Теоретическое обоснование применения гуминовых веществ в сельскохозяйственном производстве.

Приоритетной целью саммита АТЭС, проходившего во Владивостоке, являлось решение проблемы продовольственной безопасности в мире. Президент Владимир Путин рассказал участникам встречи о важнейших направлениях в развитии сельскохозяйственной отрасли в России.

В частности было сказано, что увеличение урожайности в растениеводстве планируется за счет внедрения современных методов и технологий обработки почв с использованием биогумуса, применения биотехнологий и органических экологически чистых удобрений.

Проблема управления урожаем культурных растений всегда играла и будет играть ведущую роль в земледелии и растениеводстве, а её значение в будущем ещё более возрастёт в связи с прогнозируемым глобальным изменением климата и усилением деградационных процессов почвенного покрова земель аграрного назначения. Величина урожая сельскохозяйственных культур зависит от многих условий, таких как температура, освещённость, обводнённость почвы, обеспеченность ее азотом, фосфором, калием и др., а также от особенностей вида или сорта растений. Чем полнее создается комплекс необходимых растениям условий, тем выше будут показатели их развития.

Одним из основных условий, влияющих на урожайность, является фотосинтез, скорость протекания зависит от светового режима, концентрации углекислого газа ( СО₂ ) и оттока питательных веществ из хлоропластов.

Другим обязательным условием достижения высокой продуктивности является оптимизация почвенного питания растений за счет использования минеральных и органических удобрений.

Третьим условием является улучшение пропускной способности транспортной системы, обеспечивающей циркуляцию растворов и рост растения. Ограничивающими факторами в этом случае выступают почвенный запас влаги, чувствительность транспортной системы растений к колебаниям температуры и атмосферного давления.

В полевых условиях возможность контроля за сочетанием всех трёх показателей практически исключена, но возможна коррекция развития за счет других применяемых мер с учётом их блокирующего или стимулирующего действия на функционирование транспортной системы. Воздействовать можно на плодородие пахотных слоёв почв или непосредственно на растения.

В связи с тем, что современное интенсивное сельскохозяйственное производство характеризуется разомкнутостью, т. е. отсутствием цикличности процессов, которые обычно протекают в природных системах «почва-растение», повышение эффективности использования удобрений должно идти по пути восстановления круговорота веществ. Отрицательные последствия прогнозируемого глобального изменения климата на  растения можно уменьшить за счёт некорневых обработок растворами, содержащими необходимые растениям химические элементы.

Основные  пути  коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур.

Почвенными условиями, обеспечивающими поступление воды, воздуха и пищевых веществ из почвы в растения, можно управлять с помощью нескольких видов коррекции: физической, химической и биологической.

Под физической коррекцией понимается система агротехнических, агромелиоративных и гидромелиоративных мероприятий предназначенных для поддержания благоприятного тепло-водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов почв, а также сохранение их наилучшей агрономической структуры и использование щадящей механической обработки.

Химическая коррекция – это комплекс мер, направленный на регулирование продуктивности сельскохозяйственных растений посредством восполнения элементов минерального питания в почве, регулирование кислотного режима, а также использование синтетических средств, стимулирующих рост и развитие.

Регулируя поступление минеральных веществ в растения, следует учитывать, что недостаток одного из элементов может привести к накоплению в почве другого, что, конечно же, затруднит их коррекцию. Количество химических элементов, потребляемых растениями, определяется взаимодействием между скоростью их потребления и выделения корнями, подвижностью этих веществ в почве, а также скоростью преобразования доступных форм элементов минерального питания в недоступные и наоборот.                                                                                    

Химическая коррекция системы почва-растение ориентирована в основном на получение валовой продукции растениеводства (как правило, без учёта её качества) и не учитывает природных законов, благодаря которым в естественных условиях (без вмешательства человека) растения вместе с почвой образуют взаимосвязанную и взаимообусловленную систему, которая достаточно устойчива к различным неблагоприятным воздействиям. Кроме того, путь химической коррекции агроценозов (особенно при использовании одних лишь минеральных удобрений) зачастую приводит к почворазрушающим последствиям, и продолжающееся увеличение химизации сельского производства в сочетании с многократной механической обработкой почв практически низводит почву на уровень гидропонной системы. Такой путь управления продукционным процессом культурных растений является тупиковым. Особую остроту данное направление приобретает в настоящее время — в условиях широкого антропогенного прессинга на наземные экосистемы.

В агрофитоценозах, которые по сути являются разбалансированными биоценозами, трофическая связь между почвой и растениями нарушена, часть функциональных звеньев отсутствует. Для правильного функционирования системы почва–растение необходимо восстановление утраченных звеньев. Самый простой путь создания благоприятных условий для растений и основных функциональных групп представителей почвенных живых организмов - это путь биологической коррекции.

Суть биологической коррекции  состоит в восполнении недостающих звеньев системы «почва-растение», воспроизводство которых осуществляется   посредством их искусственной  интенсификации.

Основными слагаемыми функционирования данной системы  являются:

– муллевый тип гумуса (наиболее благоприятный для роста и развития растений),

– азотфиксирующие микроорганизмы (свободно живущие, ассоциированные и клубеньковые),

– литолитические организмы (то есть организмы, способные к активному биологическому выветриванию минеральной массы почвы или почвообразующей породы).

Биологическая коррекция - это способ управления пищевыми звеньями в системе «почва-растение» посредством воздействия различных приёмов на биологию растений с обязательным учетом их физиологических особенностей. р Биологическая коррекция  развития растений опирается на научные достижения современных биотехнологий, таких как: производство микробиологических препаратов, физиологически активных веществ, биологических средств защиты растений и т. д. В основе таких биотехнологий лежит принцип биологического соответствия. Использование естественно-биологических закономерностей не допускает возможности перенасыщения продуктов растениеводства токсичными веществами антропогенного происхождения.

Основной целью биологической коррекции является реальное повышение урожайности сельскохозяйственных культур и переход к биологическому растениеводству, главным направлением которого является ресурсосберегающая агротехника, получение экологически безопасных продуктов питания и адаптация агроландшафтов к естественным природным объектам. Методы биологической коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур являются точными  аналогами естественных факторов и в силу этого не могут вызвать отрицательных явлений в процессе роста и развития растений.

Таким образом, биологическая коррекция позволяет:

– управлять динамикой составных звеньев системы почва-растение; компенсировать недостающие пищевые звенья растений;

– уменьшить в пищевых продуктах и кормах содержание токсичных и вредных  для человека и животных веществ и соединений;

– увеличить урожайность сельскохозяйственных культур;

– улучшить качество получаемой продукции;

– увеличить сопротивляемость культурных растений болезнетворным организмам.

 Методы биологической коррекции включают в себя использование научно-обоснованных севооборотов, внесение в почву органических удобрений и  мелиорантов, использование средств биологической защиты растений, их инфицирование микоризными грибами и бактериями, в том числе азотфиксирующими, а также применение искусственных и природных препаратов, положительно действующих на метаболизм растений. К последним относятся препараты, содержащие гуминовые вещества.

 Гуминовые вещества – это аморфные тёмно-коричневые или тёмно-бурые поверхностно-активные высокомолекулярные природные органические соединения. Их происхождение связано с процессами биохимического разложения и преобразования растительного опада (листья, корни, ветки, стволы), останков животных, белковых тел микроорганизмов. В их составе обнаружены гуминовые кислоты, фульвокислоты, соли этих кислот – гуматы и фульваты, а также гумины – прочные соединения гуминовых кислот и фульвокислот с почвенными минералами.

В химическом отношении гуминовые вещества – это полимеры, построенные из фрагментов с разной молекулярной массой в основном арилгликопротеидной природы.

 Общая структурная формула гуминовых веществ.

Иначе говоря, гуминовые вещества состоят из структурных фрагментов лигнина (арилов), сахаров (гликозидов) и аминокислот или протеидов.

С точки зрения коллоидной химии гуминовые вещества – эластичные студни, т. е. такие вещества, которые при удалении воды весьма значительно сжимаются, сохраняя свою эластичность и способность к набуханию; однако после высушивания до некого определённого нижнего предела влажности эти студни необратимо сжимаются и теряют свою способность набухать в воде. Коллоидные свойства гуминовых веществ обуславливает их трёхмерная пространственная структура.

В гуминовых веществах установлено присутствие как положительно заряженных функциональных групп (например, аминогрупп, амидных, пептидных, иминных), так и отрицательно заряженных (например, карбоксильных, метоксильных, гидроксильных - спиртовых, фенольных и гидроксихинонных, карбонильных - альдегидных, кетонных и хинонных). Иными словами, гуминовые вещества – полиэлектролиты.

Общую кислотность гуминовых веществ определяет сумма кислых функциональных групп (–СООН + –ОН_ф). Присутствие этих групп является основанием для причисления гуминовых веществ к кислотам, точнее к оксикарбоновым кислотам. Так, например, водные суспензии гуминовых кислот имеют рН ~ 3.

Совокупность разно-заряженных функциональных групп обуславливает амфотерность гуминовых веществ, то есть их способность нейтрализовать как щелочные, так и кислые растворы.

Прямое благоприятное влияние гуминовых веществ на зелёные растения может объясняться следующими факторами:

1) наличием в этих соединениях разнообразных функциональных групп,

2) коллоидными свойствами,

3) компонентным составом.

Наличие в гуминовых веществах разнообразных функциональных групп обуславливает, во-первых, участие этих соединений в химических реакциях окисления-восстановления,  во-вторых, их реакционную способность в целом, включая ионный обмен и образование хелатных соединений.

Будучи коллоидами, гуминовые вещества проявляют поверхностно-активные и электроповерхностные свойства. Эти свойства и определяют гидрофильно-гидрофобные и электростатические взаимодействия гумусовых соединений. Попав в растение, они увеличивают проницаемость мембран, что в итоге приводит к ускорению передвижения питательных веществ. Чем лучше транспорт и круговорот веществ в растениях, тем выше скорость фотосинтеза и тем больше в них поступает соединений минерального питания, а как следствие  ускоряется их рост и развитие.

Ионофорное действие гуминовых веществ объясняется тем, что они, будучи коллоидными поверхностно-активными веществами, способны оказывать влияние на другие разновидности коллоидных мицелл, к которым относятся и клеточные мембраны.

Компонентный состав гуминовых веществ, с которым связывают физиологическую активность, также оказывает положительный эффект на растения. Считается, что гуминовые вещества в своём составе содержат соединения, подобные по действию фитогормонам  в непрочно-связанном или в прочносвязанном виде (их присутствие обнаруживается только после кислотного воздействия); соединения ароматических, карбоксильных и фенол-гидроксильных групп; производных ортохинонов, которые выполняют роль дегидрогеназ в окислительных процессах клетки и участвуют в формировании ауксиноподобных ростовых стимуляторов; соединения циклических ангидридных и сложноэфирных групп, обогащённых алифатическими и алициклическими структурами; салицилатных структурных фрагментов.

Анализ научной литературы доказывает, что биологическая активность гуминовых веществ обусловлена:

1) участием в разнообразных окислительно-восстановительных реакциях внутри растения;

2) стимулированием процессов, связанных с дыханием;

3) влиянием на фотосинтез;

4) образованием гуминово-белковых комплексов и фермент-субстратными взаимодействиями;

5) синергетическим или антагонистическим взаимодействием с некоторыми регуляторами роста растений;

6) ускорением транспорта и циркуляции пищевых веществ внутри растений;

7) воздействием на осмотическое давление;

8) влиянием на функции клеточных мембран, содействуя поступлению питательных веществ (за счёт воздействия на ATФазы, синтез транспортного белка, ионофорность или мембранотропность, биоэлектрические реакции, межклеточную диффузионную связь, проницаемость межклеточных коммуникаций, селективность клеточных мембран);

9) образованием легко транспортируемых (как в растение, так и в растении) хелатных соединений с макро- и микроэлементами;

10) детоксикацией ксенобиотических веществ и соединений;

11) выполнением в растениях роли противоионов для ряда катионов ( K⁺, Na⁺, NH₄⁺ и др.) - данное явление способствует оптимизации соотношения анионов и приводит к снижению содержания нитратов в продукции;

12) снижением поверхностного натяжения и вязкости растворов внутри растений;

13) влиянием на свойства клеточной стенки, способствуя изменению величины  модуля упругости и в частности торможению образования гидроксилпролина;

14) воздействием на вязкость протоплазмы;

15) действием подобным фитогормонам;

16) наличием свободных радикалов;

17) повышением значения митотического индекса;

18) воздействием на динамику свободных сахаридов;

19) участием в трансаминировании.

Фракции гуминовых веществ с разной молекулярной массой отличаются друг от друга свойствами и, как следствие, различным действием на растения. Фракции с относительно низкой молекулярной массой характеризуются более высокой концентраций фенольных и карбоксильных групп, являющихся эффективными при комплексообразовании ионов металлов, и обладают более прочной связью с последними. Относительно низкомолекулярные гуминовые комплексы поступают в клетки более легко, чем их более высокомолекулярные аналоги. Увеличение ионной силы и протонированности раствора способствуют проницаемости органических веществ типа фульвокислот через мембрану вследствие уменьшения их объёма. Установлено, что именно относительно низкомолекулярная фракция гуминовых веществ может порождать в растениях такие же морфологические изменения, какие вызывает β-индолил-3-уксусная кислота (ИУК). Активные центры относительно низкомолекулярной фракции гуминовых веществ способны связываться с ИУК рецепторами клеточной мембраны.

Биологический эффект гуминовых веществ - pH-зависимый. В связи с тем, что гуминовые вещества – это кислотно-оснóвный комплекс, они, с одной стороны, являются поставщиками ионов водорода, а с другой  поставщиками органических анионов. Как известно, ионы водорода способствуют синтезу АТФ, в результате чего улучшатся дыхание растений. При этом, чем интенсивнее дыхание растений, тем лучше  протекает биосинтез различных органических соединений. Кроме того, гуминовые вещества сами могут поглощаться и усваиваться растениями. В этом случае за счет сэкономленной энергии в растениях  лучше протекает  биосинтез.

Наличие в растениях  органических  анионов  приводит к снижению минеральных  анионов (в частности нитрат-ионов). Поскольку гуминовые вещества являются сложными органическими кислотами, то в растениях они выполняют роль противоионов для различных катионов, например, калия, кальция, магния, железа и т. д. В сельскохозяйственных  растениях  при отсутствии  органических  противоионов  катионы  обычно «уравновешиваются»  нитрат-ионами,  что  и  приводит  к увеличению содержания в продукции  растениеводства  нитратов.

Гуминовые препараты — эффективное средство биологической коррекции минерального питания сельскохозяйственных культур, их роста и развития.

В процессе обеспечения растений пищевыми веществами принимают участие все четыре фазы почвы.

Так, из газообразной фазы почвы (состоящей в основном из продуктов жизнедеятельности комплекса почвенных организмов и продуктов трансформации, органических и неорганических компонентов) в надпочвенный слой воздуха поступает углекислый газ, который  впоследствии используется растениями в фотосинтезе.

Из жидкой фазы почвы растения получают необходимые для них пищевые вещества.

Органическая, органо-минеральная и минеральная составляющие, входящие в твёрдую фазу почвы, являются своеобразным резервуаром питательных веществ, которые высвобождаются при воздействии на них продуктов жизнедеятельности комплекса почвенных организмов, корневых выделений и почвенного раствора.

«Живая» фаза почвы (комплекс почвенных организмов) осуществляет биологический круговорот углерода, азота, калия, фосфора и других элементов, инициируя разнообразные трансформационные процессы.

Кроме того, с позиций современной экологии пищевое взаимоотношение растений и почвы целесообразно рассматривать как своеобразную двойную цепь, в которой утилизация комплексом почвенных организмов отмерших остатков растений сопровождается созданием (посредством той же организмов) источника пищевых веществ необходимых для растений. Следует отметить, что функционирование системы «почва-растение» основано на общих закономерностях передвижения пищевых веществ в пределах этой системы: от большей концентрации к меньшей, т. е. под действием, так называемого, осмолярного градиента. С точки зрения трофологии, почва и растения образуют единую пищевую систему, в которой они находятся в двойной трофической связи.

Суть двойной трофической связи между почвой и растением заключается в том, что почва (как система) и растения (как другая система) попеременно выступают то в роли «потребителя», то в роли «поставщика». Почва в этой системе выполняет трансформационно-трофическую функцию, заключающуюся в том, что она «потребляет» продукты жизнедеятельности живых организмов (в основной своей массе — это отмершие остатки растений), посредством комплекса почвенных живых организмов их «перерабатывает» в пищевые вещества (минеральные и органические), которые затем и «потребляют» растения.

Существенным моментом функционирования системы «почва-растение» является то, что в процессе биологического круговорота химических элементов, необходимых живым организмам, происходит круговорот органических молекул, которые представляют собой источники структурных блоков биологических макромолекул, многократно используемых на различных пищевых уровнях системы. Ведущую роль в этом процессе играют гуминовые вещества почвы, являясь одним из основных звеньев функционирования экологических систем.       Вследствие активного применения минеральных удобрений и средств химической защиты растений, в современных пахотных почвах наблюдается значительное обеднение почвенной биоты дождевыми червями, и, как следствие, снижение доли муллевого гумуса. Использование гуминовых препаратов в сельском хозяйстве позволяет скомпенсировать недостаток гумусовых соединений в системе «почва-растение» и улучшить продукционный процесс растений.

         Гуминовые препараты по характеру действия на растения можно отнести к неспецифическим регуляторам роста, обладающим антимутагенным и адаптогенным эффектами.

Научный руководитель проекта