Сергій Полянчиков, директор з розвитку
Ірина Логінова, к.с.-г.н., консультант з живлення рослин
Ольга Капітанська, к.б.н., начальник наукового відділу
НВК «Квадрат»
У світовій практиці цинк давно вже перестав сприйматись як «кукурудзяний мікроелемент». Окрім безпосереднього впливу на живлення усіх без виключення культур, зростає усвідомлення значення цинку 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, що використовуються для вирощування зернових культур, характеризуються недостатнім вмістом цинку, що призводить до недобору врожаю, зниження його якості й, в результаті, до нестачі цинку у продуктах харчування (Cakmak, 2008). Оскільки зернові культури природньо мають низький вміст цинку, вирощування їх на ґрунтах з недостатнім вмістом цинку призводить до подальшого зниження його вмісту у зерні.
За оцінками спеціалістів, близько третини населення Землі має проблеми з дефіцитом цинку у раціоні, що стає причиною численних проблем зі здоров’ям, включаючи порушення імунної системи і психічний добробут.
Цинк в ґрунті
Загальний вміст цинку в ґрунтах світу складає 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.
В ґрунтах України вміст валового цинку коливається в межах 13-127 мг/кг, закономірно підвищуючись від Полісся до Лісостепу і 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 за рахунок умов ґрунтоутворювання (тип водного режиму, карбонатність ґрунтотворних порід, забезпеченість ґрунтів гумусом з перевагою в 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 і вторинні мінерали ґрунту та нерозчинні сполуки твердої фази ґрунту. Рослини здатні поглинати цинк, представлений сполуками перших трьох форм.
Як і для інших елементів, валовий вміст цинку в ґрунті 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 з удобрення культур цинком.
Проте, саме у інтерпретації результатів, отриманих із лабораторії, часто криється головна складність: адже, існує цілий ряд методів для екстрагування з ґрунту рухомих сполук цинку. Наприклад, в Україні прийнято визначення рухомих сполук цинку в ґрунті здійснювати у 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 закордонних 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 враховуватись чутливість культури, рН, СЕС, вміст органічної речовини, вміст карбонатів і фосфору). Адже, встановлено (Payne et al., 1986; Srivastava i Srivastava, 2007 та ін.), що інтерпретування результатів аналізу цинку зазвичай покращується за 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. Нажаль, в Україні такої роботи наразі не проводиться не лише в розрізі регіонів, але і країни в цілому.
Згідно результатів 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»; https://www.iogu.gov.ua). Це свідчить про необхідність проведення аналізу ґрунту на цинк у всіх регіонах України, оскільки він з високою ймовірністю може стати лімітуючим врожайність фактором.
Отже, аналіз ґрунту на вміст рухомого цинку дає можливість виявити дефіцит його для рослин і підвищує ймовірність отримання економічного ефекту від внесення цинкових добрив.
Проте, є фактори, які можуть нам вказати на можливість дефіциту цинку ще до проведення ґрунтової діагностики. Так, серед факторів, які впливають на доступність і мобільність цинку в ґрунті:
1) рН ґрунту: найвища доступність цинку спостерігається у діапазоні рН від 5 до 7. За більш високих значень рН цинк утворює нерозчинні гідроксиди і 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 чому не лише ефект підвищення рН, але і адсорбція на поверхні частинок вапна. Фізіологічно кислі добрива здатні впливати над доступність цинку в результаті підкислення ґрунту.
2) Вміст органічної речовини в ґрунті: дефіцит цинку зазвичай проявляється за низького вмісту органічної речовини. Проте, деякі органічні ґрунти (болотні і торф’яники) також схильні до прояву дефіциту, оскільки тут має місце як низький вміст цинку, так і його іммобілізація високомолекулярними органічними сполуками.
3) Гранулометричний склад ґрунту: піщані ґрунти мають високий ризик спричиняти дефіцит цинку для рослин.
4)Взаємодія з іншими елементами, яка може проявлятись у вигляді синергізму (коли один елемент сприяє надходженню іншого в рослину) і 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 відкликаються на сумісне внесення цинку і 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 у рослинах.
5) Погодні умови також впливають на прояв дефіциту цинку: найчастіше він проявляється за холодних, вологих умов весни, за яких має місце обмежений ріст коренів, знижена мінералізація органічної речовини і 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, на яких має місце 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, цукрові буряки, - або коли мав місце незайнятий пар) також сприяє прояву дефіциту цинку в результаті виснаження мікоризи. Адже, мікориза приймає важливу участь у постачанні рослин багатьма малорухливими 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. Найбільш цинк-ефективні сорти і 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 деякі гербіциди (зокрема, диклофоп, хлорсульфурон та гліфосат) можуть до певної міри впливати на рівень забезпечення рослин цинком, що потребує перегляду стратегії удобрення мікроелементом.
У рослинах цинк не зазнає змін валентності і 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 знаходиться у водорозчинній формі (низькомолекулярні комплекси та вільні іони), яка вважається найбільш фізіологічно активною.
Фізіологічне значення цинку для рослин дуже широке. Відомо понад 300 цинк-залежних ензимів, в яких цинк відіграє каталітичну, ко-каталітичну і структурну роль. Активовані Zn ферменти беруть участь у вуглеводневому обміні, підтримці цілісності клітинних мембран, синтезі білків, регуляції синтезу ауксину та утворення пилку. Цинк впливає на здатність до поглинання та транспортування води в рослинах, а також сприяє підвищенню посухо-, жаро- і холодостійкості, оскільки входить до складу окисно-відновних, антиоксидантних ферментів та багатьох білків.
Zn є необхідним для синтезу амінокислоти триптофану, яка є попередником IAA (індолилоцтової кислоти або гетероауксину), тобто приймає участь у синтезі гормону росту ауксину. Карликовість та дрібнолистість є типовими візуальними симптомами дефіциту цинку і є наслідком порушень метаболізму ауксинів.
Zn відіграє критичне фізіологічне значення у функціонуванні біомембран. Роль в підтримці цілісності клітинних мембран може включати структурну орієнтацію макромолекул та підтримку систем транспорту іонів. Його взаємодія з фосфоліпідами та сульфгідрильними групами мембранних білків сприяє міцності мембран.
Цвітіння та запилення у рослин сильно пригнічується за умови дефіциту цинку. Це може бути результатом (а) посиленого утворення абсцизової кислоти, що спричиняє передчасне обпадання пелюсток та квіткових бруньок, та (б) порушення розвитку пиляків та пилкових зерен.
Цинк тісно пов’язаний з обміном вуглеводів за рахунок впливу 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.
В умовах низького забезпечення ґрунту цинком, мінеральні резерви насіння грають важливу роль в 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 та 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 цинк-вмістними добривами.
Дослідженнями встановлений позитивний вплив позакореневих підживлень на підвищення концентрації Zn в зерні. Обробка зернових колосових культур у фазу молочної - молочно-воскової стиглості значно впливає на накопичення Zn зерновою масою.
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, розуміти, що ці чотири складники взаємопов’язані між собою, і успіх базується на правильному узгодженні усіх чотирьох.
Найперше, що потрібно зробити – це оцінити резерви ґрунту щодо можливості забезпечення рослини доступним цинком, вимоги культури, і розрахувати норму внесення Zn, якнайповніше враховуючи інші фактори, як то: 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 існує два основні підходи до внесення усіх елементів: 1) підхід, що передбачає створення певного рівня елементу в ґрунті і його підтримку («build-up and maintenance approach») – який по суті передбачає «годування ґрунту»; та 2) підхід, що передбачає забезпечення культури («sufficiency approach») – «годування рослини».
Відповідно до врахування двох перших кроків, встановлюється строк і спосіб внесення цинкових добрив. Однією із найбільш поширених практик є внесення високих норм цинку під основний обробіток раз на декілька 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 дуже дефіцитних на цинк ґрунтах, на карбонатних ґрунтах або за необхідності внесення високих доз фосфору, де зазвичай кращим підходом буде дробне 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 і добриво локалізовано 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 ряду інших індивідуальних факторів.
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 дозволяє попередити нестачу цинку в першу чергу на початку вегетації, коли несприятливі умови можуть перешкоджати нормальному споживанню цинку молодими рослинами. Враховуючи велике значення цинку для проростання і початкового розвитку будь-якої культури, цей захід часто може виходити у 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 роль лише у дуже короткий період проростання і сходів.
Листкове підживлення рослин дозволяє попередити нестачу цинку у критичні періоди розвитку, а також за несприятливих для кореневого живлення умов, коли надходження цинку з ґрунту обмежене. Його слід розглядати як «рятувальний захід», коли потрібно швидко виправити ситуацію з дефіцитом. Крім того, пізні внесення цинку можуть бути в нагоді для підвищення вмісту мікроелементу у 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 існує дві основні групи джерел цинку у добривах: неорганічні сполуки (переважно це сульфат цинку, але також використовують оксид цинку, аміакати на інші сполуки), і органічні сполуки (комплекси і хелати цинку). Вони різняться за швидкістю дії, за ціною і за ефективністю. Відповідно, форму добрива слід обирати згідно з тим, у якій нормі та у який строк і спосіб планується внесення.
Джерела цинку можуть бути внесені самостійно (у порошкоподібному, гранульованому або рідкому вигляді), у складі гранульованих (введені у їх склад під час гранулювання або нанесені на поверхню) та рідких комплексних добрив.
Найбільш популярним і економічно виправданим джерелом цинку у 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 і декількох наступних культур сівозміни.
Хелати цинку загалом більш ефективні на одиницю діючої речовини, ніж неорганічні джерела, тому рекомендована норма їх внесення у ґрунт часто складає 1/3 – 1/5 від неорганічних джерел. В першу чергу, хелати цинку застосовують для додавання до рідких стартових добрив та 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 вище за 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, потрібно вказати на необхідність врахування взаємодії між внесеним цинком і іншими елементами, в першу чергу – з фосфором. Адже у численних польових дослідженнях було доведено, що високі норми Р добрив (або високий вміст фосфору в ґрунті) без достатнього рівня доступного для рослин цинку можуть знизити поглинання цинку коренями, спричинити дефіцит цинку і знизити ріст рослин і врожайність.
При цьому можливою є і протилежна ситуація: надмірні дози внесеного цинку на ґрунтах з низьким вмістом фосфору можуть спричиняти дефіцит фосфору для рослин.
Таким чином, поряд з азотом, фосфором, калієм і сіркою, цинк повинен увійти у «велику п’ятірку» елементів, що потребують найпершої уваги у інтенсивних технологіях вирощування усіх культур, не лише чутливих до цинку. Адже за зміни клімату цинк відповідає за два ключових процеси у розвитку будь-якої рослини: толерантність до стресів і ефективне використання вологи.
Надруковано: Журнал АГРОНОМ серпень 2020
https://www.agronom.com.ua/menedzhment-tsynku-ta-jogo-znachennya-dlya-roslyn/
