A növények tápelemtartalma, talajbeli ionmozgások és a tápanyagok felvétele
Előző lapszámainkban a növények számára szükséges tápanyagokkal, elemekkel és azok pótlásával foglalkoztunk, most pedig megpróbáljuk körüljárni a trágyázást a kémiai folyamatok oldaláról, egyrészt a talajban, másrészt a növényben. Nem bocsátkozunk a mélyebb tudományos ismeretekbe, inkább érdekességeket, a tápanyagutánpótlás talaj-növény vonatkozásait mutatjuk be.
Hogyan épül fel valójában egy növény?
A vadon élő és a termesztett növényeink is alapvetően két fő alkotórészből épülnek fel: vízből és szárazanyagból. Ez még nem is tűnik újnak, azonban ha tovább bontjuk a szárazanyagot, már több információra bukkanhatunk. A növényi szárazanyag szerves vegyületekből és hamuból áll. Az előbbi körülbelül 80–90%-ot, az utóbbi megközelítőleg 10–20%-ot tesz ki. A teljes szárazanyag majdnem 90%át a szén és az oxigén alkotja, nagyjából fele-fele arányban. Harmadik elemként kapcsolódik még a hidrogén, de már jóval kisebb részaránnyal (kb. 5%). Ha ezeket összeadjuk, 85–92%-ot kapunk a három elemre (C, O, H), így az összes többi elem, amelyekről a szántóföldi növények trágyázása szól a növényi szárazanyagban 8–15%-ot jelent. Természetesen ez sem elhanyagolható mennyiség, ahogyan már ezt korábban több oldalról is ismertettük.
A növényt alkotó szerves vegyületek is két csoportba sorolandók:
- általános, minden növényi szervezetben előforduló anyagok: szénhidrátok, fehérjék, lipidek, amelyek a legnagyobb mennyiségben találhatók meg, tőlük kisebb, de jelentős arányt képvisel a klorofill, míg a legkisebb a mennyiségük a harmadik csoportba tartozóknak, a hormonoknak, vitaminoknak, enzimeknek van jelen.
- Bizonyos növények (például a dohány) tartalmaznak speciális vegyületeket, mint a nikotin.
Mi teszi a talajt valódi tápanyagraktárrá?
Itt is két nagy csoportot különíthetünk el:
1. a növények számára közvetlenül felvehető formában lévő tápanyagok
2. közvetlenül nem felvehető tápanyagformák.
Az első csoportba azok az anyagok tartoznak, amelyek vízben, híg sóoldatokban vagy savakban jól oldódnak, így a növények könnyen és gyorsan fel tudják venni őket. Ezeket nevezzük oldható tápanyagoknak. A második csoportot a kicserélhető anyagok alkotják. Ide tartoznak a fémionok és az ammóniumion (NH₄⁺), amelyek pozitív töltésüknél fogva az elektrosztatikus vonzás révén kötődnek a talaj negatív töltésű kolloidjaihoz. Innen az ionok folyamatosan képesek leválni a talajoldatba, miközben más ionok a helyükre kötődnek vissza. A két állapot közötti folyamatos átrendeződés hozza létre a dinamikus egyensúlyt.
A növények számára közvetlenül nem felvehető elemek olyan formákban vannak jelen a talajban, amelyek erősebb kötésekhez kapcsolódnak, mint amekkorát a gyökér szívóereje képes lenne feloldani. Ezek az anyagok ásványok kristályszerkezetébe épülve, vagy különböző vegyületek kémiai kötéseiben fixálva találhatók meg, így a növény számára nem állnak azonnal rendelkezésre. A talajoldatba csak lassú, hosszú távú folyamatok – például mállás, ásványosodás – hatására jutnak át. Nézzük meg ezeket a formákat részletesebben: szerves anyagok: a különböző növényi, állati szervezetektől visszamaradt anyagok, amelyekben biológiailag kötötten találhatók az egyes elemek, de ide tartozik a talaj humusztartalma is, ami a szerves anyagok már átalakult formája, azonban a növények számára hasznos vegyületek, molekulák itt is erősen kötve vannak. Belőlük csak a mineralizáció (ásványosodás) során jutnak a növények.
Oldhatatlan anyagok: olyan vegyületek, amelyek különböző fémionokkal adszorpció folyamata által (szilárd anyag felületén történő megkötődés) megkötődnek, gyakorlatilag kicsapódnak, így nem oldódó, felvehetetlen formába kerülnek. Főként a foszfátokra jellemző, vas-, alumínium-, kalciumfoszfátok képződnek. Visszaoldódásuk után tudnak a talajoldatba jutni.
Kristályrácsban kötött anyagok: a szilikátokra jellemző a kristályrácsos szerkezeti felépítés. Ezekbe a rácsokba épülnek be az egyes elemek, ahonnan erőteljes kémiai-fizikai folyamatok (az úgynevezett mállási folyamatok) után lesznek oldhatók
Agyagásványokban fixált tápanyagok: az agyagásványokra a réteges rácsos szerkezet jellemző, amely duzzadóképessé teszi őket. A rétegrácsok közé épülnek be például a kálium- vagy az ammóniumionok (más néven fixálódnak), ezzel összezárják a rétegeket olyannyira szorosan, hogy még a rétegek is összezáródnak, elvesztik duzzadó-képességüket. Innen az ionok nem lesznek kicserélhetők más ionokkal, tehát felvehetetlenné válnak.
Hogyan talál egymásra a gyökérés a tápanyag?
A talajban lévő ionoknak és a gyökérnek valamilyen módon találkoznia kell ahhoz, hogy a növények táplálása végbemenjen. Ennek kizárólagos közvetítője a víz, a talaj nedvessége, a talajoldat. Az ebben lévő anyagok kétféle módon közeledhetnek a felvételi helyek felé:
– az egyik a diffúzió, amelynél az ionok elmozdulása a koncentráció különbség hatására történik, azaz a talajoldatban egy bizonyos helyen lévő, nagy csoportban lévő ionok „elvándorolnak” azokra a helyekre, ahol nincs, vagy nagyon kevés van belőlük. A folyamat addig zajlik, amíg a két hely közötti koncentráció ki nem egyenlítődik. A hiány adódhat abból is, hogy a gyökér a környékén lévő elemeket felveszi, a gyökerektől mentes talajrészekben, vagy éppen a kijuttatott műtrágyaszemcsék közvetlen közelében viszont dúsabban lévő ionok a felvételi zóna felé mozdulnak a diffúzió hatására.
– Az ionok másik „mozgási” formája az anyagáramlás, anyagáramlás, amely a közeg mozgásával történik, és független a koncentrációkülönbségtől.
De mi hozza mozgásba a talajoldatot? A válasz a transzspiráció, a párologtatás. A növények ahhoz, hogy a víz és a benne oldott anyagok minden részükhöz eljussanak, párologtatnak, tehát egyfajta szívóerőt generálnak, ami segíti a víz áramlását, nemcsak a növényben, hanem már a talajban, a növény felé is. Ezért fontos a növényeink vízellátására odafigyelni, hiszen az aszályban nemcsak vízhiány, hanem vele együtt tápanyaghiány is kialakulhat. Az így kialakult szívóerő 5, de akár 15 bar is lehet.
Mi befolyásolja a talajoldation-összetételét?
A talajoldat ionokban gazdag közeg, de összetétele nem mindig felel meg a növény aktuális tápanyagigényének. Egyes elemekből bőséges mennyiség áll rendelkezésre, míg másokból kifejezetten kevés található. Az ionok arányát alapvetően két fontos kölcsönhatás határozza meg. Az első a szinergizmus, amikor egy elem jelenléte elősegíti egy másik felvételét vagy növeli annak koncentrációját a talajoldatban. Ilyen szinergista kapcsolat figyelhető meg például a nitrogén és kén, valamint a foszfor és magnézium között.
A másik folyamat a negatív kölcsönhatás, azaz az antagonizmus, amikor egy adott elem „túlsúlya” gátolja egy másik talajoldatba kerülését vagy felvételét, így a növény akár relatív hiányállapotot is mutathat. A jelenség kialakulását a talaj szerkezete és kémhatása jelentősen befolyásolja. Savanyú, laza szerkezetű talajokon például a káliumtöbblet visszaszoríthatja a kalcium felvételét, ami hiánytünetekhez vezethet. Hasonló antagonista hatás figyelhető meg a magnézium, kalcium és ammóniumionok között is.
A növény dönt: mikor mit és hogyan vesz fel?
A növények a tápanyagokat a gyökéren és a levélen keresztül vehetik fel. A tápanyagok igényelt mennyiségének döntő része a gyökéren át érkezik, csak kis százalékot képes a levél felvenni. A gyökér általi tápanyagfelvétel történhet energiaigényes és energiát nem igénylő úton is. Az energia nélküli anyagfelvételt passzív folyamatnak is nevezzük. Ilyen esetekben az ionok a gyökér sejtfalainak pórusain jutnak be a sejtközötti térbe és innen a szövetek mélyebb sejtsorai közé is, ahol diffúzió hatására jutnak el a növény minden részébe (apoplasztikus transzport).
A másik fontos folyamat az ioncsere, amikor a gyökér felszínén lévő ion a talajoldatba kerül, és helyére egy hasonló töltésű, hasonló tulajdonságú ion kötődik vissza. Ezekhez a folyamatokhoz nincs szükség a növény energiájára: fizikai és kémiai törvényszerűségek alapján zajlanak, amennyiben adott a megfelelő környezet – például elegendő víz- és ionkoncentráció, kedvező hőmérséklet, nyomásviszonyok, redoxi állapot és pH. Ilyenkor az ioncsere lényegében önműködően megy végbe. A növény ugyanakkor képes arra is, hogy az ionokat koncentrációgradiens ellenében, azaz a nagyobb mennyiség irányába vegye fel. Ezek már aktív folyamatok, amelyek energiafelhasználást igényelnek. Energiára van szükség ahhoz is, hogy az ionok átjussanak a gyökérsejtek hártyáin. Sok esetben speciális fehérjék, úgynevezett carrierek (szállítók) segítik az ionok bejuttatását, amelyek működése ugyancsak energiaigényes.
A levélen keresztüli tápanyagfelvételben nagy segítségre vannak a gázcserenyílások, más néven sztómák. Így jut például a növénybe a szén-dioxid. A szén, mint alkotóelem felvételét nagyrészt meg is oldja ezáltal a növény, miközben a légkört tisztítja a számunkra nagy koncentrációban mérgező gáztól. Itt is kétféle folyamat játszik döntő szerepet: a diffúzió, ami energiabefektetés nélkül segít a tápanyag levélbe jutásához, valamint az aktív transzport, energiapontokon keresztül, plusz energia hatására történő felvétel. Az egész levélfelület képes ezeken az utakon a kijuttatott trágyák felvételére, azonban a sztómák környékén az aktív felvétel is jelentősebb.
A tápanyagfelvételt nem lehet elválasztani a víz felvételétől, hiszen egymásra hatnak, és eddig leginkább a tápanyag víztől való „függését” emeltük ki, de egyes elemek esetében a fordítottja is igaz, támogatják a víz növénybe kerülését. Nézzük, hogyan történik mindez! A növények a szervezetükben lévő víz legnagyobb részét gyökérszőreik segítségével veszik fel, a levélen, száron keresztül csak nagyon kevés víz jut a növénybe. A talajban lévő gravitációs és a kapillárisok által visszatartott vizet tudják hasznosítani, ezek alkotják az úgynevezett diszponibilis, vagy felvehető vízkészletet. Innen jut a növény gyökere vízhez, a vízpotenciál mértékétől függően. A vízpotenciál több tényező (felületi feszültség, ozmotikus potenciál, gravitáció, sejtek turgornyomása stb.) együtt hatásából ered, meghatározza, hogy a növény mennyi vizet képes felvenni. Ha a gyökér vízpotenciálja kisebb, a talajban van víz, ami a növény felé fog elmozdulni. Szárazság esetén azonban a talajbeli vízpotenciál a kisebb, a folyamat lassul, vagy meg is áll. Ahhoz, hogy a növény a továbbiakban is tudjon vízhez jutni, a sejtekben lévő kis hólyagkocskában (vakuólumban) lévő oldat koncentrációját kezdi el csökkenteni, ezzel csökkentik ozmózis nyomásukat, tehát kezdik megfordítani a vízpotenciál irányát, azaz képesek – egy bizonyos mértékig – a talajbeli vízpotenciál-értékhez igazodni, attól negatívabb értéket kialakítani. A vízfelvétel intenzitását befolyásolja még a sztómák nyitottsága, azaz a párologtatás mértéke.
Egyes tápelemek (például a kálium, klór) segítik a növények vízfelvételét, leginkább úgy, hogy a sejtek vízleadását szabályozzák, míg a magnézium és a kalcium ezzel szemben a transzspirációt serkenti, a növény vízpotenciálját negatív irányba mozdítja.
Létezik egy fogalom, a transzspirációs együttható, ami megmutatja, hogy egységnyi növényi szárazanyag felépítéséhez mennyi vízre van szükség. Nagy különbség van a C3 típusú fotoszintézist végző és a C4-es növények között, az együttható értéke a C3-soknál 300–800 l/1 kg szárazanyag, míg a C4-eseknél 200–300 l/1 kg szárazanyag. Ez nem jelenti azt, hogy a C4 növények nem vízigényesek, hiszen a vízigényüket befolyásolja, nagyon sok tényező mellett (tápanyagellátás, évjárat, öntözés, talajművelés, növényvédelem stb.), például a tenyészidőszakuk hossza is.
Minden mindennel összefügg– és a növény tudja is
Amint láttuk növényeink termesztése során a víz és a tápanyag „karöltve” van jelen, egyik sincs meg a másik nélkül, a növényszámára mindkettőnek egy helyen, egy időben rendelkezésre kell állnia a zavartalan fejlődéshez. A levelek epidermiszén keresztüli tápanyag összefüggésben van a gyökéren keresztüli elemfelvétellel is. Lombtrágyázás hatására sok esetben nem a levéltrágya arányában, hanem attól jóval nagyobb mértékben növekedhet a termés, ami azt feltételezi, hogy a lombon át történő növénytáplálás serkentheti a gyökérben zajló folyamatokat is. Megint bebizonyosodott, hogy a növénytermesztésünk során a természettel, annak szereplőivel „dolgozunk együtt”, ahol minden, mindennel összefüggésben áll, a teljes rendszer átlátására van szükség.
SZERZŐ: DR. DÓKA LAJOS FÜLÖP ADJUNKTUS, DR. SZABÓ ÉVA ADJUNKTUS, DR. SZABÓ ANDRÁS ADJUNKTUS • DE MÉK NÖVÉNYTUDOMÁNYI INTÉZET
Fotók: shutterstock.com
MezőHír Tudástár: Talajoldat-iondinamika – A talajoldatban lévő tápanyagionok (pl. NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, foszfátok) mozgása és aránya, amelyet a kolloidokhoz kötődés–leválás (kicserélhetőség), a diffúzió és az anyagáramlás, valamint a transzspirációs „szívóerő” alakít; ez dönti el, hogy a gyökér mikor és mennyit tud felvenni, és mikor alakul ki relatív hiány antagonizmus miatt.
