Hnojiva obohacená o hydrogely - alternativa výživy polních plodin v podmínkách sucha

30. 04. 2024 Doc. Ing. Petr Škarpa, Ph.D. a kol. Výživa a stimulace Zobrazeno 276x

Voda sehrává nepostradatelnou úlohu při příjmu, transportu i využití živin. Její obsah v půdě a následná dostupnost rostlinám je jedním z klíčových faktorů rostlinné produkce. Klimatická změna s sebou přináší oteplování a až extrémně nerovnoměrné rozložení srážek, které jsou příčinou zemědělského sucha.

Boji proti stresům způsobených suchem se v posledních desetiletích věnuje stále větší pozornost. Jednou z možností, jak zvýšit schopnost půdy zadržovat vodu dostupnou rostlinám, je používání superabsorpčních polymerů (SAP). V současnosti jsou nejběžnějšími SAP, používanými v zemědělství draselné soli kyseliny polyakrylové a polyakrylamid.

Aktuálně je však snahou užití těchto syntetických pomocných půdních látek omezit. Toto úsilí vyplývá z rostoucích obav o životní prostředí v souvislosti se znečištěním půdy mikroplasty, karcinogenitou nepolymerovaných zbytků akrylamidu a také relativně vysokými náklady spojenými s jejich užitím. Za účelem eliminace zmíněných rizik se i náš výzkum věnuje vývoji biologicky odbouratelných a ekologicky šetrných alternativ využívajících biopolymery. Ukazuje se, že přírodní hydroabsorbenty jsou ekologickou a nákladově efektivní alternativou syntetických SAP. Za nejčastěji užívané složky hydroabsorbentů z přírodních zdrojů na bázi polysacharidů nebo proteinů jsou považovány celulóza, škrob, chitosan, různé gumy a želatina.

Výživa v udržitelném zemědělství

Hlavním cílem výživářských opatření v udržitelném zemědělství je sladit poptávku rostlin s nabídkou živin, která do velké míry určuje růst plodin, jejich výnos a kvalitu produkce. Dusík je základní rostlinná živina, která spolu s dalšími (zejména fosforem a draslíkem) výrazně ovlivňuje produkci zemědělských plodin. Tyto živiny se obvykle aplikují prostřednictvím klasických minerálních hnojiv. V případě fosforu a draslíku se hnojení běžně provádí před setím, dusík je díky relativně vysoké mobilitě aplikován v dělených dávkách před setím a během vegetace rostlin. Ne všechny živiny dodané hnojivy jsou však plodinou využity. Pokles efektivity hnojení, kterou vyjadřujeme využitím dodaných živin plodinami, zvyšuje výrobní náklady a má nepříznivé dopady na životní prostředí (zejména vyplavování, imobilizace atd.). Např. jen u dusíku se odhaduje, že pouze 42–47 % z jeho aplikovaného množství lze nalézt ve sklizených produktech.

Výzkum a vývoj

Právě s ohledem na efektivitu hnojení se naše pozornost věnuje vývoji a využití nových hnojiv, jejichž podstatou je směs polymeru na bázi syntetických, přírodních nebo směsných hydroabsorbentů a klasických minerálních hnojiv. Předpokládá se, že tato hnojiva, díky polymerům schopným vázat rostlinám dostupnou vodu, zadrží její velké množství včetně živin. Tyto živiny se následně s vodou budou uvolňovat v čase s respektem k potřebám rostlin. Již publikované studie poukazují na skutečnost, že se syntetické SAP jako nosiče a regulátory uvolňování živin uplatnily v redukci nežádoucích ztrát živin při zachování intenzivního růstu rostlin.

Za účelem ověření efektu hydrogelů (syntetický SAP), aplikovaných v kombinaci s hnojivem (NPKS - YARA Mila Complex) byl v letech 2021–2023 založen polní pokus na ŠZP v Žabčicích (aridní oblast) v máku. S patrnými ročníkovými výkyvy se v průměru sledovaného období polního testování zvýšil výnos semen máku hnojeného kombinací hydrogel/hnojivo (SAP/NPKS) ve srovnání s variantou s konvenčním hnojivem (NPKS) o 6 %, (tab. 1).

Našim hlavním výzkumným cílem je vytvořit funkční systém, v němž budou syntetické SAP z části nebo zcela nahrazeny přírodními hydroabsorbenty, čímž bude zajištěna jejich ekologická udržitelnost. Intenzivnějšímu využívání přírodních hydroabsorbentů v zemědělství v současné době brání nedostatečné pochopení toho, jak jejich struktura řídí zadržení/uvolňování vody a v ní obsažených živin.

V laboratořích CEITEC VUT v Brně (Escube, s.r.o.) byly připraveny, a následně testovány, hydrogelové matrice na bázi směsí různých poměrů přírodních polymerů (bramborový škrob, glycerol), polyakrylátu draselného (syntetický SAP) a klinoptilolitu (zeolit). Tyto matrice byly doplněny o komerční hnojivo YARA Mila Complex 12-11-18-8 (N-P₂O₅-K₂O-S) od společnosti YARA Agri ČR. U takto připravených hnojiv, obohacených o biohydrogely byla zjišťována jejich schopnost zadržovat vodu a také dynamika uvolňování živin (zejména N) v čase (graf 1). Jako nejvhodnější hydrogelová matrice se jeví směs složená z 86 % přírodních polymerů, 7 % syntetického SAP a 7 % mikro-mletého zeolitu (C₂-NPK).

Hnojivo NPKS doplněné o zmíněnou hydrogelovou matrici bylo testováno v podmínkách vegetačních pokusů. Výsledky nádobových experimentů prokázaly efekt nově vyvíjeného hnojiva na hmotnost nadzemní biomasy kukuřice, pěstované nejen v podmínkách uměle vytvořeného stresu suchem (graf 2, pokus a), ale i při optimální zálivce (graf 2, pokus b).

Na základě výsledků nádobových experimentů byl zrealizován v letech 2020 a 2021 polní pokus. Dosažené výsledky pozitivní vliv hnojiva NPKS obohaceného o biohydrogel na výnos zrna potvrdily (graf 3).

Tab. 1: Efekt hnojiva (NPKS) v kombinaci se SAP na výnos máku (t/ha)

Graf 1: Uvolňování dusíku z vybraných hydrogelových matric

Graf 2: Efekt hnojiv na hmotnost sušiny nadzemní hmoty rostlin - nádobový pokus

Graf 3: Efekt hnojiv na výnos zrna kukuřice - polní pokus

Shrnutí výsledků

Naše výsledky naznačují, že přídavek malého objemu zeolitových mikročástic do směsi tvořené z malé části syntetickými SAP a podstatného podílu biopylmeru markantně zvyšuje celkový podíl dusíku uvolněného během období 3 měsíců. Použitá směs hnojiva NPK s hydroabsorbenty na biologické bázi, díky vyladěnému profilu uvolňování živin rostlinám, poskytla jejich množství s respektem ke skutečným potřebám kukuřice a přispěla tak efektivnějšímu využití N dodaného hnojivy.

Ve vegetačních experimentech zvýšilo hnojivo nejen hmotnost nadzemní biomasy kukuřice, ale také výnos zrna. Zvýšení míry využití živin, snížení jejich ztrát a zlepšení koloběhu vody v půdě jsou dalšími výhodami používání hnojiva obohaceného biohydrogelem.

Výzkum vázán na projekt SS06020468: Vývoj přírodních hydroabsorbentů řízeně uvolňující živiny využitelných v rostlinné výrobě.

Doc. Ing. Petr Škarpa, Ph.D., Ing. Jiří Antošovský, Ph.D., Ing. Tomáš Kriška; Mendelova univerzita v Brně
Prof. RNDr. Josef Jančář, CSc.; CEITEC Vysoké učení technické v Brně