Развитие экспериментальной агрохимии зарубежными и русскими учеными

В истории развития экспериментальной агрохимии можно условно выделить два периода: первый – определение источников питания растений, их химического состава, роли отдельных элементов питания в жизни растений. Исследования, проводимые в этот период, выполнялись в основном в искусственных условиях – различных сосудах, глиняных горшках и т.п., т.е. исследования типа вегетационных опытов*. Этот период длился примерно около 200 лет с 1629 по 1834 годы. Только после того как была установлена роль отдельных питательных элементов в жизни растений, была сформулирована теория минерального питания растений, стало возможным приступить к практической реализации получения знаний в природной полевой обстановке, т.е. проведению полевых опытов по изучению влиянию удобрений и мелиорантов, содержащих соответствующие питательные вещества, на продуктивность растений.

Первый известный нам вегетационный опыт был заложен в Брюсселе в 1629 году голландцем Йоханнесом Баптистом Ван Гельмонтом.

Ученый решил узнать, благодаря чему растет растение. С человеком и животными все ясно: поедая пищу, они получают вещества, благодаря которым увеличиваются в размерах. Но за счет чего крошечное семя, превращается в огромное дерево? Чтобы ответить на этот вопрос, Ван Гельмонт проделал следующее: взял кадку, в которую насыпал 90,7 килограмма высушенной в печи почвы, смочил ее дождевой водой и посадил ивовый побег массой 2,25 килограмма.Каждый день в течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой. Оказалось, что масса почвы уменьшилась всего на 57 граммов, а вот масса ивы возросла почти на 76,7 килограммов. * Эти исследования можно так же отнести к физиологии питания растений, т.к. четкую границу между и физиологией питания растений и агрохимическими исследованиями питания растений провести трудно.Результат эксперимента исследователь объяснил исключительно поглощением растениями воды. Так возникла водная теория питания растений.

Ошибочность выводов Ван Гельмонта была доказана уже в 1699 году Джоном Вудвортом – профессором медицины в лондонском Грасхэм-колледже (Англия), который провел опыт с мятой, выращивая ее в водной культуре (растения с уже сформировавшейся корневой системой помещали в сосуды с водой). Было использовано три варианта: дождевая вода, речная вода и речная вода с примесью почвы. Спустя 77 дней прирост мяты на дождевой воде составил – 17 граммов, на речной воде – 139 граммов и на речной воде с примесью почвы – 284 граммов. Таким образом Вудворт опроверг взгляд Ван Гельмонота, и пришел к выводу, что для развития растения одной воды недостаточно, и что в почве содержится нечто, способствующее росту растений: «растения образуются не из воды, а из какого-то почвенного материала». Об этом явно свидетельствовал наибольший прирост зеленой массы в третьем сосуде (с наибольшим количеством примесей).

В конце ХVIII и в начале ХIХ столетия в Западной Европе была широко распространена так называемая гумусовая теория питания растений.

В 1761 году шведским химиком Иганном Валериусом (Валериус, Иоганн Готшальк– автор первой книги по основам земледельческой химии) была высказана мысль о питании растений гумусом.

Гумусовая теория питания растений господствовала до середины XIX в. Один из наиболее видных сторонников этой теории немецкий ученый Альбрехт Даниель 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 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: Жан Батист Буссенго, Карл Филипп Шпренгель и Юстус Либих.

В 1840 году Юстус Фрайхер фон Либих выдвинул свою теорию минерального питания (в книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии»), суть которой в том, что растения могут усваивать только простые минеральные вещества в виде их водных растворов.

Свои выводы Либих сформулировал преимущественно дедуктивным путем, обобщив данные анализов химического состава растений и данные о круговороте веществ в земледелии. Необходимо было проведение точных экспериментов, которые опровергли бы или подтвердили основные положения теории минерального питания.

Одним из таких подтверждений теории минерального питания были опыты с выращиванием растений на бесплодных средах (воде или песке) при введении необходимых питательных веществ в виде минеральных солей.

В 1858 году немецкие биологи – Джоан Август Людвиг Вильгельм Кноп и Юлиус фон Сакс сумели довести растения при выращивании на искусственных питательных средах с использованием минеральных солей до полного созревания. Одновременно была доказана потребность растений в азоте, фосфоре, калии, кальции, магнии, сере, а в последующем – в отдельных микроэлементах, показана незаменимость каждого из элементов минерального питания для растений.

В России в практику научных исследований вегетационный метод первым внедрил К.А. Тимирязев.

В 1872 году в Петровской (Московской) сельскохозяйственной академии по его инициативе впервые в стране был построен вегетационный домик. При строительстве которого за основу был взят проект вегетационного домика построенного в 1869 году в Германии немецким ученым Ф. Ноббе. Успешно проведенные К.А. Тимирязевым в этом домике физиологические опыты легли в основу его знаменитой книги ученого «Солнце, жизнь и хлорофил».

Второй вегетационный домик был построен под руководством К.А. Тимирязева в 1896 году на Всероссийской промышленной выставке в Нижнем Новгороде. Здесь К.А. Тимирязев демонстрировал посетителям выставки водные культуры растений для разъяснения источников их питания. Впоследствии Климент Аркадьевич писал «ничто не может сравниться с впечатлением, которое выносят люди, незнакомые с наукой, при виде мощных экземпляров ржи или овса, никогда не имевших под собой земли, выращенных в воде со щепоткой удобрительных солей». После выставки вегетационный домик К.А. Тимирязев передал академии, кафедре агрохимии, где он служит до сих пор.

Ученик К.А.Тимирязева Петр Самсонович Коссович провел много работ по развитию и усовершенствованию методики вегетационного опыта и методов химического анализа почв и удобрений. В 1890 году эти работы стали основой первого в России пособия по методике вегетационного опыта.

Параллельно с развитием теории минерального питания в сельском хозяйстве начинается применение минеральных удобрений.

В 1834 году Жан Батист Буссенго начал проводить опыты на полях своей фермы в Бехельбронне в Эльзасе. Это были первые полевые опыты в истории человечества (до сих пор опыты проводили в лаборатории или в сосудах). Французский химик, в будущем автор классических исследований о питании растений, в опыте использовал количественные методы. Экспериментатор взвешивал и анализировал применяемые удобрения, анализировал химический состав используемых в опыте культур, а в конце севооборота подводил баланс использования опытными культурами углерода, азота и других элементов.

Систематические полевые опыты были начаты Джоном Беннетом Лоозом и Жозефом Генри Гильбертом в 1843 году на Ротамстедской опытной станции (Англия). Опыты, заложенные Д. Лоозом, Ж. Гильбертом в 1852 году продолжаются до сих пор на одной и той же почве безо всяких изменений за исключением некоторых второстепенных деталей.

Французский физиолог Жорж Вилль в 1874 году начал изучать действие минеральных удобрений на опытной станции в Венсенне. В опыте с пшеницей он получил следующие результаты.

Эта схема пример последовательного исключения из схемы опыта отдельных факторов позволяющая дать точную оценку их эффективности.

Бушель -27,2 кг; акр – 04047 га.	Урожай в бушелях на акр
Нормальное (полное удобрение)	43,0
Удобрение без извести	41,0
Удобрение без калия	31,0
Удобрение без фосфора	26,5
Удобрение без азота	14,0
Неудобренная почва	12,0

Первые полевые опыты с удобрениями в России связаны с именем Дмитрия Ивановича Менделеева. В 1867 году по его инициативе такие опыты были начаты сразу в четырех губерниях (Московской, Петербургской, Смоленской и Симбирской). Они проводились по единой программе, сопровождались анализами почв, урожая и удобрений. Большой заслугой Дмитрия Ивановича было не только то, что он привлек внимание широких кругов научных и агрономических работников России к вопросам применения удобрений, но и указал на необходимость разработки и применения точной методики для изучения этих вопросов; в частности указывал на значение повторностей в полевом опыте, необходимость применения математической обработки результатов опыта.

Хорошо известны и полевые опыты, проводившиеся профессором Петербургского земледельческого института Александром Николаевичем Энгельгардтом. В 1871 году за участие в движении народников Энгельгардт был выслан в свое имение в Батищево Смоленской области. Здесь он проводил полевые опыты с фосфоритной мукой и другими удобрениями. Результаты этих исследований вошли в известную книгу «Химические основы земледелии». После смерти А.Н. Энгельгардта в 1893 году имение Батищево было преобразовано в Энгельгардтовскую опытную станцию (в настоящее время это Смоленская областная опытная станция им. Энгельгардта).

В 1912 году на опытном поле Тимирязевской академии, по инициативе Д.Н. Прянишникова, был заложен стационарный, полевой, многофакторный опыт, в котором эффективность одиннадцати вариантов удобрений изучается как в шестипольном севообороте, так и в бессменных посевах (монокультуре). Опыт продолжается до настоящего времени.