31.1: 植物的营养需求

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培养技能

描述植物如何获得营养
列出适当的植物营养所需的元素和化合物
描述一种必需的营养素

植物是独特的生物，可以通过根系吸收养分和水分，以及大气中的二氧化碳。土壤质量和气候是植物分布和生长的主要决定因素。土壤养分、水和二氧化碳以及阳光的结合使植物得以生长。

植物的化学成分

由于植物需要碳和钾等元素形式的营养，因此了解植物的化学成分非常重要。植物细胞中的大部分体积是水；它通常占植物总重量的80％至90％。土壤是陆地植物的水源，即使看起来很干燥，也可以成为丰富的水源。植物根部通过根毛吸收土壤中的水分，然后通过木质部将其输送到叶子上。随着水蒸气从叶子中流失，蒸腾过程和水分子的极性（这使它们能够形成氢键）将更多的水从根部向上通过植物吸收到叶子（图\(\PageIndex{1}\)）。植物需要水来支持细胞结构、新陈代谢功能、携带营养和进行光合作用。

插图显示了根尖端。根尖裸露，头发向上长得更远。根部顶部的横截面显示木质部组织穿插着四个椭圆形的外周有韧皮。 — 图\(\PageIndex{1}\)：水分通过根毛被吸收，然后沿木质部向上移动到树叶。

植物细胞需要必需物质（统称为营养素）来维持生命。植物营养素可能由有机化合物或无机化合物组成。有机化合物是一种含有碳的化合物，例如从大气中获得的二氧化碳。从大气二氧化碳中获得的碳构成了大多数植物的大部分干物质。无机化合物不含碳，也不是活生物体的一部分，也不是由活生物体产生的。构成土壤溶液大部分的无机物质通常被称为矿物质：植物所需的氮气（N）和钾（K）用于结构和调节。

必需营养素

植物只需要光、水和大约20种元素来满足其所有生化需求：这20种元素被称为必需营养素。要将一种元素视为必需元素，需要三个标准：1）没有该元素，植物就无法完成其生命周期；2）没有其他元素可以发挥该元素的功能；3）该元素直接参与植物营养。

**表\(\PageIndex{1}\)：**植物生长必需元素
常量营养素	微量营养素
碳 (C)	铁（铁）
氢气 (H)	锰 (Mn)
氧气 (O)	硼 (B)
氮气 (N)	钼（钼）
磷 (P)	铜（铜）
钾 (K)	锌（锌）
钙（钙）	氯气 (Cl)
镁 (Mg)	镍（镍）
硫 (S)	钴 (Co)
	钠 (S)
	硅（硅）

常量营养素和微量营养素

基本元素可分为两组：常量营养素和微量营养素。植物大量需要的营养素被称为常量营养素。大约一半的必需元素被认为是常量营养素：碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁和硫。这些常量营养素中的第一种是碳（C），是形成碳水化合物、蛋白质、核酸和许多其他化合物所必需的；因此，它存在于所有大分子中。平均而言，电池的干重（不包括水）为50％的碳。如图所示\(\PageIndex{2}\)，碳是植物生物分子的关键部分。

图中显示了三种纤维素纤维和纤维素的化学结构。纤维素由葡萄糖亚基的未分支链组成，形成长而直的纤维。 — 图\(\PageIndex{2}\)：纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，占植物物质的百分之三十以上。它是地球上最丰富的有机化合物。植物能够自己制造纤维素，但需要土壤中的碳才能制造纤维素。

植物细胞中第二丰富的元素是氮（N）；它是蛋白质和核酸的一部分。氮还用于合成某些维生素。氢气和氧气是常量营养素，是许多有机化合物的一部分，也形成水。氧气是细胞呼吸所必需的；植物使用氧气以 ATP 的形式储存能量。磷（P）是另一种大分子，是合成核酸和磷脂所必需的。作为 ATP 的一部分，磷通过氧化磷酸化使食物能量转化为化学能。同样，光能在光合作用中的光磷酸化过程中转化为化学能，在呼吸过程中转化为化学能。硫是某些氨基酸的一部分，例如半胱氨酸和蛋氨酸，存在于几种辅酶中。硫作为电子传输链的一部分在光合作用中也起着作用，其中氢梯度在光能转化为 ATP 中起着关键作用。钾（K）之所以重要，是因为它在调节气孔的打开和关闭方面起着作用。作为气体交换的开口，气孔有助于维持健康的水平衡；钾离子泵支持这一过程。

镁（Mg）和钙（Ca）也是重要的常量营养素。钙的作用是双重的：调节营养物质的运输，以及支持许多酶的功能。镁对光合过程很重要。这些矿物质以及下文所述的微量营养素也有助于植物的离子平衡。

除了常量营养素外，生物还需要少量的各种元素。这些微量营养素或微量元素的存在量非常少。它们包括硼 (B)、氯 (Cl)、锰 (Mn)、铁 (Fe)、锌 (Zn)、铜 (Cu)、钼 (Mo)、镍 (Ni)、硅 (Si) 和钠 (Na)。

这些营养素中的任何一种——尤其是大量营养素——的缺乏都会对植物生长产生不利影响（图\(\PageIndex{3}\)）。根据具体营养素的不同，缺乏会导致生长发育迟缓、生长缓慢或萎黄（叶片变黄）。极度缺乏可能导致叶片显示出细胞死亡的迹象。

图 (a) 显示了种有两个绿色番茄果实的番茄植物。水果底部变成了深棕色。照片 (b) 显示一株有绿叶的植物；有些叶子变黄了。照片（c）显示了一片黄色的五叶叶叶，有绿色的静脉。照片（d）显示绿色棕榈叶，尖端为黄色。 — 图\(\PageIndex{3}\)：营养缺乏在这些植物表现出的症状中很明显。这种（a）葡萄番茄患有缺钙引起的花端腐烂。这个 (b) *Frangula alnus* 的泛黄是由镁缺乏引起的。镁不足还会导致（c）介入性萎黄，这在甜香糖叶中可以看出。这个（d）手掌受到缺钾的影响。（来源 c：修改吉姆·康拉德的作品；来源 d：马尔科姆·曼纳斯对作品的修改）

日常连接：水培法

水培法是一种用水营养素溶液而不是土壤种植植物的方法。自问世以来，水培法已发展成为研究人员经常使用的一种成长过程。对研究植物营养缺乏感兴趣的科学家可以使用水培法在严格控制的条件下研究不同营养素组合的影响。水培法也已发展成为在温室环境中种植花卉、蔬菜和其他作物的一种方式。你可能会在当地的杂货店里找到水培种植的农产品。今天，你们市场上的许多生菜和西红柿都是水培种植的。

摘要

植物可以通过其根系吸收无机营养素和水分，并从环境中吸收二氧化碳。有机化合物与水、二氧化碳和阳光的结合产生了使植物得以生长的能量。无机化合物构成土壤溶液的大部分。植物通过土壤获得水。水被植物根部吸收，将养分输送到整个植物，并维持植物的结构。必需元素是植物生长不可或缺的元素。它们分为常量营养素和微量营养素。植物需要的大量营养素是碳、氮、氢、氧、磷、钾、钙、镁和硫。重要的微量营养素包括铁、锰、硼、钼、铜、锌、氯、镍、钴、硅和钠。

词汇表

无机化合物: 不含碳的化合物；它不是活生物体的一部分或由活生物体产生的化合物

常量营养素: 植物生长所需的大量营养素；碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁和硫

微量营养素: 少量所需的营养素；也称为微量元素

有机化合物: 含有碳的化合物