Внесение удобрений

Атмосферный CO₂, а также содержащиеся в воде углерод и водород формируют основу растительной ткани в виде углеводов. Но и другие элементы абсолютно необходимы для фотосинтеза, и в зависимости от того, в каком количестве они нужны, они делятся на макроэлементы и микроэлементы. Последние более разнообразны, в их число входят в первую очередь железо, медь, сера, кремний и кальций. Макроэлементов всего три: азот, фосфор и калий (N, Р и К), при этом азот – наиболее важный, он содержится во всех энзимах и белках, и именно его скорее всего будет не хватать в постоянно возделываемой почве (Smil 2001; Barker and Pilbeam 2007). Урожай пшеницы в 1 т/га (типичен для Франции или США около 1800 г) забирает из почвы по 1 кг кальция и магния (Са и Mg), 2,5 кг серы (S), 4 кг калия, 4,8 кг фосфора и 20 кг азота (Laloux et al. 1980).

Дождь, пыль, выветривание и органические останки в большинстве случаев восполняют потерю фосфора, калия и микроэлементов. Но постоянное выращивание растений без внесения удобрений вызывает дефицит азота, а поскольку именно от азота во многом зависит размер зерна и содержание в нем белка, то эта нехватка приведет к задержке роста, малым и низкокачественным урожаям. В рамках традиционного земледелия проблему можно решить лишь тремя способами: прямо вносить в почву все части растений, которые не нужны, то есть вспахивать, оставив на поле солому и стебли, не пошедшие на фураж; вносить в почву различные органические материалы, чаще всего (обычно подвергшиеся гниению) мочу и фекалии человека и животных; культивируя бобовые, чтобы увеличить содержание азота в почве для дальнейшей посадки других растений (Smil 2001; Berklian 2008).

Солома злаковых являлась главным потенциальным источником азота, но ее прямое использование было ограничено. В отличие от современных растений с короткими стеблями, традиционно выращиваемые разновидности приносили больше соломы, с соотношением солома/зерно как 2 к 1. Вспашка через такую растительную массу вызвала бы сложности у большинства животных, но такая ситуация почти никогда не возникала. Только небольшая часть растительного материала возвращалась прямо в почву, поскольку он требовался в качестве корма для скота, для изготовления подстилок и крыш, а также как топливо. Но в богатых деревом регионах солому и стебли часто просто сжигали на полях, почти полностью теряя содержащийся в них азот.

Переработка урины и экскрементов за столетия была доведено до совершенства в Европе и Восточной Азии. В китайских городах использовалась большая часть (70–80 %) отходов человеческой жизнедеятельности. Схожим образом, почти все выделения в Эдо (современный Токио) в 1650-х шли в дело. Но полезность таких отходов ограничена их доступностью и низким содержанием питательных веществ, а практика их переработки влечет за собой много однообразного, тяжелого труда. Даже до потерь, неизбежных при хранении и разных операциях, биологические отходы человека дают в год всего 3,3 кг азота на душу населения. Сбор, хранение и доставка материала на окружающие город поля сформировали масштабную и довольно пахучую индустрию, которая существовала даже в Европе большую часть XIX века, до того, как появилась канализация. По оценкам исследователей (Barles 2007), в 1869 году Париж выдавал каждый год около 4,2 Мт азота, около 40 % из лошадиного навоза и 25 % из человеческих фекалий. В конце XIX века около половины городских отбросов собиралось и промышленным образом перерабатывалось, чтобы получать сульфат аммония (Barles and Lestel 2007).

Использование много более изобильных отходов от животных, для чего требовалась чистка конюшен и стойл, жидкая ферментация или компостирование смешанных отходов перед тем, как отправить их на поля, и сама доставка – все это отнимало еще больше времени. И поскольку в большинстве разновидностей навоза содержалось всего 0,5 % азота, а в процессе переработки некоторое количество еще и терялось, то требовались огромные объемы этого материала, чтобы повысить урожаи. Во Фландрии XVIII века в среднем вносили по Ют/га, иногда до 40 т/га навоза, человеческих отходов, жмыха и пепла, а типичное значение для предреволюционной Франции составляло 20 т/га (Slicher and Bath 1963; Chorley 1981). Детальные подсчеты для Китая 1920-х показывают среднюю величину по стране выше 10 т/га, а для маленьких ферм на юго-западе – почти 30 т/га (Buck 1937).

В качестве удобрения в традиционном земледелии использовались все подходящие органические материалы. De agri cultura Катона упоминает голубиный, козий, овечий, коровий «и все другие виды помета», а также компосты из соломы, мякины, стеблей бобов, шелухи, диких растений и дубовых листьев. Римляне знали, что ротация злаковых культур с бобовыми (они полагались на люпины, бобы и вику) помогает увеличить урожай. Азиатская практика применения органики была даже более эклектичной, использовались как материалы с высоким содержанием азота (жмых масличных, остатки рыбы), так и почти его лишенные (ил из каналов и прудов). По мере того как росли города, пищевые отходы, в первую очередь растительные, становились новым источником удобрений.

Природным материалом с максимальным содержанием азота (около 15 % в лучших залежах) является гуано, птичий помет, сохранившийся в сухом климате островов у побережья Перу. Испанцы-завоеватели были впечатлены тем, как этот материал использовали инки (Murra 1980). Импорт в США начался в 1824 году, в Англию в 1840-м, в 1850-е он быстро вырос, но к 1872 году экспорт из самых богатых месторождений, с островов Чинча, закончился (Smil 2001). После этого чилийские нитраты стали самым важным источником азота для всего мира, по мере того как сельское хозяйство проходящих стадию индустриализации стран начало получать топливо, металлические инструменты, машины и неорганические удобрения (процесс описан в деталях в главе 5).

Фактический состав удобрений сильно варьировался в зависимости от доли навоза (очень высокой с животными в загонах, пренебрежимо малой в случае со свободно пасущимися), отношения к использованию человеческих отходов (от запрета до рутинного применения) и интенсивности земледелия. Любые теоретические оценки содержания азота отстоят очень далеко от его конечного вклада в урожай. Причина в высоких потерях (большей частью через испарение аммиака и выщелачивание в грунтовые воды) в процессе выделения, собирания, компостирования, доставки и окончательного потребления азота растениями (Smil 2001). Эти потери, обычно в две трети от изначального содержания азота, только увеличивались при необходимости использовать громадное количество органических отходов. Вследствие этого во всех интенсивных традиционных сельскохозяйственных обществах много тяжелого труда неизбежно посвящалось собиранию, ферментированию, транспортировке и внесению органических отходов.

«Зеленый навоз» эффективно применялся в Европе со времен античных греков и римлян, и широко использовался в Восточной Азии. Практика эта в основном опиралась на азотфиксирующие бобовые растения, изначально на вику (Astragalus, Vicia) и клевер (Trifolium, Melilotus), позже на люцерну (Medicago sativa). Бобовые могут фиксировать до 100–300 кг азота на гектар в год, и когда они ротируются с другими культурами (обычно сажаются в качестве зимнего растения в более мягком климате), они добавляют за три-четыре месяца, после которых начинается вспашка, 30–60 кг азота в почву, достаточно, чтобы посаженные следом зерновые или масличные дали хороший урожай.

Более высокая плотность популяции обычно вынуждает сажать съедобные растения даже в зимние месяцы. Эта практика неизбежно уменьшает содержание азота в почве и снижает урожаи. В краткой перспективе она может обеспечить энергетическое преимущество, поскольку дает добавочное количество углеводов и жиров. Но в долгой перспективе внесение достаточного количества азота в почву – настолько важная задача, что интенсивное сельское хозяйство не может существовать без азотфиксирующих бобовых, и приходится сажать их вместо съедобных растений. Эта желаемая практика, повторяемая каждый год или при более долгой последовательности севооборота, представляет, возможно, лучший пример энергетической оптимизации в традиционном земледелии. Ничего удивительного, что она формирует ядро всех традиционных систем сельского хозяйства, опирающихся на сложный севооборот, но только между 1750-м и 1880-м годами стандартный севооборот, включающий бобовые несъедобные растения (например, норфолкская четырехлетняя последовательность пшеницы, репы, ячменя и клевера) широко распространился по Европе и по меньшей мере утроил скорость симбиотической фиксации азота, что обеспечило надежный рост урожая съедобных растений (Campbell and Overton 1993).

Исследователи (Chorley 1981, 92) признают этот поворот по-настоящему эпохальным и называют его сельскохозяйственной революцией:

«Хотя продвижение вперед совершалось на широком фронте и стало результатом многих небольших изменений, был один невероятно значимый прорыв: всеобщее признание важности бобовых и последующее увеличение поставок азота. Ничего фантастического не будет в предположении, что эта обычно не замечаемая инновация по важности была сравнима с паровой машиной в экономическом развитии Европы в период индустриализации».

Другие ученые (Wrigley 2002) показывают сравнительные данные в сельском хозяйстве Англии в 1300 и 1800 годах, или документируют (Muldrew 2011) то, как изменения, начавшиеся с 1650-х, обеспечивали все более разнообразный и питательный рацион и как эти улучшения в питании работника привели к лучшей продуктивности, постоянной занятости и росту благосостояния людей.