Агрохімія як наука: предмет, завдання та методи дослідження

конкретні агрозаходи підвищення урожайності сільськогосподарських культур та якості рослинницької продукції.

Щоб отримати високий урожай хорошої якості, необхідне поєднання всіх факторів росту та розвитку рослин. Цей напрямок в агрохімії, розвинений Д.М. Прянішніковим, називають фізіолого-біохімічним. Він писав: "Для отримання високого врожаю належної якості необхідно, щоб усі фактори росту рослин були представлені в певних гармонійних поєднаннях, що найбільш відповідають потребам рослин у відповідні періоди їхнього росту та розвитку".

Головне завдання агрохімії, за визначенням Д.М. Прянішнікова, – вивчення кругообігу речовин у землеробстві та виявлення тих прийомів впливу на хімічні процеси, що протікають у ґрунті та рослині, які можуть підвищувати врожай або змінювати його склад. Основним засобом впливу людини на кругообіг речовин є добрива. Будучи головним в агрохімії, вчення про кругообіг речовин у землеробстві, таким чином, є його хімічною основою.

Вчення про кругообіг речовин у землеробстві покладено в основу екологічного підходу до застосування добрив. Такий підхід "...повинен забезпечити ефективне вирішення основного завдання агрохімії – регулювання біологічного кругообігу в агроценозах", – зазначається в "Концепції розвитку агрохімії та агрохімічного обслуговування сільського господарства в Російській Федерації на період до 2010 року". У зв'язку з цим знання агрохімії необхідне не тільки при застосуванні добрив, як іноді вважають, а й у землеробстві взагалі.

Агрохімія – наука експериментальна. Основним способом отримання даних, на підставі яких вирішуються проблеми цієї галузі знань, є експеримент (досвід). Агрохімія використовує лабораторні, лізиметричні, польові та виробничі експерименти. Для спостережень за рослинами та ґрунтом, визначення їхнього хімічного складу та фізико-хімічних властивостей застосовують хімічні, фізико-хімічні, мікробіологічні, фізіолого-біохімічні методи. Широко залучаються розрахунково-економічні та математичні методи – математичне моделювання, статистична обробка результатів досліджень.

Прочитайте зміст цієї книги. Ви побачите, що основу її становлять чотири частини: живлення рослин, властивості ґрунту, властивості добрив та система удобрення культур. Перші три розділи містять матеріал для обґрунтування системи застосування добрив. На цій основі можуть розроблятися високоефективні, економічні технології використання добрив для конкретних умов з урахуванням охорони навколишнього середовища.

Студенту, який засвоїв суміжні дисципліни, вивчати агрохімію буде набагато легше. Декому може знадобитися повторення окремих питань. Важкозасвоювані питання агрохімії в цій книзі містять необхідні пояснення щодо суміжних наук.

Для оволодіння наукою агрохімією необхідно не тільки засвоїти теоретичний і практичний матеріал, а й навчитися застосовувати ці знання для вирішення професійних завдань, що виникають при використанні добрив.

Особливу увагу необхідно звернути на основні положення, що дозволяють розуміти агрохімію в цілому. Потрібно вести хороший конспект лекцій, який слід доопрацьовувати в день прослуховування лекцій. З конспекту буде видно, який матеріал і в якому обсязі потрібно вивчати за підручником. Потрібно також вести повні записи щодо лабораторних робіт та практичних занять.

Рис. 3. Об'єкти вивчення агрохімії

Навчальний посібник рекомендується студентам очної та заочної форм навчання. При роботі з ним спочатку потрібно ознайомитися з вимогами до професійної підготовки та змістом дисципліни за Вашою спеціальністю. Ці матеріали, взяті з "Державних освітніх стандартів вищої професійної освіти" в частині, що стосується агрохімії, наводяться в додатку 1. Там само за спеціальностями підготовки дипломованого спеціаліста наводяться питання для самоконтролю. Детальний зміст дисциплін можна знайти в примірних програмах, розроблених Міністерством освіти РФ.

Вивчення окремих розділів книги рекомендується проводити у два етапи. При першому читанні створюється загальне уявлення про зміст і з'ясовуються важкі місця. При повторному вивченні теми легше зрозуміти сутність питання, теоретичних понять, їхнє застосування. Паралельно з читанням доцільно вести конспект. Це допомагає розумінню та запам'ятовуванню прочитаного. Визначення та найбільш важливі поняття потрібно виписувати дослівно, а також записувати в конспект терміни, визначення, назви, формули, рівняння реакцій, розрахунки. Незрозумілі положення слід записувати для з'ясування їх на лабораторно-практичних заняттях та консультаціях.

Для перевірки засвоєння корисно відновити по пам'яті основні положення прочитаного. Можуть бути корисними також повторні записи частини матеріалу, читання вголос, переказування, обговорення. Не слід розпочинати подальше вивчення матеріалу, не засвоївши попередній. При засвоєнні та повторенні великого теоретичного та фактичного матеріалу потрібно використовувати таблиці та схеми, наочні посібники. Для самоконтролю в додатку наводяться питання. Щоб переконатися в якості своїх знань, намагайтеся відповісти на всі питання. Детально ця частина надається кафедрою.

Ми сподіваємося, що використання цих рекомендацій дасть можливість найефективніше використовувати час, відведений для вивчення агрохімії.

Не можна як слід знати те, чим володієш, поки не дізнаєшся те, чим володіли до нас; неможливо по-справжньому радіти перевагам своєї епохи, не вміючи цінувати переваги минулих часів.

Необхідність викладу нелегких шляхів розвитку агрохімії пов'язана з тим, що ця галузь науки виконує особливу роль у вирішенні найважливішого практичного завдання вітчизняного землеробства – забезпечення населення високоякісними екологічно безпечними продуктами харчування, а в кінцевому підсумку досягнення продовольчої незалежності нашої країни.

Як давні землероби боролися з виснаженням ґрунтів

Розуміння того, що ґрунт потребує відновлення, прийшло до землеробів ще в глибокій давнині. Як тільки урожайність на ділянці падала, людям доводилося закидати її та освоювати нові цілинні землі. Вже в епоху неоліту та бронзи (11–10 тис. років до н. е.) людина навчилася розрізняти типи ґрунтів, відділяючи пісок від суглинку, а болотисті місця — від сухих. Поступово від простого освоєння нових ділянок аграрії перейшли до усвідомленого збереження родючості.

Для відновлення виснажених полів греки та римляни почали застосовувати гній, змішуючи екскременти тварин з підстилкою. Щоб збагатити ґрунт азотом, давні агрономи висівали сидерати — люпин і кормові боби. Інші цивілізації використовували місцевий ресурсний потенціал: наприклад, інки ще у XIII столітті до н. е. удобрювали поля рибою, мушлями та гуано (екскрементами морських птахів), поповнюючи дефіцит азоту, фосфору та кальцію.

Перші теорії живлення рослин та письмові інструкції

Перші задокументовані поради щодо землеробства з'явилися на глиняних табличках у Стародавньому Шумері близько IV тисячоліття до н. е. Місцева бібліотека містила понад 30 табличок, відомих під назвою «Календар землероба», де йшлося про способи збереження родючості. Приблизно до 3500–3000 рр. до н. е. належать єгипетські папіруси «Палермський камінь» і «Бруклінський папірус» з описом властивостей землі. Пізніше у Вавилоні вийшов «Кодекс Хаммурапі» (1792–50 рр. до н. е.) — перший звід законів, що торкнувся правил землекористування.

Систематизувати ці розрізнені знання мислителі Античності спробували в період з VIII ст. до н. е. по III ст. н. е. У своїх трактатах вони шукали взаємозв'язок явищ у рослинному світі та дослідним шляхом знаходили способи отримання високих урожаїв. Накопичений практичний досвід ліг в основу перших теоретичних моделей живлення культур.

Так, один із найбільших філософів давнини (384–322 рр. до н. е.) розробив теорію, згідно з якою рослинам необхідні чотири стихії: повітря, вода, земля та вогонь. Він розділив флору на однорічні, багаторічні культури, кущі та дерева, а також припустив, що корінь поглинає із землі вже повністю готову їжу. Це твердження панувало в науці майже 20 століть, поки в першій половині XIX століття не сформувалася сучасна агрохімія.

• Початок накопичення знань про ґрунти — 11–10 тис. років до н. е.
• Описи якості земель у Єгипті — 3500–3000 рр. до н. е.
• Земельне законодавство вавилонського царя — 1792–50 рр. до н. е.
• Удобрення полів гуано в інків — XIII ст. до н. е.
• Період античних трактатів про землеробство — VIII ст. до н. е. – III ст. н. е.
• Становлення агрохімії як науки — I половина XIX ст.

Марк Порцій Катон (234–149 рр. до н. е.) – римський письменник, автор трактату "Землеробство" та книги "Про справи сільські", в яких зібрані практичні поради з різних галузей господарства: обробітку ґрунту, вирощування виноградників, оливкових садів, луківництва та тваринництва. Він зробив спробу класифікувати ґрунти за придатністю їх для вирощування різних сільськогосподарських рослин. Катон у своєму вченні писав, що обробляти поле – це означає "добре орати й гноїти". Причому він не тільки вказував на необхідність внесення гною, але й запропонував певну технологію його використання: "Старанно зберігай козячий, овечий, коров'ячий і всякий інший гній. Постарайся мати велику гнойову купу, коли будеш вносити – очищай його і подрібнюй; восени вивозь… З чого гній зробиш: із соломи, люпинових стебел, м'ятої соломи, микини, листя дубового та падубового… Гній діли так: половину частки вивозь на ниву, де будеш сіяти корми, …четверту частку поклади під обкопані маслини… іншу чверть збережи для лугу…". Катон усі рослини ділив на ті, що виснажують, і ті, що збагачують ґрунт, хоча ще й не здогадувався про меліоруючу роль бобових культур. Працями Катона широко користувалися землероби, вони протягом багатьох століть неодноразово переписувалися і є важливими джерелами про організацію рабовласницького маєтку в Стародавньому Римі.

Теофраст (370–285 рр. до н. е.) – найближчий друг і учень Аристотеля, який відзначався, як і його вчитель, різнобічністю наукових інтересів, спеціально займався рослинами. Його ботанічні праці: "Причини рослин" у 6-ти книгах та "Дослідження про рослини" у 9-ти книгах, мали таке величезне значення і справили такий великий вплив на погляди ботаніків аж до XVII ст., що Теофраста і до наших днів справедливо називають "батьком ботаніки". Значну увагу він також приділяв і вивченню ґрунтів, що живлять і сприяють живленню рослин. У своїй роботі "Про причини рослин" писав, – що "землю слід розглядати як жіночу істоту". За Теофрастом, рослини живляться земним жиром, відкладеним у ґрунті. Жирові відкладення піднімаються у верхні частини ґрунту і, потрапляючи в коріння, передають рослинам поживні речовини. Теофраст розробив детальну класифікацію ґрунтів за забарвленням, потужністю, гранулометричним складом, складенням, вологістю, тепловими властивостями, умовами рельєфу, окультуреністю та родючістю. За родючістю він розрізняв ґрунти: прекрасні, хороші, родючі, плідні, прийнятні, виснажені, бліді, безсилі та безплідні.

Марк Теренцій Варрон (116–27 рр. до н. е.) написав трактат "Сільське господарство", що складається з трьох книг: перша присвячена організації господарства, рільництву та садівництву; друга – тваринництву; третя – птахівництву, бджільництву та рибництву. Він вказував на користь сівозміни, по суті справи сівозміна, пропонував використовувати сидеральні культури, зокрема люпин, якщо не вистачає гною. Найкращим же добривом вважав пташиний послід, особливо з пташників. Варрон першим заявив про самостійність землеробства як науки. Він писав, що землеробство – наука необхідна і велика. Вона вчить нас, що на кожному полі слід сіяти, щоб земля постійно приносила високі врожаї. У центрі землеробства Варрон бачив дві найголовніші ланки: ґрунт і врожай. Для отримання стабільних урожаїв він рекомендував диференціювати агротехніку залежно від ґрунтово-кліматичних умов.

Вергілій Марон Публій (70–19 рр. до н. е.) увійшов в історію як поет Стародавнього Риму. Однак він був і видатним землеробом. Свою поему "Георгіки" Вергілій присвятив сільському господарству. Поема пронизана щирою любов'ю до землеробської праці, це свого роду гімн на її честь. У ній не тільки узагальнюється весь попередній досвід землеробів, а й робиться наступний крок у розвитку агрономічної думки. Вчений радить землеробу, перш ніж розпочати роботу, вивчити природні умови місцевості, ґрунт і "дідівський метод":

Але перед тим, як врізати почнемо незнайоме поле,

Потрібно вітри пізнати і різні зміни погоди,

Також батьківських місць осягнути звичай і спосіб:

Що тут земля принесе і в чому землеробу відмовить:

Тут щасливіший хліб, а тут виноград вродиться.

Тут плодам добре, а там зеленіє не сіяне

Для розпізнавання, "яка земля для чого придатна, яка сила в якій, колір який і до чого яка придатна природа", Вергілій наводить ряд способів. Ось один із них:

Вирити колодязь і весь засипати вщерть знову

Тією ж землею, і її притопчеш міцно ногами.

Якщо не вистачить землі, – легка, худобі і лозам

Більше підходить вона; відмовиться ж якщо вміститися,

Якщо вище країв над повною підніметься ямою –

Ґрунт щільний..." І далі:

Ґрунт солоний є, його називаємо ми "гірким",

Хліб не родиться на ньому, бо оранка його не пом'якшує.

Для визначення засоленості ґрунту поет рекомендує процідити вміщений у кошик ґрунт чистою прісною водою. Смак води, що просочилася, "... вказівку дасть очевидну присмаком гірким...".

Вергілій пропагував необхідність мати чистий пар, сівозміну та удобрення ґрунту не тільки гноєм, а й золою та запашкою люпину:

Не поспішай, нехай рік відпочиває поле під паром,

Щоб зміцнилося воно, спокій на дозвіллі куштуючи.

Або, як зміниться рік, золоті засівай злаки

Там, де з поля зібрав урожай, стручками шумить,

Або де вика росла дрібноплода з гірким люпином,

Чиї, цілим лісом шумлячи, підіймаються ламкі стебла.

Ниву посів висушує лляний, висушує овсяний,

Також спалює і мак, насичений дрімотою літійською.

Але з проміжками в рік посів їх буває виправданий.

Лиш би ти ґрунт сирим удобрив щедро гноєм

Або нечистою золою втомлене поле посипав.

Так, змінюючи посів, полям ти спокій надаси.

Практичні поради Вергілія були спрямовані до селянина-землероба, який самостійно обробляє свій наділ; тому в нього немає жодного рядка, присвяченого організації та експлуатації рабської праці.

Гай Пліній Секунд (Пліній Старший) (23–79 рр. н. е.) – римський письменник і вчений. Автор трактату "Природнича історія", що складається з 37 книг, – своєрідної енциклопедії природничо-наукових знань античності. При написанні його автор проаналізував 146 робіт римських та 327 – іноземних письменників. Ця праця довго слугувала джерелом відомостей і знань під час складання посібників з найрізноманітніших наукових дисциплін: географії, ботаніки, зоології, медицини, сільського господарства. Безпосередньо сільському господарству присвячені 17 і 18 книги. Праця Плінія Старшого має узагальнюючий характер. Він наводить різні погляди на питання агрономії письменників, які жили до нього. Насамкінець вчений доходить висновку, що краще добре оброблене мале поле, ніж погано оброблене велике. На підтвердження цього Пліній наводить такий приклад: землероб Гай Фурій Кресін почав отримувати з малої ділянки такі урожаї, які його сусіди збирали з великих. Кресіна звинуватили у чаклунстві, за допомогою якого він нібито переманює до себе урожай з полів сусідів. На суд він з'явився зі своїм удосконаленим сільськогосподарським інвентарем і незмученими рабами. Вказуючи на них, Кресін заявив, що все це і є його чаклунство, висловивши при цьому жаль, що він на суд не може привести свої безсонні ночі, довгий робочий день і пролитий ним у роботі піт. Суддям стало зрозуміло, що урожай Кресіна є результатом його великої кропіткої праці, внесення добрив та кращих знарядь праці, тому звинувачення з нього було знято. Багато місця у праці Плінія приділено повідомленню різних нових агрономічних даних, що раніше не зустрічалися в роботах його попередників. До них належать докладні відомості з різних розділів землеробства і особливо з питань внесення добрив. Пліній трагічно загинув під час виверження вулкана Везувій, бажаючи ближче спостерігати це природне явище.

Луцій Юній Модерат Колумелла (I ст. н. е.) писав: "З сільським господарством можна впоратися без тонкощів, але воно не терпить і дурості. Думка більшості, що воно являє собою найлегше заняття, не потребує ніякого розуму, дуже далека від істини". У трактаті "Про сільське господарство" можна знайти найрізноманітніші відомості про добриво ґрунтів. Колумелла дає агрономічні поради, зокрема і щодо добрива ґрунту. Усі добрива він поділяв на п'ять основних видів: гній, компост, зелене добриво, мінеральне та добриво землею. Колумелла детально пише про приготування доброго гною: "Нагнійних ям має бути дві: в одну складають свіжий гній, який там і залишається цілий рік; з іншої – вивозять старий. Обидві робляться на манер басейнів, зі злегка похилим дном, яке заливається затиркою, щоб не пропускало жижі. Надзвичайно важливо, щоб вона не висихала і гній не втратив своїх сил. Його старанно поливають, щоб насіння бур'янів та колючих рослин, що застрягли між соломою та м'якиною, загинуло і, будучи вивезеним на поля, не заглушило посів травою. Досвідчені господарі тому весь гній, вичищений з вівчарень та інших хлівів, прикривають гілками, тим самим не даючи сонячним променям висушити і спалити його". Рекомендації Колумелли щодо зберігання гною цілком правильні. Це варто відзначити особливо тому, що в його час не мали поняття про азот взагалі і як про елемент живлення рослин і, отже, про втрати його при зберіганні гною. Тим не менш, усі його поради щодо зберігання гною якраз і служать збереженню азоту. Про внесення гною він писав: "Набагато вигідніше господарю удобрювати землю частіше, ніж робити це без міри… Розпорошивши добриво, слід негайно зорати його, засипати землею, щоб воно від сонячної спеки не втратило сил і щоб земля, перемішавшись з ним, гладшала від цієї їжі. І тому, коли в полі розкладають нагнійні купи, то не слід розкидати гною більше, ніж орачі зможуть того ж дня зорати". Є у цьому трактаті і докладні відомості про здатність люцерни "удобрювати ґрунт". У суперечці зі своїм другом Тремеліусом, який доводив, що з часом земля виснажиться, подібно до людини, постаріє і зробиться безплідною, Колумелла вигукував, що "земля – це не застаріла жінка. Ні, це – діва, завжди юна, красива, завжди свіжа, молода, завжди здатна бути плодючою, якщо тільки вміти плекати її молодість, зберігати, підтримувати її ніжне, грайливе життя". Книги Колумелли – це ніби енциклопедія сільського господарства, узагальнення всього агрономічного досвіду, накопиченого в Римі в період його розквіту. 18 століть потому найбільший вчений-агрохімік Лібіх скаже: "Коли читаєш дванадцять книг Колумелли і порівнюєш їх з нашими посібниками щодо практичного сільського господарства, відчуваєш те саме, що при переході з безплідної пустелі у прекрасний сад, в якому все свіже і чудове".

Сучасні технології вапнування, сидерації та регулювання живлення рослин багато в чому повторюють практику часів Римської імперії. Стародавні землероби на практиці знали про різну вимогливість культур до ґрунтів, враховували це при сівозміні та підбирали добрива під конкретні умови. Для підвищення родючості вони використовували доступні ресурси:

• угноєння та внесення господарських відходів;
• зелене добриво, особливо відзначаючи користь люпину та інших бобових культур;
• внесення золи, вапна та мергелю.

Головні закони живлення: від «тління» до мінералів

Хоча механізми дії цих прийомів довгий час залишалися невідомими, саме в давнину були сформульовані перші постулати нашої науки. Один із них дійшов до нас у вигляді приказки «Тління — мати рослинності». У цьому твердженні античні автори підмітили головну відмінність у живленні рослин і тварин.

Інше базове твердження античних філософів свідчить, що для життя рослини необхідні вода, повітря, земля та вогонь. Для практикуючого агронома це фундаментальний орієнтир під час роботи в полі чи теплиці. Ефективність будь-яких внесених добрив безпосередньо залежить від структури ґрунту, його вологості, аерації та температурного режиму.