Роль калия в жизни растений

Калий является одним из основных элементов минерального питания растений. В растительных организмах он находится в ионной форме и не входит в органические соединения клеток. Он содержится главным образом в цитоплазме и вакуолях, в ядре отсутствует. Около 20 % калия удерживается в клетках растений в обменно-поглощенном состоянии коллоидами цитоплазмы, до 1 % его необменно поглощается митохондриями, а основная часть (примерно 80 %) находится в клеточном соке и легко извлекается водой. Поэтому калий вымывается из растений дождями, особенно из старых листьев. Физиологические функции калия в растительном организме разнообразны.

Накапливающийся в хлоропластах и митохондриях калий стабилизирует их структуру и способствует образованию богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в процессах фотосинтетического и окислительного фосфорилирования. На свету прочность связей иона калия с коллоидами цитоплазмы клетки усиливается, а в темноте она ослабевает и происходит частичное выделение калия из растений через корни. Он оказывает положительное влияние на физическое состояние коллоидов цитоплазмы, повышает их оводненность, набухаемость и вязкость, что создает нормальные условия обмена веществ в клетках, повышает устойчивость растений к засухе.

Калий положительно влияет на интенсивность фотосинтеза, окислительных процессов и образование органических кислот в растении, на углеводный и азотный обмен. Повышая активность ферментов, участвующих в углеводном обмене, калий способствует накоплению крахмала в клубнях картофеля, сахара в сахарной свекле, корнеплодах и других растениях, повышает устойчивость зерновых к морозам, а также к полеганию, к поражению мучнистой росой и ржавчиной, а овощные культуры, картофель и корнеплоды делает менее восприимчивыми к гнилям. У льна повышается выход и качество волокна, у зерновых – посевные качества семян. Имеются данные о положительном влиянии калия на вкусовые качества плодов.

Молодые жизнедеятельные органы растений содержат значительно больше калия, чем старые. В зерновых культурах его больше в соломе, чем в зерне. При недостатке калия в питательной среде происходит его отток из более старых органов и тканей в молодые органы, где он используется повторно (реутилизируется). При дефиците калия в почве края и кончики листьев (в основном нижних) буреют, становятся похожими на обожженные (этот симптом называется краевым ожогом), на пластинке листа появляются мелкие ржавые пятна. Чаще, чем другие культуры, от недостатка калия страдают картофель, корнеплоды, капуста, силосные культуры и многолетние травы, так как им необходимо много калия. Менее чувствительны к дефициту калия зерновые злаки, при остром его дефиците они плохо кустятся, междоузлия стеблей укорачиваются, а листья, в основном нижние, увядают даже при достаточной влажности.

Большое значение калия связано с содержанием в растениях радиоактивного изотопа калия ⁴⁰К. На его долю приходится 0,011 %, ³⁹К – 93,08 и ⁴¹К – 69,1 %. ⁴⁰К излучает бета- и гамма-лучи. Считают, что оба вида излучений создают дополнительную внутриклеточную энергию (излучение полезно для растений).

Следует отметить, что радиационный фон земли в немалой степени обусловлен ⁴⁰К. Радиоактивный калий является важным глубинным источником тепла нашей планеты.

Содержание и формы соединений калия в почве

Почти все почвы (кроме торфяных) содержат калия в 5 – 10 раз больше, чем азота и фосфора. Удельный вес этого элемента колеблется от 0,5 до 3 % в разных типах почв. Больше калия (2 – 2,5 %) содержат глинистые и суглинистые почвы, меньше (1 – 2 %) – песчаные и супесчаные. Торфяные почвы содержат только 0,03 – 1 % калия. Однако калий содержится в почвах главным образом в недоступной для растений форме.

По доступности растениям все соединения калия в почве можно распределить на пять групп: калий горных пород и минералов, водорастворимые соединения калия, обменный (поглощенный) калий, калий органического вещества, необменный или фиксированный калий.

Калий горных пород и минералов составляет 98 – 99 % общего количества калия в почве и представлен в виде труднорастворимых алюмосиликатов: полевых шпатов, слюд и гидрослюд. Он становится доступным растениям только после разрушения и превращения минералов в более простые минералы и соли и большого значения в питании растений не имеет.

Водорастворимые соединения калия (нитраты, фосфаты, сульфаты, хлориды, карбонаты) находятся в почвенном растворе. Доступны для растений, но содержатся в очень незначительных количествах: от 1 до 7 мг К₂О в 1 кг почвы, или от 3 до 21 кг на 1 га.

Обменный, или поглощенный, калий представлен катионами калия в почвенном поглощающем комплексе. Катионы ППК и водорастворимые соединения калия – это основные источники калийного питания растений. Поэтому степень обеспеченности почв калием для питания растений принято выражать содержанием его в подвижной форме (сумма водорастворимого и обменного).

В зависимости от степени обеспеченности подвижными формами калия почвы республики распределены на шесть групп (табл. 7.1).

Калий органического веществавходит в состав растительных остатков и микроорганизмов. Растениями непосредственно не усваивается, но в процессе минерализации органических веществ легко переходит в почвенный раствор и становится доступным для растений. Однако даже на хорошо окультуренных почвах содержание калия, входящего в состав плазмы микроорганизмов не превышает 25 кг/га и в связи с этим эта форма калия практического значения в питании растений не имеет.

Необменный, или фиксированный, калий поглощается почвой, прочно удерживается кристаллической решеткой минералов и поэтому труднодоступен для растений.

7.1. Группировка почв Беларуси по содержанию подвижного калия

(по Кирсанову)

Соотношение разных форм калия в почве зависит от ее типа и гранулометрического состава, степени окультуренности.

Между формами калия в почве существует подвижное (динамическое) равновесие, и если, например, растение поглощает водорастворимый калий, то количество его в почве пополняется за счет обменного, а уменьшение последнего через какое-то время восполняется за счет необменного калия. Таким образом, по мере потребления растениями подвижного калия запасы его будут пополняться за счет труднообменного, а также калия кристаллической решетки минералов. Однако в почве могут происходить и обратные процессы превращения одной формы в другую. Как указывает ряд исследователей, попеременно подсушивание и увлажнение почвы, обычно летом, несколько ускоряют этот процесс. Мобилизующее воздействие на переход калия в доступные формы оказывают сами растения.

По данным двенадцатого тура агрохимического исследования почв Беларуси, среднее содержание подвижных форм калия в дерново-подзолистых почвах составляет 196 мг К₂О в 1 кг почвы. Однако растения используют лишь 5,7–37,5% их запаса. Уровень использования калия из почвы зависит от ее типа и гранулометрического состава, от общего содержания его в почве, биологических особенностей культур и других условий. Средневзвешенное содержание подвижного калия в глинистых и суглинистых почвах составляет 215 мг/кг, супесчаных – 206 мг/кг и в песчаных – 173 мг/кг почвы.

Однако даже на пахотных угодьях еще велика доля почв, слабообеспеченных калием (менее 140 мг/кг на минеральных и менее 400 – на торфяно-болотных почвах), которая составляет 30,4 %. На долю слабообеспеченных почв на глинистых и суглинистых почвах приходится 26,4 %, супесчаных – 26,2, песчаных – 39,7 и торфяных – 59,8 %. 62,2 % почв улучшенных сенокосов и пастбищ слабо обеспечены подвижным калием. В то же время появились почвы с содержанием подвижного калия более 400 мг в 1 кг почвы (3,6 %), на которых внесение калийных удобрений неэффективно и приводит к непроизводительным затратам. Поэтому для повышения плодородия почв и рационального использования удобрений нужна оптимизация калийного питания растений, внесение калийных удобрений с учетом содержания калия в почвах.

Обменный калий в дерново-подзолистых песчаных почвах составляет примерно 0,5 %, супесчаных – 0,8, суглинистых – 1,5 % и глинистых – 2–3 % общего. Известно, что ионы обменного калия неравнозначны по доступности, которая зависит от их размещения в ППК почвы. Наименее прочно связаны ионы калия, которые сорбируются и удерживаются на планарных поверхностях кристаллов, несколько прочнее ионы, прикрепленные на углах и ребрах. Калий, занимающий эти сорбционные позиции, относится к категории интенсивно обменного калия, так как ионы его относительно быстро переходят в почвенный раствор. Наиболее прочно ионы обменного калия удерживаются в межпакетных гексагональных пустотах решетки и на клинообразных позициях ее боковых граней. На этих же позициях происходит и необменная фиксация калия. Для определения подвижного калия используется вытяжка 0,2 М НС1 (метод Кирсанова), а обменного 1 М CH₃COONH₄ (метод Масловой). Природный необменный калий прочно связан с кристаллической решеткой минералов и переходит в доступное состояние в результате выветривания.

Калий фиксированный почвой из удобрений доступен растениям, причем его доступность тем выше, чем больше количество его фиксировано почвой. Необменный калий из почвы извлекается 2М НС1 (метод Пчелкина), 10% -ной НС1 (метод Гедройца) и другими способами.

Формы соединений калия могут переходить друг в друга. Это можно выразить следующим образом:

К		К		К		К
водорастворимый	обменный	необменный	входящий в состав безводных силикатов

Степень обеспеченности почв доступным для растений калием выражается содержанием подвижных его форм. Однако более полная характеристика калийного режима почвы предусматривает кроме содержания подвижных форм калия в почве учет степени его подвижности, т.е. степени доступности растениям. Современные методы позволяют дать такую оценку. Она базируется на физико-химической взаимосвязи ионов калия, кальция и магния в системе «почва — почвенный раствор» и выражается через термодинамический потенциал калия, или так называемый калийный потенциал, который рассматривается как «фактор интенсивности» почвенного калия.

Под калийным потенциалом понимают изменение свободной энергии в реакциях обмена между катионами калия, с одной стороны, и кальция и магния – с другой, в системе «твердая часть почвы – почвенный раствор» при постоянных значениях температуры (25 °С) и давления (1,01∙10⁵ Па). Калийный потенциал (ΔZ°) находят по формуле ΔZ^о = рК – 0,5 рСа, где р – отрицательный логарифм активностей ионов К⁺ и суммы Са²⁺ и Mg²⁺.

Калийный потенциал почвы указывает на возможность перехода поглощенного ею калия в раствор с учетом конкуренции сопровождающих его двухвалентных катионов. Чем больше числовое значение калийного потенциала, тем ниже способность К⁺ к переходу в раствор, а следовательно, и его доступность растениям. Поскольку получаемая величина является отрицательным логарифмом, калийный потенциал служит универсальным и сравнительно постоянным показателем для каждого типа почвы.

Согласно принятой градации, величина калийного потенциала в интервале от 2,5 до 2,9 свидетельствует о недостатке калия в почве для нормального развития растений, значения 1,8–2,2 соответствуют оптимальным условиям, менее 1,5 – указывает на относительный избыток этого элемента. Калийный потенциал может использоваться для диагностики калийного питания растений и при разработке рекомендаций по внесению удобрений.

Для характеристики калийного режима почв кроме содержания подвижного (обменного) калия большое значение имеет такой дополнительный показатель, как степень насыщенности поглощающего комплекса калием в процентах от емкости катионного обмена (ЕКО). Это позволяет контролировать содержание подвижных форм калия в почве на уровне необходимом для формирования заданных урожаев, и избежать потерь калия от вымывания осадками на легких почвах.

По данным И. М. Богдевича, оптимальными уровнями насыщенности гумусового горизонта калием от емкости катионного обмена являются: для суглинистых почв – 4,0 – 5,0, супесчаных – 3,5 – 4,0 и песчаных – 3,0 – 3,5 %. На супесчаных и песчаных почвах насыщение гумусового горизонта обменным калием не должно превышать 3,5 – 4,0 % от ЕКО, ибо калий «течет» вниз по профилю.