Минеральное питание растений и почва

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.

Продолжение следует