Почему зернопаровая монокультура на основе механических обработок в Северном Казахстане через несколько десятков лет способна привести к потере имеющегося сегодня плодородия почвы? Спасёт ли ситуацию нулевая технология? И в какую сторону двигаться земледельцу, чтобы не допустить дальнейшего процесса деградации сельскохозяйственных земель? Об этом в статье доктора технических наук, профессора, директора КФ ТОО «НПЦ Агроинженерии» Владимира Леонидовича Астафьева.
профессор, директор
КФ ТОО «НПЦ Агроинженерии»
Отработанная – не значит, единственно верная
Со времени освоения целины во многих хозяйствах северного региона Казахстана применяются, в основном, четырех- или пятипольные севообороты с чередованием зерновых культур и пара, т.е. – зернопаровая монокультура. Защита культур в зернопаровом севообороте на основе механических обработок почвы обычно обеспечивается отработанными в производстве стандартными способами:
— от сорняков в пару — механическими культивациями (до пяти обработок);
— от сорняков перед посевом – механическими обработками (до двух обработок);
— от сорняков по вегетации — гербицидами,
— болезней и вредителей по вегетации — фунгицидами и инсектицидами.
Возделывание зерновых культур на основе интенсивных механических обработок широко практиковалось в течение 30-35 лет после освоения целины в Казахстане. В 90-е годы из-за диспаритета цен на энергоносители и продукцию сельскохозяйственного производства сельхозтоваропроизводители региона пошли на сокращение механических обработок, а в начале 2000-х годов после неудачных опытов с нулевой технологией на зернопаровой монокультуре, вернулись снова к механическим обработкам. Применяется зернопаровая монокультура на основе механических обработок в настоящее время в южных районах Костанайской, Акмолинской, Павлодарской областей, Актюбинской области. Основой применения зернопаровой монокультуры на основе механических обработок в настоящее время являются следующие доводы производственников:
— зернопаровая монокультура отработана в производстве, в южных районах северного региона Казахстана она дает возможность получить зерно с высоким содержанием клейковины;
— в хозяйствах имеется необходимая техника и семена;
— механическая обработка необходима для разуплотнения почвы;
— при минимальном количестве возделываемых культур не требуется возводить большого количества зернохранилищ.
При этом в благоприятные по увлажнению годы хозяйства получают неплохой урожай зерновых. Поэтому переходить на возделывание других, недостаточно проверенных в зональных условиях культур, сельхозпроизводители не рискуют.
Темпы потери гумуса и другие проблемы
Однако, ни ранее, ни в настоящее время не учитывалось, что интенсивные механические обработки ведут к истощению плодородия почвы. Покажем это на следующем примере.
Допустим, что в почве на глубине пахотного горизонта 0-20 см содержится 3% органического материала (гумуса).
Определим массу почвы М, в которой содержится гумус на 1 га:
М = длина * ширина * высота * плотность почвы
М = 100 м * 100 м * 0,2 м * 1400 кг/м3 = 2 800 000 кг = 2 800 тонн
2.Определим количество органического материала (ОМ) на 1 га:
ОМ = М * 3/100 = 2800 * 3:100 = 84 тонны
- Гумус (ОМ) содержит углерод (58%) и азот (5,8%) в соотношении С:N = 10:1.
В 84 тоннах органического материала содержится 84*58:100=49 тонн углерода и 84*5,8:100=4,9 тонн азота.
- По данным Рэймонда-Ворда (США) при возделывании мелких зерновых при традиционной обработке вынос азота составляет около 1% в год, при обработках летнего пара – около 4% в год. При механической обработке происходит минерализация органического азота в нитраты, которые используются растениями. По мере высвобождения азота теряется и ранее связанный с ним органический углерод, который окисляется и в виде углекислого газа СО2 уходит в атмосферу. Таким образом, обработка почвы приводит к потере органического материала в соотношении, пропорциональном потере азота.
- Рассчитаем потери органического материала при механической обработке в четырехпольном зернопаровом севообороте, учитывая, что в пару мы будем делать 4 обработки, а в первом, втором и третьем поле после пара — по одной механической обработке:
4% + 1% + 1% + 1% = 7% за 4 года или 1,75% в год (или 1,47 т/га)
пар 1 поле 2 поле 3 поле
- Известно, что для возмещения этих потерь ежегодно требуется оставлять на почве не менее 3 тонн/га растительных остатков (соломы и корней). Мы оставляем на поле в среднем не более 1,5 тонн/га с учетом стеблей и корней (т.е. 50% от потребности). Тогда количество не восполняемого растительными остатками органического материала за год составит:
1.75%*0,50 = 0,875% (или 0,74т/га)
- При продолжении потери органического материала такими темпами его хватит на:
100% : 0,875% = 114 лет (или 84т/га: 0,74т/га=114 лет)
Половину рассчитанного времени (около 60 лет) мы ведем интенсивную обработку почвы, и органического материала в почве осталось ориентировочно на 50-60 лет. Конечно, представленный расчет упрощен, потому, что полностью органический материал в почве не может быть израсходован и какое-то его количество останется в почве в виде детрита (в не переработанном грибами и бактериями виде). Однако по результатам реальных замеров в ряде хозяйств северного региона Казахстана количество гумуса при обработке почв за 60 лет обработки действительно снизилось на 40-50%.
Вторым недостатком зернопарового севооборота на основе механических обработок является его неэффективность против осотов (уничтожение до 83%), молочая лозного (уничтожение до 85%) и вьюнка полевого (уничтожение около 19%). Это данные д.с-х.н., профессора В.В. Немченко из Кургана (2010). Поэтому из-за недостаточной эффективности механического способа борьбы с сорняками в технологии почвозащитного земледелия с ним всегда сочетался и химический способ.
Третьим недостатком зернопаровой монокультуры на основе механических обработок является уплотнение почвы. И чем чаще мы разуплотняем почву в пахотном горизонте, тем больше мы ее уплотняем в подпахотных слоях. Это уплотнение происходит от ходовой системы трактора, давления лемехов и долот на подпахотный слой почвы. Например, уплотнение почвы колесным трактором идет в глубину до 0,6 м и в стороны от следов до 1,0 м (В.М.Забродский, А.М. Файнлейб и др., 1986). Результаты наших исследований показывают, что при применяемой технологии возделывания зерновых культур в северном регионе Казахстана переуплотненная площадь поля составляет до 80% от всей площади поля.
Четвертым недостатком зернопаровой монокультуры на основе механических обработок является резкое снижение урожайности в засушливые годы. Это отчетливо проявилось в текущем 2019 году.
Почему на зернопаровой монокультуре «не пошла» нулевая
В начале 2000-ных годов казалось, что избежать всех указанных выше недостатков можно, перейдя в северном регионе Казахстана на нулевую технологию возделывания зерновых культур. Во-первых, отменялись трудоемкие и энергозатратные механические обработки почвы. Во-вторых, предполагалось, что отказавшись от рыхления мы сохраним влагу в почве. Основная борьба с сорняками, вредителями и болезнями по этой технологии предусматривалась увеличением применения химических средств, в том числе:
— в химпару – не менее трех обработок;
— по вегетации – одна предпосевная и не менее двух обработок по вегетации растений.
Однако нулевая технология на монокультуре «не пошла». Первой причиной этого является недостаточная эффективность гербицидов в отношении применяемых сорняков. Согласно исследованиям В. В. Немченко, нижний порог уничтожения осота в химпару при применении гербицидов составляет 83%, вьюнка полевого – 75%, молочая лозного – 76%, гречишных – 85%, злаковых сорняков -86% (В. В. Немченко, Курган, 2010).
Кроме того, при применении химических средств не учитывался важнейший аспект, заключающийся в том, что при монокультуре возделываются однотипные зерновые культуры, имеющие одинаковые сорняки, болезни и вредители. При этом, при постоянном возделывании одной и той же культуры на одном месте происходит приспосабливание сорняков, вредителей и возбудителей болезней к неизменяющимся средствам защиты растений. Например, при применении одного и того же гербицида по овсюгу привыкание последнего происходит в течение 13 лет (Кавэн, 2001). Для достижения положительного результата необходимо с течением времени увеличивать дозу внесения гербицида. Многолетнее применение гербицидов на полях Америки и Австралии привело к появлению устойчивых к химии злостных сорняков. Применение пестицидов (гербицидов, фунгицидов, инсектицидов) – это стресс для культурного растения, вызывающий задержку его развития и снижение потенциальной урожайности. Следует также отметить, что в настоящее время арсенал химических средств защиты растений, применяемых в Казахстане более широкий, а их воздействие на культурные растения и человека имеет более жесткий характер, чем 30 лет назад в советское время. Этим в значительной мере объясняются потери качества зерна и нестабильность урожайности зерновых в последние годы. Средний уровень потерь урожайности на зернопаровой монокультуре при применении химических средств в северном регионе Казахстана по этой причине составляет ориентировочно до 20-30%. И возможности исключить эти потери в условиях хозяйств на современном этапе развития не имеется.
Третьим недостатком зернопаровой монокультуры на основе нулевой технологии является то, что отказ от рыхления почвы не дает гарантии накопления и сохранения дополнительной влаги при малом количестве растительных остатков. А при возделывании зерновых культур растительных остатков действительно недостаточно. Тем более, что в нашем регионе пшеница низкорослая и соотношение массы зерна к массе соломы составляет примерно 1:1, в то время, как в условиях Кубани – 1:1,5. Поэтому влага терялась и теряется не за счет накапливания массы растений, а в основном за счет испарения почвой и транспирации растениями. По этой причине в засушливых условиях урожай резко снижается из-за нехватки влаги.
Четвертым недостатком зернопаровой монокультуры на основе применения химических средств является то, нулевая технология не работает на солонцовых, глинистых, заплывающих почвах с плохим дренажем. При отсутствии рыхления влага не проникает в нижние слои почвы, на полях увеличивается количество лиманов. В жаркие дни происходит интенсивное испарение не впитавшейся в почву влаги. При высыхании таких участков почва самоуплотняется, ее твердость превышает оптимальную в 3-4 раза. Поэтому применение нулевой обработки на зернопаровой монокультуре привело к росту плотности и твердости почв гораздо выше, чем при традиционной технологии с механической обработкой.
Таким образом, указанное свидетельствует о том, что применение зернопаровой монокультуры на основе как механической, так и химической обработок не способствует росту плодородия почвы, имеет несовершенную (и экологически небезопасную) систему защиты растений от сорняков, вредителей и болезней; ведет к переуплотнению почвы и не обеспечивает стабильных урожаев по годам…
О почве и почвенной биоте
Рассмотрим состав почвы. Она состоит из минерального вещества (примерно 45%), воздуха (около 25%), воды (до 25%) и органики (в среднем 5% по массе). Естественно такое рассмотрение возможно только в качестве первого приближения, так как 25% воды в почве находится только в весенний период, а в знойные летние месяцы ее гораздо меньше. Однако при высыхании влаги увеличивается доля воздуха в порах и щелях почвы.
Органика состоит из неживого органического материала (около 4%), живых корней растений (около 0,5%) и живой почвенной биоты (бактерии, грибы, простейшие и черви – около 0,5% по массе). Неживой органический материал (гумус) – это производная форма отмерших растений и их корней и отмершей почвенной биоты, переработанная живой почвенной биотой.
В состав гумуса входит огромная группа химических веществ на основе соединений углерода (ферменты, витамины, гормоны и другие соединения органической природы), а также химические соединения неорганического происхождения на основе минералов (фосфора, калия и других). Почвенные исследования показывают, что в наших почвах достаточно фосфора, только находится он в составе гуминовых соединений в недоступном для растений виде.
В последние годы доказано, что живая биота играет важнейшую роль в питании растений (обеспечении водой, азотом, фосфором, калием) и повышении их иммунитета, фильтрации воды и воздуха, снижении плотности почвы. Поэтому на западе в настоящее время проводят не только химический анализ почвы на наличие в ней химических элементов, но и микробиологический анализ на наличие грибов, бактерий, простейших и их активность. Рассмотрим роль биоты в почве подробнее.
Как известно, растения поглощают углекислый газ из воздуха и, получая воду из почвы, действием солнечного света превращают их в глюкозу с выделением кислорода в атмосферу. Одна часть глюкозы используется растениями для наращивания собственной биомассы, а вторая часть направляется для грибов и бактерий, находящихся в почве. Взамен от грибов и бактерий растения получают почвенную влагу и минеральное питание (азот, фосфор, калий и другие элементы). Таким образом, одну часть необходимых питательных веществ растение получает через лист, вторую через корень. По объему эти части примерно одинаковы.
В гумусе есть все питательные вещества для растений. Но растениям доступен называемый легкорастворимый подвижный гумус, которого всего 12-15%. Только эту растворимую часть гумуса растения способны впитывать своими корневыми волосками. Запасы подвижного гумуса в почве очень быстро истощаются из-за его доступности не только для растений культурных растений, но и для сорняков, а также для бактерий. Поэтому основную часть питания через корень растения получают из переработанного органического вещества микрофлорой почвы.
Взаимовыгодное сотрудничество
Обмен питательными веществами растений и почвенной микрофлоры представляет собой взаимно выгодное сотрудничество, созданное природой. Вокруг корневой системы растений на расстоянии 2-3 мм находятся различные бактерии (ризосферная микрофлора), способные создавать или расщеплять определенный вид органических веществ. Например, ризосферные азотфиксаторы (ризобии, или клубеньковые бактерии) способны доставить растениям только один элемент их питания – азот. Эти бактерии малоподвижны, и возможность охвата их корневой системой растения тоже относительно невелика. Поэтому питание растений при наличии ограниченности видов бактерий в почве получается однообразным и неполноценным.
Для того чтобы растения не голодали на помощь им приходят микоризообразующие грибы, позволяющие получить доступ к любой точке питания за многие метры вокруг. Взаимодействие растений и грибов происходит при помощи микоризы (грибокорня). Микориза это обитание грибницы (мицелия) грибов на корневой системе растений. Ножки грибов представляют тонкие нити, которые сплетаясь, образуют грибницу. Мицелий обволакивает корни растений, иногда даже проникает в ткани корня, и, распространяясь далеко от растения, многократно увеличивает поверхность корня растения. За счет этого растения в десятки раз увеличивают площадь своего питания. Кроме этого, у грибов очень мощный ферментативный аппарат, способный вырабатывать самые различные ферменты. Они способны расщеплять самые разные питательные вещества в почве – как самого детрита (разлагающихся растительных остатков), так и молекул стойких гуминов из запаса питательных веществ. А гумус почвы представлен на 85% стойкими солями гуминовых кислот, т.е. соединениями органической структуры с неорганическими элементами (фосфором, калием и др.), а также азотистыми соединениями.
Итак, растения, выделяя сахара в ризосферу, привлекают грибы и бактерии к обмену. Также как, выделяя сахара в виде нектара, растения привлекают насекомых для опыления. Причина здесь одна – найти соседа для взаимно выгодного обмена. Микоризообразующие грибы способны реагировать на эти выделения сахаров корневой системой растений. Грибы не могут жить без сахаров, так как не способны размножаться и наращивать без углеводов свои тела. Поэтому грибы дают в обмен на углеводы прежде всего воду. За счет микоризы поверхность корня и всасывающая способность растений увеличивается до 100 раз. При наличии микоризы даже при пониженной почвенной влажности растения не испытывают недостатка во влаге.
Микориза снабжает растения всем необходимым в питании: минералами, витаминами, ферментами, биостимуляторами, гормонами и другими активными веществами. При наличии микоризы корневое питание растений усиливается до 15 раз.
Но особое значение в питании растений приобретает поступление таких химических элементов, как фосфор и калий. Как известно, эти два элемента напрямую влияют на плодоношение, и при их дефиците снижается урожай. Ферменты микоризы расщепляют труднодоступные соединения гуминовых соединений с фосфором и калием и передают их растениям в обмен на углеводы. Микориза – это самое мощное средство и способ минерального питания растений. Благодаря своей способности переваривать и расщеплять органические и неорганические соединения гумуса, микориза очищает почву для растений от избытка солей и кислот.
Грибы как средство «коммуникации»
Но есть еще уникальное свойство микоризообразующих грибов – способность к образованию между разными растениями коммуникационных сетей. Достоверно доказано, что грибы способны образовывать микоризу не с одним растением, а одновременно с несколькими, причем разных типов (например, у злаковых и широколистных). При установлении этих коммуникаций происходит перенос питательных веществ от одного растения другому через тело самого гриба и микоризу всех растений, участвующих в данной передаче. Также доказано, что эта коммуникационная сеть может выполнять информационную функцию: одни растения могут «сообщать» другим информацию о надвигающейся жаре, засухе или дожде и т.д.
И еще одно очень важное свойство грибов – их сильные противомикробные и противогрибковые свойства. Например на злаковых растениях обитают грибы Триходерма лигнорум. Эти грибы способны подавлять около 60 бактериальных и грибковых заболеваний, вызывающих корневые и плодовые гнили, семенные инфекции, макроспориоз, фузариоз, фитофтороз, паршу и другие болезни растений. Грибы выделяют в ризосферу большое количество антибиотиков, подавляющих патогенные организмы разного происхождения, и способствуют оздоровлению культурных растений от многих грибковых болезней (А. Кузнецов).
Таким образом, при развитии живой почвенной микрофлоры – бактерий и грибов в почве у выращиваемых культур решается целый ряд проблем:
— у растений многократно увеличивается всасывающая способность при обеспечении влагой;
— увеличивается объем поступающих питательных веществ;
— растения приобретают устойчивость к погодным и неблагоприятным почвенным условиям;
— стимулируется рост, цветение и плодоношение культурных растений;
— усиливается иммунитет растений к различным инфекциям;
— растения получают возможность информационного обмена;
Ни грибов, ни бактерий, ни червей
Процесс гумификации (образования гумуса) происходит следующим образом. Перерабатывая находящиеся в почве и на почве растительные остатки (детрит), содержащие углерод, а также получая от живых растений углерод в виде глюкозы, почвенная биота растет, множится, умирает. Этот процесс происходит постоянно. Бактериями питаются простейшие (инфузории, амебы, жгутиковые и др.). Они представляют целую армию хищников в почве. Продукт их переработки – первичный гумус, состоящий из относительно простых соединений углерода. Далее за дело берутся черви, жуки, пауки, клещи. Черви, поедая и перерабатывая погибшие бактерии и продукты их жизнедеятельности делают более сложным по строению, но более плодородным по качеству почвенный материал. Жуки, пауки и клещи также питаются бактериями, грибами, простейшими, мелкими червями. Продуктами их жизнедеятельности являются сложные органические соединения, представляющие собой гумус.
А теперь, наверное, один из главных моментов настоящей статьи. Дело в том, что грибы в почве погибают при механической обработке. Повторяющиеся года в год механические обработки привели к практически полному уничтожению грибов в почве. В наших почвах нет грибов. Бактерии в почве погибают от применения пестицидов. Конечно, Природа пытается восстановить их работу. Однако после химической обработки проходит около двух недель, пока бактерии вновь начинают работать. Культурные растения в этот период голодают. Следует учесть и то, что на монокультуре нет разнообразия бактерий, работают их ограниченные виды. Учитывая, что грибы в нашей почве мы уничтожили, многообразия бактерий в почве тоже не наблюдается, да и работают они по вегетации с перерывами — питание растений в целом получается однобоким, не полноценным. В соответствии с питанием растения формируют урожай.
Жуки, пауки и клещи не выносят применения фунгицидов, а для червей губительным также является применение пестицидов. Если жуков, клещей и пауков можно найти на наших почвах, то дождевых червей точно нет.
Выводы
1. Таким образом, в условиях зернопаровой монокультуры цепь растительного и животного мира в почве оказалась разорванной.
2. Процесс питания и обеспечения влагой растений нарушен. Питание растений не постоянное по вегетации (прерывается во время применения химических средств), не полноценное и однобокое из-за однообразия почвенных бактерий.
3. У растений отсутствует иммунитет к различным инфекциям из-за ежегодного стресса во время применения химических средств, подавления почвенной биоты химическими препаратами и неполноценного питания.
4. Недостаток минеральных элементов, в первую очередь фосфора, приводит к ухудшению роста и плодоношения культурных растений.
5. Процесс образования гумуса в почве (гумификации) – нарушен. Процесс передачи углерода в почву с помощью почвенной биоты не осуществляется, потому что многих видов этой биоты в почве нет.
6. Более того, в соответствии с применяемой технологией возделывания зерновых культур, основанной на механических обработках почвы, происходит обратный гумификации процесс — процесс минерализации почвенного азота с потерей углерода.
Таковы основные итоги применения зерновой монокультуры в большинстве хозяйств северного региона Казахстана.
Какой же выход из создавшегося положения? Об этом мы поговорим в следующем номере журнала.