Агрохимия
Агрохимия,
наука о химических и биохимических процессах в растениях и среде их обитанияю,
а также о способах химического воздействия на эти процессы с целью повышения
плодородия почвы и урожая с.-х. культур. Агрохимия одна из наук, входящих в
агрохимию. Отдельные её разделы нразрывно связаны с физиологией растений,
химией, биохимией, почвоведением, микробирлогией, земледелием и
растеневодством.
Основные
объекты, традиционно изучаемые агрохимией растения, почва и удобрения. В 20
веке сфера анрохимии расширилась: она стала изучать также агробиоценоз в целом,
химические средства защиты растений и регуляторы роста растении.
Агрохимические
исследования включают: определение содержания в почвах и растениях химических
элементов, белков, аминокислот, витаминов, жиров, углеводов; установление
механического и минералогического состава почв, содержания в них органической
части (гумуса), солей, водорослей, микроорганизмов и др.; изучение влияния
удобрений на растения и почву и др. Обычно сначала исследования ведут в
лаборатории методами, аналогичными тем, которые применяют в химии, биологии и
др. смежных науках. Затем, как правило, проводят вегетационные опыты в теплице
с участием живых растений. Рекомендации для практического применения
агрохимичкских средств и методов выдают на основании полевых опытов, а также
производственных испытаний, проводимых на больших площадях в течение ряда лет.
Многие приемы
агрохимии (например, применение ряда органических удобрений) вошли в практику
земледелия в глубокой древности и описаны еще в 1 в. н.э. Как наука анрохимия
сформировалась лишь в 19 в., когда сложились основные представления о том, из
чего состоят, чем и как питаются растения. Как вехи на пути становления
агрохимии обычно отмечают опыты Я. Б. ван Гельмонта (1634), осветившие роль
воды в питании растений, а также высказывания М.В.Ломоносова (1753) и
А.Лавуазье (1761) о воздухе как источнике питательных веществ, вскоре
подтвержденные опытами Дж. Пристли, Я. Ингенхауза, Ж. Сенебье и Н. Соссюра,
показавшими, что растения поглощают из воздуха СО2; и выделяют О2; и что это
связано с фотосинтезом.
Наиболее
трудным оказался вопрос о корневом питании растений. Представления о том, что
растения поглощают из почвы минеральные соли (Б. Палисси, 1563; А. Лавуазье,
1761; А. Т. Болотов, 1770), долгое время наталкивались на сопротивление
сторонников так называемой гумусной теории питания растений (И. Валериус, 1761)
и окончательно утвердились лишь в 19 в. после работ Ж. Буссенго (1836) и Ю.
Либиха (1840) и особенно после разработки метода гидропоники (В. Кноп, Ю. Сакс,
1859), в котором растения выращиваются без участия почв. Большую роль в
становлении агрохимии сыграли Ж. Буссенго и Ю. Либих. Первый развил
представления о круговороте веществв в земледелии, роли азота в питании
растений, разработал методологию агрохимических исследований. Второй обосновал
теорию истощения почв вследствие выноса питательных веществ растениями и
показал необходимость возврата этих веществ в виде минеральных удобрений. Связь
агрохимии с микробиологией была обоснована Г. Гельригелем (1886) и С. Н.
Виноградским (1893), выяснившими роль азотфиксирующих бактерий в природе и
земледелии.
Становление
отечественной школы агрохимии связано с именами М.Г.Павлова, А. Н. Энгелыардта,
Д.И.Менделеева, К. А. Тимирязева, П. А. Костычева, Д. Н. Прянишникова, П. С.
Коссовича, К. К. Гедройца и др., внесших существенный вклад в агропочвоведение
и науку об удобрении почв. В послереволюционный период их работы продолжила
плеяда советских агрохимиков во главе с Д. Н. Прянишниковым.
Современная
агрохимия значительно отличается от «классической агрохимии» конца 19 начала 20
вв., она пользуется несравненно более совершенными методами исследования,
опирается на возросший уровень знаний, развитую химическую промышленность и
широкую сеть агрохимических служб. Так называемых «зеленая революция» -резкое
повышение урожайности с.-х. культур, достигнутое в начале 50-х гг. 20 в.,
связана не только с успехами генетики и селекции, но и с достижениями
агрохимии. Агрохимическая наука располагает знаниями о содержащихся в растениях
веществах (белках, углеводах и др.), биосинтезе и обмене веществ в растениях,
фитогормонах, ферментных системах, болезнях растений.
Благодаря
созданию новой отрасли агрохимии химии пестицидов появилась возможность не
только улучшать питание растений, но и влиять (с помощью регуляторов роста) на
их развитие, а также защищать их от болезней (с помощью протравителей семян,
фунгицидов и бактерицидов), насекомых, клещей, нематод и др. вредителей.
В области
агропочвоведения и химии удобрений разработаны и широко распространены методы
лабораторной оценки плодородия почв и их потребности в тех или иных удобрениях
для разных севооборотов. На основании лабораторных исследований делают выводы о
необходимости проведения химической мелиорации почв (известкование, гипсование)
с целью улучшения их состава, структуры и свойств. Создан большой ассортимент
твердых и жидких удобрений, содержащих как основные элементы (N, Р, К), так и
микроэлементы. В больших масштабах применяют NH3 и удобрения на
основе мочевины.
Огромное
влияние на агрохимию оказало открытие избирательных гербицидов (1942-44).
Уничтожение сорняков с их помощью позволило улучшить условия роста растений и
более эффективно использовать удобрения, так как они не расходуются на
подкормку сорняков.
Средства
агрохимии позволяют не только повысить урожай, но и добиться значительной
интенсификации с.-х. производства. Например, благодаря гербицидам устраняется
необходимость ручной прополки, с помощью дефолиантов облегчается машинная
уборка хлопчатника.
Агрохимия
научная основа химизации с. хозяйства и развития промышленности удобрений и
пестицидов.
История развития агрохимии
Развитие
взглядов на питание растений до Либиха
Историю развития агрохимии в нашей стране
можно подразделить на три периода. Первый период охватывает конец XVIII и
первую половину XIX столетия. Этот период характеризуется накоплением данных по
вопросам питания растений, применением удобрений и первыми попытками их обобщения.
Второй период охватывает вторую половину XIX и начало XX столетия до
октябрьского переворота 17-го года. Для этого периода характерно развитие
опытов в лабораториях, на опытных станциях и в производственных условиях.
Работами этого периода показана необходимость глубокого изучения питания
растений, химических и биологических процессов в почве, являющихся основой для
применения удобрений. Третьим периодом в развитии агрохимии является советский
период. Его можно охарактеризовать, как период реконструкции сельского
хозяйства в целом, механизайией и химизацией земледелия.
В XVIII
столетии в России господствовала крепостническая система хозяйства. Наряду с
этим возникали капиталистические формы хозяйства в виде мелкого товарного
производства. Наиболее высокого для того уровня достигла металлургическая
промышленность. Под влиянием металлургической, военной, кораблестроительной
промышленности в россии стали развиваться естественные науки. В 1725 году в
Петербурге была организована академия наук, а в 1755 г. по инициативе
гениального Ломоносова создан Московский университет. XVIII век ознаменовался в
России рядом изобретений и достижений в области науки (Ползунов и др.). Это
положительно сказалось на творчестве Ломоносова. В 1748 году Ломоносовым была
построена первая в России научно-исследовательская химическая лаборатория, в
которой он проводил работы по химии, физике, минералогии и геологии.
К гениальным
открытиям Ломоносова, составившим эпоху в развитии передовой науки всех стран,
относится открытие и естественно-научное обоснование закона сохранения вещества
и движения, ставшего одним из краеугольных камней материалистического
истокования природы. Этот закон открыт открыт им совершенно самостоятельно, и
задолго до Лавуазье. На основе этого закона Ломоносов по-новому объясняет
многие явления природы, в частности, им была создана и научно обоснованная
теория о природе тепловых явлений. М.В. Ломоносов сыграл огромную роль в
обосновании и дальнейшем развитии основных принципов материалистической
философии в нашей стране. Работы Ломоносова оказали большое влияние на развитие
науки в России, в частности, естествознания, на развитие передовой мысли. Можно
сказать, что Ломоносов был начальником естесвознания в России.
Особенно сильно
влияние Ломоносова сказалось на развитии физики и химии. Он ввел в химию весы и
количественные наблюдения. Это сказалось и на исследованиях в агрономии.
И.И.Комов (1750-1792),профессор земледелия и других наук, в своей книге
следующим образом определяет сущность земледелия :" Земледелие же с
высокими науками тесной союз имеет, каковы суть История естественная, наука
лечебная, Химия, Механика и почти вся Физика, и само оно ничто есть иное, как
часть Физики опытной, только всех полезнейшая.
Комов призывает
к развитию опытной работы, которая должна дать более глубокие ответы на
различные вопросы агрономии, причем рекомендует не полагаться на "
однократный опыт", а для большей уверенности повторять его. В книге Комова
подробно изложено значение многих сельскохозяйственных культур, описываются
обработка почвы, удобрение, севообороты, земледельческие орудия. Характеризуя
почвы, Комов говорил, что " о доброте" и глинистой и песчаной и
всякой земли по количеству чернозема в них содержимого судить можно. Для
определения в почве количества глины, песка, извести и "питательного
сока" он предлагал механический анализ, основанный на разделении глины от
песка отмучиванием водой, и химический анализ. Комов писал, что питательный сок
родится от "согнития животных", травяных веществ и корней в земле,
стеблей и ветвей растений на воздухе. Песчаная земля от него плотнее, а
глинистая делается рыхлее.
Узнав свойства
земли, главное дело земледельца состоит, по Комову, в том, чтобы "худую
" землю удобрить, и удобрив, стараться, чтобы она доброе не потеряла.
Первое делается пахотой, а последнее очередным севом различных культур.
Обработка почвы, по мнению Комова, не может заменит внесение навоза. При этом
Комов подчеркивал, что навоз имеет большое значение в улучшении физических
свойств почвы, в создании рыхлости почвы и сохранении влаги. Комов отмечает
также важную роль в улучшении почвы и повышении урожая. По его мнению,
известкование глинистой почвы положительно сказывается в продолжении 20 лет и
более. При этом известь глинистую почву не только делает рыхлой, но и всякую
кислоту в глинистой по большой части земле находящуюся истребляет. Поэтому
Комов рекомендует искать известняки и мергель и вносить по 100-150 четвертей
сыромолотого известняка на десятину (1 четверть около 200 л).
И.И.Комов
подробно описывает приготовление фекальных компостов. Куриный помет он
предлагает вносить под озимь во время сева вместе с семенами либо весной, когда
сойдет снег, в подкормку. Навоз он рекомендует вывозить на поле свежим, а не
сгоревшим или сгнившим, так как при этом сила питательная исчезнет. После
вывозки в поле навоз должен немедленно заделываться в почву. Комов придавал
большое значение в питании растений органическому веществу почвы. В этом
отношении он явился предшественником немецкого ученого Тэера, развившего так
называемую гумусовую теорию (см.ниже) питания растений. Болотов А.Т.
(1738-1833) в течение ряда десятилетий занимался вопросами сельского хозяйства
и сыграл большую роль в развитии русской агрономии. Большое внимание им уделено
удобрению почв. Им опубликовано более 20 статей по вопросам использования
удобрений. Хранить навоз он рекомендовал не под животными, а в специальных
навозохранилищах в уплотненных кучах.
В статье О
навозных солях А.Т.Болотов пишет об образовании из органических удобрений
доступных растениям питательных веществ. А.П.Пошман (1792-1852) в своей книге
Наставление о приготовлении сухихи и влажных туков, служащих к удобрению пашен
(1809) высказал соображение о том, что в удобрении действующим началом являются
щелочно-соляные вещества, содержащиеся в навозе и в золе, иначе говоря,
минеральные вещества, которые и служат пищей для растений. Таким образом, за
много лет до опубликования Ю.Либихом теории минерального питания Болотов и
Пошман писали о значении минеральных солей в питании растений. М.Г.Павлов
(1794-1840), являвшийся профессором Московского университета, читал лекции по
физике, технологии, лесоводству, сельскому хозяйству и руководил
земледельческой школой. Он впервые в России увязал химию с агрономией.
В 1825 г.
М.Г.Павловым издан труд Земледельческая химия. М.Г.Павлов писал, что
земледельческая химия есть наука о веществе тех исключительно предметов,
которые имеют отношение к земледелию и знание веществе коим может
руководствовать с выгоднейшему устройству производств сего искусства. Удобрить
почву, по М*Г*Павлову, значит сделать ее более плодоносной. Землеудобрение
может быть осуществлено с целью улучшения физических свойств или устранения
кислот, или ускорения разрушения органических веществ почвы, или повышения
плодородия. Целью последнего, по Павлову, является умножение в почве
питательных веществ или по крайней мере вознаграждение того, что похищается из
земли возрастающими на ней растениями с помощью органических удобрений. Работы
этих ученых относятся к первому, начальному периоду в развитии агрохимии,когда
главным образом накапливались свещения о питании растений и удобрении и
делались попытки обобщения накопленного опыта. Обобщение сведений о питании и
удобрении, как мы видели, привело Комова в конце 18-го века к выводу о важной роли
гумуса в питании растений, а в начале 19-го века, обобщая данные по удобрениям,
Пошман пришел к заключению, что в удобрениях действующим началом является
минеральная часть.
Развитие
агрохимии в Западной Европе
Не входя в изложение исследований в области
агрохимии в Западной Европе более раннего периода, отметим работы по агрохимии,
начиная с Х1Х столетия, когда в лабораториях развернулась работа по изучению
питания растений. В 1804 г. получили известность исследования по ассимиляции
углерода и дыханию растений. Французский ученый Соссюр провел детальный анализ
золы растений и на основании этих данных пришел к выводу, что минеральные
вещества не случайно проникают с растение. Например, фосфорнокислая известь
была найдена им взоле всех растений.
В 1800 г.
Шрадер нашел в проростках в 4 раза больше золы, чем в семенах (причина
нечистота условий опыта), и пришел к выводу, что растения сами производят свои
зольные вещества посредством жизненной силы и не нуждаются в доставлении их
извне. Для проверки этого утверждения СОссюр выращивал растения на
дестиллированной воде и нашел в них минеральных веществ столько же, сколько их
было в семенах. Таким образом, Соссюром были экспериментально опровергнуты
виталистические представления Шрадера о питании растений. На основании своих
опытов Соссюр пришел к выводу, что главным источником углерода для растений
является атмосфера, а почва источником зольных веществ.
Либих
впоследствии использовал анализы и выводы Соссюра в качестве доводов в пользу
теории минерального питания растений. В конце ХУ111 и в начале Х1Х столетия в
Западной Европе была широко распространена так называемая гумусовая теория
питания растений. Один из наиболее видных сторонников этой теории немецкий
ученый Тэер говорил о гумусе следующим образом. Плодородие почвы зависит
собственно целиком от гумуса, так как, кроме воды, он представляет единственное
вещество почвы, могущее служить пищей растений. В то время считалось, что чем
больше питательных веществ содержит растение, тем больше оно поглощает и гумуса.
Сторонниками
гумусовой теории минеральным веществам отводилась косвенная роль: они лишь
ускоряют, по их представлениям, процессы разложения органических веществ в
почве и переводят гумус в удобоусвояемую для растений форму. Тэер и другие
сторонники гумусовой теории считали важным условием для поддержания плодородия
почвы накопление и сбережение в ней гумуса. Необходимость севооборота
обосновывалась стремление уравновесить расход органического вещества с его
приходом в почву. В гумусовой теории сочетались верные наблюдения
агрономов-практиков о большом значении гумуса для плодородия почвы с неверными
метафизическими представлениями о том, что гумус является единственным
веществом почвы, могущим служить пищей для растений.
Ряд ученых того
времени выступали против гумусовой теории. К ним относятся прежде всего
Буссенго,Шпренгель и Либих. Буссенго (Франция) известен своими работами
(опубликованными в 1836-1841гг.) по физиологии, биохимии и агрохимии. ОН
установил, что источником углерода для растений служит угленкислота воздуха. Им
было показано также влияние внешних условий на ассимиляцию углерода листьями.
Изучение особенностей питания животных и растений сыграл большую роль в
дальнейшем развитии исследований по азотному питанию растений.
Опыты с
растениями в искусственных условиях привели Буссенго к разработке
вегетационного метода для изучения питания растений. Отвергнув гумусовую теорию
питания растений, Буссенго развил так называемую азотную теорию. В своем имении
он устроил опытную станцию с хорошо оборудованной лабораторией, где занимался
исследованиями с 1836 г. В нескольких севооборотах опытного поля он провел учет
урожаев и определил содержание углерода, азота и золы в урожаях. Это позволило
Буссенго произвести учет круговорота веществ в хозяйстве. Он обнаружил, что
накопление углерода в урожаях не связано с его количеством в навозе. Особенно
ценным было установление того факта, что количество азота в урожаях за целый
севооборот превосходит то его количество, которое дается растениями с навозом.
Излишек азота в урожае был тем выше, чем большее было участие в севообороте
бобовых растений клевера и люцерны.
Таким образом,
в полевых условиях было установлено, что бобовые культуры обогащают почву
азотом, доступным другим растениям, что и сказывается на повышении их урожая,
например, урожай пшеницы после клевера выше урожая пшеницы после картофеля и
корнеплодов. Буссенго высказал мнение, что азот, который накапливают бобовыее,
происходит из воздуха. Позднее он пытался вопроизвести фиксацию азота бобовыми в
вегетационных опытах с предварительной стерилизацией песка и сосудов.
Обнаружилось, что чем более чистые условия создавал он в опытах, тем менее
ясные получались результаты. В то время такое явление было неясно. Теперь
известно, что при стерилизации среды отсутствовал симбиоз бобовых с
клубеньковыми бактериями, поэтому фиксации азота воздуха не происходило.
Работы Буссенго
привели к установлению важного значения азотных удобрений в повышении урожаев.
Своими исследованиями Буссенго решил ряд важных вопросов физиологии растений,
биохимии и агрохимии. Немецкий ученый Шпренгель, опубликовавший свои взгляды на
питание растений в 1837-1839 гг., был одним из ближайших предшественников
Либиха. Шпренгель, писал, что растения из неорганических веществ, получаемых ими
из почвы и воздуха, образуют тела органические с помощью света, тепла,
электричества и влаги. Объяснение падения урожаев при непрерывной культуре он
видел в том, что минеральные вещества необходимы для жизни растений и потому
должны возмещаться в почве. При этом Шпренгель не отрицал одновременного
использования растениями, кроме главного источника углерода, углекислоты
воздуха, также и перегноя почвы корнями. Недостаток фактических данных не
позволил ему более четко поставить вопрос о значении гумуса в питании растений,
однако развитые Шпренгелем представления и питании растений имеют серьезное
значение в развитии агрохимии.