Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Rastlinná výroba / Rastlinná výroba všeobecne

Optimalizovaná minerálna výživa rozhoduje o úrovni produkčného procesu

05-05-2022
prof. Ing. Ivan Michalík, DrSc. | ivmichalik@gmail.com

Globálne trendy na ekologizáciu pestovateľského prostredia sleduje obmedzenie používania priemyselných hnojív. V súvislosti s týmto EÚ schválila zámery na redukciu hnojív do roku 2030 dusíkatých o 20 % a fosforečných o 50 %. V ostatnej dobe v dôsledku skoro štvornásobnému nárastu cien na fosílne zdroje energie(najmä zemného plynu)vytvorili nepriaznivé ekonomické podmienky výroby priemyselných hnojív. Sme svedkami rapídnych zmien výrobných plánov producentov hnojív vrátane Duslo Šaľa. Okrem zníženia výroby predovšetkým dusíkatých hnojív a pozastaveniu exportu  dusíkatých a fosforečných hnojív zo strany Ruska a Činy vytvára stav globalneho deficitu hnojív, čo bezprostredne negatívne ovplyvni úroveň rastlinnej výroby. Na jednej strane deficit hnojív je umocnený vysokými cenami (ceny močoviny dosahujú 850 €/t a liadkov nad 600 €/t) sa bezprostredne prejaví v redukcii aplikácie priemyselných hnojív. V dôsledku uvedeného je reálny predpoklad zníženia úrody pestovaných plodín o 40-50 %.

Preto uvedené okolnosti priorizujú optimalizáciu výživy maximálnou racionalizáciou aplikácie priemyselných hnojív. Je potrebné vo väčšej miere využívať organické hnojivá a  klasické agrotechnické postupy mobilizácie pôdnych zdrojov živín. Naplnenie týchto cieľov vyžaduje využitie výsledkov komplexnej diagnostiky existujúcich reálnych prístupných zdrojov dusíka v pôde, čo umožní racionálnu optimalizáciu výživy pri minimalizácii aplikácie priemyselných hnojív a obmedzenie strát dusíka z pôdneho prostredia. Uvedené požiadavky  akcentujú plnšie využitie v minulosti používaných agronomických princípov na šetrné spôsoby obrábania pôdy, dodržiavanie princípov striedania plodín s využitím prirodzených prínosov zo zdrojov živín poskytujúcich medziplodinami a predplodinami.

V nových nepriaznivých ekonomických podmienkach je nevyhnutné voliť formy hnojív s obmedzenou rozpustnosťou a pomaly pôsobiacich, vrátané imobilizovaných živín v hnojive. Je žiaduce zvyšovať potenciál sorpčnej kapacity (výmennej a biologickej sorpcie) a zvyšovať stupeň sorpčnej nasýtenosti pôdneho sorpčného komplexu.

Kvantifikácia zdrojov živín vyžaduje získať presnú informáciu o reálnych výživových podmienkach pestovania plodín. Je vo všeobecnosti známe, že zdrojom živín okrem aplikovaných hnojív je samotná pôda. V prípade dusíka denná produkcia anorganických foriem N je v rozsahu 0,1-1 kg N/ha), ale aj atmosféra, kde vo forme atmosférických zrážok vytvára ročný input do 40 kg N/ha. Tvorba prijateľných foriem anorganického dusíka (Nan = NO3- + NH3) je závislá od obsahu humusu, rastlinnej biomasy (korene a zaorané pozberové zvyšky) a mikrobiálnej biomasy. V závislosti od teploty, vlhkosti a mikrobiologickej aktivity v pôde sa uskutočňujú chemické a enzymatické procesy vzájomnej premeny predovšetkým chemických foriem živín (N, P, K, Ca, Mg a mikroživín)  a organických látok s následnou interakciou z pôdnym sorpčným komplexom, pôdnym roztokom a koreňmi rastlín.

Negatívny náboj minerálnych a organických koloidov vytvára priaznivé podmienky pre intenzívnu výmennú sorpciu katiónov a najmä iónov amoniaku sústavne vznikajúceho v procese nitrifikácie alebo dodaného vo forme amoniakálneho hnojiva. Amoniak sa viaže na sorpčný komplex výmennou sorpciou. Pritom do pôdneho roztoku sa spravidla resorbuje amoniak zo „starej zásoby“, ktorý môže byť aj prijímaný koreňovým systémom. Spravidla amoniak tzv. starej zásoby je uvoľnený výmenou za amoniak dodaný v hnojive alebo aktivitou iných katiónov prítomných v pôdnom roztoku, najmä K, Ca, Mg a iné. Prevažná väčšina katiónov je výmennou sorpciou viazaná na minerálne a organické koloidy tvoriace pôdny sorpčný komplex. Je zložité určiť pôvod dusíka momentálne prijatého porastom (z pôdy alebo hnojiva) a jeho podiel na tvorbe úrody. Analogicky i katióny draslíka, vápnika, horčíka a mikroelementov sú viazané výmennou sorpciou na organické a minerálne koloidy, ktoré vytvárajú pôdny sorpčný komplex. Okrem toho katióny(najmä Al, Mn, Fe, Ca, Mg a iné) sú čiastočne utilizované chemickou sorpciou s aniónmi kyseliny trihydrogénfosforečnej, čo rozhoduje o imobilizácii fosforu v pôdnom prostredí.

Kontaktný prijem živín z pevnej fázy pôdy je značne obmedzený. Predpokladá sa, že z celkove prijatého dusíka na kontaktný príjem pripadá okolo 2-20 % N a fosforu menej ako 1 % P. Z uvedeného je evidentné, že dominantné postavenie v príjme živín pripadá na živiny prítomné v pôdnom roztoku, osobitne to platí pre príjem fosforu. Živiny prítomné v pôdnom roztoku difúziou v smere koncentračného spádu (gradientu) sa dostávujú do priestoru koreňa, presnejšie do „zdanlivého voľného priestoru“(AFS). Predpokladá sa, že na objem AFS pripadá okolo 10-15 % objemu koreňa, ktorý je pre voľne difundujúce ióny prístupný. Voľný priestor je tvorený priepustnou bunkovou stenou a medzibunkovým priestorom. Úlohu bariéry pre vstupujúce ióny do vnútorného priestoru koreňových buniek (cytoplazmy) vytvára iba polopriepustná protoplazmatická membrána (plazmalemma). Na prekonanie bariéry sa vyžaduje účasť iónogennych púmp, iónových transportérov (prenášačov) a spotreba metabolickej energie, čo predstavuje mechanizmus aktívneho príjmu živín. Príkladom iónogénnej pumpy je „protónová pumpa“ (H+- ATP-áza), ktorá energeticky zabezpečuje transport protónov, ale aj iných iónov v symporte alebo v antiporte.

Akumulované živiny bunkami koreňov sa zúčastňujú zložitých katalytických procesov metabolizmu a syntézy polymérnych látok. Dusík vo forme amoniaku podlieha asimilácii za vzniku aminokyselín. Fosfor vytvára fosforylované sacharidy, fosfolipidy a nukleové kyseliny. Draslík sa vyskytuje v ionizovanom stave v cytoplazme, kde je viazaný na organické koloidy, bunkové štruktúry a vytvára soli z organickými zlúčeninami.

Obr.

Obr.: Prehľad potenciálnych zdrojov mobilizovaného dusíka v pôde v jednotlivých agroekologických regiónov Slovenska(podľa Bujnovského a Kaca: Agromagazín 10/2021)

Pôdnoklimatické podmienky rozdielne vplývajú na bilanciu zdrojov anorganického dusíka, čo je evidentne z výsledkov Výskumného ústavu pôdnej úrodnosti a ochrany pôd NPPC v Bratislave, ktoré sú znázornené na Obr. Z predložených poznatkov vyplýva, že v závislosti od pôdnych a klimatických podmienok mobilné zdroje prístupného anorganického dusíka (Nan) vytvoreného počas mineralizačných procesov dosahuje od 20 kg/ha do 80 kg/ha. Intenzita mineralizácie je závislá od mikrobiálnej aktivity, obsahu a látkového zloženia organických látok, teploty a vlhkosti pôdy. Úlohou pestovateľa je, aby pri voľbe dávky hnojiva tvorivo zohľadnil aj momentálne reálne prijateľné živiny v pôde.

Odberom väčšieho množstva katiónov sa pôda okysľuje, čím sa zvyšuje mobilita fosforu, Mn, B, Cu, S a Zn. Naproti tomu zásaditá reakcia pôdneho roztoku pri dominantnej akumulácii aniónov koreňmi zvyšuje príjem Mo, Mg,S. Intenzita a rozsah vzájomnej interakcie živín v pôde rozhoduje o efektívnosti využiteľnosti živín porastom z pôdy a aplikovaného hnojiva. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že využiteľnosť dusíka z pôdy a hnojiva je okolo 45-60 %fosforu z pôdy iba 13-15%  (z hnojiva 15-20 % ) a draslíka  z pôdy 10-13 % (hnojiva 40-50 %). Hodnoty využiteľnosti živín nie sú absolútne, boli zistené iba nepriamymi metódami.

Využiteľnosť živín je závislá od celého radu faktorov ako vlhkosti pôdy, pH, obsahu humusu, chemickej formy živín, botanického druhu plodín a rastovej fázy porastu, vlastnosti sorpčného komplexu z hľadiska jeho nasýtenosti bázickými katiónmi, pôdneho druhu (zrnitostne zloženie pôdy), interakcie medzi živinami (antagonizmu a synergizmu) a ďalších faktorov. Okrem využiteľnosti živín o úrode rozhodujú metabolické a syntetické procesy transformácie živín na organické látky, ktoré rozhodujú o hospodárskej úrode pestovaných plodín.

Potreba živín pre optimalizáciu rastu

História  aplikácie hnojív je tak stará, ako pestovanie plodín. Už starí Egypťania a Indiáni v Mexiku pri pestovaní kukurice využívali plevelné ryby a Slovania popol ako zdroj živín. Čínski a perzskí roľníci aplikovali zvieracie exkrementy. Neskôr nachádza globálne využitie prírodný zdroj dusíka - čílsky liadok (NaNO3) a fosforu - mleté fosfority a kosti živočíchov. Iba priemyselná výroba hnojív umožnila pripraviť široké spektrum hnojív s obsahom potrebných živín.

Požiadavky jednotlivých plodín na živiny počas ontogenézy sú rozdielne, čo je žiaduce zohľadniť aj v praktickej výžive. Vo všeobecnosti platí zásada, že najvyššie nároky na živiny, najmä na zdroje dusíka, sú v období najintenzívnejšieho rastu rastlín, ktoré pri obilninách pripadajú na steblovanie a kvitnutie. Hnojením vytvárame súlad medzi prijateľnými zdrojmi  živín v pôde s požiadavkami rastlín na živiny. Vo výžive plodín platí základné pravidlo náhrady odčerpaných živín úrodou vo forme hnojiva, ktoré bolo definované ešte J. Liebigom(1803-1873) autorom teórie minerálnej výživy rastlín.

Uhlík s podielom cca 90 % je zabezpečený z atmosféry, ale čiastočne aj z pôdnych zdrojov (cca 10 %) a kyslík spolu s vodíkom z vody. Podiel dusíka činí iba 0,4 - 4,2 % a na ďalšie minerálne prvky pripadá okolo 1,7 - 3,6 %, ktoré sú zabezpečované z pôdnych zdrojov a  hnojiva a predstavujú spolu s dusíkom súčasť minerálnej výživy.

Koncentrácia živín a najmä ich organických derivátov vo vegetačnej hmote poskytuje čiastočnú informáciu o potrebe živín, ale aj úrovni výživy porastu. Bergmann a Neubert (1976) uvádzajú nasledovné optimálne hodnoty obsahu jednotlivých živín v nadzemnej biomase: N: 2,0 - 6,0 %, P: 0,05-2,0 %, K: 0,1-1,2 %,  Ca: 0,1-3,0 %,  Mg: 0,01-2,0 %,  S: 0,05-1,5 %, B: 1-100 mg.kg-1, Cu: 1-50 mg.kg-1, Fe: 10-250 mg.kg-1, Mn: 10-1000 mg.kg-1Zn: 1-200 mg.kg-1, Mo: 0,05-20 mg.kg-1Co: 0,01-5 mg.kg-1. Relatívny obsah živín počas vegetácie obilnín sa významne mení a v prípade dusíka v prvých rastových fázach vykazuje zvýšenú koncentráciu v rozsahu od 4 do 7 %, ktorá postupne s nárastom vegetačnej biomasy a najmä zrna klesá na 0,5-2,0 % N.

I napriek značnej variabilite v  exporte živín úrodou (N,P a K) ich vzájomný pomer v prepočte na atóm % je veľmi zhodný a aproximatívne zodpovedá vzťahu 72 N: 5 P: 23 K. Z prezentovaných výsledkov vyplýva, že na 1 mol akumulovaného fosforu pripadá 14 molov N a 5 molov K (I. Michalík, 2001). Vysoký podiel dusíka na výžive NPK je dôkazom oprávnenej preferencie výživy dusíkom pri pestovaní plodín. Endogénny mechanizmus synchronizácie príjmu aniónov a katiónov vytvára rovnovážny stav medzi aniónmi i katiónmi a stálu hodnotu pH cytoplazmy na úrovni okolo 7.  

Fenomén asimilácie živín

Živiny prijaté koreňmi rastlín a vegetačnou hmotou podliehajú metabolickej premene za vzniku širokého spektra organických látok. Prijaté živiny bezprostredne vplývajú na fyzikálno - chemické procesy v cytoplazme. Predovšetkým sa podieľajú na tvorbe iónovej sily, osmotického tlaku, ovplyvňujú katalytické a transportné procesy. Asimilácii podlieha predovšetkým uhlík, dusík, síra a fosfor, ktoré sú prijímané vo forme oxidu uhličitého, amoniaku, síranu (sulfátu) a iónov kys. trihydrogénfosforečnej. Organizmus sa bráni proti toxicite predovšetkym NH3 a CO2 tým, že ich utilizuje vo forme organických produktov.

Asimilácia živín predstavuje enzymatickú transformáciu anorganických atómov, iónov a molekúl na organické radikály a ich  zabudovanie do štruktúry organických zlúčenín. Vo svojej podstate predstavuje molekulárny mechanizmus eliminácie toxicity chemických prvkov. Zložité procesy premeny atómov a iónov sú integrálnou súčasťou príjmu živín t.j. ich akumulácie a utilizácie v cytoplazme vo forme organických neutrálnych látok. Je pozoruhodné, že asimilácii podliehajú prevažne prvky, ktoré sú vo svojej podstate pre organizmus v koncentráciách presahujúcich fyziologické limity toxické. Makro živiny okrem uhlíka (ako molekula) sú prijímané bunkami koreňov a nadzemnými orgánmi v iónovej forme, kde podliehajú enzymatickej premene. Uhlík vo forme oxidu uhličitého alebo HCO3- v procese fotosyntézy asimiláciou vzniká primárny fotosynteticky produkt, ktorým je kyselina 1,3-bis-fosfoglycerová(C3 typy) a kyselina oxal-octová (C4 typy rastlín). Medzi primárne produkty asimilácie aniónov kyseliny trihydrogénfosforečnej prostredníctvom tvorby esterovej alebo anhydridovej väzby patrí kyselina 1,3-bis-fosfoglycerová, ADP a ATP. Síra je asimilovaná ako SO42- za vzniku primárneho produktu cysteínu a následné vzniká cystín, metionín, glutation a Acetyl-S-COA. Amoniak je asimilovaný vo forme aminokyselín a amidov. Primárnymi produktmi asimilácie amoniaku sú kys. glutámováglutamín. Naproti tomu  dusičnan je neutrálny, jeho akumulácia v cytoplazme nevyvoláva toxicitu. Mikroelementy vo svojej podstate patria medzi ťažké kovy, preto pri koncentráciách presahujúcich fyziologické limity sú toxické. Eliminácia ich toxicity nie je spojená asimiláciou. Mikroelementy v nezmenenej chemickej forme (ako ióny a atómy) sú zabudované do štruktúry organických látok predovšetkým bielkovín, kde sú viazané kovalentnou alebo koordinačnou väzbou za vzniku stabilných organo - minerálnych komplexov, ktoré plnia významnú katalytickú funkciu. Organominerálne komplexy v procese evolúcie nadobudli unikátne a nezastupiteľné biologické funkcie, ktoré sú zrovnateľné s kofaktormi enzymatických reakcií, preto sú pre živé organizmy esenciálne.