В природных экосистемах скорость накопления или расходования питательных  веществ обычно невелика. Например, для девственной степи на черноземах Русской равнины соотношение  между потоком соединений азота  через границы избранного участка  степи и его запасами в верхнем  метровом слое составляет около 0,0001% или 0,01%.

     Сельское  хозяйство нарушает естественный, практически  замкнутый баланс биогенов. Ежегодный  урожай уносит часть биогенов, содержащихся в произведенном продукте. В агроэкосистемах  скорость выноса питательных веществ  на 1-3 порядка больше, чем в природных системах, причем, чем выше урожай, тем относительно больше интенсивность выноса. Следовательно, даже если первоначальный запас питательных веществ в почве и был значительным, в агроэкосистеме он может израсходоваться сравнительно быстро.

     Всего в мире с урожаем зерна выносится, например, около 40 млн. т. азота в год, или примерно 63 кг на 1 га площади зерновых. Отсюда следует необходимость применения удобрений для поддержания плодородия почвы и повышения урожаев, так как при интенсивном земледелии без удобрений плодородие почвы снижается уже на второй год. Обычно применяются азотные, фосфорные и калийные удобрения в различных формах и сочетаниях, в зависимости от местных условий. В то же время, применение удобрений маскирует деградацию почв, заменяя естественное плодородие на плодородие, базирующееся в основном на химических веществах.

     Производство  и потребление удобрений в  мире неуклонно росло, увеличившись за 1950-1990 гг. приблизительно в 10 раз. Среднее мировое использование удобрений в 1993 г. составляло 83 кг на 1 га пашни. За этой средней величиной скрыта большая разница в потреблении различных стран. В Нидерландах применяется больше всего удобрений, и там уровень применения удобрений в последние годы даже сократился: от 820 кг/га до 560 кг/га. С другой стороны, среднее потребление удобрений в Африке в 1993 г. составляло лишь 21 кг/га, причем в 24 странах применяли 5 кг/га и менее.

     Наряду  с положительными эффектами, удобрения  создают также экологические  проблемы, в особенности в странах  с высоким уровнем их применения.

     Нитраты опасны для здоровья человека, если их концентрация в питьевой воде или  продуктах сельского хозяйства  выше установленной ПДК. Концентрация нитратов в воде, стекающей с полей, обычно находится между 1 и 10 мг/л, а с нераспаханных земель она на порядок меньше. По мере роста массы и продолжительности применения удобрений, все большее количество нитратов попадает в поверхностные и подземные воды, делая их непригодными для питья. Если уровень применения азотных удобрений не превышает 150 кг/га в год, то в природные воды попадает примерно 10% от объема применяемых удобрений. При более высокой нагрузке эта доля еще выше.

     В особенности серьезна проблема загрязнения  подземных вод после того, как  нитраты попали в водоносный горизонт. Водная эрозия, унося почвенные частицы, переносит также содержащиеся в них и адсорбированные на них соединения фосфора и азота. Если они попадают в водные объекты с замедленным водообменом, улучшаются условия для развития процесса эвтрофикации. Так, в реках США главным загрязнителем воды стали растворенные и взвешенные соединения биогенов.

     Зависимость сельского хозяйства от минеральных  удобрений привела к серьезным  сдвигам в глобальных циклах азота  и фосфора. Промышленное производство азотных удобрений привело к  нарушению глобального баланса  азота вследствие роста объема доступных для растений соединений азота на 70% по сравнению с доиндустриальным периодом. Избыток азота может изменить кислотность почв, а также содержание в них органического вещества, что может привести к дальнейшему выщелачиванию питательных веществ из почвы и ухудшению качества природных вод.

     По  оценке ученых, смыв фосфора со склонов в процессе почвенной эрозии составляет не менее 50 млн. т. в год. Эта цифра сравнима с годовым объемом промышленного производства фосфорных удобрений. В 1990 г. столько же фосфора было вынесено реками в океан, сколько было внесено на поля, а именно 33 млн. т. Поскольку газообразных соединений фосфора не существует, он перемещается под воздействием силы тяжести, главным образом с водой, преимущественно с континентов в океаны. Это ведет к хроническому дефициту фосфора на суше и к еще одному глобальному геоэкологическому кризису. 
 
 

5. Воздействие удобрений на окружающую среду

     Отрицательное действие удобрений на окружающую среду  связано, прежде всего, с несовершенством свойств и химического состава удобрений. Существенными недостатками многих минеральных удобрений являются:

• Наличие остаточной кислоты (свободная кислотность) вследствие технологии их производства.
• Физиологическая кислотность и щелочность, образующаяся в результате преимущественного использования растениями из удобрений катионов или анионов. Длительное применение физиологически кислых или щелочных удобрений изменяет реакцию почвенного раствора, приводит к потерям гумуса, увеличивает подвижность и миграцию многих элементов.
• Высокая растворимость туков. В удобрениях, в отличие от природных фосфатных руд, фтор находится в виде растворимых соединений и легко поступает в растение. Повышенное накопление фтора в растениях нарушает обмен веществ, ферментативную активность (ингибирует действие фосфатазы), отрицательно действует на фото- и биосинтез белка, развитие плодов. Повышенные дозы фтора угнетают развитие животных, приводят к отравлению.
• Наличие тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля). Наиболее загрязнены тяжелыми металлами фосфорные и комплексные удобрения. Это связано с тем, что практически все фосфорные руды содержат большие количества стронция, редкоземельные и радиоактивные элементы. Расширение производства и применение фосфорных и комплексных удобрений ведет к загрязнению окружающей среды соединениями фтора, мышьяка.

     При существующих кислотных способах переработки  природного фосфатного сырья степень  утилизации соединений фтора в производстве суперфосфата не превышает 20-50%, в производстве комплексных удобрений – еще меньше. Содержание фтора в суперфосфате достигает 1-1,5, в аммофосе 3-5 %. В среднем с каждой тонной необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора.

     Однако  важно понимать, что не сами минеральные  удобрения как источники биогенных  элементов загрязняют окружающую среду, а их сопутствующие компоненты.

     Внесенные в почву растворимые фосфорные удобрения в значительной степени поглощаются почвой и становятся малодоступными растениям и не передвигаются по почвенному профилю. Установлено, что первая культура использует из фосфорных удобрений всего 10-30% Р₂О₅, а остальное количество остается в почве и претерпевает всевозможные превращения. Например, в кислых почвах фосфор суперфосфата в большей части превращается в фосфаты железа и алюминия, а в черноземных и во всех карбонатных почвах – в нерастворимые фосфаты кальция. Систематическое и длительное применение фосфорных удобрений сопровождается постепенным окультуриванием почв.

     Известно, что длительное применение больших  доз фосфорных удобрений может  привести к так называемому «зафосфачиванию», когда почва обогащается усвояемыми фосфатами и новые порции удобрений  не оказывают эффекта. В этом случае избыток фосфора в почве может  нарушить соотношение между питательными веществами и иногда снижает доступность  растениям цинка и железа. Так, в условиях Краснодарского края на обыкновенных карбонатных черноземах при обыкновенном внесении Р₂О₅ кукуруза неожиданно резко снижала урожайность. Приходилось изыскивать способы оптимизации элементного питания растений. Зафосфачивание почв является определенным этапом их окультуривания. Это результат неизбежного процесса накопления «остаточного» фосфора, когда удобрения вносятся в количестве, превышающем вынос фосфора с урожаем.

     Как правило, этот «остаточный» фосфор удобрении  отличается большей подвижностью, доступностью растениям, чем природные фосфаты почвы. При систематическом и длительном внесении этих удобрений необходимо изменять соотношения между питательными элементами с учетом их остаточного действия: дозу фосфора следует уменьшать, а дозу азотных удобрений увеличивать.

     Калий удобрений, внесенный в почву, подобно фосфору, не остается в неизменном виде. Часть его находится в почвенном растворе, часть переходит в поглощено-обменное состояние, а часть превращается в необменную, малодоступную для растений форму. Накопление доступных форм калия в почве, а также превращение в недоступное состояние в результате длительного применения калийных удобрений зависит в основном от свойств почвы и погодных условий. Так, в черноземных почвах количество усвояемых форм калия под влиянием удобрения хотя и увеличивается, но в меньшей мере, чем на дерново-подзолистых почвах, так как в черноземах калий удобрений больше превращается в необменную форму. В зоне с большим количеством осадков и при поливном земледелии возможно вымывание калия удобрений за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

     В районах с недостаточным увлажнением, в условиях жаркого климата, где  почвы периодически увлажняются  и пересыхают, наблюдаются интенсивные  процессы фиксации калия удобрений  почвой. Под влиянием фиксации калий  удобрений переходит в необменное, малодоступное растениям состояние. Большое значение на степень фиксации калия почвами имеет тип почвенных  минералов, наличие минералов, обладающих высокой фиксирующей способностью. Таковыми являются глинные минералы. Большей способностью фиксировать  калий удобрений обладают черноземы, чем дерново-подзолистые почвы.

     Подщелачивание  почвы, вызываемое внесением извести  или естественными карбонатами, особенно содой, увеличивает фиксацию. Фиксация калия зависит от дозы удобрения: при повышении дозы вносимых удобрений  процент фиксации калия уменьшается. В целях уменьшения фиксации почвами  калия удобрений рекомендуется  вносить калийные удобрения на достаточную  глубину, чтобы исключить пересыхание и чаще вносить их в севообороте, так как почвы, систематически удобрявшиеся калием, при новом его добавлении фиксируют его слабее. Но и фиксированный калий удобрений, находящийся в необменном состоянии, также участвует в питании растений, так как со временем он может переходить в обменно-поглощенное состояние.

     Азотные удобрения по взаимодействию с почвой значительно отличаются от фосфорных и калийных. Нитратные формы азота почвой не поглощаются, поэтому они легко могут вымываться атмосферными осадками и поливными водами.

     Аммиачные формы азота поглощаются почвой, но после их нитрификации приобретают  свойства нитратных удобрений. Частично аммиак может поглощаться почвой необменно. Необменный, фиксированный  аммоний, растениям доступен в малой  степени. Кроме этого, потеря азота  удобрений из почвы возможна в  результате улетучивания азота в  свободной форме или в виде окислов азота. При внесении азотных  удобрений резко изменяется содержание нитратов в почве, так как с  удобрениями поступают наиболее легко усвояемые растениями соединения. Динамика нитратов в почве в большей  мере характеризует ее плодородие.

     Весьма  важным свойством азотных удобрений, особенно аммиачных, является их способность  мобилизации почвенных запасов, что имеет большое значение в  зоне черноземных почв. Под влиянием азотных удобрений органические соединения почвы быстрее подвергаются минерализации, превращаются в легкодоступные для растений формы.

     Некоторое количество питательных веществ, особенно азота в виде нитратов, хлоридов и сульфатов, может проникнуть в  грунтовые воды и реки. Следствием этого является превышение норм содержания этих веществ в воде колодцев, родников, что может быть вредным для  людей и животных, а также ведет  к нежелательному изменению гидробиоценозов  и наносит ущерб рыбному хозяйству. Миграция питательных веществ из почв в грунтовые воды в разных почвенно-климатических условиях проходит неодинаково. Кроме этого, она зависит от видов, форм, доз и сроков применяемых удобрений.

     В почвах Краснодарского края с периодически промывным водным режимом нитраты  обнаруживаются до глубины 10 м и  более и смыкаются с грунтовыми водами. Это свидетельствует о  периодической глубокой миграции нитратов и включении их в биохимический  круговорот, начальными звеньями которого являются почва, материнская порода, грунтовые воды. Такая миграция нитратов может наблюдаться во влажные  годы, когда для почв характерен промывной водный режим. Именно в  эти годы возникает опасность  нитратного загрязнения окружающей среды при внесении больших доз  азотных удобрений под зиму. В  годы с непромывным водным режимом  поступление нитратов в грунтовые  воды полностью прекращается, хотя остаточные следы соединений азота  наблюдаются по всему профилю  материнской породы до грунтовой  воды. Их сохранности способствует низкая биологическая активность этой части коры выветривания.

     В почвах с непромывным водным режимом (южные черноземы, каштановые) загрязнение биосферы нитратами исключается. Они остаются замкнутыми в почвенном профиле и полностью включаются в биологический круговорот.

     Вредное потенциальное влияние азота, вносимого  с удобрениями, может быть сведено  к минимуму путем максимального  использования азота сельскохозяйствен-ными культурами. Итак, нужно заботиться, чтобы при повышении доз азотных удобрений увеличивалась эффективность использования их азота растениями; не оставалось большого количества неиспользованных растениями нитратов, которые не удерживаются почвами и могут вымываться осадками из корнеобитаемого слоя.

     Растения  имеют свойство накапливать в  своих организмах нитраты, содержащиеся в почве в избыточных количествах. Урожайность растений растет, но продукция  оказывается отравленной. Особенно интенсивно аккумулируют нитраты овощные  культуры, арбузы и дыни.