После уборки урожая значительные количества элементов питания выносятся из почвы. В связи с этим для сохранения последующих высоких урожаев запасы этих элементов в почвах необходимо восполнять.
Например, согласно проведенным оценкам, урожай кукурузы 7,0 т/га выносит из почвы на площади 1 га 104 кг азота, 19 кг фосфора и 22 кг калия. Значительное количество элементов питания выносится из почвы в результате ветровой и водной эрозии, которая часто имеет место на кукурузных полях. Потери фосфора могут достигать значительного количества, а потери калия могут превышать в 20 раз содержание этого элемента в урожае данной культуры. Таким образом, важной альтернативой является снижение эрозии почвы.
Рассматривая сохранение запасов элементов питания и пути их восполнения, основное внимание уделяют азоту, так как для производства азотных удобрений расходуется наибольшее количество энергии. Для получения 1 кг селитры затрачивается 14 700 ккал энергии природного топлива, а для производства 1 кг фосфорных и калийных удобрений требуется соответственно 3000 и 1600 ккал. Процесс производства минеральных удобрений требует значительных затрат энергии.
Для замены некоторой части или всего количества применяемых минеральных удобрений можно использовать навоз сельскохозяйственных животных. Навоз — не только источник элементов питания, в которых нуждаются сельскохозяйственные растения, его внесение в почву способствует снижению эрозии и улучшению структуры почвы. В настоящее время в США производство навоза сельскохозяйственных животных оценивается 1,1 млрд. т в год, при этом около 420 млн. т получают в скотооткормочных хозяйствах промышленного типа, а также в загонах для кормления скота. Более 70 % полученного навоза вносится в почву, что обеспечивает потребность земледелия в азоте, фосфоре и калии соответственно на 8, 20 и 20%. К сожалению, около половины азота, предназначенного для использования сельскохозяйственными культурами, теряется в результате неудовлетворительных технологий хранения, транспортировки и внесения навоза.
Основная трудность использования навоза в качестве источника элементов питания заключается в необходимости хранения больших количеств этого органического удобрения. Например, 1 т навоза крупного рогатого скота содержит только 5,6 кг азота, 1,5 кг фосфора и 3 кг калия. Предположив, что участок расположен на расстоянии 1,5 км от хранилища навоза, для транспортировки и внесения этого количества навоза, используя трактор и разбрасыватель, требуется около 30000 ккал энергии топлива.
Сравним это количество с затратами энергии на внесение минеральных удобрений, содержащих такое же количество элементов питания, как 1 т навоза крупного рогатого скота. Они окажутся равными 91 600 ккал, что почти в 3 раза больше, чем в случае использования навоза. Таким образом, предполагая, что навоз транспортируется на расстояние 1,5 км, применение его в качестве удобрений обеспечивает значительную экономию энергии. (Расстояние, при котором исчезает различие между энергозатратами на применение навоза и минеральных удобрений, составляет 4,5 км.) Разумеется, что количества удобрений, необходимых для обеспечения 1 га посевов кукурузы элементами питания, достаточно большие. Так, для обеспечения необходимого содержания азота в почве требуется внесение около 27 т навоза крупного рогатого скота. Очевидно, что внесение такого количества навоза требует больше ручного труда, чем применение менее 0,3 т минеральных удобрений, содержащих эквивалентное количество азота. Однако затраты энергии в случае применения навоза в 3 раза меньше, чем при использовании минеральных удобрений.
До того как во всем мире стали применять минеральные удобрения при выращивании кукурузы, эту культуру возделывали в севообороте с бобовыми культурами, например донником. Посев донника осенью после уборки урожая кукурузы и его запахивание в почву через год обеспечивают поступление в почву около 170 кг/га азота. Однако, в связи с тем что необходимо обрабатывать 2 га сельскохозяйственных земель для выращивания кукурузы на 1 га, эта технология не получила широкого распространения.
Когда отсутствует возможность выращивать кукурузу в севообороте с бобовыми культурами, их высевают в августе между рядами кукурузы, а затем так называемое зеленое удобрение запахивается в почву ранней весной, когда готовят поле для посева. Вика мохнатая и другие бобовые культуры, посеянные таким образом, увеличивают запасы азота в почве на 150 кг/га. Использование покровной культуры также защищает почву в зимний период от ветровой и водной эрозии и способствует увеличению содержания органического вещества в почве. Конечно, отрицательный момент выращивания покровной культуры — это необходимость запахивания зеленого удобрения в почву весной, когда у фермера мало времени для проведения посева основной культуры в оптимальные сроки.