CC BY
361
УДК 631.51.01:631.445.41(1-925.116)
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ И ОСВОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ NO-TILL НА ЧЕРНОЗЕМАХ ЛЕСОСТЕПИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
А.Н. ВЛАСЕНКО, академик РАСХН, директор Н.Г. ВЛАСЕНКО, чл.-корр. РАСХН, руководитель научно-исследовательского центра
Н.А. КОРОТКИХ, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник
Сибирский НИИ земледелия и химизации сельского хозяйства Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. Результаты многолетнего изучения поэтапной минимизации обработки почвы в Сибири убедительно свидетельствуют, что на большей части почв региона возможен полный или частичный отказ от обработки без значительных потерь урожая основных возделываемых культур. Это служит научной основой разработки технологий No-Till в рамках адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Изучение инновационной технологии No-Till, в сравнении с традиционной, на черноземных почвах лесостепи Западной Сибири показало, что формирование на поверхности почвы постоянного слоя мульчи вместе с корневыми остатками запускает процессы почвообразования, соответствующие естественным, и служит основой для воспроизводства плодородия старопахотных черноземов. При оптимизации фитосанитарной ситуации посевов яровой пшеницы в отношении вредителей, болезней и сорняков существенных различий между технологиями не выявлено. Урожайность зерна яровой пшеницы была равной или несколько выше по технологии No-Till, в сравнении с обычной. Учитывая то, что при технологии No-Till исключаются затраты на обработку почвы, а они составляют примерно 20...25 % общих затрат, ее экономический эффект очевиден, и она вполне конкурентоспособна по отношению к традиционной. Ключевые слова: экологизация земледелия, плодородие почвы, фитосанитарная ситуация, технология No-Till.
Решение проблемы экологизации земледелия на современном этапе сопряжено с развитием и освоением наукоемких технологий в направлении максимального ресурсо- и энергосбережения, сохранения почвенного плодородия, экологической безопасности и охраны окружающей среды на основе минимизации обработок почвы и перехода на прямой посев, вплоть до освоения системы No-Till, в рамках адаптивноландшафтных систем земледелия [1...3].
Результаты многолетнего изучения поэтапной минимизации обработки почвы в Сибири убедительно свидетельствуют, что на большей части почв региона возможен полный или частичный отказ от обработки без значительных потерь урожая основных возделываемых культур [4.6]. Это служит научным базисом разработки технологий прямого посева и No-Till.
Цель наших исследований - оценить реальные преимущества и недостатки технологий возделывания зерновых культур по инновационной системе No-Till, в сравнении с традиционной, в условиях лесостепи Западной Сибири.
Условия, материалы и методы. Исследования начаты в 2008 г. на опытном поле ГНУ СибНИИЗиХ СО Россельхозакадемии в ОПХ «Элитное» Новосибирской области, расположенном в центрально-лесостепном Приобском агроландшафтном районе, почвенноклиматические условия которого типичны для лесостепной зоны Западной Сибири.
Почва опытного участка - среднемощный выщелоченный чернозем среднесуглинистого гранулометри-
ческого состава с содержанием гумуса в слое 0.30 см 4,4 %.
Годы проведения исследований различались по метеоусловиям. Вегетационный период 2008 г. отличался повышенной теплообеспеченностью и дефицитом осадков, 2009 г. характеризовался как умеренно увлажненный с умеренной теплообеспеченностью. Теплообеспеченность периода вегетации 2010 г. также была умеренной, но ощущался недостаток осадков. В 2011 г. наблюдалась засуха в первой половине вегетации, температура воздуха за май-август была близка к среднемноголетним значениям, 2012 г. характеризовался как остро засушливый в течение всего вегетационного периода с высокими температурами воздуха.
Методологической основой работы послужил системно-альтернативный подход, реализованный в многофакторном полевом эксперименте, построенном по полной факториальной схеме 2 х 2 х 2 [7, 8].
В опыте изучали следующие факторы.
Обработка почвы с соответствующим способом посева (фактор А): осеннее рыхление орудием со стойками СибИМЭ на глубину 20.22 см, предпосевная культивация на глубину заделки семян и посев сеялкой СЗП-3,6 - традиционная технология; без обработки почвы, посев по оставленной с осени стерне сеялкой с анкерными сошниками шириной 2 см - технология No-Till.
Севооборот (фактор В): пшеница - пшеница - овес; пшеница - пшеница - полевые капустовые (рапс, редька масличная, горчица сарептская).
Уровень применения средств химизации (фактор С): контроль (без удобрений и пестицидов до 2009 г., с 2010 г. без удобрений + дикотицид); комплексное использование агрохимикатов (минеральные удобрения в дозе N60P20, средства химической защиты в соответствии с фитосанитарной ситуацией в агроценозах). Повторность опыта трехкратная.
Учеты и наблюдения проводили по общепринятым методикам [5, 7, 9, 10].
Результаты и обсуждение. Обе технологии, изучаемые в опыте, относятся к ресурсосберегающим. Первая (на основе безотвального рыхления) ориентирована на максимально возможное сохранение пожнивных остатков, при второй (No-Till) - сохранение остатков растений на поверхности почвы выступает одним из основополагающих принципов. На фоне технологии прямого посева на поверхности почвы ко второму году второй ротации севооборотов накапливалось значительное количество растительных остатков в виде мульчи. Их воздушно-сухая масса достигала в среднем 198,5 г/м2 и была выше, чем на фоне традиционной технологии возделывания (135 г/м2) в 1,5 раза. Применение удобрений и средств защиты растений от вредных организмов позволило накопить в среднем по опыту на 52 % больше растительной массы, причем в вариантах с прямым посевом такое превышение составило 65 %, достигая 247 г/м2, а в вариантах с рыхлением почвы - 36 % (156 г/м2). Максимальное в опыте количество растительных остатков обеспечивала горчица сарептская,
Ги ГУ\
о £ d
г\
овес горчица
Традиционная технология
(V ft) ,
3 ер d овёс
<У 2 <?
горчица
слои почвы, см
No-Till
Рис.1. Соотношение фракций почвенных агрегатов и коэффициенты структурности верхних слоев чернозема выщелоченного в зависимости от технологии возделывания пшеницы и предшественника: □ - больше 10 мм; - 10...0,25 мм; ■ - меньше 0,25 мм
возделываемая по технологии Ыо-ТШ, - от 185,6 г/м2 в контроле до 358,9 г/м2 при комплексном использовании средств химизации. На фоне традиционной технологии горчица сарептская, утрачивала такое преимущество и даже уступала овсу. Однако, несмотря на это, именно при возделывании горчицы сарептской, как при прямом посеве, так и при рыхлении отмечен наиболее высокий коэффициент структурности почвы (рис. 1). В вариантах, где эта культура предшествовала пшенице, количество агрономически ценных агрегатов (от 10 до 0,25 мм) было выше независимо от технологии возделывания, особенно в верхнем слое почвы. Ценно и то, что введение горчицы в севооборот способствовало уменьшению содержания бесструктурной почвы, представляющей собой пылеватую массу (частицы < 0,25 мм).
Величины коэффициентов структурности почвы показывают, что и овес, и капустовые обеспечивали удовлетворительное агрегатное состояние почвы (диапазон коэффициентов структурности - 0,67.1,5) [10], при этом в обоих севооборотах показатели были выше в вариантах с прямым посевом. При технологии Ыо-ТШ отмечена лучшая оструктуренность всего верхнего горизонта почвы (0.30 см), что связано с большим поступлением органического вещества с корневыми и другими растительными остатками.
Результаты мокрого просеивания показали, что водоустойчивость почвенных агрегатов независимо от технологии обработки почвы и посева была практически одинаковой и низкой - только около 20 % агрономически ценных почвенных агрегатов выдержали воздействие воды.
Разница по величине этого показателя отмечена по предшественникам. В севообороте с овсом на долю суммы агрономически ценных водопрочных агрегатов приходилось 19,5.19,8 %, фракции менее 0,25 мм - 80,2.80,5 %, в севообороте с горчицей сарептской - 21,4.23,9 и 76,1.78,6 % соответственно. В первом случае водопрочность почвенной структуры не удовлетворительна, во втором - недостаточно удовлетворительна [9].
Водопроницаемость почвы независимо от технологии возделывания и предшественника была удовлет-
ворительной(диапазон 70. 30 мм водного столба). Более высокой скоростью инфильтрации отличалась почва под посевами горчицы на фоне безотвального рыхления, где она приближалась к верхней границе указанного интервала (69 мм). Суммарное (кумулятивное) впитывание за время проведения учета было выше на фоне механических обработок (в среднем на 33 %). Включение в севооборот горчицы способствовалоувеличению влагонакопительного потенциала почвы. Суммарное количество впитываемой воды по этому предшественнику при Ыо-ТШ оказалось больше на 11 %, а при технологии, основанной на глубоком безотвальном рыхлении, - на 27 %. Через 3.4 ч после начала наблюдений скорость потока воды стабилизировалась, что было обусловлено началом фильтрации в насыщенной влагой почве. Отмечено, что на фоне Ыо-ТШ почва обладает более низкой пропускной способностью воды. Коэффициент фильтрации здесь варьировал от 0,39 до 0,42 мм/ мин. (56.60 см/сут.), тогда как при технологии с глубоким рыхлением интервал его изменения составлял 0,52.0,62 мм/мин. (75.89 см/сут.). В обоих вариантах величина этого показателя находится в диапазоне среднего коэффициента фильтрации суглинистых почв (20.100 см/сут.) и одновременно соответствуют его V классу (40.100 см/сут.), характеризующему скорость фильтрации как высокую [11].
В то же время при технологии Ыо-ТШ почва лучше удерживала воду, что подтвердили учеты содержания продуктивной влаги под посевами пшеницы, приуроченные к цветению и молочно-восковой спелости. Величина этого показателя при осеннем рыхлении перед посевом была больше, чем в варианте без обработок, на 15 %. Меньшее количество продуктивной влаги при использовании технологии Ыо-ТШ обусловлено снижением водопроницаемости почвы вследствие ее уплотнения. Максимальная в опыте плотность пахотного горизонта отмечена в поле пшеницы, возделываемой по пшенице, при прямом посеве - 1,3 г/см3, в то время как на фоне традиционной обработки она составила 1,21 г/см3. Введение в севооборот овса способствовало улучшению водного режима в вариантах с Ыо-ТШ, что обусловлено разуплотняющим действием этой культуры независимо от технологии обработки, благодаря которому плотность почвы колебалась в пределах 1,12.1,14 г/м3.
Плотность почвы в слое 0...30 см перед посевом пшеницы после капустовых, возделываемых по традиционной технологии, находилась на уровне 1,13 г/см3, по Ыо-ТШ - 1,24 г/см3. В то же время этот предшественник, потребляя большое количество влаги, сильнее иссушал почву. Ситуация по накоплению почвенной влаги выравнивалась при комплексном использовании средств химизации. Разница в ее содержании в метровом слое почвы между вариантами с традиционной технологией и прямым посевом сокращалась до 5 %.
Без удобрений Удобрения Без удобрений Удобрения
+ гербицид + + гербицид +
комплекс комплекс
пестицидов пестицидов
Севооборот с овсом Севооборот с капустовыми
Рис. 2. Доля сорняков в посевах яровой пшеницы в зависимости от технологии возделывания и предшественника, %: V - традиционная технология; ц; - Ыо-ТШ технология
Целлюлозолитическая активность почвы на фоне Ыо-ТШ была выше, чем при традиционной технологии, в 1,4 раза, в связи с тем, что оставленная на поверхности мульча способствовала активизации деятельности микроорганизмов и бактерий.
Многочисленными исследованиями [3...5, 8] установлено, что минимизация обработки почвы сопровождается ослаблением процессов минерализации органического вещества, что, с одной стороны, работает на повышение плодородия почв, но, с другой, ухудшает азотное питание растений.
В ходе наших исследований существенных различий по содержанию нитратного азота перед посевом, а также подвижного фосфора (по Чирикову) и калия (по Чирикову) в зависимости от технологий возделывания не отмечено.
Одна из важных проблем, возникающих при освоении Ыо-ТШ технологии, - засоренность посевов, в том числе из-за изменения видового состава сорной флоры, адаптации сорняков к новым условиям, которая на первом этапе ее освоения может увеличиваться, но после 5.10 лет использования зачастую снижается [12, 13].
В наших исследованиях без применения гербицидов нарастание засоренности в вариантах с Ыо-ТШ происходило быстрее, чем при технологии с механическими обработками почвы. Доля сорняков в общей надземной массе (культура + сорняки) достигала 48 %. Такая ситуация свидетельствует о том, что без химического контроля сорняков освоение технологии Ыо-ТШ невозможно в принципе. При этом следует отметить, что на фоне минимизации обработок почвы получать
стабильно высокие урожаи без удобрений и гербицидов тоже невозможно даже в зернопаровых севооборотах.
При использовании одинаковой системы защиты растений от сорняков в обеих технологиях в фазе молочно-восковой спелости зерна пшеницы в контроле (без применения удобрений + противодвудольный гербицид) доля сорняков на фоне глубокого рыхления в среднем за 2010-2011 гг. составила 9,8 %, без обработки почвы - 12,3 %. В вариантах с применением комплекса агрохимикатов(удобрения + средства защиты растений) культурные растения развивали массу почти в 2 раза большую, чем в контроле (в среднем 755 г/м2), что способствовало более эффективному подавлению сорняков, доля которых снижалась до 1,9 и 3,4 % соответственно (рис. 2).
В наших исследованиях не установлено нарастания численности вредителей и вспышек заболеваний. Уровень заселенности почвы жизнеспособными конидиями гриба В1ро!апв зогок1п1апа после первой ротации севооборотов и в годы второй практически не изменялся от первоначального (40 конидий на 1 г воздушно-сухой почвы) и оставался умеренным. В то же время в вариантах с Ыо-ТШ отмечена тенденция снижения плотности патогена в верхнем слое почвы на 8.21 % независимо от уровня химизации, а при традиционной технологии число пропагул гриба, напротив, возрастало: в вариантах с применением удобрений и средств защиты растений на 11 %, в контроле - на 33 %. Учет пораженности пшеницы корневыми гнилями показал, что ситуация в отношении этой болезни на фоне использования обеих технологий стабильна (в контроле при Ыо-ТШ развитие болезни - 20,4 %, при традиционной - 16,2, в вариантах с комплексом агрохимикатов - 11,2 и 11,3 % соответственно).
Развитие септориоза при прямом посеве было ниже, чем по обычной технологии, в 2,5 раза, а мучнистой росы - в 1,3 раза. Изучаемые варианты существенно не различались по пораженности посевов пшеницы бурой листовой ржавчиной, имевшей во все годы исследований невысокий индекс развития (0.4,3 %). Однако в 2009 г. на Ыо-ТШ развитие этой болезни было выше более чем в 2 раза. Таким образом, при благоприятных
условиях не исключена вероятность того, что бурая ржавчина может стать значимым фактором, лимитирующим продуктивность пшеницы при возделывании по Ыо-ТШ технологии, и потребует обработки фунгицидами.
Изучение формирования популяций вредных насекомых показало, что наиболее привлекательными для внутристебле-вых вредителей (стеблевая
Рис
□ - Ыо-
3. Урожайность зерна при разных технологиях возделывания яровой пшеницы, т/га: ТШ; /у - традиционная технология
блошка, шведская и яровая мухи) оказались посевы пшеницы, выращиваемые по традиционной технологии. Поврежденность основных стеблей пшеницы в этих вариантах была выше в 2,6 раза, боковых - в 1,7 раза. Из-за повышенной температура почвы и околоземного воздуха всходы культуры здесь появились раньше, и, соответственно, заселялись вредителями активнее.
В течение первой ротации севооборотов численность пшеничного трипса на Ыо-ТШ была выше, чем при выращивании по обычной технологии с глубоким рыхлением, в среднем на 35 %, к концу второй ротации - на 18 %.
В среднем за годы исследований (рис. 3)урожайность зерна яровой пшеницы при оптимизации минерального питания растений и фитосанитарной ситуации в посевах по Ыо-ТШ технологии была выше либо на уровне традиционной.
Учитывая, что при прочих равных затратах на возделывание яровой пшеницы, при Ыо-ТШ технологии исключаются расходы на обработку почвы (а они составляют примерно 20.25 % общих затрат), ее экономический эффект очевиден.
Выводы. Результаты исследований показали, что на черноземных почвах лесостепи Западной Сибири технология Ыо-ТШ вполне конкурентоспособна, по отношению к традиционной технологии на основе глубокого рыхления.
Уже к 5 году освоения технологии прямого посева, то есть к завершению начальной фазы перехода к Ыо-ТШ, происходят, хотя небольшие, но положительные изменения структурного состояния чернозема выщелоченного, связанные с насыщением бывшего
пахотного горизонта растительными остатками и благоприятным, рыхлящим почву, влиянием стержневой корневой системы, вводимой в зерновой севооборот горчицы. Формирование на поверхности почвы постоянного слоя мульчи вместе с ходами отмерших корней растений запускает процессы почвообора-зования, соответствующие естественным, так называемое биологическое саморыхление. Это может обусловить сдвиг состояния обрабатываемых почв в сторону саморегулирующихся почвенных аналогов и послужить основой для воспроизводства плодородия старопахотных черноземов.
При ограничении только двудольных видов засоренность посевов сдерживается на уровне 10.15 %. В случае использования азотно-фосфорного удобрения, комплекса фитосанитарных средств, в том числе гербицидов против мятликовых видов, фитомасса культуры значительно возрастает (на 76 %), что способствует более сильному подавлению сорного компонента, доля которого снижается до 2.5 % от общей надземной массы фитоценоза (порог вредоносности 10 %).
Сравнительный анализ фитосанитарного состояния посевов яровой пшеницы показал, что на первом этапе освоения Ыо-ТШ значительные различия с технологией возделывания, основанной на глубоком безотвальном рыхлении, наблюдаются лишь в формировании сорного компонента агроценозов. Однако при использовании Ыо-ТШ, также как и при обычной технологии на основе глубокого рыхления нельзя получать высокие гарантированные урожаи без применения удобрений и средств защиты растений, в первую очередь - гербицидов.
Литература.
1. Rainbow R., Derpsch R. Advances in No-Till Farming Technologies and soil Compaction Management in Rainfed Farming Systems // Rainfed Farming Systems. London; New York: Springer, 2011. P. 991-1014.
2. Власенко А.Н., Власенко Н.Г., Коротких Н.А. Разработка технологии No-Till на черноземе выщелоченном лесостепи Западной Сибири //Земледелие. 2011. № 5. C. 20-22.
3. Кирюшин В.И. Проблемы экологизации земледелия в России (Белгородская модель) // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 12. C. 3-6.
4. Власенко А.Н.. Научные основы минимизации систем основной обработки почвы в лесостепи Западной Сибири. Новосибирск, 1994. 76 с.
5. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: методическое руководство/под ред. В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова. М.: Росинформагротех, 2005. 783 с.
6. Абрамов Н.В. Производительность агросистем и состояние плодородия почв в Западной Сибири. Тюмень, 2013. 252 с.
7. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: с основами статистической обработки результатов исследований. М.: Агро-промиздат, 1985. 351 с.
8. Кирюшин В.И. Методологическая концепция развития земледелия в Сибири: методические рекомендации. Новосибирск: ВАСХНИЛ: Сиб. Отд-ние: СибНИИЗХим, 1989. 45 с.
9. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. С. 62-66.
10. Агрофизические методы исследования почв. М.: Наука, 1966. 260 с.
11. Теории и методы физики почв. М.: Гриф и К, 2007. C. 238-261, 546-548.
12. Anderson R.L. Diversity and no-till: keys for pest management in the U.S. Great Plains // Weed Science. 2008. V. 56. P. 141145.
13. Mohler C.L. Weed life history: identifying vulnerabilities // Ecological Management of Agricultural Weeds. UK: Cambridge University Press, 2001. P. 40-98.
PROBLEMS AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT AND EXPLOITATION OF NO-TILL TECHNOLOGY ON CHERNOZEM OF FOREST-STEPPE OF WESTERN SIBERIA A.N. Vlasenko, N.G. Vlasenko, N.A. Korotkikh
Summary. The results of long-term studying of stage-by-stage minimization of soil tillage in Siberia strongly suggests that on the most part of the regional soils complete or partial reduction of soil tillage without considerable losses of yields of the main crops is possible. It is a scientific basis of development of technologies of direct sowing and the No-Till within adaptive landscape systems of agriculture. The studying of the innovative No-Till technology in comparison with traditional on chernozem soils of forest-steppes of Western Siberia has shown that formation on the soil surface of a mulch together with the root remains starts the processes of soil formation corresponding natural, and forms a basis for reproduction of fertility of old arable chernozems. When optimizing the phytosanitary situation in spring wheat crops against pests, diseases and weeds the significant differences between the technologies it isn’t revealed. Spring wheat yield was equal or slightly higher on the No-Till technology compared with the conventional. Considering that at the No-Till technology the costs of the soil tillage are excluded, and they make up about 20-25% of total costs, its economic effect is obvious and it is quite competitive in relation to the traditional one.
Key words: greening of agriculture, soil fertility, phytosanitary situation, technology No-Till.
