Основоположник учения о рациональном питании растений К. А. Тимирязев писал, что для обеспечения урожая необходимо прежде всего знать потребности растения и уметь их удовлетворять. Питание — это сложный, многогранный и интегральный процесс, связанный с фотосинтезом, водообменом, усвоением минеральных веществ и дыханием растения, зависимый от комплекса экзогенных и эндогенных факторов.
Для усовершенствования существующих и разработки новых приемов эффективного использования минеральных удобрений, производство которых в нашей стране с каждым годом увеличивается, физиология растений и агрономическая химия разрабатывают теоретические вопросы питания растений, к которым относятся изучение механизмов поглощения и превращения элементов минерального питания корневой системой и взаимосвязь его с другими функциями растительного организма.
Для рационального и эффективного применения удобрений необходимо знать качественные и количественные индексы потребности растения в элементах минерального питания в онтогенезе для создания запланированного урожая, индексы степени плодородия почвы, возможные коэффициенты использования питательных веществ, находящихся в почве и вносимых с удобрениями, а также обеспеченность растений водой. Подсчитано, что для получения высоких урожаев с коэффициентом полезного действия фотосинтеза 4-5% необходимо в первую очередь сочетание двух условий: оптимального обеспечения водой и достаточно высокого обеспечения растений минеральным питанием, особенно азотом.
Растение в первые фазы развития использует главным образом запасы питательных веществ, имеющиеся в семени; прирост органического вещества в этот период обычно незначителен. В дальнейшем потребность растения в элементах питания быстро возрастает, и к периоду наиболее интенсивного увеличения его объема и массы использование зольных веществ и азота достигает максимума. Это совпадает с периодом цветения и завязывания плодов. С прекращением накопления органического вещества в растении наблюдается резкое снижение потребности его в элементах, минерального питания и даже происходит обратный переход части их из растения в почву.
При разбросном внесении удобрений коэффициент использования их незначителен — в среднем ⅓ - ½. Остальная часть удобрений обычно превращается в труднодоступные соединения; в условиях высокой влажности часть их вымывается, а при низкой они остаются неиспользованными. Следует иметь в виду, что большие дозы удобрений, особенно легкорастворимых, например калийных, могут создавать высокую концентрацию почвенного раствора, что задерживает прорастание семян и угнетает рост молодых растений. При внесении большого количества минеральных удобрений концентрация почвенного раствора может настолько повыситься даже при достаточной влажности, что почва начнет оттягивать воду из молодых проростков и они будут увядать.
Сочетание основного предпосевного внесения удобрений с дополнительным в виде подкормок дает возможность наиболее полно обеспечить растения в соответствующие фазы развития элементами минерального питания. В начальный период развития растения в зависимости от степени плодородия почвы могут быть обеспечены припосевным (например, внесение в рядки) или гнездовым внесением удобрений.
Многочисленные исследования, передовой опыт и зарубежная практика свидетельствуют о том, что самым эффективным способом внесения минеральных удобрений является локальный с заделкой в почву. В ряде случаев применяют некорневые подкормки растений. Возможностью некорневого питания растений (через листья) интересовались давно. Первые работы в этом направлении относятся к началу прошлого века. В 1843 г. было установлено, что растение способно усваивать железо не только корнями, но и листьями, и стеблем. К. А. Тимирязев, изучая хлороз, установил, что если абсолютно бледный лист смочить солью железа, то через некоторое время на нем появятся зеленые пятна. Ж. Буссенго показал, что при нанесении на поверхность листа растворов солеобразных веществ, например сульфата кальция, они проникают в его паренхиму. И. В. Мичурин при появлении хлороза у плодовых деревьев обычно опрыскивал листья раствором железного купороса. Опыты Н. И. Сидорина показали, что усвоение железа только через листья может полностью удовлетворить потребность растения в этом элементе.
Некорневое внесение удобрений следует применять как способ дополнительного снабжения растений элементами минерального питания в период вегетации.
Теоретическое обоснование иногда применяемой предуборочной некорневой подкормки сахарной свеклы заключается в следующем. К моменту уборки в ее листьях содержится 3-4% сахара, что составляет около 16% запаса углеводов, накопленных растением. Сахар, содержащийся в листьях, не используется при производстве сахара. Необходимо перевести сахарозу, содержащуюся в листьях в предуборочный период, в корни. Для этого применяют некорневую подкормку калийно-фосфорными солями. Калий способствует общему повышению жизнедеятельности растения, и при внесении в паренхиму листьев ускоряет передвижение органических веществ, в том числе и углеводов. Фосфорная кислота участвует в фосфоролизе, при котором она соединяется с молекулой углевода. Синтез и внутриклеточный распад углеводов могут происходить, очевидно, только при участии фосфорной кислоты. Как показали опыты И. В. Якушкина и М. Н. Эдельштейна, после предуборочной подкормки калийными и фосфорными удобрениями углеводы из листьев транспортируются в корни сахарной свеклы: через 2-4 дня после подкормки количество сахаров в листьях значительно уменьшается, а в корнях — увеличивается.
Некорневая подкормка зерновых культур азотом даже при высоких урожаях является эффективным способом повышения их урожайности. При некорневой подкормке озимой пшеницы 10-20%-ным раствором мочевины во время колошения увеличивается содержание клейковины и белка в зерне.
Синтетическая мочевина (карбамид) служит источником азота для растений, а также резервным соединением для образования уреидных форм азотных соединений (аллантоиновой кислоты, аллантоина и цитруллина), которые являются биологически активными веществами и положительно влияют на синтез аминокислот и белков. Амидный азот мочевины, попадая в растение, по-видимому, участвует в процессах азотного обмена аналогично аспарагину и глутамину без предварительного превращения мочевины в аммиак, причем мочевина включается в метаболизм (через орнитиновый цикл) с меньшим расходом энергии, чем при некорневой подкормке растений аммиачной селитрой.
Некорневую подкормку можно эффективно применять для воздействия на обмен веществ как в полевых условиях, так и в защищенном грунте.
Экспериментально доказано, что некорневой подкормкой можно также повысить устойчивость растений к вредителям. Например, массовое размножение тли на растениях может быть индикатором на повышенное содержание аминокислот в их тканях вследствие неблагоприятных условий питания, и в частности из-за недостатка калия, фосфора, отдельных микроэлементов и избыточного питания растений азотом. Отсутствие аминокислот в клеточном соке, которым питается тля, приводит к ее бесплодию. Биохимический состав клеточного сока тканей растений можно изменить некорневой подкормкой макро- и микроэлементами и таким образом повысить устойчивость растений к тле.
Установлена возможность использования мембраноактивных соединений типа ионофоров (валиномицина, грамицидина, нистатина и др.) для регуляции интенсивности ионных потоков в растениях. С помощью веществ этого типа можно повысить эффективность применяемых удобрений и урожайность.
Одним из таких соединений является диметилсульфоксид (ДМСО) (CH3)2SO. Опрыскивание надземных частей растений пшеницы раствором ДМСО заметно повышало поглощение корнями 32Р и передвижение его в стебли и листья. Обработка растений сахарной свеклы в полевых условиях 2,5-5%-ным раствором ДМСО способствовала усилению поглощения и транспорта фосфатного и нитратного анионов и активизации оттока ассимилятов из листьев в корнеплоды. В результате урожайность корнеплодов увеличилась на 3-6 т с 1 га, сбор сахара — на 0,5-1 т с 1 га.