Влияние кислотности почв на питание растений

ВИДЫ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Реакция почвенной среды или рН является признаком, от которого во многом зависят агрохимические свойства почв и рост растений. Кислотность образуется из-за присутствия в грунтовом растворе и на коллоидах ионов Н ⁺. В почвах различают два вида кислотности: актуальную и потенциальную. Актуальная кислотность почвы обусловлена ​​повышенной концентрацией ионов водорода в почвенной среде. Она определяется в водной вытяжке из почвы и измеряется величиной рН, являющейся обратной величиной концентрации ионов Н ⁺ в растворе. Актуальная кислотность почвы образуется при недостатке в почве нейтрализующих веществ из-за диссоциации ионов водорода от угольной и других водорастворимых кислот и кислых солей. Актуальная кислотность тесно связана с потенциальной или скрытой, которая делится на обменную и гидролитическую.

Под обменной кислотностью обычно подразумевают кислотность, обусловленную ионами водорода и алюминия, которые находятся в поглощенном состоянии и способны вытесняться в раствор при воздействии на почвы определенной нейтральной соли.

Кислотность почвы, обусловленная менее подвижными ионами водорода, которые вытесняются при обработке почвы гидролитически щелочной солью, является гидролитической кислотностью. Она встречается даже чаще, чем обменная, поскольку свойственна большинству почв, в том числе и черноземам. Эта кислотность включает менее подвижную часть поглощенных ионов Н ⁺, которые труднее обмениваются на катионы. При этом ее определение необходимо для решения ряда практических задач по применению удобрений, включающих расчет норм внесения извести и возможности эффективного использования соединений фосфора. Чем больше гидролитическая кислотность почвы, тем выше его буферность против подщелачивания. В то же время почвы, значительно насыщенные основаниями, например черноземы и серые почвы, имеют высокую буферность против подкисления. Повысить буферность почв против подкисления можно внесением больших доз органических удобрений и извести. По показателям кислотности почвы делят на классы: очень сильнокислые – рН< 4,0; сильнокислые – рН=4,1-4,5; кислые – рН=4,5-5,0; слабокислые – рН=5,0-5,5; близкие к нейтральным – рН=5,5-6,0; нейтральные – рН=6,0-7,0 и щелочные при рН >7,0. Для большинства растений оптимальный уровень рН равен 6,0-6,

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ НА РАСТЕНИЯ

Изменение кислотности почв значительно влияет на доступность для растений питательных веществ. Чрезмерно высокий (более 9,0) и чрезмерно низкий (менее 4,0) показатели рН почвы действуют на корни растений токсично. В пределах этих показателей рН определяется поведение отдельных питательных соединений, а именно их осаждение или превращение в доступные или недоступные для растений формы. Так, в очень кислых почвах (рН 4,0-5,5) такие элементы, как железо, алюминий и марганец, переходят в легкодоступные для усвоения растениями формы, к тому же их концентрация достигает токсического уровня. При этом избыток этих металлов нарушает углеводный и белковый обмен растений и образование органов размножения, что значительно снижает урожай и может даже привести к гибели культурных посевов. При высокой кислотности почвы ухудшаются его фильтрационная способность, капиллярность и проницаемость. Высокую чувствительность к алюминию проявляет свекла, горох и фасоль. К избытку марганца чувствительны почти все овощи и тоже свекла. При низком показателе кислотности почвы затрудняется усвоение растениями фосфора, калия, серы, кальция, магния и молибдена. В результате голодания, при определенных предпосылках культурные растения могут погибать даже без веских заметных причин.

Чрезмерная кислотность почв также угнетает деятельность полезных микроорганизмов, участвующих в разложении навоза, торфа, компостов и других форм органических остатков для высвобождения из них доступной для растений формы питательных веществ. На корнях растений, произрастающих в очень кислой среде, плохо развиваются клубеньковые бактерии, из-за чего усвоение бобовыми культурами азота из воздуха значительно ухудшается. При таких предпосылках не происходит обогащенность почв и не удовлетворяются потребности растений, что необходимо учитывать при разработке стратегии удобрения.

На очень щелочных почвах (рН 7,5-8,5), напротив, наблюдается значительное снижение доступности для растений таких элементов как железо, марганец, фосфор, медь, цинк, бор и большинство микроэлементов. Нарушение их усвоения в данном случае связано с образованием их нерастворимых гидроокисей, которые растения не могут поглощать в таком виде. Оптимальная для растений реакция почв с рН 6,5 дает возможность большинству питательных соединений оставаться в доступной для растений форме в почвенном растворе, обычно профилактирует их недостаток.

Минеральные элементы усваиваются из почвы благодаря деятельности корневой системы растений в виде положительно и отрицательно заряженных ионов – катионов и анионов. Например, азот может усваиваться растениями в виде аниона NO ₃ ^– и катиона NH ₄ ⁺ , фосфор и сера – в виде анионов фосфорной и серной кислот – Н ₂ РО ₄ ^– и SO ₄ ^2- , калий, кальций, магний, натрий и железо – в виде катионов с одним или двумя положительными зарядами К ⁺ , Са ²⁺ , Mg ²⁺ , Fe ²⁺, а микроэлементы – посредством соответствующих катионов или анионов. Причем растения усваивают ионы не только из почвенного раствора, но и содержащиеся на коллоидах – глинистых минералах или дольках гумуса. Для этого растения активно влияют на твердую фракцию почвы своими корневыми выделениями, которые обладают высокой растворимостью благодаря угольной кислоте, органическим и аминокислотам. Под влиянием этих соединений необходимые растениям питательные вещества переходят в доступную форму. Изменение минерального состава почвы и его коллоидов, а также процессы усвоения корнями растений питательных веществ регулируют и изменяют кислотность почвенной среды.

В общем, сила корневой системы различных растений значительно отличается. При этом активная часть корней, благодаря которой растение усваивает из почв питательные элементы, представлена ​​молодыми корешками. С отрастанием корней у самого его кончика, защищенного корневым чехликом, внешний слой грубеет и теряет эту способность. Знание строения корней играет очень важную роль в понимании усвоения и переноса по растению питательных элементов и воды. Так, наряду с кончиком корешка находится зона делящихся клеток меристемы. Выше размещается зона растяжения, где клетки не только увеличиваются в размере и приобретают центральную вакуоль, но и начинается дифференциация тканей с формированием флоэмы. Флоэма представляет собой часть сосудисто-проводящей системы, по которой происходит перенос органического вещества из надземных органов растений в корни. Очень близко к кончику корня, на расстоянии 1-3 мм, расположена зона образования корневых волосков. В ней формируется другая часть ведущей системы – ксилема, по которой движется вода с растворенными в ней ионами и синтезируемые в корнях соединения – некоторые органические соединения, в том числе аминокислоты и белки – от корня до надземных частей растений. Корневые волоски являются самым важным орудием для усвоения питательных веществ. Эти тонкие выросты наружных клеток корня значительно увеличивают поверхность корневой системы, способной усваивать питательные элементы через непосредственный контакт с почвой. Рост корней растений проходит постоянно и у однолетних полевых культур может достигать 1 см в сутки. При этом молодые корешки способны усваивать растворенные в почвенном растворе ионы на расстоянии до 20 мм вокруг, а находящиеся на коллоидах – до 2-8 мм. Росту корневой системы растений свойственно явление хемотропизма – усиленного роста в направлении расположения доступных питательных веществ. Отрицательный хемотропизм наблюдается при торможении роста корней в зоне неблагоприятной для растений высокой концентрации отдельных солей. Наиболее выраженный положительный хемотропизм наблюдается при реакции корней растений на ионы фосфора, из-за чего фосфорные удобрения успешно используются для стимуляции роста корневой системы в направлении расположения концентрированного удобрения, например при ленточном удобрении. Таким образом, избыток или недостаток элементов питания и их доступность способны оказывать значительное влияние на развитие корневой массы.

Усвоение питательных веществ растениями через корни происходит несколькими путями. Первым и самым простым путем усвоения является перенос растворенных в грунтовом растворе минеральных элементов в растения с током жидкости при поддержании осмотического давления. За счет всасывающей силы, возникающей при испарении влаги через устьица листьев, корни по ксилему нагнетают к растению влагу с растворенными в ней минеральными веществами. Однако, чтобы перейти из мертвых клеток ксилемы, лишенных живого содержания, в живые клетки корней или других органов, усвоенные ионы должны пройти через полупроницаемую мембрану. Здесь перенос может происходить пассивно, без дополнительных затрат энергии, только по градиенту концентрации. Тогда за счет диффузии вещества двигаются от места большей концентрации к меньшей, уравновешивая ее. Перенос также возможен за счет соответствующего электрического потенциала на внутренней поверхности мембраны, взаимодействующей с внешним раствором. Однако известно, что концентрация отдельных ионов в клеточном соке растений значительно выше, чем в почвенном растворе, поэтому их усвоение не может проходить пассивно за счет градиента концентрации и диффузии. Учитывая, что растения одновременно усваивают и катионы, и анионы, при этом в разном соотношении, чем они находятся в почвенном растворе, и с разной скоростью, даже при их одинаковой концентрации, становится ясно, что пассивный перенос этих соединений не может играть ведущую роль в питании растений. Выборочный характер усвоения и переноса, а также отсутствие прямой зависимости поглощения питательных веществ от интенсивности транспирации явно указывает на то, что усвоение питательных веществ растениями является активным физиологическим процессом, который непосредственно связан с работой всех систем и органов растения, процессами фотосинтеза, дыхания и обмена веществ и обязательно требует затраты энергии.

ИЗМЕНЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ В ПРИКОРНЕВОЙ ЗОНЕ

Процесс усвоения питательных веществ растениями способен оказывать непосредственное влияние на кислотность почв в зоне вокруг корней. Так, клеточные оболочки имеют довольно большие поры и каналы и легкопроницаемы для ионов. Более того, стенкам клеток свойственна высокая сорбирующая способность. Поэтому в межклеточных каналах ионы, усвоенные из почвенного раствора путем диффузии, не только свободно двигаются, но концентрируются для последующего проникновения внутрь клетки.

Обмен ионами между содержимым клеточки и наружной средой происходит за счет структуры её мембраны. Ее отдельные участки могут нести положительные и отрицательные заряды. Для сохранения электрического равновесия при усвоении определенных ионов клетки должны выделять другие. Таким обменным фондом катионов и анионов у растений могут быть Н ⁺ и ОН ^— , а также Н ⁺ и НСО ^3- .

Транспорт адсорбированных ионов извне мембраны клетки внутрь, против градиента концентрации и электрического потенциала, требует обязательных затрат энергии и охватывает сложные химические превращения.

Из-за активного поглощения питательных элементов растениями в зоне непосредственного контакта с корневыми волосками их концентрация снижается, что облегчает вытеснение аналогично заряженных ионов в процессе обмена. Соответственно, вокруг корней при усвоении основных питательных катионов значительно увеличивается концентрация ионов Н ⁺ , поэтому наблюдается эффект местного подкисления почв. Такая ситуация на почвах с завышенным показателем рН имеет положительные последствия, обусловленные улучшением усвоения многих питательных элементов, плохо доступных для растений в щелочной среде.

В противоположность этому в кислых почвах такое дополнительное подкисление снижает и так уж ограниченную доступность питательных веществ. При том, что основной запас питательных веществ находится в почве в форме различных труднодоступных соединений, для их усвоения корни должны оказывать непосредственное влияние на твердую фракцию и тесный контакт с дольками почвы. Так, под влиянием углекислоты и некоторых других органических кислот, ферментов и других веществ, которые выделяют корни в процессе своей жизнедеятельности, происходит растворение минеральных соединений фосфора, калия и кальция и вытеснение катионов в раствор, высвобождение фосфора из его органических соединений.

Выборочное усвоение

Различные элементы питания в неодинаковой степени используются в процессах обмена веществ, чем обуславливается неравномерность попадания отдельных ионов в корни и выборочное усвоение их растениями. В зависимости от присутствия в почвенном растворе тех или иных соединений растения выбирают те ионы, которые более необходимы для синтеза органических элементов, построения новых клеток, тканей и органов. Например, если в растворе присутствует NH ₄ Cl, растения будут более интенсивно поглощать катионы NH ₄ ⁺ , поскольку они используются для синтеза аминокислот. Наряду с этим, ионы Cl ^– необходимые растению в значительно меньшем количестве и будут усваиваться в меньшем объеме. Поэтому в грунтовом растворе будут накапливаться замещенные ионы H ⁺ и лишенные CI ^–, которые будут образовывать соляную кислоту и, как следствие, будут подкислять почву. Если же в грунтовом растворе будет содержаться NaNO ₃ , то растения будут больше и быстрее поглощать анионы NO ₃ ^– , замещая их на НСO ₃ ^– . Поэтому в растворе будут накапливаться ионы Na ⁺ и НСO ₃ ^– , которые будут сочетаться в бикарбонат натрия (пищевая сода), через что будет происходить подщелачивание среды. Выборочное поглощение растениями из состава соли в большей степени катионов или анионов приводит к так называемой физиологической кислотности или физиологической щелочности. Соответственно, соли, из которых в большей степени поглощается анион, чем катион – NaNO ₃ , KNO ₃ , Ca(NO ₃) ₂ – и наблюдается подщелачивание раствора, считают физиологически щелочными; те же соли, чьи катионы поглощаются растениями в больших количествах, чем анионы – NH ₄ Cl, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ , (NH ₄ ) ₂ CO ₃ , KCl, K ₂ SO ₄ – с последующим подкислением раствора, считают физиологически кислыми . Таким образом, физиологическая реакция солей, используемых в качестве минеральных удобрений, должна обязательно учитываться во взаимосвязи с исходным показателем кислотности почв для предупреждения создания условий, препятствующих росту и развитию культурных растений.

ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ ИЛИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ УРАВНОВЕШЕННОСТЬ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА

Поглощение растениями питательных веществ существенно зависит от всех параметров земли – температуры, аэрации, влажности, длительности и интенсивности освещения. Но особенно влияют на усвоение именно реакция почвенного раствора, концентрация и соотношение в нем солей. К примеру, в засоленных почвах при чрезмерной концентрации почвенного раствора поглощение растениями воды и питательных элементов резко замедляется. Корни имеют очень сильно выраженную усвояющую способность, что дает растению возможность поглощать питательные вещества даже при их очень низких концентрациях в других растворах. На развитие растения и его корни в значительной степени влияет физиологическая уравновешенность раствора. Под этим понятием понимают соотношение питательных веществ в растворе, при которых происходит их наиболее эффективное использование растением. Односторонние растворы, в которых преобладает определенный элемент, в частности соль, являются физиологически неуравновешенными, поэтому развитие корней лучше происходит в многосолевом растворе. В таком растворе наблюдается антагонистическое взаимодействие отдельных ионов, где каждый из них взаимно препятствует чрезмерному усвоению другого. Например, ионы Са²⁺ в высоких концентрациях тормозят усвоение ионов K ⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , также антагонистическое взаимодействие наблюдается между K ⁺ и Na ⁺ , K ⁺ и NH _{4+ , ​​K} ⁺ и Mg ²⁺ , NO ₃ ^– _и H ₂ PO ₄ , Cl ^– и H ₂ PO ₄ ^– и другими. За счет таких взаимодействий обеспечивается взвешенное питание растений. Физиологическое равновесие раствора легче всего восстанавливается добавлением солей кальция, создающих необходимые условия для нормального развития корневой системы. Это подчеркивает необходимость известкования грунтов с нарушенным соотношением минеральных компонентов и высоким закислением. Также становится понятным, что удобрение ни в коем случае не должно производиться односторонне, без учета общей потребности во всех элементах питания растений.

Развитие корней значительно ухудшается при усвоении им питательных веществ в присутствии высокой концентрации водородных ионов, т.е. при низком показателе рН. При таких предпосылках перенос питательных веществ к корням значительно усложняется, ухудшается проницаемость клеток и ослабляется питание всего растения. Отсутствие ионов кальция в кислой среде ухудшает его негативное влияние на корни значительно больше, чем недостаточность других катионов, из-за чего даже при определении показателя рН необходимо обращать внимание на то, за счет каких именно элементов его достигли. Наряду с ионами кальция повышать реакцию среды могут, например, и ионы магния, но именно в присутствии кальция растения способны легче переносить более кислую реакцию. На первый взгляд, почвы, богатые магнием, можно определить даже по их свойствам. Из-за своей особой структуры в соединениях с другими элементами магний способствует заиливанию почвы, его скользкости и меньшей буферности. В общем, при кислой реакции почвы повышается усвоение анионов, но затрудняется усвоение катионов. В результате нарушаются минеральное питание, попадание в растения кальция и магния, тормозится синтез белков и сахаров. Щелочная реакция почвы усиливает попадание катионов и затрудняет анионное питание. Но только в равновесии растения могут извлечь из почвы все необходимые элементы. Так, выбор времени, способа внесения удобрения и заделки его в почву зависят не только от биологии питания и агротехнических требований культуры, но и от почвенно-климатических условий и вида и формы удобрения.