Składniki odżywcze dzielą się na dwie duże grupy: organiczne i nieorganiczne. Organiczne składniki odżywcze stanowią od 90% do 95% suchej masy roślin i składają się z pierwiastków węgla, tlenu i wodoru, pochodzących z dwutlenku węgla w powietrzu i wody z gleby. Pozostałe 5 – 10% to tzw. frakcja mineralna.
Dobroczynny wpływ dodawania do gleby minerałów, takich jak popiół z kominków, czy wapno w klimatach deszczowych, znany jest od wieków. Jednak jeszcze około 150 lat temu funkcja różnych składników mineralnych we wzroście roślin była przedmiotem debaty.
Dopóki nie opracowano metod analizy gleby i tkanek roślinnych, nie można było właściwie sformułować najwcześniejszych teorii wyjaśniających rolę tych różnych składników odżywczych i tego, jak niektóre z nich są niezbędne dla wzrostu roślin. Rezultatem było pojęcie niezbędnych elementów do wzrostu roślin.
Jedną z teorii, które wyłoniły się z tych badań, było w połowie XIX wieku prawo minimum, czyli prawo Liebiga (nazwane na cześć niemieckiego barona i chemika Juliusa von Liebiga). Zgodnie z tą teorią wzrost roślin zależy od różnych czynników (woda, CO2, azot, światło, wilgotność względna). W przypadku braku ich minimum rośliny przestają wytwarzać biomasę.
Później, w 1880 roku, botanik Julius von Sachs pokazał, jak rośliny mogą być uprawiane w pożywce bez potrzeby stosowania gleby (hydroponika). Na podstawie swoich eksperymentów z uprawą hydroponiczną i późniejszej analizy tkanek doszedł do wniosku, że ani obecność, ani stężenie pierwiastka w roślinie nie oznacza, że jest on niezbędny.
Rośliny nie są w pełni selektywne podczas pobierania składników odżywczych, więc mogą się zatruć, jeśli w glebie lub pożywce znajdują się szkodliwe pierwiastki. Pochłaniają również nieszkodliwe, ale zbędne pierwiastki.
Niezbędne składniki mineralne
Termin niezbędny pierwiastek mineralny został wymyślony przez amerykańskich badaczy Daniela Arnona i Arlow Scout w 1934 r. Argumentowali oni, że aby pierwiastek został uznany za niezbędny, musi spełniać następujące trzy kryteria:
• W przypadku jego braku roślina nie będzie w stanie zakończyć swojego cyklu życiowego.
• Rola pierwiastka nie może być spełniona przez żaden inny pierwiastek.
• Pierwiastek musi być bezpośrednio zaangażowany w metabolizm lub być niezbędny do określonej fazy metabolicznej, takiej jak np. reakcja enzymatyczna.
• Jeśli pierwiastek spełnia niektóre funkcje pierwiastka podstawowego lub łagodzi skutki pierwiastka szkodliwego, można go nazwać niezbędnym pierwiastkiem.
W przypadku roślin wyższych, takich jak różne gatunki konopi, zidentyfikowano siedemnaście niezbędnych elementów, które są klasyfikowane jako mikroelementy lub makroelementy. Jak sama nazwa wskazuje, mikroskładniki odżywcze są niezbędne tylko do niektórych reakcji enzymatycznych. Mimo to bez nich roślina nie może zakończyć swojego cyklu życiowego.
Niektóre pierwiastki, takie jak nikiel, sód i krzem, są niezbędne tylko dla ograniczonej liczby gatunków, podczas gdy inne są uważane za korzystne.
W miarę opracowywania nowych metod analizy tkanek i produkcji związków niezamierzone dodawanie zanieczyszczeń będzie stopniowo ograniczane, tak że być może ta lista wkrótce się powiększy. Pierwiastki dotychczas nieuznawane za korzystne mogłyby być dodawane do mieszanek nawozowych jako zanieczyszczenia głównych związków (zwłaszcza w przypadku mikroelementów).
Makroelementy
Sześć pierwiastków, którymi zajmiemy się dalej (N, P, K, Mg, S, Ca), wraz z pierwiastkami organicznymi, węglem, wodorem i tlenem, to wszystkie makroelementy. Wiele z nich ma znaczenie w budowie cząsteczek, a ich nazwa nawiązuje do tego, że są one potrzebne w dużych ilościach (ich zawartość w tkankach zawsze przekracza 0,1%).
Azot
Po wodzie azot jest najważniejszym składnikiem odżywczym dla wzrostu roślin, ponieważ jest niezbędny do budowy białek. Ponadto fakt, że ilość azotu w większości gleb jest bardzo niska, nawet w glebach organicznych, oznacza, że bardzo często występują niedobory azotu, podobnie jak niedobory fosforu i potasu.
Większość azotu w glebie występuje w postaci organicznej, której rośliny nie są w stanie przyswoić. Rośliny pobierają z gleby azotany NO3–, a także amon NH4+. Mogą również wchłaniać niewielkie ilości gazowego amoniaku przez liście.
Inny rodzaj pozyskiwania azotu można zaobserwować u rodziny leguminosae. Korzenie tych roślin żyją w symbiozie z niektórymi bakteriami glebowymi zdolnymi do wiązania się z atmosferycznym azotem, N2, który następnie dostarcza roślinie. Następnie roślina redukuje go lub utlenia, odpowiednio, do postaci amonowej lub azotanowej. Dostępność zależy w dużej mierze od życia drobnoustrojów, które przekształcają formy organiczne w formy przyswajalne w procesie zwanym mineralizacją. Dlatego dla ułatwienia wzrostu roślin niezwykle ważne jest utrzymanie stałego poziomu azotu w glebie. Całkowita zawartość azotu w suchej masie rośliny waha się od 1,5% do 5%.
Fosfor
Fosfor jest przyswajalny przez rośliny w postaci jonofosforanowej, najlepiej wchłaniany jako H2PO4– w glebach obojętnych lub lekko kwaśnych oraz jako HPO42– w glebach kredowych. Fosfor występuje w roślinach w postaci fosforanów w wysokoenergetycznych cząsteczkach ATP (trójfosforanu adenozyny) i odgrywa fundamentalną rolę w procesach przemiany materii, oddychaniu i fotosyntezie.
W glebach silnie kredowych fosfor jest nierozpuszczalny, co powoduje konieczność podawania go jako pożywki (np. z P-K 13-14). Absorpcja mikoryzowa to kolejna ważna droga wchłaniania. Tutaj grzyby glebowe rozpuszczają i absorbują fosfor, dzięki czemu jego dostępność ogromnie wzrasta, co korzystnie wpływa na wzrost roślin.
Potas
Potas jest głównym składnikiem najczęściej sprzedawanych nawozów. Jego zachowanie jest bardzo podobne do azotu i fosforu. Łatwo jest przekierowywany z najstarszych do najmłodszych organów roślinnych, dlatego niedobór potasu obserwuje się głównie w starszych lub niższych liściach. Regulując otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych, potas odgrywa fundamentalną rolę w transpiracji.
Ponadto aktywuje ponad pięćdziesiąt kompleksów enzymatycznych, choć w niektórych przypadkach można go zastąpić sodem. Odpowiada również za nabrzmiały wygląd roślin (tj. Sztywne i energiczne liście i łodygi). K+ jest najobficiej występującym kationem w roślinach i może stanowić do 10% ich suchej masy.
Siarka
Siarka występuje w niektórych aminokwasach i różnych enzymach. Odgrywa również ważną rolę w oddychaniu komórkowym. Siarka jest wchłaniana w postaci siarczanu SO42- i w tej samej postaci jest transportowana przez ksylem rośliny. Może być również wchłaniany przez aparaty szparkowe liści jako dwutlenek siarki, SO2, zanieczyszczenie atmosferyczne powstające podczas spalania paliw kopalnych.
Kiedy tak się dzieje, w roślinie wytwarzany jest produkt zwany wodorosiarczynem, który wypiera magnez z cząsteczki chlorofilu, zmniejszając w ten sposób fotosyntezę. Często jest to rekompensowane, ponieważ w miejscach o dużym natężeniu ruchu również stężenie dwutlenku węgla jest bardzo wysokie, co rekompensuje niekorzystne działanie gazowej siarki. Stosunek siarki do azotu w roślinach wynosi często 1:15.
Wapń
Wapń tworzy część ścian komórkowych jako pektynian wapnia i zapewnia wytrzymałość, podobnie jak w przypadku kości zwierzęcych. Bierze również udział w mechanizmach adaptacyjnych roślin do światła i temperatury. Wapń jest wchłaniany w postaci dwuwartościowego jonu Ca2+, który występuje obficie w większości gleb. Niedobór tego pierwiastka występuje rzadko, chyba że roślina jest uprawiana na nietraktowanym torfie, który ma bardzo kwaśny poziom pH.
Od niepamiętnych czasów do kwaśnych gleb dodawano wapno w celu ułatwienia uprawy, dlatego od dawna znana jest zasadnicza natura wapnia. W uprawie hydroponicznej z wodą z odwróconej osmozy niedobór wapnia może skutkować słabym wzrostem korzeni. W roślinach wapń występuje w stężeniu około 1% suchej masy.
Magnez
Magnez jest częścią cząsteczki chlorofilu i ma fundamentalne znaczenie dla pomyślnego wzrostu roślin. Bierze również udział w metabolizmie energetycznym, tworząc związki z ATP. Jest wchłaniany w postaci dwuwartościowego kationu Mg2+ i jego obecność w glebie jest zwykle wystarczająca, z wyjątkiem gleb bardzo piaszczystych lub kwaśnych.
Magnez działa jako wysoce mobilny pierwiastek w całej roślinie iz tego powodu niedobór magnezu zawsze występuje w starych liściach i ich przestrzeniach międzynerwowych.
