Менеджмент цинку та його значення для рослин

846
Сергій Полянчиков, директор із розвитку, Ірина Логінова, канд. с.-г. наук, консультант із живлення рослин, Ольга Капітанська, канд. біол. наук, начальник наукового відділу, НВК «Квадрат»

У світовій практиці цинк уже давно перестали сприймати як «кукурудзяний мікроелемент». Окрім безпосереднього впливу на живлення усіх без винятку культур, він має неабияке значення для розвитку мікрофлори ґрунту та здоров’я людини. Недарма цинк – чи не єдиний у світі мікроелемент, що має свою міжнародну асоціацію (International Zinc Association).

Близько половини ґрунтів світу, на яких вирощують зернові культури, характеризуються недостатнім вмістом цинку, що призводить до недобору врожаю, зниження його якості та, в підсумку, до нестачі цинку в продуктах харчування (Cakmak, 2008). Оскільки зернові культури й так містять мало цинку, вирощування їх на ґрунтах із недостатньою кількістю цього елемента призводить до подальшого зниження його вмісту в зерні.

За оцінками фахівців, близько третини населення Землі відчуває дефіцит цинку в раціоні, що стає причиною численних проблем зі здоров’ям, включаючи захворювання імунної системи та порушення психічного стану.

ЦИНК У ҐРУНТІ

Загальний вміст цинку в ґрунтах світу становить від 10 до 300 мг/кг, в середньому близько 50 мг/кг (Kiekens, L, 1995), і залежить від материнської породи, на якій він сформувався. Магматичні породи зазвичай містять більше цинку, ніж осадові.

У ґрунтах України вміст валового цинку коливається в межах 13–127 мг/кг, закономірно підвищуючись від Полісся до Лісостепу та Степу.

Високий рівень вмісту цинку й інших мікроелементів у ґрунтах Лісостепу та Степу забезпечується за рахунок лесів, які виступають у цих зонах основною ґрунтотворною породою, а також залежно від умов ґрунтоутворювання (тип водного режиму, карбонатність ґрунтотворних порід, забезпеченість ґрунтів гумусом із переважанням у його складі малорухомих гумінових кислот, насиченість основами). Найвищий вміст валового цинку виявлено в лучних і лучно-буроземних ґрунтах на елювіальних відкладах у Закарпатті (Фатєєв А. І. та ін., 2003).

Серед форм цинку в ґрунті, важливих для забезпечення рослин, виділяють: 1) водорозчинний Zn2+ (цинк у ґрунтовому розчині), 2) обмінний (іони, абсорбовані на поверхні глинистих часточок), 3) органічно зв’язаний цинк (іони, адсорбовані, хелатовані або комплексовані органічними сполуками), 4) цинк, необмінно сорбований глинистими мінералами і нерозчинними оксидами металів (цинк у кристалічних решітках глинистих мінералів); 5) вивітрені первинні та вторинні мінерали ґрунту й нерозчинні сполуки твердої фази ґрунту. Рослини здатні поглинати цинк, представлений сполуками перших трьох форм.

Водночас валовий вміст у ґрунті цинку, так само як і інших елементів, не є критерієм для оцінки його доступності для рослин. З цією метою проводять визначення рухомих (доступних) його форм. Саме на основі цих даних складають рекомендації щодо удобрення культур цинком.

Проте саме в інтерпретації результатів, отриманих із лабораторії, часто полягає головна складність, адже існує ціла низка методів для екстрагування із ґрунту рухомих сполук цинку. Наприклад, в Україні прийнято визначати наявність рухомих сполук цинку в ґрунті в буферній амонійно-ацетатній витяжці з рН 4,8 (ДСТУ 4770.2:2007), тоді як для Сполучених Штатів найбільш прийнятими на сьогодні методами є вилучення за допомогою DTPA та методу Мехлік 3.

При цьому якщо для інтерпретації результатів визначення вітчизняним методом використовують універсальну градацію ґрунтів за вмістом цинку, то інтерпретація зарубіжних методів відбувається на основі критичної концентрації – це такий вміст елементу живлення в ґрунті, за якого ймовірність економічного ефекту від внесення добрива низька.

Потрібно розуміти, що критична концентрація – це не стале значення, воно змінюється залежно від врахування інших факторів (зокрема, можуть братися до уваги чутливість культури, рН, СЕС, вміст органічної речовини, карбонатів і фосфору). Адже встановлено (Payne et al., 1986; Srivastava i Srivastava, 2007 та ін.), що інтерпретування результатів аналізу цинку зазвичай покращується в разі врахування принаймні однієї властивості ґрунту на додаток до результату визначення доступного цинку.

Регіональні університети у США, базуючись на дослідженнях, проведених саме на ґрунтах свого регіону, дають фермерам рекомендації щодо інтерпретації результатів ґрунтового аналізу та найбільш доцільного способу внесення цинку, якщо такий потрібний. На жаль, в Україні така робота наразі не проводиться не лише в розрізі регіонів, а й країни в цілому.

Згідно з результатами Х туру (2011–2015 рр.) моніторингу та обстеження сільськогосподарських угідь України, майже уся територія країни (90,7% обстежених площ) має дуже низький і низький вміст рухомого цинку, середній та підвищений – 6% і високий та дуже високий – лише 3% (за даними ДУ «Інститут охорони ґрунтів України»; http://www.iogu.gov.ua). Це свідчить про необхідність проведення аналізу ґрунту на цинк у всіх регіонах України, оскільки він з високою ймовірністю може стати чинником, що лімітує врожайність.

Отже, аналіз ґрунту на вміст рухомого цинку дає можливість виявити дефіцит його для рослин і підвищує ймовірність отримання економічного ефекту від внесення цинкових добрив.

Схематична діаграма причин дефіциту цинку для сільськогосподарських культур (Джерело: Alloway, 2008)
Схематична діаграма причин дефіциту цинку для сільськогосподарських культур (Джерело: Alloway, 2008)

Проте є чинники, які можуть розповісти про можливість дефіциту цинку ще до проведення ґрунтової діагностики. Так, до чинників, які впливають на доступність і мобільність цинку в ґрунті, відносяться:

1) рН ґрунту: найвища доступність цинку спостерігається у діапазоні рН від 5 до 7. За більш високих значень рН цинк утворює нерозчинні гідроксиди та карбонати, що істотно впливає на зменшення вмісту доступних форм.

Карбонатні ґрунти, часто поряд із досить високим вмістом загального цинку, мають відносно низький вміст доступних його форм. Вапнування кислих ґрунтів, особливо з низьким вмістом цинку, також може знизити поглинання рослинами Zn2+, причиною чого є не лише ефект підвищення рН, а й адсорбція на поверхні частинок вапна. Фізіологічно кислі добрива здатні впливати на доступність цинку внаслідок підкислення ґрунту;

2) Вміст органічної речовини у ґрунті: дефіцит цинку зазвичай проявляється за низького вмісту органічної речовини. Проте деякі органічні ґрунти (болотні та торф’яники) також схильні до прояву дефіциту, оскільки тут спостерігається як низький вміст цинку, так і його іммобілізація високомолекулярними органічними сполуками;

3) Гранулометричний склад ґрунту: піщані ґрунти мають високий ризик створення дефіциту цинку для рослин;

4) Взаємодія з іншими елементами, яка може проявлятись у вигляді синергізму (коли один елемент сприяє надходженню іншого в рослину) й антагонізму (протилежне явище).

«Класичним» антагоністом для цинку часто називають фосфор: високий вміст Р або внесення високих норм фосфорних добрив може спричиняти дефіцит цинку, що найчастіше відбувається за умови низького вмісту цинку в ґрунті.

Внесення високих норм азотних добрив також може підвищувати потребу рослин у цинку. Зазвичай культури краще реагують на сумісне внесення цинку й азоту.

Крім того, деякі катіони металів, включаючи Cu2+, Fe2+ і Mn2+, можуть зменшувати поглинання рослинами Zn2+. Якщо ґрунт містить граничні концентрації одного з елементів, внесення іншого загострюватиме прояв дефіциту в рослинах;

5) Погодні умови також впливають на дефіцит цинку: найчастіше він проявляється за холодних, вологих умов весни, коли спостерігається обмежений ріст коренів, зниження мінералізації органічної речовини й обмеження дифузії цинку (головний шлях надходження доступного цинку в зону коренів);

6) Ерозійні процеси, за яких видаляється верхній шар ґрунту, підвищують ймовірність відклику культур на внесення цинкових добрив;

7) Переущільнені ґрунти, де спостерігається обмеження росту кореневої системи, також можуть загострювати проблему поглинання цинку поряд з багатьма іншими елементами;

8) «Синдром пару» (випадок, коли поле у попередній рік було зайняте культурою, не здатною до утворення мікоризи, – наприклад, цукровими буряками, – або коли там був незайнятий пар) також сприяє прояву дефіциту цинку в результаті виснаження мікоризи. Адже мікориза бере важливу участь у забезпеченні рослин багатьма мало рухливими в ґрунті елементами, і цинком зокрема;

9) Види і сорти рослин дуже різняться за чутливістю/толерантністю до дефіциту цинку. Внутрішньовидові відміни іноді настільки ж великі, як і міжвидові. Найбільше цинк-ефективні сорти та гібриди здатні продукувати більше сухої речовини і зерна за умов низького рівня постачання доступного цинку, ніж цинк-неефективні сорти.

До найбільш чутливих до дефіциту цинку культур відносять кукурудзу, рис, гречку, льон, хміль, сорго, бобові, плодові, виноград, цитрусові, цибулю, пшеницю;

10) Застосування деяких гербіцидів: є дані про те, що певні гербіциди (зокрема, диклофоп, хлорсульфурон і гліфосат) можуть певною мірою впливати на рівень забезпечення рослин цинком, що потребує перегляду стратегії удобрення мікроелементом.

ЗНАЧЕННЯ ЦИНКУ ДЛЯ РОСЛИН

У рослинах цинк не зазнає змін валентності, його переважаючими формами є комплекси з низькою молекулярною масою, металопротеїни, вільні іони та нерозчинні форми, зв’язані з клітинними стінками. Цинк може зв’язуватися у клітині шляхом утворення комплексів з органічними лігандами або фосфором. Залежно від виду рослини, від 58 до 91% цинку в рослині міститься у водорозчинній формі (низькомолекулярні комплекси та вільні іони), яка вважається найбільш фізіологічно активною.

Понад 90% обстежених грунтів України мають дуже низький і низький вміст рухомого цинку, середній та підвищений – 6%, високий та дуже високий – лише 3%. Це свідчить про необхідність проведення аналізу ґрунту на цинк у всіх регіонах, оскільки він з високою ймовірністю може стати лімітуючим врожайність фактором
Понад 90% обстежених грунтів України мають дуже низький і низький вміст рухомого цинку, середній та підвищений – 6%, високий та дуже високий – лише 3%. Це свідчить про необхідність проведення аналізу ґрунту на цинк у всіх регіонах, оскільки він з високою ймовірністю може стати лімітуючим врожайність фактором

Фізіологічне значення цинку для рослин дуже широке. Відомо понад 300 цинкзалежних ензимів, у яких цинк відіграє каталітичну, ко-каталітичну та структурну роль. Активовані Zn ферменти беруть участь у вуглеводневому обміні, підтримці цілісності клітинних мембран, синтезі білків, регуляції синтезу ауксину й утворенні пилку. Цинк впливає на здатність до поглинання та транспортування води в рослинах, а також сприяє підвищенню посухо-, жаро- та холодостійкості, оскільки входить до складу окисно-відновних, антиоксидантних ферментів і багатьох білків.

Zn є необхідним для синтезу амінокислоти триптофану, яка є попередником IAA (індолилоцтової кислоти, або гетероауксину), тобто бере участь у синтезі гормону росту ауксину. Карликовість і дрібнолистість є типовими візуальними симптомами дефіциту цинку і наслідком порушень метаболізму ауксинів.

Ознаки дефіциту цинку у пшениці

Ознаки дефіциту цинку у пшениці. Нестача цинку може спричинити зниження активності фотосинтезу на 50-70% залежно від виду рослини та ступеня дефіциту
Ознаки дефіциту цинку у пшениці. Нестача цинку може спричинити зниження активності фотосинтезу на 50-70% залежно від виду рослини та ступеня дефіциту

Zn має критичне фізіологічне значення у функціонуванні біомембран. Роль у підтримці цілісності клітинних мембран може включати структурну орієнтацію макромолекул і підтримку систем транспорту іонів. Його взаємодія з фосфоліпідами та сульфгідрильними групами мембранних білків сприяє міцності мембран.

Цвітіння та запилення у рослин помітно пригнічуються за умови дефіциту цинку. Це може бути результатом: (а) посиленого утворення абсцизової кислоти, що спричиняє передчасне обпадання пелюсток і квіткових бруньок, та (б) порушення розвитку пиляків і пилкових зерен.

Цинк тісно пов’язаний з обміном вуглеводів з огляду на вплив на фотосинтез та перетворення цукрів. Його нестача може спричинити зниження активності фотосинтезу на 50–70% залежно від виду рослини та ступеня дефіциту. Це пригнічення пов’язане зі зниженням активності ферменту карбоангідрази, що впливає на шлях асиміляції вуглекислого газу. Особливо це важливо для культур С4 фотосинтезу, тобто кукурудзи. Цинк також є складовою інших ферментів, що беруть участь у фотосинтезі, наприклад RuBisCO, що каталізує початковий етап фіксації вуглекислого газу.

Під впливом цинку активується синтез цукрів і крохмалю, збільшується загальний вміст вуглеводів. Дефіцит цинку негативно позначається на діяльності ензимів, що беруть участь в утворенні сахарози, наприклад альдолази. Зниження рівня сахарози в цукрових буряках та кукурудзі пояснюється пригніченням дії цього ферменту. Також дефіцит цинку погіршує переміщення сахарози з листків до коренів. Однак дослідження показали, що позакореневе підживлення таких рослин відновило завантаження флоеми сахарозою. Вміст крохмалю та кількість крохмальних зерен також знижується за умови недостатнього надходження цинку в тканини.

НАСІННЯ – ПЕРШЕ ДЖЕРЕЛО ЦИНКУ ДЛЯ РОСЛИН

В умовах низького забезпечення ґрунту цинком мінеральні резерви насіння відіграють важливу роль у рості та розвитку рослини. Оптимальний вміст Zn в зерні є універсальним механізмом адаптації рослин до дефіциту цього елементу в ґрунті та підвищення стійкості рослин до грибкових, бактеріальних інфекцій та інших стресових умов (несприятливі температура ґрунту, вологість і рН).

Так, наприклад, насіння зернових культур з більш високим вмістом цинку при вирощуванні у Zn-дефіцитних умовах має кращу схожість, відзначається посиленим ростом кореневої системи, вегетативної маси та більш інтенсивним накопиченням сухої речовини.

Скоригувати цинкове живлення проростаючого зерна та забезпечити дружні сходи можна шляхом обробки насіння цинквмісними добривами.

Дослідженнями встановлено позитивний вплив позакореневих підживлень на підвищення концентрації Zn в зерні. Обробка зернових колосових культур у фазу молочної – молочно-воскової стиглості суттєво впливає на накопичення Zn зерновою масою.

МЕНЕДЖМЕНТ ЦИНКУ

Дефіцит цинку в ґрунті коригується внесенням цинкових добив в ґрунт і/або на рослини. І так само, як і для NPK добрив, найвищої ефективності від внесення цинку можна досягнути, керуючись 4R правилом: правильно підібрати форму добрива, норму, строк і спосіб внесення. При цьому необхідно розуміти, що ці чотири складники взаємопов’язані, й успіх залежить від правильного узгодження всіх чотирьох.

Найперше, що потрібно зробити, – це оцінити резерви ґрунту щодо можливості забезпечення рослини доступним цинком і вимоги культури, й розрахувати норму внесення Zn, якнайповніше беручи до уваги інші чинники: характеристики ґрунту (рН, вміст фосфору і карбонатів, гранулометричний склад, вміст органічної речовини), історію поля (сівозміна, попередник і його удобрення, можливість прояву «синдрому пару»), систему удобрення (внесення органічних добрив, норми внесення фосфору), спостереження у минулі роки тощо.

Наступним кроком, на наш погляд, має бути правильне оцінювання мети внесення цинкових добрив. Відомо, що існують два основні підходи до внесення усіх елементів: 1) підхід, що передбачає створення певного рівня елементу в ґрунті та його підтримку (build-up and maintenance approach), який, по суті, становить собою «годування ґрунту»; та 2) підхід, що передбачає забезпечення культури (sufficiency approach) – «годування рослини».

Відповідно до вибору цих підходів встановлюється строк і спосіб внесення цинкових добрив. Однією з найбільш поширених практик є внесення високих норм цинку під основний обробіток раз на кілька років для створення певного рівня доступного цинку в ґрунті.

Щоправда, експериментальні дослідження з використанням радіоізотопного методу свідчать, що лише дуже невелика фракція (до 1–4%) внесеного мінерального цинку поглинається першою культурою (McBeath, 2013). Такий підхід менш ефективний на ґрунтах, де спостерігається дефіцит цинку, на карбонатних ґрунтах або за внесення у разі необхідності високих доз фосфору, де зазвичай найкращим підходом буде дробове внесення підвищеними нормами.

Припосівне внесення цинкових добрив, як за технологією ін-фуроу, так і за схемою «5 на 5», більше вплине на забезпечення цинком рослин у рік внесення, ніж на характеристики ґрунту, оскільки норми внесення за таких умов обмежені й добриво локалізується поблизу коренів. Проте такий підхід зазвичай більш ефективний за умов, коли висока ймовірність прояву дефіциту цинку на початку вегетації («синдром пару», низька температура ґрунту тощо), на ґрунтах, схильних до фіксації цинку, за наявності інших джерел цинку (наприклад, органічні добрива, заплановані позакореневі підживлення) та низки інших індивідуальних чинників.

Дуже поширеною практикою є внесення цинкових добрив під кукурудзу у складі рідких або мікрогранульованих стартових добрив безпосередньо у зону висіву насіння (поп-ап). Така практика дає змогу запобігти нестачі цинку передусім на початку вегетації, коли несприятливі умови можуть перешкоджати нормальному споживанню цинку молодими рослинами. З огляду на велике значення цинку для проростання і початкового розвитку будь-якої культури, цей захід часто може виходити в розряд ключових у забезпеченні цинком.

Передпосівна обробка насіння також є досить поширеною практикою, проте доза цинку, яка може бути нанесена на насінину, дуже обмежена і може відігравати помітну роль лише у дуже короткий період проростання та сходів.

Листкове підживлення рослин дає змогу запобігти нестачі цинку в критичні періоди розвитку, а також за несприятливих для кореневого живлення умов, коли надходження цього елемента із ґрунту обмежене. Його слід розглядати як «рятувальний захід», коли потрібно швидко виправити ситуацію з дефіцитом. Крім того, пізні внесення цинку можуть сприяти підвищенню вмісту мікроелемента в зерні (біофортифікація).

І останнє (але останнім воно є лише у нашому списку, тоді як у правилі 4R немає сталого порядку), з чим потрібно визначитись, – форма цинкового добрива. Відомо, що існують дві основні групи джерел цинку в добривах: неорганічні (переважно це сульфат цинку, але також використовують оксид цинку, аміакати та інші сполуки) й органічні сполуки (комплекси і хелати цинку). Вони різняться за швидкістю дії, ціною й ефективністю. Відповідно, форму добрива слід обирати відповідно до того, у якій нормі та в який строк і спосіб планується внесення.

Джерела цинку можуть бути внесені самостійно (у порошкоподібному, гранульованому або рідкому вигляді), у складі гранульованих (введені до їх складу під час гранулювання або нанесені на поверхню) та рідких комплексних добрив.

Найбільш популярним і економічно виправданим джерелом цинку в сільському господарстві є сульфат цинку. Саме його найчастіше обирають для внесення у високих нормах для підвищення вмісту доступного цинку в ґрунті. Норми внесення зазвичай розраховані на забезпечення не лише культури цього року, а й кількох наступних у сівозміні.

Хелати цинку загалом більш ефективні на одиницю діючої речовини, ніж неорганічні джерела, тому рекомендована норма їх внесення у ґрунт часто становить 1/3–1/5 від неорганічних джерел. Передусім хелати цинку застосовують для додавання до рідких стартових добрив і для проведення позакореневих підживлень. Вибір форми цинкового добрива залежить також від характеристик ґрунту: так, оксиди і карбонати цинку не слід застосовувати на ґрунтах з рН понад 7, оскільки їх розчинність і доступність за таких умов дуже обмежена.

Для припосівного внесення і листкового підживлення слід обирати швидкодіючі добре розчинні джерела цинку. І наостанок слід звернути увагу на необхідність врахування взаємодії між внесеним цинком та іншими елементами, насамперед – з фосфором. Адже численними польовими дослідженнями було доведено, що високі норми Р добрив (або високий вміст фосфору в ґрунті) без достатнього рівня доступного для рослин цинку можуть знизити поглинання цього елемента коренями, спричинити його дефіцит і відтак знизити ріст рослин та врожайність. При цьому можлива і протилежна ситуація: надмірні дози внесеного цинку на ґрунтах із низьким вмістом фосфору можуть спричиняти дефіцит фосфору для рослин.

Отже, поряд з азотом, фосфором, калієм і сіркою, цинк має увійти до «великої п’ятірки» елементів, що потребують нагальної уваги в інтенсивних технологіях вирощування всіх, а не лише чутливих до цинку культур.

Адже за зміни клімату цинк відповідає за два процеси в розвитку рослини: толерантність до стресів і ефективне використання вологи.

Сергій Полянчиков, директор із розвитку, Ірина Логінова, канд. с.-г. наук, консультант із живлення рослин, Ольга Капітанська, канд. біол. наук, начальник наукового відділу, НВК «Квадрат»

Опубліковано в журналі “Агроном”, 2020

Найсвіжіші матеріали читайте в журналі «Агроном». Слідкуйте за головними агрономічними новинами на нашій сторінці у Facebook та каналі в Telegram