Мінеральне живлення рослин: теорії та закони

Перегляди: 534
10.08.2022
Мінеральне живлення рослин: теорії та закони

Рослинам, як і будь-якому живому організму, для свого росту, розвитку й розмноження потрібен певний набір поживних речовин. Тому одне з першочергових завдань агронома – це забезпечення вирощуваних ним культур усіма необхідними макро-, мезо- й мікроелементами в необхідній кількості та оптимально збалансованими. А для цього потрібно знати і враховувати ряд чинників, серед яких – особливості цих речовин, їх взаємодія, тип ґрунту, потреби різних видів рослин, кліматичні умови тощо.


Проблема забезпечення рослин поживними речовинами існувала з часів зародження землеробства. Зрозуміло, тоді ще не були відомі механізми й причини, котрі забезпечують ґрунту родючість, а культурним рослинам більшу врожайність. Проте, вже від початку використання найпримітивніших систем землеробства, зокрема за́лежної і вирубно-вогневої, землероби помічали зниження родючості земель під посівами через кілька років їх безперервного використання, тому вони полишали такі поля і переходили до освоєння нових ділянок. Значним прогресом стало використання для відновлення й покращення родючості ґрунтів гною, сидератів, бобових культур, застосування парів і сівозмін. Однак усі ці прийоми базувались переважно на досвіді та знаннях, отриманих емпіричним шляхом.


Зрозуміло, що для прогресу в землеробстві потрібно було точно знати, звідки рослини беруть поживні речовини та які саме, а головне  навчитись керувати цим процесом. Чимало дослідників у різні часи вивчали ці питання, проводили досліди та висували власні гіпотези. Так, ще в XVI столітті французький хімік, садівник, художник-вітражист і кераміст Бернар Паліссі опублікував свою працю, в якій, зокрема, містилося припущення, що до складу рослин входять солі або розчини солей. Доказом цього слугував попіл, який утворювався внаслідок згоряння рослин. З цього автор робив висновок, що рослини живляться сольовими речовинами з ґрунту та гною. Втім, ця теорія не набула широкої популярності.


Бернар Паліссі

Бернар Паліссі


Майже через століття голландський дослідник Ян Баптіста ван Гельмонт проводив досліди з рослинами, намагаючись встановити джерела їх живлення. Невідомо, чи був він знайомий з теорією Паліссі, але зі своїх дослідів зробив зовсім інші висновки. Ван Гельмонт вважав, що вся справа – у воді, а ґрунт слугує лише субстратом для прикріплення рослин і не бере безпосередню участь у їх живленні. Ці висновки стали основою водної теорії живлення рослин. Причому інші дослідники дослідним шляхом також підтвердили висновки ван Гельмонта.


Ян Баптиста ван Гельмонт

Ян Баптиста ван Гельмонт


Втім, це саме той випадок, про який можна висловитись цитатою з «Фауста» Гете: «Теорія завжди, мій друже, сіра, та зеленіє древо жизні золоте». Адже будь-який селянин спростував би цю теорію на практиці, пояснивши, що для отримання хорошого врожаю потрібна не лише вода, а й, скажімо, гній. Та й за однакового поливу різні за своїми характеристиками землі дадуть різний результат при вирощуванні тих самих культур. Щодо вчених, то одним із перших засумнівався у водній теорії англійський професор медицини Джон Вудворт наприкінці того ж XVII століття. Його досліди показали, що рослини краще розвиваються не просто в чистій воді, а у воді, до якої додано землю. На жаль, його досліди не похитнули впевненості послідовників теорії водного живлення у своїй правоті, і майже століття ця теорія лишалась однією з основних у галузі землеробства.

 

Але водночас відбувалось накопичення практичних свідчень, що спростовували теорію водного живлення. Наприклад, німецький хімік Йоганн Рудольф Глаубер проводив експерименти з селітрою, які доводили, що використання цієї речовини для вирощування рослин дозволяє збільшити їх врожай. Подібні досліди інших вчених свідчили про те, що рослинам потрібні калійні та фосфорнокислі солі.


Йоганн Рудольф Глаубер

Йоганн Рудольф Глаубер


Лише в середині XVIII століття науковцям Вігману і Польсторфу вдалося похитнути впевненість прихильників водної теорії живлення рослин. Вони проводили свої експерименти з використанням більш досконалої методики, ніж їхні попередники, а саме вирощували рослини в нейтральному субстраті з промитого кислотою кварцового піску та платинового дроту. Вода для поливу використовувалась також дистильована. Рослини в цих дослідах гинули одразу, як тільки закінчувались запаси поживних речовин у насінні, з якого вони були вирощені. Таким чином було доведено, що для живлення рослинам потрібна не лише вода.


А що ж іще їм потрібно? На це питання, здавалося б, цілком відповідала гумусова теорія живлення рослин, що виникла в той же час. Прихильники цієї теорії пояснювали процеси зростання й розвитку рослин поглинанням гумусу та будівництвом тканин саме з нього. Втім, і ця теорія в майбутньому виявиться спростованою. До того ж вона невірно пояснювала роль мінеральних речовин у живленні рослин, спростовуючи її лише до того, що ці речовини допомагають засвоєнню гумусу.


Джозеф Прістлі

Джозеф Прістлі


Відкриття процесу фотосинтезу призвело до створення ще однієї теорії – повітряно-світлового живлення рослин. Хрестоматійні досліди Джозефа Прістлі в другій половині XVIII століття, під час яких він поміщав у герметичний посуд спочатку свічку, потім – тварину, а після цього – рослину, показали, що рослини виділяють кисень. Адже повітря, яке після горіння свічки не підтримувало ні саме горіння, ні дихання тварин, знову набувало цих властивостей, якщо в посудині на деякий час залишали рослину. Потім було зроблено ще багато дослідів, які розкрили суть фотосинтезу. Так, вже незабаром було доведено, що рослини синтезують органічну речовину з вуглекислого газу, який міститься в повітрі. Однак для того, щоб це відкриття стало загальновизнаним, знадобилося ще багато років і зусиль дослідників.


Досліди Дж. Прістлі

Досліди Дж. Прістлі


Втім, ця теорія теж повністю не пояснювала, чим же живляться рослини, хоча серед її прихильників були й ті, хто найближче підійшов до пояснення досліджуваного питання. У 1804 році французький вчений Ніколя Теодор де Сосюр на підставі власних дослідів дійшов висновку, що головним джерелом вуглецю для рослин є повітря, а зольні (мінеральні) речовини вони отримують із ґрунту.


Подібну думку висловлював і німецький вчений Курт Шпренгель. На висновки своїх попередників спирався зокрема й німецький хімік Юстус фон Лібіх, який у 1840 р. висунув мінеральну теорію живлення рослин. Вона стала однією з основ сучасних знань у цій галузі. Саме Лібіх довів, що елементи, які містяться в рештках спалених рослин (у попелі), надходять в рослинні організми з ґрунту у вигляді мінеральних солей. Також він сформулював закон мінімуму Лібіха (відомий також як закон обмежуючого фактора або «бочка Лібіха»), згідно з яким рівень урожайності обмежується тим елементом живлення, потреба в якому для рослин задовольняється найменше. Він же запропонував використовувати мінеральні добрива для внесення в ґрунт тих мінеральних речовин, кількість яких є недостатньою.


Юстус фон Лібіх

Юстус фон Лібіх


Втім, у своїх працях фон Лібіх не зміг показати роль та джерело азоту в живленні рослин, що робило мінеральну теорію не повною. А доповнив її французький хімік Жан Батіст Буссенго в 1830-40-х роках, провівши низку дослідів і зробивши висновки про те, що азот рослини отримують не з повітря (як передбачав Лібіх), а з ґрунту, причому також з мінеральних солей.


Розвиток зазначених теорій привів зрештою до сучасних уявлень про живлення рослин. У формі, найбільш значущій для агрономії, вони сформульовані в законі автотрофності зелених рослин, який поєднує теорію фотосинтезу з теорією мінерального живлення рослин. Відповідно до цього закону, зелені рослини шляхом використання енергії сонячного світла та поглинання з повітря вуглекислого газу, а з ґрунту – води й мінеральних речовин синтезують необхідні органічні речовини у кількості, що забезпечує розвиток та їх високу продуктивність. Тому одним з найважливіших принципів формування врожаю є інтенсивне нарощування рослинами оптимальної асиміляційної поверхні, здатної найбільш ефективно засвоювати сонячну енергію для синтезу органічних речовин та розвитку рослинного організму.


Закон автотрофності зелених рослин – один з семи законів (правил), які відомий український агрохімік Григорій Господаренко називає серед найпоширеніших в агрономічній практиці. Крім названого, важливими є також закони (правила): рівнозначності та незалежності факторів життя рослин; сукупності їх взаємопов'язаної дії; мінімуму, оптимуму та максимуму; повернення поживних речовин у ґрунт; плодозміни; підвищення родючості ґрунту. Вони забезпечують всебічний та обґрунтований підхід до застосування елементів технології з метою отримання найбільшої ефективності від них у підвищенні врожайності за збереження екологічної рівноваги природного колообігу речовин.


Спрямованість кожного чинника технології на поліпшення функціонування агроценозів є основою реалізації біопродуктивного потенціалу гібриду чи сорту. Водночас необхідно враховувати, що рівень їхнього врожаю залежить насамперед, і найбільшою мірою, від оптимізації тих показників, які знаходяться в мінімумі. Але ж і надлишок будь-якого фактора негативно впливає на продуктивність агроценозів. Отже, максимальний урожай можна отримати лише за оптимальної кількості та співвідношення всіх чинників життя рослин. При цьому, крім факторів космічних (світла й тепла), атмосферних (води, кисню, вуглекислого газу, азоту), ґрунтових (вологи, повітря, поживних елементів), рослинам необхідні макро-, мезо- та мікроелементи у вигляді добрив.   

 

Бочка Лібіха

Бочка Лібіха


У зв'язку з цим є сенс докладніше зупинитися на законі мінімуму Лібіха (законі обмежувального чинника). При всій своїй простоті та практичній привабливості він має ряд недоліків:


- рівень урожаю залежить не лише від поживного елемента, що надходить до рослини в мінімальній кількості, але й від будь-якого екологічного фактора, який знаходиться в мінімумі (це може бути зебезпеченість вологою, світлом і т. ін.);


- продуктивність рослин є не лише кількісною характеристикою (урожай зерна, плодів тощо, зібраний з одиниці площі), але і якісною (вміст білка в зерні, цукру в цукрових буряках і т. ін), при цьому якість врожаю залежить від рівня забезпеченості рослин поживними елементами, тому необхідно враховувати дві точки мінімуму: кількості та якості врожаю;


 - відповідно до правила нормованої потреби рослин у поживних елементах, точка мінімуму врожаю є нестабільною: в разі одного поєднання кількості поживних елементів точка мінімуму буде однією, в разі іншого – вищою або нижчою.


Враховуючи зазначені недоліки закону мінімуму, німецький агроном і ґрунтознавець, засновник агрофізики Мартін Евальд Вольни запропонував замість нього використовувати закон оптимуму, згідно з яким урожай буває найвищим за оптимального поєднання факторів.


Віктор Шелфорд

Віктор Шелфорд


Слід зазначити, що вплив на врожай обмежує не тільки нестача, а й надлишок будь-якого фактора. З урахуванням цього, американський вчений Віктор Шелфорд запропонував закон толерантності (закон екологічного оптимуму), який розширює та доповнює закон мінімуму. Поняття «толерантність» тут означає витривалість організму стосовно коливань будь-якого екологічного чинника. При цьому діапазон між екологічним мінімумом та максимумом фактора утворює межу толерантності – величину витривалості організму відносно дії цього фактора.


Закон толерантності

Закон толерантності


Правило залежності рівня врожаю від кількості того чи іншого поживного елемента стверджує, що зі збільшенням норми елемента врожай спочатку зростає, потім стабілізується, а за дуже високих норм зазвичай починає знижуватися. Причому різні елементи в таких випадках діють по-різному. Наприклад, у калію збільшена зона стабілізації, а в азоту слабо виражена зона інгібування. При внесенні мікродобрив спостерігається різкий перехід від зони зростання врожаю до зони його зниження навіть за незначного перевищення оптимальної норми внесення.


Важливим з практичної точки зору є також закон антагонізму іонів, що був сформульований у ХІХ столітті скандинавським вченим Оскаром Лоу. Згідно з ним, окремі хімічні елементи, які в надлишковій кількості знаходяться в ґрунті або у водному розчині, перешкоджають поглинанню рослинами інших елементів. Звідси випливає, що співвідношення елементів у ґрунті має бути оптимальним.


Мінеральне живлення рослин

Вивчення закономірностей мінерального живлення рослин спричинило появу науки агрохімії. Нині вона нерозривно пов'язана з агрономією. Правильне застосування цих закономірностей на практиці, в організації мінерального живлення рослин, необхідне кожному агроному для найбільш повного розкриття потенціалу сортів і гібридів культурних рослин та отримання високих урожаїв продукції належної якості.


Поділитись в соцмережах:

Текст повідомлення*
Защита от автоматических сообщений