СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗОЛЫ РАСТЕНИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ

В настоящее время установлено, что большая часть элементов периодической системы Д. И. Менделеева входит в состав растительных веществ. Однако лишь по отношению некоторых достаточно выяснена роль в жизни растений*
Элементы, входящие в состав растительных веществ, до недавнего времени наибольшее внимание привлекали как компоненты пищи растений. Это прежде всего относится к таким элементам, как азот, фосфор, калий (NPK). Другая часть их исследовалась главным образом как участвующая в механизме фотосинтеза — дыхания (Fe, Mg) или в ферментных системах. В последнем аспекте освещалась, в частности, роль микроэлементов (Мп, Со, Мо и др.). Поэтому понятно, что все большее число работ посвящается изучению состава элементов, обнаруживаемых в золе растительного вещества, а также содержанию азота.
Элементы золы растений участвуют также в образовании мел- коземистых продуктов выветривания и почв (Полынов, 1945; Глазовская, 1945, 1956 и др.).
Выяснено, что хотя и многие элементы находятся в составе растительного вещества, однако некоторые из них представлены в очень различных количествах. Различия эти связаны с определенными видами растений или носят характер региональных особенностей, зависимых от условий местообитания.
Выявленные различия в составе элементов в растительном веществе в более общем плане указывают на очевидную и высокую роль в этой дифференциации биологических особенностей отдельных видов или групп растений. Наиболее яркими примерами в этом отношении могут служить бобовые — растения, особенно богатые азотом (в связи с их повышенной белковостью), и затем злаковые, для которых характерно повышенное содержание кремния.
Наряду с этим отмечены случаи повышенного содержания в растениях элементов в местах выхода на поверхность горных пород, обогащенных данными элементами. Эта особенность растений использована в фитоиндикационном методе поиска руд, а также в установлении биогеохимических провинций (Виноградов, 1949).
Обнаруженная зависимость химизма растений от состава минерального субстрата проявляется в известной мере по-разному в случае разных видов растений. Это обстоятельство в исследовательской работе характеризуется определением рядов поглощения элементов относительно их содержания в минеральном субстрате. В рядах поглощения выражен как характер субстрата, на котором развивается растение, так и его физиологические особенности. Таким образом, различные содержания отдельных элементов связываются как с факторами внешней среды, так и со свойствами живого растения. Понятно, что ряды поглощения давали весьма сложную картину закономерностей накопления отдельных элементов в растениях.
Однако в геохимии, в трудах В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана, А. П. Виноградова, давно уже подмечено наличие некоторых общих закономерностей в распределении элементов в живом веществе. А. Е. Ферсман (1958) указал, что подавляющая часть атомов живого вещества в Менделеевской таблице занимает место среди первых 23 элементов и к тому же группируется около оси благородных газов, образуя определенное «поле элементов жизни». Им же были впервые высказаны некоторые соображения об энергетических основах дифференциации элементов в живом веществе, о накоплении в мертвых, скелетных частях элементов с наиболее устойчивой решеткой и с большой энергией ([Si04]4“, Са2+ [СОз]2“. Са3[Р04]22"), тогда как в самих процессах построения живой клетки принимают участие преимущественно легкие элементы большой валентности (С4+, Р5+, N5+), которые, однако, выступают в этом случае в качестве подвижных комплексных анионов больших радиусов и малых величин энергии решетки.
Все это делало весьма перспективным рассмотрение в энергетическом аспекте, т. е. с учетом строения атома концентрации отдельных элементов в растительном веществе.
В этом отношении надо признать весьма интересной статью Г. Купера (Cooper, 1950), оставшуюся, однако, незамеченной в советской литературе. Между тем статья появилась с особым предисловием редактора, высоко оценивавшим исследования Г. Купера в развиваемой им области.
В статье Г. Купера «Значение энергетических свойств некоторых элементов питания растений на доступность, величину поглощения и интенсивность окислительно-восстановительных реакций» рассмотрены энергетические свойства элементов пищи
растений, такие, как окислительно-восстановительный потенциал, соотношение относительной силы ионов и поглощение некоторых питательных веществ, механизм филогенетической устойчивости в растении, различия в росте протеиновых и углеводных растений в связи с питанием, качеством доступной энергии Солнца, потребность в энергии при восстановлении и ассимиляции некоторых анионов и др. Как видим, подход широкий и во многом совершенно новый. В заключительной части статьи Г. Купер высказывает следующие соображения.
Содержание элементов пищи в растениях кажется более близко коррелирующим с относительной силой ионов, чем с концентрацией их в питательной среде. Селективное исключение отдельных элементов представляется очень отличным от избирательной аккумуляции их. Так, в результате исключения Са растение может поддерживать запас С02, более благоприятствующий фотосинтезу.
Г. Купер допускает, что некоторые функции питательных элементов растений связаны с их энергетическими свойствами и способностью вступать в реакции окисления — восстановления на определенных энергетических уровнях. Качество радиационной энергии, используемой растением в реакциях фотосинтетических, может быть связанным с качеством синтезированных смесей элементов пищи растений.
Качество энергии, потребное для восстановления и ассимиляции питательных анионов, изменяется в широких пределах. Поглощение может, очевидно, наблюдаться при относительно низком энергетическом уровне по сравнению с С и Р. Специфичность азотной фиксации почвенными организмами заключается в том, что при этом нет прямого участия радиационной энергии солнечного света, тогда как ассимиляция С осуществляется высшими растениями со специальной структурой для использования радиационной энергии, что иллюстрирует две ассимиляционные реакции с весьма различными энергетическими уровнями.
Избирательная аккумуляция Mg и Р в семенах, корнях и других запасающих тканях, имеющих отношение к репродукции, может быть связана с энергетической стабильностью фосфорных соединений. (Mg3)(P04)2, возможно, наиболее устойчивое соединение, которое может быть быстро ассимилировано с доступной энергией в реакциях дыхания и окисления.
Высказана также мысль, что одна из важнейших функций микроэлементов, возможно, заключается в изменении потенциала водных растворов. Некоторые металлы могут увеличивать потерю заряда Н+ и этим обусловливать возможность его вхождения в органические соединения на более высоком энергетическом уровне.
Некоторые мысли, высказанные Г. Купером, носят, конечно, характер гипотез. Но есть среди них и убедительно вытекающие из экспериментов.
Здесь прежде всего надо отметить произведенное Г. Купером

сопоставление содержания в растительном веществе ряда элементов с их окислительно-восстановительным потенциалом. Действительно, из табл. 8 хорошо видна несомненная связь в содержании К, Na, Са, Mg, Mn, Fe со значением их окислительно-восстановительного потенциала (некоторые значения стандартного потенциала исправлены по новым данным). Вполне закономерный характер этой связи особенно наглядно показан на рис. 19.
Поскольку окислительно-восстановительный потенциал обусловлен структурой атома, можно было допустить, что отмеченный закономерный характер содержания элементов в растительном веществе должен обнаруживать связь и с другими энергетическими характеристиками элементов. В этом отношении представляла интерес, в частности, возможность привлечения тех же энергетических характеристик, которые были использованы ранее в геохимических работах, а также в приложении к минеральной части почв (Волобуев, 1968а).
Известно, что А. Е. Ферсман успешно применил в геохимическом анализе расчет решетки минералов. При этом под энергией решетки минералов донимается количество энергии, которое надо затратить на удаление атомов вещества на бесконечное расстояние одного от другого.

В качестве показателя величины этой энергии А. Е. Ферсман (1958) ввел энергетический коэффициент ЭК как пай энергии, который вносит каждый ион в гетерополярное соединение при его образовании из ионов, находящихся в бесконечности. Им предложено несколько методов расчета 5/Г, в том числе и по формуле ЭК=ш2/2г (где w ~ валентность, г — радиус иона), позволяющей понять физическую основу этого коэффициента. Использование формулы А. Ф. Капустинского (1934) с множителем 256,1 -ЭК позволяет выразить энергетическую характеристику решетки в больших калориях на грамм-молекулу вещества. А. Е. Ферсман привел таблицы значений ЭК и значений 256,1 ЭК для всех элементов Менделеевской таблицы и многих химических соединений (окислов и солей), облегчающих соответствующие расчеты. Наряду с ЭК А. Е. Ферсман использовал в качестве энергетической характеристики еще ВЭК, получаемый путем деления ЭК соответствующего элемента на его валентность.
Сопоставив величину содержания элементов в растительном веществе со значениями 256,1 *ЭКГ (в ккал-е вещества), мы заметим, что рассмотренные элементы образуют вполне закономерный ряд. Элементы, содержание которых в растительном веществе наиболее значительно, в одном случае обладают наименьшей величиной 256,1-ЭЯ (lt;10 ккал), а в другом — наибольшей (gt;350 ккал). Остальные элементы, содержащиеся в меньшем количестве, характеризуются промежуточными значениями энергии решетки (рис. 20, а).
Закономерный характер подмеченной связи может быть, в частности, выражен таким образом, что, зная энергетические показатели элемента, входящего в число накапливающихся в наи-

больших количествах, мы можем определить (конечно, с известным приближением) и вероятное содержание его в растительном веществе.
Успешное изучение структуры атомов сопровождалось и уточнением их энергетических характеристик. На основании анализа атомных линейных спектров были получены весьма точные значения ионизационных потенциалов (Латимер, 1954).
При исследовании химической связи для оценки противоположности взаимодействующих элементов стали использовать величину электроотрицательности, которая может быть вычислена по формуле Е = Im/n + F, где 1т — потенциал ионизации атома до соответствующего валентного состояния, ккал/г-ат\ п — валентность; F — сродство к электрону, ккал/г-ат. Приведенная А. С. Поваренных (1956) таблица значений электроотрицательности элементов позволила нам предпринять попытку использовать и эту энергетическую характеристику для выяснения роли энергетических свойств элементов в накоплении их в растительном веществе.
Закономерный характер связи между ионными свойствами элементов и содержанием элементов в растительном веществе тоже превосходно обнаруживается по рис. 20, б. Отдельные элементы располагаются по их содержанию и ионизационному потенциалу в общем близко к тому, что уже обнаружено при использовании в качестве энергетического показателя ЭК А. Е. Ферсмана. Это и понятно, поскольку и в первом и во втором случаях учитывается ионизационная сила элементов, хотя и находимая на основе в известной мере разных исходных положений и разными методами.
Резко различное положение на рис. 20, а и б занимает лишь С1, а отметки Si располагаются вполне обособленно. Но именно перемещение С1 в правую ветвь графика придало распределению элементов вполне последовательный характер.
Элементы левой восходящей ветви графика (см. рис. 20, б) — катионы и располагаются в той же последовательности, что и на рис. 19. Но на рис. 20, б они даются в порядке повышения величины отрицательности, а на рис. 19— по возрастанию ионизационного потенциала.
Правую ветвь рис. 20, б составляют уже анионообразующие элементы, располагающиеся в последовательности повышения электроотрицательности: фосфор, сера, хлор, азот.
Элементы, связующие две рассмотренные выше ветви графика и в растительном веществе представленные в относительно меньшем количестве, также образуют вполне специфичную группу элементов, известных своими амфолитоидными свойствами и широким участием в важных ферментативных реакцияах, а также в реакциях фотосинтеза. Это марганец и железо, кроме того и алюминий.
Закономерное распределение элементов по их содержанию в растительном веществе и в связи с их ионизационными свойствами дает основание сказать, что дальнейший более углубленный учет строения атомов отдельных элементов будет полезным для объяснения своеобразия в поведении элементов.
Здесь мы вкратце остановимся лишь на некоторых элементах. А. Е. Ферсман (1959), описывая геохимию азота, указывал, что ионы N5+ слишком активны, чтобы сохраняться в виде свободных катионов, и в присутствии других ионов они дают начало в земной коре трем характерным и важным комплексным ионам:
эк
[CN]1* 0,25              1,95 (сходен с С11")
[NOs]1- 0,19              2,57 (сильная кислота)
[NH4]1+ 0,37              1,13 (сходен с Ю+)
Все эти ионы исключительной подвижности. Особого внимания заслуживает последняя строчка. Вспомним, какую роль отводил Д. Н. Прянишников (1945) в круговороте азота в растении (NH3). Возможно, именно с этой формой существования N связана его высокая концентрация в растительном веществе. Указание на сходство с К также многозначительно, если мы учтем столь же высокую его концентрацию в растительном веществе.
В отношении К надо отметить также некоторую поляризуемость его солей, что вызывает их поглощение более сложными природными комплексами. Отсюда же очень важная геохимическая реакция удержания солей К почвенным покровом и илами (Ферсман, 1959).
Для объяснения особого положения на рис. 20, б калия и в некоторой мере кальция, т. е. повышенного содержания их в растительном веществе, полезно принять во внимание еще следующие обстоятельства, относящиеся уже к области квантовой химии.
А. Ф. Капустинский (1956) обратил внимание на то, что первые 18 элементов системы Менделеева (среди которых из рассматриваемых здесь элементов находятся азот, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор) отличаются тем, что электроны окружают ядро последовательно и плотно, заполняя все электронные оболочки, допустимые принципом запрета Паули. По мнению А. Ф. Капустинского, неудивительно, что эти элементы обладают столь совершенно постоянными атомами и должны быть наиболее устойчивыми по отношению к любым внешним воздействиям, чем, возможно, объясняется их максимальная распространенность.
Все следующие за ними элементы уже с другим характером атомного строения. Первые же за ними калий и кальций имеют незаполненный уровень энергии (3d). Размещение нового электрона на следующем уровне (4s) дает некоторый выигрыш энергии.
Мы не можем в настоящее время с уверенностью сказать, какие же именно последствия вытекают из отмеченной особенности в атомной структуре калия и кальция в отношении их роли в жизни растений, и в частности содержания этих элементов в растительном веществе. Но представляется возможным допустить, что известная неустойчивость некоторых энергетических уровней может быть причиной более активной роли элементов в биохимических реакциях растения.
К этому, может быть, полезно добавить и то, что среди первых 18 элементов с наиболее устойчиво построенными электронными оболочками нет ни одного из элементов, которые используются в сельском хозяйстве в качестве микроудобрений. Все элементы этого рода по характеру расположения электронов в атомах на различных уровнях энергии идут после калия и кальция.
Сообщенное здесь относительно содержания зольных элементов в растительном веществе в связи с их энергетическими характеристиками создает общую основу для анализа превращения веществ в процессах почвообразования как их органической части, так и минеральной. Понятно, что это расширит возможность более углубленной трактовки процессов почвообразования.

<< | >>

Источник: Волобуев В. Р.. Введение в энергетику почвообразования.. 1974

Еще по теме СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗОЛЫ РАСТЕНИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -