Hô hấp rễ là một trong những hoạt động sống quan trọng nhất của cây trồng, dù thường bị bỏ qua vì diễn ra âm thầm dưới mặt đất. Từng tế bào rễ phải tạo ra đủ năng lượng dưới dạng ATP thì mới có thể hút nước, vận chuyển ion khoáng, tổng hợp tế bào mới và phát triển rễ tơ. Nói cách khác, nếu rễ không hô hấp được thì mọi chức năng còn lại của rễ sẽ chậm lại hoặc dừng hẳn.
Trong thực tế, nhiều nông dân chú ý rất kỹ đến phân bón và công thức dinh dưỡng, nhưng lại ít để ý đến một yếu tố tưởng như rất đơn giản là oxy trong vùng rễ. Cây không thể “ăn” phân nếu vùng rễ đang thiếu oxy, bởi các bơm ion và cơ chế hấp thu chủ động đều cần năng lượng từ hô hấp hiếu khí.
Bài viết này tập trung giải thích cơ chế hô hấp rễ, vì sao vùng rễ luôn cần oxy và những yếu tố làm suy giảm oxy trong đất. Từ đó, người làm nông có thể nhìn lại cách tưới, cách cải tạo đất và cách bố trí mô luống để giúp rễ “thở” tốt hơn trước khi nghĩ đến chuyện tăng lượng phân bón.
1. Hô hấp rễ là gì và diễn ra ở đâu?
Hô hấp rễ là quá trình trong đó tế bào rễ sử dụng oxy để phân giải các chất hữu cơ, chủ yếu là đường, nhằm tạo ra năng lượng dưới dạng ATP. Đó là lý do rễ cần cung cấp liên tục một nguồn đường từ phần trên của cây và đồng thời cần một lượng oxy ổn định từ các khoảng trống khí trong đất.
Hoạt động hô hấp diễn ra ở tất cả các tế bào sống của rễ, nhưng mạnh nhất ở những vùng đang tăng trưởng. Đó là chóp rễ, vùng rễ tơ non và đặc biệt là khu vực có nhiều lông hút. Tại đây, các tế bào liên tục phân chia, kéo dài và trao đổi ion với môi trường đất nên nhu cầu năng lượng rất cao. Muốn có năng lượng, rễ buộc phải hô hấp mạnh.
Về bản chất, đây không phải là quang hợp mà là quá trình hô hấp hiếu khí, khá giống với cơ chế tạo năng lượng ở động vật. Rễ không tạo ra năng lượng từ ánh sáng mà chỉ tiêu thụ các sản phẩm do lá quang hợp tạo ra. Vì vậy, dù ở trong bóng tối, rễ vẫn là một “người tiêu dùng năng lượng” rất tích cực của cây trồng.
2. Cơ chế hô hấp hiếu khí trong rễ
Quá trình hô hấp hiếu khí trong rễ có thể tóm tắt thành ba giai đoạn sinh hóa chính, xảy ra liên tiếp trong tế bào.
Trước hết là giai đoạn đường phân, hay còn gọi là glycolysis. Trong bước này, các phân tử đường đơn giản như glucose được phân cắt dần thành những phân tử nhỏ hơn trong chất tế bào. Một phần năng lượng được giải phóng thành ATP, đồng thời tạo ra các chất trung gian dùng cho bước tiếp theo. Giai đoạn này không cần oxy nhưng chuẩn bị nguyên liệu cho hô hấp hiếu khí.
Tiếp theo là chu trình Krebs trong ti thể. Các chất trung gian từ đường phân được đưa vào ti thể, nơi chúng tiếp tục bị oxy hóa sâu hơn. Tại đây, carbon được giải phóng dần dưới dạng khí carbon dioxide, đồng thời nhiều phân tử mang điện tử năng lượng cao được tạo ra. Chu trình này cần oxy gián tiếp vì các sản phẩm sẽ đi vào bước kế tiếp của hô hấp hiếu khí.
Cuối cùng là chuỗi vận chuyển electron. Đây là nơi phần lớn ATP được tạo ra. Các electron năng lượng cao được truyền qua một chuỗi protein đặc biệt nằm trên màng ti thể. Oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng. Khi electron kết hợp với oxy và hydrogen, nước được tạo thành, còn năng lượng chênh lệch được dùng để tổng hợp một lượng lớn ATP.
Kết quả của ba giai đoạn trên là rễ thu được một nguồn ATP dồi dào. Nguồn năng lượng này được sử dụng để vận hành các bơm ion trên màng tế bào, hút các ion khoáng ngược chiều gradient nồng độ, điều chỉnh áp suất thẩm thấu để hút nước và tổng hợp thành mô rễ mới. Rễ càng non, tốc độ trao đổi ion càng cao thì nhu cầu ATP càng lớn, đồng nghĩa với việc nhu cầu oxy trong vùng rễ cũng tăng lên.
3. Vai trò của oxy trong hoạt động sống của rễ
Oxy là điều kiện cốt lõi để hô hấp hiếu khí diễn ra trọn vẹn. Khi oxy đầy đủ, chuỗi vận chuyển electron hoạt động bình thường, cây thu được nhiều ATP từ cùng một lượng đường. Nếu vùng rễ thiếu oxy, ti thể không thể tiếp tục sử dụng chuỗi vận chuyển electron. Lúc này, tế bào rễ buộc phải chuyển sang các con đường hô hấp yếm khí. Các con đường này tạo ra rất ít ATP, gây tích lũy sản phẩm trung gian có thể độc cho tế bào.
Ý nghĩa của oxy thể hiện rõ trong nhiều hoạt động sống của rễ. Trong hấp thu dinh dưỡng chủ động, rễ phải dùng ATP để bơm các ion như kali, canxi, magiê, phốt phát từ ngoài đất vào trong tế bào rễ. Nếu nguồn ATP suy giảm, bơm ion hoạt động kém, dù trong đất vẫn còn dinh dưỡng thì rễ cũng không hút được.
Trong quá trình phân chia tế bào và hình thành rễ tơ mới, rễ cũng cần năng lượng lớn để nhân đôi vật liệu di truyền, tổng hợp màng và thành tế bào. Thiếu oxy, hoạt động này giảm mạnh. Rễ trở nên già cỗi, ít có rễ non mới, dẫn tới suy giảm khả năng khai thác vùng đất xung quanh.
Oxy cũng là yếu tố quan trọng đối với hoạt động của vi sinh vật có lợi như Trichoderma, Bacillus và nhiều vi sinh vật hiếu khí khác. Những nhóm này phát triển tốt trong môi trường đất tơi xốp, giàu oxy. Chúng giúp phân giải hữu cơ, tan giải lân khó tiêu và cạnh tranh với nấm bệnh. Nếu vùng rễ thiếu oxy, vi sinh vật hiếu khí suy giảm, nhường chỗ cho những vi sinh vật yếm khí hoặc nấm bệnh phát triển.
Ngoài ra, oxy hỗ trợ việc hạn chế sự phát triển của nhiều tác nhân gây thối rễ. Trong môi trường bí khí, ẩm kéo dài, các loài nấm như Phytophthora, Pythium, Fusarium có điều kiện thuận lợi để tấn công đầu rễ và cổ rễ. Vì vậy, có thể xem độ tơi xốp của đất là nhân tố trung gian giữa cấu trúc đất và hàm lượng oxy. Đất tơi, nhiều lỗ rỗng khí thì vùng rễ giàu oxy. Đất nén chặt, kết dính, hay bị đóng váng thì vùng rễ rất dễ rơi vào trạng thái thiếu oxy.
4. Những yếu tố làm giảm oxy trong vùng rễ
Có nhiều nguyên nhân khiến hàm lượng oxy trong vùng rễ giảm xuống, trong đó một số nguyên nhân đến từ cấu trúc đất, một số đến từ cách canh tác.
Thứ nhất là hiện tượng đất nén chặt, đất chai. Việc sử dụng máy móc nặng, đi lại nhiều, cày xới liên tục trên cùng một tầng đất hoặc tưới tràn lâu năm có thể làm các lỗ rỗng khí trong đất bị ép lại. Đất mất cấu trúc tơi xốp, trở nên dẻo và bí. Oxy không thể dễ dàng khuếch tán xuống vùng rễ, nhất là khi mặt đất bị đóng váng sau mưa.
Thứ hai là đọng nước sau mưa lớn hoặc tưới quá nhiều. Khi nước chiếm hết các khoảng trống trong đất, không khí bị đẩy ra ngoài. Oxy bị thay thế bằng nước, trong khi tốc độ khuếch tán oxy trong nước chậm hơn rất nhiều so với trong không khí. Chỉ cần một thời gian ngập ngắn, vùng rễ đã có thể rơi vào trạng thái thiếu oxy, đặc biệt là ở những đất có thành phần sét cao.
Thứ ba là ảnh hưởng của đất giàu sét. Đất có hàm lượng sét cao tự nhiên đã có xu hướng ít lỗ rỗng khí, dễ bí khi ướt và nứt nẻ khi khô. Nếu không được cải tạo bằng hữu cơ và các chất cải tạo đất, oxy khó đi sâu xuống tầng rễ hoạt động.
Thứ tư là hiện tượng hữu cơ phân hủy yếm khí. Khi bón nhiều hữu cơ tươi hoặc phân chưa hoai mục, quá trình phân hủy trong môi trường bí khí có thể sinh ra các khí độc như hydrogen sulfide và methane. Các khí này không chỉ cạnh tranh với oxy trong vùng rễ mà còn gây độc trực tiếp cho tế bào rễ non.
Ngoài ra, rễ già, rễ bệnh hoặc rễ bị tổn thương do hóa chất cũng góp phần làm suy giảm khả năng trao đổi khí. Các vùng rễ chết tạo môi trường yếm khí cục bộ, là nơi vi sinh vật yếm khí và nấm bệnh dễ phát triển, từ đó càng làm trầm trọng hơn tình trạng thiếu oxy quanh rễ.
5. Hệ quả khi rễ thiếu oxy, tình trạng ngạt rễ
Khi vùng rễ thiếu oxy kéo dài, cây rơi vào trạng thái ngạt rễ. Hệ quả đầu tiên là lượng ATP được tạo ra giảm mạnh. Khi ATP giảm, các bơm ion trên màng tế bào rễ hoạt động kém, rễ không còn đủ sức hút dinh dưỡng theo cơ chế chủ động. Các rễ tơ non, vốn cần nhiều năng lượng, sẽ là đối tượng bị ảnh hưởng trước tiên. Chúng ngừng phát triển, thậm chí chết đi.
Việc hấp thu lân, kali, canxi và nhiều dưỡng chất quan trọng khác giảm rõ rệt. Dù người chăm sóc vẫn bón đầy đủ hoặc thậm chí tăng liều phân, cây vẫn biểu hiện suy. Lá có thể vàng, cháy mép, rụng trái non, chậm ra đọt. Người không nắm nguyên nhân rất dễ lầm tưởng là thiếu phân và tiếp tục bón thêm, vô tình làm đất bí khí hơn, khiến rễ càng ngạt nặng.
Không chỉ suy dinh dưỡng, rễ thiếu oxy còn dễ bị bệnh. Trong môi trường ẩm và bí, nấm Phytophthora, Pythium, Fusarium phát triển mạnh, tấn công vào đầu rễ và cổ rễ gây hiện tượng thối rễ, đen rễ. Bệnh rễ âm thầm tiến triển bên dưới, nhưng trên mặt đất cây lại thể hiện những triệu chứng khó quy về một loại bệnh lá cụ thể, khiến việc chẩn đoán càng khó khăn.
Mất cân bằng hormone cũng là một hệ quả quan trọng của thiếu oxy vùng rễ. Khi rễ bị stress, lượng auxin giảm, trong khi ethylene tăng lên. Sự thay đổi này thúc đẩy các phản ứng như rụng lá, thui đọt, rụng trái sinh lý nhiều hơn. Đó là lý do sau những đợt mưa kéo dài hoặc sau khi tưới nước quá đẫm, cây có thể bị rụng lá và rụng trái dù không hề bị sâu bệnh tấn công trực tiếp trên tán.
Hiện tượng “cháy ngầm rễ” sau mưa hoặc sau các lần tưới đẫm liên tục chính là biểu hiện điển hình của tình trạng thiếu oxy và tổn thương rễ. Nếu không phát hiện và can thiệp kịp thời, hệ rễ suy yếu kéo dài, cây mất dần sức sống và rất khó phục hồi trong các vụ sau.
6. Biện pháp duy trì oxy cho vùng rễ
Để vùng rễ luôn có đủ oxy, cần kết hợp các biện pháp cải tạo đất, điều chỉnh tưới và quản lý hữu cơ.
Trước hết, tăng cường phân hữu cơ hoai mục và các nguồn Humic có chất lượng tốt giúp cải thiện cấu trúc đất, tạo ra nhiều lỗ rỗng khí. Đất giàu mùn thường có cấu trúc viên, không quá chặt, cho phép nước thấm đều nhưng cũng thoát nước tốt, đồng thời tạo điều kiện cho không khí luân chuyển.
Tiếp theo là thiết kế mô trồng và hệ thống thoát nước. Với cây mẫn cảm với úng như sầu riêng, dưa lưới, cà chua, cần làm mô cao, luống cao và bố trí rãnh thoát nước rõ ràng. Sau mưa lớn, nước phải được rút nhanh để vùng rễ không bị ngập quá lâu.
Phủ gốc bằng rơm rạ, vỏ cà phê, vỏ trấu hoặc các vật liệu phù hợp không chỉ giúp giữ ẩm mà còn hạn chế việc đất bị nén chặt do mưa đập trực tiếp lên mặt luống. Khi đất mặt không bị đóng váng, oxy dễ dàng đi xuống sâu hơn.
Việc sử dụng vi sinh vật hiếu khí, đặc biệt là những chủng có khả năng phân giải hữu cơ và phá váng mặt, cũng góp phần cải thiện độ thông thoáng của đất. Khi vi sinh vật hiếu khí hoạt động mạnh, chúng giúp tiêu thụ bớt các chất hữu cơ dễ gây yếm khí, đồng thời tạo chất kết dính tự nhiên giúp đất có cấu trúc bền hơn.
Trong nhà màng hoặc hệ thống tưới hiện đại, nên tránh tưới đẫm một lần với lượng nước quá lớn. Thay vào đó là tưới nhẹ, chia nhiều lần trong ngày để đất luôn ẩm nhưng không bị bão hòa nước. Cách này giúp duy trì oxy trong vùng rễ ổn định hơn.
Ngoài ra, không nên xới sâu quanh gốc vào mùa mưa, vì có thể làm đứt rễ tơ đang trao đổi khí mạnh và tạo điều kiện để nước đọng ở các vết nứt mới. Việc bón hữu cơ tươi hoặc phân chuồng chưa hoai cũng cần được kiểm soát. Nên ủ hoai kỹ trước khi đưa xuống đất, tránh để hữu cơ phân hủy yếm khí ngay trong vùng rễ.
Kết bài
Oxy là nền tảng của vùng rễ. Nếu thiếu oxy, hô hấp rễ bị suy giảm, lượng ATP giảm xuống, các bơm ion hoạt động yếu và rễ tơ, rễ non nhanh chóng bị tổn thương. Trong điều kiện đó, mọi biện pháp bón phân, kích rễ dù có đúng loại và đúng liều cũng khó phát huy hết hiệu quả, vì bộ máy tiếp nhận ở dưới đất đang bị nghẹt.
Về mặt canh tác, muốn rễ khỏe trước tiên phải tạo điều kiện để rễ hô hấp thuận lợi. Nghĩa là cần bắt đầu từ cấu trúc đất, mô luống, chế độ tưới và cách sử dụng hữu cơ, sau đó mới tính đến công thức phân bón. Từ nền tảng này có thể tiếp tục mở rộng sang các chủ đề chuyên sâu hơn như cơ chế nghẹt rễ và thối rễ, tác động của nhiệt độ đất lên hô hấp rễ, hoặc cách sử dụng Humic để tăng độ thông thoáng của đất trong những mô hình canh tác thâm canh hiện đại.
⏩⏩ Mời quý vị và các bạn quan tâm theo dõi các nền tảng truyền thông để tìm hiểu, trao đổi và chia sẻ thêm về các kinh nghiệm trong đầu tư và sản xuất nông nghiệp cùng cộng đồng và chuyên gia tại:
- Youtube: Youtube.com/@Kythuattrongcayvn
- Facebook Page: Facebook.com/kythuattrongcay.vn/
- Facebook Group: Facebook.com/6441565519262518
- Tiktok: Tiktok.com/@kythuattrongcay.vn
