|
Растительность почти сплошь покрывает поверхность суши. Только сыпучие пески пустынь и ледяные панцири приполярных территорий лишены зеленого покрова. Несмотря на столь широкое распространение и важную роль растений, процесс их образования долгое время был загадкой. Рост животного происходит за счет использования других организмов: живое из живого. Но дерево, растущее на безжизненном камне, казалось чудом — из неживого вещества образуется цветущее растение.
К началу XIX в. о развитии растений были высказаны самые различные предположения, как правдоподобные, так и фантастические. Однако ни те, ни другие не могли быть доказаны. Самый трудный вопрос, который ставил в тупик и ученых, и практиков, заключался в том, как происходит питание растений. Что берут они из окружающей среды, чтобы построить ткани своего организма?
В настоящее время хорошо известно, что растения в основном состоят из сложных соединений углерода и воды, что в процессе своей жизнедеятельности они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Но двести лет назад этого не знали. Только в конце XVIII в. французский ученый А. Лавуазье обнаружил явление эквивалентного обмена кислорода и углекислого газа растениями и ввел количественный учет в изучении химических реакций. На основании опытов А. Лавуазье, Дж. Пристли и других ученых того времени можно было сделать вывод, что важнейший химический элемент — углерод — растения поглощают из воздуха. Однако такое предположение многим представлялось невероятным. Сама мысль о том, что из воздуха возможно что-либо создать, кроме воздушных замков, казалась абсурдной.
На основании тысячелетнего опыта люди убедились в том, что урожай сельскохозяйственных культур зависит от внесения в почву органических удобрений: навоза, торфа, перегноя. Поэтому стали думать, что растения берут все необходимое для своего роста из почвы. Так как урожай увеличивался по мере возрастания в почве перегноя, то предположили, что растения питаются органическими веществами почвы, так называемым гумусом. Теория гумусового питания растений была широко распространена в начале XIX в.
Правда, помимо органического вещества и воды, в растениях присутствуют минеральные соединения, которые остаются в золе после сгорания растений. Но состав зольных элементов не привлек внимания ученых. Некоторые из них предполагали, что сами растения производят эти элементы в процессе жизнедеятельности.
Таково было состояние науки к 1840 г., когда появилась книга выдающегося немецкого химика Ю. Либиха «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии». Эта книга необычна во многих отношениях. Она посвящена не отдельным вопросам теории и практики сельского хозяйства, хотя они подробно рассматриваются. Речь в ней идет о судьбах стран и народов, о перспективах, которые открываются благодаря разумному вмешательству человека в стихийный круговорот химических элементов. Позже человечество занесет в золотой фонд науки лучшие из работ Ю. Либиха, а К- Маркс в 1867 г. назовет их бессмертной заслугой.
Для разрешения проблемы питания растений Ю. Либих точными методами химического анализа изучил состав основных органов растений и животных, продуктов их жизнедеятельности, почвы. По существу он впервые применил метод сопряженного анализа, широко используемый современной геохимией. Этот метод заключается в том, что анализу подвергается не изолированный организм, а весь комплекс природных образований, с которыми он тесно связан. В первую очередь интерес представляет почва, на которой произрастает растение, и вода, которую оно поглощает.
Ю. Либих доказал, что химические элементы, необходимые для развития растений, поступают двумя путями. Углерод поглощается из воздуха в составе оксида углерода (IV): при этом растение выделяет равное по объему количество кислорода. Зольные элементы поступают в растворенном состоянии из почвы. Многочисленные химические анализы подтвердили, что растения усваивают вполне определенные химические элементы независимо от состава почвы. Основываясь на твердо установленном факте постоянного присутствия в золе фосфора, калия, железа, кремния, кальция и магния, Ю. Либих сделал вывод о том, что эти элементы не случайные, а необходимые для развития растений. Позже он произвел следующий эксперимент: помещал семена растений в инертную череду — чистый кварцевый песок, куда добавлял только дистиллированную воду, лишенную минеральных солей. Растения, конечно, не развивались, хотя вода, теплота и свет были обеспечены. Так было доказано, что без зольных элементов нормальное развитие растений невозможно.
Растения избирательно поглощают из почвы определенные химические элементы, но их накопление не беспредельно. Значительная часть этих элементов концентрируется в отмирающих органах растений. Под воздействием микроорганизмов они разрушаются, и поглощенные химические элементы освобождаются и вновь захватываются растениями. В результате происходит закономерная миграция зольных элементов в системе почва - растение почва, получившей название биологического круговорота. Конечно, в этом случае захватываются не все зольные элементы, поступившие в почву с опадом. Одна их часть задерживается в почве в составе нерастворимых соединений, другая — удаляется с фильтрующимися водами. Таким образом, одновременно с круговоротом газов и воды между растительностью, с одной стороны, и атмосферой и гидросферой — с другой, происходит биологический круговорот зольных элементов.
Теоретическое значение работы Ю. Либиха трудно переоценить. Он первый приступил к изучению «великого круговорота» химических элементов в природе и наметил пути решения этой проблемы. Минеральные образования и живые организмы стали рассматриваться не изолированно, а во взаимосвязи. Более ста лет ученые изучают содержание химических элементов в растениях. В результате этого настойчивого труда собран огромный фактический материал, установлены закономерности распределения химических элементов в распространенных растениях. Учитывая биологическую продуктивность основных растительных сообществ, можно определить количество химических элементов, вовлеченных в биологическую миграцию из почвы.
При этом следует учесть, что из почвы растения получают не только зольные элементы, но и азот. При сгорании органического вещества этот элемент не остается в составе золы, а образует газообразные оксиды, уходящие в воздух. Вот почему при оценке миграции питательных веществ, поступающих из почвы в растение, необходимо учитывать как зольные элементы, так и азот, который остался вне внимания Ю. Либиха. Это была большая ошибка, усугубляющаяся тем, что азот играет исключительно важную роль в живых организмах.
Как видно из данных, приведенных в таблице 19, наибольшее количество азота и зольных элементов содержится в биомассе лесной растительности. Почти во всех типах растительности сумма зольных элементов в 2—3 раза превышает массу азота. Исключение составляет тундровая растительность, в которой азота и зольных элементов примерно одинаково. Количество оборачивающихся в течение года элементов (т. е. емкость биологического круговорота) наибольшее во влажных тропических лесах, затем — в черноземных степях и широколиственных лесах умеренного климата (в дубравах).
В заключение этого раздела уместно задать вопрос: как велик биологический круговорот в системе почва - растение почва? Иными словами, сколько азота и зольных элементов вовлекается в этот цикл миграции на протяжении года? Проведенные Н. И. Базилевич подсчеты показали, что масса азота, связанного в биомассе суши, составляет 14 020 млн. т, а зольных элементов — 34 062 млн. т. Это в тысячи раз больше, чем содержится этих элементов в фитопланктоне Мирового океана. Для создания годовой продукции вся растительность суши вовлекает 2 562 млн. т азота и 2 762 млн. т зольных элементов. В биомассе фитопланктона Мирового океана этих элементов в тысячи раз меньше. Однако благодаря многократному воспроизводству организмов планктона через них на протяжении года проходит элементов больше, чем на суше: азота — 2 762 млн. т, зольных элементов — 12 274 млн. т.
Если вспомнить, что годовой ионный сток со всей суши равен 2 543 млн. т (с. 67), то можно сделать вывод, что суммарный итог геохимической деятельности живых организмов не только не уступает, но превышает водную миграцию. Еще в начале текущего столетия ученые думали, что количество химических элементов, участвующих в циклическом движении между почвой и растительностью, значительно меньше количества элементов, мигрирующих с водами суши в океан. Поэтому биологический круговорот был назван малым, а круговорот элементов между океаном и сушей — большим. Имеющиеся факты заставляют пересмотреть это представление. Биологический круговорот оказался не меньше (а может быть, и больше), чем водная миграция.
|