Проблеми діагностики та оптимізації мінерального живлення рослин

WSPÓŁPRACA EUROPEJSKA NR 3(3) 2015

Сучасні технології вирощування сільськогосподарських культур потребують проведення оперативної діагностики та коригування мінерального живлення рослин. Така постановка проблеми має як теоретичне, так і практичне підґрунтя. По-перше, всі інтенсивні сорти виведені на високих агрохімічних фонах, а тому реалізація їх генетичного потенціалу можлива за умов забезпечення відповідних параметрів ґрунту. По-друге, просторова варіабельність поживного режиму ґрунтів, особливості кліматичних умов року та відхилення від прийнятої системи застосування добрив теж вимагають проведення заходів щодо оптимізації мінерального живлення рослин.

Аналіз досліджень та постановка завдання

Теоретичні розробки з діагностики та оптимізації живлення рослин у цьому напрямку проводяться починаючи з часів Ю.Лібіха і Ж. Б. Буссенго (Либих, 2011) Зокрема розроблено чимало методів діагностики живлення рослин: ґрунтова, рослинна, комплексна, дистанційна та ін. [Ермохин 1995; Брегман 1976; Магницкий 1964; Церлинг 1978, 1990]. Найбільш висвітленою у літературі є ґрунтова діагностика.

Згідно з останньою, на ділянках з низьким вмістом NPK дозу добрив збільшують, на ділянках з високим вмістом, навпаки, зменшують. На жаль, при внесенні добрив контурів вказаних ділянок на полі не видно. Для виходу з такого становища розраховують і вносять усереднену дозу, що призводить до перевнесення добрив на ділянках з високим вмістом поживних елементів і недовнесення на таких з низьким вмістом NPK. Здавалося з появою технологій точного землеробства і картограм урожайності культур знайдено вихід із такого становища. Туковисіваючий агрегат направляють за тим самим маршрутом що і комбайн. При цьому на ділянках з низькою урожайністю дозу добрив збільшують, а на ділянках з високою урожайністю ‒ зменшують. Проте урожайність культур є інтегральним показником, що залежить від цілого ряду факторів. Як свідчать агрохімічні аналізи, низька урожайність на окремих ділянках поля пов’язана не стільки з мінеральним живленням рослин, скільки із щільністю і вологістю ґрунту. Не секрет, що навіть при використанні сучасної ґрунтообробної техніки на полях виникають огріхи, проявляється вплив мікрорельєфу, мезофауни, різної глибини залягання перехідних горизонтів, температурного режиму ґрунту тощо.

Другий недолік ґрунтової діагностики полягає у тому, що рухомі форми поживних елементів вилучають із ґрунту сильними кислотами. При цьому вважається, що коренева система рослин володіє такою ж здатністю до розчинення хімічних сполук як і мінеральні кислоти. Звичайно, що це лише припущення.

Недосконалість грунтової діагностики живлення рослин прослідковується і в інтерпретації отриманих даних Так, наявність у ґрунті 10 мг P2O5 на 100г останнього вважається як середній рівень забезпеченості його фосфором. Проте при низьких температурах такий вміст фосфору є недостатнім для нормального росту і розвитку рослин про що свідчать їх зовнішні ознаки (поява на листовій поверхні фіолетового відтінку ), а також результати функціональної діагностики. Не слід забувати і той факт, що існуючі градації забезпеченості рослин фосфором були розроблені для прийнятої на ті часи агротехніки, районованих сортів і гібридів сільськогосподарських культур. Зміни у сортовому складі вирощуваних культур вимагають уточнення таких градацій, що не завжди є можливим та доречним. Крім того існує сезонна динаміка вмісту поживних речовин у ґрунті, нерівномірне надходження їх у рослини під час вегетації. Таким чином, навіть при однаковому вмісті поживних елементів у ґрунті рослини можуть відчувати як нестачу, так і їх надлишок.

Результати досліджень

Для більш повної характеристики поживного режиму ґрунтів краще було б визначати не вміст поживних елементів, а їх активність оскільки саме вона обумовлює такі явища як реакції на поверхні розподілу фаз, коагуляцію і пептизацію колоїдів, проникнення крізь напівпроникну мембрану, надходження у рослину та ін. [Орлов 1985]. Не слід забувати, що одноразове визначення вмісту поживних речовин у ґрунті свідчить про забезпеченість ними рослин тільки на певний час. Оскільки посіви сільськогосподарських культур поглинають поживні елементи, то забезпеченість ними буде залежати ще й від того наскільки легко йде відновлення їх вмісту у ґрунтовому розчині. З цією метою визначають потенціали хімічних елементів. Нарешті забезпеченість рослин поживними елементами буде залежати від того наскільки тривало ґрунт зможе відновлювати вихідний їх вміст у ґрунтовому розчині. Точніше від буферної здатності ґрунту стосовно того чи іншого елементу. У цьому зв’язку виникає логічне запитання Якщо хімічна термодинаміка дає більш-менш повні уяви про забезпеченість рослин поживними елементами, то чому ж тоді вона (за виключенням активності іонів) практично не використовується при проведенні агрохімічних аналізів. Справа у тому, що потенціали хімічних елементів є показниками стабільними, а головне, малочутливими до змін ґрунтів під впливом антропогенного фактору. Аналіз спеціальної літератури свідчить, що визначення калійного потенціалу навіть у різних за генезисом ґрунтах дає близькі величини. Так, калійний потенціал для дерново-середньопізолистого ґрунту складав 2,00, темно-сірого опідзоленого - 2,00, чорнозему типового - 2,30, бурого лісового - 1,98 [Александрова 1981]. Спостереження за сезонною динамікою калійного потенціалу теж свідчать про "стабільність" його поведінки. Для прикладу наведемо динаміку калійного потенціалу в дерново-підзолистому слабко окультуреному фунті. Значення його з травня до серпня становили 2,71; 2,27; 2,34; 2,38 [3]. Усе це призводить до того, що градації забезпеченості ґрунтів калієм за калійним потенціалом мало відрізняються одна від одної. Так, калійний потенціал, що характеризує середню забезпеченість дерново- підзолистих ґрунтів калієм складає 1,8; низьку -1,9 [Дараган 1982].

Такий показник як калійна, фосфатна та амонійна буферна здатність ґрунтів є достатньо вивченим у теоретичному відношенні, але досить складним у визначенні [Beckett 1964]. Коротко наведемо методику визначення ПБЗк. До серії наважок, що відповідають 5 г сухого ґрунту, приливають по 50 мл 0,002 М розчину СаС12, який містить 0; 0,2; 0,4; 0,6: 0,8 і 1,0 мг-екв/л КСІ. Суспензію збовтують 30 хв і фільтрують. У фільтраті визначають калій на полуменевому фотометрі, активність іонів калію і кальцію за допомогою іонселективних електродів. Далі для кожного розчину знаходять значення ± ∆К і АR. Величину ± ∆К знаходять за формулою: ± ∆К = Квихід.‒ Крівн., де ± ∆К - зміни умісту калію в розчинах після взаємодії їх із грунтом; Квихід. - вихідний вміст калію у розчинах; Крівн. - уміст калію в рівноважних розчинах після взаємодії їх із ґрунтом, мг-екв/л. Величину АR визначають для кожного рівноважного розчину за формулою:

де аК - активність іонів калію у рівноважному розчині, мг-екв/л; аСа2+ - активність іонів кальцію в рівноважному розчині, мг-екв/л.

За значеннями ± ∆К і АR будують графік, де по осі X відкладають значення АR, по осі У - значення ± ∆К. Ізотерма абсорбції калію має вигляд кривої АВ, прямої у верхній і зогнутої в нижній частині (рис.1).

Діаграма визначення потенційної буферної здатності грунтів стосовно калію. Джерело: [Beckett, 1964а]

Екстраполяція кривої АВ на вісь У дає величину легкодоступного калію (∆Ко). Точка перетину кривої АВ з віссю X (AR0) вказує на таке співвідношення активності іонів калію до кореня квадратного з активності іонів кальцію, при якому ґрунт не віддає і не приймає катіони калію.

Таким чином, для визначення ПБЗк потрібно:

-           визначити вологість грунту;

-           взяти шість наважок ґрунту;

-           приготувити шість розчинів КСІ + СаСІ2;

-           приготовити шкалу стандартних розчинів і визначити вміст калію в рівноважних розчинах на полуменевому фотометрі;

-           виміряти у шести розчинах активність катіонів калію і кальцію;

-           розрахувати ± ∆К і AR;

-           побудувати графік, за допомогою графіка знайти ± ∆К0 і AR0 і тільки тоді визначити ПБЗк

Отже, процедура знаходження ПБЗк є достатньо складною. У 80-ті роки вона була дещо удосконалена Т.А. Гринченком [Гринченко 1982]. Однак це не дозволило агрохімікам перейти на швидке експрес-визначення ПБЗк. Виникає закономірне питання: яким чином спростити методику визначення ПБЗк. Для цього повернемося до визначення самої категорії "потенційна буферна здатність ґрунтів, наприклад, по відношенню до калію". Під останньою Д.С. Орлов розуміє здатність ґрунту підтримувати на постійному рівні активність іонів калію. До речі, Весkett. під ПБЗк розумів здатність ґрунту підтримувати на постійному рівні калійний потенціал або співвідношення активності іонів калію і кальцію. Виходячи з ізотерми катіонного обміну під величиною ПБЗк, розуміють кількість внесеного калію яка, змінює співвідношення катіонів калію і кальцію на одиницю. Як бачимо суть вказаного показника є дуже простою. Таким же простим повинно бути і його знаходження у цьому нас переконує аналіз аналітичних операцій при визначенні ПБЗк за Весkett. Доведемо це відповідними розрахунками.

Згідно з методикою визначення ПБЗк до серії наважок ґрунту масою 5 г приливають по 50 мл розчину з постійною концентрацією СаСІ2 (0,002 М) і різною концентрацією КСІ (0; 0,2; 0,4; 0,8; 1,0 мг-екв/1 л). Розрахуємо, яка кількість КСІ (у перерахунку на К20) взаємодіє з ґрунтом.

1. Знаходимо вагу 0,2 мг-екв КСІ. Вона становить (74,5 мг х 0,2) 14,9 мг. Така кількість КСІ знаходиться у 1000 мл розчину, у 50 мл розчину знаходиться 0,745 мг КСІ. Указані 0,745 мг КСІ. взаємодіють з 5 г ґрунту. Із вагою орного шару ґрунту взаємодіє 447 кг КСІ. У 100 кг КСІ міститься 63 кг К20. У 447 кг КСІ - 281,6 кг К20. При концентрації розчину 0,1 мг-екв/л із ґрунтом взаємодіє 140 кг К20, тобто гектарна доза хлористого калію. Раніше нами вказувалося, шо при виконанні аналізу із ґрунтом взаємодіють розчини з постійною концентрацією СаСІ2 (0,002 М). Один літр такого розчину містить 220 мг СаСІ2 (110x0,002 = 0,220 г). У 220 мг СаС12 міститься 80 мг Са2+. Таким чином, нормальна концентрація Са2+ у розчинах складає 80 мг : 20 = 4 мг-екв/л. Це є не що інше як природна концентрація кальцію у ґрунтовому розчині [7]. На підставі раніше встановлених закономірностей катіонного обміну можна стверджувати, що активність іонів кальцію після взаємодії розчинів із ґрунтом буде залишатися майже незмінною. Тоді величина AR буде визначатися головним чином активністю іонів калію.

Отже, суть аналітичних операцій за Весkett зводиться до взаємодії ґрунту із зростаючими (гектарними) дозами КСІ і реєстрації змін активності іонів калію в рівноважних розчинах. Визнання вказаного факту дозволяє перейти на спрощену методику визначення ПБЗК аж до повної її автоматизації. Калійну буферність ґрунту при цьому можна оцінювати за величиною зміни активності іонів калію після внесення гектарної дози КCl (120 кг д. р.). Аналогічно можна визначати амонійну та інші види буферності. Наведемо результати визначення амонійної буферності грунту у тривалому стаціонарному досліді. Для прямого вимірювання останньої іонометр АИ-160М проградуйований у mV електродного потенціалу, що виникає на іонселективному електроді. Чим вищий електродний потенціал, тим вищою є активність іонів амонію. Для агронома важливим є пряме вимірювання буферності ґрунту без будь яких додаткових обчислень.

Розглянемо результати визначення амонійної буферності чорнозему типового за спрощеною методикою. Найбільші зміни електродного потенціалу (44 mV) зафіксовані на контролі. Тривале внесення гною підвищувало вміст органічної речовини у ґрунті, а разом із тим і ємність катіонного обміну (ЕКО). Після внесення гектарної дози добрив (NH4Cl) електродний потенціал на цьому варіанті зростав тільки на 29mV, що свідчить про суттєве підвищення амонійної буферності ґрунту. Найвища буферність грунту і незначне зростання електродного потенціалу після внесення NH4Cl було зареєстроване на варіанті післядія гною +N30. Вірогідно, що спільне внесення органічних і мінеральних добрив у дозі N30 сприяло збагаченню ґрунту органікою і суттєвому зростанню ЕКО. Подальше підвищення дози азоту до 60 кг діючої речовини дещо знижує амонійну буферність ґрунту. Причина вказаного явища полягає у тому, що катіонному обміну підлягають перш за все споріднені іони. При зростанні дози азотних добрив більшість «вільних» місць у ґрунтовому вбирному комплексі стає зайнятою іоном амонію і поглинання останнього ускладнюється. Отже аналіз отриманих даних свідчить, що використання спрощеної методики визначення амонійної буферності ґрунту є цілком виправданим.

Підсумовуючи розгляд сучасного стану грунтової діагностики мінерального живлення рослин слід зазначити, що ті її модифікації, які базуються на одноразовому визначенні вмісту поживного елементу у ґрунті не дають повну відповідь про забезпеченість рослин поживними елементами.

Не менш поширеною є рослинна діагностика живлення рослин. Академік Д.М. Прянишников стверджував, що рослина більш точно ніж будь який аналіз вкаже нам на забезпеченість її елементами живлення. Саме цю мету і переслідує рослинна діагностика, в межах якої розрізняють: візуальну, тканинну, листкову, морфо-біометричну, дистанційну (N-тестери) і функціональну діагностику. У межах зазначених найбільш розробленою та ґрунтовною є листкова діагностика. Проте здійснення її передбачає значних витрат часу і коштів. Так, на висушування і спалювання рослинних зразків потрібно 3 – 5 діб, стільки ж на відгонку азоту. Визначення фосфору і калію теж займає близько 5 діб. У цілому на проведення аналізу і складання рекомендацій витрачається 15 – 20 діб. Корегування живлення рослин шляхом позакореневих підживлень у такому випадку втрачає сенс.

В останні роки серед сільгоспвиробників широкої популярності набуває функціональна діагностика. Вона без перебільшення витіснила тканинну діагностику за В.В. Церлінг. В основу функціональної діагностики покладено праці британського вченого Роберта Хілла, а саме: визначення фотосинтетичної активності хлоропластів. Ним показано, що процес фотосинтезу при освітленні суспензії хлоропластів протікає так само, як і у живих клітинах. Це дозволяє спостерігати реакцію хлоропластів на ін’єкцію того чи іншого елементу. При цьому посилення фотосинтетичної активності хлоропластів свідчить про нестачу поживного елементу, послаблення ‒ про його надлишок. Активність хлоропластів оцінюється по виділеному кисню, який знебарвлює 2,6 – дихлорфеноліндофенол. Вимірювання інтенсивності світлопропускання суспензії до і після ін’єкції поживного елементу проводять на фотометрі. Як би не ставилися науковці до теоретичних основ функціональної діагностики, а переваги її перед раніше запропонованими методиками очевидні. Безумовно, що фотосинтез віддзеркалює реальні процеси обміну речовин у живих рослинах і протиставити цьому щось більш вагоме неможливо. На наш погляд, функціональна діагностика є своєрідною модифікацією метода «обприскування» або «ін’єкцій». Остання віддзеркалює реакцію рослини у цілому, функціональна ‒ тільки процесу фотосинтезу. Разом із тим функціональна діагностика менш витратна, здійснюється на сучасному обладнанні та з застосуванням комп’ютерних програм. Нарешті не менш важливим моментом є оперативність такої діагностики, максимальне наближення її до безпосереднього виробника, врахування особливостей кожного поля і культур, що на ньому вирощуються.

Поява на українському ринку таких приладів, як АГРОВЕКТОР ПФ -014 сприяла широкому розповсюдженню вказаного виду діагностики на виробництві. При надмірно високих цінах на добрива це сприяло науково-обґрунтованому внесенню добрив, зниженню собівартості продукції і отриманню прибутку. Звичайно, що і як будь який напрям функціональна діагностика постійно удосконалюється. Протягом семи років вона проходила перевірку на кафедрі агрохімії ХНАУ ім. В.В. Докучаєва. Дослідження проводили у вегетаційних (метод грунтових, піщаних та водних культур) і польових дослідах, а також у виробничих умовах.

На рис.2 показано вегетаційній дослід із ячменем (метод ізольованих розчинів). Після використання запасів поживних елементів із ендосперму одні рослини ячменю вирощували на повній суміші Мітчерліха (контроль), інші ‒ на варіантах де із вказаної суміші вилучали той чи інший мікроелемент. Після прояву візуальних ознак нестачі мікроелементів проводили функціональну діагностику. У всіх випадках остання вказувала на нестачу того елементу, який було вилучено із поживної суміші.

Рис. 2 Вегетаційний дослід з ячменем. Метод ізольованих розчинів.

Рис. 3 Результати функціональної діагностики ячменю на поживній суміші без Cu: по осі ординат – фотосинтетична активність хлоропластів; по осі абсцис – макро- і мікроелементи, забезпеченість якими визначається. Червона лінія вказує на рівень активності хлоропластів на контролі. Вище червоної лінії – існує потреба у внесенні поживного елементу, нижче – ні.

Широкий спектр досліджень проведено в умовах польових дослідів і виробничих посівів. На рис. 4 представлено результати функціональної діагностики посівів озимої пшениці у польовому досліді. Вони свідчать, що на фоні із низьким умістом мінерального азоту рослини відчували його нестачу. На вказаному фоні рослинам явно не вистачало елементів, що приймають участь у фотосинтезі (Cu, Fe, Zn), а також мікроелементів, що приймають безпосередню участь у білковому обміні рослин. Отримані дані вказують на подвійний зв'язок між забезпеченістю рослин азотом із одного боку, забезпеченістю молібденом і кобальтом із іншого Нестача останніх, як правило, гальмує азотний обмін у рослинах. Разом із тим посилене надходження нітратного азоту призводить до дефіциту молібдену. Що стосується нестачі йоду, то вона скоріше пов’язана з особливостями геохімічної провінції до складу якої входить Харківська область.

Рис. 5 Крайові опіки листків огірка. Зовнішні ознаки нестачі калію.

Проведення функціональної діагностики живлення огірка виявило нестачу калію, фосфору, магнію, мангану(рис. 6). Внесення монофосфату калію повністю знімало дефіцит фосфору і калію (рис. 7)

Рис. 6 Результати функціональної діагностики огірка до внесення монофосфату калію

Разом із тим виникає питання про те чи може агроном обмежитися тільки функціональною діагностикою? Однозначної відповіді не існує. Наприклад, нестача рухомого фосфору, що виявлена функціональною діагностикою, може бути зумовлена недостатнім умістом його у ґрунті, низькими температурами повітря, лужною реакцією ґрунту, антагонізмом іонів і т. ін.. У таких випадках потрібно залучати ґрунтову діагностику. З іншого боку тільки за допомогою функціональної діагностики було 

Рис. 7 Результати функціональної діагностики огірка після внесення монофосфату калію

Висновки. Одним із перспективних напрямків оцінки поживного режиму ґрунтів на сьогодні є використання хімічної термодинаміки, зокрема залучення таких показників як активність іонів і буферність ґрунту стосовно того чи іншого елементу. Запропонована нами спрощена методика визначення калійної та амонійної буферності ґрунту базується на тих самих засадах, що і загально прийнята. Разом із тим дозволяє провести оперативну оцінку стану попереднього удобрення ґрунтів, здатність їх підтримувати певний рівень вмісту поживних речовин у гуртовому розчині