Агрохимия. Питание растений

В состав растений входит вода и сухое вещество, представленное органическими и минеральными соединениями. Соотношение между количеством воды и сухого вещества в растениях, их органах и тканях изменяется в широких пределах. Так, содержание сухого вещества в плодах бахчевых культур может составлять до 5% общей их массы, в кочанах капусты, корнеплодах редиса и турнепса – 7-10, корнеплодах столовой свеклы, моркови и луковицах лука – 10-15, в вегетативных органах большинства полевых культур – 15-25, корнеплодах сахарной свеклы и клубнях картофеля – 20-25, в зерне хлебных злаков и бобовых культур – 85-90, семенах масличных культур – 90-95%.

В тканях растений содержится более 70 химических элементов.

Потребность растений в разных питательных элементах неодинакова.

Химические элементы, количество которых в растениях составляет от 0,01 до 10% и более, называют макроэлементами или биогенными элементами («биогенный» означает «жизнепорождающий»). Эти элементы входят в состав всех растительных организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности. К ним относятся О,С,Н, N, Р, К, Са, Mg, Fe, S, из окружающей среды они извлекаются растениями в достаточно больших количествах. Больше всего в растительных тканях содержится углерода, кислорода и водорода, которые являются основным "строительным материалом” для органических соединений. На их долю приходится 93,5 % сухой массы растений, в том числе, на углерод – 45 %, на кислород – 42 %, на водород – 6,5 %. Какого-либо дефицита в этих элементах не наблюдается, поскольку они легкодоступны в окружающей среде (рис.2.1).

Следующими по значимости для растений элементами являются азот, фосфор и калий:

Азот– важнейший элемент для развития растений, а именно, для образования белковых веществ. Его содержание в белках варьирует от 15 до 19 %. Он входит в состав хлорофилла, а значит, участвует в фотосинтезе. Азот обнаруживается в ферментах – катализаторах различных процессов в организмах. Условия азотного питания существенно влияют на рост и развитие растений. Азот необходим растениям в течение всей вегетации, так как они постоянно строят новые органы. Если растение испытывает недостаток в азоте, то это прежде всего сказывается на темпе роста. Новые побеги почти не образуются, размеры листьев уменьшаются. При отсутствии азота в старых листьях хлорофилл разрушается, вследствие чего листья принимают бледно-зеленую окраску, а затем желтеют и отмирают.

Рис. 2.1 Способы потребления растениями углерода, кислорода и водорода

При сильном голодании начинают желтеть листья средних ярусов, а верхние листья принимают бледно-зеленую окраску. Ухудшаются так же формирование и развитие продуктивных органов и налив зерна. Однако избыточное азотное питание, особенно во второй половине вегетации, задерживает формирование репродуктивных органов растений; они образуют большую вегетативную массу. Избыточное азотное питание ухудшает качество продукции: снижаются концентрации сахаров, содержание крахмала, накапливаются в токсичных количествах нитраты.

Фосфор присутствует в составе ядер клеток, ферментов, витаминов и многих физиологически активных соединений. Участвует в процессах преобразования углеводов и азотосодержащих веществ, играет огромную роль в процессах дыхания, и в таком важном процессе жизнедеятельности растений, как фотосинтез. Освобождающаяся при этом энергия накапливается в виде фосфатных связей, а затем используется для синтеза самых различных веществ. Благодаря буферным свойствам соли фосфорной кислоты регулируют также кислотность содержимого клетки, поддерживая ее на благоприятном уровне.

В растениях он содержится как в органической, так и в минеральной форме, а усваивается в виде солей фосфорной кислоты. Его больше всего в репродуктивных и молодых растущих органах и частях растений, где идет интенсивный синтез органического вещества.

Если фосфор в окружающей среде содержится в изобилии, то он накапливается в клеточном соке в виде минеральных солей, которые являются запасным фондом фосфора.

Фосфор особенно необходим в ранние периоды жизни растений и при формировании репродуктивных органов. Растительный организм способен использовать фосфор повторно: из старых листьев он может передвигаться к зонам роста. Поэтому внешние признаки его недостатка проявляются у растений прежде всего на старых листьях. В этом случае они приобретают характерный красно-фиолетовый или голубоватый оттенок, иногда темно-зеленую окраску.

Калий играет важную роль в белковом и углеводном обмене, усиливает эффект от использования азота из аммиачных форм, регулирует обеспеченность растительных тканей водой, накопление крахмала, сахарозы и жиров, активизирует синтез витаминов

В растении он находится в ионной форме и не входит в состав органических соединений клеток. Питание калием – мощный фактор развития отдельных органов растений. Этот элемент благоприятствует накоплению сахара в клеточном соке, что повышает устойчивость многолетних растений к неблагоприятным природным факторам в зимний период, способствует развитию сосудистых пучков и утолщает клетки, что повышает засухоустойчивость растений и увеличивает лежкость плодов при хранении.

При недостатке калия происходит его отток из более старых органов и тканей в молодые растущие органы, где он подвергается повторному использованию. Внешне дефицит калия проявляется в побурении краев и кончиков листьев, они приобретают как бы обожженный вид, на пластинке появляются мелкие ржавые пятна. При недостатке калия клетки растут неравномерно, появляется гофрированность листьев, они приобретают куполообразную форму. Особенно чувствительны к недостатку калия картофель, корнеплоды, капуста, кукуруза, многолетние травы. Зерновые менее чувствительны, однако при остром его дефиците они плохо кустятся, укорачиваются междоузлия стеблей, а листья, особенно нижние, увядают даже при достаточном количестве влаги в почве.

Не менее важны для успешной жизнедеятельности растений сера, кальций, магний, железо (рис.2.2).

Химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности растений в незначительных (микро) количествах по сравнению с основными компонентами питания, называют микроэлементами. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы объясняется тем, что они входят в состав так называемых акцессорных веществ: дыхательных пигментов, витаминов, гормонов, ферментов, а также коферментов, участвующих в регуляции жизненных процессов. Микроэлементы влияют на направленность действия ферментов и их активность. К ним относятся B, Mn, Cu, Zn, Mo, Co, I и др., их содержание в тканях растений составляет менее 0,01%.

Рис. 2.2 Значение для жизнедеятельности растений серы, кальция, магния и железа

Бор поступает в растение в виде аниона борной кислоты – В0₃^3-. Комплексы с борной кислотой образуют про­стые сахара, полисахариды, спирты, фенольные соединения и др., которые в сравнении с простыми веществами легче проникают через мембраны и быстрее передвигаются по растению. Бор влияет на скорость ферментативных реакций, усиливает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы. В этой связи опрыскивание бором способствует оплодотворению.

У растений, испытывающих недостаток бора, на­блюдается быстрая потеря эластичности клеточных оболочек, сахара накапливаются в листьях, и их отток резко тормозится, нарушается синтез нуклеиновых кислот, тормозится аминирование органических кислот, что ведет к нарушениям физиологического состояния растений (рис.2.3). Особенно чувствительны к недостатку бора - бобовые, свекла, томаты, лен.

Бор может выступать как ингибитор активности ряда ферментов, в первую очередь катализирующих образование фенольных соединений. При недостатке бора наблюдается накопление кофейной и хлорогеновой кислот, которые считаются ингибиторами роста растений. Недостаток бора чаще всего проявляется на известкованных дерново-подзолистых почвах.

Марганец поступает в растение в виде ионов Мп²⁺. в растении находится в разной степени окис­ления (Мп²⁺, Мп³⁺, Мп⁴⁺). Марганец характеризуется высоким показателем окислительно-восстановительного потенциала. С этим связано значение этого элемента в реакциях биологического окисления. Он необходим для нормального протекания фотосинтеза, осуществляет разложение воды и выделение кислорода, участвует в восстановлении С0₂, играет роль в поддержании структуры хлоропластов. В отсутствие марганца хлорофилл быстро разрушается на свету.

Рис.2.3. Нарушения физиологического состояния растений при недостатке бора.

Марганец активирует более 35 ферментов, участвующих в реакциях окисле­ния-восстановления, декарбоксилирования и гидролиза, участвует в азотном обмене в восстановлении нитратов до аммиака. Недостаток марганца чаще всего наблюдается на нейтральных и щелочных, а так же на легких почвах. У растений, испытывающих недостаток марганца, затруднено использование нитратов в качестве источника азотного питания.

Марганцевое голодание у растений проявляется в виде точечного хлороза листьев: на листовых пластинках между жилками появляются мелкие желтые и хлоротичные пятна, затем пораженные участки отмирают.

Медь поступает в растение в виде иона Сu²⁺ или Сu⁺. входит непосредственно в состав ряда ферментных систем. В этих ферментах медь соединена с белком. Ряд ферментов медь активирует, что объясняет роль меди в азотном обмене. Большая часть меди (75% от всего содержания меди в листьях) концентриру­ется в хлоропластах. Велико значение меди для процесса фотосинтеза. Острый недостаток меди испытывают растения на торфяно-болотных почвах.

Цинк поступает в растение в виде ионов Zn²⁺. Он входит в состав более 30 фер­ментов и активирует ряд ферментов, что обуславливает его огромное значение для процессов дыхания и фотосинтеза. Цинк играет важную роль при образовании фитогормона ауксина. Внесение удобрений, содержащих цинк, повышает содержание ауксинов и заметно сказывается на темпах роста растений. При дефиците цинка возрастает проницаемость мембран, снижается активность белкового синтеза. Признаки цинкового голодания проявляются в задержке роста междоузлий, хлорозе, мелколистности и розеточности. Чувствительны к недостатку цинка плодовые, кукуруза, сахарная свекла, лен.

Молибден поступает в растения в виде аниона Мо0₄^2-. Он входит в состав более 20 ферментов, выполняя при этом не только каталитическую, но и структурную функцию. участвует в фиксации азота атмосферы различными микроорганизмами. Растениям не хватает молибдена обычно на кислых почвах, особенно легкого гранулометрического состава. При его недостатке происходят заметные изменения в азотном обме­не растений — наблюдается уменьшение синтеза белка при одновременном паде­нии содержания аминокислот и амидов. Недостаток молибдена на фоне высоких доз азота может приводить к накоплению в растениях нитратов в токсических количествах. При недостатке молибдена резко падает содержание аскорбиновой кислоты, а при его отсутствии наблюдаются нарушения в фосфорном обмене растений.

Кобальт находится в тканях растений в ионной (Со²⁺, Со³⁺) и комплексной форме. У растений потребность в нем чрезвычайно мала, но при дефиците кобальта снижается синтез белка, доказано влияние кобальта на функционирование фотосин­тетического аппарата, он усиливает активность многих ферментов, увеличивает их холодостойкость, засухоустойчивость и сопротивляемость к грибным болезням.

Особенно кобальт необходим бобовым растениям, поскольку участвует в фиксации атмосферного азота.

Наиболее бедны кобальтом дерново-подзолистые почвы легкого гранулометрического состава. После известкования доступность растениям кобальта снижается.

Иод играет важную роль в синтезе отдельных аминокислот и белков так как входит в их состав. Является природным антисептиком. Недостаток йода у растений может привести к снижению иммунитета к различным заболеваниям.