Будучи живим організмом, будь-яка рослина потребує певного наборі поживних речовин для свого зростання, розвитку і розмноження. Тому одна з першорядних завдань агронома - забезпечити вирощувані їм культури всіма необхідними макро-, мезо- і мікроелементами в необхідній кількості і оптимальному поєднанні. А для цього потрібно знати і враховувати ряд чинників, в числі яких -Особливості цих речовин, їх взаємодія, тип ґрунту, потреби різних видів рослин, кліматичні умови і т.д.
Проблема забезпечення рослин поживними речовинами відома з часів зародження землеробства. Природно, тоді ще не були відомі механізми і причини, які роблять грунт родючим, а культурні рослини - більш врожайними. Проте, вже за часів використання найпримітивніших систем землеробства - підсічно-вогневої і покладу хлібороби відзначали зниження родючості засіваються земель через кілька років використання і, залишивши їх, переходили до освоєння нових ділянок. Значним прогресом стало використання для відновлення і поліпшення родючості грунтів гною, сидератів, бобових культур, застосування парів і сівозмін. Однак всі ці прийоми базувалися переважно на досвіді і знаннях, отриманих емпіричним шляхом.
Майже через століття голландський дослідник Ван Гельмонт проводив досліди з рослинами, сподіваючись встановити джерела їх харчування. Невідомо, чи був він знайомий з теорією Палисси, але зі своїх дослідів зробив зовсім інші висновки. Ван Гельмонт вважав, що вся справа - в воді, а грунт служить лише субстратом для прикріплення рослин, не беручи участь безпосередньо в їх харчуванні. Ці висновки стали основою водної теорії живлення рослин. Причому, і інші дослідники досвідченим шляхом підтвердили висновки ван Гельмонта.
Ван Гельмонт
Втім, це той випадок, який можна описати словами класика «суха теорія, мій друг, а древо життя пишно зеленіє». Адже будь-який селянин міг би спростувати цю теорію на практиці, пояснивши, що для отримання хорошого врожаю потрібна не тільки вода, але і, скажімо, гній, а при однаковому поливі різні за своїми характеристиками землі дадуть різний результат при вирощуванні одних і тих же культур. Що стосується вчених, то одним з перших засумнівався в водної теорії англійський професор медицини Джон Вудворт в кінці того ж XVII століття. Його досліди показали, що рослини краще розвиваються не просто в чистій воді, а в воді, до якої додана земля. Втім, його досліди не похитнули впевненості послідовників теорії водного харчування в своїй правоті, і ця теорія залишалася однією з основних в цій області ще близько століття.
Але паралельно йшло накопичення знань, які не узгоджуються з цією теорією. Наприклад, німецький хімік Іоганн Рудольф Глаубер проводив досліди з селітрою, які показали, що її використання для вирощування рослин дозволяє збільшити урожай. Аналогічний досвід інших вчених приводили до висновків про те, що рослинам потрібні калійні і фосфорнокислиє солі.
Йоганн Рудольф Глаубер
Проте, лише в середині XVIII століття Вігману і Польсторфу вдалося похитнути впевненість прихильників водної теорії живлення рослин. Ці дослідники проводили досліди, використовуючи більш досконалу методику, ніж їх попередники. Вони використовували для вирощування рослин нейтральний субстрат - платинову дріт і промитий кислотою кварцовий пісок. Воду для поливу брали дистильовану. Рослини в цих дослідах гинули відразу ж після того, як використовували запаси, що містяться в насінні, з якого були вирощені. Таким чином, було доведено, що для живлення рослин необхідна не тільки вода.
А що ж необхідно ще? На це питання, як здавалося, відповідала виникла тоді ж гумусова теорія живлення рослин. Її назва говорить сама за себе: прихильники цієї теорії пояснювали зростання і розвиток рослини поглинанням гумусу і будівництвом тканин саме з нього. Втім, і ця теорія в майбутньому виявиться спростованої. Крім того, вона неправильно пояснювала роль мінеральних речовин у харчуванні рослин, зводячи її лише до того, що ці речовини допомагають засвоєнню гумусу.
Відкриття процесу фотосинтезу призвело до створення ще однієї теорії - повітряно-світлового живлення рослин. Хрестоматійні досліди Джозеф Прістлі в другій половині XVIII століття, в яких він поміщав в герметичний посудину спочатку свічку, потім - тварина, а після цього - рослина, показали, що рослини виділяють кисень. Адже повітря, який після горіння свічки переставав підтримувати і саме горіння і дихання тварин, знову знаходив ці властивості, якщо в посудині на деякий час залишали рослина. Потім було зроблено ще безліч дослідів, які розкрили суть фотосинтезу. Так, вже досить скоро було доведено, що рослини синтезують органічну речовину з вуглекислого газу, що міститься в повітрі. Однак для того, щоб це відкриття стало загальновизнаним, знадобилося ще чимало років і зусиль дослідників.
Досвід Дж. Прістлі
Втім, і ця теорія не в повній мірі пояснювала, чому ж все-таки харчуються рослини. Хоча серед її прихильників були і такі, які найближче підійшли до пояснення досліджуваного питання. Так, на підставі своїх дослідів, французький вчений Нікола Теодор де Соссюр в 1804 році зробив висновок, що головним джерелом вуглецю для рослин є повітря, а зольні (мінеральні) речовини вони отримують з грунту. Схожі погляди висловлював німецький вчений Шпренгель. На висновки своїх попередників, в тому числі, спирався німецький хімік Юстус фон Лібіх, який в 1840 р висунув мінеральну теорію живлення рослин. Вона стала однією з основ сучасних уявлень в цій області. Саме Лібіх довів, що елементи, які виділяють з золи рослин, ці організми отримують з грунту у вигляді мінеральних солей. Також він сформулював закон мінімуму Лібіха (відомий також як закон обмежує фактора або «бочка Лібіха»), згідно з яким урожай залежить від того елемента живлення, кількість якого мінімально. Він же запропонував використовувати мінеральні добрива для того, щоб внести в грунт відсутні мінеральні речовини.
Юстус фон Лібіх
Втім, в своїх працях фон Лібіх не зміг показати роль і джерело азоту в живленні рослин, що робило мінеральну теорію неповною. А доповнив її французький хімік Жан Батист Буссенго в 1830-40-х роках, провівши ряд дослідів і зробивши висновки про те, що азот рослини одержують не з повітря (як припускав Лібіх), а з ґрунту, причому, також з мінеральних солей.
Розвиток зазначених теорій, в кінці кінців, призвело до сучасних уявлень про живлення рослин. У формі, найбільш значущою для агрономії, вони сформульовані в законі автотрофности зелених рослин, який об'єднує теорію фотосинтезу і теорію мінерального живлення рослин. Згідно цьому закону, зелені рослини, використовуючи енергію сонячного світла і поглинаючи з повітря вуглекислий газ, а з грунту - воду і мінеральні речовини, синтезують необхідні органічні речовини в кількості, яка забезпечує розвиток і високу продуктивність рослин. Тому одним з найважливіших принципів формування врожаю є інтенсивне нарощування оптимальної асиміляційної поверхні, здатної найбільш ефективно засвоювати сонячну енергію для синтезу органічних речовин і формування організму рослини.
Закон автотрофности зелених рослин - один з семи законів (правил), які відомий український агрохімік Григорій Господаренко називає в числі найпоширеніших в агрономічної практиці. Крім названого, це також закони (правила): рівнозначності і незалежності факторів життя рослин; сукупності взаємопов'язаного їх дії; мінімуму, оптимуму і максимуму; повернення поживних речовин у грунт; плодозміни; підвищення родючості грунту. Вони забезпечують всебічний і обгрунтований підхід до застосування елементів технології з метою отримання найбільшої ефективності від них в підвищенні врожайності при збереженні екологічної рівноваги природного кругообігу речовин. Спрямованість кожного елемента технології на поліпшення функціонування агроценозів є основою реалізації біопродуктивністю потенціалу гібрида або сорту. При цьому необхідно враховувати, що рівень їх врожаю залежить, в першу чергу і в найбільшій мірі, від відновлення чинників, які знаходяться в мінімумі. У той же час, і надлишок будь-якого фактора негативно впливає на продуктивність агроценозів. Таким чином, максимальний урожай можна отримати лише при оптимальному вмісті і співвідношеннях всіх факторів життя рослин. При цьому, крім чинників космічних - світла і тепла, атмосферних (погодних) - води, кисню, вуглекислого газу, азоту, грунтових - вологи, повітря, поживних елементів, рослинам необхідні макро-, мезо- та мікроелементи у вигляді добрив.
- рівень врожаю залежить не тільки від поживного елемента, який надходить в рослину в мінімальній кількості, але і від будь-якого екологічного чинника, що знаходиться в мінімумі (це може бути забезпечення вологою, світлом і т.д.);
- відповідно до правила нормованої потреби рослин в поживних елементах, точка мінімуму врожаю «плаваюча»: при одному поєднанні кількості поживних елементів точка мінімуму буде однією, при іншому - вище або нижче.
З огляду на зазначені недоліки закону мінімуму, німецький вчений Е. вільним замість нього запропонував використовувати закон оптимуму, згідно з яким урожай буває найвищим при оптимальному поєднанні факторів.
Крім того, обмежуючий вплив на урожай надає не тільки недолік, але і надлишок будь-якого фактора. З огляду на це, американський вчений Віктор Шелфорд запропонував закон толерантності (закон екологічного оптимуму), що розширює і доповнює закон мінімуму. Поняття «толерантність» в даному випадку означає витривалість організму по відношенню до коливань будь-якого екологічного чинника. При цьому діапазон між екологічним мінімумом і максимумом фактора утворює кордон толерантності - величину витривалості організму по відношенню до даного фактору.
Правило залежності рівня врожаю від кількості того чи іншого поживного елемента стверджує, що зі збільшенням норми елемента урожай спочатку зростає, потім стабілізується, а при дуже високих нормах зазвичай починає знижуватися. Причому, різні елементи в таких випадках діють по-різному. Наприклад, у калію збільшена зона стабілізації, а у азоту слабо виражена зона інгібування. При внесенні мікродобрив спостерігається різкий перехід від зони росту врожаю до зони його інгібування навіть при незначному перевищенні оптимальної норми внесення.
Важливим з практичної точки зору є і закон антагонізму іонів, який в XIX столітті сформулював скандинавський учений Оскар Лев. Згідно з ним, окремі хімічні елементи, які знаходяться в грунті або у водному розчині в надлишку, перешкоджають поглинанню рослинами інших елементів. Звідси випливає, що співвідношення елементів в грунті повинно бути оптимальним.
Вивчення закономірностей мінерального живлення рослин призвело до появи науки агрохімії. Зараз вона нерозривно пов'язана з агрономії. І правильне практичне застосування цих закономірностей в організації мінерального живлення рослин необхідно кожному агроному для найбільш повного розкриття потенціалу сортів і гібридів культурних рослин, отримання високих врожаїв продукції належної якості.