Влияние удобрений на рост и развитие растений

Знаменитый автор «Путешествий Гулливера» Джонатан Свифт 300 лет назад сказал, что тот, кому удастся взрастить два колоса на том месте, где рос один, заслужит вечную благодарность человечества. Сегодня 40-50 % прироста сельскохозяйственной продукции получают за счет минеральных удобрений. Как? Почему? И что же это за чудо - вещества?

Строительным материалом для любого живого организма, в том числе и для растения, служат определенные органические вещества. Растение находит эти вещества в почве и поглощает их в растворенном виде. Но вот незадача - чем лучше урожай был в этом году, тем беднее осталась после него земля и тем хуже урожай можно ожидать в будущем. Ежегодно с каждого гектара поля уносится в среднем около 22,2 кг азота, 8,7 кг оксида фосфора (V) и 25,8 кг оксида калия. А от наличия в почве достаточного количества этих веществ зависит не только продуктивность растений, но и их качество: содержание белка в зерне, крахмала в картофеле, сахара в свекле, прочность волокон хлопка и льна. Но и это ещё не всё. Это устойчивость посевов к заморозкам и засухе, сопротивляемость их вредителям, грибковым и бактериальным болезням.

Влияние 1 кг различных веществ на повышение плодородия почвы.

1 кг оксида калия К2О дает добавочный урожай

1 кг оксида фосфора дает добавочный урожай:

1 кг азота дает добавочный урожай:

Азот, калий и фосфор - именно их растениям нужно больше всего, и как раз их меньше всего остается в почве после уборки урожая.

Где же выход?

Вносить эти вещества искусственно. Издавна было замечено, что урожайность повышают навоз, птичий помет, торф, отходы боен и пивоварен. Эти так называемые органические удобрения используют и сегодня. Но, увы, нельзя полностью компенсировать потери жизненно важных элементов из почвы внесением только органических веществ. Получать азот, фосфор и калий из полезных ископаемых и вносить в землю в виде растворимых солей.

Минеральные удобрения

Азот в виде селитры стали вносить в почву, когда сам азот еще даже не был открыт. А к концу 19 века стали вносить природные соединения, никаким образом не очищенные и подвергшиеся единственной обработке- размолу, например: чилийская селитра NaNO3 , фосфоритная мука Ca3(PO4)2 , или сильвинит KCl*NaCl. У этих удобрений было одно достоинство- дешевизна, зато масса недостатков. Во-первых, мировые запасы чилийской селитры ограничены и сосредоточены практически в одном месторождении.

Во-вторых, в любой руде содержатся вредные вещества: фтор в фосфоритной муке, хлор в сильвините. И наконец, в-третьих, это дополнительные затраты для перевозки бесполезного балласта.

Азотные удобрения

У азотных удобрений тоже есть одно неоспоримое преимущество перед фосфорными: все нитраты , а также все соли аммония хорошо растворимы в воде. Наиболее распространенные азотные удобрения- сульфат аммония ( массовая доля азота 21%), нитрат аммония ( массовая доля азота – 35 %) и мочевина ( массовая доля азота- 46%).

Аммиачная селитра (NH4NO3) – удобрение очень ценное, можно даже сказать уникальное- азот в нем содержится и в нитратной, и в аммонийной форме. Получается аммиачная селитра нейтрализацией разбавленной азотной кислоты газообразным аммиаком и дальнейшим упариванием полученного раствора с массовой долей азотной кислоты 98-99%.

NH3 + HNO3 = NH4NO3

Аммиачная селитра пригодна для удобрения любых почв, но представляет массу неудобства для людей. Во–первых, оно очень гигроскопично, поэтому быстро слеживается и становится непригодным для использования.

Во- вторых, нередко это удобрение становится даже опасным. Так, при температуре около 2200С аммиачная селитра взрывается.

Самое концентрированное твердое азотное удобрение (массовая доля азота 46 %) – знаменитый карбамид или мочевина. Это удобрение не только прекрасно усваивается растениями, но и может использоваться как азотная добавка к кормам животных. Производство карбамида – довольно сложный технологический процесс. Общее уравнение этой реакции:

2NH3 + CO2 = (NH2)2CO + H2O

Сульфат аммония ( (NH4)2SO4 ) не может соперничать с двумя предыдущими удобрениями ни по содержанию азота, ни по универсальности применения. Многократное внесение этого удобрения приводит к закислению почв, поэтому его приходится нейтрализовать известью. Однако, у сульфата аммония есть одно преимущество – его дешевизна.

Калийные удобрения

В калии особенно нуждаются технические культуры: клевер, подсолнечник, лен, картофель, табак. Чаще всего эти удобрения получают из сильвинита (NaCl* KCl), карналлита (KCl* MgCl2* 6H2O) или каинита (KCl* MgSO4 * 3H2O).

К сожалению, ни одна из этих солей в чистом виде служить удобрением не может. Основой любого технологического процесса является выделение из руды хлорида калия.

Хлорид калия – самое концентрированное удобрение. Но содержащийся в нем хлор необходим далеко не всем растениям. Поэтому применение хлорида калия весьма ограничено.

Гораздо шире используются сульфат калия (K2SO4) и поташ (К2СО3). Последнее можно вносить только на зачисленные почвы - у него ярко выраженная щелочная реакция. К тому же поташ очень гигроскопичен. И все же его важное достоинство – отсутствие хлора перекрывает порой все его недостаток.

Фосфорные удобрения

Растения усваивают фосфор из почвы главным образом в виде фосфат – иона (РО43-). Различают три типа солей ортофосфорной кислоты - ортофосфатов: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Растворимость этих солей неодинакова. Поэтому растения по–разному усваивают из них фосфор. Из фосфатов и гидрофосфатов растворимы лишь соли щелочных металлов, зато дигидрофосфаты растворимы все без исключения.

Фосфора в почве может быть достаточно много, но содержится он в основном в виде труднорастворимых соединений алюминия и кальция.

На первый взгляд кажется, что , чем лучше растворимо удобрение, тем лучше оно усваивается растением. Однако такое удобрение может быть вымыто с поля первым же ливнем. Кроме того, немало сельскохозяйственных культур ( таких, как люпин, гречиха, горчица, горох) прекрасно усваивают труднорастворимый преципитат (СаНРО4) и даже фосфорит (3Са3(РО4)2 * СаF2). Дело в том, что эти растения из корневых волосков выделяют органические кислоты с рН 4-5, в которых «неподатливые» фосфориты растворяются значительно лучше, чем в воде. И все же основное требование, предъявляемое к фосфорным удобрениям, - растворимость.

Питательная ценность фосфорных удобрений условились выражать через массовую долю оксида фосфора (V).

Самое дешевое фосфорное удобрение – это тонко измельченный фосфорит – фосфоритная мука. Фосфор содержится в ней в виде нерастворимого в воде фосфата кальция Са3(РО4)2. Основную массу добываемых фосфорных руд перерабатывают химическими методами с использованием фосфорной или серной кислоты в кислые соли.

Простой суперфосфат - продукт обработки серной кислотой фосфорита или апатита: Са3(РО4)2 + 2Н2SO4 = 2CaSO4 + Ca(H2PO4)2.

Массовая доля оксида фосфора в простом суперфосфате не превышает 20 %. Этот не много. Кроме того, большую долю этого удобрения составляет «балласт» - сульфат кальция.

В другом фосфорном удобрении – двойном суперфосфате - в отличие от простого нет не усваиваемого растениями гипса. Производство этого удобрения связано с применением фосфорной кислоты вместо серной. Это исключает образование, каких- либо не усваиваемых растениями веществ.

Са3(РО4)2 + 4Н3РО4 = 3Са (Н2РО4)2

Массовая доля оксида фосфора в получающемся удобрении достигает 50%.

На основе фосфорной кислоты добавлением к ней избытка гашеной извести Са(ОН)2 можно получить еще одно фосфорное удобрение – преципитат, содержащий 27- 42 % фосфорного ангидрида.

2Н3РО4 + Са(ОН)2 = Са(Н2РО4)2 + 2Н2О

Са(Н2РО4)2 + Са(ОН)2 = 2СаНРО4 + 2Н2О

Комплексные удобрения

Преимущества комплексных удобрений очевидны - питательные вещества распределяются более равномерно, затраты на внесение значительно сокращаются, и поле не засоряется балластом.

В комплексных удобрениях составляющие их вещества должны входить в строго определенных пропорциях. Если какого-то элемента не будет хватать, растения будут болеть, снизится урожай; если же другого будет слишком много это также негативно скажется на развитии растения или же приведет к накоплению минеральных веществ с самом организме. Все многообразие почвенно - климатических зон можно обеспечить комплексными удобрениями. В двойных комплексных удобрениях часто встречается следующие отношения компонентов: азот : фосфор – 1 : 2,5 или 1: 4, фосфор : калий – 1 : 1 или 1 : 1,5, а в тройных азот : фосфор : калий – 1 : 1 : 1 или 1 : 1 : 1,5.

Классификация удобрений.

Элементы жизни

Азот входит в состав белка. Несмотря на изобилие азота в атмосфере, фиксировать его растения не умеют. Зато из почвы они могут получать азот в двух формах. Одна из них нитратная, т. е. в виде нитрат- иона -NO3 - , а другая- аммонийная- в виде аммиака.

Фосфор – элемент важнейшего органического соединения для любого организма аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота служит аккумулятором энергии в живой клетке. Фосфор принимает активное участие в восстановлении и распаде углеводов, оказывая тем самым большое влияние на рост растения, его цветение и плодоношение.

Если листья бледнеют и отмирают, а стебель становится слабым и сгибается под собственной тяжестью, в «пище» растений почти наверняка не хватает калия. При недостатке этого элемента снижается интенсивность фотосинтеза, а дыхания, напротив, повышается. Калийные удобрения значительно повышают урожай пшеницы, зернобобовых и многих других сельскохозяйственных культур.

Азот, фосфор и калий - элементы, в которых растения нуждаются больше всего. Но эти, же элементы в самых больших количествах уносятся из почвы вместе с урожаем, и вновь ввести их в землю можно только с помощью минеральных удобрений.

Сера, как правило, содержится в почве в достаточных количествах и усваивается в виде сульфат - иона. Этот элемент входит в состав молекул некоторых аминокислот, составляющих растительные белки.

Что касается магния, то этот элемент входит в состав хлорофилла - и этим все сказано. Ведь хлорофилл – вещество, с помощью которого в растениях осуществляется фотосинтез! Но фотосинтез не будет осуществляться и без железа. Последний элемент нужно в небольших количествах, однако, карбонатные почвы часто не имеют даже необходимого минимума этого элемента, чтобы стать плодородными.

А вот недостаток кальция в почве будет сказываться на развитии и росте растений двояко. С одной стороны, кальций нужен и самому растению: без него не может развиваться корневая система. А с другой стороны, почва, лишенная кальция, станет кислой и потеряет способность удерживать питательные вещества.

Растениям нужны и многие другие элементы: бор, марганец, цинк, медь, молибден. Данные элементы называют микроэлементами, но и они крайне необходимы растениям, хоть и в гораздо меньших количествах. При недостатке бора снижается урожайность растений, их сопротивляемость болезням. Цинк способствует образованию в растениях витаминов и поглощению атмосферной углекислоты, повышает их морозоустойчивость, а марганец способствует образованию витамина С. Медь принимает активнейшее участие в окислительно - восстановительных реакциях, протекающих в живых клетках.

Опытный агрохимик и без всяких приборов почти наверняка скажет, какого элемента не хватает растению. Если нижние листья растения становятся бледно – зелеными, а потом уже все, начиная с верхушки, буреют и опадают, ему не хватает азота. А вот при недостатке фосфора нижние листья, наоборот становятся темно – зелеными и даже фиолетовыми. Не хватает магния - прежде всего желтеют листья, кальция - верхние побеги становятся белесыми, бора- растения перестают тянуться вверх, верхушка начинает ветвиться.

Примеры можно продолжать, но можно сделать уже и общий вывод: чтобы земля кормила нас, мы должны «кормить» землю, и пища это - всевозможные удобрения.

Экологический аспект использования удобрений

Однако технология внесения удобрений для получения максимального урожая и длительного поддержания плодородия почвы очень сложна и требует определенной экологической культуры.

Оптимальное соотношение между органическими и минеральными удобрениями, их дозировка, сроки внесения, способ и место внесения, использование полива и рыхления почвы, учет погодных условий – вот неполный перечень факторов, влияющих на эффективность применения удобрений.

Передозировка, неправильные сроки или способ внесения азотных удобрений приводит к накоплению в почве и, соответственно, в растениях нитратов, вредных в избыточных количествах для человека. Поверхостное и чрезмерное внесение удобрений приводит к смыву части этих веществ в реки и другие водоемы, отравлению воды, флоры и фауны. множество примеров нерационального обращения с удобрениями говорит о необходимости тщательного и серьезного выполнения всех работ в этой отрасли сельского хозяйства.

Комнатное растение колеус - как объект исследования

Для проведения исследовательской работы по выявлению влияния различных удобрений на рост и развитие растений нами было выбрано растение из семейства губоцветных – колеус. Многочисленные сорта колеусов происходят от нескольких видов, растущих в диком состоянии на острове Ява.

Летом это растение требует светлого, теплого помещения, частой пересадки в хорошую парниковую землю, обильной поливки и жидкого удобрения. В холодное время года колеус до того чувствителен, что с трудом может более или менее перезимовать в комнатах, при средней температуре 150С и самой умеренной поливке.

Красивее всех разновидности колеуса с красными или расписанными красным цветом листьями. У некоторых видов они достигают весьма больших размеров. Стебель ребристый, четырехгранный; листья располагаются супротивно. Цветы совершенно невзрачные и появляются обыкновенно у тех растений, которые терпят недостаток в питании. Размножение колеуса очень легкое, посредством черенков, укореняющихся за несколько дней.

Расчет массовой доли питательных компонентов

Массовую долю азота в удобрении рассчитывают так же, как и массовую долю элемента в каком- либо соединении с известной молекулярной формулой. Например, для определения массовой доли азота в натриевой селитре находят сначала относительную молекулярную массу вещества.

Mr (NaNO3) = 23 + 14 + 16*3 =85

Далее относительную молекулярную массу азота Ar (N) = 14 делят на относительную молекулярную массу соединения, и результат выражают в процентах:

W = = 16, 5 %

В результате расчетов получили следующие массовые доли азота в азотных удобрениях:

Название Химический Относительная Массовая удобрения состав молекулярная масса доля азота

Аммиачная селитра NH4NO3 80 35

Карбамид (NH4)2CO 64 43

Сульфат аммония (NH4)2SO4 132 21

Натриевая селитра NaNO3 85 16,5

Кальциевая селитра Ca(NO3)2 164 17

При определении массовой доли P2O5 и K2O в удобрении нужно учитывать, что в самих удобрениях соединений, отвечающих этим формулам, нет, и поэтому расчет носит условный характер. Например, массовую долю P2O5 в двойном суперфосфате Са(Н2РО4)2 рассчитывают следующим образом: находят относительную молекулярную массу дигидрофосфата кальция:

Мr ( Са(Н2РО4)2 ) = 40 +1*4 + 31*2 + 16*8 = 234 и относительную молекулярную массу оксида фосфора P2O5 :

Мr(P2O5) = 31*2 +16*5 =142.

Зная молекулярную массу оксида фосфора и учитывая, что в молекулах обоих сравниваемых веществ содержится одинаковое число атомов фосфора (по два атома), делят второе число на первое и результат умножают на 100.

W= = 60,7 %

Название Химический Относительная Массовая удобрения состав молекулярная масса доля оксида фосфора %

Суперфосфат двойной Са(Н2РО4)2 234 60,7

Суперфосфат простой Са(Н2РО4)2 + 506 28

2 СаSО4

Фосфоритная мука Са3(РО4)2 312 45,5

Преципитат СаНРО4 *2 Н2О 172 41,3

Рассмотрим теперь, как определяют в удобрениях массовую долю К2О.

Пусть требуется найти массовую долю К2О, отвечающую чистому хлориду калия. Для этого находят относительную молекулярную массу хлорида калия:

Mr (KCl) = 39 +35,5 =74,5 и относительную молекулярную массу оксида калия:

Мr (К2О) = 39*2 + 16 = 94

Зная относительную молекулярную массу оксида калия и учитывая, что в молекуле хлорида калия один атом калия, а в молекуле оксида калия – два атома, необходимо разделить относительную молекулярную массу оксида калия на удвоенную относительную молекулярную массу хлорида калия и результат умножить на 100:

W= = 63,1 %

Название Химический Относительная Массовая

Удобрения состав молекулярная масса доля оксида калия %

Хлорид калия KCl 74,5 63,1

Сульфат калия К2SО4 174 54

Массовые доли питательных веществ комплексных удобрений рассчитывают аналогично для каждого вида и результаты суммируются.

Название Калиевая Аммофос Аммофоска Нитроаммофос Нитроаммофоска удобрения селитра

Химический (NH4)2HPO4 + NH4H2PO4(NH4)2HPO4 + NH4H2PO4 + NH4H2PO4 +

состав KCl NH4H2PO4 + NH4NO3 NH4NO3 + KCl

Относительная молекулярная 101 247 336,5 195 269,5

Массовая 13,8 17 12,5 14,4 10,4

доля азота %

Массовая доля 57,5 43,1 36,4 26,3

Массовая доля К2О % 46,5 - 14 - 17,4

Сопоставив значения рассчитанных массовых долей питательных элементов, мы выбрали наиболее ценные минеральные удобрения – карбамид , двойной суперфосфат, сульфат калия и аммофоска, приготовили слабые растворы этих солей (0,5 %).

Посадка растений и наблюдения за их развитием

10 апреля путем черенкования нами было посажено 5 растений. Для этого, мы отобрали черенки одинакового размера (с одинаковым количеством листьев). Растения посадили в и почву однородного состава. Через каждые три дня мы осуществляли полив и делали записи в журнале наблюдений.

В последнее время рекомендуется так называемые минеральные удобрения, состоящие из смеси различных солей. По большей части каждое из таких удобрений рассчитано на то, чтобы возместить или увеличить содержание в земле какого-нибудь определенного пищевого элемента. Нужно заметить, что если земля в горшках суха, то давать жидкое удобрение нельзя; в этом случае сначала землю поливают чистой водой, затем уже удобрением, и если есть основание думать, что последнее слишком сильно, то вновь чистой водой.

Необходимо помнить следующие два обстоятельства:

1) большинство удобрений обладают едкими свойствами;

2) растения могут усваивать питательные вещества лишь в весьма слабых растворах.

Из этого ясно, что жидкие удобрения, легко проникают к самым мелким корням и при неумеренном употреблении могут причинить большой вред. Поэтому удобрять следует слабо, а для усиления действия проводить более частые поливки. Наибольшее количество питательных веществ поглощается растениями в разгар лета, когда они находятся в периоде активного роста; с наступлением же периода отдыха и вплоть до начала нового периода роста не следует давать никаких удобрений.

Первое растение мы поливали раствором азотного удобрения, второе - фосфорного, третье - калийного, четвертое - комплексного, пятое - водой.

Обработка результатов исследования

Результаты исследований зависимости роста и развития растений от используемых удобрений представлены в виде таблиц и графиков.

Влияние удобрений на рост растений (см).

10 апр 13 апр 17 апр 20 апр 23апр 27 апр 2 мая

Азотные 6 6,5 7 9 10,5 12 13

Фосфорные 6 7 7 8 9 11 11

Калийные 6 6,5 7,5 8,5 9 10 11

Комплексные 6 7 8 9 10 11 12

Вода 6 6 6 6 7 8,5 8,5

Влияние удобрений на развитие растений (количество листьев).

10 апр 13 апр 17 апр 20 апр 23апр 27 апр 2 мая

Азотные 9 9 11 11 13 13 18

Фосфорные 9 10 10 14 14 15 24

Калийные 9 9 9 10 11 11 16

Комплексные 9 9 15 17 21 26 27

Вода 9 9 10 10 12 13 18

Как видно из первой таблицы, наиболее сильное влияние на рост растения оказывают азотное и комплексное удобрения.

Вторая таблица отражает благотворное влияние комплексного удобрения на увеличение количества листьев исследуемых образцов колеуса. Содержание калия и фосфора обеспечивает развитие и наращивание корневой системы, что способствует большему поступлению питательных веществ, а азот ускоряет дальнейшее развитие вегетативной органов.

Обобщение

1. Из проведенного исследования видно, что для нормального роста и развития растений необходимы минеральные вещества. Но усваиваться они могут только в растворенном виде.

2. Чистая вода хотя и не приводит к бурному росту, но способствует жизнедеятельности растений.

3. Полноценное развитие растений происходит при использовании комплексных удобрений.

4. Количество вносимых удобрений должно быть строго ограниченным, т. к. избыток минеральных веществ накапливается в почве, что негативно сказывается на развитии растений.