Осы бағытта алғашқы болып тәжірибелік зерттеулер жүргізгендердің бірі голландия ғалымы Я.Б. Ван- Гельмонт болды (1629) ж. Ол өз тәжіребесіндеталдың бір кішкене өркенін алып, ішіне белгі мөлшерде топырақ салынған жәшікке өсімдік отырғызып , бес жыл бойы өсімдікті әлсін -әлсін жаңбыр суымен , немесе қайнатылған сумен суарып өсірді. Тәжірибенің соңында өсімдік пен топырақты қайта өлшеп , өсімдік салмағының 33 есе артқандығын , ал топырақ салмағы небәрі 50-60 грамға кемігенін байқады.Осыған байланысты өсімдік негізінен сумен ғана қорек тенеді деген қорытынды жасады.
Оның тәжірибелерінің нәтижесі өсімдіктің сыртынан қабылдаған заттары денесінде күрделі өзгерістерге түсетіндігі туралы көзқарас туғызды ,
Содан бастап , өсімдіктің қоректенуіне ең маңызды орта – топырақ екендігі туралы деректер жинақталды.
Батыс Еуропада XVIII ғасырдың соңы XIX ғасырдың алғашқыкезеңдерінде қоректенудің тағы бір түрі“ гумустық (қара шіріктік ) теориясы ” кең орын алаы.Осы теорияны негізгі жақтаушылардың бірі неміс ғалымы А. Тэер топырақтың құнарлығы қарашірікке (гумусқа) байланысты , себебі ол су мен қатар өсімдік үшін негізгі қорек болып есептеледі деді .
Тэер және осы теорияның басқа жақтаушылары топырақтағы минералдық заттар органикалық қосылыстардың ыдырауы жеңілдетіп, олардың өсімдікке оңай сіңетін күйге ауыстырылатын қосалқы маңыз атқарады деген қорытынды жасады .
Сол кездердің өзінде ғана Буссенго, Шпенгель және Либих сияқты ғалымдар гумустық теорияға қарсы шықты .
Буссенго өзінің “азоттық теориясын ” дамытты. Ол өзінің жеке меншік шаруашылығында 1836 жылдан бастап ауыспалы егістік тәжірибелерін жүргізіп, егілген дақылдарджың түсімін есептеп, құрамындағы көміртегінің , азот және күлдің мөлшерін анықтады . Нәтижесінде түсім құрамындағы көміртегінің мөлшерін қарашіріктегі мөлшеріне байланыссыздығын және азоттың мөлшері ауыспалы егістікте бұршақ тұқымдастардыңүлесі көп болған сайын көбейетіндігін байқады.
Неміс ғалымы Шпенгельөсімдіктер және ауадан сіңірген анорганикалық заттардан жылудың электрлік қуаты және ылғалдың көмегімен органикалық заттар құрастырылады деген маңызды қорытынды жасады .
Неміс химигі Ю. Либих гумустық теорияға қарсы шығып , 1840 ж. өзінің “химия в приложинии к земледелию и физиологии ” деген еңбегінде “өсімдіктердің минералдық қоректену ” теориясын ұсынды Бұл тиеория бойынша топырақтың құнарлығын негізінен минералдық заттар қалыптастырады . Оның ойынша қарашіріканалық тау жыныстарының ыдырауын жылдамлатып,СО2 пайда болу үшін және топырқтың минералды қабатын қалыңдату үшін қажет. Ол бірінші болып топыраққа тыңайтқыш ретінде минералдық заттар қолдануды ұсынды . Өсімдіктердің қоректенуінде минералдық элементтердің маңызы дұрыс бағалаған мен Ю.Либих өсімдік азотты ауаданаммиак күйінде қабылдайды.
Сонымен қатар ол дақылдардан алынған түсім құрамындағы минералды заттарды жыл сайын топыраққа қайтару қажеттігін ұсынды.
Минералды қоректену туралы ілімнің даму тарихы
Орыстың атақты ғалымы – химик Д. И . Менделеев (1834-1907) өз өмірінде химия ғылымының дамуына аса бағалы үлес қосумен қатар , басқа да ғылымдар саласында , соның ішінде егін және мал шаруашылығының жан- жақты дамуына үлкен еңбек сіңірді. Оның тыңайтқыштарды өндіру мен қолдану , топырақты өңдеу , көп жылдық шөптердің маңызы , ауылшаруашылық өнімдерінің химиялық технологиясы туралы салалы, терең ойлары осы күнге дейін мәнін жойған жоқ.
Ол Ресейдің әртүрлі аймақтарында тынайтқыштарды қолданып , танаптық тәжірибелер жүргізудің арнайы бағдарламасын жасады. Өзі басшылық еткен сол тәжірибелерден 1872 жылы жасаған баяндамасында Д.И. Менделеев өсімдіктердіңқоректенуін зерттеуге арналған тәжірибелер әр аймақтың ауа-райы мен топырақ және өсімдіктердің биологиалық ерекшеліктерімен байланыстырылып жүргізілуі қажеттігін ұсынды. Осы талапты орындағанда ғана тәжірибелер нәтижесінен шығатын қорытындылар сенімді болатындығын ескертті .
Өсімдіктердің қоректенуі туралы ілімнің дамуына атақты ғалым К. А. Тимирязев (1843-1920) өте маңызды үлес қосты . Өзі 25-30 жылдай фотосинтез процесін зерттеумен қатар, өсімдіктердің тамыры арқылы қоректенуінің физиологиялық негіздерін зерттеумен де айналысты . Осындай теориялық маңызы бар тәжірибелерді нақтылай бағалауға қолайлы жағдайларда жүргізу мақсаттарында 1872 жылы Ресейде біріншівегетациялық үй салдырды . Одан бірнеше жыл өткен соң Мәскеу университеті жайының төбесіне осындай екінші үй салдырды. Сонда өзінің физиологиялық зерттеулерін жүргізді.
Өзінің зерттеулерінде К.А.Тимирязев өсімдік организмінде зат алмасу процесі ең негізгі орын алатын ескертумен болады. Ол организм заттарды үздіксіз қабылдап өзгертеді және бөліп шығарады, яғни тіршіліктің негізгі белгісі — зат алмасу деген ойын үздіксіз қайталап отырды. Соған байланысты, өімдіктің қажетін білу үшін “оның ойын сұрау қажет”, яғни олармен тікелей тәжірибелер жүргізу керектігін тұжырымдады.
Минералдық элементтердің өсімдіктегі мөлшері
Орташа есеппен өсімдіктің сусыз құрғақ затының құрамында көміртек –46 %,оттегі – 42%, сутегі – 6,5%, азот — 1,5 %,минералдық элементтер -5 %, шамасында болады. Органогендер деп аталатын элементтердің (С,О,Н,N) үлесіне өсімдіктің құрғақ салмағының 95 %-і тиеді. Қалған 5%-ін ғана минералдық элементтер құрайды . Осы элементтердің сапалық құрамы және олардың процентпен есептегендегі мөлшері сыртқы орта жағдайларына байланысты өзгеріп тұрады. Өсімдік денесіндегі мөлшеріне байланысты минералдық элементтер мынадай топтарға бөлінеді:
- Макроэлементтергн мөлшері 0,01-ден ондаған процентке дейін жететін элементтер жатқызылады. Бұл топқа органогендерден (С,О,H,N) басқа-Si, Ca, K, Mg, P, S, Al, S енеді.
- Мөлшері 0,001-ден 0,00001% арасында кездесетін микроэлементтерге –Mп,B,Cu, Zn, Ba, Ti, Li, Br, Mo, Co және т.б. жатады.
- Мөлшері одан да аз ультрамикроэлементтерге Cs ,Se, Cd, Hg, Ag, Au, Ra, т,б жатады.
Жеке элементтердің өсімдіктегі мөлшері көптеген жағдайларға байланысты өте өзгергіш келеді. Мысалы ,шөптесін өсімдіктердің тұқымдарында жалпы күлдіңмөлшері –3%, сабағында -4 % тамырында –5% , жапырағында –15%-ке жетеді. Кейбір өсімдіктер мүшелеріндегі жалпы күлдің және жеке элементтердің мөлшері 5,1кестеде келтірілген .Одан астық дақылдастардың тұқымында фосфордың , сабағында кремнийдің көп болатынын байқауға болады. Бұндай ерекшеліктер тек осы өсімдіктерге ғана тән. Мысалы, беденің сабағында күлдің мөлшері басқа өсімдіктердегімен шамалас болғанымен ,кремнийдің күлге есептегендегі мөлшері 2-3 %-тен аспайды. Керісінше, беденің күлінде кальцийдің мөлшері басқаларға қарағанда 5-6 есе артық.
Картоп түйнегінде , қант қызылшасының , т.б. тамыр жемістілердің тамырында калий көп болады.
Күнбағыстың күлінде де калий мөлшері басқа элементтерге қарағанда көбірек болады. Ақжелкен тамырындағы күлдің 0,25-1% SO3 үлесіне тиеді. Бұны крестігүлдер тұқымдастарының ерекше белгісі деп қарауға болады.
Күлдің құрамындағы кальцийдің көп болуы тек түрге тән белгі болмастан , өсімдіктің жасына да байланысты . Әдетте бұл элементтің мөлшері өсімдік мүшелері қартайып ескірген сайын көбейе береді. Мысалы, қартайған еменнің тамырының күлінде оның мөлшері 90%-ке жетеді.
Өсімдіктердің азотпен қоректену ерекшеліктері
Азот — қосылыстары өсімдік жасушаларының шамалы мөлшерін құрайтын болса да, олардың маңызы зор. Азот, ақуыздар, амин қышқылдары, амидтер, алкалоидтар, гормондар, нуклеин қышқылдарының құрамына кіреді. Азотты заттар негізінен өсімдіктердің жапырағында және өсуге бейімделген меристема жасушаларында көбірек жиналады. Мысалы, қарағаш және шаған камбий жасушаларының құрғақ салмағының 30%-ы , ал ксилема жасушаларының 5%-ы ғана азоттың үлесіне тиеді. Сол себептен азот жетіспеушілігі өсу процесін тежейді.
Ұрық пен дәндер де көп мөлшерде азот жиналады, демек бұл жердегі азот қоректік заттардың құрамына кіреді.
Сіңірілген азоттың көп мөлшері ақуызбен хлорофилл синтезіне жұмсалады. Азот жетіспеушілігі кезінде өсімдік жапырақтары сарғайып, ондағы хлорофилл кемиді. Хлоропласттардың саны өспейді. Мұның бәрә фотосинтезді тежеуге, соңынан мүлде тоқтауға әкеп соғады.
Өсімдіктер топырақтан аммоний және нитрат тұздарын қабылдайды. Органикалық азотты қосылыстардың көпшілігін өсімдік сіңіре алмайды. Өсімдіктер топырақтан аспарагин, кейбір амин қышқылдары мен нуклеин қышқылдарын да сіңіре алады. Атап өткен азотты қоректік заттар өсімдікке тиімді түрде болғанымен, олардың жалпы мөлшері жеткіліксіз болады. Ж,Буссенго көрсеткендей, молекулалық азот атмосфера құрамында мло болғанымен, өсімдіктерге сіңірілмейді.
Өсімдіккеғ аммоний және нитрат тұздардың жарамдылығы, азотты тұздар сіңірілгенде құбылыстарға ұшырауы, ал құбылыстардағы аспарагин мен глютаминнің ролі анықталды. Аммоний және нитрат тұздары өсімдіктің тамырына бірдей , жылдам сіңірілетін болып шықты. Аммоний тез арада басқа заттармен қосылып, амин қышқылдарын түзетіні анықталды. Аммоний тұздары жасушаларға енген кезде өсімдік көмірсулармен жеткілікті мөлшерде қамтамасыз етуді қажет етеді. Себебі аммоний көмірсу туындыларымен қосыла келе, метоболизімге енеді. Өсімдіктерде жеткілікті мөлшерде көмірсу болмауы аммоний тұздарымен қоректенуді пайдасыз етеді. Өсімдікте ақуыз ыдырау және қайта синтезделу кезеңдерінде көптеген мөлшерде аспарагин немесе глютамин жиналады. Ол екі амид аспарагин және глютамин амин қышқылдарына тағы бір амин тобын қосып алу арқылы түзіледі.
Азот атмосферада мол болғанымен өсімдіктер үнемі азотқа мұқтаж болады. Сонымен қатар кейбір микроорганизімдер атмосфера азотын сіңіруге қабілетті. Бұл микроорганизімдер арқылы молекулалық атмосфера азоты тұздар қрсылысына айналып, өсімдіктер қоректенуіне жарамды болып шығады. Мұндай микробтарды азотфиксаторлары деп атайды.
Түйнек бактериялары тамыр түкшелері арқылы тамырға өтеді, жасуша қабықшасынан ерітіп, олардың шойырланып өсуіне себепші болады. Тамырда түйнек пайда болады. Түйнек өсе бастаған кезде бактериялар өздеріне қажетті заттардың бәрін де өсімдіктерден алып, солардың есебінен өседі. Бұл өзара қатынас біртіндеп өзгереді де симбиоздық тіршілік етудің екінші жартысында өсімдік паразиттік тіршілік етуші жаққа айналады. Түйнек бактериялары көптеген мөлшердегі азотты бойына сіңіреді, азоттың мұндай мөлшері бактериялардың өздеріне ғана емес, сондай-ақ өсімдікке де жеткілікті болады. Өсімдіктер тіршілігін жойған соң, олардың тамырында жеткілікті мөлшерде азот қалады. Түйнек бактериялары негізінен бұршақ тұқымдас өсімдіктердің тамырына қоныстанады, оның үстіне бұршақ тұқымдастарының әрбір түріне бейімделген түйнек бактериялары болады. Осының арқасында бұршақ тұқымдас өсімдіктер топырақты азотқа байытып, оның құрылымын жақсартады. Бұршақ тұқымдастар өсірілген егістікке келер жылы басқа дақылдарды егу нәтижесінде олардан мол өнім алынып келеді. Әсіресе көп жылдық бұршақ тұқымдас шөптерді өсіру жақсы нәтиже беруде. Олар бұршақ тұқымдастардың басқа түрлеріне қарағанда топырақта азотты көп жинай алады: жылына гектарын,а 100-ден 300 кг-ға дейін азот жйнауы мүмкін. Жоңышқа бедеге қарағанда азотты көп жинайды. Көп жылдық бұршақ тұқымдас шөптер ауадан сіңірген барлық азоттың 0,3-0,5 бөлігіне дейінгі мөлшерін топырақта қалдырып , оны құнарландырады. Бір жылдық бұршақ тұқымдас шөптер маңызды қызымет атқара алмайды. Іс жүзінде бір жылдық бұршақ тұқымдастар топырақты құнарландырмайды, алайда олардың жер бетіндегі бөліктерінде атмосферадан сіңірілген 30-50 кг азот болады. Сондықтан топырақтағы азоттың мөлшерін арттыру мақсатында бір жылдық бұршақ тұқымдщастарының жер беғтіндегі бөліктерін топырақпен қоса жыртуға болады. Көк балауса өсімдіктер топырақта микробтардың әрекеті нәтижесінде ыдырайды да, азот өсімдіктер сіңіре алатын түрге өтеді. Қазіргі кезде тамырында түйнек түзіп, азот сіңіретін 1300 бұршақ тұқымдас өсімдіктері белгілі. Тамырды жер бетіндегі бөлігінен ажыратып алған кезде де онда түйнектер болғаны бақыланған .
Бұршақ тұқымдастар ғана емес, басқа да 8 тұқымдасқа жататын 65 түрлі өсімдіктің тамырында түйнекғ өсіп, оның азот сіңіру қабілеті байқалған. Оларға шырғанақ , түйтабан, қайың, қандыағаш, жиде, балауыз, қара жеміс жатады. Осылардың ішінде қандыағаш өсірудің арқасындак құнарсыз жерлерді құнарландырып, онда өсетін басқа өсімдіктерге қолайлы жағдай туғызу мүмкін болады. Алайда өсмідіктерді азотпен қамтамасыз ету үшін азотты сіңірудің аталған бұл түрлері жеткіліксіз. Табиғатта азоттың босап шығуы арқылы өтетін шіру және жану процестері үздіксіз жүріп жатады. Сондықтан егістікті азотпен жеткілікті қамтамасыз ету үшін оларға минералдық азотты тыңайтқыштар мен көң шашады.