Залежність впливу біостимуляторів на ефективність використання поживних речовин від їх походження (вмісту)

Згідно з Регламентом ЕС 2019/1009 про удобрювальні продукти, біостимулятори виділяють як продукти, функцією яких є стимуляція процесів живлення рослин незалежно від вмісту поживних речовин у них.

Загалом біостимулятори поліпшують:

• ефективність використання поживних речовин;
• стійкість до абіотичних стресів;
• якість урожаю;
• доступності елементів живлення у ґрунті чи у ризосфері.

У цій статті зосередимося на позитивному впливі біостимуляторів саме на використання рослинами елементів живлення та механізмах, що лежать в його основі, які включають позитивні зміни у структурі ґрунту або розчинності поживних речовин, морфології коренів, фізіологічних процесах у рослинах та симбіотичних процесах у ризосфері.

Біостимулятори рослин поліпшують NUE (Nutrient Use Efficiency) завдяки різним механізмам впливу на поглинання, засвоєння та використання поживних речовин, а також через покращення їхньої доступності (рис.1).

Рис. 1. Механізми впливу різних класів біостимуляторів на NUE (Модифіковано за Brown et al., 2020)

Довідка: Ефективність використання поживних речовин (NUE — Nutrient Use Efficiency) це міра того, наскільки добре с/г культури використовують поживні речовини для формування врожаю. Є комплексною характеристикою і залежить від основних процесів у рослинах: поглинання, засвоєння та використання поживних речовин, а також від процесів у ґрунті, що впливають на доступність елементів. При цьому розрізняють агрономічну та фізіологічну NUE.

Біодоступність поживних речовин у результаті застосування біостимуляторів підвищується за рахунок утворення комплексів з металами, що сприяє їх більшій розчинності (Fe, Zn, Mn, Cu) та переходу в більш доступні для засвоєння рослинами форми або через стимуляцію корисних мікроорганізмів, таких як азотфіксуючі бактерії, й інших бактерій або грибів, що розчиняють поживні речовини.

Усі класи біостимуляторів покращують поглинання, стимулюючи подовження коренів та/або ріст бічних коренів, таким чином сприяють збільшенню площі поглинальної поверхні кореневої системи, отже, кращому використанню запасів ґрунту. Амінокислоти, екстракти водоростей та гумати впливають на процеси транспорту й асиміляції через стимуляцію ферментів, фітогормонів та синтез транспортних білків.

Багато досліджень показали, що мікробні та немікробні біостимулятори підвищують регуляцію генів, що кодують ферменти, які беруть участь у засвоєнні рослинами неорганічних поживних речовин, таких як нітрати. Наприклад, внесення гуматів у ґрунт стимулює синтез кореневих ферментів, що беруть участь у поглинанні поживних речовин (активність залізо-хелат-редуктази). Амінокислоти та гумінові речовини стимулюють синтезу транспортних білків, які поліпшують поглинання.

Більшість сучасних біостимуляторів виробляються з сировини природного походження, тому варто зазначити, що на ефективність дії кінцевого продукту може істотно впливати як сама сировина, що використовується у їх виробництві, так і методи та технології екстракції й гідролізу. Тому при виборі конкретних біостимуляторів треба особливу увагу приділяти як вихідному сировинному джерелу, так і технології виготовлення, що використовує той чи інший виробник.

Екстракти морських водоростей

Доведено, що екстракти водоростей (SWE) покращують ріст рослин, вміст хлорофілу, цвітіння та врожайність, стимулюють проростання насіння. Також вони посилюють захист рослин від патогенів і шкідників.

Механізми дії SWE, які впливають на ґрунтові процеси, включають:

• поліпшення структури ґрунту. Водорості містять велику кількість полісахаридів, таких як альгінати та фукоїди, що зв'язуються з іонами металів у ґрунті, утворюючи гелеві структури. Це допомагає утримувати воду і сприяє агрегатоутворенню.
• поліпшення розчинності мікроелементів у ґрунті за рахунок хелатування, що робить їх більш доступними.

Механізми, що впливають на фізіологічні процеси:

• стимуляція процесів транспорту та асиміляція поживних речовин
• збільшення колонізації коренів арбускулярними мікоризними грибами.
• зміни в морфології коренів, через збільшення маси коренів або співвідношення коренів до пагонів у різних культур. Цей ефект вважається результатом дії ауксинів або цитокінінів у складі SWE.

Рис. 2. Вплив екстракту водоростей Ascophyllum nodosum на розвиток кореневої системи кукурудзи (Ertani et al., 2018)

Ці позитивні ефекти часто посилюються у разі застосування на молодих рослинах або в періоди посушливого стресу, а також за застосування у вигляді фертигації, шляхом цілеспрямованого внесення в ризосферу або за фоліарного внесення.

Через схожість реакції рослин на SWE з реакцією, яка спостерігається в результаті застосування фітогормонів, вже давно було висловлено припущення, що SWE функціонують завдяки вмісту фітогормонів в екстрактах. Однак нещодавні дослідження показали, що, вірогідно, SWE стимулюють шляхи фітогормонів через інші процеси або завдяки іншим молекулам у складі екстрактів, які стимулюють ендогенний синтез фітогормонів.

Лінійка продуктів компанії НВК «Квадрат» включає комплексне концентроване добриво з екстрактом морських водоростей:

Квантум СіАмін застосовується для підвищення стресостійкості, нормалізації живлення та активації росту рослин. Добриво Квантум СіАмін містить 21% екстракту водоростей та додатково збагачене основними макроелементами. Для виробництва Квантум СіАмін використовують високоякісну концентровану сировину з водорості Ascophyllum nodosum канадської компанії Acadian Seaplants, екстракти з якої характеризуються насиченим біостимулюючими речовинами складом.

Хімічний склад екстрактів залежить від сировини, методу екстрагування та хімічних речовин, що використовуються в процесі виробництва. Таким чином, біологічна активність екстрактів одного й того ж виду водорості, отриманої різними способами, може значно відрізнятися. Компанія Acadian використовує власний дбайливий процес екстракції для розриву стінок клітин і вилучення вмісту та двоетапний процес фільтрації для видалення будь-яких нерозчинних клітинних матеріалів, що забезпечує екстрактам Acadian унікальні біохімічні характеристики. Метод ядерно-магнітного резонансу (ЯМР) дає можливість порівнювати продукти на основі їх хімічного складу (за характеристичним піком кожної сполуки у складі).

Рис. 3. Порівняння ЯМР-профілів комерційних екстрактів водоростей

Порівнюючи ЯМР спектри (рис. 3), ми бачимо, що зразок Acadian демонструє складний набір чітко визначених піків, які відповідають різноманітним біологічно активним речовинам. Зразок іншого комерційного екстракту водоростей має склад, який майже не виявляє піків на ЯМР-спектрі.

ЯМР спектри також дають підтвердження, наскільки важливим є як вибір сировини, так і використання різних технологій екстракції (рис. 4.).

Рис. 4. Порівняння ЯМР-профілів різних екстрактів водоростей

Отже, складний спектр зразка Acadian, який можна назвати біохімічним «відбитком пальця», підтверджує наявність стимулюючих компонентів у екстракті та пояснює їх високу біологічну активність на рослини та ґрунтову мікрофлору і як результат, агрономічну ефективність при використанні як біостимулятора.

Амінокислоти

Комерційно доступні амінокислотні біостимулятори (АА) здебільшого є сумішами різних амінокислот та коротких пептидів, а не чистими речовинами. Ці суміші, які називають білковими гідролізатами, отримують шляхом гідролізу білків рослинного, тваринного та мікробних джерел, часто з промислових та сільськогосподарських відходів, таких як рослинні рештки, шкіра тварин, пір'я або кров. Білкові гідролізати застосовують у вигляді позакореневого підживлення, фертигації, внесення за технологією In-Furrow або обробки насіння.

Рослини можуть поглинати АА безпосередньо кореневою системою, через специфічні транспортери або листям у разі позакореневого внесення.

Застосування АА може покращити живлення рослин, впливаючи на ґрунтові процеси та безпосередньо впливаючи на фізіологію рослини.

Механізми, що впливають на процеси в ґрунті, включають:

• сприяння розвитку корисних мікробних спільнот та мінералізації поживних речовин у ґрунті. Зокрема, підвищена біологічна активність сприяє швидшому розщепленню органічної речовини, що перетворює органічні поживні речовини на доступні для рослин мінеральні форми;
• поліпшення розчинності мікроелементів у ґрунті за рахунок утворення комплексів з металами (хелатування) та зменшення дефіциту мікроелементів (Fe, Zn, Mn, Cu).

Механізми, які безпосередньо впливають на фізіологію рослин:

• активність асиміляційних шляхів (транспортери і регуляція транспорту), шляхом поліпшення флоемної мобільності мікроелементів у рослині, особливо при позакореневому внесенні;
• зміни в морфології коренів, шляхом стимуляції росту бічних коренів та кореневих волосків;
• підвищення активності С та NO₃-асиміляційних ферментів як у коренях, так і у пагонах, що пояснюють ауксиноподібною та гібереліноподібною активністю білкових гідролізатів.

НВК Квадрат у виробництві своїх продуктів використовує амінокислоти рослинного походження, отримані шляхом ферментативного гідролізу. Лінійка біостимуляторів на основі амінокислот включає висококонцентровані добрива, які мають виражену антистресову функцію, та комплексні препарати зі стимулюючою дією.

Зокрема:

Квантум Аміномакс 200 містить 20% амінокислот, макро- й мікроелементи, та застосовується переважно для швидкого відновлення рослин після негативного впливу стресу (гербіцидного, температурного, градобою тощо).

Квантум АміНоФрост — спеціально розроблений для захисту рослин від дії низьких температур, містить у своєму складі захисні кріопротекторні речовини, амінокислоти та органічні кислоти, що дозволяють рослини швидше відновитися після дії стресу.

Добрива з вибірковою стимулюючою дією мають спеціально підібрані амінокислоти, спрямовані на активацію визначеної фізіологічної функції рослини.  

Квантум Т80 містить спеціальний набір компонентів, націлених на стимуляцію розвитку кореневої системи, підвищення посухостійкості, та як результат, поліпшення вологозабезпечення.

Гумінові речовини

Гумінові речовини (HS) є ефективним класом біостимуляторів для покращення NUE при ґрунтовому внесенні. Вони впливають на ґрунтові процеси через механізми:

• поліпшення структури ґрунту;
• покращення розчинності фосфору та мікроелементів, за внесення як у ґрунт, так і позакоренево.

Прямий вплив на фізіологію рослин включає:

• зміни в морфології коренів,
• збільшення активності H+АТФази,
• збільшення активності ферментів, що асимілюють NO₃.

Добриво Квантум ГУМАТ виготовлено з якісного леонардиту, має високий вміст фульвокислот та збагачений розчинними формами кремнію, сприяє активації корисної мікрофлори, росту кореневої системи і вегетативної маси рослин, підвищенню врожайності та поліпшенню якості врожаю.

Біостимулятори та NUE: експериментальні дані

Немікробні та мікробні біостимулятори рослин можуть позитивно впливати на ефективність використання поживних речовин (NUE), зокрема азоту (N), який є одним з найважливіших макроелементів, що лімітують ріст рослин, а також однією з основних статей витрат для фермерів. Було проведено низку експериментів для дослідження поліпшення NUE під впливом застосування біостимуляторів рослин.

Так, наприклад, позакореневе внесення екстракту Ascophyllum nodosum на ріпаку стимулювало ріст та поглинання азоту (+21% у пагонах і +115 % у коренях) та сульфатів (+63 і +133% у пагонах і коренях, відповідно). Інші дослідники виявили, що позакореневе внесення SWE на сої збільшило концентрацію в зерні N, P, K і S на 36%, 61%, 49% і 93%, відповідно.

Позакореневе та ґрунтове внесення АА збільшує поглинання поживних речовин і ефективність використання як макро-, так і мікроелементів (табл. 1). Наприклад, встановлено, що один з комерційних продуктів на основі АА збільшує врожайність кукурудзи, навіть коли норму внесення азотних добрив було зменшено вдвічі (Maini, 2006). Са також може краще використовуватися рослиною, якщо його вносити разом з АА, часто суміші АА і Са використовуються для зменшення дефіциту Са в садівництві та овочівництві.

Іншими дослідженнями встановлено, що HS значно покращують поглинання Р і Fe кукурудзою, коли вони вносяться на ґрунтах з низьким вмістом органічних речовин. Також виявлено позитивний вплив HS на поглинання мікроелементів, особливо в лужних ґрунтах.

Приклади позитивного впливу застосування біостимуляторів на живлення рослин

Біостимулятори, які покращують ріст коренів і родючість ґрунту, збільшують доступність речовин у ґрунті або регулюють процеси поглинання елементів живлення, що підвищує агрономічну ефективність використання добрив, дозволяючи рослині засвоювати більшу кількість загального запасу поживних речовин у ґрунті. Однак ця перевага може мати місце лише за дотримання обох таких умов:

1. доступність поживних речовин за відсутності біостимулятора є недостатньою для ефективного забезпечення потреб рослин;
2. джерело недоступних поживних речовин стає більш доступним завдяки додаванню біостимулятора; це може бути результатом охоплення більшого об’єму ґрунту корінням або ефекту солюбілізації (розчинення) поживних речовин кореневою системою, мікробами чи прямої хімічної солюбілізації в результаті додавання біостимулятора.

Внесення гуматів видається перспективним для поліпшення засвоєння азоту. Амінокислоти також можуть зменшити використання азотних добрив, стимулюючи асиміляцію NO₃, але вони, ймовірно, найефективніше працюють як хелатори. Їх найкраще використовувати для корекції дефіциту мікроелементів під час позакореневого обприскування або фертигації мікродобривами. Велика кількість досліджень показала, що екстракти водоростей можуть збільшувати розмір кореневої системи або співвідношення коренів до пагонів за рахунок гормональної дії.

Враховуючи незначні норми внесення біостимуляторів, найбільш ефективним способом їх застосування є локальне внесення в кореневу зону (In-Furrow та фертигація), обробка насіння та позакореневе (фоліарне) підживлення.

Комплексне застосування якісних біостимуляторів рослин є дієвою стратегією в системі сталого сільськогосподарського виробництва завдяки їхній здатності прямо чи опосередковано поліпшувати ефективність використання поживних речовин сільськогосподарськими культурами, особливо в умовах низької доступності поживних речовин чи їх низького рівня забезпеченості в ґрунті.

Компанія «Квадрат» виробляє широкий спектр біостимуляторів «Квантум», як для фоліарного, так і ґрунтового внесення, що дає можливість розробити ефективну програму їх використання під різні культури з метою оптимізації програм живлення та боротьби зі стресами рослин. Наші спеціалісти допоможуть підібрати схему внесення залежно від конкретних умов вирощування для максимального результату.

Сергій Полянчиков, директор з розвитку НВК «Квадрат»

Ольга Капітанська, к.б.н., керівник науково-дослідного відділу НВК «Квадрат»

Спецвипуск щорічного інфографічного довідника

Вся інформація про український аграрний фронт