Ресурсосбережение в настоящее время является одним из приоритетных направлений в развитии и функционировании всех отраслей современного сельскохозяйственного производства. В мировой практике земледелия уже не первое десятилетие разрабатываются и применяются различные почвозащитные приемы обработки почвы при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур, однако до сих пор не создано универсальных технологий. Каждая из технологий (традиционная, минимальная, нулевая обработки и их комбинации) должна быть апробирована и адаптирована к местным региональным почвенно-климатическим условиям и биологическим особенностям, с включением мероприятий по защите природы.
Целью исследования является выявление особенностей эволюционного развития теории и практики отечественного и зарубежного почвозащитного земледелия.
Материалы и методы исследования
В качестве материала для исследования были использованы опубликованные научные работы отечественных и зарубежных естествоиспытателей, почвоведов, агрономов XIX–XX вв., а также современные источники, посвящённые развитию приёмов и методов почвозащитного земледелия. Основой для анализа стали труды российских и американских учёных и практиков. Анализ развития теоретических идей и практических приёмов почвозащитного земледелия проведён на основе сравнительно-исторического метода.
Результаты исследования и их обсуждение
История развития земледелия – это эволюционный процесс поиска решения главной проблемы человечества – обеспечение продовольствием. На протяжении столетий учёные-новаторы, энтузиасты, практики постоянно занимались усовершенствованием отвальной, безотвальной, минимальной и нулевой обработки под выращивание сельскохозяйственных культур. Однако развитие аграрных технологий не обеспечивало потребностей населения в продуктах питания. К началу XVIII века выход был найден. Британская сельскохозяйственная революция, на фоне развития капиталистических отношений, обеспечила к 1700–1870 годам прирост сельскохозяйственного производства в 2,7 раза.
Дальнейшее развитие европейской земледельческой традиции (Англия, Германия, Голландия) шло по пути совершенствования технологий использования отвального плуга с предплужником с последующим применением многократных обработок почвы. Усовершенствование конструкции плуга и введение других сельскохозяйственных орудий (сеялок) позволило на рубеже XVIII–XIX вв. получать стабильные урожаи и обеспечивать продовольствием население городов, тем самым поддерживая высокие темпы развития капиталистических отношений в ведущих странах Европы. Далее эта система земледелия была экспортирована «белыми» переселенцами на просторы Америки, Азии и Африки и также применялась российскими крестьянами для распашки степных пространств Украины, Поволжья, Сибири.
В целом эта система земледелия была трудо- и энергозатратна, но она оказалась идеальной для распашки целинных земель и позволяла получать максимальные урожаи в первые годы освоения земельного участка. При истощении участков русские крестьяне переходили на новые целинные площади, постепенно продвигаясь на юг и восток.
Несмотря на разработанные первыми отечественными учёными-агрономами – А.Т. Болотовым, М.И. Афониным, И.М. Комовым, М.Г. Павловым, М.Е. Ливановым В.А. Левшиным, В.Я. Ломиковским, Д.М. Полторацким, И.И. Самариным – практические рекомендации по внедрению ресурсосберегающих систем земледелия, прогресс в сельскохозяйственном производстве России «приживался» очень низкими темпами. Техническая отсталость крестьянских хозяйств, консервативность мышления не позволяли в полной мере использовать достижения науки того времени.
Сельское хозяйство России после отмены крепостного права и перевода сельскохозяйственного производства на капиталистические «рельсы» продолжало развиваться по экстенсивному пути за счёт увеличения площадей, хищнического отношения крестьян-переселенцев к земле и применения примитивных орудий обработки почвы. К этим факторам прибавились часто повторяющиеся засухи, что привело к экологическому кризису степной зоны конца XIX века: потере урожайности зерновых культур и почвенного плодородия, развитию эрозионных процессов и в конечном итоге к голоду в степных регионах России. Эти обстоятельства подталкивали к поиску нестандартных, новаторских решений по организации почвозащитного земледелия.
На рубеже XIX–XX веков целая плеяда отечественных учёных (А.В. Советов, В.В. Докучаев, И.А Стебут, П.А. Костычев, Н.М. Тулайков, В.Р. Вильямс и др.) занималась разработкой мероприятий, направленных на преодоление экологического кризиса степного природопользования, вопросами рационального «вписывания» хозяйствования в окружающий ландшафт, сохранения почвенных ресурсов и совершенствования способов обработки почвы. Их теоретические идеи и практические предложения были апробированы на полях НИИСХ, опытных станций, передовых совхозов и колхозов и реализованы в сталинском плане преобразования природы (1948–1953 гг.).
Так, профессор Тимирязевской сельскохозяйственной академии И.А. Стебут отмечал важность решения вопросов сохранения влаги в поверхностном слое почвы и необходимость поверхностного рыхления почвы для степных регионов России. Н.М. Тулайков разработал для Поволжья комплекс агротехнических мероприятий, включающий замену отвальной вспашки дискованием, с дальнейшим использованием стерни для снегозадержания, внесение органических, минеральных и зеленых удобрений, выведение засухоустойчивых сортов.
Необходимо отметить, что в это время в США на государственном уровне (Мичиганской земельной экономической службой) предпринимались первые попытки апробации ландшафтного и экономического подходов к организации землепользования. Отличительной особенностью этого подхода был междисциплинарный характер оценки, инвентаризации и прогнозирования землепользования, основанный на представлении об однородных территориальных ассоциациях с одинаковыми природными условиями. Проводился поиск корреляционных зависимостей между экономическими характеристиками и типами природных районов.
Основоположником почвозащитной системы земледелия стал отечественный учёный-агроном И.Е. Овсинский, разработавший в конце XIX столетия новаторский подход к обработке почвы. Иван Евгеньевич обрабатывал почву на ножевом культиваторе собственной конструкции на глубину не более 5–7 см, что позволяло получать высокие урожаи пшеницы в условиях засухи, сохраняя при этом почвенное плодородие. Автор «новой системы земледелия» считал, что в создаваемом рыхлом поверхностном слое уничтожаются сорные растения, хорошо сохраняется влага в почве, происходит «биологическое саморыхление, обусловленное повышением биогенности почвы, развитием мезофауны» [1]. Его книга «Новая система земледелия», изданная в 1899 году, переиздавалась трижды (1902, 1905, 1909). К сожалению, почвозащитная система земледелия Ивана Евгеньевича Овсинского не получила распространения в России. Применяясь на полях степной Украины, система Овсинского была возрождена позднее эмигрировавшими в Канаду и США крестьянами.
В СССР, так же как и во всем мире, вёлся поиск технологий обработки почвы, позволявших получать стабильные урожаи и защищать почву от эрозии. В начале 30-х годов XX в. на государственном уровне была принята травопольная система земледелия. Теоретические основы её применения были заложены В.Р. Вильямсом и заключались в создании зернистой мелкокомковатой водопрочной структуры в верхнем корнеобитаемом горизонте почвы за счёт посева бобовых и злаковых трав. Глубокая зяблевая отвальная вспашка перемещала нижний слой с восстановленной структурой на поверхность, а бесструктурный, верхний, с растительными остатками – на дно борозды [2]. Повсеместное шаблонное применение основной обработки почвы, которая состояла из лущения стерни и последующей вспашки, помноженное на внедрение тракторов и сельскохозяйственных орудий к ним, особенно в степных регионах страны, отрицательно сказалось на почвенном плодородии.
С резкой критикой применения травопольной системы земледелия выступали академики Д.Н. Прянишников, К.К. Гедройц и создатель системы «сухого земледелия» Н.М. Тулайков. Основатель агрохимии – Д.Н. Прянишников, в частности, критиковал В.Р. Вильямса за отказ от применения в травопольной системе минеральных удобрений. Николай Максимович Тулайков, основательно проанализировав учение В.Р. Вильямса, в категоричной форме требовал отказаться от универсальных приёмов в полеводстве и тщательно учитывать местные факторы.
В дальнейшем мощным импульсом для активизации теоретических и практических работ по созданию отечественного почвозащитного земледелия стали негативные последствия применения единой системы земледелия на огромном пространстве страны (паровая, травопольная, пропашная), а также крупномасштабного освоения целинных и залежных земель в Северном Казахстане, Южном Урале, Западной Сибири в 1954–1969 гг. (всего было распахано 42 млн га). Ветровая эрозия почв, разразившаяся в этих регионах в конце 50-х – начале 60-х годов XX века (особенно сильные пыльные бури отмечались в 1960, 1965, 1969 гг.), заставила учёных и практиков по-новому взглянуть на применявшиеся системы земледелия (травопольную и пропашную) и начать активную разработку почвозащитных систем на принципиально новой научно-технической основе.
Глобальное экологическое бедствие удалось предотвратить благодаря почвозащитной системе земледелия, разработанной, апробированной и внедренной в производство академиком А.И. Бараевым и представителями его научной школы. Теоретической основой почвозащитной системы послужили идеи и практический опыт канадских фермеров и полевода-новатора Т.С. Мальцева. Терентий Семёнович предлагал заменить отвальную вспашку поверхностной обработкой почвы лущильниками на 7–8 см, а для разрушения уплотненного слоя периодически (1 раз в 4–5 лет) проводить глубокое безотвальное рыхление на глубину 35–40 см [3].
Основным принципом почвозащитной системы Мальцева – Бараева является не оборот пласта, а лишь разноглубинное рыхление с оставлением на поверхности почвы большей части стерни (до 70–80 %), обязательное снегозадержание, оптимально поздние сроки посева зерновых культур, полосное размещение сельскохозяйственных культур. Появление данной системы земледелия сопровождалось созданием целого комплекса противоэрозионных машин: плоскорезов-глубокорыхлителей, противоэрозионных культиваторов, стерневых сеялок, игольчатых борон [4]. Важным элементом было внедрение 3–5-летних зернопаровых севооборотов короткой ротации вместо 8–10-летних зернотравянопропашных длинной ротации.
Бараевская почвозащитная система земледелия получила широкое распространение на Украине, в Северном Казахстане, на Алтае, в Сибири, на Южном Урале, в Поволжье и других регионах страны на площади более 50 млн га. Это дало мощный толчок для развития системного подхода к решению экологических проблем земледелия, позволило уйти от шаблонов в обработке почвы и возделывании сельскохозяйственных культур, заложило основы формирования зональных, а позднее – адаптивно-ландшафтных систем земледелия.
В 70-х годах XX века в отечественном научном земледелии появились новые оригинальные направления: контурно-мелиоративные, ландшафтно-адаптивные зональные системы земледелия склоновых земель Алтая (А.Н. Каштанов), Поволжья (А.И. Шабаев), Центрально-Черноземной зоны (О.Г. Котлярова, В.И. Кирюшин), Северного Кавказа (Е.И. Полуэктов), Украины (Ф.Т. Моргун, Н.К. Шикула, В.Ф. Сайко, А.С. Скородумов, С.С. Антонец), Молдавии (М.Н. Заславский) и других регионов с расчлененным рельефом и активным проявлением водной эрозии.
Вопросы «сберегающего земледелия» не менее глубоко и детально изучаются в зарубежных странах, особенно в США и Канаде. Начало этим исследованиям, а также оставление на полях стерни и мульчи, применение чизельного плуга было положено на Великих равнинах США в 30-х годах XX века после появления катастрофических пыльных бурь.
Американские фермеры и учёные, учитывая опыты обработки почвы дисковыми орудиями пропагандиста почвоохранного земледелия, фермера из штата Огайо Эдварда Фолкнера [5], приходят к выводу, что глубокая вспашка с тщательным предпосевным рыхлением губительна для агрозёмов засушливых прерий. Создание в почве аэробных условий при вспашке вызывает негативные последствия в засушливой зоне, повышенная аэрация ускоряет разложение гумуса. Многочисленные обработки способствуют потере почвой водопрочной структуры. Постепенно фермеры США и Канады стали применять почвозащитную обработку, включающую рыхление почвы на глубину 12–25 см без оборачивания пласта с оставлением на поверхности стерни и соломенной мульчи и внесение в корнеобитаемый слой минеральных удобрений.
Со второй половины XX века американские исследователи активно изучают роль мульчи, посев в стерню и мульчирующую обработку (технология mulch-till) [6]. Подтвердив положительную роль стерни в увеличении урожая, учёные разрабатывают технологические приёмы полосной механической обработки стерневого фона и посева семян в обработанные полосы (технология strip-till) и гребни (технология reduced-till). Постоянная мелкая обработка почвы, как и прямой посев, как показывает практика, образуют непроницаемые барьеры для развития корневой системы, т.к. корни располагаются в верхних (до 30–40 см) слоях почвы. С целью формирования условий для проникновения корневой системы в более глубокие слои почвы необходимо проводить чизелевание, щелевание или глубокое рыхление под гребнем (рядком) возделываемой культуры.
При этом современными исследованиями установлено, что минимальные обработки способствуют созданию устойчивого структурно-агрегатного состава почвы, увеличению накоплению влаги и количества почвенной биоты в верхнем продуктивном слое почвы, снижению интенсивности минерализации гумуса и потери такого важного элемента питания растений, как азот, т.е. обеспечивают ресурсосбережение, приближая процессы, происходящие в верхнем гумусовом горизонте, к природным [7].
В 90-х годах XX столетия широкое распространение в мировой практике (особенно в Аргентине, Бразилии, Австралии) получили приёмы нулевой обработки почвы (no-till). Перспективы этой системы земледелия научное сообщество связывает, в первую очередь, с созданием со временем достаточно «мощного» мульчирующего слоя из растительных остатков предшественников, что значительно уменьшает испарение влаги из почвы при активной весенней инсоляции, особенно в засушливых регионах страны, снижает интенсивность процессов минерализации гумуса, защищает от проявлений водной и ветровой эрозии, при этом повышаются биологическая активность почв и темпы прироста органического вещества, уменьшается эмиссия парниковых газов (особенно СО2), увеличивается урожайность сельскохозяйственных культур [8–10].
Повышенный интерес аграриев США, Канады, Аргентины, Бразилии и Австралии к применению минимальных и нулевых обработок обусловлен уменьшением затрат энергии и труда, экономией времени на операциях и увеличением урожайности [11]. Этот опыт был быстро распространён на южноамериканских полях и позволил получать фермерам Аргентины и Бразилии стабильные урожаи.
Многолетние исследования американских учёных показывают, что практика нулевой обработки восстанавливает и защищает здоровье почвы и считается важной для достижения устойчивости сельского хозяйства [12]. При этом отмечается необходимость сочетания комплексного севооборота с нулевой обработкой почвы для снижения всхожести сорняков, увеличения пористости почвы, улучшения круговорота питательных веществ и восстановления почвенного плодородия. Этот процесс организации почвозащитного земледелия схож с творчеством или искусством и должен постоянно совершенствоваться [11].
Важным преимуществом минимальной и нулевой обработок почвы в настоящее время является проведение их комбинированными агрегатами, которые позволяют осуществлять одновременное лущение и безотвальное рыхление, прикатывание, выравнивание поверхности почвы, а также тщательную разделку посевного слоя и качественное смешивание растительных остатков с почвой, сокращение затрат времени для подготовки почвы под посев зерновых культур. В современных условиях при широком использовании комбинированных агрегатов важным преимуществом земледельца будет применение «точного земледелия», которое заключается в дифференциации технологического воздействия на отдельных участках поля с учётом внутриполевой гетерогенности [13].
Среди недостатков минимальных обработок и прямого посева американские исследователи [14], аналогично российским [15], выделяют резкое увеличение засорённости посевов, повышенное поражение растений болезнями и вредителями, необходимость внесения достаточных доз элементов питания растений (NPK), снижение интенсивности процессов минерализации азота, а также увеличение опасности загрязнения среды.
Необходимо отметить, что отличительной особенностью решения вопроса внедрения почвозащитных систем в США от аналогичных технологических решений учёных-аграриев в России является более высокая степень внедрения достижений американской науки в производство. Подтверждением этому является то, что уже в 1980-е годы в США площади под минимальную систему обработки почвы возросли с 21,2 до 32,9 млн га, нулевую – находились на уровне 2,9–3,0 млн га. К 2017 г. под no-till в США было занято 23,74 млн га, в Бразилии – 21,9 млн га, в Аргентине – 16,0 млн га, а в России – менее 1,0 млн га.
Российская академическая и отраслевая наука, аграрии весьма осторожно относятся к использованию нулевой обработки почвы, т.к. она не подтверждает заявленных преимуществ [7]. Поэтому предлагается использовать её как отдельный способ в рамках комбинированной системы обработки почвы. В целом проблема применения минимальной обработки почвы и прямого посева на фоне острых научных дискуссий требует серьёзной проработки по всем позициям, начиная от плотности и структурного состояния почв, решения проблемы обеспечения сельскохозяйственных растений минеральными удобрениями и до уровня пестицидной нагрузки на почвенный и растительный покров.
Заключение
Сравнительный анализ развития научных исследований отечественных и зарубежных учёных (на примере США и Канады) по развитию теории и практики традиционного и почвозащитного земледелия показал наличие ряда одинаковых и отличительных черт. Основным схожим признаком является то, что активизация исследований и качественные «скачки» в применении почвозащитных технологий наблюдались после крупных экологических кризисов в природопользовании засушливых регионов этих стран. Главное различие видится в том, что в России раньше появилась идея минимальной обработки почвы (Овсинский), а в США наблюдаются более высокие темпы апробации и внедрения новых технологий, повышенный уровень технического оснащения сельскохозяйственного производства, заинтересованность государства в реализации научно-технических разработок по внедрению no-till.
Несмотря на широкое распространение в Аргентине, Бразилии, США, технология no-till крайне осторожно принята аграриями России. Среди причин слабого распространения нулевой обработки почвы в России – консерватизм и отсутствие опыта у сельхозпроизводителей, слабая интеграция между научно-исследовательскими институтами и вузами, с одной стороны, и сельскохозяйственными предприятиями и фермерами – с другой.
Что целесообразнее – отвальная или ресурсосберегающая обработка почвы, как составить схему севооборота, какие удобрения и средства защиты растений применять, чтобы получить максимальный урожай выращиваемых сельскохозяйственных культур и нанести минимальный ущерб природной среде – все эти вопросы надо решать на каждом конкретном поле. Развитие устойчивого степного землепользования в мире определяется рядом основополагающих принципов: ресурсо- и энергосбережением, экономичностью и высокой эффективностью, повышением плодородия почв и сохранением экологических функций в биосфере.
Статья подготовлена по теме НИР Института степи УрО РАН № АААА-А21- 121011190016-1.