для чего нужен кремний растениям
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.
Кремний в жизни растений
Кремний выполняет удивительно большое количество функций в жизни растений, и особенно важен в стрессовых условиях. Роль кремния можно сравнить с ролью вторичных органических метаболитов, выполняющих в растениях защитные функции. Видя все многообразие ролей, которые кремний играет в растениях против различных стрессов, сегодня мировые ученые признают, что еще далеки от разработки «единой теории» кремния в биологии и сельском хозяйстве.
Функции кремния в растении
Кремний оказывает существенное влияние на рост и развитие растений, повышает урожайность и улучшает качество продукции. При этом положительный эффект кремния особенно заметен у растений в стрессовых условиях.Кремний предает растениям механическую прочность, укрепляет стенки клеток, обеспечивая жесткость различных органов растения.
Кремний в оптимальных дозах способствует лучшему обмену в тканях азота и фосфора, повышает потребление бора и ряда других элементов; обеспечивает снижение токсичности избыточных количеств тяжелых металлов. Оптимизация кремниевого питания растений приводит к увеличению площади листьев. В таких условиях у растений формируются более прочные клеточные стенки, в результате чего снижается опасность полегания посевов, а также поражения их болезнями и вредителями.
Одной из важных функций активных форм кремния является стимуляция развития корневой системы. Исследования на злаковых, цитрусовых, овощных культурах и кормовых травах показали, что при улучшении кремниевого питания растений увеличивается количество вторичных и третичных корешков на 20–100% и более. Дефицит кремниевого питания служит одним из лимитирующих факторов развития корневой системы растений. Установлено, что оптимизация кремниевого питания повышает эффективность фотосинтеза и активность корневой системы.
Особенности элемента
Необходимо выделитьнекоторые закономерности, которые выделяют кремний из ряда других элементов в жизнедеятельности растений.
Первое, что стоит заметить, что почти все растения (за редким исключением) могут быть выращены без кремния в питательной среде. Даже кремниефильные растения, такие как рис и пшеница.
Другой особенностью является то, что кремний накапливается в растениях в большихколичествах, которые часто превышают величину поглощения основных макроэлементов (азот, фосфор и калий).Диапазон концентраций кремния в растениях значительно шире, чем других питательных элементов. Так, содержание кремния колеблется в пределах 0,1–10% от сухой массы, в то время как, например, для азота этот разброс составляет 0,5-6%, для калия: 0,8-8%, фосфора: 0,15-0,5%. Т.е разброс концентрации кремния на порядокбольше, чем у других элементов.
Очень важно заметить, что при выращивании в искусственных благоприятных условиях растения практически не нуждаются в кремнии.
Выделяют три группы растений по содержанию кремния в сухом веществе:
Форма кремния в тканях растений
В тканях растений кремний находится в виде водорастворимых соединений типа ортокремниевой кислоты (H4SiO4), ортокремниевых эфиров, а также в форме нерастворимых минеральных полимеров и кристаллических примесей. В составе органического вещества растительных тканей Si образует ортокремниевые эфиры оксиаминокислот, оксикарбоновых кислот, полифенолов, углеводов, стеринов, а также производные аминокислот, аминосахаров и пептидов. Наиболее важными растворимыми формами кремния в растениях и системе почва-растение являются монокремниевая и поликремниевые кислоты. Эти неорганические соединения всегда присутствуют в природных водных растворах. Причем между ними существует тесная взаимосвязь.
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.