Раздел 8. Минеральное питание растений

Растения являются автотрофными организмами, способными синтезировать все необходимые им органические вещества из неорганических, которые они поглощают из почвы в виде ионов в процессе минерального питания. При сжигании растительных тканей элементы минерального питания остаются в золе. Зола составляет около 5 % сухой массы растений. В состав золы входят почти все известные элементы. Точными вегетационными опытами установлено, что для нормальной жизнедеятельности растительного организма требуется лишь 19 эле­ментов, которые называют питательными. В зависимости от содержания в растениях элементы минерального питания делят на макроэлементы (N, Р, S, К, Са, Mg, Na, Si, Cl), содержание которых колеблется от целых до сотых долей процента и микроэлементы (Fe, Мn, Сu, Zn, В, Мо Со и др.), содержание которых колеблется от тысячных до стотысячных долей процента. Около 95 % сухой массы растений составляют четыре элемента (С, Н, О, N), которые называют органогенами.

Физиологическая роль элементов минерального питания определяется ролью веществ, в состав которых они входят, или обусловлена их влиянием на физико-химические свойства протоплазмы (работа 28). Так, азот входит в состав белков, хлорофилла, ДНК, РНК, АТФ, ферментов, витаминов, фитогормонов и других веществ. Фосфор входит в состав фосфопротеидов, фосфолипидов, фосфорных эфиров сахаров, нуклеиновых кислот, нуклеотидов (АТФ, НАД, ФАД), витаминов. Роль калия определяется его влиянием на вязкость цитоплазмы, водоудерживающую спо­собность биоколлоидов, мембранный потенциал, активность ферментов, транспорт углеводов, устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды.

Микроэлементы принимают участие главным образом в регуля­торных сис­темах клетки. Они входят в состав ферментов или являются их активаторами, принимают участие в окислительно-восстановитель­ных реакциях, азотном и углеводном обменах, повышают устойчи­вость растений к болезням и неблагоприятным условиям среды. Не­достаток микроэлементов приводит к снижению качества продукции, а нередко и накоплению токсичных для человека и животных веществ.

Корни поглощают элементы минерального питания, как из поч­венного раствора, так и почвенно-поглощающего комплекса. В основе поглощения минеральных веществ лежит механизм обменной адсорб­ции – ионы, содержащиеся в клеточной стенке (H⁺, HCO^3-, органиче­ских кислот) обмениваются на ионы окружающей среды (К⁺, NH₄⁺, PO₄^3- и др.) Поглощение ионов происходит не только избирательно, но и против градиента концентрации. Активные механизмы поглоще­ния функционируют за счет энергии, выделяемой при дыхании клеток корневой системы. Поэтому поглотительная способность корней зави­сит от многих факторов – обеспеченности корневой системы органи­ческими веществами, мощности её развития, общей и рабочей адсор­бирующей поверхности (работа 29), температуры, аэрации, кислотно­сти, концентрации солей (работа 30), соотношения ионов в питатель­ном растворе (работа 31).

Работа 28. Влияние отдельных элементов минерального питания на рост и развитие растений

Диагностику питания растений подразделяют на почвенную и растительную. Почвенная диагностика проводится путем агрохимического анализа почвы и сопоставления полученных данных с установленными нормативами. Растительная диагностика является более объективной, так как индикатором являются сами растения. Различают несколько видов растительной диагностики.

Визуальная диагностика основана на выявлении видимых признаков недостатка элементов питания – изменении окраски, появлении на листьях и стеблях пятен, полос, некрозов и т.д.

Химическая диагностика основана на определении содержания в растительных тканях определенных элементов.

Метод инъекций или опрыскивания основан на введении в ткани какого-либо элемента путем инъекций либо опрыскивания и наблюдении за внешними признаками растений.

Морфобиометрическая диагностика основана на определении прироста массы, изменении числа и размеров органов, величины и структуры урожая.

В физиологических исследованиях для изучения роли элементов минерального питания используют вегетационный метод – растения выращивают в водных питательных растворах, не содержащих каких-либо элементов. В течение опыта наблюдают за растениями, отмечая особенности их роста и развития.

Цель работы. Изучить влияние на рост и развитие растений недостатка азота, фосфора, калия, кальция, магния, железа. Выявить характерные внешние признаки недостатка перечисленных выше элементов.

Ход работы. 1. Подготовка опыта. Отбирают хорошо выполненные и одинаковые по величине семена опытных растений, помещают их на влажную фильтровальную бумагу и проращивают при температуре 20…25 °С. Когда корешки достигнут длины 1,5…2 см, здоровые проростки переносят для дальнейшего роста на разбавленный вдвое питательный раствор Кнопа или дистиллированную воду (в опытах с микроэлементами), налитые в специально смонтированные для водных культур стеклянные банки емкостью 0,5 л. Растения помещают на пропарафинированную и продырявленную марлю. Банки заполняют так, чтобы корешки были погружены в раствор.

Когда проростки достигнут фазы второго или третьего листа, производят их окончательный отбор. Одинаковые и здоровые проростки используют для постановки опыта.

2. Постановка опыта. Опыт ставят по схеме, приведенной в таблице 35. В качестве контроля используют смесь Кнопа, имеющую следующий состав: Са(NО₃)₂ – 1,00 г, КН₂РО₄ – 0,25 г, МgSО₄2Н₂О – 0,25 г, КСl – 0,125 г, FeCl₃ – 0,025 г, вода – 1 л.

Кроме смеси Кнопа в качестве контроля можно использовать питательную смесь Д.Н.Прянишникова, имеющую состав: NH₄NO₃ – 0,24 г, СаНРО₄2Н₂О – 0,172 г, МgSO₄ – 0,06 г, СаSО₄2Н₂О – 0,334 г, Fe₂Cl₆ – 0,025 г, вода – 1 л.

При составлении питательных смесей с исключением отдельных элементов минерального питания следует придерживаться следующих принципов:

1. При исключении из питательной смеси какого-либо элемента соотношение всех остальных элементов должно оставаться неизменным.

2. Если исключаемый элемент входит одновременно в состав аниона и катиона одной соли, такую соль исключают, а все остальные вносят в прежнем количестве.

3. Если исключаемый элемент входит только в состав одного из ионов соли (аниона или катиона), ее заменяют другой солью, содержащей элемент с близкими физико-химическими свойствами.

При замене солей выполняют расчеты, в которых сначала определяют содержание в навеске заменяемой соли элемента, связанного с исключаемым. Затем рассчитывают, сколько нужно взять соли-заменителя, чтобы в ней содержалось эквивалентное количество этого элемента.

Пример расчета питательной смеси с исключением магния. Для составления такой смеси соль MgSО₄2Н₂О заменяется солью СаSО₄2Н₂О. В соли MgSО₄2Н₂О с магнием связана сера, которую необходимо сохранить в неизменном количестве. Расчеты выполняют в следующей последовательности:

1. Определяют количество серы в 0,25 г MgSО₄2Н₂О, вносимых по рецепту, исходя из содержания этого элемента в грамм-молекуле (156,36 г):