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1、精选优质文档-倾情为你奉上植物营养学上册下册第一章 绪论 )第一章肥料概论 第二章大量营养元素 ) ) ) )第二章 氮肥 ) )第三章中量营养元素 ) )第三章 磷肥 ) ) )第四章微量营养元素第四章 钾肥 ) )第五章有益元素 ) )第五章微量元素肥料 ) ) ) )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 ) )第七章养分的吸收 ) ) )第七章复混肥料 )第八章养分的运输和分配 ) )第八章 绿肥 ) )第九章矿质营养与植物生长、产量和品质的关系 ) )第九章有机肥料及城乡有机废弃物的农业利用 ) ) )第十章植物营养性状的遗传学特性 )第十章肥
2、料的科学施用与管理 )第十一章植物对逆境土壤的适应性 ) ) )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、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
3、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，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
4、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
5、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，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、浙江等省均属高产地区，如上海市和浙江省年平均每公顷产
6、量均在11 250 kg以上，而全国仍有3 300多万hm2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。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
7、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1640年在布鲁塞尔进行了著名的柳条试验。他
8、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。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
9、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
10、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。法国的农业化学家布森高(Boussingault,1802-1887 )是采用田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。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，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
11、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)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,1803-1873）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
12、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
13、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
14、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
15、育家。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，1842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
16、系统研究工作一直延续至今。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。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，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
17、为厩肥的作用只是供给灰分元素。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；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
18、、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
19、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系。(2) 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
20、个重要分支。它是一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
21、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。盆栽试验与田间试验不同，它是在严格
22、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、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，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
23、种类很多，常用的有：土培法、砂培法和营养液培养法等。在研究特殊营养问题时，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。（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
24、而确定了误差的估计方法，帮助试验者评定试验结果的可靠性并能客观地认识试验资料，合理地判断试验结果，做出正确的科学结论。近些年来，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
25、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
26、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。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，这无疑能加速植物营养学学科向纵深
27、发展。复习思考题1. 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。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。干物质燃烧时，
28、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。193
29、9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。对高等植物来说，即由种子萌发到再结出种子的过程。(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
30、，如黎科植物需要钠；豆科作物需要钻；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
31、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）、镁(Mg)、硫(S）、铁(Fe）、硼(B）、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼（Mo)和氯(Cl）。上述必需营养元素是经过较长时间、陆续确定的。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养物质，而后来发现水是由氢和氧2种元素组成的。碳：1800年由Senebier和Saussure确定为必需营养元素氮：1804年Saussure发现了植物对它的必需性。磷、钾、镁、硫、
32、钙：1839年由Sprengel等人确定为植物的必需营养元素。铁：1844年Cris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。锰：1922年由J. S. McHargue确定为必需营养元素。硼：1923年K. Warington在蚕豆试验中发现缺硼的典型症状，接着A. L.Sommer和C. B. Lipman(1926),Brenchley(1927)也证实了硼的必需性。锌:1926年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. Mac
33、kinney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证明它是一种必需的营养元素。氯：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，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。糖类是合成
34、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，
35、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。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
36、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、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，温室内经常通气不足，CO2浓度常低于0.03%。生产实践中证明，使温室内CO2浓度提高到0.1%时，只要其他生长因素配合得好，能使净光合率增加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或固体CO2（干冰），燃烧石蜡、天然气
37、、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，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，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，是由两条相当长的多核昔酸以双螺旋形式
38、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DNA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(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
39、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。氢在氧化还原反应中作为还原剂，参与NADP还原过程。质子在光合磷酸化中起着重要的作用。此外，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、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
40、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，而且还通过其他方面间接影响植物的生长发育。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
41、很敏感，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值也可通过其他机制影响酶的活性。在植物生长过程中，以CO2为C源、以NH4+、NH3、N2或CO(NH2)2为氮源时，氧化代谢是过量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
42、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产生。在没有O2作为末端电子受体时，也能还原某些其
43、他底物。其活性受Co的抑制。可逆性氢酶催化放H2，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(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的中间产物与其相应的脱氢酶反应而产生。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植物需要多种营养
44、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
45、低。如小麦子粒含氮2.0%-2.5%，而茎秆仅含0.5%左右；豆科作物子粒含氮4.5%-5%，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
46、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；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。（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%85%，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
47、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(mRN
48、A)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。缺少相应的酶，代谢过程就很难顺利进行。氮