химический состав растений внутренние и внешние факторы

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ ВНУТРЕННИЕ И ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ ПИТАНИЯ
План занятия:
1. Химический состав растений.
2. Внутренние и внешние факторы питания.
1. Химический состав растений можно разделить на 4 группы: вода, органические вещества,
органоминеральные соединения, минеральные соли.
Вода в системе корневого питания важна как среда для диффузии растворенных веществ,
жидкость для регулирования температурного режима среды, растворитель для биохимических реакций,
фактор, способствующий поддержанию жизнедеятельности корневой системы в почве, как среда для
снабжения растений питательными веществами за счет массового тока воды, среда для движения
питательных элементов по растению и источник водорода при фотосинтезе.
Виды воды в растениях - связанная и свободная. Связанная подразделяется на прочносвязанную,
адсорбированную гидрофильными коллоидами, и слабосвязанную в составе клеточного сока и
протоплазмы. Свободная вода в растениях не связана с другими соединениями, легко передвигается,
транспортирует элементы питания, расходуется на испарение.
Органические соединения (сухое вещество) представляют собой разницу между валовым
урожаем и содержанием воды в нем. Сухое вещество на 90-95% представлено органическими
соединениями в виде углеводов, жиров, белков, азотсодержащих небелковых соединений, ферментов и
т. д. и на 5-10% - минеральными солями.
Углеводы многообразны, но построены с участием трех элементов: водорода, кислорода и
углерода. Несмотря на простоту элементного состава углеводов, значение их огромно, они являются
главными поставщиками энергии для человеческого организма и животных. Эта самая большая группа
веществ синтезируется растениями в наибольшем количестве. Углеводы подразделяют на простые
сахара - моносахариды, сложные сахара -дисахариды и трисахариды, и не растворимые в воде полисахариды. В растениях распространены:
а) моносахариды С6Н1206 в виде рибозы, глюкозы, фруктозы - в зависимости от вида растений.
б) олигосахариды 2С6Н1206=С]2Н22Оп+Н20 представлены в растениях сахарозой, мальтозой.
в) полиозы пС6Н1206-пН20-(С6Н10О5)п представлены главным образом крахмалом, состоящим
из амилозы и амилопектина. В растении представляют запасное вещество и являются источником
снабжения организма энергией.
г) клетчатка или целлюлоза (С6Н10О5)п: наибольшим содержанием целлюлозы отличаются лен,
конопля, хлопок, которые собственно и выращиваются ради этого соединения. Целлюлоза (клетчатка) самый стойкий к растворителям полисахарид: в воде нерастворим.
Гемицеллюлоза - полисахарид с меньшим молекулярным весом, чем целлюлоза. Состоит из
остатков пяти- и шестиатомных углеводов (пента-занов и гексозанов). Менее стойка к растворению по
сравнению с клетчаткой. Вместе с целлюлозой входит в клеточные оболочки, солому и древесину (2040%).
Пектиновые вещества. Клеточные стенки растений одновременно с целлюлозой и
гемицеллюлозой содержат в своем составе пектиновые вещества, также относящиеся к углеводам.
Органические (карбоновые) кислоты: Наибольшее количество их содержится в культурах,
соответствующих названию кислот, но, несмотря на это, образование аминокислот и дальнейшее
превращение азота в растениях, особенно без уксусной, фумаровой, щавелевой, пировиноградной
кислот, невозможны.
Жиры образуются при взаимодействии жирных кислот с многоатомными спиртами, чаще всего с
глицерином.
Воски являются сложными эфирами жирных кислот с одноатомными спиртами, а в некоторых
случаях - двухатомного ненасыщенного спирта высокой молекулярной массы, или эфирами стеринов с
некоторыми высшими жирными кислотами.
Стерины представляют собой одноатомные спирты весьма сложного строения.
Витамины - биологически важные вещества, необходимые любому живому организму. В
настоящее время их насчитывают более 40 видов. Прежде всего в растениях встречается аскорбиновая
кислота.
Каротиноиды - желтые и красные пигменты, сопровождающие хлорофилл в растениях. Играют
важную роль в процессе фотосинтеза и других окислительно-восстановительных процессах.
Ростовые вещества. Растения и микроорганизмы синтезируют очень незначительные количества
ауксинов, известных под названием ауксин «а» и ауксин «б» и гетероауксинов, которые вместе взятые
получили название, вынесенное в подзаголовок.
Белковые вещества представляют собой органические полимеры, в состав которых кроме
водорода, кислорода, углерода входят азот, а также в ряде случаев и сера.
Белковые вещества подразделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды). Для оценки
качества растениеводческой продукции часто пользуются термином «сырой протеин», под которым
понимают сумму всех азотистых соединений, содержащихся в урожае. Протеины состоят из
аминокислот.
Органоминеральные соединения состоят из органических веществ и минеральных элементов.
Фосфорсодержащие соединения в растениях встречаются в двух формах - минеральные фосфаты и
фосфорорганические соединения. Минеральные фосфаты представлены солями натрия, калия, кальция,
магния в форме монофосфатов, дифосфатов и трифосфатов и играют в растении роль запасных веществ.
К числу органических соединений относятся жироподобные вещества под названием липоиды,
входящие в состав любой живой клетки. В отличие от настоящих жиров, они содержат, кроме углерода,
водорода и кислорода, еще азот и фосфор. Липоиды, или фосфориды, являются эфирами глицерина,
жирных кислот и фосфорной кислоты. Липоиды наравне с белками в составе клеточных мембран
оказывают существенное влияние на поступление питательных веществ внутрь клетки.
Магнийорганические соединения в растениях представлены хлорофиллом «а» и «б», содержание
которого в сухом веществе растений составляет около 1%.
К числу органоминеральных соединений относятся ферменты биокатализаторы, которые иначе
называют металлоферментами. В основе ферментов лежат белковые вещества. Около 180 ферментов в
своем составе имеют металлы, в том числе такие микроэлементы, как марганец, медь, молибден,
кобальт, цинк и другие. В зависимости от процессов, контролируемых металлоферментами или
стимулирующих их прохождение, выделяют, по крайней мере, шесть больших групп: оксиредуктазы
(окислительно-восстановительные); трансферазы (участвуют в переносе веществ); гидролазы
(гидролизующие); липазы (отщепление или присоединение отдельных групп веществ); изомеразы
(стимулирующие синтез изомеров); лигазы (осуществляют многочисленные реакции биосинтеза).
Минеральные соли - химические соединения, не связанные с органическими веществами.
В целом химический состав растений характеризуется следующими данными (%): кислород - 42,
углерод - 45, водород - 6,5, азот - 1,5, фосфор - 0,1, на долю других элементов приходится 4,9. Калий не
обнаруживается в составе органических или органоминеральных соединений. Почти целиком он
содержится в ионном состоянии и сосредоточивается в растущих органах растений.
Знание химического состава растений дает возможность определить баланс питательных веществ
в земледелии, под которым понимается разница между приходом питательных веществ с удобрениями
и из других источников пополнения их и расходом на формирование урожая и другие статьи расходной
части баланса. Отсюда баланс может быть отрицательный (расход превышает поступление питательных
веществ); уравновешенный, когда расход питательных веществ компенсируется приходом их извне;
положительный, когда поступление питательных веществ извне превышает расход их на формирование
урожая.
Знание химического состава растений дает возможность рассчитать вынос питательных веществ
с урожаем, под которым понимают количество питательных веществ, затрачиваемое на формирование
надземных и подземных органов растений. Отсюда различают биологический вынос, под которым
понимают затраты вещества на формирование товарной и нетоварной части урожая, и хозяйственный
вынос, т. е. вынос питательных веществ, связанный с отчуждаемой с поля частью урожая.
Знанием химического состава растений можно воспользоваться для расчета коэффициентов
выноса питательных веществ, под которыми понимается количество вещества, потребленное единицей
товарной продукции с соответствующей массой побочной продукции.
В растениях, по данным литературных источников, обнаруживаются все элементы
периодической таблицы Д. И. Менделеева. Нас интересуют 20 элементов, относящиеся к необходимым
в питании (водород, натрий, калий, медь, магний, кальций, цинк, бор, углерод, азот, фосфор, ванадий,
кислород, сера, молибден, хлор, йод, марганец, железо, кобальт) и 12 элементов считают условно
необходимыми (литий, серебро, стронций, кадмий, алюминий, силиций, титан, свинец, хром, селен,
фтор, никель).
К необходимым относятся элементы, без которых растения не могут полностью закончить цикл
развития и которые не могут быть заменены другими элементами. Среди этой группы, помимо
рассмотренных выше макроэлементов, находятся микроэлементы - медь, цинк, бор, ванадий, молибден,
йод, марганец, кобальт. По 12 условно необходимым элементам отдельными исследователями
сообщаются сведения о положительном влиянии их на рост растений и урожайность.
2. Внутренние и внешние факторы питания. Характер и интенсивность поглощения веществ
тесно связаны с множеством внешних факторов, среди которых особое место занимает: свет, тепло,
вода, концентрация и состав раствора, реакция среды, аэрация.
Свет. Корневое питание связано с солнечной радиацией – интенсивность корневого питания
зависит от интенсивности фотосинтеза, а последний в совою очередь – от минерального питания.
Удлинение светового периода положительно влияет на урожайность кукурузы овса, выращиваемой на
нитратном фоне, и снижается на аммиачном. Максимально К, Са, Р поглощается в дневные часы, а
ночью скорость поглощения снижается в 1,5-3 раза.
Путем изменения питания – с освещения можно регулировать – географией посева, геометрий и
нормой высева.
Влажность почвы. Она влияет на поступление в растение элементов питания следующими
факторами.
1.Улучшениее общего физиологического состояния растений (фотосинтез, биосинтез белков т.д.)
2. Улучшение развития и расположения корней и увеличение общей поглотительной
способности.
3. Увеличение общего поступления в растения N, P, K, Ca, Mg, Zn, Cu, Mn, Co, Fе, Mo и B при
оптимальном увлажнении почвы.
Избыток или недостаток влаги нарушает нормальный процесс корневого питания, способствует
развитию грибных болезней. Оптимальная влажность почвы в условиях естественного увлажнения
колеблется в пределах 60-70 % Н.В. Оптимальная влажность воздуха для поглощения элементов
питания корневой системой, колеблется в пределах 70-80 %.
Всего 0,2 % поглощенной корнями воды расходуется на построение всех органов растений, а
свыше 99 %ее идет на испарение.
Удобрения не оказывают влияния на валовый расход воды урожаем, но резко сокращают затраты
воды на формирование единиц урожая.
Температура. Между повышением температуры до оптимального уровня и интенсивностью
поглощения иона существует прямая зависимость: при повышении температуры почвенного раствора с
10 до 24 ºC испарение воды увеличивается в 1,4 раза, а поглощение ионов: кальций – в 15, NO3 в 5,2;
магний – в 5раз, калий в 3,2 раза.
Для поглощения N и Р зерновыми хлебами оптимальная температура 23-25 ºC. Для южных
культур лучше поглощают питательные вещества при температуре 30-35 ºC.
Играет важную роль при прорастании семян, генеративных органов формирования.
Для поглощения и усвоения NH4 приемлемы более низкие температуры. Отсюда предпочтение
сульфату аммония, аммиачной селитры, мочевине при проведении ранних подкормок озимых культур.
Понижение температуры до 5-7 ºC сильно сокращает поглощение корнями N. P, Ca и S,
практически не оказывают влияние на поглощении К.
Оптимальная температура воздуха для южных районов колеблется в пределах 15-30 ºC.
Таким образом, в условиях оптимального минерального питания температура около 5-6 ºC
является критической для поступления основных элементов минерального питания в растения.
Концентрация и состав раствора. Под оптимальной концентрацией почвенного раствора
следует понимать ту, при которой в конкретных условиях обеспечивается наибольшая продуктивность
растений. Оптимальная суммарная концентрация солей почвенного раствора не должна превышать 3,5 –
4 г/л воды или 1 г/ кг почвы, или 16-26 моль/л.
Корневая система обладает способностью усваивать питательные вещества из сильно
разбавленных растворов (0,01-0,05 %). В полевых условиях концентрация почвенного раствора
колеблется в пределах 0,02-0,2 %. Корневой системой лучше поглощаются ионы из умеренно –
концентрированных растворов, а вода из неудобренной зоны.
Каждому виду растений необходимо определенное соотношение питательных элементов,
изменяющиеся в течении вегетации. Решающее значение принадлежит специфическим особенностям
корневой системы. Например, калий поступает в корневую систему быстрее, чем рубидий и цезий, хотя
диаметр ионов последних двух элементов меньше.
Нормальное функционирование растительного организма осуществляется при строго
определенном соотношении катионов и анионов во внешней среде. Рост надземных органов растений и
развития корневой системы зависят от физиологической уравновешенности питательного раствора.
Физиологически уравновешенным называется раствор, в котором отдельные элементы питания
находятся в таких соотношениях, при которых происходит наиболее эффективное их использование
растением.
Выяснение причин изменения в поглощении элементов минерального питания растениями в
зависимости от состава и концентрации питательных веществ в среде имеет важное теоретическое и
практическое значение. Повышение уровня азотного питания увеличивает поступления в растения Р,
Са, Mg, Cu, Fe.Mn и Zn. Отклонение концентрации одного элемента на 30-100 % от его оптимального
содержания в субстрате ведет к изменению поглощения других элементов питания: увеличения
количества элемента, находящегося в недостаточной концентрации способствует поглощению других
элементов, называется синергизмом. Явление синергизма характерно между Su, Mn, Zn;Cu и Co, B, Zn,
Co;Мo и Mn; Mo и Cu; Cu и Mn; Ca и Co.
Антагонизм ионов возможен только в случае наличия у обоих ионов одинаковых химических
свойств. а также способности образовывать ковалентные с одними и теми же переносчиками. Явление
антагонизма установлено между Fe и Ca; Al и Na; Fe и Zn; Mn и Zn; Cu и Zn; Zn и Fe, Mn, Cu, Mo. В
составе почвенного раствора весьма токсичен Al, Мn, Н. Они угнетают рост корней, особенно в кислой
среде при низком содержании Са и Мg. Содержание Al 2 моль/кг почвы угнетают большинство культур,
особенно озимую пшеницу.
Аэрация и питание растений. Установлено влияние аэрации на поглощение растениями
различных элементов питания. Чувствительность элементов к условиям аэрации при поглощении
корнями выстраивается в следующий ряд: K < Ca < Mg < N < P . Максимальное поглощение корнями
питательных веществ наблюдается при концентрации О в почвенном воздухе в пределах 2-3 %, а
дальнейшее увеличение концентрации кислорода вплоть до 100 5 не увеличивает скорость поглощения
солей. Содержание СО2 в почвенном воздухе также влияет на скорость роста корня. Наивысшая
скорость роста корня. Наивысшая скорость роста отмечается при концентрации углекислого газа 1-2 %
в почвенном воздухе. Растения переносят увеличение концентрации СО2 до 16 %, хотя в этих условиях
рост может угнетаться и опускаться до 80 % от оптимального.
Реакция почвенной среды. Она зависит от соотношения в почвенном растворе ионов Н+ и ОН-.
При подщелачивании раствора усиливается поглощения катионов, а при увеличении кислотности
раствора улучшается поступление анионов.Так ион NH4+ поступает лучше при нейтральной или
слабощелочной среде, а NО3 – при сдвиге рН в сторону подкисления.
Подавляющее число сельскохозяйственных культур положительно реагируют на интервал рН от
5,5 до 7,5. Понижение или повышение рН сопровождается повышением активности вредных ионов,
уменьшения доступных форм N, P, Mo, щелочная среда нарушает поглощение B, P, Mn, Zn, Cu.
Физиологическая реакция солей. В процессе роста растения избирательно поглощают ионы, и
даже при внесении в почву химически нейтральных солей их физиологическая реакция может быть
различной. В результате остающиеся в питательном растворе ионы определяют его подкисление или
подщелачивание.
Физиологическая кислотность удобрения – свойство его подкислять реакцию среды, связанное с
преимущественным использованием растениями катионов из состава соответствующей соли.
Физиологическая щелочность удобрения – свойство удобрения подщелачивать реакцию среды,
связанное с преимущественным использованием растениями анионов из состава соли. Интенсивное
подкисление питательного раствора происходит вследствие более быстрого подкисления.