Цеолиты — источник ценного кремния для растений

В рамках Национальной научно-практической конференции с международным участием «Кремний и жизнь. Кремнистые породы в сельском хозяйстве» доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ульяновского государственного аграрного университета Алевтина Куликова, рассказала о цеолитах, как эффективном кремниевом удобрении для основных групп сельскохозяйственных культур. О самых интересных выводах ученых, проведенных исследованиях и их результатах — в материале «ГлавАгроном». 

Цеолиты относятся к большой группе близких по составу и свойствам минералов. Они известны своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Еще одно немаловажное свойство цеолитов — в их способности избирательно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы. Цеолиты бывают природные и синтетические. Основные разведанные запасы природных цеолитов сосредоточены в Европе, России, Японии и США.

К наиболее крупным и целесообразным с точки зрения разработки месторождениям в России можно отнести: Хотынецкое (Орловская область), Татарско-Шатрашанское (Республика Татарстан), Пегасское (Кемеровская область), Сахаптинское и Пашенское (Красноярский край), Холинское, Шивыртуйское и Бадинское (Читинская область), Хонгуруу (Республика Саха), Куликовское и Вангинское (Амурская область), Радденское (Хабаровский край), Чугуевское (Приморский край), Середочное (Хабаровский край), Лютогское и Чеховское (Сахалинская область), Пастбищное (Чукотский АО) и Ягоднинское (Камчатская область).

Группа ученых Ульяновского государственного аграрного университета провела масштабные исследования, касающиеся использования цеолитов в качестве кремниевого удобрения для сельскохозяйственных культур.

В общей сложности исследование цеолита как минерального удобрения проводилось в течение трех лет. И в рамках проведения конференции были озвучены промежуточные результаты работы специалистов.

Работа была посвящена:

• изучению возможностей повышения эффективности цеолита в качестве удобрения;
• обогащению цеолита определенными компонентами;
• созданию удобрений нового поколения, максимально отвечающих требованиям либо отдельных культур, либо группы сельскохозяйственных культур.

Цеолиты — это широко распространенные в природе минеральные породы. Их эффективность в качестве кремниевого удобрения была доказана практическим путем еще в прошлом веке. В 1970-е годы в нашей стране была принята научно-производственная программа «Цеолиты России». Уже тогда ученые были заинтересованы в массовом применении минерала в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур и считали его перспективным для роста и развития растений. 

Цеолиты включают целую группу минералов, насчитывающую около тридцати наименований. Их уникальная особенность — в строении кристаллической структуры. Молекулы, входящие в состав цеолитов, активно взаимодействуют между собой. Благодаря этой особенности удается полноценно обогащать минерал необходимыми для практических целей компонентами.

Учитывая данную особенность, инициативная группа Ульяновского государственного аграрного университета и специалисты научно-производственного объединения ООО «Биоресурс», начиная с 2015 года последовательно работают над возможностью создания на основе цеолита кремниевых удобрений нового поколения: более эффективных, безопасных и экономичных по сравнению с минеральными удобрениями.

В 2019 г. была налажена технологическая линия производства, в результате чего специалисты получили первые экспериментальные образцы удобрений нового поколения с внедрением и обогащением цеолита месторождения из Ульяновской области аминокислотами и карбамидом. 

В этом же году были заложены первые опыты внесения данных удобрений при возделывании озимой пшеницы. В прошлом году ученые уже провели масштабные исследования по изучению эффективности этих удобрений при возделывании пяти культур: рапса, кукурузы, проса, озимой пшеницы, сои по 14-вариантной схеме.

Результаты исследования приведены ниже в таблице.

Согласно полученным данным, удалось установить, что цеолиты в чистом виде действительно являются прекрасным кремниевым удобрением для сельскохозяйственных культур.

К примеру, повышение урожайности в чистом виде при внесении относительно небольших, приближенных к стандартным доз удобрений по аналогии со схемой внесения минеральных удобрений (250-300 кг/га) на том же рапсе составило 35%.

На озимой пшенице и кукурузе при внесении дозы 500 кг/га удалось повысить урожайность на 1 тонну на гектар. По другим культурам показатели были несколько меньше, но тем не менее прибавка тоже являлась значительной.

Прежде всего это обусловлено положительно-благоприятным воздействием на свойства почвы как самого цеолита в качестве кремнистой породы, так и удобрения на его основе.

Особенно это видно на результатах исследования влияния цеолитов на рост и развитие кукурузы — требовательной к качеству пахотного слоя культуры. При внесении данных удобрений все показатели физического состояния в черноземе приобретают оптимальное значение с плотностью чуть больше 1 г/м³.

Еще одно свойство кремниевых удобрений — увеличение водоудерживающей способности самой почвы. За счет содержания цеолита почвенная влага удерживается в пахотном слое и пролонгировано потребляется растением по мере необходимости. Особенно важно данное свойство в засушливые годы, когда влагозависимые культуры испытывают стресс.

Минерал улучшает физические и водно-физические свойства всей почвенной биоты, усиливает активность почвенных микроорганизмов и биологическую активность в целом. Особенно данная положительная динамика наблюдается при внесении в почву цеолита, обогащенного  аминокислотами. Показатели биологической активности увеличиваются на 60% и выше.

Микроорганизмы — это главные агенты в почве, которые преобразуют элементы питания с недоступного сегмента в доступные для растений формы.

При этом повышается содержание минеральных форм азота, который поступает изначально растениям в ограниченном количестве, но в тоже время является одним из самых важных микроэлементов для формирования урожайности.

При внесении в почву удобрений на основе цеолита происходит активизация работы микроорганизмов. Особенно отчетливо эта активность прослеживается в «тандеме» с аминокислотами, усиливающими работу соответствующих микроорганизмов, которые переводят азот из органической формы в минеральную, то есть доступную для растений.

Сам по себе цеолит, полученный из кремнистой породы, экологически безопасен. Присутствующая кремниевая кислота в аморфном состоянии способствует повышению экологической безопасности и снижению поступления тяжелых металлов в продукт, в связи с тем что кремниевые кислоты, особенно монокремниевые, связывают тяжелые металлы.

Применение цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом, в дозе 250 кг на гектар в качестве удобрения сельскохозяйственных культур является наиболее экономически целесообразным.

При возделывании:

• рапса уровень рентабельности производства семян с использованием в системе удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами,  в дозе 250 кг/га составил 100%, обогащенного карбамидом составил 107%, тогда как на контроле этот показатель был в пределах 89%;
• проса соответственно — 97% и 84% (на контроле 78%);
• кукурузы 153% и 152%.

Как и все кремнистые породы, цеолит отличается пролонгированным по времени действием. Период его положительного влияния на почву и растения составляет 3-4 года, поэтому целесообразно использование дозы в 500 кг/га, однако ее требуется вносить не ежегодно, а выдерживать интервальность внесения один раз в 2-3 года.

Также в рамках конференции рассмотрели результаты исследования, в ходе которого оценивали влияние цеолита на рост и развитие окислительного стресса на растения ячменя. Стимуляция антиоксидантной системы растений является наиболее важным механизмом, которые могут объяснить влияние кремниевых соединений на растения при воздействии тяжелых металлов. Известно также, что влияние активной формы кремния в почве снижало интенсивность деструктивных окислительных процессов в растениях при почвенном затоплении. Основной целью исследования, которую преследовали ученые, было определение позитивного влияния обогащенного кремнием минерала цеолита на рост и развитие растений ячменя Hordeum vulgare L., сорт Bartom, а также на его устойчивость в условиях развития окислительного стресса, индуцированного кадмием.

В исследовании использовали семена ячменя, их высевали в горшки, заполненные кокосовой стружкой вместе с цеолитом, в пропорции 1:1. Другая группа семян была посеяна в горшки с кокосовой стружкой со сбалансированным по концентрации веществ составом, без цеолита, но с добавлением торфа. Через 2 недели роста ячменя в листьях растений, которые росли в присутствии цеолита и без него, определяли содержание растворимого кремния моно- и поликремниевых кислот.

Для оценки реакции растений на действие кадмия двухнедельные проростки ячменя помещали в стеклянные сосуды с дистиллированной водой или с водными растворами нитрата кадмия. Во всех случаях рН был 6,5. Для опытов использовали цеолит Орловского месторождения с содержанием кремнезема до 74%. Поскольку основным компонентом цеолита является кремний, то растения, выращиваемые на цеолите обозначили как (+Si)-растения, а без цеолита (-Si)-растения.

Физиологическое состояние оценивали по интенсивности ростовых процессов накоплению биомассы, содержанию пластидных пигментов и скорости фотосинтеза.  

Результаты показали: по элементному составу растения ячменя, которые выращивали с цеолитом +Si или без него -Si, в основном отличались только по содержанию общего кремния, анализ других элементов показал, что особо различий не было.

Ученые также определили содержание монокремниевой и поликремниевой кислот в цитоплазме листьев ячменя через 2 недели произрастания на субстрате, обогащенном цеолитом.

У растений, которые росли на цеолите концентрация монокремниевой и поликремниевой кислот была на 30-40% выше, чем у растений, которые росли без применения цеолитов.

Добавление цеолита к субстрату также стимулировало сам рост проростков. Биомасса побегов и корней растений, которые росли на грунте с цеолитом была на 143-136% выше, а высота побегов и длина корней на 158% и 168% соответственно относительно тех же параметров растений, которые испытывали недостаток кремния.

Концентрация хлорофилла в листьях 2-недельных растений существенно не отличалась в сравнении с растениями, которые выращивались без цеолита, но в тоже время после 24-часового кадмиевого стресса концентрация пигментов в листьях растений, которые росли на цеолите снизилась на 27%, т.е. кремний оказывал стабилизирующее влияние.

Также ученые определили содержание ТБКРп. У растений, произраставших в дефиците кремния, содержание ТБКРп возрастало по сравнению с растениями, выращивание которых осуществлялось без использования цеолита.

В ходе исследования также удалось установить, что растения за счет цеолита начинали выработку фермента для снижения негативного воздействия кадмия. 

Таким образом, добавление цеолита в субстрат для выращивания растений ячменя (+Si) привело к:

• накоплению моно- и поликремниевой кислоты в листьях;
• активации роста проростков и накоплению биомассы;
• снижению содержания ТБКРп;
• повышению активности антиоксидантных ферментов СОД, АсП, ГП.

Последствия негативного воздействия кадмия, которые были отражены в:

• снижении концентрации хлорофилла и скорости фотосинтеза;
• повышении концентрации ТБКРп у (-Si)-растений были выражены в большей степени, чем у (+Si)-растений.

Активность СОД, АсП и ГП увеличивалась в листьях ячменя (-Si) - и (+Si)-растений с увеличением концентрации Cd2+ в действующем растворе.

В тоже время значения соотношений между концентрациями ТБКРп и активностью СОД, АсП и ГП у (-Si)-растений были выше, чем у (+Si)-растений, как в опитмальных условиях произрастания, так и при Cd-стрессе.

Влияние кремния на рост и развитие растений, повышение их устойчивости к различным факторам стресса, доказано уже многими авторами.  В последние годы интерес к такому уникальному элементу, как кремний и его кремнистым породам, стремительно растет. Ученые продолжают изучать роль кремния и цеолита в развитии сельскохозяйственных культур, а также в системе «почва-растение». Исследования, которые проводятся уже не первый год, направлены на создание принципиально новых поколений минеральных удобрений на основе кремния и цеолита для всех групп сельскохозяйственных культур.