Цинк и его значение для растений

Около половины почв мира, на которых выращивают зерновые культуры, характеризуются недостаточным содержанием цинка, что приводит к недобору урожая, снижению его качества и, в итоге, к недостатку цинка в продуктах питания. Поскольку зерновые культуры и так содержат мало цинка, выращивание их на почвах с недостаточным количеством этого элемента приводит к снижению его содержания в зерне.

По оценкам специалистов, около трети населения Земли испытывает дефицит цинка в рационе, что становится причиной многочисленных проблем со здоровьем, включая заболевание иммунной системы и нарушение психического состояния.

ЦИНК В ПОЧВЕ

Общее содержание цинка в почвах мира составляет от 10 до 300 мг/кг, в среднем около 50 мг/кг и зависит от материнской породы, на которой он сформировался. Магматические породы обычно содержат больше цинка, чем осадочные.

Среди форм цинка в почве, важных для обеспечения растений, выделяют:

1) водорастворимый Zn 2+ (цинк в грунтовом растворе);

2) обменный (ионы, абсорбированные на поверхности глинистых частиц);

3) органически связанный цинк (ионы, адсорбированные), хелатированные или комплексные органическими соединениями);

4) цинк, необменно сорбированный глинистыми минералами и нерастворимыми оксидами металлов (цинк в кристаллических решетках глинистых минералов);

5) выветренные первичные и вторичные минералы и нерастворимые соединения твердой фазы почвы. Растения способны поглощать цинк, представленный соединениями первых трех форм.

В то же время валовое содержание в почве цинка, равно как и других элементов, не является критерием для оценки его доступности для растений. С этой целью производят определение подвижных (доступных) его форм. Именно на основе этих данных составляют рекомендации по удобрению культур цинком.

Есть факторы, которые могут рассказать о возможности дефицита цинка еще до проведения почвенной диагностики. Так, к факторам, влияющим на доступность и мобильность цинка в почве относятся:

1) рН почвы : наивысшая доступность цинка наблюдается в диапазоне рН от 5 до 7. При более высоких значениях рН цинк образует нерастворимые гидроксиды и карбонаты, что оказывает существенное влияние на уменьшение содержания доступных форм.

Карбонатные почвы, часто наряду с достаточно высоким содержанием общего цинка, имеют относительно низкое содержание доступных его форм. Известкование кислых почв, особенно с низким содержанием цинка, также может снизить поглощение растениями Zn2 +, причиной чего является не только эффект повышения рН, но и адсорбция на поверхности частиц извести. Физиологически кислые удобрения способны влиять на доступность цинка в результате подкисления почвы;

2) Содержание органического вещества в почве: дефицит цинка обычно проявляется при низком содержании органического вещества. Однако некоторые органические почвы (болотные и торфяники) также подвержены дефициту, поскольку здесь наблюдается как низкое содержание цинка, так и его иммобилизация высокомолекулярными органическими соединениями;

3) Гранулометрический состав почвы: песчаные почвы имеют высокий риск создания дефицита цинка для растений;

4) Взаимодействие с другими элементами, которое может проявляться в виде синергизма (когда один элемент способствует поступлению другого в растение) и антагонизма (противоположное явление).

«Классическим» антагонистом для цинка часто называют фосфор: высокое содержание Р или внесение высоких норм фосфорных удобрений может вызывать дефицит цинка, что чаще всего происходит при низком содержании цинка в почве.
Внесение высоких норм азотных удобрений может повышать потребность растений в цинке. Обычно культуры лучше реагируют на совместное внесение цинка и азота.

Кроме того, некоторые катионы металлов, включая Cu 2+ , Fe 2+ и Mn 2+ , могут уменьшать поглощение растениями Zn 2+ . Если почва содержит предельные концентрации одного из элементов, внесение другого обостряет проявление дефицита в растениях;

5) Погодные условия также влияют на дефицит цинка: чаще всего он проявляется в холодных, влажных условиях весны, когда наблюдается ограниченный рост корней, снижение минерализации органического вещества и ограничение диффузии цинка (главный путь поступления доступного цинка в зону корней);

6) Эрозионные процессы, при которых удаляется верхний слой почвы, повышают вероятность отзыва культур на внесение цинковых удобрений;

7) Переуплотненные почвы, где наблюдается ограничение роста корневой системы, также могут усугублять проблему поглощения цинка наряду со многими другими элементами;

8) «Синдром пара» (случай, когда поле в предыдущий год было занято культурой, не способной к образованию микоризы, – например, сахарной свеклой, – или когда там был незанятый пар) также способствует проявлению дефицита цинка в результате истощения микоризы. Ведь микориза принимает важное участие в обеспечении растений многими мало подвижными в почве элементами и цинком в частности;

9) Виды и сорта растений сильно различаются по чувствительности/толерантности к дефициту цинка. Внутривидовые отклонения иногда столь же велики, как и межвидовые. Больше цинк-эффективные сорта и гибриды способны продуцировать больше сухого вещества и зерна при низком уровне снабжения доступного цинка, чем цинк-неэффективные сорта.

К наиболее чувствительным к дефициту цинку культурам относят кукурузу, рис, гречку, лен, хмель, сорго, бобовые, плодовые, виноград, цитрусовые, лук, пшеницу;

10) Применение некоторых гербицидов: есть данные о том, что определенные гербициды (в частности диклофоп, хлорсульфурон и глифосат) могут в определенной степени влиять на уровень обеспечения растений цинком, что требует пересмотра стратегии удобрения микроэлементом.

ЗНАЧЕНИЕ ЦИНКА ДЛЯ РАСТЕНИЙ

В растениях цинк не претерпевает изменения валентности, его преобладающими формами являются комплексы с низкой молекулярной массой, металлопротеины, свободные ионы и нерастворимые формы, связанные с клеточными стенками. Цинк может связываться в клетке посредством образования комплексов с органическими лигандами или фосфором. В зависимости от вида растения, от 58 до 91% цинка в растении содержится в водорастворимой форме (низкомолекулярные комплексы и свободные ионы), которая считается наиболее физиологически активной.

Физиологическое значение цинка для растений очень широко. Известно более 300 цинкзависимых энзимов, в которых цинк играет каталитическую, ко-каталитическую и структурную роль. Активированные Zn ферменты участвуют в углеводородном обмене, поддержании целостности клеточных мембран, синтезе белков, регуляции синтеза ауксина и образовании пыльцы. Цинк влияет на способность к поглощению и транспортировке воды в растениях, а также способствует повышению засухо-, жаро- и холодостойкости, поскольку входит в состав окислительно-восстановительных, антиоксидантных ферментов и многих белков.

Zn является необходимым для синтеза аминокислоты триптофана , которая является предшественником IAA (индолилоуксусной кислоты, или гетероауксина), то есть участвует в синтезе гормона роста ауксина. Карликовость и мелколистность являются типичными визуальными симптомами дефицита цинка и следствием нарушений метаболизма ауксинов.

Недостаток цинка может привести к снижению активности фотосинтеза на 50-70% в зависимости от вида растения и степени дефицита.

Zn имеет критическое физиологическое значение в функционировании биомембран. Роль в поддержании целостности клеточных мембран может включать в себя структурную ориентацию макромолекул и поддержку систем транспорта ионов. Его взаимодействие с фосфолипидами и сульфгидрильными группами мембранных белков способствует прочности мембран.

Цветение и опыление у растений заметно угнетаются при дефиците цинка. Это может быть результатом: (а) усиленного образования абсцизовой кислоты , что вызывает преждевременное опадания лепестков и цветочных почек, и (б) нарушение развития пыльников и пыльцевых зерен.

Цинк тесно связан с обменом углеводов, учитывая влияние на фотосинтез и превращение сахаров. Его недостаток может привести к снижению активности фотосинтеза на 50–70% в зависимости от вида растения и степени дефицита. Это угнетение связано с понижением активности фермента карбоангидразы , что влияет на путь ассимиляции углекислого газа. Особенно это важно для культур С4 фотосинтеза, то есть кукурузы. Цинк также является составной частью других ферментов, участвующих в фотосинтезе, например RuBisCO, катализирующих начальный этап фиксации углекислого газа.

Под влиянием цинка активируется синтез сахаров и крахмала, увеличивается общее содержание углеводов. Дефицит цинка отрицательно сказывается на деятельности энзимов, участвующих в образовании сахарозы, например альдолазы. Снижение уровня сахарозы в сахарной свекле и кукурузе объясняется угнетением действия этого фермента. Также дефицит цинка усугубляет перемещение сахарозы из листьев в корни. Однако исследования показали, что внекорневая подкормка таких растений возобновила загрузку флоэмы сахарозой. Содержание крахмала и количество крахмальных зерен также снижается при недостаточном поступлении цинка в ткани.

СЕМЕНА – ПЕРВОЕ ИСТОЧНИК ЦИНКА ДЛЯ РАСТЕНИЙ

В условиях низкого обеспечения почвы цинком минеральные резервы семян играют немаловажную роль в росте и развитии растения. Оптимальное содержание Zn в зерне является универсальным механизмом адаптации растений к дефициту этого элемента в почве и повышения устойчивости растений к грибковым, бактериальным инфекциям и другим стрессовым условиям (неблагоприятная температура почвы, влажность и рН).

Так, например, семена зерновых культур с более высоким содержанием цинка при выращивании в Zn-дефицитных условиях имеют лучшую всхожесть, отличаются усиленным ростом корневой системы, вегетативной массы и более интенсивным накоплением сухого вещества.

Скорректировать цинковое питание прорастающего зерна и обеспечить дружные всходы можно путем обработки семян цинксодержащими удобрениями.

Исследованиями установлено положительное влияние внекорневых подкормок на повышение концентрации Zn в зерне. Обработка зерновых колосовых культур в фазу молочно-восковой спелости существенно влияет на накопление Zn зерновой массой.

Дефицит цинка в почве корректируется внесением цинковых добавок в почву и/или на растения. И так же, как и для NPK удобрений, высокой эффективности от внесения цинка можно достичь, руководствуясь 4R правилом: правильно подобрать форму удобрения, норму, срок и способ внесения. При этом необходимо понимать, что эти четыре составляющие взаимосвязаны и успех зависит от правильного согласования всех четырех.

Прежде всего, что нужно сделать, – это оценить резервы почвы относительно возможности обеспечения растения доступным цинком и требования культуры, и рассчитать норму внесения Zn , наиболее полно принимая во внимание другие факторы: характеристики почвы (рН, содержание фосфора и карбонатов, гранулометрический состав , содержание органического вещества ), историю поля (севооборот, предшественник и его удобрения, возможность проявления «синдрома пара»), систему удобрения (внесение органических удобрений, нормы внесения фосфора), наблюдение в прошлые годы и т.д.

Следующим шагом, на наш взгляд, должна быть правильная оценка цели внесения цинковых удобрений. Известно, что существуют два основных подхода к внесению всех элементов: 1) подход, предусматривающий создание определенного уровня элемента в почве и его поддержку (build-up and maintenance approach), который, по сути, представляет собой кормление почвы; и 2) подход, предусматривающий обеспечение культуры (sufficiency approach) – «кормление растения».

Согласно выбору этих подходов устанавливается срок и способ внесения цинковых удобрений. Одной из наиболее распространенных практик является внесение высоких норм цинка под основную обработку раз в несколько лет для создания определенного уровня доступного цинка в почве.

Правда, экспериментальные исследования с использованием радиоизотопного метода свидетельствуют о том, что только очень небольшая фракция (до 1–4%) внесенного минерального цинка поглощается первой культурой. Такой подход менее эффективен на почвах, где наблюдается дефицит цинка, на карбонатных почвах или при внесении в случае необходимости высоких доз фосфора, где обычно лучшим подходом будет дробное внесение повышенными нормами.

Припосевное внесение цинковых удобрений как по технологии ин-фуроу, так и по схеме «5 на 5» больше повлияет на обеспечение цинком растений в год внесения, чем на характеристики почвы, поскольку нормы внесения при таких условиях ограничены и удобрение локализуется вблизи корней. Однако такой подход обычно более эффективен при условиях, когда высока вероятность проявления дефицита цинка в начале вегетации («синдром пара», низкая температура почвы и т.п.), на почвах, склонных к фиксации цинка, при наличии других источников цинка (например, органические удобрения, запланированные внекорневые подкормки) и ряда других индивидуальных факторов.

Очень распространенной практикой является внесение цинковых удобрений под кукурузу в состав жидких или микрогранулированных стартовых удобрений непосредственно в зону высева семян. Такая практика позволяет предотвратить недостаток цинка прежде всего в начале вегетации, когда неблагоприятные условия могут препятствовать нормальному потреблению цинка молодыми растениями.

Учитывая большое значение цинка для прорастания и начального развития любой культуры, это мероприятие часто может выходить в разряд ключевых в обеспечении цинком.

Предпосевная обработка семян также является достаточно распространенной практикой, однако доза цинка, которая может быть нанесена на семена, очень ограничена и может играть заметную роль только в очень короткий период прорастания и всходов.

Слоеная подкормка растений позволяет предотвратить недостаток цинка в критические периоды развития, а также при неблагоприятных для корневого питания условиях, когда поступление этого элемента из почвы ограничено. Его следует рассматривать как «спасательную меру», когда нужно быстро исправить ситуацию с дефицитом. Кроме того, поздние внесения цинка могут способствовать повышению содержания микроэлемента в зерне (биофортификация).

И последнее, с чем нужно определиться, – форма цинкового удобрения . Известно, что существуют две основные группы источников цинка в удобрениях: неорганические (преимущественно сульфат цинка, но также используют оксид цинка, аммиакаты и другие соединения) и органические соединения (комплексы и хелаты цинка). Они различаются по скорости действия, цене и эффективности. Соответственно форму удобрения следует выбирать в соответствии с тем, в какой норме и в какой срок и способ планируется внесение.

Источники цинка могут быть внесены самостоятельно (в порошкообразном, гранулированном или жидком виде), в составе гранулированных (введены в их состав во время гранулирования или нанесены на поверхность) и жидких комплексных удобрений.

Наиболее популярным и экономически оправданным источником цинка в сельском хозяйстве является сульфат цинка. Именно его чаще всего выбирают для внесения в высоких нормах для повышения содержания доступного цинка в почве. Нормы внесения обычно рассчитаны на обеспечение не только культуры в этом году, но и нескольких последующих в севообороте.

Хелаты цинка более эффективны на единицу действующего вещества, чем неорганические источники, поэтому рекомендованная норма их внесения в почву часто составляет 1/3–1/5 от неорганических источников. Прежде всего хелаты цинка применяют для добавления к жидким стартовым удобрениям и для проведения внекорневых подкормок. Выбор формы цинкового удобрения зависит также от характеристик почвы: так, оксиды и карбонаты цинка не следует применять на почвах с рН более 7, поскольку их растворимость и доступность в таких условиях очень ограничена.

Для припосевного внесения и листовой подкормки следует выбирать быстродействующие хорошо растворимые источники цинка. И наконец следует обратить внимание на необходимость учета взаимодействия между внесенным цинком и другими элементами, прежде всего – с фосфором. Ведь многочисленными полевыми исследованиями было доказано, что высокие нормы Р удобрений (или высокое содержание фосфора в почве) без достаточного уровня доступного для растений цинка могут снизить поглощение этого элемента корнями, вызвать его дефицит и снизить рост растений и урожайность. При этом возможна и противоположная ситуация: чрезмерные дозы внесенного цинка на почвах с низким содержанием фосфора могут вызвать дефицит фосфора для растений.

Следовательно, наряду с азотом, фосфором, калием и серой, цинк должен войти в «большую пятерку» элементов, требующих особого внимания в интенсивных технологиях выращивания всех, а не только чувствительных к цинку культур.

Ведь цинк отвечает за два процесса в развитии растения: толерантность к стрессам и эффективное использование влаги.