ЛЕКЦИЯ 3. СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ 1. Агроэкологические основы обработки почвы. 2. Методологические принципы проектирования системы обработки почвы в севооборотах. 1. Агроэкологические основы обработки почвы Центром забот земледельца является растение и его задачей является создание соответствия между требованием растений и почвой. Что же требуется растению от почвы? Как известно, растение из почвы получает воду, питательные элементы, пищу и кислород. Но для удовлетворения требований растений в этих факторах жизни необходимо обеспечить оптимальный объем почвы для функционирования корней и микроорганизмов, наличие в почве кислорода, достаточного для дыхания, оптимальной температуры для микробиологических процессов. Благоприятные почвенные условия для роста растений складываются при оптимальных параметрах агрофизических свойств почвы и показателях ее плодородия. К числу важнейших следует отнести плотность и строение пахотного слоя почвы, структурный состав и т.д. Теоретической основой применяемых систем обработки почвы- служат требования сельскохозяйственных культур к плотности и строению пахотного слоя, структурному составу, степени крошения и т.д. от которых зависят влагообеспеченность растений и доступность питательных веществ, а в конечном итоге рост, развитие растений и урожайность. Количественной характеристикой строения почвы служит плотность. Различают равновесную и оптимальную плотность. Равновесная плотность – это установившаяся плотность не обработанной 1-2 года почвы в естественном состоянии. Плотность почвы, при которой складывается благоприятные условия для роста растений и деятельности почвенных микроорганизмов называют оптимальной. Изучение реакции культур на физическое состояние почв разного происхождения позволило выявить интервалы оптимальных значений плотности для зерновых и пропашных культур. Сопоставление показателей позволяет определить необходимость обработки почвы. Чем больше разность между равновесной и оптимальной плотностью, тем интенсивнее и глубже должна быть обработка. По данным А.И. Пупонина (1986) равновесная и оптимальная плотность почвы для полевых культур следующая: Дерново-подзолистая песчаная почва - плотность: равновесная 1,5-1,6 г/см3 оптимальная 1,2-1,35 г/см3 (для зерновых) 1,1-1,45 г/см3 (для пропашных) Черноземная почва- плотность : равновесная 1,0-1,3 г/см3 оптимальная 1,2-1,3 г/см3 (для зерновых) 1,0-1,3 г/см3 (для пропашных) Каштановая почва- плотность: равновесная 1,2-1,45 г/см3 оптимальная 1,1-1,3 г/см3 (для зерновых) Плотность почвы зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, водопрочных агрегатов, влажности и других условий. Моделирование плотности сложения разных типов почв показало, что оптимальные условия для роста озимых и яровых зерновых культур, а также од- нолетних и многолетних трав складываются при плотности в пределах от 1,10 до 1,35 г/см3. Однако эти параметры изменяются в зависимости от типа почвы — ее гранулометрического состава, увлажнения. Так, на супесчаных и легкосуглинистых почвах оптимальная плотность достигает 1,30—1,45 г/см3. При увлажнении почвы более 60 % НВ интервалы оптимальной плотности для зерновых культур уменьшаются, а при иссушении увеличиваются до 1,35 г/см3 и более. Чрезмерная рыхлость почвы вызывает, например у озимых культур, повреждение корневой системы и узла кущения из-за быстрого оседания особенно переувлажненной почвы. При повышении плотности выщелоченного чернозема на 0,1 г/см 3 снижение урожая зерновых колосовых культур составляет 15%, а на 0,2 г/см3 50%. При уплотнении почвы уменьшается не только объем пор, но и их размер. Это весьма важно для роста корневых волосков. Уплотненная почва плохо впитывает и фильтрует влагу, а это при наличии ливневых осадков способствует усилению поверхностного стока, эрозии и в целом снижению влагообеспеченности растений. Плотность почвы мало изменилась за исследуемый период, но по способам лучше безотвальная обработка и вспашка. Основными причинами снижения урожаев на уплотнение почвах является ухудшение условий для формирования мощной корневой системы, нарушение водного и пищевого режимов. В результате обработки почвы создается пахотный слой, определенной мощности, который обладает самым высоким плодородием. Здесь происходят биологические процессы, биохимические реакции, обмен веществ с атмосферой, в результате чего минерализуется и гумифицируется органическое вещество. Оптимальное строение пахотного слоя, когда в нем объем твердой фазы составляет 50% и столько же занимают пары. Оптимальное строение па- хотного слоя на черноземных почвах складывается при общей пористости 51-62%, а пористости аэрации 15-25%. С помощью обработки почвы улучшается строение пахотного слоя почвы : рыхлением при основной и предпосевной обработках увеличивают некапиллярную пористость, а уплотняя рыхлую почву уменьшают ее. Структура почвы – ею называют различные по величине и форме агрегата, в которые склеены почвенные частицы. По размеру комков различают Мегаструктуру (глыбистую) > 10 мм Макроструктуру (комковато зернистую) – 0,25-10 мм Микроструктуру < 0,25 мм Агрономическую ценность – представляет комковато-зернистая структура, но самые наилучшие свойства водно-воздушные создаются при размере комков 0,25-3 мм – для черноземной и комковатой почвы (написать размер агрегата и скорость ветра). Водопрочность структуры – способность почвы противостоять размывающему действию воды. Обработка почвы может служить действенным средством улучшения структуры почвы. Работами Вершинина П.В. установлено, что при оптимальной влажности крошения, обработка почвы приводит к образованию агрегатов, обладающих прочностью (почва рассыпается). При обработке сухой или переувлажненной почвы структура разрушается и тем больше, чем значительнее отклонения влажности от оптимальной (глыба, чемоданы). По данным СНИИСХ (Кузыченко, 2006) Таблица. Содержание водопрочных агрегатов (%) в начале и конце ротации севооборота при различных способах обработки почвы. Основная обработка Начало ротации (агрегаты 1-3 мм) Мелкая безотвальная, 30 культиватор КПЭ-3,8 (12-14см) Безотвальное рыхление, 26,4 плуг чизельный ПЧ2,5(20-22см) Отвальная обработка, 35,6 плуг ПЛН-4-35(20-22см) Безотвальное рыхление, 35 агрегат КАО-2(25-27см) Поверхностная, борона 28,2 дисковая БДТ-3(6-8см) Конец ротации (агрегаты 1-3 мм) 38,4 30,4 32 40 28,4 Плотность почвы в определенной мере влияет на накопление продуктивной влаги Таблица. Накопление продуктивной влаги в метровом слое почвы, мм Основная обработка Уход в зиму Мелкая безотвальная, 144 культиватор КПЭ-3,8 (12-14см) Безотвальное рыхление, 150 плуг чизельный ПЧ2,5(20-22см) Отвальная обработка, 161 плуг ПЛН-4-35(20-22см) Безотвальное рыхление, 155 агрегат КАО-2(25-27см) Поверхностная, борона 142 дисковая БДТ-3(6-8см) Весенняя вегетация 142 147 150 147 140 На условия жизни культурных растений большое влияние оказывают и подпахотные слои, их агрофизические, агрохимические и биологические свойства. Растения используют влагу и питательные вещества не только из пахотного, но и из всего корнеобитаемого слоя, поэтому в изменении условий жизни растений важное значение имеет глубина обработки почвы. Глубина обработки почвы зависит: от мощности гумусового горизонта; окультуренности пахотного и подпахотного слоев; биологии сельскохозяйственных культур. Увеличить мощность пахотного слоя можно с помощью глубокой обработки. Важное значение для разработки практических вопросов обработки почв имеют исследования по выявлению сущности, процессов, происходящих в почве после очередной ее обработки. Установлено, что к концу вегетации растений верхняя часть пахотного слоя, как правило, более плодородна, чем нижняя. При оборачивании почвы наверх выносится менее плодородный слой, и условия роста для растений ухудшаются. Новые экспериментальные данные о процессе дифференциации по плодородию пахотного слоя позволили критически оценить рекомендации по системам обработки почвы в различных зонах и придти к выводу о необязательности ежегодной вспашки и возможности применения поверхностной обработки, целесообразности сочетания в севообороте приемов отвальной и безотвальной обработки. Итак, удовлетворять требования культурных растений можно через регулирование системой обработки почвы в благоприятную сторону ее агрофизических свойств, а именно структуры почвы, плотности (сложения), твердости и строения. Почва при обработке приобретает иное, более благо- приятное структурное состояние, одновременно увеличивается общая и некапиллярная пористость, усиливается аэрация. Способы основной обработки почвы оказывают существенное влияние на распределение органического вещества в почве, вносимых удобрений, доступность растениям элементов минерального питания, процессы гумификации растительных остатков и синтеза биологического азота. Вспашка и фрезерная обработка создают более однородный по гумусированности пахотный слой за счет лучшего перемешивания почвы. Безотвальная и минимальная обработки приводят к резкой дифференциации почвы пахотного слоя по плодородию, особенно на фоне вносимых минеральных удобрений. В верхнем 0-10 см слое больше накапливается фосфора и калия, он более оструктурен и имеет лучшие поглотительные свойства. Это обусловлено большим количеством растительных остатков и локализацией калия и фосфора в верхнем слое за счет вносимых органических и минеральных удобрений. В то же время при поверхностной и мелкой обработках, происходит обеднение более глубоких горизонтов. При отсутствии осадков поверхностный слой пересыхает и находящихся в нем питательные вещества становятся недоступными. Этих негативных явлений можно избежать при применении периодической вспашки в севообороте. Она обеспечивает оборачивание и лучшее перемешивание почвы и устраняет концентрацию пожнивных остатков, приводящую к токсикозу почвы продуктами разложения. При внесении средств защиты растений, особенно почвенных гербицидов, возникает необходимость использования интенсивных систем обработки почвы, направленных на улучшение аэрации почвы и ускорение микробной детоксикации пестицидов. Это способствует очищению почвы от загрязнения. Обработка почвы – важнейшее средство регулирования жизнедеятельности микроорганизмов почвы, ее численности и видового состава. Рыхление почвы улучшает аэрацию, увеличивает численность бактерий, плесневых грибов и актиномицетов и др. микроорганизмов, способствующих разложению углеродосодержащих растительных остатков. Усиление жизнедеятельности аэробных микроорганизмов при этом ускоряет разложение гумуса и высвобождение элементов минерального питания. При этом повышается биологическая активность (по СО2) и нитрификационная способность почвы, что создает лучший режим питания растений, особенно азотом. При уменьшении глубины и интенсивности рыхления активность почвенной микрофлоры снижается и предохраняет от разложения гумусовые вещества, которые служат средством улучшения структуры и физических свойств почвы. Исследованиями В.И.Кирюшина и И.Н.Лебедевой было это доказано на опытном стационаре ВНИИЗХ (Шортанды). Как видно из таблицы разница в содержании гумуса в пахотном слое почвы между вариантами плоскорезной обработки и отвальной вспашки оказалась весьма существенной. Таблица. Содержание гумуса (%) в южном карбонатном черноземе, в зависимости от системы обработки почвы в зернопаровом севообороте ВНИИЗХ Система обработки почвы Слой, см 0-5 5-10 10-15 15-20 Отвальная 4,43 4,54 4,44 4,42 Плоскорезная 4,91 4,83 4,71 4,52 Разница в гумусе 0,48 0,29 0,27 0,10 НСР 0,95 0,38 0,23 0,29 0,32 Усиление жизнедеятельности аэробных микроорганизмов при этом ускоряет разложение гумуса и высвобождение элементов минерального питания. При этом повышается биологическая активность (по СО2 . Количество сорных растений 120 100 104 80 85 67 60 95 59 63 40 39 20 27 33 0 отвальный безотвальный 2007 2008 мелкая обработка среднее Рисунок . Влияние способов основной обработки почвы на количество сорных растений в фазу трех листьев озимой пшеницы, шт/м2 Полученные результаты свидетельствуют, что после отвальной обработки почвы засоренность посевов озимой пшеницы гораздо ниже, чем в других вариантах опыта. В 2007 году осенью здесь отмечено 39 шт./м2 сорняков, что на 28 шт./м2 меньше чем после безотвального рыхления и на 46 шт./м2 в сравнении с мелкой обработкой почвы. В 2008 году засоренность посевов культуры после безотвальной обработки почвы была в 2 раза выше, а после мелкой обработки в 3,9 раза выше в сравнении с отвальной вспашкой. В среднем за 2 года исследований отмечено преимущество отвальной обработки почвы по снижению засоренности посевов озимой пшеницы. При возделывании культур в севообороте применяют ряд приемов основной обработки почвы: вспашку, безотвальное рыхление, плоскорезную, чизелевание и др. Все приемы объединяют в систему. Система обработки почвы - совокупность научно обоснованных приемов основной обработки, последовательно выполняемых в севообороте с целью создания для растений оптимальных условий и воспроизводства плодородия почвы. Обработка почвы под отдельную культуру, чистого пара или сезонные (зяблевые) обработки составляют технологические звенья или технологические комплексы обработки. Они могут включать один или несколько приемов. В зависимости от назначения, глубины возделывания и времени выполнения технологию обработки почвы под отдельную культуру подразделяют: на основную (более глубокую), предпосевную и послепосевную (по уходу за культурой). По способу основной обработки почвы в севообороте системы классифицируют на отвальную, безотвальную, плоскорезную, чизельную и др. Комбинированные системы включают два и более способов обработки. Поэтому название системы определяют по преобладающему одному или двум способам основной обработки почвы в севообороте. Например, если в севообороте преобладает чизельная обработка почвы наряду с отвальной или плоскорезной, то систему называют чизельноотвальной, чизелъно-плоскорезной и т. д. Если в севообороте отсутствует основная обработка почвы, а посев совмещают с предпосевной обработкой, то такую обработку называют совмещенной с посевом предпосевной минимальной обработкой. Коэффициент интенсивности - это отношение затраченной совокупной энергии в МДж/га при данной системе обработки почвы к системе отвальной обработки почвы в севообороте, на полях с уклоном не более 3°. По коэффициенту интенсивности воздействия на почву и энергоемкости системы обработки подразделяют на: интенсивную — более 1,0; обычную — 0,9—1,0; сокращенную — 0,6—0,8; минимальную —0,5 и менее. Системой обработки регулируют водный, воздушный, питательный и тепловой режимы, фитосанитарное состояние почвы и увеличивают мощность пахотного слоя. Кроме того, рационально выбранная система обработки почвы в севообороте позволяет разуплотнить почву, уменьшить жидкий сток, смыв почвы на склоновых землях, предотвратить ее выдувание в районах проявления ветровой эрозии. В целом система обработки направлена на воспроизводство плодородия почвы, защиту ее от эрозии и получение устойчивой урожайности. По выражению К.А.Тимирязева, она определяет культуру поля. Систему основной обработки почвы в севообороте определяют: Виды агроландшафтов и их особенности, совокупность свойств почв и уровни их плодородия; степень проявления эрозионных процессов; особенности состояния поля (каменистость, наличие стерни, дернины), состав почвообрабатывающих агрегатов, биологические особенности культур. Интенсивные системы обработки почвы с преобладанием в большинстве регионов страны вспашки (ее проводят на 50 % посевных площадей) приводят к нарушению экологического баланса органического вещества и энергии в агроэкосистемах. Так, например, ежегодные потери гумуса под зерновыми культурами составляют 0,7—0,8 т/га, а под пропашными культурами они выше в 3— 3,5 раза. По расчетам немецких ученых, потери гумуса вслед- ствие окисления после применения плуга в 10 раз выше, чем при водной эрозии, поскольку с каждой тонной углерода почвы в атмосферу улетучивается 3,7 т СО2. Максимальные же потери могут достигать 10 т/га СО2 (Тебрюгге, 2003). Исследования, выполненные в США, подтверждают, что выделение диоксида углерода из почвы в атмосферу вследствие интенсивного микробного разложения органического вещества при вспашке на 80 % выше по сравнению с прямым посевом. Все это нарушает динамическое равновесие между компонентами экологической системы и отрицательно влияет на состояние атмосферы, приводя к изменению климата. Ресурсосбережение — одна из важных проблем современных систем земледелия. Затраты энергии на обработку почвы в применяемых технологиях составляют более 40 %. Только на однократную вспашку на глубину 18—20см расходуют в среднем 16,5— 18 л/га дизельного топлива, при плоскорезной и чизельной обработке на такую же глубину 12—14, а при прямом посеве 6,8— 8 л/га. Высокая энергоемкость (более 12ГДж/га) приводит не только к большим затратам невосполняемой энергии (более 90 %), зачастую превышающим содержание ее в получаемой продукции, но и к разрушению экосистемы. Экологически же допустимая нагрузка не должна превышать 15 ГДж/га (Жученко, 1983). Поэтому применяемые системы обработки почв должны быть низкозатратными, энергосберегающими и экологически обоснованными. Еще одним аспектом экологической проблемы, связанным с обработкой почвы, является усиление эрозионных процессов вследствие чрезмерного переуплотнения почвы под действием ходовых систем почвообрабатывающих машин и уборочной техники, особенно в увлажненных районах. Разрушение структуры почвы, снижение инфильтрации воды — основные причины на склонах стока и смыва почвы, превышающих почвообразование в среднем на 1 — 1,5 т/га. 2. Методологические принципы проектирования системы обработки почвы в севооборотах Разнообразие ландшафтных условий, различные требования культур к свойствам почвы, мощности пахотного слоя, проявление эрозионных процессов — все это обусловливает необходимость учета многих факторов при проектировании систем обработки почвы в севооборотах различной специализации. В связи с этим в основу проектирования рациональных систем обработки должны быть положены следующие научно обоснованные принципы. 1.Принцип почвозащитной направленности и экологической адаптации приемов и технологий обработки почвы в различных севооборотах. Предполагает выбор способа или системы обработки с высокой противоэрозионной эффективностью, направленной на снижение до нормативных параметров жидкого стока, смыва и сноса почвы, предотвращение отрицательного влияния технологии обработки на плодородие почвы и окружающую среду. При выборе приемов почвозащитной обработки в различных почвенноклиматических зонах страны необходимо учитывать крутизну (3°, 3—5", 5— 8° и более 8°) и тип склона (односкатный или многоскатный); характер стока, вызывающего эрозию (талые воды, дождевые и ливневые осадки), увлажненность территории и водопоглощающую способность почвы, скорость ветра в эрозионно опасные периоды. Так, на пахотных землях со слабо- и среднесмытыми почвами (смыв почвы 5—Ют/га) в зернотравяных и плодосменных севооборотах на склонах крутизной до 3° эффективны в системе основной обработки почвы вспашка поперек стока и контурная вспашка сложных по конфигурации склонов. При этом задерживается в среднем 20—25 мм воды и уменьшается смыв почвы до 4 т/га. На склонах крутизной более 5—7° противоэрозионная эффективность вспашки недостаточна, ее нужно дополнять кротованием, щелеванием, глубоким безотвальным рыхлением орудиями чизельного или плоскорезного типа. Приемы, изменяющие микрорельеф или создающие ступенчатый профиль, эффективны на склоновых землях крутизной 5—8°. При ступенчатой вспашке, а также вспашке с одновременным прерывистым бороздованием или лункованием повышается коэффициент противоэрозионной эффективности при 10%-ной обеспеченности по стоку до 0,6—0,8, а по смыву почвы —до 0,4—0,6 на полях с уклоном более 5°. Такие приемы обработки целесообразно применять на полях с большой водосборной площадью и значительным объемом возможного стока воды — более 80 мм в год. В степных агроландшафтах, подверженных ветровой эрозии, систему обработки следует проектировать на основе безотвальной, плоскорезной мульчирующей обработок с применением рыхлящих, но не оборачивающих рабочих органов типа параплау, плоскорезов, стоек СибИМЭ, чизельных орудий с сохранением до 60— 70 % стерневых остатков и соломы на поверхности почвы. При мульчирующей и консервирующей обработках устраняется перегрев почвы в жаркие периоды, они способствуют накоплению в почве воды и предохраняют ее от интенсивного испарения, предотвращают выдувание и снос почвы ветром. 2. Принцип разноглубинности обработки почвы в севообороте. Предусматривает обоснованное чередование глубины обработки в соответствии с биологическими особенностями возделываемых культур, их отзывчивостью на глубину рыхления и мощность создаваемого пахотного слоя. Так, культуры с мочковатой корневой системой (озимая рожь, озимая пшеница, ячмень, овес, яровая пшеница и др.) с преимущественным расположением ее в верхних частях почвенного профиля недостаточно используют питательные вещества и влагу из более глубоких горизонтов и слабо реагируют на глубину обработки. Поэтому глубину основной обработки под эти культуры можно уменьшить до 10—12 см, особенно на слабо засоренных многолетними сорняками полях, а также при размещении их после пропашных, зернобобовых культур и однолетних трав. Растения со стержневой глубокопроникающей корневой системой (клевер, люцерна, рапс, люпин, горох, кормовые корнеплоды, подсолнечник) хорошо отзываются на глубокую обработку. Они лучше используют питательные вещества и влагу из глубокоразрыхленных подпахотных слоев. Так, кукуруза при увеличении глубины обработки с 5 до 40 см повысила урожайность зеленой массы с 48,4 до 66,4 т/га. Следовательно, система основной обработки почвы в севообороте должна строиться на основе периодического чередования разноглубинных отвальных, плоскорезных, чизельных и других способов с учетом ландшафтных условий и степени проявления эрозионных процессов. При разноглубинной обработке подпахотные слои хорошо разрыхляются и, что самое главное, семена и вегетативные органы размножения сорняков с помощью периодической вспашки заделываются на большую глубину. Находясь там в течение продолжительного времени (2—4 года), они теряют свою жизнеспособность. При такой системе обработки почвы, проводимой на разную глубину, засоренность посевов к концу ротации зернового и зернопропашного севооборота снизилась в 1,5 раза. При разноглубинной обработке ослабляются процессы минерализации органического вещества и больше накапливается гумуса, что способствует воспроизводству плодородия. Поэтому в увлажненных регионах периодическая вспашка в плодосменных и зернотравяных севооборотах наиболее целесообразна один раз в 2—3 года на глубину гумусового слоя в занятых парах, под пропашные культуры и при подъеме пласта многолетних трав, а также на засоренных многолетними сорняками полях. Поверхностные и мелкие обработки проводят на хорошо окультуренных почвах под озимые и яровые зерновые культуры, размещаемые после однолетних трав, зернобобовых, пропашных культур с ранними сроками уборки. 3. Принцип чередования отвальных и безотвальных способов обработки почвы При отвальных способах обработки ускоряется разложение органического вещества на 20—25 % и снижается противоэрозионная устойчивость почвы, особенно на склоновых землях. Приемы же безотвальной обработки замедляют процессы минерализации пожнивных и корневых остатков, вносимых органических удобрений и в большей степени способствуют накоплению гумуса. Коэффициент гумификации при безотвальных обработках снижается на 25—27 %. Так, при вспашке основное количество растительных остатков (42—45 %) разлагается в осенний и весенний периоды и часть продуктов при наличии осадков вымывается из пахотного слоя в нижележащие горизонты. При минимальной обработке (нулевая поверхностная, плоскорезная, чизельная) за этот период разлагается лишь 20—25 % их общего количества, а основная масса минерализуется в течение вегетационного периода и высвобождаемые элементы питания используются растениями яровых культур или закрепляются почвой в форме гумуса. При длительных безотвальных обработках в севообороте нарастает дифференциация почвы пахотного слоя по плодородию, которая сопровождается увеличением засоренности посевов и ухудшением их фитосанитарного состояния. Для разуплотнения почвы подпахотных горизонтов, предотвращения чрезмерного стока и смыва почвы на склоновых землях требуется чередование как отвальных, так и чизельных или других безотвальных способов обработки. Вышеизложенное позволяет заключить, что в основу построения ресурсосберегающих технологий обработки почвы в севооборотах современных систем земледелия должны быть положены перечисленные принципы, а также следует учитывать комплекс нормативных агрофизических показателей плодородия (плотности, мощности пахотного слоя и др.) и технологических (сроки, способ, глубина и интенсивность обработки) в соответствии с требованиями возделываемых культур и условиями агроландшафта.