Д. Н. ПРЯНИШНИКОВ И ПРОБЛЕМА АЗОТА В ЗЕМЛЕДЕЛИИ [45]

При всей многогранности и широте научных интересов Д. Н. Прянишникова центральное место в его научной деятельности занимала проблема азота в земледелии в самом широком ее (понимании.

Д. Н. Прянишников установил, что аспарагин, вопреки господствовавшим тогда представлениям, не является первичным продуктом распада белков при прорастании семян, а вновь синтезируется (в результате присоединения аммиака, образующегося при распаде белка, к аспарагиновой кислоте и последующей дегидратации образовавшегося при этом аспарагиновокислого аммония.

Логическим следствием из этой теории образования аспарагина в растениях явилось предположение о возможности усвоения растениями аммиака. Это была смелая мысль, так как в то время считалось, что аммиачный азот не может непосредственно усваиваться растениями и что если аммонийные соли и

могут использоваться на удобрение, то только лишь потому, что в почве аммиак окисляется в нитраты и только эти последние являются единственным источником доступного для растений азота.

В ряде своих работ, которые могут служить классическим образцом научного исследования как по их целеустремленности, ясности замысла, так и по искусству выполнения, Д. Н. Прянишников опроверг эти неправильные представления и показал, что аммиачный азот может непосредственно использоваться растениями. Более того, он показал, что и окисленные соединения азота в растительной клетке неизбежно восстанавливаются до аммиака и что именно аммиак является исходным и конечным звеном во всей цепи превращений азотистых веществ в растении.

История агрохимии не знает ни одной крупной проблемы, которая бы так полно и так всесторонне разрабатывалась, как вопрос усвоения растениями аммиачного азота, изученный в лаборатории Д. Н. Прянишникова. В ходе этих исследований для безупречного экспериментального доказательства ряда принципиальных положений были созданы новые методы вегетационного опыта: метод текучих культур, метод стерильных культур, метод изолированного питания растений. Характерной чертой этих исследований является стремление к установлению -соответствий между биологическими особенностями растений, биохимическими их особенностями и условиями их азотного питания. Организм растений и среда в этих исследованиях изучались в их неразрывной связи. Сопоставляя результаты своих исследований азотного обмена у растений, с данными сравнительной физиологии животных, Д. Н. Прянишников делает широкие обобщения о единстве строения и Основных законов превращения белковых веществ в животном и растительном организме. Таким образом, тот, казалось бы с первого взгляда, специальный вопрос, с разработки которого начал свою научную деятельность Д. Н. Прянишников, в конечном итоге завершился постановкой важнейшей общебиологической проблемы, и то, что это сумел сделать Д. Н. Прянишников, характеризует его и как исследователя-экспериментатора и как мыслителя. Если в дореволюционный период, когда в нашей стране не^было

азотной промышленности и не было речи о ее создании, Д. Н. Прянишников решал проблему азота в питании растений как проблему физиологическую и как проблему биохимическую, то после Великой Октябрьской социалистической революции, когда наша страна стала на путь социалистического переустройства, Д.

По инициативе Д. Н. Прянишникова в 1927—1929 гг. Научным институтом по удобрениям, руководителем агрохимического отдела которого был тогда Д. Н. Прянишников, были проведены по единому плану широкие географические опыты с удобрениями, охватившие все разнообразие почвы и культур нашей страны. Это была беспрецедентная по своим масштабам работа. Достаточно оказать, что в проведении этих опытов участвовало более 300 научно-исследовательских учреждений — институтов, опытных станций и опытных полей, расположенных по всей территории нашей страны—от Заполярья до субтропиков. В результате проведения этих опытов было установлено, что азотные, как и другие удобрения, на наших почвах не менее эффективны, чем в западных странах. Особенно большое значение азота для повышения урожайности сельскохозяйственных культур было установлено для районов подзолистых и переходных почв и для орошаемых земель хлопковых районов Средней Азии и Закавказья. Более того, оказалось, что и на черноземах, обладающих сравнительно высоким естественным плодородием, применение азотных удобрений дает высокий эффект. И только в районах сухих степей, где недостаток влаги является лимитирующим фактором, потребность в азоте выражена недостаточно четко. Полученные в этой работе данные послужили отправным пунктом для построения планов развития химической промышленности в самых широких масштабах.

Достаточно сказать, что урожайность важнейшей технической культуры — хлопчатника уже в первые годы снабжения

районов возделывания этой культуры азотными удобрениями поднялась в среднем более чем в два раза. Можно с уверенностью сказать, что теперь каждый практический работник сельского хозяйства, агроном, колхозник по достоинству может оценить значение аммиачной селитры, этого основного вида азотного удобрения в нашей стране, «путевка в жизнь» которому была дана именно работами Д. Н. Прянишникова.

Неустанно борясь за развитие производства азотных удобрений в нашей стране, Д. Н. Прянишников в то же время постоянно указывал на необходимость улучшения азотного баланса в земледелии за счет привлечения дарового источника связанного азота, синтезируемого биологическим путем в посевах клевера, люцерны, люпина и других бобовых культур. Расширению посевов этих культур, и прежде всего клевера и люцерны, Д. Н. Прянишников придавал исключительно большое значение в деле повышения продуктивности сельского хозяйства. В первые же дни после окончания второй мировой войны, когда в нашей стране началось восстановление промышленности азотных удобрений и уже разрабатывались планы ее развития на первое послевоенное пятилетие, Д. Н. Прянишников, понимая, что химическая промышленность в те годы не могла обеспечить полностью потребность сельского хозяйства в азоте, считал, что производство азотных удобрений в ближайшие годы должно все же достичь такого размера, который был бы достаточен по крайней мере для удобрения по средним нормам 24 млн. га технических и других интенсивных культур. Он считал, что для этих целей потребуется не менее 1—2 млн. т азота. Основное же направление в улучшении азотного баланса зерновых культур для того времени должно заключаться главным образом в ставке на азот биологический.

Обеспечение-всех интенсивных культур техническим азотом и расширение посевов бобовых трав для улучшения азотного баланса в земледелии и как дополнительной кормовой базы для развития животноводства, разумеется, ни в коей мере не ставит каких-либо ограничений для дальнейшего развития промышленности минеральных азотных удобрений. Д. Н. Прянишников считал, что такое решение вопроса нужно рассматривать лишь «как один из этапов на пути к дальнейшему росту, в процессе которого мы сможем и должны будем далеко опередить считавшиеся раньше передовыми в техническом и экономическом отношениях страны» *.

Именно потребность в удобрениях зерновых культур, возделываемых на огромных площадях в нашей стране, и становится основным фактором, определяющим дальнейшее развитее промышленности минеральных удобрений. «Когда азотная продук-

дня будет обслуживать и хлеба, размеры нашей азотной промышленности превзойдут по мощности не только суммарную1 мощность заводов европейских стран, но они смогут конкурировать и с мировой промышленностью, если бы это оказалось нужным *. Такими славами заканчивает Д. Н. Прянишников вторую часть 'монографии «Азот в жизни и в земледелии. СССР».

Стремительное развитие отечественной азотной промышленности, происходящее в последние годы, дает основание считать, что не так далеко то время, когда потребление азотных удобрений в сельском хозяйстве нашей страны будет приближаться по своим размерам к современному потреблению их ва всех зарубежных странах, вместе взятых.

В решении зерновой, проблемы Д. Н. Прянишников придавал исключительное значение использованию тех возможностей,, которые предоставляет огромная территория нечерноземной зоны. Он считал, что именно в этой зоне, не знающей засухи,, при рациональном использовании таких средств повышения урожайности, как известкование, клеверосеяние, применение удобрений, в любой год можно получать гарантированные урожаи зерна и таким образам застраховать себя от тяжких последствий засухи, время от времени посещающей традиционные зерновые районы юга и юго-востока.

В настоящее время развитие нашей химической промышленности уже позволяет выделить значительные количества минеральных удобрений не только под технические, как это было во времена Д. Н. Прянишникова, но и под зерновые культуры. С каждым годом вводятся в эксплуатацию новые заводы минеральных удобрений, и к 1970 г. ожидается выпуск удвоенного количества удобрений по сравнению с 1965 г.

Было бы целесообразно весь новый прирост минеральных удобрений направить именно в районы нечерноземной зоны и другие влажные районы, где мы можем получать при сравнительно умеренных дозах и при соблюдении элементарных требований агротехники в среднем около 25 ц зерна с гектара* а при некотором повышении доз удобрений и до 30 ц зерна.

Таким образом, только в этих обеспеченных влагой районах, можно довести валовой сбор зерна до 150 млн. т и тем самым обеспечить полную независимость зернового баланса от капри-

зов погоды в южных и восточных районах страны, являющихся в настоящее время основными производителями зерна.

Огромные площади в нечерноземной зоне заняты естественными лугами и пастбищами, производительность которых может быть резко увеличена при достаточном снабжении удобрениями, и прежде всего азотом. Результаты опытов и практика применения удобрений на лугах показывают, что каждый килограмм азота, использованного на лугах и пастбищах, оплачивается 20—25 л молока или 2 кг мяса. Превращение нечерноземной зоны и других влажных районов в главную зерновую базу с одновременным резким увеличением производства в этой же зоне картофеля, овощей и продуктов животноводства потребует, в согласии с произведенными расчетами, около 7 млн. т азота и соответствующего количества фосфора и калия. Снабжение влажных районов таким количеством удобрений должно явиться ближайшей целью химической промышленности. Достижение этой цели потребует значительных усилий. Но это является необходимым условием для создания высокопродуктивного сельского хозяйства в этих районах.

Азотная промышленность, по образному выражению Д. Н. Прянишникова, «является как бы новой страной, поставляющей на мировой рынок громадное количество хлеба и конкурирующей с прежними экспортерами» [46]. Потенциальные возможности этой «новой страны» огромны. Уже теперь мировое потребление азотных удобрений превышает 12 млн. т в пересчете на азот. Так как каждая тонна азота в среднем дает прирост зерна 16 т, то все мировое производство азотных удобрений, если бы его использовать только под зерновые культуры, привело бы к увеличению продукции зерна более чем на 150 млн. т. Чтобы получить такой сбор зерна без применения азотных удобрений, потребовалась бы .новая территория с посевной площадью не менее 150 млн. га, что примерно равно современной посевной площади такой страны, как США. В последние годы в широкую практику сельского хозяйства ряда стран успешно внедряются новые неполегающие сорта зерновых, и прежде всего пшеницы. Все эти неполегающие сорта характеризуются весьма высокой требовательностью к азотному питанию и при внесении высоких доз азота дают урожаи, намного превосходящие даже лучшие старые сорта пшеницы. В ряде западных стран уже теперь значительная часть общей посевной площади пшеницы занята под посевами новых неполегающих сортов, где вносится на гектар от 120 до 180 кг азота и достигается урожайность в 50—70 ц/га. В СССР есть также такой сорт неполегающей пшеницы — Безостая 1, который даже на богатых кубанских черноземах требует хорошего азотного

удобрения, давая при этом урожай 50—60 ц и больше. Можно ожидать, что и для нашей нечерноземной зоны будут выведены леполегающие сорта пшеницы, способные при соответствующем увеличении доз азотных удобрений давать столь же высокие урожаи. При таких условиях окажется возможным полностью обеспечить внутреннюю потребность нашей страны в зерне за счет резкого увеличения его сбора в нечерноземной и влажной части черноземной зоны, а избыток зерна, /производимого в других районах, пойдет на создание мощного экспортного фонда.

Стремясь найти правильное решение азотной проблемы, Д. Н. Прянишников рассматривал и исследовал ее в тесной связи как с общими проблемами науки, так и с жизненно важными практическими задачами. Он чутко прислушивался к запросам практики, откликался на эти запросы и внимательно следил за всем новым, что возникало в науке, сельском хозяйстве, промышленности. Он был представителем той науки, которая все свои силы отдает служению народу, Родине. Его идеи, его мысли легли в основу построения азотной промышленности в нашей стране, и вся его деятельность постоянно вдохновляла на дальнейшее ее развитие. И теперь, когда советская азотная промышленность с каждьим годом становится все более мощной, той «новой страной», способной поставлять на рынок миллиарды пудов хлеба, мы с благодарностью вспоминаем имя Д. Н. Прянишникова, труд которого сыграл столь огромную роль в нашем продвижении в эту «новую страну».

То научное направление в агрономической химии, основы которого были созданы Д. Н. Прянишниковым, продолжает успешно развеваться и углубляться в работах советской, пряниш- никовской школы агрохимиков. За последние годы наша наука в разработке азотной проблемы обогатилась рядом новых достижений. Этому в значительной мере способствовало использование новых физико-химических и физических методов исследования. Особенно- большое значение имело применение меченых атомов, позволившее проследить основные пути превращения азотистых соединений в почве и в растениях.

Аммонийный азот, огромная роль которого в жизни растений была впервые установлена работами Д. Н. Прянишникова, как оказалось в результате исследований, проведенных в последние годы, во многих случаях может быть более эффективно использован, чем нитратный, если только устранено побочное влияние физиологической или биологической кислотности аммонийных солей. Последнее, как известно, при необходимости (на кислых почвах) может быть достигнуто применением извести или других нейтрализующих материалов.

Аммонийный азот быстрее используется в тканях растений .на синтез аминокислот и белка, чём нитратный азот. Применение меченых источников азота с привлечением методов хроматографии показало, что при внесении обычно применяемых в

практике доз азотных удобрений аммонийный азот, поступая в корни растений в течение очень коротких промежутке© времени, не превышающих 5—10 минут, почти полностью используется в корнях -на синтез аминокислот и уже в таном переработанном виде поступает в листья, где и идет на синтез белка. Нитратный азот значительно медленнее используется на синтез аминокислот и белка, так как этому процессу должно предшествовать восстановление нитратов до аммиака. Это мож'но видеть из данных таблицы 1.

Таблица 1

Скорость поступления й последующего использования в растениях (овес) / аммонийного и нитратного азота на синтез аминокислот и белка

Оказалось также, что при внесении в почву аммонийных: удобрений потери их азота, вызываемые деятельностью денит- рификаторов, происходят в значительно меньших размерах, чем. при внесении нитратных удобрений! Изучение взаимного влияния отдельных катионов и анионов, встречающихся в составе удобрений, на их поступление в растения показало, что ионы аммония при своем вхождении в растения в известной' мере избирательно увлекают за собой фосфатные ионы, и это приводит к более высокому использованию фосфатов, чем при внесении нитратного азота. Поэтому фосфаты аммония являются более эффективными источниками Р2О5, чем простой или двойной суперфосфат, и это необходимо учитывать в дальнейших планах развития промышленности удобрений. С точки зрения экономической аммонийный азот имеет также большое преимущество перед нитратным вследствие того, что концентрация азота в группе NH4 почти в 3,5 раза выше, чем в группе N03,

и,              кроме того, аммонийный азот всегда будет дешевле, чем азот нитратный, получаемый путем последующей переработки

аммиака. Поэтому все современное развитие азотной промышленности идет иод знаком наиболее интенсивного развития производства таких форм удобрений, в составе которых аммонийный азот занимал бы возможно более высокий удельный вес, или таких производных аммиака, как мочевина, которую вследствие быстрого ее превращения в почве в карбонат аммония следует рассматривать как аммонийное удобрение.

Одним из основных результатов работ Д. Н. Прянишникова по усвоению азота растениями является установление зависимости между переработкой аммиака растениями и степенью обеспеченности их углеводами, являющимися тем исходным пластическим материалом, за счет которого строится углеродистый ^скелет аминокислот. Проведенными исследованиями установлено, что степень обеспеченности растений углеводами наибольшее значение имеет не столько для начальных этапов усвоения аммиака растениями, сколько для конечного этапа переработки азотистых соединений, для синтеза белка.

При даче в подкормку растениям, меченных изотопом N15, источников азота было показано, что в темноте, когда в отсутствие фотосинтеза не происходит нового образования дисахаридов в растениях, внесенный меченый азот использовался на синтез аминокислот, но практически не включался в состав белка из-за полного прекращения его синтеза (табл. 2).

Таблица 2

Меченый азот, использованный растениями на синтез аминокислот и белка на свету и в темноте, мг

Однако наличие света в принципе не является необходимым для синтеза белка в растениях. Если растения, ранее испытывавшие некоторый недостаток азота и поэтому содержащие в своих тканях повышенные количества дисахаридов, поместить в темноту, то новый синтез белка будет происходить до тех пор, пока не будут исчерпаны запасы в растениях дисахаридов.

Применение изотопной техники и хроматографии позволило установить последовательность в образовании растениями отдельных аминокислот за счет использования неорганических источников азота — аммонийных солей или нитратов. В первую очередь синтезируются аланин и дикарбоновые аминокислоты — глутаминовая и аспарагиновая кислоты — путем непосредственного аминирования соответствующих а-кетокислот. Образование

основных и ароматических аминокислот происходит позже r результате реакций переаминирования. Далее было показано», что белок в растениях постоянно обновляется — индивидуальные молекулы белка не являются сколько-нибудь долговечными. Продолжительность их жизни обычно измеряется несколькими десятками часов и не превышает 100—120. Таким образом, в растениях постоянно происходит разрушение и одновременно воссоздание новых молекул белка из аминокислотного^ фонда.

Путем подбора соответствующих экспериментальных условий удалось доказать, что распад белковых молекул до аминокислот происходит в прямой зависимости от их возраста: избирательно распадаются более старые белковые молекулы. Скорость синтеза и обновления белка изменяется от возраста,, состояния питания и общих условий местообитания растений. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в -молодых быстрорастущих органах и тканях растений. Интенсивность обновления белка падает при недостатке калия, вследствие чего резко- снижается и использование азота на синтез белка и замедляется переработка аммиака на синтез аминокислот. Поэтому при питании растений аммонийным азотом обеспеченность почвы калием имеет гораздо большее значение, чем при нитратном питании.

Д. Н. Прянишников устно и в выступлениях в печати уделял много внимания правильному рациональному использованию азотных удобрений. Он не уставал напоминать, что обеспеченность почвы фосфором, калием, ее реакция, агротехнический фонд, условия водного режима имеют важнейшее значение для получения высокого эффекта от применения азотных удобрений. И долгом всех агрохимиков, агрономов и практических работников сельского хозяйства является создание таких условий для роста растений, чтобы можно было вырастить три колоса там, где прежде рос один.