МЕСТО АГРОХИМИИ СРЕДИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ НАУК

Внесение удобрений - сильное и активное вмешательство в круговорот питательных элементов в земледелии, в создание активного баланса в системе почва-удобрение-растение. Без удобрений нельзя добиться расширенного воспроизводства плодородия почвы.

Главное содержание агрохимии как науки можно представить тремя отделами: химия растений, химия почвы, химия удобрений. В том, что химия растений является разделом физиологии растений и как глава агрохимии, нет никакого противоречия. Так же как и химия почвы, она, с одной стороны, входит в состав почвоведения, являясь важнейшим разделом этой науки, а с другой - является неотъемлемой частью агрохимии. Химия удобрений полностью разработана агрохимиками. Научные исследования по данному разделу нельзя проводить в отрыве от химии почв, физиологии растений и земледелия. Агрохимию нельзя рассматривать параллельно с почвоведением, физиологией растений, земледелием, микробиологией. Она проникает внутрь этих дисциплин и в каждой охватывает то, что необходимо для исследования при создании оптимальных условий жизни растений с целью реализации их потенциальной продуктивности.

Агрохимия выделилась в самостоятельную дисциплину именно вследствие теоретической и практической целесообразности. Выделение физиологии растений и почвоведения в самостоятельные отрасли науки не заменяет агрохимии, так как только агрохимик в интересах успешного решения практических задач земледелия занимается синтезом взаимодействующих факторов: почв, климата, растений и удобрений.

Д.Н. Прянишников отмечал, что как нецелесообразно делить почвоведение между агрохимией, агрофизикой и микробиологией, так же нецелесообразно растворять агрохимию в почвоведении, физиологии растений и земледелии.

Диапазон агрохимических исследований очень широк. Это - изучение превращения питательных веществ в почве и метаболизма их в растении, оптимизации питания растений путем применения удобрений, воспроизводства плодородия почв с учетом оптимальных параметров основных его показателей, применения удобрений на планируемый урожай и регулирования качества растениеводческой продукции.

Многофакторная схема содержания науки агрохимии как взаимосвязь климата, почвы, растения и удобрения, выполнение системных исследований и реализация достижений агрохимии на практике связана с рядом других фундаментальных и прикладных дисциплин (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Связь агрохимии с другими фундаментальными и прикладными науками

На рис. 1.6 представлен далеко не полный перечень отраслей знаний, с которыми агрохимия тесно взаимосвязана при решении теоретических и практических задач. Это можно видеть даже из краткого перечня вопросов и разделов, представляющих общий интерес как для агрохимии, так и для других смежных отраслей наук. Например, трудно переоценить тесную связь агрохимии с почвоведением, так как эффективность удобрений в значительной степени определяется химическими, физическими, физико-химическими свойствами почвы, ее биологической активностью. Эти показатели тесно связаны с содержанием и подвижностью питательных веществ в почве, что предопределяет дозы удобрений и соотношение в них биогенных элементов.

Действие и окупаемость удобрений зависят от окультуренности почв, гумусного ее состояния, поглотительной способности, буферное™ и реакции среды. Поэтому важнейшей задачей агрохимии является изучение свойств и плодородия почвы, баланса питательных веществ в агроценозе, путей его регулирования и воспроизводства плодородия почв.

Взаимосвязь свойств почв и удобрений проявляется в процессах мобилизации, иммобилизации, трансформации, миграции питательных веществ, на что существенное влияние оказывают выращиваемые в агроценозе растения.

Не менее тесно агрохимия связана с физиологией растений. Две синтетические лаборатории растения - лист и корневая система - могут осуществлять свою деятельность благодаря корневому и воздушному (фотосинтез) питанию растений. А это связано с поступлением и метаболизмом питательных веществ в растении, что и обеспечивает формирование основных показателей качества продукции.

Следовательно, физиология питания и обмен веществ в растениях являются важнейшей составляющей частью теоретических положений агрохимии, которые часто используются в практических целях для направленного регулирования формирования количества и качества продукции растениеводства.

Биохимия растений тоже тесно соприкасается с агрохимией при проведении фундаментальных исследований по проблеме синтеза органических соединений и решения практических задач, в частности улучшения химического состава и питательной ценности продукции растениеводства (рис. 1.7).

Владея знаниями таких биохимических процессов, как мета- бс [изм биогенных элементов, синтез органических соединений, сс ряженность энергообмена при образовании отдельных органи- че ких веществ и их распада в процессе дыхания, агрохимические сг детва могут изменять химический состав выращиваемых растений: содержание белков в зерне пшеницы, сахаристость корнеплодов сахарной свеклы, масличность семян подсолнечника, крахмалистость клубней картофеля и т.д. С учетом периодичности питания культурных растений важно создавать необходимые условия для образования полезных органических веществ в растении. Нарушение этих важных научных положений может привести к негативным последствиям, ухудшению химического состава и питательной ценности продукции с пониженным содержанием в ней белков, сахаров, жиров и других важных органических и минеральных веществ.

Многие разделы агрохимии тесно связаны с биологией почвы и с микробиологией.

точников азота в системе почва-растения: симбиотической и ассоциативной азотфиксации, а также свободно живущими микроорганизмами. Активность этих процессов зависит от правильной системы применения удобрений. Трансформация азота в почве - процесс в основном микробиологический. Агрохимик должен владеть этими знаниями при разработке приемов оптимизации азотного удобрения культурных растений.

Многие функции удобрений нельзя объективно оценить без знания микробиологических процессов в агроценозе: питание растений фосфором, изменение микробоценоза почвы под влиянием различных систем удобрения, изменение биологической и ферментативной активности почвы при систематическом применении агрохимических средств, влияние удобрений на грибные болезни растений и др.

Процессы мобилизации и иммобилизации азота в почве (аммонификация, нитрификация, денитрификация) протекают под влиянием почвенной микрофлоры.

То же можно сказать и о симбиотической и несимбиотической фиксации азота атмосферы, о процессах гумификации и минерализации гумуса, о роли микоризных грибов и внеклеточной фосфатаз- ной активности в питании высших растений фосфором и т.д. Для активизации биологических процессов в почве применяют специальные бактериальные препараты (нитрагин, ризоторфин и др.). Все это необходимо учитывать при разработке систем удобрения в агроценозе.

Возрастающие экологические негативные явления в агроэкосистемах связывают агрохимию с экологией. Повышается роль агрохимических средств в выполнении экологических функций. Так, техногенное загрязнение агроценозов тяжелыми металлами, радионуклидами и другими токсическими веществами вызывает необходимость использования комплекса агрохимических средств и приемов, направленных на снижение поступления токсикантов в растения и в трофические цепи.

Экологическая оценка особенно необходима при применении различных нетрадиционных видов удобрений - отходов отраслей промышленности, коммунального хозяйства при использовании на удобрение местных органических и минеральных сырьевых ресурсов.

Многие экологические функции агрохимии: поддержание биологического круговорота веществ, сохранение биоразнообразия и улучшение микробоценоза почвы, иммобилизация токсических веществ, сохранение биологической активности почвы, активизация азотфиксирующей способности почвы, предотвращение эвтрофирова- ния природных вод и др. - тесно связаны с соответствующими разделами экологии.

Создание оптимальных культурных агроландшафтов в различных природных зонах в соответствии с их специализацией возможно с помощью агрохимических средств. Применяя удобрения, регулируя водный режим, мобилизуя внутренние ресурсы ландшафта, человек создает культурный агроландшафт с оптимальным геохимическим режимом. Такой ландшафт является наилучшим в гигиеническом отношении и отвечает оптимальным условиям жизни человека.

При характеристике геохимического ландшафта необходимо учитывать как взаимосвязь химического состава отдельных его звеньев: почвы, растительности, поверхностных и грунтовых вод, так и факторы, влияющие на миграцию химических элементов.

Подвижность химических элементов в биосфере непосредственно связана с живым веществом и природными водами, т. е. синтез и минерализация органических веществ - процессы, составляющие круговорот химических, особенно биогенных элементов в системе почва-растение.

Систематическое применение агрохимических средств приводит к изменению химического состава почвы, растений, грунтовых вод и т.д., а следовательно, влияет на круговорот веществ в данном ландшафте. Вновь созданный аграрный тип ландшафта является качественно отличным от естественных ландшафтов. Зная оптимальные параметры химического состава звеньев агроландшафта, научно обоснованным применением агрохимических средств его можно существенно улучшить. При комплексном агрохимическом воздействии на звенья такого агроландшафта он приобретает агрохимическое содержание.

В этих экологических функциях агрохимии отмечается ее тесная взаимосвязь с геохимией. В.А. Ковда (1984) отмечал, что поведение удобрений в ландшафте необходимо изучать с привлечением биогеохимических методов исследований, «возникает новое направление в науке - агрогеохимия».

Можно привести примеры связи агрохимии с другими фундаментальными науками. Например, существуют географические закономерности действия удобрений, которые определяются почвенно-климатическими условиями зон. Эффективность удобрений также определяется биоклиматическим потенциалом зоны. Здесь отмечается связь агрохимии с географией (рис. 1.7).

Эффективность же агроприемов, в том числе и применяемых агрохимических средств, в значительной мере определяется погодно

климатическими условиями, что связывает агрохимию с метеорологией и т.д.

Нет наук чисто фундаментальных и прикладных. Такое деление весьма условно. Крупные достижения в области фундаментальных отраслей знаний в конечном счете завершаются совершенствованием высоких наукоемких технологий и оказывают влияние на ускорение развития соответствующих прикладных наук.

Что касается агропромышленного производства, то агрохимия по существу тесно связана со всеми отраслями сельскохозяйственных наук (рис. 1.8).

Еще К.А. Тимирязев (1935) писал, что земледелие стало тем, что оно есть, только благодаря агрономической химии и физиологии растений. Связь агрохимии с земледелием объясняется тем, что система применения удобрений - важнейшее звено современного научного земледелия. Одновременно она является и стержневым вопросом прикладной части агрохимии. Например, действие удобрений в значительной мере определяется наличием подвижных питательных веществ в почве, а также состоянием ее водного и воздушного режимов. А это зависит от предшественников и дифференцированной обработки почвы. То же можно сказать и о системе научно обоснованных специализированных севооборотов, которая определяет дозы и соотношения удобрений, распределение минеральных, органических удобрений и химических мелиорантов по культурам севооборота.

Поэтому системы севооборотов, удобрений и обработки почвы - важнейшие взаимосвязанные разделы научного земледелия. Комплекс всех агрономических приемов в процессе вегетации культуры, в том числе и применение удобрений, особенно при разработке эффективных высокопродуктивных технологий, определяется биологическими требованиями культуры, метеорологическими условиями, плодородием почвы, видом предшественника и т.д. А это связывает агрохимию с растениеводством.

За последние годы высокие темпы роста урожаев различных сельскохозяйственных культур в западноевропейских странах и передовых хозяйствах нашей страны отмечаются при комплексном научно обоснованном применении в прогрессивных технологиях агрохимических средств на основе комплексной почвенно-расти- тельной диагностики питания растений и применения удобрений и химических средств защиты с учетом фитосанитарного состояния почв и посевов. В этом случае резко возрастает окупаемость как минеральных удобрений, так и химических средств защиты растений (пестицидов). В этом проявляются общие интересы двух наук: агрохимии и защиты растений.

Наибольший эффект от удобрений получается в условиях орошения при оптимальном сочетании водного режима почв и питательных элементов. Поэтому культуры, возделываемые при орошении, прежде всего обеспечиваются удобрениями в соответствии с научными рекомендациями. В этих условиях отмечается наибольшая окупаемость применяемых удобрений.

То же можно сказать и о высокой эффективности удобрений при применении их под сельскохозяйственные культуры на мелиорированных осушенных землях, особенно с двойным регулированием водного режима. Это свидетельствует о тесной связи агрохимии с мелиорацией земель.

Для расширенного воспроизводства плодородия почвы, улучшения круговорота веществ в земледелии и создания активного баланса макро- и микробиогенных элементов в системе почва- растение-удобрение важно максимально использовать все местные удобрительные ресурсы, которые никогда не утратят своего значения, какими бы ни были темпы и объемы применения минеральных удобрений. Поэтому данная задача всегда будет актуальной.

Особое значение придается навозу. Хорошо налаженная и правильная технология накопления, хранения и использования навоза - важнейший показатель уровня культуры земледелия. Поэтому агрохимик должен знать основы животноводства и рациональное использование в земледелии отходов этой отрасли сельского

хозяйства. Без этого не может быть и рационального применения минеральных удобрений.

Высокие темпы химизации земледелия требуют постоянного совершенствования ее механизации и автоматизации, т.е. совершенствования транспортных средств для перевозки удобрений; машин по тукосмешению и внесению минеральных и органических удобрений; техники по накоплению, хранению навоза, приготовлению различных компостов, их транспортировке и внесению по полям севооборота. Какой должна быть сельскохозяйственная техника для выполнения комплекса работ и автоматизации производственных процессов по рациональному использованию органических удобрений, в значительной мере определяет агрохимик.

Севооборот с системой удобрений имеет важное организационно-экономическое значение. Судить об эффективности удобрений можно только с учетом агроэкономической их оценки. Реализовать в хозяйстве все приемы, связанные с химизацией земледелия, можно только при выполнении комплекса организационно-экономических и хозяйственных мероприятий и при наличии материально-технической базы по транспортировке, хранению, тукосмешению и внесению удобрений. Все это требует от агрохимика знания научных основ организации и экономики сельскохозяйственного производства.

Результаты комплексного использования всех факторов земледелия в историческом аспекте можно видеть на примере роста урожаев пшеницы в странах Западной Европы, развивая подход Д.Н. Прянишникова к этой проблеме.

В Средние века при господстве трехполья средний урожай пшеницы составлял 7-8 ц/га (рис. 1.9). Введение плодосмена с клевером удвоило урожай этой культуры. В тот период для плодосмена было характерно наличие клевера и корнеплодов. Типичным севооборотом этой системы было норфолькское четырехполье (пропашные, яровые, клевер, озимые). Севооборот этот сложился в Англии в XVIII в. Появление плодосменного севооборота с клевером удвоило урожай хлебов по сравнению с трехпольем главным образом за счет биологического азота, фиксированного клубеньковыми бактериями клевера. Почва обогащалась азотом при запашке корневых и растительных остатков клевера и более обогащенного азотом навоза, так как клеверное сено скармливалось животным.

В начале XX в. удвоение урожаев пшеницы в Западной Европе связано с массовым применением минеральных удобрений. В последние годы наблюдается динамичный рост урожаев зерновых культур, достигающий 50-60 ц/га, а в некоторых странах и выше, что объясняется высокой культурой земледелия, научно обоснованной системой применения минеральных и органических удобрений на основе почвенной и растительной диагностики, а также учетом правильного чередования культур в севообороте. Несомненную положительную роль играет интегральная система защиты растений от вредителей, болезней и сорняков, а также значительный прогресс в селекции высокопродуктивных сортов зерновых и других культур (рис. 1.9).

1770 -1780 гг. 1840 -1890 гг. 1910-1925 гг. 1970 -1985 гг.

Трехполье Плодосмен Минеральные Севооборот*

(без клевера) (с клевером) удобрения + удобрения* средневековое              плодосмен защита растений*

(с клевером) высокая продуктивность сорта

Рис. 1.9. Динамика роста урожаев пшеницы в Западной Европе за 200 лет

Таким образом, цивилизованные страны Европы, используя комплекс агроприемов в прогрессивных технологиях возделывания зерновых культур с учетом оптимального обеспечения зерновых культур питательными веществами, практически достигают реализации их потенциальной продуктивности. При этом отмечается прямая корреляционная связь между уровнем применения удобрений в этих странах и урожаями зерновых культур. Такая зависимость хорошо просматривается по средним показателям за 1995-1997 гг. (коэффициент линейной корреляции г между урожаем зерновых и дозами NPK равен 0,91, рис. 1.10, табл. 1.1).

Возможность получения высоких урожаев зерновых культур (50-60 и даже 70-80 ц/га) в различных почвенно-климатических условиях нашей страны подтверждается многими хозяйствами в условиях производства, госсортсетью, а также опытными хозяйствами, где оптимально сочетаются все звенья научного земледелия.

С учетом определяющей роли минеральных удобрений в повышении продуктивности отечественного земледелия во второй половине XX столетия в России были приняты меры по резкому увеличению их производства и применения (табл. 1.2).

Удобрения,

Урожай, ц/га              кг/га д в

(в т.н. калийных) в странах Европы (средние показатели за 1995-1997 гг.)

1.1. Потребление минеральных удобрений, урожай зерновых и вносимые дозы минеральных удобрений в некоторых странах Европы (средние показатели за 1995-1997 гг.)

1.2. Применение (поставки) минеральных удобрений в России во второй половине XX столетия

Были приняты меры и по увеличению поголовья животных в сельском хозяйстве, что привело к нарастанию темпов применения органических удобрений (рис. 1.11).

Много внимания уделялось химической мелиорации, в частности известкованию кислых почв (рис. 1.12).

Однако в последнем десятилетии XX столетия произошла известная перестройка сельского хозяйства с учетом новых экономических условий, т.е. жестких рыночных отношений, что привело к резкому падению объемов применения минеральных и органических удобрений, темпов известкования и фосфоритования почв с соответствующими негативными последствиями.

Поэтому в новом, XXI в. Россия оказалась перед необходимостью резкого подъема продуктивности сельского хозяйства, достижения продовольственной независимости от импорта продуктов питания. По опыту стран мира, этого можно достичь только при условии полного обеспечения отечественного земледелия минеральными удобрениями в должном объеме и ассортименте в сочетании с такими важными агрохимическими мероприятиями, как полное использование всех видов органических удобрений и других местных удобрительных ресурсов, фосфоритование и известкование кислых почв.

К этому имеются необходимые научные предпосылки. Несмотря на резкий спад применения удобрений, в агрохимической науке имеет место ряд важных фундаментальных и прикладных достижений по совершенствованию теории питания растений, ассортимента минеральных удобрений, разработке прогрессивных технологий эффективного использования агрохимических средств с учетом почвенно-климатических условий, приемов воспроизводства плодородия почв, в том числе с использованием различных видов нетрадиционных удобрений, разработки экологических функций агрохимии и т.д.