Siarka – ciągle niedoceniany składnik

Nie ma chyba drugiego składnika pokarmowego, którego postrzeganie w ostatnim ćwierćwieczu tak bardzo się zmieniło. Najpierw problem zauważyli naukowcy, z czasem udało się zaprosić do współpracy niektóre firmy nawozowe, by w końcu przekonać do poważnego zajęcia się tym składnikiem doradców i rolników. W Polsce doskonałym wyczuciem w tym zakresie wykazały się Zakłady Chemiczne Luboń – obecnie LUVENA. To tutaj, we współpracy z ówczesną Akademią Rolniczą w Poznaniu, po raz pierwszy sformułowano hasło: „Siarka – szansa dla superfosfatu”. Obecnie siarą jestnieznajomość znaczenia tego składnika w żywieniu roślin.

Siarka może być groźna

Pozostając w trochę nieformalnej terminologii musimy przyznać, że siarka nie zawsze była cool. Gwałtowny wzrost uprzemysłowienia Europy w połowie XX w. spowodował nadmierną akumulację siarki w atmosferze i glebach uprawnych, osiągającą maksimum w latach 70-tych. Opadające na powierzchnię gleby związki siarki nie tylko w pełni zaspokajały potrzeby łanu czy plantacji względem tego pierwiastka, lecz w niektórych regionach kraju wpływały niekorzystnie na rozwój biomasy nadziemnej. Na roślinach często obserwowano uszkodzenia tkanek. Siarka z atmosfery powodowała także degradację gleb, stanowiąc jedną z głównych przyczyn zakwaszania warstwy ornej. Na rycinie 1 przedstawiono w jaki sposób zmieniała się emisja siarki do atmosfery w Polsce w latach 1980 – 2000. Myślę, że dane tak jednoznacznie pokazują systematyczne zmniejszanie się opadu ditlenku siarki, że nie wymagają komentarza. Dla Czytelnika z zacięciem naukowym dodatkowa informacja – na podstawie zamieszczonych wyników można wyznaczyć funkcję liniową, z dużym współczynnikiem determinacji (R²). Z kolei na rycinie 2 potwierdzono, że tendencja spadkowa utrzymuje się nadal. Obecnie opad siarki kształtuje się na poziomie kilkunastu kg S/ha, co nie tylko nie stanowi żadnego zagrożenia dla agroekosystemów, lecz nie zaspokaja zapotrzebowania na siarkę nawet mniej wymagających roślin uprawnych. W efekcie pogłębia się ujemne saldo dla tego składnika, co pokazują mapy na rycinie 3.

Rycina 1. Emisja ditlenku siarki w Polsce w latach 1980 – 2000, tys. ton (źródło: GUS)

Rycina 2. Całkowita emisja zanieczyszczeń powietrza w Polsce w latach 2000 – 2011

Rycina 3. Salda bilansowe siarki w glebie (podano za Zgolińskim 2010)

Dlaczego siarka jest ważna?

Funkcje życiowe wszystkich żywych organizmów są kontrolowane przez związki siarki. W organizmie człowieka siarka pozytywnie wpływa na funkcjonowanie stawów i chrząstek stawowych, posiada silne właściwości odtruwające oraz wykazuje działanie regenerujące. Pierwiastek ten jest bardzo często wykorzystywany w leczeniu schorzeń skórnych. Siarce przypisuje się także opóźnienie oznak starzenia oraz działanie uodparniające i rewitalizujące cały organizm. Dla zainteresowanych rozszerzenie tych zagadnień znajduje się tutaj.

Człowiek i zwierzęta jednożołądkowe przyswajają siarkę ze związków organicznych. Wyjątek pod tym względem stanowią przeżuwacze, które z powodzeniem mogą wykorzystywać zarówno formy mineralne jak i organiczne. Większość mikroorganizmów i roślin wyższych pobiera siarkę nieorganiczną czyli siarczanową, której udział w całej puli składnika jest niewielki. Jeśli uświadomimy sobie, że rośliny uprawne, a także warzywa i owoce są ważnym ogniwem łańcucha troficznego a zdrowie człowieka zależy od biologicznej wartości tego co spożywa, mamy gotową odpowiedź o czym będzie w dalszej części artykułu.

Funkcje fizjologiczne siarki

Prawidłowe odżywienie roślin siarką decyduje nie tylko o poziomie uzyskiwanych plonów, lecz także o wartości odżywczej i walorach smakowych płodów rolnych. Najważniejsze funkcje siarki w roślinie to:

• obecność w aminokwasach: cystyna, cysteina i metionina – jako składnik budowy białek;
• udział w układach oksydoredukcyjnych cystyna (glutation) – cysteina kontrolujących syntezę chlorofilu w chloroplastach czyli wpływ na wydajność fotosyntezy;
• zmniejszenie udziału niebiałkowych form azotu w roślinie (obecność cysteiny warunkuje aktywność reduktazy azotanowej);
• udział w reakcjach enzymatycznych odpowiedzialnych za biologiczne wiązanie azotu atmosferycznego przez bakterie brodawkowe, redukcja azotanów do amoniaku oraz udział w procesie fotosyntezy (ferredoksyna);
• wpływ na syntezę ligniny oraz kwasów tłuszczowych (siarka jako składnik koenzymu A stanowi przenośnik grup acylowych);
• obecność w witaminie B1 (tiamina) – odpowiedzialnej między innymi za metabolizm węglowodanów oraz w witaminie H (biotyna);
• podnoszenie walorów smakowych i zapachowych niektórych produktów roślinnych (cebula, czosnek) przez obecność w lotnych związkach takich jak: tioestry alifatyczne, polisiarczki, sulfotlenki;
• zwiększenie odporności roślin na choroby i szkodniki – właściwości bakteriobójcze i grzybobójcze posiada między innymi allicyna obecna w czosnku.

Zwróćmy uwagę na ostatnie dwa punkty, które są szczególnie ważne w profilaktyce zdrowotnej roślin uprawnych. Już wyjaśniam o co chodzi. Nieprzyjemny zapach (mówiąc dość delikatnie) związany z konsumpcją cebuli czy czosnku jest efektem ulatniania się różnych związków siarki. Substancje te mają silnie działanie destrukcyjne na bakterie i grzyby chorobotwórcze oraz wpływają odstraszająco na owady będące szkodnikami wielu upraw. Jako przyrodnik zajmujący się na co dzień rolnictwem, pisząc o działaniu odstraszającym odniosłem się do świata roślin, choć pewnie i w populacji ludzkiej zjawisko takie jest dość powszechne po spożyciu potraw z cebulą, czosnkiem lub porem. Przy okazji przypomnę, że związki o których mowa, ulatniają się dopiero po mechanicznym uszkodzeniu tkanek roślinnych. Dla wzrokowców podsumowania znaczenia siarki dokonano na rycinie 4.

Rycina 4. Najważniejsze funkcje siarki w roślinie

W tym miejscu pojawia się pytanie o rozpoznanie objawów niedoboru siarki. Jako zasadę należy przyjąć, że skutkiem złego stanu zaopatrzenia roślin w ten składnik jest chloroza (zanik chlorofilu) ujawniająca się na najmłodszych (górnych) liściach. To bardzo ważna informacja, gdyż pozwala na odróżnienie objawów związanych z deficytem azotu i magnezu, które ukazują się najpierw na starszych liściach. Zwykle chloroza spowodowana niedoborem siarki nie obejmuje całego liścia – zielone pozostają tkanki przewodzące, określane często jako nerwy na blaszce liściowej. Przykłady wizualnych objawów przedstawiono na poniższych fotografiach.

Fot. 1. Objawy niedoboru siarki w ziemniakach

Fot. 2. Objawy niedoboru siarki w kukurydzy – chloroza górnych liści

Fot. 3. Niedobory siarki na plantacji rzepaku – rośliny w stadium rozety

Fot. 4. Charakterystyczne „placowe” niedobory siarki występujące na glebie piaszczystej

Zapamiętajmy jednak, że na plantacji możliwe jest także wystąpienie objawów utajonych, wykrywalnych tylko chemiczne. Zjawisko to jest w Polsce dość powszechne. W takiej sytuacji wydajność metaboliczna roślin jest mniejsza, co przykłada się na obniżenie plonu. Zatem w przypadku siarki bardzo ważna jest profilaktyka polegająca na wyborze nawozów zawierających w swoim składzie ten składnik, zwłaszcza w sytuacji gdy nie mamy dokładnego rozeznania o stanie zasobności gleby w siarkę siarczanową.

Plonotwórcze działanie siarki

Plonotwórcze działanie siarki jest ściśle powiązane z gospodarką azotową rośliny. Rośliny optymalnie zaopatrzone w siarkę intensywniej pobierają azot i w konsekwencji zmniejsza się ryzyko wymywania azotanów do głębszych warstw profilu glebowego. W najnowszych pracach publikowanych w renomowanych czasopismach przez DeBona i in. (2010 i 2011) udowodniono, że niedobór siarki ogranicza syntezę reduktazy azotanowej oraz zmniejsza potencjał roślin do pobierania azotanów. W badaniach wykonanych w Niemczech wykazano, że nawożenie siarką sałaty przyczynia się do zmniejszenia zawartości azotanów w roślinie, ponieważ jak zaznaczono wcześniej, składnik ten odpowiada za przekształcanie prostych form azotu w białka. Rośliny dobrze zaopatrzone w siarkę efektywniej przetwarzają pobrany azot na plon użytkowy, co ma ogromne znaczenie ekonomiczne, gdyż w tych warunkach zasadne staje się rozważenie możliwości zmniejszenia zalecanych dotychczas dawek nawozów azotowych. Poniżej zamieszczono wyniki trzyletnich badań prowadzonych w tym zakresie na plantacji rzepaku ozimego (tab. 1) oraz w uprawie pszenicy (tab. 2). W przypadku rzepaku proszę zwrócić uwagę na bardzo silne działanie nawozów siarkowych stosowanych pod przedplon i współdziałanie z nawożeniem bieżącym. To oznacza konieczność odpowiedniego wysycenia gleby siarką w całym zmianowaniu.

Tabela 1. Wykorzystanie azotu z saletry amonowej przez rzepak ozimy w zależności od dawki i terminu aplikacji siarki, %

Tabela 2. Efektywność nawożenia azotem jako funkcja zaopatrzenia pszenicy w siarkę

W tabeli 3 zamieszczono fragment wyników uzyskanych w badaniach nad wpływem nawożenia siarką na skład aminokwasowy (jakość) ziarna pszenicy.

Tabela 3. Nawożenie siarką a jakość ziarna pszenicy

W tym miejscu warto przypomnieć, że niedostateczne poziomy aminokwasów, o których mowa w tabeli 3 mogą przyczyniać się do szybszego powstawania zmian miażdżycowych oraz powodować zaburzenia czynności układu immunologicznego w organizmie człowieka, co oznacza zmniejszenie odporności na infekcje. Dla młodszych Czytelników istotnymi problemami związanymi z niedoborem aminokwasów siarkowych są rogowacenie skóry, kruchość i rozdwajanie końcówek włosów oraz łamliwość paznokci. Pamiętajmy, że metioninę musimy dostarczyć z pożywieniem, ponieważ nasz organizm nie syntezuje tego aminokwasu. Skutkami niedoboru metioniny mogą być także niedokrwistość, zaburzenia psychiczne i większe ryzyko wystąpienia wad cewy nerwowej płodu.

Rośliną, która wykazuje szczególnie duże zapotrzebowanie na siarkę jest rzepak ozimy, stąd najwięcej badań dotyczących nawożenia siarką wykonano właśnie na plantacjach rzepaku. Gatunek ten wykazuje pewną specyfikę, gdyż budowa biomasy nadziemnej odbywa się co najmniej przez 10 miesięcy, z dużą dynamiką do końca wegetacji. Z jednej strony wiąże się do z niemałym zapotrzebowaniem na składniki mineralne, z drugiej stanowi argument za stosowaniem nawozów o umiarkowanej szybkości działania (ryc. 5).

Rycina 5. Dynamika akumulacji biomasy przez rzepak ozimy

Śledząc dynamikę akumulacji składników zamieszczoną w tabeli 4 zauważymy, że jeszcze po kwitnieniu rzepak akumuluje 45% pobieranego fosforu, 35% magnezu i około 30% siarki.

Tabela 4. Dynamika akumulacji składników pokarmowych przez rzepak ozimy

Dużą efektywność nawożenia siarką uzyskamy w glebach piaszczystych, z których wymycie siarczanów jest szczególnie duże, a także w stanowiskach oddalonych od dużych aglomeracji miejskich i zakładów przemysłowych. Gdy przyjrzymy się danym w tabeli 5 zauważymy, że w słabszym stanowisku pozytywne działanie nawozu siarkowego wystąpiło niezależnie od stosowanych dawek azotu, natomiast w dobrym stanowisku tylko wtedy gdy rośliny były poddane stresowi żywieniowemu wynikającemu z niedoboru azotu.

Tabela 5. Reakcja plonotwórcza rzepaku ozimego na nawożenie siarką w zależności od stanowiska i stanu zaopatrzenia w azot

Rzepak ozimy jest interesującą rośliną jeszcze z jednego powodu. Głęboki i silny system korzeniowy posiada zdolność do zakwaszania rizosfery czyli najbliższego sąsiedztwa powierzchni korzenia. Wydzielane w ten sposób kwasy (cytrynowy, winowy, bursztynowy i inne) powodują zwiększenie rozpuszczalności związków fosforu i siarki (ryc. 6). W ten sposób roślina aktywnie uczestniczy w udostępnianiu składników, także z nawozów dłużej działających. Podobne zdolności wykazuje gorczyca i większość roślin bobowatych (dawniej motylkowych).

Rycina 6. Zakwaszanie rizosfery a dostępność siarki i innych składników – schemat (źródło: Potarzycki)

Badania wykonane w ostatnich latach potwierdziły także silną reakcję zbóż na nawożenie siarką. Stwierdzenie to dotyczy głównie dwóch gatunków, a mianowicie jęczmienia i pszenicy. W wieloletnich badaniach udowodniono jednoznacznie, że siarczan wapnia zawarty w superfosfacie prostym jest efektywnym nośnikiem siarki dla pszenicy ozimej. W doświadczeniach z jęczmieniem jarym odmiany browarnianej dodatnie działanie tego związku wykazano w odniesieniu do poziomu plonu i jakości ziarna oraz gospodarki azotem.

Siarka w nawozach

Trzeba obiektywnie przyznać, że możliwości wyboru nawozów z siarką rolnik ma bardzo duże. Ze zrozumiałych względów nośnikami siarki są zwykle aniony siarczanowe związane z różnymi kationami (NH₄,K, Mg, Ca), przy czym rodzaj kationu jest jednym z ważnych czynników decydujących o szybkości działania składników. Drugą istotną cechą jest uwodnienie związku – im więcej cząsteczek wody tym większa rozpuszczalność. Do nawożenia używa się także siarkę elementarną, lecz działanie tej formy jest specyficzne i ściśle związane z aktywnością mikroorganizmów glebowych przekształcającą S⁰ w aniony siarczanowe (SO₄^2-), bo tylko ta forma jest przyswajalna przez rośliny.

Ogromną zaletą nawozów produkowanych w firmie Luvena jest obecność siarki, praktycznie we wszystkich nawozach (wyjątek stanowi znajdująca się w sprzedaży sól potasowa). Może więc z pełną odpowiedzialnością stwierdzić, że kupując nawozy w Luboniu profilaktykę siarki mamy załatwioną. W ofercie znajdują się rzecz jasna także nawozy przeznaczone do stosowania w stanowiskach wyczerpanych z siarki (i magnezu). Przykładem takiego produktu jestLuboplon – nawóz magnezowo-siarczanowo. Dla gatunku najbardziej wymagającego, o którym była już wielokrotnie mowa, opracowano Lubofos pod rzepak. Jest to nawóz bogaty w siarkę, lecz zawiera dwa nośniki tego pierwiastka: szybko działający siarczan amonu oraz trudniej rozpuszczalny siarczan wapnia. W świetle wykonanych ścisłych badań polowych taka formulacja wydaje się być optymalna, co pokazują ryciny 7 i 8.

Rycina 7. Wykorzystanie azotu przez rzepak ozimy a forma siarki w nawozie

Rycina 8. Plonotwórcze działanie form siarki w uprawie rzepaku ozimego (źródło: Potarzycki 2005)

Na koniec pytanie o to, czy w ogóle warto uwzględniać zawartość siarczanu wapnia w nawozach, skoro jest to związek trudnorozpuszczalny? W ostatnich latach powstało szereg publikacji popularno-naukowych i naukowych (polskich i zagranicznych) potwierdzających korzystny wpływ tej formy siarki na plon i jakość plonu, o czym zresztą była mowa wyżej. Rozwinięcie tych zagadnień znajduje się w dostępnej broszurze, którą można także pobrać tutaj.

Na poniższej rycinie przedstawiono jak kształtowała się zawartość siarczanów w glebie w zależności od użytego nośnika fosforu. Efektem przedsiewnego wprowadzenie do gleby nawozu fosforowego z siarką był wzrost dostępności siarczanów w glebie w okresie kwitnienia rzepaku ozimego. Jest to okres, w którym zapotrzebowanie roślin na siarkę jest bardzo duże, a dostępność siarczanów uwalnianych z zasobów glebowych w wyniku procesu mineralizacji jest jeszcze niedostateczna.

Rycina 9. Dynamika zawartości siarki siarczanowej w glebie w zależności od formulacji nawozu w uprawie rzepaku (źródło: Potarzycki 2008 i 2012)

Zapamiętajmy, że związek chemiczny z nawozu ma rozpuszczać się w roztworze glebowym, a to nie to samo co woda. Przypomnę szanownym sceptykom, że w procesie przyswajania składnika aktywnie uczestniczy roślina i mikroorganizmy glebowe, których roli w tym procesie nie należy przeceniać ale trzeba docenić.