ИСТОКИ АГРОХИМИИ

С первых шагов древнего земледелия стержневой его проблемой был поиск путей поддержания и восстановления плодородия обрабатываемых земель, ведения более разумного землевладения.

По данным археологических исследований, возделывание сельскохозяйственных культур было начато примерно 10-12 тыс. лет назад. С появлением земледелия качественно изменилась история развития человечества. Человек постепенно стал переходить от естественных источников жизнеобеспечения к производству пищи, к искусственному возделыванию сельскохозяйственных растений. Постепенно накапливался опыт ведения хозяйства, который передавался из поколения в поколение, от отца к сыну. В лесных районах люди переходили к подсечно-огневой системе земледелия. А это уже требовало знания целой системы технологических приемов, таких, как: выбор участка леса, подсека, сжигание, перемешивание золы с почвой, рыхление и обработка почвы соответствующими орудиями. Возрастало значение золы как источника плодородия почвы и питания растений. Земледелие же рассматривалось как единство факторов: почвы, воды, огня, леса, металла.

Что касается орошаемого земледелия, то в гигантских речных долинах Нила, Тигра, Евфрата, Инда за несколько тысячелетий до нас уже существовала контролируемая ирригация земель, которая явилась главной функцией возникших здесь государственных образований.

Египтяне хорошо понимали, что затопление полей при разливах Нила выполняет триединую задачу: увлажняет поля, удобряет их речным илом, о плодородии которого слагались легенды, и уносит соли, накопившиеся на поверхности почвы за сухой период.

Во времена первых фараонов Египта появился кадастр земель по их плодородию и доходности.

Исторические истоки древней ирригации в Средней Азии развивались параллельно с Египтом и Двуречьем, т.е. до II тысячелетия до нашей эры. Почвы дельты Амударьи тяжелые и не отличались высоким плодородием, поэтому хорезмские земледельцы рано научились песковать их и удобрять различными отходами.

Археологические памятники на севере Индии свидетельствуют, что колыбель индийского земледелия появилась за Ш-Н тысячи лет до нашей эры сначала на севере страны, а затем центр его

3. Агрохимия

переместился на более плодородные аллювиальные равнины, где рано возникла переложная система земледелия, а позднее и искусственное орошение.

Древнейшим очагом земледелия является также и Восточный Китай. Здесь задолго до нашей эры (4 ООО лет до н.э.) было накоплено много сведений по земледелию, и правительство, руководствуясь ежегодными наблюдениями за полевыми работами, назначало народу время вспашки, удобрения, способы посева и т.д.

Первые специальные, сохранившиеся до нашего времени агрономические, биологические и географические сочинения, в которых немало говорится о земле-почве, ее свойствах и плодородии, восходят к древним грекам, которым были уже известны различия между почвами, приемы их обработки в рамках сухого земледелия средиземноморского типа.

В литературных произведениях древнегреческого философа и ученого Аристотеля (384-322 гг. до н.э.) изложены наиболее значительные сведения об особенностях агрономии, питании растений. Он отмечал ступени природы: неорганический мир, растение, животное, человек. Аристотель считал, что растениям нужны четыре стихии: воздух, вода, земля и огонь.

Выдающийся исследователь растительного мира в Древней Греции Феофраст (ок. 372-287 гг. до н.э.) в своем сочинении «Исследования о растениях» отмечал, на каких почвах какие культуры лучше высевать, как поддерживать плодородие почвы, о роли навоза и т.д. Для естествознания он наравне со своим учителем Аристотелем сыграл важную роль в развитии учения о растениях и почве. Труд Феофраста «Исследования о растениях» считается главным из самых ранних ботанических и агрономических сочинений.

Греческая агрономия была преемницей древневосточной, а сельскохозяйственные знания римлян развивались под влиянием греческой культуры и науки.

До II в. до н.э. у римлян не было литературных сочинений агрономического содержания.

По различным вопросам сельского хозяйства богатое наследие по тому времени оставили древнеримские ученые и писатели: Катон, Варрон, Плиний, Колумелла. Все они занимались земледелием, так как этот род занятий считали самым полезным и достойным свободного гражданина. Они оставили немало трудов по вопросам агрономии.

Марк Порций Катон Старший (234-149 гг. до н.э.) - государственный деятель и писатель. До наших дней дошли книга «О делах деревенских» и трактат «Земледелие», в которых собраны

практические советы по разным отраслям хозяйства: по обработке почвы, возделыванию виноградников, оливковых садов, по луговодству и животноводству. Он сделал попытку классифицировать почвы по пригодности их для выращивания различных культурных растений, дал практические советы по правильному хранению и срокам вывоза навоза на поля, рекомендации по возделыванию люпина, вики, бобов на зеленое удобрение, по лучшим срокам скашивания трав на сено, а именно до начала созревания семян.

Катон писал, что хорошо возделывать поле - это значит хорошо пахать и унавоживать. Если в хозяйстве не хватает навоза, он рекомендовал использовать на подстилку овцам стебли, мякину, листья дуба, высокую траву, т.е. увеличивать количество органических удобрений путем компостирования.

Катон считал земледелие основой Римского государства, а труд земледельца - самым чистым, верным и не вызывающим зависти. Он почтительно относился к земледельцам, о которых писал как о самых мужественных людях и дивных воинах.

Марк Теренций Варрон (116-27 гг. до н.э.) - писатель и ученый-энциклопедист. Он успешно обобщил материалы, накопленные в течение столетия после Катона. Его труд «Сельское хозяйство» целиком сохранился до наших дней. Варрон придавал большое значение научному подходу при решении вопросов земледелия. Он предлагал тщательно изучать почвы по отдельным районам, советуя на более жирных почвах сеять пшеницу, а на более тощих - бобы. Варрон также писал о зеленом удобрении, рекомендуя для этой цели выращивать и запахивать люпин.

Варрон писал свой труд на основе литературных источников и бесед со сведущими лицами, однако он первый утверждал самостоятельность земледелия как науки и отмечал, что земледелие - наука необходимая и великая.

При характеристике почв Варрон широко использовал сочинения Феофраста, дал классификацию почв Италии. Он был активным сторонником внесения в почву навоза и первым выдвинул идею о союзе земледелия и животноводства. Для Варрона забота о плодородии почвы - важнейшая задача земледелия. Этой заботе была подчинена и его идея о необходимости установления севооборотов.

В начале нашей эры римская наука дошла до своих предельных высот. В связи с этим нельзя не отметить труды знаменитого римского ученого и писателя Гая Секунда Плиния Старшего (23- 79 гг. н.э.), одного из последних римских авторов, писавших по вопросам земледелия. Его «Естественная история», состоящая из 37 книг, представляла своего рода энциклопедию. В последующий ряд

столетий этот бромный труд, потребовавший от автора большой энергии, трудолюбия и исключительной эрудиции, служил справочником по целому ряду отраслей знаний, в том числе и по сельскому хозяйству.

Плиний полагал, что плодородие почв падает, и это нельзя компенсировать никакими самыми дорогими способами ее обработки. По существу, это начальный вариант закона убывающего плодородия почвы, подоплекой которому был рабский труд, производительность которого падала вследствие отсутствия заинтересованности рабов в хорошей обработке и повышении плодородия почв. Философским оправданием взглядов Плиния было учение Сенеки, Марка Аврелия об истощении земли как неумолимом, но естественном процессе.

Плиний трагически погиб при извержении Везувия в 79 г., желая ближе наблюдать это природное явление.

Луций Юний Мозерат Колумелла (I в. н.э.) - выдающийся представитель античной агрономии, римский писатель и агроном. Он выступал против взглядов Плиния и других авторов. Его сочинение «О сельском хозяйстве» состоит из 12 книг и является подлинной сельскохозяйственной энциклопедией.

Полемизируя со сторонниками учения об убывающем плодородии почвы, Колумелла утверждал, что разумный человек не позволит довести землю до усталости и истощения такой степени, чтобы она с прежней щедростью не обеспечивала людей пропитанием. Земля не может состариться, если ей помогать навозом как пищей для восстановления ею утраченных сил.

Колумелла призывал вести земледелие на научной основе, ввести экспериментирование в земледелие и широко распространять сельскохозяйственные знания, вводя публичные курсы по этим отраслям наук.

В своих трудах Колумелла много внимания уделял описанию и использованию различных видов удобрений: навозу, приготовлению различных видов компостов, применению золы, выращиванию на зеленое удобрение люпина.

Колумелла предложил классификацию удобрений: навоз, минеральное удобрение, зеленое удобрение, компост, удобрение «земли землей». Зеленое удобрение, по его мнению, «имеет силу наилучшего навоза». Что касается удобрения землей, то он ссылается на улучшение песчаных почв глиной, а глинистых - песком.

С первого века нашей эры развитие науки было практически остановлено, забыты были и труды древних мыслителей по агрономии и естествознанию, и только через 1000 лет стали возвращаться к авторам Древнего мира, особенно к Аристотелю и Колумелле.

ЗАРОЖДЕНИЕ УЧЕНИЯ О ПИТАНИИ РАСТЕНИЙ, ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ И УДОБРЕНИИ ЗЕМЕЛЬ

Наиболее правильный взгляд на почву как на источник минеральных веществ, необходимых для растения, высказал французский естествоиспытатель Б. Палисси. Еще в 1563 г. он писал, что «соль есть основа жизни и роста всех посевов». Если засевать поле несколько лет подряд, не унавоживая, то посевы извлекут из земли соль, необходимую для своего роста; земля, таким образом, обедняется солями и перестает давать урожаи. Его представления о причинах истощения почвы, о необходимости возврата зольных веществ в виде удобрений лишь 300 лет спустя доказаны точными опытами.

В 1656 г. И.Р. Глаубер выдвинул гипотезу, что главным фактором урожайности является селитра, внесение которой в почву вызывает значительный рост урожая. Удобрительное действие навоза он связывал с образованием селитры. Но взгляды Б. Палисси, И.Р. Глаубера в свое время не были оценены по достоинству и не оказали существенного влияния на земледелие.

В 1789 г. Рюккерт создал теорию истощения почв, довольно близкую к либиховской. Он считал, что каждое растение требует особого состава почвы, наиболее подходящего для его развития. Некоторые же растения при многолетней культуре обедняют почву, урожаи падают, а в то же время другие культуры на этой же почве вполне удаются. Истощение почвы можно устранить с помощью удобрения, содержащего недостающее вещество, поэтому разные растения требуют разных удобрений. Однако это верное научное положение не было убедительным для современников вследствие недостаточного совершенства методики анализа почвы и растений.

Фактически в течение XVIII в. не сформировались определенные знания о роли минеральных солей в питании растений и роли почвы как их источника. И только в рукописи французского ученого Лавуазье, опубликованной после его трагической смерти в 1794 г., имеются замечательные строки, свидетельствующие, что основные положения минеральной теории питания растений были сформированы на 50 лет раньше Либиха. Лавуазье писал, что растения черпают материалы, необходимые для своей организации, в воздухе, который их окружает, в воде, вообще в минеральном царстве.

Однако если теория корневого питания растений в XVIII в. еще не была сформирована, то вполне была доказана роль атмосферы как источника углерода для растений. Гениальные мысли М.В. Ломоносова (1753) о воздушном питании растений (фотосинтезе) вскоре были подтверждены работами Пристли (1775), Ингенгуза (1779) и Сенебье (1782). Потребовалось длительное время для раскрытия

механизма этого процесса и разработки теории воздушного питания растений. Но более сложным путем развивалась теория корневого питания растений. Несмотря на довольно определенные высказывания и известные работы Палисси, Глаубера и других о роли минеральных солей в питании растений, шведский химик Валериус в 1761 г. предположил, что растения питаются гумусом. Он исходил из практического наблюдения о влиянии на плодородие почвы навоза и всякого перегноя и ошибочно считал, что растения прямым путем усваивают корнями гумус, что только органические вещества почвы являются питательными для растений, а другие составные части являются вспомогательными и, по его мнению, могут способствовать растворению жирных веществ гумуса (например, мел). Наиболее активно и широко эту неверную гумусовую теорию питания растений распространял крупнейший немецкий агроном А. Тэер (1752-1828). Он считал, что плодородие почвы полностью зависит от содержания гумуса в почве и что, кроме воды, гумус представляет единственное вещество почвы, которое может служить пищей растениям. Минеральным веществам по этой теории отводилась второстепенная роль, т.е. как веществам, ускоряющим процесс разложения в почве и переводящим гумус в усвояемую форму. Поскольку Тэер пользовался большой популярностью и авторитетом в то время, его ошибочные взгляды по гумусовой теории питания растений получили широкое распространение.

Заслуживают несомненного внимания воззрения немецкого ученого Шпренгеля, ближайшего предшественника Либиха. Его научные позиции очень близко приближались к теории минерального питания Либиха. В своей книге «Учение об удобрениях» Шпренгель писал, что растения из неорганических веществ, получаемых ими из почвы и воздуха, образуют органические тела с помощью света, тепла, электричества и воды. Он объяснял причины падения урожаев при непрерывной культуре. Особое внимание Шпренгель обращал на необходимость возмещения утраченных почвой минеральных веществ, так как углерод, водород и кислород растения находят в. воздухе, который по сравнению с почвой всегда остается одинаковым по составу. Он считал обязательным внесение в почву связанных форм азота, так как большинство растений не способно усваивать азот атмосферы. Фактически Шпренгель создал учение о значении минеральных веществ для питания растений и необходимости их возврата в почву в целях предотвращения ее истощения.

Лишь в одном Шпренгель расходился с Либихом: он считал главным источником углерода для питания растений углекислоту воздуха, но и не отрицал возможного использования перегноя почвы

корнями. В этой части взгляды Шпренгеля совпадали с гумусовой теорией питания растений. Он не располагал ни одним экспериментальным фактом, который бы позволил ему отрицать такую возможность.

Окончательный крах гумусовой теории питания растений произошел после выхода в свет в 1840 г. книги Ю. Либиха (1803— 1873) «Химия в приложении к земледелию и физиологии», которая произвела огромное впечатление на ученых и практиков, привлекла всеобщее внимание к вопросу о минеральном питании растений и имела большой успех.

Основным положением учения Либиха о питании растений является то, что только неорганическая природа доставляет растениям их первоначальную пищу. Перегной же, по его мнению, служит источником углекислоты в почве, которая ускоряет процесс выветривания силикатов и подготавливает минеральную пищу растениям.

Логическим продолжением минеральной теории питания растений Либиха является его теория удобрения и истощения почвы, обоснование необходимости севооборота. Либих считал, что все растения только истощают почву, но разные культуры истощают почву в разных направлениях. Поэтому чередование растений в севообороте лишь замедляет процесс истощения, но оно рано или поздно наступит, если не возмещать почве все то, что было отчуждено растущими культурами. Так как большая часть хозяйств продает и вывозит чаще всего зерно, то в первую очередь наступит дефицит фосфорной кислоты, которой больше в зерне, чем в соломе. Солома и сено идут на корм скоту и подстилку. Поэтому при удобрении только навозом почва недополучает тех элементов, которые с продукцией вывезены за пределы хозяйства.

Указание Либиха на необходимость внесения прежде всего фосфатов как фактора, лимитирующего урожай, нашли впоследствии подтверждение в опережающем применении фосфатов по сравнению с другими видами минеральных удобрений. Для получения растворимых однокальциевых фосфатов он рекомендовал обрабатывать серной кислотой кости. Более же интенсивное развитие суперфосфатная промышленность получила, когда по такому же типу серной кислотой стали обрабатывать фосфориты. Начало такой технологии положено в Англии Лоозом в 1843 г.

Либих настойчиво рекомендовал возвращать в почву те минеральные вещества, которыми почва особенно истощена. Если же эти минимумы не устранить, то другие вещества окажутся бесполезными. Впоследствии это положение назвали «либиховский закон минимума», хотя сам Либих этот термин не употреблял и считал это научное положение относительным. В книге «55 тезисов» (1855) он отмечал: «Элемент, полностью отсутствующий или не находящийся в нужном количестве, препятствует прочим питательным соединениям произвести их эффект или, по крайней мере, уменьшает их питательное действие». Этим он подчеркивал незаменимость элементов питания растений.

Ю. Либих впервые четко высказал идею о сознательном регулировании обмена веществ между человеком и природой. «Учение о необходимости возврата, - писал К.А. Тимирязев,- представляет, как бы ни пытались ограничить его значение, одно из важнейших приобретений науки».

Широта и глубина взглядов Либиха на питание растений и сейчас заставляют удивляться. Он писал: «...Всякая почва лишь в том случае может считаться вполне плодородной для того или иного вида растений, скажем для пшеницы, если каждая из частиц ее, соприкасающихся с корнями, содержит все необходимые питательные вещества и при том в такой форме, которая позволяет корням усваивать эти вещества на любом этапе развития растения, в должное время и в надлежащем их взаимном соотношении» (Либих Ю. Химия в приложении к земледелию и физиологии растений. М.-Л., 1936.

С.              290).

Либих придавал большое значение и многообразию совокупности факторов, влияющих на урожай, например географической широте расположения данной местности, ее положению над уровнем моря, годовому количеству осадков, распределению их по отдельным временам года, средней температуре весны, лета и осени, высшим и низшим температурам за каждое время года и, наконец, физическим, химическим и геологическим свойствам почв, т.е. к оценке плодородия он подходил с учетом комплекса факторов. Ему не известна была роль биологических свойств почвы, так как только через 35- 40 лет после смерти Либиха было установлено значение почвенных бактерий в образовании нитратов, а еще позже вскрыта биологическая природа и других процессов в почве.

Либих не проводил экспериментов с растениями, при обосновании своих научных положений исходил из общих соображений о круговороте вещества в земледелии и химического анализа растений. Увлечение полемикой и поспешность перехода от общих положений к практическим рекомендациям привели его к ряду неверных формулировок и ошибочных положений. Так, Ю. Либих считал, что содержание в воздухе аммиака и окисленной формы азота достаточно, чтобы обеспечить почву азотом, а следовательно, и удовлетворить потребность в нем растения. Поэтому и ценность навоза он определял по содержанию в нем зольных веществ - калия, фосфора и др.

Большую роль в изучении вопроса об источниках азота для питания растений сыграл Ж.Б. Буссенго (1802-1887). С 1836 г., будучи профессором Лионского университета, он изучал баланс прихода и расхода питательных веществ за севооборот и установил важную роль бобовых в обогащении почвы азотом. Ряд основных работ Буссенго по изучению круговорота веществ в земледелии явились фундаментом для создания новой отрасли знания - агрохимии. Синтез либиховского положения о роли зольных элементов и тезис Буссенго о значении азота в удобрениях сыграли большую роль в дальнейшем развитии теории корневого питания растений.

Буссенго развивал азотную теорию удобрения, противопоставив ее гумусовой теории Тэера. Истощение плодородия почв он связывал с выносом азота с урожаем. В то же время он установил, что некоторые культуры, например клевер и люцерна, не истощают, а обогащают почву азотом. Причем Буссенго это доказал точными агрохимическими исследованиями в полевых экспериментах в севооборотах. Тот факт, что азотный дефицит в севообороте покрывается за счет клевера и люцерны, был установлен им в течение 1836— 1838 гг.

Буссенго был не только мыслителем. Он проводил точные агрохимические и физиологические эксперименты, подчеркивая, что для проверки мнения ученых «нужно спрашивать мнение самого растения». Буссенго по праву считается основателем агрохимии. Кроме полевых опытов он проводил многочисленные исследования по азотному питанию растений в специальных сосудах, тем самым положив начало вегетационному методу. Им проведен ряд работ по ассимиляции углерода растениями, установлено, что углекислота атмосферы является источником углеродного питания растений, изучено влияние внешних условий на ассимиляцию углерода листьями. Его работы по азотному обмену положили начало биохимическому направлению в агрохимических исследованиях.

В 1886 г. была опубликована работа Гельригеля об усвоении азота бобовыми. Клубеньки на корнях бобовых обнаружил М.С. Воронин еще в 1865 г., но связь между ними и усвоением азота этими культурами не была установлена. Гельригель после серии опытов пришел к выводу, что бобовые, развиваясь на почве, содержащей соответствующие бактерии, заражаются ими и образуют на корнях клубеньки, после этого приобретают азотфиксирующую способность. При этом бобовые культуры увеличивают в почве количество органического вещества, но одновременно являются азотособирателями. После хорошего травостоя клевера почва получает азота и органического вещества не меньше, чем его поступает с дозой навоза 30-35 т/га. Таким образом, открытие Г ельригелем особенностей питания бобовых растений азотом завершает важный этап развития знаний по теории агрохимии, составляющий основу современного учения о питании растений.