За матеріалами статті на тему «Sugar Beet Cultivation in the Tropics and Subtropics: Challenges and Opportunities» («Вирощування цукрових буряків у тропіках і субтропіках: проблеми та можливості») журналу Agronomy, квітень 2023 р.

Проблеми вирощування цукрових буряків у тропіках і субтропіках

Проблеми кучерявості

На вирощування та селекцію цукрових буряків впливає контроль за фазами його кучерявості та цвітіння. Тривала фаза вегетативного росту зумовлює високу урожайність коренеплодів, оскільки селекціонери відзначили, що в процесі селекції існує ген кучерявості алель B; таким чином, рецесивний алель виявляється з локусом гена. Рослина буряка, що містить алель B, показала розмноження за умови довгих світлових днів (12-14 годин сонячного світла), порівняно з фазою яровизації (тривала дія низьких температур). Ті рослини, які не мають домінантного алеля B, перед збільшенням тривалості світлових днів спочатку повинні пройти фазу яровизації (взимку), процесу, відомого як термічна індукція у рослин.

Відсутність механізації господарства

Опитування, проведене з метою визначення техніки, яку використовують фермери для вирощування цукрових буряків, показало, що більшість фермерів ввирощували цукрові буряки без механізації. Причин обмеженого використання техніки було багато. Більшість фермерів не мали змоги найняти трактори; отже, було менше техніки для вирощування цукрових буряків, що безпосередньо вплинуло на виробництво буряків. Якісна техніка є ключем до успішного отримання гарного врожаю.

Дослідники повідомили, що для отримання високого врожаю буряків глибина оранки повинна складати не менше 25 см. Ручні знаряддя, якими користуються більшість фермерів, не відповідають вимогам щодо глибини оранки буряків за одну операцію. Для досягнення потрібних вимог щодо глибини оранки із наявними знаряддями фермер витратить більше часу та праці на додатковий обробіток. Сівба цукрових буряків без механізації є повільним процесом, який вимагає багато часу. Тому можна стверджувати, що інструменти, якими користуються більшість фермерів, особливо ті, що застосовуються для підготовки ґрунту та посіву, можуть бути непридатними для вирощування товарних буряків. Доступ до відповідних технологій є дуже важливим фактором, який визначає, наскільки якісно дрібні фермери вирощують цукровий буряк.

Для успішного розвитку сільськогосподарської галузі потрібні механізовані знаряддя для посіву, збирання врожаю, зрошення, обприскування тощо. Це необхідно для отримання більш якісного врожаю. Тому для гарного виробництва необхідно вкладати більше коштів у механізацію сільськогосподарської діяльності.

Збільшення собівартості переробки

У цукровій галузі існують різні етапи переробки цукрових буряків. Після збирання буряк необхідно якомога швидше доставити на переробку, оскільки після цього починається розкладання сахарози. Після доставки буряка на завод першим кроком є видалення з буряків бруду та сміття. Потім коренеплоди нарізають на довгі тонкі шматочки, щоб їх можна було подати на переробку, які називаються стружкою. Ця стружка потрапляє в резервуар для гарячої води, який називається дифузор. Дифузор витягує цукор із стружки, при цьому залишається цукровий розчин. Після виділення цукру зі стружки утворюється буряковий жом, який використовується як корм для худоби. Цукровий розчин кип'ятять, щоб видалити надлишок води, і отримують більш густий сатураційний сік. У густому цукровому розчині починають утворюватися кристали цукру. Ці кристали потім відокремлюються відцентровою машиною на високій швидкості. Після цього цукор пропускають через сухе гаряче повітря, щоб видалити вологу, а потім переміщують у цех для пакування. Переробка цукрових буряків є швидшим та економічнішим способом, ніж переробка тростини для виробництва цукру (Рис. 2). Під час збирання цукрових буряків переробний завод працює постійно, 24 години на добу 7 днів на тиждень, доки не буде перероблено весь буряк. Усі вище згадані етапи переробки цукрових буряків є економічно ефективними та складними.

Рис. 2. Стадії переробки буряків та тростини для виробництва цукру в цукровій галузі. Переробка цукрових буряків складається з п’яти етапів (ліворуч), а процес переробки цукрової тростини — з шести етапів (праворуч).

Перспективи виробництва цукрових буряків у тропіках і субтропіках

Низька родючість ґрунту

Добрива та живильні речовини відіграють важливу роль у рості та розвитку рослин. Урожайність і якість цукрових буряків залежать від багатьох важливих факторів: погоди, особливостей ґрунту, сорту, живлення рослин. Необхідно враховувати оптимізацію виробничих і вхідних витрат, зміни в забезпеченості ґрунту поживними речовинами та погіршення якості, особливо тих факторів, які впливають на промисловий вихід цукру. Азотні добрива можуть викликати значні зміни у врожайності та якості цукрових буряків. Збільшення надходження азоту підвищує родючість ґрунтів.

Вплив на якість і вихід цукру є більш складним у рослин зі збільшеним надходженням азоту, який передає більше енергії від накопичення цукру (сахарози) до метаболізму та росту коренів. Концентрація і накопичення аміно-азотних сполук визначають ступінь вилучення цукру при переробці. Таким чином, порівняльний вплив на врожайність і якість є важливим для визначення впливу азоту на ґрунт і застосування фосфору та калію, які відіграють значну роль у диханні та фотосинтезі. Незважаючи на те, що цукровий буряк має вищу потребу у К для транслокації вуглеводів, його вплив може бути не таким сильним, як N:K, принаймні під час низьких і середніх норм застосувань, що не має негативного впливу на якість. На виробництво цукрових буряків у тропіках і субтропіках впливає погана якість ґрунту через високі температури, що призводить до деградації органічної речовини ґрунту. Для вирощування цукрових буряків ці ґрунти необхідно удобрювати.

Дефіцит води

Пакистан є країною, що розвивається, і має більшу потребу у воді для вирощування цукрових культур, таких як цукрова тростина та цукровий буряк. Потреба країни у виробництві цукру на 75% задовольняється за рахунок цукрової тростини і на 25% за рахунок цукрових буряків. Таким чином, вирощування тростини створює тиск на водні ресурси, тоді як вирощування буряків не стикається з особливими проблемами. Це означає, що ми можемо отримати три врожаї буряків, порівняно зі споживанням води під час вирощування цукрової тростини. Однак країна стикається з проблемами нестачі води та зацікавлена у вирощуванні цукрових культур, які мають меншу потребу у воді, щоб використовувати природні ресурси на оптимальному рівні, заощаджуючи їх.

Нестача води для рослинництва є важливою проблемою, яка часто виникає в сільськогосподарському виробництві. Одним із можливих рішень цієї проблеми є вибір генотипу, який не демонструє зниження врожайності на економічно прийнятному рівні в умовах дефіциту води. Основною проблемою в процесі генотипування є вибір відповідних типів рослин для поточних агроекологічних умов. Дефіцит води має комплексний вплив на фізіологію рослин. У тропічних регіонах спостерігається відносно низька доступність води для рослинництва. Цукрова тростина потребує значно більшого зрошення (16-20 разів), ніж цукровий буряк (8-10 разів), залежно від типу ґрунту та кліматичних умов. Вода відіграє життєво важливу роль у виробництві цукру; дефіцит і відсутність води є ключовими факторами небажання фермерів вирощувати цукрову тростину на своїх землях, але цукровий буряк має кращий механізм для вирощування в таких умовах.

Засолені ґрунти

Сольовий стрес є основним фактором, який впливає на ріст рослин. Близько 960 млн га орних земель зараз страждають від сольового стресу на світовому рівні. Підраховано, що це пов’язано з поганою практикою зрошення, зміною клімату та неправильним використанням добрив. Це велика загроза для природних ресурсів, необхідних для забезпечення продовольством зростаючого населення, яке у 2050 році становитиме 9,7 мільярдів.

Тому існує велика потреба у покращенні стійкості рослин до засолення для забезпечення продовольчої безпеки та сільськогосподарського виробництва. Іонний дисбаланс, осмотичний і вторинні стреси є основними причинами засолення рослин. Ці стреси впливають на посіви на різних стадіях розвитку, від проростання до збирання врожаю. Закриття продихів, розширення листя, пригнічення фотосинтезу та зменшення біомаси є реакцією рослини на сольовий стрес. Однак деякі рослини розвинули багато фізіологічних і біохімічних процесів, щоб адаптуватися до соляного середовища. Адаптивні реакції рослин в умовах сольового стресу згруповані в три категорії, наприклад, стійкість до осмотичного стресу, виключення іонів і стійкість тканин до засолення.

Цукровий буряк є солестійкою рослиною, порівняно з іншими культурами, але дуже чутливий на стадії проростання та сходів. Під час його проростання в умовах сольового стресу зменшується поглинання води, що важливо для росту та розвитку сходів. Однак рівень засолення ґрунту близько 7 дСм не впливає на ріст цукрових буряків. Щоб вирішити дану проблему, перед посівом в умовах сольового стресу насіння цукрових буряків необхідно обробити NaCl (до ~12 дСм). Рослини усувають надлишок Na⁺ через плазматичну мембрану або тонопластний Na⁺/H⁺ антипортер, щоб підтримати цитозольну концентрацію Na⁺. Цей механізм використовує електрохімічний градієнт протона для видалення Na⁺ у вакуоль або за межі клітини через плазматичну мембрану. У рослин, стійких до солі, активність антипортера Na⁺/H⁺ відрізняється від рослин, чутливих до солі.

Активація натрієвого протонного антипортера (NHX) і вакуолярних Н⁺ насосів V-H-АТФази також посилюється під впливом сольового стресу (Рис. 3). За таких обставин рослини поглинають Na⁺ через неселективні канали та транспортери K⁺, замінюючи K⁺ для підтримки гомеостазу. Таким чином, вартість калієвих добрив можна зменшити, використовуючи притаманний ґрунту Na⁺ у солоно-натрієвих умовах. Дивно, але цукрові буряки мають адаптивний механізм, щоб частково задовольняти вимоги K⁺ за допомогою Na⁺. Цукровий буряк, розвинув різні адаптації після впливу солей, такі як осмотична корекція, може активувати систему антиоксидантного захисту для контролю активних форм кисню (АФК). Такі типи пристосувань і механізмів у цукрового буряка допомагають рослинам рости на неякісному ґрунті без втрати врожайності.

Рис. 3. Схематичне зображення поглинання, секвестрації та екструзії Na⁺ за допомогою транспортерів HKTs, NHX і SOS1 у рослинній клітині

Найбільш часто використовуваними біохімічними маркерами абіотичного стресу, включаючи засоленість, є АФК, продукти перекисного окислення ліпідів, карбонільовані білки та посилена втрата іонів. З іншого боку, як доводять численні дослідження, толерантність до засолення часто пов'язана з великою кількістю сумісних речовин, високою активністю антиоксидантних ферментів та ефективним розподілом.

Подібним чином, у районах із борним стресом (B) відібрані сорти слід використовувати відповідним чином. Повідомлялося про високий вміст бору в ґрунтах у районах вирощування бавовни в Пакистані, але, як і в інших областях, таких як Анатолія, дефіцит бору є більш поширеною проблемою. Враховуючи той факт, що існують генетичні варіації з точки зору B-стресу, толерантні сорти, такі як KWS1197, слід використовувати в чутливих зонах, а відповідні B-збагачені добрива можуть бути дуже корисними для дефіцитних умов із точки зору врожайності та якості. Зокрема, було виявлено, що застосування бору в несприятливих умовах підвищує врожайність, властивості і якість цукрових буряків. Крім того, також було доведено, що застосування бору пом’якшує вплив сольового стресу на різні сільськогосподарські рослини, включаючи цукровий буряк.

Рослини цукрових буряків демонструють позитивну реакцію на покращення ростових характеристик після застосування бору. Бор пом'якшує токсичний вплив засоленості на ріст рослин, зменшуючи кліренс поглинання (CLuptake) у сольових умовах. Характеристики росту цукрових буряків, такі як висота рослин, біомаса, площа листя та фотосинтетична активність, були знижені в умовах 300 мМ NaCl, але застосування листкового обприскування бором (750 мкм) за цих умов зменшує ймовірність пригнічення росту рослин. Добриво CARBONBOR® як джерело бору покращує агрономічні показники цукрових буряків, а також показники врожайності. Встановлено, що внесення 80 ppm бору як джерела борної кислоти покращує показники росту та врожайності цукрового буряка.

Це відіграє значну роль в обміні азоту в буряку. Дефіцит і достатній діапазон бору дуже обмежені для культурних рослин. Цукрові буряки отримують подібні шкідливі ефекти за обох вищезгаданих умов, знижуючи фермент нітратредуктазу — попередник метаболізму азоту. Встановлено, що накопичення азоту в буряку знижує його цукристість; це можна полегшити застосуванням бору. Цікаво, що N-, Zn- і B-інтеграційне застосування значно покращує вихід цукру та технологічну цукристість в напівпосушливих кліматичних умовах.

Використання одного поля для вирощування додаткових культур, порівняно з технологією виробництва цукрової тростини

Через використання великої кількості пестицидів для боротьби з комахами та шкідниками на цукрових буряках виникає багато дискусій та розбіжностей. Це велика загроза для продовольчої безпеки населення, яке зростає в геометричній прогресії. Щоб контролювати обидві ці проблеми, було затверджено екологічну інтенсифікацію. Правильно спланована сівозміна є найкращою стратегією боротьби з патогенами на бурякових полях; це також сприяє підвищенню врожайності буряків без негативного впливу пестицидів на природні ресурси. Цистоподібна нематода (H. schachtii) і чорна гниль (Aphanomyces cochliodes) розвиваються через безперервне вирощування цукрових буряків без сівозміни на одному полі. Під час розвитку цих патогенів відбувається зниження врожайності та якості коренеплодів. Цукрові буряки неможливо вирощувати як монокультуру, але вирощування буряків у сівозміні є ефективним засобом боротьби з вищезгаданими проблемами.

Шкідники можуть виживати на рештках попередніх культур; іншими словами, сівозміна має значний вплив на доступність поживних речовин для рослин. Ця практика покращує структуру ґрунту за рахунок повторного закриття поживних речовин для наступних культур. Обробіток ґрунту та використання техніки сприяють подрібненню ґрунту та покращують аерацію коренів рослин. Повідомляється, що практика монокультури та короткої сівозміни має негативний вплив на ґрунтово-фізико-хімічні властивості та врожайність вирощуваної культури на відміну від довгої сівозміни, враховуючи різні біотичні фактори. Було зазначено, що сівозміна, яка включала вирощування цукрових буряків із різноманітними культурами, забезпечувала додатковий урожай на одному полі за рахунок вирощування іншої культури після буряків, порівняно з вирощуванням цукрової тростини, оскільки вона вимагає більше часу. Короткий термін вирощування цукрових буряків дає можливість виробникам вирощувати більше культур, використовуючи ту саму землю, тоді як таких переваг неможливо досягти при вирощуванні цукрової тростини.

Висновки та перспективи на майбутнє

Цукровий буряк забезпечує майже 25% світового виробництва цукру. Однак через багатогранність факторів цукрові буряки погано адаптовані в системі землеробства тропіків і субтропіків. Ураховуючи той факт, що цукровий буряк має вдвічі більший вміст цукру, порівняно з тростиною, коротший вегетаційний період (5-6 місяців), меншу потребу у воді та собівартість виробництва, а також стійкість до засоленості, він може бути перспективною цукровою культурою у тропічних і субтропічних регіонах.

Цукровий буряк можна вирощувати на низькоякісному ґрунті, такому як солончаковий і солончато-натрієвий ґрунт, оскільки він потенційно потребує Na⁺ як корисну поживну речовину та має потенціал рекультивувати ці ґрунти без використання природних ресурсів, тобто води, порівняно з вирощуванням рису на цих ґрунтах і застосуванням великої кількості води для вимивання солей із кореневої зони. Через 5-6 місяців після вирощування буряків фермери можуть використовувати ці землі під інші культури, але у випадку з цукровою тростиною це неможливо. Що стосується ураження сільськогосподарських культур, то метелик дуже поширений на посівах цукрової тростини, що зменшує виробництво та якість тростини, але у випадку цукрових буряків таке захворювання не досліджувалося; в кінцевому підсумку вартість обприскування нижча. Окрім рихлення, підготовки ґрунту чи сівозміни, перед посівною ґрунт можна обробити гербіцидом Раундап, щоб запобігти появі бур’янів.

Сучасний фермер повинен вирощувати цукрову тростину так само, як і цукровий буряк. Ця практика зіграє значну роль у зміцненні економіки країни, адже збір цукрової тростини починається в січні-лютому, а її переробка триває до квітня-травня. Тоді цукрова галузь починає «закриватися» на весь рік до початку наступного сезону. Якщо промисловець разом із цукровою тростиною встановить бурякопереробну установку, то галузь працюватиме до серпня-вересня, тому що в цей час починає закінчуватися переробка тростини та починається збирання буряків. Вищезазначена практика може покращити соціально-економічний статус робітника, фермера, промисловця.

Фермери не вибирають цукрові буряки для вирощування в комерційних цілях через відсутність ринку. Оскільки буряк є технічною культурою, уряд не забезпечує підтримку виробництва та переробки буряків. Крім того, не існує урядової політики щодо вирощування цієї культури в комерційних цілях. Існує потреба в підтримці вирощування цукрових буряків, враховуючи можливість виробництва великої кількості побічних продуктів та етанолу, що задовольнить майбутні потреби країни. Поки цього не буде зроблено, цукровим бурякам не надаватиметься такого великого значення, якщо не зміниться урядова політика, незалежно від того, наскільки добре він може адаптуватися до агрокліматичних умов тропіків та субтропіків.