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【課堂實作】礦物營養~植物需要哪些礦物質?Part I

對農夫來說,農作物長得不好,是最苦惱的問題了;現代的農夫,因為有生物科技當作靠山,所以長得不好,排除病蟲害以後就可以先施肥,如果施肥沒有改善,還可以再進行土壤分析等等來找出原因。以前的農夫要怎麼辦呢?

以前的農夫,很早就知道可以用落葉、動物糞便、動物屍體等等製作堆肥。中國在漢朝時就懂得把豆科植物列入輪作來提升土壤的肥力,這部分比歐洲人至少早了一千年。但是這些都是知其然而不知其所以然。

但是不論是使用堆肥或輪作,到了十九世紀初期,因著先前的拿破崙戰爭以及工業革命,人口增加與移民湧入,已經使得這些傳統的方法都無法符合當時的需要;於是,開始有人想要去進行系統性的研究,了解究竟植物需要哪些養分?多還是少?

最早研究礦物營養的人是Nicolas-Théodore de Saussure,他發現植物不只需要水,也需要二氧化碳才能進行光合作用。

Nicolas-Théodore de Saussure。圖片來源:wiki
真正量化研究其他的礦物質的人是Julius Sachs。他為了研究植物到底需要哪些礦物質,建立了一個實驗的系統,也就是現在的水耕法(hydroponics)。

Julius Sachs. 圖片來源:wiki
當時Sachs在溶液中放入了硝酸鉀(KNO3)、磷酸鈣(Ca3(PO4)2)、硫酸鎂(MgSO4‧7H2O)、硫酸鈣(CaSO4)、氯化鈉(NaCl),以及微量的硫化鐵(FeSO4)。如果以現代的眼光來看,這些礦物質,即使不計入碳(空氣中有二氧化碳),也並沒有滿足植物的所有十七種必需元素的需求;但是Sachs歪打正著,因為當時的純化技術不如現在,所以這些化合物裡面都含有不純物,而就這些不純物滿足了其他必需元素的需求。

我們的實作,嘗試著建立類似於Sachs的系統。使用的植物是向日葵的幼苗。


這些幼苗被種在珍珠石(perlite)裡面,由於珍珠石幾乎不含養分,所以幼苗裡面的礦物質(在結果時由親代供應)已經差不多快沒有了。

要把這些幼苗放在類似Sachs的系統中,需要先把它們小心地從珍珠石中移出來。


然後,這些幼苗的根部,因為會有一些珍珠石黏著,必需要泡在水裡小心地移除。


直到移入實驗的器具之前,幼苗的根部都要泡在水裡,以免枯萎。


接著要製備實驗的溶液。我們作了十組,包括兩組控制組(全部都有的,以及全部都沒有的)。由於錐形瓶上面的刻度僅供參考,所以同學要先量水。

倒入500ml蒸餾水,在水面的地方用簽字筆
在瓶身上劃個記號。
接著就可以開始製備溶液了。由於礦物質的溶液都是很濃的,為了避免沈澱,我們會在錐形瓶裡面先加一點水,再把礦物質的溶液加入。


所有該加的礦物質溶液都加好了,就可以加水到500ml。


接著就要把大約2-3株的向日葵幼苗放到個別的錐形瓶中。為了防止植物掉落,要先用棉花把幼苗包起來,再放到錐形瓶裡面。


包好以後的樣子。要小心不要讓棉花沾到礦物質溶液,否則很容易發霉喔!


最後再把錐形瓶包上鋁箔來隔絕光線,以免藻類生長,然後就可以移到適當的地方去培養與觀察了。

由於我們只有要觀察四週,所以跟Sachs不一樣的是,我們沒有通氣。當年Sachs有裝上打氣的裝置,並成功地展示,只要給植物它需要的養分以及空氣,用水耕可以種到植物開花結果喔!

參考資料:

Hopkins, Introduction to Plant Physiology.

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