З 2011 року світове виробництво калійних добрив збільшилося до 37 млн. тонн, а ціна зросла до 470 дол. за тонну і з кожним роком продовжує зростати. Це призвело до істотного збільшення вартості виробництва сільгосппродукції і, відповідно, зниження доходів сільгоспвиробників. Чи є альтернативний спосіб забезпечити рослина калієм за менші гроші, розберемося в даному матеріалі.
Після азоту і фосфору калій є третім за значимістю елементом живлення рослин. Форми калію в рослинах мають свої особливості. Якщо азот і фосфор в рослинах містяться переважно в складі органічних сполук (найчастіше малорухомих і нерозчинних у воді), то калій знаходиться в іонній формі і не входить до складу органічних сполук клітини. Вважається, що близько 80% загального вмісту калію в рослинах знаходиться в клітинному соку і витягується водою, менша частина адсорбованих колоїдами клітин, і зовсім невелика частина (менше 1%) є необмінної і утримується мітохондріями в цитоплазмі. Легка рухливість калію в рослинах обумовлює його реутилізацію шляхом переміщення зі старого листя в молоді. Ось чому в старих листках рослин вміст калію досить низька, що пов’язано з його вимиванням з листя дощами, особливо в нічний час. У денний час (при освітленні) він утримується міцніше або поглинається знову. Молоді органи рослин містять калію в 3-5 разів більше, ніж старі, його більше в тих органах і тканинах, де інтенсивно йдуть процеси обміну речовин і ділення клітин. Критичний період в споживанні калію рослинами доводиться на перші 15 днів після сходів. Період максимального споживання збігається з періодом інтенсивного приросту біологічної маси.
На відміну від азоту і фосфору, калію більше в вегетативних органах рослин, ніж в репродуктивних. Наприклад, в соломі більшості злаків калію більше майже в два рази, а в стеблах кукурудзи – в 5 разів, ніж в зерні. Тому винесення К2О з нетоварной частиною врожаю, як правило, вище, ніж товарної (за винятком зернобобових). Найбільшим виносом калію характеризуються картопля, інші коренеплоди, з овочевих – капуста. Багато калію споживають багаторічні бобові та злакові трави. Так, за даними Інституту картопляного господарства, близько 96% всього калію в період збирання знаходилося в бульбах і тільки 4% в бадиллі (при повному біологічному дозріванні).
Фізіологічні функції калію вельми різноманітні. Калій посилює накопичення моноцукрів в плодових і овочевих культурах, підвищує вміст цукрів в коренеплодах, крохмалю в картоплі, потовщує стінки клітин соломи злакових культур, що підвищує їх стійкість до вилягання, а у льону і конопель покращує якість волокна. Встановлено, що він стимулює нормальне протікання процесу фотосинтезу, посилює відтік вуглеводів від пластинок листа в інші органи. Сприяючи нагромадженню вуглеводів в клітинах рослин, калій збільшує осмотичний тиск клітинного соку і тим самим підвищує холодо- і морозостійкість рослин. Рослини, забезпечені калієм, краще переносять недолік води при короткочасних засухах, за рахунок його водоутримуючої здатності. Дефіцит калію викликає ослаблення діяльності деяких ферментів, що призводить до порушень в білковому і водному обміні рослини. При недостатньому калійному живленні рослина швидше уражається різними захворюваннями.
Таким чином, недолік калію викликає безліч порушень обміну речовин у рослин, знижується активність ряду ферментів, порушується вуглеводний і білковий обмін, підвищуються витрати вуглеводів на дихання. В результаті продуктивність рослин падає, якість продукції знижується. З цього, регулюючи рівень калійного живлення рослин, можна в значній мірі впливати на їх продуктивність та якість одержуваної продукції.
Калій – один з найпоширеніших елементів земної кори. Валове вміст калію (К2О) в грунтах відносно високий і досягає 2,5% (по масі), що в 10-15 разів перевищує запаси азоту і фосфору. Найбільше калію міститься в глинистих чорноземних грунтах. У засолених грунтах його зміст значно вище, тому досить часто немає необхідності в застосуванні на них калійних добрив. У грунтах легкого гранулометричного складу (піщаних і супіщаних) вміст калію значно менше. Найбільш бідні калієм торфові грунти, де вміст цього елементу коливається від 0,03% до 0,15%.
Однак, незважаючи на порівняно високий валовий вміст калію в грунтах, велика частина даного елемента знаходиться в нерозчинній і відповідно недоступній для рослин формі. За рівнем доступності в системі, грунт-рослина ділиться на п’ять груп:
1) водорозчинний калій – легкорозчинні калійні солі мінеральних і органічних кислот. У цій формі він легкодоступний для рослин, але частина його незначна і становить від 1 до 7мг К20 на кг грунту. Ця група має дуже низький вміст калію, що становить лише 0,1-0,2% від загальної кількості калію в грунті (5% від загального необхідного обсягу для вирощування рослин);
2) обмінний калій – пул катіонів калію в грунтовому вбирає комплексі – основний фонд доступних форм елемента. Його доступність тим більше, чим вище насиченість їм грунтів. Зміст обмінного калію від 47 до 235мг К20 на кг грунту;
3) калій органічної речовини – входить до складу рослинних залишків, а також клітин мікроорганізмів (14мг К20 на кг грунту) і доступний для живлення рослин після їх мінералізації. Оскільки калій не утворить у живих організмах стійких органічних сполук, його кількість в органічних речовинах ґрунту незначно. Ця форма калію переважно міститься у верхніх шарах грунту в складі свіжої біомаси; вона недовговічна, бо в процесі її мінералізації калій швидко переходить в грунтовий розчин.
4) калій важкорозчинних алюмосилікатів, до яких відносяться польові шпати (ортоклаз, микроклин) і слюди (біотит, мусковіт), а також вторинні мінерали (каолініт, монтморилоніт, вермикуліт) і є практично недоступним для живлення рослин. Ця група містить 90-98% від загальної кількості калію в грунті. Зміст даного елемента в ультраосновних гірських породах 0,03%, в основних 0,83%, середніх 2,3%, в кислих 3,34%. Максимальні концентрації калію (до 7%) виявлені в лужних породах агпаітового ряду. Головні калійні мінерали в цих породах – лужні польові шпати, слюда, нефелин, лейцит.
5) фіксований калій.
Кращим джерелом живлення рослин є розчинні солі калію. Найближчий резерв харчування – гідрослюд, вермикуліт, вторинні хлорити, Необмінна катіони, потенційний резерв – польові шпати, слюди, піроксени і первинні хлорити. Деякі з цих мінералів, такі як біотит і мусковіт, віддають калій досить легко і можуть служити джерелом мобілізації доступного калію. Необмінна (фіксований) калій важкодоступний.
Між обмінним і необмінним калієм в грунті існує певна рівновага. При споживанні обмінного калію його запаси поповнюються за рахунок Необмінна. У грунтах відбувається постійний перехід однієї хімічної форми калію в іншу, включаючи як процеси його мобілізації, так і іммобілізації. Така системна організація пулу грунтового калію регулює доступність його для рослин, яка залежить від швидкості переходу недоступних форм в доступні. Якщо в калієвої системі порушена рівновага, внаслідок якої його інтенсивного біологічного винесення з урожаєм, або, навпаки, додаткового внесення в складі мінеральних добрив, іони калію перерозподіляються так, щоб відновити вихідне динамічна рівновага. Найбільш швидко (кілька хвилин) відновлюється рівновага між водорастворимой і обмінної формами, тоді як між труднорастворимой і водорозчинній – тижні і навіть місяці.
З цього, дефіцит доступних форм калію агровиробники, як правило, компенсують мінеральними калійними добривами. Однак, висока вартість добрив і низька ефективність їх використання рослинами змусила аграріїв шукати альтернативні підходи до забезпечення рослин цим елементом, зокрема шляхом збільшення доступності його природних форм.
Деструкція калійвмісних мінералів грунтовими мікроорганізмами здійснюється за допомогою ряду процесів: розчинення сильними мінеральними кислотами, які утворюються при нітрифікації і окисленні сірки тионовими бактеріями; дії органічних кислот – продуктів бродіння і неповного окислення вуглеводів за участю грибів; дії позаклітинних амінокислот. На розчинення мінералів впливають і продукти мікробіологічної деградації рослинних залишків – поліфеноли, таніни, поліуроніди, флавоноїди.
Основна роль в процесі розкладання калійвмісних мінералів належить складним органічним кислотам, які синтезуються бактеріями і грибами. Встановлено, що з таких мінералів як микроклин (8,7% калію), біотит (8,3%) і бентоніт (1,9%) грунтові мікроорганізми за сто днів життєдіяльності вивільняють близько 50% вмісту калію. Особливу активність у розчиненні алюмосиликатов проявляють слизеобразующие бактерії, які виділяють значну кількість полісахаридів. Тому, для встановлення рівня доступності калію в системі грунт-рослина має враховуватися не тільки зміст його обмінної форми, але і рівень його мобілізації з резервних форм.
Каліймобілізуючі мікроорганізми є ризосферні мікроорганізмами, які перетворюють нерозчинний калій в доступну для живлення рослин розчинну форму. До них відносяться значна кількість сапрофітних бактерій (Bacillus mucilaginosus, Bacillus edaphicus, Bacillus circulans, Paenibacillus spp., Acidothiobacillus ferrooxidans, Pseudomonas, Burkholderia) і грибкових штамів (Aspergillus spp., Aspergillus terreus, Penicillium sp). Крім того, було встановлено, що дані бактерії розчиняють калій, кремній і алюміній з нерозчинних мінералів.
Також дослідники виявили, що каліймобілізуючі бактерії можуть сприятливо впливати на ріст рослин шляхом придушення патогенних мікроорганізмів і поліпшення доступності поживних речовин і структури грунтів. Наприклад, деякі бактерії можуть не тільки окисляти силікатні мінерали для вивільнення калію, кремнію і алюмінію, а й виділяти біологічно активні речовини, які активізують розвиток рослин. Ці бактерії широко застосовуються в біологічних добривах.
Багато дослідників вважають, що стимуляція росту рослин каліймобілізуючими мікроорганізмами пов’язана з підвищенням доступності як самого елемента, так і з синтезом органічних кислот. Різні мікроорганізми виділяють різні типи органічних кислот. У деяких випадках солюбілізація иллитом і польового шпату мікроорганізмами обумовлена виробництвом таких органічних кислот, як винна, глюконова, щавлева, лимонна, яблучна і бурштинова кислоти. Тартронова кислота, є найбільш активним агентом розчинення мінерального калію. Серед метаболітів каліймобілізуючих мікроорганізмів виявлені і інші органічні кислоти, такі як оцтова, молочна, пропіонова, гліколева, малонова, фумарова і ін.
Серед каліймобілізаторов необхідно окремо виділити арбускулярную мікоризу, яка може збільшити розчинність мінеральної форми калію шляхом вивільнення протонів, вуглекислого газу та аніонів органічних кислот, таких як цитрат, малат і оксалат. Крім того застосування мікоризи призводить до збільшення вмісту азоту, калію, кальцію і заліза в надземній масі і врожаї рослин.
Важливо пам’ятати, що на процес перетворення мікроорганізмами недоступного калію в доступні форми істотно впливає рН грунту, рівень забезпечення киснем, а також видовий склад мікробіоти. Також ефективність розчинення калію різними мікроорганізмами залежить від природи калійних мінералів і аеробних умов.
Інокуляція насіння і обробка розсади каліймобілізаторами приводила до суттєвого підвищення врожайності багатьох культур, як в умовах закритого грунту так і в звичайних польових умовах. Позитивний вплив даних мікроорганізмів було отримано на рослинах пшениці, кукурудзи, суданської трави, сорго, баджра, чилі, бавовни, помідор, сої, арахісу, рису, апельсина, чорного перцю, картоплі, чебрецю, баклажанів і кунжуту. Дані дослідження також показали, що застосування каліймобілізуючих мікроорганізмів допомагає істотно зменшити використання хімічних або органічних добрив. Крім розчинення калію, каліймобілізуючі мікроорганізми здатні продукувати гормони росту рослин, аміак, сідерофори, а також розчиняти і переводити в доступну для рослин форму фосфор і інші важкодоступні елементи.
Цілою низкою досліджень також було показано, що найбільш ефективним є використання комплексу мікроорганізмів, що володіють різними функціями, такими як фіксація азоту, мобілізація фосфору, синтез сідерофори для поліпшення доступності заліза. Мікс з B. mucilaginosus, Azotobacter chroococcum і Rhizobium spp. дає велику надбавку врожаю, ніж використання тільки одного з представлених мікроорганізмів.
Зараз незбалансоване або надмірне використання хімічних добрив негативно впливає на навколишнє середовище, а також істотно збільшує витрати на рослинництво. На даний момент існує нагальна потреба переходу на екологічно чисті та економічно ефективні агротехнології для збільшення продуктивності рослинництва. І в цьому ключі використання каліймобілізуючихх мікрооганізмов є єдиною перспективною стратегією підвищення продуктивності сільськогосподарських угідь. Крім того, такий підхід позитивно впливає на відновлення родючості деградованих і непродуктивних сільськогосподарських грунтів. На ринку України присутні каліймобілізуючі препарати, які довели свою високу ефективність, і їх застосування сьогодні обмежена тільки рівнем розуміння необхідності їх використання серед фермерів і агровиробників.
Павло Маменко, кандидат біол. наук,
керівник відділу R & D Торгового Дому «Ензим-Агро»
