Пособие для начинающих садоводов
Пособие для начинающего Агронома
Вот так решил озаглавить тему, много информации, но она разбросана, и многие из авторов преподносят материал так, что зачастую для полного понимания чего-то не хватает, так вот, это попытка собрать материал из разных источников (по мнению ТС наиболее осмысленных и понятных работ) и сгруппировать в одной теме.
Работа рассчитана на любителей растениеводства, студентов и не только …
Для того чтобы выявить те особенности и преимущества, которые имеют растения при выращивании, следует предварительно познакомится с работой корня. Основная роль корня, помимо его опорной функции, сводятся к обеспечению растений питательными минеральными солями и водой.
Поглощение корнем воды Одной из важнейших функций корневой системы является всасывание и подача воды в надземную часть. Как известно, растение на 80%-90% состоит из воды. Вода участвует в дыхательном обмене, разлагается при образовании в процессе фотосинтеза органических веществ, таких, как сахар и крахмал. Однако расход её на эти процессы ничтожен по сравнению с той тратой, которую растения производят листовой поверхностью при испарении (транспирация).
Листья поглощая лучистую энергию,необходимую для процесса фотосинтеза, могут перегреться и погибнуть. Чтобы сохранить эти важнейшие органы от погибели,растения вырабатывают защитные приспособления. Листья непрерывно испаряют воду, вследствие чего температура их снижается, и даже на ярком солнечном свету они почти не нагреваются. В зависимости от условий, площадь листьев, равная 1м2, испаряет за час от 15 до 250 г воды, а ночью от 1 до 20г.
Для пополнения воды, потраченной на испарение, корень автоматически должен подавать новые порции оной. Если корень не справляется с этой функцией, то растение увядает, прекращая одновременно вырабатывать в процессе фотосинтеза новые органические вещества.
Корню приходиться, таким образом, совершать колоссальную работу, чтобы обеспечить растение водой. В почве корень, разыскивая воду, при этом углубляясь на 1,5 – 2м и оплетает каждый комочек почвы в сравнительно большом объеме. В силу этого общая протяженность корней в естественных условиях очень велика, в 50–100 раз превышает поверхность листьев.
Немало усилий корень вынужден прилагать, отнимая воду от коллоидных частичек или от скопившихся в почве солей.
Демонстрация корневого давления в срезанном основании растения. Поглощение воды корнями вызывает подъём ртути в трубке. Данный метод демонстрирует давление в 3 – 5 бар.
Роль корня в обеспечении растений водой сильно облегчена при выращивании их на искусственных субстратах, вода не связывается с субстратом, а при субирригационном способе полива поверхность субстрата остаётся сухой, вода с неё не испаряется и при отсутствии капиллярности испарение происходит лишь с поверхности листьев при транспирации, благодаря этому вода расходуется особенно экономно.
Поглощение корнем минеральных веществ
Другой важнейшей функцией корневой системы является поглощение необходимых для растений питательных солей.
Известно, что только молодые растущие части корневой системы (до 5см от кончика корня) хорошо поглощают минеральные соли. Более старые опробковевшие участки корня не способны к поглощению питательных солей. Таким образом, только при создании хороших условий для роста корня растение нормально обеспечивается питательными веществами.
Особенности обмена веществ в корне связаны с его ролью в целом растении. Прежде всего, корень-это специализированный орган поглощения воды и минеральных элементов из почвы. Поэтому часть процессов биосинтеза направлена на построение аппарата поглощения и системы транспорта, поступивших в корень ионов, органических соединений и воды к местам их потребления. В корне происходит частичная или полная переработка поступивших ионов и перевод их в транспортную форму: восстановление, включения в различные органические соединения, в корне синтезируются физиологические активные вещества – фитогормоны цитокининовой природы и гиббереллины, необходимые для нормального роста и развития всего растения.
Корневая система растения проделывает большую работу, разыскивая и собирая по крупицам рассеянные в почвенной толще питательные элементы. Лишь незначительная часть минеральных солей находится в так называемом почвенном растворе, из которого они без особого труда всасываются корнем. Однако почвенный раствор даже в самой плодородной почве содержит относительно мало питательных веществ и не может обеспечить нормального развития растения. Основная масса питательных солей находится в нерастворимом состоянии или адсорбирована на поверхности мельчайших почвенных частиц.
Почва vs Гидропоника, преимущества и недостатки
Питание растения в почве является весьма сложным по сравнению с питанием растения в водных растворах. В почве необходима как большая поверхность корневых систем, так и наличие в ней значительного запаса дыхательных материалов.
Питание растения в почве осложняется еще тем, что питательные вещества, в особенности азот и фосфор, находятся в форме органических соединений, они становятся доступными для растения после разложения его микроорганизмами, и чем благоприятней условия для жизнедеятельности микроорганизмов в почве, тем больше питательного вещества получают растения. Из этого следует, что урожай растений, растущих в почве, до некоторой степени зависит от деятельности микроорганизмов. К сказанному следует добавить, что зачастую даже плодородные почвы не всегда содержат достаточное количество микроэлементов, которые или отсутствуют или находятся в недоступной для растения форме.
Если рассматривать почву с этих позиций, то каждый почвенный образец представляет собой настолько сложную среду, что часто самый точный химический анализ не в состоянии дать ответ, сколько и каких веществ находится в данный момент в распоряжении растения. Это создаёт большие трудности при решении вопросов, связанных с подкормкой при интенсивной культуре растений, так как излишнее внесение минеральных удобрений приводит к засолению почвы и ухудшает её физические свойства.
В поглощении ионов из почвы большую роль играет реакция среды. В сильно кислой среде (ph < 4,0) ионы водорода действуют на растение токсически, они вытесняют из состояния адсорбции все другие катионы, и вместо поглощения можно наблюдать их выделение из корня. В сильно щелочной среде (ph > 8,0) нарушается поглощение растениями анионов.
В менее кислой среде (ph = 4,5 – 5,0) прямого токсического действия ионы водорода не вызывают, тем не менее, в почвах с таким ph наблюдается плохой рост растений. Это объясняется тем, что в кислых почвах задерживается поступление кальция и нарушается деятельность полезной микрофлоры, помимо того, в кислых почвах скапливается большое количество вредно действующих ионов железа, марганца и особенно алюминия, которые в некислых почвах находятся в связанном состоянии, а так же понижается поглощение растениями фосфатов и молибдена.
При выращивании растений на искусственных питательных средах кислотность раствора меньше сказывается на росте растения из-за отсутствия побочного влияния водородных ионов. При (ph = 4,0) рост оказывается сильно заторможенным, так как в сильно кислой среде затормаживается поглощения всех катионов. Зато при (ph = 5,0 и 6,0) рост наилучший. Сдвиг (ph = 8,0) в щелочную сторону, напротив, резко снизил рост, чего обычно не происходит в почве. Причина этого кроется в том, что при нейтральной реакции, часть находящихся в растворе минеральных веществ выпадает в осадок в виде фосфорнокислых и углекислых солей кальция, марганца и железа и становятся недоступным растению. Эти соли, осаждаясь на поверхности корня, затрудняют также и его дыхание. Нейтральная и щелочная среда затрудняют поглощение железа, которое нацело выпадает в осадок, в результате чего растение заболевают хлорозом, при этом заболевании прекращается образование хлорофилла и наблюдается пожелтение молодых листьев. При хлорозе изменяется не только окраска листа, но нарушается процесс фотосинтеза и дыхания, рост растений резко замедляется. Вот почему при выращивании растений без почвы нужно тщательно следить за тем, чтобы питательный раствор всегда содержал железо.
При равных условиях, выращивание растений в искусственных субстратах всё же имеет ряд преимуществ перед выращиванием их в почве:
1.Возможность создания для растения оптимальных условий рационального корневого питания и водоснабжения.
2.Экономное использование воды и питательных веществ.
3.Контроль питательной среды (простой анализ: катионы, анионы ; PH +/-, в случае необходимости, состав среды можно изменить в нужном направлении или заменить).
4.Возможность регулирования температуры корнеобитаемого слоя.
5.Ускорения развития растений.
6.Высокое качество урожая.
7.Дезинфекция субстрата.
8.Уменьшение ручного труда при уходе за растениями (поливы и т.п.)
К недостаткам данного метода можно отнести:
1. тщательность слежения за условиями ( кислотность раствора, химический состав, аэрация корня т.п.)
2. специальная подготовка (хорошо знать основы физиологии растения и иметь достаточное представление о химии)
Если люди, занимающиеся выращиванием растений в искусственной культуре, недооценивают важность проверки кислотности раствора и хорошей аэрации корня, то они могут или совсем погубить растение или получить растения больные (из-за недостатка или переизбытка тех или иных питательных веществ).
Поглощение минеральных веществ является физиологическим процессом и тесно связан с дыханием корней Поэтому одним из условий интенсивного поглощения питательных солей является: хорошая аэрация корневой системы, свет, вентиляция и температурные условия, кислотность и концентрации раствора.
Засолённость.
Высокие концентрации Na Cl и других солей в оросительной воде повреждают растения, так как осмотические эффекты тормозят поглощение воды, а натрий ингибирует ферменты в цитоплазме, поэтому при накоплении соли растения становятся чахлыми и в конце концов перестают расти, соли остаются в почве, субстрате и их количество медленно возрастает до тех пор, пока концентрация не начнёт повреждать растения, в этот момент нужно промыть субстрат или почву избыточным количеством воды .
Вода
Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать…
Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты сама жизнь… Ты самое большое богатство в мире».
Антуан де Сент – Экзюпери
Вода в биологических объектах выполняет следующие основные функции:
1. Водная среда объединяет все части организма, начиная от молекул в клетках и кончая тканями и органами, в единое целое. В теле растения водная фаза представляет собой непрерывную среду на всём протяжении от влаги, извлекаемой корнями из почвы, до поверхности раздела жидкости – газ в листьях, где она испаряется.
2. Вода – важнейший растворитель и важнейшая среда для биохимических реакций.
3. Вода участвует в упорядочении структур в клетках. Она входит в состав молекул белков, определяя их конформацию.
4. Вода – метаболит и непосредственный компонент биохимических процессов. Так, при фотосинтезе вода является донором электронов. При дыхании, например в цикле Кребса, вода принимает участие в окислительных процессах. Вода необходима для гидролиза и для многих синтетических процессов.
5. Вода – главный компонент в транспортной системе высших растений – в сосудах ксилемы и в ситовидных трубках флоэмы, при перемещении по симпласту и апопласту.
6. Вода – терморегулирующий фактор. Она защищает ткани от резких колебаний температуры благодаря высокой теплоёмкости и большой удельной теплоте парообразования.
7. Вода – хороший амортизатор при механических воздействиях на организм.
8. Благодаря явлениям осмоса и тургора (напряжения) вода обеспечивает упругое состояние клеток и тканей растительных организмов.
Для приготовления питательных растворов нужна хорошая вода. В большинстве мелких и крупных городов есть водопроводная вода. Все считают её чистой. Действительно, она пригодна для питья. Однако водопроводная вода содержит небольшую примесь химических веществ, которые применяются для ее очистки, кроме того вода содержит растворённые природные соли. Поэтому, прежде чем использовать водопроводную воду для приготовления питательного раствора надо ознакомиться с данными её анализа. Всю питьевую воду регулярно анализируют работники городского водоснабжения.
Для облегчения расчетов при составлении питательных растворов результаты анализа водопроводной воды увеличивают в десять раз. Возьмём, например, калий и посмотрим, как повлияет на его дозу состав воды. Согласно данным анализа, в 0,1 л водопроводной воды содержится максимум 0,2мг/0,1л, умножаем на 10, получим 2мг/л. Таким количеством калия можно пренебречь, так как оно заметно не повлияет на концентрацию калия в питательном растворе. Если содержание любого элемента не превышает 10% от требуемой дозы, никакой поправки в состав питательной смеси не вносят.
Количество некоторых элементов в воде, которые можно не учитывать, мг/л:
Железо…………….1
Магний……………10
Калий……………..10
Кальций…………...20
Дождевая вода является самой чистой водой, которую можно найти в природных условиях, но и она содержит незначительное количество азотистых соединений, например солей аммония и небольшую примесь кислорода и углекислого газа. Падающие капли воды увлекают с собой из атмосферы пыль. Это очищает воздух, но загрязняет воду, особенно в крупных промышленных районах. Однако примеси бывают настолько незначительны, что для приготовления питательных растворов в первую очередь следует применять дождевую или РО воду.
Обратноосмосная вода РО или дистиллят — технология очистки воды от примесей, система обратного осмоса подобно множеству замечательных открытий в физике, была заимствована у естественной природы и не предполагает даже малейшего использования химических веществ. Технология основана на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной, через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией. Обратноосмотический процесс в системах очистки воды также основан на прохождении молекул воды через полупроницаемую синтетическую мембрану, при котором абсолютное большинство загрязнений удаляется.
Аппарат для получения дистиллированной воды
Вода из рек и водохранилищ. Состав текущих по поверхности земли вод зависит от химического состава пород и почв местности. Сбегая с гор, вода увлекает также множество твёрдых частиц. Речная вода обычно содержит растворимые соли, а также органические частицы.
Озёра образуются за счет поверхностных, грунтовых и дождевых вод. Благодаря большой глубине озёр и рек в них осаждаются все нерастворимые вещества. Озёрную и речную воду вполне можно использовать.
Талая и артезианская вода обычно годится для приготовления питательных растворов почти без всяких изменений. Как правило, артезианскую воду, пригодную для питья можно использовать также в гидропонике. В большинстве случаев артезианская вода имеет ph от 7 до 7,4.
Водопроводная вода поступает в распределительную сеть из водохранилищ. Состав сильно изменяется в течении года и особенно в период засухи. Иногда воду пропускают через резервуары, в которых нежелательные примеси осаждают известью, солями алюминия, сульфатами. Ph воды достигает 8 – 8,6. В маленьких городах при неквалифицированном химическом контроле ph воды может быть и выше, что крайне плохо действует на растения.
Обычно приходится учитывать, только содержание магния, кальция и хлористого натрия, излишек магния затрудняет поглощение калия, вода богатая карбонатами, подщелачивает раствор, создавая для корней неблагоприятную среду, и что количество хлористого натрия в 1 – 2 г/л ещё переносятся растениями, большие количества уже причиняют вред.
нельзя пользоваться водой, содержащей более 2мг/л бора. Непригодна также вода, загрязнённая фтором. Вода некоторых минеральных источников содержит более 2мг/л марганца, её нельзя использовать в гидропонике. Как общее правило, водопроводная вода содержит от 100 – 200 мг/л растворенных химических веществ. Эта концентрация не настолько высока, что бы повлиять на питательный раствор.
Однако даже самую плохую воду, можно очистить, пропуская через колонки с ионообменниками и использовать в приготовлении питательного раствора.
Таким образом, нужно знать состав любой воды, кроме дождевой и обратноосмосной. Засолённость воды повышает осмотическое давление до двух и более атмосфер. При таком давлении питательные элементы становятся недоступными растениям. Следовательно, чем выше засолённость воды, тем меньше питательных солей можно добавить при регулировании раствора.
Пределом использования питательного раствора является 2500 мг/л
Осмос Осмос имеет место, когда солевой раствор движется через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией соли к области с большей концентрацией соли.
Например, если сосуд разделён пополам полупроницаемой мембраной и с одной стороны налита вода а с другой точно такой же объем концентрированного раствора сахара, то вода будет вытягивается концентрированным раствором сахара. Уровень раствора сахара будет подниматься, а уровень воды понижаться, и в конце концов вся вода будет перетянута в раствор сахара.
Предлагаем такой опыт. Возьмём яблоко (лимон). Очистим кожицу. Разрежем яблоко на четыре или большее число долек. Затем посыпаем дольки очищенного яблока сахаром (или солью). Дольки со всех сторон должны быть покрыты сахаром.
Что мы увидим ?
Через 5мин – сахар на очищенных от кожуры кусочках начнёт растворяться .
Через 10мин – капли яблочного сока будут стекать с долек.
Через 4 часа – почти весь яблочный сок из долек вытечет и останется только мякоть.
Это – эффект осмоса.
На практике избыточные соли могут привести к полной гибели урожая и в исключительных случаях, скорей всего, к снижению урожайности. Это происходит потому, что растения поглощают питательные вещества и воду с почвенного раствора благодаря осмосу. Это значит, что раствор, находящийся в растении (сок), должен быть более солёным, чем почвенный раствор. Если концентрации солей в почвенном растворе и в растворе, находящимся в растении, будут одинаковыми, то растение прекратит поглощение воды из почвы. Если концентрация солей в почвенном растворе выше, чем концентрация солей в растительных соках, то почвенный раствор будет вытягивать жидкость из растений.
Этот пример отчётливо показывает, что может произойти, когда удобрения применяют неосторожно. При применении удобрений опасно руководствоваться только благими намерениями и неопределёнными догадками. Догадки могут обернуться разочарованием и оказаться роковым для выращиваемых культур.
Растворы различных веществ, но одинаковых концентраций, обладают неодинаковой осмотической силой. Для каждого вещества характерна специфическая способность развивать осмотическое давление. Однако можно считать, что осмотическое давление раствора пропорционально его концентрации (то есть чем выше ppm раствора, тем сильнее осмотическое давление).
Растительные перегородки или перепонки, оказывают решающее влияние на процесс осмоса, изменяют поглощение раствора соответственно потребности растения. Растительная перегородка состоит из клеточной стенки, которая с обеих сторон покрыта плёнкой или слоем живых веществ. Плёнка имеет значительно более сложный состав, нежели обычная полупроницаемая перепонка. Это даёт возможность плёнки регулировать поступление внутрь растения растворов в зависимости от их концентрации.
Хороший раствор – это относительно разведённый раствор. Его хорошо поглощают растения. Если осмотическое давление достигает критических показателей его очень легко снизить путём простого разбавления раствора. Однако в тех случаях, когда точное регулирование концентрации солей в растворе затруднительно, растениям подают разведённый вдвое питательный раствор.
Оптимальное осмотическое давление – это важный фактор, о котором должны знать все. Значительно лучше иметь слабый, чем концентрированный раствор. Об этом нельзя забывать в первую очередь при жарком климате. Следовательно при умеренном климате 22 – 28 *С ненужно разводить растворы так, как при жарком климате 30 – 35*С, почему, да потому, что транспирация (испарение) с поверхности листа ниже, и следовательно поглощение воды для нормального испарения значительно меньше, при таких условиях раствор может оставаться с высоким содержанием солей и соответствовать нормам питания растения на данном этапе жизни и наоборот, если испарение с поверхности листа больше, а это происходит при жарком климате, то высокое осмотическое давление раствора препятствует поглощению воды, в этом случае питательный раствор должен быть более слабый, с меньшей концентрацией солей.
Транспирация
Транспирация – это физиологический процесс испарения воды растением. Основным органом транспирации является лист.
Устьичная транспирация.
Из-за необходимости максимального контакта с воздушной средой растение имеет очень большую листовую поверхность. Увеличение поверхности увеличивает поглощение СО2, улавливание света и это же создаёт огромную поверхность испарения. Вода испаряется с поверхности листьев и через устьица. В результате потери воды клетками снижается водный потенциал, т.е. возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из ксилемы жилок и передвижению воды по ксилеме из корней в листья.
Транспирация бывает устьичная и кутикулярная
Таким образом, верхний концевой двигатель, обеспечивающий передвижение воды вверх по растению, создаётся и поддерживается высокой сосущей силой транспирирующих клеток листовой паренхимы. Поэтому сила верхнего концевого двигателя будет тем больше, чем активнее транспирация. Верхний концевой двигатель может работать при полном отключении нижнего концевого двигателя, причем для его работы используется не метаболическая энергия, а энергия внешней среды – температура и движение воздуха.
По оценкам, сделанных для самых разных растений, устьица в полностью открытом виде занимают 1 – 3% всей площади листа, диффузия же водяных паров из листа идет с той же скоростью, как со свободной поверхности. Именно этим обстоятельством и объясняется тот факт, что в условиях хорошего увлажнения, на ярком свету и при высокой температуре растения теряют огромное количество воды.
Интенсивность транспирации, то есть испарение воды надземными частями растений зависит от ширины устьичных щелей, от разности водных потенциалов воздуха внутри и снаружи листа и от турбулентности воздуха.
Турбулентность воздуха также способствует транспирации, поскольку быстрое удаление паров воды из примыкающего к листу слоя воздуха повышает градиент диффузии ( а следовательно и скорость диффузии) из листа в атмосферу. Поэтому в сухие ветреные солнечные дни, в особенности в засушливые периоды, вода часто испаряется из растения быстрее, чем корни успевают её подать. Когда потеря воды листьями в течении длительного времени превышает его поступление через корни, растение увядает. В жаркий летний день транспирация нередко перевешивает поглощение воды, даже если в почве воды достаточно; в таких условиях листья всех видов растений в послеполуденные часы часто слегка увядают. Ближе к вечеру транспирация ослабевает, и растения начинают оправляться от увядания. На протяжении ночи водный дефицит в клетках листа уменьшается по мере того, как корни насасывают воду из почвы, это продолжается до тех пор, пока клетки листа полностью не восстановят свой тургор – обычно к утру все признаки увядания исчезают. Подобное каждодневное временное увядание, так называемое дневное увядание – явление вполне обычное; оно не вредит растению, если не считать некоторого ослабления фотосинтеза вследствие закрывания устьиц. Иное дело, когда растение долгое время не получает влаги из почвы; в этих случаях временное увядание переходит в длительное, и если это продолжается долго, то растение погибает.
Учитывая значения открывания и закрывания устьиц в жизни растения, не следует удивляться тому, что движения устьиц регулируется не только водоснабжением растений, но также и некоторыми другими факторами внешней среды. У многих растений, например, открывание устьиц зависит в первую очередь от содержания СО2 в воздухе, заполняющем подустьичную полость. Если концентрация СО2 падает там ниже 0,03%, т.е. ниже уровня, нормального для атмосферного воздуха, то тургор замыкающих клеток увеличивается и устьица открывается. Обычно к такому результату приводит освещение замыкающих клеток, стимулирующее в них фотосинтетическую активность, вследствие которой снижается содержание СО2 в прилежащих заполненных воздухом полостях. Открывания устьиц можно вызвать также искусственно, удаляя СО2 из воздуха, а закрывание – повышением концентрации СО2 в воздухе.
Обычно интенсивность транспирации определенным образом изменяется на протяжении дня. Сначала, на рассвете, она довольно резко возрастает и, продолжая увеличиваться, достигая максимум к полудню. После этого, если температура слишком высока, наступает некоторый спад, за которым следует небольшой подъём, соответствующий снижению температуры. Колебание интенсивности транспирации отражают изменения в состоянии устьичных щелей. Закрывание устьиц в полуденное время частично объясняется высокой концентрацией СО2 внутри листа, что характерно для этого времени суток. Уровень СО2 в листе зависит от соотношения скоростей дыхания и фотосинтеза, а скорость дыхания с повышением температуры растёт довольно быстро, в то время как процесс фотосинтеза менее чувствителен к температуре. В дополнение к этому, закрыванию устьиц в полуденные часы способствует, вероятно, и то, что в это время в связи с недостатком воды в листе возрастает концентрация абсцизовой кислоты.
А. Открытое устьице. Б. Закрытое устьице
Кутикулярная транспирация.При открытых устьицах потери водяного пара через катикулу листа обычно незначительны по сравнению с общей транспирацией. Но если устьица закрыты, как, например, во время засухи, катикулярная транспирация приобретает важное значение в водном режиме растения.
Итак, мы убедились в том, что устьичные движения регулируются основными факторами внешней среды: светом, температурой, содержанием влаги в почве, влажностью воздуха и концентрацией СО2 в воздухе, все эти переменные воздействуют на такие внутренние факторы, как содержание воды и концентрация абсцизовой кислоты в листе. Кроме того имеют место также ритмические колебания отверстости устьиц, совершающиеся даже в отсутствие внешних воздействий. Это ритмическое колебание регулируется внутренним осциллятором – биологическими часами растения.
Минеральные элементы в растениях
Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все элементы периодической таблицы. Между тем для нормального жизненного цикла растительного организма необходима лишь определённая группа основных питательных элементов, функции которых в растении не могут быть заменены другими химическими элементами. В эту группу входят следующие 16 элементов:
Углерод – C
Водород – H
Кислород – O
Азот – N
Фосфор – P
Сера – S
Калий – K
Кальций – Ca
Магний – Mg
Железо – Fe
Марганец – Mn
Медь – Cu
Цинк – Zn
Молибден – Mo
Бор – B
Хлор – Cl
Первые четыре элемента – C,H,O,N – называют органогенами. Углерод в среднем составляет 45% сухой массы тканей, кислород – 42%, водород – 6,5% и азот – 1,5%, а всё вместе 95%. Оставшиеся 5% приходятся на зольные вещества: P,S,K,Ca,Mg, Fe,Mo, Zn, Mn,Cu, B и др. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы. Содержание минеральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы.
Элементы, которые присутствуют в тканях в концентрациях 0,001% и ниже от сухой массы тканей, называют микроэлементами. Некоторые из них играют важную роль в обмене веществ.
Содержание того или другого элемента в тканях растений непостоянно и может сильно изменяться под влиянием факторов внешней среды. Например, Al, Ni, P и другие могут накапливаться в растениях до токсичного уровня.
Одним из первых минеральных питательных растворов, приготовленных немецким физиологом Кноппом для выращивания высших растений, содержал лишь три соли: нитрат кальция, фосфат калия и сульфат магния. Шесть элементов, присутствующих в этих трёх солях, вместе с ассимилированными в процессе фотосинтеза С, Н, и О удовлетворяют основные потребности высших растений в питании. Форма, в которой главные элементы преподносятся растению, имеет относительно небольшое значение: три катиона – K+, Ca 2+ и Mg 2+ – могут любым способом сочетаться с трёмя анионами – NO3-, SO4- и H2PO4-. Кроме того, некоторые растения могут использовать аммонийный азот (NH4+) или органические формы азота не хуже, и даже лучше, чем нитраты, хотя большинство растений предпочитает нитратные формы.
После того как в продажу стали поступать всё более чистые минеральные соли, выяснилось, что основной раствор Кноппа, содержащий три соли, на самом деле не является полным. Действительно, оказалось, что растения нуждаются и во многих других элементах, хотя их количество должно быть на много меньше, чем количество шести главных элементов. Эти микроэлементы включают железо (Fe 2+ или Fe 3+), марганец (Mn 2+), Цинк (Zn 2+),медь (Cu 2+ или Cu+), молибден (Мо О 4-), бор (BOз3-) и хлор (Сl-).
Функции различных элементов в растении
Главные элементы, участвующие в фотосинтезе (С, Н, О), а также азот (N), сера (S) и фосфор (Р) составляют основные строительные блоки тела растения. Например, клеточные стенки, формирующие скелет растения, состоят исключительно из углеводов и близких к ним соединений, содержащих С, Н и О. Белки, главные органические компоненты цитоплазмы, построены преимущественно из С, Н,О, N и небольшого количества S. В состав нуклеиновых кислот, присутствующих в ядрах и в некоторых органеллах цитоплазмы, входят С,Н,О,N и Р. Липиды, содержащиеся в изобилии во всех мембранах, состоят преимущественно из С,Н,О, а также незначительного количества N и Р. Из 12 элементов, источником которых служит материнская порода, четыре используются растением главным образом для структурных целей.
Азот (N) необходим для образования протоплазмы растительной клетки и для построения тканей листьев. Он играет важную роль во всех процессах роста растения. Азот необходим также для образования хлорофилла.
Сера (S) является компонентом нескольких аминокислот (цистеин, цистин и метионин) – структурных единиц, из которых, в конечном счете, образуются белки. Хотя клеткам растения необходимо относительно малое количество серы, почти вся она выполняет важную структурную функцию. Без серосодержащих аминокислот не могли бы синтезироваться многие важные белки клетки. Сера присутствует в глутатеоне, широко распространенном веществе, которое, как полагают, играет определенную роль в окислительно – восстановительных реакциях благодаря своей способности к обратимому превращению из восстановленной, или сульфгидрильной, формы ( -SH ), в окисленную, или дисульфидную, форму ( -S-S- )
Образование дисулифидных мостиков ( -S-S- ) между соседними частями больших белков молекул важно для их конечной формы и стабильности. Сера является также компонентом кофермента А и тиамина (витамина В1).
Кальций (Са ). Основная функция состоит в количественном включении в структуру срединной пластинки клеточной стенки. Кальций, связанный с кислотными компонентами желеобразного пектина срединной пластинки, образует нерастворимую соль. Поэтому введение Са в клеточную стенку приводит к затвердеванию ее полужидкой структуры. Кальций играет также важную роль в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны. При выращивании растений в среде с недостатком Са клеточные мембраны начинают «протекать» и утрачивают свою эффективность как барьеры, препятствующие свободному диффузии ионов.
Магний ( Mg ), химический родственник кальция, составляет центральную часть молекулы хлорофилла, присоединяясь к каждому из четырёх пиррольных колец либо непосредственно с помощью ковалентных связей, либо посредством так называемых «вторичных валентностей». При недостатке магния у более старых листьев обнаруживается пожелтение, характерное для дефицита хлорофилла ( хлороз). Известно, что магний является специфическим кофактором нескольких ферментов; кроме того, он обеспечивает стабильность нуклеиновых кислот.
Фосфор ( Р ) служит главным образом структурным компонентом нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, и входит в состав фосфолипидов – жироподобных веществ, которые играют существенную роль в структуре мембран. Поэтому недостаток фосфора представляет большую опасность для растений, предотвращая образование нового генетического материала в ядре и цитоплазме, а также формирование новых мембран вокруг клетки и её различных органелл. Фосфор непосредственно участвует во всех этапах переноса энергии в клетке, поскольку АТР и его аналоги состоят из трёх фосфатов, связанных с нуклеозидом.
Хотя фосфор, магний, кальций и сера выполняют в клетке и другие функции, количественно преобладают описанные выше структурные функции этих элементов.
Калий ( К ) является осмотических активным элементом, участвующим в регуляции тургора растительных клеток. Большинство растений отличается высоким содержанием калия, хотя лишь очень малое его количество находятся в клеточных структурах в связанном состоянии. Это типично мобильный элемент. Поскольку мембраны многих клеток легко проницаемы для калия. Это справедливо, например, для замыкающих устьиц клеток ( благодаря тургору они контролируют открывание и закрывание устьиц), а также для моторных клеток, регулирующих суточное движение листьев.
Известно также, что калий активирует несколько важных ферментов, хотя он никогда не был выделен как составная часть той или иной ферментной системы.
Хлор (Сl ) в форме хлорид – аниона также участвует в регуляции тургора в некоторых растениях. Перемещаясь вместе с калием, он поддерживает в клетках электронейтральность. Однако содержание хлорида редко достигает такого высокого уровня, как содержание калия. Некоторые растения, характеризующиеся значительными изменениями тургора, регулируемого калием, содержат очень мало хлорида и вместо него используют органические анионы, такие, как малат. Таким образом, хлорид, очевидно, участвует в регуляции тургора в тех случаях, когда он доступен, но не является абсолютно необходимым для этого процесса. Известно также, что хлор стимулирует фотосинтетическое фосфорилирование, но его точная роль в этом процессе еще не установлена. Возможно, что в фотофосфорилирование вовлекаются те ничтожно малые количества анионов Cl-, которые необходимы для большинства растений.
По существу значение хлора для растений выяснено относительно недавно, после того как были поставлены опыты, в которых весь воздух в экспериментальных теплицах отфильтровывался для удаления малейших следов атмосферного хлора. При этом оказалось, что таких следовых количеств хлора достаточно для благоприятного роста большинства растений.
Из шести элементов( Fe, Mg, Cu, Zn, Mo, B ) первые пять функционируют в клетке главным образом как существенная составная часть ферментов. Многие важные ферменты представляют собой специфические белки, к которым присоединены особые группы, называемые простетическими группами, или коферментами. Эти группы могут состоять полностью или частично из металлов, таких как Fe,Cu,Mn,Zn или Мо.
Железо ( Fe ) входит в состав многих важных ферментов, в том числе цитохромов – переносчиков электронов, участвующих в процессе дыхания, а также окислительных ферментов пероксидазы и каталазы. Во всех этих ферментах железо присутствует в простетической группе в виде гемма ( аналог хлорофилла ), в котором центральный атом железа связан с четырьмя пиррольными кольцами, соединёнными в большую циклическую структуру. Железо имеет существенное значение и для ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Кроме того, оно является составною частью ферредоксина – соединения, функционирующего в качестве переносчика электронов в процессе фотосинтеза. Недостаток железа вызывает глубокий хлороз в развивающихся листьях, которые могут стать совершенно белые.
Молибден (Мо), по-видимому, вовлекается в функционирование только тех ферментов (нитратредуктаза, нитрогеназа), которые катализируют восстановление или фиксацию азота. Если под растение вносится восстановленный или органический азот, то потребность в молибдене уменьшается или исчезает вовсе.
Медь ( Cu ) является составной частью некоторых окислительных ферментов, таких, как тирозиназа и аскорбатоксидаза, окисляющих соответственно аминокислоту тирозин и витамин С (аскорбиновую кислоту).
Цинк ( Zn) входит в состав фермента карбоангидразы, катализирующей гидратацию СО2 в Н2СО3. Этот фермент, вероятно, играет важную роль в поддержании запасов потенциального СО2 для фотосинтеза, так как Н2СО3 легко диссоциирует с образованием бикарбоната (НСО3-) или свободного СО2. Кроме того цинк в качестве кофактора участвует в синтезе растительного гормона – индулилуксусной кислоты – из аминокислоты триптофана. При отсутствии цинка формируются чахлые растения со слабо развитым апикальным доминированием.
Бор ( В ) обычно недостаток приводит к гибели меристематических клеток, однако точный механизм его действия не выяснен. Поскольку известно, что бор образует комплексы с сахарами и родственными им веществами, в его функцию, возможно, входит дальний транспорт сахаров в растении.
Ряд микроэлементов, незначительные количества которых необходимых для роста, становятся высокотоксичными в избыточных дозах. К ним относятся Mn, Cu и при высоких концентрациях Fe. Бор ( В) характеризуется чрезвычайно узким интервалом между дефицитом и токсичностью. Поскольку само растение не может воспрепятствовать проникновению этого элемента через мембрану только потому, что он оказывает на него вредное воздействие, нужно проявлять большую осторожность при регулировании концентрации бора во внешней среде.
Пособие для начинающего Агронома
Вот так решил озаглавить тему, много информации, но она разбросана, и многие из авторов преподносят материал так, что зачастую для полного понимания чего-то не хватает, так вот, это попытка собрать материал из разных источников (по мнению ТС наиболее осмысленных и понятных работ) и сгруппировать в одной теме.
Работа рассчитана на любителей растениеводства, студентов и не только …
Для того чтобы выявить те особенности и преимущества, которые имеют растения при выращивании, следует предварительно познакомится с работой корня. Основная роль корня, помимо его опорной функции, сводятся к обеспечению растений питательными минеральными солями и водой.
Для пополнения воды, потраченной на испарение, корень автоматически должен подавать новые порции оной. Если корень не справляется с этой функцией, то растение увядает, прекращая одновременно вырабатывать в процессе фотосинтеза новые органические вещества.
Корню приходиться, таким образом, совершать колоссальную работу, чтобы обеспечить растение водой. В почве корень, разыскивая воду, при этом углубляясь на 1,5 – 2м и оплетает каждый комочек почвы в сравнительно большом объеме. В силу этого общая протяженность корней в естественных условиях очень велика, в 50–100 раз превышает поверхность листьев.
Немало усилий корень вынужден прилагать, отнимая воду от коллоидных частичек или от скопившихся в почве солей.
Демонстрация корневого давления в срезанном основании растения. Поглощение воды корнями вызывает подъём ртути в трубке. Данный метод демонстрирует давление в 3 – 5 бар.
Роль корня в обеспечении растений водой сильно облегчена при выращивании их на искусственных субстратах, вода не связывается с субстратом, а при субирригационном способе полива поверхность субстрата остаётся сухой, вода с неё не испаряется и при отсутствии капиллярности испарение происходит лишь с поверхности листьев при транспирации, благодаря этому вода расходуется особенно экономно.
Поглощение корнем минеральных веществ
Другой важнейшей функцией корневой системы является поглощение необходимых для растений питательных солей.
Известно, что только молодые растущие части корневой системы (до 5см от кончика корня) хорошо поглощают минеральные соли. Более старые опробковевшие участки корня не способны к поглощению питательных солей. Таким образом, только при создании хороших условий для роста корня растение нормально обеспечивается питательными веществами.
Особенности обмена веществ в корне связаны с его ролью в целом растении. Прежде всего, корень-это специализированный орган поглощения воды и минеральных элементов из почвы. Поэтому часть процессов биосинтеза направлена на построение аппарата поглощения и системы транспорта, поступивших в корень ионов, органических соединений и воды к местам их потребления. В корне происходит частичная или полная переработка поступивших ионов и перевод их в транспортную форму: восстановление, включения в различные органические соединения, в корне синтезируются физиологические активные вещества – фитогормоны цитокининовой природы и гиббереллины, необходимые для нормального роста и развития всего растения.
Корневая система растения проделывает большую работу, разыскивая и собирая по крупицам рассеянные в почвенной толще питательные элементы. Лишь незначительная часть минеральных солей находится в так называемом почвенном растворе, из которого они без особого труда всасываются корнем. Однако почвенный раствор даже в самой плодородной почве содержит относительно мало питательных веществ и не может обеспечить нормального развития растения. Основная масса питательных солей находится в нерастворимом состоянии или адсорбирована на поверхности мельчайших почвенных частиц.
Почва vs Гидропоника, преимущества и недостатки
Питание растения в почве является весьма сложным по сравнению с питанием растения в водных растворах. В почве необходима как большая поверхность корневых систем, так и наличие в ней значительного запаса дыхательных материалов.
Питание растения в почве осложняется еще тем, что питательные вещества, в особенности азот и фосфор, находятся в форме органических соединений, они становятся доступными для растения после разложения его микроорганизмами, и чем благоприятней условия для жизнедеятельности микроорганизмов в почве, тем больше питательного вещества получают растения. Из этого следует, что урожай растений, растущих в почве, до некоторой степени зависит от деятельности микроорганизмов. К сказанному следует добавить, что зачастую даже плодородные почвы не всегда содержат достаточное количество микроэлементов, которые или отсутствуют или находятся в недоступной для растения форме.
Если рассматривать почву с этих позиций, то каждый почвенный образец представляет собой настолько сложную среду, что часто самый точный химический анализ не в состоянии дать ответ, сколько и каких веществ находится в данный момент в распоряжении растения. Это создаёт большие трудности при решении вопросов, связанных с подкормкой при интенсивной культуре растений, так как излишнее внесение минеральных удобрений приводит к засолению почвы и ухудшает её физические свойства.
В поглощении ионов из почвы большую роль играет реакция среды. В сильно кислой среде (ph < 4,0) ионы водорода действуют на растение токсически, они вытесняют из состояния адсорбции все другие катионы, и вместо поглощения можно наблюдать их выделение из корня. В сильно щелочной среде (ph > 8,0) нарушается поглощение растениями анионов.
В менее кислой среде (ph = 4,5 – 5,0) прямого токсического действия ионы водорода не вызывают, тем не менее, в почвах с таким ph наблюдается плохой рост растений. Это объясняется тем, что в кислых почвах задерживается поступление кальция и нарушается деятельность полезной микрофлоры, помимо того, в кислых почвах скапливается большое количество вредно действующих ионов железа, марганца и особенно алюминия, которые в некислых почвах находятся в связанном состоянии, а так же понижается поглощение растениями фосфатов и молибдена.
При выращивании растений на искусственных питательных средах кислотность раствора меньше сказывается на росте растения из-за отсутствия побочного влияния водородных ионов. При (ph = 4,0) рост оказывается сильно заторможенным, так как в сильно кислой среде затормаживается поглощения всех катионов. Зато при (ph = 5,0 и 6,0) рост наилучший. Сдвиг (ph = 8,0) в щелочную сторону, напротив, резко снизил рост, чего обычно не происходит в почве. Причина этого кроется в том, что при нейтральной реакции, часть находящихся в растворе минеральных веществ выпадает в осадок в виде фосфорнокислых и углекислых солей кальция, марганца и железа и становятся недоступным растению. Эти соли, осаждаясь на поверхности корня, затрудняют также и его дыхание. Нейтральная и щелочная среда затрудняют поглощение железа, которое нацело выпадает в осадок, в результате чего растение заболевают хлорозом, при этом заболевании прекращается образование хлорофилла и наблюдается пожелтение молодых листьев. При хлорозе изменяется не только окраска листа, но нарушается процесс фотосинтеза и дыхания, рост растений резко замедляется. Вот почему при выращивании растений без почвы нужно тщательно следить за тем, чтобы питательный раствор всегда содержал железо.
При равных условиях, выращивание растений в искусственных субстратах всё же имеет ряд преимуществ перед выращиванием их в почве:
1.Возможность создания для растения оптимальных условий рационального корневого питания и водоснабжения.
2.Экономное использование воды и питательных веществ.
3.Контроль питательной среды (простой анализ: катионы, анионы ; PH +/-, в случае необходимости, состав среды можно изменить в нужном направлении или заменить).
4.Возможность регулирования температуры корнеобитаемого слоя.
5.Ускорения развития растений.
6.Высокое качество урожая.
7.Дезинфекция субстрата.
8.Уменьшение ручного труда при уходе за растениями (поливы и т.п.)
К недостаткам данного метода можно отнести:
1. тщательность слежения за условиями ( кислотность раствора, химический состав, аэрация корня т.п.)
2. специальная подготовка (хорошо знать основы физиологии растения и иметь достаточное представление о химии)
Если люди, занимающиеся выращиванием растений в искусственной культуре, недооценивают важность проверки кислотности раствора и хорошей аэрации корня, то они могут или совсем погубить растение или получить растения больные (из-за недостатка или переизбытка тех или иных питательных веществ).
Поглощение минеральных веществ является физиологическим процессом и тесно связан с дыханием корней Поэтому одним из условий интенсивного поглощения питательных солей является: хорошая аэрация корневой системы, свет, вентиляция и температурные условия, кислотность и концентрации раствора.
Засолённость.
Высокие концентрации Na Cl и других солей в оросительной воде повреждают растения, так как осмотические эффекты тормозят поглощение воды, а натрий ингибирует ферменты в цитоплазме, поэтому при накоплении соли растения становятся чахлыми и в конце концов перестают расти, соли остаются в почве, субстрате и их количество медленно возрастает до тех пор, пока концентрация не начнёт повреждать растения, в этот момент нужно промыть субстрат или почву избыточным количеством воды .
Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать…
Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты сама жизнь… Ты самое большое богатство в мире».
Антуан де Сент – Экзюпери
Вода в биологических объектах выполняет следующие основные функции:
1. Водная среда объединяет все части организма, начиная от молекул в клетках и кончая тканями и органами, в единое целое. В теле растения водная фаза представляет собой непрерывную среду на всём протяжении от влаги, извлекаемой корнями из почвы, до поверхности раздела жидкости – газ в листьях, где она испаряется.
2. Вода – важнейший растворитель и важнейшая среда для биохимических реакций.
3. Вода участвует в упорядочении структур в клетках. Она входит в состав молекул белков, определяя их конформацию.
4. Вода – метаболит и непосредственный компонент биохимических процессов. Так, при фотосинтезе вода является донором электронов. При дыхании, например в цикле Кребса, вода принимает участие в окислительных процессах. Вода необходима для гидролиза и для многих синтетических процессов.
5. Вода – главный компонент в транспортной системе высших растений – в сосудах ксилемы и в ситовидных трубках флоэмы, при перемещении по симпласту и апопласту.
6. Вода – терморегулирующий фактор. Она защищает ткани от резких колебаний температуры благодаря высокой теплоёмкости и большой удельной теплоте парообразования.
7. Вода – хороший амортизатор при механических воздействиях на организм.
8. Благодаря явлениям осмоса и тургора (напряжения) вода обеспечивает упругое состояние клеток и тканей растительных организмов.
Для приготовления питательных растворов нужна хорошая вода. В большинстве мелких и крупных городов есть водопроводная вода. Все считают её чистой. Действительно, она пригодна для питья. Однако водопроводная вода содержит небольшую примесь химических веществ, которые применяются для ее очистки, кроме того вода содержит растворённые природные соли. Поэтому, прежде чем использовать водопроводную воду для приготовления питательного раствора надо ознакомиться с данными её анализа. Всю питьевую воду регулярно анализируют работники городского водоснабжения.
Для облегчения расчетов при составлении питательных растворов результаты анализа водопроводной воды увеличивают в десять раз. Возьмём, например, калий и посмотрим, как повлияет на его дозу состав воды. Согласно данным анализа, в 0,1 л водопроводной воды содержится максимум 0,2мг/0,1л, умножаем на 10, получим 2мг/л. Таким количеством калия можно пренебречь, так как оно заметно не повлияет на концентрацию калия в питательном растворе. Если содержание любого элемента не превышает 10% от требуемой дозы, никакой поправки в состав питательной смеси не вносят.
Количество некоторых элементов в воде, которые можно не учитывать, мг/л:
Железо…………….1
Магний……………10
Калий……………..10
Кальций…………...20
Дождевая вода является самой чистой водой, которую можно найти в природных условиях, но и она содержит незначительное количество азотистых соединений, например солей аммония и небольшую примесь кислорода и углекислого газа. Падающие капли воды увлекают с собой из атмосферы пыль. Это очищает воздух, но загрязняет воду, особенно в крупных промышленных районах. Однако примеси бывают настолько незначительны, что для приготовления питательных растворов в первую очередь следует применять дождевую или РО воду.
Обратноосмосная вода РО или дистиллят — технология очистки воды от примесей, система обратного осмоса подобно множеству замечательных открытий в физике, была заимствована у естественной природы и не предполагает даже малейшего использования химических веществ. Технология основана на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной, через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией. Обратноосмотический процесс в системах очистки воды также основан на прохождении молекул воды через полупроницаемую синтетическую мембрану, при котором абсолютное большинство загрязнений удаляется.
Аппарат для получения дистиллированной воды
Вода из рек и водохранилищ. Состав текущих по поверхности земли вод зависит от химического состава пород и почв местности. Сбегая с гор, вода увлекает также множество твёрдых частиц. Речная вода обычно содержит растворимые соли, а также органические частицы.
Озёра образуются за счет поверхностных, грунтовых и дождевых вод. Благодаря большой глубине озёр и рек в них осаждаются все нерастворимые вещества. Озёрную и речную воду вполне можно использовать.
Талая и артезианская вода обычно годится для приготовления питательных растворов почти без всяких изменений. Как правило, артезианскую воду, пригодную для питья можно использовать также в гидропонике. В большинстве случаев артезианская вода имеет ph от 7 до 7,4.
Водопроводная вода поступает в распределительную сеть из водохранилищ. Состав сильно изменяется в течении года и особенно в период засухи. Иногда воду пропускают через резервуары, в которых нежелательные примеси осаждают известью, солями алюминия, сульфатами. Ph воды достигает 8 – 8,6. В маленьких городах при неквалифицированном химическом контроле ph воды может быть и выше, что крайне плохо действует на растения.
Обычно приходится учитывать, только содержание магния, кальция и хлористого натрия, излишек магния затрудняет поглощение калия, вода богатая карбонатами, подщелачивает раствор, создавая для корней неблагоприятную среду, и что количество хлористого натрия в 1 – 2 г/л ещё переносятся растениями, большие количества уже причиняют вред.
нельзя пользоваться водой, содержащей более 2мг/л бора. Непригодна также вода, загрязнённая фтором. Вода некоторых минеральных источников содержит более 2мг/л марганца, её нельзя использовать в гидропонике. Как общее правило, водопроводная вода содержит от 100 – 200 мг/л растворенных химических веществ. Эта концентрация не настолько высока, что бы повлиять на питательный раствор.
Однако даже самую плохую воду, можно очистить, пропуская через колонки с ионообменниками и использовать в приготовлении питательного раствора.
Таким образом, нужно знать состав любой воды, кроме дождевой и обратноосмосной. Засолённость воды повышает осмотическое давление до двух и более атмосфер. При таком давлении питательные элементы становятся недоступными растениям. Следовательно, чем выше засолённость воды, тем меньше питательных солей можно добавить при регулировании раствора.
Пределом использования питательного раствора является 2500 мг/л
Осмос Осмос имеет место, когда солевой раствор движется через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией соли к области с большей концентрацией соли.
Например, если сосуд разделён пополам полупроницаемой мембраной и с одной стороны налита вода а с другой точно такой же объем концентрированного раствора сахара, то вода будет вытягивается концентрированным раствором сахара. Уровень раствора сахара будет подниматься, а уровень воды понижаться, и в конце концов вся вода будет перетянута в раствор сахара.
Предлагаем такой опыт. Возьмём яблоко (лимон). Очистим кожицу. Разрежем яблоко на четыре или большее число долек. Затем посыпаем дольки очищенного яблока сахаром (или солью). Дольки со всех сторон должны быть покрыты сахаром.
Что мы увидим ?
Через 5мин – сахар на очищенных от кожуры кусочках начнёт растворяться .
Через 10мин – капли яблочного сока будут стекать с долек.
Через 4 часа – почти весь яблочный сок из долек вытечет и останется только мякоть.
Это – эффект осмоса.
На практике избыточные соли могут привести к полной гибели урожая и в исключительных случаях, скорей всего, к снижению урожайности. Это происходит потому, что растения поглощают питательные вещества и воду с почвенного раствора благодаря осмосу. Это значит, что раствор, находящийся в растении (сок), должен быть более солёным, чем почвенный раствор. Если концентрации солей в почвенном растворе и в растворе, находящимся в растении, будут одинаковыми, то растение прекратит поглощение воды из почвы. Если концентрация солей в почвенном растворе выше, чем концентрация солей в растительных соках, то почвенный раствор будет вытягивать жидкость из растений.
Этот пример отчётливо показывает, что может произойти, когда удобрения применяют неосторожно. При применении удобрений опасно руководствоваться только благими намерениями и неопределёнными догадками. Догадки могут обернуться разочарованием и оказаться роковым для выращиваемых культур.
Растворы различных веществ, но одинаковых концентраций, обладают неодинаковой осмотической силой. Для каждого вещества характерна специфическая способность развивать осмотическое давление. Однако можно считать, что осмотическое давление раствора пропорционально его концентрации (то есть чем выше ppm раствора, тем сильнее осмотическое давление).
Растительные перегородки или перепонки, оказывают решающее влияние на процесс осмоса, изменяют поглощение раствора соответственно потребности растения. Растительная перегородка состоит из клеточной стенки, которая с обеих сторон покрыта плёнкой или слоем живых веществ. Плёнка имеет значительно более сложный состав, нежели обычная полупроницаемая перепонка. Это даёт возможность плёнки регулировать поступление внутрь растения растворов в зависимости от их концентрации.
Хороший раствор – это относительно разведённый раствор. Его хорошо поглощают растения. Если осмотическое давление достигает критических показателей его очень легко снизить путём простого разбавления раствора. Однако в тех случаях, когда точное регулирование концентрации солей в растворе затруднительно, растениям подают разведённый вдвое питательный раствор.
Оптимальное осмотическое давление – это важный фактор, о котором должны знать все. Значительно лучше иметь слабый, чем концентрированный раствор. Об этом нельзя забывать в первую очередь при жарком климате. Следовательно при умеренном климате 22 – 28 *С ненужно разводить растворы так, как при жарком климате 30 – 35*С, почему, да потому, что транспирация (испарение) с поверхности листа ниже, и следовательно поглощение воды для нормального испарения значительно меньше, при таких условиях раствор может оставаться с высоким содержанием солей и соответствовать нормам питания растения на данном этапе жизни и наоборот, если испарение с поверхности листа больше, а это происходит при жарком климате, то высокое осмотическое давление раствора препятствует поглощению воды, в этом случае питательный раствор должен быть более слабый, с меньшей концентрацией солей.
Транспирация
Транспирация – это физиологический процесс испарения воды растением. Основным органом транспирации является лист.
Устьичная транспирация.
Из-за необходимости максимального контакта с воздушной средой растение имеет очень большую листовую поверхность. Увеличение поверхности увеличивает поглощение СО2, улавливание света и это же создаёт огромную поверхность испарения. Вода испаряется с поверхности листьев и через устьица. В результате потери воды клетками снижается водный потенциал, т.е. возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из ксилемы жилок и передвижению воды по ксилеме из корней в листья.
Транспирация бывает устьичная и кутикулярная
Таким образом, верхний концевой двигатель, обеспечивающий передвижение воды вверх по растению, создаётся и поддерживается высокой сосущей силой транспирирующих клеток листовой паренхимы. Поэтому сила верхнего концевого двигателя будет тем больше, чем активнее транспирация. Верхний концевой двигатель может работать при полном отключении нижнего концевого двигателя, причем для его работы используется не метаболическая энергия, а энергия внешней среды – температура и движение воздуха.
По оценкам, сделанных для самых разных растений, устьица в полностью открытом виде занимают 1 – 3% всей площади листа, диффузия же водяных паров из листа идет с той же скоростью, как со свободной поверхности. Именно этим обстоятельством и объясняется тот факт, что в условиях хорошего увлажнения, на ярком свету и при высокой температуре растения теряют огромное количество воды.
Интенсивность транспирации, то есть испарение воды надземными частями растений зависит от ширины устьичных щелей, от разности водных потенциалов воздуха внутри и снаружи листа и от турбулентности воздуха.
Турбулентность воздуха также способствует транспирации, поскольку быстрое удаление паров воды из примыкающего к листу слоя воздуха повышает градиент диффузии ( а следовательно и скорость диффузии) из листа в атмосферу. Поэтому в сухие ветреные солнечные дни, в особенности в засушливые периоды, вода часто испаряется из растения быстрее, чем корни успевают её подать. Когда потеря воды листьями в течении длительного времени превышает его поступление через корни, растение увядает. В жаркий летний день транспирация нередко перевешивает поглощение воды, даже если в почве воды достаточно; в таких условиях листья всех видов растений в послеполуденные часы часто слегка увядают. Ближе к вечеру транспирация ослабевает, и растения начинают оправляться от увядания. На протяжении ночи водный дефицит в клетках листа уменьшается по мере того, как корни насасывают воду из почвы, это продолжается до тех пор, пока клетки листа полностью не восстановят свой тургор – обычно к утру все признаки увядания исчезают. Подобное каждодневное временное увядание, так называемое дневное увядание – явление вполне обычное; оно не вредит растению, если не считать некоторого ослабления фотосинтеза вследствие закрывания устьиц. Иное дело, когда растение долгое время не получает влаги из почвы; в этих случаях временное увядание переходит в длительное, и если это продолжается долго, то растение погибает.
Учитывая значения открывания и закрывания устьиц в жизни растения, не следует удивляться тому, что движения устьиц регулируется не только водоснабжением растений, но также и некоторыми другими факторами внешней среды. У многих растений, например, открывание устьиц зависит в первую очередь от содержания СО2 в воздухе, заполняющем подустьичную полость. Если концентрация СО2 падает там ниже 0,03%, т.е. ниже уровня, нормального для атмосферного воздуха, то тургор замыкающих клеток увеличивается и устьица открывается. Обычно к такому результату приводит освещение замыкающих клеток, стимулирующее в них фотосинтетическую активность, вследствие которой снижается содержание СО2 в прилежащих заполненных воздухом полостях. Открывания устьиц можно вызвать также искусственно, удаляя СО2 из воздуха, а закрывание – повышением концентрации СО2 в воздухе.
Обычно интенсивность транспирации определенным образом изменяется на протяжении дня. Сначала, на рассвете, она довольно резко возрастает и, продолжая увеличиваться, достигая максимум к полудню. После этого, если температура слишком высока, наступает некоторый спад, за которым следует небольшой подъём, соответствующий снижению температуры. Колебание интенсивности транспирации отражают изменения в состоянии устьичных щелей. Закрывание устьиц в полуденное время частично объясняется высокой концентрацией СО2 внутри листа, что характерно для этого времени суток. Уровень СО2 в листе зависит от соотношения скоростей дыхания и фотосинтеза, а скорость дыхания с повышением температуры растёт довольно быстро, в то время как процесс фотосинтеза менее чувствителен к температуре. В дополнение к этому, закрыванию устьиц в полуденные часы способствует, вероятно, и то, что в это время в связи с недостатком воды в листе возрастает концентрация абсцизовой кислоты.
А. Открытое устьице. Б. Закрытое устьице
Кутикулярная транспирация.При открытых устьицах потери водяного пара через катикулу листа обычно незначительны по сравнению с общей транспирацией. Но если устьица закрыты, как, например, во время засухи, катикулярная транспирация приобретает важное значение в водном режиме растения.
Итак, мы убедились в том, что устьичные движения регулируются основными факторами внешней среды: светом, температурой, содержанием влаги в почве, влажностью воздуха и концентрацией СО2 в воздухе, все эти переменные воздействуют на такие внутренние факторы, как содержание воды и концентрация абсцизовой кислоты в листе. Кроме того имеют место также ритмические колебания отверстости устьиц, совершающиеся даже в отсутствие внешних воздействий. Это ритмическое колебание регулируется внутренним осциллятором – биологическими часами растения.
Минеральные элементы в растениях
Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все элементы периодической таблицы. Между тем для нормального жизненного цикла растительного организма необходима лишь определённая группа основных питательных элементов, функции которых в растении не могут быть заменены другими химическими элементами. В эту группу входят следующие 16 элементов:
Углерод – C
Водород – H
Кислород – O
Азот – N
Фосфор – P
Сера – S
Калий – K
Кальций – Ca
Магний – Mg
Железо – Fe
Марганец – Mn
Медь – Cu
Цинк – Zn
Молибден – Mo
Бор – B
Хлор – Cl
Первые четыре элемента – C,H,O,N – называют органогенами. Углерод в среднем составляет 45% сухой массы тканей, кислород – 42%, водород – 6,5% и азот – 1,5%, а всё вместе 95%. Оставшиеся 5% приходятся на зольные вещества: P,S,K,Ca,Mg, Fe,Mo, Zn, Mn,Cu, B и др. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы. Содержание минеральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы.
Элементы, которые присутствуют в тканях в концентрациях 0,001% и ниже от сухой массы тканей, называют микроэлементами. Некоторые из них играют важную роль в обмене веществ.
Содержание того или другого элемента в тканях растений непостоянно и может сильно изменяться под влиянием факторов внешней среды. Например, Al, Ni, P и другие могут накапливаться в растениях до токсичного уровня.
Одним из первых минеральных питательных растворов, приготовленных немецким физиологом Кноппом для выращивания высших растений, содержал лишь три соли: нитрат кальция, фосфат калия и сульфат магния. Шесть элементов, присутствующих в этих трёх солях, вместе с ассимилированными в процессе фотосинтеза С, Н, и О удовлетворяют основные потребности высших растений в питании. Форма, в которой главные элементы преподносятся растению, имеет относительно небольшое значение: три катиона – K+, Ca 2+ и Mg 2+ – могут любым способом сочетаться с трёмя анионами – NO3-, SO4- и H2PO4-. Кроме того, некоторые растения могут использовать аммонийный азот (NH4+) или органические формы азота не хуже, и даже лучше, чем нитраты, хотя большинство растений предпочитает нитратные формы.
После того как в продажу стали поступать всё более чистые минеральные соли, выяснилось, что основной раствор Кноппа, содержащий три соли, на самом деле не является полным. Действительно, оказалось, что растения нуждаются и во многих других элементах, хотя их количество должно быть на много меньше, чем количество шести главных элементов. Эти микроэлементы включают железо (Fe 2+ или Fe 3+), марганец (Mn 2+), Цинк (Zn 2+),медь (Cu 2+ или Cu+), молибден (Мо О 4-), бор (BOз3-) и хлор (Сl-).
Функции различных элементов в растении
Главные элементы, участвующие в фотосинтезе (С, Н, О), а также азот (N), сера (S) и фосфор (Р) составляют основные строительные блоки тела растения. Например, клеточные стенки, формирующие скелет растения, состоят исключительно из углеводов и близких к ним соединений, содержащих С, Н и О. Белки, главные органические компоненты цитоплазмы, построены преимущественно из С, Н,О, N и небольшого количества S. В состав нуклеиновых кислот, присутствующих в ядрах и в некоторых органеллах цитоплазмы, входят С,Н,О,N и Р. Липиды, содержащиеся в изобилии во всех мембранах, состоят преимущественно из С,Н,О, а также незначительного количества N и Р. Из 12 элементов, источником которых служит материнская порода, четыре используются растением главным образом для структурных целей.
Азот (N) необходим для образования протоплазмы растительной клетки и для построения тканей листьев. Он играет важную роль во всех процессах роста растения. Азот необходим также для образования хлорофилла.
Сера (S) является компонентом нескольких аминокислот (цистеин, цистин и метионин) – структурных единиц, из которых, в конечном счете, образуются белки. Хотя клеткам растения необходимо относительно малое количество серы, почти вся она выполняет важную структурную функцию. Без серосодержащих аминокислот не могли бы синтезироваться многие важные белки клетки. Сера присутствует в глутатеоне, широко распространенном веществе, которое, как полагают, играет определенную роль в окислительно – восстановительных реакциях благодаря своей способности к обратимому превращению из восстановленной, или сульфгидрильной, формы ( -SH ), в окисленную, или дисульфидную, форму ( -S-S- )
Образование дисулифидных мостиков ( -S-S- ) между соседними частями больших белков молекул важно для их конечной формы и стабильности. Сера является также компонентом кофермента А и тиамина (витамина В1).
Кальций (Са ). Основная функция состоит в количественном включении в структуру срединной пластинки клеточной стенки. Кальций, связанный с кислотными компонентами желеобразного пектина срединной пластинки, образует нерастворимую соль. Поэтому введение Са в клеточную стенку приводит к затвердеванию ее полужидкой структуры. Кальций играет также важную роль в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны. При выращивании растений в среде с недостатком Са клеточные мембраны начинают «протекать» и утрачивают свою эффективность как барьеры, препятствующие свободному диффузии ионов.
Магний ( Mg ), химический родственник кальция, составляет центральную часть молекулы хлорофилла, присоединяясь к каждому из четырёх пиррольных колец либо непосредственно с помощью ковалентных связей, либо посредством так называемых «вторичных валентностей». При недостатке магния у более старых листьев обнаруживается пожелтение, характерное для дефицита хлорофилла ( хлороз). Известно, что магний является специфическим кофактором нескольких ферментов; кроме того, он обеспечивает стабильность нуклеиновых кислот.
Фосфор ( Р ) служит главным образом структурным компонентом нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, и входит в состав фосфолипидов – жироподобных веществ, которые играют существенную роль в структуре мембран. Поэтому недостаток фосфора представляет большую опасность для растений, предотвращая образование нового генетического материала в ядре и цитоплазме, а также формирование новых мембран вокруг клетки и её различных органелл. Фосфор непосредственно участвует во всех этапах переноса энергии в клетке, поскольку АТР и его аналоги состоят из трёх фосфатов, связанных с нуклеозидом.
Хотя фосфор, магний, кальций и сера выполняют в клетке и другие функции, количественно преобладают описанные выше структурные функции этих элементов.
Калий ( К ) является осмотических активным элементом, участвующим в регуляции тургора растительных клеток. Большинство растений отличается высоким содержанием калия, хотя лишь очень малое его количество находятся в клеточных структурах в связанном состоянии. Это типично мобильный элемент. Поскольку мембраны многих клеток легко проницаемы для калия. Это справедливо, например, для замыкающих устьиц клеток ( благодаря тургору они контролируют открывание и закрывание устьиц), а также для моторных клеток, регулирующих суточное движение листьев.
Известно также, что калий активирует несколько важных ферментов, хотя он никогда не был выделен как составная часть той или иной ферментной системы.
Хлор (Сl ) в форме хлорид – аниона также участвует в регуляции тургора в некоторых растениях. Перемещаясь вместе с калием, он поддерживает в клетках электронейтральность. Однако содержание хлорида редко достигает такого высокого уровня, как содержание калия. Некоторые растения, характеризующиеся значительными изменениями тургора, регулируемого калием, содержат очень мало хлорида и вместо него используют органические анионы, такие, как малат. Таким образом, хлорид, очевидно, участвует в регуляции тургора в тех случаях, когда он доступен, но не является абсолютно необходимым для этого процесса. Известно также, что хлор стимулирует фотосинтетическое фосфорилирование, но его точная роль в этом процессе еще не установлена. Возможно, что в фотофосфорилирование вовлекаются те ничтожно малые количества анионов Cl-, которые необходимы для большинства растений.
По существу значение хлора для растений выяснено относительно недавно, после того как были поставлены опыты, в которых весь воздух в экспериментальных теплицах отфильтровывался для удаления малейших следов атмосферного хлора. При этом оказалось, что таких следовых количеств хлора достаточно для благоприятного роста большинства растений.
Из шести элементов( Fe, Mg, Cu, Zn, Mo, B ) первые пять функционируют в клетке главным образом как существенная составная часть ферментов. Многие важные ферменты представляют собой специфические белки, к которым присоединены особые группы, называемые простетическими группами, или коферментами. Эти группы могут состоять полностью или частично из металлов, таких как Fe,Cu,Mn,Zn или Мо.
Железо ( Fe ) входит в состав многих важных ферментов, в том числе цитохромов – переносчиков электронов, участвующих в процессе дыхания, а также окислительных ферментов пероксидазы и каталазы. Во всех этих ферментах железо присутствует в простетической группе в виде гемма ( аналог хлорофилла ), в котором центральный атом железа связан с четырьмя пиррольными кольцами, соединёнными в большую циклическую структуру. Железо имеет существенное значение и для ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Кроме того, оно является составною частью ферредоксина – соединения, функционирующего в качестве переносчика электронов в процессе фотосинтеза. Недостаток железа вызывает глубокий хлороз в развивающихся листьях, которые могут стать совершенно белые.
Молибден (Мо), по-видимому, вовлекается в функционирование только тех ферментов (нитратредуктаза, нитрогеназа), которые катализируют восстановление или фиксацию азота. Если под растение вносится восстановленный или органический азот, то потребность в молибдене уменьшается или исчезает вовсе.
Медь ( Cu ) является составной частью некоторых окислительных ферментов, таких, как тирозиназа и аскорбатоксидаза, окисляющих соответственно аминокислоту тирозин и витамин С (аскорбиновую кислоту).
Цинк ( Zn) входит в состав фермента карбоангидразы, катализирующей гидратацию СО2 в Н2СО3. Этот фермент, вероятно, играет важную роль в поддержании запасов потенциального СО2 для фотосинтеза, так как Н2СО3 легко диссоциирует с образованием бикарбоната (НСО3-) или свободного СО2. Кроме того цинк в качестве кофактора участвует в синтезе растительного гормона – индулилуксусной кислоты – из аминокислоты триптофана. При отсутствии цинка формируются чахлые растения со слабо развитым апикальным доминированием.
Бор ( В ) обычно недостаток приводит к гибели меристематических клеток, однако точный механизм его действия не выяснен. Поскольку известно, что бор образует комплексы с сахарами и родственными им веществами, в его функцию, возможно, входит дальний транспорт сахаров в растении.
Ряд микроэлементов, незначительные количества которых необходимых для роста, становятся высокотоксичными в избыточных дозах. К ним относятся Mn, Cu и при высоких концентрациях Fe. Бор ( В) характеризуется чрезвычайно узким интервалом между дефицитом и токсичностью. Поскольку само растение не может воспрепятствовать проникновению этого элемента через мембрану только потому, что он оказывает на него вредное воздействие, нужно проявлять большую осторожность при регулировании концентрации бора во внешней среде.
