Krzem i wapń – choć różne, mogą działać podobnie

Od lat dobrze rozpoznane są funkcje głównych składników mineralnych, których konieczność stosowania w nawozach jest oczywista. W jadłospisie roślin uprawnych znajdują się jednak także pierwiastki niezbędne, choć często niedoceniane (wapń) oraz działające korzystnie (krzem). Zajmiemy się dzisiaj jednym i drugim, podejmując próbę wskazania różnic i podobieństw.

Najpierw jednak ustalmy warunki brzegowe. Mówiąc o tym, że wapń jest niedoceniany w nawozach mam na myśli te, które stosujemy wyłącznie w celu żywienia roślin, nie odkwaszania. Zaliczenie krzemu do grupy składników korzystnych, oznacza, że wywiera dodatni wpływ na procesy fizjologiczne roślin, lecz jednocześnie nie spełnia kryterium niezbędności określonego w latach 30-tych poprzedniego stulecia (Arnon i Stout). Według niektórych źródeł wyjątek pod tym względem stanowi skrzyp. W odniesieniu do składników korzystnych podkreślane jest stymulujące działanie – udokumentowane, lecz nie zawsze jednoznacznie zdefiniowane.

Doprecyzujmy – niezbędność składnika wynika z trzech przesłanek:

1. roślina nie może realizować swoich funkcji życiowych gdy brak tego pierwiastka. Tak więc nie są możliwe: wzrost, rozwój i reprodukcja;
2. jest unikatowy czyli nie może być zastąpiony przez żaden inny pierwiastek;
3. wywiera bezpośredni i specyficzny wpływ na metabolizm rośliny (podtrzymuje funkcje życiowe)

Widzimy zatem pierwszą różnicę – bez krzemu roślina przeżyje, bez wapnia nie. Jednak w intensywnym rolnictwie nie chodzi tylko o prostą reprodukcję. Gra toczy się przecież o stworzenie roślinie optymalnych warunków funkcjonowania, po to by mogła zrealizować zdefiniowany genetycznie i określony doświadczalnie potencjał plonotwórczy. Jeśli tak, to dyskusje na temat stymulującego działania krzemu są w pełni uzasadnione.

O pobieraniu i fizjologii

Wapń jest pobierany przez rośliny z prądem transpiracyjnym czyli z wodą, a transport pobranych jonów Ca²⁺ odbywa się wyłącznie w ksylemie. To znaczy, że składnik ten jest transportowany do organów najmłodszych (zwykle wyżej położonych). Powiemy więc, że przemieszcza się w roślinie akropetalnie. Jest to o tyle ważne, że w sytuacji wystąpienia deficytu roślina nie potrafi wycofać kationów wapnia z liści starszych do młodszych.

W większości opracowań naukowych podaje się, że korzenie absorbują krzem w postaci kwasu krzemowego, a inicjacja tego procesu jest prawdopodobnie kontrolowana przez kilka genów. Po przemieszczeniu się do tkanek nadziemnych kwas krzemowy ulega koncentracji z powodu utraty wody i polimeryzuje. Generalnie uważa się, że w tkankach roślinnych Si jest obecny często w postaci żelu krzemionkowego. Krzem kumuluje się głównie w starszych tkankach, ponieważ nie jest mobilny w roślinie.

Przedstawione wyżej okoliczności pobierania i transportu obu pierwiastków wskazują na konieczność zapewnienia stałej koncentracji kationów wapniowych i związków krzemu w zasięgu korzeni – to kolejne podobieństwo. Nośniki krzemu w nawozach do stosowania doglebowego charakteryzują się różną rozpuszczalnością, co warto wziąć pod uwagę przy podejmowaniu decyzji nawozowych. Z kolei dokonując wyboru nawozu mineralnego (azotowego, fosforowego czy wieloskładnikowego) warto zwrócić uwagę na obecność wapnia.

Jeśli wybierzemy  produkt z firmy LUVENA S.A. możemy założyć, że będzie zawierał związki wapnia. Wapń występuje w SUPERFOSFACIE PROSTYM, LUBOFOSACH, LUBOFOSKACH, w większości OPTIPLONÓW, LUBOPLONIE CAL-MAG, a nawet w grupie nawozów potasowych (LUBOPLON KALIUM).

W tym momencie warto postawić pytanie o konsekwencje niedoboru wapnia w roślinie, a te mogą być wielokierunkowe i pojawiać się na każdym etapie wzrostu rośliny. Wapń kontroluje podziały mitotyczne komórek i ich wydłużanie, co przecież ma miejsce w całym sezonie wegetacyjnym. Brak wapnia w środowisku wzrostu rośliny to nie tylko zaburzenia wzrostu korzeni, ale także wszystkich organów nadziemnych. Zwykle spektakularne objawy wizualne pojawiają się dopiero przy silnym deficycie. Może zatem dojść do sytuacji, w której dojdziemy do wniosku, że nasza roślina wygląda normalnie, jednak uzyskane efekty będą dalekie od oczekiwanych. Dlatego wybierając nawóz doglebowy zwróćmy uwagę także wapń. W przypadku omawianego składnika mniejsza rozpuszczalność związków wapnia w nawozie nie jest przeszkodą, stanowi wręcz zaletę. Jak wynika z ryciny 1 w początkowym okresie wegetacji plantacja/łan pobierze kationy wapniowe z roztworu glebowego znajdujące się w strefie oddziaływania korzenia. Po wyczerpaniu się tych zasobów i w perspektywie braku możliwości wycofania Ca ze starszych liści stopniowo uwalniający się wapń z granuli nawozowej będzie miał znaczenie. Schemat na zamieszczonej rycinie dotyczy rzepaku ozimego – gatunku o dużych wymaganiach względem wapnia, lecz mechanizm związany z fizjologią pobierania kationów Ca²⁺ jest uniwersalny.

Rycina 1. Zasoby wapnia dla rośliny – schemat (opracowanie graficzne Farmer.pl)

W tych rozważaniach ciekawym zagadnieniem jest zawartość wapnia w SUPERFOSFACIE PROSTYM i pochodnych. W tym nawozie kluczowy jest główny związek czyli Ca(H₂PO₄)₂ – nośnik fosforu, bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. W praktyce oznacza to także szybki transfer nie tylko fosforu, lecz także wapnia w strefę zasięgu korzeni. Pamiętajmy jednak, że w tym nawozie wapń znajduje się również w siarczanie wapnia, którego rozpuszczalność jest mniejsza. To znaczy, że część wapnia z nawozu uwolni się w dłuższym przedziale czasu czyli w okresie 3-5 miesięcy (zależnie od temperatury i wilgotności gleby).

Warto pamiętać o dolistnej aplikacji wapnia, w późniejszych stadiach rozwojowych. Praktyka ta, znana od lat w ogrodnictwie, znajduje coraz więcej zwolenników w klasycznych uprawach rolniczych.

Skutkiem deficytu wapnia może być ograniczenie wydajności fotosyntezy czyli produkcji asymilatów potrzebnych do budowy rozwijających się: korzeni / masy zielonej (liście, łodygi) / organów generatywnych (kłosy, łuszczyny, strąki, kolby i in.).

W literaturze szczególnie eksponowana jest rola wapnia w budowie systemu korzeniowego. W ten sposób roślina jest lepiej przygotowana do poszukiwania wody i azotu w głębszych warstwach profilu glebowego. Na przedwiośniu 2025 może się to okazać szczególnie ważne, ponieważ intensywne deszcze we wrześniu w wielu regionach kraju przyczyniły się do migracji azotu do głębszych warstw profilu glebowego. Azot nie zniknął, lecz przemieścił się o kilkanaście (może kilkadziesiąt centymetrów) i trzeba po niego sięgnąć.

Niektóre rośliny są szczególnie predysponowane do rozwoju głębokiego systemu korzeniowego (na przykład bobowate, ale też rzepak i gorczyca). Gatunki te pobierając składniki z podglebia transportują je w swojej biomasie de facto do powierzchniowych warstw gleby, co ma ogromne znaczenie dla roślin następczych w zmianowaniu. Dlatego tak ważny jest stan zaopatrzenia w wapń (ryc. 2) i krzem (ryc. 3). W obu przypadkach chodzi o stworzenie optimum funkcjonowania, również w powiązaniu z innymi składnikami. Rozwój korzeni to pierwszy z elementów walki o wodę i stan żywieniowy roślin, niezależnie od stadium rozwojowego.

Rycina 2. Hamowanie wzrostu i tworzenie brązowawego zabarwienia wzdłuż korzeni fasoli z niedoborem Ca (50 µM). Źródło fotografii: Erdogan (2003)

Rycina 3. Wpływ krzemu na wzrost korzeni bazylii. Źródło fotografii: Prisa (2023)

Kolejnym etapem jest kontrola fotosyntezy. Fizjolodzy podkreślają udział wapnia w fotolizie wody, która – mówiąc w pewnym uproszczeniu – polega na transferze elektronów z cząsteczki wody na kompleks chlorofilu a. W efekcie powstaje tlen. To jednak nie wszystko. Potwierdzono doświadczalnie powiązanie stanu zaopatrzenia roślin w wapń z efektywnością azotu z nawozów. Na rycinie 4 zamieszczono przykład stanowiący podsumowanie trzyletnich badań wykonanych na plantacji ziemniaków, które często uprawiane są na glebach kwaśnych, ubogich w wapń, co jest poważnym błędem agrotechnicznym.

Rycina 4. Znaczenie wapnia wprowadzonego przedsiewnie wskaźniki efektywności azotu w uprawie ziemniaków, wariant NPKS (kontrola) = 100%; opracowano na podstawie: Potarzycki i Wendel (2023)

Nie można pominąć także znaczenia krzemu. Najnowsze publikacje naukowe w tym zakresie mówią między innymi o roli krzemu w: (i) zwiększeniu ekspresji genów związanych z procesem fotosyntezy, (ii) przeciwdziałaniu degradacji chlorofilu w liściach; (iii) zmniejszeniu uszkodzeń ultrastruktury chloroplastów przez czynniki zewnętrzne (wysoka temperatura, z jednoczesnym deficytem wody). Uszkodzenie chloroplastów to ograniczenie funkcjonowania „fabryki plonu”, bez względu na to czym spowodowane (patrz ryc.7).

O walce ze stresem

Podobieństwo między omawianymi składnikami najsilniej ujawnia się w budowaniu odporności roślin na stres biotyczny czyli wynikający z obecności patogenów, zwłaszcza grzybów. Zarówno wapń jak i krzem odpowiedzialne są za syntezę tkanek mechanicznych. Mimo że mechanizmy syntezy tkanek na powierzchni roślin nie są takie same, to efekty są podobne. Rośliny dobrze zaopatrzone w wapń i krzem budują barierę fizyczną, która utrudnia wniknięcia patogenu do wnętrza. Jednocześnie jednak dochodzi do syntezy enzymów proteolitycznych działających destrukcyjnie na wnikające strzępki grzyba (ryc. 5). W ten sposób budowana jest naturalna odporność roślin.

Rycina 5. Znaczenie krzemu w budowaniu odporności roślin na atak grzybów patogennych. Opracowane na podstawie: El Hadrami (2019); Źródło grafiki: https://omexcanada.com/blog/the-role-of-silica-in-field-crops (dostępność: 30.10.2024)

O zasobach glebowych, źródłach i objawach niedoboru

Patrząc globalnie udział wapnia w skorupie ziemskiej kształtuje się na czwartym miejscu. Na obszarze Polski sytuacja jest jednak odmienna, ponieważ na przeważającym obszarze naszego kraju gleby są wytworzone z kwaśnych skał polodowcowych, z natury ubogich w wapń. W tym kontekście zasadność systematycznego uzupełniania wapnia w powierzchniowych warstwach profilu glebowego jest oczywista.

Inaczej przedstawia się sytuacja w krzemem. Składnik ten uważany jest za drugi pod względem zawartości w skorupie ziemskiej. Z pewnością nie będzie nadużyciem stwierdzenie, że każda gleba zbudowana jest głównie z krzemionki, stanowiącej tak zwany szkielet gleby (ryc. 6). Nie zmienia to jednak faktu, że dostępność krzemu dla roślin z tych zasobów jest niewielka.

Rycina 6. Gleba uprawna po wyprażeniu (pozbawiona związków organicznych). Fot. J. Potarzycki

Wśród nawozowych źródeł krzemu do stosowania doglebowego można wymienić nawozy oparte o krzemian wapnia, który jest około 7 razy bardziej rozpuszczalny niż węglan wapnia używany do odkwaszania gleb. Ponadto dość powszechne są nawozy krzemowe produkowane na bazie diatomitu bogatego w pancerzyki okrzemków. Do aplikacji dolistnej często stosowane są dość dobrze rozpuszczalne w wodzie krzemiany sodu i potasu, a także kwas krzemowy i nanocząsteczki zawierające SiO₂.

Generalnie objawy niedoboru wapnia i krzemu są podobne i mało spektakularne, w tym znaczeniu, że nie są powszechne. Jak powiedziano wcześniej zwykle przejawiają się uogólnionymi zaburzeniami wzrostu. W warunkach deficytu wapnia (także krzemu) dochodzi do łamliwości łodyg i zwijania liści (zwłaszcza najmłodszych). Silny niedobór krzemu może manifestować się blednięciem roślin postępującym od brzegów blaszki liściowej oraz niespecyficznymi nekrozami na blaszkach liściowych (ryc. 7).

Rycina 7. Objawy niedoboru krzemu. Źródła: https://hydrobuilder.com/learn/silicon-si-nutrient-deficiencies i https://omexcanada.com/blog/the-role-of-silica-in-field-crops (dostępność: 30.10.2024)