Бесплужные технологии: влияние на свойства почвы, экологию и экономику производства

Благоприятно влияющее на окружающую среду устойчивое сельское хозяйство предполагает увеличение производства сельскохозяйственной продукции при сохранении биоразнообразия в агроценозах, способствует накоплению в почвах гумуса, снижает эрозию, переуплотнение почвы, вымывание питательных веществ, а также накопление токсичных соединений в почве. Многие страны ЕС в рамках развития концепции устойчивого сельского хозяйства достаточно широко внедряют ресурсосберегающие технологии обработки почвы без вспашки, которые называют сохраняющей или консервирующей (минимальной) обработкой почвы. Обратимся к опыту европейских стран, где ресурсосбережение активно изучается и внедряется на протяжении как минимум нескольких десятилетий, что позволяет делать обоснованные выводы о целесообразности отказа от оборота пласта почвы плугом.

В хозяйствах в настоящее время доминирует плужная обработка почвы. При зяблевой вспашке плуг глубоко заделывает в почву осыпавшиеся семена сорняков, падалицу предшествующих культур севооборота, органические удобрения и зимующих на растительных остатках вредителей, чем обеспечивает подготовку почвы к возделыванию полевых культур.

Однако длительное использование плуга может приводить к негативным изменениям в почвенной среде, что сегодня замечают многие аграрии, в том числе и в нашей стране. Интенсивное рыхление почвы на большую глубину ускоряет процесс разложения ценного гумуса. Потери органического вещества после 20 лет интенсивной обработки почвы плугом могут достигать 50% (Kinsella J., 1995), что отрицательно сказывается на структуре почвы, ее влагоемкости и биологической активности. Подверженность водной и ветровой эрозии также увеличивается, особенно на больших площадях без разделительных лесополос или на большом удалении от лесных массивов.

Верхний слой почвы становится слишком сухим, несущая способность почвы снижается, а частое использование тяжелых тракторов для обработки и транспортировки нередко вызывает чрезмерное переуплотнение, в том числе и подпахотного горизонта. Почва после вспашки требует доработки, что увеличивает затраты на возделывание культур, потребление энергии и рабочего времени, а также создает проблемы с соблюдением оптимальных агротехнических сроков.

Значительная деградация почвенной среды, спровоцированная интенсивным воздействием на почву машин и орудий, заставляет искать новые технологии обработки почвы, способствующие защите почвы и восстановлению естественных биоценозов в районах с интенсивным сельскохозяйственным производством.

В настоящее время значение обработки почвы в качестве приема, доставляющего культурам питательные вещества и отвечающего за снижение засоренности полей сорняками, больше не является приоритетом. Больше внимания уделяется защите окружающей среды: почвы, воды и воздуха. В последние десятилетия стратегия обработки почвы в странах Европы претерпела определенную переоценку и базируется на:

• накоплении влаги и снижении непродуктивных потерь в почве;
• ограничении потерь органического вещества (увеличении связывания органического углерода почвой);
• повышении биологической активности почвы;
• ограничении интенсивности водной и ветровой эрозии;
• улучшении структуры почвы, дренажа и снижении к образованию на поверхности корки;
• снижении поверхностного стока и вымывания питательных веществ;
• снижении затрат на выращивание культур, рабочего времени и энергии.

Консервирующая (минимальная) обработка почвы — это концепция сельскохозяйственного производства, основной целью которой является сохранение природных ресурсов при одновременном получении высоких урожаев. Эта технология основана на поддержании естественных биологических процессов в почве. Все виды обработки почвы сведены к необходимому минимуму. В системе ресурсосберегающего земледелия применяются необходимые для производства средства органического или синтетического происхождения, способные восстанавливать биологическую жизнь и естественную структуру почвы. Ресурсосберегающее земледелие определяется тремя основными характеристиками:

• длительной, существенно ограниченной интенсивностью воздействия на почву;
• круглогодичным покрытием поверхности почвы мульчей из пожнивных остатков или промежуточных культур;
• существенным расширением севооборота с включением зернобобовых и промежуточных культур.

Основным преимуществом консервирующей обработки почвы является рыхление почвы без оборота пласта. На практике это означает отказ от плуга как основного орудия обработки почвы. В зависимости от интенсивности и глубины рыхления растительные остатки остаются на поверхности почвы или в ее подповерхностном слое. Нулевая обработка почвы, именуемая прямым посевом — это крайний вариант технологии, при котором обработка почвы ограничивается рыхлением только посевной борозды. Во время движения агрегата семена высеваются на дно посевной борозды и закрываются.

Интересным решением является технология полосной обработки почвы и посева Strip-till до глубины 30 см, при которой рыхлится узкая полоса, в которую вносятся удобрения, готовится семенное ложе и рядами высеваются культуры. Все эти приемы выполняются за один проход специальными агрегатами, которые уже доступны на рынке Беларуси. По этой технологии возделывают рапс, кукуруза, саханая свекла, зерновые, бобовые и даже промежуточные культуры. Наиболее важные преимущества Strip-till:

• глубокое рыхление почвы только в полосе;
• сохранение структуры почвы;
• противодействие уплотнению почвы частыми проходами техникой;
• снижение потерь влаги за счет испарения из почвы;
• накопление органического углерода;
• низкий риск водной и ветровой эрозии;
• локальное внесение удобрений и эффективное использование питательных веществ культурами;
• низкий расход энергии (топлива) и рабочего времени по сравнению с плужной обработкой.

Многолетними исследованиями установлено, что снижение воздействия на почву агрегатами значительно уменьшает ее деградацию и потери воды, что отлично вписывается в стратегию ограничения негативного воздействия изменения климата на окружающую среду.

В результате внедрения ресурсосберегающих бесплужных технологий с оставлением растительных остатков на поверхности поля, после переходного периода (4-8 лет) за счет снижения частоты проходов техники и орудий в почве растет содержание органического вещества, улучшаетсчя структура и биологическая активность, накапливается больше влаги и гумуса, что подтверждается многочисленными исследованиями ученых разных стран (Biskupski A. et al., 1998; Davidson E. A. et al., 1993; Kinsella J., 1995; Smagacz J., 2012, 2015, 2016 и др.).

Длительная бесплужная обработка почвы приводит к более высокому сопротивлению почвы к переуплотнению по сравнению с оборотом пласта плугом (Weyer T., 2008).

Ученые установили (Kozicz, 1971), что интенсивная обработка почвы плугом, наряду с увеличением периода между первым и последним рыхлением почвы, значительно повышает плотность почвы, а также уменьшает общую пористость, приводит к формированию плужной подошвы, что негативно сказывается на развитии корневой системы и урожайности (табл. 1).

Вспаханная почва, лишенная растительного покрова, подвергается прямому разрушительному воздействию атмосферных осадков и ветров, усиливающих эрозионные процессы.

В условиях длительной бесплужной обработки почвы увеличивающая масса растительных остатков и повышенное содержание гумуса улучшают водопроницаемость почвы. Сразу после вспашки почва показывает лучшую водопроницаемость по сравнению с вариантами многолетней бесплужной обработки или прямого посева, однако уже через несколько недель почва быстро проседает, увеличивается ее уплотнение в верхних слоях.

В условиях достаточного количества растительных остатков на поверхности поля в первые годы использования бесплужной обработки почвы наблюдается более высокая влажность верхних слоев почвы по сравнению со вспашкой. Многие исследования в этой области указывают на положительное влияние систем бесплужной обработки почвы, в основном прямого посева, на повышение влажности, особенно в верхних слоях почвенного профиля (Biskupski A. и др., 2003; Rasmussen K. J., 1999; Schillinger W. F., 2001).

В зависимости от количества растительных остатков и погодных условий прирост органического вещества в почве может составлять 0,2% в год. Каждый 1% органического вещества сберегает 150 м³/га влаги. Покровные культуры снижают потери влаги на 30% по сравнению с плужной обработкой (Friedrich Th. и др., 2008).

Исследования по оценке влажности почвы в различных системах обработки почвы показывают, что прямой посев наиболее существенно повышает уровень увлажнения в слое 0-35 см и особенно в слое 0-5 см по сравнению с плугом (табл. 2, 3).

Многолетние исследования влияния различных приемов консервирующей обработки почвы (бесплужной, полосного и прямого посева) свидетельствуют о значительном накоплении органического вещества в поверхностном слое почвы, что способствует повышению биологической активности почвы, но в то же время может привести ко временной иммобилизации азота. Однако после разложения органических остатков (пожнивных или промежуточных культур) в результате повышения биологической активности почвы азот снова превращается в формы, доступные растениям. После нескольких лет внедрения ресурсосберегающих систем обработки в верхних слоях почвы устанавливается новое состояние равновесия между повышенным содержанием органического углерода и минеральными формами азота.

Низкая температура почвы весной в условиях прямого посева и бесплужной обработки почвы обуславливают меньшую доступность азота из первой стартовой дозы. Поэтому в условиях длительного использования нулевой обработки почвы с последующим прямым посевом первую дозу азота следует увеличивать (5-8 кг N в физ. весе на 1 т соломы) по сравнению с дозой при вспашке плугом.

Многолетние исследования, проведенные разными авторами (Jankowiak J., Małecka I., 2008; Blecharczyk A. и др., 2007), свидетельствуют о том, что применение консервирующей обработки почвы способствует увеличению органического углерода и общего азота в верхних слоях почвы. Также повышается содержание усвояемого фосфора, калия и магния по сравнению с показателями почвы, обрабатываемой плугом (табл. 4, 5).

Установлено, что в зависимости от культуры от 40 до 70% энергии, потребляемой в полевом производстве, используется в земледелии (Orzech и др., 2004; Gonet Z., 1991; Dzienia S. и др., 1994).

Опыты с озимой пшеницей на различных по гранулометрическому составу почвах при их обработке плугом, по минималке и нулевому посеву показали, что суммарные затраты энергии при обороте пласта плугом превышали затраты на технологию с минимальной обработкой почвы. При сопоставимой урожайности в сравниваемых технологиях обработки почвы показатель энергоэффективности при бесплужной технологии был выше (Krasowicza i Madeja, 2010).

Orzech К. с коллегами, проведя исследования с озимой пшеницей, кормовыми бобами и яровым ячменем в севообороте, установил, что наибольшее потребление энергии отмечалось в варианте с плужной обработкой почвы. Однако различия в энергозатратах здесь оказались относительно небольшими (., 2004). В среднем за 6 лет наибольший энергетический показатель урожая был получен при возделывании озимой пшеницы по плужной технологии, наименьший — у ярового ячменя в условиях прямого посева. В целом агротехника кормовых бобов и ярового ячменя оказалась более энергоемкой, чем озимой пшеницы. Эта система касается всей агротехники в севообороте на средних по плодородию почвах.

Введение прямого посева привело к снижению доли технических средств и топлива в структуре энергозатрат (по сравнению с плужной обработкой почвы) и увеличению применения химических средств защиты растений.

Подводя итог, следует отметить, что консервирующая технология обработки почвы, благодаря более низким энергозатратам в отдельных энергетических потоках и сопоставимой урожайности, более энергоэффективна по сравнению со вспашкой плугом.

Исследования показали, что обработка почвы плугом по сравнению с бесплужной и нулевой обработкой является основной причиной повышенного выброса углекислого газа в атмосферу (Lascala N. и др., 2006). Выделение CO₂ связано с минерализацией гумуса в результате интенсивного воздействия сельскохозяйственных агрегатов на верхний слой почвы. В условиях бесплужной обработки почвы происходит накопление гумуса от 0,6 до 1,8 т/га в год. Одна тонна органического вещества может связать около 2 т углекислого газа.

Повышение стабильности почвенных агрегатов в системе консервирующей обработки почвы приводит к связыванию органического углерода почвой и сокращению выбросов в атмосферу. С другой стороны, интенсивная обработка плугом разрушает устойчивую комковатую структуру, что способствует увеличению выбросов CO₂. Снижение интенсивности обработки почвы также приводит к значительному снижению расхода топлива и меньшему загрязнению окружающей среды. Замена вспашки плугом минимальной технологией обработки почвы может снизить общий выброс CO₂ в атмосферу на 4,1% (Smithi, 1998).

Исследования выбросов закиси азота (N₂O) при возделывании кукурузы, проведенные Rutkowską (2017), также указывают на значительную зависимость этого параметра от технологии обработки почвы. Бесплужная обработка почвы характеризуется меньшими выбросами N₂O в атмосферу практически во всех местах испытания.

Выбросы N₂O в сельском хозяйстве могут быть косвенно сокращены за счет:

• поддержания минимальной концентрации минерального азота в почве (дробление доз азота, выращивание промежуточных культур);
• точных методов определения доз азотных удобрений — почвенные и растительные тесты, методы точного земледели (карты урожайности);
• ограничения попадания азота в окружающую среду (выщелачивание, газовые потери);
• усовершенствованных технологий внесения минеральных удобрений в почву, особенно органических;
• правильного управления органическим веществом почвы.

Технология обработки почвы в современном сельском хозяйстве, помимо влияния на уровень и стабильность урожая, должна создавать условия для роста и поддержания плодородия почвы, снижать негативное воздействие АПК на окружающую среду. Этим требованиям соответствует ресурсосберегающая обработка почвы, основанная на рыхлении без плуга с мульчированием поверхности пожнивными остатками и промежуточными культурами. Оставление пожнивных остатков на поверхности поля снижает поверхностный сток и увеличивает накопление влаги в почве. Снижение интенсивности обработки почвы замедляет разложение органического вещества почвы и сокращает выбросы в атмосферу парниковых газов — CO₂ и N₂O.

Существует потребность в проведении научных исследований и разработок, касающихся экономических и экологических эффектов ресурсосберегающей обработки почвы. Любая небрежность при внедрении технологии может привести к увеличению засоренности посевов преимущественно многолетними сорняками, к резкому снижению урожайности и экономической рентабельности производства. В то же время грамотный подход, основанный на опыте и знании процессов, происходящих в почве при смене принципов ее обработки, приносит ожидаемые положительные результаты.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство» (2021 г., № 13).