Влияние удобрений на качество урожая

Так как сельское хозяйство производит в основном продукты питания для человека, высокое качество его продукции – важнейшая задача агрохимии. В зависимости от условий выращивания содержание белка в пшенице может колебаться от 9 до 25 %, крахмала в картофеле – от 10 до 24, сахара в сахарной свекле – от 12 до 22 %, количество жира в семенах масличных культур, сахаров и витаминов в плодах и овощах может изменяться в 1,5–2 раза. Условия внешней среды (температура, влажность почвы и воздуха, свет, почвенные условия и др.) влияют на интенсивность протекающих в растениях процессов.

Наиболее сильное влияние на качество растениеводческой продукции оказывают разнонаправленные процессы – биосинтез белков и других азотистых соединений и биосинтез углеводов или жиров. При усилении биосинтеза белков уменьшается синтез углеводов или жиров и, наоборот.

С помощью удобрений можно изменять направленность процессов обмена веществ и регулировать накопление в растениях полезных для человека веществ – белков, крахмала, сахаров, жиров, витаминов и др. О влиянии основных элементов питания на биохимические процессы, протекающие в растениях, уже рассказывалось в предыдущих главах. В этом разделе остановимся на роли основных видов удобрений в регулировании качества растениеводческой продукции.

Азотвходит в состав всех простых и сложных белков, нуклеиновых кислот, играющих исключительно важную роль в обмене веществ в организме. Он содержится также в хлорофилле, фосфатидах, алкалоидах, ферментах и во многих других органических веществах растительных клеток. В начальный период роста растения потребляют сравнительно небольшое количество азота, однако недостаток его в этот период отрицательно сказывается на дальнейшем росте растений. Наиболее интенсивно растения поглощают азот из почвы для синтеза аминокислот и белков в период максимального роста и образования вегетативных органов. На качество растениеводческой продукции влияют формы азота, используемые растениями. При аммиачном питании обмен веществ смещается в сторону накопления большего количества восстановленных соединений (эфирных масел, алкалоидов), а при нитратном источнике азота усиливается образование окисленных соединений, главным образом органических кислот.

Фосфор участвует в синтезе и распаде сахарозы, крахмала, белков, жиров и многих других соединений, он входит в состав органических веществ растений, таких, как фитин, лецитин, сахарофосфаты. Под влиянием фосфорных удобрений возрастает интенсивность синтеза сахарозы, крахмала, жиров, несколько меньше – белков. Для качества продукции важно не только абсолютное количество фосфора, но и его соотношение с другими элементами питания, в первую очередь – с азотом. Изменяя соотношение N:P, можно регулировать интенсивность, а также направленность процессов обмена, способствуя накоплению в растениях белков или углеводов.

Под влиянием калия усиливается накопление крахмала, сахарозы и жиров. Калий усиливает синтез высокомолекулярных углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), в результате чего утолщаются клеточные стенки стебля злаковых культур, и повышается устойчивость их к полеганию, у льна улучшается качество волокна. У некоторых растений калий усиливает синтез таких витаминов, как тиамин и рибофлавин. При аммиачном питании растений калий может способствовать синтезу белков.

Микроэлементыпринимают участие в окислительно-восстановительных процессах, углеродном и азотном обменах. Под их влиянием увеличивается содержание хлорофилла в листьях, улучшается фотосинтез, усиливается ассимилирующая деятельность всего растения. Многие микроэлементы входят в активные центры ферментов и витаминов. При внесении микроэлементов улучшается сбалансированность минерального питания растений: медь и бор влияют на азотное питание; цинк изменяет проницаемость клеточных мембран для калия и магния; поступление магния в растения улучшается при достаточном обеспечении медью, цинком и бором. В свою очередь дефицит цинка, молибдена, избыток кобальта и марганца вызывают уменьшение поступления аммонийного азота, недостаток меди и марганца снижает скорость поглощения растениями нитратного азота (Б. А. Ягодин).

Бор улучшает углеводный обмен в растениях, влияет на белковый и нуклеиновый обмен. Медь входит в состав нитритредуктазы, гипонитритредуктазы и редуктаз оксидов азота, в связи с чем с ее содержанием связываются определенные функции в азотном обмене растений. Марганец увеличивает содержание сахаров, хлорофилла, улучшает отток сахаров, активизирует деятельность 23 металлоферментных комплексов, содержащихся в растениях. Молибден участвует в биосинтезе нуклеиновых кислот, синтезе пигментов и витаминов. При недостатке цинка в растениях уменьшается содержание сахарозы и крахмала, увеличивается накопление органических кислот, нарушается синтез белка. Внесение цинковых удобрений повышает качество белка. Внесение кобальта увеличивает содержание витамина В₁₂, благодаря чему повышается диетическая ценность продукции.

Одна из важнейших качественных характеристик сельскохозяйственной продукции – содержание белка. Недостаток белка (суточная потребность человека – 70–100 г) приводит к нарушению обмена веществ, расстройству нервной системы, снижается резистентность организма. При кормлении скота по рационам, не сбалансированным по белку, понижается продуктивность животных, перерасходуются корма.

Основным источником растительного белка в наших климатических условиях являются зерновые колосовые и зернобобовые культуры.

При внесении азотных удобрений содержание белка в зерне озимой пшеницы в исследованиях Института почвоведения и агрохимии возрастало на 4,3 %, в ячмене – на 2,3 %, в опытах БелНИИЗК в зерне озимой ржи оно увеличивалось на 1,4–2,5 %.

Имеются данные, что на содержание белка в зерне озимых и яровых зерновых культур существенное влияние оказывают подкормки растений азотом в период начала колошения растений. Азот, поступающий в растения в эту фазу, используется в основном для образования семян, в результате чего содержание азота в них повышается и синтез белков происходит более интенсивно. При оптимальных условиях минерального питания среднее содержание белка в почвенно-климатических условиях республики составляет в зерне озимой пшеницы 12,5–13 %, озимой ржи – 9–10, ячменя – 10–13, овсе – 10–11,5 %.

Важное значение для характеристики качества зерна имеет аминокислотный состав белка. Многие аминокислоты синтезируются в организме человека и животных, но восемь из 20 известных аминокислот являются для человека незаменимыми (не могут синтезироваться в его организме) и должны поступать с пищей. Это триптофан (суточная потребность человека 1,1 г), фенилаланин (4,4 г), метионин (3,8 г), лизин (5,2 г), валин (3,8 г), треонин (3,5 г), изолейцин (3,3 г), лейцин (9,1 г). Недостаток в пище такой аминокислоты, как лизин, вызывает тошноту, головную боль, головокружение, повышает чувствительность к шуму. Отсутствие или недостаток метионина нарушает нормальную деятельность печени, некоторых желез внутренней секреции. Метионин препятствует развитию атеросклероза. При недостатке триптофана ухудшается аппетит.

Белки различных культур существенно различаются по аминокислотному составу. Например, в белке зерновых злаков меньше содержится лизина и триптофана, в белке семян бобовых культур недостаточно метионина, картофеля – валина.

Биосинтез индивидуальных, специфичных для организма белков определяется генетическими факторами. Однако при изменении содержания белка под влиянием внешних факторов меняется и соотношение между различными его фракциями. Азотные удобрения, увеличивая общее содержание белка в зерне, изменяют состав белкового комплекса за счет увеличения содержания глиадина и глютелина и снижения – альбуминов и глобулинов, вследствие чего изменяется и аминокислотный состав белка.

В исследованиях Института почвоведения и агрохимии под влиянием азотных удобрений (60–120 кг/га) количество незаменимых аминокислот в зерне озимой пшеницы возрастало на 3,3–8,9 мг/кг, или на 13–36 %, в ячмене (N_60-150) – на 2,6–6,4 мг/кг, или на 9–22 %.

Питательная ценность белкового комплекса зерна определяется его физико-химическими свойствами, а также соответствием аминокислотного состава белка составу тех белков, на построение которых он используется в организме человека и животных. Содержание и степень использования поступающих в организм аминокислот характеризуют их биологическую ценность.

Математически биологическую ценность белка можно рассчитать методом "химического числа" и методом Корпаци, Линдера, Варга. При первом способе каждая незаменимая аминокислота исследуемого продукта выражается в процентах к содержанию ее в белке цельного куриного яйца; проценты всех незаменимых аминокислот суммируются и делятся на число взятых для расчета аминокислот. По методу Корпаци, Линдера, Варга биологическая ценность белка (ВЦ) рассчитывается по формуле

где х₁ – незаменимые аминокислоты анализируемого образца, %; х₂ – незаменимые аминокислоты эталона (цельное куриное яйцо), %; х₃ – сумма концентраций заменимых аминокислот образца, %; х₄ – сумма концентраций заменимых аминокислот эталона, %.

Недостатком метода по химическому числу является то, что в расчете учитываются только незаменимые аминокислоты, а изъян второго в том, что как избыток, так и недостаток незаменимой аминокислоты в расчетах оказываются равноценными, хотя биологическая ценность белка больше снижается при недостатке аминокислоты, чем при ее избытке.

Более объективную оценку биологической ценности зерна можно дать экспериментально, скармливая зерно животным, так как при этом учитывается освобождение и скорость всасывания белка в кишечнике. Эксперименты БелНИИПА и Минского медицинского института на белых крысах показали, что наиболее высокий коэффициент эффективности белка (КЭБ) озимой пшеницы (отношение прироста массы крыс за время опыта к потребленному за это время белку) получен при внесении азота в дозе N₁₂₀ (табл. 14.70). При дозе 150 кг/га азота коэффициент эффективности белка был ниже. Поэтому содержание белка в зерне озимой пшеницы, рассчитанное с учетом коэффициента эффективности белка (фактическая белковистость), в варианте с N₁₂₀P₁₀₀K₁₃₀ выше, чем при внесении N₁₅₀P₁₀₀K₁₃₀. В аналогичном эксперименте с ячменем качество белка было выше в варианте с дозой азота 90 кг/га. Дробное внесение N₁₂₀ кг/га снижало коэффициент эффективности белка, некорневая подкормка посевов сернокислым цинком (300 т/га) – повышала (табл. 14.71).

14.70. Влияние азотных удобрений на качество белка озимой пшеницы

Вариант опыта	Урожайность, ц/га	Содержание белка, %	Коэффициент эффективности белка (КЭБ)	Фактическая белковистость, %
Навоз, 20 т/га – фон	48,2	8,6	1,38	8,6
P₁₀₀K₁₃₀+N₆₀ весной в начале вегетации	56,4	11,4	1,28	10,6
P₁₀₀K₁₃₀+N₆₀ весной в начале вегетации + N₃₀ (I узел)	62,5	12,2	1,42	12,6
P₁₀₀K₁₃₀+N₁₂₀ весной в начале вегетации	56,8	12,1	1,49	13,1
P₁₀₀K₁₃₀+N₁₂₀ весной в начале вегетации + N₃₀ (последний лист)	56,2	12,9	1,21	11,3

Научными учреждениями республики разрабатываются экологические регламенты, на применение азотных удобрений с целью регулирования качества белка, повышения содержания крахмала, снижения нитратов и т.д.

Ценным источником растительного белка являются зернобобовые культуры, которые содержат азотистых веществ больше и лучшего качества, чем злаковые. Так как бобовые культуры фиксируют атмосферный азот, качество их продукции можно регулировать, варьируя дозы фосфорных и калийных удобрений (азот можно вносить в небольших дозах – 15–30 кг/га – для ускорения образования клубеньков в начале роста растений), а также внесением микроэлементов, в первую очередь молибдена. Молибден улучшает азотное питание растений, увеличивает потребление фосфора, калия и кальция из удобрений и почвы.

14.71. Влияние азотных удобрений и микроэлементов на качество белка ячменя

Вариант опыта	Урожайность, ц/га	Содержание белка, %	Коэффициент эффективности белка (КЭБ)	Фактическая белковистость, %
Последействие 60 т/га навоза – фон	52,9	7,9	1,53	7,9
N₆₀P₇₀K₁₂₀	77,2	8,5	1,47	8,2
N₉₀P₇₀K₁₂₀	76,9	9,5	1,48	9,2
N₉₀P₇₀K₁₂₀ +N₃₀ (I узел)	73,7	10,2	1,33	8,9
N₉₀P₇₀K₁₂₀ + ZnSO₄, 300 г/га	74,3	9,2	1,74	10,5

Влияние фосфорных удобрений на качество зерна неоднозначно. Большинство исследователей считают, что несбалансированное применение фосфорных удобрений снижает содержание белка. Однако есть также данные о положительном влиянии фосфорных удобрений на качество зерна, в основном на почвах с низким содержанием подвижного фосфора и высокими запасами минерального азота (И. М. Коданев, В. Г. Минеев, А. И. Павлов). По мнению В. Г. Минеева и А. И. Павлова, наиболее вероятной причиной снижения содержания белка в зерне под влиянием фосфорных удобрений является усиление роста растений и увеличение урожая, что приводит к недостатку азота и как бы "разбавлению" его в растении. Более того, от высоких доз фосфорных удобрений может снижаться потребление растениями азота. Поэтому для увеличения белка в растениях необходимо сбалансированное азотно-фосфорно-калийное питание.

Результаты исследований по влиянию калия на содержание белка в зерне довольно противоречивы. Обобщение данных полевых опытов позволяет сделать вывод, что на характер воздействия калийных удобрений на содержание белка в зерне оказывают влияние гранулометрический состав почвы, степень кислотности, запас подвижных форм калия, фосфора и азота. Положительное влияние калийных удобрений на содержание белка чаще проявляется на почвах с низким содержанием калия, а также при благоприятном соотношении с азотными удобрениями.

Внося различные дозы минеральных удобрений, можно существенно влиять не только на содержание азотистых веществ, но и крахмала, что в первую очередь важно для такой культуры, как картофель. Калийные удобрения, снижая содержание азота в зерне, увеличивают содержание крахмала. Возрастающие дозы удобрений влияют на крахмалистость зерна так же, как азотные на белковость: калий в первую очередь используется на формирование вегетативной массы растений и лишь в дальнейшем расходуется на накопление запасных веществ семян. Поэтому при большем приросте урожая содержание крахмала увеличивается незначительно, и наоборот, при слабом приросте урожая содержание крахмала в зерне увеличивается.

В большинстве исследований, проведенных в различных почвенно-климатических условиях, применение азотных удобрений снижало содержание крахмала. По мнению одних авторов, это связано с неполной физиологической зрелостью клубней (В. А. Сухоиванов), другие (А. С. Вечер, М. Н. Гончарик) называют в качестве причины увеличение крупных клубней в урожае, которые содержат меньше крахмала, чем клубни средней величины.

Фосфорные удобрения чаще положительно влияют на накопление крахмала в картофеле. В опытах Ю. И. Касицкого и Л. П. Детковской при внесении 60–90 кг/га фосфорных удобрений на азотно-калийном фоне содержание крахмала повышалось на 0,2–0,8 %. Сильнее на крахмалистость клубней влияют калийные удобрения, так как при недостатке калия замедляется превращение углеводов в крахмал. Однако многое зависит от формы калийных удобрений. Хлорсодержащие их формы снижают содержание крахмала, поэтому под картофель лучше использовать бесхлорные формы калийных удобрений, а содержащие хлор вносить осенью. В исследованиях Института почвоведения и агрохимии замена хлористого калия сернокислым при прочих равных условиях увеличивала содержание крахмала в клубнях картофеля сорта Орбита на 0,6 % при одинаковом влиянии на урожайность.

Важной качественной характеристикой картофеля, овощных и кормовых культур является содержание нитратов. Азот, поступающий в растения в нитратной форме, восстанавливается до аммиака и при достаточном количестве углеводов участвует в образовании первичных аминокислот – аспарагиновой и глутаминовой. Невосстановленная часть нитратного азота может откладываться в клубнях, корнеплодах, листовых черешках и т.д. Накоплению нитратов способствуют избыточные дозы азотных удобрений, поздние сроки их применения, несбалансированное минеральное питание, а также метеорологические условия – недостаточная освещенность и низкая влажность почвы. Отсюда накоплению нитратов препятствуют: оптимизация азотного питания растений, сбалансированное соотношение между азотом, фосфором и калием и достаточная обеспеченность растений микроэлементами, в первую очередь бором и молибденом, которые улучшают углеводный и белковый обмен.

Содержанием сахаров определяется техническая ценность сахарной свеклы и питательная – многих овощных культур. На содержание сахаров и другие показатели качества этих культур также влияют вид, дозы, сроки и способы внесения удобрений под них, соотношение элементов питания и т.д. Отечественными и зарубежными учеными установлено негативное влияние высоких доз азотных удобрений на сахаристость и технологические качества сахарной свеклы. В опытах Института почвоведения и агрохимии на дерново-подзолистых суглинистых почвах высокие дозы азотных удобрений снижали сахаристость корнеплодов по сравнению с фосфорно-калийным фоном почти на 2 %. Положительное влияние на урожайность и выход сахара с 1 га азотные удобрения оказывали при внесении в дозах 120–150 кг/га. Дозы 180–210 кг/га не увеличивали урожайность, но снижали сахаристость корнеплодов. Свекла, выращенная при высоком уровне азотного питания, плохо хранится, быстро портится, прорастает. Отрицательное влияние азота на качество сахарной свеклы при внесении во второй половине развития корнеплодов (конец лета – начало осени) объясняется тем, что он стимулирует развитие листьев, откуда переходят образующиеся сахара. Чем позже и большими дозами проводить подкормки азотными удобрениями, тем ниже будет урожайность и меньше выход сахара с единицы площади.

Влияние фосфорных удобрений на урожайность и сахаристость в значительной степени зависит от содержания в почве подвижных форм и фосфора: если оно не высоко, фосфорные удобрения оказывают положительное действие, при высоком содержании фосфора в почве положительного эффекта ждать не приходится. Калийные удобрения в меньшей степени, чем азотные и фосфорные, влияют на урожайность.

На посевах сахарной свеклы эффективны некорневые подкормки борными и марганцевыми микроудобрениями, особенно при содержании в почве менее 40 мг/кг почвы марганца, 0,5 – бора, 1,5 мг/кг кобальта (П. А. Власюк).

Основной источник растительных жиров – масличные культуры – рапс, горчица, подсолнечник. Жиры в растениях образуются из углеводов, и обычно между содержанием белков и жиров существует обратная зависимость: чем больше белка, тем меньше жира, и наоборот. Поэтому на повышение масличности семян существенное влияние оказывают фосфорные и калийные удобрения. Внесением этих удобрений содержание жира в семенах можно повысить на 2–4 %. Качество масла тем выше, чем больше оно содержит ненасыщенных жирных кислот (их иногда называют витамином F). Под действием азотных удобрений количество ненасыщенных жирных кислот в масле уменьшается, фосфорных и калийных – увеличивается.

При сбалансированном минеральном питании в растениях происходят полезные изменения в содержании и других веществ – витаминов, эфирных масел, алкалоидов, органических кислот. Таким образом, грамотное, научно обоснованное применение удобрений с учетом не только высокой урожайности, но и хорошего качества растениеводческой продукции должно стать главным правилом современной агрохимии.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Чем определяется качество различных видов растениеводческой продукции?

2. Расскажите о роли основных макро- и микроэлементов в формировании качественных показателей сельскохозяйственной продукции.

3. Какие элементы питания оказывают наиболее существенное влияние на содержание белка в зерне, крахмала в клубнях?

4. Перечислите незаменимые аминокислоты. Какова суточная потребность в них человека?