Сложные взаимоотношения элементов питания

Карпеня Г.М., кандидат сельскохозяйственных наук.

Недостаток или избыток элементов питания в растениях может быть обусловлен не только их количеством, но и возможным проявлением антагонизма или синергизма при их поглощении из почвы и усвоении из удобрений. В итоге это отражается на питании культур, урожайности и качестве. Однако на практике при составлении стратегии внесения удобрений этот фактор часто игнорируют. 

Согласно статистике, на первом месте в ряду неблагоприятных факторов, вызывающих заболевания растений и человека, стоит нарушение питания. Для сельскохозяйственных культур сбалансированное минеральное питание макро- и микроэлементами определяет их развитие, устойчивость к неблагоприятным факторам среды, урожайность и качество растениеводческой продукции. 

Между различными макро- и микроэлементами существуют сложные взаимоотношения. Элементы, похожие между собой по физико-химическим свойствам или размеру атомов, могут активно взаимодействовать или конкурировать в системах, которые ответственны за их всасывание, транспорт или метаболизм. Необходимо хорошо представлять такого рода взаимоотношения, чтобы избежать потерь одних элементов при внесении других.

Впервые о вопросах взаимодействия между элементами питания растений начали задумываться ещё в XIX веке. Тогда опытным путем было установлено, что растения лучше растут при определенном балансе между питательными элементами в растворе.

Физиологически уравновешенным считают такой почвенный раствор, в котором катионы и анионы находятся в оптимальном соотношении, что обеспечивает наиболее эффективное использование растением питательных веществ.

Вместе с этим у каждой культуры существует свой «рацион» питания, который заключается в индивидуальном балансе элементов питания. Содержание и соотношение элементов питания в различные фазы вегетации обусловлено генетически, что помогает растениям реализовать свой биологический потенциал (табл. 1, 2).

Растение поглощает больше тех элементов, в которых нуждается. При этом соотношение между элементами не менее важно, чем абсолютное содержание каждого из них. При использовании минеральных удобрений наиболее значимыми для питания культур являются следующие соотношения между ионами: N : S, NO 3 : K, NO 3 : Ca, NO 3 : Mo, SO 4 : Ca и P : Ca.

Таблица 1. Соотношение N:Р:К в растениях кукурузы при нормальных условиях питания и увлажнения, % [1]

 Таблица 2. Оптимальное соотношение между элементами в отдельных культурах во время цветения* [4] 

*рассчитано по значениям содержания в ррт, 1 ррт = 1 мг\кг 

Следствием любого дефицита питания является снижение урожайности и ценности продукции. Неполноценное питание подрывает иммунитет растений, ослабляя их противостояние грибным и бактериальным инфекциям. Таким примером является сухая гниль корнеплодов свеклы. Это заболевание способно обесценить  практически весь урожай, а его истинной и легко устраняемой причиной является нехватка бора в период вегетации растений. Дефицит элемента не всегда обусловлен его недостатком в почве или растении. Он может вызываться взаимодействием с другими элементами, приводя к нарушению физиологических функций у растений. Пример ‒ функциональный (кальциевый) хлороз, который проявляется в обесцвечивании листьев или угнетении точек роста (на посевах льна). 

Видимые симптомы дефицита микроэлементов могут проявляться на известкованных почвах с высоким значением рН (более 6,0), в условиях низкой обеспеченности почвы их подвижными формами или при выращивании чувствительных к их недостатку культур и нарушении технологии возделывания. 

Внешне признаки нарушения условий питания культур проявляются, когда в обмене их веществ произошли глубокие изменения, последствия которых полностью ликвидировать уже невозможно.

Элементы питания по их способности перемещаться в растениях делятся на:

‒ повторно используемые, или реутилизируемые (N, Р, К, Мg),

‒ слабореутилизируемые (Са, В, Сu, Мn, Fe, Zn).

Недостаток повторно используемых элементов питания четко проявляется на состоянии уже развитых, закончивших рост листьев, а слабореутилизируемых ‒ на самых молодых, растущих частях растений.

Между различными ионами (элементами питания) в среде возможно проявление синергизма или антагонизма, а также отсутствие их взаимодействия.

Как правило, ионы с противоположными зарядами взаимно ускоряют свое поступление в растение. Пример – поглощение растениями азота (ионов NO - 3 ) стимулирует поступление в них кальция (Са 2+ ). Явление синергизма также свойственно меди с кобальтом, молибденом и магнием, цинку с бором, магнию с серой и молибденом, а также кальцию с кобальтом. При совместном действии (синергии) урожай выше, чем от применения каждого элемента в отдельности. 

Антагонизм – это конкуренция между ионами одного заряда и торможение поступления в растение (Са 2+ и К + , Са 2+ и Мg 2+ , К + и NH + 4 , Са 2+ и Н + ), что отрицательно сказывается на урожае. Так, установлено, что цинк конкурирует с железом, магнием и медью, алюминий – с натрием, а кальций – с железом. Антагонизм присущ почвенным растворам на кислых и щелочных почвах. На почвах с нейтральной реакцией среды антагонизм ионов играет положительную роль, поскольку право выбора поглощения анионов и катионов остается за растением.

Одновременное присутствие в растворе нескольких видов катионов и анионов благодаря антагонизму создает благоприятные условия для развития растения. Вредный избыток какого-либо катиона или аниона всегда можно ослабить соответствующим ионом. Например, поступление иона NО 3 – можно ускорить прибавлением катиона Ca 2+ , а вредный избыток Ca 2+ ослабить Mg 2+ . Вредное действие Н + и Аl 3+ в кислой почве устраняется Са 2+ и Mg 2+ . В этом смысле известкование кислых почв решает многие проблемы питания культур.

Наиболее часто конкурентные взаимодействия свойственны катионам: H + , K + , NH 4+ , Ca 2+ , Mg 2+ . Анионами-антагонистами являются Cl - , NO 3 - , HCO 3 - , SO 4 2- , H 2 PO 4 .

Антагонизм анионов менее выражен и свою отрицательную роль может играть в неуравновешенных растворах, при резком преобладании того или иного иона. Это хорошо изучено на примере известкования почв, когда резкое повышение концентрации кальция может снизить поступление в растения К и Мg.

Отдельные микроэлементы также могут тормозить всасывание других. Однако это происходит лишь при длительном и избыточном поступлении более активного конкурента-антагониста. В случае сбалансированного питания конкуренция будет незначительной.

Взаимодействия между ионами имеют сложную природу. Отклонение концентрации одного элемента на 30-100% от его оптимального содержания в субстрате ведет к изменению поглощения растением других элементов питания. Так, повышение концентрации элемента сминимума до оптимального значения активизирует процессы обмена веществ в растении и как следствие – стимулирует поступление других элементов (синергизм). При дальнейшем повышении концентрации этого элемента в растворе соотношение элементов питания уже нарушается. Так синергические отношения могут перейти в антагонистические.

Явление антагонизма и синергизма в поглощении макро- и микроэлементов может определяться:

- реакцией среды (рН),

- уровнем содержания в среде и растении других элементов минерального питания, их соотношениями,

- видом растений, особенностью их корневой системы,

- температурой, освещенностью и влажностью.

Взаимодействие элементов может происходить в разных средах – в почве, в зоне корневой системы и внутри растения.

В почве содержатся вещества, способные образовывать устойчивые соединения с компонентами удобрений. Так, при внесении фосфорных удобрений или избыточном содержании фосфатов в почве снижается доступность для растений цинка. Аммиачные и аммонийные азотные удобрения также могут образовывать малорастворимые комплексные соединения с цинком и медью. Основным влиянием азотных удобрений является изменение рН почвенного раствора в сторону подкисления, что отражается на увеличении доступности для культур марганца и на других почвенных реакциях. В известкованных почвах отмечается дефицит всех  микроэлементов, кроме молибдена. Поэтому даже в отсутствие видимых симптомов недостатка микроэлементов навысокопродуктивных посевах обязательно вносят микроудобрения в некорневые подкормки.

При избытке магния в почве наблюдается его антагонистическое действие на поступление Са и К в растения. Поэтому при регулярном известковании кислых почв доломитовой мукой, которая содержит магний, проводят мониторинг содержания обменного Mg. В условиях Беларуси, где длительное время почвы известкуются доломитовой мукой, запасы магния в почвах выросли в несколько раз. В итоге при содержании обменного магния в почвах республики более 300 мг MgО/кг он отрицательно влияет на дальнейший рост урожайности культур. Оптимальным считается эквивалентное соотношение Са 2+ : Mg 2+ в почвах в пределах от 2 до 7. Соотношение катионов кальция к магнию на пашне Беларуси в настоящее время составляет от 4,1 до 3,2, а на луговых землях – от 5,4 до 3,4, находясь в допустимом диапазоне. Содержание подвижного калия (К 2 О) в почве принято считать избыточным, если оно превышает 4,5% от ёмкости катионного обмена на песчаных и супесчаных почвах и 5% ‒ на суглинистых (Богдевич И.М., 2011).

Взаимодействие между элементами питания отражается и на качестве растениеводческой продукции. Так, накопление калия в сухом веществе кормовых культур должно находиться в пределах оптимума – от 1,2 до 2,2% (К) и не превышать допустимую зоотехническую норму 3%, а эквивалентное соотношение катионов К/Са + Mg следует поддерживать на уровне 1,6-2,2 (Богдевич И.М., 2008, 2011).

Для развития большинства культур оптимальна близкая к нейтральной реакция среды – рН 6,0-6,5. Но надо знать, что для различных удобрений она широко варьирует: для аммонийного питания – рН 7,0, для нитратного – рН 5,5.

Прямое воздействие кислотности среды на питание растений сводится к изменению количества ионов Н + , НСО 3 – , ОН – на поверхности корневых волосков. В зависимости от рН нарушается поступление в растения либо катионов, либо анионов, изменяется растворимость соединений. Так, при подкислении почв улучшается питание растений фосфором и микроэлементами. Однако дальнейшее подкисление уже кислых почв (с рН 5,0-5,5) ухудшает доступность кальция, магния, аммиачного азота и калия. Повышенное содержание в кислом почвенном растворе Al 3+ и Mn 2+ может стать токсичным для отдельных культур. Действие повышенной кислотности усиливается при низкой освещенности и избыточном увлажнении.

В зависимости от температуры окружающей среды изменяется реакция раствора на удобрения. Оптимальная температура воздуха для потребления растениями фосфора и азота ‒23-25° С. При низких температурах (ниже 10°С) особенно плохо усваивается фосфор, а лучше всего – калий.

Элементы питания наиболее интенсивно поступают в растения при оптимальной влажности почвы около 60% от полной влагоемкости, обеспечивающей стабильное физиологическое состояние, хорошее развитие корней и быстрый транспорт ионов к поверхности корней.

Микроорганизмы наиболее активно развиваются в зоне соприкосновения с корнем растений (в ризосфере). Ризосферные микроорганизмы используют для своего питания корневые выделения, не позволяя им накапливаться в токсичных для растения концентрациях. Однако микрофлора почвы может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Полезные микроорганизмы способствуют переводу труднорастворимых элементов почвы и удобрений в биодоступные формы, фиксируют атмосферный азот, выделяют биологически активные вещества: витамины, стимуляторы роста и другие полезные вещества. При этом они могут вызывать и негативные для растений процессы: биологическую иммобилизацию, газообразные потери азота при денитрификации, а некоторые микробы выделяют токсичные соединения.

Полезные микроорганизмы предпочитают слабокислую или нейтральную реакцию почвенной среды. Поэтому важно применять удобрения и технологии, способствующие развитию полезных и подавлению вредных организмов.

Между ионами с похожими свойствами при их транспортировке через плазматическую мембрану корневого волоска наблюдается конкуренция. Катионы конкурируют с другими катионами, а анионы – с другими анионами. Физико-химическое сходство между ионами не позволяет эффективно различать их. Так, трудно различимы при поступлении в растения сульфат (SO 2- 4 ) и селенат (SeO 2- 4 ) ионы, сульфат (SO 2- 4 ) и молибдат (МоO 2- 4 ) ионы и др.

На питание растений влияет общая концентрация почвенного раствора. Верхний предел находится в интервале 2-3 г/л раствора всех питательных солей, вызывая пропорциональный рост интенсивности поглощения элементов питания. При избыточной концентрации растения вянут и погибают. Особенно вредна для культур повышенная концентрация микроэлементов. Наиболее чувствительны к повышенной концентрации лён, морковь, люпин и огурцы, а также все молодые растения.

Если в почве Zn и P ведут себя как антагонисты, то в растении они уже помогают друг другу (синергизм). При дефиците цинка в растении угнетается поступление фосфора. Синергизм между N и K определяется ролью калия в качестве активатора фермента нитратредуктазы, принимающего участие в метаболизме азота в растении.

Взаимодействие бора с калием объясняется схожестью их влияния на процессы цветения и образования плодов, деления клеток, водный обмен в растении и др. Оптимальный уровень бора повышает проницаемость клеточных мембран для калия.

Недостаток в растении серы приводит к ограниченному поглощению азота, а высокие дозы азота вызывают дефицит серы. В растениях оптимальное соотношение N:S ‒ 5:1-12:1.

Только оптимальное содержание в растении N обеспечивает нормальное поступление в них из почвы К, Р, Mg, Fe, Mn и Zn, а оптимальный уровень бора и меди улучшает поглощение растениями азота. Молибден повышает усвоение азота и фосфора.

Избыток фосфора в сильной мере угнетает поглощение растением катионов микроэлементов – Fe, Mn, Zn и Cu. Избыток калия угнетает поступление в растения Mg и в меньшей мере Са, Fe, Cu, Mn и Zn. Избыток кальция приводит к снижению поступления В, Mn, K и Cu.

В агрономической практике существуют приемы преодоления антагонизма и стимулирования синергизма элементов питания.

1. Вносить элементы питания разными способами: обработка семян, внесение в почву, некорневая подкормка. От совместного использования этих приемов в системе удобрения культур достигается наибольший эффект.

 Не забывайте при этом, что листовая подкормка не является основным источником элемента при его дефиците в почве, а только как дополнение. Обработка семян микроэлементами, преимущественно в форме хелатов, также оберегает их от антагонизма с другими ионами почвенного раствора. Известно, что раствор карбамида в некорневую подкормку стимулирует проникновение железа в растения.

2. Корректировать сроки внесения разных элементов в период вегетации в соответствии с биологической потребностью культур. Так, синергизм между N и K можно использовать при их совместном внесении.

3. Учитывать особенности развития корневой системы, когда NР-удобрения можно вносить на значительную глубину.

4. Учитывать свойства разных форм вносимых удобрений (физиологически кислые или щелочные).

5. Хороший эффект даёт использование смешанных посевов культур (бобовых излаковых).

Литература.

1. Рекомендации по оптимизации фосфорного и калийного статуса пахотных почв в зависимостии от уровня интенсификации земледелия по областям и районам Беларуси / Под. ред. И.М. Богдевича. РУП «Институт почвоведения и агрохимии». – Минск, 2008.

2. Оптимизация и поддержание агрохимических свойств дерново-подзолистых почв, обеспечивающих стабильно высокую урожайность и качество продукции основных сельскохозяйственных культур: рекомендации / И.М. Богдевич [и др.]. – Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 2011.

3. Логинова И. Сложные взаимоотношения между элементами: антагонизм и синергизм //Специальный выпуск изданий «Агрохимия-2015». – К.: Инфоиндустрия, 2015. – С. 33-37.