Процесс присоединения воды к различным ионам, молекулам. Поглощение и утилизация минеральных элементов Адаптация к дефициту воды
Роль натрия в жизни растений
Натрий регулирует транспорт углеводов в растении. Хорошая обеспеченность растений натрием повышает их зимостойкость. При его недостатке замедляется образование хлорофилла.
В организме животного содержится примерно 0,1% натрия (по массе).
Натрий распределяется по всему организму. В организме человека натрий содержится в эритроцитах, сыворотке крови, пищеварительных соках, мышцах, во всех внутренних органах, коже. 40% натрия находится в костной ткани.
Совместно с калием натрий создает
трансмембранный потенциал клетки и обеспечивает
возбудимость клеточной мембраны. Входит также в
состав натрий-калиевого насоса, особого белка
(порового комплекса), пронизывающего всю толщу
мембраны. Внеклеточная концентрация ионов Na +
всегда выше, чем внутриклеточная, за счет чего
градиент концентрации этих ионов направлен
внутрь клетки, обеспечивая активный транспорт
веществ в клетку. Натрий поддерживает
кислотно-щелочной баланс в
организме, регулирует кровяное давление,
функ-ционирование нервов и мышц, поглощение
глюкозы клетками, образование гликогена, синтез
белков, влияет на состояние слизистых оболочек
жизненно важных органов пищеварительного
тракта. Обмен натрия находится под контролем
щитовидной же-лезы.
Его недостаток приводит к головным болям, ослаблению памяти, потере аппетита, повышению кислотности желудочного сока, могут возникнуть проблемы с мочевым пузырем, утомляемость.
Избыток натрия приводит к задержке воды в организме (отекам), гипертонии, заболеваниям сердца.
Поваренная соль. Все соленые продукты. Море-продукты. Овощи и зелень: капуста, мята, укроп, петрушка, морковь, лук, салат-латук, перец, спаржа, хрен, чеснок. Фрукты и ягоды: черная смородина, клюква, лимоны. Продукты животного происхождения: колбаса, сало, соленая рыба, икра, сыр.
NaCl
NaHCO 3 – гидрокарбонат натрия, питьевая сода.
Знаете ли вы, что…
Натрий был открыт в 1807 г. английским химиком и физиком Г.Дэви и название получил от арабск. натрон или натрун – моющее средство – по применению природной соды и едкого натра для изготовления мыла.
Число атомов натрия в организме человека составляет 2,8 х 10 24 , а в одной человеческой клетке – 2,8 х 10 10 .
Суточное поступление натрия в организм с продуктами питания составляет в среднем 4,4 г.
В медицине хлористый натрий применяют в виде изотонического 0,9% раствора при обезвоживании организма. Натрий входит в состав многих лекар-ственных препаратов, в том числе антибиотиков, викасола – синтетического производного витамина K.
Кальций
Роль кальция в жизни растений
Содержание кальция в растениях составляет в среднем 0,3% (по массе). Пектиновые вещества (кальциевые и магниевые соли галактуроновой кислоты) входят в состав клеточных стенок и межклеточного вещества высших и низших растений. Кальций используется как строительное вещество для срединной пластинки, а также является компонентом «внешнего скелета» водорослей; увеличивает прочность растительных тканей и способствует повышению выносливости растений.
Недостаток Са вызывает набухание пектиновых веществ, ослизнение клеточных стенок и загнивание растений; страдает корневая система, происходит побеление верхушек растений и молодых листьев. Вновь образующиеся листья мелкие, искривленные, с неправильной формой краев, на пластинке появляются светло-желтые пятна, края листьев загибаются вниз. При сильном дефиците кальция верхушка побега погибает.
Если в почве повышенное содержание кальция, то на этих участках хорошо произрастают растения-индикаторы: Венерин башмачок, солнцецвет, степная астра, папоротник из рода пеллея, ятрышники, мордовники, льнянка, наперстянка крупноцветковая, порезник горный и др.
Роль в жизни животных и человека
В организме животного в среднем от 1,9% до 2,5% кальция (по массе). Кальций – это материал для постройки костных скелетов. Карбонат кальция CaCO 3 входит в состав кораллов, раковин моллюсков, панцирей морских ежей и скелетов микроорганизмов.
В организме человека 98–99% кальция содержится в костях скелета, которые выполняют функцию «депо» кальция; ионы кальция присутствуют во всех тканях и жидкостях организма: 1 г – в плазме крови, 6–8 г – в мягких тканях. При весе человека 70 кг содержание Са в организме составляет 1700 г, причем 80% – фосфата кальция Ca 3 (PO 4) 2 и 13% – карбоната кальция CaCO 3 .
Кальций необходим для процессов кроветворения и свертывания крови, для регуляции работы сердца, мышечного сокращения, обмена веществ, уменьшения проницаемости сосудов, для норма-льного роста костей (скелет, зубы). Соединения ка-льция благотворно влияют на состояние нервной системы, проведение нервных импульсов, оказывают противовоспалительное действие, обеспечивают проницаемость клеточной мембраны, активацию некоторых ферментов. Обмен кальция регулируется в организме человека и животных кальцитонином – гормоном щитовидной железы, паратгормоном – гормоном околощитовидной железы и кальциферолами – группа витамина D. Необходимо помнить, что организм усваивает кальций только в присутствии жиров: на каждые 0,06 г кальция нужно 1 г жира. Выводится кальций из организма через кишечник и почки.
Недостаток кальция приводит к остеопорозу, нарушениям в опорно-двигательной, нервной системах, недостаточной свертываемости крови.
Основные источники поступления в организм
Овощи и злаки: горох, чечевица, соя, бобы, фасоль, шпинат, морковь, репа, молодые листья одуванчиков, сельдерей, спаржа, капуста, свекла, картофель, огурцы, салат, лук, зерна пшеницы, хлеб ржаной, крупа овсяная. Фрукты и ягоды: яблоки, вишня, крыжовник, земляника, абрикосы, смородина, ежевика, апельсины, ананасы, персики, виноград. Миндаль. Кисломолочные продукты: творог, сметана, кефир.
Наиболее распространенные соединения
CaCO 3
– карбонат кальция, мел, мрамор,
известняк.
Са(ОН) 2
– гидроксид кальция, гашеная
известь (пушонка).
СаО
– оксид кальция, негашеная известь
(кипелка).
CaOCl 2
– смешанная соль соляной и
хлорноватистой кислот, хлорная известь (хлорка).
CaSO 4
х 2H 2 O
– двухводный
сульфат кальция, гипс.
Знаете ли вы, что…
Кальций был открыт английским химиком Х.Дэни в 1808 г. при электролизе влажной гашеной извести Са(ОН) 2 . Его название происходит от лат. калцис (род. падеж лат. калкс – камень, известняк) по его содержанию в известняке.
Число атомов кальция в теле человека составляет 1,6 х 10 25 , а в одной клетке 1,6 х 10 11 .
Суточное поступление кальция с продуктами питания и водой составляет 500–1500 мг.
Известковые скелеты коралловых полипов, состоящие из карбоната кальция, образуют в тропических морях рифы и атоллы, коралловые острова. Из скелетов коралловых полипов, отмиравших в течение многих тысячелетий, образовались толщи известняка, мела и мрамора, которые используются как строительный материал.
Существуют растения – кальцефилы (от греч. филео – люблю), которые растут преимущественно на щелочных почвах, богатых кальцием, а также в местах выхода известняков, мела (ветреница лесная, таволга шестилепестная, лиственница европейская и др.).
Существуют растения – кальцефобы (от греч. фобос – страх), которые избегают известняковых почв, т.к. присутствие ионов кальция тормозит их рост (торфяные мхи, некоторые злаки).
Сера
Роль серы в жизни растений, микроорганизмов
Содержание серы в растениях составляет в среднем 0,05 % (по массе). Сера входит в состав аминокислот (цистин, цистеин, метионин). Растения получают серу из почвы из растворимых сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород Н 2 S (отсюда – отвратительный запах гниения). Но большая часть сероводорода образуется при восстановлении сульфатов сульфатредуцирующими бактериями. Этот H 2 S фототрофными бактериями в отсутствие молекулярного кислорода окисляется до серы и сульфатов, а в присутствии О 2 его окисляют до сульфатов аэробные серобактерии.
У многих бактерий сера временно сохраняется в виде шариков. Ее количество зависит от содержания сероводорода: при его недостатке сера окисляется до серной кислоты.
2H 2 S + O 2 ––> 2H 2 O + 2S + энергия
2S + 3O 2 + 2H 2 O ––> 2H 2 SO 4 + энергия
В водоемах, вода которых содержит сероводород, живут бесцветные серобактерии бежиатоа и тиотрикс. Им не нужна органическая пища. Для хемосинтеза они используют сероводород: в результате реакций между H 2 S, CO 2 и O 2 образуются углеводы и элементарная сера.
Большая часть серы не усваивается растениями, но помогает им усваивать фосфор. Нехватка серы снижает интенсивность фотосинтеза. Индикатором повышенного содержания серы в почве являются астрагалы.
Роль в жизни животных и человека
В организме животного содержится 0,25 % серы (по массе). Простейшие планктонные радиолярии имеют минеральный скелет из сернокислого стронция, который обеспечивает не только защиту, но и «парение» в толще воды.
В организме человека серы содержится 400–700 миллионных долей от массы. Сера входит в состав белков и аминокислот, ферментов и витаминов. Особенно важна она для синтеза белков кожи, ногтей и волос. Сера является составной частью активных веществ: витаминов и гормонов (например, инсулина). Она участвует в окислительно-восстановительных процессах, энергетическом метаболизме и реакциях детоксикации, активирует ферменты.
При недостатке серы кожа подвергается воспалительным заболеваниям, наблюдается ломкость костей и выпадение волос.
Среди соединений серы особенно опасным считается сероводород – газ, обладающий не только резким запахом, но и большой токсичностью. В чистом виде он убивает человека мгновенно. Опасность велика даже при незначительном (порядка 0,01%) содержании сероводорода в воздухе. Сероводород опасен тем, что накапливаясь в организме, он соединяется с железом, входящим в состав гемоглобина, что может привести к тяжелейшему кислородному голоданию и смерти.
Основные источники поступления в организм
Продукты растительного происхождения: орехи, бобовые, капуста, хрен, чеснок, тыква, инжир, крыжовник, слива, виноград. Продукты животного происхождения: мясо, яйца, сыр, молоко.
Наиболее распространенные соединения
H 2 S
– сероводород.
Na 2 S
– сульфид натрия.
Знаете ли вы, что…
Сера известна с I в. до н.э. Названия происходит от древнеиндусского сира – светло-желтый, по цвету природной серы; латинское название от санскр. сулвери – горючий порошок.
Число атомов серы в теле человека 3,3 х 10 24 , а в одной клетке – 2,4 х 10 10 .
Сероводород H 2 S – ядовитый зловонный газ, используется в химической промышленности, а также как лечебное средство (сернистые ванны). Сера входит в состав лекарств, в том числе антибиотиков, которые способны подавлять активность микробов. Мелкодисперсная сера – основа мазей для лечения грибковых заболеваний кожи.
Природные сульфиды составляют основу руд цветных и редких металлов и широко используются в металлургии. Сульфиды щелочных и щелочно-земельных металлов Na 2 S, CaS, BaS применяются в кожевенном производстве.
Хлор
Роль хлора в жизни растений, микроорганизмов
Содержание хлора в организме растений составляет примерно 0,1% (по массе). Это один из основных элементов водно-солевого обмена всех живых организмов. Некоторые растения (галофиты) не только способны расти на засоленных почвах с высоким содержанием поваренной соли (NaCl), но и накапливать хлориды. К ним относятся солянки, солерос, сведа, тамарикс и др. Ионы хлора Cl – участвуют в энергетическом обмене, положительно влияют на поглощение корнями кислорода. У растений хлор принимает участие в окислительных реакциях и фотосинтезе.
Галофильные микроорганизмы обитают в среде с концентрацией NaCl до 32% – в соленых водоемах и засоленных почвах. Это бактерии родов Paracoccus , Pseudomonas , Vibrion и некоторые другие. Высокие концентрации NaCl необходимы им для поддержания структурной целостности цито-плазматической мембраны и функционирования связанных с ней ферментных систем.
Роль в жизни животных и человека
В организме животного содержится от 0,08 до 0,2% хлора (по массе). Отрицательно заряженные ионы хлора, преобладающие в организме животных, играют огромную роль в в водно-солевом обмене. В условиях высокой солености, при содержании соли в воде не ниже 3%, обитают галофиты: радиолярии, рифообразующие кораллы, обитатели коралловых рифов и мангровых зарослей, большинство иглокожих, головоногие моллюски, многие ракообразные. Во внутриматериковых водоемах с соленостью от 2,4–10 до 30% обитают некоторые коловратки, рачок Artemia salina , личинка комара Aedes togoi и некоторые другие.
Мышечная ткань человека содержит 0,20–0,52% хлора, костная – 0,09%, в крови – 2,89 г/л. В организме взрослого человека около 95 г хлора. Ежедневно с пищей человек получает 3–6 г хлора. Основная форма его поступления в организм – хлорид натрия. Он стимулирует обмен веществ, рост волос. Хлор определяет физико-химические процессы в тканях организма, участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в тканях (осморегуляция). Хлор – основное осмотически активное вещество крови, лимфы и других жидкостей тела.
Соляная кислота, которая входит в состав желудочного сока, играет собую роль в пищеварении, обеспечивая активизацию фермента пепсина, и оказывает бактерицидное действие.
Присутствие в воздухе около 0,0001% хлора раздражающе действует на слизистые оболочки. Постоянное пребывание в такой атмосфере может привести к заболеванию бронхов, резкому ухудшению самочувствия. По существующим санитарным нормам содержание хлора в воздухе рабочих помеще-ний не должно превышать 0,001 мг/л, т.е. 0,00003%. Содержание хлора в воздухе в количестве 0,1% вызывает острое отравление, первый признак которого – приступы сильнейшего кашля. При отравлении хлором необходим абсолютный покой, полезно вдыхать кислород или аммиак (нашатырный спирт), или пары спирта с эфиром.
Основные источники поступления в организм
Хлорид натрия – поваренная соль. Соленые продукты. Ежедневно человек должен потреблять около 20 г поваренной соли.
Наиболее распространенные соединения
NaCl
– хлорид натрия, поваренная соль.
НСl
– хлороводородная кислота, соляная
кислота.
HgCl 2
– хлорид ртути (II), сулема.
Знаете ли вы, что…
Хлор впервые получил шведский химик К.Шееле при взаимодействии соляной кислоты с пиролюзитом MnO 2 х H 2 O. Название происходит от греч. клорос – желто-зеленый цвет увядающей листвы – по окраске газообразного хлора.
С соединениями хлора, прежде всего с поваренной солью NaCl, человечество знакомо с доисторических времен. Алхимикам была известна соляная кислота НСl и смесь ее с азотной кислотой HNO 3 – царская водка.
Число атомов хлора в теле человека составляет 1,8 х 10 24 , а в одной клетке – 1,8 х 10 10 .
В небольших дозах ядовитый хлор иногда может служить и противоядием. Так, пострадавшим от сероводорода дают нюхать нестойкую хлорную известь. Взаимодействуя, два яда взаимно нейтрализуются.
Хлорирование водопроводной воды уничтожает болезнетворные бактерии.
Существуют водные организмы – галофобы, не переносящие высоких значений солености и обитающие только в пресных (соленость не выше 0,05%) или слабосоленых (до 0,5%) водоемах. Это многие водоросли, простейшие, некоторые губки и кишечнополостные (гидра), большинство пиявок, многие брюхоногие и двустворчатые моллюски, большин-ство водных насекомых и пресноводных рыб, все земноводные.
HgCl 2 – сулема – очень сильный яд. Разбавленные растворы ее (1: 1000) используют в медицине как дезинфицирующее средство.
Продолжение следует
Лекция 2. Вода в растениях.
Вода является составной
частью как самих растений, так и их плодов и семян. В живом растении
вода составляет до 95% от массы его. Но это совсем мало, по сравнению
с тем, сколько расходует растение, пока вырастет и даст урожай.
Потребность в воде, у различных растений, для того, чтобы осуществить
свой цикл развития, например, для условий Узбекистана, только на испарение
(транспирацию) самими растениями и испарение с поверхности почвы в
сравнении с наземной массой, в сотни раз больше, чем вес воды, содержащейся
во взрослом растении и его плодах.
Зачем же растениям
нужна эта вода?
Какую функцию она
выполняет?
Зачем так много воды надо растениям?
Ну начнём с того, что
растения "хотят" не только пить, но и есть. Значит нужно
как-то доставлять по стволам и веткам к листьям питательные элементы.
Эти питательные элементы, засосанные корнями вместе с почвенной влагой,
предварительно подготовленные в корнях в виде полуфабрикатов, доставляются
по сосудам к листьям - фабрикам органических веществ.
Испаряя воду листьями, растение охлаждает их, не давая перегреться,
получают из воздуха углекислый газ (в обмен на испаряемую воду), служащий
материалом для создания всех органических веществ, идущих на построение
всего растения.
Рисунок 2.1. Схема "функционирования"
растения.
(заимствовано из книги "Жизнь зелёного растения".
А Гэлстон, П.Девис, Р.Сэттер).
Учёные, изучавшие досконально
потребности растений в воде, были в значительной мере обескуражены
непостоянством, так называемых транспирационных коэффициентов, показывающих
отношение затрат воды на производство единицы веса сухой растительной
массы даже у одних и тех же растений, (не говоря об их различии у
влаголюбивой и засухоустойчивой растительности).
В зависимости от условий произрастания затраты воды на единицу урожая
колеблются очень сильно. Замечено, что когда почвы бедны питательными
элементами, то растение испаряет воды больше, чем на богатых оными.
Растения, имеющие в своём распоряжении много доступной для них влаги хорошего качества, "с удовольствием" её расходуют, буйно развивая вегетативную массу, но не "торопятся" плодоносить. В таких случаях говорят, что растения "жируют".
Растения, находящиеся
в условиях ограниченных запасов влаги, "ведут себя сдержаннее".
Они тратят меньше влаги, развивают умеренную вегетативную массу и
быстрее вступают в фазы цветения и плодообразования.
А вот растения, сильно
ущемлённые в воде, не только не развивают вегетативной массы и не
дают плодов, но и могут просто погибнуть.
Растениям, которые обычно выращиваются на наших полях при существующих системах обработки почвы , не способны ходить глубоко за водой, как дикорастущие (и даже как культурные) растения пустыни на почвах нетронутых человеком.
Для нас важно обеспечить
условия, чтобы получать устойчивые урожаи не только в годы с нормальными
осадками, но и в засушливые. Поэтому все действия земледельца, способствующие
накоплению и сохранению влаги в корнеобитаемом слое почвы, сторицей
вознаграждаются растениями.
Почти у всех растений
критической фазой развития (когда засуха оказывает наиболее вредное
влияние на них) является период цветения и завязывания плодов. Что
касается развития многолетних трав, используемых на корм животных
в свежем виде или в виде сена, то у них наиболее уязвимыми, в отношении
влаги, являются послеукосные периоды.
В эти критические периоды,
желательно, чтобы влажность корнеобитаемого слоя почвы не опускалась
ниже определённых пределов, которые не так просто определить даже
с использованием научных понятий, но мы всё же, попробуем.
Несмотря на то, что многие процессы снабжения растений водой очень похожи в разных климатических зонах, все же, в зависимости от свойств почвы, свойств почвообразующих пород, наличия почвенного увлажнения грунтовыми водами, степени их солёности, уклонов местности, имеются большие различия и в способах сохранения почвенной влаги и в способах её пополнения.
Общая сезонная потребность растений в воде и особенности разных фаз их развития.
То, что потребные размеры
орошения напрямую связаны с климатом, наверное ни у кого сомнения
не вызывает…
Давайте по порядку, начнём с вопроса - сколько надо подать воды на
поле, и в какие сроки, чтобы получить ожидаемый урожай. Прежде всего,
посмотрим на рис. 2.1, где изображены среднемесячные климатические
характеристики пустынной зоны Узбекистана. (В агроклиматических справочниках
Вы всегда сможете найти эти характеристики для своей местности, а
испаряемость (Eo) с водной поверхности - рассчитать по несложной формуле, если не найдёте её в готовом виде в том же справочнике).
Рис. 2.1. Климатические
характеристики и дефицит водного баланса.
t - температура воздуха, в градусах Цельсия;
а - относительная влажность воздуха в %;
Ос - атмосферные осадки, мм.
Ео - испаряемость с водной поверхности, Ео = 0,00144 * (25 - t)2 *
(100 - a) ;
Д = Ео - Ос - дефицит водного баланса (на рисунке закрашено жёлтым
цветом в период вегетации).
На этом рисунке показан ход среднемесячных температур воздуха, количество атмосферных осадков, относительной влажности воздуха, вычисленные показатели испаряемости и дефицитов влажности. Площадь фигуры, залитая желтым - это дефициты вегетационного периода (в данном случае IV…IX месяцев). Но у каждой культуры свои сроки посева, свой вегетационный период, а поэтому и потребность в воде для поливов будет зависеть от этих величин и обусловит свой поливной период. То есть, растения скороспелые могут потребовать воды для завершения своего сезонного цикла развития значительно меньше, чем поздние, однако это относится в основном не к многолетним, древесно-кустарниковым растениям, которые потребляют влагу весь вегетационный период.
Хотя дефициты влаги
- это ещё не сама потребность, но, во всяком случае, вычисленные помесячные
дефициты влаги, дают ориентировочное представление в какие месяцы
и насколько испаряемость превышает осадки, что немало для того, чтобы
понять, насколько нужно орошение, или без него можно обойтись.
Учёные установили, что
для расчета суммарного водопотребления можно пользоваться эмпирическими
уравнениями, связывающими дефицит влаги с фактическими расходами влаги
орошаемой культурой, (если определить коэффициенты, позволяющие найти
соответствие между этими показателями).
Одна из самых простых зависимостей выглядит так:
|
Мвег = 10 * Кк * Д |
(2.1) |
Где Мвег - оросительная норма вегетационного периода рассматриваемой
культуры, м3/га;
Кк - эмпирический коэффициент культуры, зависящий и от вида растений,
применяемой агротехники и вегетационного периода;
Д - суммарный дефицит влаги за вегетационный период выращиваемой культуры,
мм.
На рис. 2.2, как пример, показаны фазы развития хлопчатника, сроки начала вегетации, сроки начала поливного периода, доля физического (с поверхности почвы) испарения для центрального климатического пояса Узбекистана.
Рис. 2.2, Характерные периоды (фазы развития) для хлопчатника для центрального климатического пояса Узбекистана.
Для того, чтобы установить
значение коэффициента Кк, учёные ведут многолетние опыты с разными
вариантами поливных режимов и сопоставляют полученные урожаи с затратами
воды, а далее, эти затраты сопоставляют с фактическими дефицитами
влаги. Эти работы обеспечивают им (учёным) пожизненную занятость,
ибо со временем меняются и сорта растений, и применяемая агротехника,
и способы полива, да и климат, как известно, не постоянен…, так что
можно изучать долго, можно сказать, - бесконечно долго. Для примера
на рисунке 2.3 мы приведём результаты обобщения материалов изучения
режимов орошения хлопчатника, примерно за лет 70. Сюда вошли результаты
~ 270 опытов, проводившихся более чем на 13 опытных станциях Узбекистана.
Эта культура долгие годы была самой нужной, и по ней в Средней Азии
больше всего проводилось исследований, ну, примерно раз в десять больше,
чем по люцерне, пшенице и кукурузе!
Рассмотрим внимательно
три графика на рис 2.3. Поясним немного суть графиков. Здесь У - урожай
на какой-либо делянке из данного опыта, а Умах - это максимальный
урожай на делянке, лучше всех обеспеченной водой в данном опыте. Все
сравниваемые результаты по делянкам в каждом опыте, в каждый год исследования
были получены при одних и тех же погодных условиях, но для каждой
из делянок в опыте значения отношения поливной нормы к дефициту влаги
за вегетацию (М/Д) было разным и урожай должен был зависеть только
от объёма поливной воды.
Однако на рисунках видно, что урожай, близкий к максимальному (У/Умах
= 1) бывает в разных опытах при отношении оросительной нормы к дефициту
влаги за вегетационный период от 0,15, до 1.2, то есть разница почти
десятикратная! И почему так, нам совершенно непонятно, поскольку из
каждой, описанной в трудах учёных, серии опытов мы специально отбирали
результаты только тех, где был одинаковый "фон ", а менялась
только оросительная норма. И этот диапазон разброса данных почти одинаков,
как при близких, так и при глубоких грунтовых водах! Ещё следует отметить,
что максимальные урожаи в выбранных нами для анализа опытах не встречались,
практически, ниже 45...50 ц/га, и в основном эти наинизшие показатели
были характерны для северных районов Узбекистана.
Можно предположить, что, урожай, наверное, зависит не только от "фона"
и объёма поданной на полив воды, но ещё связан с искусством земледельца?
А может быть от своевременности проведенных поливов? Как Вы думаете?
Во всяком случае, этот богатейший материал ждёт своих исследователей
и аналитиков...
Но нам пока ничего не
остаётся делать, как ориентироваться на "золотую середину"
опытных "облаков" данных и принимать, в данном случае тот
самый коэффициент в формуле 2.1 -
Кк = М/Д = 0,4…0,65 (м
еньшие
значения для близких грунтовых вод, а большие - для глубоких). Тем
не менее, для ориентировки и это уже не так плохо. Зная по метеоданным
дефицит за время вегетационного периода, можно, умножив его на коэффициент
Кк, получить примерную потребность в оросительной воде. Для средних
широт степной зоны Узбекистана суммарный дефицит составляет за вегетацию
(IV…IX месяцы) около 1000 мм. Тогда оросительная норма составит от
400 до 650 мм, или в переводе на м3/га - 4000…6500 м3/га.
Примерно столько же требуется кукурузе на зерно, а зерновым достаточно
в полтора раза меньше, то есть, 3000…4500 м3/га. Следует отметить,
что часть этой потребности может покрываться запасами влаги за невегетационный
период, если они могут быть сохранены в почве правильной агротехникой.
Рисунок 2.3. Фактические данные по затратам воды для хлопчатника,
полученные в опытах разных учёных. На верхнем рисунке собраны данные,
полученные при близких грунтовых водах, на среднем - данные для переходных
условий между близкими и глубокими грунтовыми водами, а на нижнем
- при грунтовых водах ниже 3 м.
(Точки над линией У/Умах = 1 условные, они просто показывают количество
опытов, использовавшееся при оценке того или иного отношения М/Д и
построения графиков).
Пока мы говорили о среднемноголетних показателях климата, но в природе
год на год не приходится, есть засушливые годы, а есть очень дождливые.
Естественно, что поливать в дождливый год незачем, а вот в засушливый
- очень нужно. Поэтому оборудование для орошения будет использоваться
только в отдельные засушливые годы. Но в некоторых условиях стабильность
продуктивности сельскохозяйственного производства по годам, может
оказаться важнее некоторых лишних издержек на организацию орошения.
Дальше мы (в лекции 9) немного расскажем, на что ещё тратится вода
на оросительных системах, чтобы поддерживать нормальное развитие выращиваемых
растений на полях, и "мало не покажется"!
Ниже, в таблице 3.1 для примера приведены значения коэффициентов Кк
для разных культур в Узбекистане из работы, в которой был обобщён
огромный опыт многих учёных Средней Азии (Расчётные значения оросительных
норм сельскохозяйственных культур в бассейнах рек Сырдарьи и Амударьи.
Составители: В.Р.Шредер, В.Ф.Сафонов и др.). "Снимая шляпу"
перед большим учёным - моим наставником В.Р Шредером, являвшимся идеологом
этого гигантского труда, я специально предварительно ознакомил вас
с данными, в основном использованными при её составлении, для того,
чтобы вы критически относились ко всяким не своим выводам и на слово
никому не доверяли.
Таблица 2.1. Значения
коэффициентов Кк для разных культур по климатическим зонам Узбекистана.
|
Культура |
По климатическим зонам |
|||||
|
С-1 |
С-2 |
Ц-1 |
Ц-2 |
Ю-1 |
Ю-2 |
|
| Хлопчатник |
0,60 |
0,63 |
0,65 |
0,68 |
0,70 |
|
| Люцерна и другие травы |
0,77 |
0,81 |
0,84 |
0,88 |
0,92 |
0,95 |
| Сады и др.насаждения |
0,53 |
0,55 |
0,58 |
0,60 |
0,62 |
0,65 |
| Виноградники |
0,44 |
0,46 |
0,48 |
0,50 |
0,52 |
0,54 |
| Кукуруза и сорго на зерно |
0,62 |
0,61 |
0,62 |
0,59 |
0,58 |
0,57 |
| Пропашные культуры с повторными |
0,66 |
|||||
- в протоплазме содержится около 80% воды,
- в клеточном соке - 96-98% воды,
- в оболочках растительных клеток до 50% воды.
- в листьях содержание воды достигает 80-90%.
- в - до 98%,
- в - 94%,
- в - 92%,
- в - 77%.
Вода - основной растворитель
Высокое содержание воды в тканях растения необходимо для активной синтетической деятельности. Вода - основной растворитель , и при ее участии осуществляется поступление в растение растворенных в воде питательных веществ через корни и передвижение их из одних клеток в другие.Вода во взаимодействии растений с окружающей средой
Благодаря воде осуществляется взаимодействие растения с окружающей средой . В процессе фотосинтеза вода принимает непосредственное участие в образовании углеводов . Из 1000 частей воды, проходящих через растение, только 2-3 части используются в процессе фотосинтеза на образование углеводов, а 997-998 частей воды проходит через растение для поддержания его тканей в состоянии насыщения и для компенсации испаряющейся воды. Большая листовая поверхность растений приводит к трате огромного количества воды: за один час растения расходуют до 80-90% содержащейся в них воды. От количества воды в замыкающих клетках устьиц зависит степень их открытия; при большом ее содержании устьица открыты, и через них поступает углекислый газ в растение.Расход воды растениями
Различные растения содержат неодинаковое количество воды , оно изменяется как в течение суток, так и в течение вегетационного периода. К концу вегетации содержание воды уменьшается.
Расход воды растениями.
Из высших растений обезвоживание выдерживают очень немногие представители пустынной флоры, (подробнее: ) тогда как сухие семена, некоторые и лишайники могут сохранять жизнеспособность и при малом содержании воды.
В различных условиях произрастания потребность растения в воде неодинакова. В сухом и жарком климате растения за вегетационный период расходуют воды в 2-3 раза больше, чем в умеренном климате.
Состояние воды в растениях
Вода в растениях бывает в двух состояниях - в свободном и связанном . Связанной водой считают воду, которая удерживается гидрофильными коллоидами протоплазмы и активными веществами. Связанная вода теряет свойства растворителя и не принимает активного участия в превращении и передвижении веществ по растению. Роль связанной воды заключается в том, что она препятствует слипанию мицелл между собой и придает структурную устойчивость гидрофильным коллоидам протоплазмы. Количество связанной воды в растении непостоянно, в молодых растениях больше связанной воды, чем в старых. Свободная вода в растении - среда, в, которой протекают все процессы его жизнедеятельности. Большое количество свободной воды испаряется растением. Подобное разделение воды на свободную и связанную условно, так как вся имеющаяся в клетках вода связана с веществами, входящими в состав протоплазмы, клеточного сока и оболочки. Эти формы воды различаются лишь по характеру и прочности связей. Биологи провели ряд опытов с тяжелой водой , содержащей О 18 . У молодых растений фасоли, погруженных корнями в тяжелую воду, происходила быстрая смена части воды тканей на воду, содержащую О 18 .
Куст растения фасоли в цветении.
В тканях листьев и корней, имеющих быстрый обмен веществ, равновесие с внешним раствором наступало уже через 15-20 минут, при этом обменивалось немного более половины воды.
Вода в стебле заменялась на 90%. При увядании листьев быстрее всего терял воду клеточный сок, вода цитоплазмы удерживалась значительно сильнее, меньше всего терялась вода, входящая в состав органоидов.
На основании этих опытов были сделаны выводы, что в растении имеется трудно и легко обмениваемая вода
.
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы - 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях - 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены.
Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, протоплазме. Вакуоли - наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в протоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%.
Формы воды в разных частях растительной клетки также различны. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода. В оболочке растительной клетки вода связана главным образом высокополимерными соединениями (целлюлозой, гемицеллюлозой, пектиновыми веществами), т. е. коллоидно-связанная вода. В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а следовательно, часть воды осмотически связана.
Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Большинство исследователей полагает, что интенсивность физиологических процессов, в том числе и темпов роста, зависит в первую очередь от содержания свободной воды. Имеется прямая корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью растений против неблагоприятных внешних условий. Указанные физиологические корреляции наблюдаются не всегда.
Растительная клетка поглощает воду по законам осмоса. Осмос наблюдается при наличии двух систем с различной концентрацией веществ, когда они сообщаются с помощью полупроницаемой мембраны. В этом случае по законам термодинамики выравнивание концентраций происходит за счет вещества, для которого мембрана проницаема.
При рассмотрении двух систем с различной концентрацией осмотически активных веществ следует, что выравнивание концентраций в системе 1 и 2 возможно только за счет перемещение воды. В системе 1 концентрация воды выше, поэтому поток воды направлен от системы 1 к системе 2. По достижении равновесия реальный поток будет равен нулю.
Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему. Клеточная стенка, окружающая клетку, обладает определенной эластичностью и может растягиваться. В вакуоли накапливаются растворимые в воде вещества (сахара, органические кислоты, соли), которые обладают осмотической активностью. Тонопласт и плазмалемма выполняют в данной системе функцию полупроницаемой мембраны, поскольку эти структуры избирательно проницаемы, и вода проходит через них значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме. В связи с этим, если клетка попадает в окружающую среду, где концентрация осмотически активных веществ будет меньше по сравнению с концентрацией внутри клетки (или клетка помещена в воду), вода по законам осмоса должна поступать внутрь клетки.
Возможность молекул воды перемещаться из одного места в другое измеряется водным потенциалом (Ψв). По законам термодинамики вода всегда движется из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким потенциалом.
Водный потенциал (Ψ в) – показатель термодинамического состояния воды. Молекулы воды обладают кинетической энергией, в жидкости и водяном паре они беспорядочно движутся. Водный потенциал больше в той системе, где выше концентрация молекул и больше их общая кинетическая энергия. Максимальным водным потенциалом обладает чистая (дистиллированная) вода. Водный потенциал такой системы условно принят за нуль.
Единицей измерения водного потенциала являются единицы давления: атмосферы, паскали, бары:
1 Па = 1 Н/м 2 (Н- ньютон) ; 1 бар=0,987 атм =10 5 Па=100 кПА;
1 атм =1,0132 бар; 1000 кПа = 1 МПа
При растворении в воде другого вещества, понижается концентрация воды, уменьшается кинетическая энергия молекул воды, снижается водный потенциал. Во всех растворах водный потенциал ниже, чем у чистый воды, т.е. в стандартных условиях он выражается отрицательной величиной. Количественно это понижение выражают величиной, которая называется осмотическим потенциалом (Ψ осм.). Осмотический потенциал – это мера снижения водного потенциала за счет присутствия растворенных веществ. Чем больше в растворе молекул растворенного вещества, тем осмотический потенциал ниже.
При поступлении воды в клетку ее размеры увеличиваются, внутри клетки повышается гидростатическое давление, которое заставляет плазмалемму прижиматься к клеточной стенке. Клеточная оболочка, в свою очередь, оказывает противодавление, которое характеризуется потенциалом давления (Ψ давл.) или гидростатическим потенциалом, он обычно положителен и тем больше, чем больше воды в клетке.
Таким образом, водный потенциал клетки зависит от концентрации осмотически действующих веществ – осмотического потенциала (Ψ осм.) и от потенциала давления (Ψ давл.).
При условии, когда вода не давит на клеточную оболочку (состояние плазмолиза или увядания), противодавление клеточной оболочки равно нулю, водный потенциал равен осмотическому:
Ψ в. = Ψ осм.
По мере поступления воды в клетку появляется противодавление клеточной оболочки, водный потенциал будет равен разности между осмотическим потенциалом и потенциалом давления:
Ψ в. = Ψ осм. + Ψ давл.
Разница между осмотическим потенциалом клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет поступление воды в каждый данный момент.
При условии, когда клеточная оболочка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной оболочки, водный потенциал становиться равным нулю, вода в клетку перестает поступать:
- Ψ осм. = Ψ давл. , Ψ в. = 0
Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного потенциала: от той системы, где энергия больше, к той системе, где энергия меньше.
Вода в клетку может поступать также за счет сил набухания. Белки и другие вещества, входящие в состав клетки, имея положительно и отрицательно заряженные группы, притягивают диполи воды. К набуханию способны клеточная стенка, имеющая в своем составе гемицеллюлозы и пектиновые вещества, цитоплазма, в которой высокомолекулярные полярные соединения составляют около 80% сухой массы. Вода проникает в набухающую структуру путем диффузии, движение воды идет по градиенту концентрации. Силу набухания обозначают термином матричный потенциал (Ψ матр.). Он зависит от наличия высокомолекулярных компонентов клетки. Матричный потенциал всегда отрицательный. Большое значение Ψ матр. имеет при поглощении воды структурами, в которых отсутствуют вакуоли (семенами, клетками меристем).
- Химический состав и питание растений
В состав растений входит вода и так называемое сухое вещество, представленное органическими и минеральными соединениями. Соотношение между количеством воды и сухого вещества в растениях, их органах и тканях изменяется в широких пределах. Так, содержание сухого вещества в плодах огурцов, бахчевых культур может составлять до 5% общей их массы, в кочанах капусты, корнях редиса и турнепса - 7-10, корнеплодах столовой свеклы, моркови и луковицах лука - 10-15, в вегетативных органах большинства полевых культур - 15-25, корнеплодах сахарной свеклы и клубнях картофеля - 20-25, в зерне хлебных злаков и бобовых культур - 85-90, семенах масличных культур - 90-95%.
Вода
В тканях растущих вегетативных органов растений содержание воды колеблется от 70 до 95%, а в запасающих тканях семян и в клетках механических тканей - от 5 до 15%. По мере старения растений общий запас и относительное содержание воды в тканях, особенно репродуктивных органов, снижается.
Функции воды в растениях обусловлены присущими ей физическими и химическими свойствами. Она обладает высокой удельной теплоемкостью и благодаря способности испаряться при любой температуре предохраняет растения от перегрева. Вода - прекрасный растворитель для многих соединений, в водной среде происходит электролитическая диссоциация этих соединений и усвоение растениями ионов, содержащих необходимые элементы минерального питания. Высокое поверхностное натяжение воды определяет ее роль в процессах поглощения и передвижения минеральных и органических соединений. Полярные свойства и структурная упорядоченность молекул воды обусловливают гидратацию ионов и молекул низко- и высокомолекулярных соединений в клетках растений.
Вода является не просто наполнителем растительных клеток, но и неотделимой частью их структуры. Оводненность клеток тканей растений обусловливает их тургор (давление жидкости внутри клетки на ее оболочку), является важным фактором интенсивности и направленности разнообразных физиологических и биохимических процессов. При непосредственном участии воды происходит огромное число биохимических реакций синтеза и распада органических соединений в растительных организмах. Особое значение вода имеет в энергетических преобразованиях в растениях, прежде всего в аккумуляции солнечной энергии в виде химических соединений при фотосинтезе. Вода обладает способностью пропускать лучи видимой и близкой к ней ультрафиолетовой части света, необходимой для фотосинтеза, но задерживает определенную часть инфракрасной тепловой радиации.
Сухое вещество
Сухое вещество растений на 90-95% представлено органическими соединениями - белками и другими азотистыми веществами, углеводами (сахарами, крахмалом, клетчаткой, пектиновыми веществами), жирами, содержание которых определяет качество урожая (табл. 1).
Сбор сухого вещества с товарной частью урожая основных сельскохозяйственных культур может колебаться в очень широких пределах - от 15 до 100 ц и более с 1 га.
Белки и другие азотистые соединения.
Белки - основа жизни организмов - играют решающую роль во всех процессах обмена веществ. Белки выполняют структурные и каталитические функции, являются также одним из основных запасных веществ растений. Содержание белков в вегетативных органах растений обычно составляет 5-20% их массы, в семенах хлебных злаков - 6-20%, а в семенах бобовых и масличных культур - 20-35%.
Белки имеют следующий довольно стабильный элементарный состав (в %): углерод - 51-55, кислород - 21-24, азот - 15-18, водород - 6,5-7, сера - 0,3-1,5.
Растительные белки построены из 20 аминокислот и двух амидов. Особое значение имеет содержание в белках растений так называемых незаменимых аминокислот (валина, лейцина и изолейцина, треонина, метионина, гистидина, лизина, триптофана и фенилаланина), которые не могут синтезироваться в организме человека и животных. Эти аминокислоты люди и животные получают только с растительными пищевыми продуктами и кормами.
| Культура | Вода | Белки | Сырой протеин | Жиры | Др. углеводы | Клетчатка | Зола |
| Пшеница (зерно) | 12 | 14 | 16 | 2,0 | 65 | 2,5 | 1,8 |
| Рожь (зерно) | 14 | 12 | 13 | 2,0 | 68 | 2,3 | 1,6 |
| Овес (зерно) | 13 | 11 | 12 | 4,2 | 55 | 10,0 | 3,5 |
| Ячмень(зерно) | 13 | 9 | 10 | 2,2 | 65 | 5,5 | 3,0 |
| Рис (зерно) | 11 | 7 | 8 | 0,8 | 78 | 0,6 | 0,5 |
| Кукуруза (зерно) | 15 | 9 | 10 | 4,7 | 66 | 2,0 | 1,5 |
| Гречиха (зерно) | 13 | 9 | 11 | 2,8 | 62 | 8,8 | 2,0 |
| Горох (зерно) | 13 | 20 | 23 | 1,5 | 53 | 5,4 | 2,5 |
| Фасоль (зерно) | 13 | 18 | 20 | 1,2 | 58 | 4,0 | 3,0 |
| Соя (зерно) | 11 | 29 | 34 | 16,0 | 27 | 7,0 | 3,5 |
| Подсолнечник (ядра) | 8 | 22 | 25 | 50 | 7 | 5,0 | 3,5 |
| Лен (семена) | 8 | 23 | 26 | 35 | 16 | 8,0 | 4,0 |
| Картофель (клубни) | 78 | 1,3 | 2,0 | 0,1 | 17 | 0,8 | 1,0 |
| Сахарная свекла (корни) | 75 | 1,0 | 1,6 | 0,2 | 19 | 1,4 | 0,8 |
| Кормовая свекла (корни) | 87 | 0,8 | 1,5 | 0,1 | 9 | 0,9 | 0,9 |
| Морковь (корни) | 86 | 0,7 | 1,3 | 0,2 | 9 | 1,1 | 0,9 |
| Лук репчатый | 85 | 2,5 | 3,0 | 0,1 | 8 | 0,8 | 0,7 |
| Клевер (зеленая масса) | 75 | 3,0 | 3,6 | 0,8 | 10 | 6,0 | 3,0 |
| Ежа сборная (зеленая масса) | 70 | 2,1 | 3,0 | 1,2 | 10 | 10,5 | 2,9 |
| *Сырой протеин включает белки и небелковые азотистые вещества | |||||||
Белки различных сельскохозяйственных культур неравноценны по аминокислотному составу, растворимости и переваримости. Поэтому качество растениеводческой продукции оценивается не только по содержанию, но и по усвояемости, полноценности белков на основе изучения их фракционного и аминокислотного состава.
В составе белков находится подавляющая доля азота семян (не менее 90% общего количества в них азота) и вегетативных органов большинства растений (75-90%). В тоже время в клубнях картофеля, корнеплодах и листовых овощах до половины общего количества азота приходится на долю азотистых небелковых соединений. Они представлены в растениях минеральными соединениями (нитраты, аммоний) и органическими (среди которых преобладают свободные аминокислоты и амиды, хорошо усваиваемые в организмах животных и человека). Небольшая часть небелковых органических соединений в растениях представлена пептидами (построенными из ограниченного количества остатков аминокислот и поэтому в отличие от белков имеющими низкую молекулярную массу), а также пуриновыми и пиримидиновыми основаниями (входящими в состав нуклеиновых кислот).
Для оценки качества растениеводческой продукции часто пользуются показателем «сырой протеин», которым выражают сумму всех азотистых соединений (белка и небелковых соединений). Рассчитывают «сырой протеин» путем умножения процентного содержания общего азота в растениях на коэффициент 6,25 (получаемый исходя из среднего (16%) содержания азота в составе белка и небелковых соединений).
Качество зерна пшеницы оценивается по содержанию сырой клейковины, количество и свойства которой определяют хлебопекарные свойства муки. Сырая клейковина - это белковый сгусток, остающийся при отмывании водой теста, замешанного из муки. Сырая клейковина содержит примерно 2/3 воды и 1/3 сухих веществ, представленных прежде всего труднорастворимыми (спирто- и щелочерастворимыми) белками. Клейковина обладает эластичностью, упругостью и связанностью, от которых зависит качество выпекаемых из муки изделий. Между содержанием «сырого протеина» в зерне пшеницы и «сырой клейковины» существует определенная коррелятивная зависимость. Количество сырой клейковины можно рассчитать путем умножения процентного содержания сырого протеина в зерне на коэффициент 2,12.
Углеводы
Углеводы в растениях представлены сахарами (моносахарами и олигосахаридами, содержащими 2-3 остатка моносахаров) и полисахаридами (крахмалом, клетчаткой, пектиновыми веществами).
Сладкий вкус многих плодов и ягод связан с содержанием в них глюкозы и фруктозы. Глюкоза в значительных количествах (8-15%) содержится в ягодах винограда, откуда и получила название «виноградный сахар», и составляет до половины общего количества сахаров в плодах и ягодах. Фруктоза, или «плодовый сахар», накапливается в больших количествах в косточковых плодах (6-10%) и содержится в меде. Она слаще глюкозы и сахарозы. В корнеплодах доля моносахаридов среди Сахаров невелика (до 1% общего их содержания).
Сахароза - дисахарид, построенный из глюкозы и фруктозы. Сахароза является основным запасным углеводом в корнях сахарной свеклы (14-22%) и в соке стеблей сахарного тростника (11-25%). Целью выращивания этих растений и является получение сырья для производства сахара, используемого в питании людей. В небольших количествах находится во всех растениях, более высоким ее содержанием (4-8%) отличаются плоды и ягоды, а также морковь, столовая свекла и лук.
Крахмал в небольших количествах содержится во всех зеленых органах растений, но в качестве основного запасного углевода накапливается в клубнях, луковицах и семенах. В клубнях картофеля ранних сортов содержание крахмала 10-14%, средне- и позднеспелых - 16-22%. В расчете на сухую массу клубней это составляет 70-80%. Примерно такое же относительное содержание крахмала в семенах риса и пивоваренного ячменя. В зерне других хлебных злаков крахмала обычно 55-70%. Между содержанием белка и крахмала в растениях существует обратная зависимость. В богатых белками семенах зернобобовых культур крахмала меньше, чем в семенах злаков; еще меньше крахмала в семенах масличных культур.
Крахмал - легко усвояемый организмом людей и животных углевод. При ферментативном (под действием ферментов амилаз) и кислотном гидролизе распадается до глюкозы.
Клетчатка, или целлюлоза - основной компонент клеточных стенок (в растениях она связана с лигнином, пектиновыми веществами и другими соединениями). Волокно хлопчатника на 95-98%, лубяные волокна льна, конопли, джута на 80-90% представлены клетчаткой. В семенах пленчатых злаков (овса, риса, проса) клетчатки содержится 10-15%, а в не имеющих пленок семенах хлебных злаков - 2-3%, в семенах зернобобовых культур - 3-5%, в корнеплодах и клубнях картофеля - около 1 %. В вегетативных органах растений содержание клетчатки составляет от 25 до 40% на сухую массу.
Клетчатка - высокомолекулярный полисахарид из неразветвленной цепи глюкозных остатков. Ее усвояемость значительно хуже, чем крахмала, хотя при полном гидролизе клетчатки образуется также глюкоза.
Пектиновые вещества - высокомолекулярные полисахариды, содержащиеся в плодах, корнеплодах и растительных волокнах. В волокнистых растениях они скрепляют между собой отдельные пучки волокон. Свойство пектиновых веществ в присутствии кислот и сахаров образовывать желе или студни используется в кондитерской промышленности. В основе строения этих полисахаридов лежит цепь из остатков полигалактуроновой кислоты с метильными группировками.
Жиры и жироподобные вещества (липиды) являются структурными компонентами цитоплазмы растительных клеток, а у масличных культур выполняют роль запасных соединений. Количество структурных липидов обычно небольшое - 0,5-1% сырой массы растений, но они выполняют в растительных клетках важные функции, в том числе по регуляции проницаемости мембран. Семена масличных культур и сои используют для получения растительных жиров, называемых маслами.
По химическому строению жиры - смесь сложных эфиров трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. В растительных жирах ненасыщенные кислоты представлены олеиновой, линолевой и линоленовой кислотами, а насыщенные - пальмитиновой и стеариновой кислотами. Состав жирных кислот в растительных маслах определяет их свойства - консистенцию, температуру плавления и способность к высыханию, прогорканию, омылению, а также их пищевую ценность. Линолевая и линоленовая жирные кислоты содержатся только в растительных маслах и являются «незаменимыми» для человека, так как не могут синтезироваться в его организме. Жиры являются наиболее энергетически выгодными запасными веществами - при их окислении выделяется на единицу массы в два раза больше энергии, чем углеводов и белков.
К липидам относятся также фосфатиды, воски, каротиноиды, стеарины и жирорастворимые витамины A, D, E и K.
В зависимости от вида и характера использования продукции ценность отдельных органических соединений может быть различной. В зерне злаков основными веществами, определяющими качество продукции, являются белки и крахмал. Большим содержанием белка среди зерновых культур отличается пшеница, а крахмала - рис и пивоваренный ячмень. При использовании ячменя для пивоваренного производства накопление белка ухудшает качество сырья. Нежелательно также накопление белка и небелковых азотистых соединений в корнях сахарной свеклы, используемых для производства сахара. Зернобобовые культуры и бобовые травы отличаются повышенным содержанием белков и меньшим - углеводов, качество их урожая зависит прежде всего от размеров накопления белка. Качество клубней картофеля оценивается по содержанию крахмала. Цель возделывания льна, конопли и хлопчатника - получение волокна, состоящего из клетчатки. Повышенное количество клетчатки в зеленой массе и сене однолетних и многолетних трав ухудшает их кормовые достоинства. Масличные культуры выращиваются для получения жиров - растительных масел, используемых как для пищевых, так и промышленных целей. Качество продукции сельскохозяйственных культур может зависеть и от наличия других органических соединений - витаминов, алкалоидов, органических кислот и пектиновых веществ, эфирных и горчичных масел.
Условия питания растений имеют важное значение для повышения валового сбора наиболее ценной части урожая и улучшения его качества. Например, усиление азотного питания увеличивает относительное содержание в растениях белка, а повышение уровня фосфорно-калийного питания обеспечивает большее накопление углеводов - сахарозы в корнях сахарной свеклы, крахмала в клубнях картофеля. Созданием соответствующих условий питания с помощью удобрений можно повысить накопление наиболее ценных в хозяйственном отношении органических соединений в составе сухого вещества растений.
Элементарный состав растений
Сухое вещество растений имеет в среднем следующий элементарный состав (в весовых процентах); углерод - 45, кислород - 42, водород -6,5, азот и зольные элементы - 6,5. Всего в растениях обнаружено более 70 элементов. На современном уровне развития научных данных около 20 элементов (в том числе углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо, бор, медь, марганец, цинк, молибден, ванадий, кобальт и йод) считаются, безусловно, необходимыми для растений. Без них невозможны нормальный ход жизненных процессов и завершение полного цикла развития растений. В отношении еще более 10 элементов (в том числе кремния, алюминия, фтора, лития, серебра и др.) имеются сведения об их положительном действии на рост и развитие растений; эти элементы считаются условно необходимыми. Очевидно, что по мере совершенствования методов анализа и биологических исследований общее число элементов в составе растений и список необходимых элементов будут расширены.
Углеводы, жиры и прочие безазотистые органические соединения построены из трех элементов - углерода, кислорода и водорода, а в состав белков и других азотистых органических соединений входит еще и азот. Эти четыре элемента - С, О, Н и N получили название органогенных, на их долю в среднем приходится около 95% сухого вещества растений.
При сжигании растительного материала органогенные элементы улетучиваются в виде газообразных соединений и паров воды, а в золе остаются преимущественно в виде окислов многочисленные «зольные» элементы, на долю которых приходится в среднем всего около 5% массы сухого вещества.
Азот и такие зольные элементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, натрий, хлор и железо, содержатся в растениях в относительно больших количествах (от нескольких процентов до сотых долей процента сухого вещества) и называются макроэлементами.
Количественные различия в содержании макро- и микроэлементов в составе сухого вещества растений показаны в таблице 2.
Относительное содержание азота и зольных элементов в растениях и их органах может колебаться в широких пределах и определяется биологическими особенностями культуры, возрастом и условиями питания. Количество азота в растениях тесно коррелирует с содержанием белка, а его всегда больше в семенах и молодых листьях, чем в соломе созревших культур. В ботве содержание азота больше, чем в клубнях и корнеплодах. В товарной части урожая основных сельскохозяйственных культур на долю золы приходится от 2 до 5% массы сухого вещества, в молодых листьях и соломе зерновых, ботве корне- и клубнеплодов 6-14%. Наиболее высоким содержанием золы (до 20% и более) отличаются листовые овощи (салат, шпинат).
Состав зольных элементов у растений также имеет существенные различия (табл. 3). В золе семян зерновых и бобовых культур сумма оксидов фосфора, калия и магния составляет до 90%, а среди них преобладает фосфор (30-50% массы золы). Доля фосфора в золе листьев и соломы значительно меньше, и в ее составе преобладают калий и кальций. Зола клубней картофеля, корней сахарной свеклы и других корнеплодов представлена преимущественно оксиданом калия (40-60% массы золы). В золе корнеплодов содержится значительное количество натрия, а в соломе злаков - кремния. Более высоким содержанием серы отличаются бобовые культуры и растения семейства капустные.
| Культура | P 2 O 5 | K 2 O | СаО | MgO | SO 4 | Na 2 O | SiO 2 |
| Пшеница | |||||||
| зерно | 48 | 30 | 3 | 12 | 5 | 2 | 2 |
| солома | 10 | 30 | 20 | 6 | 3 | 3 | 20 |
| Горох | |||||||
| зерно | 30 | 40 | 5 | 6 | 10 | 1 | 1 |
| солома | 8 | 25 | 35 | 8 | 6 | 2 | 10 |
| Картофель | |||||||
| клубни | 16 | 60 | 3 | 5 | 6 | 2 | 2 |
| ботва | 8 | 30 | 30 | 12 | 8 | 3 | 2 |
| Сахарная свекла | |||||||
| корни | 15 | 40 | 10 | 10 | 6 | 10 | 2 |
| ботва | 8 | 30 | 15 | 12 | 5 | 25 | 2 |
| Подсолнечник | |||||||
| семена | 40 | 25 | 7 | 12 | 3 | 3 | 3 |
| стебли | 3 | 50 | 15 | 7 | 3 | 2 | 6 |
В состав растений в относительно больших количествах входят кремний, натрий и хлор, а также значительное число так называемых ультрамикроэлементов, содержание которых исключительно мало - от 10 -6 до 10 -8 %. Физиологические функции и абсолютная необходимость этих элементов для растительных организмов еще не окончательно установлены.
