Dr. Füleky György: Agrokémia (2007)

Agrokémia Mezıgazdasági mérnök hallgatók részére

Dr. Füleky György egyetemi tanár

Gödöllı, 2007. április

Tartalomjegyzék

A növények kémiai összetétele

3. oldal

Növényi tápelemek és osztályozásuk

6. oldal

Növények tápelemtartalma

9. oldal

A tápanyagellátás hatása a termés minıségére

18. oldal

Tápelemek a talajban

23. oldal

A talaj tápelem-szolgáltató képességének folyamata

29. oldal

Talajmintavétel tápelem vizsgálatok céljára

35. oldal

A talaj felvehetı tápelem tartalma

38. oldal

A talaj felvehetı tápelem tartalmának meghatározása kémiai módszerekkel

39. oldal

A talaj felvehetı tápelem tartalmának meghatározása biológiai módszerekkel

43. oldal

Növényvizsgálaton alapuló mőtrágyázási szaktanácsadás

49. oldal

Mőtrágyaismeret

53. oldal

Szerves-trágyák

67. oldal

Mőtrágyázási szaktanácsadás

73. oldal

Mintafeladatok

87. oldal

2

A növények kémiai összetétele A növények két fı alkotórésze a víz és az un. szárazanyag. A friss növényi zöldtömeg legnagyobb része víz. A magvak, száraz termések víztartalma viszonylag kisebb. A különbözı növényi részekben különbözı a víztartalom. Legtöbb vizet a fiatal, élettanilag aktív növényi szervek tartalmaznak. A protoplazma vízmegkötı képessége a növény öregedésével csökken. A legkisebb a víztartalom a növényi magvakban, melyekben az élettevékenység erısen csökkent. A növények víztartalma ezenkívül függ a környezeti tényezıktıl is, így a talajadottságoktól, a klímától, és a vízellátottság mértékétıl. A víztartalom súlyállandóságig történı szárítással határozható meg. A szárítás hımérsékletén (általában 105 oC) a víz eltávozik, a súlyveszteség adj a víztartalmat, a visszamaradó rész a szárazanyag. A mezıgazdasági termékek víztartalma a tárolás szempontjából is figyelmet érdemel. A termékek általában csak akkor tárolhatók veszteség, illetve minıségromlás nélkül, (pl. gabonafélék, kukorica, szénafélék, stb.), ha kevés vizet tartalmaznak. Napjainkban már ismert a kukorica nedves tárolásának lehetısége, ami a szárítási energia megtakarítása szempontjából figyelemre méltó. A szárazanyagon belül további alapvetı alkotórészt különböztetünk meg: a szervesanyag-tartalmát és a szervetlen, vagy másképpen hamualkotórészeket. A növény szárazanyagát 500 oC-on izzítva, a szerves anyag elég és visszamarad a hamu. A szárazanyag túlnyomó többségét, mintegy 90 5-át a szerves vegyületek teszik ki, a hamualkotórészek aránya ennek megfelelıen kicsi. A növényi szárazanyag összetétele a következı átlagértékekkel jellemezhetı:

C

45-50 %

H

5-6 %

O

40-42 %

Egyéb elemek

2-10 %

3

1. táblázat Kultúrnövények víztartalma (friss zöldtömeg, illetve termés százalékában) Vegetatív részek Gabonafélék (levél, szár)

75-90 %

Főfélék, pillangósok (levél, szár)

75-90 %

Cukorrépa gyökér, levél

75-80 %

Takarmányrépa gyökér, levél

88-90 %

Burgonyagumó

75 %

Burgonyaszár (zöld)

75-80 %

Gabonaszalma, kukoricaszár

14-15 %

Réti széna, lucernaszéna

15-16 %

Húsos termések Tök, uborka

85-95 %

Gyümölcs, szılı, földieper

80-85 %

Száraz termések és magvak Kukoricaszem

15-25 %

Gabonaszem, pillangósok magvai

12-15 %

Repce, lenmag

8-10 %

A szerves-anyag elégése után, a szervetlen alkotórészek többsége különbözı sók vagy oxidok formájában marad vissza. A hamuban legnagyobb mennyiségben K, Ca, Mg, Na, P, S, Si, Cl található, ezenkívül kisebb mennyiségben mikroelemek, melyek közül a legfontosabb a Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B. (A nitrogén szinte teljes mennyisége ammónia, illetve nitrogénoxidok formájában távozik, de más elemeknél is léphet fel izzítási veszteség.) A hamualkotórészek között találunk a növény számára nélkülözhetetlen tápelemeket és találunk nélkülözhetı, vagy eddig nem tisztázott élettani hatású elemeket. Ugyanis a növény a táplálkozásához szükséges elemek felvétele mellett nem képes teljesen megakadályozni a nélkülözhetı (ballaszt) elemek felvételé és a káros hatású (toxikus) elemek felvételét sem. Esetenként a nélkülözhetetlen elemeket is a szükségesnél nagyobb mértékben veszi fel a növény (luxus felhalmozás). A hamutartalom viszonylag kis része a friss zöldtömegnek, ezért mennyiségét a szárazanyag százalékában fejezi ki. A hamutartalom legnagyobb és tág határok között változik a levelekben és egyéb vegetatív részekben. Kisebb a gumós termések és magvak hamutartalma. A hamutartalom

4

függ a növény korától, a talaj ásványianyag-tartalmától és a termés nagyságától is. A trágyázás növelheti a hamutartalmat, különösen a vegetatív szervekben, a generatív szervek hamutartalma viszonylag állandó. Az egyes elemek megoszlása a különbözı növényi részek hamujában is változó. A növények szárazanyagában található nagyszámú szerves vegyület funkció és vegyülettípus, valamint különbözı gyakorlati szempontok alapján csoportosítható. A szerves vegyületek, vegyületcsoportok egy része minden növényben megtalálható, ilyenek a szénhidrátok, zsírok, foszfatidok, fehérjék. Egyes növények tartalmazhatnak specifikus, sajátos vegyületeket, mint pl. az alkaloidok, vagy a terpének. Mennyiségileg legjelentısebbek a szénhidrátok, a fehérjék, a zsírok, ezek szerkezetalkotó és egyben tartalékanyagok is. Sokkal kisebb mennyiségben fordulnak elı, de igen fontosak a foszfatidok, a vitaminok és a klorofill. Legkisebb mennyiségben vannak jelent az élettani folyamatokat szabályozó enzimek, vitaminok és hormonok, melyek szerepük miatt nélkülözhetetlenek. Néhány növény fontosabb szerves alkotórészeinek megoszlását a termésben a ….. táblázat tartalmazza. Megfigyelhetı, hogy a gabonafélék és a hüvelyesek szemtermésében nagy a szénhidráttartalom, s ennek nagy része keményítı. Jelentıs a burgonya keményítıtartalma is. A cukortartalom közismerten legnagyobb a cukorrépában és a különbözı gyümölcsökben. A cellulóztartalom a kultúrnövények fıtermésében nem több néhány százaléknál. A rostnövényekben, szálastakarmányokban és szalmában ezzel szemben lényegesen több cellulóz halmozódik fel (lásd nyersrost).

2. táblázat Néhány növény fı termésének átlagos kémiai összetétele növény

szénhidrátok

Zsírok

fehérjék

2,5

1,8

15,0

60,0

2,0

1,6

12,0

2,0

45,0

13,0

5,0

11,0

Kukorica

2,5

65,0

1,8

4,0

9,0

Borsó

6,0

40,0

5,0

1,0

25,0

Bab

4,0

45,0

3,5

1,5

22,0

Szója

8,0

3,0

4,5

20,0

35,0

Napraforgó

5,0

2,0

5,0

50,0

25,0

cukrok

keményítı

cellulóz

Búza

3,0

58,0

Rozs

5,0

Zab

5

Burgonya

1,0

16,0

1,0

0,1

1,2

Cukorrépa

18,0

-

1,2

0,1

0,6

Sárgarépa

7,0

0,5

1,6

0,2

0,7

Alma

12,0

-

0,7

0,1

0,3

A zsírtartalom jelentıs a szójában, a napraforgóban és más olajosmagvú növényben, a többi növény termésének zsírtartalma lényegesen kisebb. A fehérjetartalom legnagyobb a pillangósvirágú hüvelyesek és a napraforgó termésében. A gabonafélék fehérjetartalma kisebb, a többi növényé pedig viszonylag alacsony.

Növényi tápelemek és osztályozásuk Tápelemek a növény számára nélkülözhetetlen (esszenciális) elemeket tekintjük. Tápelemeknek Allen és Anon szerint azokat tekintjük, amelyek a következı kritériumoknak megfelelnek: • Az elem hiánya esetén a növény fejlıdésében zavar áll be, • Az elem pótlásával a hiánytünetek megelızhetık, vagy megszőntethetık, • Az elem hatása az élettani folyamatokban kimutatható, • Az elem nem helyettesíthetı más elemekkel.

Mengel szerint tápelemek azok az elemek, amelyek a növények növekedéséhez és zavartalan fejlıdéséhez szükségesek, s funkciójukat más elem nem tudja ellátni. E definíció alapján a következı elemeket sorolja a tápelemek közé: C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B, (Na, Cl, Si) A zárójelben lévı elemek szerepe ma még vitatott, de egyes kultúráknál hatásuk kimutatható. Így pl. kedvezı Na-hatásokat tapasztaltak cukorrépánál és Cl-hatásokat paradicsomnál (hasznos elemek). Az élettani funkciók felismerésével, tisztázásával a tápelemeknek minısíthetı elemek számának növekedése várható. A tápelem megjelölés helyett a magyar szájhasználatban általánosan elterjedt a tápanyag kifejezés. A tápelemeket a növények általában szervetlen ionok pl. nitrát, foszfát, vagy szervetlen vegyületek pl. szén-dioxid formájában veszik fel. Kimutatták továbbá, hogy a

6

növény egyes szerves vegyületeket (pl. karbamid, aminósavak, kelátok) is képes közvetlenül hasznosítani. A tápanyagok tehát szigorú értelemben véve a növények táplálását szolgáló ionok, vegyületek. A tápelemek csoportosíthatók mennyiségi alapon és az elemek funkciója szerint. A mennyiségi osztályozás a növény szárazanyagában lévı mennyiségi különbségek alapján alakult ki. Leggyakrabban az elemeket két csoportba, a makro- és mikroelemekre osztjuk. Makroelemeknek tekintjük azokat a tápelemeket, melyek 0,1 5-nál nagyobb mennyiségben fordulnak elı a növény szárazanyagában és mikroelemeknek azokat, melyek ennél kisebb mennyiségben találhatók. Makroelemek: C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Mikroelemek: Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B A Ca-ot és Mg-ot mezoelemként is szokás jelölni. A mikroelemekhez tartozó elemeket nyomelemeknek is nevezik. Mennyiségüket gyakran ppm-ben adjuk meg (ppm = parts per million = milliomodrész) a ppm kifejezhetı g/t, mg/kg, µg/g egységben is. A rendkívül kis mennyiségben elıforduló elemeket ppb = parts per billion (billiomod rész) egységben szokás megadni. Ez a kifejezésmód leginkább a toxikus hatású elemeknél használatos, pl. Cd, Hg, Pb, melyek – mai ismereteink szerint – nem tartoznak a tápelemek közé. Az analitikai módszerek fejlıdésével egyre növekszik a növények szárazanyagában kimutatható elemek száma. Ma már szinte minden, a természetben elıforduló elem azonosítható a növényekben. A tápelemek mennyiségi osztályozása rendkívül mechanikus, mivel nem mennyiségük határozza meg jelentıségüket. A viszonylag kis mennyiségben elıforduló mikrotápelemek élettanilag ugyanolyan fontosak, mint a makrotápelemek. Éppen ezért a tápelemeket egyre inkább kémiai tulajdonságuk és élettani funkciójuk alapján csoportosítjuk. Példaként a Mengel osztályozását mutatjuk be a 3. táblázatban. A táblázatból kitőnik, hogy a nemfémes elemek , illetve az alkálifémek és alkáliföldfémek, továbbá a nehézfémek élettani hatása jelentısen eltér egymástól. Ugyanakkor a mikroelemekhez számító bór a nemfémes elemek csoportjában a csoportban szereplı makroelemekhez hasonló szerepet játszik.

7

3. táblázat A növényi tápelemek csoportosítása kémiai tulajdonságuk és élettani funkciójuk, szerepük alapján (Mengel, 1976) Elemcsoport, elemek

Felvétel és szállítás

Elemek

szerepe,

élettani,

biokémiai funkció Nehézfémes elemek C

Felvétel gáz alakban (CO2, O2,)

A szerves vegyületek legfontosabb építıkövei

-

C-felvétel HCO3 formában is O

O-felvétel részben H2O-ból

H

H-felvétel H2O-ból Szerves vegyületek fontos építıkövei, a NO3- és a

N S P

SO42-

Felvétel oxokomplex formában

redukció

után

atomos

kötéssel

kapcsolódnak a szénvázakhoz. A S és N atomok

NO3-, H2PO4-, HPO4-, SO42- stb

szabad

N-felvétel NH4+ formában is

elektronpárjai

kelátkötést

tesznek

lehetıvé. Foszfát-, borát-, szilikátionok észtereket képeznek alkoholos csoportokkal

B

Szállítás szervetlen ion, vagy

Si

szerves molekula formájában is, pl. aminosav, amid, foszfolipid vagy észter alakjában

Alkálifémek, alkáliföldfémek Túlnyomóan adszorpciós úton, szerves anyaghoz

K

kötve. Könnyen kicserélik, kiszorítják egymást. Na

Mg

Felvétel

és

szállítás

Enzimekre nem specifikus kolloidkémiai hatást

kation

gyakorolnak. (Duzzadási fok). A Mg részben

formában

kelátként kötve, ebben a formában specifikus hatást fejti ki: enzimaktivátor.

Ca Nehézfémek Fe

Felvétel

Mn

kationként

Cu

formában.

Mo

kivételével Többnyire enzimek fémkomponensei, hatásuk

vagy

fémkelát gyakran a fém vegyértékváltozásán alapszik. A Mn és Zn szerepe részben hasonlít a Mg

2-

Zn

Mo felvétel MoO4 formában

szerepéhez: elısegíti az enzim és a szubsztárum

Mo

Szállítás fémkelát vagy szervetlen reakcióját. A kelátkötés uralkodó. ionként

8

Nemfémes elemek csoportjába tartoznak a C, H, O, melyek a szerves vegyületek legfontosabb építıkövei. A csoportban található többi elemnek is a szerves-anyag felépítésében van szerepe. Ilyen a N és a S, amely a nitrát és szulfát redukciója után atomos kötéssel épül be a szánláncokba, továbbá a P, a B, és a Si, amyle foszfát, borát, szilikát alakban épül be. Ez utóbbi szervetlen csoportok nem redukálódnak, hanem észterkötést képeznek a különbözı szerves vegyületek , különösen a cukrok –OH csoportjával. Míg a C, O, és H a vázanyagokat: cellulózt, lignint és pektint építi fel, a N, P és S az anyagcserefolyamatokban jut szerephez. A proteinek és proteidek fontos építıkövei. Az alkálifémek és az alkáliföldfémek elemei túlnyomórészt ionos állapotban vannak jelen a növényekben. Ezeket az elemeket a növény kationként veszi fel és feltehetıleg így is szállítja. Elsısorban a szerves vegyületek negatív töltéseinek lekötése a szerepük. Az alkálifémionok és az alkáliföldfémek ionjai nincsenek erısen a szerves anyaghoz kötve, egymást kiszoríthatják helyükrıl. Jelentıs hatásuk van a plazma duzzadtsági állapotára. A Mg enzimaktivátorként jelentıs szerepet tölt be a foszforilálási folyamatokban, kötést hoz létre az enzimfehérje és a koenzim között. A nehézfémek az alkiáli-ionokkal ellentétben igen erısen kötıdnek a szerves anyaghoz, illetve kelát formában beépülnek abba. Legszembetőnıbb tulajdonságuk kifejezett hajlamuk a fémkomplex-képzésre. Feltehetı, hogy a kelátok a nehézfémek felvételében és szállításában jelentıs szerepet játszanak. Elıfordulhat, hogy a kelátkötésre nagyobb hajlammal rendelkezı ion, pl. Cu2+ egy másik iont, pl. Mn2+-t a komplex kötésbıl kiszorítja. A Mn a Mg-hoz hasonló szerepet tölt be, ezért közbülsı helyet foglal el az alkáliföldfémcsoport és a nehézfémek elemei között. A nehézfémek többnyire enzimaktivátorként fejtik ki hatásukat.

A növények tápelem-tartalma A növények tápelem-tartalma a szárazanyagban növényfajonként és fajtánként különbözı. Az egyes növényi részek (szervek) elemi összetétele is eltérı. A növények, növényi részek tápelem-tartalmát külsı tényezık, mint a talaj tápanyag-tartalma, vízellátottsága és a trágyázás ugyancsak befolyásolják. Ennek következtében átlagértékek nem adhatók meg, csak értékhatárok:

9

4. táblázat A növények átlagos tápelem-tartalma N, K

2,0-6,0 %

Ca, P, S

0,3-1,5 %

Mg, Na

0,2-0,6 %

Fe, Mn

20-200 %

Zn

20-100 ppm

Cu

5-10 ppm

B (egyszikőekben)