Взаимное влияние растений и субстрата на pH почвы и наоборот
Уровень pH почвы и питательного раствора — важные составляющие правильного плана подкормки. pH не оказывает прямого влияния на растение, но напрямую влияет на доступность питательных веществ для него. Растение, в свою очередь, также может влиять на уровень pH почвы в области, близкой к корням, о чем мы расскажем далее в этой статье.
Чтобы лучше понять, как pH влияет на урожайность, сначала нужно дать определение этому показателю. Шкала pH, стандартная система измерения кислотности, была разработана главой химического отдела лаборатории Carlsberg в 1909 году. По сути, pH означает «сила водорода», поскольку эта шкала позволяет просто и универсально измерить количество ионов водорода в растворе. Эти ионы водорода влияют на кислотность раствора и на его химическую реакцию. pH определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Это происходит из-за наличия анионов (отрицательно заряженных питательных веществ) и катионов (положительно заряженных питательных веществ).
Шкала pH варьируется от 0 (кислая среда) до 14 (щелочная среда), при этом 7 — это нейтральная среда.
Растение может влиять на почвенную микрофлору в своей ризосфере
Ризосфера — это узкая область почвы, на которую непосредственно влияют корневые выделения и связанные с ними почвенные микроорганизмы. Растения реагируют на дефицит питательных веществ, изменяя морфологию корней, привлекая на помощь микроорганизмы и меняя химический состав ризосферы. Компоненты корневых выделений помогают растениям получать питательные вещества, подкисляя почву или изменяя окислительно-восстановительные условия в ризосфере, а также вступая в реакцию с питательными веществами. Эксудаты могут высвобождать питательные вещества путем растворения нерастворимых минеральных фаз или десорбции с глинистых минералов или органических веществ, в результате чего они попадают в почву в растворенном виде и могут быть усвоены растениями.
При приготовлении питательного раствора фермер следит за тем, чтобы уровень pH воды находился в определенном диапазоне. Предпочтительно, чтобы он был таким, при котором растению доступно большинство питательных веществ, то есть 5,2–6,2. При необходимости уровень pH питательного раствора можно легко скорректировать, добавив кислоту для снижения pH или щелочь для его повышения. Но в ризосфере, непосредственной зоне вокруг живых корней, все происходит совсем по-другому. Корни выделяют множество веществ, которые изменяют pH субстрата.
Каждая частица почвы имеет суммарный отрицательный электрический заряд и, следовательно, способна притягивать и удерживать положительно заряженные элементы, такие как калий и кальций. Эти элементы притягиваются и удерживаются на поверхности частиц почвы, как на магните. Глина и органические вещества имеют более высокий суммарный отрицательный электрический заряд и, следовательно, обладают большей способностью удерживать положительно заряженные ионы, или катионы. Отрицательно заряженные ионы, такие как нитраты и фосфаты, обычно отталкиваются.
Уровень pH в ризосфере может сильно отличаться от уровня pH питательного раствора. Основная причина этого в том, что растение должно оставаться «нейтральным». Когда питательные вещества растворены в воде, они присутствуют в виде ионов. Ионы всегда имеют положительный или отрицательный заряд. Положительно заряженные ионы, такие как K+, называются катионами. Отрицательно заряженные ионы, такие как NO3-, называются анионами. Некоторые питательные вещества могут присутствовать в нескольких формах. Например, фосфаты, которые могут существовать в виде PO4 3- , HPO4 2- и H2PO4-. Однако корни поглощают только последнюю форму. Поверхность корня заряжена отрицательно. В таком состоянии отрицательно заряженные ионы, такие как H2PO4-, будут отталкиваться от поверхности корня, как два магнита с одинаковыми полюсами.
Растения выработали несколько способов облегчения поглощения анионов. На каждый поглощенный анион растение выделяет анион, например гидроксид (OH-) или бикарбонат-ион (HCO3-). Аналогичным образом на каждый поглощенный катион растение выделяет катион в виде H+. Таким образом, заряд растения остается сбалансированным. Однако побочным эффектом является то, что выделяемые ионы влияют на pH ризосферы в субстрате. При выделении катионов pH вблизи корней снижается (становится более кислым). При выделении анионов pH вблизи корней повышается (становится более щелочным).
Хорошо известно, что азотные удобрения влияют на уровень pH в прикорневой зоне. Это важно, поскольку растение поглощает так много азота, что эффект может быть значительным. Но это происходит при внесении любых питательных веществ и удобрений.
Как фермер, вы можете вносить азот в разных формах. Аммоний (NH4+) подкисляет почву. Нитраты (NO3-) подщелачивают почву. Можно предположить, что для решения этой проблемы нужно удобрять почву аммиачной селитрой (NH4NO3). Но все не так просто. Аммоний усваивается растениями гораздо быстрее, чем нитраты, и в конечном итоге это приводит к подкислению почвы. Все эти реакции необходимо учитывать, поскольку для каждого питательного вещества существует оптимальный диапазон pH в почве с точки зрения доступности для растений. Для некоторых элементов этот диапазон очень узок, и простое измерение pH питательного раствора не даст представления о том, что на самом деле происходит в ризосфере.
В прошлом стало ясно, что корни выделяют множество веществ, чтобы влиять на почвенную микрофлору непосредственно вокруг себя. Эти вещества называются «эксудатами». Основные эксудаты — это сахара и органические кислоты. Такие кислоты, как лимонная, щавелевая и яблочная, в большом количестве содержатся во внутриклеточной жидкости корней. Эти элементы также могут влиять на pH почвы, но степень этого влияния у разных растений разная.
Если кислоты выделяются из корней, они растворяются в виде анионов и делают почву вокруг корней более щелочной, как и другие анионы. Обычно эти выделения оказывают незначительное влияние на уровень pH по сравнению с сильным воздействием выделения ионов H+. Однако примечательно то, что не все части корневой системы действуют одинаково. На кончике корня выделяется больше H+-ионов, а чуть ниже — больше анионов. Вероятно, это связано с различиями в поглощении удобрений.
Уровень pH влияет на доступность питательных веществ и рост растений
Уровень pH влияет на доступность питательных веществ и, следовательно, косвенно — на рост растений. pH также может влиять на поглощение питательных веществ корнями растений. Не все питательные вещества усваиваются одинаково, но большинство из них доступны для растений в диапазоне pH от 5,2 до 6,2 .
Прежде чем питательное вещество усвоится растением, оно должно раствориться в почвенном растворе. Большинство минералов и питательных веществ лучше растворяются и, следовательно, становятся более доступными в слабокислых почвах, чем в нейтральных или слабощелочных.
В почвах с нейтральным или слабощелочным уровнем pH некоторые элементы могут «инактивироваться» и стать недоступными для растений. К таким элементам относятся железо, марганец, медь, цинк и бор. С другой стороны, в очень кислых почвах снижается растворимость фосфора, кальция и магния. Фосфор плохо растворяется в почве, но лучше всего усваивается растениями при pH около 6,5. Этот показатель варьируется в зависимости от типа субстрата.
Чрезвычайно кислые почвы (pH 4,0–5,0) могут содержать большое количество растворимого алюминия, марганца и железа, которые могут быть токсичны для некоторых растений. Питательные вещества, необходимые для здорового роста растений, делятся на несколько категорий: макроэлементы (элементы, необходимые в больших количествах), которые, в свою очередь, делятся на основные и второстепенные питательные вещества, и микроэлементы, или микронутриенты (элементы, необходимые в очень малых количествах). Недостаток большинства второстепенных питательных веществ и микроэлементов можно легко восполнить, поддерживая оптимальный уровень pH.
Низкие значения pH (3–5) в сочетании с высокой температурой (выше 26 °C) также могут способствовать развитию некоторых грибковых заболеваний.
В сильнокислых почвах активность бактерий, разлагающих органические вещества почвы, может быть снижена. Это препятствует разложению органических веществ, что приводит к их накоплению и препятствует поступлению в почву питательных веществ, особенно азота, который остается в органических веществах. В результате это может негативно сказаться на росте растений.
В органических почвенных субстратах обитают полезные грибы — микориза. Эти микроорганизмы предпочитают слабокислую среду для оптимального роста.
Щелочность воды также является важным фактором. Если щелочность воды превышает 200–250 ppm CaCO3, необходимо добавить кислоту, чтобы минимизировать влияние на pH питательной среды.
Большинство питательных веществ для растений доступны в диапазоне pH от 5,2 до 6,2.
Как и почему в гидропонных системах выращивания часто меняется уровень pH
Поглощение анионов (отрицательно заряженных питательных веществ) и катионов (положительно заряженных питательных веществ) растениями может привести к значительным изменениям уровня pH в системе выращивания. Если катионов поглощается больше, чем анионов, уровень pH снижается. Если анионов поглощается больше, чем катионов, уровень pH повышается. Поскольку азот (элемент, необходимый в больших количествах для здорового роста растений) может поступать в виде катиона (аммония — NH4+) или аниона (нитрата — NO3-), соотношение этих двух форм азота в питательном растворе может существенно влиять как на скорость, так и на направление изменения pH с течением времени. Сдвиг pH может происходить на удивление быстро. Большинство видов овощей лучше всего растут в питательном растворе с уровнем pH от 5,2 до 6,2 и при температуре от 20 до 22 °C.
Влияние спектра света на развитие растений
При недостатке света растения поглощают больше калия и фосфора из питательного раствора, повышая кислотность (уровень pH снижается). При слабом освещении снижается скорость транспирации, что, в свою очередь, уменьшает поглощение кальция. В сочетании с низким уровнем pH субстрата могут появиться симптомы дефицита кальция. При ярком освещении (в ясные солнечные дни) растения поглощают больше азота из питательного раствора. В результате снижается кислотность (повышается pH).
Что происходит при слишком высоком или низком уровне pH и как распознать симптомы?
Первые признаки дефицита питательных веществ проявляются на листьях. Например, дефицит железа (Fe) может возникнуть очень быстро. При уровне pH 7 и выше растениям доступно менее 50 % железа. При уровне pH 8,0 в растворе остается лишь небольшое количество железа из-за осаждения гидроксида железа (Fe(OH)3-, который со временем превращается в ржавчину).
Хлороз — это пожелтение или обесцвечивание зелёных частей растения из-за потери хлорофилла. Некроз — это отмирание тканей растения, которое проявляется в виде тёмно-коричневых пятен, например, на части листа.
Место на растении, где проявляются симптомы (старые или молодые листья), зависит от подвижности элемента в растении. К элементам с очень низкой подвижностью относятся бор, кальций, медь, железо, марганец, молибден и цинк. Дефицит этих элементов в первую очередь проявляется на молодых листьях. Эти элементы перемещаются с соком в молодые листья. Они не перемещаются внутри растения. Более подвижными элементами являются азот, калий и магний. Симптомы дефицита этих элементов проявляются на старых листьях растений, поскольку элементы перемещаются из старых листьев в молодые, которым для роста требуется больше питательных веществ.
