Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Кореневе живлення рослин
Елементи мінерального живлення як можливе джерело забруднення навколишнього сербдовища

Відомо, що для отримання високих і стійких врожаїв культур вдаються до підвищених доз мінеральних добрив. Добрива, в тому числі азотні, є сильним джерелом впливу не тільки на врожайність рослин, але і на їхній хімічний склад, а також на оточуюче середовище. Через це з ростом доз азоту і фосфору збільшується використання й інших елементів, а це спричинює одну з серйозних проблем сучасності — проблему забруднення навколишнього середовища надлишковими кількостями хімічних елементів.

З підвищенням доз добрив закономірно зменшується процент засвоєння їх рослинами і ріст кількості внесених добрив значно випереджає ріст врожаїв. Широко вживані мінеральні добрива вважаються однією з найсильніших форм втручання людини в природний кругообіг. Господарська діяльність людини пов’язана з «навмисним» розсіюванням в природному середовищі цілого ряду елементів, які входять до складу добрив, що в умовах інтенсивного ведення господарства зумовлює екологічні проблеми. Зупинимося на цій проблемі більш детально і вкажемо на можливі причини, які спричинюють порушення в навколишньому середовищі, і на заходах, які сприяють поліпшенню використання елементів живлення.

Одним із наслідків використання високих доз міндобрив є забруднення грунту. Це обумовлено різними домішками, які зустрічаються в добривах. Серед цих домішок виявляються значні кількості важких металів: уран, торій і їхні дочірні продукти радіоактивного розпаду. Особливо багато урану, торію, а також стронцію та інших рідкоземельних елементів в простому суперфосфаті. Якщо врахувати, що з кожним роком світовий видобуток фосфатів росте і збільшується кількість фосфорних добрив, то неконтрольований потік радіоактивних елементів у ґрунтовий розчин і сільськогосподарську продукцію з кожним роком збільшується.

Збільшуючи масштаби виробництва фосфорних добрив, звертають увагу тільки на один компонент — фосфор, а фосфатні руди містять в своєму складі фтор. Елементарне відношення фосфору до фтору в адаптивному концентраті становить 5,8. Це показує, якого масштабу досягне надходження фтору з фосфатною сировиною. В процесах переробки фосфату фтор переводиться на легкорозчинну форму, тобто хімічно активується. Таким чином, коли природа поставила більш-менш ефективний бар’єр, який захищає живі істоти від дії фтору, то людина своєю сільськогосподарською діяльністю руйнує цей бар’єр. Наприклад, тонну елементарного фосфору в подвійному суперфосфаті супроводить 80 кг фтору, в простому суперфосфаті — 122 кг і в амофосі — 165 кг. При вивченні дії фторидів на деякі ланки екологічного ланцюга, корисну фізіологічну роль фтору в житті рослин чітко не виявлено. Проте щодо шкідливості його для живих організмів думка дослідників єдина. Отже, виникла потреба в суворому обліку фосфорних добрив, як одного з джерел радіації.

Господарська діяльність людини виявляє значний вплив на кругообіг азоту. Промислова фіксація азоту вважається однією з найсильніших форм втручання людини в природний кругообіг. Систематичне застосування азотних добрив зумовлює збільшення рівня сполук азоту не тільки в грунтах, а й у поверхневих і ґрунтових водах. Відомо, що нітратна форма азоту досить рухома і легко вимивається з грунту. Близько 20% нітратів надходить в природні води з добрив. Беззаперечним слід вважати факт забруднення річних і озерних вод мінеральними добривами в тих випадках, коли добрива змиваються водою з поверхні грунтів або разом з грунтом внаслідок ерозійних процесів.

У зв’язку з застосуванням міндобрив знижується біологічна цінність рослинних продуктів внаслідок зрушення співвідношення зольних елементів і зміни складу органічних компонентів. При вживанні великих доз азотних добрив в рослинах підвищується вміст нітратів, які в харчових продуктах перетворюються на шкідливі для організму нітрити. Дуже рельєфно виявляється негативна роль одностороннього азотного живлення по відношенню стійкості рослин до різних захворювань.

Раніше зазначені негативні сторони застосування добрив не зменшують величезного позитивного значення їх для всіх країн світу. Мова повинна йти не про відмовлення від застосування мінеральних добрив, а лише про поліпшення технології виробництва і використання їх, при якому були б повністю виключені всі небажані наслідки. Сучасний розвиток науки і техніки дозволяє так організовувати використання добрив, що вони не будуть шкодити навколишньому середовищу, а, навпаки, відіграють певну роль в його оздоровленні. До найбільш реальних напрямків охорони оточуючого середовища від забруднення добривами віднесено такі:

·мінеральні добрива повинні вноситись у грунт в агрохімічно обгрунтованих дозах, збалансованих за окремими елементами живлення;

·зниження доз внесення водорозчинних добрив в зонах з великою кількістю опадів;

·використання гранульованих і повільнорозчинних добрив знижують втрати азоту добрив;

·використання речовин, які затримують процес нітрифікації;

·вапнування кислих грунтів після довгого використання міндобрив (вапнування — запобіжний засіб від токсичного впливу важких металів);

·підвищення концентрації туків і поступове збільшення частки безхлорних калійних добрив.

Перелічені раніше заходи в сьогоднішньому землеробстві являються не тільки можливими, а й потрібними як з економічних міркувань, так і з гігієнічних.

Гідропоніка. Останнім часом в умовах закритого грунту широко застосовують спосіб вирощування рослин на водних поживних розчинах, використовуючи як субстрат гравій, керамзит, перліт тощо. Культивування рослин за відсутності грунту, на поживних розчинах, називають гідропонікою.

Існують певні вимоги до середовища для вирощування рослин в штучних умовах: воно повинно мати малу ємність поглинання, неперервно постачати для рослин воду з розчиненими в ній поживними речовинами, забезпечувати достатній доступ кисню для Дихання кореневої маси, бути твердою опорою для підтримки рослин у вертикальному положенні. Рівень поживного розчину, як правило, підтримується на 3-4 см нижче поверхні субстрату. Поживний розчин утворює навколо часточок субстрату водяну плівку, в якій розчинені мінеральні елементи. Достатня кількість кисню та поживних елементів в зоні кореневої системи забезпечує швидке їх надходження та засвоєння рослинами. Взагалі частота підживлень залежить від розмірів часточок інертного субстрату, пори року, фази розвитку рослин. З метою уникнення засолення субстрату, його промивають чистою водою перед подачою нового розчину. Розроблено багато рецептів для приготування робочих поживних розчинів для вирощування різних видів рослин. Склад одного з них наведено в табл. 18.

Таблиця 18. Поживні суміші для гідропоніки (на 1ООО л води, г)

В даний час розроблені і широко впроваджуються новітні технології, які не лише підвищують продуктивність сільськогосподарських культур, а й не порушують екологічну рівновагу біосфери. Так, в промислових масштабах все більше овочевих культур вирощують в спеціалізованих тепличних комплексах, обладнаних системами контролю і регулювання більшості параметрів зовнішнього середовища. В недалекому майбутньому і в Україні будуть діяти такі комплекси навколо багатьох промислових центрів, використовуючи, насамперед, штучне освітлення в години, вільні від пікових витрат електроенергії.

Це технологія XXI от., яка функціонуватиме на основі замкнутого циклу і забезпечить одержання в достатній кількості багатьох продуктів рослинництва. Вона економічно вигідна, не потребує грунту, не вимагає надмірних запасів води, мінеральних добрив, засобів захисту рослин тощо.

Як відомо, будь який рослинний Організм — відкрита жива система у якої, в залежності від етапу онтогенезу, змінюються вимоги до параметрів навколишнього середовища. Тому необхідно мати постійну інформацію про стан рослинного організму, інтенсивність функціонування найбільш вагомих для одержання максимального врожаю фізіологічних процесів з метою забезпечення відповідних параметрів середовища вирощування рослин. Таким чином, фактично в одній автоматизованій системі оптимізації фізіологічних процесів поєднується як інформаційна система, так і система управління (рис. 138).

Рослини за допомогою системи автоматичної оптимізації самі вибирають найбільш оптимальні значення параметрів зовнішнього середовища (освітлення, вологість, надходження елементів мінерального живлення) та змінюють їх в залежності від власних потреб впродовж всього вегетаційного періоду.

В недалекому майбутньому такі автоматизовані системи будуть широко залучатися до керування вирощуванням рослин в системі закритого грунту.

Вивчення умов живлення рослин дозволило створити принципово нову технологію їх вирощування — аеропоніку. При аеропоніці коренева системи рослин розвивається не в грунті і не в поживному розчині, а в повітрі на спеціальних стелажах. В зону кореневих систем розпилюється поживний розчин спеціальними розпилювачами. Подача поживних речовин і вологи залежно від потреби рослин регулюється автоматично. Передбачається, що аеропонний спосіб вирощування рослин знайде своє примінення в космічних апаратах. Для космічних літальних апаратів розроблена система замінників грунту. За зовнішнім виглядом штучний грунт — дрібні гранули на полімерній основі. Всередині гранул у зв'язаному стані знаходяться іони, необхідні для нормального росту рослин. Вони не вимиваються водою, їх не можна вилучити механічним шляхом. Рослинний організм може засвоювати їх шляхом обміну на іони, які формуються під час дихання кореневих систем.

Рис. 138. Структура системи автоматичної оптимізації зовнішнього середовища для вирощування рослин в закритому грунті.

Як відомо, при диханні виділяється вуглекислий газ Розчиняючись у воді, він утворює вугільну кислоту:

Ця кислота дисоціює на іони Н⁺ і НСО₃^-. Останні надходять на зовнішню поверхню кореневих волосків, які контактують із штучними частинками грунту, що містять корисні для рослин іони: К⁺, NO₃ , Са²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, РО₄^3-, NH₄⁺ та інші. Таким чином, відбувається обмін водню на іони К⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, а іони НСО₃^- замінюються іонами NO₃^-, SO₄^2-, РО₄^3-. В даний час є спроби ввести необхідні рослинам іони і в інші матеріали, наприклад, в особливі Тканини, на поверхні яких перебдачається культивування рослин в космосі