Тема 2. Химический состав и питание растений

1. Химический состав растений и качество урожая.

2. Воздушное питание растений

3. Корневое питание растений

4. Влияние условий внешней среды на поступление питательных веществ в растения

Питание – это обмен веществ между растением и окружающей средой. Это переход веществ из среды (почва, воздух)в состав растительной ткани, в состав сложных органических соединений, синтезируемых растением, и выделение ряда веществ из него. Обеспечение растения диоксидом углерода,осуществляемое листьями в результате воздушного питания, происходящее, как правило,более равномерное, чем корневое питание.

Химический состав растений и качество урожая

Растение строит свой организм из определенных химических элементов. Оно состоит из сухого вещества и содержит значительное количество воды. В большинстве вегетативных органов с-х культур содержание воды составляет 70-95%, а в семенах –5-15%. В состав сухого вещества входит 90-95% органических соединений и 5-10% минеральных солей. Основные органические вещества представлены в растениях белками, жирами,крахмалом, сахарами, клетчаткой, пектиновыми веществами.

Из диоксида углерода,поглощенного в основном листьями, и воды, поступающей через корни, в растении в процессе фотосинтеза образуются простые безазотистые органические вещества, состоящие из углерода, кислорода и азота приходится – 95% сухой массы растений (С-45%; О2-42; Н-6,5; N-1,5%). Эти четыре элемента названы органогенными.При сжигании растения остаются зольные элементы, на долю которых приходится около5% массы сухого вещества. Содержание азота и зольных элементов в растениях зависит от биологических особенностей и условий выращивания и неодинаков в различных органах.Например в корнях, стеблях, листьях больше зольных элементов, чем в семенах. Содержание фосфора и калия в золе растений принято выражать в форме соответствующих оксидов.

Химические элементы, необходимые растениям

На данном этапе развитие научных знаний 20 элементов относят к необходимым элементам питания и 12 – условно необходимым.

К необходимым относятся элементы, без которых растения не могут полностью закончить цикл развития и которые нельзя заменить другими элементами. Элементы, содержащиеся в растительном организме в значительных количествах (от сотых долей до целых процентов), называют макроэлементами.Элементы, содержание которых в растениях выражается тысячными и стотысячными долями процентов, относят к микроэлементам, а веще меньших количествах ультромикроэлементами

Биологические особенности растений, а также условия их выращивания определяют вынос элементов минерального питания с урожаем различных культур. Различают биологический и хозяйственный вынос элементов питания.

Биологический вынос – это вынос питательных веществ из почвы всеми частями растений: основной и побочной продукцией, убираемой с поля, пожнивными остатками, корнями, опавшими листьями оставшимися на поле.

Под хозяйственным выносомподразумевают – вынос питательных веществ с урожаем убираемой с поля основной и побочной продукции (зерно, солома).

Поступление элементов питания в растения

Существует два типа питания живых организмов:

Автотрофный – усвоение минеральных солей, воды и диоксида углерода и синтез из них органического вещества.

Гетеротрофный – использование организмами готовых органических веществ. Животные и большинство микроорганизмов относятся к гетеротрофам. Растения – автотрофный организм. Благодаря процессу питания(воздушному и корневому) растение создает свои структурные элементы и при хорошо сбалансированном питании быстро наращивает массу. Поступление минеральных веществ в растение лимитируют многие факторы. Растения через листья получают 95% и более диоксида углерода и может усваивать путем некорневого питания из водных растворов также зольные элементы, серу и азот. Однако основное количество азота, воды и зольных элементов поступают в растение из почвы через корневую систему. В зависимости от условий выращивания растения развивают корневую систему различной мощности. На бедных и в засушливых районах – большая масса корней. Применении е удобрений несколько уменьшает соотношение массы корней и надземной массы растений.

Диффузионно-осматическая теория питания растений – через корневую систему в растения вместе с водой всасываются питательные вещества, а вода постоянно испаряется,поступление зависит от испарения.

Липоидная – проникновение веществ в клетку происходит за счет их растворения в липидных компонентах цитоплазменных мембран.

Ультрафильтрационная – проникновение питательных веществ через цитоплазменную оболочку зависит от величины ее пор и размера молекул (поглощение белков, аммиака).

Адсорбционная – поглощение одних ионов сопровождается вытеснением других, причем интенсивность процесса зависит от концентрации и времени.

Все эти теории по существу правильно, хотя и упрощенно, отражают различные стороны поступления элементов минерального питания. (возд питание).

Воздушное питание

Источником углерода и кислорода для синтеза органических веществ растения является воздушное питание.

Углекислый газ проникает вместе с воздухом в листья через «устьица», густо усеивающие листовую пластинку.Одновременно через устьице идет испарение воды. В процессе синтетических процессов,протекающих в зеленых частях растений при освещении, и получивших название фотосинтеза,образуется наряду с углеродом и органической кислоты, аминокислоты и белки.

6CO₂ + 6H₂O + 674 ккал  C₆H₁₂O₆ + 6O₂

ДыханиеC₆H₁₂O₆ + 6O₂  6CO₂ + 6H₂O + 674 ккал

При недостатке железа подавляется образование хлорофилла.

Калий выполняет важную функции в передвижении углеводов из листовой пластины в черешок и дальше по растению.При недостатке калия эта функция нарушается, а другим катионом его заменить нельзя.Из сказанного ясно, что воздушное питание растения тесно связано с зольным и азотным,которое осуществляется через корни. При содержании в воздухе CO₂ менее0,01% в растениях прекращается фотосинтез. Постоянный приток воды и питательных веществ из почвы – непременное условие воздушного питания растений. Поглощение элементов питания и воды из почвы корнями, в свою очередь зависит от воздушного питания. Обе эти стороны жизни растений связаны между собой теснейшим образом.

Корневое питание

Корень – часть растения,закрепляющая его в почве и выполняющая функцию поглощения первичного усвоения. Он является органом в котором осуществляются многочисленные биосинтетические процессы и выполняется ряд специальных функций. Основную массу питательных веществ поглощают молодые, растущие участки корня. Зоны роста растущей части корня представлены зоной деления (меристемой), зоной растяжения и зоной корневых волосков. Клетки зоны корневых волосков наиболее интенсивно поглощают элементы минерального питания. Поглощение элементов может происходить вдоль корня на 0,5 и даже на 1 м от кончика корня.

Корень способен не только поглощать минеральные элементы, но и полностью или частично перерабатывать их и подавать в надземные органы в измененном виде.

Синтетическая деятельность корня осуществляется на основе протекающих в корне ассимилятов,т.е зависит от фотосинтеза.

Корень оказывает воздействие на надземные органы, путем не только обеспечения водой и минеральными элементами,но и продуктами специфических реакций обмена веществ, протекающих в корнях. Контакт клетки с окружающей средой осуществляет цитоплазматическая мембрана или плазмолемма.Мембрана клеток состоит из двух слоев фосфолипидов. В определенных участках в молекулы фосфолипидов встроены белки, т.е. плазмолемма представляет собой биомолекулярныйфосфолипидный слой со встроенными молекулами белков переносчиков. Отдельные участки мембраны имеют положительные и отрицательные заряды, за счет которых может происходить адсорбция катионов и анионов из наружной среды.

Влияние условий внешней среды на поступление питательных веществ в растения

Поступление питательных веществ в растениях, в зависимости от условий внешней среды

Продуктивность растений и поглощение ими макро и микроэлементов находятся в прямой зависимости от содержания элементов минерального питания в почве. Элементы питания могут быть в почвенном растворе, в органическом веществе почвы и в твердой минеральной фазе почвы. Для растений хорошо доступны все растворы, а также обменно-поглощенные формы элементов питания. Остальные соединения непосредственно недоступны и могут усваиваться растениями только после перехода в более доступные.

Существенное влияние на доступность различных питательных элементов почвы оказывают сами растения. Изменения реакции среды под воздействием различных веществ, выделяемых растениями способствуют переходу ряда недоступных соединений почвы в усвояемую форму.

Поглощение питательных веществ растениями зависит от биологической особенности культуры, свойств почвы,прежде всего с содержанием органического вещества и минерологическогосостава, гранулометрического состава, температуры, влажность, аэрации и концентрации почвенного раствора, освещения и т.д.

Концентрация питательного раствора

При недостаточной концентрации питательного раствора растения страдают от нехватки элементов питания. Повышенная концентрация неблагоприятно действует на рост и может вызвать угнетение. Оптимальная концентрация обеспечивает наибольшую продуктивность. Концентрация почвенного раствора в естественных условиях – 0,02-0,2%. Повышение концентрации солей в растворе увеличив его осмотическое давление и затрудняет поступление в растении воды и питательных веществ, особенно чувствительны растения к избыточному повышению концентрации питательного раствора в молодом возрасте.

Соотношение макро и микроэлементов питательной среде и их поглощение растениями

Питание растений следует оценивать как по количественному показателю, так и по качественному (соотношение элементов питания). Оказывает на продуктивность и качество с-хпродукцией. Имеется много экспериментальных данных о влиянии соотношения элементов во внешней среде на их поступление и накопление в растениях.

Избыток одного микроэлемента,вызывает резкое снижение поглощения других элементов. Концентрация элементов в растительных тканях имеет три максимума – при оптимальной дозе, резком недостатке, резком избытке испытуемого элемента в субстрате. Рост надземных органов растений зависят от физиологической уравновешенности питательного раствора.

Физиологически уравновешенный раствор – в котором отдельные элементы питания находятся в таких соотношениях, при которых происходит наиболее эффективное их использование растением. Наличие N, Р,К в питательной среде в значительной степени определяет интенсивность роста растений и поглощение ими других элементов минерального питания.

Повышение уровня N увеличивается поступлением в растения Р, К, Са, Mg,Cu, Fe, Mn,Zn.

Избыточные дозы фосфора снижают поступление в растения Cu, Fe, Mn.

Калий сокращает поступлениеСа, Mg и др.

С увеличением обеспеченностиN, Р, К, повышается потребность в микроэлементах и наоборот. При дефиците Fe, снижается поступление N. Мо – улучшает использование N удобрений из почвы.

Поступление калия снижалось под влиянием Mn, Cu, Ni, Fe, Mo,Zn, B и возрастало при внесении Cl.Рост растения в первую очередь зависит от элемента. Находящегося в недостатке или избытке, при условии, что другие не лимитируют рост. В щелочных почвах – дефицитMn, в кислых – избыток.

Много примеров антогонизма и синергизма ионов. Так, явления антогонизма установлены между Fe иCa; Al и Na; Fe и Zn;Mn и Zn; Cu и Zn; Znи Fe,Mn,Mo,Cu

Явление синергизма установлено между S и Mn,Zn; Cu и Co,B,Zn; Co,Mo и Mn; Mo и Cu;Cu и Mn; Ca и Co.

Таким образом одни итеже ионы могут действовать как положительно, так и отрицательно на поглощение других.

Антогонизм и синергизм могут переходить один в друго й.

Sr и Mn вытесняют Ca; усвоение Ca и фосфора улучшает поступление в растения Co Mn– антогонисты Sr и Ba. Al вызывает сильный дисбаланс макро- и микроэлементов.

Увеличение количества находящегося в недостаточной концентрации, способствует поглощению других элементов(синергизм), а избыток какого либо элемента препятствует поступлению других элементов(антогонизм).

Влажность почвы

Содержание достаточного количества влаги в почве – необходимое условие нормального развития растений. При нормальном уровне содержания элементов минерального питания в почве, нет прямой зависимости размера их поступления в растения от интенсивности транспирации. Однако при избыточном содержании во внешней среде макро и микроэлементов их поступление в растение возрастает с повышением скорости транспирации.

Влияние влажности почвы на поступление в растение элементов питания определяется в основном следующими физиологическими и физическими факторами.

1. Улучшением общего физиологического состояния растений (улучшение фотосинтеза, биосинтез белков)

2. Улучшение развития корней и увеличением общей поглотительной способности

3. Универсальностью воды,как среды диффузии ионов из почвенного раствора и ППК% к Установлено увеличение общего поступления в растения N, Р, К, Са, Mg, Zn, Cu,Mn, Co, Fe,Mo, B.корневым волоскам.

При дефиците усвоение элементов питания затрудняется.

Отрицательное влияние избыточной влажности почвы на поглощение элементов питания может проявиться в одностороннем повышение доступн6ости некоторых ионов (Fe2O3, MnO) их накопление достигает токсичного уровня. При дефиците влаги усиливаются процессы гидролиза и распада органического вещества, снижается фотосинтез.

Аэрация и питание растений

Аэрация почвы и питательных растворов резко меняет интенсивность поглощения питательных веществ растениями.Максимальное поглощение элементов минерального питания при содержании кислорода– 2-3% . при дальнейшем увеличении кислорода скорость поглощения солей не увеличивается.Оптимальная концентрация кислорода – 3% не является одинаковой для всех растений.Однако при недостатке аэрации корневой системы резко нарушается нормальный процесс поглотительной деятельности корней. Имеются данные о депрессивном влиянии диоксида углерода на поглощение корневой системой растений нитратов, фосфатов и иона аммония,а также на корневую систему.

Тепло и питание растений

Все проявления жизнедеятельности растений возможны только в известных пределах температуры. Для большинства растений при достаточном освещении и удовлетворительной обеспеченности водой благоприятная температура воздуха от 15 до 30^о С. Оптимальная температура для поступленияN и Р₂О₅ в зерновые хлеба составляет 23-25^оС. Однако содержание белка в зерне пшеницы может заметно возрастать при повышении температуры до 35 С Соя, фасоль и др. южные растения лучше поглощают питательные вещества при температуре 30-35 С.

Свет

Освещенность растений и поглощение ими минеральных элементов, как и другие факторы жизни растений находятся в непосредственной связи. Растения обитают в двух средах – почва и воздух, постоянным колебанием условий; сменой дня и ночи, изменением влажности, температуры, освещение.Растения усиленно поглощают элементы минерального питания при первых лучах солнца.При затмении снижаются процессы фотосинтеза и поглощение питательных веществ корнями.В темноте поступление питательных веществ прекращается.

Реакция среды (кислотность или щелочность)

Зависит от соотношения в почвенном растворе ионов Н⁺ и ОН^-. Реакцию среды выражают концентрацией ионов Н⁺ в виде отрицательного логарифма числа 10, обозначаемое символом рН. Изменение рН почвы с помощью известкования, в результате которого происходит замещение ионов Н⁺на Са²⁺, влияет на возможность использования растениями ряда элементов минерального питания. Са тормозит поступление ионов Н⁺в растения, и они при повышении содержания Са способны переносить более кислую реакцию среды. Реакция среды оказывает косвенное и прямое влияние на растительный организм. Косвенное влияние рНна доступность растением элементов питания, проявление токсичных свойств отдельных элементов в высоких концентрациях и т.д.. В кислой среде увеличивается количество доступных для растений форм, Fe, Mn,Co, Cu и уменьшается доступность форм N, Р, Mo, ванадия.

При увеличении кислотности раствора улучшается поступление анионов. Поглощение катионов увеличивается при подщелачивании раствора.

Замедление роста в щелочной реакции происходит за счет снижения доступности форм. Особенно чувствительны растения к реакции среды в первый период роста. Растворимость солей усиливается в кислой среде.

Снижение рН в почвах с высоким содержанием Fe,Al ,Mn приводит к увеличению их подвижности и накоплению в растениях в токсичных концентрациях, что отрицательно сказывается на развитии растений и на поглощении других элементов питания. Лучшая среда рН – 6,5.

Физиологическая реакция солей

Все соли, применяемые в качестве удобрений для растений, по химическим свойствам могут быть гидролитически кислыми, щелочными и нейтральными. Катионы и анионы поглощаются с различной интенсивностью. В результате, оставшиеся в питательном растворе ионы, обуславливают его подкисление или подщелачивание. Физиологическая кислотность удобрения – свойство подкислять реакцию среды, связано с преимущественным использованием растением катионов из состава соответствующей соли.

Физиологическая щелочность удобрения – свойство удобрения подщелачивать реакцию среды, связано с преимущественным использованием растениями анионов из состава соли.

Влияние почвенных микроорганизмов на поглощение растениями элементов минерального питания

Благодаря деятельности микрофлоры происходит минерализация органических остатков и непрерывное поступление в атмосферу диоксида углерода, за счет которого осуществляется фотосинтез зеленых растений.

Отношение растений к условиям питания разные периоды вегетации и периодичность питания растений

Поглощение элементов питания в течение вегетации осуществляется неравномерно. (В критические периоды особенно важно) в начальный период фосфорное питание, т.к. слабо развита корневая система. У злаковых закладка репродуктивных органов начинается в период 3-4 листьев.Недостаток N приводит к уменьшению формирования колосков и снижению урожая. Яровые зерновые – максимальное потребление от выхода в трубку до колошения.