Агрохимия — основы для агроклассов
Агрохимия — наука о питании растений, химических процессах в почве и применении удобрений. Она изучает, как вещества переходят из почвы и удобрений в растение, и отвечает на вопросы агронома: каких элементов не хватает полю, какое удобрение выбрать, когда и как его вносить, чтобы получить высокий урожай хорошего качества и не навредить почве и воде. Агрохимия стоит на стыке химии, биологии и почвоведения; в школе её основы изучают в агроклассах и на курсах по выбору в 9–10 классе.
Что изучает агрохимия
Основатель отечественной агрохимии академик Д. Н. Прянишников описывал её предмет как взаимодействие трёх участников: растение — почва — удобрение. Отсюда основные разделы науки:
- питание растений — какие элементы нужны растению, в какой форме и на каком этапе роста;
- химия почвы — состав почвенного раствора, кислотность, поглощение ионов почвенными частицами, превращения соединений азота, фосфора и калия;
- удобрения — их состав, свойства, превращения в почве, способы и сроки внесения;
- химическая мелиорация — известкование кислых и гипсование засолённых почв;
- агроэкология — как не допустить вымывания нитратов и фосфатов в водоёмы и накопления вредных веществ в продукции.
Агрохимия и почвоведение — родственные науки. Почвоведение изучает почву как природное тело: её происхождение, строение, типы. Агрохимия — то, как управлять плодородием почвы с помощью удобрений и мелиорантов. Поэтому в аграрных вузах их часто объединяют в одно направление подготовки — «агрохимия и агропочвоведение».
Основы агрохимии: плодородие, гумус и перегной
Плодородие — способность почвы обеспечивать растения водой, воздухом и элементами питания. Различают естественное плодородие, созданное природой, и эффективное — то, которое реально используется с учётом обработки почвы и удобрений.
Главный носитель плодородия — гумус. Он образуется, когда микроорганизмы перерабатывают отмершие корни, листья, остатки животных. Часть органики минерализуется до углекислого газа, воды и солей, а часть превращается в устойчивые тёмные высокомолекулярные вещества — гуминовые кислоты и фульвокислоты. Этот процесс называют гумификацией, и идёт он годами. Гумус склеивает частицы почвы в комочки и удерживает влагу, а его кислотные группы, как ионообменник, удерживают катионы K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺. Медленно разлагаясь, гумус отдаёт растениям азот и другие элементы.
Перегной — не то же самое, что гумус. Это удобрение: навоз или компост, который пролежал год-два и перепрел в рыхлую тёмную массу. Перегной вносят, чтобы пополнить запас органического вещества, из которого в почве потом образуется гумус.
Агроценоз — искусственное сообщество организмов, созданное человеком: поле пшеницы, сад, огород. В отличие от природной экосистемы, из агроценоза каждый год уходит урожай вместе с элементами питания. Если их не возвращать, плодородие падает. Возвращать их с умом — главная задача агрохимии.
История агрохимии
- Гумусовая теория (конец XVIII — начало XIX века). Немецкий агроном А. Тэер считал, что растения питаются гумусом. Теория объясняла, почему плодородны тёмные почвы, но не объясняла, откуда берётся углерод растения.
- Теория минерального питания. В 1840 году немецкий химик Ю. Либих опубликовал книгу о применении химии в земледелии. Он доказывал, что из почвы растение берёт минеральные вещества, а углерод — из углекислого газа воздуха. Либих сформулировал закон возврата: элементы, унесённые урожаем, нужно вернуть в почву. Он же сделал широко известным закон минимума: урожай ограничен тем элементом, которого не хватает больше всего. Его иллюстрируют бочкой с досками разной высоты — вода вытекает через самую короткую.
- Полевые опыты. Ж. Б. Буссенго во Франции ставил опыты прямо в поле и изучал азотное питание растений. В России в 1860-х годах Д. И. Менделеев организовал опытные поля с удобрениями в нескольких губерниях.
- Физиология растений и почвоведение. К. А. Тимирязев изучал фотосинтез и развивал вегетационный метод; В. В. Докучаев создал научное почвоведение и описал русский чернозём.
- XX век. Д. Н. Прянишников исследовал азотное питание и превращения аммиака в растении и создал школу агрохимиков. Ф. Габер и К. Бош разработали промышленный синтез аммиака из азота воздуха, после чего азотные удобрения стали массовыми.
Методы агрохимии
| Метод | Как проводят | Что даёт |
|---|---|---|
| Полевой опыт | поле делят на делянки: на одни вносят удобрение, другие оставляют контрольными; повторяют несколько лет | действие удобрения в реальных условиях погоды и почвы |
| Вегетационный опыт | растения выращивают в сосудах с почвой, песком или питательным раствором в вегетационном домике | точный ответ на один вопрос — например, что будет без фосфора |
| Лабораторный анализ | химический анализ почвы, растений и удобрений: pH, гумус, азот, фосфор, калий, микроэлементы | цифры, по которым рассчитывают удобрения |
| Лизиметрический опыт | почву помещают в сосуды-лизиметры и собирают воду, просочившуюся сквозь неё | сколько элементов вымывается из почвы |
| Метод меченых атомов | в удобрение вводят изотоп, например ¹⁵N или ³²P, и прослеживают его путь | какая доля элемента удобрения попала в растение |
Сегодня к ним добавились агрохимическое обследование полей с картами кислотности и содержания элементов, приборы для быстрого анализа листьев и снимки из космоса, по которым видно, где посевы растут хуже. Школьный вариант лабораторного метода — практическая работа «Анализ почвы», а вегетационного — выращивание растений в горшках с разной почвой.
Агрохимия в школе: 9 и 10 класс
Отдельного предмета «агрохимия» в обычной школьной программе нет, но её темы встречаются в курсе химии, а в агроклассах и профильных группах из них составляют курсы по выбору — например, «Агрохимия» для 10 класса или практикум по агрохимии.
- 8 класс — почва как смесь, растворы и массовая доля, кислоты, основания, соли, индикаторы: анализ почвы, кислотность почвы.
- 9 класс — электролитическая диссоциация и ионные реакции, азот, аммиак, соли аммония, азотная кислота, фосфор и фосфаты: минеральные удобрения и их распознавание, азот, фосфор и калий в питании растений.
- 10 класс — органическая химия: карбамид, аминокислоты и белки, углеводы как продукт фотосинтеза, органические пестициды.
Практикум по агрохимии удобно собирать из опытов, которые можно сначала отработать в виртуальной лаборатории: определение среды растворов индикаторами, реакция карбонатов с кислотой (опыт «Углекислый газ»), обнаружение иона аммония по аммиаку, сульфат- и хлорид-ионов — по осадкам, калия — по окраске пламени (опыт «Окраска пламени»). Готовый план занятий — на странице «Агрокласс: программа и материалы для учителя».
Главные реакции агрохимии
Ниже — реакции справочника с меткой «Агрохимия»: синтез аммиака и азотных удобрений, получение суперфосфата и аммофоса, превращение карбамида в почве, бордоская жидкость, фотосинтез. Каждая ссылка ведёт на страницу реакции с условиями проведения, признаками и балансом атомов.
- CuSO₄ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + CaSO₄ОбменаАгрохимия
- N₂ + O₂ ⇄ 2NOСоединенияОВРВ природе и бытуАгрохимияt° (эл. разряд)
- 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑Другого типаОрганическаяОВРВ природе и бытуАгрохимияhν, хлорофилл
- NH₂COONH₄ → CO(NH₂)₂ + H₂OРазложенияПроизводствоАгрохимияt
- CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂OОбменаАгрохимия
- 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄СоединенияПроизводствоАгрохимия
- CO(NH₂)₂ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃Другого типаГидролизАгрохимияфермент уреаза
- 3KOH + H₃PO₄ → K₃PO₄ + 3H₂OОбменаНейтрализацияАгрохимия
- NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃СоединенияПроизводствоАгрохимия
- CO(NH₂)₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2NH₃↑Другого типаКачественнаяАгрохимияt
- (NH₄)₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NH₄ClОбменаКачественнаяАгрохимия
- NH₃ + H₃PO₄ → NH₄H₂PO₄СоединенияПроизводствоАгрохимия
- 2CO(NH₂)₂ → C₂H₅N₃O₂ + NH₃↑Другого типаАгрохимияt
- K₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2KClОбменаКачественнаяАгрохимия
- Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ → 3Ca(H₂PO₄)₂СоединенияПроизводствоАгрохимия
- 2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄Другого типаОВРАгрохимиясеробактерии
- KCl + AgNO₃ → AgCl↓ + KNO₃ОбменаКачественнаяАгрохимия
- N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃СоединенияОВРКаталитическаяПроизводствоАгрохимияt°, p, кат. Fe
- KOH + H₃PO₄ → KH₂PO₄ + H₂OОбменаНейтрализацияАгрохимия
- 2NH₃ + CO₂ → NH₂COONH₄СоединенияПроизводствоАгрохимияp, t
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Окраска пламени
Петлю с солью вносят в пламя: Na⁺ — жёлтое, K⁺ — фиолетовое, Cu²⁺ — зелёное.
Читайте также
Частые вопросы
Что изучает агрохимия?
Питание растений, химические процессы в почве и применение удобрений и мелиорантов. Её цель — высокий урожай хорошего качества при сохранении плодородия почвы и чистоты окружающей среды.
Чем гумус отличается от перегноя?
Гумус — органическое вещество самой почвы, которое годами образуется из растительных остатков. Перегной — удобрение, перепревший навоз или компост; из него в почве потом образуется гумус.
Кто основал агрохимию?
Теорию минерального питания растений заложил немецкий химик Юстус Либих в 1840-х годах. Основателем отечественной агрохимии считают Д. Н. Прянишникова.
Что такое закон минимума?
Урожай ограничивает тот элемент питания, которого не хватает больше всего. Если в почве мало фосфора, избыток азота и калия урожай не поднимет — сначала нужно восполнить фосфор.
Что такое агроценоз?
Искусственное сообщество организмов, созданное человеком: поле, сад, огород. С урожаем из него каждый год уходят элементы питания, и без удобрений плодородие почвы снижается.