Как и чем питаются растения? Ликбез для садоводов и огородников. Часть 1⁠⁠

Наверное будет несколько частей, так как информации много, а слишком длинные посты утомляют. Если пост будет вам полезен, просто дайте мне знать в комментариях, и я обязательно продолжу.

Что это такое и как может вам пригодиться?

У нас в стране гигантское количество народа увлекается выращиванием растений, десятки миллионов. Однако, среди нас очень мало людей, которые имеют соответствующее образование и еще меньше имеют реальное понимание того как функционируют растения, хотя это не мешает их выращивать, так как чаще всего мы действуем по принципу повторения чужого успеха.

Как следствие в этой сфере огромное количество агроблогеров и продаванов, пользующихся неосведомленностью покупателей и обещающих различные чудеса

Занявшись круглогодичным выращиванием клубники (земляники садовой) на практике я остро ощутил нехватку знаний и образования, не смотря на многолетний опыт в домашней гидропонике. Многие вещи я знал лишь тезисно, не понимал как они работают и также шел по тому самому пути повторения чужого успеха. Чтобы избежать неудач приходилось читать профессиональные форумы и штудировать учебники для вузов по агрохимии, физиологии растений и минеральному питанию.

Как и в любом деле, опыт - сын ошибок, и чтобы обрести ценные знания требуется процедить тонны мусора. В результате я предлагаю вам то, что отсеял сам - базовые принципы функционирования и питания растений, которые вы сможете применять при выращивании практически любых культур.

Основные принципы

Несколько столетий назад, в XVII веке, голландский учёный по фамилии ван Гельмонт, которого также называют «последним алхимиком и первым биохимиком» решил поставить эксперимент, проверив теорию Аристотеля о том, что растения с помощью корней извлекают из земли готовую пищу, тем самым окончательно выяснив, что является пищей для растений, почва или вода.

Для этого ученый высадил ветку ивы весом чуть больше 2кг в горшок с землей, сухой вес которой был равен приблизительно 90кг. Дерево поливали чистой дождевой водой, и оно прекрасно росло и развивалось.

Ровно через 5 лет растение извлекли из горшка, очистили от земли и взвесили. За это время вес ивы увеличился на 75кг. Затем высушили и взвесили оставшуюся землю, которая за 5 лет потеряла в весе всего 56 грамм.

Ван Гельмонт делает вывод - что пищей растению служит вода, это послужило основой для создания водной теории питания растений, которая продержалась до конца XIX века. Многие люди повторяли опыт ученого, ставили похожие эксперименты и делали аналогичные выводы. Тех же, кто пытался доказать, что Ван Гельмонт был не прав, долгое время даже не хотели выслушивать.

Следует отметить, в то время еще никто не знал, что углекислый газ, содержащийся в воздухе, может вносить свой вклад в развитие растений. Это окончательно подтвердил швейцарский химик Никола Теодор де Соссюр, дополнив результаты работ других ученых о том, что выдыхаемый животными углекислый газ поглощается растениями, взамен которого растения под действием света выделяют кислород. Он также показал, что увеличение массы растения по мере его роста связано одновременно с усвоением и углекислого газа и воды.

Ионы пища для корней

Итак, углерод, водород и кислород — основа всех органических веществ растений, их они получают из воздуха и воды в процессе фотосинтеза. В сухой массе растительных тканей углерод и кислород в среднем составляют по 45%. Водород - около 6%.

Однако, жизнь растительного организма была бы невозможна без участия неорганических соединений, хотя они и составляют лишь малую часть его сухого веса.

Несмотря на то, что в растениях можно найти практически "всю таблицу Менделеева" лишь немногие элементы из нее действительно нужны для их жизнедеятельности.

В зависимости от содержания эти минеральные элементы делят на две группы: макро и микро .

Макро (N, P, K, Ca, Mg, S, Si), содержание которых в расчете на сухую массу варьируется от 1,5 до 0,1% (т. е. более 1 г/кг).

Микро (Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, B) Составляют 0,01% и ниже (т. е. менее 100 мг/кг сухой массы).

Хотя содержание элементов может быть разным в отдельных частях растений и сильно изменяться в зависимости от особенностей индивидуального развития и внешних условий, 90% питательных элементов проникают в растительный организм главным образом через его корневую систему и усваиваются в виде ионов.

Растения питаются ионами – это атомы или молекулы, имеющие электрический заряд, положительный (катион) или отрицательный (анион). Вопреки расхожему мнению, растения не могут самостоятельно усваивать органические вещества из почвы, для этого им нужны посредники в виде микроорганизмов, которые и перерабатывают органические структуры, высвобождая из них эти самые ионы и делая их доступными для поглощения.

При этом решающую роль в этом процессе занимает вода, а точнее ее уникальные свойства.

На представленной выше схеме молекулы H2O можно увидеть, как два атома водорода соединены с атомом кислорода, но обратите внимание на электрические заряды - положительные на одном конце и отрицательный на другом. Такие молекулы еще называют двухполюсными или диполями.

Именно из - за такого строения молекулы воды обладают уникальной способностью притягиваться друг к другу разноименными полюсами, а также ориентироваться вокруг молекул и ионов других веществ.

Но самое важное, что из-за такого строения вода является отличным растворителем, например, минеральных солей, в ней также отлично растворяются сахара, белки и остальные органические соединения, которые содержат полярные группы: COO-, NH3+, OH- и др.

К слову, о минеральных солях, все они состоят как бы из двух половинок (ионов), положительно заряженной (катиона) и отрицательно заряженной (аниона). Например, индийская селитра (Нитрат Калия) KNO3 состоит из катиона Калия K+ и аниона Азота NO3-.

Попадая в воду, молекула такого вещества окружается молекулами воды и «разрывается» на эти половинки. Этот процесс называется гидратацией - то есть присоединение ионов к молекулам воды.

Как показано на изображении, при гидратации катиона (+) все окружающие его молекулы H2O ориентируются к нему отрицательным полюсом (-), а если гидратируется анион (-), то внутрь направлены уже ее положительные полюсы (+).

Таким образом минеральные соли, при разбавлении в воде, распадаются на составные части (ионы), представляющие собой, необходимые для питания, микро и макроэлементы, и становясь доступными для поглощения корневой системой из водного раствора.

Однако, на этом их путь не закончен, нужно еще не только проникнуть в растение, но и найти в нем свое место.

Водный баланс

Проникнув в растение вместе с водой питательные элементы передвигаются и распределяются по нему. Так как почти весь объем питания поступает через корневую систему, возникает вопрос, каким образом происходит его перемещение от кончика корня до самой макушки, ведь никаких насосов, качающих воду на 12й этаж, как в многоквартирных домах, там нет?

Стоит отметить, что для большинства растительных организмов, обитающих в умеренных широтах, степень обводненности их тканей, составляет 85% – 95%. Если же относительное содержание воды падает ниже 50% ткани начинают отмирать. Поэтому растения стремятся регулировать содержание воды на необходимом уровне.

Для транспортировки воды в растении существует два "двигателя", их еще называют Верхним (Транспирация) и Нижним (корневое давление)

В качестве примера работы нижнего двигателя хорошо подходит такое явление как «плач растений», именно благодаря чему собирается березовый сок. Такой пример говорит о значительном корневом давлении, которое в это время у ствола деревьев может достигать 0,6 МПа. Если у такого дерева удалить стебель, то на срезе начинает выделяться пасока (ксилемный сок). При этом если на срез установить манометр, то можно даже замерить величину корневого давления.

Еще одним следствием работы нижнего двигателя является гуттация - выделение капель жидкости на кончиках листьев. Нередко гуттацию принимают за капли росы, но это иное. Жидкость выделяется через специальные органы гидатоды, и происходит это при высокой влажности, когда транспирация затруднена.

Гуттация характерна для тропиков, где вполне возможно попасть под дождь из гутирующих растений. В таких условиях подъем воды в растении происходит главным образом за счет корневого давления.

Также важным параметром в сегодняшней теме является градиент водного потенциала. Водный потенциал определяет тенденцию воды перемещаться из одной области в другую вследствие осмоса, силы тяжести, механического давления и других эффектов, таких как капиллярное действие.

Хорошо известно, что разница водных потенциалов между атмосферой и почвой настолько велика, что ее вполне хватает для подъема воды даже у самых высоких деревьев. Растения как бы "встраиваются в промежуток" между высоким водным потенциалом почвы и низким водным потенциалом воздуха и используют этот градиент для транспорта воды через растение.

Что касается верхнего двигателя (транспирации) то это была одна из главных проблем с которой столкнулись растения при выходе на сушу. С одной стороны атмосфера является источником СО2, а с другой сухость воздуха может стать причиной обезвоживания. Так что растениям

нужно было добиться максимального поглощения СО2 при минимальных потерях воды.

Транспирация - это испарение воды надземными органами. Лист насыщен влагой и пронизан множеством пор, соединенных воздушными каналами. На солнце такой орган неизбежно теряет много воды. Поэтому основная роль в регулировке этого процесса принадлежит устьицам – поры, через которое происходит испарение.

При недостатке воды устьица закрываются, что значительно сокращает ее потерю. Несмотря на то, что устьица занимают примерно 1% площади листа, испарение через них идёт очень активно.

На движение устьиц самое сильное влияние оказывают свет, уровень CO2, влажность и температура воздуха. Также испарение воды обеспечивает охлаждение растений, но эта функция не является жизненно необходимой. Стоит отметить, что за исключением некоторых типов растений при высоких температурах транспирация снижается, а не увеличивается.

Движущей силой транспирации, как уже было упомянуто, является чрезвычайно большой градиент водного потенциала между воздухом в атмосфере и воздухом в полости листа (около 100 МПа)

Потеря воды из воздушных полостей листа приводит к возникновению отрицательного гидростатического давления в межклеточном пространстве и стимулирует ее поступление туда из клеток и сосудов ксилемы. Таким образом возникает движущая сила, которая как бы засасывает воду наверх.

Сама вода в растении формирует непрерывный поток, начинающийся от поглощающей поверхности корня и заканчивающийся испаряющей поверхностью листьев.

Главным путем, по которому в растениях транспортируются вода и минеральные вещества, являются сосуды ксилемы - основная водопроводящая ткань в растении. Пространствено она объединена с флоэмой (см рисунок), вместе с которой образуют непрерывную проводящую систему, проходящую через все органы растения.

В сосудах ксилемы (от корня до листьев) формируются сплошные водные тяжи, которые благодаря "присасывающему" действию транспирации, движутся через растение.

Так как растения населяют регионы с абсолютно разными условиями, есть которые хорошо обеспечены водой, периодически испытывающие ее недостаток и живущие в условиях почти полного ее отсутствия. Взгляните на рисунок ниже.

Здесь приведена зависимость ряда физиологических процессов от водного потенциала у различных групп растений. При уменьшении водного потенциала активизируется накопление гормона Абсцизовой кислоты (отвечает за закрытие устьиц) и солей растениями.

При этом падает интенсивность фотосинтеза и роста клеток растяжением, снижается скорость синтеза белков и элементов клеточной стенки, уменьшается величина устьичной щели.

На этом все, если тема зайдет, продолжу дальше о том как элементы проникают в растение и находят там свое место, а также о роли каждого из них.

А пока приглашаю всех в свой канал Академия ягоды -  бортовой журнал клубничной ситифермы. Здесь храню нужную мне информацию, открыто делюсь своим опытом и иногда пишу статьи о физиологии растений, агротехнике и питании.