Агрохімія

Агрохімія, наука про хімічні і біохімічні процеси в рослинах і середовищі їх обітаніяю, а також про способи хімічного впливу на ці процеси з метою підвищення родючості грунту і врожаю с.-г. культур. Агрохімія одна з наук, що входять до агрохімії. Окремі її розділи нразривно пов'язані з фізіологією рослин, хімією, біохімією, грунтознавства, мікробірлогіей, землеробством і растеневодством.

Основні об'єкти, які традиційно вивчаються агрохімією рослини, грунт і добрива. У 20 столітті сфера анрохіміі розширилася: вона стала вивчати також агробіоценозів в цілому, хімічні засоби захисту рослин та регулятори росту рослин.

Агрохімічні дослідження включають: визначення вмісту в грунтах і рослинах хімічних елементів, білків, амінокислот, вітамінів, жирів, вуглеводів; встановлення механічного і мінералогічного складу грунтів, вмісту в них органічної частини (гумусу), солей, водоростей, мікроорганізмів та ін; вивчення впливу добрив на рослини і грунт та ін Зазвичай спочатку дослідження ведуть до лабораторії методами, аналогічними тим, які застосовують в хімії, біології та ін суміжних науках. Потім, як правило, проводять вегетаційні досліди в теплиці за участю живих рослин. Рекомендації для практичного застосування агрохімічкскіх засобів і методів видають на підставі польових дослідів, а також виробничих випробувань, що проводяться на великих площах протягом ряду років.

Багато прийоми агрохімії (наприклад, застосування ряду органічних добрив) увійшли в практику землеробства в глибоку давнину і описані ще в 1 в. н.е. Як наука анрохімія сформувалася лише в 19 ст., коли склалися основні уявлення про те, з чого складаються, чим і як харчуються рослини. Як віхи на шляху становлення агрохімії зазвичай відзначають досліди Я. Б. ван Гельмонта (1634), освітившись роль води в харчуванні рослин, а також висловлювання М. В. Ломоносова (1753) і А. Лавуазьє (1761) про повітря як джерело поживних речовин, незабаром підтверджені дослідами Дж. Прістлі, Я. Інгенхауза, Ж. Сенебье та М. Сосюра, показали, що рослини поглинають з повітря СО2; і виділяють О2, і що це пов'язане з фотосинтезом.

Найбільш важким виявилося питання про кореневому живленні рослин. Уявлення про те, що рослини поглинають з грунту мінеральні солі (Б. Паліссі, 1563; А. Лавуазьє, 1761; А. Т. Болотов, 1770), довгий час наштовхувалися на опір прихильників так званої гумусного теорії живлення рослин (І. Валеріус, 1761) і остаточно утвердилися лише в 19 ст. після робіт Ж. Буссенго (1836) і Ю. Лібіха (1840) і особливо після розробки методу гідропоніки (В. Кнопа, Ю. Сакс, 1859), в якому рослини вирощуються без участі грунтів. Велику роль у становленні агрохімії зіграли Ж. Буссенго і Ю. Лібіх. Перший розвинув уявлення про круговороті веществв в землеробстві, ролі азоту в живленні рослин, розробив методологію агрохімічних досліджень. Другий обгрунтував теорію виснаження грунтів внаслідок виносу поживних речовин рослинами і показав необхідність повернення цих речовин у вигляді мінеральних добрив. Зв'язок агрохімії з мікробіологією була обгрунтована Г. Гельрігелем (1886) і С. Н. Виноградським (1893), з'ясувати роль азотфіксуючих бактерій у природі і землеробстві.

Становлення вітчизняної школи агрохімії пов'язано з іменами М. Г. Павлова, А. Н. Енгелиардта, Д. І. Менделєєва, К. А. Тімірязєва, П. А. Костичева, Д. М. Прянишникова, П. С. Коссовіча, К. К. Гедройця та ін, які зробили істотний внесок у агропочвоведеніе і науку про добриві грунтів. У післяреволюційний період їх роботи продовжила плеяда радянських агрохіміків на чолі з Д. М. Прянишникова.

Сучасна агрохімія значно відрізняється від «класичної агрохімії» кінця 19 початку 20 ст., вона користується незрівнянно більш досконалими методами дослідження, спирається на збільшений рівень знань, розвинену хімічну промисловість і широку мережу агрохімічних служб. Так званих «зелена революція»-різке підвищення врожайності с.-г. культур, досягнута на початку 50-х рр.. 20 в., пов'язана не тільки з успіхами генетики та селекції, але і з досягненнями агрохімії. Агрохімічна наука має у своєму розпорядженні знаннями про що містяться в рослинах речовини (білки, вуглеводи та ін), біосинтезі та обмін речовин в рослинах, фітогормонів, ферментних системах, хворобах рослин.

Завдяки створення нової галузі агрохімії хімії пестицидів з'явилася можливість не тільки покращувати живлення рослин, але й впливати (за допомогою регуляторів росту) на їх розвиток, а також захищати їх від хвороб (за допомогою протруйників насіння, фунгіцидів і бактерицидів), комах, кліщів, нематод та ін шкідників.

В області агропочвоведенія і хімії добрив розроблені і широко поширені методи лабораторної оцінки родючості грунтів і їхні потреби в тих чи інших добривах для різних сівозмін. На підставі лабораторних досліджень роблять висновки про необхідності проведення хімічної меліорації грунтів (вапнування, гіпсування) з метою поліпшення їх складу, структури і властивостей. Створений великий асортимент твердих і рідких добрив, що містять як основні елементи (N, Р, К), так і мікроелементи. У великих масштабах застосовують NH3 і добрива на основі сечовини.

Величезне вплив на агрохімії зробило відкриття виборчих гербіцидів (1942-44). Знищення бур'янів з їх допомогою дозволило поліпшити умови росту рослин і більш ефективно використовувати добрива, тому що вони не витрачаються на підживлення бур'янів.

Засоби агрохімії дозволяють не тільки підвищити врожай, а й добитися значної інтенсифікації с.-г. виробництва. Наприклад, завдяки гербіцидів усувається необхідність ручної прополки, за допомогою дефоліантів полегшується машинна прибирання бавовнику.

Агрохімія наукова основа хімізації с. господарства та розвитку промисловості добрив і пестицидів.

Історія розвитку агрохімії

Розвиток поглядів на харчування рослин до Лібіха

Історію розвитку агрохімії в нашій країні можна поділити на три періоди. Перший період охоплює кінець XVIII і першу половину XIX століття. Цей період характеризується накопиченням даних питань харчування рослин, застосуванням добрив і першими спробами їх узагальнення. Другий період охоплює другу половину XIX і початок XX сторіччя до жовтневого перевороту 17-го року. Для цього періоду характерний розвиток дослідів у лабораторіях, на дослідних станціях та у виробничих умовах. Роботами цього періоду показана необхідність глибокого вивчення харчування рослин, хімічних і біологічних процесів у грунті, що є основою для застосування добрив. Третім періодом у розвитку агрохімії є радянський період. Його можна охарактеризувати, як період реконструкції сільського господарства в цілому, механізайіей і хімізацією землеробства.

У XVIII столітті в Росії панувала кріпосницька система господарства. Поряд з цим виникали капіталістичні форми господарювання у вигляді дрібного товарного виробництва. Найбільш високого для того рівня досягла металургійна промисловість. Під впливом металургійної, військової, кораблебудівній промисловості в россии стали розвиватися природничі науки. У 1725 році в Петербурзі була організована академія наук, а в 1755 р. з ініціативи геніального Ломоносова створений Московський університет. XVIII століття ознаменувалося в Росії в ряд винаходів і досягнень у галузі науки (Повзунів та ін.) Це позитивно позначилося на творчості Ломоносова. У 1748 році Ломоносовим була побудована перша в Росії науково-дослідна хімічна лабораторія, в якої він проводив роботи з хімії, фізики, мінералогії та геології.

До геніальним відкриттів Ломоносова, що склав епоху в розвитку передової науки всіх країн, відноситься відкриття і природно-наукове обгрунтування закону збереження речовини і руху, що став одним із наріжних каменів матеріалістичного істокованія природи. Цей закон відкрито відкрито їм абсолютно самостійно, і задовго до Лавуазьє. На основі цього закону Ломоносов по-новому пояснює багато явищ природи, зокрема, їм була створена і науково обгрунтована теорія про природу теплових явищ. М.В. Ломоносов відіграв величезну роль у обгрунтуванні та подальшому розвитку основних принципів матеріалістичної філософії в нашій країні. Роботи Ломоносова дуже вплинули на розвиток науки в Росії, зокрема, природознавства, на розвиток передової думки. Можна сказати, що Ломоносов був начальником естесвознанія в Росії.

Особливо сильно вплив Ломоносова позначилося на розвитку фізики і хімії. Він ввів у хімію ваги і кількісні спостереження. Це позначилося і на дослідженнях в агрономії. І. І. Комов (1750-1792), професор землеробства та інших наук, у своїй книзі таким чином визначає сутність землеробства: "Землеробство ж з високими науками тісній союз має, які суть Історія природна, наука лікувальна, Хімія, Механіка і майже вся Фізика, і саме воно є ніщо інше, як частина Фізики дослідної, тільки всіх корисна.

Комов закликає до розвитку дослідної роботи, яка повинна дати більш глибокі відповіді на різні питання агрономії, причому рекомендує не покладатися на " одноразовий досвід ", а для більшої впевненості повторювати його. У книзі Комова докладно викладено значення багатьох сільськогосподарських культур, описуються обробка грунту, добриво, сівозміни, землеробські знаряддя. Характеризуючи грунту, Комов говорив, що "про доброту" і глинистої і піщаної і будь-якої землі за кількістю чорнозему в них вмісту судити можна. Для визначення в грунті кількості глини, піску, вапна та "живильного соку "він пропонував механічний аналіз, заснований на поділі глини від піску отмучіваніем водою, і хімічний аналіз. Комов писав, що поживний сік народиться від "согнітія тварин", трав'яних речовин і коріння в землі, стебел і гілок рослин на повітрі. Піщана земля від нього щільніше, а глиниста робиться пухкі.

Дізнавшись властивості землі, головна справа хлібороба полягає, по Комову, в тому, щоб "худу "Землю удобрити, і удобривши, старатися, щоб вона добре не втратила. Перше робиться оранкою, а останнім черговим сівбою різних культур. Обробка грунту, на думку Комова, не може замінить внесення гною. При цьому Комов підкреслював, що гній має велике значення в поліпшенні фізичних властивостей грунту, у створенні пухкості грунту і збереження вологи. Комов відзначає також важливу роль у поліпшенні грунту і підвищення врожаю. На його думку, вапнування глинистої грунту позитивно позначається в продовження 20 років і більше. При цьому вапно глинисту грунт не тільки робить пухкої, але і всяку кислоту в глинистій по великій частині землі знаходиться винищує. Тому Комов рекомендує шукати вапняки і мергелі і вносити по 100-150 чвертей сыромолотого вапняку на десятину (1 чверть близько 200 л).

І. І. Комов докладно описує приготування фекальних компостів. Курячий послід він пропонує вносити під озимину під час сівби разом з насінням або навесні, коли зійде сніг, у підживлення. Гній він рекомендує вивозити на поле свіжим, а не згорілим або згнилі, тому що при цьому сила живильна зникне. Після вивезення в поле гній повинен негайно кріпитися в грунт. Комов надавав велике значення у харчуванні рослин органічній речовині грунту. У цьому відношенні він з'явився попередником німецького вченого Теера, хіба так звану гумусових теорію (см.ниже) живлення рослин. Болотов А.Т. (1738-1833) протягом низки десятиліть займався питаннями сільського господарства і відіграв велику роль у розвитку російської агрономії. Велика увага їм приділена удобрення грунтів. Ним опубліковано більше 20 статей з питань використання добрив. Зберігати гній він рекомендував не під тваринами, а в спеціальних гноєсховище в ущільнених купах.

У статті Про гнойових солях А. Т. Болотов пише про освіту з органічних добрив доступних рослинам поживних речовин. А. П. Пошман (1792-1852) у своїй книзі Повчання про приготування сухих і вологих туків, службовців до удобрення ріллей (1809) висловив міркування про те, що в удобренні діючим початком є лучно-соляні речовини, що містяться в гною і в попелі, інакше кажучи, мінеральні речовини, які і служать поживою для рослин. Таким чином, за багато років до опублікування Ю. Лібіх теорії мінерального живлення Болотов і Пошман писали про значення мінеральних солей у харчуванні рослин. М. Г. Павлов (1794-1840), який був професором Московського університету, читав лекції з фізики, технології, лісівництва, сільського господарства і керував землеробської школою. Він вперше в Росії пов'язав хімію з агрономії.

У 1825 р. М. Г. Павловим видано працю землеробська хімія. М. Г. Павлов писав, що землеробська хімія є наука про речовину тих виключно предметів, які мають відношення до землеробства і знання речовині яким може керуватись з вигідними пристрою виробництв цього мистецтва. Удобрити грунт, по М * Г * Павлову, значить зробити її більш плодоносної. Землеудобреніе може бути здійснено з метою поліпшення фізичних властивостей або усунення кислот, або прискорення руйнування органічних речовин грунту, або підвищення родючості. Метою останнього, за Павловим, є множення в грунті поживних речовин або принаймні винагороду того, що викрадається з землі зростаючими на ній рослинами за допомогою органічних добрив. Роботи цих вчених відносяться до першого, початкового періоду у розвитку агрохімії, коли головним чином накопичувалися свещенія про живлення рослин і удобренні і робилися спроби узагальнення накопиченого досвіду. Узагальнення відомостей про харчування і добриві, як ми бачили, призвело Комова в кінці 18-го століття до висновку про важливу роль гумусу у харчуванні рослин, а на початку 19-го століття, узагальнюючи дані по добривах, Пошман прийшов до висновку, що в добривах діючим початком є мінеральна частина.

Розвиток агрохімії в Західній Європі

Не входячи до виклад досліджень в області агрохімії в Західній Європі більш раннього періоду, відзначимо роботи з агрохімії, починаючи з Х1Х століття, коли в лабораторіях розгорнулася робота з вивчення живлення рослин. У 1804 р. отримали популярність дослідження з асиміляції вуглецю і диханню рослин. Французький учений Соссюр провів детальний аналіз золи рослин і на підставі цих даних прийшов до висновку, що мінеральні речовини не випадково проникають з рослина. Наприклад, фосфорнокислий вапно була знайдена їм взоле всіх рослин.

У 1800 р. Шрадер знайшов у проростках в 4 рази більше золи, ніж в насінні (причина нечистота умов досвіду), і прийшов до висновку, що рослини самі проводять свої зольні речовини за допомогою життєвої сили і не потребують доставлених їх ззовні. Для перевірки цього твердження Соссюр вирощував рослини на дестіллірованной воді і знайшов в них мінеральних речовин стільки ж, скільки їх було в насінні. Таким чином, Соссюра були експериментально спростовані вітаїстичною подання Шрадер про живлення рослин. На підставі своїх дослідів Соссюр дійшов висновку, що головним джерелом вуглецю для рослин є атмосфера, а грунт джерелом зольних речовин.

Лібіх згодом використав аналізи і висновки Соссюра в якості доказів на користь теорії мінерального живлення рослин. Наприкінці ХУ111 і на початку Х1Х століття в Західній Європі була широко поширена так звана гумусова теорія живлення рослин. Один з найбільш відомих прихильників цієї теорії німецька вчений Теер говорив про гумусі наступним чином. Родючість грунту залежить власне цілком від гумусу, оскільки, крім води, він представляє єдине речовина грунту, що може служити їжею рослин. У той час вважалося, що чим більше поживних речовин містить рослина, тим більше воно поглинає та гумусу.

Прихильниками гумусовий теорії мінеральних речовин відводилася непряма роль: вони лише прискорюють, за їхніми уявленнями, процеси розкладання органічних речовин в грунті й переводять гумус в удобоусвояемую для рослин форму. Теер та інші прихильники гумусовий теорії вважали важливою умовою для підтримки родючості грунту нагромадження і збереження в ній гумусу. Необхідність сівозміни обгрунтовувалася прагнення зрівноважити витрата органічної речовини з його приходом в грунт. У гумусовий теорії поєднувалися вірні спостереження агрономів-практиків про велике значення гумусу для родючості грунту з невірними метафізичними пред?? леніямі про те, що гумус є єдиним речовиною грунту, що можуть служити їжею для рослин.

Ряд вчених того часу виступали проти гумусовий теорії. До них відносяться перш за все Буссенго, Шпренгель і Лібіх. Буссенго (Франція) відомий своїми роботами (опублікованими в 1836-1841гг.) з фізіології, біохімії та агрохімії. ОН встановив, що джерелом вуглецю для рослин служить угленкіслота повітря. Їм було показано також вплив зовнішніх умов на асиміляцію вуглецю листям. Вивчення особливостей харчування тварин і рослин зіграв велику роль у подальшому розвитку досліджень з азотного живлення рослин.

Досліди з рослинами в штучних умовах призвели Буссенго до розробки вегетаційного методу для вивчення живлення рослин. Відкинувши гумусових теорію живлення рослин, Буссенго розвинув так звану азотну теорію. У своєму маєтку він влаштував дослідну станцію з добре обладнаній лабораторії, де займався дослідженнями з 1836 р. У кількох сівозмінах дослідного поля він провів облік урожаїв і визначив зміст вуглецю, азоту і золи в врожаї. Це дозволило Буссенго провести облік кругообігу речовин у господарстві. Він виявив, що накопичення вуглецю в врожаї не пов'язане з його кількістю в гною. Особливо цінних було встановлення того факту, що кількість азоту в врожаї за цілий сівозміну перевершує то його кількість, яка дається рослинами з гноєм. Надлишок азоту в урожаї був тим вище, чим більша була участь у сівозміні бобових рослин конюшини та люцерни.

Таким чином, в польових умовах було встановлено, що бобові культури збагачують грунт азотом, доступним іншим рослинам, що і позначається на підвищенні їхнього врожаю, наприклад, урожай пшениці після конюшини вище врожаю пшениці після картоплі та коренеплодів. Буссенго висловив думку, що азот, який накопичують бобовиее, відбувається з повітря. Пізніше він намагався відтворити фіксацію азоту бобовими в вегетаційних дослідах з попередньою стерилізацією піску і судин. Виявилося, що чим більш чисті умови створював він в дослідах, тим менше ясні виходили результати. У той час таке явище було неясно. Тепер відомо, що при стерилізації середовища був відсутній симбіоз бобових з бульбочкових бактерій, тому фіксації азоту повітря не відбувалося.

Роботи Буссенго привели до встановлення важливого значення азотних добрив у підвищенні врожаїв. Своїми дослідженнями Буссенго вирішив ряд важливих питань фізіології рослин, біохімії та агрохімії. Німецький учений Шпренгель, що опублікував свої погляди на живлення рослин в 1837-1839 рр.., був одним з найближчих попередників Лібіха. Шпренгель, писав, що рослини з неорганічних речовин, одержуваних ними з грунту і повітря, утворюють тіла органічні за допомогою світла, тепла, електрики і вологи. Пояснення падіння врожаїв при безперервній культурі він бачив в тому, що мінеральні речовини необхідні для життя рослин і тому повинні відшкодовуватися в грунті. При цьому Шпренгель не заперечував одночасного використання рослинами, крім головного джерела вуглецю, вуглекислоти повітря, також і перегною грунту корінням. Недолік фактичних даних не дозволив йому більш чітко поставити питання про значення гумусу у харчуванні рослин, однак розвинені Шпренгеля уявлення і харчуванні рослин мають серйозне значення у розвитку агрохімії.