Основные элементы. Функции макро- и микроэлементов в растении

Зеленому растению, кроме воды, поглощаемой из почвы, и органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза, необходимо множество минеральных веществ. К основным эле-ментам относятся те, без которых растение не может завершить свой жизненный цикл.

В настоящее время известно, что растениям необходимы 16 элементов. Из них четыре — С, Н, О и N — они получают в конечном счете из СО~, Н~О и N, атмосферы, тогда как осталь-ные 12 — К, Са, Mg, Р, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Мо, В, Cl — поступа-ют в почву из материнской породы. Из 12 поглощаемых из почвы элементов первые пять называются макроэлементами, остальные относятся к микроэлементам. Микроэлементы требуются в очень малых количествах.

Макроэлементы. Первые четыре элемента — С, Н, О, N— называют органогенами. Углерод в среднем составляет 45 % сухой массы тканей, кислород — 42, водород — 6,5 и азот — 1,5, а все вместе — 95 %. Оставшиеся 5 % приходятся на остальные элемен-ты. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы, остающейся после сжигания органического вещества растений. Содержание минеральных элементов в растении выражают в про-центах по отношению к массе сухого вещества или к массе золы. Наиболее богаты минеральными элементами листья, у которых зола может составлять от 2 до 15 % от массы сухого вещества. Мень-ше всего зольных элементов и азота содержится в древесине ство-ла (0,4 — 1 %). Содержание минеральных элементов зависит от вида, возраста растения и условий произрастания.

Главные элементы, участвующие в фотосинтезе, — С, Н, О, а также азот, сера и фосфор составляют основные строительные блоки тела растения.

Например, клеточные стенки, формирующие скелет растения, почти исключительно состоят из углеводов и близких к ним со-единений, содержащих С, Н и О. Белки, главные органические компоненты цитоплазмы, построены преимущественно из С, Н, О и N и небольшого количества S. В состав нуклеиновых кислот входят С, Н, О, N и Р. Липиды, содержащиеся во всех мембра-нах, состоят преимущественно из С, Н и О и, кроме того, незна-чительного количества N и Р.

Фосфор — структурный компонент нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, а также входит в состав фосфолипидов — жироподобных веществ в структуре мембран. Фосфор непосредственно участвует во всех этапах переноса энергии в виде АТФ. Недостаток фосфора вызывает серьезные нарушения биосинтетических процессов, функционирования мембран, энергетического обмена, а также задержку роста, цветения и созревания плодов.

Сера необходима для построения белков, участвует в составе ферментов и витаминов. При ее недостатке снижается фотосинтез и скорость роста, светлеют и желтеют листья.

Кальций — важный элемент структуры срединной пластинки и клеточной стенки. Он содержится также в хлоропластах, мито-хондриях и ядре. Кальций влияет на избирательную проницае-мость клеточных мембран, движение цитоплазмы, активность ферментов, деление клеток и на другие процессы. Его недоста-ток приводит к отмиранию меристем почек и корней, Участки отмершей ткани наблюдаются и на листьях — появляется пятни-стость.

Магний находится в составе молекулы хлорофилла. Он необхо-дим для формирования рибосом, для активации аминокислот и синтеза белков. Магний регулирует деятельность ферментов. При его недостатке развиваются хлороз и некроз листьев.

Калий — осмотически активный элемент, участвующий в регу-ляции тургора растительных клеток. Большинство растений отли-чается высоким содержанием калия, хотя лишь очень малое его количество находится в клеточных структурах в связанном состо-янии. Это типично мобильный элемент. Калий регулирует водо-удерживающую способность цитоплазмы, что повышает устойчи-вость растений к засухе и морозам. Калий необходим для погло-щения и-транспорта воды по растению. Важную роль он играет в процессе открывания и закрывания устьиц. Основная роль калия регуляторная, он непосредственно участвует в ходе процессов об-мена веществ в растении. Его недостаток снижает продуктивность фотосинтеза. Листья делаются морщинистыми, на них появляют-ся бронзовые оттенки.

Микроэлементы. Эти элементы выполняют важные функции в жизнедеятельности растительных организмов. Их содержание в растениях составляет тысячные-стотысячные доли процента. Мик-роэлементы принимают участие в окислительно-восстановитель-пых процессах, фотосинтезе, азотном и углеводном обменах, вхо-дят в состав активных центров ферментов и витаминов, повыша-ют устойчивость растений к болезням и неблагоприятным усло-виям внешней среды.

Недостаток железа вызывает хлороз листьев.

Медь входит в состав ферментов, участвующих в биосинтезе хлорофилла, а также некоторых окислительных ферментов. Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения. У плодовых куль-тур наблюдается суховершинность при его недостатке.

Марганец катализирует отдельные реакции фотосинтеза (фо-толиз воды) и дыхания (цикл Кребса), активирует ферменты, участвующие в метаболизме ауксина — одного из важнейших гор-монов растения.

Циник влияет на синтез белков, а также гормона ауксина. К его недостатку особенно чувствительны плодовые растения. У них на-блюдается задержка роста междоузлий и листьев, развитие розе-точности и мелколистности.

При отсутствии или резкой недостаточности бора задержива-ется рост корневых систем и надземных частей растения из-за приостановки деления клеток и отмирания меристематических тканей, резко снижается семенная продукция растений. Недоста-ток бора и молибдена вызывает кустистость культур, искривление верхних листьев, опадение цветков. Из цветков не завязываются плоды. Наблюдается отмирание меристем.

При изучении почвенного питания древесных растений следу-ет различать два понятия: потребность растения в минеральном элементе и требовательность растения к богатству почвы дан-ным элементом. Потребность в том или ином элементе питания определяется свойственным данному растению типом обмена ве-ществ.

Для нормального развития одно растение нуждается в боль-шем количестве калия, другое — в меньшем. Потребность в мине-ральных веществах меняется в течение вегетационного периода и с возрастом растения. Две породы с одинаковой потребностью в калии могут существенно отличаться требовательностью к почве; одно свою потребность может удовлетворить только на богатой калием почве, другое может обеспечить себя нужным количеством того же элемента, поглощая его из относительно более бедной почвы. При одинаковой потребности первое растение характери-зуется высокой требовательностью, второе — малой требователь-ностью к почве.

Из пород, имеющих большую потребность в минеральных ве-ществах и высокую требовательность к почве, следует назвать ясень. Сосна имеет низкую потребность и малую требовательность, так как потребляет мало минеральных веществ и способна расти на бедных почвах. Большая потребность в минеральных веществах и малая требовательность к почве характерна для белой акации.

11.2. Азотное питание растений

Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, липидных

компонентов мембран, хлорофилла и других жизненно важных соединений. Недостаток азота в растениях тормозит их рост, сни-

жает продуктивность.

Азот — один из наиболее широко распространенных элемен-тов в природе. Молекулярный азот (N2) составляет около 8О%, (' атмосферного воздуха. Однако он не усваивается высшими расте-ниями и может переходить в доступную для них форму только благодаря деятельности микроорганизмов — азотфиксаторов. Корни растений поглощают только минеральный азот в форме аммония NH4 и нитратного аниона ХО,.

Фиксация азота (восстановление азота до аммиака NH,) осу-ществляется свободноживущими и клубеньковыми бактериями,, находящимися в симбиозе с корнями некоторых высших расте-ний. Симбиотические бактерии — азотфиксаторы наиболее рас-пространены у бобовых растений. Клубеньки образуются также на корнях некоторых деревьев и кустарников: ольхи, лоха, облепихи ' и др. Роща молодой ольхи за 7 лет дает прирост азота 7ОО кг/га, "' что значительно обогащает лесную почву.

Образующийся при фиксации аммиак может сразу поглощать-ся корнями растений или после его окисления почвенными бак-териями до нитратов (NО-з). В большинстве почв образование нит-ратов из аммиака происходит настолько быстро, что большая часть азота поглощается в виде N03. Аммиак обычно превращается в;,аминокислоты, из которых синтезируется белок. В растительных клетках поглощенные нитраты вновь восстанавливаются до амми-ака, который затем связывается с определенными органическими

кислотами, в результате чего образуются аминокислоты, а затем белки. Эти вещества перевариваются животными и превращаются "' в животные белки и азотистые продукты обмена — мочевину и ' мочевую кислоту. В конечном счете, все животные и растения от-мирают и разлагаются в почве с образованием простых азотистых веществ, таких, как аммиак. Процесс превращения органическог-o азота почвы, в том числе минеральных и органических удобре-ний, в аммоний NH4 называется аммонификацией. Процессы раз-ложения органического вещества почвы играют чрезвычайно важ-ную роль в обеспечении растений источниками азотного питания. Эти процессы зависят от условий, способствующих деятельности,микроорганизмов.

Процесс окисления образующегося при аммонификации ам-миака до азотистой и азотной кислоты называется нитрификацией.

Осуществляют этот процесс две группы бактерий-хемоавтотро-фов в два этапа. Вначале аммиак окисляется до азотистой кисло-ты, затем эта кислота окисляется до азотной. Азотная кислота взаимодействуя с различными солями и щелочами почвы, обра-зует нитраты — источник азотного питания растений. Нитрифи-кация может осуществляться только при хорошей аэрации и ней-' тральной или слабощелочной реакции почвы, что характерно для черноземов. В большинстве лесных почв нитрификация отсутству-ет или проявляется очень слабо. Противоположным нитрифика-ции процессом является денитрификация, при которой нитраты восстанавливаются до молекулярного азота. Денитрификация про-исходит в условиях плотных и затопленных почв с плохой аэраци-ей и очень нежелательна, так как образующийся молекулярный азот уходит в атмосферу и не используется растениями. В практике лесного хозяйства нельзя допускать уплотнения лесокультурных почв, а затапливаемые почвы следует осушать.