Минеральное питание растений и почва

Познания ученых Древнего мира в вопросе о плодородии почв сводились к ряду чисто эмпирических рецептурных правил, почерпнутых из практики рабовладельческой системы сельского хозяйства.

Древнеримские писатели Катон, Вергилий, Варрон и Колумелла указывали на необходимость механической обработки почвы перед посевом семян растений, на приуроченность этих подготовительных работ к определенным сезонам года, на желательность внесения в почву некоторых веществ, повышающих содержание «жира» в почве или же улучшающих ее физические свойства. В качестве таких веществ рекомендовались навоз, мергель, известь и т.п. В трудах этих авторов упоминается также и давно подмеченное древними земледельцами удивительное свойство бобовых растений повышать плодородие полей.

На протяжении Средних веков происходил скорее регресс, чем дальнейшее развитие или углубление этих знаний. Даже в XV–XVI вв. держались еще средневековые суеверия о необходимости приурочивать сельскохозяйственные работы к датам христианского календаря и к дням чествования церковью имени того или иного святого. Практические советы земледельцу были проникнуты духом грубых суеверий и магии. Так, сухую и теплую почву рекомендовалось удобрять сухим и теплым навозом, а влажную – влажным, ибо «подобное жаждет подобного».

В середине XVI в. были сделаны попытки научного подхода к почвенному питанию растений. Во Франции в 1563 г. опубликовано замечательное сочинение Бернара Палисси «Истинный рецепт, при помощи которого все французы могут научиться увеличивать свои богатства». Автор этой небольшой книжки с длинным названием был ремесленник, именовавший себя «мастером стекольного и гончарного дела, изобретателем лепных изделий (или фигулин) короля и герцога Монморансийского, пэра и коннетабля Франции, жительствующим в г. Сенте».

В своей книжке Палисси обсуждает различные актуальные для его времени хозяйственные вопросы, в том числе и вопрос о земледелии. Древние полагали, что соли вредят произрастанию. Палисси же высказывает мысль, что почти во всех телах природы, минералах, растениях и животных находятся соли или растворы солей, поэтому именно солевые вещества, находящиеся в почве и в удобрении, необходимы для питания растений. Мы приводим далее некоторые соображения Палисси, сохраняя его своеобразную старинную манеру изложения-диалога.

Вопрос. Я знаю, что многие смеются над тем, что ты говоришь, будто в навозе есть соль. Объясни мне это.

Ответ. Знай же, что нет семян, хороших ли, дурных ли, которые не заключали бы в себе известного рода соли, и что, когда солома, сено и другие травы гниют, воды, через них проходящие, отнимают у них эту соль. Все равно, как соленая рыба, если долго ее мочить в воде, теряет все свое солящее вещество и становится несолона на вкус. Так точно вымытые дождями навозные кучи теряют свою соль.

Вопрос. Ты целый век можешь говорить: я все-таки не поверю, что в навозе и во всех растениях есть соли.

Ответ. Я теперь представлю тебе доказательства, которые заставят тебя убедиться, если только у тебя на плечах не ослиная голова. Ты знаешь саликор – траву, которая растет в Нарбожи и Сентоньи. И вот, то вещество, которое аптекари и философы-алхимики называют содой, получается при сжигании саликора. Вот соль, получаемая из травы. Папоротник при сжигании также дает соляной камень, из которого, прибавляя некоторые вещества, делают стекло. Сахар есть также род соли, извлекаемой из сахарного тростника. Правда, что соли не имеют ни одинакового вкуса, ни одинаковых свойств, ни даже одинакового вида. Я могу уверить тебя, что на земле существует бесчисленное множество родов солей. Нет такой травы, такого растения, в котором не заключалось бы известного рода соли. Плоды были бы лишены вкуса, запаха и других свойств, если бы не содержали в себе солей. Их нельзя было бы предохранить от гниения. Я тебе приведу в пример очень употребительный у нас плод – виноград. Известно, что если сжечь винные остатки, то получается соль, называемая винным камнем. Она едка. В сыром месте она расплывается и образует виннокаменное масло, которое употребляется при лечении лишаев. Вот доказательства, которые должны убедить тебя, что в растениях и деревьях есть соли...

Вопрос. Я не поверю, пока ты не приведешь других доказательств.

Ответ. Если бы ты знал, зачем навоз вывозят на поля, то ты бы сразу поверил мне. Навоз возвращает земле часть того, что у нее было взято. Хлеб сеют в надежде, что каждое зерно принесет несколько. А это не может произойти без того, чтобы от земли что-нибудь не было отнято. Вещество поля, на котором сеяли и жали несколько лет, уносилось в виде соломы и зерна. Вот почему надо унаваживать землю и т.п. И если я говорю, что навозные кучи нельзя подвергать растворяющему действию дождевой воды, то потому, что она уносит соль, составляющую главное достоинство навоза.

В этих высказываниях Палисси мы находим гениальное предвосхищение основных положений так называемой минеральной теории плодородия почв. Идеи Палисси были, однако, слишком смелы для его времени, к тому же он был протестантом, гугенотом, т.е. еретиком с точки зрения господствовавшей во Франции церкви. Несмотря на покровительство высокопоставленных лиц, ценивших его искусство изготовления глазированных изделий, Палисси был схвачен агентами церкви и заточен в Бастилию, где и окончил жизнь в 1589 г. Труды Палисси были забыты его современниками, и только два с половиной столетия спустя они были оценены по достоинству историками науки и агрохимиками XIX в.

Через 100 лет после Палисси вопросом питания растений начинают интересоваться и другие исследователи. Однако примитивность и несовершенство попыток экспериментального изучения вопроса о питании растений привели первых исследователей к совершенно ложным выводам. Здоровые идеи Палисси были преданы полному забвению, и господствующую роль в науке получила ложная теория о необходимости для питания растений одной только чистой воды. История этого заблуждения такова.

В XVII в. Я. Ван Гельмонт опубликовал данные своих изысканий по вопросу о питании растений. Он пишет: «Я взял глиняный сосуд, в который поместил 200 фунтов высушенной в печи почвы, затем смочил ее дождевой водой и плотно всадил в нее побег ивы весом в 5 фунтов. Ровно через 5 лет выросшее из побега дерево весило почти 169 фунтов и 3 унции (1 унция равна 28,35 г). Однако сосуд ничего не получал, кроме дождевой или дистиллированной воды для увлажнения почвы, когда это требовалось; тем не менее сосуд остался полон землей, которая еще сильнее уплотнилась, а чтобы в нее не попадало какого-либо сора извне, сосуд был покрыт листом жести, просверленной множеством отверстий. Я не определял веса листьев, опадавших осенью. В заключение я еще раз просушил землю и получил те же 200 фунтов, с которыми начал опыт, за вычетом немногим менее 2 унций. Таким образом, 164 фунта дерева, коры и корней получились исключительно из воды».

Опыт этот показался ученым того времени очень простым и убедительным. Знаменитый английский физик XVII в. Роберт Бойль (1627–1691) повторил опыт Ван Гельмонта с одним сортом индийской тыквы и получил те же результаты. Затем Бойль исследовал выросшее растение и заключил, как ему тогда казалось, вполне правильно, что полученные продукты – соль, спирт, земля и даже масло (хотя последнее считалось из всех тел самым противоположным воде) – могут быть произведены из воды.

Эти опыты заложили основу так называемой водной теории питания растений, согласно которой растению для его роста и развития достаточно одной абсолютно чистой воды, а вещества, образующиеся в процессе роста, растение «создает само внутри своего тела загадочной и мистической «силой жизни», вложенной в него творцом».

В 1699 г. Вудворд в Англии занялся опытной проверкой выводов Ван Гельмонта и Бойля. Он попробовал выращивать растение на одной воде и выяснил, что чем чище вода, чем более свободна она от минеральных примесей, тем хуже в ней развивается растение. Вудворд показал, что мята лучше всего развивалась в воде, в которой было взболтано некоторое количество садовой земли, хуже – в речной и совсем плохо в дождевой воде.

Опыт Вудворда, казалось, должен был бы доказать неправильность водной теории. Однако на континенте этот опыт остался, по-видимому, неизвестным, т.к. более чем через полвека (в 1758 г.) Дюгамель во Франции провел опыты в духе опытов Ван Гельмонта. Дюгамель брал воду из реки Сены, в которой, несомненно, кроме ила находились и примеси разнообразных городских отбросов. Он не проводил контрольных опытов с дождевой водой, как это делал Вудворд, а просто выращивал растения в этой изобилующей случайными примесями речной воде и, как и Ван Гельмонт пришел к выводам, подтверждавшим водную теорию.

Даже на рубеже XVIII–XIX вв. водная теория была еще широко распространена в ученых кругах Европы. В 1800 г. на конкурс, объявленный Берлинской академией наук по теме: «Об источниках питательных веществ для растений», был представлен целый ряд работ, но премии была удостоена работа Шрадера, утверждавшая правильность водной теории.

В начале XIX в. водную теорию постепенно сменила так называемая гумусовая теория. Эта теория базировалась на подтверждавшемся повседневным наблюдением убеждении в существовании связи между урожайностью почвы и содержанием в ней органического вещества – гумуса (перегноя). Сторонниками гумусовой теории были крупнейшие ученые того времени. Знаменитый английский химик Г.Дэви прямо писал, что минеральные соли он считает «необходимыми растению лишь постольку, поскольку они способны сообщать растению механическую крепость стебля и стойкость против паразитов», но что непосредственным источником питания растения служат органические вещества гумуса.

Таких же взглядов придерживались в Италии Гадзери и во Франции Шаптоль. Это увлечение гумусовой теорией плодородия почвы объяснялось в значительной степени и тем, что в широких кругах оставались неизвестными великие открытия Пристли, Сенебье и Соссюра, показавших, что в атмосфере находится главный источник углерода растений.


Признавая ассимиляцию углерода из углекислоты воздуха, многие ученые того времени считали основным источником углерода не воздух, а гумус, или перегной, почвы. Даже великий химик первой половины XIX в. Берцеллиус высказывал предположение о поступлении углерода из гумуса в растение через корневую систему. Однако гумусовая теория питания растений стала популярной не в связи с высказываниями этих ученых, а благодаря горячей пропаганде ее германским растениеводом Альбрехтом Таером (1752–1828). В Германии почвы бедны перегноем, что делало особенно актуальной проблему поднятия урожайности. Водная теория эту проблему решить не могла. Будучи практиком, Таер наблюдал за развитием полевых культур в разных условиях и применял ряд ценных практических приемов их возделывания. Данные наблюдений Таер сумел объединить идеей гумусового питания растений, создав стройное учение о мероприятиях по поднятию плодородия земли. С точки зрения таеровской теории задача повышения урожайности сводится к увеличению каким-либо способом содержания перегноя в почве. Что касается минеральных соединений, то они, по Таеру, играют лишь роль своего рода возбудителей, способствуя лучшему усвоению растениями перегнойных веществ.

Таер полагал, что не все культурные растения одинаково истощают почву. Наоборот, некоторые даже обогащают ее. С этой точки зрения он классифицировал все растения на истощающие почву (картофель, лен, конопля и др.), освежающие ее рыхлением верхнего слоя (вика, гречиха и др.) и обогащающие ее перегнивающими остатками своих богато разветвленных в земле корней (клевер, люцерна и др.).

Кроме того, он полагал, что плодородие почвы и степень истощения, производимая различными растениями, может быть измеряема «градусами». Каждая почва имеет известное количество «градусов» естественного плодородия. Истощающие растения понижают число этих «градусов», обогащающие – повышают. Того же повышения «градуса плодородия» достигают и при помощи навоза, посредством пара и т.п.

Таер охотно давал советы и широко пропагандировал свои взгляды. Он был убежден, что хозяйственные вопросы можно решать чисто математическим путем. Насколько велики были влияние Таера и доверие к нему со стороны земледельцев, можно судить по следующей выдержке из письма, адресованного Таеру одним из крупных ганноверских земледельцев: «Если я сегодня вечером получу от вас письмо с указанием на то, что я должен поджечь свои постройки, – в ту же ночь они будут объяты пламенем…»

В обстановке широкого увлечения гумусовой теорией постепенно появились и другие течения. Еще в 1804 г. Соссюр использовал приемы химического анализа для разрешения ряда физиологических проблем. Он выяснил, какие именно химические элементы постоянно встречаются в составе растений и какие из растворов солей усваиваются корнями растений в большей, а какие в меньшей степени.

Потребности бурно развивавшейся экономики периода роста промышленности требовали изыскания эффективных мер поднятия урожайности. Ушедшая вперед в экономическом развитии Англия первая мобилизовала своих химиков – Дэви, Лооза, Гильберта и др. – для разрешения агрономических вопросов. То же наблюдалось и во Франции, где на помощь агрономии приходит с точными методами химического анализа растительно-почвенного баланса веществ великий химик Ж.Б. Буссенго, по справедливости считающийся основателем агрономической химии. К 1840-м гг. в Германии Ю.Либих (1803–1873) становится основателем минеральной теории удобрений и учения о плодородии почв. Именно благодаря его исследовательской работе и научно-пропагандистской деятельности идея химического регулирования урожая путем внесения минеральных удобрений получила широкое распространение. В 1840 г. появилась работа Либиха «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии». В этой книге Либих подверг уничтожающей критике гумусовую теорию, выставив некоторые положения ее на осмеяние. Сарказм Либиха сделал то, чего не могла сделать логика его ученых современников – Соссюра и Буссенго. Либих окончательно разбил гумусовую теорию плодородия почв. Аргументация Либиха была такова. «Откуда берется в почве самый перегной? – спрашивал он. – Перегной есть продукт разложения в почве растительных остатков. Стало быть, сначала должны были появиться растения, а затем уже перегной. Как же могли существовать без перегноя первые растения? Очевидно, они черпали свой запас углерода из углекислоты воздуха так, как это доказано наукой и в отношении современных растений, причем же тут перегнои почвы? Должно быть ясным, – говорил Либих, – что перегной не является необходимой частью питания растений». Идя дальше, Либих отвергал всякую возможность усвоения готовых органических веществ корнями и ставил в основу учения о питании растений положение, что только неорганические соединения почвы и углекислый газ воздуха составляют пищу растений. Ничего не оставил Либих и от учения Таера о разделении растений на истощающие и обогащающие почву. Если растения берут из почвы только минеральные вещества, необходимые для их роста и развития, то каждый урожай должен уносить из почвы запасы необходимых для развития растений питательных солей. «Каждый урожай, – утверждал Либих, – обедняет почву, и ни одно растение не может обогащать почву, а может ее только истощать. Правда, это истощение почвы производится разными растениями в разных направлениях: одни из растений (например, горох) берут преимущественно известь, другие (корнеплоды) – преимущественно калий, третьи (хлеба) – преимущественно кремнекислоту. Значит чередование культур полезно, но этим чередованием культур мы можем только замедлить полное истощение почвы, а отнюдь не обогатить ее. Истощение почвы рано или поздно наступит, если мы не будем регулярно возвращать почве тех минеральных солей, которые уносятся из нее с каждым урожаем (закон возврата)».

На необходимости возврата почве минеральных солей Либих настаивал с удивительной настойчивостью и подлинным красноречием. Несоблюдение этого правила он считал даже гибельным историческим фактором: «Причина возникновения и падения нации лежит в одном и том же. Расхищение плодородия почвы обусловливает гибель государств и наций, поддержка плодородия почв – их жизнь, богатство и могущество». В качестве примера Либих приводил судьбу великих государств древнего мира – Греции и Рима. Либих стыдил Европу, указывая на пример азиатских государств – Японии и Китая, где «основное правило хозяйства состоит в полном возврате всех взятых из почвы с урожаем питательных веществ».

«Придет время, – писал Либих, – когда каждое поле сообразно с растением, какое имеют в виду на нем разводить, будет удобряться соответствующим удобрением, приготовленным на химических заводах: тогда удобрение будет состоять только из тех веществ, которые нужны для питания растения: точно так, как теперь вылечивают лихорадку несколькими граммами хинина, тогда как прежде больного заставляли глотать целыми унциями необработанную хинную корку».

Либих особенно настаивал на возврате в почву тех минеральных веществ, которых в ней явно недостаточно: внесение всех прочих веществ будет совершенно бесполезно, пока не будет восполнено содержание в почве того вещества, которое находится в ней в минимальном и недостаточном количестве (либиховский закон минимума).

Особое внимание Либих обращал на истощение почвы в отношении солей фосфорной кислоты. Большая часть хозяйств продает в город зерно, а солома вместе с навозом вывозится обратно на поле. Но с навозом почве возвращается далеко не все, что было у нее взято: зерно содержит много солей фосфорной кислоты, и эта потеря остается невозмещенной. Поэтому в почву необходимо вносить фосфаты, особенно в зерновом хозяйстве.

Кроме этого, общего указания на значение в земледелии фосфатных удобрений, заслугой Либиха мы должны признать и то, что он указал на сырьевые источники этого вида удобрений. Он обратил внимание сельских хозяев на кости домашних животных как на наиболее удобный бросовый материал для изготовления удобрений. Так как кости содержат труднорастворимую соль фосфорной кислоты, Либих предложил обрабатывать их серной кислотой, чтобы получать растворимый фосфат. Предложение Либиха положило начало суперфосфатной промышленности, которая стала развиваться особенно интенсивно, когда вместо костей стали разлагать серной кислотой ископаемые фосфориты.

Отмечая значительную роль Либиха в разработке вопроса о минеральном питании растений, следует указать и на некоторые ошибки, допущенные им. Слабой стороной его учения была недостаточная экспериментальная проверка теоретических положений.

Тимирязев следующим образом характеризует работы Либиха: «Либих, своею красноречивой проповедью сделавший, быть может, более чем кто другой для подъема рационального земледелия, в своих чисто дедуктивных химических построениях впал в грубую ошибку по отношению к одному вопросу громадной важности. Убедившись на основании химических анализов, что растение окружено в избытке источниками азота, он выступил со своей односторонней минеральной теорией, утверждая, что главная забота хозяина должна быть сосредоточена на доставлении растению элементов его золы. Решить, какие вещества должны быть признаны необходимыми для растений, одна химия не в силах; ответить на это может только одна физиология – прямой опыт над растением».

«Если бы Либих был прав, – говорил на своих лекциях Буссенго, – то какими жалкими глупцами представлялись бы все мы, земледельцы. Зачем вывозим мы длинные вереницы возов навоза, затрачивая на это силы рабочих и лошадей, когда можно было бы воспользоваться этим навозом, этою соломой как топливом и небольшую кучку золы вывезти в поле на ручной тачке? Но спросим растение, согласно ли оно с мнением Либиха, вывезем в одно поле навоз, а в другое его золу. Ответ растения будет не в пользу гениального химика. Растение ответит, что оно нуждается и в азоте навоза, а не в одной его золе».

Величайшим мастером в искусстве «спрашивать мнение самого растения» был крупнейший французский ученый, современник Либиха, Жан-Батист Буссенго. По образованию Буссенго был горным инженером, но вскоре после окончания высшей горной школы он оказался в условиях, определивших его призвание к совершенно иной области научной и практической деятельности.

Двадцатилетний инженер отправился в 1822 г. добровольцем в армию южно-американских колоний, поднявших восстание против владычества испанских феодалов. Он явился в ставку вождя восставших – генерала Боливара – с рекомендательным письмом от известного путешественника Александра Гумбольдта. Не имея возможности в боевой обстановке использовать Буссенго по его специальности, Боливар назначил его офицером революционной армии. Буссенго вместе с армией повстанцев прошел вдоль и поперек весь материк Южной Америки, побывав в Боливии, Эквадоре, Венесуэле, Перу, Чили и других районах. В этих странствованиях Буссенго не оставлял своих научно-исследовательских работ. Круг его научных интересов в то время был необычайно широк, а природная пытливость ума буквально не знала пределов. Он изучал влияние температуры на распределение растений по склонам высочайших горных хребтов (до 5500 м), исследовал химический состав газов, выходящих из трещин вулканической лавы. Но главное его внимание привлекло удивительное плодородие перуанских полей, разбитых туземцами на песчаных и, казалось бы, совершенно бесплодных почвах Тихоокеанского побережья. Он обратил внимание на то, что туземцы примешивали к песчаной почве порошкообразную массу гуано, пласты которого залегали неподалеку. Удобренные таким образом поля давали затем богатейшие урожаи кукурузы и других культурных растений.

Произведенный Буссенго химический анализ показал, что гуано состоит почти из чистых аммиачных солей. В Чили он видел подобное же превращение бесплодных песчаных участков в роскошные поля под влиянием внесения в пашню селитры. Под влиянием этих фактов у Буссенго сложилось мнение о преобладающем значении азота при искусственном повышении плодородия почв.

Вернувшись на родину, Буссенго женился и получил в приданое небольшое имение Бехельброн в Эльзасе, где с увлечением занялся сельским хозяйством. Будучи хорошим специалистом в области химии, Буссенго поставил перед собой грандиозную задачу: систематически производить количественный анализ питательных веществ, вносимых в почву с удобрением и выносимых с урожаем. Из года в год Буссенго вел учет химических соединений, поступающих в почву с навозом и выходящих из почвы в виде урожая зерна, стеблей, листьев и корней растений. В результате этой колоссальной работы Буссенго смог подвести баланс химических соединений за целый севооборот. Он впервые с весами в руках подошел к изучению сельского хозяйства. Этот первый в истории науки опыт точного подхода к земледельческой практике привел его к ряду совершенно новых и весьма важных выводов. Прежде всего, Буссенго доказал наличие азота во всех органах растений (до него азот считался элементом, характерным для животного организма). Точными химическими исследованиями Буссенго доказал, что весь азот животные получают от растений (травоядные непосредственно, хищные – из мяса травоядных), поэтому наиболее питательными кормовыми растениями он признал те, которые содержат много азота. В то же время он установил, что приход азота в урожаях за целый севооборот превосходит хозяйственный расход, т.е. количество азота, которое дается растению в виде навоза. Эти выводы заставили Буссенго перейти к более детальному лабораторному изучению азотного питания растений. Буссенго разработал метод выращивания растений в течение целой их жизни на искусственно приготовленных почвах. В качестве исходного материала для составления нужной ему искусственной почвы он избрал среду совершенно бесплодную – хорошо промытый и прокаленный на огне песок. Перед посадкой растений Буссенго вносил в песок точно взвешенные количества веществ. Его особенно интересовал вопрос об азоте: в каком виде он усваивается растением – в виде солей и органических соединений (т.е. гумуса) или в виде азота воздуха? В бесчисленных опытах Буссенго удавалось получать совершенно нормальные растения, выращивая их в прокаленном песке, не содержащем других источников азота, кроме селитры (солей азотной кислоты). Аммиачные соли в общей сложности дали результаты, менее благоприятные; что же касается сложных органических соединений азота, то оказалось, что искусственные почвы, содержавшие только этот источник азота, были практически бесплодны.

Значит, находящаяся именно в этой форме большая часть гумусных веществ почвы была не доступна для питания растений, она представляла собой как бы запасной капитал, расходующийся лишь по мере превращения сложных органических соединений в аммиачные соли и селитру. Лучшим азотным соединением, вполне удовлетворяющим потребности растения в азоте, оказалась селитра. Буссенго, соединявший в своем лице опыт ученого со знаниями практика сельского хозяйства, прекрасно понимал, что в условиях его времени не выгодно было удобрять поля селитрой, однако он ставил свои вегетационные опыты с селитрой, чтобы доказать, что растение реагирует именно на азот навоза, а не на что-либо другое (он учитывал, что селитра образуется в почве из навоза). На основании результатов своих исследований он выступил с опровержением мнения Либиха. Буссенго основывает свою азотную теорию удобрений, выдвигая ее как существенную поправку и дополнение к минеральной теории Либиха и как окончательное опровержение гумусовой теории Таера, все еще имевшей своих приверженцев. Количества селитры и аммиачных соединений в почве, по данным Буссенго, выражались в миллионных и десятимиллионных долях. Эти ничтожные количества при непрерывной культуре хлебов на одной и той же площади были, очевидно, совершенно недостаточны для покрытия потребности растений в азоте, поэтому Буссенго настаивал на необходимости удобрения полей навозом или искусственными азотсодержащими удобрениями. Внесение в почву азотсодержащих удобрений Буссенго считал тем более необходимым, что, по данным его весьма точных опытов, громадное большинство растений оказывалось совершенно не способным усваивать азот атмосферного воздуха. Вот классическое описание этих опытов, данное Тимирязевым: «Опыты были произведены так: семя, с известным содержанием азота, помещалось в искусственную почву, составленную из песка или пемзы, всегда хорошо прокаленных, с примесью золы. Поливка производилась тщательно дистиллированной водой, не содержащей следов аммиака. Для устранения источников связанного азота растения в течение всего опыта находились в закрытых больших стеклянных баллонах, воздух которых (обогащенный углекислотой) не возобновлялся, или же в стеклянных приборах, также тщательно закрытых и получавших приток воздуха, обогащенного углекислотой, но лишенного содержащегося в нем аммиака.

Таким образом, растение было снабжено всеми необходимыми питательными веществами, в качестве же азотистой пищи получало только свободный азот атмосферы. Результат был неизменно отрицательный – растения получались чахлые, хилые; если они достигали цветения и даже плодоношения, то всегда представляли собой карликовые формы – предельные растения. Увеличение органической массы было ничтожно, усвоения же азота вовсе не оказывалось. Тщательный анализ показывал в продукте (в растении, корневых остатках, почве, измельченном горшке и пр.) то же количество азота и даже менее, чем было в семени. Буссенго было сделано возражение, что его растения не могли развиваться, потому что находились в неестественной спертой атмосфере. Для устранения этого возражения он повторил свои опыты в той же самой обстановке, с тем только различием, что вносил в свою искусственную почву сверх золы еще известное количество селитры, и получил вполне благоприятное развитие растений. Значит, отрицательный результат должен быть всецело приписан отсутствию в первой серии опытов азота в усвояемой растением форме. Свободный же азот, находившийся постоянно в избытке, не может быть признан пригодным для питания растений».

Выводы Буссенго о том, что растения не способны усваивать свободный азот атмосферы, оспаривал другой физиолог Жорж Вилль. Он утверждал, что в его опытах растения, наоборот, усваивали свободный азот воздуха в весьма значительных количествах.

В этом споре столкнулись два мира. Буссенго представлял собой крыло свободомыслящей, республикански настроенной интеллигенции. Жорж Вилль, выдвинувшийся исключительно благодаря поддержке Наполеона III, наоборот, представлял собой близкие к придворным сферам монархические круги. Буссенго не могли забыть его революционного прошлого (в период Революции 1848 г. он был избран сначала депутатом Национального собрания, а затем членом Государственного совета). После переворота Луи Бонапарт отстранил великого ученого от всех должностей и изгнал его из всех ученых и учебных заведений. Не удалось ему это только в отношении кафедры в старинной Консерватории искусств и ремесел, т.к. все представители этой высшей школы заявили, что покинут ее вместе с Буссенго. Жоржу Виллю, наоборот, были предоставлены отличные условия для проведения научных работ.

Спор этих двух ученых привлек внимание академических кругов. В 1854 г. Французская академия наук создала специальную комиссию для проверки утверждений Жоржа Вилля. Под ее наблюдением Вилль должен был повторить свои опыты. В своем отчете комиссия признала опыты Вилля правильными. Авторитету Буссенго, казалось, был нанесен тяжелый удар, но неожиданно его опыты получили подтверждение.

Два английских ученых – Лооз и Гильберт – одновременно с академической комиссией проводили у себя в Англии на Ротгамстедской опытной станции весьма точную постановку опытов, имевших задачей выяснить, способны ли растения к усвоению свободного азота воздуха. Результаты их опытов вполне подтвердили отрицательные данные, полученные Буссенго.

Тогда во Французской академии было произведено специальное расследование всех условий, при которых работала проверочная комиссия. Выяснилось, что члены комиссии сами не проверяли опытов Билля, а поручили это дело одному из химиков, Клоезу. Клоез же, уезжая на время из Парижа, доверил уход за растениями лабораторному служителю. Тот рядом с дистиллированной водой, предназначенной для поливки опытных растений, выпаривал какой-то аммиачный раствор, в результате чего в «дистиллированной» воде оказалось столько аммиака, что всего одной поливки было достаточно для обеспечения блестящего успеха опытов Билля. Таким образом, любимец Наполеона III был посрамлен.

Решительно отрицая возможность усвоения атмосферного азота громадным большинством растений, Буссенго в то же время готов был признать способность такого усвоения у одной группы растений, а именно у бобовых. У бобовых он получал значительный избыток азота в сравнении с тем его количеством, которое содержалось в почве или же вносилось с удобрением. Откуда мог браться этот избыток?

На протяжении целых 25 лет ни Буссенго, ни кому бы то ни было другому эта загадка не поддавалось. Ее решение пришло в конце XIX в., уже после смерти Буссенго. Решающую роль при этом сыграло развитие учения о жизнедеятельности микроорганизмов и, в частности, микроорганизмов почвы. Кроме того, Г.Гельригел в 1888 г. показал, что растения из семейства мотыльковых (порядок бобовых) могут фиксировать свободный азот воздуха с помощью бактерий, открытых еще в 1866 г. русским ученым М.Ворониным в ткани особых вздутий (желвачков) на их корнях.

Как сказано выше, первые опыты по выращиванию растений в искусственных питательных средах были предприняты Соссюром и Буссенго. Дальнейшая разработка приемов этого вегетационного метода принадлежит Сальм-Горстмару, Саксу, Кнопу, Гельригелю, Вагнеру и другим ученым. Сальм-Горстмар в 1840 г. проводил свои опыты с овсом и рожью в песчаных культурах по способу Буссенго. Песок промывался кислотами и прокаливался, для питания растений вносились только минеральные соли. Затем Сальм-Горстмар стал брать вместо песка мелко толченый горный хрусталь, а стеклянные сосуды заменил восковыми. Работая таким образом, он установил необходимость для растений следующих семи элементов: N, S, Р, К, Са, Мg, Fe. Дальнейшим шагом вперед в разработке вегетационного метода было выяснение полного состава нормальных питательных смесей, при внесении которых в бесплодную среду растения в ней развиваются нормально. Этот вопрос был разрешен в 1858–1859 гг. методом водных культур на сельскохозяйственных опытных станциях Германии.

Опыты были начаты в 1858 г. на двух станциях, в Таранде и Мекерне. В Мекерне работал химик Кноп. Он первым опубликовал состав так называемой полной питательной смеси минеральных солей, необходимых для нормального развития растений в искусственных питательных средах. С тех пор смесь эта носит название смеси Кнопа.

В то время в Таранде водными культурами растений занимался Сакс. Он прибегнул к методу так называемых фракционированных растворов: корни растений погружались попеременно то в один, то в другой раствор. Этим путем Саксу удалось вырастить из семян фасоли и свеклы взрослые растения со значительным приростом органического вещества. Когда известие об открытии полного состава минеральных солей, необходимых для питания растений, облетела мир, Сакс, приписывая приоритет открытия себе, вступил по этому поводу в горячую полемику с Кнопом.

Метод песчаных культур после Буссенго и Сальм-Горстмара разрабатывал Гельригель. Им был выяснен состав нормальной смеси солей для песчаных культур, которым многие исследователи пользуются до настоящего времени. Эта работа потребовала от Гельригеля долгих лет упорного труда и постановки многочисленных серий вегетационных опытов.

В разработке вегетационного метода большое участие принимал также Ноббе (Тарандская опытная станция), доведший технику вегетационного метода до совершенства. Именно Ноббе принадлежит идея создания нового типа специальных легких построек для проведения вегатационных опытов — так называемых вегетационных домиков.

В плеяде имен русских исследователей минерального питания растений особое место занимает академик Д.Н. Прянишников. Работы этого ученого внесли много нового в понимание процесса зольного питания и особенно явлений азотного обмена у растений. Они значительно углубили и дополнили положение Буссенго о сравнительной ценности аммонийного и нитратного азота для питания растений. Кроме того, Прянишникову и его школе удалось опровергнуть господствовавшее в западноевропейской науке представление о том, что потребности всех высших растений в питании и на всех фазах их развития могут быть удовлетворены какой-то идеальной «стандартной» комбинацией основных зольных элементов. Исследования школы Прянишникова показали, что каждый вид растения предъявляет специфические требования к количественным комбинациям отдельных зольных элементов. Было также установлено, что потребность растения в отдельных зольных элементах изменяется на разных фазах его развития. Таким образом, наилучшим питательным раствором для растения должен считаться раствор не постоянного, а переменного состава, изменяемый соответственно изменению потребностей растения на разных стадиях его развития. Это положение имеет громадное практическое значение, являясь основой нового метода искусственного поднятия урожайности.

С развитием точных методов биохимического исследования представилось возможным не только установить число необходимых для развития растения химических элементов и их соединений, но и пролить свет на качественное физиологическое значение каждого из них в процессах жизнедеятельности растений. Роль элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода и азота) была ясной с самого начала. Из этих элементов строятся углеводы и белковые вещества, составляющие основу живой материи. Поскольку в состав белков входят, кроме того, еще фосфор и сера, физиологическая роль этих элементов тоже не вызывала сомнений. Менее понятна была роль металлов, оказавшихся также в числе элементов, необходимых для развития растений.

В 90-х годах XIX в. Х.Кеппе высказал предположение, что соли металлов являются стимуляторами и регуляторами процессов обмена, совершающихся в белках, входящих в состав протоплазмы живых клеток. Эта мысль получила дальнейшее развитие в целом ряде последующих исследований. В настоящее время считают установленным, что минеральные вещества являются фактором изменения физического состояния коллоидов протоплазмы. Этим путем они непосредственно влияют на течение процессов обмена веществ и архитектонику клетки. Во многих случаях минеральные вещества выполняют роль катализаторов биохимических реакций; они также иногда являются факторами электролитических процессов, совершающихся в тканях растений. Этими данными мы можем закончить современный период изучения веществ, необходимых для растений в процессе их минерального питания. Но это будет справедливо лишь в отношении тех химических элементов, которые необходимы растению в сравнительно больших количествах. С уточнением техники вегетационных опытов стал заметен неуниверсальный характер лабораторно-химических смесей Кнопа, Гельригеля и других авторов, – в них чего-то недоставало (особенно для развития незлаковых растений). Так, например, при проведении водных культур отмечалось преимущество водопроводной воды перед дистиллированной. Только в начале ХХ в. неполнота этих смесей была установлена работами ученых французской школы, выяснивших необходимость в таких химических элементах, как В, Мn, Cu, Zn и др., для питания растения. Значение этих элементов ускользало ранее от внимания исследователей главным образом потому, что опыты с минеральным питанием растений ставились в условиях недостаточной чистоты применявшихся водных растворов солей. Приготовление растворов из обыкновенной водопроводной воды обеспечивало растения необходимыми микроэлементами, поэтому опыты с водопроводной водой удавались лучше. Более точные опыты с пользованием абсолютно чистой дистиллированной воды и с исключением возможности выщелачивания микроэлементов из стенок тех сосудов, в которые наливались растворы, показали, что микроэлементы являются безусловно необходимыми для нормального питания растений. Еще более поздние исследования доказали положительное влияние микроэлементов на засухоустойчивость, морозостойкость и солевыносливость растений, а также на химический состав зерна. Эти данные заставили признать, что вопрос о микроэлементах далеко выходит за рамки проблемы минерального питания растений.

Наш очерк о минеральном питании растений был бы неполным, если бы мы не упомянули, хотя бы очень кратко, о заслугах и достижениях людей, изучавших природу почв, их происхождение, закономерности их географического распределения и способы использования почв в системе сельского хозяйства. Основы почвоведения как естественно-исторической дисциплины были заложены и разработаны трудами главным образом русских ученых. Н.М. Сибирцев, признавший главным фактором почвообразования климат, разработал в 1890-х гг. научную классификацию почв в связи с их географическим распространением в различных климатических зонах. В.В. Докучаев (1848–1903) был творцом современного учения о генезисе почв, исследовавшихся им в связи с составом и возрастом горных пород, рельефом, климатом и растительностью. Дело, начатое Сибирцевым и Докучаевым, продолжали их ученики и преемники П.С. Коссович, К.Д. Глинка, К.К.Гедройц и др. В свете работ этих исследователей почва перестала быть в глазах ученого и земледельца мертвым субстратом и предстала в виде объекта, имеющего историю происхождения и развития, закономерно меняющего структуру и состав в связи с тем или иным течением своеобразных физико-химических и микробиологических процессов.

Использовав эти научные достижения русских классиков почвоведения и все лучшее из опыта мировой агрономической науки (например, возникшее еще в конце XVIII в. в Западной Европе учение Шуберта о травосеянии в системе севооборота), академик Василий Робертович Вильямс (1863–1939) положил начало новому направлению в почвоведении, рассматривающему эволюцию почв и растительности в их тесном взаимодействии. В корневой системе растений Вильямс видел не только органы расхищения минеральных солей почвы, но и фактор положительного воздействия на ее структуру. Травы, согласно учению Вильямса, восстанавливают структуру и прочность почв, необходимые для получения высоких урожаев. На этой идее он обосновал свою травопольную систему земледелия, предусматривающую в системе севооборота определенную последовательность посева хлебных злаков, рыхлокустистых трав и бобовых растений. В травопольную систему Вильямса входит еще целый ряд других агрикультурных мероприятий (например, обеспечение системы зяблевой вспашки на определенную глубину почвенного слоя, предпосевная культивация почв весной, рационализация внесения искусственных удобрений, насаждение лесозащитных полос и т. д.).