro cháy nổ và mất an toàn khi vận chuyển. Ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄) ngoài nitơ còn bổ sung lưu huỳnh, có tác dụng acid hóa nhẹ đất, phù hợp cho đất kiềm. Calcium nitrate (Ca(NO₃)₂) cung cấp thêm canxi, cải thiện cấu trúc đất và tính chịu hạn.

Cơ chế hấp thu và chuyển hóa

Cây trồng hấp thu nitơ chủ yếu qua rễ dưới dạng ion nitrat (NO₃⁻) và ammonium (NH₄⁺). Các protein vận chuyển đặc hiệu (nitrate transporters, ammonium transporters) nằm trên màng tế bào rễ hỗ trợ quá trình này. Khi NO₃⁻ vào nội bào, enzyme nitrate reductase (NR) khử NO₃⁻ thành NO₂⁻, sau đó nitrite reductase (NiR) khử tiếp thành NH₄⁺:

$NO_{3}^{-} \xrightarrow{\text{NR}} NO_{2}^{-} \xrightarrow{\text{NiR}} NH_{4}^{+}$

NH₄⁺ sinh ra trong quá trình trên hoặc hấp thu trực tiếp được tổng hợp thành amino acid glutamine và glutamate qua chu trình GS–GOGAT, với enzyme glutamine synthetase (GS) kết hợp NH₄⁺ và glutamate thành glutamine, sau đó glutamate synthase (GOGAT) tái sinh glutamate. Các amino acid này là tiền chất cho tổng hợp protein, enzyme và các hợp chất sinh học khác.

Nitơ dư thừa trong cây có thể được chuyển hóa thành các hợp chất dự trữ như ureide, allantoin hoặc arginin, tùy theo loài và điều kiện môi trường, giúp cây duy trì nguồn nitơ trong giai đoạn thiếu hụt và hỗ trợ kháng chịu stress.

Phương pháp và kỹ thuật bón

Bón vãi (broadcasting) là phương pháp phổ biến nhất do thao tác đơn giản và chi phí thấp. Phân nitơ được rải đều trên mặt ruộng, sau đó có thể cào nhẹ hoặc tưới nước để phân ngấm xuống tầng canh tác. Hạn chế chính của phương pháp này là mất nitơ qua bay hơi và rửa trôi, giảm hiệu suất sử dụng phân.

Bón rãnh (banding) đặt phân nitơ thành dải sát rễ, thường sâu 5–10 cm, giúp tập trung dinh dưỡng nơi hấp thu tích cực. Kỹ thuật này giảm thất thoát NH₃ so với bón vãi và tiết kiệm phân bón từ 10–20 %. Thiết bị khoan rãnh và gieo hạt đồng bộ giúp tối ưu hóa lao động và phân bố phân chính xác.

Phun lá (foliar feeding) sử dụng dung dịch ure hoặc muối ammonium phun trực tiếp lên lá lúc sáng sớm hoặc chiều muộn. Phương pháp này cung cấp nitơ nhanh nhưng chỉ nên áp dụng khi cây thiếu đột ngột hoặc giai đoạn đòi hỏi dinh dưỡng cao như phân hóa mầm hoa; tần suất 2–3 lần/mùa, liều 2–5 kg ure/ha/lần.

• Nano-fertilizer: phân nitơ bao nano giải phóng chậm, điều chỉnh tốc độ giải phóng theo pH hoặc nhiệt độ đất.
• Fertigation: hòa tan phân vào hệ thống tưới nhỏ giọt, cung cấp liên tục và đồng đều.
• Biofertilizer kết hợp: phối hợp vi sinh cố định đạm (Rhizobium, Azotobacter) với phân hóa học để cải thiện hiệu quả và bảo vệ đất.

Thời điểm và liều lượng bón

Lần bón đầu vào giai đoạn chuẩn bị đất (pre-planting) với 30–40 % tổng lượng N, giúp cây con phát triển bộ rễ mạnh. Lần bón thứ hai khi cây đạt 4–6 lá thực thụ chiếm 30–40 % lượng N, hỗ trợ sinh trưởng thân lá. Lần bón cuối cùng ở giai đoạn phân hóa mầm hoa chiếm 20–30 % lượng N, giúp hoa, quả phát triển đồng đều.

Liều lượng tổng N dao động 100–200 kg N/ha/năm tùy loại cây và điều kiện đất. Ví dụ, ngô bón 150 kg N/ha, lúa 120 kg N/ha, rau ăn lá 80 kg N/ha chia đều các giai đoạn. Điều chỉnh liều dựa vào phân tích đất trước vụ: nếu hàm lượng nitơ trong đất >0.2 % có thể giảm 10–20 % lượng bón.

Tác động môi trường

Thất thoát NH₃ qua bay hơi đặc biệt nghiêm trọng ở phân ure, nhất là khi bón trên mặt khô, nhiệt độ cao. Biện pháp khắc phục gồm bón sâu, kết hợp urease inhibitor (NBPT) hoặc bón trước mưa nhẹ.

Rửa trôi NO₃⁻ vào tầng ngậm nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước, nồng độ NO₃⁻ >50 mg/L là ngưỡng độc cho người. Thuốc khử NO₃⁻ trong đất như biochar hoặc cover crop có thể giảm 30–50 % nitrate leaching (EPA Nutrient Policy).

Quá trình nitrification/denitrification sinh N₂O – khí nhà kính mạnh gấp ~300 lần CO₂. Sử dụng kỹ thuật bón rãnh và fertigation làm giảm N₂O emissions đến 25 %; đồng thời điều chỉnh độ ẩm đất và pH để hạn chế hoạt động vi sinh sản sinh N₂O.

Lợi ích kinh tế và năng suất

Bón phân nitơ đúng kỹ thuật tăng năng suất cây trồng 30–50 % so với ruộng không bón N. Trong điều kiện thâm canh, lợi nhuận có thể tăng 20–40 % nhờ tăng sản lượng và chất lượng nông sản.

Giá trị gia tăng: hạt lúa có hàm lượng protein cao hơn, rau xanh có màu lá đậm và hàm lượng vitamin, khoai tây tăng kích thước củ. Phân tích lợi ích chi phí (B/C) thường dao động 2–4, nghĩa là mỗi đồng chi cho phân N sinh ra 2–4 đồng doanh thu nông sản.

Rủi ro và biện pháp khắc phục

Quá liều nitơ gây “cháy phân”: lá cây khô vàng, mép lá cháy, rễ bị ức chế phát triển. Giải pháp là giảm liều, rải xa gốc và tưới nước để pha loãng nồng độ NH₄⁺.

Ứng dụng vi sinh cố định đạm (Rhizobium cho họ Đậu, Azotobacter cho cây khác) giảm 20–30 % lượng phân hóa học cần bón, đồng thời cải tạo độ màu mỡ đất. Cần duy trì độ pH 6–7 để tối ưu hoạt động vi sinh này.

Quản lý tưới hợp lý: tưới nhỏ giọt kết hợp phân bón (fertigation) giúp phân hết trong vùng rễ, giảm rửa trôi và bay hơi. Theo dõi ẩm độ đất bằng cảm biến để bón đúng thời điểm và lượng nước.

Xu hướng nghiên cứu và công nghệ mới

Phân Nitrogen controlled-release (coated urea) sử dụng vỏ polymer hoặc lignin để điều khiển tốc độ giải phóng nitơ theo nhu cầu cây, giảm thất thoát 30–50 %. Các sản phẩm thương mại như ESN® (Environmentally Smart Nitrogen) đã chứng minh hiệu quả trên nhiều loại cây trồng.

Precision agriculture ứng dụng GPS, UAV và cảm biến đất đo trực tiếp hàm lượng N, độ ẩm, nhiệt độ để đưa ra bản đồ phân bón cá thể hóa từng ô ruộng (USDA NIFA Precision Ag). Phần mềm phân tích dữ liệu hỗ trợ tối ưu liều lượng, thời điểm và phương pháp bón.

Cây biến đổi gen chuyển gen cố định đạm từ vi khuẩn vào cây trồng không họ Đậu, như lúa biến đổi gen chứa gen nif từ Azotobacter, đang trong giai đoạn nghiên cứu tiền lâm sàng. Mục tiêu là giảm hoàn toàn nhu cầu phân bón hóa học và cải thiện độ màu mỡ đất bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. Food and Agriculture Organization. “Fertilizer and Plant Nutrition Bulletin 18.” FAO, 2006. fao.org
2. Chen D., et al. “Nitrogen Use Efficiency in Crops.” Journal of Plant Nutrition, 2020.
3. United States Environmental Protection Agency. “Nutrient Pollution.” EPA, 2021. epa.gov
4. USDA National Institute of Food and Agriculture. “Precision Agriculture.” USDA NIFA, 2022. nifa.usda.gov
5. Malhi S.S., Lemke R.L. “Nitrate Leaching and Farm Economics.” Journal of Environmental Quality, 2015.
6. Subbarao G.V., et al. “Engineering Nitrogen Fixation in Non-Legumes.” Plant Biotechnology Journal, 2018.