植物透過根吸收二氧化碳

2017-07-08

植物透過根吸收二氧化碳

2017-02-28 H. H.克柳柯娃 

本文孫濟中譯自《博物學教學法》1953年5月號


孫濟中(1926~1998),農業教育家,棉花遺傳育種學家,曾任國務院學位委員會學科評議組成員、農業部科教委員會委員,1984-1995年任華中農業大學任校長。1944-1948年在中央大學農學院農藝系學習,1956-1960年在蘇聯塔什干農學院學習等。

自從發現了綠色植物自空氣中同化二氧化碳以建造自己躰軀的有機部分的能力以來,已經將近200年了。現在這個問題的研究,僅僅是在“空氣營養”的觀點下進行,沒有考慮到二氧化碳和碳酸鹽類(碳素化合物)由土壤透過根進入植物體的可能性。結果,關于植物透過根吸收二氧化碳的問題,竟缺乏研究。

但是在我國(前蘇聯——譯者)為了獲得高額穩定的產量的問題,迫使我們認真考慮植物從何處得到它們所必需數量的二氧化碳,因為在空氣中的0.03%二氧化碳,在多數情形下,為了保證植物在廣大的面積上,大量增加有機物質,顯然是不夠的。

關于土壤中二氧化碳利用問題的缺乏研究,同樣的使得作為保證土壤中二氧化碳來源的土壤中腐殖質,和土壤中微生物過程的作用,在某種程度上被忽視了。此外,形成了對于礦物肥料應用的價值和可能性過分片面的理解。

關于僅僅以葉子同化二氧化碳的觀念,使大多數研究者受約制到如此程度,甚至連權威學者如俄國的克?阿?季米里亞席夫[1],法國的雪耐比(Senebier)[2]關于這方面全部論述中的預先警告,也不能夠影響他們對于“空氣營養”學說的迷戀,而這些研究者們往往把這些論述,看作是假想的植物直接利用腐殖質組成部分的“腐殖質學說”復活的企圖。甚至直接的試驗材料(近二十年來)指出,二氧化碳有透過根和莖進入葉子的可能性,也不能使植物學家們和農學家們的這種觀點有所轉變。

然而許多土壤,特別是含有豐富碳酸鹽類和微生物活動積極的顯著的土壤,乃是二氧化碳無窮竭的源泉。已經知道,在土壤空氣中含有0.5%到1.5%的二氧化碳,也就是說平均比較在游離大氣中的二氧化碳多出50倍。大量的二氧化碳貯藏物業被溶解在浸潤土壤的水中。在一升土壤溶液中,約含有一升的二氧化碳。這些數字中還應該增加可溶性的和不可溶性的碳酸鹽類他們使植物可以吸收的二氧化碳儲藏量提高數倍。

依據所有的這樣一些理由,在蘇聯科學院,依照通訊院士阿?爾?庫爾薩諾夫院士的建議,已經開始了系統的研究,來查明植物透過根系吸收二氧化碳的可能性。

第一個試驗已經證明,把根浸沒在含有重碳酸鹽溶液(具體標記碳素C14)中的生長了20-30天的大豆植株,用它的根貪婪地吸收二氧化碳,并將其轉運到葉子和其他綠色器官中去,在那里透過根進入的二氧化碳和空氣中的二氧化碳一樣,在光照下,被用在光合作用過程中。從這些葉子中所形成的糖、蛋白質、和其他化合物含有標記碳素(C14),這就應該是土壤中的二氧化碳可以用作構成植物躰軀有機部分的直接證明。

可以預料到,土壤中二氧化碳隨著水流進入植物根。然而試驗指明,被植物根吸收的碳酸鹽類和二氧化碳的量,與水的吸入量無關,其進行要快數倍。

二氧化碳由根向葉子轉運的速度,快到如此程度,有時甚至將根與碳酸鹽類或二氧化碳接觸幾分鐘后,它們已被發現在距離根部20厘米以上的上部葉子中。

碳酸鹽類和二氧化碳在植物各個器官中的移動,進行得不平衡。特別是如果莖內含有葉綠素,例如大豆和其他草本植物,再遇到光線,那么部分由根移動的二氧化碳被莖的綠色細胞所“截獲”,不能到達葉子里以轉變成糖類和其他供莖組織營養的同化作用產物。這些事實就使得我們可以理解在莖和葉柄中的葉綠素的作用,雖然由于莖和葉柄外部有被覆物的緣故,空氣滲透可能性很小,因此植物也很少可能從周圍空氣中同化碳素,然而在那里葉綠素卻繼續不斷地被產生著。

根據新的材料,莖和葉柄中葉綠素作用,在于同化土壤中的二氧化碳,土壤中的二氧化碳是很容易透過根進入植物的。因此,一方面在某程度上滿足了莖和葉柄細胞對于糖、蛋白質,以及其他營養物質的要求,另一方面,在這些器官內同化二氧化碳的結果,放出相當大量的為維管束和其他組織呼吸所必需的氧(6CO2+6H2O=C6H1206+6O2),而氧由外界空氣進入這些器官是很困難的。

進一步研究新近發現的現象表明,被根吸收的二氧化碳,在黑暗中立即與有機酸(主要是蘋果酸)相化合,并以這種狀態到達葉中,在葉子里由于特殊的酵素作用,二氧化碳重新從有機酸中解放出來,在光照下被葉子用來進行光合作用。在黑暗中,大部分土壤中的二氧化碳被植物排出體外,小部分則被保留在葉子里。

因為這個緣故,應該指出,在本世紀二十年代,一系列的蘇聯學者如考斯托契夫、伏特察爾以及其他學者們,曾經觀察到葉子常常排出相當大量的二氧化碳到周圍空氣中去,這種現象被稱為“二氧化碳的噴泉”。這種現象直到近代仍然不明其理,而只是現在由于發現了植物根由土壤中吸收二氧化碳并將其運送到葉子里的能力,才能解釋這種由于多余的土壤中的二氧化碳被植物通過葉子排出的“噴泉”現象。

由于上述的,作為植物二氧化碳補給泉源的土壤中二氧化碳作用的問題,是一個新問題,迄今未充分了解。僅僅可以說根據某些試驗判斷,幼齡的大豆植株,透過根吸收的二氧化碳,占植株全部吸收的二氧化碳的20—25%。

此外,可以提一提的是沙馬哈伐洛夫不久前曾經做過的用碳酸鹽透過根對作物追肥的大田試驗,這個試驗得到了良好的結果。但是這個問題還在精確的試驗階段。這個問題最后的解決,對于農業可能有重大的意義。


注:[1]現翻譯為克里孟特·阿加狄也維奇·季米里亞捷夫,他對光合作用的研究做了五十年以上,其專門論文有四分之三是關于植物光合作用,收集在《太陽、生命和葉綠素》一書中。

      [2]應該是瑞士的瓊·塞尼比爾(JeanSenebier),他的研究發現植物生長的碳來源于大氣中的二氧化碳,光合作用中氧氣的釋放和二氧化碳的吸收是同時進行的。

                                                         

 20170708

 本文由三得農業科技有機碳肥技術中心整理發布


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