Методы определения потребности растений в минеральной пище. Значение вегетационных опытов в изучении минерального питания растений и в практической работе учителя

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ - это совокупность процессов поглощения, передвижения и усвоения растениями химических элементов, получаемых из почвы в форме ионов минеральных солей. При исследовании золы растений в ней было обнаружено множество химических элементов, в т. ч. редких, содержание которых в различных частях растений было не одинаковым. Это свидетельствует о том, что данные элементы необходимы растениям и накапливаются в них. Элементы, присутствующие во всех растениях, были отнесены к жизненно важным – это калий, кальций, магний, железо, сера и фосфор.

Для разных растений они необходимы в различных количествах. Полностью заменить одни элементы какими-либо другими невозможно. От степени их присутствия в почве зависит урожайность сельско-хозяйственных растений. В почвах средней полосы России обычно не хватает азота и фосфорной кислоты, реже калия, поэтому их вносят в качестве азотных и фосфорно-калийных удобрений.

Каждый химический элемент играет в жизни растения особую роль.

Минеральные соединения азота и зольных элементов поглощаются наземными высшими растениями почти исключительно корнями. Соли, как и вода, поглощаются живыми клетками первичной коры корня и корневыми волосками, затем корневым давлением выталкиваются с водой в сосуды, разносятся транспирационным током по другим частям растения и снова принимаются живыми клетками стебля и листа. В живых клетках корня происходит первый отбор веществ, допускаемых внутрь растения. Участие живых клеток в принятии веществ обусловливают избирательную способность растения, благодаря которой различные вещества поглощаются в разных количествах. Так как поступление в сильной степени зависит от потребления, растение принимает на различных стадиях развития то одни соли, то другие. Чем теснее соприкосновение корня с частицами почвы, тем сильнее развита корневая система и тем полнее идёт поглощение солей.

Минеральное питание, потребляемое растением из почвы, условно делится на микроэлементы и макроэлементы.

Макроэлементы – такие элементы питания, которых необходимо для растений в большом количестве (N азот, P фосфор, K калий, S сера, Ca кальций, Mg магний, Fe железо и др.).

Микроэлементы – такие элементы питания, которых необходимо очень малое количество, но не менее важные для нормального роста и развития растений (Cu медь, Zn цинк, Mo молибден, B бор, Co кобальт и др.).

Положительные результаты в деле выращивания посадочного материала в лесном питомнике во многом зависят от обеспеченности их элементами минерального питания. Эффективным приемом агротехнического ухода является применение удобрений при основной обработке почвы, перед посевом (посадкой) посадочного материала (семян) или совместно с посадкой и посевом, а также в ходе всего периода выращивания культур.

Минеральное удобрение оказывает разностороннее действие на почвенные условия:

- первостепенное действие – пополнение питательных веществ в почве;

- изменяют в положительную сторону реакцию почвенной среды;

- улучшают физические свойства почвы;                   

- повышают и улучшают жизнедеятельность почвенных микроорганизмов;

- улучшают водный режим почв.

Важность и необходимость применения минеральных удобрений объясняется недостаточными плодородными свойствами почвы, а еще и тем, что во время выкопки посадочного материала с корневой системой и комом земли с участка вывозится плодородный слой почвы, который необходимо восполнять для возможности дальнейшего выращивания качественного и жизнеспособного посадочного материала.

Вегетационный опыт с удобрениями — опыт, проводимый в искусственных условиях в сосудах, размещенных в специальных вегетационных домиках или под сеткой, защищающих растения от различных неблагоприятных воздействий погодных условий или повреждений, с целью изучения плодородия почвы, питания растений и обмена веществ в них. Вегетационные опыты, как и полевые, относятся к биологическим методам исследования и являются основными методами в агрономической и биологической химии.

Специалисту-агрохимику, почвоведу недостаточно владеть одним методом, например полевым, так как многие вопросы более надежно решаются при использовании различных методов. В научно-исследовательской работе необходима комплексность исследования, а знание многих методов дает возможность их использования в зависимости от цели и задачи эксперимента. Вегетационный опыт не противостоит полевому, они взаимно дополняют друг друга. 3. И. Журбицкий указывает, что применение вегетационного метода больше подходит для изучения более тонких различий в реакции растений на разные внешние воздействия, для расчленения влияния отдельных факторов роста и получения возможно более выравненных растений для любых исследований.

Д. Н. Прянишников писал, что в агрохимии «задачей вегетационного метода является вскрытие единства процессов и уяснение значения отдельных факторов, прежде всего роли растения, почвы и удобрения в условиях, наиболее благоприятных для выявления этой роли».

Содержание минеральных элементов в растении. Их физиологическая роль, накопление в отдельных органах, потребление в ходе развития растений. Физиологические основы применения удобрений.

МИНЕРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАСТЕНИЙ — химические элементы, усваиваемые растениями. Обнаруживаются в золе при их сжигании. В корнях и стеблях травянистых растений минеральных веществ содержится до 4 — 5%, в листьях — 10 — 15, в семенах — до 3, в коре древесных растений — до 7, в древесине — около 1%. Содержание минеральных веществ в растениях может резко меняться в зависимости от состава почвы, др. условий и особенно от условий влажности. М. э. р. по их содержанию делят на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы — химические элементы, усваиваемые растительными клетками в больших количествах, содержание их выражается величинами от десятков до сотых долей % (Fe, Ca, К, Mg, Na, P, S, Al, Si, Cl). К микроэлементам относится любой хим. элемент, содержащийся в среде обитания и в растениях в количествах менее 0,1%, но необходимый для нормальной жизнедеятельности. Микроэлементами следует называть химические элементы, находящиеся в растениях в конц. от 10-2 до 10-5% (Мn, В, Sr, Cu, Li, Ba, Вr, Ni и др.). Ультрамикроэлементы накапливаются в клетках в концентрациях менее 10-6% (As, Mo, Co, I, Pb, Hn, Ag, Au, Ra и др.).

Некоторые растения способны концентрировать определенные минеральные элементы: например, морские водоросли — бром, йод, кукуруза — золото, астрагалы — селен, сфагнум — серебро, представители семейства вересковых и брусничных — марганец.

Минеральные элементы в растениях способны образовывать комплексы с веществами орг. природы. Это характерно для железа и таких микроэлементов и ультрамикроэлементов, как медь, кобальт, цинк, марганец, и некоторых др. Они входят в состав или активируют до 300 ферментов. Например, медь — компонент полифенолоксидазы, железо — пероксидазы и каталазы, кобальт — витамина В12.Известны металлорганические соединения и неферментативного характера, но с высокой биологической активностью. Это, например, соединения металлов с нуклеиновыми кислотами, белками, флавоноидами, магний входит в состав хлорофилла, медь — в состав купропротеина, кремний включен в кремнегалактозный комплекс, бор — в комплексы с флавоноидами и др. Высокая биологическая активность минеральных элементов проявляется, вероятно, и при использовании некоторых лекарственных растений, морских (бурых) водорослей при лечении тиреотоксикоза; сфагнума при лечении ран; зайцегуба опьяняющего, богатого кальцием, при лечении внутренних кровотечений; листьев черники, богатых марганцем, при лечении первых стадий диабета, для которого характерно падение содержания марганца в крови, и т. д.

Поступление веществ в корневую систему: основные этапы, затрата энергии, пути и механизмы продвижения веществ до сосудов ксилемы. Зависимость поступления веществ в корень от внешних и внутренних факторов.

Корни поглощают вещества из почвенного раствора (водная фаза) и при кон­такте с частицами ППК — почвенного поглощающего комплекса (твердая фаза почвы). ППК — это мелкодисперсная коллоидная часть почвы, смесь минераль­ных (алюмосиликатных) и органических (гуминовых) соединений. Большая часть коллоидов почвы заряжена отрицательно, на их поверхности в

адсорбиро­ванном (поглощенном) состоянии находятся катионы. Некоторая часть коллои­дов почвы в определенных условиях может быть заряжена положительно, по­этому на них в поглощенном адсорбированном состоянии будут находиться анионы. Обменные катионы и анионы — один из важнейших источников пита­ния для растений. Катионы и анионы, находящиеся в поглощенном состоянии на частицах почвенного поглощающего комплекса, могут обмениваться на ионы, адсорбированные на поверхности клеток корня. Так может осуществляться поступление катионов К+, Са2+, Na+ в обмен на протоны, а также анионов N03-, Р043- и других в обмен на НС03- или анионы органических кислот. Осо­бенно эффективно идет поглощение при контактном обмене, при котором про­исходит обмен ионами без перехода их в раствор. Поглощенные ионы адсорбируются на поверхности клеточных оболочек ризодермы. Из адсорбированного состояния ионы могут по коре корня передви­гаться двумя путями: по апопласту и симпласту. При поступлении в симпласт ионы проникают через мембрану и далее передвигаются по плазмодесмам к со­судам ксилемы. Однако такие большие молекулы как белки не могут преодо­леть пространство в плазмодесмах, поэтому имеются специальные механизмы. Поступление ионов через мембрану происходит с помощью переносчиков как пассивно, по градиенту электрохимического потенциала, так и активно, с ис­пользованием метаболической энергии. Механизм этого процесса и роль транс­портных белков подробно разбирались выше.

Ток воды с растворенными веществами, движущийся по свободному про­странству (апопласту), как бы омывает все клетки коры. На всем этом пути могут наблюдаться адсорбция веществ клеточными стенками, поступ­ление ионов в клетки через соответствующие мембраны и включение их в обмен веществ, т. е. метаболизация. Необходимо учесть, что на пути движения по апо­пласту имеется преграда в виде клеток эндодермы с поясками Каспари. Пере­движение через клетки эндодермы возможно, по-видимому, только через цито­плазму. Даже если признать наличие в стенках клеток эндодермы промежутков для свободной диффузии, то они настолько малы, что вещества не могут через них проникнуть. В связи с этим перенос ионов через мембраны клеток эндодер­мы необходим и также осуществляется с помощью переносчиков. В целом между апопластом и симпластом в корневой системе происходит непрерывное взаи­модействие и обмен питательными солями. По мнению некоторых исследовате­лей, основным для транспорта ионов является симпластный путь, отличающийся от апопластного большей эффективностью и возможностью осуществлять ме­таболическую регуляцию. В осуществлении этого большая роль принадлежит осморегулирующей функции вакуолей. Вопрос, что является движущей силой, заставляющей клетки корня секретировать ионы в сосуды ксилемы, является спорным. Имеется мнение, что клетки, расположенные около сосудов ксилемы, обладают более низкой метаболической активностью по сравнению с более удаленными благодаря меньшему содержанию в них кислорода. В силу низкой интенсивности дыхания эти клетки не удержи­вают соли и отдают их в сосуды ксилемы. Затем соли вместе с водой благодаря градиенту водного потенциала поднимаются по сосудам вверх (массовый ток). Последние биохимические исследования показывают, что важную роль в пере­носе ионов в ксилему имеют паренхимные клетки ксилемы. Плазмалемма этих клеток содержит протонные помпы, водные каналы и различные ионные каналы, которые специализированы в поступлении и отдаче веществ.

Так, в паренхиме идентифицированы два типа ионных каналов: К-специфичные и неспецифич­ные. Эти каналы регулируются благодаря мембранному потенциалу и концентра­ции калия. Из этих данных следует, что транспорт ионов из паренхимы в сосуды ксилемы находится под контролем обмена веществ путем регуляции Н+-АТФазы плазмалеммы и ионных каналов.