Биосфера характеризуется неоднородностью — мозаичностью химического состава, в связи с чем проводят биогеохимическое районирование. Цель его состоит не только в определении зональных различий в содержании и соотношении химических элементов в разных объектах, но и в искусственном изменении отношений между организмом и средой (в сельском хозяйстве с помощью удобрений) и влиянии на свойства организма в заданном направлении.
Результаты проведенных работ в различных биогеохимических регионах страны позволили разработать рекомендации по ликвидации недостатка или избытка элементов в почве, найти оптимальные дозы микроудобрений, предложить наиболее рациональные способы их внесения, что привело к значительному увеличению урожайности сельскохозяйственных культур.
При разработке оптимальных систем применения удобрений следует учитывать генетическую адаптацию растений к природным условиям, приводящую к функциональным отклонениям, в связи с чем меняется реакция растений на изменения условий среды. Новые сорта должны отличаться широким диапазоном толерантности к элементам минерального питания.
Толерантность определяют по содержанию тяжелых металлов в тканях растений. На основе обобщенных данных об изменении роста и развития растений определен уровень толерантности к ряду металлов: для кадмия 5—7 млн-1, кобальта 10—20, хрома 1—2, меди 15—20, ртути 0,5—1, никеля 20—30, свинца 10—20, теллура 20—70, цинка 150—200 млн-1 сухого вещества. Еще один показатель толерантности — отношение концентрации металла в корнях к содержанию его в надземной части (у устойчивых растений это отношение выше, чем у неустойчивых). В качестве критерия толерантности используют и визуальные симптомы угнетения растений. Менее распространен протоплазматический метод определения устойчивости к металлам.
Следует отметить важное значение разработки высокоэффективных способов применения удобрений, при которых достигалась бы максимальная продуктивность при ограниченном внесении элементов питания. Коэффициенты использования питательных веществ из почвы и удобрений для большинства культур ниже потенциально возможных. Неиспользованная часть удобрений увеличивает затраты на урожай, может вызывать уменьшение и ухудшение качества его, загрязнение сельскохозяйственных продуктов, почвы, воды. Микроэлементы, являясь жизненно необходимыми, при достижении определенных концентраций в среде становятся высокотоксичными как для растений, так и для других организмов.
Наряду с учетом биогеохимических условий выращивания сельскохозяйственных культур необходимо создание высокопродуктивных сортов, эффективно использующих элементы минерального питания. В настоящее время в этом направлении ведут интенсивную исследовательскую работу: изучают полиморфизм по признакам минерального питания у культурных растений; проводят поиск доноров среди дикорастущих видов, отличающихся эффективным поглощением ионов в экстремальных условиях существования; выясняют физиолого-биохимические механизмы, определяющие различия растений в процессах минерального питания.
При химизации особое внимание необходимо уделять сбалансированному питанию растений, изучению взаимосвязи между макро- и микроэлементами. При использовании сбалансированного питательного раствора в условиях гидропоники по сравнению со стандартными урожай овощных культур увеличивается на 30—54 %, растения более полно используют макро- и микроэлементы, происходит экономия питательного раствора.
Правильный выбор доз, сроков и способов внесения удобрений, соотношения питательных элементов не только обеспечит получение высокого урожая, но и позволит исключить загрязнение почвы и продукции токсичными элементами и соединениями, поддерживать естественное плодородие почвы на необходимом уровне.
При использовании макроудобрений в высоких дозах резко увеличивается подвижность микроэлементов в почве: они мигрируют в нижележащие горизонты. Так, в карбонатном черноземе на глубине 2 м содержание цинка увеличилось в 6—10 раз, магния — в 2—4, железа — в 1,5 раза.
Поступление микроэлементов в растения зависит от биологических особенностей растений, в первую очередь от катионообменной емкости корней, биохимического состава и прочности связи ионов с клеточными оболочками. Поглощение микроэлементов осуществляется как метаболическим, так и неметаболическим путем; соотношение между ними меняется в зависимости от свойств, возраста, биологических особенностей культуры. Так, в поглощении свинца, кадмия, меди, лития преобладает пассивный перенос, а цинка и магния — активный и пассивный переносы. Превалирование пассивного поступления ряда ионов тяжелых металлов объясняется отчасти нарушением структуры клеточных мембран, вызываемым содержанием тяжелых металлов в клетке и приводящим к дополнительному диффузному поступлению их в растения.
Для оптимизации питания необходимо учитывать не только действие вносимых элементов, но и их взаимное влияние (антагонизм и синергизм ионов).
