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.

Химический состав растений

Растение строит свой организм из определенных химических элементов, находящихся в окружающей среде. Оно состоит из сухого вещества и содержит значительное количество воды. В большинстве вегетативных органов сельск-охозяйственных культур содержание воды составляет 70-95 %, а в семенах – от 5 до 15 %.

Обеспеченность растительных клеток водой во многом определяет скорость и направленность процессов жизнедеятельности в растительном организме. В свою очередь, условия минерального питания, а также условия водоснабжения и биологические особенности растений определяют уровень содержания в них воды. В состав сухого вещества растений входит 90-95 % органических соединений и 5-10 % минеральных солей.

Основные органические вещества представлены в растениях белками и другими азотистыми соединениями, жирами, крахмалом, сахарами, клетчаткой, пектиновыми веществами (табл. 1-3).

Таблица 1 – Средний химический состав урожая сельскохозяйственных растений, % (по Плешкову)

Культура	Вода	Белки	Сырой протеин	Жиры	Крахмал, сахара и другие углеводы, кроме клетчатки	Клетчатка	Зола
Пшеница (зерно)	14	14	15	2, 0	65	2, 5	1, 7
Рожь (зерно)	14	12	13	2, 0	68	2, 3	1, 6
Овес (зерно)	13	11	12	4, 2	55	10	3, 5
Ячмень (зерно)	13	9	10	2, 2	65	5, 5	3, 0
Рис (очищенное зерно)	11	7, 0	8, 0	0, 8	78	0, 6	0, 5
Кукуруза (зерно)	15	9	10	4, 7	66	2, 0	1, 5
Гречиха (зерно)	13	9	11	2, 8	62	8, 8	2, 0
Горох (семена)	13	20	23	1, 5	53	5, 4	2, 5
Фасоль (семена)	13	18	20	1, 2	58	4, 0	3, 0
Соя (семена)	11	29	34	16	27	7, 0	3, 5
Подсолнечник (ядра)	8	22	25	50	7, 0	5, 0	3, 5
Лен (семена)	8	23	26	35	16	8, 0	4, 0
Картофель (клубни)	78	1, 3	2, 0	0, 1	17	0, 8	1, 0
Сахарная свекла (корнеплоды)	75	1, 0	1, 6	0, 2	19	1, 4	0, 8
Кормовая свекла (корнеплоды)	87	0, 8	1, 5	0, 1	9, 0	0, 9	0, 9
Морковь (корнеплоды)	86	0, 7	1, 3	0, 2	9, 0	1, 1	0, 9
Лук репчатый	85	2, 5	3, 0	0, 1	8, 0	0, 8	0, 7
Клевер (зеленая масса)	75	3, 0	3, 6	0, 8	10	6, 0	3, 0
Ежа сборная (зеленая масса)	70	2, 1	3, 0	1, 2	10	10, 5	2, 9

Таблица 2 – Средний химический состав семян масличных культур,

% сухой массы

Культура	Жиры	Белки	Клетчатка	Другие углеводы	Зола
Подсолнечник: целые семена	34	16	25	20	3, 8
ядра	56	26	6	6	3, 8
Лен	37	26	8	22	4, 0
Конопля	34	22	19	20	4, 0

 

Таблица 3 – Среднее содержание основных веществ в овощных, плодовых и ягодных культурах, % сырой массы

Культура	Сахара	Органические кислоты	Азотистые  вещества	Клетчатка	Зола	Аскорбиновая кислота, мг/100 г
Капуста белокочанная	4, 0	о, з	1, 3	0, 8	0, 7	30
Капуста цветная	3, 0	0, 1	2, 5	1, 2	0, 8	100
Томат	3, 0	0, 5	0, 6	0, 2	0, 5	30
Перец сладкий	4, 0	0, 2	1, 5	1, 0	0, 7	200
Баклажан	3, 0	0, 2	0, 9	1, 0	0, 5	5
Огурец	1, 5	0, 005	0, 8	0, 5	0, 4	5
Лук	10, 0	0, 2	1, 6	0, 6	0, 5	7
Чеснок	0, 5	0, 2	7, 0	1, 0	1, 0	15
Яблоня	9, 0	0, 7	0, 4	1, 0	0, 4	25
Груша	10, 0	0, 2	0, 4	0, 8	0, 4	15
Виноград	18, 0	0, 7	0, 7	0, 2	0, 6	6
Земляника	18, 0	1.4	1, 4	1, 2	0, 5	50
Крыжовник	7, 0	2, 0	0, 8	2, 3	0, 5	35
Смородина	8, 0	2, 5	1, 4	2, 0	0, 5	200
Вишня	9, 0	1, 8	0, 9	0, 2	0, 5	17
Апельсин	7, 0	1, 4	0, 9	2, 5	0, 7	65
Лимон	2, 5	5, 8	0, 9	2, 5	0, 6	55

Качество сельскохозяйственной продукции определяется содержанием в ней необходимых органических и минеральных соединений.

Различные сельскохозяйственные культуры выращивают для получения продукции с определенным содержанием белков, сахаров, клетчатки, витаминов и других веществ. Например, высокое содержание клетчатки в сене ухудшает его кормовые свойства, в то же время такие культуры, как хлопчатник, лен, коноплю, выращивают ради получения волокна, которое состоит в основном из клетчатки.

Качество сахарной свеклы оценивают по содержанию сахарозы. Бобовые культуры оценивают по величине накопления белка.

Из диоксида углерода, поглощаемого в основном листьями, и воды, поступающей через корни, в растении в процессе фотосинтеза образуются простые безазотистые органические вещества, состоящие из углерода, кислорода и водорода; в состав белков входит еще азот. На долю углерода, кислорода, водорода и азота приходится 95 % сухой массы растений (углерод 45 %, кислород 42, водород 6, 5, азот 1, 5 %). Эти четыре элемента названы органогенными.

При сжигании растения остаются зольные элементы, на долю которых приходится около 5 % массы сухого вещества.

Содержание азота и зольных элементов в растениях зависит от биологических особенностей и условий выращивания и неодинаково в различных органах. Например, в корнях, стеблях и листьях больше зольных элементов, чем в семенах.

Состав золы различных растений различен и отражает неодинаковую потребность культур в элементах минерального питания. Содержание фосфора и калия в золе растений принято выражать в форме соответствующих оксидов.

На долю калия в золе листьев большинства растений приходится 30-50 %, а в люцерне, клевере, вике содержание кальция значительно выше, чем калия. Содержание калия, фосфора и серы снижается в старых листьях, а кальция повышается от 20-40 до 50-60 % от массы золы.

В растениях обнаружено более 70 химических элементов. Можно предположить, что современные методы анализа позволят в дальнейшем расширить эти данные. Элементы, необходимые растениям, относятся к различным группам Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: