Калий — химический элемент, наряду с азотом и фосфором является важнейшим элементом питания растений. Попытки заменить его близкими элементами (натрием, литием, рубидием) оказались безуспешными.
Впервые предположение о необходимости калия для растений были высказаны Сосюром в 1804 г. на основании химического анализа золы растений, в которой всегда присутствовал калий. Позже Либих сделал вывод о необходимости использования калийных удобрений. Первые экспериментальные подтверждения о необходимости калия растениям получены Сальм-Горстмаром в 1846 г.
Содержание калия в растительном организме
Калий в растениях сосредоточен главным образом в цитоплазме и вакуолях клеток в ионной форме. Не входит в состав органических соединений, но участвует в фотосинтезе. Примерно 80% калия находится в клеточном соке растений и может легко вымываться водой, например дождями и особенно из старых листьев, остальные 20% удерживаются в обменно-поглощенном состоянии коллоидами цитоплазмы. Он усиливает гидратацию коллоидов цитоплазмы, повышая водоудерживающую силу и засухоустойчивость растений. Около 1% необменно поглощается митохондриями.
В дневное время суток, калий, сохраняя подвижность, удерживается в клетках растений. Ночью, когда фотосинтез останавливается, часть калия может выделяться через корневую систему, но при появлении первых лучей Солнца, вновь поглощается растением.
В молодых органах растений содержат в 3-5 раз больше калия, чем в старых: его содержание выше в органах и тканях, где интенсивно протекают процессы обмена веществ и деления клеток. Поэтому калий также называют элементом молодости. Калий в больших количествах содержится в пыльце растений. Так, в золе пыльцы кукурузы содержится до 35,5% калия, тогда как на кальций, магний, серу и фосфор приходится в сумме 24,7%. Подвижность калия обусловливает его реутилизацию за счет перемещения из старых листьев в молодые. Поэтому его распределение в растениях характеризуется базипептальным градиентом концентрации, то есть его содержание в листьях и стебле в пересчете на единицу сухого вещества увеличивается снизу в верх.
В клеточном соке содержание калия значительно выше, чем других катионов, и в 100-1000 раз превышает концентрацию в почвенном растворе.
В отличие от азота и фосфора калий концентрируется в вегетативных органах, а не в репродуктивных. Так, в соломе злаков калия в 2 раза больше, а в стеблях кукурузы — в 5 раз, чем в зерне. Поэтому вынос калия с нетоварной частью урожая, обычно больше, чем с товарной, за исключением зернобобовых растений.
Содержание калия в растениях может меняться в зависимости от климатических условий, применяемой агротехники, плодородия почв.
В зерне зерновых культур содержится 15% от всего количества калия в урожае, в соломе — 85%. В клубнях картофеля — до 95%, в ботве — до 5% от общего выноса.
Таблица. Среднее содержание K2O в урожае некоторых сельскохозяйственных культур, % на абсолютно сухое вещество (по Петербургскому)
| Озимые зерновые | Зерно | Картофель | Клубни | ||
| Солома | Ботва | ||||
| Яровые зерновые | Зерно | Капуста белокочанная | Кочаны | ||
| Солома | Морковь | Корнеплоды | |||
| Кукуруза | Зерно | Огурец | Плоды | ||
| Стебли | Томат | Плоды | |||
| Горох | Зерно | Лен | Солома | ||
| Солома | Хлопчатник | Волокно | |||
| Сахарная свекла | Корнеплоды | Клевер луговой | Сено | ||
| Ботва | Люцерна | Сено | |||
| Кормовая свекла | Корнеплоды | Вика | Сено | ||
| Ботва | Тимофеевка | Сено |
Значение калия
Калий регулирует фотосинтез, увеличивает отток углеводов из пластинки листа в другие органы, участвует в синтезе сахаров и высокомолекулярных углеводов — крахмала, целлюлозы, пектиновых веществ, ксиланов.
Калий способствует накоплению моносахаридов в плодовых и овощных культурах, сахарозы в корнеплодах, крахмала в картофеле, утолщает стенки клеток соломины злаковых культур, повышает устойчивость к полеганию, у льна и конопли улучшает качество волокна.
Таблица. Влияние калия на содержание редуцирующих сахаров, сахарозы и крахмала в листьях и черешках томата, % (по Багаеву)
| Редуцирующие сахара | ||||
| Сахароза | ||||
| Крахмал и декстрины | ||||
Благодаря накоплению углеводов в клетках растений, калий усиливает осмотическое давление клеточного сока, тем самым повышая холодоустойчивость и морозостойкость растений.
Накопление калия в хлоропластах и митохондриях способствует стабилизации их структуру и образованию АТФ. Он увеличивает гидрофильность коллоидов протоплазмы, при этом уменьшается транспирация, что способствует растениям лучше переносить кратковременные засухи.
Калий участвует в синтезе и обмене белков. При его недостатке синтез снижается с одновременным распадом старых молекул белков. В растениях накапливаются аминокислоты. Оптимизированное калийное питание приводит к повышению доли белка в растениях пшеницы. Усиливается синтез аспарагина и глютамина. Положительное действие калия на синтез белков связано с его влиянием на накопление и трансформацию углеводов (углеводы в процессе дыхания образуют кетокислоты, из которых синтезируются аминокислоты), а также с усилением ферментативной активности синтеза белка.
Калий катализирует синтез витаминов тиамина и рибофлавина, регулирует функционирование замыкающих клеток устьиц листьев.
Калий поглощается растениями в виде катиона и в этой форме остается в клетках и является основным противоионом отрицательно заряженных анионов клетки. Калий создает разность электрических потенциалов между клеткой и средой.
Участвуя в важнейших биохимических процессах, калий повышает устойчивость к различным заболеваниям в течение вегетации и в послеуборочный период, улучшает лежкость плодов и овощей.
Критический период в потреблении калия растениями приходится на первые 15 дней после появления всходов. Период максимального потребления, чаще всего, совпадает с периодом интенсивного прироста биологической массы. У некоторых культур, например, льна, поступление калия останавливается к фазе полного цветения или к цветению — началу молочной спелости, как у зерновых и зернобобовых. У других культур поступление более растянуто и происходит в течение всего вегетационного периода, как у картофеля, сахарной свеклы, капусты.
В районах, в которых действие калийных удобрений наиболее эффективно, их применение обеспечивает на каждый килограмм внесенного калия удобрений прибавку урожая: 2-3 кг зерна, 20-33 кг картофеля, 35-40 кг сахарной свеклы, 1-1,5 кг льноволокна, 20-33 кг сена сеяных трав и 8-18 кг сена луговых трав.
Недостаток калия
Недостаток калия приводит к снижению ферментативной активности, нарушению углеводного и белкового обмена, увеличению расхода углеводов на дыхание.
В результате уменьшается продуктивность растений и качество продукции. У зерновых формируется щуплое зерно, снижается всхожесть и жизнеспособность семян. Часто из-за уменьшения прочности соломины хлеба полегают. Снижается содержание крахмала в клубнях картофеля, сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы, пектиновых веществ в плодах и ягодах, витаминов в продукции. Возрастает поражаемость болезнями. Падает лежкость при хранении.
Внешне калийное голодание проявляется на листьях нижнего яруса: преждевременно желтеют, начиная с краев; в дальнейшем края буреют, затем отмирают и разрушаются, из-за чего они выглядят, как обожженные. Это явление называется «краевой ожог». Дефицит калия приводит к снижению тургора, листья вянут и поникают. Чаще всего недостаток калия проявляется в период интенсивного роста (в середине вегетации), когда его содержание в клетках уменьшается в 3-5 раз от нормы.
Сильнее всего на недостаток калия реагируют калиелюбивые культуры.
Избыток калия также негативно отражается на росте и развитии. Проявляется в возникновении между жилками листьев бледных мозаичных пятен, со временем они буреют, а листья опадают.
Круговорот и баланс калия в земледелии
Круговорот калия в биоценозах протекает интенсивно. Содержание калия в биомассе биоценозов варьирует от 20 ка/га для пустынь до 2000 кг/га для дубрав.
Замкнутый цикл круговорота питательных веществ в естественных биоценозах за счет аккумулирующей деятельности растений приводит к накоплению калия в пределах корнеобитаемого слоя и постепенному обогащению этим элементом верхних горизонтов.
В агроценозах на круговорот и баланс калия влияет в основном хозяйственная деятельность: обеспеченность удобрениями, специализации хозяйств.
Валовые запасы калия в почвах в 5-50 раз превышают запасы азота и фосфора. Д.Н. Прянишников при оценке баланса калия в целом для страны допускал его дефицит 20-22 кг/га в год.
Основной расходной статьей баланса калия в земледелии является хозяйственный вынос с продукцией.
Ежегодно с урожаем растений может выносится от 40 до 310 кг/га калия. Эти показатели рассчитаны, в частности, для зерновых, на средние урожаи, с повышением продуктивности они, естественно, возрастут.
Таблица. Содержание калия в урожае важнейших сельскохозяйственных культур1Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
| Зерновые хлеба | |||
| Гречиха | |||
| Лен и конопля | |||
| Подсолнечник | |||
| Картофель | |||
| Сахарная свекла | |||
| Капуста | |||
| Зерновые бобовые | |||
| Клевер (сено) | |||
| Люцерна (сено) | |||
| Луговые травы (сено) | |||
| Тимофеевка (сено) | |||
Для объективной оценки баланса калия необходимо учитывать распределение выноса между товарной и нетоварной частями продукции. Так, в зерне пшеницы содержится 15% калия от общего хозяйственного выноса, в соломе — 85%. Чем меньше содержится калия в товарной, отчуждаемой из хозяйства части урожая и больше в нетоварной, остающейся в поле или хозяйстве, в том числе в кормах, тем меньше калий отчуждается из внутрихозяйственного круговорота. Таким образом, специализация хозяйства определяет внутрихозяйственный баланс калия.
Часть калия может теряться из корнеобитаемого слоя почвы в результате инфильтрации: на легких почвах примерно 5%, на тяжелых — 2% от внесенного с удобрениями количества. На интенсивность вымывания влияют гранулометрический состав почвы, водный режим, дозы удобрений, биологические особенности культур.
Часть калия может теряется за счет водной и ветровой эрозии. По усредненным данным, эта величина составляет 4-8 кг/га. Принято считать, что расходные статьи потерь от эрозии компенсируются поступлением с семенами (около 2 кг/га) и осадками (2-6 кг/га).
Некоторая часть обменного калия может переходить в почве в фиксированное (необменно-поглощенное) состояние, становясь недоступной для растений. В снабжении растений калием участвуют также подпахотные слои почвы, уменьшая тем самым расход калия пахотного слоя. Так, в опытах на дерново-подзолистых почвах подсолнечник и люпин в среднем примерно 32% калия от общего выноса потребляли из подпахотных горизонтов.
Литература
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
Основы агрономии: учебное пособие/Ю.В. Евтефеев, Г.М. Казанцев. — М.: ФОРУМ, 2013. — 368 с.: ил.
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
