Глава 1 ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И МЕСТО АГРОХИМИИ СРЕДИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ НАУК

Агрохимия - наука об оптимизации питания растений, применения удобрений и плодородия почвы с учетом биоклима- тического потенциала для получения высокого урожая и качества продукции.

Такое понятие об агрохимии отражает сложную диалектическую взаимосвязь между растением, почвой, климатом и агрохимическими средствами. Изучение этой взаимосвязи является главной задачей агрохимии.

Агрохимия - молодая наука, но в самостоятельную отрасль знания она выделилась раньше, чем физиология растений. Основные положения учения о корневом питании растений разработаны агрохимиками, которые еще в конце XIX столетия обратили внимание и на биологические процессы в почве: нитрификацию, фиксацию молекулярного азота из атмосферы бобовыми культурами с участием клубеньковых бактерий. Позднее эти процессы начали изучать микробиологи.

Самостоятельные дисциплины - агрохимия, почвоведение, физиология растений и микробиология - не могут заменить друг друга, но агрохимики, владея глубокими знаниями сложной диалектической взаимосвязи между почвой, погодно-климатическими условиями, растениями и агрохимическими средствами, могут направленно регулировать процессы взаимодействия факторов в агроэкосистеме, добиваясь максимального хозяйственно полезного результата«

Д.Н. Прянишников - основоположник отечественной агрохимической школы - считал, что задачей агрохимии является изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер

воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, которые могут повышать урожай или изменять его качество.

Удобрения создают оптимальный режим питания растений макро- и микроэлементами, направленно регулируют обмен органических и минеральных соединений, что позволяет реализовать потенциальную продуктивность растений по количеству и качеству урожая.

Агрохимические средства существенно влияют на химические и физические свойства почвы, а также на активность и направленность микробиологических процессов, но одновременно и сами изменяются под влиянием свойств почвы. Например, в кислых почвах фосфоритная мука разлагается и фосфор переходит в доступную для растений форму. То же происходит и с карбонатами известковых удобрений. На этом принципе основана химическая мелиорация (известкование) кислых почв, вызывающая нейтрализацию почвенного раствора. Обменные реакции в почве между катионами вносимых солей минеральных удобрений и почвенным поглощающим комплексом могут вызвать негативные или позитивные явления. Например, вытеснение алюминия из поглощающего комплекса калием при внесении КС1 ведет к дополнительному подкислению почвенного раствора, а обменные реакции между кальцием вносимых удобрений и натрием поглощающего комплекса щелочных почв существенно улучшают их физико-химические свойства, повышают биологическую активность. На этом основана химическая мелиорация (гипсование) солонцовых почв.

Д.Н. Прянишников выразил взаимосвязь между тремя взаимодействующими факторами: почвой, растением и удобрением - простой схемой (рис. 1.1), отражающей сущность предмета агрохимии. Задача агрохимии состоит в том, чтобы применением удобрений создать оптимальные условия для питания растений. Такой же подход к оценке системы удобрений должен быть и в отношении почвы. Только удовлетворяя биологические требования растений, можно реализовать потенциальную продуктивность растений, заложенную в генотипе новых сортов.

Известный русский ученый К.К. Гедройц отмечал, что урожайность зависит от трех факторов: климата, почвы и самого возделываемого растения.

находящихся в данном регионе. Изменяя свойства почвы, человек может в определенной мере регулировать в желательном направлении эффект климатических условий на растения. Действие удобрений К.К. Гедройц также рассматривал опосредованно через изменение свойств почвы.

РАСТЕНИЕ

УДОБРЕНИЕ

Прогресс в развитии теоретических положений формирования количества и качества продукции культурных растений вызвал необходимость введения биоклиматического потенциала в понятие агрохимии. Разработана теория получения программированных урожаев, которая на практике дает положительные результаты, созданы и совершенствуются статические модели плодородия почвы по комплексу оптимальных параметров агрохимических и агрофизических показателей ее свойств с учетом уровня урожая отдельных культур и продуктивности в целом специализированных севооборотов. Наконец, учеными-аграрниками и биологами разрабатываются модели продукционных процессов отдельных сельскохозяйственных культур, реализация которых в перспективе позволит получать максимально высокие урожаи.

Во всех случаях прежде всего необходимо выяснить био- климатический потенциал данного района или области, после чего, используя агрохимические средства, создать оптимальные условия питания сельскохозяйственных культур. Географическая сеть опытов с удобрениями и многочисленные эксперименты в зональном аспекте по унифицированным схемам и методам позволяют в определенной степени учесть важнейший фактор - климат - в системе климат- почва-удобрения-растения. Тесную диалектическую взаимосвязь четырех факторов агрохимии можно представить схемой (рис. 1.2). Поэтому в определение «агрохимия» Государственным стандартом в 1983 г.

рациональном применении удобрений» (Постановление Государственного комитета СССР по стандартам от 13 июля 1983 г. № 3110).

КЛИМАТ

Рис. 1.2. Диалектическая взаимосвязь системы почва—климат—удобрения- растения

Недооценка климатических особенностей конкретного земледельческого района может привести к серьезным погрешностям в определении значения минеральных удобрений в создании урожая и объективной оценке их эффективности. Это необходимо иметь в виду еще и потому, что за последние годы даже длительные стационарные опыты с удобрениями и многофакторные эксперименты ряда научных учреждений нередко проводятся без учета основных показателей погоды в процессе вегетации растений, что не позволяет, во-первых, воспроизвести условия эксперимента, а во-вторых, дать научный анализ причин недополучения планируемого урожая и снижения окупаемости удобрений. Поэтому учет погодно-климатических условий - неотъемлемая часть полевого агрохимического опыта.

Анализ достижений агрохимии и смежных наук позволяет в обобщенном виде сформулировать следующие основные задачи агрохимии на современном этапе развития этой отрасли науки: изучение свойств и химического состава различных видов органических и минеральных удобрений и их влияния на:

1. круговорот и баланс питательных веществ в земледелии;
2. свойства почв и воспроизводство их плодородия;
3. питание растений и обмен в них органических и минеральных веществ в процессе вегетации;
4. биологическую активность почвы и ее биоразнообразие;
5. формирование количества и качества продукции;
6. агроэкологические функции агрохимии в системе почва- растение;
7. экономико-энергетические показатели эффективности использования агрохимических средств (рис.
   1.3).

Диалектическую взаимосвязь комплекса этих задач необходимо учитывать при разработке программы исследований, приемов или новых технологий с интенсивным применением удобрений в системе агрономических мероприятий. За последние годы возрастает значение экономической и экологической оценок эффективности применения удобрений, установлены и достаточно изучены экологические функции агрохимии. Поэтому главная задача состоит в том, чтобы получать высокие урожаи полноценной по качеству продукции на основе глубоких научных знаний, с наименьшими ресурсными затратами и улучшением природной среды.

Агрохимия изучает сложные процессы взаимосвязи факторов роста и развития растений в конкретных почвенно-климатических условиях. Вскрыв закономерности этих процессов, можно определить пути оптимизации питания растений с помощью макро- и микроудобрений, регулировать обмен веществ в растении в процессе вегетации в целях получения высокого урожая возделываемой культуры и улучшения качества продукции.

Питание растений - сложный процесс поступления отдельных биогенных элементов из воздуха (например, при ассимиляции углекислого газа листьями в процессе фотосинтеза) и поглощения основной массы доступных минеральных солей через корневую систему из раствора и твердой фазы почвы. Сложность регулирования и оптимизации процесса питания растений и обмена веществ заключается в том, что он находится в тесной взаимосвязи с погодноклиматическими условиями, которые мы не всегда можем регулировать (температурный режим воздуха и почвы, аэрация,

водообеспечение, относительная влажность воздуха и др.). От этих же условий в значительной мере зависит и содержание в почве питательных веществ в доступной для поглощения растениями форме. Мобилизация или иммобилизация отдельных питательных элементов в почве в значительной мере также определяется активностью и направленностью химических, физико-химических и микробиологических процессов, а также биологическими свойствами самого растения, динамикой поглощения отдельных катионов и анионов в процессе вегетации.

На сложные процессы, определяющие рост и развитие растений, активное и сильное влияние оказывают минеральные и органические удобрения. Они изменяют концентрацию солей в почве, интенсивность и направленность химических, физико-химических и биологических процессов, реакцию и буферность почвы, ее поглотительную способность. Исследуя эти процессы в динамике и во взаимосвязи, агрохимия вскрывает сущность явлений, закономерности в обмене веществ и формировании урожая и использует их для направленного регулирования роста растений и реализации их потенциальной продуктивности. Самым сильным и быстродействующим средством агрохимии при направленном регулировании этих процессов, как и при ее вмешательстве в круговорот веществ в земледелии, является удобрение почв. Без него невозможно оптимизировать питание растений, регулировать величину и качество урожая, влиять на воспроизводство плодородия почвы.

Удобрение - это вещество для питания растений и повышения плодородия почвы.

Д.Н. Прянишников в своем определении понятия «удобрение» указывал, что оно может содержать пищу для растений, усиливать мобилизацию питательных веществ в почве, повышать энергию жизненных процессов в ней и изменять свойства самой почвы, т.е. оказывать многостороннее прямое и косвенное действие на почву и растения (рис. 1.4).

Основные функции удобрения

Рис. 1.4. Содержание понятия «удобрение» (по Д.Н. Прянишникову)

В соответствии с задачами агрохимии расширились и методы исследований (рис. 1.5). Среди них особое место занимают лабораторные: химические, физико-химические методы анализа растений, почв и удобрений. За последние годы достигнут прогресс в разработке высокопроизводительных и точных физико-химических и физических методов лабораторного анализа, а соответственно и современного лабораторного оборудования.

Фотометрические, хроматографические, спектроскопические, рентгенофлуоресцентные, нейтронноактивационные, масс- спектрометрические, изотопные и др.

Вегетационные (в домиках, павильонах), лизиметрические, фитотронные

Мелкоделяночные,

краткосрочные,

длительные

стационарные,

производственные

Рис. 1.5. Основные методы агрохимии

Широкое распространение получили и такие методы, как фотометрия, хроматография, спектроскопия, атомно-абсорбци- онная спектрофотометрия, рентгенофлуоресцентный, нейтронноактивационный, масс-спектрометрия и др. Для более точных исследований обмена веществ в растении широко используются методы стабильных и радиоактивных изотопов. Высокопроизводительная современная аналитическая техника и ЭВМ широко используются в массовых поточных анализах, т.е. при агрохимическом обслуживании сельскохозяйственных предприятий. Это позволяет применять удобрения и другие химические средства на глубокой научной основе. Портативные агрохимические приборы индивидуального пользования позволяют специалисту непосредственно в поле быстро определить содержание какого-либо элемента в растении или почве, свойство почвы (кислотность или щелочность и др.) и оперативно внести коррективы в рекомендации по применению удобрений.

В последние годы стала широко применяется комплексная почвенно-растительная диагностика питания растений и применения удобрений, в которой сочетаются анализ почвы в лаборатории на точных современных приборах для установления оптимальных доз основного удобрения с последующей корректировкой доз удобрений в подкормке в процессе вегетации культуры после анализа растений в поле. Это позволяет оптимизировать питание растений (например, азотом) с помощью удобрений в процессе всей вегетации растений ж получать планируемый урожай высококачественной продукции. л

Вторая группа методов - физиолого-агрохимические, включающие вегетационные (эксперименты проводятся в специальных сосудах, размещаемых в вегетационных павильонах-домиках, теплицах) и лизиметрические методы (исследования проводятся в больших сосудах - 1x1x1; 1x1x2 м и т.д. - с изолированными по вертикали стенками в условиях, близких к естественным). В настоящее время последний метод широко используется в научно-исследовательских учреждениях мира, особенно при исследовании миграции, трансформации питательных элементов в почве, в балансовых экспериментах, изменения свойств почв в динамике, а также в физиологобиохимических исследованиях методом изотопов особенностей обмена веществ в растениях и формирования качества продукции.

В практике часто вегетационный и лизиметрический методы применяются в сочетании и дополняют друг друга. К физиологоагрохимическим методам относятся исследования в фитотронах, где контролируются и регулируются все показатели продукционного процесса растений: корневое питание, водообеспечение, интенсивность и качество света, температурный режим, фотосинтез, газовый обмен и др. Такие исследования проводятся с полной автоматизацией и регистрацией соответствующими приборами параметров роста и развития растений. Это наиболее точный метод физиологобиохимических и агрохимических исследований, позволяющий вскрыть процесс обмена веществ по широкой программе исследований с участием всех факторов жизни растений, определить потенциальную продуктивность растений и пути ее реализации для конкретного генотипа, создать динамическую модель продукционного процесса. Поэтому фитотроны широко используются и в селекцион- но-генетических исследованиях. Для успешного проведения экспериментов в фитотронах, их эффективной эксплуатации требуется высокая квалификация ученых и специалистов многих отраслей знаний. Они применяются, как правило, в наиболее крупных научно- исследовательских учреждениях и высших учебных заведениях.

Третья группа методов агрохимических исследований - полевые опыты. Полевой опыт с удобрениями - это опыт, проводимый в полевых условиях для определения действия удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, его качество, а также на плодородие почвы.

Мелкоделяночные опыты проводятся для более глубоких, чаще поисковых, экспериментов. Они часто сочетаются с вегетационными и лизиметрическими опытами, но в условиях, идентичных или близ- сих к естественным. В мелкоделяночных опытах часто используются меченые атомы, создаются и проверяются модели почв высокого плодородия, испытываются новые виды и формы удобрений, их сочетание с другими химическими средствами или микробиологическими исследованиями и т.д. Мелкоделяночные опыты с удобрениями проводятся в полевых условиях на делянках площадью не более 10м2.

В краткосрочных полевых опытах действие удобрений на урожай и качество сельскохозяйственных культур изучается не менее трех лет в определенных почвенных условиях. Такие опыты носят в большей степени практический характер, чем мелкоделяночные. В Географической сети опытов в нашей стране для изучения эффективности новых форм и видов удобрений широко используются их сочетания с другими химическими средствами. Данные этих опытов широко используются для определения потребности в различных видах и формах минеральных удобрений в зональном аспекте или административном (район, область, республика), а также при определении перспективной потребности страны в различных видах и формах удобрений. Результаты этих опытов вводятся в банк данных, а затем с помощью ЭВМ по соответствующей программе выдается необходимая информация.

Мелкоделяночные и краткосрочные полевые опыты широко используются и для совершенствования методов комплексной почвенной и растительной диагностики оптимизации питания растений и применения удобрений.

Научными учреждениями страны проводится широкая сеть стационарных и длительных опытов с удобрениями. Стационарный опыт с удобрениями - это полевой опыт с систематическим внесением удобрений, проводимый на одном участке, в севообороте, в звене севооборота или при бессменной культуре.

Длительный полевой опыт с удобрениями - это стационарный опыт, проводимый более одной ротации севооборота. Длительные стационарные опыты дают ценную информацию по оценке сравнительной эффективности различных систем удобрений в севооборотах, т. е. органических, минеральных, их сочетаний; уровня насыщенности севооборотов удобрениями; оптимального распределения органических и минеральных удобрений по культурам севооборота, а также форм удобрений. Эти опыты являются основной базой для разработки статических моделей плодородия почв, исследования закономерностей изменения плодородия почв и качества продукции при длительном применении удобрений, проведения балансовых исследований, миграции питательных элементов по профилю почвы и накопления балластных токсических элементов (в том числе тяжелых металлов в почве при длительном применении удобрений и других агрохимических средств, т.е. для решения ряда экологических проблем агрохимии) и т.д. Опыты проводятся в условиях, близких к производственным. Хорошо выдержанные в методическом отношении длительные стационарные опыты с удобрениями или многофакторные представляют большую ценность для развития науки, использования информации для определения перспектив применения удобрений в стране.

Производственные опыты с удобрениями проводятся в производственных условиях для проверки рекомендаций и экономической оценки действия удобрений на урожай и его качество. Схемы их, как правило, краткие и предназначены для испытания и доработки научных рекомендаций в условиях производства, в конкретных почвенно-климатических условиях. Результаты производственных опытов играют большую роль при внедрении и обосновании эффективности одного или комплекса приемов химизации земледелия при подготовке практических рекомендаций.

Правильное научное обоснование мероприятий по химизации земледелия требует как глубокого теоретического изучения вопросов питания растений, химии почв и удобрений, так и практического опыта и организации широкой проверки научных достижений в производстве. Правильная система применения удобрений в хозяйстве строится на основе сочетания минеральных и органических удобрений, что позволяет улучшать круговорот веществ в земледелии. Ведь значительная часть питательных элементов минеральных удобрений уже в первый год их использования поступает в солому, зерно, сено, корнеклубнеплоды, силос и другие сельскохозяйственные продукты, которые впоследствии идут на корм скоту и попадают в навоз. Поэтому применение навоза представляет собой повторное использование части питательных веществ минеральных удобрений, ранее поступивших от химической промышленности. Сколько бы ни производилось минеральных удобрений, сколько бы их ни применялось в сельском хозяйстве, навоз всегда будет главнейшим элементом системы удобрения.

Для не насыщенных основаниями и засоленных почв наибольшая эффективность отмечается при сочетании минеральных и органических удобрений на фоне химической мелиорации почв, т.е. известкования кислых и гипсования солонцовых почв. Отдача от минеральных удобрений на почвах с предварительным известкованием и гипсованием значительно возрастает, что объясняется прежде всего существенным улучшением химических, физических и биологических их свойств. Повышается содержание подвижных форм питательных веществ в почве, создаются благоприятные условия для процессов гумификации, улучшаются поглотительная способность и буферность почв, в целом условия питания, роста и развития растений, которые становятся более устойчивыми к неблагоприятным условиям и формируют больший урожай и лучшего качества продукцию.

Все агрохимические средства (минеральные, органические, известковые, гипсосодержащие удобрения и др.) составляют основу химизации земледелия. Задача агрохимика-почвоведа состоит в том, чтобы глубоко изучить комплексное воздействие агрохимических средств на почву, растение и природную среду, с тем чтобы создать оптимальные условия для роста культурных растений и реализации потенциальной продуктивности с учетом воспроизводства плодородия почвы и улучшения экологической ситуации в земледелии.