Соль вместо масла

Представляя Санкт-Петербургской Академии свое "Введение в истинную физическую химию", Ломоносов заметил: "Вместо вояния зверий диких наполнится пространство ваше гласом веселящегося человека и вместо терния пшеницей покроется. Но тогда великой участнице в населении вашем - химии - возблагодарить не забудьте" [Ломоносов, 1949. Собр. соч., т. VII, с. 50].

В XIX столетии считали, что именно эта наука окажется панацеей от всех бед земледельца. Но кроме выдающихся открытий - новых элементов, химики принесли в XIX в. и ошибки, одной из которых была гумусовая теория. Заблуждения ученых объяснялись еще и тем, что они плохо знали окружающую природу. Ведь цель их изысканий подчас сводилась к выявлению состава вещества, находящегося в колбе. А методы химиков начала XIX столетия не отличались точностью. Именно тогда англичанин Гумфри Дэви и предложил подкармливать растения... маслом.

Анализы, проведенные учеными, показывали: перегной состоит из водорода, углерода и кислорода. Азот же обнаружить не удалось. Вот и получалось, что сельскохозяйственным культурам для успешного роста необходимы вещества близкого состава, а ими были жиры. Потому-то навоз и компосты ценились по жирности, маслянистости. Минеральным же частичкам отводили роль стимуляторов. Они обеспечивали, по мнению агрономов, "более веселый рост растений" [Ярилов, 1907, с. 372-377].

Как известно, эксперименты не только создают теории, они же их и разрушают. Первым подкоп под теорию гумусового питания растений сделал Дэви. И хотя он не сомневался в правильности тэеровского учения, все же однажды заметил, что "почвы, которые содержат более всего глинозема и углекислой извести, суть в то же время такие, которые обладают наибольшей энергией в сохранении удобрений". Получалось, что глинозем задерживает органические вещества. Сделать же это, возможно, он мог лишь одним способом, вступив с ними в соединение. Возможна ли такая связь? Безусловно. Сегодня подобные вещества называются органоминеральными. И первооткрывателем их стал ученый, твердо веривший в замкнутый круговорот органических соединений: из почвы в растения и обратно.

Итак, первое допущение сделано: мир минеральный и мир живой не изолированы, между ними существует связь, они взаимодействуют. Но Дэви продолжает поиски. Он прокаливает на огне различные "минералы и земли". В результате образцы из темных становятся белыми, светлеют, трескаются, когда их поливают водой. Эксперименты крайне просты. Однако Дэви важно знать, как из разных горных пород образуется песок, глина, щебень, т. е. минеральная основа почвы, кто нагревает и разрушает скалы в естественных условиях? Конечно же, солнце и вода. А если в последней содержится еще углекислота, то разложение идет быстрее. Дэви знает, в природе есть не менее могущественные разрушители - примитивные мхи и лишайники. Итак, допущение второе: живые организмы способны перестраивать мир минералов, превращать его в почву, которая настолько улучшается, что в ней могут вегетировать и высшие растения. Еще одно усилие - и можно было бы доказать, что гумус не единственный кормилец трав и деревьев. Но теория Тэера осталась подправленной, но неопровергнутой [Ярилов, 1907].

Трудно представить, сколько времени потребовалось бы ученым, чтобы преодолеть "гумусовое заблуждение". После Дэви над органическим веществом экспериментировали Г. Я. Берцелиус, Г. Мульдер, К. Шпренгель, не подозревавшие, что в нем, кроме уже известных водорода, углерода и кислорода, находятся соединения азота.

И вдруг теория, не вызывавшая сомнений в течение полутора столетий, рухнула. Все трактаты, посвященные ей, забыты. Ученые и сельские хозяева превозносят новое агрономическое чудо. Его название - "Химия в приложении к земледелию и физиологии". Автор - Юстус Либих. Он резок в суждениях, смел в выводах, прекрасный оратор и популяризатор. Его книга доступна каждому.

"Либих, - писал академик Д. Н. Прянишников, - по окончании своей экспериментальной деятельности по основным вопросам химии стал мыслителем в вопросах сельского хозяйства, но сам он не работал с растениями; он шел преимущественно дедуктивным путем, исходя из общих законов химии и основываясь на ранее известных фактах; он блестяще сопоставлял их; он писал для широких кругов, в форме популярной и часто остро полемической, и быстро приобрел широкую известность... но сам... нередко делал ошибки, преждевременно перенося в практику то, что еще не было достаточно освещено научным экспериментом" [Прянишников, 1963, т. 1, с. 11].

Аргументация Либиха проста. Если растение кормится перегноем, то последний должен быть растворен в воде. "Допустим, - писал он, - что все количество воды, выпадающей с осадками, поступает растениям, не тратясь на прямое испарение с поверхности земли, просачивание в землю" [Там же, с. 13]. И тут оказывается, что всей этой влаги явно недостаточно для извлечения малой толики того углерода, что так необходим растениям. Есть и доказательства. Опыты от Соссюра до Шпренгеля подтверждают: в воде растворяются лишь сотые доли органического вещества. Где же взять недостающий углерод? Разумеется, из воздуха. Но тогда получается, что перегной не единственный кормилец растений?! Более того, торжествует Либих, первые растения питались лишь атмосферным углеродом, так как гумус есть продукт разложения растений. Следовательно, перегной не нужен ни травам, ни деревьям? У Либиха нет сомнений: неорганическая природа доставляет растениям их первичную пищу. Гумусу он отводит весьма скромную роль поставщика углекислоты для разрушения минералов. Итак, вывод первый: соли вместо масла.

За первым выводом следовал второй: однообразие культур истощает почву. Тут надо заметить, что поверженные "гумусники" иногда высказывали дельные мысли. Заботясь о сохранении перегноя, они предлагали чередовать культуры "обременительные" и "необременительные" для земли, например пропашные, яровую пшеницу, клевер, озимую пшеницу, овес, т. е. вводить севообороты. Пшеница оставляла мало корней в почве, а бобовые - много. Вот дебет с кредитом и сходились.

Либих лишь посмеялся над "алхимическими бреднями" своих предшественников. Он считал, что раз растения берут из почвы только минеральные вещества, причем каждое из них поедает лишь определенные соли и соединения, то ни одно растение не может обогащать землю для других культур. Либих поясняет: горох потребляет много извести, хлеба - кремнекислоту, другие берут калий и фосфор. Значит, чередованием мы только замедлим процесс, более равномерно используем запас питательных веществ пашен. Но рано или поздно поля все равно истощатся, если мы не будем возвращать то, что отобрали у них.

Но как же быть с навозами и компостами? Разве они не восполняют то, что было взято с урожаями? Либих считает, что нет. Ведь на корм и подстилку скоту идет солома, а зерно хозяева увозят в город. Выходит, почва получает лишь то, что накопили листья и стебли, а то, что досталось зернам, например фосфорная кислота, безвозвратно теряется. Отсюда у Либиха такое болезненное увлечение фосфатами. Он убежден: земля в первую очередь обедняется ими. И с них человек должен начинать восстанавливать плодородие полей.

"Это правило, - писал Д. Н. Прянишников, - стало известным под названием закона минимума. Следует, однако, заметить, что в основном своем сочинении Либих вовсе не употреблял выражение "закон минимума"... само положение о доминирующем значении элементов, находящихся в минимуме, понималось как относительное, что можно видеть из такой фразы: "Элемент, полностью отсутствующий или не находящийся в нужном количество, препятствует прочим питательным соединениям произвести их эффект или, по крайней мере, уменьшает их питательное действие"... Либиховский "закон минимума" является следствием незаменимости элементов пищи растений друг другом... калия фосфорной кислотой или известью" [Там же, с. 70].

Сегодня, говоря о Либихе, вспоминают в основном теорию выноса и возврата. Между тем в его "Химии в приложении к земледелию", как и в остром полемическом труде "50 тезисов", немало и других интересных мыслей. Почва, отмечал он, "может считаться вполне плодородной для того или иного вида растений... если каждая из частиц ее, соприкасающихся с корнями, содержит все необходимые питательные вещества, и притом в такой форме, которая позволит корням усваивать эти вещества на любом этапе развития растений" [Там же]. Здесь немецкий химик писал об особых состояниях веществ в почвах. Одни из них, отмечал он, годятся в пищу травам и деревьям, другие - нет. Немногие из его современников разбирались в таких тонкостях.

Позже, когда многое из того, что обещал Либих земледельцам, так и не сбудется, в адрес бывшего триумфатора посыпятся упреки и критики назовут его подход к оценке плодородия почв "узким". На самом деле Либих всегда подчеркивал: "Когда сельские хозяйства обменивались добрыми советами или предлагали... улучшения, ими не принимались во внимание такие важные моменты, как географическая широта, расположение... местности или страны, высота ее положения над уровнем моря, годовое количество осадков, распределение их по отдельным временам года, средние температуры весны, лета и осени... и, наконец, физические, химические и геологические свойства почвы" [Там же, с. 71].

И все же Либих нередко допускал грубые просчеты. Один из них - вопрос об азоте. Он знал, что воздух содержит очень мало его солей - аммиака и нитратов, и тем не менее заключил, что земля получает их с осадками достаточно. В результате в его работах важнейшая проблема агрохимии и почвоведения не нашла решения. Другая ошибка вытекала из первой. С точки зрения немецкого химика, навоз был ценен лишь золой. Поэтому всюду он рекламировал свое "патентованное удобрение", основу которого составляли соли фосфора. "Если бы Либих был прав, - писал его оппонент Жан-Батист Буссенго, - то какими же непрактичными людьми оказались бы мы, сельские хозяева, тратящие столько труда на вывозку сотен возов навоза, когда достаточно было бы, по Либиху, вывезти всего лишь один воз золы" [Там же, с. 71-72].

Кто такой Буссенго? В первой половине XIX в. лишь немногие знали скромного профессора Лионского университета. Еще меньше было известно о причинах, побудивших его заниматься "бухгалтерией" азота в почвах и растениях. А все началось с того, что выпускник горной школы Сент-Этьена, напутствуемый Александром Гумбольдтом, решил применить свои знания в Южной Америке. В то время этот малоизученный континент был объят огнем освободительных войн. Когда Буссенго вручал рекомендательное письмо Симону Боливару, кругом свистели пули и рвалась шрапнель. Народный герой, просмотрев послание Гумбольдта, ответил, что в данный момент легче может предложить молодому человеку чин офицера, чем звание горного инженера. И Буссенго не раздумывая вступает в ряды армии, боровшейся за независимость. Годы, проведенные в походах и битвах, не помешали ему собрать удивительный материал о природе тропиков. Главным чудом, поразившим Буссенго и определившим его дальнейшую судьбу, были залежи чилийской селитры. Горный инженер впервые в своей жизни видел бесценное месторождение, появившееся не из недр земных, а созданное многовековым напластованием птичьего помета - гуано. Этот "минерал" обладал одним поразительным свойством: даже небольшая ею добавка к безжизненным пескам превращала их в плодородные поля, дарившие богатейшими урожаями кукурузы. Как Буссенго удалось соорудить у себя в палатке лабораторию, до сих пор остается тайной. В ней он делает свои первые шаги в агрономической химии, определяет, что гуано состоит почти исключительно из аммонийных солей.

Именно тогда Буссенго задумывается о почвенном плодородии и той роли, которую играет в нем азот. Много позже, в 1836 г., он начинает широкие эксперименты. Ежегодно сотни проб листьев, корней, клубней, стеблей, зерна, удобрений взвешиваются им с аптекарской точностью. Затем их сжигают и опять несут на весы. Дальше наступает очередь колб и реторт. В итоге составляется "бухгалтерский" баланс за год, два, пять лет. Уже через год Буссенго провозглашает свой первый закон: среди удобрений наибольший эффект приносят те, что богаче соединениями азота.

Если опыты подтвердили его мнение о значении компостов и навоза, то попадались результаты анализов, заставлявшие задуматься. Буссенго ожидал, что в растениях углерода окажется заметно больше, чем его попадало в почву с удобрениями. Ведь растения могут поглощать его из воздуха. Однако поведение азота обескураживало. Выходило, что сельскохозяйственные культуры вытягивали из земли в несколько раз больше этого элемента, чем его туда вносили. Значит, в почве есть еще какой-то накопитель азота? Его внимание привлек клевер. Еще в Древнем Риме бобовые помогали поддерживать высокие урожаи. Оставалось узнать, как?

Буссенго рассуждает: "...если культуры, вообще говоря, истощают почву, то есть между ними и такие, которые делают ее более плодородной; таков, например, клевер... Нужно думать, что культуры, улучшающие почву, не ограничиваются обогащением ее только углеродом, водородом и кислородом, но также и азотом" [Там же, с. 80]. И тут возникает другой вопрос: откуда клевер берет азот? Буссенго обращается к уже известному нам круговороту по Тэеру. "Я замечу, - писал он, - что этот метод основан на принципе... что истощение почвы пропорционально количеству питательных веществ в урожае; ...допустить принцип, принятый этим знаменитым автором, значит молчаливо признать, что все органическое вещество происходит из почвы. Почва, несомненно, способствует... развитию растений, но воздух... наравне с почвой участвует в этом" [Там же, с. 80].

Вот еще один путь накопления азота в плодородном слое. Буссенго видел в круговороте веществ значительно больше "действующих лиц", чем его современники, и в частности сам Либих. Однако косвенные данные и логические построения все меньше и меньше устраивают Буссенго. И он ставит эксперимент, который должен подтвердить его правоту. В прокаленный песок высаживаются четыре культуры: клевер, горох, пшеница и овес. Через три месяца в песке под клевером накапливается 42 мг, а под горохом 55 мг азота сверх контрольной нормы. Пшеница не дала ничего, овес "умудрился" воспользоваться даже теми крохами азота, что остались в песке. Но последнее звено в поглощении азота из воздуха французскому ученому так и не удалось открыть. Впрочем, это не его вина. О почвенных бактериях в ту пору было мало что известно. Лишь полвека спустя Г. Гельригель выяснил, в чем заключается механизм поглощения азота. В книге В. Оствальда "Великие люди" ученые делятся на два типа - классиков и романтиков. "Классики, - писал он, - медлительны, застенчивы, робки, тяжеловесны. Романтики быстры, дерзки, ослепительны и легкомысленны. Отсюда происходит склонность классиков к одиночеству, а романтиков к общительности. Классики уходят в себя, а романтики пленяют на лекции, блистают в обществе, нанося меткие удары в споре, и стремятся занять центральное положение. Поэтому превосходных учителей мы встречаем среди романтиков, тогда как классики оставляют глубочайшие и нестираемые следы в деле исследований" [Там же, с. 90].

Именно такие глубочайшие и нестираемые следы оставил после себя Буссенго. Именно таким спорщиком и прекрасным учителем был Либих. И именно оба этих ученых положили начало одной из отраслей почвоведения - почвенной химии.