Для чего нужен кремний растениям
Кремний питает растения
Доктор биологических наук Владимир Матыченков (Институт фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино), кандидат биологических наук Елена Бочарникова (Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино), Владимир Ходырев (ООО «ЦеоТрейдРесурс», Москва)
Для большинства современных огородников, агрономов, цветоводов, ботаников соседство терминов «кремний» и «растение» звучит необычно. Более привычно с ростом и развитием растений сочетаются такие элементы, как азот, фосфор, калий, кальций, железо, цинк. Но кремний… Однако в последнее время интерес к этому элементу со стороны биологов, агрохимиков, медиков возрастает. Впрочем, как это обычно бывает, новое — хорошо забытое старое.
Современное сельское хозяйство и наука о выращивании растений основываются на законах о питании растений, открытых ещё в середине XIX века. Необходимость в таких знаниях в конце XVIII века стала критической для Западной Европы. Деградация почвенного покрова, высокая плотность населения и низкая скорость естественного восстановления плодородия почв создали необходимые предпосылки для развития агрохимии. Основатели этих исследований (Александр фон Гумбольдт, Гемфри Дэви, Антуан Лавуазье) логически пришли к выводу, что устойчивое и продуктивное земледелие (эти слова использовались и в то время) возможно, если вернуть в почву всё то, что было вынесено с урожаем. Результатом исследований стал труд отца современной агрохимии Юстуса фон Либиха — «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений». На основе анализов и многочисленных экспериментов Ю. Либих декларировал, что для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и предотвращения деградации почв нужно вносить активные формы азота, фосфора, калия и… кремния. Один из первых классических полевых экспериментов с кремниевым удобрением начали на первой в мире опытной станции Ротамстед (Великобритания) в 1856 году. Этот эксперимент продолжается до сих пор (!), и вариант, когда вносят кремниевые удобрения, является самым продуктивным. В 1870 году Д. И. Менделеев, который уделял большое внимание развитию сельскохозяйственной науки, предложил в качестве кремниевых удобрений использовать твёрдые формы — минералы. Кремниевые удобрения и кремнийсодержащие мелиоранты активно применялись в 10—20-х годах ХХ века в странах Западной Европы, США.
Дальнейшее развитие агрохимии и земледелия в силу ряда субъективных и объективных причин привело к вытеснению кремнийсодержащих препаратов как из научной литературы, так и из практики. Чрезмерная вера в химию как в инструмент для решения продовольственной проблемы планеты привела к катастрофической деградации (биологической, химической) сельскохозяйственных угодий Западной Европы, обеих Америк, Австралии, Юго-Восточной Азии.
Сейчас интерес к кремнию как к элементу, который совместно с углеродом формирует почвенное плодородие и является экологически чистой альтернативой пестицидам, очевиден. Стремление к потреблению экологически чистых продуктов, набравшее силу в последние 10—15 лет, вынуждает активизировать поиск природных материалов, которые могли бы удовлетворить как фермера (производителя продуктов питания), так и потребителя.
Зачем же нужен растению такой элемент, как кремний? Наши исследования и работы коллег в России и за рубежом показали, что основная функция кремния в растении — формирование и поддержка природной защиты от внешних неблагоприятных факторов — загрязнения, болезней, насекомых-вредителей, заморозков, нехватки воды и питательных элементов и др. Исследователи из Японии и Канады доказали, что эта функция кремния заложена на генетическом уровне. Те фермерские хозяйства, которые активно используют кремниевые удобрения и кремнийсодержащие почвенные мелиоранты, снижают дозы внесения пестицидов на 50—70%. Кроме того, активные формы кремния способствуют формированию корневой системы растений, ускоряют образование цветков, увеличивают количество сахара и витаминов в плодах растений.
В качестве источника кремния можно использовать кремнийсодержащие минералы с недавно открытого в Орловской области Хотынецкого месторождения цеолитсодержащего трепела (см. «Наука и жизнь» № 9, 2010 г., статья «Цеолиты — новое применение старого минерала»). Используя традиционные и новые методы исследования, было показано, что этот минерал обладает уникальными свойствами.
Во-первых, он является источником активного, то есть легко усвояемого растениями кремния, образованного биогенным кремнезёмом.
Когда есть кремний, то и растение — кремень
Каждому грамотному садоводу и огороднику известно, что растения должны в достатке получать элементы «большой» тройки – азот, фосфор и калий. Они отвечают за стабильный рост и обильное плодоношение. Но растениям, как и людям, нужна масса других элементов, но уже в самых малых дозах. И хотя они должны присутствовать в почве в минимальной концентрации, их дефицит может привести к самым негативным последствиям. Среди таких элементов и кремний, значимость которого многие садоводы недооценивают.
Биодоступный кремний: что это?
Некоторые элементы хорошо усваиваются растениями прямо из почвы. Другие находятся в ней в виде нерастворимых соединений, которые зелёные питомцы усвоить не в состоянии. Таков, например, кремний.
Несмотря на то, что это один из самых распространённых элементов на Земле, получить его растениям достаточно сложно. Он должен находиться в легкоусвояемой для них форме. Кремний именно в таком виде называют биодоступным. Он присутствует в некоторых осадочных породах, таких, как трепел. В доступной для растений форме кремний содержится во многих удобрениях марки «Бона Форте», например, в гранулированном удобрении «Хвойное».
Влияние кремния на растения
Одни агрономы считают, что значение кремния для растений совсем невелико. Другие вообще не обращают на него внимание, не относя к жизненно важным элементам. Ну а обычные садоводы редко анализируют состав комплексных удобрений, читая на этикетках лишь рекомендации по их применению и целиком полагаясь на компетентность производителя.
Действительно, растения можно выращивать и без кремния. Но ведь и человек может выжить без большинства продуктов, только какие у него будут здоровье, работоспособность и иммунитет? Так и с растениями – выжить можно, но какой ценой.
Последние исследования канадских, японских, голландских и отечественных учёных подтвердили высокую значимость кремния для здоровья растений. Этот элемент:
Особенно важен кремний для тех культур, которые растут в открытом грунте и вынуждены постоянно противостоять негативным факторам внешней среды. Без него выжить им чрезвычайно сложно. Помимо укрепления стеблей, увеличения площади листьев и объёма корневой системы, кремний повышает устойчивость к болезням и вредителям. Полевые исследования показали, что если вносить удобрения с кремнием, потребность в пестицидах снижается на 50-70 %. При высоком содержании кремния в корневой системе существенно уменьшается вероятность поражения грибковыми заболеваниями.
Наличие в достаточном количестве этого элемента повышает лёжкость овощей и фруктов за счёт упрочения клеточных структур. Они дольше сохраняют товарный вид, меньше подвержены усыханию и гниению.
Связываясь с органическими соединениями в клетке, кремний существенно повышает её водоудерживающую способность. Благодаря такому эффекту, растения легче переносят засуху из-за снижения потерь влаги. Помимо этого, повышается и стойкость к заморозкам, так как снижается порог кристаллизации воды. А важность этого качества в наших сложных климатических условиях сложно переоценить.
Влияние кремниевых удобрений на почву
Кремний для растений нужен в течение всего вегетационного периода, поэтому удобрения, в которых он содержится, должны обладать пролонгированным действием. Только так будет достигнута его стабильная и оптимальная концентрация в почве. Например, удобрение для пионов и роз «Bona Forte» достаточно внести один раз весной в рекомендуемых дозах и садовые цветы будут обеспечены биодоступным кремнием всё лето.
Внесение удобрений с кремнием уменьшает потребность и в азотных, фосфорных и калийных соединениях, которыми обычно компенсируется его недостаток.
Концентрацию кремния в почве можно повысить несколькими способами:
Большое количество кремния никак не угрожает человеку, но нужно понимать, что переизбыток этого элемента, как и любых других, может приводить к негативным последствиям. В первую очередь, при его избытке немного повышается щёлочность почв, в которых при значениях около 7,5 pH кремний образует нерастворимые соединения с другими элементами, значительно снижая их питательность. Для некоторых растений щелочная среда может быть просто губительной. Также, при высокой концентрации, кремний тормозит усвоение таких элементов, как цинк и железо.
Однако щелочная реакция кремния не приговор и даже для любителей кислых почв – голубики или рододендрона, можно подобрать подходящее удобрение. Так, «Bona Forte» для голубики и лесных ягод содержит биодоступный кремний, но при этом, благодаря тому, что в гранулах присутствует цеолит, не «выбрасывает» при поливе в почву излишки и дозированно отдаёт его ягодным кустарникам. Об особенностях выращивания голубики вы можете прочитать в статье: «Садовая голубика: как вырастить на участке».
Конечно, есть основные элементы, недостаток которых виден по растениям «невооружённым» взглядом. Но в периодической системе есть и такие, значение которых понимают не все. Среди них кремний – недооценённый боец невидимого фронта.
Влияние кремниевых соединений на свойства почвы и растений
«ГлавАгроном» продолжает цикл статей о важности кремниевых удобрений в системе «почва-растение». В рамках Национальной научно-практической конференции с международным участием «Кремний и жизнь. Кремнистые породы в сельском хозяйстве» доктор биологических наук Института фундаментальных проблем биологии РАН Владимир Матыченков рассказал о влиянии кремниевых соединений на свойства почвы, на рост и развитие растений.
Монокремниевая кислота относится к категории активных кислот, может взаимодействовать со множеством элементов и, прежде всего, с металлами и металлоидами. Отсюда и возникают ее разнообразные свойства. Внесение кремния и кремниевых удобрений влияет на:
В последнее время особое внимание уделяется тяжелым металлам.
Влияние кремния на подвижность фосфора
При внесении активных форм кремния повышается содержание доступного для растений фосфора. Учеными было выдвинуто несколько гипотез.
Согласно гипотезе Аскинази, монокремниевая кислота может вытеснять фосфат анионы из фосфатов кальция, железа или алюминия.
По второй гипотезе установлено, что монокремниевая кислота может инициировать конкурирующую реакцию с катионами кальция, магния, железа и тем самым опосредованно влиять на растворимость фосфатов.
Взяв за основу химические реакции, ученые провели термодинамические расчеты, которые показали, что если в систему кальция, алюминия, железа, магния и фосфата добавить монокремниевую кислоту, то растворимость фосфатов (в части содержания фосфора) резко увеличивается.
Чтобы доказать этот факт, ученые провели исследования в основе которых была карбонатная (с высоким содержанием кальция и калия) почва. Выбор карбонатной почвы был обусловлен тем, что именно калий и кальций фиксируют фосфор и делают его недоступным для растений. Ученые произвели инкубацию с монокремниевой кислотой, с фосфорным удобрением, и со смесью фосфорного удобрения (двойного суперфосфата) с кремниевой кислотой.
После месячной инкубации был определен фракционный состав фосфора в почве.
В 1, 2, 3, 4 фракции, т.е. это фракции, которые обеспечивают фосфорное питание растений, имелось увеличение содержания фосфора в этих фракциях. Во фракции 5, а также в категориях неизвлекаемого фосфора, содержание фосфора резко снизилось.
Таким образом, ученые подтвердили предположение. Помимо термодинамических исследований и инкубационных исследований, были проведены полевые испытания, в ходе которых было доказано, что при внесении кремниевых удобрений резко повышалось фосфорное питание растений.
Взаимодействие кремния и алюминия
Есть масса данных, которые подтверждают, что:
Кремний и тяжёлые металлы
Использование фосфорных удобрений и пестицидов привело к загрязнению огромных территорий сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами, то есть фактически все почвы Западной Европы, США, Латинской Америки, Китая и Индии загрязнены в той или иной степени тяжелыми металлами, которые оказывают негативное воздействие на жизнь и здоровье людей. В связи с этим возникла необходимость разработки технологии управления тяжелыми металлами в почве.
Если брать за основу разработки теоретические знания, эффектность кремниевой кислоты на подвижность тяжелых металлов в почве двоякая. С одной стороны, монокремниевая кислота может увеличить подвижность тяжелых металлов, с другой — снизить.
В первом случае увеличение подвижности тяжелых металлов происходит в связи с образованием водорастворимых комплексов между монокремниевой кислотой и тяжелыми металлами. А снижение растворимости идет в результате образования малорастворимых силикатов тяжелых металлов.
Для того чтобы разобраться, какая реакция идет в одном направлении, а какая в другом, ученые провели эксперимент на песчаных почвах, где вносились разные дозы монокремниевой кислоты. Какие выводы удалось получить?
Растворимость или подвижность тяжелых металлов резко возрастала при изначальном внесении небольших доз монокремниевой кислоты. Однако при дальнейшем внесении монокремниевой кислоты в почву происходило резкое снижение подвижности тяжелых металлов.
В результате были сделаны выводы, что за счет разной дозы монокремниевой кислоты можно управлять подвижностью тяжелых металлов в почве.
К примеру, если необходимо повысить растворимость тяжелых металлов (а это очень часто нужно при проведении фиторемедиации), следует добиться минимальной концентрации монокремниевой кислоты в почве. Если перед производителем стоит задача — предотвратить загрязнение сельхозпродуктов тяжелыми металлами, то упор следует делать на добавление в почву высококонцентрированных доз монокремниевой кислоты.
В связи с этим возникла необходимость провести градацию почв по дефициту и доступному для растений кремния. Ученые сделали такую градацию на основе водорастворимого и кислоторастворимого кремния, после чего выделили четыре уровня.
Основная функция кремния в живых организмах
При внесении кремниевых удобрений растения развиваются намного лучше. Этот факт был подтвержден многочисленными исследованиями. В связи с этим возник вопрос, какая же основная функция кремния в растениях?
То, что азот очень нужен для биомассы растений, калий для роста растений, фосфор — для энергии, известная всем информация. А вот для чего нужен кремний — знают и понимают немногие.
Если растения растут в идеальных условиях, которые зачастую создаются для проведения опытов, то по понятным причинам внесение кремниевых удобрений не увеличивает урожайность растений. Однако в реальной жизни говорить о каких-то идеальных условиях для роста и развития растений не приходится. Всегда есть какие-либо стрессовые, негативно влияющие факторы, поэтому вносить кремниевые удобрения и нужно.
Механизмы защиты растений
Механическая защита
У растений, не получающих достаточного количества кремния, не происходит образование эпидермального слоя, способного предотвращать грибные заболевания.
Физиологическая защита
Кремний активизирует рост корней за счет образования корневого чехлика с возможностью образовывать хорошо развитую корневую массу.
Наличие монокремниевой кислоты в почве влияет на содержание пигментов в листьях растениях.
Климатические изменения последних лет продемонстрировали усиление засух в различных регионах, включая Россию. А применение кремниевых удобрений позволяет повысить засухоустойчивость растений.
За счет какого механизма улучшения кремниевого питания позволяет растениям сопротивляться нехватке влаги?
При поглощении растениями кремния, большая его часть из монокремневой кислоты переходит в поликремниевую кислоту, а поликремниевые кислоты это гели, способные удерживать атомы воды. Ученые определили, что один атом кремния приблизительно может удержать до 100-140 атомов воды.
В результате этого применение кремниевых удобрений позволяет снизить до 50% расходов на орошение культуры, не влияя на биомассу растений.
Регуляторная (транспортная) защита
Опыты на горохе показали, что при внесении кремниевых удобрений, растения могут сопротивляться солевой токсичности. На основании разработанного учеными Института фундаментальных проблем биологии РАН метода было показано, что кремний влияет на транспорт натрия в апопласте.
Именно кремний препятствует транспорту натрия по апопласту, то есть идет упрочнение мембран именно в апопластах проводящей системы.
Еще более интересные данные были получены в ходе проведения вегетационного эксперимента с рисом и различным уровнем кадмиевых загрязнений. После выращивания в нормальных условиях растения помещались на одну неделю в раствор с различным содержанием кадмия и кремния, после чего определялась динамика содержания кадмия в апопласте и симпласте растений.
В ходе опыта удалось выяснить, что растения имеют свой механизм, препятствующий движению тяжелых металлов от корней к листьям. Однако этот механизм не достаточно сильный, чтобы противостоять чрезмерно высоким концентрациям тяжелых металлов. Только присутствие монокремниевой кислоты позволяет усилить этот защитный механизм. В симпласте за счет улучшения кремниевого питания транспорт кадмия от корней к листу резко уменьшается.
Может ли кремний влиять на сигнальную систему?
Первый эксперимент, проведенный учеными с цветной капустой и тлей, показал, что при внесении кремния в качестве биостимулятора (именно не в почву, а на лист), отмечалось резкое снижение количества тли на растениях.
При опрыскивании растений монокремниевой кислотой уровень болезни с нижался в 2,9 раз, а уровень атак насекомых-вредителей уменьшался вдвое.
Может ли это влиять на антиоксидантную систему? Поскольку любой стресс связан с окислительно-восстановительным балансом растительной клетки.
Для определения этого критерия ученые провели еще один эксперимент на пшенице путем установления для ее роста низкотемпературного режима. Внесение монокремниевой кислоты увеличивает биомассу, содержание пигментов в листьях растений, однако одновременно с этим происходит снижение тиобарбитуровой кислоты в клетках листьев растений, таким образом, растения, обработанные монокремниевой кислотой, испытывают меньше стресса. Но уже при низких температурах эффективность монокремниевой кислоты снижается — растения испытывают стресс.
Ученые изучали концентрацию — различность оксидантов. Выяснилось, что для аскорбатпероксидазы монокремниевая кислота увеличивает содержание этого фермента именно в условиях без мороза. При низких температурах уже эффективность аскорбатпероксидазы снижается.
Установлено, что монокремниевая кислота в большей степени влияет на другие антиоксиданты. Их концентрация резко была увеличена в условиях низких температур и в условиях обработки растений монокремниевой кислотой, то есть таким образом растения имеют множество механизмов, которые обусловлены активными формами кремния.
Ученые применили схему универсального вспомогательного механизма защиты растений с использованием подвижных соединений кремния.
Известно, что когда стресс действует на растительную клетку, то сигнал идет в клеточное ядро, которое инициирует синтез стресс-ферментов при помощи рибосомы и транспортных РНК. Но одновременно с этим ядро дает команду на дополнительный транспорт кремниевых кислот, в частности поликремниевых кислот в клетку, которая подвержена стрессу. А поликремниевые кислоты имеют возможность специфического синтеза любых органических веществ на ее поверхности. В результате этого синтеза без расхода энергии могут образовываться те же самые стресс-ферменты. Таким образом, растения сохраняют энергию, а если внести биостимуляторы до стресса, начинают производить стресс ферменты еще до момента возникновения этого самого стресса.
Активные формы кремния очень важны, когда рассматривается этот цикл в системе «почва-растение». Именно этот цикл обеспечивает основное массовое движение кремниевых соединений.
Ученые подсчитали, что живые организмы планеты содержит около 3 млрд. т кремния. Основной цикл формирования кремния происходит за счет наземных растений, эффективно вовлекающих кремний в биологический круговорот. Ежегодное вовлечение кремния составляет от 300 до 600 млн т, а ежегодный вынос кремния с урожаем составляет 210-270 млн. т. Причём этот ежегодный вынос намного выше, чем у азота, фосфора и калия.
Все исследования позволили ученым сделать следующие выводы:
Преимущества кремния и калия для растений
Выбор удобрения — ответственное решение. Необходимо подобрать агрохимикат так, чтобы он был полезен растению и решил возникшую проблему оперативно: недостаток минеральных веществ, маленький урожай или первые признаки заболевания.
Если вы не знаете, какое удобрение выбрать для своей сельскохозяйственной культуры, рекомендуем ознакомиться с преимуществами агрохимикатов Изагри Калий и Изагри Калий-Кремний.
Калийные удобрения помогают растению увеличить урожайность, повысить качество плодов,стимулируют рост и развитие, а кремниевые борются с различными видами стресса.
Жидкие удобрения с калием — важный этап для минерального питания культур. Первый симптом недостатка в растении — краевой ожог листьев и стеблей, когда они быстро вянут и сохнут. Поэтому необходимо следить за содержанием калия внутри растения.
В чем же состоит эффективность Изагри Калий?
Сомневаетесь в покупке удобрения? Тогда скорее знакомьтесь с эффективностью действия Калия.
Чтобы знать все об удобрении, необходимо ознакомиться с его составом.
Изагри Калий содержит: Калий (15,2%), фосфор (6,6%), азот общий (6,6%), азот нитратный (2,5%), сера (4,6%), марганец в хелатной форме (0,33%), медь в хелатной форме (0,12%), цинк в хелатной форме (0,07%), железо в хелатной форме (0,07%), молибден (0,07%), бор (0,01%), селен (0,003%), кобальт в хелатной форме (0,001%), а также комплекс смачивающих веществ (1,0%).
Преимущества кремниевых удобрений
Эффективность кремниевого удобрения:
Калий и Кремний — одни из самых эффективных элементов, которые благоприятно влияют на состояние растений в условиях стресса. Но лучшего всего, когда элементы применяются комплексно. Для это не нужно заниматься составлением пропорций между агрохимикатами, подбирать компоненты. Существует одно простое решение — использование специального агрохимиката, решающего сразу ряд проблем вашей культуры — Изагри Калий-Кремний.
Для того, чтобы убедиться в его действии достаточно ознакомиться с внушительным списком преимуществ и эффективностью агрохимиката.
Состав Изагри-Кремний: кремний (20,0%), калий (16,0%), азот общий (0,4%).
Любое удобрение Изагри — эффективность, качество, польза. Выбирайте удобрение, которое подойдет именно вашему растению: Изагри Калий-Кремний, Изагри Калий, Изагри Кальций и т.д. С подробным каталогом вы можете ознакомиться на нашем сайте в разделе “Продукция”.
Но не забывайте про соблюдение правил использования. Перед применением подробно ознакомьтесь с инструкцией. Основные требования для приготовления рабочего раствора:
Если вы учли все пункты, то необходимо приступать непосредственно к обработкам, так как следует применять только свежеприготовленный раствор. Также мы не рекомендуем хранить его долгое время. Эффективность рабочего раствора снижается или даже сводится к минимуму.