Предмет и методы агрохимии
Агрохимия, или агрономическая химия, — наука о взаимодействии растений, почвы и удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур, о круговороте химических веществ в земледелии и использовании удобрений с целью увеличения урожая, улучшения его качества и повышения плодородия почвы с учётом биоклиматического потенциала.
В процессе развития агрохимии значение понятия постоянно совершенствовалось в силу задач и формирования новых её функций, что отражает сложную взаимосвязь растений, почвы, климата и агрохимических средств. Главная задача агрохимии заключается в изучении этой взаимосвязи.
Цель агрохимии — создание оптимальных условий питания растений с учётом свойств видов и форм удобрений, особенностей их взаимодействия с почвой, определение эффективных форм, способов, сроков использования удобрений.
Предмет агрохимии
Д. Н. Прянишников называл задачей агрохимии изучение круговорота веществ в земледелии и выявление способов воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, оказывающие влияние на урожай и его качество.
Удобрения создают оптимальный питательный режим, направленно регулируют обмен органических и минеральных соединений, позволяя тем самым реализовать потенциальную продуктивность растений. В свою очередь, удобрения подвергаются воздействию растений, например, труднорастворимые формы растения могут переводить в доступные, а избирательная поглотительная способность по отношению к отдельным элементам, создают физиологическую кислотность или щёлочность минеральных удобрений.
Агрохимические средства влияют на химические и физические свойства почвы, на активность и направленность микробиологических процессов, одновременно сами изменяются под влиянием свойств почвы. Обменные реакции, протекающие в почве между катионами солей минеральных удобрений и почвенным поглощающим комплексом могут приводить к негативным или позитивным результатам.
Схема взаимоотношений между растениями, почвой и удобрениями, как сущность предмета агрохимии (по Д. Н. Прянишникову).
Д. Н. Прянишников показал взаимосвязь между тремя взаимодействующими факторами: почвой, растением и удобрением в простой схеме, отражающей сущность агрохимии. Задача агрохимии состоит в создании оптимальных условий с помощью удобрений для питания растений. Такой же подход должен быть и в отношении почвы. Удовлетворяя биологические требования растений, возможно реализовать потенциальную продуктивность растений.
К. К. Гедройц отмечал, что урожайность определяется тремя факторами: климатом, почвой и самим растением. Климат трудно поддаётся изменению, однако возможно смягчить его действие улучшением свойств почвы. Изменяя свойства почвы, земледелец может в определенной степени регулировать воздействие климатических условий на растения. Воздействие удобрений К. К. Гедройц рассматривал опосредованно через изменение свойств почвы.
Развитие теоретических положений количественного и качественного формирования продукции культурных растений вызвал необходимость введения биоклиматического потенциала в понятие агрохимии. Разработана и успешно применяется теория получения программированных урожаев, созданы и совершенствуются статические модели плодородия почвы по агрохимическим и агрофизическим показателям с учётом уровня урожая отдельных культур и продуктивности в целом специализированных севооборотов. Ведутся работы по моделированию продукционных процессов для некоторых сельскохозяйственных культур, реализация которых позволит достичь максимально высокой урожайности.
Диалектическая взаимосвязь системы почва — климат — удобрения — растения в современном представлении сущности предмета агрохимии.
Многочисленные опыты с удобрениями в различных климатических зонах страны позволяют в определенной степени учесть климат, как один из факторов в системе климат — растения.
В государственном стандарте 1983 г. климат был учтён в определении понятия «агрохимия»: 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).
Недооценка климатических особенностей применительно к конкретному земледельческому району способна привести к погрешностям в определении значения минеральных удобрений.
Задачи агрохимии
Круговорот веществ в земледелии.
На современном этапе развития агрохимия решает задачу изучения свойств различных видов органических и минеральных удобрений и их влияние на:
- круговорот и баланс питательных веществ в земледелии;
- свойства почвы и воспроизводство плодородия;
- питание растений и обмен органических и минеральных веществ при вегетации;
- биологическую активность почвы и её биоразнообразие;
- формирование урожая и качества продукции;
- агроэкологические функции агрохимии в системе почва — растение;
- экономико-энергетические показатели эффективности агрохимических средств.
Задача современного агрохимика сводится к определению точных параметров круговорота биогенных элементов с учётом конкретных агроклиматических условий и специфики сельскохозяйственных растений, их сортов при заданных уровнях продуктивности.
Методы агрохимии
Лабораторные методы
Среди методов агрохимии особое значение имеют лабораторные: химические, физико-химические методы анализа растений, почв и удобрений. Создание современных высокоточных приборов для различных методов аналитической химии позволили значительно расширить спектр возможностей в агрохимии.
Среди методов аналитической химии в агрохимии широко используются:
- фотометрия;
- хроматография;
- спектроскопия;
- атомно-абсорбционная спектрофотометрия;
- рентгенофлуоресценция;
- нейтронно-активационный метод;
- масс-спектрометрия.
Для исследований обмена веществ в растениях используются методы стабильных и радиоактивных изотопов. Высокопроизводительная современная аналитическая техника и компьютеры позволяют обрабатывать большой объём поточных результатов анализов. Портативные средства измерения позволяют проводить экспресс-анализы непосредственно в поле, быстро определять содержание химических веществ в растениях или почве, свойства почвы, например, кислотность, оперативно вносить коррективы нормы внесения удобрений.
В последние десятилетия стала применяться комплексная почвенно-растительная диагностика питания растений и применения удобрений, заключающейся в лабораторном анализе почвы для определения оптимальных норм внесения основного удобрения и последующей корректировкой доз в подкормке в процессе вегетации после анализа растений в поле.
Физиолого-агрохимические методы
Физиолого-агрохимические методы включают вегетационные и лизиметрические методы. При вегетационных методах эксперименты проводятся в специальных сосудах, размещаемых в павильонах-домиках или теплицах. В лизиметрических методах исследования выполняют в больших сосудах, например, объёмом от 1 м3, с изолированными по вертикали стенками для создания условий, близких к естественным.
Лизиметрический метод нашёл широкое применение в научно-исследовательских учреждениях мира. С его помощью исследуются процессы миграции, трансформации питательных веществ, изменения свойств почвы в динамике, проводятся балансовые эксперименты, а также обмена веществ в растениях и формирования качества продукции.
На практике вегетационный и лизиметрический методы часто используются в сочетании друг с другом. К физиолого-агрохимическим методам относятся эксперименты в фитотронах, в которых контролируются и регулируются все показатели продукционного процесса растений: водообеспечение, корневое питание, интенсивность и качество света, температурный режим, фотосинтез, газовый обмен и т. д. Эти исследования проводятся при полной автоматизации процессов с регистрацией параметров роста и развития растений. Данные методы являются наиболее точными и позволяют вскрыть процесс обмена веществ с участием всех факторов жизни растений, определить потенциальную продуктивность растений и способы её реализации для конкретного генотипа, создать динамическую модель продукционного процесса. Фитотроны используются и в селекционно-генетических исследованиях. Фитотроны применяются, как правило, в крупных научно-исследовательских учреждениях и высших учебных заведениях.
Полевые опыты
Полевой опыт — это эксперимент, проводимый в полевых условиях для определения эффективности удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, его качество и на плодородие почвы.
Мелкоделяночные опыты выполняются для глубоких, чаще поисковых, экспериментов. Они, как правило, сочетают вегетационные и лизиметрические опыты, но в условиях, идентичных или близких к естественным. В мелкоделяночных опытах могут использоваться методы меченых атомов, создаются и проверяются модели почв высокого плодородия, испытываются виды и формы удобрений и их сочетания, в том числе с другими химическими средствами или микробиологическими препаратами. Мелкоделяночные опыты проводятся на делянках площадью до 10 м2.
В краткосрочных полевых опытах действие удобрений на урожайность и качество продукции изучается в течение не менее трёх лет в определенных почвенных условиях. Данные Географической сети опытов в России широко используются для определения потребности в разных видах и формах минеральных удобрений в зональном аспекте, а также для определения потребностей страны в минеральных удобрениях.
Мелкоделяночные и краткосрочные полевые опыты используются также для совершенствования методов комплексной почвенной и растительной диагностики питания растений и применения удобрений.
Стационарный опыт — это полевой опыт с систематическим внесением удобрений, который проводится на одном участке, в севообороте, в звене севооборота или при бессменной культуре.
Длительный полевой опыт — стационарный опыт, проводимый в течение нескольких ротаций севооборота. Длительные стационарные опыты позволяют получить информацию по оценке эффективности различных систем удобрений в севооборотах; уровня насыщенности севооборотов удобрениями; оптимального распределения органических и минеральных удобрений по культурам севооборота и форм удобрений. Эти опыты являются базой для разработки статических моделей плодородия почв, изучения закономерностей изменения плодородия и качества продукции при длительном использовании удобрений, проведения балансовых исследований, миграции питательных элементов по профилю почвы и накопления балластных токсических элементов, в том числе тяжёлых металлов и агрохимических средств, то есть для решения экологических проблем агрохимии. Опыты ставятся в условиях приближенных к производственным.
Производственные опыты с удобрениями проводятся в производственных условиях для проверки рекомендованных доз внесения и экономической оценки удобрений. Они носят краткий характер и предназначены для испытания и доработки научных рекомендаций в производственных и конкретных почвенно-климатических условиях. Результаты этих опытов имеют большое значение при внедрении и обосновании эффективности комплекса приёмов химизации земледелия.
Связь агрохимии с другими науками
Содержание агрохимии как науки можно представить тремя разделами:
- химия растений;
- химия почвы;
- химия удобрений.
Химия растений является разделом физиологии растений, химия почвы — разделом почвоведения, и при этом они являются неотъемлемой частью агрохимии. Химия удобрений полностью входит в состав агрохимии. Научные исследования по этому разделу проводятся в сочетании с химией почв, физиологией растений и земледелием.
Агрохимию нельзя рассматривать отдельно от почвоведения, физиологии растений, земледелия, микробиологии почв.
Агрохимия выделилась в самостоятельную дисциплину вследствие теоретической и практической целесообразности.
Круг агрохимических исследований очень широк. Он включает изучение превращения питательных веществ в почве и метаболизма в растении, оптимизации питания растений, воспроизводства плодородия почв, применения удобрений на планируемый урожай и регулирования качества продукции.
Связь агрохимии с фундаментальными науками
Связь агрохимии с фундаментальными науками.
Связь агрохимии с почвоведением заключается в том, что эффективность удобрений определяется химическими, физическими, физико-химическими свойствами почвы, её биологической активностью, которые в свою очередь связаны с содержанием и подвижностью питательных веществ в почве. Взаимосвязь свойств почв и удобрений проявляется в процессах мобилизации, иммобилизации, трансформации, миграции питательных веществ, на что оказывают влияние растения агроценоза.
Эффективность и окупаемость удобрений зависят от окультуренности почв, содержания гумуса, поглотительной способности, буферности и реакции среды. Поэтому задачей агрохимии является изучение свойств и плодородия почвы, баланса питательных веществ в агроценозе, способов регулирования и воспроизводства плодородия почв.
Связь агрохимии с физиологией растений проявляется во влиянии питательных веществу на все жизненные процессы растения, что обеспечивает формирование показателей качества продукции. Такие агрохимические приёмы, как корневые и некорневые подкормки, позволяют регулировать питание растений, направленно оптимизируя условия активного роста и развития, формирования большего урожая лучшего качества. На знании закономерностей питания растений в процессе вегетации разработаны методы растительной диагностики обеспеченности культуры питательными веществами.
Многие разделы агрохимии связаны с биологией и микробиологией почвы. Так, состояние и регулирование азотного режима в агроценозах — задача агрохимии, успешное решение которой возможно при правильной оценке биологических источников азота в системе почва — растения: симбиотической и ассоциативной азотфиксации или свободно живущими микроорганизмами. Активность этих процессов определяется правильной системой удобрения. То же относится к процессам гумификации и минерализации гумуса, фосфорного питания растений.
Возрастающая роль экологических аспектов земледелия связывает агрохимию с экологией. Например, техногенное загрязнение агроценозов тяжёлыми металлами, радионуклидами и агрохимикатами вызывает необходимость разработки комплекса агрохимических средств и приёмов, направленных на снижение поступления загрязняющих веществ в растения и трофические цепи.
Особенно необходима экологическая оценка при применении нетрадиционных видов удобрений — отходов промышленности, коммунального хозяйства, при использовании местных органических и минеральных сырьевых ресурсов в качестве удобрений.
Экологические функции агрохимии:
- поддержание биологического круговорота веществ;
- сохранение биоразнообразия и улучшение микробоценоза почвы;
- иммобилизация токсических веществ;
- сохранение биологической активности почвы;
- активизация азотфиксирующей способности почвы;
- предотвращение эвтрофирования природных вод.
Создание оптимальных культурных агроландшафтов в разных природных зонах возможно с помощью агрохимических средств. Применяя удобрения в комплексе агроландшафтного земледелия, человек создаёт культурный агроландшафт с оптимальным геохимическим режимом, который является наилучшим в гигиеническом отношении и отвечает условиям жизни человека.
Экологическая функция в агроландшафтных системах земледелия характеризует связь агрохимии с геохимией. В. А. Ковда (1984) отмечал, что поведение удобрений в ландшафте следует изучать с привлечением биогеохимических методов — агрогеохимия. Он считал, что изучение трансформации удобрений во всех компонентах ландшафта позволяет получать наибольшую отдачу от удобрений с наименьшими отрицательными экологическими последствиями.
Связь агрохимии с географией проявляется в географических закономерностях действия удобрений, которые в свою очередь определяются почвенными, биологическими и климатическими условиями зон.
Связь агрохимии с метеорологией определяется зависимостью эффективности удобрений и агрохимических средств от погодно-климатических условий.
Связь с прикладными науками
Связь агрохимии с прикладными направлениями.
К. А. Тимирязев в 1935 году писал, что земледелие стало тем, что оно есть, благодаря агрономической химии и физиологии растений. Связь агрохимии с земледелием заключается в том, что система удобрения — важнейшее звено современных систем земледелия. Так, эффективность удобрений определяется наличием подвижных форм питательных веществ в почве, состоянием водного и воздушного режимов, что в свою очередь зависит от предшественников и системы обработки почвы. То же относится к системе севооборотов, которая определяет нормы внесения и соотношения удобрений, распределение удобрений и мелиорантов по культурам севооборота.
Комплекс агрономических приёмов, применяемых при возделывании культуры, в том числе и внесение удобрений, определяется биологическими требованиями культуры, метеорологическими условиями, плодородием почвы, предшественника, тем самым связывая агрохимию с растениеводством.
Интенсификация земледелия обуславливает комплексное научно обоснованное применение в прогрессивных технологиях выращивания агрохимических средств на базе комплексной почвенно-растительной диагностики питания растений, применения удобрений и химических средств защиты. В этом случае возрастает окупаемость минеральных удобрений и средств защиты растений, в частности, пестицидов или гербицидов. Тем самым проявляется связь агрохимии и защиты растений.
Эффективность удобрений в условиях орошения при оптимальном сочетании водного и питательного режима почв резко возрастает. То же относится и к эффективности удобрений при их применении на мелиорированных осушенных землях, особенно с двойным регулированием водного режима. Этим обусловлена связь агрохимии с мелиорацией земель.
Значение агрохимии
Для расширенного воспроизводства плодородия почвы, создания активного баланса биогенных макро- и микроэлементов в системе почва — растение — удобрение важно максимально использовать местные удобрительные ресурсы. Особое значение придаётся навозу. Налаженная и правильно организованная технология накопления, хранения и использования навоза — показатель культуры земледелия. Высокие темпы химизации земледелия требуют совершенствования механизации и автоматизации, то есть совершенствования транспортных средств для перевозки удобрений; машин по тукосмешению и внесению удобрений; техники для накопления, хранения навоза, приготовления компостов, их транспортировке и внесению.
Эффективность удобрений оценивается прежде всего по экономическим показателям. Реализовать в хозяйстве все приёмы химизации земледелия возможно при выполнении комплекса организационно-экономических и хозяйственных мер при наличии соответствующей материально-технической базы.
Результаты комплексного использования всех факторов земледелия можно представить на примере роста урожаев пшеницы в странах Западной Европы за последние 200 лет.
Динамика роста урожаев пшеницы в Западной Европе за 200 лет.
В Средние века, когда преобладала трёхпольная система земледелия, средний урожай пшеницы составлял 0,7-0,8 т/га. Введение плодосмена с клевером позволило удвоить урожаи. Типичным для того времени был норфолкский четырёхпольный севооборот, впервые сложившийся в Англии в XVIII в. Удвоение урожаев было достигнуто за счёт биологического азота, фиксированного клубеньковыми бактериями на корнях клевера.
В начале XX в. удвоение урожаев пшеницы в Западной Европе было связано с широким применением минеральных удобрений. В последние годы динамичный рост урожаев зерновых культур, достигающий 5-6 т/га и выше, объясняется высокой культурой земледелия, использованием научно обоснованной системы удобрения, основанной на почвенной и растительной диагностики, а также севооборота. Положительную роль играет интегральная система защиты растений и достижения в селекции высокопродуктивных сортов культур.
Производство зерна пшеницы, посевные площади, урожайность и потребление минеральных удобрений (1961-2010 гг.) (FAOstat, 2012; IFADATA).
Таким образом, используя комплекс агроприёмов в прогрессивных технологиях возделывания культур, достигают реализации их потенциальной продуктивности. При этом отмечается прямая зависимость между уровнем использования удобрений и урожаями зерновых культур.
Возможность получения высоких урожаев зерна до 7-8 т/га в различных почвенно-климатических условиях России подтверждается опытными производственными учреждениями при условии оптимального научнообоснованного сочетания всех звеньев земледелия.
С учётом роли минеральных удобрений в повышении продуктивности сельского хозяйства России во второй половине XX столетия были приняты меры по увеличению их производства и применения.
Таблица. Динамика применения (поставки) минеральных удобрений в РФ.
| Годы | Тыс. т в пересчёте на 100% питательных веществ | Кг на 1 га пахотных земель |
|---|---|---|
| 1965 | 2608 | 19,7 |
| 1970 | 4317 | 32,9 |
| 1975 | 7869 | 59,9 |
| 1980 | 8914 | 67,5 |
| 1985 | 12677 | 96,0 |
| 1986-1990 | 12800 | 99,0 |
| 1999 | 1200 | 10,0 |
| 2006 | 1510 | 27,0 |
| 2011 | 1970 | 38,0 |
Были приняты меры по увеличению поголовья скота, что позволило нарастить производство и применения органических удобрений.
Внесение органических удобрений в России.
Среднегодовое известкование почв в России, млн га.
Уделено было внимание химической мелиорации почв, в частности известкованию.
Например, Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан представлены данные по применению минеральных удобрений.
В Белоруссии в период с 2006 по 2013 гг. использовалось 250-313 кг/га д. в. минеральных удобрений, или 1,3-1,5 млн т д. в. на все сельскохозяйственные угодья. В ближайшей перспективе технологическая потребность в минеральных удобрениях на планируемую продуктивность пахотных земель в целом по республике составляет 1939,1 тыс. т д. в., из которых азотных — 753,3 тыс. т д. в., фосфорных — 325,0 тыс. т д. в., калийных — 860,8 тыс. т д. в. В дальнейшем по мере увеличения почвенных запасов фосфора и калия потребность в этих удобрениях может сократиться до размеров выноса этих элементов с планируемой урожайностью культур, потребность в азотных удобрениях сохранится.
В XXI в. Россия и страны СНГ оказались перед необходимостью подъёма продуктивности сельского хозяйства и достижения продовольственной независимости. Основываясь на опыте стран мира, этой цели можно достичь при условии полного обеспечения земледелия минеральными удобрениями в необходимом объёме и ассортименте в сочетании с широким использованием всех видов органических и местных удобрительных ресурсов, фосфоритование и известкование кислых почв.
Таблица. Использование минеральных удобрений в Республике Казахстан (по данным МСХ Казахстана).
| Годы | Внесено удобрений (NPK), тыс. га | Внесено кг д. в. на 1 га | % удобренной | Удобренная площадь, тыс. га | |
|---|---|---|---|---|---|
| общего | удобренной | ||||
| 1965 | 107,3 | 3,6 | - | 7,0 | - |
| 1986 | 1018,7 | 29,0 | 59,0 | 47,0 | 17253 |
| 1990 | 672,2 | 19,1 | 72,0 | 26,5 | 9332 |
| 2000 | 11,5 | 0,71 | 133,7 | 0,53 | 86 |
| 2005 | 58,5 | 3,17 | 89,4 | 6,23 | 1150 |
| 2010 | 99,4 | 4,14 | 40,2 | 12 | 2472 |
| 2015 | 81,1 | 4,3 | 33,1 | 10,3 | 2453 |
Литература
- Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002
- Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017