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 учетом 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.
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 щелочность 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. Так, вытеснение алюминия из поглощающего комплекса калием при внесении хлорида калия приводит к дополнительному подкислению почвенного раствора, а обменные реакции между кальцием от вносимых удобрений и натрием поглощающего комплекса щелочных почв улучшают их физико-химические свойства, повышают биологическую активность. На этом основана химическая мелиорация солонцовых почв — гипсование.
Д.Н. Прянишников показал взаимосвязь между тремя взаимодействующими факторами: почвой, растением и удобрением в простой схеме, отражающей сущность агрохимии. Задача агрохимии состоит в создать оптимальные условия 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 поддается 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 учетом 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.
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 учтен 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
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 ее биоразнообразие;
- формирование урожая и качества продукции;
- агроэкологические функции агрохимии в системе почва — растение;
- экономико-энергетические показатели эффективности агрохимических средств.
В последние годы отмечает возрастание значимости экономической и экологической задач агрохимии, оценки эффективности применения удобрений.
Задача современного агрохимика сводится к определению точных параметров круговорота биогенных элементов с учетом конкретных агроклиматических условий и специфики сельскохозяйственных растений, их сортов при заданных уровнях продуктивности.
Цель агрохимии
Цель агрохимии — создание оптимальных условий питания растений с учетом свойств видов и форм удобрений, особенностей их взаимодействия с почвой, определение эффективных форм, способов, сроков использования удобрений.
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 объем 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, объемом от 1 м3, с изолированными по вертикали стенками для создания условий, близких к естественным.
Лизиметрический метод нашел 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 ее 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 трех 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 тяжелых 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 приемов 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 является неотъемлемой частью агрохимии. Химия удобрений полностью входит в состав агрохимии. Научные исследования по этому разделу проводятся 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 с фундаментальными науками
Связь агрохимии с почвоведением заключается в том, что эффективность удобрений в определяется химическими, физическими, физико-химическими свойствами почвы, ее 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 почвоведением заключается в том, что эффективность удобрений в определяется химическими, физическими, физико-химическими свойствами почвы, ее 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 приемы, 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 тяжелыми металлами, радионуклидами и агрохимикатами вызывает необходимость разработки комплекса агрохимических средств и приемов, 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 создает 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
Агрохимия тесно связана со всеми отраслями сельскохозяйственных прикладных наук.
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 приемов, 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 применении 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 придается 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 приемы химизации земледелия возможно при выполнении комплекса организационно-экономических и хозяйственных мер при наличии соответствующей материально-технической базы.
Результаты комплексного использования всех факторов земледелия в можно представить на примере роста урожаев пшеницы в странах Западной Европы за последние 200 лет.
В Средние века, когда преобладала трехпольная система земледелия, средний урожай пшеницы составлял 7-8 ц/га. Введение плодосмена с клевером позволило удвоить урожаи. Типичным для того времени был норфолкский четырехпольный севооборот, впервые сложившийся в Англии в XVIII в. Удвоение урожаев было достигнуто за счет биологического азота, фиксированного клубеньковыми бактериями на корня 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 50-60 ц/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.
Таким образом, используя комплекс агроприемов в прогрессивных технологиях возделывания культур, достигают реализации их потенциальной продуктивности. При этом отмечается прямая зависимость между уровнем использования удобрений и урожаями зерновых культур.
Таблица. Производство зерна пшеницы, посевные площади, урожайность и потребление минеральных удобрений (1961-2010 гг.) (FAOstat, 2012; IFADATA)1Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Китай | ||||||||
Индия | ||||||||
США | ||||||||
Россия | ||||||||
Франция* | ||||||||
Канада | ||||||||
Германия* | ||||||||
Пакистан | ||||||||
Турция | ||||||||
Украина | ||||||||
Австралия | ||||||||
Великобритания* | ||||||||
Казахстан | ||||||||
Иран | ||||||||
Аргентина | ||||||||
Польша* | ||||||||
Египет | ||||||||
Италия* | ||||||||
Испания* | ||||||||
Румыния | ||||||||
Всего в мире |
Примечание: * — количество минеральных удобрений, внесенных под пшеницу в каждой из 27 стран ЕС оценивалось из средней потребности культуры в удобрении (Heffer, 2009) и общего количества удобрений, внесенных в каждой стране за год.
** — нет данных
Возможность получения высоких урожаев зерна до 70-80 ц/га в различных почвенно-климатических условиях России подтверждается опытными производственными учреждениями при условии оптимального научнообоснованного сочетания всех звеньев земледелия.
С учетом 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 РФ2Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Были приняты меры по увеличению поголовья скота, что позволило нарастить производство и применения органических удобрений.
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 подъема 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 объеме 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)3Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Литература
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.