Становление агрохимии как науки от Карла Шпренгеля до Юстуса Либиха

Первым, кто правильно установил законы питания и применения удобрений в сельском хозяйстве, был немецкий агрохимик Карл Шпренгель (1787– 1849). К. Шпренгель опубликовал свои взгляды на питание растений в сочинениях: "Die Boden Kunde" (1837), "Die Lehre fon den Urbarmachungen" (1838), "Die Lehre von Dünger" (1839). О его воззрениях можно судить по следующим примерам. "Растения из неорганических веществ, получаемых ими из почвы и воздуха, образуют тела органические с помощью света, тепла, электричества и влаги", – пишет он в своей книге "Учения об удобрении". Ему было известно, и то, что некоторые минеральные вещества необходимы для образования белковых тел в растении; так он говорит о постоянном присутствии фосфора в клейковине, приводит параллель с животными, у которых мозг постоянно содержит фосфор. Считая соли необходимыми для жизнедеятельности растений и зная их происхождение из почвы, К. Шпренгель пришел к объяснению падения урожаев при непрерывной культуре и к необходимости возврата минеральных веществ почве. "Воздух остается всегда одинаковым по своему составу, но нельзя того же сказать о почве; поэтому необходимо возмещение утраченного ею, причем нужно обращать больше внимания на так называемые минеральные вещества, чем на кислород, углерод и водород, т. к. эти последние растения находят в воздухе; что же касается азота, то он должен быть также внесен в связанной форме, т. к. большинство растений не имеет способности притягивать достаточно азота листьями из воздуха". Говоря об отдельных удобрительных веществах, К. Шпренгель всегда руководствуется их химическим составом, причем особенное внимание обращено на те питательные вещества, которых мало в почве. Таким образом, мы видим у К. Шпренгеля то самое учение о значении минеральных веществ и необходимости возврата их. Лишь в одном пункте он сходится с гумусовой теорией и расходится с Ю. Либихом: К. Шпренгель, считая главным источником углерода в растениях углекислоту воздуха, не отрицает все же одновременного использования перегноя почвы корнями. Несмотря на оригинальность своих воззрений по питанию растений и многочисленные публикации по этому вопросу, К. Шпренгель не оказал заметного влияния на практику.

Разработка нового учения о питании растений и его практическое применение, которое происходило параллельно с введением минеральных удобрений, является величайшей заслугой выдающегося немецкого химика, иностранного члена-корреспондента Петербургской академии наук (1830) Юстуса Либиха (1803–1873), которого по праву считают одним из основателей агрохимии как самостоятельной науки. Он показал, что химические элементы поступают в растения двумя путями: одни, как углерод, из воздуха, другие в виде водных растворов из почвы. Ю. Либих провел широкие исследования, последовательно определив состав почв и содержание минеральных веществ в различных органах растений. По существу, он первым экспериментально доказал, что растения избирательно поглощают из почвы химические элементы. На основании этого открытия Ю. Либих разработал широко известную теорию минерального питания растений, способствовавшую внедрению минеральных удобрений в земледелие. Он первым правильно указал на целесообразность возврата почве минеральных веществ, в частности, фосфора, и на ее истощение при монокультуре. В окончательном виде теория минерального питания сформулирована и изложена в его знаменитой книге "Химия в приложении к земледелию и физиологии". О том, какой резонанс получила эта книга в научном мире, сообщает Э. Рассел (1955). Он пишет, что в 1830-1840 гг. агрономическая химия не привлекала большого внимания. Однако в 1840 г. знаменитый отчет Ю. Либиха о состоянии органической химии под названием "Химия в приложении к земледелию и физиологии" произвел в мире науки впечатление, подобное грому при ясном небе. В своем труде Ю. Либих опроверг гумусовую теорию питания растений. Он утверждал, что растения имеют неисчерпаемый запас углекислоты в воздухе. Если углекислота содержится в почве, то на ранней стадии роста растения экономится время, так как она поступает в корни растения и служит лишь дополнительным источником тому, что поглощает еще не полностью сформировавшийся фотосинтетический аппарат. Ю. Либиху, первому по достоинству оценившему роль фосфора и калия в жизни растений, принадлежат поистине крылатые слова: "Без этих двух элементов не может быть плодородия наших полей". Ему пришла тогда в голову фантастическая для тех времен мысль, что нужно удобрять поля, необходимо искусственно вносить в них разные соли калия, азота, фосфора, рассчитав, сколько их нужно для того, чтобы растение могло их использовать. Эта идея, как отмечает А.Е. Ферсман, была встречена с недоверием специалистами-аграрниками 40-50-х гг. XIX в. Его попытка включить в агротехнику чилийскую селитру не увенчалась успехом, а привезенный на парусных судах из Южной Америки груз этой соли, в силу своей дороговизны, не нашел покупателей и был выброшен в море. Источники фосфора тогда не были известны, а предлагавшийся Ю. Либихом размол костей давал также слишком дорогие удобрения. В то время не знали, как использовать и калий, и только изредка, собирая золу растений, рассевали ее по полям.

Ю. Либих считал, что способность пахотного слоя почвы извлекать из соответствующих растворов аммиак, калий, фосфорную и кремниевую кислоты имеет свой предел, зависящий от свойств, присущих каждому виду почвы. Колебания адсорбированных количеств, говорил Ю. Либих, столь же велики, как велики различия между отдельными видами почв. В этом тезисе мы имеем гениальное предвидение того, что через 60 лет дала агрохимии теория К.К. Гедройца о почвенном поглощающем комплексе. Аналитическое мастерство, широта и глубина взглядов Ю. Либиха на питание растений покоряют и современного читателя его труда. 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, соприкасаясь с корнями, содержит все необходимые питательные вещества и притом в такой форме, которая позволяет корням усваивать эти вещества на любом этапе развития растения, в должное время и в надлежащем их взаимном соотношении". В этих словах Ю. Либиха мы видим предвосхищение идеи о разных соединениях элементов питания в почве, о значении условий питания и соотношения между элементами питания по фазам вегетации растений, что было доказано лишь много лет спустя. Если его труды рассматривать с позиций современной науки, то в них содержатся довольно полные и достоверные сведения о роли ассимиляционного аппарата растения, сидерации, соотношении элементов питания, "интенсивной культуре" и определение понятия "удобрение". Ю. Либих стоял у истоков открытия основных законов земледелия, в первую очередь "Закона минимума" и "Закона возврата веществ в почву".

Несмотря на прогрессивность и оригинальность, теория минерального питания Ю. Либиха имела и свои недостатки. Она нуждалась в дополнении, уточнении и конкретизации научных фактов. Примером может послужить трансформация его взглядов в отношении азотных удобрений. Увеличение количества азота в луговых почвах, которые удобряли только щелочами и фосфатами, а также постоянное плодородие некоторых полей Виргинии и Венгрии, лугов Голландии послужило тому, что он все в большей степени стал считать атмосферу источником азота для растений. Поэтому некоторые разделы первого и второго изданий, где подчеркивалась необходимость внесения аммиачных удобрений, были исключены им из позднейших изданий. А.Н. Энгельгардт (1863) в своей рецензии на книгу Ю. Либиха "Химия в приложении к земледелию и физиологии" писал: " Эта книга должна быть настольной книгою каждого сельского хозяина, который желает рационально, а не по рутине заниматься своим благородным делом; … ее с интересом и пользой прочитает всякий, кто желает познакомиться с условиями питания растений, и с основными законами земледелия. Написана она общепонятно, что ее может читать всякий образованный человек". Оценивая научный вклад Ю. Либиха в агрономическую науку, Д.Н. Прянишников указывал на огромное значение его идеи о минеральном питании растений, но подчеркивал, что для проведения ее в жизнь потребовалось много времени.

В горячей полемике с Д.Б. Лоозом, как представителем эмпирического направления в развитии английского сельского хозяйства, Ю. Либих указывал, что земледельцам нужны не только факты, а и их научное понимание. Сегодня с большой уверенностью можно сказать, что в полной мере оправдались прозорливые слова Ю. Либиха, сказанные еще в 1840 г.: "Придет время, когда каждое поле сообразно с растением, какое на нем имеют в виду разводить, будет удобряться свойственным удобрением, приготовленным на химических заводах, тогда удобрение будет состоять только из тех веществ, которые нужны для питания растения".

Большую роль в разработке теории азотного питания растений сыграл французский агрохимик Жан Батист Буссенго (1802–1887), который экспериментально доказал, что растения не могут питаться только атмосферным азотом, им нужен азот почвы. Для этого в 1851 г. он выращивал растения под стеклянным колпаком и в стеклянном шкафу с притоком воздуха, очищенного от азота. При этом выяснилось, что растения нормально развиваются без азота воздуха и свободный азот ими не поглощается. Он пришел к выводу, что азот необходим растениям так же, как и другие элементы питания, и что потребность растений в этом элементе удовлетворяется за счет почвы. В другом опыте, проделанном Ж.Б. Буссенго, азот, внесенный в почву в виде нитратов, давал урожаи, возрастающие пропорционально количеству внесенных нитратов. Пользуясь данными лабораторных и полевых опытов над растениями, ученый доказал, что навоз и зола из навоза по своим питательным свойствам не одно и то же, и что азот при сжигании навоза из него улетучивается. Ж.Б. Буссенго также установил, что азот в почве может быть как в усвояемых, так и в неусвояемых формах. Это не имеет значения для химика, но небезразлично для растений.

Ж.Б. Буссенго принадлежит приоритет в открытии действия селитры на урожай. Будучи в Перу, он подметил, что на бесплодных песчаных почвах этой страны внесение небольшого количества гуано (продукт разложения птичьего помета в условиях сухого климата) позволяет получать довольно высокий урожай кукурузы. При химическом анализе выяснилось, что гуано состоит преимущественно из аммиачных солей. Родилась догадка, что именно эти соли и придают плодородие песчаной почве. Когда анализы и опыты подтвердили это, ученый сделал следующий важный вывод: "Единственными реагентами, способными действовать непосредственно на растение путем доставления азота организму, являются нитраты и аммиачные соли, либо существующие ранее в почве, либо образующиеся в продолжение культуры".

Разница в потреблении азота бобовыми и злаковыми растениями определяет стратегию применения удобрений. Все культуры, за исключением бобовых, забирают азот напрямую из почвы. На практике наиболее эффективными оказываются те удобрения, которые максимально богаты азотом. Чем выше вынос этого элемента культурой, тем сильнее истощается поле.

При составлении схемы питания важно учитывать взаимодействие элементов. Фосфат кальция, щелочные и щелочноземельные соли помогают развитию растений только при совместном внесении с источником усвояемого азота. Полным удобрением выступает смесь селитры с фосфатом кальция и щелочными солями, тогда как атмосферный азот усваивается в слишком малом количестве.

Баланс элементов и круговорот веществ в земледелии

Основой для современной практической агрономии стал вегетационный метод исследований. Он позволил детально изучить круговорот веществ в земледелии. Главной задачей агрохимии стало управление химическими процессами в почве и растениях для повышения урожая и изменения его состава. С помощью точных методов химического анализа ученые впервые получили инструмент для расчета баланса питательных элементов.

В физиологии растений фундаментальным открытием стало доказательство воздушного питания автотрофных культур. Источником углерода для них служит углекислый газ воздуха, а не почвенный перегной. Изучение газообмена растений позволило в 1840 году вывести общее уравнение фотосинтеза, которое применяется и сегодня. Итогом этих многолетних исследований стали два капитальных труда, объединивших знания по химии, физике, метеорологии и физиологии растений.

6CO₂ + 6H₂O —^hν→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂

• Вывод уравнения фотосинтеза — 1840 г.
• Труд «Полевое хозяйство в свете химии, физики и метеорологии» — 2 тома (1851 г.)
• Труд «Агрономия, земледельческая химия и физиология» — 7 томов (1860–1864 гг.)