Предмет, методы и место агрохимии среди фундаментальных и прикладных наук

Агрохимия - наука об оптимизации питания растений, применения удобрений и плодородия почвы с учетом биоклиматического потенциала для получения высокого урожая и качества продукции. Понятие об агрохимии постоянно совершенствовалось в связи с расширением задач этой отрасли науки и формированием новых ее экологических функций.

Такое понятие об агрохимии отражает сложную диалектическую взаимосвязь между растением, почвой, климатом и агрохимическими средствами. Изучение этой взаимосвязи является главной задачей агрохимии.

Агрохимия - молодая наука, но в самостоятельную отрасль знания она выделилась раньше, чем физиология растений. Основные положения учения о корневом питании растений разработаны агрохимиками, которые еще в конце XIX столетия обратили внимание и на биологические процессы в почве: нитрификацию, фиксацию молекулярного азота из атмосферы бобовыми культурами с участием клубеньковых бактерий. Позднее эти процессы начали изучать микробиологи.

Самостоятельные дисциплины - агрохимия, почвоведение, физиология растений и микробиология - не могут заменить друг друга, но агрохимики, владея глубокими знаниями сложной диалектической взаимосвязи между почвой, погодно-климатическими условиями, растениями и агрохимическими средствами, могут направленно регулировать процессы взаимодействия факторов в агроэкосистеме, добиваясь максимального хозяйственно полезного результата.

Д.Н. Прянишников - основоположник отечественной агрохимической школы - считал, что задачей агрохимии является изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, которые могут повышать урожай или изменять его качество.

Удобрения создают оптимальный режим питания растений макро- и микроэлементами, направленно регулируют обмен органических и минеральных соединений, что позволяет реализовать потенциальную продуктивность растений по количеству и качеству урожая. Но и сами удобрения подвергаются воздействию растений: труднорастворимые их формы растения переводят в доступные соединения, а обладая избирательной поглотительной способностью по отношению к отдельным элементам, создают физиологическую кислотность или щелочность минеральных удобрений.

Агрохимические средства существенно влияют на химические и физические свойства почвы, а также на активность и направленность микробиологических процессов, но одновременно и сами изменяются под влиянием свойств почвы. Например, в кислых почвах фосфоритная мука разлагается и фосфор переходит в доступную для растений форму. То же происходит и с карбонатами известковых удобрений. На этом принципе основана химическая мелиорация (известкование) кислых почв, вызывающая нейтрализацию почвенного раствора. Обменные реакции в почве между катионами вносимых солей минеральных удобрений и почвенным поглощающим комплексом могут вызвать негативные или позитивные явления. Например, вытеснение алюминия из поглощающего комплекса калием при внесении КСl ведет к дополнительному подкислению почвенного раствора, а обменные реакции между кальцием вносимых удобрений и натрием поглощающего комплекса щелочных почв существенно улучшают их физико-химические свойства, повышают биологическую активность. На этом основана химическая мелиорация (гипсование) солонцовых почв.

Д.Н. Прянишников выразил взаимосвязь между тремя взаимодействующими факторами: почвой, растением и удобрением - простой схемой (рис. 1.1), отражающей сущность предмета агрохимии. Задача агрохимии состоит в том, чтобы применением удобрений создать оптимальные условия для питания растений. Такой же подход к оценке системы удобрений должен быть и в отношении почвы. Только удовлетворяя биологические требования растений, можно реализовать потенциальную продуктивность растений, заложенную в генотипе новых сортов.

Известный русский ученый К.К. Гедройц отмечал, что урожайность зависит от трех факторов: климата, почвы и самого возделываемого растения. Климат же трудно поддается изменениям, но смягчить его действие можно путем улучшения свойств почв, находящихся в данном регионе. Изменяя свойства почвы, человек может в определенной мере регулировать в желательном направлении эффект климатических условий на растения. Действие удобрений К.К. Гедройц также рассматривал опосредованно через изменение свойств почвы.


Рис. 1.1. Схема взаимоотношений между растениями, почвой и удобрениями

Прогресс в развитии теоретических положений формирования количества и качества продукции культурных растений вызвал необходимость введения биоклиматического потенциала в понятие агрохимии. Разработана теория получения программированных урожаев, которая на практике дает положительные результаты, созданы и совершенствуются статические модели плодородия почвы по комплексу оптимальных параметров агрохимических и агрофизических показателей ее свойств с учетом уровня урожая отдельных культур и продуктивности в целом специализированных севооборотов. Наконец, учеными-аграрниками и биологами разрабатываются модели продукционных процессов отдельных сельскохозяйственных культур, реализация которых в перспективе позволит получать максимально высокие урожаи.

Во всех случаях прежде всего необходимо выяснить биоклиматический потенциал данного района или области, после чего, используя агрохимические средства, создать оптимальные условия питания сельскохозяйственных культур. Географическая сеть опытов с удобрениями и многочисленные эксперименты в зональном аспекте по унифицированным схемам и методам позволяют в определенной степени учесть важнейший фактор - климат - в системе климат-почва-удобрения-растения. Тесную диалектическую взаимосвязь четырех факторов агрохимии можно представить схемой (рис. 1.2). Поэтому в определение «агрохимия» Государственным стандартом в 1983 г. был введен климат, и оно приобрело в те годы следующую формулировку: «Агрохимия - наука о взаимодействии удобрений, почвы, растений и климата, круговороте веществ в земледелии и рациональном применении удобрений» (Постановление Государственного комитета СССР по стандартам от 13 июля 1983 г. № 3110).


Рис. 1.2. Диалектическая взаимосвязь системы почва-климат-удобрения-растения

Недооценка климатических особенностей конкретного земледельческого района может привести к серьезным погрешностям в определении значения минеральных удобрений в создании урожая и объективной оценке их эффективности. Это необходимо иметь в виду еще и потому, что за последние годы даже длительные стационарные опыты с удобрениями и многофакторные эксперименты ряда научных учреждений нередко проводятся без учета основных показателей погоды в процессе вегетации растений, что не позволяет, во-первых, воспроизвести условия эксперимента, а во-вторых, дать научный анализ причин недополучения планируемого урожая и снижения окупаемости удобрений. Поэтому учет погодно-климатических условий - неотъемлемая часть полевого агрохимического опыта.

Анализ достижений агрохимии и смежных наук позволяет в обобщенном виде сформулировать следующие основные задачи агрохимии на современном этапе развития этой отрасли науки: изучение свойств и химического состава различных видов органических и минеральных удобрений и их влияния на:

  • круговорот и баланс питательных веществ в земледелии;
  • свойства почв и воспроизводство их плодородия;
  • питание растений и обмен в них органических и минеральных веществ в процессе вегетации;
  • биологическую активность почвы и ее биоразнообразие;
  • формирование количества и качества продукции;
  • агроэкологические функции агрохимии в системе почва-растение;
  • экономико-энергетические показатели эффективности использования агрохимических средств (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Объекты изучения агрохимии

Диалектическую взаимосвязь комплекса этих задач необходимо учитывать при разработке программы исследований, приемов или новых технологий с интенсивным применением удобрений в системе агрономических мероприятий. За последние годы возрастает значение экономической и экологической оценок эффективности применения удобрений, установлены и достаточно изучены экологические функции агрохимии. Поэтому главная задача состоит в том, чтобы получать высокие урожаи полноценной по качеству продукции на основе глубоких научных знаний, с наименьшими ресурсными затратами и улучшением природной среды.

Агрохимия изучает сложные процессы взаимосвязи факторов роста и развития растений в конкретных почвенно-климатических условиях. Вскрыв закономерности этих процессов, можно определить пути оптимизации питания растений с помощью макро- и микроудобрений, регулировать обмен веществ в растении в процессе вегетации в целях получения высокого урожая возделываемой культуры и улучшения качества продукции.

Питание растений - сложный процесс поступления отдельных биогенных элементов из воздуха (например, при ассимиляции углекислого газа листьями в процессе фотосинтеза) и поглощения основной массы доступных минеральных солей через корневую систему из раствора и твердой фазы почвы. Сложность регулирования и оптимизации процесса питания растений и обмена веществ заключается в том, что он находится в тесной взаимосвязи с погодно-климатическими условиями, которые мы не всегда можем регулировать (температурный режим воздуха и почвы, аэрация, водообеспечение, относительная влажность воздуха и др.). От этих же условий в значительной мере зависит и содержание в почве питательных веществ в доступной для поглощения растениями форме. Мобилизация или иммобилизация отдельных питательных элементов в почве в значительной мере также определяется активностью и направленностью химических, физико-химических и микробиологических процессов, а также биологическими свойствами самого растения, динамикой поглощения отдельных катионов и анионов в процессе вегетации.

На сложные процессы, определяющие рост и развитие растений, активное и сильное влияние оказывают минеральные и органические удобрения. Они изменяют концентрацию солей в почве, интенсивность и направленность химических, физико-химических и биологических процессов, реакцию и буферность почвы, ее поглотительную способность. Исследуя эти процессы в динамике и во взаимосвязи, агрохимия вскрывает сущность явлений, закономерности в обмене веществ и формировании урожая и использует их для направленного регулирования роста растений и реализации их потенциальной продуктивности. Самым сильным и быстродействующим средством агрохимии при направленном регулировании этих процессов, как и при ее вмешательстве в круговорот веществ в земледелии, является удобрение почв. Без него невозможно оптимизировать питание растений, регулировать величину и качество урожая, влиять на воспроизводство плодородия почвы.

Удобрение - это вещество для питания растений и повышения плодородия почвы.

Д.Н. Прянишников в своем определении понятия «удобрение» указывал, что оно может содержать пищу для растений, усиливать мобилизацию питательных веществ в почве, повышать энергию жизненных процессов в ней и изменять свойства самой почвы, т.е. оказывать многостороннее прямое и косвенное действие на почву и растения (рис. 1.4).


Рис. 1.4. Содержание понятия «удобрение» (по Д.Н. Прянишникову)

В соответствии с задачами агрохимии расширились и методы исследований (рис. 1.5). Среди них особое место занимают лабораторные: химические, физико-химические методы анализа растений, почв и удобрений. За последние годы достигнут прогресс в разработке высокопроизводительных и точных физико-химических и физических методов лабораторного анализа, а соответственно и современного лабораторного оборудования.


Рис. 1.5. Основные методы агрохимии

Широкое распространение получили и такие методы, как фотометрия, хроматография, спектроскопия, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, рентгенофлуоресцентный, нейтронно-активационный, масс-спектрометрия и др. Для более точных исследований обмена веществ в растении широко используются методы стабильных и радиоактивных изотопов. Высокопроизводительная современная аналитическая техника и ЭВМ широко используются в массовых поточных анализах, т.е. при агрохимическом обслуживании сельскохозяйственных предприятий. Это позволяет применять удобрения и другие химические средства на глубокой научной основе. Портативные агрохимические приборы индивидуального пользования позволяют специалисту непосредственно в поле быстро определить содержание какого-либо элемента в растении или почве, свойство почвы (кислотность или щелочность и др.) и оперативно внести коррективы в рекомендации по применению удобрений.

В последние годы стала широко применяется комплексная почвенно-растительная диагностика питания растений и применения удобрений, в которой сочетаются анализ почвы в лаборатории на точных современных приборах для установления оптимальных доз основного удобрения с последующей корректировкой доз удобрений в подкормке в процессе вегетации культуры после анализа растений в поле. Это позволяет оптимизировать питание растений (например, азотом) с помощью удобрений в процессе всей вегетации растений и получать планируемый урожай высококачественной продукции.

Вторая группа методов - физиолого-агрохимические, включающие вегетационные (эксперименты проводятся в специальных сосудах, размещаемых в вегетационных павильонах-домиках, теплицах) и лизиметрические методы (исследования проводятся в больших сосудах - 1×1×1; 1×1×2 м и т.д. - с изолированными по вертикали стенками в условиях, близких к естественным). В настоящее время последний метод широко используется в научно-исследовательских учреждениях мира, особенно при исследовании миграции, трансформации питательных элементов в почве, в балансовых экспериментах, изменения свойств почв в динамике, а также в физиолого-биохимических исследованиях методом изотопов особенностей обмена веществ в растениях и формирования качества продукции.

В практике часто вегетационный и лизиметрический методы применяются в сочетании и дополняют друг друга. К физиолого-агрохимическим методам относятся исследования в фитотронах, где контролируются и регулируются все показатели продукционного процесса растений: корневое питание, водообеспечение, интенсивность и качество света, температурный режим, фотосинтез, газовый обмен и др. Такие исследования проводятся с полной автоматизацией и регистрацией соответствующими приборами параметров роста и развития растений. Это наиболее точный метод физиолого-биохимических и агрохимических исследований, позволяющий вскрыть процесс обмена веществ по широкой программе исследований с участием всех факторов жизни растений, определить потенциальную продуктивность растений и пути ее реализации для конкретного генотипа, создать динамическую модель продукционного процесса. Поэтому фитотроны широко используются и в селекционно-генетических исследованиях. Для успешного проведения экспериментов в фитотронах, их эффективной эксплуатации требуется высокая квалификация ученых и специалистов многих отраслей знаний. Они применяются, как правило, в наиболее крупных научно-исследовательских учреждениях и высших учебных заведениях.

Третья группа методов агрохимических исследований - полевые опыты. Полевой опыт с удобрениями - это опыт, проводимый в полевых условиях для определения действия удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, его качество, а также на плодородие почвы.

Мелкоделяночные опыты проводятся для более глубоких, чаще поисковых, экспериментов. Они часто сочетаются с вегетационными и лизиметрическими опытами, но в условиях, идентичных или близких к естественным. В мелкоделяночных опытах часто используются меченые атомы, создаются и проверяются модели почв высокого плодородия, испытываются новые виды и формы удобрений, их сочетание с другими химическими средствами или микробиологическими исследованиями и т.д. Мелкоделяночные опыты с удобрениями проводятся в полевых условиях на делянках площадью не более 10 м2.

В краткосрочных полевых опытах действие удобрений на урожай и качество сельскохозяйственных культур изучается не менее трех лет в определенных почвенных условиях. Такие опыты носят в большей степени практический характер, чем мелкоделяночные. В Географической сети опытов в нашей стране для изучения эффективности новых форм и видов удобрений широко используются их сочетания с другими химическими средствами. Данные этих опытов широко используются для определения потребности в различных видах и формах минеральных удобрений в зональном аспекте или административном (район, область, республика), а также при определении перспективной потребности страны в различных видах и формах удобрений. Результаты этих опытов вводятся в банк данных, а затем с помощью ЭВМ по соответствующей программе выдается необходимая информация.

Мелкоделяночные и краткосрочные полевые опыты широко используются и для совершенствования методов комплексной почвенной и растительной диагностики оптимизации питания растений и применения удобрений.

Научными учреждениями страны проводится широкая сеть стационарных и длительных опытов с удобрениями. Стационарный опыт с удобрениями - это полевой опыт с систематическим внесением удобрений, проводимый на одном участке, в севообороте, в звене севооборота или при бессменной культуре.

Длительный полевой опыт с удобрениями - это стационарный опыт, проводимый более одной ротации севооборота. Длительные стационарные опыты дают ценную информацию по оценке сравнительной эффективности различных систем удобрений в севооборотах, т. е. органических, минеральных, их сочетаний; уровня насыщенности севооборотов удобрениями; оптимального распределения органических и минеральных удобрений по культурам севооборота, а также форм удобрений. Эти опыты являются основной базой для разработки статических моделей плодородия почв, исследования закономерностей изменения плодородия почв и качества продукции при длительном применении удобрений, проведения балансовых исследований, миграции питательных элементов по профилю почвы и накопления балластных токсических элементов (в том числе тяжелых металлов в почве при длительном применении удобрений и других агрохимических средств, т.е. для решения ряда экологических проблем агрохимии) и т.д. Опыты проводятся в условиях, близких к производственным. Хорошо выдержанные в методическом отношении длительные стационарные опыты с удобрениями или многофакторные представляют большую ценность для развития науки, использования информации для определения перспектив применения удобрений в стране.

Производственные опыты с удобрениями проводятся в производственных условиях для проверки рекомендаций и экономической оценки действия удобрений на урожай и его качество. Схемы их, как правило, краткие и предназначены для испытания и доработки научных рекомендаций в условиях производства, в конкретных почвенно-климатических условиях. Результаты производственных опытов играют большую роль при внедрении и обосновании эффективности одного или комплекса приемов химизации земледелия при подготовке практических рекомендаций.

Правильное научное обоснование мероприятий по химизации земледелия требует как глубокого теоретического изучения вопросов питания растений, химии почв и удобрений, так и практического опыта и организации широкой проверки научных достижений в производстве. Правильная система применения удобрений в хозяйстве строится на основе сочетания минеральных и органических удобрений, что позволяет улучшать круговорот веществ в земледелии. Ведь значительная часть питательных элементов минеральных удобрений уже в первый год их использования поступает в солому, зерно, сено, корнеклубнеплоды, силос и другие сельскохозяйственные продукты, которые впоследствии идут на корм скоту и попадают в навоз. Поэтому применение навоза представляет собой повторное использование части питательных веществ минеральных удобрений, ранее поступивших от химической промышленности. Сколько бы ни производилось минеральных удобрений, сколько бы их ни применялось в сельском хозяйстве, навоз всегда будет главнейшим элементом системы удобрения.

Для не насыщенных основаниями и засоленных почв наибольшая эффективность отмечается при сочетании минеральных и органических удобрений на фоне химической мелиорации почв, т.е. известкования кислых и гипсования солонцовых почв. Отдача от минеральных удобрений на почвах с предварительным известко ванием и гипсованием значительно возрастает, что объясняется прежде всего существенным улучшением химических, физических и биологических их свойств. Повышается содержание подвижных форм питательных веществ в почве, создаются благоприятные условия для процессов гумификации, улучшаются поглотительная способность и буферность почв, в целом условия питания, роста и развития растений, которые становятся более устойчивыми к неблагоприятным условиям и формируют больший урожай и лучшего качества продукцию.

Все агрохимические средства (минеральные, органические, известковые, гипсосодержащие удобрения и др.) составляют основу химизации земледелия. Задача агрохимика-почвоведа состоит в том, чтобы глубоко изучить комплексное воздействие агрохимических средств на почву, растение и природную среду, с тем чтобы создать оптимальные условия для роста культурных растений и реализации потенциальной продуктивности с учетом воспроизводства плодородия почвы и улучшения экологической ситуации в земледелии.

Поделиться:

Дополнительные материалы по теме: