История развития учения о минеральном питании

Представления о почвенном питании растений начали складываться в связи с развитием растениеводства. Уже в VI —V тысячелетии до новой эры зола, ил и навоз использовались как средства, повышающие плодородие почвы.

Первый физиологический эксперимент с целью изучения пи­тания растений был проведен голландским естествоиспытате­лем Я.Б. ван Гельмонтом в 1629 г. Он посадил в глиняный сосуд, содержащий 91 кг сухой почвы, ивовую ветвь массой 2,25 кг и регулярно поливал почву дождевой водой. Через 5 лет растение и почва были взвешены отдельно. Оказалось, что ива весила 77 кг (прибавка около 75 кг), а масса сухой по­чвы уменьшилась всего на 56,6 г. Таким образом, масса расте­ния увеличилась в 33 раза, не считая ежегодно опадавших листьев. Ван Гельмонт сделал вывод, что вся растительная масса была создана за счет воды, вносившейся в сосуд при по­ливе. Этот опыт послужил основой для «водной теории» пита­ния растений, которая довольно долго держалась в ботанике.

Значительно раньше Аристотелем (384 — 322 гг. до н. э.) бы­ло выдвинуто представление о том, что растения поглощают пищу из почвы в виде сложных веществ. Это представление в конце XVIII — начале XIX в. было развито немецким агроно­мом А. Тэером, который разработал «гумусовую теорию» пи­тания растений. Давно уже было известно, что чем темнее по­чва, тем она плодороднее. Темный цвет почвы зависит от содержания в ней гуму­са (перегноя). Согласно гумусовой теории, растения питаются водой и гумусом.

Однако постепенно накапливались данные о роли мине­ральных элементов в питании растений. Один из основополож­ников отечественной агрономии А. Т. Болотов наметил ос­новные принципы минерального питания растений. В 1770 г. вышла его книга «Об удобрении земель» — первая русская мо­нография по агрохимии. В ней он писал, что пища растений в почве «состоит в воде и некоторых особлевых земляных или паче минеральных частичках...». Болотов разработал приемы удобрений в почву и в одной из статей перечислил 53 вида удобрений, пригодных для применения в сельском хозяй­стве.

Швейцарский естествоиспытатель Н. Т. Соссюр установил, что почва снабжает растения азотом и мине­ральными элементами. В своем труде «Химические исследования растений» (1804) он обратил внимание на то, что различные соли поглощаются корнями из водного раствора с неодинаковой скоростью. Французский агрохимик Ж. Б. Буссенго (1837) показал, что растения можно выращивать и на чистом песке, если вносить в него минеральные соли (золу и селитру).

Немецкий химик Ю. Либих — один из основателей агрохи­мии, возражая.против гумусовой теории, в 1840 г. опубликовал книгу «Химия в приложении к земледелию и физиологии», где обосновал теорию минерального питания растений. По этой теории основой плодородия являются минеральные вещества почвы. Либих считал, что перегной нужен лишь для образова­ния СО₂, который ускоряет выветривание материнской горной породы и увеличивает культурный слой почвы. Он первым предложил вносить в качестве удобрений чистые минеральные вещества. Либих в то же время считал, что рас­тения поглощают азот из воздуха в виде аммиака. Позд­нее, в 1856 г., он вынужден был признать, что источником азота для минераль­ного питания растений могут быть нитраты. Неверным в тео­рии Либиха было также отрицание роли органических веществ почвы для развития растения.

Либих сформулировал «закон минимума», согласно которо­му внесение любого количества минеральных веществ не даст прироста урожая, пока не будет ликвидирован недостаток ве­ществ, содержащихся в минимальном количестве, а также «за­кон возврата», указывающий на необходимость возврата в по­чву питательных веществ, поглощенных растениями. Он утверждал, что несоблюдение принципа полного возврата дол­жно привести к истощению почвы и падению ее плодородия. Некоторые последователи Либиха вывели из этих положений «закон убывающего плодородия почв». Практика современного земледелия показала полную несостоя­тельность этого псевдозакона.

Окончательно опровергли «гумусовую теорию» опыты И. Кнопа и Ю. Сакса (1859), которые показали, что вполне воз­можно вырастить нормальное растение на воде до полного со­зревания при его обеспечении лишь семью элементами: азотом, фосфором, серой, калием, кальцием, магнием и железом. Эти опыты окончательно утвердили теорию минерального пи­тания и создали основу для использования вегетационного ме­тода, в том числе водных и песчаных культур. Питательный раствор, разработанный Кнопом, применяется до сих пор.

Буссенго, используя метод вегетационных сосудов, показал, что высшие растения, как правило, не могут связывать атмосферный азот. Этой способ­ностью обладают бобовые растения. Не­мецкий ботаник и микробиолог Г. Гельригель в 1880 г. пока­зал, что бобовые растения осуществляют азотфиксацию в симбиозе с клубеньковыми бактериями. Сами бактерии в клубеньках бобовых впервые были обнаружены русским бо­таником М. С. Ворониным в 1866 г.

Обширные исследования биологических процессов, происхо­дящих в почве, провел С. Н. Виноградский, который по праву считается основателем почвенной микробиологии.

Кроме бактерий, деятельность которых связана с трансфор­мацией форм азота, в почве имеются бактерии, разлагающие целлюлозу, перерабатывающие различные соединения серы и фосфора, силикатные бактерии, участвующие в освобождении калия из силикатов почв, и др. Некоторые микроорганизмы снабжают растения витаминами, аминокислотами, поэтому роль микроорганизмов почв значительно шире и сложнее, чем просто участие в обмене минеральных веществ.

Русские ученые П. А. Костычев и В. В. Докучаев разработа­ли основы научного почвоведения. Советский агрохимик К. К. Гедройц обосновал учение о почвенном поглощающем комплексе. Вещества, в том числе и минеральные, удерживают­ся в почве различными способами: механическим путем, физи­ческими взаимодействиями, химическим и биологическим связыванием веществ. Особое значение Гедройц придавал фи­зико-химической, или обменной, адсорбции почвы.

Все эти исследования привели к ясному пониманию того, что плодородие почв связано как со специфическими особенно­стями материнской горной породы (минеральный состав и структурное состояние почвы), так и с деятельностью по­чвенных микроорганизмов, которые минерализуют органиче­ские остатки.

2. Классификация минеральных элементов, необходимых для растений: макроэлементы, микроэлементы.

Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все элементы периодической системы. Для нормальной жизнедеятельности растительного организма необходима лишь опреде­ленная группа основных питательных элементов, функции ко­торых в растении не могут быть заменены другими химически­ми элементами. В эту группу входят следующие 19 элементов: C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B, Cl, (Na), (Si), (Co).

Среди этих основных питательных элементов лишь 16 являются собственно минеральными, так как С, Н и О посту­пают в растения преимущественно в виде СО₂, О₂ и Н₂О. Натрий поглощается в относительно высоких количествах не­которыми видами сем. маревых, в частности свеклой, а также видами, адаптированными к условиям засоле­ния, и в этом случае является необходимым. Кремний, который в особенно больших количествах встречается в соломине злаковых, для риса является необхо­димым элементом. С, Н, О, N называют органо­генами.

О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы, остающейся после сжигания органического вещества растений. Содержание мине­ральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы.

Исходя из коли­чественного содержания минеральных элементов в тканях растений их принято делить на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы — объединяет элементы, со­держание которых выражается величинами от десятков процентов до сотых долей процента (10¹ — 10^-2). Помимо органогенов (С, О, Н, N), в группу макроэлементов входят Si, К, Са, Mg, Na, Fe, P, S, Al.

В группу микроэлементов — объединяет элементы, со­держание которых колеблется составляет ниже тысячных долей процента 10^-3. К этой группе относятся Мn, В, Сu, Zn, Ba, Ti, Li, I, Br, Ni, Mo, Co и др.

Иногда элементы, содержание которых составляет миллионные доли (10^-6) процента и меньше, выделят в группу ультрамикроэлементов. Например, Cs, Se, Cd, Hg, Ag, Au, Ra.

Содержание и необходимость элементов

Содержание элементов.

Углерод в среднем составляет 45% сухой массы тка­ней, кислород — 42, водород — 6,5 и азот — 1,5, а все вме­сте — 95%. Оставшиеся 5% приходятся на зольные вещества: Р, S, К, Са, Mg, Fe, Al, Si, Na и др.

Качественный состав элементов и их процентное содержание в растении весьма сильно варьируют в зависимости от различных условий. Например, в различных условиях культуры содержание фосфора в тканях растения может колебаться от 0,14 до 2,5%, т. е. в отношении 1:62. Содержание бора колеблется от 10^-2 до 10^_3%, марганца — от 10^-2 до 10-⁴%.

В тканях различ­ных органов растения содержание золы также различно. Из всех органов растения наиболее богаты золой листья. Отно­сительно высокое содержание зольных элементов в коре деревьев, корнях. Несколько меньше количество золы в тканях стеблей и семенах.

Солома злаков очень богата кремнекислотой, на долю которой приходится свыше 40% всей золы. Эта особенность характерна только для злаков, посколь­ку в стеблях клевера, при том же общем содержании золы, на долю кремнекислоты приходится только 2—3%. По содержанию кальция, наоборот, зола клевера в 5—6 раз богаче, чем зола соломы злаков.

Клубни картофеля, корни свеклы и других корнеплодов богаты калием, на долю которого приходится обычно около половины всей золы.

Высокое содержание кальция в золе — признак не только ви­довой, но в известной степени и возрастной. Как правило, содержа­ние этого элемента увеличивается по мере старения тканей и, на­пример, в коре старого дуба на долю кальция приходится свыше 90% всей золы.