Почвоведение, 2020, № 9, стр. 1111-1120

ВВЕДЕНИЕ

Плодородие пахотных земель в стране вызывает большую тревогу, особенно наиболее продуктивных почв России – черноземов. Это вызвано деградацией таких свойств почв, определяющих их продуктивность, как содержание гумуса [18], доступных для растений азота, фосфора и калия [9, 15, 30], структура и водоустойчивость микро- и макроагрегатов [28, 29], равновесная плотность [32] и др. По данным государственного агрохимического центра “Ставропольский” с начала наблюдений за плодородием почвы в 1964–1968 гг. и по настоящее время отмечается постоянное уменьшение содержания органического вещества (ОВ) в пахотном слое почв, преимущественно черноземного типа. Так, при первом туре обследования низкое содержание ОВ наблюдалось на 24.2% площади пашни, среднее – 74.9%, а в настоящее время, наоборот, 88.6% пашни характеризуется низким и только 10.3% – средним уровнем содержания (табл. 1).

При этом резкое уменьшение содержания ОВ в почвах наблюдается с 1976 г., когда в крае на больших площадях начали внедрять чистые пары. Одновременно происходило уменьшение содержания в почве доступных для растений фосфора, калия и других элементов питания.

Называются разные причины снижения плодородия: недостаточное внесение минеральных удобрений, на приобретение которых нет средств, отсутствие органических удобрений из-за резкого сокращения поголовья животных, сокращение площади посева кормовых культур, особенно многолетних трав, что происходило на фоне увеличения площади чистых паров. В Ставропольском крае, при рекомендованных научными учреждениями 600–650 тыс. га чистого пара, его площадь достигала 842 тыс. га или 21% пашни (табл. 2).

При этом площадь кормовых культур с 1990 г., когда в крае было развито животноводство, сократилась более чем в 10 раз, а многолетние травы в настоящее время занимают всего 0.8% пашни. Одновременно площадь посева зерновых культур увеличилась в 1.4 раза, составив в структуре пашни 62%, из которых 74% занимает озимая пшеница.

Вместе с тем основной причиной ухудшения почвенного плодородия является эрозия [1], которая особенно сильно проявляется в паровых полях. По этой причине около 50% площади земель Ставропольского края в разной степени подвержены водной эрозии и дефляции [8].

Следует отметить, что чистые пары в 70–80-ые годы прошлого столетия были рекомендованы научными учреждениями в степных районах, где осадки ограничены и возделываемые растения страдают от недостатка влаги. В течение года чистые пары накапливают влагу в почве, что позволяет в засушливых условиях получать стабильные по годам урожаи возделываемых культур [23]. В засушливой зоне Ставропольского края были рекомендованы и освоены короткоротационные полевые севообороты с чистым паром: пар – озимая пшеница, или пар – озимая пшеница – озимая пшеница, в которых под чистые пары отводилось до 50% пашни [22].

В то же время возделывание сельскохозяйственных культур по технологии прямого посева (ПП) позволяет обходиться без чистых паров. Так, в Ипатовском районе, расположенном в засушливой зоне, сельскохозяйственные предприятия, возделывающие полевые культуры по традиционной технологии, ежегодно имеют в структуре пашни в среднем от 15.9 до 34.1% чистых паров. В ООО “Добровольное” и ООО СХП “Урожайное”, работающих по технологии ПП в течение 13-ти лет, чистые пары отсутствуют (табл. 3).

Отказ от чистых паров при возделывании сельскохозяйственных культур по технологии ПП в засушливых районах обусловлен большим накоплением и лучшим сохранением влаги в почве. В наших исследованиях в Ставропольском крае во время вегетации растений, возделываемых по этой технологии, в метровом слое почвы содержится на 19.6–32.9% больше продуктивной влаги, чем по технологиям с обработкой почвы [12], или дополнительно на 1 га накапливается и сохраняется от 140 до 230 м³ воды, которая расходуется растениями на формирование урожая. Большему накоплению влаги в почве способствуют растительные остатки предшествующих культур на ее поверхности, которые зимой накапливают больше снега, а летом существенно уменьшают испарение влаги с поверхности почвы.

Количество растительных остатков зависит от вида растений и накопления ими надземной биомассы. В Западной Сибири в среднем за год на поверхность почвы поступает 1.8–2.1 т/га растительных остатков [17], на Северном Кавказе накапливается в 2–3 раза больше – от 5.6 до 6.3 т/га [14].

Такое количество растительных остатков на поверхности, а также улучшение структуры почвы [6] надежно защищают ее от ветровой [11] и водной эрозии, тогда как обработанная по рекомендованным технологиям почва с заделкой пожнивных остатков в большей степени подвержена процессам дефляции и водной эрозии.

Цель работы – изучить влияние технологии прямого посева на плодородие почвы, как важного фактора его восстановления и сохранения на основе обобщения результатов многолетних опытов научных аграрных центров и производственных объединений, проведенных на типичных и обыкновенных черноземах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования расположены на территории европейской части России и характеризуют зонально-провинциальные особенности типичных (Haplic Chernozems) и обыкновенных черноземов (Haplic Chernozems) [45] с разными условиями увлажнения в течение года и вегетационного периода. На территории ФГБНУ “Курский ФАНЦ” в Курской области (51°37.8′ с. ш.; 36°15.7′ в. д.) и ФГБНУ НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева в Воронежской области (“Каменная степь” 51°03.4′ с. ш.; 40°44.8′ в. д.) изучали типичные черноземы, в ФГБНУ “Северо-Кавказский ФНАЦ” в Ставропольском крае (45°07.6′ с. ш.; 42°03.3′ в. д.) – обыкновенные. С 2013 г. на опытных полях этих научных центров проводятся многолетние исследования по оценке влияния технологии возделывания сельскохозяйственных культур с обработкой почвы (варианты минимизации обработок) и технологии без обработки (прямой посев) на свойства и продуктивность черноземов.

В опытах в полевых четырехпольных севооборотах выращивали озимую пшеницу, кукурузу и горох, а подсолнечник – только на обыкновенных черноземах. Все пожнивные остатки при прямом посеве оставляли на поверхности почв. Использование удобрений и пестицидов осуществляли в соответствии с рекомендациями для каждой культуры, фоном по вариантам опыта.

Исследования вели также в ООО СХП “Урожайное” Ипатовского (45°49.0′ с. ш.; 42°03.5′ в. д.) и СПК “Архангельский” Буденновского районов Ставропольского края (44°10.3′ с. ш.; 44°32.4′ в. д.), где сельскохозяйственные культуры возделывают только по технологии ПП. Поэтому параллельно изучали почвы полей рядом расположенных хозяйств, на которых применяется рекомендованная научными учреждениями технология с обработкой почвы.

Подвижный фосфор и обменный калий в типичных черноземах определяли по методу Чирикова, в обыкновенных – по Мачигину, содержание ОВ (гумуса) – по Тюрину, равновесную плотность – методом цилиндров. Оценку видового состава и численности мезофауны (дождевых червей) проводили на площадках 50 × 50 см² с отбором проб почвы в эклекторы. Статистическая обработка данных выполнена в программе Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При возделывании сельскохозяйственных культур по технологии ПП на стационаре ФГБНУ “Северо-Кавказский ФНАЦ” за первую ротацию севооборота содержание гумуса в слоях 0–10 и 10–20 см обыкновенного чернозема увеличилось на 0.02 и 0.05 абсолютных процентов, тогда как по традиционной технологии произошло уменьшение этого показателя на 0.04 и 0.02% [12]. Оба показателя находятся в пределах ошибки опыта, но прослеживается тенденция сохранения и улучшения показателей плодородия в технологии ПП.

В типичных черноземах Курской и Воронежской областей эта тенденция выражена в большей степени [9]. В опыте “Курского ФАНЦ” перед закладкой опыта в 2013 г. после уравнительного посева содержание гумуса в среднем на обеих глубинах составляло около 5% и существенно не отличалось по вариантам опыта (табл. 4). Через 4 года наблюдалось увеличение этого показателя по всем способам обработки почвы. Но за четырехлетний период достоверно большая прибавка содержания гумуса в типичных черноземах наблюдалась при прямом посеве и составила 0.65% на глубине 0–10 см и 0.86%, на глубине 10–20 см.

В типичных черноземах “Каменной степи” достоверно большие запасы гумуса через 4 года после закладки опыта также отмечаются при использовании ПП (табл. 5). Аналогичная ситуация наблюдается и по запасам подвижного фосфора, которого в слое почвы 0–30 см увеличилось существенно больше, чем по другим способам обработки почвы, что обусловлено наличием на поверхности растительных остатков, которые после их разложения микроорганизмами способствовали увеличению содержания этого элемента в верхних слоях почвы.

Увеличение содержания органического вещества в черноземах наблюдается и в других почвенно-климатических условиях [7]. В СПК “Архангельский” в течение четырех лет работы по технологии ПП была остановлена эрозия и стабилизировалось содержание гумуса при одновременном увеличении концентрации доступного фосфора с 13 до 21 мг/кг, калия – с 340 до 400 мг/кг [30]. Существенное увеличение содержания доступных элементов питания в почве по этой технологии отмечено и в других сельскохозяйственных предприятиях края [15].

В типичных черноземах “Каменной степи” содержание подвижного фосфора на всех вариантах опыта за 4 года существенно возросло. Но наибольшее увеличение содержания Р₂О₅ в слое почвы 0–30 см наблюдалось при ПП (в 1.8 раза), тогда как при разных обработках почв повышение запасов подвижного фосфора было примерно одинаковым – в 1.3–1.4 раза. Самое низкое содержание этого элемента питания было при отвальной и поверхностной обработках, соответственно на 45.5 и 63.0 кг/га меньше, чем при ПП [9].

Содержание обменного калия за этот же период изменилось не столь существенно. Максимальные его запасы характерны для отвальной, минимальные – для поверхностной обработки.

Содержание подвижного фосфора в слое 0–10 см курских типичных черноземов за четыре года существенно уменьшилось по всем вариантам обработок (табл. 6), кроме прямого посева, где снижение было математически недоказуемым. В большей степени уменьшение содержания этого элемента наблюдалось в слое почвы 10–20 см, оставаясь, тем не менее, на уровне, соответствующем высокой степени обеспеченности для зерновых и зернобобовых культур в двадцатисантиметровом слое почв. По содержанию обменного калия ситуация аналогична фосфатам – наблюдалось некоторое уменьшение показателя за 4 года в слое 0–10 см и заметное – в 1.1–1.7 раза – в слое 10–20 см (табл. 7). Обеспеченность обменным калием за 4 года уменьшилась с высокой до средней, причем в большей степени это характерно для слоя 10–20 см.

Таким образом, технология прямого посева способствует росту плодородия почвы путем увеличения содержания в ней не только органического вещества, но и доступных для растений элементов питания, включая минеральные формы азота.

По этой причине в технологии ПП стало возможным даже в засушливых условиях без использования чистого пара получать вполне приемлемые, экономически оправданные урожаи, обеспечивающие рентабельное ведение сельскохозяйственного производства. В СХП “Урожайное” и ООО “Добровольное” урожайность подсолнечника в среднем за 2012–2018 гг. составила 2.63 и 2.07 т/га, зерна кукурузы получено 4.89 и 4.94 т/га, гороха – 2.21 и 2.39 т/га, тогда как в соседних хозяйствах района, работающих по традиционной технологии, урожайность подсолнечника находилась в пределах 1.52–1.63 т/га, гороха – 2.08–2.13 т/га, а возделывание кукурузы по традиционной технологии без орошения не представляется возможным.

Урожайность озимой пшеницы в этих хозяйствах (“Урожайное” и “Добровольное”) по непаровым предшественникам, в среднем за эти же годы составила 4.79 и 3.92 т/га, тогда как в сельскохозяйственных предприятиях района, которые сеют ее в основном по чистым парам, урожайность вполне сопоставима и находится в пределах от 4.06 до 4.80 т/га. С учетом положительного влияния технологии ПП на свойства почв за 7 лет в ООО “Добровольное” и СХП “Урожайное” с 1 га пашни получено в среднем 3.75 и 4.37 тыс. зерновых единиц, тогда как у граничащих с ними сельскохозяйственных предприятиях района – лишь 2.84–3.26 тыс. зерновых единиц.

Одним из важных показателей, характеризующих восстановление свойств почв, является способность агроэкосистемы противостоять сорнякам и патогенным организмам без применения химических средств защиты растений. В этом отношении технологию без обработки почв считают неприемлемой из-за применения в борьбе с сорняками гербицидов сплошного действия из группы глифосатов, а также большого количества растительных остатков на поверхности почв, являющихся источником патогенных микроорганизмов, поражающих растения.

Действительно, на начальном этапе освоения технологии невозможно обойтись без глифосатов. Однако при строгом выполнении технологии применения гербицида расход глифосатов можно существенно сократить. В первую очередь необходимо устранить жесткость воды, уменьшить расход рабочей жидкости до 25 л/га и за счет более высокой концентрации препарата в 2 раза увеличить его гербицидную активность. Применение при опрыскивании активных аминокислот позволяет уменьшить норму расхода еще в 1.5–2.0 раза [20]. Об этом свидетельствует опыт работы хозяйств Ставропольского края, которые в течение 8–10 лет следуют этой технологии.

Проведенными исследованиями установлено [16, 39], что применение глифосатов не приводит к существенному изменению или уменьшению микробного сообщества в почве. Больше того, глифосат вызывает некоторое увеличение эмиссии СО₂ в почвах [31, 38], что по мнению авторов может свидетельствовать об использовании гербицида или его производных в качестве составляющих компонентов питательного субстрата для почвенных микроорганизмов, а также устойчивости микробного сообщества к глифосату.

Именно этим объясняется отсутствие остаточного количества глифосат-кислоты в почве и получаемой продукции [26], что подтверждается существенным увеличением количества представителей почвенной фауны, например, дождевых червей на полях с использованием ПП по сравнению с традиционными технологиями (табл. 8). В необрабатываемой почве обитало 4 вида дождевых червей – Aporrectodea caliginosa, A. rosea, Lumbricus terrestris, L. rubellus, тогда как на соседних полях с традиционной технологией встречался только один вид – A. Caliginosa, что свидетельствует об экологической чистоте и безопасности среды обитания почвенной биоты, стабильности и устойчивости агроэкосистемы и, в итоге, сохранении и улучшении плодородия почвы при использовании технологии ПП.

Кроме химических, в технологии ПП имеются эффективные агротехнические приемы борьбы с сорняками, из которых важнейшим является севооборот. При чередовании двух теплолюбивых и двух холодостойких культур численность сорняков уменьшается в 13 раз, при чередовании в севообороте двух теплолюбивых с одной культурой холодного времени произрастания засоренность посевов снижается в 2.0–2.5 раза [41, 42]. В то же время посев одной и той же культуры 2 года подряд приводит к резкому увеличению засоренности посевов.

Эффективным способом борьбы с сорняками в технологии ПП являются растительные остатки на поверхности почвы. Одна тонна пожнивных остатков озимой пшеницы, равномерно распределенных на 1 га, уменьшает количество сорняков на 14%. Бороться с сорняками можно также сроками посева, нормами высева семян, а также посевом промежуточных почвопокровных растений после уборки и до посева следующей культуры севооборота [33, 43].

Уменьшение расхода гербицидов и уменьшение засоренности посевов становится возможным благодаря очищению почвы от семян сорняков по мере освоения технологии ПП. Исследованиями Сибирского НИИ земледелия и химизации сельского хозяйства установлено, что за 3 года применения технологии ПП количество семян сорняков в слое почвы 0–10 см уменьшилось с 95.0 до 39.6 млн шт./га, тогда как при традиционной обработке почвы их количество увеличилось с 98.3 до 127.8 млн шт./га [19]. По этой причине количество сорняков в посевах озимой пшеницы перед применением гербицида в технологии с обработкой почвы составило 1233–1596 шт./м², тогда как в технологии ПП их было 85–327 шт./м² [4].

Уменьшение “банка” семян сорняков в почве и засоренности посевов в технологии без обработки почв объясняется созданием благоприятных условий (в первую очередь по влажности) для прорастания семян сорняков, находящихся в верхнем слое почвы. В первые годы освоения технологии семена интенсивно прорастают, что и является причиной существенного увеличения их количества в это время. При эффективной борьбе сорняки уничтожаются до их обсеменения, что приводит соответственно, к сокращению засоренности посевов, так как находящиеся в более глубоких слоях почвы семена сорняков прорасти и дать всходы не могут и погибают. Кроме того, растительные остатки на поверхности почвы нарушают контакт семян с почвой и сдерживают прорастание и рост сорняков через физическое подавление, аллелопатические воздействия, уменьшение проникновения солнечного света через растительные остатки и физическое блокирование появления всходов.

Важную роль растительные остатки играют в сокращении поражения растений болезнями и вредителями. По данным зарубежных авторов растительные остатки, остающиеся на поверхности почвы в технологии ПП, благоприятствуют росту популяции микроорганизмов в верхнем (0–10 см) слое почвы [35], которые подавляют патогенную микрофлору, тем самым снижая заболеваемость растений и даже поражение вредителями [40].

Аналогичные данные получены и отечественными исследователями на примере посевов яровой пшеницы, которые меньше заселялись хлебной полосатой блошкой, пьявицей красногрудой и повреждались внутристеблевыми вредителями. При этом поражение обыкновенной корневой гнилью, септориозом, мучнистой росой и заселенностью колосьев пшеницы личинками пшеничного трипса, не имело существенных различий от технологии, основанной на глубоком рыхлении почвы [5]. Обусловлено это тем, что в технологии ПП, благодаря сохраняющимся растительным остаткам, не только увеличивается количество почвенных микроорганизмов, но и наблюдается рост его разнообразия. Существенно возрастает численность бактерий – антагонистов фитопатогенов увеличивается плотность нематод, которые подавляют развитие патогенной микрофлоры [46], чем сокращают поражение растений вредными организмами.

Севооборот играет также важную роль в регуляции количества и качества почвенных микроорганизмов. В условиях монокультуры наблюдается развитие наиболее агрессивных популяций почвенных фитопатогенов, что приводит к поражению растений болезнями и вредителями и соответственно существенному снижению урожайности. И наоборот, чем больше разнообразие растений в севообороте, тем больше биоразнообразие почвенной микрофлоры, антагонистов и хищников вредных организмов в почве агроценоза [27].

В технологии ПП, благодаря большему накоплению влаги в почве, имеется возможность возделывания более широкого ассортимента сельскохозяйственных культур, чем в традиционных технологиях с обработкой почвы, особенно в засушливых регионах [13]. Увеличение разнообразия культур при технологии ПП можно достичь посевом пожнивных почвопокровных культур, которые произрастают в промежутке между основными культурами севооборота. Промежуточные почвопокровные культуры корневой системой разрыхляют почву, отмершие части растений и корневые экссудаты обогащают ее органическим веществом, надземная биомасса подавляет сорные растения. Бобовые культуры, применяемые в качестве почвопокровных, увеличивают содержание в почве биологического азота, капустные (рапс, редька, горчица) уменьшают поражение растений пшеницы корневыми гнилями. Донник, благодаря наличию в нем кумарина, вызывает гибель конидий корневой гнили пшеницы, зерновой и картофельной нематоды, проволочника, ложнопроволочника и других возбудителей болезней и вредителей растений.

Для обеспечения благоприятной фитосанитарной обстановки в различных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур применяется целый комплекс биологических средств защиты растений. Их использование позволяет защитить посевы от комплекса болезней и вредителей, бороться с заразихой подсолнечника, улучшать азотное, фосфорное и калийное питание растений, повышать устойчивость растений к засухе и другим неблагоприятным явлениям [20, 21]. В некоторых странах зарегистрированы и применяются биологические гербициды, “действующим веществом” которых являются микроорганизмы, поражающие определенные виды сорных растений [37, 44]. Поиск таких микроорганизмов, способных поражать сорняки, в том числе такие злостные, как осот розовый (Cirsium arvense L.), осот полевой (Sonchus arvensis L.), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis L.) и другие, ведется и в нашей стране [2, 10].

Для повышения эффективности защиты растений от вредных организмов биологические препараты следует применять комплексно на всей возделываемой площади, начиная с обеззараживания растительных остатков после уборки урожая. Но, в отличие от традиционной технологии, где ставится задача скорейшего разложения растительных остатков различными микроорганизмами [3], в технологии ПП наоборот, растительные остатки необходимо сохранять на поверхности почвы как можно дольше, так как они играют очень важную роль в защите почв от эрозии и восстановлении их плодородия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Площади почв в мире, на которых возделываются сельскохозяйственные культуры по технологии ПП, постоянно увеличиваются примерно на 10 млн га в год, занимая в настоящее время около 157 млн га. Прямой посев используется на различных по генезису почвах, как во влажных, так и более засушливых условиях и в силу своей специфики, приближенной к природным условиям, способствует повышению устойчивости агроэкосистемы в целом, улучшению и восстановлению плодородия ее главного компонента – почв. Применение в технологии прямого посева плодосменных севооборотов, сохранение растительных остатков на поверхности почвы и посев промежуточных почвопокровных культур позволяет сохранить и повысить плодородие почвы, увеличить разнообразие почвенной биоты, создать благоприятные условия для подавления патогенных микроорганизмов, повысить экологическую устойчивость агроценоза, используя биологические методы. Увеличение содержания ОВ в типичных и обыкновенных черноземах, улучшение агрохимических и микробиологических показателей, а также повышение урожайности сельскохозяйственных культур и рентабельности производства в условиях недостатка влаги, свидетельствуют о возможности и необходимости более широкого применения технологии прямого посева. Именно возможность восстановления деградированных почв и повышения плодородия пахотных земель должна стать катализатором широкого внедрения прямого посева в земледелие России.