Когда земледелец засевает семена растений, способных давать больше съедобных веществ, чем растения, обычно растущие на данной земле, окультуренные растения конкурируют за минеральные вещества, за солнечный свет и воду с неокультуренными растениями или сорняками. Сорняками считают все дикорастущие растения, появляющиеся в посевах сельскохозяйственных культур. Сорняки менее требовательны к условиям произрастания (у них отсутствуют затраты энергии на нужные человеку питательные вещества, составляющие значительный процент массы культурных растений. Масса семян сорняков относительно ниже). Поэтому сорняки опережают культурные растения в росте и развитии. Для борьбы с сорняками крестьянин плодородных районов непосредственно перед засеванием окультуренными семенами пахал землю, то есть переворачивал почву, перемещая проросшие сорняки в глубь почвы, и тем самым существенно затруднял рост сорняков, которые обычно стартовали быстрее, чем культурные растения. Сейчас эта задача может решаться внесением гербицидов, ядовитых веществ, которые специфически затрудняют рост сорняков и мало влияют на культурные растения. Если специфичность ядов невелика, то их вносят до посева культурных растений. За время до посева они должны быть в почве разрушены. Вторая цель переворачивания почвы — это ее аэрация и предотвращение испарения воды, доставляемой на поверхность по быстро формируемым в смоченной почве капиллярным ходам, которые ведут на поверхность земли. Аэрация способствует также улучшению работы азотфиксирующих бактерий и тем самым повышает плодородие почвы (см. выше). Переворачивание почвы или, как часто его называют, вспахивание, требовало применения существенной механической работы.

Не всегда тщательное вспахивание и тем более переворачивание обязательно: порой положительный эффект от зарывания семян сорняков перекрывается негативным эффектом от помещения наверх менее аэрированного слоя, в котором, следовательно, содержится меньше азота. Мало того, плодородный слой может быть настолько тонок, что переворачивание поместит наверх неплодородную почву.

При оставлении на поверхности почвы стерни и пожнивных остатков не образуется почвенной корки, благодаря чему улучшается водопроницаемость и воздухообмен; накапливается больше влаги, и почва разуплотняется; увеличивается содержание органического вещества в верхнем слое почвы, что повышает ее структурность; при рыхлении без оборота пласта постепенно исчезает плужная подошва. Безотвальная (без переворачивания пласта при вспашке) обработка и лесные полосы снижают закисление и засоление почвы. Многолетняя распашка почвы отвальными орудиями способствовала ее выдуванию и снижению содержания гумуса (органики) в пахотном слое на 25,8–30,4 % от его содержания в почве многолетней залежи. Плоскорезная обработка способствовала увеличению содержания гумуса на 13,2 % от его содержания при отвальной вспашке в открытом поле. Отмечу, что не существует универсальных рецептов, пригодных для всех районов и выращиваемых культур.

Главной причиной снижения урожайности при бессменных посевах без внесения удобрений является одностороннее истощение почвы (как и всякое истощение вообще). Этому можно противостоять с помощью севооборота — научно обоснованного чередования сельскохозяйственных культур во времени и размещения их на полях. Положительная роль чередования тем значительнее, чем более несходны чередующиеся культуры по биологии и технологии выращивания. Если одна культура потребляет калий, но накапливает в почве азот, а другая в калии нуждается гораздо меньше, но требует много азота, то они при чередовании дадут больше питательных веществ, чем если бы постоянно выращивалась одна какая либо культура. Классическим севооборотом считается норфолский, возникший в Англии в XVIII в. (1 — клевер, 2 — озимая пшеница, 3 — турнепс, 4 — ячмень). В данном сочетании подобраны растения, имеющие разную потребность в разных элементах, что позволяет наиболее эффективно использовать возможности почвы.

При введении плодосменных севооборотов резко увеличилась обеспеченность скота кормами (зеленым кормом и сеном, богатым протеином и сочным кормом). Некоторое уменьшение площадей под зерновыми компенсировалось повышением их урожайности вследствие значительного увеличения навозного удобрения, очищения почвы от сорняков в пропашном поле и др. Было установлено, что в севообороте (по сравнению с бессменным возделыванием) зерновые культуры и сахарная свекла повышают урожайность в 1,5–2 раза, картофель — на 20–50 %. Люпин, гречиха, овес и некоторые другие культуры с помощью корневых выделений могут переводить в усвояемое состояние малодоступные соединения фосфора. Растения в процессе жизнедеятельности выделяют различные вещества: одни из них отрицательно/положительно действуют на последующие культуры, другие подавляют/ поощряют развитие полезных микроорганизмов. Введение в севооборот бобовых растений обогащает почву азотом.

Вторым способом повышения натурального плодородия является внесение в почву фекалий домашнего скота, которые называются навозом. Навоз является поставщиком для растений не только минеральных веществ, выделяемых бактериями из растительных остатков, особенно азотных соединений, но и углекислого газа, который выделяется в большом количестве в процессе разложения навоза и проникает в надпочвенный воздух, стимулируя процесс фотосинтеза и превращая высвобождаемый углерод в органику.

Чтобы понять суть проблем сельского хозяйства необходимо остановиться на источниках энергии, используемой для обработки земли и повышения урожайности. Назовем состояние земли, при котором для повышения плодородия не используются невозобновляемые источники энергии, натуральным плодородием, чтобы не путать наше понятие с общепризнанным термином «естественное плодородие» — такого, которое достигается без использования удобрений. Дробление фосфатного камня на водяной мельнице и развоз лошадьми— это натуральное плодородие, но на базе человеческих действий. Натуральное плодородие следует отнести на счет солнечной энергии — до сих пор невозобновляемые источники энергии не используются. Но данная система имеет предел урожайности. Чтобы увеличить производство продовольствия, приходится использовать невозобновляемые источники энергии.

Большая часть удобрений производится за счет использования энергии при сжигании нефти и газа или гидроэлектростанций. Однако при строительстве гидроэлектростанций на равнинных участках заливаются большие территории, и не всегда ясно, более ли выгодно иметь там гидроэлектростанцию или использовать эти площади для производства зерновых, овощей, древесины, сена и другой продукциии. Видимо, в России уже построенные равнинные гидроэлектростанции, как правило, экономически и экологически выгодны по следующим причинам: обеспечивают производство дешевой электроэнергии без использования невозобновляемых энергоресурсов и загрязнения окружающей среды, не требуя большого числа работников; позволяют улучшить водоснабжение населенных пунктов и орошение прилегающих сельхозугодий; смягчают климат и т. д. Невыгодность равнинных ГЭС может проявиться при достаточно плотном населении страны или региона, когда земли абсолютно не хватает. Современной России до этого состояния далеко, а, например, в Западной Европе давно освоенные земли никто затапливать не собирается — могут обойтись. Строительство в горах гидроэлектростанции очень часто выгоднее, чем производство продуктов, которые можно получать с затапливаемой территории.