Maaperän pH ja ravinnevesi ovat ensiarvoisen tärkeitä tekijöitä onnistuneessa ravinteidenannossa. Maaperän pH:lla ei ole suoraa vaikutusta kasviin, mutta se vaikuttaa suoraan kasvilla käytettävissä olevien ravinteiden saatavuuteen. Kasvi voi itsekin vaikuttaa juurten ympärillä olevan maaperän happamuuteen, käsittelemme sitä jäljempänä tässä artikkelissa.
Jotta pH:n vaikutus satokasveihin tulisi paremmin ymmärretyksi, pH on ensin määriteltävä. Happamuutta mittaavan vakioasteikon kehitti Carlsbergin laboratorion kemian osaston johtaja vuonna 1909. Sen perusmerkitys on "vetyvoima", koska asteikko mahdollistaa liuoksen vetyionien määrän yksinkertaisen ja universaalin mittaamisen. Nämä ionit vaikuttavat liuoksen happamuuteen ja siihen, kuinka liuos reagoi kemiallisesti. Happamuus määritellään vetyionin pitoisuuden negatiiviseksi logaritmiksi. Se on tulosta anionien (negatiivisesti varautuneita ravintoaineita) ja kationien (positiivisesti varautuneita ravintoaineita) läsnäolosta. Happamuusasteikko on 0–14, jossa 0 on hapan ja 14 emäksinen neutraalin pisteen ollessa pH 7.
Kasvi voi vaikuttaa juurten ympärillä olevan alueen – ritsosfääriin – elämään
Ritsosfääri on kapea maa-alue, johon juurten eritteet ja liittyvät maaperän mikro-organismit vaikuttavat välittömästi. Kasvit reagoivat ravintoaineen puutokseen muokkaamalla juurtensa morfologiaa, hyödyntämällä mikro-organismien apua ja muuttamalla ritsosfäärin kemiallista ympäristöä. Happamoittamalla tai muuttamalla ritsosfäärin hapetus-pelkistysolosuhteita tai kelatoimalla ravintoaineita suoraan juurten eritteiden komponentit auttavat kasveja saamaan ravintoaineita. Eritteet voivat vapauttaa ravintoaineita liukenemattomien mineraalifaasien hajoamisen tai savimineraalien tai orgaanisten aineiden irtoamisen kautta, jolloin ne vapautuvat maaperään liuoksessa ja päätyvät siten kasvin käyttöön. Ravinneliuosta valmistellessaan viljelijä varmistaa, että veden pH on tietyn rajatun alueen sisällä. Alueen tulee mielellään olla sellainen, jonka sisällä useimmat ravintoaineet päätyvät kasvin saataville, tällainen alue on 5,2–6,2. Lannoiteliuoksen pH:ta voi säätää helposti lisäämällä happoa, jolloin pH laskee, tai emästä, jolloin se nousee. Ritsosfäärissä, heti eläviä juuria ympäröivällä alueella, asia muuttuu kuitenkin hyvin erilaiseksi. Juuret erittävät monia kasvualustan pH-arvoa muuttavia aineita.
Ritsosfäärin pH voi olla hyvin erilainen kuin ravinneliuoksesta mitattu pH. Pääasiallinen syy siihen on, että kasvin on pysyttävä "neutraalina". Veteen liuotettuina kaikki ravintoaineet ovat ioneina. Noilla ioneilla on aina joko positiivinen tai negatiivinen varaus. Positiivisesti varautuneet ionit, kuten K+, ovat kationeja. Negatiivisesti varautuneet ionit, kuten NO3 -, ovat anioneja. Jotkin ravintoaineet voivat olla useaa muotoa. Esimerkiksi fosfaatit voivat olla muotoa PO4 3- , HPO4 2- ja H2PO4 -. Juuret voivat kuitenkin ottaa vain viimeksi mainittua muotoa olevia. Juuren pinta on negatiivisesti varautunut. Tässä tilassa juuren pinta hylkii negatiivisesti varautuneita ioneja (esim. H2PO4 -), samalla tapaa kuin kaksi samanapaista magneettia hylkivät toisiaan. Kasvit ovat kehittäneet monia tapoja anionin ottamisen helpottamiseksi. Jokaista ottamaansa anionia kohden kasvi erittää anionin (esim. hydroksidi- [OH-] tai bikarbonaatti-ioni [HCO3 -]. Samoin kationin osalta, jokaista ottamaansa kationia kohden kasvi erittää kationin, kuten H+. Näin kasvin varaus pysyy tasapainossa. Sivuvaikutuksena tästä eritetyt ionit kuitenkin vaikuttavat kasvualustan ritsosfäärin pH-arvoon. Eritetty kationi laskee pH-arvoa juurten lähellä (se muuttuu happamammaksi). Erittyneet anionit nostavat pH-arvoa juurten lähellä (se muuttuu emäksisemmäksi).
Typpilannoitteiden tiedetään vaikuttavan pH-arvoon juurten lähellä. Tämä on tärkeä havainto, koska kasvi ottaa typpeä niin paljon, että vaikutus voi olla huomattava. Tätä vaikutusta tapahtuu kuitenkin jokaisen ravinteen tai lannoitteen osalta. Viljelijä voi lisätä typpeä eri muodoissa. Ammoniumilla (NH4 +) on happamoittava vaikutus maaperään. Nitraatilla (NO3 -) on emäksinen vaikutus. Voisi helposti olettaa, että kannattaa lannoittaa ammoniumnitraatilla(NH4NO3). Asia ei kuitenkaan ole niin yksinkertaista. Kasvi ottaa ammoniumia paljon nopeammin kuin nitraattia, lopputuloksena on maaperän happamoituminen. Kaikki nämä reaktiot pitää ottaa huomioon, koska jokaisella ravintoaineella on maaperässä oma optimaalinen pH-alueensa, jossa se on kasvin saatavilla. Joidenkin elementtien osalta tämä pH-alue on kapea, joten pelkkä yksinkertainen pH:n mittaus ravinneliuoksesta ei vielä kerro, mitä alhaalla ritsosfäärissä todellisuudessa tapahtuu.
Eritteet
Aiemmin on jo tullut selväksi, että juuret erittävät monia aineita vaikuttaakseen suoraan juuria ympäröivän maaperän elämään. Näitä aineita nimitetään "eritteiksi". Eritteistä tärkeimpiä ovat sokerit ja orgaaniset hapot. Happoja, kuten sitruunahappoa, oksaalihappoa ja omenahappoa, on suuressa määrin juurten solujen kosteudessa. Myös nämä elementit voivat vaikuttaa maaperän pH-arvoon, mutta vaikutuksen voimakkuudessa on kasvikohtaista vaihtelua. Jos nämä hapot erittyvät juurista, ne liukenevat anioneiksi ja lisäävät juuren lähellä olevan maaperän emäksisyyttä, kuten muut anionit. Yleensä näillä eritteillä on vähäinen vaikutus pH-arvoon verrattuna H+ -ionin voimakkaaseen erittymiseen. Huomattavaa kuitenkin on, että juuriston kaikki osat eivät toimi samalla tavalla. Juuren kärjestä erittyy enemmän H+ -ioneja, hieman alempaa juuresta puolestaan erittyy enemmän anioneja. Tällä on oletettavasti yhteys lannoitteiden ottamisessa esiintyviin eroihin.
Maaperän pH-tasot vaikuttavat ravintoaineiden saatavuuteen ja kasvien kasvuun
Maaperän pH-taso vaikuttaa ravintoaineiden saatavuuteen, ja siten sillä on epäsuora vaikutus kasvien kasvuun, pH voi vaikuttaa myös siihen, kuinka kasvin juuret absorboivat ravintoaineita. Kaikkiin ravintoaineisiin ei kohdistu yhtäläistä vaikutusta, mutta useimmat ravintoaineet ovat kasvien saatavilla pH-alueella 5,2–6,2 (ks. kuva 4). Ennen kuin kasvi voi käyttää ravintoainetta, sen on oltava liuenneena maanesteeseen. Useimmat kivennäiset ja ravintoaineet liukenevat paremmin – ja päätyvät siten kasvin saataville – lievästi happamaan kuin neutraaliin tai lievästi emäksiseen maaperään. Neutraalissa ja lievästi emäksisessä maaperässä jotkin elementit voivat muuttua "epäaktiivisiksi" eivätkä ole enää kasvin käytettävissä. Tällaisia elementtejä ovat rauta, mangaani, kupari, sinkki ja boori. Hyvin happamissa maaperissä taas fosforin, kalsiumin ja magnesiumin liukeneminen heikkenee. Fosfori ei koskaan liukene maaperään helposti, mutta on useimmiten kasvin saatavilla maaperässä n. 6,5:n pH-alueella. Tämä arvo vaihtelee eri kasvualustoilla. Happamissa maaperissä (pH 4,0–5,0) voi olla suuret pitoisuudet liukenevaa alumiinia, mangaania ja rautaa, jotka voivat olla myrkyllisiä joidenkin kasvien kasvulle. Kasvin terveellisen kasvun ravinteet jaetaan eri luokkiin: makroravintoaineet (suurina määrinä tarvittavat elementit), jotka on edelleen jaettu ensisijaisiin ja toissijaisiin ravintoaineisiin ja mikroravintoaineisiin tai hivenaineisiin (hyvin pieninä määrinä tarvittavat elementit). Useimmat toissijaisten ravintoaineiden ja mikroravintoaineiden puutteet voidaan korjata helposti ylläpitämällä keskitaso optimaalisen pH-alueen ympärillä. Matalat pH-arvot (3–5) yhdessä korkean lämpötilan kanssa (yli 26 °C) voivat myös vaikuttaa joidenkin sienitautien kasvuun. Hyvin happamissa maaperissä maaperän orgaanista ainetta hajottavien bakteereiden aktiivisuutta voidaan vähentää. Se estää orgaanista ainetta laimentumasta, jonka seurauksena maaperään kerääntyy orgaanista materiaalia eikä sinne vapaudu ravintoaineita, varsinkaan typpeä, joka on lukittuna orgaanisen aineen sisällä. Seurauksena kasvin kasvuun kohdistuu negatiivista vaikutusta. Eloperäisessä kasvumaassa on hyödyllisiä sieniä – sienijuuria. Optimaalisen kasvuun nämä mikro-organismit tarvitsevat lievästi hapanta ympäristöä. Emäksinen vesi on myös tärkeä tekijä. Jos veden emäksisyys on yli 200–250 ppm CaCO3, silloin on lisättävä happoa, jotta vaikutus kasvualustan pH-arvoon saadaan minimoiduksi.
Kuinka ja miksi pH usein muuttuu vesiviljelyjärjestelmissä
Kun kasvit ottavat anioneja (negatiivisesti varautuneita ravintoaineita) ja kationeja (positiivisesti varautuneita ravintoaineita), viljelyjärjestelmän pH-arvossa tapahtuu huomattavia muutoksia. Jos kationeja imeytyy enemmän kuin anioneja, pH laskee. Jos anioneja imeytyy enemmän kuin kationeja, pH nousee. Koska typpeä (elementti, jota kasvin terveellinen kasvu vaatii suuria määriä) voidaan antaa joko kationina (ammonium - NH4 +) tai anionina (nitraatti - NO3 -), näiden kahden ravinneliuoksessa olevan typen muodon suhteella voi ajan mittaan olla suuri vaikutus sekä pH:n muutoksen nopeuteen, että suuntaan. Muutokset pH:ssa voivat olla yllättävän nopeita. Useimmat kasvilajikkeet kasvavat parhaiten ravinneliuoksessa, jonka pH on välillä 5,2–6,2 ja lämpötilassa, joka on välillä 20 °C – 22 °C.
Kun valoa on vähän saatavilla (pilvisenä päivänä tai sisäviljelyssä), kasvit absorboivat ravinneliuoksesta enemmän kaliumia ja fosforia, jolloin happamuus nousee (pH putoaa). Myös haihtuminen on vähäisempää silloin kun valoa on vähän, mikä taas vähentää kalsiumin imeytymistä. Kun kasvualustan pH on matala, kalsiumin puutteen merkkejä saattaa ilmetä. Kun voimakasta valoa on paljon (kirkkaina aurinkoisina päivinä), kasvit ottavat ravinneliuoksesta enemmän typpeä. Seurauksena happamuus laskee (pH nousee).
Mitä tapahtuu, jos pH on liian korkea tai matala ja kuinka oireet tunnistaa
Ensimmäiset merkit ravintoaineen puutoksesta näkyvät lehdissä. Esimerkiksi raudan (Fe) puutos näkyy hyvin nopeasti. Kun pH-arvo on 7 tai enemmän, alle 50 % raudasta on kasvien käytettävissä. Kun pH-arvo on 8, liuoksessa on jäljellä vain pienenpieni määrä rautaa, mikä johtuu ferrihydroksidista(Fe(OH)3 -, joka aikanaan muuttuu ruosteeksi). Kuvaa 5 voidaan käyttää välineenä ravintoaineen puutosten tunnistamisessa kasveissa. Kloroosi tarkoittaa vihreän kasvisolukon kellastumista tai haalistumista, mikä johtuu lehtivihreän katoamisesta. Nekroosi tarkoittaa kasvin solukon kuolemista, se näkyy tummanruskeana värinmuutoksena esim. osassa lehteä.
Oireiden esiintymispaikan näkyminen kasvissa (vanhat vs. nuoret lehdet) riippuu elementin liikkuvuudesta kasvissa. Hyvin hitaasti liikkuvia elementtejä ovat boori, kalsium, kupari, rauta, mangaani, molybdeeni ja sinkki. Näiden elementtien puutokset näkyvät ensin nuorissa lehdissä. Nämä elementit kulkeutuvat maitiaisvirran mukana nuoriin lehtiin. Ne eivät liiku ympäri kasvia. Liikkuvampia elementtejä ovat typpi, kalium ja magnesium. Näiden elementtien puutosoireet näkyvät kasvien vanhemmissa lehdissä, koska elementit siirtyvät vanhemmista lehdistä nuorempiin, jotka tarvitsevat enemmän ravintoaineita kasvuprosessia varten.
