گفتار 1
تغذیهٔ گیاهی
تغذیه گیاهان و منابع تامین مواد
مقدمه
در ادامهٔ آشنایی با ساختار گیاهان در فصل گذشته، این فصل به بررسی جذب و انتقال مواد در گیاهان می‌پردازد.
اگرچه گیاهان می‌توانند به کمک نور خورشید و فرایند فتوسنتز، ترکیبات آلی مانند کربوهیدرات‌ها و در پی آن پروتئین‌ها و لیپیدها را تولید کنند، اما همچنان برای رشد و بقا، نیازمند جذب آب و مواد معدنی از محیط اطراف خود هستند.
این ترکیبات معدنی:
عمدتاً به وسیلهٔ ریشه‌ها از خاک جذب شده.
سپس از طریق آوندها به نواحی گوناگون گیاه منتقل می‌شوند.
مواد حاصل از فتوسنتز نیز به طور گسترده در اندام‌های گیاه پراکنده می‌شوند. در این فصل، به نحوهٔ جذب و جابه‌جایی این مواد می‌پردازیم.
دریافت مواد مورد نیاز از محیط
گیاه برای تأمین نیازهای تغذیه‌ای خود از منابعی مانند هوا، آب و خاک استفاده می‌کند:
۱. هوا
گازی که نقش کلیدی در تغذیهٔ گیاه دارد، کربن‌دی‌اکسید (CO₂) است. دلیل اهمیت آن، وجود عنصر کربن در ساختار این مولکول است که پایهٔ اصلی مواد آلی در گیاهان به‌شمار می‌رود.
این گاز از راه روزنه‌هایی که در سطح برگ‌ها و ساقه‌ها قرار دارند، به فضای بین یاخته‌ای نفوذ می‌کند.
بخشی از CO₂ در آب حل شده و به شکل یون بیکربنات (HCO ⁻₃) درمی‌آید؛ گیاهان می‌توانند این شکل محلول را از طریق ریشه جذب کنند.
۲. خاک
ریشه‌ها از طریق سازوکارهای گوناگون، قادر به جذب آب و ترکیبات معدنی از خاک هستند. این جذب برای رشد، تولید و انتقال مواد ضروری است.
ترکیبات خاک و مواد مورد نیاز گیاه
خاک از سه بخش عمده تشکیل شده است:
ترکیبات آلی
ذرات معدنی (غیرآلی)
ریزجانداران (میکروارگانیسم‌ها)
ترکیب و نسبت این اجزا در مناطق مختلف، بر ویژگی‌های خاک اثرگذار است؛ از جمله:
ظرفیت نگهداری آب
میزان تهویه و هوادهی خاک
مقدار و نوع ترکیبات معدنی موجود
سطح اسیدی یا قلیایی بودن محیط خاک (pH)
هوموس یا گیاخاک
هوموس، لایه سطحی خاک است که به طور ویژه از بقایای گیاهی و جانوری در حال تجزیه تشکیل شده است.
ویژگی‌های کلیدی گیاخاک:
دارای بار منفی است؛ در نتیجه یون‌هایی با بار مثبت، نظیر پتاسیم، کلسیم و آمونیوم را جذب کرده و از شسته‌شدن آنها با جریان آب از سطح خاک جلوگیری می‌کند.
ساختار متخلخل این لایه، نفوذ ریشه‌ها را آسان ساخته و به بهبود تهویه کمک می‌کند.
منشأ ذرات غیرآلی و تأثیر آن بر خاک
خاک از ذرات غیرآلی در اندازه‌های مختلف مانند رس، شن و ماسه تشکیل شده است. این ذرات از طریق فرایند هوازدگی از سنگ‌ها به‌وجود می‌آیند.
انواع هوازدگی
هوازدگی فیزیکی: شامل تغییرات دمایی مانند یخ زدن و ذوب شدن متناوب است که موجب خرد شدن سنگ‌ها می‌شود.
هوازدگی شیمیایی: زمانی رخ می‌دهد که ترکیبات اسیدی تولیدشده توسط ریشه‌های گیاه یا ریزجانداران با سنگ‌ها واکنش داده و باعث تجزیه آنها شوند.
ترکیب این ذرات با لایهٔ هوموس، ساختار کامل‌تری از خاک را شکل می‌دهد که توانایی گیاه در جذب مواد را به‌طور مؤثر تحت تأثیر قرار می‌دهد.
تاثیر ذرات خاک بر رشد ریشه
خاک‌های مختلف، ذراتی با اندازه‌های مختلف دارند و رشد ریشۀ گیاهان در خاک‌های رسی و ماسه‌ای با چالش‌ها و فرصت‌هایی مخصوص به خود روبه‌روست.
هرچه میزان شن بیشتر باشد نفوذپذیری، زه‌کشی، تهویه بیشتر و مواد غذایی کمتر خواهدبود.
هرچه میزان رس بیشتر باشد نفوذپذیری، زه‌کشی و تهویه کمتر و مواد غذایی بیشتر خواهدبود.
مخلوطی از رس و شن برای خاک مناسب است.
جذب مواد معدنی خاک
گیاهان برای رشد مناسب و تولید مواد زیستی، نیازمند جذب عناصر معدنی مختلفی از خاک هستند. در میان این عناصر، نیتروژن و فسفر از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند:
نیتروژن در ساختار پروتئین‌ها و مولکول‌های وراثتی نقش اساسی دارد.
فسفر تنها در مولکول‌های وراثتی وجود دارد و در رشد گیاه نیز نقش حیاتی ایفا می‌کند.
گیاهان ترکیبات این دو عنصر را بیشتر از خاک جذب می‌کنند.
بنابراین، فسفر در ساختار پروتئین‌ها وجود ندارد، ولی نیتروژن در هر دو ساختار دیده می‌شود.
جذب نیتروژن
۱. نقش نیتروژن در گیاهان
با وجود آنکه حدود ۷۸٪ از ترکیب جو زمین را نیتروژن مولکولی (N₂) تشکیل می‌دهد، گیاهان توانایی استفاده مستقیم از این شکل نیتروژن را ندارند.
برای تأمین نیاز گیاه، نیتروژن باید ابتدا به اشکال قابل جذب تبدیل شود، مانند:
یون آمونیوم (NH⁺₄)
یون نیترات (NO⁻₃)
۲. اشکال قابل جذب نیتروژن
فرم‌های قابل جذب نیتروژن در خاک، آمونیوم و نیترات هستند. این ترکیبات به‌طور طبیعی در نتیجه فعالیت زیستی ریزجانداران در خاک به‌وجود می‌آیند.
نقش ریزجانداران خاک
گروهی از آنها، نیتروژن گازی (N₂) موجود در جو را گرفته و آن را به آمونیوم تبدیل می‌کنند ← باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن
برخی دیگر، ترکیبات آلی نیتروژن‌دار مانند پروتئین‌ها را تجزیه کرده و آمونیوم تولید می‌کنند ← باکتری‌های آمونیاک‌ساز
گروهی نیز آمونیوم حاصل را به یون نیترات تبدیل می‌کنند ← باکتری‌های نیترات‌ساز
۳. تثبیت نیتروژن
فرایند تبدیل نیتروژن گازی جو به یون‌های قابل جذب برای گیاه، تثبیت نیتروژن نام دارد.
این فرایند از طریق فعالیت‌های زیستی باکتری‌های خاصی در خاک انجام می‌شود.
این باکتری‌ها یا به‌صورت آزاد زندگی می‌کنند یا با برخی گیاهان وارد همزیستی می‌شوند.
نمونه‌هایی از این باکتری‌ها:
ریزوبیوم
سیانوباکتری‌ها
مسیر انتقال نیتروژن تثبیت‌شده به گیاه:
بخشی از آن مستقیماً توسط باکتری‌ها دفع می‌شود.
بخش دیگر، پس از مرگ و تجزیه‌ی باکتری‌ها در خاک آزاد شده و توسط گیاه جذب می‌شود.
۴. تلاش برای ایجاد گیاهان تثبیت‌کننده نیتروژن
در حال حاضر، پژوهش‌هایی برای انتقال ژن‌های دخیل در تثبیت نیتروژن به گیاهان در حال انجام است تا گیاهان بتوانند بدون وابستگی به باکتری‌ها، نیتروژن مورد نیاز خود را مستقیماً جذب کنند.
مسیرهای مختلف تبدیل ترکیبات نیتروژن‌دار در خاک و نقش هر دسته از باکتری‌ها در شکل 1 نمایش داده شده‌اند.
شکل 1 - تغییرات مواد نیتروژن‌دار و چگونگی جذب آنها از خاک
جذب فسفر
۱. نقش فسفر در گیاهان
فسفر (P) یکی دیگر از عناصر ضروری برای رشد گیاه است و کمبود آن موجب کاهش سرعت رشد و توسعهٔ گیاه می‌شود. گیاهان این عنصر را به‌صورت یون فسفات (⁻PO₄³) از خاک جذب می‌کنند.
۲. دسترس‌پذیری فسفات در خاک
با وجود اینکه مقدار زیادی فسفات در خاک وجود دارد، این عنصر اغلب برای گیاهان قابل جذب نیست. دلیل این موضوع:
تمایل بالای یون فسفات به اتصال با ترکیبات معدنی دارای بار مثبت در خاک است.
فسفات نمی‌تواند با اجزای گیاخاک که دارای بار منفی هستند، پیوند برقرار کند.
این پیوندهای محکم باعث می‌شود فسفات از حالت محلول خارج شده و از دسترس ریشه دور بماند.
۳. سازوکارهای گیاه برای افزایش جذب فسفر
برای مقابله با این محدودیت، گیاهان به روش‌های مختلفی سازگار شده‌اند:
گسترش بیشتر شبکهٔ ریشه‌ای برای افزایش تماس با خاک
افزایش تعداد تارهای کشنده در ناحیهٔ ریشه
تارهای کشنده یاخته‌هایی تخصص‌یافته هستند که از تمایز روپوست ریشه حاصل می‌شوند و با افزایش سطح تماس ریشه با خاک، در جذب فسفر و سایر عناصر معدنی مؤثرند.
بهبود خاک
در بسیاری از مناطق، خاک‌ها به دلیل فزونی یا کمبود برخی عناصر، برای رشد گیاهان مناسب نیستند. اصلاح این‌گونه خاک‌ها، شرایط را برای کشاورزی و رویش گیاهان بهبود می‌بخشد.
در صورت کمبود مواد مغذی، افزودن کود می‌تواند شرایط را برای رشد گیاهان مساعد کند. به همین دلیل، در بیشتر کودها عناصر اصلی مورد نیاز گیاه مانند نیتروژن، فسفر و پتاسیم وجود دارند.
تشخیص نیازهای تغذیه‌ای گیاهان
برای بررسی دقیق نیازهای گیاهان، پژوهشگران آنها را در محیطی شامل مواد مغذی کشت می‌دهند: این محیط از آب و مواد غذایی حل‌شده با نسبت‌های مشخص تشکیل شده است. این شرایط امکان می‌دهد:
نیاز واقعی گیاه به عناصر مختلف مشخص شود.
اثر هر عنصر به‌صورت مجزا بررسی شود.
تأثیر نبود یا فزونی هر مادهٔ مغذی قابل مشاهده و تحلیل باشد.
شکل 2 - دستگاه ساده‌ای برای کشت گیاهان در محلول‌های مغذّی
نقش نیتروژن، فسفر و پتاسیم در حاصلخیزی خاک
در بیشتر خاک‌ها، مقدار عناصر:
نیتروژن (N)
فسفر (P)
پتاسیم (K)
قابل‌دسترس، اندک است. به همین دلیل، این سه عنصر در ترکیب اغلب کودهای کشاورزی به‌کار می‌روند.
انواع کودها و ویژگی‌های آنها
کودها از نظر منشأ و نحوهٔ عملکرد به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
الف) کودهای آلی
منشأ: بقایای در حال تجزیهٔ جانداران (مثل گیاخاک)
ویژگی‌ها:
مواد معدنی را به صورت تدریجی آزاد می‌کنند.
ترکیب آنها به نیازهای زیستی گیاه شباهت بیشتری دارد ← مصرف بیش‌ازحد آسیب کمتری دارد.
معایب: ممکن است به عوامل بیماری‌زا آلوده باشند.
ب) کودهای شیمیایی
منشأ: ترکیبات معدنی ساخته‌شده به‌وسیلهٔ فرآیندهای صنعتی.
ویژگی‌ها:
مواد مغذی را سریع و مستقیم در اختیار گیاه می‌گذارند.
برای جبران فوری کمبود عناصر مفید هستند.
معایب:
مصرف بی‌رویه آنها باعث تخریب ساختار خاک و آلودگی محیط زیست می‌شود.
با شسته‌شدن، وارد منابع آبی شده و موجب رشد افزایش‌یافتهٔ جلبک‌ها، میکروارگانیسم‌ها و گیاهان آبزی می‌شوند.
این رشد بیش‌ازحد مانع رسیدن نور و اکسیژن کافی به آب شده و در نهایت، به مرگ جانوران آبزی می‌انجامد.
ج) کودهای زیستی (بیولوژیک)
منشأ: باکتری‌های مفید خاک
عملکرد: با فعالیت و تکثیر, باعث افزایش مواد معدنی قابل‌جذب در خاک می‌شوند.
مزایا:
استفاده آسان و کم‌هزینه
بدون معایب رایج کودهای شیمیایی و آلی
معمولاً به همراه کودهای شیمیایی استفاده می‌شوند تا بهره‌وری افزایش یابد.
انواع کودها
نوع کود | اجزا | آزادسازی مواد معدنی | شباهت به نیازهای جانداران | عوارض مصرف زیاد | ویژگی خاص |
آلی | بقایای در حال تجزیه جانداران | به آهستگی | بیشترین شباهت | آسیب کم به گیاهان | احتمال آلودگی به بیماری‌زا |
شیمیایی | مواد معدنی قابل جذب سریع | به سرعت | کمترین شباهت | آسیب به خاک و محیط زیست | شسته‌شدن و آلودگی منابع آبی |
زیستی | باکتری‌های مفید خاک | در پی فعالیت و تکثیر باکتری‌ها | – | آسیب نمی‌زند. | بدون عیوب دو نوع دیگر |
اثر فزونی مواد معدنی بر رشد گیاهان
همان‌طور که کمبود عناصر رشد گیاه را مختل می‌کند، افزایش بیش‌ازحد آنها نیز ممکن است مسمومیت‌زا باشد.
نمونه‌هایی از توانایی ذخیره‌ی عناصر توسط گیاهان:
سرخس: برخی گونه‌های این گیاه می‌توانند فلزات سمی مانند آرسنیک را در ساختار خود ذخیره کنند.
گل ادریسی:
می‌تواند آلومینیوم را جذب و ذخیره کند.
در خاک‌های اسیدی، رنگ گل‌ها آبی می‌شود (به‌دلیل جذب بیشتر آلومینیوم)
در خاک‌های خنثی یا قلیایی، یون‌های آلومینیوم به ذرات خاک متصل می‌مانند و جذب گیاه نمی‌شوند ← در این شرایط، گل‌ها صورتی باقی می‌مانند.
شکل 3 - الف) رنگ گل گیاه ادریسی در خاک‌های اسیدی، ب) قلیایی و خنثی
کاهش شوری خاک با استفاده از گیاهان
افزایش نمک در خاک موجب کاهش کیفیت آن می‌شود.
راهکار: با کاشت گیاهانی که توانایی جذب و ذخیره نمک در بافت‌های خود را دارند، می‌توان شوری خاک را کاهش داد. کشت متناوب این گیاهان در چند فصل، می‌تواند میزان نمک‌های مضر خاک را به‌تدریج کاهش دهد و موجب بهبود کیفیت آن شود.