Ведущее место среди агрохимических средств в восполнении обеспеченности растений элементами питания и увеличении их урожайности занимают минеральные удобрения.
Простые минеральные удобрения (азотные, фосфорные, калийные) содержат один основной питательный элемент, комплексные — два и более. Микроудобрения содержат соли микроэлементов (бор, цинк, медь, кобальт, марганец, молибден).
Помимо основных компонентов удобрения (элементов питания) в их составе обычно присутствуют примеси тяжелых металлов и металлоидов. Уровень их содержания зависит от качества исходного сырья и технологии его переработки. В калийных и азотных удобрениях содержание тяжелых металлов и мышьяка невелико.
Обобщение собственных и многочисленных литературных данных позволило сделать заключение о том, что в азотных и калийных удобрениях могут встречаться наибольшие количества примеси Mn, Cr, Ni, Zn, Ti — до 100—400 мг/кг, а также В — до 50—60 мг/кг.
Наиболее обогащены химическими элементами-примесями фосфорные удобрения. В России значительную долю фосфатного сырья составляют апатитовые месторождения. Из фосфоритов основное место в балансе отечественных запасов фосфора занимают конкреционные фосфориты. И фосфориты, и апатиты отличаются высоким содержанием F и Sr. Однако доля F в фосфатном сырье из стран СНГ несколько ниже, чем в фосфоритах крупнейших зарубежных месторождений.
Отечественное сырье выделяется и относительно низким содержанием Cd.
Все виды фосфорных удобрений из всех элементов-примесей содержат наибольшие количества F: от 0,1—0,6 % в диаммофосе до 2,1 % в двойном суперфосфате. В процессе изготовления удобрений по сравнению с сырьем содержание большинства металлов в них снижается. Однако простой и двойной суперфосфат, независимо от исходного сырья, а также фосфоритная мука большей части месторождений содержат существенные примеси Sr — от 0,2 до 1,2 %. В меньших количествах Sr присутствует в концентрированных удобрениях, особенно из фосфоритов — аммофосе, диаммофосе.
В удобрениях из фосфоритов повышено содержание Mn (до 0,1 %). В некоторых формах фосфорных удобрений присутствуют существенные количества Ва и Zn (до 0,01—0,05 %).
Длительное внесение минеральных удобрений может приводить к накоплению некоторых тяжелых металлов и металлоидов в почвах агроэкосистем и сельскохозяйственной продукции.
В зависимости от форм применяемых удобрений в пахотных горизонтах почв может наблюдаться накопление Mn, V, Ni, Ва, Sr, В, F, Zr, Ti, Pb, Cr, Co, Cu, Zn, As и Cd. Большинство зарубежных исследователей связывают накопление Cd и As в почвах агроэкосистем с применением фосфорных удобрений, изготовленных из североамериканских, австралийских или африканских фосфоритов.
Для F увеличение валового содержания в пахотных почвах под влиянием длительного внесения удобрений обычно не превышает 10—20 %, для Sr и Ti — 30 %, для Mn, Zn, В, Cr, Zr, V, Со, Ni, As может достигать 1,4—2 раз (Карпова, 2006).
Если длительно (более 70 лет) применять минеральные удобрения на почвах с исходным (фоновым) относительно низким содержанием тяжелых металлов (например, на дерново-подзолистых почвах Московского региона), то это не приводит к достижению в них предельных или ориентировочно допустимых уровней концентраций металлов. Но даже в этих случаях отдельные виды сельскохозяйственных культур, особенно их вегетативная масса, могут содержать металлы и металлоиды на уровне ПДК. Это может быть связано с более широким действием удобрений на систему почва-растение. Таким образом, минеральные удобрения не только служат источником поступления металлов в агроэкосистемы, но и являются мощным средством интенсификации их циклов как за счет прямого взаимодействия удобрений и почвы, так и косвенного (через стимуляцию роста и развития растений).
В почвах же с высоким региональным фоном тяжелых металлов применение минеральных удобрений может приводить к накоплению металлов в сельскохозяйственных растениях выше ПДК. Так, по данным Т. М. Минкиной (2008), из-за высокого регионального фона в растениеводческой продукции из Ростовской области часто превышена предельно допустимая концентрация Pb. В работах шведских исследователей (Eriksson, 1990; Jonsson, Eriksson, 2003; Wangstrand, Eriksson, 2003) отмечается накопление Cd (выше ПДК) в зерновых культурах при применении даже очищенных от металла минеральных удобрений. В центральных районах Швеции отмечены геохимические аномалии, характеризующиеся повышенным содержанием Cd в почвообразующих породах и почвах (Башкин, Касимов, 2004).
При выращивании сельскохозяйственных культур в условиях высокого регионального фона тяжелых металлов почвах необходимо сочетать применение минеральных удобрений с другими агрохимическими средствами (известь, органические удобрения, цеолиты и др.), которые могут снижать подвижность металлов, а также способствовать усилению физиологических барьеров растений, ограничивающих поступление металлов.
Другим видом негативного воздействия минеральных удобрений на природную среду является избыточное накопление в почве и сельскохозяйственных культурах нитратов, миграция их в грунтовые и поверхностные воды при применении повышенных доз азотных удобрений.
Большое значение имеет обеспечение растений оптимальными дозами минеральных удобрений. При несбалансированности элементов питания, нарушении водного режима, недостаточной освещенности и других неблагоприятных условиях высокие дозы азотных удобрений могут привести к повышенному содержанию нитратов в выращиваемой продукции. В данном случае необходимо учитывать, что нитраты в повышенных количествах негативно влияют на организм человека и животных. В частности, они могут вызывать такое заболевание, как метгемоглобинемия (нитраты, восстанавливаясь в крови человека и животных, окисляют двухвалентное железо гемоглобина до трехвалентного, переводя гемоглобин в метгемоглобин, который не способен быть переносчиком кислорода), которое приводит к удушью.
Нитраты являются предшественниками нитрозаминов — сильнейших канцерогенов, образующихся в природной среде, продуктах питания и в организме человека и животных. Доказан эндогенный синтез нитрозаминов у животных и человека, в частности в кислой среде желудочного сока из нитратов и вторичных аминов или амидов.
Попадание азота из удобрений и почвы в грунтовые и поверхностные воды может приводить к эвтрофикации природных водоемов и загрязнению источников питьевого водоснабжения населения. Оптимальный рост водных организмов (эвтрофирование) происходит при концентрации нитратного азота в водах 0,9—3,5 мг/л и фосфора — 0,09—1,8 мг/л. ПДК нитратов в питьевых водах составляет 45 мг/л, нитритов — 3 мг/л, аммония — 2 мг/л.
Поступление азота в водные объекты зависит от природных (погодные условия, рельеф, гидрология, тип и гранулометрический состав почв) и антропогенных (система удобрения, степень сельскохозяйственного использования территории) факторов.
Идентифицировать основные процессы поступления нитратов в природные воды (миграция из минеральных удобрений, естественные почвенные процессы, привнос сельскохозяйственных или городских фекальных стоков и др.) можно по изотопному составу азота (Крайнов, Закутан, 1993). Соединения азота минеральных удобрений имеют изотопное соотношение, близкое атмосферному азоту со средним значением δ 15N 0,07±0,15 для NH4+ и 2,4±2,1 для NO3 (величина δ 15N определяется как отношение тяжелого 15N и легкого 14N в исследуемом образце к отношению тяжелого 15N и легкого 14N в стандарте); нитраты почвенного происхождения характеризуются значениями δ 15N 8—9; нитраты продуктов окисления животноводческих и коммунальных стоков обогащены тяжелым азотом, их δ 15N в среднем равно 12 (Кастани, 1984).
Основным элементом, обусловливающим процесс эвтрофикации природных вод, является фосфор. Обычно в водоемах его недостаточно и поэтому поступление даже относительно небольших количеств фосфора (в основном с поверхностным и жидким стоком из почв агроландшафтов) приводит к значительному увеличению биологической продуктивности водного объекта. В 1980-е гг. (в период наивысшего уровня применения удобрений в нашей стране), по ориентировочным расчетам (Коплан-Дикс и др., 1985), в водные объекты поступало порядка 665 тыс. т Р2O5 из всего фосфора, использовавшегося в земледелии Нечерноземной зоны. При этом доля его поступлений в природные воды, происходящих в результате потерь при транспортировке и хранении удобрений, составляла 34 %. В результате поверхностного и жидкого стока из почв агроландшафтов поступало порядка 21 % (от всех поступлений). Около 45 % от всех поступлений фосфора в природные воды обеспечивают животноводческие и коммунальные стоки.
Снижение потерь питательных элементов из агроэкосистем в природные воды, по данным В. Г. Минеева (1988), может быть достигнуто за счет реализации оптимальных агрохимических и агротехнических приемов.