Як формується органічний шар у грунті?

потреби мінерального живлення — як дефіцит, так і надлишок, або порушення співвідношень макро-, мезо-, мікроелементів;

дефіцит інтенсивності потоку енергії світла, дефіцит гормонів тощо.

Значні коливання названих показників відносно нормативних частково здатні компенсувати й зробити більш прийнятними для зелених рослин комплекси живих організмів, що співіснують із ними в симбіозі в ризобіальній зоні. Проте це можливо лише в тому разі, що такі комплекси самі здатні будуть виживати умовах під впливом антропного пресу інтенсивного сучасного землеробства.

Тобто в мовах ведення сучасного інтенсивного землеробства й застосування відповідних технологій вирощування посівів агрокультур ми все біль­ше заходимо в глухий кут. Збільшення обсягів внесення мінеральних добрив, широка практика використання пестицидів, упровадження сучасних сортів і гібридів не забезпечують адекватного підвищення рівня врожайності посівів без позитивного вирішення проблем із живими комплексами, які коротко названі у наведеному матеріалі.

На разі ми не маємо наміру детально зупинятись на таких важливих для орних земель питаннях, як структура посівів, сівозміна, баланс гумусу й мінерального живлення, захист орних земель від ерозії, системи заходів накопичення, збереження й раціонального використання вологи. Всі вони важливі й заслуговують на окремий детальний аналіз.

Коротко зупинимось на елементах біохімізму та фізіології рослин і їхнього взаємозв’язку з довкіллям, у якому вони вегетують.

Процеси, що забезпечують сам факт життя будь-якого живого організму — складні й водночас досконалі. Біохімія в живих клітинах — це хімія найвище організованої матерії. Для перебігу біо­хімічних процесів живі клітини використовують дію специфічних каталізаторів — білків-ферментів. Саме ферменти забезпечують біохімічні реакції за відносно м’яких умов, помірної температури й тиску, невисокої концентрації іонів водню. Біохімічні реакції відбуваються з 100%-вим виходом кінцевого продукту без утворення побічних речовин.

Якщо оцінювати всі форми життя на планеті, в тому числі й зелених рослин, які відомі сьогодні, правомірно стверджувати, що живі організми використовують лише 27 хімічних елементів із відомих 92, що є в природі. Якщо оцінювати рослини за їхнім хімічним складом, то 99% їхньої маси становлять: водень (H), кисень (O), вуглець (C) та азот (N). У масі рослин близько 75% — це вода. В сухій речовині рослин вуглець становить — 50–60%, азот — 8–10%, кисень — 25–30%, водень — 3–4%.

Наступні вісім хімічних елементів у живих клітинах — такі ж самі, як і в морській воді (подібний хімічний склад і в лімфі та плазмі крові людини, що вказує на спільність походження всіх форм життя з моря).

Відповідно, морські організми (риби, водорості та інші форми життя) міс­тять у своєму складі не лише макро-, а й мезо- та мікроелементи в пропорціях, які близькі для більшості форм життя. Немає особливої потреби уточнювати роль і значення мікроелементів для життя рослин.. Більшість агрономів орієнтуються в такому важливому питанні. У морській воді є всі відомі хімічні елементи. Відповідно, вони наявні і в усіх організмах, що живуть у такому середовищі. Якщо в умовах ґрунту мікроелементи можуть бути дуже міцно хімічно зв’язані з материнською породою і для того, щоб їх добути, зеленим рослинам украй необхідна допомога ґрунтового комплексу мікроорганізмів (насамперед сапрофітних грибів), то з морських організмів такі сполуки отримувати нескладно.

Складні й досконалі біохімічні процеси в клітинах рослин відбуваються в результаті активності білків-ферментів. Для того, щоб вони були здатні виконувати свої каталітичні функції, вони повинні мати відповідну первинну, вторинну, третинну структуру та активний (природний) стан. Традиційно білки-ферменти мають великі молекули (від 12 тис. до 1 млн амінокислот). Для каталітичної активності багатьох ферментів потрібен додатковий компонент — кофактор. Роль кофакторів виконують іони різних металів. Це передусім ті хімічні елементи, які називають мікроелементами: Fe, Mn, Zn та інші, — або складні органічні речовини, які називають коферментами.

Коферменти та іони металів термостабільні, а білкова частина ферментів — апоферменти — за умов нагрівання (понад 60°С) денатурує. Денатуровані білки — ферменти втрачають свої каталітичні властивості й не здатні забезпечувати відповідні біохімічні реакції.

В основі життя всіх зелених рослин лежить головний за значенням процес — фотосинтез. На орних землях ми маємо справу з рослинами, що мають різні шляхи фотосинтезу: С3 та С4. Перший — характерний для рослин, що були сформовані в помірних широтах: пшениця, ячмінь, горох, буряки цукрові, лобода, гірчаки, талабан та інші. Другий шлях фотосинтезу (С4) властивий рослинам тропічного походження: кукурудза, сорго, просо, щириця, гумай, просо півняче та інші. На перший погляд, яка різниця між такими шляхами? Головне, щоб рослини формували вагомий урожай! Проте саме для формування такого врожаю ми маємо враховувати ці особливості й, відповідно, різні вимоги рослин до умов вегетації.

Не деталізуватимемо на разі особливості біохімізму процесів фотосинтезу. Зупинимось конкретніше на вимогах рослин із різними шляхами фотосинтезу щодо оптимальних для них умов зовнішнього середовища. Це питання актуальніше для аграріїв, які працюють на орних землях. Оптимальною температурою, що забезпечує найвищу продуктивність процесів фотосинтезу в рослин, у яких він перебігає шляхом С3, є 19–24°С. Із підвищенням температури понад зазначені межі настає температурне пригнічення процесів фотосинтезу посівів пшениці та інших рослин.

У рослин із шляхом фотосинтезу С4 найвища продуктивність проявляється в температурному діапазоні 25–30°С. Відповідно, температурна депресія настає за вищих температур. За помір­них температур (нижче як 20°С) рослини зі шляхом фотосинтезу С4 переваг щодо рівня біологічної продуктивності перед рослинами зі шляхом С3 не мають. Такі переваги проявляються лише за умов вищих температур, особливо в середовищі з низьким умістом у приземному повітрі вуглекислого газу (СО₂). Оскільки тенденція потепління клімату посилюється, то переваги рослин із фотосинтезом С4 зростатимуть.

Доцільно коротко нагадати й про роль рослинних гормонів. Як відомо, гормони — це специфічні речовини, що здат­ні здійснювати хімічну регуляцію етапів органогенезу організмів різних рівнів організації — від людини до рослин.

Ауксини і ауксиноподібні речовини. Назва термінів походить від грецького слова — «рости, збільшуватись». Фітогормони — ауксини, що синтезують не лише клітини зелених рослин, а й мікроорганізми, які живуть у симбіозі з коренями зелених рослин. Крім ростових процесів, ауксини проявляють вплив на інтенсивність транслокації речовин, процеси окислення, декарбоксилування, кон’югацію тощо.

Гібереліни — речовини, що регулюють процеси росту й розвитку, починаючи від біохімізму процесів проростання насіння, видовження стебел до формування й розвитку генеративних структур, процесів цвітіння.

Гібереліни синтезують як вищі рослини, так і гриби, бактерії, водорості. За специфікою фізіологічної дії гібереліни — це своєрідні антиподи дії цитокінінам. Фізіологічна дія гіберелінів своєрідно доповнює дію ауксинів і справляє вплив на процеси розвитку плодів, формування луб’яних волокон у стеблах рослин та інші фізіо­логічні процеси.

Ретарданти — речовини, що блокують у рослинах дію гіберелінів.

Цитокініни — від грецького — «клітина, рух». Це фітогормони, що активізують процеси поділу клітин. У поєднанні з гіберелінами вони сприяють процесам видовження й росту стебел (як природні гормони ауксин і цитозин). Цитокініни активно впливають на процеси поділу клітин, диференціацію клітин калусу. Крім того, регулюють процеси фотосинтезу, рівень розвитку та активність бічних бруньок, індукують процеси цвітіння за несприятливої для рослин тривалості фотоперіоду.

Зазначимо, що тут наведено лише основні групи фітогормонів і їхні загальні можливості активно впливати на біохімічні й фізіологічні процеси в рослинах. Для правильного сприйняття складності біохімічної картини дії фітогормонів наведемо такий приклад. Лише гіберелінів сьогодні відомо 136 різних за хімічною будовою і специфікою дії речовин. Відповідно, порушення нормального гормонального статусу в рослин призводить до значних змін рівня їхньої біологічної продуктивності. Пригнічення рівня мікробіоло­гічної активності ґрунтової мікрофлори через ризобіальну зону безпосередньо впливає й на гормональний статус культурних рослин у посівах, що вегетують на таких землях.

Перед аграрним виробництвом планети все більш актуальною стає проблема: як вирішувати й гармонізувати названі проблеми між ґрунтовими комплексами мікроорганізмів і зеленими культурними рослинами? Для кожної аграрної країни гострота таких проблем — своя, специфічна для її умов, проте внаслідок деградації орних земель вона швидко посилюється.

Науковці розробляють різні рішення такого комплексу проблем. Насамперед це система заходів протистояння активним ерозійним процесам орних земель. Не менш важливим рішенням є системи заходів відновлення рівня родючості й біологічного різноманіття орних земель (як зелених рослин, так і мікрофлори). Вагоме значення має також біотехнологічна та селекційна робота з сільськогосподарськими рослинами, яка має покращити адаптаційні можливості їхньої активної вегетації за умов антропно змінених, із малим біологічним різноманіттям, орних земель.

Є також і швидші, та водночас достатньо ефективні рішення. Це, передусім, активне використання екологічно безпечних біологічно активних природних речовин, пошук яких науковці різних країн ведуть уже давно. Особливу увагу було звернено на мор­ські об’єкти — водорості.

Водорості відзначаються великим біологічним потенціалом і здатні швидко накопичувати органічні речовини в процесі інтенсивного фотосинтезу. Багатоклітинні водорості можуть або вільно плавати в товщі води, або прикріплюватись до морського дна ризоїдами. Поглинання морської води й необхідних мінеральних компонентів із неї відбувається всією поверхнею рослин. Тобто внутрішній вміст таких рослин складається з необхідних для життя мікроелементів, адже в рослинних клітинах є фітогормони, білки — ферменти, поліцукри, в тому числі гомополіцукри й гетерополіцукри. Серед гетерополіцукрів є гіалуронова кислота та її похідні, що відзначаються дуже великою здатніс­тю утримувати воду.

Складність полягає в способах отримання, збереження біологічної цінності та шляхах використання таких речовин. Найпростішим є внесення сві­жої подрібненої маси водоростей у ґрунт як органічного добрива. Проте такий спосіб використання можливий лише в прибережній зоні. Свіжі водорості возити на значну відстань недоцільно. Така практика відома давно як у американських індіанців, так і в жителів Кореї, Китаю, В’єтнаму, Японії та інших країн.

Сучасна наука в результаті виконання комплексних досліджень розробила цілу низку досконалих біологічно активних матеріалів різних препаративних форм і призначення. Одні з них доцільно вносити в ґрунт, інші — краще наносити на корені розсади або на насіння сільськогосподарських рослин. Тож, відповідно, є препарати, які можуть бути з успіхом застосовані для нанесення на надземні частини посівів або насаджень у якості позакореневих підживлень мікроелементами, гормонами та білками — ферментами.

Надходження органічних речовин у орний шар не лише поповнює депо поживних речовин ґрунту, а й покращує його мікробіологічну активність.

А поверхневе нанесення на цільові об’єкти мікроелементів, гормонів дає змогу частково компенсувати їхній дефіцит для агрокультур, які там вегетують. Широко практикують таке комплексне застосування препаратів на основі морських водоростей у країнах із інтенсивним аграрним виробництвом: Нідерландах, Японії, США, Ізраїлі та інших, і результати їхнього використання підтверджують позитивний вплив на мікрофлору ґрунту та на посіви сільськогосподарських рослин.

Водночас така часткова позитивна дія не здатна повністю компенсувати той негативний вплив деструктивної діяльності самої людини на орних землях. Тож насамперед маємо повернутись обличчям до тих проблем орних земель, які ми самі створюємо, ігноруючи об’єктивні закони агрономії. Крім відновлення родючості орних земель, нам потрібно знизити рівень антропного тиску на рослини, спричинений активним застосуванням пестицидів, високими нормами внесення мінеральних добрив, надмірним питомим тиском на ґрунт сільськогосподарської техніки.

Для успішного функціонування аграрного сектору економіки в майбутньому (а суспільство без такого виробництва існувати не здатне) продовольча безпека людей одна з найважливіших. Ми всі зобов’язані займатись збереженням і відновленням рівня родючості та екологічного здоров’я своїх орних земель. За таку турботу земля нам подякує сторицею вагомими і якісними урожаями.

О. Іващенко, академік НААН,

Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН

О. Іващенко, д-р с.-г наук, старш. наук. співробітник,

Інститут захисту рослин НААН

Журнал «Пропозиція», №8, 2019 р.