История развития агрохимических знаний и химизация земледелия

Рис. 2. Круговорот веществ

Агрохимия как наука развивается чрезвычайно быстро. Это определяется необходимостью постоянно увеличивать продуктивность сельскохозяйственных культур, улучшать технологии их возделывания и соблюдать требования охраны окружающей среды.

Минеральное питание – один из основных регулируемых факторов, используемых для целенаправленного управления ростом и развитием растений с целью создания высокого урожая хорошего качества. Регулирование других факторов роста — света, тепла и влаги – широко применяют в защищенном грунте. Изменять влажность в полевых условиях можно при искусственном орошении и осушении агротехническими приемами. В сельскохозяйственном производстве, как правило, приходится лишь приспосабливаться к определенному уровню солнечной радиации, подбирая соответствующие культуры, сорта и приемы агротехники.

Главная задача земледелия – эффективное использование солнечной энергии для создания органического вещества. Уникальным аппаратом для этого служит растение, содержащее хлорофилл

Наземные растения ежегодно извлекают из атмосферы ориентировочно 20 млрд т углерода в форме С0₂ (1300 кг на 1 га), а вся совокупность растений, включая морские водоросли, – около 150 млрд т. Только наземные растения ежегодно перерабатывают 42¹⁷ кДж космической энергии (свет) в продукты ассимиляции.

Однако коэффициенты использования на создание органического вещества растениями энергии ФАР (фотосинтетическиактивной радиации, X 380-720 нм), составляющей 47-49 % интегральной солнечной радиации, весьма низки. Обычно в посевах коэффициенты использования ФАР не превышают 0,5-3 %. Максимально возможным для фотосинтеза, идущего при солнечном свете, считается КПД ФАР 28 %. Наиболее интенсивное накопление биомассы – до 700 кг/га в сутки – наблюдается в фитоценозах при хороших условиях освещенности, температуры и водоснабжения, высоком уровне минерального питания и составляет до 14% приходящейся за день на посев энергии ФАР.

Человек не может активно влиять на поток солнечной радиации; трудно изменить и другие необходимые для жизнедеятельности растений факторы. Применение удобрений – эффективное средство повышения урожайности растений и улучшения круговорота веществ в земледелии.

В практике сельскохозяйственного производства более сбалансированное питание растений достигается путем применения удобрений, известкования и гипсования почвы. Из этого следует, что в области теории важнейшая проблема агрохимии – решение вопросов управления продуктивностью растений и качеством получаемой растительной продукции путем обеспечения оптимального уровня минерального питания в течение всей вегетации и в связи с этим разработка методов оперативной диагностики. Сложность решения данной проблемы заключается в необходимости точного учета изменяющихся потребностей растений в элементах питания в период роста, учета наследственных возможностей культивируемых сортов и постоянно изменяющегося комплекса почвенно-климатических факторов жизнеобеспечения растений.

С минеральным питанием растений в условиях недостатка или избытка химических элементов в почве связано много важных эколого-физиологических проблем. Для сбалансированного питания растений в целях получения максимальных сборов высококачественной сельскохозяйственной продукции особенно важен строго дифференцированный подход к применению удобрений с учетом обеспеченности почв доступными формами элементов, других почвенно-климатических факторов, особенностей питания различных сельскохозяйственных культур.

История развития агрохимических знаний и химизация земледелия

Знания о повышении плодородия почв с помощью разнообразных удобрительных средств накапливались в результате практической деятельности многих поколений земледельцев. Унавоживание почвы и внесение в нее различных хозяйственных отходов для повышения урожая возделываемых культур используется человечеством на протяжении тысячелетий. Уже во времена Римской империи применяли зеленое удобрение (запашка массы растений для улучшения плодородия почв в Египте), было известно об удобрительном действии золы, извести (мергеля), гипса. Однако суть этих приемов оставалась неизвестной, и предстоял долгий и сложный путь к раскрытию тайн питания растений.

Философы-материалисты Древней Греции на основе чисто умозрительных заключений говорили о том, что для жизни растений необходимы огонь, земля, вода и воздух. Они были недалеки от истины, поскольку солнце (огонь) действительно является источником света и энергии для фотосинтеза растений, земля – источником минеральных элементов питания, воздух – диоксида углерода (С0₂), а вода – это не только составная часть зеленых растений, на долю которой приходится не менее 3/4 их массы, но и важнейший фактор и участник всех основных процессов жизнедеятельности организма.

У древних авторов существовало представление о «жирах» почвы, от которых зависит ее плодородие. Эти представления в дальнейшем нашли развитие в гумусовой теории питания растений.

Весьма определенные воззрения на роль минеральных веществ и значение удобрений были высказаны еще в 1563 г. французским естествоиспытателем Б. Палисси, который писал, что соль есть основа жизни и роста всех посевов и что навоз, который вывозят на поля, не имел бы никакого значения, если бы не содержал соль, которая остается от разложения сена и соломы.

Почти через 100 лет опытами немецкого химика И. Глаубера (1656) было показано, что добавление селитры к почве оказывает сильное действие на повышение урожая растений. Однако ученые XVII в. не смогли этого оценить, так как до открытия азота оставалось еще более 100 лет, а роль азота в жизни растений установлена значительно позже.

Оригинальные мысли о воздушном питании растений были высказаны М. В. Ломоносовым в 1753 г.: «Преизобильное ращение тучных дерев, которые на бесплодном песку корень свой утвердили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воздуха впитывают».

Связь воздушного и корневого питания растений была отмечена французским химиком А. Лавуазье, открывшим в 1775 г. наличие азота в атмосфере. Он писал: «Растения почерпают материалы, необходимые для своей организации, в воздухе, который их окружает, в воде, вообще в минеральном царстве».

Благодаря практическим запросам земледелия зарождались первые знания в области корневого минерального питания растений.

Русский агроном профессор И.М. Комов (1750-1792) в книге «О земледелии» подробно излагает значение отдельных сельскохозяйственных культур, говорит о необходимости удобрения «худой» земли, подчеркивает значение навоза не только как удобрения, но и его роль в сохранении влаги в почве, в улучшении структуры почвы. И.М. Комов отмечал также важную роль извести для повышения урожаев сельскохозяйственных культур.

Эти высказывания близки мыслям А.Т. Болотова (1738-1833), который в статье «О навозных солях» отмечал, что доступные растениям питательные вещества образуются из органических удобрений.

Роль «щелочно-соляных веществ», т. е. минеральных веществ, для питания растений изложил русский ученый А.П. Пошман (1792-1852) в книге «Наставление о приготовлении сухих и влажных туков, служащих к удобрению пашен».

М.Г. Павлов (1793-1840) считал, что удобрить почву – значит сделать ее более плодородной, улучшить физические свойства, устранить кислотность или ускорить разрушение органических веществ почвы.

В области минерального питания интересные взгляды излагались в конце XVIII столетия (1789) Рюккертом, отмечавшим, что каждое растение требует особого состава почвы, на которой оно удается всего лучше, и что некоторые растения при многолетней культуре без перерыва очень истощают поле. При этом он указывал на возможность устранения такого истощения с помощью удобрения, которое содержит преимущественно недостающее вещество.

В конце XVIII в. в Западной Европе была распространена гумусовая теория питания растения, выдвинутая в 1761 г. шведским химиком Валериусом. Верные суждения о большом значении гумуса для плодородия почвы сочетались в этой теории с неправильным представлением о том, что гумус является единственным веществом почвы, могущим служить пищей для растений.

Поскольку значение минеральных зольных солей в питании растения уже трудно было отрицать, Валериус предположил, что они способствуют растворению гумуса (который, как он ошибочно полагал, непосредственно усваивается через корни).

В 1836 г. благодаря работам французского ученого Ж. Буссенго было положено начало изучению круговорота питательных веществ в земледелии и установлен факт накопления азота в почве бобовыми культурами.

Коренной поворот во взглядах на питание растений вызвало появление в 1840 г. книги немецкого ученого Ю. Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии», в которой давалась уничтожающая критика гумусовой теории и была сформулирована теория минерального питания растений. Ю. Либих объяснил причину истощения почвы и выдвинул теорию удобрения почв для поддержания плодородия, основанную на полном возврате в почву всех взятых из нее минеральных веществ. Позднее К. А. Тимирязев отмечал, что учение о необходимости возврата – одно из величайших приобретений науки.

Работы Ю. Либиха принесли большую пользу, однако его взгляды не были лишены некоторых ошибок. Так, Ю Либих считал, что растения получают достаточное количество азота с осадками из атмосферы.

Исследования Гельригеля (1886) с бобовыми выявили способность этих культур усваивать молекулярный азот атмосферы с помощью развивающихся на их корнях клубеньковых бактерий.

Опытами с выращиванием растений на питательных смесях из минеральных солей была доказана потребность растений в азоте, фосфоре, калии, кальции, магнии, сере, а в последующем – в отдельных микроэлементах, показаны равноценность и незаменимость каждого из элементов минерального питания для растений.

В России систематические научные исследования в области питания растений и применения удобрений начинаются с 60-70-х годов XIX столетия. Особенно большое значение имели работы А.Н. Энгельгардта, Д.И. Менделеева, П.А. Костычева, К.А. Тимирязева.

Важное значение А. Н. Энгельгардт придавал зеленому удобрению. Он отмечал, что фосфоритная мука и сидерация – средства для приведения в культурное состояние громадных масс северных земель. А.Н. Энгельгардт был активным сторонником и пропагандистом применения известкования и минеральных удобрений в сочетании с органическими удобрениями.

Активно работал в области земледелия русский химик Д.И. Менделеев (1834-1907). Он создал опытные станции по изучению действия удобрений в Петербургской, Московской, Смоленской и Симбирской губерниях. Он провел первые полевые опыты по улучшению эффективности удобрений в различных районах страны, т. е. заложил основы Географической сети полевых опытов для выяснения закономерностей в действии удобрений по почвенно-климатическим зонам.

В создании научных основ агрохимии большое значение имели классические исследования К А. Тимирязева (1843-1920), внедрение им в научную практику методики вегетационных опытов. К.А. Тимирязев высоко ценил опытную работу. В 1872 г. он построил первый в России вегетационный домик.

Задачи, сформулированные К.А Тимирязевым применительно к земледелию, в полной мере относятся и к современной агрохимии. Основной научной задачей земледелия он считал изучение особенностей выращивания сельскохозяйственных растений, тщательный учет требований культурных растений к условиям внешней среды. Углубляясь в теоретические вопросы физиологии растений и ведя работы по ассимиляции в области, граничащей с физикой, К.А. Тимирязев одновременно не забывал об интересах земледелия и всегда подчеркивал близость агрономической химии к физиологии растений. К.А. Тимирязев всегда боролся с узким практицизмом, мешающим глубине научного исследования.

В понимании К. А. Тимирязева наука «агрохимия» немыслима в изоляции от смежных отраслей естествознания. Он постоянно указывал на неразрывную связь агрономической химии с физиологией растений и земледелием. Родство агрохимии и физиологии растений очевидно: вторую К.А Тимирязев считал дочерью первой Именно эти две дисциплины определили прогресс земледелия в XIX в.

К.А. Тимирязев в XIX в. впервые в мире начал читать лекции по земледельческой химии. Он так определял главную задачу агрономической химии: «Она имеет своим предметом изменения и превращения вещества, связанные с ростом и питанием растений», т. е. именно то, что составляет главное содержание еще почти не существовавшей в то время физиологии растений.

К.А. Тимирязевым положено начало целому направлению в агрохимии – листовой диагностике минерального питания. Впоследствии эти и подобные исследования дали начало агрохимии микроэлементов.

Развитие агрохимии в нашей стране неразрывно связано с деятельностью Д.Н. Прянишникова (1865-1948). Научные интересы Д.Н. Прянишникова отличались широтой охватываемых вопросов. Под его руководством изучали фосфорное питание растений, в частности усвоение растениями фосфора из фосфоритов и применение фосфоритной муки в качестве удобрения.

Огромное значение для решения практических вопросов применения удобрений, развития азотно-туковой промышленности в нашей стране имели классические исследования Д. Н. Прянишникова по азотному обмену и питанию растений, а также его работы по использованию калийных и местных (навоз, торф, зола) удобрений, известкованию почв. Много труда Д. Н. Прянишников затратил на изучение сроков, доз и способов внесения удобрений, размещения их в севооборотах, удобрения отдельных культур.

В развитие отечественной агрохимии большой вклад внесли многие русские ученые. П.С. Коссович (1862-1915) показал возможность усвоения растениями аммиачного азота без перехода его в нитратный. Он доказал, что клубеньковые бактерии связывают азот атмосферы, поступивший через корни, а не через листья бобовых растений. Им исследованы процессы усвоения свободно-живущими бактериями азота воздуха.

К.К. Гедройц (1872-1932) установил виды поглотительной способности почвы, выяснил, что в процессах обмена, происходящих в почве, участвуют гумус, органические остатки почвы, минеральная часть почвы и микроорганизмы. Им выдвинуто положение о том, что все почвы обладают способностью обменивать содержащиеся в их поглощающем комплексе поглощенные катионы (как металлы, так и водород), причем количество катионов, поглощенных почвой, эквивалентно количеству катионов, вытесненных из почвенного раствора. Было установлено, что реакции обмена между катионами протекают моментально.

А. Н. Лебедянцев (1878-1941) впервые установил возможность эффективного применения фосфоритной муки в северной части Центрально-Черноземной зоны. Им проведены исследования сравнительной эффективности минеральных удобрений в разных районах нашей страны.

О.К. Кедров-Зихман (1885-1964) разработал теоретические основы действия извести. Им было изучено влияние на растения магния и бора.

М.В. Каталымов (1907-1969) проводил исследования по теории и практике применения микроэлементов в сельском хозяйстве.

Ф.В. Турчин (1902-1965) занимался агрохимической оценкой различных форм простых и сложных минеральных удобрений,. изучал также процессы биологической фиксации азота.

В.М. Клечковский (1900-1972) занимался вопросами фосфатного питания растений, количественных закономерностей действия удобрений, оптимального соотношения элементов питания растений. Он один из основоположников агрохимии искусственных радионуклидов.

С.И. Вольфкович (18961980) – один из авторов технологии переработки апатитового сырья на суперфосфат. Им выполнены исследования по экстракции фосфорной кислоты из отечественного фосфатного сырья. Под его руководством проведены работы по химии и технологии минеральных удобрений

3.И. Журбицкий (1896-1986) изучал вопросы теории питания растений и методики постановки вегетационных опытов. Им были выполнены работы в области дифференцированного питания растений и специфики питания отдельных сельскохозяйственных культур.

Т.Н. Кулаковская (1919-1986) изучала действие минеральных и органических удобрений на урожай сельскохозяйственных культур и плодородие почвы.