Историческая справка по удобрениям
advertisement
1.Историческая справка. Утро одного из солнечных дней 1790г. предвещало прекрасную погоду на целый день. Долины ещё окутаны тонким утренним туманом, травы покрыты росинками. Но всё теплее и теплее становятся лучи восходящего солнца. Лёгкий ветер колышет золотые колосья пшеничного поля, перед которым как раз и остановился землепашец, прогуливаясь в праздничный день. Из соседней деревни раздаётся весёлый детский смех. Это картина мирной деревенской жизни, рисующая бодрую и весёлую жизнь человека Но серьёзным и озабоченным выглядит выражение лица землепашца при взгляде на колосья, которых он касается руками. Лишь немного мелких зёрен содержится в каждой колосе. Видно, снова урожай будет посредственным, хотя в текущем году и выпадали обильные дожди, да и солнце добросовестно делало своё дело. Но земля просто не может давать больше урожая. Из года в год её плодородие падает, и урожай становится всё беднее и беднее. Действительно, уже издавна известны причины, в силу которых земля после длительного её использования истощается, однако, на протяжении многих столетий применяется ешё старый,перешедший от предков способ повышения урожаев - трёхпольная система. Вся пахотная земля разделяется на три части. На одной трети засевают озимь, вторая треть предназначена для яровых и третья часть-паростаётся незасеянной и отдыхает. В этот период той скудной травянистой растительности, которая произрастает на последней трети всей пахотной земли, едва может хватить, чтобы прокормить нескольких овец или коз, пасущихся на ней. Ежегодно под паром оставляют новое поле, и на следующий год засевают его. И всё же поле становится всё менее и менее плодородным, быть может именно потому, что оно в течение слишком многих лет давало урожаи. Уже в 1 течение столетий односельчане нашего землепашца обрабатывали этот клочок земли.. Вдруг землепашец вспоминает о полоске лесной земли, которую он выкорчевал лет двадцать тому назад. Какой восхитительный урожай он получал с неё! На этой пашне он в первые годы снял урожай, которого не снимал с других участков при самом обильном их удобрении. Однако потом и этот участок становился всё менее и менее плодородным. Ах, эти удобрения! Откуда же ему взять необходимые количества навоза, когда его скотина исхудала и истощена именно потому, что земля не даёт ей достаточного количества корма. С другой стороны, как может земля давать достаточно урожая, если не получает необходимого количества навоза. Создаётся порочный круг, который как будто бы никак не может быть разрешен. Однако, как это вышло с полоской лесной земли? Ведь её никто никогда не удобрял, и всё же на ней испокон веков произрастали деревья и кустарники. Почему же на ней не понижалось плодородие так быстро, как оно понижается на пашне? Внезапно в сознании земледельца проносится мысль: "Лесная почва удобряет сама себя!" Правда, и на ней непрерывно изгода в год произрастают растения, однако все питательные вещества, которые эти растения извлекают в процессе своего роста из почвы, они возвращают ей обратно при своём отмирании. Beдь лесные растения не убираются человеком из года в год в закрома, как это происходит с зерном. Кроме того, большую часть зерна отвозят в города, а вместе с ним с пашни уходят в города и те питательные вещества, которые растения поглотили из почвы при своём произрастании, и только в ничтожной доле они возвращаются обратно в почву Не удивительно поэтому, что пашни истощаются и урожай становится всё меньше и меньше. Куда всё это может нас привести? Население непрерывно увеличивается, между тем как урожаи становится из года в год беднее. Не приведёт ли это несоответствие в будущем к страшной катастрофе? 2 Уже всё чаше и чаще стучится голод в дверь : 1709, 1740, 1771и 1772 г.г. были годами, в течение которых голод охватывал значительные области, и промежутки между этими голодными периодами становились всё меньше и меньше. В далеко минувшие времена людям были знакомы такие беды. Однако, тогда на свете было достаточно необработанных земель. Всё племя собирало свои пожитки и переселялось в какую-либо другую область, которая снова давала достаточное количество пищи. Люди овладевали новой землёй, применив, когда это было необходимо, силу. Большинство великих переселений народов происходило из ставших неплодородными, опустошённых территорий по направлению к плодородным землям. Но с течением времени произошли и другие события Европа была разделена на небольшие страны ,и каждый участок её земли был заселён.Оставался только один путь –далёкая Америка. И одно её имя внушало ужас земледельцу, сросшемуся со своим участком земли. Но должно ли дальше всё так оставаться. Земледелец Европы тщетно искал ответа на этот вопрос. Наш землепашец был не единственным, кто задумывался над вопросами своего пропитания. В Англии поп Мальтус думал, что он нашёл выход из положения. Он в конце 18 века в одной из опубликованных им статей вызвал большое волнение во всём мире. Он рассуждал так : раз на свете живёт слишком много людей и имеется слишком мало пищи для них или, что ещё хуже, раз народонаселение земли возрастает значительно быстрее, чем урожаи, то необходимо уменьшить число людей на земле. Но так как уже родившиеся люди всё существуют на Земле и с трудом могут быть устранены из жизни, то необходимо обратить внимание на рождаемость людей и позаботиться о том, чтобы рождаемость не превышала определённых допустимых предельных чисел. Другими словами : только ограничение рождаемости может снова привести к здоровому соотношению 3 между имеющимся количеством пищевых продуктов и числом людей. Но такая точка зрения Мальтуса основана на глубоком презрении к человеку, и, кроме того, она была с несомненностью опровергнута фактами науки. С другой стороны, были предприняты попытки каким-нибудь способом повысить плодородие почвы. Вообще можно считать установленным, что имеющиеся в распоряжении людей количества естественных удобрений не могут быть достаточными и что необходимо усилить старания достигнуть увеличения запаса удобрений. Но откуда же достать эти недостающие количества удобрений? Для этого были предложены самые безумные пути. Предлагалось применять в качестве удобрений тряпки, волосы и отбросы. Один глубокомысленный проповедник предложил подражать древним римлянам и хоронить трупы на пахотных землях: "Пусть же те, которые в течение своей жизни не сделали ничего полезного, хотя бы после своей смерти послужили бы человечеству". Пробовали удобрять землю известковым мергелем. При этом сначала дела шли неплохо: урожаи оказывались роскошными .Однако таким путём нисколько не увеличивался запас питательных веществ для растений в почве : улучшилась только структура почвы и благодаря этому, вещества, имевшиеся в почве в наличии, становились более доступными для усвоения растениями. Через несколько лет почва уже совсем неспособна была давать какой-либо урожай. "Мергель делает богатыми отцов, но бедными сыновей"-гласит народная мудрость. Однако, в этом деле были и некоторые успехи. В городе Целле жил в начале 19 века один врач по фамилии Таер. В свободное время он -хороший врач проявлял себя в качестве искусного садовода. Он не ограничился садом, приобрёл за городом участок земли и к концу своей жизни завёл на этом участке весьма приличное сельское хозяйство. И в этом деле он имел успех. Опыты привели его к отрицанию расточительного трёхпольного хозяйства, которое оставляет неиспользованным третью часть земли в виде участка, находящегося под паром. Таеру удалось показать, что весь участок земли 4 может быть использован полностью, без ущерба для земледелия. Для этого необходимо позаботиться о правильном и планомерном севообороте при обработке этого участка. Так, если в данном году был собран урожай ярового посева, то в следующем году на том же самом участке следует засеять корнеплоды, затем, в следующем году-озимые хлеба и, наконец, на четвёртый год - клевер. Никогда на одном и том же участке нельзя сеять два года подряд злаки. Путём севооборота почва используется равномернее и не проявляет в сильной степени явлений усталости. Учение Таера знаменовало собой конец трёхпольного хозяйства. Однако окончательного решения вопроса не получилось : скоро выяснилось, что таким путём увеличивается, правда, площадь посевов, но никоим образом не устраняется истощение почвы. Это истощение может быть только отсрочено. Для того, чтобы строить машину, необходимо затратить железо и сталь, необходимо иметь с т р о и т е л ь н ы е м а т е р и а л ы , из которых можно изготовить все разнообразные детали для машины и которые, будучи смонтированы вместе, образуют всю машину. Необходимо далее, чтобы во всякое время находились в наличии запасные детали, которыми можно было бы заменить части машины, пришедшие в негодность. Однако всего этого ещё недостаточно. Не менее важным для действия машины является и т о п л и в о . Без бензина для нас бесполезным будет самый прекрасный автомобильный мотор, без угля не имеет никакой цены самая сильная паровая машина. Лишь тогда, когда одновременно имеются как материалы для конструкции машины, так и топливо, могут быть приведены в движение многочисленные колёса в производстве. В известной степени аналогично обстоит дело и в живых организмах. Все они, как растения, так и животные, нуждаются в материалах для их построения и в топливе; и то и другое они поглощают в виде питательных веществ. Структурные материалы идут на образование веществ, из которых состоят их тела, и на замену этих веществ в случае их расхода, а топливо 5 доставляет при сгорании внутри организма ту энергию, которая необходима для поддержания жизнедеятельности живого существа. Вопрос о том, откуда именно растения берут свое питание, принадлежит к вопросам величайшего значения. Уже давно над этим вопросом задумывались лучшие исследователи. Давно обращало на себя внимание то обстоятельство, что растение в течение своей жизни произрастает из ничтожного зёрнышка семени и при этом обнаруживается громадный привес. Аристотель считает, что растения поглощают из почвы необходимые материалы для своего построения в их окончательной форме, так что нет необходимости в каких-либо преобразованиях этих материалов внутри их организма. В1600г. ВанГельмонт своим опытом сумел доказать неправильность этих предположений. Он отвесил в горшки 200 фунтов сухой земли и воткнул в неё ветку вербы, вес которой был равен 5 фунтам . При обильной поливке водой эта ветвь проявляла себя как целая верба: она пустила корни и на протяжении дальнейших пяти лет выросла в дерево весом в 164 фунта. Особенно удивило учёного то обстоятельство, что земля потеряла при этом очень мало от своего первоначального веса. Таким образом, земля не могла быть никоим образом признана единственным поставщиком питательных материалов для растущего дерева, ибо в этом случае 159 фунтов привеса вербы должны были бы соответствовать равновеликой убыли веса земли. Ингенгауз и де Соссюр в конце I8 века были учёными, ,разработавшими современную теорию питания растений, согласно которой растения поглощают двуокись углерода из воздуха, что и имеет своим результатом более значительное увеличение веса сухого вещества растений, чем это можно было бы ожидать на основании количеств фактически поглощенной ими двуокиси углерода. Поэтому приходится допустить, что из двуокиси углерода и воды образуется новое органическое вещество. Учёные уже в то время считали, что так же необходимо присутствие в почве некоторых 6 солей. Как бы своевременны и правильны во многих отношениях ни были эти выводы, они всё же оказались забытыми в начале 19 века и были заменены г у м у с о в о й теорией, которая главным образом восходит к Таеру, бывшему её наиболее усердным защитником. Точка зрения Таера заключалась в том, что плодородие почвы зависит исключительно от гумуса, ибо, кроме воды, гумус является единственным источником, снабжающим растения питательными материалами. Согласно этому взгляду, гумус - рыхлая тёмная земля, которую каждый сельский хозяин и садовник ценит особенно высоко за её высокие качества - является источником плодородия почвы. В гумусе много углерода - главной составной части всех растений; в гумусе содержатся, по мнению защитников гумусовой теории, все необходимые для жизни растений вещества в уже подготовленной форме. Соли, которые, кроме того, могут быть обнаружены в растениях, не являются, по мнению сторонников теории, особенно важными, так что относительно их происхождения и значения не стоило особенно задумываться. Гумус и вода - вот источники питания растений. Это учение было так понятно и убедительно, что в течение длительного времени в его справедливости никто и не сомневался. Один из тех, кто засомневался, был молодой профессор химии Юстус Либих, который положил начало новой эпохе в сельском хозяйстве. Является ли гумус действительно единственным питательным веществом для растений? Не имеется ли многих оснований для признания этого допущения невероятным? Действительно, гумус содержит углерод, но всё же не столько, сколько необходимо большим деревьям для их роста. Кроме того, было установлено, что в лесах, т.е . в областях, которые в течение длительного времени покрыты растительностью, содержание гумуса в почве возрастает. Между тем, согласно гумусовой теории, следовало бы ожидать обратного результата, ибо ведь растения непрерывно поглощают углерод. Кроме того, в морях многие водоросли вообще не имеют никакой связи с почвой : они своими корнями удерживаются на голых скалах и камнях. И эти 7 растения поглощают питательные вещества и строят свой организм из соединений углерода, хотя и не могут черпать их из гумуса, ибо такового в их распоряжении нет. Необходимо также обратить внимание и на следующее обстоятельство. Всякое горение является с химической точки зрения окислением, а следовательно, процессом, при котором кислород воздуха соединяется с другим веществом. При сжигании органических веществ, которые обязательно содержат в своём составе углерод, последний соединяется с кислородом, образуя газообразную двуокись углерода. Обыкновенно, там, где горит огонь, поглощается из воздуха кислород и вместо него образуется двуокись углерода. В нашем теле также постоянно протекают процессы окисления. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем двуокись углерода. При процессах гниения или тления растений и животных протекает в сущности медленный процесс горения, и в этих случаях вещество организма превращается частично в двуокись углерода. Из всего этого можно сделать вывод, что с течением времени содержание кислорода в воздухе должно было бы убавляться, но зато в нём всё время должно было бы повышаться содержание двуокиси углерода. Однако этого факта не удавалось нигде установить. Следовательно, на свете должны существовать организмы, которые наоборот , поглощают двуокись углерода и образуют из неё кислород. Они и являются причиной того, что в воздухе всегда сохраняется одно и то же соотношение между содержащимися в нём кислородом и двуокисью углерода. Такими организмами являются, как мы теперь знаем, растения. Не из почвы они поглощают углерод для своего построения, а из воздуха, точнее, из содержащейся в нём двуокиси углерода. Эта двуокись углерода проникает через тонкие поры, так называемые устьица в листьях растений, где она под влиянием солнечных лучей содействии зелёного красящего вещества листьев – и при хлорофилла - взаимодействует с поступающей в растения через их корни водой и весьма сложным путём преобразуется в соединения, которые в конце концов и становятся материалами, служащими для построения частей строительных 8 организмов и для обмена веществ при их жизнедеятельности. Неорганические вещества, а именно двуокись углерода и вода, превращаются в организмах растений в органические вещества. Этот процесс приобрёл название "ассимиляции".Таким образом, в природе происходит непрерывный круговорот углерода : находясь в воздухе в виде двуокиси углерода ,он превращается в строительный материал растений; при горении последних, например, при сжигании дров, из углерода снова образуется двуокись углерода. При дыхании животных и людей часть соединений углерода снова превращается в двуокись углерода и в качестве таковой возвращается в атмосферу, между тем как оставшийся в организмах химически связанный углерод возвращается в атмосферу лишь при гниении погибших животных. Происхождение водорода и кислорода , входящих в состав органических соединений, так же объяснить легко, если только вспомнить, что оба эти элемента входят в состав воды. Однако, чем же в таком случае объяснить понижение урожаев? Двуокись углерода всегда содержится в воздухе в неизменном количестве, да и вода в природе имеется в изобилии. Повидимому, должен существовать какой-то фактор, которому мы в нашем рассмотрении пока не придавали значение, но который представляет громаднейшее значение для роста растений. Таким фактором являются содержащиеся в почве м и н е р а л ь н ы е и необходимые для жизни растений с о л и . "Вот что я скажу, Вам коллега : я снова убеждаюсь в том, что передо мной лежит самая бесстыдная книга из всех, которые когда-либо попадали ко мне в руки. Знакомы ли вы, собственно говоря с её содержанием?"-с таким раздражением профессор фон Моль оценивал, лежащую перед ним книгу "Органическая химия в применении к земледелию и физиологии".Автором этой книги был знакомый нам профессор Либих. "Действительно, этот господин выискивает прямо таки неслыханные обвинения против нас, учёных. Оставался бы он лучше при своей химии, тогда, может быть и сумел достигнуть чего-нибудь полезного. Что же касается других областей знания, 9 пусть он в них лучше не суёт своего носа. Иначе опять получится такая чепуха, какую мы находил в этой книге. С его точки зрения, мы, физиологи, а также и сельскохозяйственники никакого понятия не имеем о жизни и росте растений. Он думает, что сам больше разбирается в этих вопросах. Оказывается, уже не земле растительный мир обязан своим питанием; нет, растения питаются воздухом, водой и так называемыми питательными солями, которые они разыскивают в почве! Поразительно, как он ещё находит хоть какое-нибудь объяснение необходимости обработки земли. Но, может он придёт даже к тому, что земля и вовсе не нужна земледельцу и что крестьянин сможет выращивать свой хлеб в стеклянных сосудах. Вот, посмотрите, в этой газете он может прочитать единственно правильный ответ на свою чепуху.Фон Моль протянул своему гостю газетную статью, в которой были помещены 2 рисунка:"Некогда" и "Теперь". На первом рисунке был изображён крестьянин, выехавший в поле с возом, гружённым навозом. Второй рисунок изображал земледельца, прогуливающегося в праздничном костюме по своим полям и извлекающего из жилетного карамана коробочку с надписью "удобрительная соль",чтобы рассыпать эту соль на пашне. Можно было заранее предвидеть волну протестов и оскорбительных писем, которыми был осыпан Либих после появления его книги. Его идеи были слишком новы и широки, чтобы они могли быть тот час же восприняты во всём их значении. Однако скоро учение Либиха стало привлекать на свою сторону всё большее число приверженцев. Карл Маркс с полным уважением упоминает в своих сочинениях о выводах Либиха. Какое же новое учение было развито Либихом в его книге "Сельскохозяйственная химия",выпущенной им в 1840г.?Прежде всего, Либих исследовал из каких составных частей строит растение свой организм и откуда оно добывает эти вещества. На основе многочисленных химических анализов ему удалось установить, что в каждом растении присутствует десять элементов и все имеют величайшее значение для его роста. 10 Это следующие элементы : углерод, кислород, водород (о них речь была раньше), азот,кальций, калий, фосфop, сера, магний и железо. Добавим при этом, что в настоящее время известен целый ряд элементов, присутствующих в растениях лишь в виде следов(микроэлементов),но играющих важную роль в их жизнедеятельности. Естественно, все эти вещества содержатся в организме растений не в той форме, в которой они известны в качестве химических элементов, но они являются составными частями соединений, из которых построено растение. Откуда же растения получают эти вещества? Мы уже видели, что углерод, поглощаемый листьями в виде двуокиси углерода, поступает из атмосферы, в то время как вода поставляет растениям кислород и водород. Но как обстоит дело с азотом, являющимся составной частью необходимых для жизни белков? Правда, в атмосфере азот содержится в колоссальном количестве (78% воздуха состоит из этого элемента), но лишь немногие растения способны поглощать и использовать азот из воздуха. К таким растениям относятся так называемые бобовые растения, в том числе бобы, горох и люпин. Легко убедиться в том, что в их корнях можно обнаружить клубеньки, скрывающие внутри себя бактерии, обладающие способностью переводить азот из воздуха в органические азотистые соединения, которые затем могут усваиваться соответствующими растениями. Растение готовят для cвоих взаимопомощи представляет даёт возможность жить бактериям, а они за это хозяев доступный для усваивания азот. Этот процесс обозначают в биологии как симбиоз. Однако, он собой только исключение. Подавляющее большинство растений должно черпать азотистые соединения непосредственно из почвы, ибо не могут усваивать его из воздуха. Либих был того мнения, что газообразного аммиака, образующегося при гниении органических соединений и потому всегда присутствующего в ничтожном количеств в воздухе, вполне достаточно для покрытия потребностей растения в азоте. 11 Аммиак растворяется в каплях дождя, вступает во взаимодействие с двуокисью углерода с образованием карбоната аммония и в виде названной соли попадет в почву, из которой он и может быть поглощён корнями растений. Шесть остальных элементов, по мнению Либиха, содержатся в виде солей в почве. Будучи растворены в воде, они могут проникать в растение через корни. Правда, они присутствуют в почве в ограниченном количестве, однако, животные и растения при их распаде возвращают обратно почве те соли, которые они получили из нее во время роста. На этом заканчивается круговорот, связывающий мёртвую и живую природу. Растение берёт из почвы и из воздуха неорганические вещества и строит из них свой организм, состоящий из органических соединений. Это растительное вещество составляет пищу человека и животных и в физиологических выделениях, а также после гибели в виде трупов этих существ поступает в почву и превращается в неорганические исходные вещества. И при этом круговороте растениям принадлежит решающая роль, ибо только они способны использовать неорганические строительные материалы. Таким образом, десять элементов имеют исключительно важное значение для растений. Если хотя бы один из них отсутствует, то растение уже не может существовать и умирает. Не поможет делу и присутствие девяти остальных элементов даже в изобилии. Плодородие почвы всегда зависит от того элемента, который находится в почве в минимальном количестве. Это закон, который для практического сельского хозяйства имеет в высшей степени важное значение. Либих назвал этот закон "законом минимума". При этом следует однако, принимать во внимание, что наряду с питательными солями существует ещё и целый ряд других факторов, как водный режим почвы, температура и т . д . , которые также оказывают влияние на плодородие почвы. После сказанного становится вполне понятным, какое значение имеет почва. Не сама почва служит nитательным веществом для растений, но она содержит те вещества, которые необходимы 12 растению. И если господин фон Моль потешался над тем, что в один прекрасный день растения будут произрастать в стеклянных сосудах с водой без всякой почвы, то в настоящее время это уже осуществлено Фактически в виде так называемых в о д н ы х к у л ь т у р. Если эти опыты и не преследует цели обойтись в будущем без почвы, т о всё же оказалось возможным выращивать растения в растворах, содержащих все необходимые для них питательные вещества. Гумус, который особенно богат содержанием истлевающих растительных остатков, содержит, следовательно, много питательных веществ для растений и поэтому представляет собой также весьма плодородную среду. Но как же тогда понять все более и более проявляющееся понижение плодородия пахотных земель? И на этот вопрос Либиху удалось дать однозначный ответ. Если земледелец возвратит обратно в почву в виде навоза все питательные вещества, которые были извлечены из почвы растениями, то содержание питательных солей в почве останется тем же самым и плодородие почвы не понизится. Однако, если он продаст часть своих продуктов в город, то питательные соли окажутся утраченными для его участка и в будущем году они уже не будут находиться в распоряжении произрастающих на этом участке растений. При повторении такого процесса из года в год урожаи должны будут с каждым годом ухудшаться. Такую форму хозяйства Либих называет хищнической и с беспощадной откровенностью оценивает тот гибельный путь, на который в этом случае становится сельское хозяйство. Либих утверждал: "Основным принципом земледелия следует считать требование, чтобы почве в полной мере было возвращено всё то, что у неё было взято.В какой форме будет осуществлён этот возврат, в виде ли экскрементов животных или в виде золы костей, это более или менее безразлично. И далее Либих предсказывает:"Наступает время, когда пашня и каждое растение будет обеспечено необходимым для него удобрением, которое будет изготовляться на химических заводах." 13 Либих считал, что поскольку, наконец-то, стали известны причины убывающего плодородия, уже не составляет труда бороться с этим явлением.? Если для этого не хватает естественных удобрений, необходимо для покрытия расходов питательных солей вносить в почву минеральные удобрения, т.е.удобрительные соли или туки. Либих рассуждал так. Углерод, кислород и водород растение добывает себе в достаточном количестве естественным путём. То же самое касается азота. В магнии железе, сере растения нуждаются лишь в незначительной степени, а они имеются в почве в достаточных количествах. Внесение кальциевых удобрений не составляет больших затруднений, ибо известковые мергеля имеются в исключительном изобилии. Иначе обстоит дело с калием и фосфором. В отношении их питательнее запасы почвы должны быть пополнены удобрительными солями. Оба эти элемента : калий и фосфор и содержатся в "патентном удобрении" Либиха. Одна английская фирма взялась за производство этого удобрения в больших количествах. Оно приобреталось и применялось многими земледельцами. Однако, на полях, удобренных этими солями, не было отмечено существенное повышение урожая. Либих стоял перед загадкой : неужели минеральные соли все же не влияют на рост растений, неужели его учение ошибочно? Это были тяжёлые времена. Он был в отчаянии. За чертой города Либих купил себе участок и применил на нём своё патентное удобрение. Однако, и этот его собственный опыт сначала не имел успеха. После этого можно было ожидать, что его учению был нанесён смертельный удар, тем более, что из Англии поступали известия, что его взгляды опровергаются ещё и с другой стороны! Там на некоторых угодьях было применено другое удобрение - селитра, т.е. азотное удобрение, и при этом были получены результаты, свидетельствуюшие, что на этих участках был собран значительно лучший урожай. А между тем как раз относительно азота Либих утверждал, что его растения получают в достаточной количестве и что азотные удобрения являются совершенно излишними. Не "патентное 14 удобрение" Либиха'', а "азотное удобрение"-таков был отныне пароль, к которому примкнуло большинство. Много лет прошло, чем Либих понял причину неуспеха своего удобрения и открыто признал свою ошибку. При производстве "патентного удобрения" он поставил остроумнейшие опыты, добиваясь переведения калийных и фосфорных удобрений в форму нерастворимых в воде соединений. Он имел в виду таким путём избежать того, чтобы его удобрительные соли уже при первом же дожде вымывались из почвы в более глубокие её слои. Однако это была совершенно излишняя, ошибочная мера предосторожности. Правда, почва легко проницаема для воды, однако она обладает способностью удерживать растворённые в воде соли. Превращая эти соли в нерастворимые в воде соединения, Либих мог только добиться того, что они становились неусвояемыми для растений, так как растения могут поглощать только растворённые соли. Благодаря этому все удобрения оказались введёнными напрасно. Теперь, когда была понята причина отрицательных результатов внесения таких удобрений, он, разумеется, сумел легко исправить свою ошибку. Но как следовало объяснить успех внесения селитряного удобрения? В этом отношении Либиху тоже пришлось признаться, что он совершил ошибку, считая, что содержания газообразного аммиака в воздухе достаточно для роста растений. Наоборот, почва без дополнительного внесения в неё азотистых соединений, в конце концов, делается бесплодной. Итак формула, от которой зависит плодородие почвы должна отныне гласить так : калий, фосфор, азот и известь. Ещё при своей жизни Либих имел возможность с удовлетворением установить, что его учение об удобрительных солях получило всеобщее признание. Все больше и больше утверждалось убеждение о необходимости внесения в пашню искусственных удобрений. Опыты на практике показывали, что удобренные пашни приносят значительно лучшие урожаи. И появилась точка зрения, что можно совершенно отказаться от естественных удобрений, что минеральное удобрение, как более удобное для 15 обращения, представляет собой как бы "панацею" для повышения урожая. Однако скоро пришлось убедиться, что удобрительные соли не могут сделать совершенно ненужным и вытеснить ценный навоз, но скорее могут лишь восполнить недостаток сельскохозяйственном питательных круговороте. веществ, Однако образующийся дополнительное в внесение минеральных удобрений обуславливает получение лучших урожаев. В свою очередь их внесение делает возможным повышение поголовья скота. А это опять таки обуславливает увеличение количества навоза, повышающего урожай посевов. Итак, четыре элемента необходимо регулярно вносить в почву : калий, азот, фосфор и кальций. Но благодаря этому, выдвигается новая проблема: откуда в будущем могут быть получены громадные количества удобрительных солей и каким путём можно их производить по наиболее дешёвой цене? 2.Основные виды выпускаемых удобрений. Легче всего эта задача выполнима по отношению к кальцию .Углекислый кальций(например, известковый мергель) имеется в природе в большом изобилии. Он образует на земле целые горные кряжи. Относительно свойств известняков тоже не приходится очень беспокоиться. Правда, известковый мергель почти нерастворим в воде, однако, в связи с особым положением, которое занимает известковое удобрение, вовсе и не требуется переводить его в pacтворимое состояние, ибо только в редчайших случаях обогащение известью имеет своей целью внесение питательных солей в растения. Оно скорее служит средством улучшения качества почвы. Некоторые поля, в особенности такие, которые содержат большое количество гумуса, характеризуются кислой реакцией почвы, которая оказывает тормозящее действие на рост растений и на важную для их благополучия жизнедеятельность бактерий. Если мы внесем в такую почву известь, то последняя свяжет эти кислоты и таким путём будет снова способствовать нейтральной реакции почвы. 16 Большая часть кальция в организме животных и людей связана с фосфором. В организм фосфор попадает с пищей. Кроме того, он необходим для построения скелета, он входит в состав белков, из которых состоят наиважнейшие opraны тела человека, имеющие отношение к росту, развитию, чувствам и мыслям. Фосфор обнаружен буквально во всех органах зелёных растений : в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Естественно, что, как и всякий жизненно необходимый элемент, фосфор совершает в природе круговорот. Из почвы его берут растения, от растений этот элемент попадает в организмы человека и животных. В почву фосфор возвращается с экскрементами и при гниении трупов. Фосфоробактерии переводят органический фосфор в неорганические соединения. Однако в единицу времени из почвы выводится значительно больше фосфора, чем поступает его назад. Мировой урожай ежегодно уносит с полей больше трёх миллионов тонн фосфора. Естественно, что для получения устойчивых урожаев этот фосфор должен быть возвращён в почву потому нет ничего удивительного, что интенсивные поиски фосфора в природе привели к обнаружению 190 минералов, из которых главнейшие фторапатит, гидроксилапатит, фосфорит. Что же такое апатит ? Это невзрачный камень с Кольского полуострова. Он не искрится, не переливается в гранях, его не шлифуют ювелиры. Но он дороже многих драгоценных камней. От этого камня зависят урожаи т уг и х колосьев пшеницы и белоснежных коробочек хлопка. Апатит - это основа фосфорных удобрений. В ночь под Новый год,31 декабря 1929г., когда в Заполярье бушевала метель, в хибинской тундре, в небольшом домике у склона горы Кукисвумчорр, за грубо сколоченным из досок столом шло совещание, положившее начало апатитовой промышленности в СССР. На совещение прибыл из Ленинграда Сергей Миронович Киров. Он положил конец всем спорам и сомнениям. В ту новогоднюю ночь было принято решение строить город в Хибинах, строить апатитовую промышленность с миллионным 17 капиталовложением, рассчитанную на добычу и обработку миллионнотонного минерала. Но апатиты часто встречаются среди пород магматического происхождения , в отличие от них фосфориты залегают среди пород осадочного происхождения, образовавшихся в результате отмирания живых сушеств. После апатитов открыто уникальное месторождение фосфоритов в знаменитом хребте Каратау в Казахстане. В недрах чёрной руды хранится более миллиарда тонн превосходной руды. Каратаусский фосфоритовый бассейн объединяет 45 разведанных месторождений. Мощные залежи, достаточно высокое содержание фосфора в руде и выход пластов непосредственно на поверхность делает очень выгодными условия разработки, добычу руды открытым способом, наиболее дешёвым. Ценность месторождения возрастает ещё и потому, что оно расположено в исключительно благоприятных географических и экономических условиях. Недалеко от Каратау раскинулись целинные земли Казахстана и Сибири, хлопковые поля Средней Азии. И всё же с разведанными запасами фосфорного сырья в СССР, по мнению академика Вольфковича, обстоит не совсем благополучно. Искать новые дело месторождения, разрабатывать способы получения фосфорных удобрений из бедных руд нужно уже сейчас. Это необходимо для будущего, потому что фосфорэлемент жизни и мысли-будет необходим человечеству всегда. Чтобы растения могли усваивать фосфор, он должен находиться в составе растворимого соединения. Чтобы получить эти соединения фосфат кальция и серную кислоту смешивают в таких соотношениях, чтобы на одну грамммолекулу фосфата приходилось две грамм-молекулы кислоты. В результате реакции образуются монокальцийфосфат и сульфат кальция. Смесь этих двух солей известна под названием простого суперфосфата, впервые это удобрение получено в 1839г. англичанином Лаузом. В этой смеси сульфат кальция с точки зрения агрохимии - балласт, однако его не отделяют, так как эта операция требует больших затрат и сильно удорожает стоимость 18 удобрения. В простом суперфосфате содержится от 14 до 20% усвояемой пятиокиси фосфора. Более концентрированное фосфорное удобрение -двойной суперфосфат. Его получают при взаимодействии одной молекулы фосфата кальция и 4-х молекул фосфорной кислоты. В двойном суперфосфате содержится до 90% усвояемой пятиокиси фосфора. Иногда в качестве фосфорного удобрения используется удобрительный преципитат, который получается при взаимодействии одного моля фосфорной кислоты с одним молем извести. В этом удобрении 30-35% усвояемой пятиокиси фосфора; все перечисленные выше - простые удобрения, так как они содержат только один питательный элемент -фосФор. Но его содержат и некоторые сложные комбинированные удобрения, например, аммофос. Его получают нейтрализацией фосфорной кислоты аммиаком при рН=4,5-5,0. Аммофос содержит от 49 до 52% усвояемой пятиокиси фосфора и около 12% азота(в виде азота аммиачного). При увеличении расхода аммиака на нейтрализацию фосфорной кислоты до рН = 6-7 получают диаммофос (диаммонийфосфат),в котором содержание азота возрастает до 20%. Когда в середине 19 века в Стасфуртских копях стали изучать недра земли для добычи горнорудным путём поваренной соли, которую до того получали путём выпаривания солевых растворов, пришлось сначала столкнуться с одним неприятным обстоятельством. Над поваренной солью находился толстый слой соли, имеющей горький вкус. Желая добыть поваренную соль, необходимо было добыть верхний слой соли, и это вызвало трудоёмкие и дорогие работы. Эта "отбросная"соль накапливалась около шахт, образуя всё более высокие горы, ибо не было известно на что её можно использовать. Правда, уже тогда становилось ясным, что соли содержали соединения калия, т . е . те соли, которые необходимо вносить в пахотную землю. Предпринятые с этой сырой солью опыты потерпели неудачу. Снова эта соль была подвергнута тщательному химическом анализу и при этом 19 выяснилось, что помимо калия соль содержит хлористый представляющий в сравнительно большом количестве магний, я д для растений. Руководитель разработок каменной соли Круг Фон Нидда отправил образцы этих отбросных солей на различные химические заводы, запрашивая их, возможно ли соли калия освободить от примеси хлористого магния с тем, однако, чтобы стоимость этой очистки не слишком сильно отразилась на стоимости соли калия. Все ответы были настолько неблагоприятными, что сначала вопрос о применении отбросных солей был оставлен руководством соляных копей. Однако, когда производством калийных солей заинтересовались предприниматели, то ими в 1861 году был построен первый завод по перечистке солей, в 1863 году работало 4 таких завода, а в 1872г. на 33 германских заводах перерабатывалось свыше полумиллиона тонн сырой руды в год. Первоначально нежелательный и считавшийся не имеющим никакой цены побочный продукт производства вдруг был выдвинут на первый план и завоевал всеобщий интерес. Всё большее и большее число шахт в странах разрабатывает исходное сырьё не ради добычи каменной соли, но ради калийных солей. Калий содержится во всех растениях. Почти весь калий находится в растениях в ионной форме. Часть ионов находится в клеточном соке, другая часть поглощена структурными элементами клетки. Ионы калия участвуют во многих биохимических процессах, происходящих в растении. Калий входит и в плоды, и в корни, и в стебли, и в листья. Ещё одна характерная особенность : в молодых растениях больше калия, чем в старых. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть. Особенно сильно влияют ионы калия на процесс образования углеводов. Если калия не хватает, растение хуже усваивает углекислый газ, и для синтеза новых молекул углеводов ему недостаёт углеродного сырья. Одновременно усиливаются процессы дыхания и сахара, содержащиеся в клеточном соке, окисляются. Таким образом, запасы углеводов в растениях, 20 оказавшихся на голодном пайке(по калию), не пополняются, а расходуются. Плоды такого растения -это особенно заметно на фруктах- будут менее сладкими ,чем у растений, получивших нормальную дозу калия. Крахмалтоже углевод, поэтому и на его содержание в плодах также влияет калий. Но и это не всё -растения, получившие достаточно калия, легче переносят засуху и морозные зимы. Это объясняется тем, что калий влияет на способность коллоидных веществ растительных клеток поглощать воду и набухать. Не хватает калия - клетки хуже усваивают влагу, сжимаются и отмирают. Ионы калия влияют и на азотный обмен веществ. При недостатке калия в клетках накапливается избыток аммиака, что может привести к отравлению растения и его гибели. Одним словом, хочешь получить вкусные и хорошо сохраняющиеся плоды - корми растение калием вволю. А для зерновых калий важен ещё по одной причине - он увеличивает прочность соломы и тем самым предупреждает полегание хлебов. Растения ежегодно извлекают из почвы большое количество калия. Обеднённая калием почва нуждается в удобрении. Самое дешёвое (фактически даровое ) и в тоже время прекрасное по качеству удобрение - печная зола. В ней содержится калий в виде поташа. Состав золы растений далеко неодинаков. Больше всего калия содержится в золе подсолнечника-36,3% окиси калия. В золе дров окиси калия значительно меньше от 3,2% (еловые дрова)до 13,8%(берёзовые дрова). Еще меньше калия в золе торфа. Конечно, одной золой калийный голод не утолить. Самым важным калийным удобрением стали природные калийные минералы, в первую очередь, сильвинит и каинит. Сильвинит - очень распространённый минерал. Обычно в нём 14-18% окиси калия(сильвинит был открыт в Стасфуртских копях).В каините, представляюшем собой смесь сульфата калия и сульфата магния калия меньше- 10-12% К2O. Значительную часть природных калийных солей перерабатывают в технический продукт, содержащий 5062% окиси калия. В качестве калийного удобрения используется также не гигроскопичный и не слёживающийся сульфат калия. Это удобрение можно 21 применять на любых почвах. А ионы хлора, вносимые с хлористым калием, для некоторых почв нежелательны. Противопоказаны, они и некоторым растениям. Избыток ионов хлора снижает содержание крахмала в клубнях картофеля, ухудшает качество льняных волокон, а персики, виноград и цитрусовые делает более кислыми. Таким образом, удобряя землю хлористым калием, мы делаем всё для того, чтобы улучшить и ....ухудшить качество будущих плодов. Последнее можно избежать, если применять наиболее рациональные, химически обоснованные способы внесения калийных солей. Ионы хлора в отличие от ионов калия, почвой не поглошаются : они легко вымываются грунтовыми водами и уносятся в нижние горизонты. Поэтому, чтобы сохранить в почве калий, но убрать из неё хлор, нужно хлорсодержащие калийные удобрения вносить в почву осенью. Пока семена прорастут и корневая система начнёт усваивать ионы и з почвы, осенние дожди и талые воды успеют унести ионы хлора вглубь. Агрономы считают, что при благоприятных условиях один килограмм K2O даёт, в среднем, такие прибавки урожая : зерна - от 3 до 8 кг, картофеля-35 кг, сахарной свёклы-40кг. В нашей стране находятся самые богатые месторождения калийных солей в мире (район Соликамска-Березняков).В 1975г. было получено около 6 млн. тонн калийных удобрений. На севере республики Чили, у самой границы с Боливией, на восточном склоне Кордильер, простирается унылая, безжизненная пустыня Атакама. Эта обнажённая и холодная полоса тянется на сотни километров и на ней способны существовать лишь немногие растения и животные, так как необычайно сухой климат создаёт условия, невозможные для существования большинства живых существ. Недостатком атмосферных осадков и объясняется то обстоятельство что под тонким слоем песчаного покрова в почве этой области могут сохраняться мощные слои селитры. Когда в начале 18 века здесь были открыты месторождения селитры, то сначала это открытие не произвело какой-либо необыкновенной сенсации. Правда, селитра могла пригодиться на многое : её можно было использовать для 22 многих химических и технических процессов и в особенности, для изготовления чёрного пороха. Поэтому эти месторождения подверглись разработке лишь в небольшом количестве. Однако, положение вещей резко изменилось, когда определилось решающее значение селитры для сельского хозяйства, так как в то время она была единственным известным азотным удобрением. Только после этого было выяснено какое сокровище скрывает в своих недрах столь неблагословенная пустыня Атакама. Скоро между соседними республиками Чили и Боливией вспыхнула война. Республика Чили выиграла эту "селитряную войну" и приобрела тем самым монополию на использование величайшего в мире месторождения селитры. И скоро слой селитры, мощностью в 4 метра, так называемый "калише",стал разрабатываться в громадном масштабе. Из порта Иквикве отчаливали суда, доставлявшие удобрительную соль во все уголки заемного шара. Около конца 19 века по всей Европе распространилась ужасная весть о том, что месторождения селитры в Чили находятся на пороге их исчерпания. Это означало бы, что пропадёт единственной источник азотных удобрений и что, следовательно, минеральное удобрение для всех посевов окажется исчерпанным. Неизбежным следствием этого должно было быть понижение урожаев и вместе с тем ухудшение жизненного уровня народов Европы. Всегда оставалось мучительное ощущение, что когда-нибудь отложения селитры будут действительно исчерпаны и что люди живут, в сущности говоря, имея лишь некоторую отсрочку грядущего голода. Необходимость разрешения проблемы синтетического получения азотистых соединений из дешёвых и всегда имеющихся в большом количестве сырьевых ресурсов становилась всё более настоятельной. Мы живём на дне воздушного океана, который окружает нашу планету и состоит на 78-79% из азота. Над каждым квадратным метром земли находится около 8 тонн азота. Из куска атмосферы, расположенной над Москвой, можно было бы извлечь 9 миллионов тонн селитры, т.е.столько, сколько, по требованию нашего времени, могло бы обеспечить азотом весь 23 мир на 6000 лет вперёд. И вот мы узнаём удивительную вещь : эта громадная масса азота над нами недосягаема! И существует она в неизменяемом состоянии миллионы лет. Азот - один из самых инертных химических элементов, в атмосфере он не входит в соединения с другими элементами и существует целой массой с незапамятных времён в неизменяемом состоянии. Мы безостановочно вдыхаем и выдыхаем с воздухом азот, он необходим нашему организму, но он нами не усваивается из воздуха и мы должны получать его из других источников. Жить в воздушном океане и не получать из него азота - это судьба человека и животных. Это все равно, что стоять по горло в воде, которой нельзя утолить жажду. До сих пор прямо из воздуха люди получать азот не умеют и продолжают с трудом добывать его из земли, где азот находится в связанном состоянии. Он соединяется в почве с органическими остатками растений, животных и человека. С увядшим листом, с мёртвым телом, с кухонными отбросами, с навозом возвращается азот из белков живых организмов обратно в землю и превращается в соединение азота с водородом -аммиак. Острый запах в конюшнях, едкий запах клоак - то запах испаряющегося аммиака из разложившихся белков животных отбросов. В почве аммиак превращается в азотную кислоту, которая, соединяясь с натрием, калием, кальцием превращается в азотистые соли. Вот в этих соединениях нам и доступен азот. Однако есть его в таком виде человек не может, и без всякой пользы для себя он топтал бы азот ногами, если бы не было у человечества могучих и щедрых посредников растений. Растение всасывает, растворимые в воде азотистые соединения из почвы и с их помощью создает белки, которыми человек питается (в растительной пище),которые поедает скот на пастбище и передает нам в своём мясе. Растение -это единственный источник азота, который насыщает животных. Поэтому без растений невозможно существование животного мира. Но и растение, если оно растёт на безазотной почве, начнёт чахнуть, хотя и оно окружено воздушным океаном с большим количеством азота. Один 24 гектар ржи вытягивает ежегодно из почвы 30 кг.азота. Таким образом, в земной коре давно бы исчез весь азот, тем более, что его соли растворимы в воде и 40 млрд. кг. азота ежегодно уносится из почвы реками в моря и океаны. Следовательно, надо бы ожидать, что Земля всё беднеет, а моря и океаны всё обогащаются азотом. Однако это не так. Моря и океаны каким-то путём возвращают обратно суше полученный ими азот. Так же как вода реками и ручьями вливается в океан и, испаряясь, с ветрами и с облаками попадает в воздух, а оттуда с дождём возвращается обратно на Землю, так должен и азот возвращаться в почву и продолжать свой кругооборот в природе : из земли в море, из моря - в землю. Выдающийся писатель-сатирик Джонатан Свифт охотно издевался над бесплодием современной науки. В "Путешествиях Гулливера",в описании академии Лагадо, есть такое место: "В его распоряжении были две большие комнаты, загроможденные самыми удивительными диковинами; пятьдесят помощников работали под его руководством. Одни сгущали воздух в сухое плотное вещество, извлекая из него селитру".Сейчас селитра из воздуха вещь абсолютно реальная. Аммиачную селитру действительно делают из воздуха и воды. Проблема синтетического получения соединений связанного азота могла бы считаться разрешенной, если бы удалось получить окись азота, которая с кислородом воздуха тот час же соединяется с образованием бурой двуокиси азота. При взаимодействии с водой последняя полностью переходит в азотную к и с лоту. Всё это хорошо и понятно, но каким образом заставить несклонный вступать в какие-либо реакции азот взаимодействовать с кислородом, чтобы при этом образовалась окись азота. Промежуточным продуктом для такого процесса является аммиак Он образуется при сухой перегонке каменного бурого угля и является, таким образом, побочным продуктом каждого газового и коксового завода. Однако, те количества аммиака, которые при этом получаются недостаточны для удовлетворения потребности в нём. И в этом cлучае была поставлена задача производить 25 аммиак при более благоприятных условиях непосредственно из элементов, имеющихся в наличии в обильном количестве. Как ни прост на бумаге синтез аммиака всё же практическое осуществление его, особенно, в большом промышленном масштабе, представляет собой весьма сложную задачу. И вот Вильгельм Оствальд разработал метод, обеспечивающий образование нитрозных газов с достаточно большим выходом в присутствии платинового катализатора -в виде густой сетки, изготовленной и з тонкой проволоки. Получение азотной кислоты создало возможность для получения различных азотных удобрений. Это, во-первых, аммиачная селитра, производимая при нейтрализации азотной кислоты гидроокисью аммония. Эта соль представляет собой весьма ценное азотное удобрение в виду значительного содержания в ней азота (около 35%). Важно, что азот содержится в ней в виде азота нитратного и азота аммиачного в соотношении 50:50.В то время как нитратный азот тотчас может быть усвоен растениями и, следовательно, может быть сравнительно быстро исчерпан, аммонийный азот сохраняется в почве в течение более продолжительного времени и переводится в нитратную форму благодаря жизнедеятельности бактерий. Тем не менее нитрат аммония используют иногда не так часто, так как он при некоторых условиях имеет взрывчатые свойства. Поэтому иногда эту соль смешивают с другим азотным удобрением-сульфатом аммония, получаемым при нейтрализации серной кислоты гидроокисью аммония или путём конверсии фосфогипса газообразными аммиаком и углекислым газом. При этом получают т.н."лейна-селитру"или сульфатно-аммонийную селитру,которая столь же активна в качестве удобрения, но совершенно безопасна с точки зрения её взрывчатости. При взаимодействии азотной кислоты с соответвующими солями натрия, калия или кальция образуются натриевая селитра, калиевая селитра или кальциевая т.н."норвежская"селитра, которые также применяются в качестве удобрений. Кроме того, аммиачный азот входит в г.состав сложных комплексных удобрений (об этом говорилось ранее) аммофоса и диаммофоса. 26 Прошло много лет с того времени, когда немецкий химик Либих своими работами по сельскохозяйственной химии обратил внимание на значение химии для сельского хозяйства, с того времени, когда химики усиленно начали интересоваться вопросами сельского хозяйства, питания растений, удобрений и почвоведения. И, если в настоящее время в наших густонаселённых областях пашни доставляют не только постоянные, но и всё увеличивающиеся урожаи, т о это является теперь заслугой не только земледельцев, но и заслугой химиков, работников химических предприятий. Больше, чем когда-либо, теперь уместно сказать: " соль переходит в хлеб". 27 Библиографический список 1.Популярная библиотека химических элементов. Водород-хром. Издание подготовлено редакцией журнала АН СССР «Химия и жизнь». Издательство «Наука». М., 1971, 357 стр. 2. Популярная библиотека химических элементов. Марганец- олово. Издание подготовлено редакцией журнала АН СССР «Химия и жизнь». Издательство «Наука». А., 1972, 317 стр. 3.Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М., 1983, 168 стр. 4. Андреева Е. Химия жизни. Издательство «Детская литература». Л., 1967, 190 стр. 28
