С.В. ДРУЖИНИН,
п/о Витмановская, Каргопольский р-н,
Архангельская обл.

Особенности минерального питания растений

Тематическое планирование

В школьном курсе естественных наук представления о минеральном питании растений и о составе и классификации удобрений рассматриваются разрозненно, поэтому учащиеся не получают целостного представления о минеральном питании растений и, тем более, о практическом использовании удобрений. Так, например, элементы, необходимые для питания растений, рассматриваются в курсе биологии 6-го класса (раздел «Растения»), но в этот период учащиеся не имеют представления о химическом составе удобрений. С химическим составом удобрений учащиеся познакомятся только в курсе химии 9-го класса, в котором обычно ни слова не говорится о значении конкретных элементов в питании растений и о правилах использования удобрений на практике.

Восполнить этот пробел поможет блок уроков, интегрированных в области химии и биологии, и предназначенный для учащихся 9-го класса. Данный блок может быть использован в курсе химии при изучении минеральных удобрений (по программе Фельдмана Ф.Г. и Рудзитиса Г.Е.) или в курсе химии по программе О.С. Габриеляна, в которой специально предусмотрено для этого время. При наличии свободных часов данную тему можно включить в курс общей биологии 9-го класса. В любом варианте данный раздел целесообразно включить в планирование после изучения темы о строении клетки и ее химическом составе и ближе к концу учебного года.

Ниже представлено примерное тематическое планирование и разработка одного (вводного) урока по данной теме.

Урок 1. Особенности минерального питания растений. Минеральные удобрения

Цели урока:

– познакомится с историей развития представлений о минеральном питании растений, сформировать представление об особенностях минерального питания растений, а именно об основных микро- и макроэлементах, необходимых для нормального роста и развития растений, их значении для растения, об оптимальных дозах элементов в питании растений;

– изучить состав и классификацию минеральных удобрений и порядок их использования; выработать умения анализировать состояние растения и делать выводы о недостатке конкретных макроэлементов в его питании;

– сформировать знания о безопасном обращении с удобрениями;

– выработать навыки приготовления питательных смесей.

Оборудование: схема «Классификация удобрений»; образцы минеральных удобрений; пластиковое или эмалированное ведро с известным объемом воды и полное минеральное удобрение для приготовления удобрительной смеси; образцы растений, выращенные методом водных культур (Приложение 1); карточки для учащихся; портреты Либиха и Прянишникова; плакат «Бочка Добенека» (Приложение 2); плакат со сведениями о количестве микро- и макроэлементов, содержащихся в листьях огурца; схемы строения молекул белка, ДНК, РНК, АТФ.

Подготовка к уроку: предварительно выдать учащимся материал для сообщений на уроке; наиболее подготовленным учащимся за месяц до урока дать практические задания по выращиванию растений методом водных культур; повторить материал о питании растений и химическом составе клетки.

ХОД УРОКА

Д.Н. Прянишников

Учитель биологии. 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. За последние 90 лет там, где рос один колос, стало расти четыре – во столько раз возросла на земном шаре средняя урожайность зерновых! И 40–50% прироста сельскохозяйственной продукции получают сегодня за счет минеральных удобрений. Как? Почему? И что же это за чудо-вещества? Это нам предстоит сегодня выяснить.

Ученик. Древнеримские писатели Катон, Вергилий, Варрон и Колумелла указывали на необходимость механической обработки почвы перед посевом семян растений и на желательность внесения в почву навоза, извести и т.п.
В 1563 г. во Франции опубликовано сочинение Палисси, где он высказывает мысль о том, что почти во всех растениях и животных находятся соли, поэтому именно они необходимы для питания растений. По некоторым причинам Палисси был заточен в Бастилию, где и скончался в 1589 г. На два с половиной столетия его труды были забыты.
В XVII в. ученые полагали, что для питания растений нужна только вода, а вещества, образующиеся в процессе роста, растение создает само внутри своего тела загадочной и мистической «силой жизни», вложенной в него творцом.
Весомый вклад в учение о питании растений внес немецкий ученый-химик Юстас Либих (1803–1873). Еще во времена учебы Либиха в гимназии ее ректор Циммерман назвал его с двумя другими учениками класса болванами, из которых никогда ничего не выйдет. Но он ошибся. Так, за свои труды, внесшие заметный вклад в российское земледелие, автор «Сельскохозяйственной химии» четырежды награждался русскими орденами. Каковы же заслуги Юстаса Либиха в развитии учения о минеральном питании растений?

Ученик. В 1840 г. Либих ввел в науку понятие «лимитирующих факторы». Он изучал влияние содержания различных химических элементов в почве на рост растений и сформулировал принцип: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Сформулированный им закон хорошо иллюстрируется «бочкой Добенека», клепки которой условно обозначают факторы жизни растений. Фактический урожай определяется высотой самой низкой клепки, т.е. количеством фактора, находящегося в минимуме. Если заменить данную клепку (например, восполнить недостающий элемент питания), то уровень воды в бочке (урожай растений) будет определять другая клепка, оказавшаяся в изменившихся условиях самой короткой.

В плеяде имен русских исследователей минерального питания растений особое место занимает академик Дмитрий Николаевич Прянишников (1865–1948). Ему удалось опровергнуть господствовавшее в западно-европейской науке представление о том, что потребности всех высших растений в питании и на всех фазах их развития могут быть удовлетворены какой-то идеальной «стандартной» комбинацией отдельных элементов. Его исследования показали, что каждый вид растения предъявляет специфические требования к количествам и сочетаниям отдельных элементов. Кроме того, потребность растения в отдельных элементах изменяется на разных фазах его развития. Это положение имеет громадное практическое значение, являясь основой нового метода искусственного поднятия урожайности.

Учитель биологии. Итак, после длительных исследований ученые выяснили, какие именно элементы требуются для полноценного роста и развития растений. Слово учителю химии.

Учитель химии. Из почвы растения должны получать следующие элементы: азот, фосфор, калий, кальций, магний, которые являются макроэлементами. В гораздо меньших количествах ему требуются также бор, медь, молибден, цинк, марганец, железо, сера. Так, например, листья здорового растения огурца содержат следующие элементы.

Макроэлементы

Азот – 3,9%
Фосфор – 0,38%
Калий – 4%
Кальций – 7%
Магний – 0,77%

Микроэлементы

Железо – 0,015%
Бор – 0,008%
Марганец – 0,005%
Молибден – 0,0004%

Это наводит на мысль о том, что если в почве недостаточно тех или иных элементов питания, необходимых для нормального роста и развития растений, то их необходимо в почву внести. Для этого используются химические соединения перечисленных выше элементов. Исключениями являются соединения кальция и магния, которые в почвах присутствуют в достаточных количествах (известняк, доломит).

Учитель раздает учащимся карточки (одну на четверых) и предлагает выбрать из списка веществ те, которые можно использовать в качестве удобрений. После самостоятельной работы учащиеся поодному выходят к доске и записывают на ней в определенный столбик, согласно схеме классификации, предложенный ими вариант удобрения из карточки. Одновременно они мотивируют свой ответ, почему выбранный вариант удобрения можно использовать на практике. Учитель корректирует их ответы.

В процессе этой работы создается схема классификации минеральных удобрений и определяются требования к соединениям, которые можно использовать в качестве удобрений.

1. Они не должны без необходимости изменять кислотность почвы: т.е. из списка исключаются кислоты, основания (исключение составляет NH₄ОH), оксиды.

2. Они должны иметь минимальное содержание хлора и других нежелательных для растения элементов. Так, например, хлорид калия лучше заменить другой солью того же металла. На хлор отрицательно реагируют картофель, гречиха, лен, табак, виноград, цитрусовые, овощные и плодово-ягодные культуры. Хотя использование этого соединения не исключается, т.к. оно является достаточно дешевым и входит в состав природного соединения – сильвинита (смесь хлоридов калия и натрия).

3. Они не должны быть газами (исключение: сжиженный аммиак).

Учитель дает название и краткую характеристику каждому удобрению, а учащиеся переносят схему в тетрадь.

Учитель биологии. Похоже, что найден беспроигрышный способ повышения урожайности растений – надо лишь внести в почву минеральные удобрения. Но все ли так просто? Минеральные удобрения – это скорее лекарство, а передозировка лекарств не менее опасна, чем их отсутствие. Об этом нельзя забывать, и применять минеральные удобрения нужно в соответствии с «сигналами», которые получены от растений в ходе диагностики питания. Что же это за сигналы? Об этом нам расскажут учащиеся, которые заранее поставили соответствующие эксперименты. Результаты их опытов мы сейчас увидим.

1-й учащийся. Демонстрирует растение, выращенное на водном растворе солей, концентрация и состав которых были подобраны оптимальным образом, т.е. питательный раствор содержал все необходимые для питания растения макро- и микроэлементы в нужных дозах. Затем он же демонстрирует растение, выращенное на растворе с чрезмерно высоким содержанием солей.

2-й учащийся. Демонстрирует растение, росшее на растворе, не содержащем азота.

3-й учащийся. Демонстрирует растение, росшее на растворе, не содержащем фосфора.

4-й учащийся. Демонстрирует растение, росшее на растворе, не содержащем калия.

5-й учащийся. Демонстрирует растение, росшее в воде без удобрений.

По результатам опытов учащиеся делают выводы, а учитель дополняет их ответы.

1. При оптимальном составе и концентрации всех элементов питания растение развивалось наилучшим образом.

2. При избыточной концентрации солей в питательном растворе растение было сильно угнетено или погибало. (Здесь же учитель сообщает о влиянии избыточного внесения в почву азотных удобрений на накопление растением нитратов, наносящих вред здоровью человека при употреблении таких растений в пищу. При достатке времени этот вопрос можно расширить, рассказав учащимся о способах обнаружения нитратов в продуктах питания, о их концентрации в разных частях овощей и фруктов и о недопустимости внесения больших доз азотных удобрений в период созревания плодов, т.к., во-первых, увеличивается содержание нитратов в плодах, а во-вторых, избыток азота в почве вызывает усиленный рост «ботвы» и, как следствие, – низкий урожай.)

3. При недостатке азота у растений наблюдается замедление роста, окраска листьев становится бледно-зеленой, затем желтой.

4. При недостатке фосфора наблюдаются следующие признаки: молодые мельчают листья, окраска листьев голубовато-темно-зеленая, с фиолетовыми, красноватыми, бурыми пятнами. Часто на нижней стороне листьев появляется красно-фиолетовая окраска.

5. При недостатке калия наблюдается краевой «ожог» листьев, а также их морщинистость и закручивание вниз.

Здесь же следует упомянуть о том, что перечисленные выше признаки не всегда наблюдаются явно, и их появление зависит еще от некоторых факторов, например от вида выращиваемого растения.

Учитель химии (С использованием плакатов о строении органических соединений). Вы сами наглядно доказали, что недостаток того или иного элемента в питании растения недопустим. Какую же роль они играют? Оказывается, азот входит в состав органических соединений и является составной частью молекул белка, т.е. выполняет функцию строительного материала. Кроме того, он является составной частью хлорофилла, без которого невозможен фотосинтез.
Фосфор входит в состав соединений, участвующих в синтезе белков, жиров, крахмала, участвует в передаче наследственных признаков.
Калий участвует в обмене веществ, усиливает образование сахаров в листьях и их передвижение в другие органы, увеличивает устойчивость растений к засухе, т.к. улучшает поступление воды в клетки и снижает интенсивность процесса испарения.
Вот далеко не полный перечень значимости макроэлементов, но ведь есть еще и микроэлементы, и хотя их требуется совсем немного, они не менее важны для растения.

Ученик. Обычно информацию о порядке использования удобрения можно найти на его упаковке. Научиться внесению удобрений не составляет труда. Удобрения можно вносить перед перекопкой, можно подкармливать растения раствором в процессе вегетации, а можно опрыскивать растения раствором нужного состава. Однако при любом способе использования необходимо строго соблюдать основные правила: не превышать дозы внесения удобрений и соблюдать меры личной гигиены (перчатки, при необходимости респиратор, избегать попадания смеси на кожу, а особенно на слизистые оболочки и в дыхательные пути).
Затем ученик растворяет определенную дозу минерального удобрения в ведре с водой и просит дежурного по окончании занятий полить этим раствором растения в своем классе.

Учитель биологии. Мы рассмотрели основные принципы питания растений, использования минеральных удобрений, однако за время урока невозможно рассмотреть эту обширную тему в деталях. Кроме того, мы не упомянули об органических удобрениях (навоз, компост, птичий помет и др.) которые обладают преимуществами перед минеральными. Их мы рассмотрим несколько позже.
Стоит напомнить о том, что теория, не подтвержденная практикой, принесет мало пользы, поэтому, дорогие друзья, как только растает снег – за лопату и на огород. Богатого вам урожая!

Для закрепления материала можно предложить тест, работа над которым происходит в форме фронтальной беседы.

Далее учитель выдает каждому учащемуся задание (Приложение 3) работа над которым проводится дома. В текст необходимо вставить пропущенные слова.

Приложение 1

Приготовление питательных смесей для выращивания растений методом водных культур (гидропоники)

Необходимо растворить следущие удобрения в 5 л воды:

кальциевая селитра – 2,38 г.;
калийная селитра – 1,66 г.;
суперфосфат – 2,74 г.;
сульфат калия и магния – 3,14 г.;
хлористое железо – 8 г.

Cерной кислотой довести рН готового раствора до значения 5,3–5,7. Раствор лучше готовить на водопроводной воде или воде из природных водоемов, т.к. она уже содержит некоторое количество микроэлементов, которых бывает вполне достаточно для выращивания растений до стадии в несколько листьев.
Для приготовления раствора, не содержащего азот, можно в рецепте заменить селитру хлоридами тех же металлов.
Для приготовления раствора, не содержащего фосфор, из рецепта исключается суперфосфат.
Для приготовления раствора, не содержащего калий, из рецепта исключаются его соли.
Пророщенные семена растений (томаты, огурцы) высаживаются в колбы объемом 100 мл, заполненные питательным раствором. Растение крепятся к горлышку колбы с помощью кусочка ваты, обернутого вокруг стебелька.
Для обеспечения корней кислородом необходимо ежедневно пропускать через раствор воздух или, что гораздо удобнее, встряхивать наполовину заполненную раствором колбу, закрытую пробкой.
Периодически необходимо заменять раствор свежим.
Для предотвращения появления водорослей на стенках колбы, последнюю лучше обернуть светонепроницаемой бумагой.
Для получения результатов достаточно, чтобы на растении образовалось 3–6 настоящих листьев.
Кроме того, растениям необходимо создать оптимальный температурный и световой режим.

Приложение 2

Бочка Дробенека

Приложение 3

Дачник Калий Нитратович сейчас находится на заслуженном отдыхе и занимается выращиванием овощей у себя на участке. Две недели он не мог выехать из города на свой участок из-за сильной занятости. И вот, наконец, он на даче.

Проснувшись с первыми лучами солнца, Калий Нитратович вышел на свой огород. В теплице уже стали окрашиваться плоды томатов, на грядках стала завязываться капуста, в парниках… Впрочем, не будем перечислять все то, что выращивал Калий Нитратович.

Вдруг он обнаружил, что верхние листья огурцов стали желтоватыми, а нижние пожелтели совсем. От чего бы это могло быть? Порывшись в справочниках, Калий Нитратович решил, что им не хватает жизненно важного элемента – ....... . Он растворил один спичеченый коробок ......... в лейке воды и полил огурцы.

Затем он заглянул в теплицу с помидорами. На листьях и плодах поселился микроскопический грибок, вызывающий фитофтороз. «Надо почаще проветривать теплицу», – подумал Калий Нитратович, а пока он сделал раствор .......... и опрыскал им растения.

Рассмотрев повнимательнее листья томатов, Калий Нитратович обнаружил, что на них появились фиолетовые пятна, нижняя сторона у листьев была красновато-фиолетовая, а некоторые листья засохли. Решив, что растениям не хватает ........., он растворил в воде .......... и полил этим раствором томаты.

Целую сотку на участке занимал картофель. Калий Нитратович вот уже третий год пытался вывести новый сорт картофеля и назвать его своим именем – «Нитратный». Клубни его картофеля после трех лет скрещивания и отбора были действительно очень крупными. Взглянув на листья картофеля, Калий Нитратович обнаружил на них краевой «ожог». Кроме того, листья начинали морщиться и закручиваться вниз. В запасах Калия Нитратовича был целый мешок комплексного удобрения, но он решил не использовать его для картофеля, ведь на дворе уже стоял август, а избыток азота в почве мог вызвать ускоренный рост ботвы, что сказалось бы на урожае. Кроме того, в клубнях могли бы накопиться нитраты. Судя по окраске листьев, картофелю требовался только ........ и Калий Нитратович подкормил картофель раствором ..............

На одном из картофельных кустов Калий Нитратович обнаружил колорадского жука, который как-то странно смотрел на нашего дачника и, казалось, даже ухмылялся. Калий Нитратович был вне себя от такой наглости. «Вот я вас!» – погрозил он кулаком, взял банку и стал руками собирать вредителей. От опрыскивания картофеля пестицидами Калий Нитратович отказался из-за предстоящего вскоре сбора урожая.

Справив все огородные дела, Калий Нитратович зашел в дом. В доме был сильный запах аммиака. Калий Нитратович вспомнил, что он не закрыл бутылку с нашатырным спиртом, которым он сначала хотел удобрить свои огурцы, но потом передумал, вспомнив, что раствор аммиака обладает щелочной реакцией, а в почву он не так давно вносил гашеную известь, и она уже не была кислой.

Ответ: азот, аммиачная селитра, медный купорос, фосфор, суперфосфат, калий, сульфат калия.