Агрохимия как наука предмет задачи и методы исследования

конкретные агроприемы повышения урожайности сельскохозяйственных культур и качества растениеводческой продукции.

Чтобы получить высокий урожай хорошего качества, необходимо сочетание всех факторов роста и развития растений. Это направление в агрохимии, развитое Д.Н. Прянишниковым, называют физиолого-биохимическим. Он писал: "Для получения высокого урожая надлежащего качества необходимо, чтобы все факторы роста растений были представлены в определенных гармонических сочетаниях, наиболее отвечающих потребностям растений в соответствующие периоды их роста и развития".

Главная задача агрохимии, по определению Д.Н. Прянишникова,– изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех приемов воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растении, которые могут повышать урожай или изменять его состав. Основным средством воздействия человека на круговорот веществ являются удобрения. Являясь главным в агрохимии, учение о круговороте веществ в земледелии, таким образом, является его химической основой.

Учение о круговороте веществ в земледелии положено в основу экологического подхода к применению удобрений. Такой подход "... должен обеспечить эффективное решение основной задачи агрохимии – регулирование биологического круговорота в агроценозах", – отмечается в "Концепции развития агрохимии и агрохимического обслуживания сельского хозяйства в Российской Федерации на период до 2010 года". В связи с этим знание агрохимии необходимо не только при применении удобрений, как иногда считают, но и в земледелии вообще.

Агрохимия – наука экспериментальная. Основным способом получения данных, на основании которых решаются проблемы этой области знаний, является эксперимент (опыт). Агрохимия использует лабораторные, лизиметрические, полевые и производственные эксперименты. Для наблюдений за растениями и почвой, определения их химического состава и физикохимических свойств применяют химические, физико-химические, микробиологические, физиолого-биохимические методы. Широко привлекаются расчетно-экономические и математические методы – математическое моделирование, статистическая обработка результатов исследований.

Прочитайте оглавление этой книги. Вы увидите, что основу ее составляют четыре части: питание растений, свойства почвы, свойства удобрений и система удобрения культур. Первые три раздела содержат материал для обоснования системы применения удобрений. На этой основе могут разрабатываться высокоэффективные, экономичные технологии использования удобрений для конкретных условий с учетом охраны окружающей среды.

Студенту, освоившему смежные дисциплины, изучать агрохимию будет намного легче. Некоторым может потребоваться повторение отдельных вопросов. Трудноусваиваемые вопросы агрохимии в данной книге содержат необходимые пояснения по смежным наукам.

Для овладения наукой агрохимией необходимо не только усвоить теоретический и практический материал, но и научиться применять эти знания для решения профессиональных задач, возникающих при использовании удобрений.

Особое внимание необходимо обратить на основные положения, позволяющие понимать агрохимию в целом. Нужно вести хороший конспект лекций, который следует дорабатывать в день прослушивания лекций. Из конспекта будет видно, какой материал и в каком объеме нужно изучать по учебнику. Требуется также вести полные записи по лабораторным работам и практическим занятиям.

Рис. 3. Объекты изучения агрохимии

Учебное пособие рекомендуется студентам очной и заочной форм обучения. При работе с ним вначале нужно познакомиться с требованиями к профессиональной подготовке и содержанием дисциплины по Вашей специальности. Эти материалы, взятые из "Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования" в части относящийся к агрохимии, приводятся в приложении 1. Там же по специальностям подготовки дипломированного специалиста приводятся вопросы для самоконтроля. Подробное содержание дисциплин можно найти в примерных программах, разработанных Министерством образования РФ.

Изучение отдельных глав книги рекомендуется проводить в два этапа. При первом чтении создается общее представление о содержании, и выясняются трудные места. При повторном изучении темы легче понять сущность вопроса, теоретических понятий, их применение. Параллельно с чтением целесообразно вести конспект. Это помогает пониманию и запоминанию прочитанного. Определения и наиболее важные понятия нужно выписывать дословно, а также записывать в конспект термины, определения, названия, формулы, уравнения реакций, расчеты. Непонятные положения следует записывать для выяснения их на лабораторно-практических занятиях и консультациях.

Для проверки усвоения полезно восстановить по памяти основные положения прочитанного. Могут быть полезными также повторные записи части материала, чтение вслух, пересказывание, обсуждение. Не следует приступать к дальнейшему изучению материала, не усвоив предыдущий. При усвоении и повторении большого теоретического и фактического материала нужно использовать таблицы и схемы, наглядные пособия. Для самоконтроля в приложении приводятся вопросы. Чтобы убедиться в качестве своих знаний, старайтесь ответить на все вопросы. Подробно эта часть дается кафедрой.

Мы надеемся, что использование этих рекомендаций даст возможность наиболее эффективно использовать время, отведенное для изучения агрохимии.

Нельзя как следует знать то, чем обладаешь, пока не узнаешь то, чем обладали до нас; невозможно по-настоящему радоваться преимуществом своей эпохи, не умея ценить преимущества минувших времен.

Необходимость изложения нелегких путей развития агрохимии связана с тем, что эта отрасль науки выполняет особенную роль в решении важнейшей практической задачи отечественного земледелия – обеспечения населения высококачественными экологически безопасными продуктами питания, а в конечном счете достижения продовольственной независимости нашей страны.

Как древние земледельцы боролись с истощением почв

Понимание того, что почва требует восстановления, пришло к земледельцам еще в глубокой древности. Как только урожайность на участке падала, людям приходилось забрасывать его и осваивать новые целинные земли. Уже в эпоху неолита и бронзы (11–10 тыс. лет до н. э.) человек научился различать типы почв, отделяя песок от суглинка, а болотистые места — от сухих. Постепенно от простого освоения новых участков аграрии перешли к осознанному сохранению плодородия.

Для восстановления истощенных полей греки и римляне начали применять навоз, смешивая экскременты животных с подстилкой. Чтобы обогатить почву азотом, древние агрономы высевали сидераты — люпин и кормовые бобы. Другие цивилизации использовали местный ресурсный потенциал: например, инки еще в XIII веке до н. э. удобряли поля рыбой, ракушками и гуано (экскрементами морских птиц), восполняя дефицит азота, фосфора и кальция.

Первые теории питания растений и письменные инструкции

Первые задокументированные советы по земледелию появились на глиняных табличках в Древнем Шумере около IV тысячелетия до н. э. Местная библиотека содержала более 30 табличек, известных под названием «Календарь земледельца», где говорилось о способах сохранения плодородия. Примерно к 3500–3000 гг. до н. э. относятся египетские папирусы «Палермский камень» и «Бруклинский папирус» с описанием свойств земли. Позже в Вавилоне вышел «Кодекс Хаммурапи» (1792–50 гг. до н. э.) — первый свод законов, затронувший правила землепользования.

Систематизировать эти разрозненные знания мыслители Античности попытались в период с VIII в. до н. э. по III в. н. э. В своих трактатах они искали взаимосвязь явлений в растительном мире и опытным путем находили способы получения высоких урожаев. Накопленный практический опыт лег в основу первых теоретических моделей питания культур.

Так, один из крупнейших философов древности (384–322 гг. до н. э.) разработал теорию, согласно которой растениям необходимы четыре стихии: воздух, вода, земля и огонь. Он разделил флору на однолетние, многолетние культуры, кустарники и деревья, а также предположил, что корни поглощают из земли уже полностью готовую пищу. Это утверждение господствовало в науке почти 20 веков, пока в первой половине XIX века не сформировалась современная агрохимия.

• Начало накопления знаний о почвах — 11–10 тыс. лет до н. э.
• Описания качества земель в Египте — 3500–3000 гг. до н. э.
• Земельное законодательство вавилонского царя — 1792–50 гг. до н. э.
• Удобрение полей гуано у инков — XIII в. до н. э.
• Период античных трактатов о земледелии — VIII в. до н. э. – III в. н. э.
• Становление агрохимии как науки — I половина XIX в.

Марк Порций Катон (234–149 гг. до н. э.) – римский писатель, автор трактата "Земледелие" и книги "О делах деревенских", в которых собраны практические советы по разным отраслям хозяйства: обработке почвы, возделыванию виноградников, оливковых садов, луговодству и животноводству. Он сделал попытку классифицировать почвы по пригодности их для выращивания различных сельскохозяйственных растений. Катон в своем учении писал, что возделывать поле – это значит "хорошо пахать и унавоживать". Причем он не только указывал на необходимость внесения навоза, но и предложил определенную технологию его использования: "Старательно сохраняй козий, овечий, коровий и всякий прочий навоз. Постарайся иметь большую навозную кучу, когда будешь вносить – очищай его и размельчай; осенью вывози… Из чего навоз сделаешь: из соломы, люпиновых стеблей, мятой соломы, мякины, листвы дубовой и падубовой… Навоз дели так: половину доли вывози на ниву, где будешь сеять корма, …четвертую долю положи под окопанные маслины… другую четверть сохрани для луга…". Катон все растения делил на истощающие и обогащающие почву, хотя еще и не догадывался о мелиорирующей роли бобовых культур. Трудами Катона широко пользовались земледельцы, они на протяжении многих веков неоднократно переписывались и являются важными источниками об организации рабовладельческого поместья в Древнем Риме.

Теофраст (370–285 гг. до н. э.) – ближайший друг и ученик Аристотеля, отличавшийся, как и его учитель, разносторонностью научных интересов, специально занимался растениями. Его ботанические труды: "Причины растений" в 6-ти книгах и "Исследования о растениях" в 9-ти книгах, имели столь огромное значение и оказали столь большое влияние на воззрения ботаников вплоть до XVII в., что Теофраста и до наших дней справедливо называют "отцом ботаники". Значительное внимание он также уделял и изучению почв, питающих и содействующих питанию растений. В своей работе "О причинах растений" писал, – что "землю следует рассматривать как женское существо". По Теофрасту, растения питаются земным жиром, отложенным в почве. Жировые отложения поднимаются в верхние части почвы и, попадая в корни, передают растениям питательные соки. Теофраст разработал подробную классификацию почв по окраске, мощности, гранулометрическому составу, сложению, влажности, тепловым свойствам, условиям рельефа, окультуренности и плодородию. По плодородию он различал почвы: прекрасные, хорошие, плодородные, плодовитые, приемлемые, истощенные, бледные, бессильные и бесплодные.

Марк Теренций Варрон (116–27 гг. до н. э.) написал трактат "Сельское хозяйство", состоящий из трех книг: первая посвящена организации хозяйства, полеводству и садоводству; вторая – животноводству; третья – птицеводству, пчеловодству и рыбоводству. Он указывал на пользу чередования культур, по сути дела севооборот, предлагал использовать сидеральные культуры, в частности люпин, если не хватает навоза. Лучшим же удобрением считал птичий помет, особенно из птичников. Варрон первым заявил о самостоятельности земледелия как науки. Он писал, что земледелие – наука необходимая и великая. Она учит нас, что на каждом поле следует сеять, чтобы земля постоянно приносила высокие урожаи. В центре земледелия Варрон видел два главнейших звена: почву и урожай. Для получения стабильных урожаев он рекомендовал дифференцировать агротехнику в зависимости от почвенно-климатических условий.

Вергилий Марон Публий (70–19 гг. до н. э.) вошел в историю как поэт Древнего Рима. Однако он был и выдающимся земледельцем. Свою поэму "Георгики" Вергилий посвятил сельскому хозяйству. Поэма пронизана искренней любовью к земледельческому труду, это своего рода гимн в его честь. В ней не только обобщается весь предыдущий опыт земледельцев, но и делается следующий шаг в развитии агрономической мысли. Ученый советует земледельцу, прежде чем начать работу, изучить природные условия местности, почву и "дедовский метод":

Но перед тем, как взрезать начнем незнакомое поле,

Надобно ветры узнать и различные смены погоды,

Также отеческих мест постигнуть обычай и способ:

Что тут земля принесет и в чем земледельцу откажет:

Здесь счастливее хлеб, а здесь виноград уродится.

Здесь плодам хорошо, а там зеленеет не сеян

Для распознавания, "какая земля для чего пригодна, какая сила в какой, цвет какой и к чему какая пригодна природа", Вергилий приводит ряд способов. Вот один из их:

Вырыть колодезь и весь засыпать доверху снова

Той же землей, и ее притопчешь крепко ногами.

Если не хватит земли, – легка, скотине и лозам

Больше подходит она; откажется ж если вместиться,

Ежели выше краев над полной подымется ямой –

Почва плотна..." И далее:

Почва соленая есть, ее называем мы "горькой",

Хлеб не родится на ней, ибо вспашка ее не смягчает.

Для определения засоленности почвы поэт рекомендует процедить помещенную в корзину почву чистой пресной водой. Вкус просочившейся воды "... указание даст очевидное привкусом горьким...".

Вергилий пропагандировал необходимость иметь чистый пар, чередование культур и удобрение почвы не только навозом, но и золой и запашкой люпина:

Не торопись, пусть год отдыхает поле под паром,

Чтоб укрепилось оно, покой на досуге вкушая.

Или, как сменится год, золотые засеивай злаки

Там, где с поля собрал урожай, стручками шумящий,

Или где вика росла мелкоплодная с горьким люпином,

Чьи, целым лесом шумя, подымаются ломкие стебли.

Ниву посев иссушает льняной, иссушает овсяный,

Также спаляет и мак, напитанный дремой литейской.

Но с промежутками в год посев их бывает оправдан.

Лишь бы ты почву сырым удобрил щедро навозом

Или нечистой золой утомленное поле посыпал.

Так, сменяя посев, полям ты покой предоставишь.

Практические советы Вергилия были направлены к крестьянину-земледельцу, самостоятельно обрабатывающему свой надел; поэтому у него нет ни одной строки, посвященной организации и эксплуатации рабского труда.

Гай Плиний Секунд (Плиний Старший) (23–79 гг. н. э.) – римский писатель и ученый. Автор трактата "Естественная история", состоящего из 37 книг, – своеобразной энциклопедии естественнонаучных знаний античности. При написании его автор проанализировал 146 работ римских и 327 – иноземных писателей. Этот труд долго служил источником сведений и знаний при составлении руководств по самым различным научным дисциплинам: географии, ботанике, зоологии, медицине, сельскому хозяйству. Непосредственно сельскому хозяйству посвящены 17 и 18 книги. Труд Плиния Старшего носит обобщающий характер. Он приводит разные взгляды на вопросы агрономии писателей, живших до него. В заключение ученый приходит к выводу, что лучше хорошо обработанное малое поле, чем плохо обработанное большое. В подтверждение этому Плиний приводит такой пример: земледелец Гай Фурий Кресин начал получать с малого участка такие урожаи, какие его соседи собирали с больших. Кресина обвинили в колдовстве, при помощи которого он будто бы переманивает к себе урожай с полей соседей. На суд он явился со своим усовершенствованным сельскохозяйственным инвентарем и неизнуренными рабами. Указывая на них, Кресин заявил, что все это и есть его колдовство, высказав при этом сожаление, что он на суд не может привести свои бессонные ночи, долгий рабочий день и проливаемый им в работе пот. Судьям стало ясно, что урожай Кресина есть результат его большого кропотливого труда, применения удобрений и лучших орудий труда, поэтому обвинения с него были сняты. Много места в труде Плиния уделено сообщению разных новых агрономических данных, ранее не встречавшихся в работах его предшественников. К ним относятся подробные сведения из разных разделов земледелия и особенно по вопросам применения удобрений. Плиний трагически погиб при извержении вулкана Везувия, желая ближе наблюдать это природное явление.

Луций Юний Модерат Колумелла (I в. н. э.) писал: "С сельским хозяйством можно управиться без тонкостей, но оно не терпит и глупости. Мнение большинства, что оно представляет собой легчайшее занятие, не требует никакого ума, очень далеко от истины". В трактате "О сельском хозяйстве" можно найти самые разнообразные сведения об удобрении почв. Колумелла дает агрономические советы, в том числе и по удобрению почвы. Все удобрения он разделял на пять основных видов: навоз, компост, зеленое удобрение, минеральное и удобрение землей. Колумелла подробно пишет о приготовлении хорошего навоза: "Навозных ям должно быть две: в одну складывают свежий навоз, который там и остается целый год; из другой – вывозят старый. Обе делаются на манер бассейнов, со слегка покатым дном, которое заливается затиркой, чтобы не пропускало жижи. Чрезвычайно важно, чтобы она не высыхала и навоз не потерял своих сил. Его усердно поливают, чтобы семена сорных трав и колючих растений, застрявшие между соломой и мякиной, погибли и, будучи вывезены на поля, не заглушили посев травой. Опытные хозяева поэтому весь навоз, вычищенный из овчарен и других хлевов, прикрывают ветками, тем самым не давая солнечным лучам иссушить и сжечь его". Рекомендации Колумеллы о хранении навоза совершенно правильны. Это стоит отметить особо потому, что в его время не имели понятия об азоте вообще и как об элементе питания растений и, следовательно, о потерях его при хранении навоза. Тем не менее, все его советы по хранению навоза как раз и служат сохранению азота. О внесении навоза он писал: "Гораздо выгоднее хозяину удобрять землю чаще, чем делать это без меры… Разбросав удобрение, следует немедленно запахать его, засыпать землей, чтобы оно от солнечного зноя не потеряло сил и чтобы земля, перемешавшись с ним, тучнела от этой пищи. И поэтому, когда в поле раскладывают навозные кучи, то не следует разбрасывать навоза больше, чем пахари смогут в тот же день запахать". Есть в этом трактате и подробные сведения о способности люцерны "удобрять почву". В споре со своим другом Тремелиусом, который доказывал, что со временем земля истощится, подобно человеку, состарится и сделается бесплодною, Колумелла восклицал, что "земля – это не устарелая женщина. Нет, это – дева, всегда юная, красивая, всегда свежая, младая, всегда способная быть плодородною, если только уметь лелеять ее младость, сохранять, поддерживать ее нежную, игривую жизнь". Книги Колумеллы – это как бы энциклопедия сельского хозяйства, обобщение всего агрономического опыта, накопленного в Риме в период его расцвета. 18 веков спустя крупнейший ученый-агрохимик Либих скажет: "Когда читаешь двенадцать книг Колумеллы и сравниваешь их с нашими руководствами по части практического сельского хозяйства, ощущаешь то же, что при переходе из бесплодной пустыни в прекрасный сад, в котором все свежо и прекрасно".

Современные технологии известкования, сидерации и регулирования питания растений во многом повторяют практику времен Римской империи. Древние земледельцы на практике знали о различной требовательности культур к почвам, учитывали это при чередовании культур и подбирали удобрения под конкретные условия. Для повышения плодородия они использовали доступные ресурсы:

• унавоживание и внесение хозяйственных отходов;
• зеленое удобрение, особенно отмечая пользу люпина и других бобовых культур;
• внесение золы, извести и мергеля.

Главные законы питания: от «тления» к минералам

Хотя механизмы действия этих приемов долгое время оставались неизвестными, именно в древности были сформулированы первые постулаты нашей науки. Один из них дошел до нас в виде поговорки «Тление — мать растительности». В этом утверждении античные авторы подметили главное различие в питании растений и животных.

Другое базовое утверждение античных философов гласит, что для жизни растения необходимы вода, воздух, земля и огонь. Для практикующего агронома это фундаментальный ориентир при работе в поле или теплице. Эффективность любых внесенных удобрений напрямую зависит от структуры почвы, ее влажности, аэрации и температурного режима.