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《植物营养学》
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第一章
绪论
第一章肥料概论
第一节植物营养学与农业生产
p>
第一节肥料与人类生活和生态
第二节植物营养学的发展概况
(Part1
Part2
)
环境的关系
第三节植物营养学的范畴及其主要的研究方法
第二节肥料施用与发展的概况
第三节我国肥料试验研究简史
第四节肥料的来源、分类及基本
特性
第二章大量营养元素
第二章
氮肥
第一节植物的营养成分
(Part1
Part2)
第一节
氮肥的种类、性质和施
第二节碳、氢、氧
(Part1
Part2
)
用
(Part1
Part2
Part3
)
第三节氮
(Part1
Part2
Part3
Part4
Part5
)
第二节氮肥在土壤中的转化
第四节磷
(Part1
Part2
Part3
Part4
)
(Part1
Part2
)
第五节钾
(Part1
Part2
Part3
Part4
)
第三节氮肥对作物的影响
第四节氮肥的有效施用
第三章中量营养元素
第三章
磷肥
第一节
钙
(Part1
Part2
)
第一节
磷肥的种类、性质和施
第二节镁
(Part1
Part2
)
用
(Part1
Part2
Part3
Part4
)
第三节硫
第二节磷肥在土壤中的转化
(Part1
Part2
Part3
)
第三节磷肥对作物的影响
第四节
磷肥的有效施用
(Part1
Part2
)
第四章微量营养元素
第四章
钾肥
第一节铁
第一节
钾肥的种类和特性
第二节硼
(Part1
Part2
)
第三节锰
第二节钾肥在土壤中的转化
第四节铜
第三节钾肥对作物的影响
第五节锌
第四节
钾肥的有效施用
第六节钼
(Part1
Part2
)
第七节氯
第五章有益元素
第五章微量元素肥料
第一节
硅
(Part1
Part2
)
第一节
微量元素肥料的种类和
第二节钠
特性
(Part1
Part2
)
第三节钴
第二节微量元素肥料在土壤中
第四节镍
的转化
(Part1
Part2
Part3
)
第五节
硒
(Part1
Part2
)
第三节微量元素肥料对作物生
1
第六节铝
长、发育及产量与品质的影响
(Part1
Part2
Part3
)
第四节微量元素肥料的有效施
用
(Part1
Part2
Part3
Part4
Part5
Part6
Part7
)
第六章土壤养分的生物有效性
第六章
钙、镁、硫、硅肥及稀土
农用制品
第一节
土壤养分的化学有效性
(Part1
Part2
)
第二节土壤养分的空间有效性
(Part1
Part2
)
第一节
钙肥
(Part1
Part2
)
第三节根系生长与养分有效性
(Part1
Part2
第二节镁肥
Part3
)
第三节
硫肥
(Part1
Part2
)
第四节植物根际养分的有效性
(Part1
Part2
第四节硅肥
Part3
Part4
)
第五节稀土农用制品
第七章养分的吸收
第七章复混肥料
第一节
养分进入根细胞的机理
(Part1
Part2
第一节复混肥料概述
Part3
Part4
Part5
)
第二节
复混肥料的种类和性质
第二节影响养分吸收的因素
(Part1
Part2
(Part1
Part2
Part3
)
Part3
)
第三节复混肥料的肥效和施用
第三节叶片和地上部分其他器官对养分的吸收
(Part1
Part2
)
第八章养分的运输和分配
第八章
绿肥
第一节
养分的短距离运输
(Part1
Part2
)
第一节绿肥在持续农业
中的作
第二节养分的长距离运输
(Part1
Part2
)
用
第三节植物体内养分的循环
第二节
绿肥作物的栽培
(Part1
第四节养分的再利用
Part2
Part3
Part4
)
第三节绿肥的有效利用
(Part1
Part2
Part3
)
第九章矿质营养与植物生长、产量和品质的关
第九章有机肥料及城乡有机废
系
弃物的农业利用
第一节矿质养分与植物生长
第一节有机废弃物农肥化的意
第二节
源
-
库关系与产量
(Part1
Part2
)
义与作用
第三节矿质营养对源
-
库及其相互关系的影响
< br>第二节有机肥料及可农用化的
(Part1
Part2
)
有机废弃物种类与性质
(Part1
第四节矿质营养与品质的关系
Part2
Part3
Part4
Part5
Part6
Part7
)
第三节有机废弃物农肥
法技术
(Part1
Part2
Part3
Part4
)
第四节有机无机复混肥
的生产
技术
(Part1
Part2
)
第十章植物营养性状的遗传学特性
第十章肥料的科学施用与管理
2
第一节植物营养性状的基因型差异
第一节肥料的科学施用
第二节植物养
分效率差异的生理学和遗传学基
第二节
肥料的科学管理
础
(Part1
Part2
)
(Part1
Part2
)
第三节植物营养遗传特性的改良途径
第十一章植物对逆境土壤的适应性
第一节
酸性土壤
(Part1
Part2
Part3
Part4
)
第二节盐渍土
(Part1
Part2
)
第三节石灰性土壤
(Part1
Part2
)
第四节渍水和淹水土壤
第一章
绪
论
第一节
植物营养学与农业生产
绿色植物的显
著特点是其根或叶能从周围环境中吸取营养物质,
并利用这些物质
建造自身的躯体或转化为维持其生命活动所需的能源。
植物体从外界环境中吸取
其生长发育所需的养分,并用以维持其生命活动,即称为营养。
植物体
所需的化
学元素称为营养元素。营养元素转变(合成与分解)
为
细胞物质或能源物质的过
程称为新陈代谢。实质上,营养元素是代谢过程的主要参与者。
这表明植物营养
与新陈代谢过程是紧密相关的。
植物营养学是研究植物对营养物质的吸收、
运输、<
/p>
转化和利用的规律及植物与外
界环境之间营养物质和能量交换的科
学。
或者说,
植物营养学的主要任务是阐明
植物体与外界环境之间营养物质交换和能量交换的具体过程,
以及体内营养
(养
分)物质运输、分配和能量转化的规律,
并
在此基础上通过施肥手段为植物提供
充足的养分,
创造良好的营
养环境,
或通过改良植物遗传特性的手段调节植物体
的代谢,<
/p>
提高植物营养效率,
从而达到明显提高作物产量和改善产品品质的
目的。
我国是一个人口众多的国家,
粮食生产在农业生产的发展中占有重要位置。
粮食
生产不仅是为
了解决吃饭问题,而且也要为副食品生产、畜牧业、
养殖业以及工
业生产(糖、酒等)提供原料。通常,增加粮食产量的途径是扩大耕地面积或提
高单位
面积产量。根据我国国情,继续扩大耕地面积的潜力已不大,
虽然我国尚
有许多未开垦的土地,但大多存在投资多、
难度大的问题。这就决定了我国粮食
3
增产必须走提高单位面积产量的道路。
新中国成立以来,特别是
1957
年以后,我国化肥工业有了
突飞猛进的发展,由
于化肥生产量和化肥进口数量的逐年增加,
粮食总产量也随之迅速上升
(图
1-1
)
。
近十几年来,
由于我国种植结构的
变化,
粮、
棉、
油的种植面积有所减少
,
而瓜、
菜、果园的面积发展较快,从而出现粮食总产滞后于化
肥用量增长的势头。
众所周知,施肥不仅能提高土壤肥力,而
且也是提高作物单位面积产量的重
要
措施。根据联合国粮农组织
TAO)
的
估计,化肥在农作物增产的总份额中占
40
肠
< br>一
60
%。
FAO
于
1960-1977
年在
40
个国家进行的
10
多万个化肥示范
和试验的结
果表明,最好的施肥处理平均增产
67
%;用于化肥的投资,可获得该投资
4.8
倍的农产
品产值。在我国,增施化肥同样也有良好的效果。例如,我国粮食与棉
花产量的增长与化
肥施用量的增加紧密相关。中国农科院土肥所曾整理了
30
年<
/p>
间
(1951-1980
)
化肥总用量与粮食总产量之间相关关系的资料,
计算其相关系数
为
0.964
;
化肥每亩施
用量与粮食每亩产量的相关系数为
0.98
,
< br>均达到极显著水
平。
30
年中化
肥总用量与棉花总产量的相关系数为。.
788
;化肥每亩施用
量与
棉花每亩产量的相关系数为
0.86
,也都达到显著水平。
目前全国各地粮食生产水平相差很大
,北京市、上海市和江苏、浙江等省均
4
属高产地区,如上海市和浙江省年平均每公顷产量均在
11
250
kg
以上,而全国
仍有
3
300
多万
p>
hm
2
耕地粮食产量仍在每公顷
1
500
kg
以下。
这一方面充分说明
了提高单产有很大的潜力;
另一方面也展示了
改造低产田的战略意义。
高产田的
经验为低产变高产提供了有益
的启示。
生产实践表明,
提高作物单产的重要措施
之一是要创造一个良好的营养环境,保证及时满足作物对养分的需求。
p>
多年的实践证明,获得作物高产和优质产品的关键,在很大程度上取决于养
< br>分的平衡供应。
它必须以植物营养理论为指导,
以各类植
物的营养特性与不同土
壤供肥状况为施肥的重要依据。
只有在正
确理论指导下的施肥才能明显地提高产
量、改善品质、保护环境,并建立良好的生态系统
,造福人类;反之,盲目施肥
往往不仅不能增产,反而浪费资源,破坏生态环境,
给人类带来巨大的损失和危
害。
二节植物营养学的发展概况
我国农业
生产的历史悠久,
在施用肥料促进植物生长方面积累了
丰富的经
验,
但对植物营养科学理论的探索,
最早是从西欧开始
的。
当时,
科学家研究植物营养主要是围绕着植
物生长发育究竟
需要什么物质,
所需的物质是矿物质养分还是有
机物质养分等间
题进行的。
一、植物营养研究的早期探索
尼古拉斯
(Nicholas, 1401-1446)
是第一个从事植物营养研究的
人,他认为植物从土壤中吸收养分与吸收
水分的某些过程有关。
200
年以后,海尔蒙特
(VanHelmont,1577-1644)
于
1
640
年在布
鲁塞尔进行了著名的柳条试验。
< br>他在一个装有
200
10(90.
72
kg)
土的陶土盆中,插上一枝
5
磅
(2.27
kg)
重的柳条,除浇雨水外
5 <
/p>
不加任何东西,
并在盆上盖有带气孔的马自铁板,
以防止其他物
质落人。
5
年后
,柳条长成了
164
4(74.
39
kg)
重的柳树,而土
壤仅减少了
2
盎司(即
56.7 g,1
盎司一
28. 35 g
)。由于他没
有认识到柳树从大气中摄取碳素以及从土壤中获得所必需的营
养元素,
所以他得出柳树增重是来自水而不是来自大气和土壤的
错误结论。
尽管他的结论并不正确,
但他的重要
功绩在于把科学
的试验方法引人了植物营养研究的领域。
p>
1661
和
1680
年,罗伯特·波义尔(
Robert
Boyle
)曾做过相似
的试验,
他根据植物体含有矿质灰分
的事实,
对植物仅从水中获
得物质的见解表示怀疑。
1804
年,索秀尔
(de
Saussure)
采用精
确的定量方法测定了空气中的<
/p>
CO
:含量以及在含不同数量
CO
:
的空气中所培养的植物体内碳素含量以后,
他证明植物体内的碳
素来自大气中的
CO
:,是植物同化作用的结果;而植物的灰分
则来自土壤;碳、氢、氧来自空气和水。至
此,海尔蒙特柳条试
验的问题才算得到澄清。
19
世纪初期,欧洲十分流行德国学者泰伊尔(
Von
Thaer
,
1752-1828)
的
腐殖质营养学说。
他认为,
土壤肥力取决于腐殖质
的含量,
腐殖质是土壤中惟一的植物营养物质;
而矿
物质只是起
间接作用,
即它可加速腐殖质的转化和溶解,
使其变成易被植物
吸收的物质这一学说当时在欧洲曾风行一时,
但也有不少学者持
反对意见。
6
法国的农业化学家布森高
(Boussingault,1802-1887 )
是采用田
p>
间试验方法研究植物营养的创始人。
1834
年,他在自己的庄园
里创建了世界上第一个农业试验站。
他采
用索秀尔的定量分析方
法,
研究碳素同化和氮素营养问题。
p>
他运用田间试验的技术,
并
首先把化学测定
方法从实验室运用到田间试验中,
以揭示自然界
的奥秘,
提高人们对氮素营养的认识。
他确认豆科作物可利用空
气中的氮素,
并能提高土壤的含氮量;
谷类作物则不能
利用空气
中的氮素,
只能吸收土壤中的氮素,
< br>并使之不断减少。
他通过计
算不同轮作中氮素循环的平衡
账后指出,
豆科作物在轮作中的作
用。布森高对氮素营养的见解
至今仍具有重要意义。
此后,
不少科
学家曾用溶液培养方法研究过植物营养。
例如,
西
尼比尔
(Sene-bier
,
1791)
发现植物死于不流动的水中,这是一
个溶液培养
试验的重要实践。
索秀尔在
1804
年
充实了这一见解,
提出假如把栗树苗的根暴露在
CO
:而不是空气中,树苗几天内
就会死去。后来萨克斯
(Sachs)
率先强调了溶液培养中根系适当
通气的重要性
。
伍德沃德
(
Wood-ward)<
/p>
和索秀尔都是用溶液培养
方法研究植物营养的先驱。
二、植物营养学的建立和李比希的工作
李比希
(Justus von Liebig,1803-1
873
)是德国著名的化学家,
国际公认的植物营养科学的奠基
人。他于
1840
年在伦敦英国有
机化
学年会上发表了题为
“化学在农业和生理学上的应用”
的著
p>
7
名论文,
提
出了植物矿质营养学说,
并否定了当时流行的腐殖质
营养学说。
他指出,腐殖质是在地球上有了植物以后才出现的,
而不是在植物出现以前,
因此植物的原始养分只能是矿物质。
这
就是矿质营
养学说的主要论点。他还进一步提出了养分归还学
说,
他指出:
植物以不同的方式从土壤中吸收矿质养分,
使土壤
养分逐渐减少,
连续种植会使土壤贫瘩,
为了保持土
奥肥力,
就
必须把植物带走的矿质养分和氮素以施肥的方式归还
给土壤,
否
则由于不断地栽培植物,
势
必会引起土壤养分的损耗,
而使土壤
变得十分贫瘩,
产量很低,
甚至寸草不生,
如通过施肥使之归还,
就能维持土壤养分平衡。
养分归还学说对恢复和维持土壤肥力有
积极意义。
李比希提出的矿质营养学说是植物营养学新旧时代的
分界线和转折点,
它使得植物营养学以崭新的面貌出现在农业科
学的领域之中。
李比希在
1843
年《化学在农业和生理学上的应用》一书的第
3
版中提出了“最小养分律”。这一理论的中心意思是,作物产量
< br>受土壤中相对含量最少的养分所控制,
作物产量的高低则随最小
< br>养分补充量的多少而变化。
“最小养分律”
指出了作物产
量与养
分供应上的矛盾,表明施肥应有针对性。
150
多年前,李比希提
出的这一卓越见解,
作为农业
发展的基本理论,
至今仍不失其光
彩。
李比希最初的功绩在于他编辑和总结了前人有关矿质元素对植
8
物生长重要性方面的零散报道,
并
把植物矿质营养确定为一门科
学。
1843
年以后,李比希与他的学生们陆续进行了化肥研制、
田间试验等大量工作,
为广泛施用化肥奠定了基础,
从而促进了
化肥工
业的兴起。
李比希是一位伟大的化学家,
他把化学上的成
果进行了高度的理论概括,成功地运用到农业、工业、政治、经
济、哲
学等各个领域,并特别重视解决农业生产实际中的问题。
李比希还十分注意以通俗的笔调
撰写
“化学通信”
,
以阐述化学
和国民经济各部门,
如工业、
农业、
商业以及药物等方面的联系。
李比希及其学说对于农业的影响着重于使化
学融合于现代的农
学、园艺学、植物生理学、林学以及其他农业科学之中。总之,
他的学说在许多科学领域中产生了深远的影响。
李比希不仅是一位科学家,而且也是一位推行新教学法的教育
家。
< br>他一改当时只鼓励迫切求知的学生从书本中去学,
而提倡学
生应从实践中去学。
他教会学生使用仪器,
并和他们一起进行
科
学研究。他强调通过实践去观察,从而检验某些观念是否可靠,
某些结果是否正确,
并且进一步提出新的概念,
尔后再作进一
步
观察,
获得新的发现。
李比希的许多
学生后来都成了著名的研究
者导师。
后人从李比希倡导的
“通过研究来教育”
的独特风格中
获得了极大
的启发和教益。
值得提及的是,
18
42
年英国洛桑农业试验站创始人鲁茨
(Lawes
)
取得制造普通过磷酸钙的专利,
第
2
年采用兽骨加硫酸制成过磷
9
酸钙,以后逐渐发展为磷肥工业。鲁茨和吉尔伯特
(Gilbert)
都
是李比希的学生,
他们在洛桑农业试验站开创的肥料试验系统研
究工作一直延续至今。<
/p>
与此同时,
法国发现钾盐矿,
开始生产钾
盐并用于农业。
1904-1908
年
德国化学家哈伯
(Haber)
提出了合
成氨工艺,尔后于
1913
年在德国建立了世界上第一个合成
氨工
厂。
至此,
由于矿质营养学说的建
立,
使得维持土壤肥力的手段
从施用有机肥料向施用化学肥料转
变有了坚实的基础。
李比希的
矿质营养学说促进了化肥工业的发
展,
并推动传统农业向现代农
业发展,具有划时代的意义。
p>
李比希提出的
“归还学说”
和
“最小养分律”
对合理施肥至今仍
有深远的指导意义,
只是他尚未认识到养分之间的相互联系,
< br>把
养分的作用各自独立起来。
此外,
李比希过于强调了矿质养分的
作用,而把腐殖质看成仅是在分解后放出
CO2
,误认为厩肥的作
用只是供给灰分元素。
p>
他还错误地指责布森高关于豆科作物使土
壤肥沃的正确观点。
尽管如此,
他仍不愧为植物营养学杰出的奠
基
人。
第三节
植物营养学的范畴及其主要的研究方法
一、植物营养学的范畴
10
植物营养学的范畴大体包括以下几个方面:
1.
植物营养生理学主要研究:
(1)
营养生理学:
即养分元素的生
理功能与养分的再循环、
再利
用,
养分
的吸收,
养分在体内的长距离和短距离运输,
养分的分
配等;
(2)
产量
生理学:
即研究主要农作物产量的形成,
养分的分配和
调节过程,
源-库关系及其在产量形成过程中的作用;
< br>研究利用
各种内外源激素或调节剂对产量形成过程的调控和机理;
(3)
逆境生理学:即研究植物在旱、涝、盐碱、
高温、寒冷、病
虫害、
通气不良、
营养
缺乏或失调等逆境条件下的生理变化及适
应机理,通过营养调节挖掘植物抗逆性的遗传潜
力。
2.
植物根际营养
主要研究根-土界面微
域中养分、
水分以及其
他物质的转化规律和生物效应;
植物-土壤-微生物及环境因素
之间物质循环、能量转化的机理及调控措
施。
3.
植物营养遗传学
主要研究不同植物种
类及品种的矿质营养
效率基因型差异的生理与分子机理及遗传规律,
以便筛选和培育
出高营养效率植物新品种。
4.
植物营养生态学
主要研究不同生态类型中各种营养元素在
土壤圈、水圈、大气圈、生物圈中的
迁移、转化和循环规律;各
11
种
养分退化生态环境重建过程中的营养机理,
污染土壤和环境的
生
物修复机理等重金属和污染物在食物链中的富集、
迁移规律及
调
控措施。
5.
植物的土壤营养主要研究:
(1)
土壤养分行为学:即土层中各种养分的形态、含量,吸附、
固定
等转化和迁移的规律;
有效养分的形态,
其形成过程及影响
p>
因素;
各种养分的生物有效性以及土壤肥力水平与植物营养的关
p>
系。
(
2) <
/p>
土壤肥力学:
即研究在农业耕作条件下,
施肥对土壤肥力演
变的影响,阐明维持和提高土壤肥力的农业措施与影响条件。
6.
肥料学及现代施肥技术
主要研究各类
肥料的理化性状和农
艺评价、在土壤中的行为、对植物的有效性;建立以有机、无机
p>
肥料合理分配为中心的轮作施肥制以及建立电子计算机作物施
肥决策
与咨询系统,推行定量化配方施肥新技术。
综上所述,
植物营养学是农业生物学中的一个重要分支。
它是一
< br>门与多种学科相互联系、
相互交叉和相互渗透的学科。
研
究植物
营养学的最终目的在于以植物营养特性为依据,
在土壤供
肥的基
础上,
通过施肥措施,
为植物提
供良好的营养环境,
在其他农业
技术措施的配合下,达到高产、
优质、高效的综合效果,并对环
12
境质量和土壤培肥做出应有的贡献。
二、植物营养学的主要研究方法
植物
营养学的发展常常要依赖于各种研究方法的应用。
植物营养
学研
究所采用的方法主要有生物田间试验法、
生物模拟法、
化学
p>
分析法、
生物数理统计法和核素技术法等。
在很多情况下,
还需
要把各种试验方法结合起来进行研究,才能
获得良好的结果。
(一)生物田间试验法
生物田间试验
是植物营养学科最基本的研究方法。
由于它是在田
间自然的土壤
、
气候条件下进行的生物试验,
最接近于生产条件,
能比较客观地反映农业实际,
因而它所得的结果对生产更有实际
和直接的指导意义。
田间试验有微区试验、
小区试
验和大田对比
试验等不同的方式。
研究者可根据研究的目的选择
。
应该强调的
是,
一切其他试验的结果
在应用于生产以前都应该经过田间试验
的检验。
但是,
农业生产受自然条件的影响很大,
在田间条件下
有许多因素难以控制。因此田间试验法必须与其他方法配合起
来,才能收到良好的效果,
使田间试验的结果更具有普遍意义。
(二)生物模拟法
生物模拟法是借助
盆钵、
培养盒
(
箱
)
等特殊的装置种植植物进行
植物营养的研究,
通常称为盆栽试验或培养试验。
盆栽试验与田
13
间试验不同,
它是在严格的人工
控制的条件下,
给予特定的营养
环境进行植物营养问题的研究。
它的优点是便于调控水、
肥、
气、
p>
热和光照等因素,
有利于开展单因子的研究。
这种方法是在田间
条件下难以进行的探索性试验。
一般来讲,
田间试验的主要任务
是鉴定各种肥料和施肥技术的效应大小,<
/p>
而生物模拟试验则侧重
于揭示产生这些效应的实质。
盆栽试验也可作为田间试验的深入
和补充。当发现田间试验结果中有值得进一
步深入探讨的问题
时,
即可布置补充试验,
通过盆栽试验探索各因子的作用,
以便
对田间试验结果的认
识进一步深化。
应该注意的是,
盆栽试验是
在特定条件下进行的,
因而盆栽试验的结果多用于阐明理论性的
问题,只有通过田间试验的进一步验证,才能应用于生产。
盆栽试验的种类很多,
常用的有:
土培法、
< br>砂培法和营养液培养
法等。
在研究特殊营养问题时,
p>
也可采用隔离培养、
流动培养和
灭菌培养等
方法。这常常需要根据试验目的选用不同的方法。
(三)化学分析法
化学分析法是研究
植物、
土壤、
肥料体系内营养物质的含量、
分
布与动态变化的必要手段。
化学分析方法常常需要和其他
的研究
方法结合起来进行研究。
例如,
通过对生物模拟试验或田间试验
所获样品的分析,
可了解研究对
象内部的变化规律和各阶段的状
况,从而帮助研究者了解研究过程中各种现象的本质。<
/p>
14
(四)数理统计法
在近代植物营养研
究中,
数理统计已成为指导试验设计、
检验试
< br>验数据资料不可缺少的手段和方法。数理统计以概率论为基础,
研究试验误差出现
的规律性,
从而确定了误差的估计方法,
帮助
< br>试验者评定试验结果的可靠性并能客观地认识试验资料,
合理地
< br>判断试验结果,做出正确的科学结论。
近些年来,
p>
计算机技术的应用为研究植物营养带来了方便,
它不
仅可进行大量数据的运算,
而且可进行试验的数学模拟,
建立数
学模型等。
(五)核素技术法
利用放射性和稳定
性同位素的示踪特性,
追踪它们的变化以揭示
物质运动的规律。
在植物营养学研究中,
应用核素技术可深入了
< br>解植物营养及其体内代谢的实质,
同时也为探索土壤、
植
物、
肥
料三者之间的复杂关系提供了新的手段。
在田间试验、
盆栽试验
及化学分析研究中应用核素技术
,可缩短试验进程,简化手续,
提高工作效率,解决一些其他方法难以深人研究的问题。
(
六
)
酶学诊断法
由于一些营养元素是酶的
组分,
或是酶的活化剂,
或是对酶结构
起稳定作用,
或有调节作用。
因此了解植物体内某种酶的活性变
15
化就可以反映出植物的营养状
况。利用这一技术研究植物营养,
被称为酶学诊断法。
酶学诊断法的主要优点是反应灵敏,
往往在植物尚未出现缺素症
状
(
即潜在缺素阶段
)
时,
就可测出酶活性的变化。
但这一
方法的
不足之处是专一性差。
因为,
酶
活性除受营养状况影响外,
还受
许多因素的影响。
此外,
酶活性变化与养分供应状况虽有正相关
关系,
但很难精确地反映出植物体内某一营养元素的实际水平。
例如,植物体内锌营养状况与碳
酸酐酶的活性有很好的正相关,
但由于植物体内的碳酸酐酶活性变化幅度很大,
而植物固定
CO2
并不需要很高的碳酸酐酶活性
。因此通过碳酸配酶活性的诊断,
并不能获得良好的结果。
<
/p>
此外,
调查研究也是植物营养研究工作的重要方法之一。
它是开
展研究工作的基础,尤其是在需要了解某一问题的历史和现状
p>
时,
进行调查研究往往是不可缺少的。
调查
研究包括查阅有关资
料,
召开调查座谈会和现场观察等。
在调查研究的基础上,
就可
进一步确定研究的
范围、主攻方向及具体的工作方案。
近十几年来,
研究植物营养的方法和技术有了很大的发展,
如示
踪技术、
X
光衍射、电子探针、电镜观察以及各种精密仪器,如
电超滤
(EUF)
仪、
等离子发射光谱仪
(ICP)
、
色谱仪、
流动分析仪
等的问世,使植物营养研究工作的手段有
了明显的提高和改善,
16
这无疑能加速植物营养学学科向纵深发展。
复习思考题
1.
< br>说明植物营养与合理施肥的关系以及施肥在农业生产中的地
位。
< br>
2.
就“植物矿质营养学说”、“养分归还学说”、
“最小养分
律”的意义加以评说。
3.
叙述土培法和营养液培养法在植物营养学科中的重要性及
适
用范围。
第二章
大量营养元素
第一节
植物的营养成分
一、植物的组成和必需营养元素的概念
要了解植物正常生长发育需要什么养分,
首先要知道植物体的养
分组成。新鲜植物体一般含水量为
70%-95%
,并因植物
的年龄、
部位、
器官不同而有差异。
叶
片含水量较多,
其中又以幼叶为最
高,茎秆含水量较低,种子中
则更低,有时只含
5%
。新鲜植物
经烘
烤后,
可获得干物质,
在干物质中含有无机和有机两类物质。<
/p>
干物质燃烧时,
有机物在燃烧过程中氧化而挥发,
余下的部分就
是灰分,
是无机态氧化物。
用化学方法测定得知,
植物灰分中至
17
少有几十种化学元素,
甚至地壳
岩石中所含的化学元素均能从灰
分中找到,
只是有些元素的数量
极少。
经生物试验证实,
植物体
内所含
的化学元素并非全部都是植物生长发育所必需的营养元
素。
人们
早就认识到,
植物体内某种营养元素的有无和含量高低
并不能作
为营养元素是否必需的标准。
因为,
植物不仅能吸收它
所必需的营养元素,
同时也会吸收一些它并不必需、
甚至可能是
有毒的元素。
因此,
确
定某种营养元素是否必需,
应该采取特殊
的研究方法,
即在不供给该元素的条件下进行营养液培养,
以观
察植物的反应,根据植物的反应来确定该元素是否必需。
1
939
年阿隆
(Arnon)
和斯托德
(Stout)
提出了确定必需营养元素
的
3
个标准:
(1)
这种化学元素对所有高等植物的生长发育是不可缺少的
。
缺
少这种元素植物就不能完成其生命周期。
< br>对高等植物来说,
即由
种子萌发到再结出种子的过程。<
/p>
(2)
缺乏这种元素后,
植物会表现出特有的症状,
而且其他任何
一种化学
元素均不能代替其作用,
只有补充这种元素后症状才能
减轻或消
失。
(3)
这种元素必须是直接参
与植物的新陈代谢,
对植物起直接的
营养作用,而不是改善环境
的间接作用。
符合这些标准的化学元素才能称为植物必需营养
元素,
其他的则
18
是非必需营养元素。
但在非必需营养元素中有一些元素,
对特定
植物的生长发育有益,
或为某些种类植物所必需,<
/p>
如黎科植物需
要钠;
豆科作物需要钻;<
/p>
蕨类植物和茶树需要铝;
硅藻和水稻都
需
要硅;
紫云英需要硒等。
只是限于目前的科学技术水平,
尚未
证实它们是否为高等植物普遍所必需。
所
以,
称这些元素为有益
元素。
要严格分清必需营养元素和非必需营养元素是相当困难的。
因为
植物的某些生理功能可由相关的两种元素相互代替,
当然这种代
替是暂时的、部分的,如
K+
和
Na+
,
Ca2+
和
Sr2+
;某些元素只
是在一定场合下需要,
另一场合就不一定必需,
如钼一般只是在
N03--N
为植物氮源时才需要,而在
NH4+-N
为氮源时,则并不一
定需要。由于分析技术,尤其是化学药品的纯化技
术不断改进,
有可能使许多植物体内含量极低的一些化学元素进人必需营养
元素的行列,也有可能再发现一些新的必需营养元素。
二、必需营养元索的种类和确定的年份
到目前为止,国内外公认的高等植物必需的营养元素有
16
种
。
它们是碳
(C)
、氢(
H
)、氧
(O
)、氮
(N
)、磷
(P)
、
钾
(K
)、钙
(Ca
< br>)、镁
(Mg)
、硫
(S
)、铁
(Fe
)、硼
(B
)、锰
(Mn)
、铜
(Cu)
、
锌
(Zn)
p>
、
钼
(
Mo)
p>
和氯
(Cl
)
。<
/p>
上述必需营养元素是经过较长时间、
陆续确定的。
19
氢和氧:
早在化学元素发现以前,
人们就知道水是植物必需的营
< br>养物质,而后来发现水是由氢和氧
2
种元素组成的。
p>
碳:
1800
年
由
Senebier
和
Saussur
e
确定为必需营养元素
氮:
1804
年
Saussure
< br>发现了植物对它的必需性。
磷、钾、镁、硫、钙:
p>
1839
年由
Sprengel
等人确定为植物的必
需营养元素。
铁:
1844
年
Cris<
/p>
在黄化的葡萄叶片上涂以铁盐溶液,使叶片转
绿;
1860
年
J.
Sachs
发现它是植物的必需营养元素。
< br>锰:
1922
年由
J. S.
McHargue
确定为必需营养元素。
硼:
1923
年
K. Warin
gton
在蚕豆试验中发现缺硼的典型症状,
接着
A.
和
C. B. Lipman(1926),
Brenchley(1927)
也
证实了硼的必需性。
锌
:1926
年<
/p>
A. L. Sommer fn C. B. Lipman
用
向日葵和大麦证
明了锌是植物所必需的营养元素。
铜
:1931
年
C.
B. Lipman
及
G. Mackinney
等在番茄上证明了植
物对它的必需性。
钼:
1939
年由
D.
1. Arnon
和
P. R.
Stout
证明它是一种必需
20
的营养元素。
氯:
< br>1954
年由
T. C. Broyer
等人证明,它是高等植物所必需的
营养元素。
第二节
碳、氢、氧
碳、
氢、
氧是植物有机体的主要组分。
碳是构成有机物骨架的基
础。碳与氢、氧可形成多种多样的碳水化合物,如木质素、纤维
素、
半纤维素和果胶质等,
这些物质是细胞壁的重要组分,
p>
而细
胞壁是支撑植物体的骨架;
碳、
氢、
氧还可构成植物体内各种生
活活性物质,
如某些维生素和植物激素等,
它们都是体内正常代
谢活动所必需的;
此外,
它们也是糖、
脂肪、
酚类化合物的组分,
其中以糖最为重要。
p>
糖类是合成植物体内许多重要有机化合物如
蛋白质和核酸等的基本原
料。
植物生活中需要的能量必须通过碳
水化合物在代谢过程中转
化而释放。
碳水化合物不仅构成植物永
久的骨架,
而且也是植物临时储藏的食物或是积极参与体内的物
质代谢活动
(包括各种无机盐类的吸收、
合成、
分解和运输等)
,
并在相互转化中,
形成种类繁多的物
质。
由此可见,
碳水化合物
是植物营养
的核心物质。
一、碳
(一)碳的营养功能
碳、
氢、
氧作为植物的必需营养元素,
它们积极参与体
内的代谢
21
活动。首先始于植物
光合作用对
CO2
的同化。碳、氢、氧以
CO2
和
H2O
的形式参与有机物的
合成,
并使太阳能转变为化学能。
它
们
是光合作用必不可少的原料。
陆生植物光合作用所需的
CO2
主要取自空气,
空气中的
CO2
的含
量约为
0.03
%
。从植物光合作用的需要量来看,这一数值是比较
低的。
p>
然而,
空气的流动能使
CO2
得到一定数量的补充。
有资料
报道,若使
CO2
浓度提高到
0.1%
,就能明显提高光合强度并增
加作物产量。
不过浓度过高对植
物也不利。
如浓度超过
0.1%
时,
光合强度不仅不能提高,
反而会产生不良影响。
如
CO2
能促进叶
片中淀粉的
积累,易产生叶片卷曲现象,影响叶片的光合作用。
一般来说,
CO2
浓度降低,光合作用的速率则急剧减慢。在植物
生长茂盛
、叶片密集的群体内,
CO2
浓度往往会降低到
0.02%
,
并大大限制了光合作用。
此时,
使用
CO2
肥料即可获
得显著的增
产效果;对于要求
CO2
浓
度较高的
C3
植物,其效果更加明显,
生长期内表现为干物质可能成倍增加,收获时产量能提高几成。
(二)补充碳素养分的重要性
在温室
和塑料大棚栽培中,
增施
CO2
肥料是
不可忽视的一项增产
技术,
尤其是设施栽培采用无土栽培技术时
,
更是如此。
由于温
室或塑料大棚栽培
中,
植物所需的
CO2
只能靠通气、<
/p>
换气时,
由
室外流入的空气中得到补充,
而在冬、
春季为了保温,
温室内经
p>
常通气不足,
CO2
浓度常低于
0.03%
。生产实践中证明,使温室
22
内
CO2
浓度提高到
0.1%
时,只要其他生长因素配合得好,能使<
/p>
净光合率增加
50%
,产量提高
20%-40%
。可见,增施
CO2
肥料是
一项重要的技术措施。
温室中增加
CO2
浓度可采用液化
CO2
< br>或固
体
CO2
(干冰),燃烧石
蜡、天然气、丙烷或白煤油等碳氢化合
物的方法加以补充。
北京
市丰台区农科所在菜农中推广碳酸氢按
肥料加浓硫酸的方法补充
CO2
的不足,
效果也很明显。
但必须
注
意,
CO2
浓度应控制在
0.1%
以下为好。
二、氢
(一)氢的营养功能
氢不仅经常与碳
和氧结合构成许多重要有机化合物,
同时它还有
许多极其不寻常
的功能。
由静电吸引所形成的氢键比其他化学键
的结合力弱,<
/p>
具有明显的弹性、
易分易合的特点。
在许
多重要生
命物质的结构中氢键占有重要地位,
例如在蛋白质和酶
中,
其多
肽链的折叠、
卷曲和交联,<
/p>
使之变成复杂的空间结构,
而具有各
种奇
特的功能。
这种空间结构的形成,
氢键起很大的作用。
又如,
作为遗传物质的
DNA
< br>,
是由两条相当长的多核昔酸以双螺旋形式
相互盘卷而成
的,
而这种盘卷结构正是通过碱基之间所形成的氢
键来实现的。
由于氢键的易分易合性,
特别有利于
D
NA
的复制和
转录。
氢和氧所形成的水,
在植物体内有非常重要的作用。
当
水分充满
23
细胞时,
能使叶片与幼嫩部分挺展,
使细胞原生质膨润,
膜
与酶
等保持稳定,
生化反应得以正常进行。
水是植物体内的一切生化
反应的最好介质,也是许多生化反应的参加者。
水是植物中氢的基本来源。
它可自发电离产生质
子,
使细胞内质
子维持在一定水平上,
同时它的活性受许多因素的调节。
水是最
大而最安全的质子
p>
(H+
)库,水微弱解离产生的质子(
H+
)源源
不断地供给植物细胞中某些生化反应的需要,但又不大量
产生
H+
使细胞酸化。植物许多重要的生化反应都需要
H+
。例如,
H+
在光
合和呼吸过程中是维持膜内外
H+
梯度所必需。在光合作用
p>
中,当
CO
:还原为糖时,呼吸作用把有机
物分解并放出能量,
H+
对能量代谢有重要作用。可见,光合作
用和呼吸作用都需要
H+
与电子受体结合形成还原性物质。
p>
氢在氧化还原反应中作为还
原剂,参与
NA
DP
还原过程。质子在光合磷酸化中起着重要的作
用。此外,<
/p>
H+
还是保持细胞内离子平衡和稳定
pH
值所必需。
由氢产生的质子不仅可直
接作为许多代谢反应的底物或产物,
而
且在调节酶促反应、
p>
膜运输以及其他调节系统
(如第二信使)
活
性方面都有重要作用。
此外,
质子还联
络着细胞内各个分室,
在
胞间运输中发挥重要职能。
在很多情况下,
氢的重要作用是通过水分体现的
。
因此,
以往人
们只认识到水分对植物
的重要性,
而不认识其中也包含着氢对植
24
物所作的贡献。
(二)
H+
过多对植物的危害
不适宜的氢离子浓度,
不仅直接伤害细胞原生质的组分,<
/p>
而且还
通过其他方面间接影响植物的生长发育。
< br>例如,
直接影响根系对
营养元素的吸收,
降低环境中营养元素的有效性,
使环境中有毒
物质的浓
度增加等等。
pH
值变化对植物的生长发育也十分密切。
有资料报道,休眠的菊芋其块茎汁液和胞浆的
pH
值都比非休眠
状态的高出
0.4
个
pH
单位。
pH
值下降将有助于促进养分释放,
供给生长点萌发;而
pH
p>
值上升时,薄壁细胞能主动积累养分,
使养分从生长点转移出来,造
成休眠的条件。
植物细胞内许多重要的生活物质,如酶、蛋白
质等,对
pH
值的
改变都很敏感,
p>
有的会引起物质的破坏或变性,
有的会改变生化
反应的方向。
例如,
细胞质酸化会引起
CO2
暗固定的增加。
因为
液泡膜
两侧
pH
值的变化促进了苹果酸向液泡运输,降低了胞浆
中苹果酸的浓度,从而能提高
PEP
羧化酶的
活性。
细胞液酸化会引起胞液酶发生定位错误。
pH
值降低对酶的活性
也有明显的影响。一般来讲,
胞内
pH
值可以影响酶的反应基团
及其
作用底物的电离状态,从而直接影响酶的活性此外,
pH
值
p>
也可通过其他机制影响酶的活性。在植物生长过程中,以
CO2
p>
为
C
源、以
NH4
+
、
NH3
、
N2
或
CO(NH2)2
为氮源时,氧
化代谢是
25
过量
H+
生成的主要原因。
植物
细胞原生质膜上的
H+-ATP
酶能将细胞代谢过程中产生的过
量质子排出膜外。因此,人们普遍认为
H+-ATP
酶在调节细胞质
pH
值中起主要作用。
近
30
多年来,氢酶在
豆科作物固氮过程中的作用引起了人们浓
厚的兴趣。
不少人对氢
酶也进行了研究。
固氮微生物中有三类能
催化氢代谢的酶:固氮
酶、可逆性氢酶和吸氢酶
(
即单向氢酶
)
。
它们三者之间有明显不同的生理生化特性。固氮酶能催化<
/p>
H+
还
原成
H2
。从各种生物中分离出的固氮酶均能催化放
H2
,反应过
程中需要
ATP
及<
/p>
Fd
,不受
Co
的抑制。可逆性氢酶可催化
H+
与
H2
之间的可逆反应,反应不需要
ATP
,
但受
Co
的抑制。吸氢酶
只能催化
p>
H2
的氧化,主要是羧化反应。其反应是单向的,其产
物是
H2O
,并有
ATP<
/p>
产生。在没有
O2
作为末端电子受体时,
也
能还原某些其他底物。其活性受
Co
的抑制。
可逆性氢酶催化放
H2
p>
,可除去过剩的还原力,以保证细胞生理
活动的正常进行。
氢化酶吸
H
:
的羧化反
应中,
可为细胞提供
ATP
和还原力<
/p>
(NADH
和
NADPH)
,
从而有利于固氮作用,
同时也有利于
固定二氧化碳并还原成糖类。
NADH
和
NADPH
是固氮作用还原力的重要提供者,它
们可由糖酵
解反应生成,或由
6-P-
葡萄糖、苹果酸、异柠檬酸等有氧代谢
26
的中间产物与其相应的脱氢酶反应而产生。
< br>从理论上分析,
H2
的再循环利用确实有助于增强固氮作
用和提
高作物产量,
但是要在实践中取得明显的效果,
还要注意其他各
种条件的配合,特别是植株的特性和生长条件。
第三节
氮
一、值物体内氮的含量与分布
p>
植物需要多种营养元素,
而氮素尤为重要。
从世界范围看,
在所
有必需营养元素中,氮是限制植物生长和形
成产量的首要因素。
它对改善产品品质也有明显作用。
一般植物含氮量约占作物体干重的
0.3%-5%
,
而含量的多少与作
物种类、器官、发育阶段有关。
豆科作物含有丰富的蛋白质,
含氮量也高。
按干重计算,
大豆植
株中含氮
2.49%
、紫云英植株含氮
2.25%
;而禾本科作物一般含
氮量较低,大多在
1%
左右。作物种类不同含氮量也不相同,如
玉米含氮常高于小麦,
而小麦又高于水稻。
即使是相同种类的作
物也常因不同品种,其含氮量有明显差异。
植物体内氮素主
要存在于蛋白质和叶绿素中。
因此,
幼嫩器官和
种子中含氮量较高,
而茎秆含量较低,
尤其是老熟的茎
秆含氮量
更低。
如小麦子粒含氮
2.0
%-2.5%
,
而茎秆仅含
0.5%<
/p>
左右;
豆科
27
作物子粒含氮
4.5%-5%<
/p>
,而茎秆仅含
1%-1.4%
。玉米也有
相同的
趋势:叶片含氮
2.0%
,子粒
1.5%
,茎秆
0.7%
,包叶最少,只有
0.4%
。
同一作物的不同生育时期,
含氮量也不相同。
如水稻,
分蘖期含
氮量明显高于苗期,
通常分孽盛期含量达最高峰,
其后随生育期
推移而逐
渐下降。
在各生育期中,
作物体内氮素的分布在不断变
化。在营养生长阶段,氮素大部分集中在茎叶等幼嫩的器官中;
当转入生
殖生长时期以后,茎叶中的氮素就逐步向子粒、果实、
块根或块茎等储藏器官中转移;成
熟时,大约有
70
%的氮素已
转入种子
、果实、块根或块茎等储藏器官中。
应该指出,
作物体内氮素的含量与分布明显受施氮水平和施氮时
期的影响。
随施氮量的增加,
作物各器官中氮的含量均有明显提
高。
通常是营养器官的含量变化大,
生殖器官则变动较小;
p>
但生
长后期施用氮肥,则表现为生殖器官中含氮量明显上升。
二、氮的营养功能
氮是作物体内许多重要有机化合物的组分,例如蛋白质、核酸、
叶绿素、酶、维生素、
生物碱和一些激素等都含有氮素。氮素也
是遗传物质的基础。
在
所有生物体内,
蛋白质最为重要,
它常处
于代谢活动的中心地位。
28
(一)蛋白质的重要组分
蛋白质是构
成原生质的基础物质,
蛋白态氮通常可占植株全氮的
80%~8
5%
,蛋白质中平均含氮
16%~18%
。在作物生长发育过程中,
细胞的增长和分裂以及新细胞的形成都必须有蛋白质参与。
缺氮
时因新细胞形成受阻而导致植物生长发育缓慢,
甚至出现生长停
滞。
蛋白质的重要性还在于它是生
物体生命存在的形式。
一切动、
植物的生命都处于蛋白质不断合
成和分解的过程之中,
正是在这
不断合成和不断分解的动态变化
中才有生命存在。如果没有氮
素,
就没有蛋白质,
也就没有了生命。
氮素是一切有机体不可缺
少的元素
,所以它被称为生命元素。
(二)核酸和核蛋白的成分
核酸也是
植物生长发育和生命活动的基础物质,核酸中含氮
15%-16%
。无论是在核糖核酸
(RNA)
或是在脱氧核糖核酸
(DNA)
中
都含有氮素。
核酸在细胞内通常与蛋白质结合,
以核蛋白的形式
存在。核
酸和核蛋白大量存在于细胞核和植物顶端分生组织中。
信息核糖核酸
(mRNA)
是合成蛋白质的模板,
DNA
是决定作物生物
学特性的遗传物质,
DNA
和
RNA
是遗传信息的传递者。核酸和核
蛋白在植物生活和遗传变异过程中有特殊作用。
核酸态氮约占植
株全氮的
10%
左右。
(三)叶绿素的组分元素
29
众所周知,绿色植物有赖于叶绿素进行光合作用,而叶绿
素
a
和叶绿素
b
中都含有氮素。据测定,叶绿体占叶片干重的
20%-30%
,而叶绿体中含蛋白质
45%-60%
。叶绿素是植物进行光<
/p>
合作用的场所。
实践证明,
叶绿素的含量
往往直接影响着光合作
用的速率和光合产物的形成。
当植物缺氮
时,
体内叶绿素含量下
降,叶片黄化,光合作用强度减弱,光合
产物减少,从而使作物
产量明显降低。
绿色植物生长和发育过程
中没有氮素参与是不可
想象的。
(四)许多酶的组分
酶本身就是蛋白
质,是体内生化作用和代谢过程中的生物催化
剂。
植物体内许多
生物化学反应的方向和速度都是由酶系统控制
的。
通常,
各代谢过程中的生物化学反应都必须有一个或几个相
应的酶参加。
p>
缺少相应的酶,
代谢过程就很难顺利进行。
氮素常
通过酶间接影响着植物的生长和发育。
所以,
氮素供应状况关系
到作物体内各种物质及能量的转化过程。
此外,
氮素还是一些维生素
(
如维生素
B
、
维生素
B2
、
维生素
B6
、
维生素
PP
等
)
的组分,
而生物碱<
/p>
(
如烟碱、
茶碱、
胆碱等
)
和植物
激素
(
如细胞分裂素、
赤霉素等
)
也都含有氮。
这些含氮化合物在
植物体
内含量虽不多,
但对于调节某些生理过程却很重要。
例如
维生素
PP
,它包括烟酸、烟酸胺,都含有杂
环氮的吡啶,吡啶
是生物体内辅酶
I
和
辅酶
II
的组分,而辅酶又是多种脱氢酶所
30
必需。
又如细胞分裂素,
它是一种含氮的环状化合物,
可促进植
株侧芽发生和增加禾本科作物的分蘖,并能调节胚乳细胞的形
成,
有明显增加粒重的作用;
而增施氮肥则可促进细胞分裂素的
合
成
(
表
2-2)
,因为细胞分裂素的形成需要氨基酸。此外,细胞
分裂素还可以促进蛋白质合成,
p>
防止叶绿素分解,
长期保持绿色,
延缓和防
止植物器官衰老,延长蔬菜和水果的保鲜期。
表
2-2
供氮对马铃薯伤流液中细胞分裂素含量的影响
天数
/d
0
3
6
细胞分裂素含量/μmol
连续供氮
196
420
561
连续不供氮
196
26
17
处理苗龄
30d
。
总之,
氮对植物生命活动以及作物产量和品质均有极其重要的作
用。合理施用氮肥
是获得作物高产的有效措施。
第四节
磷
磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一,
它既是植物体内许
多重要有机化合物的组分,
同时又以
多种方式参与植物体内各种
代谢过程。磷对作物高产及保持品种的优良特性有明显作用。
一、植物体内磷的含量与分布
p>
植物体的含磷量相差很大,约为干物重的
0.2%
< br>~
1.1%
,而大多
31
数作物的含量在
0.3%
~
0.4%
,其中大部分是有机态磷,约占全
磷量的
85%
,而无机态磷仅占
15%
左右。
有机态磷主要以核酸、
磷脂和植素等形态存在;
无机态磷主要以钙、
镁
、
钾的磷酸盐
(Pi)
形态存在,
p>
它们在植物体内均有重要作用。
幼叶中有机态磷含量
较高,而老叶中则含无机态磷较多。虽然植物体内
Pi
所占比例
不高,
但从它的含量变化能反映出植株磷营养的状况。
植物缺磷
时,常表现出组织
(
尤其是营养器官
)
中
P
i
的含量明显下降,而
有机态磷含量变化较小。
作物种类不同,
含磷量也有差异,
且因
作物生育期和器官不同而有变动。
一般的规律是:
油料
作物含磷
量高于豆科作物,
豆科作物高于谷类作物;
生育前期的幼苗含磷
量高于后期老熟的秸秆;
就器
官来说,
则表现为幼嫩器官中的含
磷量高于衰老器官,
繁殖器官高于营养器官;
种子高于叶片,
叶
p>
片高于根系,
根系高于茎秆;
纤维中含磷量
最少。
植物含磷量常
受土壤磷水平的影响,
当土壤有效磷含量高时,
植物的含磷量也
略高于缺磷的土壤
。
磷在细胞及植物组织内的分布有明显的区域化现象。
植物细胞及
组织内复杂的膜系统,
将细胞和组
织分隔成不同的区域。
在不同
区域内磷存在的形式不同,
而且各有特色。
一般来讲,
大部分无
机态磷
(Pi)
在液泡中,只有一小部分存在于
细胞质和细胞器内。
Raven(1974)
研究了巨藻吸磷数
量与细胞质及液泡中无机磷变化
的关系。他发现,磷脂只存在于细胞质中,而约
10%
的无机态磷
在细胞质内,而
90%
则存在于液泡中,而且液泡中磷的数量随巨
32
藻吸磷时间的延长而不断地增加
(
图
2-4)
。
Loughman (1984)
的试验进一步证实了
p>
Raven
的试验结果他也发
现玉米根尖细
胞中,
90%
的无机态磷存在于液泡内,其余的
10%
则存在于细胞质中,而且磷进入细胞质后很快就参与磷脂的合
成。
现已证明,
在高等植物具有液泡的细胞中存在
两种主要的磷
酸盐代谢库。
在以细胞质为代表的代谢库中,
p>
磷酸酯占优势,
而
在液泡为代表的非代谢库
中,
Pi
是主要组分。液泡是细胞中磷
的储存库,
而细胞质则是磷的代谢库。
从图
2-4
可以看出细胞内
磷的分布状况:细胞质含磷稳定,液
泡中磷的含量易变动。
Rebeill
等的报道说明,在供磷适
宜的植株中,
85%
~
95%
的
Pi
存在于液泡中;中断供磷时,液泡中
p>
Pi
的浓度迅速下降,而胞
液
(
代谢区
)
中
Pi
的浓度却变动不大,仅仅从
6
mmol·L
-1
降到
3
mmol·L
-1
左右。植物缺磷时,其生长状况
受液泡释放磷酸盐
速率的控制。
由于液泡释放
< br>Pi
的速率往往很慢,
当中断供磷时,
< br>植物的生长很快就会受到抑制。
尽管植物细胞中的含磷
化合物存在着分隔现象,
但是植物各部位
和不同组分的磷又是可
以相互转化、
相互调剂的。
磷进入细胞以
后,一部分用于合成磷脂、
DNA
和
RNA
;一部分用于合成
ATP
;
p>
其余部分以
Pi
形态存在于细胞质中。如果
植物的吸磷量高于上
述需求时,细胞质中的
Pi
即可转移进入液泡储存起来。当然,
多余的
Pi
也可运往其他部位被利用。当细胞对磷的需求大于磷
33
的吸收时,
则会出现液泡中储存
的磷向细胞中转移,
或是使其他
组织中的磷通过韧皮部再分配进
入需磷的细胞。
因此,
当植物缺
磷时,
营养器官中的无机态磷和果实中的植素态磷含量明显下
降,
而代
谢和生长所必需的核酸、
磷脂的含量则保持相对稳定
(
表
2-6)
。
表
2-6
供磷
(P)
对菠菜叶片和燕麦种子中各种形态磷含量的影
响
%
供磷
不充足
充足
不充足
充足
磷脂
1.1
1.1
0.22
0.22
核酸
菠菜叶片
0.9
0.9
燕麦种子
2.1
2.4
植素态磷
-
-
0.05
0.5
无机态磷
2.2
18.0
0.5
1.3
Michael, 1939; Hartt,
1972.
从上述资料中可以看出,
对菠菜供磷不足时,<
/p>
叶片中无机态磷含
量明显下降,
但各种有
机态磷组分却没有变化;
而燕麦子粒除植
素态磷发生变化外
p>
(
因植素是种子中磷的储藏形态
)
,
也表现出与
菠菜相同的趋势。
表
2-6
的资料还表明,
营养
器官中的磷多以无
机态磷存在;而子粒中则是以植素态磷存在。
由于植物体内
Pi
含量的变化与供磷水
平有密切关系,因此可通
过测定植物某一部位中
Pi
的含量来判断其磷营养的状况。
用
32P
进行的试验表明,
磷在植物体内的分布和运转
与植物的代
34
谢和生长中心转移
有密切关系。
磷多分布在含核蛋白较多的新芽
和根尖等生长点中
,
并常向生长发育旺盛的幼嫩组织中转移,
并
< br>表现出明显的顶端优势,
即每当作物形成更幼嫩的组织时,
磷就
向新生的组织中运转。
当作物成熟时,
< br>大部分磷酸盐则向种子或
果实中运输。在植物体内,磷是运转和分配能力很强的元
素。
植物体中磷的分布明显受供磷水平的影响。
当植株缺磷时,
根保
留其所吸收的大部分磷,
地上部发育所需的磷主要靠茎叶中磷的
再利用
;供磷适宜的植株内,根只保留其所吸收磷的一小部分,
大部分磷则运往地上部,
在生殖器官发育时,
茎叶中的大部分磷
可再利
用;
供磷水平高时,
根吸收的磷大部分在茎叶中积累,
直
到植株衰老时,大部分磷仍保留在茎叶中。
二、钾的营养功能
钾有高速度透过生
物膜,
且与酶促反应关系密切的特点。
钾不仅在生物物理和生<
/p>
物化学方面有重要作用,而且对体内同化产物的运输和能量转变也有促进作用。
(
一
)
促进光合作用,提高
CO
2
的同化率
1.
钾能促进叶绿素的合成
试验证明,<
/p>
供钾充足时,
莴苣、
甜菜和菠菜叶片中叶
绿素含量均有提高。
2.
钾能改善叶绿体的结构
缺钾时,
p>
叶绿体的结构易出现片层松弛而影响电子的
传递和
< br>CO
2
的同化。因为
CO
2
的同化受电子传递速率的影响,而钾在叶绿体内不
< br>仅能促进电子在类囊体膜上的传递,
还能促进线粒体内膜上电子的传递。
电子传
递速率提高后,
ATP
< br>合成的数量也明显增加。试验证明,体内含钾量高的植物,
在单位时间内叶绿体合
成的
ATP
比含钾量低的植物大约要多
50%
左右
(
表
2-13)
。
35
表
2-13
< br>钾对叶绿体中
ATP
合成的影响
ATP
的数量/μmol·g
-1
p>
叶
绿素·h
-1
216
143
295
185
102
68
作物
蚕豆
干物质
中
K
2
O/%
充足
缺乏
充足
缺乏
充足
缺乏
3.70
1.00
5.53
1.14
4.70
1.60
菠菜
向日葵
Pfuger
和
Mengel
,
1972
。
3.
钾能促进叶片对
CO
2
的同化
一方面由于钾
提高了
ATP
的数量,为
CO
2
的同化
提供了能量;另一方面是因为钾能降低
叶内组织对
CO
2
的阻抗,因而能明显
提高
叶片对
CO
2
的同化。
可以说,在
CO
2
同化的整个过程中都需要有钾参加。用菠菜的叶绿体做试验时发
p>
现,施钾提高了
CO
2
同化的速率。改善钾营养不仅能促进
CO
2
的同化,而且能促
进植物在
CO
2
浓度较低的条件下进行光合作用,使植物更有效地利用太阳能。
(
二
)
促进光合作用产物的运输
钾能促进光合作用产物向储藏器官运
输,
增加“库”的储存量。
特别应该指出的
是,
对于没有光合作用功能的器官来说,
它们的生长及养分
的储存,
主要靠同化
产物从地上部向根或果实中运转。
这一过程包括蔗糖由叶肉细胞扩散到组织细胞
内,
然后被泵入韧皮部,
并在韧皮部筛管中运输。
钾在此运输过程
中有重要作用。
Giaquinta
曾用韧皮部负载的模式解释这一现象。他的试验表明,糖进入筛管取
决于氢离子浓度。<
/p>
Malet
和
Barber
则进一步指出,糖的运输不仅取决于氢离子
浓度,而且和钾离子有关。
p>
Giaquinta
认为,筛管膜上有
AT
P
酶,钾离子能活化
ATP
酶,使
p>
ATP
酶分解并释放出能量,从而使氢离子由细胞质泵入质外体,由
此
而产生
pH
梯度
(pH
值由
8.5
降到
5.5)
,膜外的钾离子则与氢离子交换而进入膜
内。
酸度的变化会引起质膜中载体蛋白质发生变构,
使蛋白质载
体与氢离子束缚
在一起,
并把蔗糖运至韧皮部。
此时氢离子浓度梯度降低。
为了维持膜内外氢离
36
子的浓度梯度,
蔗糖的运输能继
续进行,
氢离子又再次进入质外体,
蔗糖运输又
可顺利地连续进行
(
图
2-1
1)
。
在
不同钾营养条件下
Hartt
曾用
14
C
喂饲甘蔗叶,经
90
min
,测定叶片中光合产
物分布的情况。结果表明
,钾有助于光合产物从叶片中迅速转移出去
(
表
2-14)
。
Mengel
和
Vine (1977
)
的试验表明,钾对番茄单株或每克鲜重的
14
C
含量影响不
大,而钾主要是影响光合产物向储存器官
的运输
(
表
2-15)
。
表
2-14
钾对甘蔗中
14
C
光合产
物运输的影响
%
占中标记物的
%
无钾
95.4
3.9
0.6
0.1
0.04
14
C
涂抹部位
标记叶的叶片
标记叶的叶鞘
标记叶的节
标记叶上部的叶和节
标记叶节以下的茎
*
总标记物为
100%(Hartt,
1970).
有钾
54.3
14.3
9.7
1.9
20.1
表
2-15
钾对
14
C
的同化以及对同
化产物在番茄各器官中分配率的影响
叶片干物重中的含钾量
低钾
2.2%
高钾
4.1%
37
每株每分钟脉冲数
/cpm
每克鲜重每分钟脉冲数
/cpm
标记同化物在器官中的分配率
/%
叶片
果实
茎
根
p>
Mengel
和
Vine
< br>,
1977
。
12.3
×
10
-7
1.1
×
10
-5
52.7
6.0
37.7
3.7
11.1
×
10
-7
1.2
×
10
-5
49.6
15.2
32.6
2.6
由上可见,钾对调节“源”和“库”相互关系有良好的作用。
第三章
中量营养元素
第一节
钙
一、植物体内钙的含量与分布
植物体内钙的含量为
0.1%
~
5%
。
不同植物种
类、部位和器官的含钙量变幅很大。通常,双子叶植物含钙量
较高,而单子叶植物含钙量
较低;根部含钙量较少,而地上部较多;茎叶
(
特别是老叶
p>
)
含钙量较多,果实、子
粒中含钙量较少。
在植物细胞中,钙大部分存在于细胞壁上。细胞内和细胞间钙的分布情况如图
3-1
p>
。
细胞内含钙
量较高的区域是中胶层和质膜外表面;细胞器中,钙主要分布在液泡中,细胞质内较少。植物
体的含钙量受植物的遗传特性影响很大,而受介质中钙供应量的影响却较小。
38
二、钙的营养功能
(
一
)
稳定细胞膜
钙能稳定生物膜结构,保
持细胞的完整性。其作用机理主要是依靠它把生物膜表面的磷酸盐、磷酸酯与蛋
白质的羧
基桥接起来。
其他阳离子虽然能从这一结合位点上取代钙,
但却
不能代替钙在稳定细胞膜结构方面的
作用
(
图
3-2)
。
< br>由图
3-2
可以看出,钙与细胞膜表面磷脂和蛋白质的负
电荷相结合,提高了细胞膜的稳定性和疏水性,并能增
加细胞膜对
K
、
Na
和
Mg
等离子吸收的选择性。缺钙时膜的选择性吸收能力下降。
钙对生物膜结构的稳定作用在植物对离子的选择性吸收、生长、衰老、信息传递以及植物
的抗逆性等方面有着
重要的作用。概括起来有以下
4
个方面:
+
+
2+
1.
有助于生物膜有选择性地吸收离子
缺
钙时,植物根细胞原生质膜的稳定性降低,透性增加,致使低分子量
有机化合物和无机离
子外渗增多。严重缺钙时,原生质膜结构彻底解体,丧失对离子吸收的选择性。用
EDT
A
处理细胞膜,膜上的
Ca
2+
与
EDTA
形成鳌合物,使细胞膜透性明显增
加,导致细胞质中的溶质大量外渗,主动
吸收能力明显下降。
2.
能增强植物对环境胁迫的抗逆能力
如
果原生质膜上的
Ca
2+
被重金属离子
或质子所取代,就会发生细胞质外
渗,选择性吸收能力下降的现象。增加介质的
Ca
2+
浓度可提高离子吸收的选择性,并减少
溶质外渗。因此,施
39
钙可以减
轻重金属或酸性对植物造成的毒害作用。施钙还可增强植物对盐害、寒害、干旱、热害和病虫害等胁
迫的抗性。
3.
可防止植物早衰
早衰的典型症状与植
物的缺钙症状极其相似,如玉米早衰时,细胞分隔化作用破坏,呼吸
作用增强,液泡中的
物质向细胞质中渗漏等。施钙可以明显延缓玉米叶片的衰老过程。在果实成熟过程中,植
物的衰老与乙烯的产生密切相关,
而
Ca
2+
可通过对细胞膜透性的调节作用减弱乙烯的生物合成作用,
延缓衰老。
4.
能提高作物品质
在果实发育过程中,
供应充足的钙有利于干物质的积累;成熟果实中的含钙量较高时,可
有效地防止采收后储
藏过程中出现的腐烂现象,延长储藏期,增加水果保藏品质。
(
二
)
稳固细胞壁
植物中绝大部分钙以构成
细胞壁果胶质的结构成分存在于细胞壁中。在阳离子交换量较大的双子叶植物
中,当供<
/p>
Ca
2+
水平较低时,大约占全钙量
p>
50%
的
Ca
2+
与果胶酸盐结合。在苹果果实的储藏组织中,结合在细胞
壁上的
钙可高达总钙量的
90%
。由于细胞壁中有丰富的
Ca
2+
结合位点,
Ca<
/p>
2+
的跨质膜运输受到限制,几乎完全依
赖于质外体运输,所以在发育健全的植物细胞中,
Ca
2+
p>
主要分布在中胶层和原生质膜的外侧,这一方面可增强
细胞壁结构和
细胞间的粘结作用
(
图
3-3)
;另一方面则对膜的透性和有关的生理生化过程起着调节作用。应用
光
学和电子显微镜进行植物组织观察发现,缺钙使苹果的细胞壁解体,细胞壁和中胶层变软,随后使细胞壁解
体并出现粉斑症
(mealiness)
、细
胞破裂出现水心病和腐心病;缺钙降低了细胞壁的硬度,从而降低了细胞对
真菌如
gloeosporium
rot
的侵染的抵抗力,导致裂果。
40
第二节
镁
一、植物体内镁的含量与分布
p>
植物体内镁的含量为
0.05%
~
0.7%
。
不同植物的含镁量各异,
豆科植物地上部分镁的含量是禾本科植物的
2
~<
/p>
3
倍。
镁在植物器官和组织中的含量不仅
受植物种类和品种的影响,
而且受植物生育时期和许多生态条件的影响。
一般来说,种子含镁较多,茎、叶次之,而根系较少;作物生长初期,镁大多存在于叶片中,到了结实期
,则
转移到种子中,
以植酸盐的形态储存。
玉米子粒中的镁含量约占体内镁全量的
34%
,
玉米芯占
6%
,
叶片占<
/p>
32%
,
茎占
2
1%
,而根中只有
7%
。植物不同器官
中镁的含量受镁肥施用量的影响较大。甜玉米施用
134
kg
·hm
-2
的镁
肥不仅可增产
33%
,而且子粒和叶片中的镁含量分别增加了
33%
和
161%
。相同处理的菜豆虽
未增产,但豆荚和
叶片的镁含量也分别增加了
31%
和
141%
。
Grimm
e
发现,当镁的供应量较少时,它首先累积在子粒中,而且生
殖
器官能优先得到镁的供应。当镁供应充分时,镁首先累积在营养体中,此时,营养体成为镁的储存库。由于
镁在韧皮部中的移动性强,储存在营养体或其他器官中的镁可以被重新分配和再利用。
在正常生长的植物成熟叶片中,大约有
10%
的镁结合在叶绿素
a
和叶绿素
b
中,
75%
的镁结合
在核糖体中,
其余的
15%
或呈游离态
或结合在各种镁可活化的酶或细胞的阳离子结合部位
(
如蛋白质
的各种配位基团、有机
酸、氨基酸和细胞质外体空间的阳离子交换部位
< br>)
上。植物叶片中的镁含量低于
0.2%
时则可能出现缺镁。
二、镁的营养功能
(
一
)
叶绿素合成及光合作用
镁的主要功能
是作为叶绿素
a
和叶绿素
b
卟啉环的中心原子
(
图
3
-5)
,在叶绿素合成和光合作用中起重要
作用。
41
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