История развития учения о корневом питании растений.

Историю развития представлений о минеральном питании растений можно подразделить на два периода.

Первый период охватывает конец 18 и первую половину 19 столетия. Этот период характеризуется накоплением данных по вопросам питания растений, применением удобрений и первыми попытками их обобщения.

Второй период охватывает вторую половину 19 и начало 20 века. Для этого периода характерно развитие опытов в лабораториях, на опытных станциях и в производственных условиях. Работами этого периода показана необходимость глубокого изучения питания растений, химических и биологических процессов в почве, являющихся основой для применения удобрений.

В 1804 г. получили известность исследования по ассимиляции углерода и дыханию растений. Французский ученый Соссюр провел детальный анализ золы растений и на основании этих данных пришел к выводу, что минеральные вещества не случайно проникают с растение. Например, фосфорнокислая известь была найдена им в золе всех растений.

В 1800 г. Шрадер нашел в проростках в 4 раза больше золы, чем в семенах (причина - нечистота условий опыта), и пришел к выводу, что растения сами производят свои зольные вещества посредством жизненной силы и не нуждаются в доставлении их извне. Для проверки этого утверждения Соссюр выращивал растения на дистиллированной воде и нашел в них минеральных веществ столько же, сколько их было в семенах. Таким образом, Соссюром были экспериментально опровергнуты виталистические представления Шрадера о питании растений. На основании своих опытов Соссюр пришел к выводу, что главным источником углерода для растений является атмосфера, а почва - источником зольных веществ.

Либих впоследствии использовал анализы и выводы Соссюра в качестве доводов в пользу теории минерального питания растений. В конце 18 и в начале 19 столетия в Западной Европе была широко распространена так называемая гумусовая теория питания растений. Один из наиболее видных сторонников этой теории немецкий ученый Тэер говорил о гумусе следующим образом. Плодородие почвы зависит собственно целиком от гумуса, так как, кроме воды, он представляет единственное вещество почвы, могущее служить пищей растений. В то время считалось, что чем больше питательных веществ содержит растение, тем больше оно поглощает и гумуса. Сторонниками гумусовой теории минеральным веществам отводилась косвенная роль: они лишь ускоряют, по их представлениям, процессы разложения органических веществ в почве и переводят гумус в удобоусвояемую для растений форму. Тэер и другие сторонники гумусовой теории считали важным условием для поддержания плодородия почвы накопление и сбережение в ней гумуса. Необходимость севооборота обосновывалась стремление уравновесить расход органического вещества с его приходом в почву. В гумусовой теории сочетались верные наблюдения агрономов-практиков о большом значении гумуса для плодородия почвы с неверными метафизическими представлениями о том, что гумус является единственным веществом почвы, могущим служить пищей для растений. Ряд ученых того времени выступали против гумусовой теории. К ним относятся прежде всего Буссенго, Шпренгель и Либих. Буссенго (Франция) известен своими работами (опубликованными в 1836-1841гг.) по физиологии, биохимии и агрохимии.

Буссенго установил, что источником углерода для растений служит углекислота воздуха. Им было показано также влияние внешних условий на ассимиляцию углерода листьями. Изучение особенностей питания животных и растений сыграл большую роль в дальнейшем развитии исследований по азотному питанию растений. Опыты с растениями в искусственных условиях привели Буссенго к разработке вегетационного метода для изучения питания растений.

Отвергнув гумусовую теорию питания растений, Буссенго развил так называемую азотную теорию. В своем имении он устроил опытную станцию с хорошо оборудованной лабораторией, где занимался исследованиями с 1836 г. В нескольких севооборотах опытного поля он провел учет урожаев и определил содержание углерода, азота и золы в урожаях. Это позволило Буссенго произвести учет круговорота веществ в хозяйстве. Он обнаружил, что накопление углерода в урожаях не связано с его количеством в навозе. Особенно ценным было установление того факта, что количество азота в урожаях за целый севооборот превосходит то его количество, которое дается растениями с навозом. Излишек азота в урожае был тем выше, чем большее было участие в севообороте бобовых растений - клевера и люцерны. Таким образом, в полевых условиях было установлено, что бобовые культуры обогащают почву азотом, доступным другим растениям, что и сказывается на повышении их урожая, например, урожай пшеницы после клевера выше урожая пшеницы после картофеля и корнеплодов. Буссенго высказал мнение, что азот, который накапливают бобовые, происходит из воздуха. Позднее он пытался вопроизвести фиксацию азота бобовыми в вегетационных опытах с предварительной стерилизацией песка и сосудов. Обнаружилось, что чем более чистые условия создавал он в опытах, тем менее ясные получались результаты. В то время такое явление было неясно. Теперь известно, что при стерилизации среды отсутствовал симбиоз бобовых с клубеньковыми бактериями, поэтому фиксации азота воздуха не происходило. Работы Буссенго привели к установлению важного значения азотных удобрений в повышении урожаев. Своими исследованиями Буссенго решил ряд важных вопросов физиологии растений, биохимии и агрохимии.

Немецкий ученый Шпренгель, опубликовавший свои взгляды на питание растений в 1837-1839 гг., был одним из ближайших предшественников Либиха. Шпренгель, писал, что растения – из неорганических веществ, получаемых ими из почвы и воздуха, образуют тела органические с помощью света, тепла, электричества и влаги. Объяснение падения урожаев при непрерывной культуре он видел в том, что минеральные вещества необходимы для жизни растений и потому должны возмещаться в почве. При этом Шпренгель не отрицал одновременного использования растениями, кроме главного источника углерода, углекислоты воздуха, также и перегноя почвы корнями. Недостаток фактических данных не позволил ему более четко поставить вопрос о значении гумуса в питании растений, однако развитые Шпренгелем представления и питании растений имеют серьезное значение в развитии агрохимии.

В 1840 г. Либих издал книгу: "Химия в приложении к земледелию и физиологии растений". Предшественники Либиха касались вопроса о значении минеральных веществ для растений большей частью слегка, как бы мимоходом, но Либих сделал разработку его во всех подробностях, с естественноисторической и философской точки зрения, как бы своей специальностью. Либих прежде всего опроверг перегнойную теорию и затем самым наглядным образом доказал важность минеральной теории. По этой теории источником питания растений служат минеральные вещества. Он считал что перегной нужен лишь для образования углекислого газа, который ускоряет выветривание материнской горной породы и увеличивает культурный слой почвы. Либих первым предложил вносить в качестве удобрений минеральные вещества. Неверным в теории Либиха было отрицание роли гумуса в питании растений. Как известно сейчас гумус необходим не столько для самого растения, сколько для микрофлоры почвы, играющей важную роль в питании растений.

Либих вывел закон минимума, согласно которому внесение любого количества минеральных веществ не даст результата пока не будет ликвидирован недостаток веществ, содержащихся в минимальном количестве.

Так же Либих вывел закон возврата, указывающий на необходимость возврата в почву веществ, взятых оттуда растениями.

Вклад русских ученых.

Болотов А.Т. в течение ряда десятилетий занимался вопросами сельского хозяйства и сыграл большую роль в развитии русской агрономии. Большое внимание им уделено удобрению почв. Им опубликовано более 20 статей по вопросам использования удобрений. Хранить навоз он рекомендовал не под животными, а в специальных навозохранилищах в уплотненных кучах. В статье «О навозных солях» А.Т.Болотов пишет об образовании из органических удобрений доступных растениям питательных веществ.

В своей капитальной работе «О разделении полей» (1771) и других трудах Болотов впервые в России печатно предложил широко вводить севооборот, определять приёмы возделывания культурных растений, исходя из местных природных условий (прежде всего, погоды и почвы), выступал за своевременность и пропорциональность внесения удобрений даже на чернозёмах. Его интересовало всё: от борьбы с сорняками на пшеничных полях до получения крахмала из картофеля с помощью машин. Он составил первое русское ботаническое описание сорных, лекарственных и культурных растений.

М.Г.Павлов, являвшийся профессором Московского университета, читал лекции по физике, технологии, лесоводству, сельскому хозяйству и руководил земледельческой школой. Он впервые в России увязал химию с агрономией. В 1825 г. М.Г.Павловым издан труд Земледельческая химия. Удобрить почву, по М.Г.Павлову, значит сделать ее более плодоносной. Землеудобрение может быть осуществлено с целью улучшения физических свойств или устранения кислот, или ускорения разрушения органических веществ почвы, или повышения плодородия. Целью последнего, по Павлову, является умножение в почве питательных веществ или по крайней мере возвращение того, что похищается из земли возрастающими на ней растениями с помощью органических удобрений.

А.П.Пошман в своей книге Наставление о приготовлении сухих и влажных туков, служащих к удобрению пашен (1809) высказал соображение о том, что в удобрении действующим началом являются щелочно-соляные вещества, содержащиеся в навозе и в золе, иначе говоря, минеральные вещества, которые и служат пищей для растений. Таким образом, за много лет до опубликования Ю.Либихом теории минерального питания Болотов и Пошман писали о значении минеральных солей в питании растений.

Работы этих ученых относятся к первому, начальному периоду в развитии агрохимии, когда главным образом накапливались сведения о питании растений и удобрении и делались попытки обобщения накопленного опыта. Обобщение сведений о питании и удобрении, привело Комова в конце 18-го века к выводу о важной роли гумуса в питании растений, а в начале 19-го века, обобщая данные по удобрениям, Пошман пришел к заключению, что в удобрениях действующим началом является минеральная часть.

Первые печатные работы Прянишникова появляются к 1889 г. Это были сообщения об опытах с минеральными удобрениями под сахарную свеклу во время производственной практики при Боринском сахарном заводе (Липецкая область), а также статьи об условиях хозяйствования на Черноморском побережье и о факторах урожайности в степной зоне, содержавшие результаты наблюдений Дмитрия Николаевича во время его поездок на лечение легких в Сухуми и Самарскую губернию.

Весной 1892 г. Петровская академия командирует его на два года за границу для ознакомления с работами виднейших агрохимиков. Экспериментальную работу он вел в лабораториях А.Коха (Геттинген), Ж.Дюкло (Пастеровский институт в Париже) и Э. Шульце (Цюрих). У Шульце Дмитрий Николаевич начал исследования в области превращения белковых веществ в растениях, сделавшие его имя известным.

В то время аспарагин считался первичным продуктом распада белка. Известный немецкий физиолог растений В.Пфеффер считал аспарагин транспортной формой азотсодержащих веществ в растениях. Прянишников выдвинул новую гипотезу, согласно которой аспарагин в организме синтезируется из аммиака, образующегося при распаде белка. Синтез аспарагина в растениях – это способ связывания и обезвреживания аммиака, утверждал Прянишников, т.к. его накопление в растительных тканях приводит к отравлению. Многие годы Прянишников продолжал разрабатывать свою теорию, проводя новые опыты, выступая с докладами, публикуя теоретические обобщения в отечественных и зарубежных изданиях.

Эта теория, имевшая в то время принципиальное значение, сначала была встречена в штыки, особенно Пфеффером, который считал ее ошибочной. Поддержал Прянишникова только К.А. Тимирязев. Лишь много лет спустя, к 1920 г., правоту ученого признали другие видные биохимики и физиологи растений, среди которых был и Руланд, преемник Пфеффера.

Прянишников всегда старался использовать полученные ранее результаты в практике земледелия. В науке тогда безраздельно господствовало мнение, что культурные растения могут питаться только нитратным азотом. Этому способствовали три обстоятельства: широкое применение чилийской селитры (нитрата натрия) давало хорошие результаты, результаты опытов свидетельствовали, что нитратный азот усваивается лучше, чем аммонийный, и, наконец, в почве были открыты нитрифицирующие бактерии, превращающие аммиак в нитраты. Прянишников же считал, что «если растение может обезвреживать и использовать аммиак, высвобождающийся при конечном распаде белка в организме, то не логично ли допустить, что и аммиак, поступивший в растение из внешней среды, оно также в состоянии сперва перевести в безвредный аспарагин, а затем пустить в новый синтез аминокислот и белка».

Для доказательства своей правоты Прянишников провел опыты с молодыми растениями, в которых источником азота служил нитрат аммония (аммиачная селитра). Он обнаружил, что довольно быстро становилось заметным подкисление раствора, окружавшего корни. Поскольку химически нейтральная соль нитрата аммония при растворении в воде легко диссоциирует на ионы NH₄⁺ и NO₃^–, в растворе могут находиться только аммиак и азотная кислота:

NH₄NO₃ + H₂O NH₄OH + HNO₃ NH₃ + H₂O + HNO₃,

подкисление раствора могло быть вызвано только тем, что растение поглощает аммиак быстрее, чем азотную кислоту, которая накапливается. Это доказывает, что растения поглощают больше азота в форме аммиака, а не нитратов.

Ученый установил, что в процессах синтеза органических азотсодержащих соединений растения непосредственно могут использовать только аммиак. Поступающий в растения азот, прежде чем вступать в реакции биосинтеза, превращается в аммиак. На это требуется много энергии, поэтому аммиачный азот – более экономичный источник азота, чем нитратный.

Отсюда следует и знаменитое положение Прянишникова: аммиак является альфой и омегой превращения азотистых веществ в растениях. С аммиака начинается синтез сложных органических соединений, содержащих азот, и аммиаком же заканчивается распад этих соединений в растительном организме.

Ученый установил, что нитратные формы азотных удобрений дают лучший эффект на кислых почвах, а аммиачные – на нейтральных. Дмитрий Николаевич называл азотнокислый аммоний удобрением будущего, имея в виду высокое содержание азота в этой соли (почти 35%) и наличие в ней одновременно двух форм азота – восстановленной (NH₄⁺) и окисленной (NO₃^–). Это дает растениям возможность выбора той формы, которая им наиболее подходит.

Предвидение ученого сбылось еще при жизни. В период первой мировой войны был изобретен промышленный способ получения синтетического азотнокислого аммония из азота атмосферы. В настоящее время аммиачная селитра является главным азотным удобрением.

Плодородие почвы.

Плодородие почвы, способность почвы обеспечивать растения усвояемыми питательными веществами, влагой и др. и давать урожай.

Различают потенциальное (естественное) и эффективное плодородие.

Потенциальное плодородие определяется общим запасом в почве питательных веществ, влаги, а также другими условиями жизни растений.

Эффективное (или актуальное, экономическое) плодородие — возможность использования элементов плодородия растениями в данном году; зависит прежде всего от проведения всего комплекса агротехнических мероприятий. При большом потенциальном плодородии почвы эффективное может быть небольшим, и наоборот, при соответствующем уровне агротехники можно обеспечить высокое эффективное плодородие малоплодородных почв. Эффективное плодородие — очень динамичное свойство почвы, способное быстро изменяться под влиянием природных условий и агротехнических приёмов.

Важнейшие факторы плодородия:

· содержание необходимых для растений питательных веществ и их формы;

· наличие доступной для растений влаги, уровень устойчивости влажности;

· хорошая аэрация почвы как важное условие развития корневых систем, а также жизнедеятельности микроорганизмов, обеспечивающих разложение органических и накопление питательных веществ в форме, усвояемой для высших растений;

· механических состав, структурное состояние и строение; содержание токсических веществ; реакция и др.

Сумма этих свойств определяет уровень культурного состояния почвы.

Все элементы плодородия взаимосвязаны, оно зависит от факторов почвообразования: климата, почвообразующих пород, естественной и культурной растительности, рельефа, но особенно большое значение для уровня плодородия имеет характер использования почвы. Главным приём регулирования запасов питательных веществ в почве, в особенности в доступных растениям подвижных формах, — внесение минеральных и органических удобрений. Существенное значение имеют введение в севообороты бобовых культур и улучшение условий для жизнедеятельности азотобактера и других организмов, усваивающих азот из атмосферы. Устранение повышенной кислотности достигается известкованием почв, а повышенной щёлочности (солонцы) — гипсованием почв.

Важное условие плодородия — отсутствие в почве избыточного количества легкорастворимых солей, главным образом хлоридов и сульфатов натрия и отчасти магния, кальция и др. катионов. Для устранения избытка солей применяют промывание почвы, а для предупреждения накопления солей — правильный поливной режим, дренаж и др. Плодородие сильно снижается при наличии в ней вредных химических соединений (закисных соединений железа, подвижных соединений алюминия), накапливающихся обычно в условиях застойного переувлажнения. Регулирование запасов влаги в почве достигается с помощью агротехнических и гидротехнических мероприятий (зяблевая вспашка, снегозадержание, ранневесеннее боронование, междурядная обработка посевов, орошение, осушение и др.). Наиболее высоким эффективным плодородием характеризуются почвы, которые наряду с достаточным количеством влаги имеют хорошую аэрацию. Низкое плодородие почвы нередко зависит от наличия патогенных организмов. Устранение их химическими (стерилизация, внесение фунгицидов, нематоцидов и др.) и агротехническими средствами (севооборот, обработка) резко повышает эффективное плодородие. При правильном использовании почв их плодородие не только не снижается, но постоянно.

Содержание элементов в растении.

Все элементы подразделяют на три группы, иногда выделяют четыре.

К первой группе относятся элементы – орагногены. Эти элементы составляют основу клетки:

C – 45% от сухой массы тканей.

O – 42%

H – 6,5%

N – 1,5%

иногда к этим элементам причисляют еще и P.

Ко второй группе относятся макроэлементы или зольные вещества.

K, Ca, Mg, S, Р.

На них приходится около 5% сухой массы ткани.

К третьей группе относятся микроэлементы.

B, Mo, Co, Zn, Mn, Cu.

Эти элементы содержатся в растении в количестве порядка 10^-5% и играют весьма важную роль в обмене веществ.

В процессе жизнедеятельности некоторые элементы могут использоваться повторно, оттекая из более старых органов в более молодые. Такой процесс называется реутилизацией, а элементы – реутилизируемыми.

К реутилизируемым элементам относятся: N, P, K, Mg. Остальные микро и макроэлементы – не имеют этого свойства.

Date: 2016-07-05; view: 3622; Нарушение авторских прав