Zrównoważone zarządzanie składnikami odżywczymi roślin (SPNM): Informacje ogólne

Zrównoważone zarządzanie składnikami odżywczymi roślin (SPNM): Informacje ogólne
Zrównoważone zarządzanie składnikami pokarmowymi roślin

Torsten Mandal

Agronom specjalizujący się w międzynarodowym zrównoważonym agroleśnictwie, zarządzaniu gruntami i glebą

Share it:

This post is also available in:

This post is also available in: English (angielski)

Show more translationsShow less translations

Czym jest SPNM i dlaczego jest ważny?

Zrozumienie zrównoważonego zarządzania składnikami pokarmowymi roślin jest ważne z wielu powodów. Zbyt mała wiedza na temat wykorzystania roślinnych składników pokarmowych przyczynia się do istotnych problemów związanych z żywieniem, bezpieczeństwem żywnościowym, zanieczyszczeniem środowiska, zmianami klimatycznymi, utratą różnorodności biologicznej, zapotrzebowaniem na tereny uprawne oraz ekonomią rolników i społeczeństwa. Zrównoważone zarządzanie składnikami pokarmowymi oznacza trwałe rozwiązanie wyzwań, dostosowane do lokalnych potrzeb w czasie, bez zakładania, jak należy to zrobić w każdym przypadku (np. czy należy stosować rozpuszczalne w wodzie, „chemiczne” nawozy). Podstawowymi zasadami są: zrozumienie, co jest potrzebne i kiedy, udostępnienie tego składnika roślinom w połączeniu z opłacalnymi i bezpiecznymi sposobami, a także zachowanie i recykling składników odżywczych. Debata i często sprzeczne, zbyt uproszczone poglądy na temat zrównoważonego zarządzania składnikami pokarmowymi pobieranymi przez rośliny zostały podsumowane bardziej szczegółowo we wstępie. Natomiast w niniejszym artykule podsumowano najważniejsze fakty dotyczące ochrony składników odżywczych, recyklingu, nawozów, mikroorganizmów i grup pierwiastków odżywczych.

Ochrona i obieg składników pokarmowych

Istotne jest zachowanie stosunkowo bogatej w składniki odżywcze wierzchniej warstwy gleby przed utratą składników odżywczych do wody i powietrza. Podobnie trudności sprawia recykling, ale jest ważny dla składników odżywczych utraconych, zjedzonych lub sprzedanych. Wysiłki te można dobrze dopasować do innych praktyk i celów, takich jak ochrona gleby i wody, wychwytywanie dwutlenku węgla, budowanie materii organicznej gleby i aktywności biologicznej, oszczędzanie energii, a być może także zwalczanie chwastów i szkodników.

Ochrona składników pokarmowych obejmuje zachowanie wierzchniej warstwy gleby i ograniczenie strat, zwłaszcza form azotu, takich jak rozpuszczalny w wodzie amoniak w postaci gazowej (NH3), do powietrza. Straty mogą pochodzić również z wymywania (wymywania), np. azotanów (NO3). Podzielona aplikacja i poplony mogą pomóc w poprawie zdolności roślin do wchłaniania składników odżywczych. Składniki odżywcze mogą być również tracone na rzecz lub odzyskiwane od zwierząt gospodarskich, ze spalania lub toalet rolników/miejskich oraz z eksportu. Fosforan może być tracony z form biologicznie dostępnych przez sezon lub dłużej poprzez wiązanie z minerałami ilastymi.

Obieg składników odżywczych. Standardem był recykling z wypasanych terenów zalewowych, a także ludzkie odpady i popioły. Czasami taki recykling można przywrócić w bezpieczny sposób. Dostęp do materiałów bogatych w azot (N), na przykład, zwiększa wyzwania związane z recyklingiem materiałów ubogich w składniki odżywcze, które mogą zwiększyć pobór N z gleby przez mikroorganizmy wykorzystujące węgiel (C).

Nawozy organiczne i oborniki zawierają zazwyczaj mikroorganizmy i pozostałości organizmów. Należą do nich niektóre łatwo rozpuszczalne w wodzie formy zmineralizowane (np. amon, amoniak i rozpuszczalne fosforany) występujące również w nawozach komercyjnych. Rozpuszczalne w wodzie mikroelementy mogą wymagać zwolnienia z zasad rolnictwa ekologicznego. Niektóre popioły z biomasy i minerały uwalniające składniki odżywcze powoli(slow release), jak np. fosforan kamienny, mogą być również dopuszczone do stosowania w certyfikowanym rolnictwie ekologicznym i niekiedy pomagają.

Kompostowanie mieszanych rodzajów materiałów organicznych może zwiększyć stężenie składników odżywczych poprzez usuwanie C, jako CO2, z dostępem do tlenu (O2, aerobowo) lub metanu (CH4) anaerobowo).

Koniecznie należy stosować nawozy organiczne, jeśli są dostępne, ale ich jakość i ilości są różne w zależności od nadmiaru i niedoboru. Jeśli dostępne i stosowane są wystarczające ilości dobrej jakości obornika organicznego, może on zaopatrzyć glebę (i rośliny) we wszystkie składniki odżywcze. Jednocześnie jego obecność poprawia właściwości biologiczne i fizyczne gleby, zmniejsza problemy z kwasowością przy napowietrzaniu i jest bezpiecznie stosowany. Jednak nawozy organiczne mogą wprowadzać nowe gatunki chwastów i szkodników, jeśli nie zostaną wystarczająco podgrzane w procesie kompostowania. Składniki odżywcze mogą wymagać uwalniania w lepszym czasie (synchronizacji), odpowiednio do zapotrzebowania upraw, a wiedza jest potrzebna do oszacowania, ile nawozów komercyjnych zastępuje.

Materiały bogate w azot (N) mogą być potrzebne jako dodatek do niektórych pozostałości roślinnych (jak słoma) przed wymieszaniem ich z glebą ubogą w N. Dzieje się tak dlatego, że takie pozostałości mają bardzo dużą zawartość węgla w porównaniu z azotem, który również jest potrzebny bakteriom. Dlatego też potrzebny jest dodatkowy N, aby uniknąć bakterii wyczerpujących N z ubogiej w N gleby w celu zrównoważenia ich wysokowęglowego sposobu odżywiania.  Zawartość węgla można ponadto zmniejszyć poprzez kompostowanie. Oddychanie i uwalnianie gazu cieplarnianego CO2  do powietrza może również pomóc wysokowęglowym materiałom kompostowym osiągnąć stabilny stosunek węgla do azotu na poziomie 30 : 1 C : N lub niżej. Stosunek C : N w oborniku powinien być niższy, aby uwolnić N. Nie jest to na przykład problemem w większości duńskich gospodarstw, ale w małych, zubożonych gospodarstwach dysponujących głównie łodygami kukurydzy w Zimbabwe (pers. comm. odpowiednio dr N E Nielsen i dr Ken Giller). Podobnie zbyt wysokie stężenie tanin wiążących białka może być problemem np. w przypadku liści drzew.

Stymulatory żyzności gleby to zazwyczaj produkty, o których mówi się, że poprawiają glebę lub żywienie roślin w sposób inny niż nawozy.  Wiele produktów jest sprzedawanych lub jako organiczne lub biologiczne polepszacze gleby.

Niektóre z tych produktów są potrzebne i odpowiednie. Mogą one np. sprawdzać się w przypadku wprowadzania bakterii wiążących azot dla roślin strączkowych o specyficznych potrzebach bakteryjnych, jak np. większość gatunków soi. To może być problem w przypadku uprawy na nowych stanowiskach.  Czasami potrzebne są produkty bakteryjne (inokulanty), ale mogą one nie być sprzedawane lokalnie lub nie być dostosowane do lokalnych gleb.  Inne produkty stymulujące żyzność gleby mogą skutecznie ograniczyć utratę azotu w postaci silnego gazu cieplarnianego N2O z miejsc słabo napowietrzonych w glebie o dużej zawartości N (inhibitory denitryfikacji).

Niektóre produkty mogą w istotnym zakresie pomóc w laboratoriach ze sterylnymi glebami, ale mogą mieć niewielkie lub zerowe znaczenie w glebach zewnętrznych z różnorodnymi roślinami, kawałkami korzeni i szeregiem bytujących w glebie mikroorganizmów.

Podawanie niektórych produktów jest całkowicie pozbawione sensu, choć są promowane jako np. organiczne i/lub nano „super dopalacze”.

Opracowywanie odpowiednich regulacji w UE i USA dopiero się zaczyna i tylko w UE są one definiowane jako środki odżywiania roślin (ale inne niż nawozy).

Zróżnicowane systemy mogą pomóc w wykorzystaniu składników odżywczych częściowo różnych typów, głębokości i czasu oraz przyczynić się do korzystnej aktywności mikrobiologicznej, ochrony gleby i wody, budowania materii organicznej gleby i recyklingu pozostałości po uprawach. Obejmują one uprawę różnych roślin razem (intercropping) z ograniczonym nakładaniem się (uprawa sztafetowa) lub uprawę drzew z uprawami sezonowymi lub pastwiskami (agroleśnictwo i systemy drzewo-pastwisko zwane sylwopastoralnymi). Rośliny okrywowe mogą zmieścić się na powierzchni gleby i jako poplony pobierają pozostałe azotany, dzięki czemu nie dochodzi do wypłukiwania (wymywania) tych związków.

Należy pamiętać, że nawet jeśli się różnią i mogą przynosić sobie wzajemne korzyści, rośliny również konkurują o składniki odżywcze, wodę i światło.

Nawozy: problemy, rozwiązania i nieporozumienia dotyczące zrównoważonego rozwoju

Podsumowanie kilku kluczowych punktów:

  1. Utrzymanie dobrego wzrostu i plonu roślin jest często trudne bez nawozów komercyjnych.Nawóz organiczny, biologiczne wiązanie azotu (przez gatunki takie jak fasola) oraz ochrona gleby i wody są ważne, ale nie zawsze wystarczające, aby zapewnić wysokie plony, dobre pobieranie składników odżywczych i sprzedaż produktów (np. z terenów zdegradowanych lub naturalnie nieurodzajnych). Dostęp do nawozów organicznych lub pasz z zewnątrz jest niewielki, a czas i powierzchnia gruntów ograniczone. Niektórzy rolnicy mogą budować poziom składników odżywczych w glebie za pomocą nawozów, zanim nauczą się i stopniowo przejdą na wydajne, odpowiedzialne ekologicznie rolnictwo.

Inni rolnicy przystępujący do uprawy mogą nie potrzebować, nie chcieć lub nie być w stanie kupić nawozu. Jednak później, gdy nabędą doświadczenia i wiedzy, a także gdy zyskają możliwości i lepszy dostęp do odpowiednich nawozów i niezawodnego rynku, lub gdy gleba się wyczerpie, mogą zmienić strategię i włączyć nawożenie na niektórych lub wszystkich polach. W niektórych regionach nadal często sprzedawane są fałszywe lub rozcieńczone agrochemikalia, nawozy lub „cudowne środki wspomagające uprawę”.

  1. Nawozy mogą powodować wiele problemów, ale rolnicy nie są z tym problemem pozostawieni sami sobie: są rozwiązania, po które mogą sięgnąć. Stosowanie nawozów (jak również materii organicznej) może powodować wiele problemów dla gleby, roślin, środowiska, a w niektórych przypadkach także wartości odżywczych i jakości plonów, jeśli nawozy są stosowane bez odpowiedniej wiedzy, opieki i przepisów. Jednak takie problemy można ograniczyć lub uniknąć poprzez edukację i dobór odpowiednich rodzajów, dawek, umiejscowienia, czasu itp. Na przykład nawozy amonowe (NH4+) i mocznikowe (N) mogą zakwaszać gleby, jeśli nie są połączone z wapnem lub nawozami azotowymi (NO3). Nie każda produkcja nawozów wymaga dużej ilości energii, a niektóre firmy ponownie rozpoczynają produkcję nawozów azotowych z wykorzystaniem energii odnawialnej. Potrzebny nawóz może zwiększyć wychwytywanie CO2  przez rośliny, a nawet dla roślin strączkowych oszczędzając energię potrzebną do wychwytywania azotu z powietrza, jeśli jest to korzystne. Nawóz bywa metodą konkurencyjną dla innych metod użyźniania gleby lub jest nadmiernie reklamowany jako jedyna metoda. Może jednak stanowić wartość dodaną do innych metod ochrony i poprawy jakości gleby (synergia lub korzystne współdziałanie).
  2. Nawozy mogą dać więcej miejsca naturze, ale ją zanieczyszczają. Stosowanie nawozów może zmniejszyć zapotrzebowanie na ziemię pod uprawę, ale z drugiej strony zanieczyszcza środowisko bezpośrednio lub poprzez większą ilość paszy dla zwierząt gospodarskich, emisji, obornika i moczu.
  3. Nawozy wymagają energii do produkcji i transportu, ale przy dobrym wykorzystaniu mogą sprzyjać wychwytywaniu węgla przez rośliny. Statki towarowe zużywają niewiele energii w porównaniu z płynącymi szybko promami.
  4. Fosforan jest zasobem ograniczonym, ale większość innych surowców do produkcji nawozów to substancje odżywcze dostępne od wielu setek lub tysięcy lat, jeśli są przedmiotem handlu międzynarodowego.
  5. Nawozy mogą zmniejszyć lub zwiększyć ryzyko nieurodzaju, strat ekonomicznych lub produktów złej jakości. Zależy to zależy od wiedzy i kilku innych czynników.

Analiza składników odżywczych gleby i roślin może być istotna dla rolników stosujących lub niestosujących nawozów. Szczególnie w przypadku nawozów rolnicy mogą wybrać te składniki odżywcze, które — jak wskazują badania — są dostępne w stężeniach zbyt niskich dla odpowiedniego wzrostu różnych upraw. W odpowiedzi na poszczególne braki można zastosować również inne metody.

Mikroorganizmy i wiązanie azotu są niezbędne w odżywianiu roślin, jednak czasami potrzebują pomocy 

Mikroorganizmy mogą rozwiązać tylko niektóre problemy związane z odżywianiem roślin. Jednak mogą one pomóc w recyklingu i rozpuszczaniu składników odżywczych, poszerzaniu bryły korzeniowej, a także sprawiają, że azot z powietrza jest przydatny, co podsumowano poniżej.

Niekiedy mogą pomóc mikrobiom i inne dodatki (suplementy). Na przykład działają korzystnie w przypadku niektórych nowych typów roślin strączkowych (krewniaków fasoli) o specyficznych potrzebach bakterii rhizobium wiążących azot. Dodatek mikroorganizmów może być również pomocny w przypadku stosowania sterylizowanych pożywek, gleb wydobytych lub w przypadku przesadzania roślin bez gleby i z niewielką ilością lub bez korzeni. Odpowiednie rodzaje inokulantów mikrobiologicznych mogą być trudne do znalezienia i kupienia w razie potrzeby (przeniesienie obornika z nimi może sprawić, że będzie to prawdziwa korzyść). Recykling resztek organicznych jest również ważny, ale są one niewygodne, jeśli pomagają na polu, gdzie mogą być już ich tony. Małe opakowania „cudownych stymulantów” mogą być bezużyteczne na polu, jeśli tylko materia organiczna jest poddawana recyklingowi. Oparty na fałszywych informacjach marketing i fałszowane produkty dla rolników są powszechne w krajach rozwijających się, natomiast UE i USA po raz pierwszy regulują „biostymulanty”, przy czym tylko UE definiuje je jako produkty do odżywiania roślin. Większość składników odżywczych można znaleźć w prawie wszystkim, co organiczne, ale niektóre mogą być w formach lub ilościach, które nie pomagają roślinom w ogóle lub przynajmniej nie jest to opłacalna dla rolnika forma wsparcia upraw, zwłaszcza jeśli są one rozprowadzane na całym polu lub uprawach.

  • Promowanie zróżnicowanej i dużej okrywy roślinnej w rolnictwie może być wystarczające do uzyskania zróżnicowanego środowiska mikrobiologicznego i wytworzenia dobrej materii organicznej. Pomocne może być również dodanie żyznej wierzchniej warstwy gleby i ściółki roślinnej na powierzchni kompostu. Niektórzy zalecają do kompostu konkretne dżdżownice tolerujące ciepło.

Grzyby mikoryzowe działają jako ważne symbiotyczne (wzajemnie korzystne) rozszerzenia systemów korzeniowych roślin, ale dla większości roślin uprawnych i ziół wspólne typy endo-mycorrhizae(także wewnątrz korzeni) można znaleźć w glebach zawierającej resztki korzeni. Rośliny z siewu bezpośredniego mogą być kolonizowane w trakcie wzrostu.

Możliwe jest lokalne przenoszenie mikroorganizmów z pola na pole. Organizmy te są niezbędne do pobierania słabo mobilnego fosforu (P) i miedzi (Cu).

  • Większość gatunków wspólnie korzysta z pomocy kilku gatunków mikoryzowych. Kapusta czy gatunki z rodziny Cruciferae nie wchodzą z nimi w symbiozę. Natomiast rośliny iglaste mają specyficzne potrzeby (ektomikoryzapokrywająca powierzchnię), ważne dla nowych obszarów wzrostu i szkółek.
  • Wiązanie azotu z powietrza glebowego. Większość roślin z rodziny bobowatych (groch, strączkowe, drzewo strączkowe) może wiązać dużo azotu z powietrza glebowego (N2) w formy, które rośliny mogą wykorzystać, jak jony amonowe (NH4+), zużywając dużo energii słonecznej. Rośliny strączkowe zużyją dużo energii (cukru) lub składników odżywczych na wiązanie N tylko wówczas, gdy są w okresie największego zapotrzebowania na N. Dlatego będzie to ważne tylko wtedy, gdy będą miały wystarczającą ilość innych czynników wzrostu, takich jak fosfor i woda. Ogólnie rzecz biorąc, część rośliny znajdująca się najbliżej czynnika ograniczającego (np. N lub cukru) wykorzysta to, czego potrzebuje i będzie rosła, zanim jego nadmiar stanie się dostępny dla innych części.

Niektóre są drzewami ze strąkami i kwiatami jak u fasoli (np. Gliricidia i Robina) lub są owłosione (m.in. Acacia, Mimosa, Calliandra i Leucaena). Drzewa Alnus i Casuarina mogą wiązać azot wspólnie (symbiotycznie) ze specjalnymi bakteriami o wyglądzie włoskowatym, przypominającym grzyby, Frankia(actinomycetes), podobnie jak żyjące w wodzie sinice (nadal często nazywane „niebiesko-zielonymi algami”). Wiązanie azotu wymaga dostępności takich zasobów jak woda i fosforan. Niektóre gatunki roślin na pewnych stanowiskach będą wymagały wprowadzenia(zaszczepienia) mikroorganizmów symbiotycznych na nowych stanowiskach. Inne wyzwania to kiełkowanie dzikich roślin strączkowych, ich wystarczające rozmnożenie i dopasowanie do innych sposobów użytkowania gruntów oraz zapotrzebowanie na składniki odżywcze. Proponuje się rozwiązania standardowe i innowacyjne. Wolno żyjące bakterie glebowe mogą wiązać niewielką ilość azotu (na przykład 5–20 kg na hektar). Więcej informacji można znaleźć w moim artykule o azocie.

Specyficzne składniki odżywcze

Artykuły dotyczące konkretnych składników odżywczych nie będą omawiane w niniejszym podsumowaniu, chyba że będą istotne jako przykłady ważnych zasad. Odżywki różnią się od siebie znacznie, a konkretna wiedza nie może być po prostu zastąpiona ogólnymi założeniami, przekonaniami i ideologiami. W dziale Azot przedstawiono niektóre wyzwania i najnowsze rozwiązania dla roślin strączkowych. Proporcje składników pokarmowych są istotne, przy czym niektóre z nich konkurują ze sobą, podczas gdy inne poprawiają wzajemnie swój pobór. Np. zbyt wysoki stosunek azotu (N) do fosforu (P) lub N do potasu (K) opóźnia kwitnienie (wzrost reprodukcyjny). Może również zwiększyć ataki szkodników, takich jak mszyce i choroby, ponieważ zwiększa się zawartość białka, a struktury ulegają osłabieniu.

  • Artykuł dotyczący poszczególnych składników pokarmowych oraz analizy i obserwacji roślin i gleby może pomóc w skupieniu się na odpowiednich składnikach pokarmowych. Tak samo może być w przypadku specyficznych, lokalnych wytycznych dotyczących upraw.

Zrównoważone zarządzanie składnikami odżywczymi roślin

Rysunek 2.  Zdrowa roślina i roślina z niedoborem azotu (-N), fosforu (-P, dolne liście małe i ciemne, w innych przypadkach fioletowe), i potasu (-K, spalone krawędzie).  Niedobór makroelementów (N, P, K), magnezu i molibdenu dotyka najpierw starszych liści. Za pozwoleniem: Yara Fertilizer Industry Handbook 2022.

Typowe objawy niedoboru makroelementów N, P i K przedstawiono na rysunku 2. Rośliny mogą przekierowywać potrzebne składniki odżywcze ze starych do nowych liści, pąków, owoców i pędów. Są to makro (= główne) składniki pokarmowe (N, P i K) oraz jeden z dodatkowych składników odżywczych — magnez (Mg). Objawy ich niedoboru zaczynają się na dolnych liściach. Takie objawy zaczynają być widoczne na młodszych liściach i wskazują na niedobór mikroelementów (z wyjątkiem molibdenu) lub początek niedoboru drugorzędnych składników pokarmowych, to jest wapnia (Ca) lub siarki (S). Mikroelementy stają się mniej dostępne, gdy gleby są mniej i bardziej zasadowe — i znowu, z wyjątkiem molibdenu — ale mogą być również wypłukiwane ze starych gleb kwaśnych lub piasków, związane z dużymi cząstkami organicznymi przez poziom tlenu w glebie.  Niedobór P powoduje czasem fioletowe zabarwienie części dolnych liści, ale w tym przypadku są one małe i ciemnozielone. Więcej informacji można znaleźć, korzystając z listy źródeł oraz artykułów Mandala (2023) w Bibliotece WikiFarmer, w których omówiono konkretne składniki odżywcze i sposoby obserwacji zapotrzebowania roślin na nie.

Jednak wytyczne dotyczące leczenia niedoborów składników odżywczych mogą się różnić w zależności od przypadku. Ponadto rozpoznanie konkretnego niedoboru składnika odżywczego może być trudne ze względu na inne czynniki stresowe (takie jak stresy abiotyczne, susza lub atak szkodników i chorób) maskujące typowe objawy, których można się spodziewać. Wreszcie, objawy różnią się nieco w bardzo młodych lub starych liściach.

Referencje i sugerowane lektury.

FAO 2018: 10 elements | Agroecology Knowledge Hub | Food and Agriculture Organization of the United Nations (fao.org)

BigPictureAgriculture (2015): Plant Nutrient Deficiency Leaf Illustrations and Charts Reference Guide.  https://bigpictureagriculture.blogspot.com/2015/12/plant-nutrient-deficiency-leaf.html

Diagnosis of Plant Nutritional Disorders — Department of Plant Science (psu.edu). Penn State College of Agricultural Science, seen 2023 The Pennsylvania State University

Mucheru-Muna M, Mugende D, Pypers P, Mugwe J, Kung’u J, Vanlauwe B, Merckx R.  (2014): Enhancing maize productivity and profitability using organic inputs and mineral fertilizer in central Kenya small-holder farms.  Experimental Agriculture, 50(2), 250-269. doi:10.1017/S0014479713000525

Mudombi-Rusinamhodzi G and Rusinamhodzi L (2022): Food sovereignty in sub-Saharan Africa: Reality, relevance, and practicality. Front. Agron. 4:957011. doi: 10.3389/fagro.2022.957011.

Reetz, HF (2016): Fertilizers and their Efficient Use.  Publisher: IFA, Paris, 2016 Library (fertilizer.org)

NASI PARTNERZY

Łączymy siły z uczelniami wyższymi, organizacjami pozarządowymi i innymi organizacjami na całym świecie, pełniąc wspólnie misję w zakresie zrównoważonego rozwoju i dobrobytu człowieka.