3. Питание растений. Поступление питательных элементов в листья и корни

Питание растений – это один из важнейших факторов их жизни, при котором происходит обмен веществ между растением и окружающей средой: неорганические вещества почвы, атмосферы и воды поступает в растение, где используется в синтезе сложных органических соединений, а ряд веществ выводится из растительного организма в окружающую среду.

Зеленые растения из углекислого газа, воды и простых минеральных солей с помощью солнечной энергии и многочисленных ферментов образуют сложнейшие органические вещества, которые в свою очередь являются пищей для человека и животных. В процессе питания вся зеленая растительность в дневное время выделяет огромное количество кислорода, которым дышат все живые организмы. Вот почему вся жизнь на земле обусловлена созидательной работой высших и низших растений.

Зеленые растения земного шара ежегодно образуют в пересчете на глюкозу до 400 млрд. тонн свежих органических веществ, в том числе 115 млрд. тонн на суше. При этом связывается до 170 млрд. тонн СО₂ и разлагается при фотолизе в растениях до 130 млрд. тонн воды с выделением 115 млрд. тонн свободного кислорода.

Для синтеза органического вещества на земле растения используют до 2 млрд. тонн азота и 6 млрд. тонн зольных элементов. Запасы азота в атмосфере достигают 4 ∙ 10¹⁵ т, но они не определяют обеспеченность с.-х. культур этим элементом, потому что растения используют в основном азот почвы, а не атмосферы. В связи с этим продуктивность растений определяется наличием минеральных соединений азота в почве.

Все зольные элементы практически полностью потребляются растениями из почвы, поэтому оптимизация их содержания в почве в доступной для растений форме является одной из важнейших задач агрохимии.

Вода необходима растениям в процессе питания не только для фотолиза, но и в значительно большем количестве для испарения листьями. При образовании 1 ц сухой массы урожая за время вегетации с.-х. культуры испаряют 300-400 ц воды. Эту величину называют коэффициентом транспирации, который при неблагоприятных условиях развития растений может увеличиваться в 1,5-2,0 раза, а в благоприятных условиях снижается на 15-20%.

Существуют два типа питания живых организмов: автотрофный и гетеротрофный:

- Автотрофный – усвоение минеральных солей, воды и углекислого газа растениями и синтез из них органического вещества.

- Гетеротрофный – использование готовых органических веществ животными и большинством микроорганизмов.

Кроме того, питание растений подразделяется на воздушное (фотосинтез) и корневое, о чем мы постараемся рассказать по порядку.

Воздушное питание растений (фотосинтез)

Фотосинтез – это процесс образования простых углеводов растениями из углекислоты (СО₂) атмосферы и воды почвы при участии солнечных лучей. Кроме того, фотосинтез является первоисточником энергии, необходимой для поступления минеральных веществ для поступления минеральных веществ через корни и передвижения их по растению.

На световой стадии фотосинтеза происходит реакция разложения воды с выделением кислорода и образованием богатого энергией АТФ и восстановлению продуктов, которые на следующей темновой стадии участвуют в синтезе углеводов и других органических соединений.

При образовании простых углеводов (гексаз) суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

6СО₂ + 6Н₂О + 2874 кДж → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Путем дальнейших превращений из простых углеводов в растениях образуются более сложные углеводы (сахара, крахмал, клетчатка) и другие органические соединения. Синтез аминокислот, белка и других азотсодержащих органических соединений осуществляется за счет минеральных соединений азота (фосфора и серы) и промежуточных продуктов обмена (синтеза и разложения углеводов), природа которых пока до конца не ясна.

При воздушном питании растения синтезируют сложнейшие органические вещества из углекислого газа, поступающего из атмосферы через листья, воды и минеральных солей, поглощаемых корнями из почвы. Каждое растение синтезирует одно или несколько органических веществ, которые представляют наибольший интерес для питания человека. Например, белок и крахмал – в зерновых и зернобобовых культурах, сахар – в сахарной свекле, жир – в подсолнечнике, клетчатка – в хлопчатнике, конопле и льне и так далее.

Направленность действия фотосинтетического аппарата зависит от видовых особенностей растений, их возраста, интенсивности и качества света, уровня азотного питания и др.

Образование органического вещества в процессе фотосинтеза происходит с поглощением большого количества солнечной энергии. Однако лишь небольшая ее часть (2-5%), попадающая на поверхность вегетирующих растений, используется ими на синтез органических веществ. Остальная часть солнечной энергии используется на транспирацию, а также, отражаясь, бесследно теряется в атмосфере.

За период вегетации растение испаряет воды в 300-500 раз больше, чем вес его сухого урожая. На испарения листьями расходуется не менее 25, а в южных районах до 75-95% энергии солнечных лучей, попадающих на растение, что в 10-45 раз больше, чем запасается в урожае.

Рассмотрим в какой форме в организме накапливается, переносится и используется энергия, необходимая для образования в растениях сложных органических веществ. Энергия, выделяемая в процессе окисления веществ, не превращается сразу в тепловую, а переходит в особый вид химической энергии – в макроэргические фосфатные связи аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и другие макроэргические соединения. Их можно разделить на две основные группы:

1. Глицефосфат, 3-фосфоглицериновая кислота, глюкозо-6-фосфат и др. (величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи 0,8-3,0 ккал на 1М);

2. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и аденозиндифосфорная кислота (АДФ), 1,3-дифосфоглицериновая кислота и др. (величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи 6-16 ккал на 1М).

В живых организмах основное значение среди макроэргических соединений принадлежит аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), другие макроэргические соединения служат лишь промежуточными переносчиками энергии.

При регулировании условий выращивания растений ассимиляционная поверхность листьев может колебаться от 5 до 50 тыс.м2 на 1 га. Изреженные посевы могут поглотить только 20-25% падающей на них фотосинтетически активной радиации, а используют на фотосинтез только 1-2% от поглощенной. Нормальные же посевы за вегетационный период могут поглощать 50-60% падающей на посевы фотосинтетически активной радиации и накапливают в органических веществах урожая 2-3% от поглощенной энергии.

Теоретически возможно использование 20-25% фотосинтетически активной радиации, поглощаемой листьями. Но если даже коэффициент использования поглощенной энергии на фотосинтез повысит до 6-8%, то расход воды на создание 1 т сухого вещества снизится с 400-500 до 75-100 т.

Вот почему главной задачей генетиков и селекционеров считается создание сортов, обладающих высокой фотосинтетической способностью, а биологов, агрохимиков, агрономов и других специалистов агропромышленных условий выращивания, которые позволят наиболее эффективно реализовать возможности сортов с.-х. культур.