Будучи живым организмом, любое растение нуждается в определенном наборе питательных веществ для своего роста, развития и размножения. Поэтому одна из первостепенных задач агронома – обеспечить выращиваемые им культуры всеми необходимыми макро-, мезо- и микроэлементами в необходимом количестве и оптимальном сочетании. А для этого нужно знать и учитывать ряд факторов, в числе которых – особенности этих веществ, их взаимодействие, тип почвы, потребности разных видов растений, климатические условия и т. д.
Проблема обеспечения растений питательными веществами известна со времен зарождения земледелия. Естественно, тогда еще не были известны механизмы и причины, которые делают почву плодородной, а культурные растения – более урожайными. Тем не менее, уже во времена использования самых примитивных систем земледелия – подсечно-огневой и залежной земледельцы отмечали снижение плодородия засеваемых земель через несколько лет использования и, оставив их, переходили к освоению новых участков.
Значительным прогрессом стало использование для восстановления и улучшения плодородия почв навоза, сидератов, бобовых культур, применение паров и севооборотов. Однако все эти приемы базировались преимущественно на опыте и знаниях, полученных эмпирическим путем.
Конечно, для прогресса в земледелии нужно было точно знать, откуда растения берут питательные вещества, какие именно и как управлять этим процессом. Поэтому многие исследователи в разное время выдвигали по этому поводу свои гипотезы и проводили опыты.
Так, еще в XVI веке французский химик, садовод, художник-витражист и керамист Бернар Палисси опубликовал свой труд, в котором, в частности, содержалось предположение, что в растениях присутствуют соли или растворы солей. Доказательство тому – зола, которая образуется после сжигания растений. Из этого автор делал вывод, что питаются растения солевыми веществами почвы и навоза. Впрочем, эта теория не получила широкой известности.
Бернар Палисси
Почти столетие спустя голландский исследователь Ян Баптиста ван Гельмонт проводил опыты с растениями, надеясь установить источники их питания. Неизвестно, был ли он знаком с теорией Палисси, но из своих опытов сделал совсем иные выводы. Ван Гельмонт считал, что все дело – в воде, а почва служит лишь субстратом для прикрепления растений, не участвуя непосредственно в их питании. Эти выводы стали основой водной теории питания растений. Причем, и другие исследователи опытным путем подтвердили выводы ван Гельмонта.
Ян Баптиста ван Гельмонт
Впрочем, это тот случай, который можно описать словами классика «суха теория, мой друг, а древо жизни пышно зеленеет». Ведь любой крестьянин мог бы опровергнуть эту теорию на практике, пояснив, что для получения хорошего урожая нужна не только вода, но и, скажем, навоз, а при одинаковом поливе разные по своим характеристикам земли дадут разный результат при выращивании одних и тех же культур.
Что касается ученых, то одним из первых усомнился в водной теории английский профессор медицины Джон Вудворт в конце того же XVII века. Его опыты показали, что растения лучше развиваются не просто в чистой воде, а в воде, к которой добавлена земля. Впрочем, его опыты не поколебали уверенности последователей теории водного питания в своей правоте, и эта теория оставалась одной из основных в этой области еще около столетия.
Но параллельно шло накопление знаний, не согласующихся с этой теорией. Например, немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер проводил опыты с селитрой, которые показали, что ее использование для выращивания растений позволяет увеличить урожай. Подобные опыты других ученых приводили к выводам о том, что растениям нужны калийные и фосфорнокислые соли.
Иоганн Рудольф Глаубер
Тем не менее, лишь в середине XVIII века Вигману и Польсторфу удалось поколебать уверенность сторонников водной теории питания растений. Эти исследователи проводили опыты, используя более совершенную методику, чем их предшественники. Они использовали для выращивания растений нейтральный субстрат – платиновую проволоку и промытый кислотой кварцевый песок. Воду для полива брали дистиллированную. Растения в этих опытах погибали сразу же после того, как использовали запасы, содержащиеся в семени, из которого были выращены. Таким образом, было доказано, что для питания растений необходима не только вода.
А что же необходимо еще? На этот вопрос, как казалось, отвечала возникшая тогда же гумусовая теория питания растений. Ее название говорит само за себя: сторонники этой теории объясняли рост и развитие растения поглощением гумуса и постройкой тканей именно из него. Впрочем, и эта теория в будущем окажется опровергнутой. Кроме того, она неправильно объясняла роль минеральных веществ в питании растений, сводя ее лишь к тому, что эти вещества помогают усвоению гумуса.
Джозеф Пристли
Открытие процесса фотосинтеза привело к созданию еще одной теории – воздушно-светового питания растений. Хрестоматийные опыты Джозефа Пристли во второй половине XVIII века, в которых он помещал в герметичный сосуд сначала свечу, потом – животное, а после этого – растение, показали, что растения выделяют кислород. Ведь воздух, который после горения свечи переставал поддерживать и само горение и дыхание животных, вновь обретал эти свойства, если в сосуде на некоторое время оставляли растение.
Потом было проделано еще множество опытов, которые раскрыли суть фотосинтеза. Так, уже довольно скоро было доказано, что растения синтезируют органическое вещество из углекислого газа, содержащегося в воздухе. Однако для того, чтобы это открытие стало общепризнанным, понадобилось еще немало лет и усилий исследователей.
Опыт Дж. Пристли
Впрочем, и эта теория не в полной мере объясняла, чем же все-таки питаются растения. Хотя среди ее сторонников были и такие, которые наиболее близко подошли к объяснению исследуемого вопроса. Так, на основании собственных опытов, французский ученый Никола Теодор де Соссюр в 1804 году сделал вывод, что главным источником углерода для растений является воздух, а зольные (минеральные) вещества они получают из почвы.
Похожие взгляды высказывал немецкий ученый Шпренгель. На выводы своих предшественников, в том числе, опирался немецкий химик Юстус фон Либих, который в 1840 г. выдвинул минеральную теорию питания растений. Она стала одной из основ современных представлений в этой области.
Именно Либих доказал, что элементы, которые выделяют из золы растений, эти организмы получают из почвы в виде минеральных солей. Также он сформулировал закон минимума Либиха (известен также как закон ограничивающего фактора или «бочка Либиха»), согласно которому урожай зависит от того элемента питания, количество которого минимально. Он же предложил использовать минеральные удобрения для того, чтобы внести в почву недостающие минеральные вещества.
Юстус фон Либих
Впрочем, в своих трудах фон Либих не смог показать роль и источник азота в питании растений, что делало минеральную теорию не полной. А дополнил ее французский химик Жан Батист Буссенго в 1830-40-х годах, проведя ряд опытов и сделав выводы о том, что азот растения получают не из воздуха (как предполагал Либих), а из почвы, причем, также из минеральных солей.
Развитие указанных теорий, в конце концов, привело к современным представлениям о питании растений. В форме, наиболее значимой для агрономии, они сформулированы в законе автотрофности зеленых растений, который объединяет теорию фотосинтеза и теорию минерального питания растений.
Согласно этом закону, зеленые растения, используя энергию солнечного света и поглощая из воздуха углекислый газ, а из почвы – воду и минеральные вещества, синтезируют необходимые органические вещества в количестве, которое обеспечивает развитие и высокую продуктивность растений.
Поэтому одним из самых важных принципов формирования урожая является интенсивное наращивание оптимальной ассимиляционной поверхности, способной наиболее эффективно усваивать солнечную энергию для синтеза органических веществ и формирования организма растения.
Закон автотрофности зеленых растений – один из семи законов (правил), которые известный украинский агрохимик Григорий Господаренко называет в числе самых распространенных в агрономической практике.
Кроме названного, это также законы (правила): равнозначности и независимости факторов жизни растений; совокупности взаимосвязанного их действия; минимума, оптимума и максимума; возвращения питательных веществ в почву; плодосмены; повышения плодородности почвы. Они обеспечивают всесторонний и обоснованный подход к применению элементов технологии с целью получения наибольшей эффективности от них в повышении урожайности при сохранении экологического равновесия природного круговорота веществ.
Направленность каждого элемента технологии на улучшение функционирования агроценозов является основой реализации биопродуктивного потенциала гибрида или сорта. При этом необходимо учитывать, что уровень их урожая зависит, в первую очередь и в самой большой степени, от возобновления факторов, которые находятся в минимуме.
В то же время, и излишек какого-либо фактора негативно влияет на продуктивность агроценозов. Таким образом, максимальный урожай можно получить лишь при оптимальном содержании и соотношениях всех факторов жизни растений. При этом, кроме факторов космических – света и тепла, атмосферных (погодных) – воды, кислорода, углекислого газа, азота, почвенных – влаги, воздуха, питательных элементов, растениям необходимы макро-, мезо- и микроэлементы в виде удобрений.
Бочка Либиха
В связи с этим, есть смысл подробнее остановиться на законе минимума Либиха (законе ограничивающего фактора). При всей своей простоте и практической привлекательности, он имеет ряд недостатков:
– уровень урожая зависит не только от питательного элемента, который поступает в растение в минимальном количестве, но и от любого экологического фактора, находящегося в минимуме (это может быть обеспечение влагой, светом и т. д.);
– продуктивность растений является характеристикой не только количественной (урожай зерна, плодов и т. п. с единицы площади), но и качественной (содержание белка в зерне, сахара в сахарной свекле и т. п.). При этом качество урожая также зависит от уровня обеспеченности растений питательными элементами. Поэтому необходимо учитывать две точки минимума: количества и качества урожая;
– в соответствии с правилом нормированной потребности растений в питательных элементах, точка минимума урожая «плавающая»: при одном сочетании количества питательных элементов точка минимума будет одной, при другом – выше или ниже.
Учитывая указанные недостатки закона минимума, немецкий ученый Э. Вольни вместо него предложил использовать закон оптимума, согласно которому урожай бывает самым высоким при оптимальном сочетании факторов.
Виктор Шелфорд
Кроме того, ограничивающее влияние на урожай оказывает не только недостаток, но и излишек любого фактора. С учетом этого, американский ученый Виктор Шелфорд предложил закон толерантности (закон экологического оптимума), расширяющий и дополняющий закон минимума.
Понятие «толерантность» в данном случае означает выносливость организма по отношению к колебаниям какого-либо экологического фактора. При этом диапазон между экологическим минимумом и максимумом фактора образует границу толерантности – величину выносливости организма по отношению к данному фактору.
Закон толерантности
Правило зависимости уровня урожая от количества того или другого питательного элемента утверждает, что с увеличением нормы элемента урожай сначала растет, потом стабилизируется, а при очень высоких нормах обычно начинает снижаться. Причем, разные элементы в таких случаях действуют по-разному. Например, у калия увеличена зона стабилизации, а у азота слабо выражена зона ингибирования. При внесении микроудобрений наблюдается резкий переход от зоны роста урожая к зоне его ингибирования даже при незначительном превышении оптимальной нормы внесения.
Важным с практической точки зрения является и закон антагонизма ионов, который в XIX веке сформулировал скандинавский ученый Оскар Лев. Согласно ему, отдельные химические элементы, которые находятся в почве или в водном растворе в избытке, препятствуют поглощению растениями других элементов. Отсюда следует, что соотношение элементов в почве должно быть оптимальным.
Изучение закономерностей минерального питания растений привело к появлению науки агрохимии. Сейчас она неразрывно связана с агрономией. И правильное практическое применение этих закономерностей в организации минерального питания растений необходимо каждому агроному для наиболее полного раскрытия потенциала сортов и гибридов культурных растений, получения высоких урожаев продукции надлежащего качества.
Поділитись в соцмережах:
