Химический состав растений. Питание растений и способы регулирования

Как известно, растения строят свой организм из воды и сухого вещества за счет усвоения углекислоты из воздуха и воды и минеральных солей из почвы. Для нормального роста и развития растений необходимы свет, вода, тепло, воздух и питательные вещества. Лучшее использование элементов питания растениями обеспечивается при полном и оптимальном снабжении растений всеми перечисленными выше условиями. При избытке или недостатке влаги, очень высоких или низких температурах и т д. резко снижается эффективность вносимых под сельскохозяйственные культуры удобрений.

Содержание элементов питания в растениях не остается постоянным, и оно значительно колеблется в зависимости от сортовых особенностей культур, почвенно-климатических условий, вносимых удобрений и других факторов, но определенные закономерности при этом сохраняются. Содержание элементов питания дает возможность приближенно определить потребность растений в питательных веществах для формирования урожая.

В составе сухого вещества растений обнаружено более 70 химических элементов, среди которых 20 относят к группе безусловно необходимых (Н, Na, К, Си, Mg, Са, Zn, В, С, N, Р, V, О, S, Mo, Cl, I, Mn, Fe, Со) и 12 к условно необходимым (Li, Ag, Sr, Cd, Al, Si, Ti, Pb, Cr, Se, F, Ni). Необходимые элементы - элементы, без которых растение не может полностью закончить цикл развития, и они являются незаменимыми.

Для нормального роста и развития растениям помимо так называемых органогенных элементов (углерод, кислород, водород) необходимы азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо. Их содержание в растениях колеблется от сотых долей до целых процентов, и они называются макроэлементами. Функции макроэлементов заключаются в том, что они служат либо структурными компонентами органических веществ, либо выполняют фундаментальные функции, связанные с ионным балансом клеток и их обводненностью.

Есть химические элементы, которые необходимы растениям в малых количествах - это бор, марганец, молибден, медь, цинк и др. и их содержание в растениях составляет тысячные и стотысячные доли процента. Эти элементы относят к группе микроэлементов, есть группа элементов, требуемых растениям в еще меньших количествах, их называют ультрамикроэлементами. Они преимущественно входят в состав ферментов, что обуславливает их участие в реакциях повторно много раз и необходимость растению в не­значительных количествах.

Формирование урожая, его химического состава связано с определенной направленностью биохимических процессов обмена веществ, которая зависит от условий питания растений.

Усвоение элементов питания растениями происходит двумя путями - воздушным (фотосинтез) и корневым.

Воздушное питание (фотосинтез) осуществляется листьями путем поглощения углекислого газа и, соответственно, происходит более равномерно, чем корневое питание. При этом интенсивность фотосинтеза определяется взаимодействием внешних факторов (света, тепла, влажности), биологическими особенностями растений и густотой их стояния. Высшие растения способны непосредственно использовать солнечную энергию, которая поглощается хлорофиллом и используется для разложения в листьях воды, (поступившей через корни) на кислород, который выделяется в атмосферу и водород, который вступает в восстановленные соединения, присоединяющие углекислый газ с образованием органических веществ - углеводов.

Фотосинтез не может протекать нормально без одновременно идущего корневого питания, так как кроме воды, листьям для синтеза аминокислот и белков необходим азот и другие элементы (сера, фосфор), которые поступают из корней.

Корневое питание помимо тех же факторов напрямую связано с интенсивностью роста корневой системы, свойств почвы, содержания, форм и соотношения питательных элементов в почве, биологической активности почвы, и др. и оно также невозможно без воздушного. Корни получают из листьев сахара, используемые в корневой системе как источник энергии и как полупродукт для образования более сложных органических веществ, в частности аминокислот.

Корневые волоски, находящиеся в контакте с почвой и почвенным раствором усваивают ионы в виде катионов и анионов: NH₃^- NH₄ ^-, НРО₄^2-, РО₄^3-, Н₂РО₄^-, SO₄^2-, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, Fe³⁺, С0₂, аминокислоты, витамины, ферменты и др. органические вещества, растворимые в воде.

При дыхании растений получается углекислота, которая в тканях с водой образует положительно заряженный ион водорода и отрицательно заряженный ион угольной кислоты. В процесс питания катион водорода обменивается на катионы почвенного раствора (К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺), а анион угольной кислоты на анионы азотной, серной, фосфорной и других кислот. Поглощение ионов может происходить из сильно разбавленных растворов и, попадая в корни, ионы частично превращаются в них в другие соединения и передвигаются в стебли и листья.

Кроме процессов обмена продуктов дыхания на ионы почвенного раствора, корни некоторых растений сами выделяют в почвенный раствор органические кислоты, способствующие усвоению элементов питания из трудно растворимых соединений.

Поглощение ионов происходит и контактно путем обмена ионов корней непосредственно на ионы, поглощенные почвой.

В связи с избирательным поглощением растениями ионов в почвенном растворе происходят изменения реакции и, говоря о питании растений необходимо отметить, что поступление питательных веществ из минеральных удобрений зависит от физиологической реакции солей.

С химической стороны применяемые минеральные удобрения могут быть или нейтральными как NaN0₃, K₂SO₄, КС1, или же обладать кислыми (Са(Н₂Р0₄)₂, КН₂Р0₄) или щелочными ((NH₄)₂C0₃, К₂НР0₄) свойствами.

Но кроме химической характеристики солей, надо имеет в виду и их физиологическую характеристику, которая обусловлена неодинаковым использованием растениями катионов и анионов растворенных солей. В связи с этим даже при внесении в раствор химически нейтральных солей их физиологическая реакция может быть различной. Значение катионов и анионов в питании растений определяет различную интенсивность их поглощения, в результате оставшиеся в растворе ионы определяют его реакцию.

При внесении в почву аммиачной селитры (NH₄NO₃) растения больше усваивают азота в форме NH₄⁺ и меньше в виде N0₃^-. При применении сульфата аммония (NH₄)₂S0₄ растение усваивает главным образом NH₄⁺ мало SO₄^2-.В результате остающиеся анионы (N0₃^- или SO₄^2-) подкисляют почвенный раствор. Подобные удобрения называются физиологически кислыми. Из других удобрений, напротив, более интенсивно поглощаются анионы. Например, после растворения NaN0₃ высвобождаются Na⁺ и N0₃^- Анион по­глощается растением, а катион, соединившись с ОН^- почвенного раствора, подщелачивает почву. Такие удобрения называются физиологически щелочными.

Таким образом, физиологическая кислотность удобрения — свойство его подкислять реакцию среды, связанное с преимущественным использованием растение катионов из состава соответствующей соли. Физиологическая щелочность удобрения - свойство удобрения подщелачивать реакцию среды, связанное с преимущественным использованием анионов из состава солей.

При длительном применении физиологически кислых или физиологически щелочных удобрений почвы, имеющие низкую буферную способность, могут резко изменять реакцию почвенного раствора, что может отрицательно сказаться на условиях питания растений.

Питание растений - сложный процесс, и поступление питательных веществ в растения зависит от многих факторов.

Условия питания растений должны учитываться при разработке системы удобрения культур (определении доз, сроков, форм и способов внесения органических и минеральных удобрений) и в течение вегетации необходимо их регулировать.

Большое значение в питании растений имеет концентрация почвенного раствора. Как высокая, так и недостаточная концентрация почвенного раствора неблагоприятны для роста и развития сельскохозяйственных культур.

От концентрации воднорастворимых солей зависит осмотическое давление почвенного раствора и поглощение воды из него корнями. Избыточная концентрация почвенного раствора, характерная для засоленных почв, вредна для растений, так как она затрудняет поступление воды в клетки корня и при переносе растения из слабого раствора солей в крепкий или при избыточном внесении солей (даже важных для жизни растений) может произойти отнятие воды от клеток (плазмолиз). Наиболее благоприятна для поглощения культурными растениями питательных элементов концентрация раствора в пределах 0, 01-0, 05%.

Поступление ионов в корни зависит не только от их наличия в почвенном растворе, но и от соотношения макро- и микроэлементов. Небольшой избыток одного из элементов вызывает резкое снижение поступления другого (явление антагонизма). Антагонизм ионов проявляется в том, что катионы разных элементов мешают друг другу при их адсорбции на деятельной поверхности корней, причем здесь играет роль валентность: одновалентные катионы менее конкурентоспособны, чем двухвалентные. Например, при высокой концентрации катионов кальция или магния снижается поступление в клетки растений калия и натрия и наоборот. Нет антагонизма между анионами, обладающими близкими свойствами – SO₄^2- и SeO₄^2-, между анионами N0₃^- , РО₄^3-, SO₄^2-, однако у анионов с одинаковыми зарядами антагонизм есть NH₃^-, Н₂РО₄^-, Cl ^-. НРО₄². Кроме того, в растениях происходят и процессы синергизма - усиление поступления в растения ионов с противоположными зарядами. Например, NH₃^-, РО₄^3- К⁺, SO₄^2-, Са²⁺ N0₃^-

Так, антагонизм между натрием и магнием резко выражен к свеклы и других натриеволюбивых культур, но он не проявляется у картофеля и кукурузы. Антагонизм между ионами хлора и нитратов резко выражен у картофеля и незаметен у свеклы.

Взаимное влияние ионов в ряде случаев проявляется в результате внутренних процессов жизнедеятельности растений.

В качестве примера можно привести явления антагонизма между молибдат- и нитрат-ионами вызываемыми внутренними причинами в результате жизнедеятельности растений. Нитраты в растениях должны восстанавливаться в аммиак. Этот процесс регулируется ферментами нитратредуктазой, в состав которого входит молибден. Когда растение питается аммиачным азотом, то потребность в молибдене резко ослабляется и, наоборот, при питании нитратным азотом усиливается.

В результате антагонизма ионов растение избавляется от отрицательного (а в повышенных концентрациях и токсического) влияния каждого из них в отдельности. Следовательно, в уравновешенном питательном растворе все соли находятся в правильном соотношении и благодаря антагонизму ионов ни один из них не поступает в растение в избытке, что полностью отвечает физиологическим потребностям растения.

О большом значении взаимосвязей в питании растений свидетельствуют факты появления признаков голодания микроэлементами в полевых условиях. Причинами являются условия среды, резко усиливающие потребность в отдельном виде удобрений в естественной природной обстановке.

Говоря о питании растений необходимо отметить, что поступление питательных веществ из минеральных удобрений зависит от физиологической реакции солей.

С химической стороны применяемые минеральные удобрения могут быть или нейтральными как NaN0₃, K₂SO₄, КС1 или же обладать кислыми (Са(Н₂Р0₄)₂, КН₂Р0₄) или щелочными ((NH₄)₂C0₃, К₂НР0₄) свойствами.

Но кроме химической характеристики солей, надо имеет в виду и их фи­зиологическую характеристику, которая обусловлена неодинаковым использованием растениями катионов и анионов растворенных солей. В связи с этим даже при внесении в раствор химически нейтральных солей их физиологическая реакция может быть различной. Значение катионов и анионов в питании растений определяет различную интенсивность их поглощения, в результате оставшиеся в растворе ионы определяют его реакцию.

При внесении в почву аммиачной селитры (NH₄N0₃) растения больше усваивают азота в форме NH₄⁺ и меньше в виде N0₃^-. При применении сульфата аммония (NH₄)₂S0₄ растение усваивает главным образом NH₄⁺ мало SO₄^2-.

В результате остающиеся анионы (N0₃^- или SO₄^2-) подкисляют почвенный раствор. Подобные удобрения называются физиологически кислыми. Из других удобрений, напротив, более интенсивно поглощаются анионы. Например, после растворения NaN0₃ высвобождаются Na⁺ и N0₃^- Анион поглощается растением, а катион, соединившись с ОН^- почвенного раствора, подщелачивает почву. Такие удобрения называются физиологически щелочными.

Физиологическая кислотность удобрения - свойство его подкислять реакцию среды, связанное с преимущественным использованием растение катионов из состава соответствующей соли.

Физиологическая щелочность удобрения - свойство удобрения подщелачивать реакцию среды, связанное с преимущественным использованием анионов из состава солей.

Аэрация является одним из факторов, влияющим на питание растений. Оптимальная концентрация кислорода для большинства сельскохозяйственных культур находится в пределах 2-3%. При недостатке кислорода снижается поглощение корневой системой нитратов, фосфатов, в почве образуются восстановленные формы железа и др. элементов, увеличивается содержание углекислого газа, ухудшается деятельность микроорганизмов. Интересно, при недостатке кислорода в среде для развития корней кукурузы, пшеницы, томатов они способны брать его из аниона азотной кислоты (переводя его катион аммония).

Температура почвы также оказывает влияние на скорость поглощения элементов питания. Для жизнедеятельности корневой системы необходима более низкая температура, чем для надземной части растения, но если этот интервал слишком велик, то функции корня нарушаются, и растение может погибнуть.

Для большинства растений благоприятна температура воздуха 15-25° С При 5-7°С поступление питательных элементов, таких как азот, фосфор; кальций, сера в растения снижается, в меньшей степени калия. Аммиачный азот может поступать при более низкой температуре, чем нитратный. Сильное влияние низких температур на азотное и фосфорное питание в период, всходов объясняется слабым использованием молодыми проростками азота и фосфора из запасов семян и почвы. Оптимальной температурой для азотного и фосфорного питания является 23-25°С.

Виду того, что воздушное и корневое питание растений взаимно зависимы, то здесь проявляется положительное влияние света на процессы, идущие в корнях путем его воздействия его не путем освещения корневой системы, а через надземную часть. Под влиянием освещения в растения поступает нитратного азота больше, чем аммиачного.

При разработке системы удобрения с/х культур данные по выносу питательных веществ необходимо принимать во внимание, которые также могут быть использованы и для сравнительной характеристики потребностей растений в удобрениях.

Для практики применения удобрений важно также знать ход поглощения питательных веществ при корневом питании, периоды когда растения наиболее чувствительны к недостатку того или иного элемента питания.

Однолетние сельскохозяйственные культуры имеют на протяжении суток 4-6 периодов поглощения анионов (нитраты, сульфаты, фосфаты) и катионов (калий, кальций). Каждый из этих периодов включает один минимум и один максимум. При этом в фазе минимума нередко отмечается частичное выделение поглощенных веществ в наружный раствор. Эти ритмы присущи самому растительному организму.

В жизни растений следует также различать более крупные периоды в питании, связанные с биологическими особенностями культур.

Для всех растений в течение вегетационного периода характерно два периода питания:

- первый период — критический - совпадает с начальными фазами роста и развития, когда размеры потребления могут быть ограничены, но растения особенно чувствительны к недостатку или избытку питательных веществ. Высокая чувствительность, как к недостатку, так и к избытку элементов минерального питания наблюдается у растений в начальный период роста, являющийся критическим в отношении фосфорного питания.

- второй период - период максимального поглощения питательных веществ - характеризуется наиболее интенсивным потреблением веществ и соответствующий более поздним фазам развития растений, которые определяются их биологическими особенностями. В этот период несмотря на возрастающую интенсивность поглощения питательных веществ, их концентрация в растениях ниже, чем в начале развития. По окончании нарастания листьев поступление питательных веществ резко ослабевает и даже прекращается. Создание новых органических веществ происходит за счет передвижения питательных веществ из одних органов в другие.

Период питания не равен периоду вегетации. Интенсивность поглощения питательных веществ в разные периоды развития у растений сильно варьирует. К примеру, у зерновых период питания значительно короче периода вегетации, а у корнеплодов, овощных он растянут и почти совпадает с периодом вегетации.

Общей закономерностью считается - необходимость усиленного азотного питания совпадает с максимальным развитием у растений ассимилирующей поверхности листьев - это характерно для первой половины вегетации.

В дальнейшем при умеренном азотном питании повышается роль фосфора и калия для обеспечения синтеза репродуктивных органов или товарной продукции.

В конце вегетации у растений наблюдаются потери питательных веществ в связи с отмиранием и опадением листьев и выделением корнями в почву отдельных соединений элементов.

Методические указания: использовать раздаточный материал, рекомендуемую литературу

Литература:

1 Минеев В.Г. Экологическая агрохимия. – М., 2000

2 Церлинг В.В. Агрохимические основы диагностики минерального питания с/х культур. М, 1978.

3 Церлинг В.В. Диагностика питания с/х культур. Москва, 1990.