Земля как планета солнечной системы существует около 4,6 млрд лет. Считают, что жизнь на ней зародилась 800...1000 тыс. лет назад. Ученые обнаружили следы деятельности первобытного человека, возраст которых оценивается 600...700 тыс. лет. Эра земледелия насчитывает всего лишь 17 тыс. лет.
За многомиллионные эпохи вода, воздух, а затем и живые организмы разрушали и измельчали каменные породы земной коры. Отмирая, живые организмы образовывали перегной или, как его называют ученые, гумус. Он смешивался с измельченной породой, склеивал и цементировал ее. Так зарождалась почва на нашей планете. Первая почва послужила основой развития последующих более крупных растений, которые, в свою очередь, способствовали новому ускоренному образованию гумуса. Еще с большим ускорением процесс почвообразования стал протекать с появлением животных, особенно населявших почвенный слой. Превращению органического вещества в гумус способствовали различного рода бактерии. Образование и распад органических веществ в почве считается главной причиной почвообразования.
Таким образом, почва состоит из минеральной и органической (гумуса) частей. Минеральная часть составляет от 90 до 99% и более от всей массы почвы. В ее состав входят почти все элементы периодической системы Д.И. Менделеева. Однако основными составляющими минеральной части почв являются связанные в соединения кислород, кремний, алюминий и железо. Эти четыре элемента занимают около 93% массы минеральной части. Гумус является основным источником питательных веществ для растений. Благодаря жизнедеятельности населяющих почву микроорганизмов происходит минерализация органического вещества с освобождением в доступной для растений форме азота, фосфора, серы и других необходимых для растений химических элементов. Органическое вещество оказывает большое влияние на формирование почв и изменение ее свойств. При разложении органических веществ почвы выделяется углекислый газ, который пополняет приземную часть атмосферы и ассимилируется растениями в процессе фотосинтеза. Однако какой бы богатой питательными веществами ни была почва, рано или поздно она начинает истощаться. Поэтому для поддержания плодородия в нее необходимо вносить питательные вещества (удобрения) органического или минерального происхождения. Кроме того, что удобрения поставляют растениям питательные вещества, они улучшают физические, физико-механические, химические и биологические свойства почв. Органические удобрения в значительной степени улучшают водно-воздушные и тепловые свойства почв. Способность почвы поглощать пары воды и газообразные вещества из внешней среды является важной характеристикой. Благодаря ей почва задерживает влагу, а также аммиак, образующийся в результате разложения органических веществ и служащий важным питательным веществом.
Почвы обладают ионообменными свойствами, аналогичными свойствам ионообменных смол. Благодаря им почвы задерживают катионы и анионы солей и постепенно замещают их на другие, поступающие извне. Плохо закрепляются в почве анионы NO3– и Сl– и потому они очень подвижны. При избытке влаги эти анионы легко вымываются из поверхностных слоев почв и переносятся в более глубокие слои. Считают, что в подземные воды уходит до 13% нитратного азота, содержащегося во вносимых на поля удобрениях. Поэтому нитратные удобрения вводят в почву во время посева или в период развития растений в виде подкормки.
Почва как ионообменник из катионов «заряжена» главным образом ионами кальция Ca2+, в меньшей мере – магния Mg2+ и еще в меньшей мере ионами аммония NH4+, натрия Na+ и калия К+. Ионы кальция Ca2+ и магния Mg2+ способствуют поддержанию прочной структуры почвы. Под структурностью почвы работники сельского хозяйства понимают ее способность распадаться на отдельные комочки. Ионы К+ или NH4+ и особенно Na+, напротив, способствуют разрушению структурных агрегатов почвы и усиливают вымывание гумуса и минеральных веществ. Во влажном состоянии такая почва становится липкой, а в сухом – превращается в глыбы, не поддающиеся обработке (солонец). Вытекающая из такой почвы вода имеет цвет чайного настоя, что указывает на потерю гумуса.
Важное значение играет химическое связывание почвой анионов некоторых кислот. Нитратные NO3– и хлоридные C1– анионы не дают малорастворимых соединений с катионами, обычно содержащимися в почве. Напротив, анионы фосфорной, угольной, серной кислот образуют с ионами кальция малорастворимые соединения. Это и обусловливает химическую поглотительную способность почв.
Для развития и роста растению необходимо много различных химических элементов. Их растения берут главным образом из почвы. С наибольшей скоростью почва истощается азотом, фосфором и калием. Эти химические элементы усваиваются растениями в наибольшем количестве и поэтому для поддержания плодородия полей в почву необходимо вносить соответствующие удобрения.
На протяжении тысячелетий земледелие знало лишь органические удобрения – различные отходы хозяйства и прежде всего навоз. Однако даже в сбалансированном хозяйстве, где растениеводство сочетается с животноводством, внесение в почву навоза не обеспечивает восполнения азота и фосфора, выведенных из почвы с урожаем.
Продукцию растениеводства делят на товарную и нетоварную. Например, зерно и овощи – товарная продукция. Она направляется к потребителю и содержащиеся в ней химические элементы в основном не возвращаются на поля. Солома, ботва, пожнивные остатки и корни, как правило, возвращаются в почву. Солома идет на подстилку и возвращается в почву в виде навоза, а ботва и другие отходы запахиваются. Товарная продукция содержит много азота и фосфора, а нетоварная – содержит много калия. Таким образом, в результате круговорота веществ в земледелии калий может быть в основном возвращен в почву, а возврат азота и фосфора не обеспечивается даже внесением навоза.
Поэтому какие бы ни были предубеждения против минеральных удобрений, в научно обоснованных количествах их необходимо вносить в почву.
Установлено, что каждая тонна кукурузы забирает из земли 55 кг питательных веществ, тонна колосовых – примерно 60 кг, а тонна хлопчатника – почти 120 кг. Такого рода цифры позволяют вести расчет вносимых в почву удобрений. Безусловно, при этом ведется учет различного рода потерь удобрений.
Соединения азота (оксиды и азотная кислота) в небольших количествах образуются в атмосфере. Вследствие электрических разрядов азот взаимодействует с кислородом в соответствии с уравнением
N2 + O2 = 2NO
Далее оксид азота окисляется до диоксида:
2NО + O2 = 2NO2
В присутствии кислорода и воды последний превращается в азотную кислоту:
4NO2 + O2 + 2H2О = 4HNO3
С атмосферными осадками на 1 га площади в год поступает 2,5...4 кг связанного азота. За счет свободно живущих в почве бактерий и грибков (азотофиксаторов), ассимилирующих атмосферный азот, 1 га почвы ежегодно получает от 5 до 15 кг связанного азота. Если учесть, что даже при урожае озимой пшеницы 25 ц с зерном из почвы уносится около 70 кг связанного азота, то станет ясно, что естественного пополнения азотом почв никак недостаточно. Однако уместно подчеркнуть, что клубеньковые бактерии бобовых растений и особенно бобовых трав поставляют в почву в год 100...200 кг связанного азота на 1 га. Зерновые бобовые, хотя и дают почве несколько меньше (до 70 кг), но тем не менее это может позволить обойтись без азотных удобрений. Таким образом, при использовании клевера и люцерны и при рациональном севообороте азотный баланс в почве может быть достигнут.
Если содержание связанного азота различным путем почва может восполнять, то источников естественного пополнения почв фосфором нет. Его необходимо вносить с тем или иным видом удобрений.