Что есть экологический севооборот в рамках современных систем земледелия и каковы основные принципы его составления? Как правильно использовать в его составе покровные культуры, чтобы получить максимум пользы? Об этом в продолжение статьи доктора технических наук, профессора, директора КФ ТОО «НПЦ Агроинженерии» Владимира Леонидовича Астафьева.
профессор, директор
КФ ТОО «НПЦ Агроинженерии»
Противоречия монокультуры
Почва, почвенная биота (микроорганизмы), сельскохозяйственные растения, атмосфера, животные на этой почве – это составляющие сложнейшей агроэкосистемы, находящиеся в постоянном взаимодействии. Недоучет человеком всех моментов этого взаимодействия приводит к дисбалансу и выводу агроэкосистемы из равновесия, и если этот процесс будет продолжаться достаточно долго – к ее деградации. Много лет мы применяли агроприемы без учета важной роли отдельных составляющих этой агроэкологической системы, без учета того, что большинство составляющих этой системы представляют живые организмы. Противоречием применяемых приемов было то, что при выходе агроэкосистемы из равновесия человек пытался ее вернуть в исходное состояние несоответствующими исходной причине мерами, которые еще более выводили из равновесия и усугубляли положение этой системы. Поясним это примерами.
Во-первых, применяемые приемы возделывания сельскохозяйственных культур в большинстве хозяйств Казахстана вообще не предусматривали мер по стабильному поддержанию почвенной биоты, прежде всего по причине отсутствия знаний в этом направлении. За последние 30 лет почти повсеместно мы перешли на зерновую монокультуру; применяли для защиты культурных растений химические обработки; для борьбы с сорняками и поддержания заданных агрофизических свойств почвы применяли механические обработки. Однако переход на монокультуру существенно сократил видовой состав микроорганизмов в почве. Увеличение в последние три десятилетия химической нагрузки привело к дальнейшему снижению количества почвенной биоты и появлению в почве новых видов бактериальных патогенов (которые, кстати, могут быть уничтожены очень «жесткой» химией). Механические обработки привели к дисбалансу доли аэробных и анаэробных микроорганизмов в почве, и также сократили видовой состав и количество микроорганизмов в почве. В результате всех этих действий армия почвенных животных уменьшилась на возделываемых почвах по сравнению с целиной в 25-50 (!) раз.
Обработка почвы сохраняет семена сорняков?
Во-вторых, основная мера борьбы с сорняками при возделывании зерновых культур по традиционной технологии – механические культивации. Считается, что их обязательно необходимо проводить перед посевом, чтобы очистить поле от сорняков. Мелкие культивации по борьбе с однолетними сорняками предусмотрены и в паровом поле. Однако результаты исследований свидетельствуют о том, что при выполнении механической культивации семена однолетних сорняков обязательно заделываются в почву, а это повышает их всхожесть и сохранность [Бантинг,1973; Томас, 1986] (рисунок 1).
Из рисунка можно сделать следующие выводы:
1. На поверхности почвы семена сорняков сохраняются в 2-3 раза хуже, чем на глубине 5-10 см.
2. При увеличении времени всхожесть сорняков уменьшается с каждым годом на поверхности почвы наполовину; при заделке на 5 см — на 45%; при заделке на 10 см – только на 33%.
Таким образом, механическая обработка обеспечивает заделку семян сорняков в почву, что приводит к увеличению их всхожести и сохранности.
Тройное уплотнение почвы: парадокс рыхления
В-третьих, с помощью глубоких механических обработок земледельцы стремятся разуплотнять почву, укатанную техникой в процессе возделывания, а также комбайнами и автомобилями при уборке урожая. Для этого выполняют глубокие обработки, часто даже с помощью плуга. При механической обработке почвы создается три слоя уплотнения:
— уплотнение на поверхности поля движителями тракторов (площадь уплотнения движителями тракторов при возделывании зерновых по традиционной обработке составляет до 80% площади поля). Величина этого уплотнения зависит от удельного давления движителей на почву [В.М.Забродский, А.М. Файнлейб и др., 1986]. Применяя широкопрофильные или сдвоенные шины (или гусеницы) можно несколько снизить величину этого уплотнения на почву;
— «плужная подошва», образуемая рабочими органами культиваторов, глубокорыхлителей и плугов на глубине обработки (обычно находится на глубине 15-25 см);
— уплотнение в подпахотном горизонте 40-50 см. Величина этого уплотнения зависит от массы применяемых тракторов. Поэтому, даже поставив мощные тракторы и комбайны на сдвоенные колеса или гусеницы, мы не добьемся снижения уплотнения в подпахотном горизонте.
Парадокс в том, что чем больше рыхлим, тем больше уплотняем. Пройти влаге в весенний период или при выпадении летних осадков через эти три уплотненных слоя невозможно; также непросто корням растений пробить «плужную подошву» и уплотнение подпахотного горизонта для того, чтобы добраться до влаги в нижних горизонтах почвы при высыхании верхнего слоя почвы.
В-четвертых, в механическом пару, наряду с уничтожением сорняков, мы пытаемся накопить больше влаги. Однако, как показывает М.К.Сулейменов, накопление влаги в почве в пару составляет всего лишь около 20% от общего количества выпавших осадков. Это крайне неэффективно в условиях засушливого земледелия.
В-пятых, как уже указывалось, применение химии вместо механических обработок уничтожает почвенную биоту и, тем самым, ухудшает питание культурных растений.
В-шестых, на фоне малого количества растительных остатков на монокультуре, применение химии вместо механических обработок приводит только к ухудшению морфологических, агрофизических и физико-механических свойств почвы (прежде всего влажности, плотности, твердости).
Природа – сторонник растительного разнообразия
Все эти противоречия возникли от того, что мы пытались «лечить» растения и почву, входящие в сложнейшую агроэкосистему, химией и механическими обработками, не воздействуя на основную причину, которая вывела эту систему из равновесия. А основной причиной «болезни» агроэкосистемы является однообразие и ограниченность растительности при монокультуре зерновых. В соответствии с неверным лечением «болезнь» только усугублялась. А правильным «лечением» в данном случае является чередование в севообороте различных типов культур. Об этом нам говорит природа, в которой на почве в симбиозе растут разные типы растений. И нигде природа нам не показывает примера, где на почве повсеместно растет монокультура.
Первые теории о необходимости чередования разных типов сельскохозяйственных культур в севообороте появились в XVIII веке. В XX веке Д.Н. Прянишников указал на необходимость учета четырех групп причин для повышения урожайности сельскохозяйственных культур при правильном их чередовании в севообороте. К ним относятся:
— причины биологического порядка (или влияние правильного чередования культур на уменьшение засоренности сельскохозяйственных культур, количество вредителей и возбудителей болезней);
— причины химического порядка (или влияние правильного чередования культур на условия питания растений);
— причины агрофизического порядка (или влияние правильного чередования культур на агрофизические свойства и влажность почвы);
— причины экономического порядка (или влияние правильного чередования культур на использование техники и рабочей силы).
Анализ показывает, что переход на зерновую монокультуру не улучшает питания растений; не уменьшает засоренность сельскохозяйственных культур, количество вредителей и возбудителей болезней; не уменьшает плотность и не увеличивает влажность почвы; при этом создает напряженные периоды использования техники и рабочей силы весной и осенью при производстве однотипных культур на больших площадях.
Передовой зарубежный опыт, а позднее и научные исследования показали, что все перечисленные причины учитывает система земледелия, включающая севообороты с чередованием разнотипных культур, агроприемы возделывания при минимальном рыхлении почвы и минимальном применении химических обработок. Эта технология представляет современную «No-till», т.е. современную нулевую технологию.
Нулевая технология начала развиваться с изобретением гербицидов в сороковых годах XX века. Вначале это был гербицид 2.4-D, позднее появились атразин и паракват. В середине восьмидесятых годов XX века в США наблюдался химический бум. На рынке предлагалось большое количество средств химической защиты растений, земли сельскохозяйственного назначения многократно обрабатывались химией, в воде колодцев находили следы гербицидов, на фоне применения химии в сельском хозяйстве наблюдались мутации животных и людей. Учитывая все негативные последствия применения химии, фермеры Америки стали пересматривать основы «Nо-till». В соответствии с современными представлениями, основанными на многолетнем практическом опыте работы фермеров Северной Америки, нулевая технология характеризуется не отсутствием механических обработок почвы, не безальтернативным применением химии. Она характеризуется прежде всего применением севооборотов, предполагающих чередование разных типов культур.
Обеспечение при этом условий:
— питания растений;
— защиты от сорняков, болезней, вредителей;
— сохранения параметров плотности, твердости и влажности почвы;
— рационального использования техники и рабочей силы — базируются на методологических подходах и результатах исследований, изложенных ниже.
Конкурентный полог на поле – что это значит?
Основы экологического способа борьбы базируются на том, что у каждой культуры свои сопутствующие сорняки, вредители и болезни. Поэтому ежегодная смена культур на поле не позволит сорнякам, вредителям и возбудителям болезней приспосабливаться и прогрессировать. А если использовать свойства некоторых растений подавлять развитие сорняков и патогенов, можно управлять процессом создания благоприятных условий для культурных растений. В связи с изложенным выше, основная роль в устранении негативных факторов: влияния сорняков, вредителей, болезней, уплотнения, низкого содержания влаги в почве и доступного уровня растениям N,P,K, недостаточного развития почвенной биоты — отводится севообороту. Поясним это примерами.
На рисунке 2 представлено влияние монокультуры и севооборота на развитие сорняков при отсутствии на поле механических и химических обработок (Блэкшоу, 1994). Как видно из рисунка, чередование пшеницы и рапса приводит к существенному снижению засоренности кострецом. Таким образом, чередованием культур можно осуществлять контроль численности сорняков в посевах.
Указывая на возможность и эффективность борьбы с сорняками без применения химии или механических обработок культур, Р. Андерсон наряду с чередованием культур рекомендует и другие экологические способы защиты растений (таблица 1) [Андерсон, 2003; Викс, 1994]. Экологические приемы борьбы с сорняками представлены в таблице в порядке возрастания весомости.
Под созданием конкурентного полога на поле Р.Андерсон подразумевает следующее сочетание технологических приемов (таблица 2).
Из таблицы 2 видно, что сочетание всех технологических приемов дает синергетический эффект, существенно превышающий арифметическую сумму эффектов отдельных приемов.
Правила составления экологических севооборотов
Классификация различных типов культур для составления экологических севооборотов представлена в таблице 3.
Короткоротационные севообороты не позволяют в достаточной мере контролировать сорняки. Для лучшего контроля сорняков Р. Андерсон предлагает чередовать культуры различных жизненных циклов (теплолюбивые и холодостойкие) в длинноротационных севооборотах. Необходимо выдерживать соотношение культур 2Х:2Т. То есть, за двумя холодостойкими культурами в севообороте идут две теплолюбивые. Применение соотношения 2Х:2Т позволило сократить количество сорняков на минимальной обработке в 5 раз, на No-till в 12 раз (таблица 4).
В систему минимальной технологии ежегодно входила хотя бы одна операция с применением культиватора-плоскореза. В системе минимальной технологии севооборот 1Х:1Т включал чередование озимая пшеница-просо, а севооборот 2Х:2Т включал чередование яровая пшеница — озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник. В системе No-till севооборот 1Х:1Т включал чередование пшеница — нут, а севооборот 2Х:2Т включал чередование горох — озимая пшеница – кукуруза – соя. Химические обработки не применялись. Данные получены в течение восьми лет исследований.
Представленные результаты доказывают возможность защиты культурных растений от сорняков в плодосмене без применения гербицидов и механических обработок.
Защита растений от болезней осуществляется:
— во-первых, за счет роста иммунитета культурных растений при более качественном питании восстановленной при плодосмене биотой;
— во-вторых, при ежегодной смене разнотипных культур у возбудителей болезней гораздо меньше возможности прогрессировать;
— в-третьих, при использовании экологических способов защиты от сорняков резко снижается применение гербицидов, вызывающих стресс и снижение сопротивляемости культурных растений.
Что касается вредителей, то они чаще всего нападают на ослабленные болезнью растения. У растений с высоким иммунитетом больше возможностей победить болезни и вредителей. Представленные доводы не означают полного отказа от применения фунгицидов и инсектицидов, их применение особенно по широколистным масличным и бобовым в плодосмене необходимо. Однако иммунитет культур в плодосмене будет существенно выше, чем при монокультуре. С течением двух-трех ротаций потребность в химии постепенно будет снижаться.
Про плотность почвы, корневые системы и технику
В представленной таблице 3 следует иметь ввиду, что у всех злаковых культур мочковатая корневая система, а у широколистных — стержневая корневая система. Снижение плотности почвы достигается ежегодным чередованием злаковых культур с мочковатой корневой системой и широколистных со стержневой корневой системой. Следует иметь в виду, что с чередованием в севообороте различных типов культур (т.е. в плодосмене) на почве будет оставаться гораздо больше растительных остатков, чем при монокультуре. Со временем это приведет к накоплению органики, лучшему структурированию почвы, снижению ее твердости. Со временем ежегодное чередование растений с мочковатой и стержневой корневыми системами не позволит почве уплотняться даже при отсутствии механических обработок. Это подтверждается опытом применения плодосмена в ТОО «Трояна» Костанайской области.
Еще одним преимуществом планирования в севообороте холодостойких и теплолюбивых культур является то, что оно обусловливает необходимость как ранних, так и поздних сроков сева. Весенне-полевые работы будут растянуты с конца апреля по начало июня. Растягивание сроков посева дает возможность выполнения весенне-полевых работ меньшим количеством техники. Соответственно будут растянуты и сроки уборки. Это дает возможность уменьшить потребность в уборочной технике. Затраты на приобретение техники (а их как раз и не хватает!) – сократятся.
«Эффект севооборота»
Практикой и научными исследованиями было отмечено, что широколистные культуры обычно повышают урожай следующих за ними злаковых культур. Например, урожайность пшеницы после льна или кукурузы в условиях северного региона Казахстана почти всегда выше на 12-20%, чем при монокультуре пшенице. Отклик культуры при таком чередовании называют «эффектом севооборота». Эффект севооборота объясняется развитием почвенной биоты и улучшением в связи с этим доступности питательных веществ, меньшей плотностью, твердостью и большей влажностью почвы, меньшей зависимостью от болезней и вредителей. Эффект севооборота проявляется также и тогда, когда злаки предшествуют широколистным культурам. Чередование в севообороте злаков одного типа (например, пшеницы и ячменя) не столь благоприятно, как чередование разных типов культур. Некоторые чередования злаковых культур вызывают снижение урожайности. Например, посев пшеницы или кукурузы после сорго вызывает снижение урожайности до 25-30%. Еще более неблагоприятно чередование в севообороте только широколистных культур (например, льна или рапса). Это обусловлено тем, что болезни масличных растений быстро распространяются при слишком частом их выращивании. По этой причине посев широколистных культур одного вида рекомендуется в севообороте не ранее, чем через три культуры, а посев злаков одного вида не ранее, чем через две культуры (рисунок 3) (Андерсон, 2003).
Как видно из рисунка 3 временной интервал влияет на широколистные культуры сильнее, чем на злаки. В плодосмене должны чередоваться злаковые и широколистные, холодостойкие и теплолюбивые, яровые и озимые культуры. Таким образом, плодосмен – это экологический севооборот. При таком чередовании увеличение интервала между посевами одинаковых культур сокращает популяции сорных трав, способствует снижению патогенных популяций в почве и заболеваемости культур.
Причем важно не поддерживать постоянство чередований типов и интервалов между одинаковыми культурами для исключения приспособления сорняков, вредителей и возбудителей болезней к условиям возделывания. В одном цикле севооборота рекомендуется 2 широколистные культуры (из них одна бобовая и одна масличная) и два злака. При этом наилучшим вариантом считается, когда холодостойкий злак заменяет теплолюбивая широколистная культура (и наоборот), а теплолюбивый злак заменяет холодостойкая широколистная культура (и наоборот). Эффект севооборота проявляется в этом случае в полной мере. Применение плодосмена в ТОО «Трояна» и ТОО «Жанахай» свидетельствует о том, что чередование разнотипных культур приводит к повышению урожайности от 20 до 50%.
Зачем нужны покровные культуры?
Плодосмену присущи следующие недостатки:
— почвенная миклофлора (биота) функционирует только в живых корнях в период вегетации растений. Сразу после скашивания сельскохозяйственных культур она погибает. Таким образом, в осеннее-зимний период при отсутствии живых корней жизнь в почве замирает. Биота начинает свою деятельность после посева новых культур на следующий год. При этом на активизацию работы биоты в весенний период тратится значительное время, в этот период растения развиваются очень медленно;
— после схода снега в апреле до посева проходит около месяца, в этот период из-за иссушения верхнего слоя почвы суховеями и солнечным излучением теряется в среднем 30% (45-60 мм) накопленной почвенной влаги;
— почва может нагреваться в летний период на открытых участках до температуры свыше 60 градусов С. Верхний слой иссушается, жизнедеятельность биоты в верхнем слое почвы в жаркие дни приостанавливается. По утверждению Рика Бибера, при нагревании верхнего обрабатываемого слоя почвы выше 40 градусов С под действием солнечной инсоляции некоторые бактерии начинают мутировать, и выбирают в качестве питания серу. Поэтому на обрабатываемых полях, как правило, мало серы. Недостаточное питание растений серой уменьшает эффективность использования азота растениями и снижает их урожайность.
— в период вегетации, например, пшеницы в условиях степи на каждую тонну расходуется 130-160 мм влаги (причем 98% — это испарение с поверхности почвы и испарение растениями, и только 1,5-2 % влаги растения тратят на набор массы);
— после скашивания сельскохозяйственных культур, происходит гибель биоты от голода и очень быстрое иссушение почвы.
Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что потенциальная способность испарения влаги почвой (в условиях орошения или при высоком уровне грунтовых вод) в степи составляет 600-800 мм/год, в лесостепи 400-500 мм/год. В регионе Северного Казахстана выпадает 220-420 мм осадков. Учитывая, что основную долю годовых осадков мы теряем за счет испарения с поверхности почвы весной, а также в период вегетации растений и осенью, необходимо исключить эти непроизводительные расходы влаги испарением за счет посева покровных культур.
При наличии биоты растения «пьют» и испаряют влагу меньше, чем «мертвая» почва. Поэтому в посевах, например, зерновых культур почву должны закрывать от солнечной инсоляции и испарения влаги широколистные культуры. Следует иметь в виду, что у каждой культуры своя биота. И чем больше культур высевается на поле, тем больше живых корней в почве, тем разнообразнее биота почвы. Поэтому применение в плодосмене покровных культур – это более высокий уровень севооборота по сравнению с плодосменом. Когда культур высевается две, причем первая основная, а вторая кормит основную культуру с помощью биоты – посев бинарный. Когда кормящих культур более двух (на практике их высевают одновременно от двух до трех-четырех десятков, причем среди них могут быть озимые, двухлетние) – это посев смеси (коктейля) покровных культур. При этом следует учитывать, что при высеве восьми и более культур аллелопатия (негативное воздействие одних растений на другие с помощью химических выделений) не наблюдается.
Покровные культуры лучше всего высевать сразу после уборки культуры текущего года, пока жива биота, которую кормила скашиваемая культура. Состав коктейля покровных культур подбирается исходя из потребности конкретного поля или последующей культуры. Например, если в почве наблюдался большой вынос органического вещества, необходимо высевать на поле злаки, причем злаки группы С4 (теплолюбивые) дают почве особенно много углерода. Если требуется накопление азота в почве – необходимо высевать бобовые культуры, они кормят углеродом азотфиксирующие бактерии, а бактерии кормят бобовые азотом. Требуется развитие микоризы в почве – необходимо высевать горох и другие бобовые, лен, подсолнечник, кукурузу и другие теплолюбивые злаки. Холодостойкие злаки тоже положительно влияют на развитие микоризы. Гречиха, горчица, редька, рапс, рыжик не «дружат» с микоризой. Требуется подавление сорняков на поле – необходимо высевать рожь, люпин, вику, горчицу, донник, овес. Горчица, гречиха, рапс, масличная редька, редис получают от биоты путем перевода из труднодоступных форм в легкодоступные фосфор, калий. Для последующей культуры эти элементы накапливаются в верхних слоях почвы уже в легкодоступном виде. Разуплотняют почву – все культуры со стержневой корневой системой, особенно горчица, масличная редька, донник, подсолнечник.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что посев покровных культур приводит к развитию более сильной биоты, чем при развитии монокультуры с внесением минеральных удобрений. При этом у растений появляется возможность получать воду, элементы питания в большем объеме и доступном виде.
Плодосмен без недостатков – возможен?
Плодосмен с применением покровных культур практически не имеет недостатков. В соответствии с возможностями выбранной покровной культуры (или набора культур), а также состоянием конкретного поля мы получим тот или иной эффект. Эффектом может быть подкормка растений азотом, фосфором, калием; подавление роста сорняков; очищение почвы от патогенов; разуплотнение почвы; покрытие всей площади почвы растениями для исключения ее иссушения в весенний период, в вегетацию, в осенний период; увеличение органического вещества в почве. По мере накопления органики в почве отдача поля будет постепенно увеличиваться. Основным эффектом плодосмена с применением покровных культур является двух-трех-кратное увеличение выхода продукции с каждого гектара (в условиях нашего региона до 300 тыс. тенге/га, сейчас мы получаем 50-100 тыс. тенге/га), а также существенное сокращение применения химических средств. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что при применении покровных культур в плодосмене в течение одного-двух севооборотов применение гербицидов существенно снижается. Постепенно, с усилением иммунитета культурных растений будет снижаться применение фунгицидов и инсектицидов.
В настоящее время применением покровных культур в плодосмене в Костанайской области занимаются три хозяйства: ТОО «Жанахай» (Пигарев Е.В.) и ТОО «Трояна» (Малышко Ю.М.), Федоровского района и ТОО «Ак-Ниет» (Халметов Ш.Э.) Карасуского района. Отработка приемов возделывания идет методом проб и ошибок. И здесь не может быть одинакового рецепта по выбору культур, так как хозяйства находятся в разных почвенно-климатических зонах и имеют неодинаковые по плодородию почвы.
Рик Бибер утверждает, что перед тем, как перейти к севообороту с применением покровных культур, во-первых, необходимо изменить мышление. К примеру, осыпавшиеся или потерянные комбайном во время уборки семена сельскохозяйственных растений следует рассматривать как своевременно посеянные покровные культуры. Или второй пример, когда первые взошедшие на поле сорные растения, прежде всего, информируют: какой вид культур просит в этот год посеять ранней весной почва. Да и отдельный сорняк в посевах – это, прежде всего, покровная культура, правда, нежелательная и не дающая в текущий год прибавки урожая.
Во-вторых, необходимо выполнить химический и микробиологический анализ почвы, на основании которого принимать те или иные решения.
Редакция «Агробизнес.Казахстан» благодарит Астафьева В.Л.
за обширное освещение актуальной тематики