Dinh dưỡng trung lượng: Lưu huỳnh (S)

Lưu huỳnh (Sulfur - S) là một trong những nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Nó được xếp vào nhóm dinh dưỡng trung lượng, cùng với Canxi (Ca), Magie (Mg) và Silic (Si). Việc phân loại lưu huỳnh là "trung lượng" không đơn thuần chỉ dựa trên hàm lượng tuyệt đối mà cây cần. Quan trọng hơn, nó phản ánh vai trò thiết yếu và không thể thay thế của lưu huỳnh trong hàng loạt các quá trình sinh lý và sinh hóa quan trọng của cây.

Vai trò và tầm quan trọng đối với thực vật nói chung

Một trong những vai trò cơ bản và quan trọng nhất của lưu huỳnh là thành phần cấu tạo của các axit amin thiết yếu, đặc biệt là methionine (Met), cysteine (Cys) và cystine. Những axit amin chứa lưu huỳnh này là những viên gạch xây dựng nên các phân tử protein - thành phần cấu trúc chính của tế bào, các enzyme xúc tác cho hầu hết các phản ứng sinh hóa, và nhiều hợp chất quan trọng khác trong cây. Các liên kết disulfide (-S-S-) được hình thành giữa các gốc cysteine đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc xác định cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein, từ đó ổn định cấu trúc không gian và đảm bảo hoạt tính sinh học của nhiều loại enzyme và protein chức năng. Sự ổn định cấu trúc này là nền tảng cho hoạt động xúc tác hiệu quả của enzyme, vốn điều khiển toàn bộ quá trình trao đổi chất của thực vật.

Lưu huỳnh là một thành phần không thể thiếu của nhiều coenzyme và nhóm ngoại (prosthetic group) quan trọng, ví dụ như Coenzyme A (CoA) đóng vai trò trung tâm trong quá trình hô hấp và chuyển hóa axit béo; thiamine và biotin - các vitamin nhóm B tham gia vào nhiều phản ứng enzyme quan trọng; và ferredoxin, một protein chứa sắt-lưu huỳnh, thiết yếu cho quá trình quang hợp và các phản ứng oxy hóa-khử khác. Sự hiện diện của lưu huỳnh trong các coenzyme này hoặc trong chính cấu trúc của enzyme là điều kiện tiên quyết để các phản ứng trao đổi chất diễn ra một cách hiệu quả, cung cấp năng lượng và các sản phẩm trung gian cần thiết cho sự sống của cây.

Lưu huỳnh có vai trò thiết yếu trong quá trình tổng hợp diệp lục (chlorophyll), sắc tố xanh của lá cây có chức năng hấp thụ năng lượng ánh sáng cho quang hợp. Mặc dù lưu huỳnh không phải là thành phần trực tiếp của phân tử diệp lục, nhưng các hợp chất và enzyme chứa lưu huỳnh lại cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp và duy trì hàm lượng diệp lục trong lá.

Lưu huỳnh rất cần thiết cho quá trình tổng hợp dầu ở các cây lấy dầu như cải dầu, hướng dương, đậu tương và đậu phộng, ảnh hưởng đến cả năng suất và chất lượng dầu. Các cây này thường có nhu cầu lưu huỳnh cao do hàm lượng lớn các axit amin chứa lưu huỳnh trong protein hạt và trong sinh tổng hợp axit béo.

Các hợp chất chứa lưu huỳnh (ví dụ: thiols, sulfoxides) tạo nên hương vị và mùi cay nồng đặc trưng cho nhiều loại cây trồng, rau gia vị như hành, tỏi (chi Allium). Đây là một yếu tố chất lượng quan trọng, quyết định giá trị ẩm thực và thị trường của các sản phẩm này.

Bón đủ lưu huỳnh giúp cải thiện tỷ lệ N:S trong cây, từ đó có thể làm giảm sự tích lũy nitrate (NO₃^​−​) trong rau quả, nâng cao độ an toàn vệ sinh thực phẩm. Nồng độ nitrate cao trong nông sản có thể gây ra những lo ngại về sức khỏe cho người tiêu dùng.

Lưu huỳnh là thành phần của glutathione (GSH), một tripeptide có vai trò như một chất chống oxy hóa nội bào quan trọng, giúp bảo vệ tế bào thực vật khỏi tổn thương do các gốc oxy hóa tự do (ROS) gây ra trong điều kiện stress. Glutathione cũng tham gia vào quá trình giải độc các chất độc hại.

Các giai đoạn sinh trưởng và nhu cầu lưu huỳnh

Nhu cầu lưu huỳnh biến động rất lớn giữa các loài cây trồng khác nhau: các loại cây trồng lấy dầu, cây họ đậu, cây gia vị, cây lương thực và một số cây trồng khác có nhu cầu lưu huỳnh cao hơn.

Mặc dù cây cần lưu huỳnh liên tục, nhu cầu có thể tăng cao ở một số giai đoạn nhất định như ở giai đoạn đầu của quá trình sinh trưởng, phân cành, đẻ nhánh, giai đoạn ra hoa và kết hạt.

Dấu hiệu nhận biết khi cây trồng thiếu hoặc thừa lưu huỳnh

Nhận biết các dấu hiệu thiếu hoặc thừa lưu huỳnh là bước đầu tiên quan trọng trong việc chẩn đoán và khắc phục các vấn đề dinh dưỡng liên quan đến nguyên tố này.

Dấu hiệu cây thiếu lưu huỳnh

Do lưu huỳnh tương đối bất động trong cây, các triệu chứng thiếu hụt thường xuất hiện đầu tiên ở các lá non hoặc các bộ phận đang sinh trưởng mạnh. Lá chuyển sang màu vàng nhạt hoặc xanh vàng, thường bắt đầu từ các lá non. Đây là một điểm khác biệt quan trọng so với thiếu đạm (N), vốn thường gây vàng lá ở các lá già trước. Thân cây có thể trở nên mảnh, cứng và dễ gãy, hóa gỗ sớm hơn bình thường. Khoảng cách giữa các mắt, lóng trên thân cây bị rút ngắn.

Dấu hiệu thừa lưu huỳnh

Ngộ độc lưu huỳnh ở cây trồng do bón các loại phân lưu huỳnh thông thường qua đất tương đối hiếm gặp, nhưng vẫn có thể xảy ra, đặc biệt khi sử dụng quá nhiều lưu huỳnh nguyên tố dẫn đến pH đất quá thấp, hoặc do ô nhiễm khí SO₂​ từ khí quyển. Lá có thể chuyển sang màu xanh đậm hoặc nâu. Mép lá hoặc chóp lá có thể bị cháy, khô. Kích thước lá có thể bị giảm. Ngộ độc lưu huỳnh làm giảm đáng kể pH đất có thể gây ra sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng khác (ví dụ: P, Mo) hoặc gây ngộ độc các nguyên tố như nhôm (Al) và mangan (Mn) trong đất axit, dẫn đến bộ rễ phát triển kém và cây sinh trưởng còi cọc. Rễ có thể bị tổn thương, chuyển sang màu đen, thậm chí thối rễ.

Hấp thụ dinh dưỡng lưu huỳnh

Cây trồng hấp thụ lưu huỳnh từ dung dịch đất chủ yếu dưới dạng ion vô cơ đã được oxy hóa hoàn toàn là sulfate (SO₄²⁻​). Đây là dạng lưu huỳnh phổ biến và dễ tiêu nhất đối với thực vật. Ngoài ra, một lượng nhỏ khí sulfur dioxide (SO₂​) có thể được hấp thụ trực tiếp từ khí quyển qua khí khổng trên bề mặt lá, đặc biệt ở những khu vực có nồng độ SO₂​ trong không khí cao do hoạt động công nghiệp hoặc núi lửa. Tuy nhiên, con đường này thường chỉ đóng góp một phần nhỏ vào tổng nhu cầu lưu huỳnh của cây, và nồng độ SO₂ cao có thể gây độc cho thực vật.

Quá trình hấp thụ ion sulfate (SO₄²⁻​) từ dung dịch đất vào tế bào rễ là một quá trình chủ động, đòi hỏi năng lượng ATP và được thực hiện bởi các protein vận chuyển chuyên biệt gọi là SULTR (Sulfate Transporters). Các protein SULTR này nằm trên màng sinh chất của các tế bào biểu bì và tế bào vỏ của rễ. Hệ thống protein vận chuyển sulfate ở thực vật rất đa dạng, bao gồm các nhóm SULTR có ái lực khác nhau với sulfate (ái lực cao và ái lực thấp) và được điều hòa hoạt động một cách phức tạp. Điều này cho phép cây trồng có thể hấp thụ sulfate hiệu quả từ môi trường đất có nồng độ sulfate ở phổ rộng. Các protein vận chuyển ái lực cao hoạt động hiệu quả khi nồng độ sulfate trong đất thấp, trong khi các protein vận chuyển ái lực thấp tham gia vào quá trình hấp thụ khi nồng độ sulfate cao hơn.

Ngoài việc tự hấp thụ trực tiếp, cây trồng còn có thể tận dụng các protein vận chuyển lưu huỳnh của các vi sinh vật cộng sinh, chẳng hạn như nấm rễ nội cộng sinh arbuscular (Arbuscular Mycorrhizal Fungi - AMF) và các loại nấm nội sinh khác sống trong rễ, để tăng cường khả năng hấp thụ lưu huỳnh, đặc biệt trong điều kiện đất nghèo lưu huỳnh.

Tương tác đối kháng (Antagonism): Xảy ra khi sự dư thừa của một nguyên tố cản trở sự hấp thụ hoặc chức năng của một nguyên tố khác.

• S ↔ Mo: Đây là cặp đối kháng mạnh và rõ rệt nhất của Lưu huỳnh. Ion Sunfat (SO42−​) và ion Molipdat (MoO42−​) có cấu trúc hóa học và điện tích rất giống nhau. Do đó, chúng cạnh tranh trực tiếp và quyết liệt cho cùng một vị trí hấp thu trên bề mặt rễ.
• S ↔ P: Cả SO₄²⁻ và HPO₄^2−​ đều là anion nên có thể xảy ra một mức độ cạnh tranh nhất định. Tuy nhiên, tương tác này thường được xem là yếu và không có ý nghĩa lớn trong hầu hết các điều kiện canh tác thông thường.

Tương tác đồng vận (Synergism): Xảy ra khi một nguyên tố giúp tăng cường sự hấp thụ hoặc sử dụng của một nguyên tố khác.

• S + N: Đây là một cặp đồng vận kinh điển và vô cùng chặt chẽ, được ví như "gạch và vữa" để xây nên các protein. Cây trồng cần một tỷ lệ N:S cân đối (thường khoảng 15:1 trong mô cây) để có thể tổng hợp protein một cách hiệu quả. Nếu thiếu một trong hai, chất còn lại dù có thừa cũng không thể được sử dụng tối ưu.

Nguồn cung cấp lưu huỳnh

Phân hủy hữu cơ: Vi sinh vật phân giải bã thực vật, phân động vật, và hợp chất chứa lưu huỳnh trong đất thành ion SO₄²⁻ đơn giản để cây có thể hấp thụ.

Phong hóa khoáng chất: Lưu huỳnh là thành phần của nhiều khoáng chất tự nhiên trong đất như pyrite (FeS₂​) trong điều kiện yếm khí, hoặc gypsum (CaSO₄​.2H₂​O) ở các vùng khô hạn và bán khô hạn. Quá trình phong hóa các khoáng chất này sẽ giải phóng lưu huỳnh cho cây hấp thụ.

Phân bón hóa học: (NH₄​)₂​SO₄​, K₂​SO₄​, MgSO₄.7H₂O, K₂SO₄.2MgSO₄, K2​SO4​.MgSO4​.6H2​O, NPK 16-16-8+13S...

Quản lý dinh dưỡng lưu huỳnh bền vững

Quản lý dinh dưỡng lưu huỳnh bền vững đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng lưu huỳnh, duy trì độ phì nhiêu của đất, tăng năng suất và chất lượng nông sản, đồng thời giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Hiểu biết về chu trình lưu huỳnh là nền tảng cho quản lý bền vững.

Bón lót trước khi trồng hoặc vào đầu vụ. Biện pháp này đặc biệt quan trọng đối với các loại phân lưu huỳnh tan chậm hoặc các vật liệu cải tạo đất như dolomite, phân lân nung chảy. Bón lót giúp cung cấp lưu huỳnh từ từ cho cây trong suốt vụ mùa và cải thiện tính chất đất ngay từ đầu.

Bón thúc vào các giai đoạn cây cần nhiều lưu huỳnh. Cây trồng có nhu cầu lưu huỳnh cao hơn ở một số giai đoạn nhất định. Việc bón thúc lưu huỳnh vào những thời điểm này sẽ đáp ứng kịp thời nhu cầu của cây.

Nếu đất quá chua (pH thấp), cần áp dụng các biện pháp cải tạo pH đất (ví dụ, bón vôi, dolomite) để tăng tính hữu dụng của lưu huỳnh và các chất dinh dưỡng khác. Bổ sung thường xuyên chất hữu cơ cho đất (phân chuồng, phân compost, phân xanh) giúp cải thiện cấu trúc đất, tăng khả năng giữ ẩm và giữ dinh dưỡng (bao gồm cả lưu huỳnh), đồng thời thúc đẩy hoạt động của vi sinh vật đất có lợi.

Kết luận

Lưu huỳnh (S) là một nguyên tố dinh dưỡng trung lượng thiết yếu, đóng vai trò đa dạng và không thể thay thế trong hàng loạt quá trình sinh lý của cây trồng. Nó là thành phần cấu tạo của các axit amin quan trọng (methionine, cysteine), protein, enzyme và coenzyme, tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp, tổng hợp diệp lục, chuyển hóa năng lượng và các hợp chất thứ cấp. Lưu huỳnh ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng nông sản (hàm lượng protein, dầu, hương vị đặc trưng) và khả năng chống chịu của cây trước các điều kiện stress sinh học và phi sinh học.

Nhu cầu lưu huỳnh của cây trồng thay đổi tùy thuộc vào loại cây, giai đoạn sinh trưởng và các điều kiện môi trường. Việc nhận biết sớm các triệu chứng thiếu lưu huỳnh, chủ yếu là hiện tượng vàng đều lá ở các lá non là rất quan trọng để có biện pháp can thiệp kịp thời. Trong khi thừa lưu huỳnh hiếm gặp hơn, có thể gây cháy lá hoặc axit hóa đất.

Khái niệm "bón phân cân đối" không chỉ đơn thuần là cung cấp đủ lượng các chất dinh dưỡng mà cây cần, mà quan trọng hơn là phải cung cấp chúng với một tỷ lệ phù hợp để tránh các tương tác đối kháng có thể xảy ra giữa các nguyên tố. Do đó, cần phải xem xét một cách tổng thể toàn bộ chương trình bón phân cho cây, không chỉ tập trung vào một vài nguyên tố đa lượng mà còn phải chú ý đến các nguyên tố trung lượng như lưu huỳnh. Người trồng cần thường xuyên thăm vườn cây và áp dụng quản lý dinh dưỡng lưu huỳnh dựa trên cơ sở khoa học.