Растения непрерывно пополняют на земле запасы органического вещества. Они создают его из неорганических солей, воды, кислорода и углекислоты воздуха. Человек постоянно пользуется продуктами этой великой созидательной работы. Но он издавна стремится и к тому, чтобы разумно руководить этой работой, направлять ее делать еще более интенсивной. Известно, какую большую роль сыграла в этих его попытках химия — именно на ее языке, ее понятиями оказалось возможным точно описать связи, возникающие между растением и питающей его землей; с ее помощью удалось получить объективный анализ того, что растению требуется, и снабдить его необходимыми для жизни веществами.
НУЖДЫ РАСТЕНИЙ
Сейчас мы точно знаем: растение не безразлично к недостатку и избытку в почве любого из химических элементов. То или
иное отклонение от нормы меняет сначала химический состав, обмен веществ и в целом — питание растения. Несколько позже появляются и внешние морфологические изменения.
Из элементарных веществ особенно важен для жизни растения фосфор. И прежде всего потому, что он активно участвует в процессах синтеза белка. Для этого синтеза необходим азот, который растение получает из почвы главным образом в виде нитратов, углеводы и энергетические вещества. В них-то и входит фосфор.
Химикам известно, как трудно заставить малоактивные неорганические вещества, например азот, соединиться с кислородом или водородом, образовать даже менее сложные, чем белки, соединения. Для этого используют разряды электричества, повышенные температуры и давление, катализаторы. А в живой клетке реакции синтеза сложных органических веществ проходят при обычных невысоких температурах и давлениях.
Мы знаем, что в клетке имеются разнообразные активаторы, гормоны, ферменты. Но откуда берется в ней необходимая энергия? Один из важнейших энергетических -источников — окислительно-восстановительные реакции дыхания. Кроме того, в нуклеиновые кислоты, играющие самую важную роль в жизни клетки, обязательным компонентом входит фосфор, соединения которого необычайно динамичны и обладают высокой энергией.
Конечно, в клетке есть и другие высокоэнергетические соединения, более простые по структуре, чем нуклеиновые кислоты. Все они повышают способность углеводов и органических кислот к взаимодействию между собой и к включению в свой состав иных веществ и элементов. Так, аммиак, соединяясь с молекулой органической кислоты, образует аминокислоты. Это и есть первый этап синтеза белка.
В молодых тканях органическое вещество активно расходуется на построение новых клеток. И воспроизведение этих веществ должно идти очень интенсивно. Именно поэтому растению требуется — наряду с другими элементами — достаточное количество фосфора, чтобы оно могло синтезировать высокоэнергетические соединения, активно использовать питательные вещества, обеспечивая образование новых клеток, тканей, органов. Чем раньше растение получит дополнительное фосфорное питание, тем быстрее будет оно развиваться.
Это, конечно, не значит, что фосфор необходим только молодому растению: он нужен ему постоянно. Но от правильного питания в молодом возрасте зависит активность растения за все время его существования.
Не меньшую важность приобретает поэтому и присутствие фосфора в семенах. С помощью меченых фосфорных удобрений удалось установить, что в лучшие семена поступает тот фосфор, который материнское растение получило задолго до их образования. Фосфор, попавший в растение позже, поступает в оболочки семян, а также в цветы и бутоны, образовавшиеся позднее и потому не дающие зрелых семян.
Иначе строится система азотного питания.
Азот нужен растению как «строительный материал» — для создания сложных белковых соединений. Все проявления жизнедеятельности клетки — питание, дыхание, рост и деление связаны со свойствами содержащихся в ней белковых веществ. Чем больше в клетке белка, тем активнее проходят все эти процессы. Особенно активны самые молодые клетки — клетки точек роста. Однако способность интенсивно делиться ограничена у них во времени; чем острее азотный голод, тем быстрее теряют они эту способность, и тем раньше растение перестает развиваться.
Для синтеза белка одного азота мало. Мы уже выяснили, как необходим растению значительный запас высокоэнергетических фосфорных соединений. Наряду с фосфором обеспечивают энергией процесс синтеза белка и углеводы. А кроме того, продукты превращения углеводов, в том числе органические кислоты, непосредственно входят в состав аминокислот — этих «кирпичей», из которых строится молекула белка.
У молодых проростков еще мало зеленых листьев, и поэтому они небогаты углеводами. При обильном азотном удобрении в тканях проростка накапливается неорганический азот, главным образом в виде нитратов, и проростки некоторых растений даже страдают от высоких концентраций нитратных солей. Система азотного питания растений должна строиться так, чтобы молодые проростки не получили излишков азота, но и не испытывали в нем недостатка.
Растению очень вреден азотный голод и в следующую фазу его развития. Например, яровым хлебным злакам — в фазах двух-трех и трех-четырех листьев. Этот период предшествует возникновению зачаточных колосьев и метелок, и достаточное питание азотом в это время обеспечит в дальнейшем образование крупных, богатых зерном колосьев.
Если молодому растению не хватало азота, поздняя подкормка его уже не спасет: число колосков и цветков в соцветии не увеличится. Это происходит потому, что меристема (то есть, ткань — новообразователь клеток) зачаточного соцветия преждевременно отомрет: для питания клеток не хватило белков.
Если же при прорастании семени азотное питание было достаточным, а в фазу трех-четырех листьев даже обильным, белки в тканях будут хорошо обновляться, образуются новые клетки, -новые колоски, цветки и зерна.
Меняя систему питания азота по фазам, можно повлиять на развитие верхней, средней или нижней части соцветия, на число цветков и даже на их способность образовывать семена. В метелке проса, например, число зерен может колебаться от 8—20 до 280 штук и больше в зависимости от дозы и срока внесения азота.
Итак, системы питания растений фосфором и азотом различны. Прорастание оказывается самым сильным, если молодое растеньице получает сначала больше фосфора, а несколько позже — азота.
Третий важнейший элемент питания растений — калий. Его роль в жизни клеток чрезвычайно многообразна. Без калия клетки хуже удерживают воду, а ведь в них все реакции обмена и образования новых соединений происходят в растворах. Присутствие калия необходимо и на некоторых этапах синтеза белка. В последнее время доказано, что многие ферменты клетки становятся активными только в том случае, если в их состав входит калий.
Калий связан с процессами фотосинтеза и образованием углеводов в зеленых частях растения, с их дальнейшим превращением и транспортировкой из одних органов в другие. Если растению не хватает калия, то цветы не развиваются дальше фазы мелких бутонов, бутоны не цветут и семена не завязываются. Таким образом, калий нужен растению постоянно.
Кроме того, выявлена его роль в конце вегетационного периода, когда накопленные в листьях органические питательные вещества должны передвинуться в семена, плоды, клубни, в корнеплоды и зимующие органы.
«СПРОСИТЬ МНЕНИЕ РАСТЕНИЯ»
Чтобы получить хороший урожай, агрохимику надо изучить условия, в которых предстоит развиваться растению. Важно узнать состав и свойства почвы: обеспеченность влагой и воздухом, кислотность, засоленность, плотность, структуру и т. д. Необходимо уяснить причины и особенности плодородия каждого участка пашни, учесть его предшествующую обработку: количество внесенных прежде удобрений, вид севооборота…
А чтобы создать условия, в которых растение сможет дать самый большой урожай, надо принять во внимание все его потребности — «спросить мнение растения», как учили К. А. Тимирязев и Д. Н. Прянишников.
«Мнение растений» выясняют разными методами. Один из самых надежных — полевой опыт: поле разбивают на несколько участков вносят на каждом из них удобрения разного состава и количества, а затем внимательно наблюдают за развитием растения и формированием урожая.
Если растению не хватает того или иного элемента питания, это определенным образом сказывается на его внешнем виде. Например, азотное голодание делает листья (особенно нижние, более старые) бледно-зелеными, жесткими, узкими; растение плохо растет и быстро плодоносит, давая незначительный урожай семян.
О недостатке фосфора говорят коричневые пятна на нижних старых листьях и фиолетовая окраска черешков и стеблей. Растение плохо растет и плодоносит.
От нехватки калия нижние старые листья коробятся (на них появляется «краевой ожог»), покрываются пятнами омертвевшей ткани, роста плодоношение растения резко задерживаются.
Мало в почве магния — образуются белые пятна или полосы на нижних листьях. При борном голодании страдает верхушка растения, нет нормальных цветов и плодов, у корнеплодов развивается «гниль сердечка».
Когда не хватает меди, появляются листья с побелевшими кончиками, а растение образует недоразвитые, не способные дать зерно белесые колосья.
Такие внешние признаки, свидетельствующие о нарушении в питании растений, установлены почти для всех химических элементов.
Однако с помощью визуальной диагностики не всегда удается определить, сколько и каких веществ не хватает растению. Это понятно: растение может одновременно испытывать недостаток (или вредный избыток) не одного, а нескольких элементов питания. Кроме того, метод помогает фиксировать только резкое нарушение режима питания и не подсказывает дозу необходимых в том или ином случае удобрений. Наконец, известно, что внешние признаки «болезни» появляются довольно поздно когда питание уже сильно нарушено. Но как важно именно вовремя заметить первые признаки наступающего голодания!
И вот тут большую помощь могут оказать методы химической диагностики.
Один из таких методов — анализ общего содержания в растении азота, фосфора, калия и других элементов после кислотного озоления растений.
Метод очень хороший, но требует специального лабораторного оборудования.
Есть и более простые способы — например, определение внутренних резервов питания, которые растение еще не успело использовать. Если анализ показывает, что таких резервов в тканях растения нет, значит, оно начинает голодать и нуждается в подкормке.
Обнаружить эти резервы можно разными способами, но все они основываются на следующих общих принципах.
Установлено, что неорганических соединений больше в тех органах растения, которые расположены ближе к корням и густо пронизаны крупными сосудами. Неорганические вещество движутся из корней по сосудам в верхние части растения и по пути постепенно расходуются.
Особенно быстро «потребляются» нитраты, и поэтому к точкам роста и цветкам они дойти не успевают. У некоторых растений они восстанавливаются полностью уже в корнях, а в стеблях, ветвях и листьях их вообще нельзя обнаружить.
Чем старше растение, тем меньше в нем концентрация питательных веществ. Это происходит, во-первых, потому, что поглощенные вещества как бы разбавляются во все увеличивающейся массе растения и, во-вторых, потому, что взрослое растение хуже поглощает питательные вещества из почвы.
Для анализа содержания питательных веществ в растительном организме создаются специальные приборы. Чтобы установить, что ограничивает рост растений — нехватка питания или какие-то другие причины, надо сопоставить результаты химического анализа растений с их весом, ростом и развитием, с признаками болезни, обнаруженными при визуальной диагностике, со сведениями о почве, погоде и агротехнической обработке. Например, если растение плохо растет, но содержит много питательных веществ, значит рост ограничивается не питанием, а чем-то другим, избытком или недостатком влаги, нехваткой воздуха корням и т. д. После полива, рыхления или другой обработки надо еще раз проанализировать химический состав растения.
Если причина, сдерживавшая рост, установлена правильно и устранена вовремя, растение начнет усиленно расти и ему может потребоваться дополнительное питание. Вывод о недостающих удобрениях необходимо сопоставить с результатами наблюдений за ростом и питанием растения по фазам его развития. Оптимальными режимами литания признаются те, при которых получается самый высокий урожай.
Доктор биологических наук В. В. ЦЕРЛИНГ