В земледелии после получения урожая обычно основная масса органики вывозится с поля для поедания людьми или животными. Это приводит к тому, что почвы быстро истощаются по азоту, фосфору и калию (для простоты здесь мы не разбираем проблемы засоленности почв и проблему микроэлементов). Но если соли азота могут производиться особыми азотофиксирующими бактериями, живущими в корнях ряда растений и поэтому после их посева содержание нитратов в почве может быть со временем восстановлено, то для фосфора и калия эта проблема так просто решена быть не может. Поэтому для того, чтобы иметь большую урожайность, необходимо заботиться о постоянном внесении удобрений Или, по крайней мере, резком уменьшении удаления данных минеральных веществ из почвы. Для этой цели в почву вносится навоз, фекалии крупного рогатого скота, в котором стебли и листья растений, содержащие калий, азот и фосфор, уже частично переработаны бактериями. При внесении навоза почва делается более «доброй», поэтому процесс внесения навоза назван удобриванием почвы, а вещества, улучшающие плодородие, удобрениями.
При уборке урожая с поля увозят только часть растений; их корни и начальная часть стебля остаются на поле. Они разрушаются бактериями. Плодородие почвы создается микроскопическими тружениками — живыми организмами, обитающими в ней. Общая численность микроорганизмов в почве очень велика. В одном грамме хорошей пахотной почвы насчитываются миллиарды микробов, что может сравниться с численностью населения всего земного шара. Поэтому, несмотря на ничтожный размер каждого организма в отдельности, общий вес массы микробных тел в почве составляет весьма внушительную величину. Так, например, в пахотном слое одного гектара чернозема он может достигать 100 тонн. В почве всегда можно найти главнейшие группы микроорганизмов: различные бактерии, дрожжи, плесневые грибки. Вся масса микроорганизмов распределена в почве неравномерно. Поверхностные слои почвы, благодаря иссушению, действию солнечных лучей, содержат меньше микроорганизмов, чем слои, непосредственно под ними лежащие. Больше всего микробов содержится в пахотном слое 5–15 см. И конечно, излюбленное место их обитания — это корни растений. Наибольшее количество микроорганизмов в почве обнаруживается весной и осенью. Необходимые питательные вещества растения получают из почвы в виде простых, легко усвояемых веществ, благодаря минерализации микроорганизмами более сложных соединений. Разложение попадающих в почву растительных и животных остатков происходит под воздействием микроорганизмов постоянно. Добывая из этих сложных соединений нужные для своего существования вещества, микроорганизмы при этом образуют и соединения, необходимые для питания растений. Отмирая каждые 20 минут, из своих тел они формируют плодородный слой в виде гумуса. Поэтому, питание растений тесно связано с работой микробов почвы.
Почвенно-поглощающий микробиологический комплекс находится в известном симбиозе с растением и поставляет ему элементы питания в наиболее приемлемых для растения формах, причем самому растению зачастую совершенно не обязательно получать и иметь эти элементы для нормального функционирования в органической форме, оно может получать и иметь их и в минеральной форме. Отсутствие почвенно-поглощающего комплекса в гидропонной системе питания интенсивной светокультуры заставляет растение иначе реагировать на элементы питания, которые ему дает человек.
Наиболее важны азотфиксирующие бактерии, которых очень много в корнях некоторых растений, таких, как, например, клевер, гречиха, которые поэтому не нуждались в азотных удобрениях и, напротив, увеличивали после себя содержание азота в почве. Тем самым, эти растения используется для повышения урожайности. Гречиха хороша также и для борьбы с сорняками, поскольку ее густая листва не пропускает солнечные лучи к сорнякам и не дает им произвести семена. Именно из-за вышеописанных свойств она была широко распространена в России, а не из-за своей крупы, из которой делали знаменитую кашу. Но для того чтобы эти бактерии могли химически связывать азот, почва должна быть хорошо аэрирована, то есть обогащена воздухом. Часть растений: их корни и начальная часть стебля остается на поле. Они разрушаются бактериями. Процесс переработки бактериями растительных остатков ведет к освобождению азота, фосфора и калия в верхнем слое глубиной до 6 см в 24 раза активнее, чем в слое ниже глубины 14 см. Бактерии, разрушая органические вещества, приводят к повышению двуокиси углерода в тонком слое над поверхностью земли. Воистину, земледелие — самое большое микробиологическое производство на земле.
Интересно, что из насыщенного органикой поверхностного слоя почвы двуокиси углерода выделяется в 2–4 раза больше, чем при глубокой вспашке с оборотом пласта. Фосфор и калий могут также извлекаться из глубины земли длинными корнями деревьев. Вследствие этого продуктивность биологической массы (всех органических веществ в целом), создаваемая лесом, выше, чем травой на поле, именно поэтому в средней полосе России лес быстро вытесняет луг. В засушливой же зоне деревьям труднее поддерживать жизнь в период относительного безводья и поэтому степные травы, приспособленные к малому количеству выпадающих осадков за счет быстрого периода роста и образования семян, успешно противостоят лесу.
Когда урожай вывозится с поля, то часть азота, фосфора и калия удаляется и, следовательно, в следующий раз урожайность почвы будет снижаться. Этого не будет наблюдаться, если только оставить почву долго «отдыхать», пока составляющие ее породы будут разрушаться далее, высвобождая дополнительные фосфор и калий, а достаточное количество азота будет помещаться туда азотсодержащими бактериями. Это и есть естественное восстановление плодородия через разложение составляющих почву кусочков на минералы. Пусть этот процесс и медленный, но он идет и очень важен. А в случае засоления почвы из-за чрезмерного полива и растворения минералов, наоборот, этот процесс идет слишком быстро (что тоже плохо). Однако, земля давно уже заселена настолько плотно, что ее заведомо не хватает на то, чтобы полагаться на многолетнее естественное восстановление плодородия почвы; обрабатывать ее приходится намного больше.
Поэтому для роста сельскохозяйственного производства нужны естественные (навоз, компост) или искусственные (минеральные) удобрения. Кроме навоза можно использовать соли калия, фосфора и азота, содержащиеся в ряде минералов, из которых готовятся фосфорная мука и калиевые удобрения. В мире есть залежи фосфатов и калийных удобрений, меньше разведано азотистых минеральных веществ, но их производство возможно (и уже широко распространено) в химической промышленности. Использование минеральных удобрений требует затрат механической энергии по их извлечению, дроблению, перевозке, разбрасыванию. Все это надо делать или используя рабочий скот, или же используя машины и невозобновляемые энергоисточники энергии. Следовательно, для применения минеральных удобрений необходимы техника и горючее. Для производства минеральных удобрений нужна не только технология и источники энергии, но нужны также подготовленные люди. Производство аммиака из воздуха, например, очень энергоемко.
Азотфиксирующих бактерий очень много только в корнях некоторых растений, таких, как, например, клевер, гречиха, которые поэтому не нуждались в азотных удобрениях и, напротив, увеличивали после себя содержание азота в почве. Периодическое высевание этих растений используется для повышения урожайности.