Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Применение почвозащитных ресурсосберегающих технологий тесно связано с задачами по обеспечению продовольственной безопасности, реализация которых возможна при получении высоких стабильных урожаев сельскохозяйственных культур, с одной стороны, и уменьшении воздействия на компоненты природной среды – с другой. В практике мирового земледелия уже более 100 лет разрабатываются и применяются различные почвозащитные ресурсосберегающие приемы, технологии и системы возделывания культур, среди которых в последнее время особое внимание отечественными и зарубежными исследователями уделяется минимальной (Mini-till) и нулевой (No-till) технологиям обработки почвы с формированием мульчирующего слоя и посева в необработанную почву. В основе Mini-till технологии лежат осенние одно- или двухкратные мелкие обработки почвы плоскорежущими и (или) дисковыми орудиями. No-till технология основана на прямом посеве в необработанную почву, при этом полностью исключается основная обработка в севообороте, что отличает ее от нулевой обработки, подразумевающей только эпизодический отказ от основной обработки почвы. Такие подходы, направленные на снижение антропогенного воздействия на экосистемы, позволяют получать высокие урожаи и способствуют увеличению утраченного плодородия почв, восстановлению биологического разнообразия, при обеспечении биосферных функций агроландшафтов.

Целью исследования является анализ положительных и отрицательных сторон применения технологий Mini-till и No-till на основе изучения истории развития почвосберегающих технологий и систем земледелия, а также деятельности современных научных центров, занимающихся вопросами совершенствования систем земледелия и оптимизации степного землепользования.

Материал и методы исследования

Материалом для исследования послужили опубликованные научные работы отечественных и зарубежных ученых и аграриев-практиков XIX-XXI вв., посвященные развитию приёмов и методов ресурсосберегающего почвозащитного земледелия. Анализ развития теоретических идей и практических приёмов почвозащитного земледелия, результатов стационарных опытов в различных степных регионах мирового земледелия проведён на основе сравнительно-исторического метода.

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящее время в мире беспахотное почвозащитное земледелие применяется на площади около 400 млн га, при этом под No-till задействовано 125 млн га (около 9% от всех пахотных угодий) [1]. Среди лидеров использования одной из самых эффективных ресурсосберегающих технологий – No-till – такие страны, как США, Бразилия, Аргентина, Канада, Австралия, Парагвай (табл. 1). На долю России приходится 5 млн га (3%) [1].

Первые опыты по внедрению почвозащитных ресурсосберегающих технологий в России и массовое внедрение нового способа хозяйствования в 90-е годы XX века разделяет почти столетний период с несколькими мировыми экологическими кризисами.

Российские ученые уже в конце XIX – начале XX в. вели работы по адаптации ресурсосберегающих технологий в практику ведения сельскохозяйственного производства. Так, И.А. Стебут, А.А. Измаильский, П.А. Костычев рекомендовали для степных засушливых районов дифференцированную основную обработку почвы, а И.Е. Овсинский, Л.Х. Эван, В.Г. Ротмистров, Н.М. Тулайков – мелкую безотвальную обработку [2].

Таблица 1

Страны – лидеры по площади земель, обрабатываемых по технологии No-till, тыс. га

Первым, кто выступил против традиционного способа – отвальной вспашки, был наш соотечественник – основоположник почвозащитной системы Иван Евгеньевич Овсинский. Он предложил проводить обработку почвы в сухих степях изобретенным им культиватором «Урожай» на глубину до 7 см, без оборота пласта, с последующим полосно-рядовым (ленточным) посевом повышенной нормой семян, боронованием всходов без прикатывания после посева. Выполнение комплекса мероприятий позволяло накапливать в поверхностном слое органические остатки, сохранять почвенную влагу, усиливать процессы нитрификации и гумификации, получая при этом в условиях засухи высокие урожаи зерновых культур. Обладая, наряду с новаторскими качествами, ещё и талантом пропагандиста, И.Е. Овсинский пишет книгу «Новая система земледелия» [3], которая к 1910 году переиздавалась трижды.

Позднее ряд успешных экспериментов по мелкой и безотвальной обработке почвы был проведен во Франции, Германии, Англии, США, СССР, что в совокупности с экологическими кризисами землепользования на Великих равнинах США 30-40 гг. XX века, распашкой целинных земель в Северном Казахстане, Южном Урале, Поволжье, Сибири конца 50 – начала 60-х годов XX века, спровоцировавших серии жесточайших засух и катастрофических пыльных бурь, а также пыльные бури в «Армавирском коридоре» (Ставропольский и Краснодарский края), в Ростовской, Астраханской и Волгоградской областях, послужило поворотом к ресурсосберегающим технологиям.

Отдельно необходимо отметить разработку и апробацию безотвальной обработки почвы на опытных полях Всесоюзного НИИ зернового хозяйства (Шортанды, Казахстан) с последующим внедрением минимальной обработки (организованным Ф.Т. Моргуном, А.Г. Тарарико, Н.К. Шикулой) в Полтавской области Украины. Разработчиками почвозащитной системы земледелия были Терентий Семенович Мальцев [4] и Александр Иванович Бараев [5].

Основными принципами почвозащитной системы Мальцева – Бараева являются:

1) разноглубинная безотвальная обработка с сохранением на поверхности почвы стерневых остатков (для улучшения теплового и водного режима) с периодическим (1 раз в 4-5 лет) глубоким рыхлением на глубину 35-40 см для разрушения «плужной подошвы»;

2) обязательность паров в зерновых севооборотах (в умеренно засушливой степи 15%, в сухой степи – до 33% от площади пашни);

3) внедрение 3-5-летних зернопаровых севооборотов короткой ротации;

4) безотвальная обработка чистых паров, с посевом кулисных растений, и обязательное проведение снегозадержания для максимального накопления осенне-зимне-весенних осадков;

5) оптимально поздние сроки посева зерновых культур, позволяющие уничтожить сорняки предпосевными обработками в зерно-паровых севооборотах;

6) полосное размещение сельскохозяйственных культур;

7) обработка полей широкозахватными почвозащитными машинами и орудиями: плоскорезами-глубокорыхлителями (КПГ, ГУН, позднее СибИМЭ), противоэрозионными культиваторами (КПЭ), стерневыми сеялками (СЗС), игольчатыми боронами (БИГ, БДТ), снегопахами и др.

В 50-60-е годы XX века фермеры США и Канады сначала по одиночке (фермер из Огайо Э. Фолкнер) [6], а потом и массово стали применять в качестве основной обработки рыхление почвы с оставлением на поверхности стерни соломенной мульчи и внесением при этом в корнеобитаемый слой минеральных удобрений. Внедрение Mini-till и No-till сопровождалось активной государственной поддержкой правительства США, уже в 1980-е годы в Соединенных Штатах площади под минимальную систему обработки почвы возросли с 21 до 33 млн га, а No-till – до 3,0 млн га [7]. Зародившаяся в США и Канаде, No-till, на фоне энергетического кризиса 90-х годов XX столетия, получила широкое распространение в странах Латинской Америки (Аргентине, Бразилии, Парагвае, Чили), Австралии и Новой Зеландии [8]. Причина активного внедрения беспахотных технологий заключается в значительном снижении энергетических и трудовых затрат за счет сокращения некоторых агроприемов (вспашка, боронование, культивация) и совмещения нескольких технологических операций (подготовка посевного ложа, посев, прикатывание, выравнивание поверхности поля, внесения минеральных удобрений).

В настоящее время признанными авторитетами применения No-till являются: Карлос Кроветто (Чили), Герберт Бартц, Ноно Перейра, Франк Дайкстр, Адемир Каллегари (Бразилия), Джефф Мойер, Рэнди Андерсон, Рик Бибер (США).

В России за четверть века сформировалось несколько научных центров по изучению эффективности применения минимальных и нулевых технологий обработок черноземных почв. Среди них: Почвенный институт им. В.В. Докучаева; Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр; Курский федеральный аграрный научный центр – ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии; Белгородский федеральный аграрный научный центр; Донской государственный аграрный университет ГАУ; Воронежский федеральный аграрный научный центр им. В.В. Докучаева; НИИ сельского хозяйства Крыма; Уфимский научный центр РАН и Башкирский государственный аграрный университет; Самарский НИИ сельского хозяйства им. Н.М. Тулайкова; Федеральный аграрный научный центр Юго-Востока в Саратове; Волгоградский ГАУ и Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН; Оренбургский федеральный исследовательский центр УрО РАН и Оренбургский государственный аграрный университет; Челябинский НИИ сельского хозяйства; Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН.

Перспективы No-till, по мнению ряда исследователей [9-11], связаны в первую очередь с созданием и сохранением достаточно «мощного» мульчирующего слоя (не менее 3-5 см) из растительных остатков предшествующих культур, что способствует:

– снижению испарения влаги путем снижения температуры поверхностного слоя почвы, уменьшению диффузии водяного пара, что, в свою очередь, способствует накоплению большего количества влаги в корнеобитаемом слое почвы, предоставляя возможность возделывания влаголюбивых сельскохозяйственных культур в засушливых условиях степей [12-14];

– увеличению скорости инфильтрации влаги и значительному снижению скорости поверхностного стока, особенно в засушливых климатических условиях [14; 15];

– снижению интенсивности минерализации гумуса и накоплению в поверхностном слое почвы доступных растению элементов питания (N, P, K) [16; 17], что позволяет сократить внесение минеральных удобрений [18];

– повышению биологической активности почв и темпов прироста органического вещества [12], способствуя увеличению запасов влаги, росту аэрации и синхронизации роста растений – микробиологической активности и поглощения питательных веществ [17; 19];

– защите от проявлений водной и ветровой эрозии на 50-90% (растительные остатки защищают почву от воздействия дождевых капель и распыления и способствуют снижению скорости ветра в надпочвенной зоне) [20; 21];

– формированию водопрочных почвенных агрегатов [22] и снижению их разрушения, а также снижению объемной плотности и увеличению общей пористости почвы [23; 24];

– обеспечению высокой оперативности проведения полевых работ в условиях максимально сжатых сроков, обусловленных климатическими и технологическими факторами [25];

– уменьшению эмиссии парниковых газов (особенно СО2) [26];

– сокращению текущих и инвестиционных расходов (экономия энергетических (до 50%), трудовых и финансовых ресурсов) при существенном повышении рентабельности и производительности труда [9; 25; 27].

Одним из самых важных показателей получения высокого урожая сельскохозяйственных культур в засушливых условиях степной зоны является накопление и сохранение влаги в корнеобитаемом слое почвы. Показательными по уменьшению испарения и рациональному использованию влаги при применении минимальных обработок и прямого посева являются опыты, проведенные в Ростовской области на черноземе обыкновенном (табл. 2) [14].

Учитывая быструю потерю влаги в посевном слое почвы в варианте с зяблевой отвальной вспашкой, посев был проведен в более ранние сроки в холодную и переувлажненную почву, что привело к уплотнению слоя распространения корней растений, прямой посев же проведен в оптимальные сроки физической спелости почвы [14]. Данное обстоятельство, а также потери влаги при проведении 6-7 технологических операций при традиционной технологии, позволили на варианте прямого посева лучше сохранять влагу и в конечном итоге получить урожай выше, чем при варианте с отвальной вспашкой. Минимальные затраты влаги при прямом посеве подтверждаются показателем расхода влаги на образование 1 т семян (150,4 мм).

Таблица 2

Водопотребление при возделывании подсолнечника в зависимости от технологии обработки почвы (слой 0-150 см) (среднее за 7 лет) [14]

Таблица 3

Содержание агрономически ценных агрегатов (0,25-10 мм) весной на паровом поле, % [23]

Количество растительных остатков, безусловно, зависит от сельскохозяйственной культуры и накопленной почвой надземной и подземной биомассы. В Западной Сибири нулевая обработка обеспечивает поступление в среднем за год на поверхность почвы 1,8-2,1 т/га [28], а на Северном Кавказе – 5,6-6,3 т/га растительных остатков [17]. Ежегодное поступление такого количества пожнивных остатков улучшает структуру почвы [29], защищая от проявлений дефляции и водной эрозии [17].

Результаты опытов по влиянию минимизации обработок на сохранение водопрочной структуры черноземов, проведенных на стационаре отдела земледелия и новых технологий Самарского НИИСХ, показывают, что при поверхностном внесении соломы и обработке почвы с применением прямого посева зафиксировано наибольшее значение агрономически ценных агрегатов (65,8 и 67,4%), что на 4,4 и 1 мм выше контроля [23]. Лучший результат по применению прямого посева был получен в засушливые годы (табл. 3).

В опытах Курского ФАНЦ и ФГБНУ «НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева» с высокой степенью достоверности установлено, что использование прямого посева максимально способствует увеличению содержания органического вещества по сравнению с отвальной, комбинированной и минимальной обработками. При этом через 4 года содержание гумуса в черноземе типичном в слое 0-10 см увеличилось на 0,65% и в слое 10-20 см – на 0,86%, а запас гумуса в слое 0-30 см увеличился на 59,9 т/га [16].

При всех преимуществах No-till эффективность её применения, т.е. увеличение урожайности с.-х. культур, появляется только через 5-7 лет [30], а биоценоз почвы восстанавливается через 10 лет, начиная активно работать на воспроизводство плодородия почвы. Эта закономерность в целом подтверждается мировым опытом ведения земледелия по No-till [31].

Важными условиями реализации Mini-till и No-till являются существенное расширение перечня возделываемых культур (диверсификация культур) [32] и формирование севооборотов с ежегодным чередованием злаковых и широколиственных культур, отказ от парового поля в пользу сидерального.

Среди недостатков прямого посева и No-till, особенно при наличии большого количества и неравномерного распределения по полю послеуборочных остатков, зарубежные и российские ученые отмечают: увеличение засорённости посевов [32; 33], изменение видового состава сорняков с увеличением однодольных [30]; повышенное поражение растений болезнями (особенно корневыми гнилями, мучнистой росой и бурой листовой ржавчиной) и вредителями (хлебной жужелицей, проволочниками, трипсами, мышевидными грызунами и др.) [34]; уплотнение корнеобитаемого слоя в первые 4 года применения прямого посева [10; 30; 35]; дифференциация пахотного слоя по уровню плодородия [36], снижение интенсивности минерализации азота в первых двух ротациях севооборотов [12; 22]; увеличение опасности содержания остаточного количества химических веществ и пестицидов выше необходимого уровня [10; 37].

Негативное влияние этих факторов можно существенно ослабить или устранить правильным подбором и чередованием сельскохозяйственных культур в структуре севооборотов, регулированием сроков сева и норм высева семян, внесением достаточных доз элементов питания растений (NPK и микроудобрений) и химических средств защиты растений (в т.ч. биологических гербицидов), посевом промежуточных почвопокровных культур после уборки и до посева следующей культуры севооборота [14; 15; 30].

Необходимо отметить, что прямой посев и No-till высокотехнологичны и требуют специальных широкозахватных, комбинированных агрегатов (в основном посевных комплексов с культиваторными, дисковыми и анкерными рабочими органами), с одновременным внесением минеральных удобрений, которые позволяют совмещать несколько операций в одном проходе техники (одновременное безотвальное рыхление, прикатывание, выравнивание поверхности почвы) и осуществлять тщательную подготовку посевного ложа.

Заключение

Анализ истории развития почвосберегающих технологий и систем земледелия, деятельности современных научных центров, занимающихся вопросами совершенствования систем земледелия и оптимизации степного землепользования, позволяет выделить ряд эволюционных особенностей, а также положительные и отрицательные аспекты применения ресурсосберегающих технологий в степном земледелии.

Сравнительный анализ развития научных исследований по разработке, апробации и внедрению в практику сельскохозяйственного производства ресурсосберегающих технологий показал, что качественные «скачки» в развитии почвозащитного земледелия отмечались после масштабных социально-экономических и экологических кризисов природопользования в степях и прериях земледельческих регионов (кризис степного землепользования в России 1891-1893 гг., Великих равнин США 30-40-х гг. XX века, освоение целинных и залежных земель в Казахстане, Южном Урале, Поволжье и Сибири 50-60-х гг. XX века). В России идея минимальной обработки почвы появилась раньше, а в США технологии Mini-till и No-till были более всесторонне апробированы и, при государственной поддержке, внедрены в практику работы фермерских хозяйств североамериканского континента.

Среди положительных сторон применения прямого посева и No-till необходимо выделить, прежде всего, влагосбережение, снижение темпов минерализации гумуса, повышение биологической активности почвенной мезофауны, защиту от водной эрозии и дефляции, сокращение затрат на производство продукции, уменьшение эмиссии парниковых газов (особенно СО2). Отрицательные стороны применения прямого посева и No-till, по мнению большинства исследователей, работающих над данной проблематикой, связаны с повышением фитотоксичности, увеличением плотности корнеобитаемого слоя почвы, дифференциацией пахотного слоя по плодородию, повышенной засорённостью посевов, поражаемостью растений болезнями и вредителями, а также потенциальным загрязнением верхнего слоя почвы.

В целом минимизация обработки почвы и No-till, направленные на оптимизацию степного землепользования, требуют серьёзной апробации влияния их на почвенное плодородие, агрофизические и химические свойства почвы, начиная от плотности и структурного состояния, повышения содержания органического вещества до определения уровня пестицидной нагрузки на почвенный и растительный покров.

Статья подготовлена по теме НИР Института степи УрО РАН № АААА-А21- 121011190016-1.