Биологическое земледелие — основа улучшения экологического состояния окружающей среды и оздоровления человечества. Успешное решение этого вопроса возможно при совершенствовании всех составных частей системы земледелия. Важнейшей из них является обработка почвы, так как она определяет процессы воспроизводства плодородия почвы, регулирования почвенных режимов, процессы деградации и охраны почв. Таким образом, в одном случае она содействует становлению биологического земледелия, а в другом — сводит все усилия в этом направлении к нулю.
В настоящее время в практике сельского хозяйства господствующая система обработки почвы — вспашка. Наряду с ней фрагментарно применяют плоскорезную, чизельную и другие системы безотвальной обработки почвы на различную глубину.
Теоретической основой вспашки послужило положение В. Р. Вильямса, согласно которому обработка почвы должна быть ежегодная отвальная на глубину не менее 20...22 см. Только при этом, по В. Р. Вильямсу, потерявший за год плодородие верхний слой почвы и растительные остатки, помещаемые в нижние слои почвы в анаэробные условия, проходят процесс гумусообразования, восстановления почвенного плодородия. Несмотря на, казалось бы, солидное начало, споры о пользе отвальной обработки почвы продолжаются в течение всей истории ее развития. Так, П. А. Костычев не придавал большого значения глубокой обработке черноземных почв. По его наблюдениям, накопление и расход воды был одинаковым как на глубоко, так и на мелко обработанных полях. При более мелкой обработке корни быстрее проникают в плотный нижний слой, из которого и используют воду. Верхний же пахотный, неглубоко рыхлый слой предохраняет почву от высыхания, являясь как бы мульчей.
В противовес теориям мелкой обработки черноземных почв А. А. Измаильский обосновал необходимость их глубокой обработки. Он утверждает, что большее количество влаги сохраняется в глубоко обработанных почвах.
Еще более ожесточенные споры о полезности вспашки как средства, обеспечивающего благоприятные условия для восстановления плодородия почвы, происходили в начале формирования научного земледелия; они продолжаются и теперь. Чаще всего эти споры заканчиваются не в пользу вспашки. Об этом же свидетельствует и мировой опыт земледелия. Практически во всех странах мира за последние 100 лет в обрабатываемых почвах произошло уменьшение содержания гумуса на 15...50 %. Однако вспашка продолжает оставаться главным способом обработки почвы; позже появились плоскорезная, чизельная обработки и другие приемы безотвального рыхления. Ho они не получили серьезного признания со стороны земледельцев, так как отсутствовало серьезное обоснование необходимости мелкого безотвального рыхления. Поэтому ученые-земледельцы всех стран продолжали изучать вспашку, плоскорезное чизельное рыхление и подобные способы обработки. И получали результаты: одни в пользу отвальной обработки, другие в пользу безотвального рыхления. И были правы. Это свидетельствует о случайном характере успеха плоскорезной или отвальной обработки, зависящем от климатических условий, доз удобрений, применения пестицидов, интенсивности технологий возделывания сельскохозяйственных культур и т. п. Следовательно, результаты этих исследований объективны только в тех конкретных условиях, их нельзя пролонгировать на другие. Что целесообразнее — отвальная или безотвальная обработка почвы, нельзя решить без учета процессов, происходящих в почве под влиянием различных способов ее обработки. В этом плане решающим, подводящим итог спору: что же лучше — отвальная обработка или безотвальное рыхление, стал закон земледелия (диплом на открытие № 150, 2000 г.), который утверждает: «Под влиянием естественных факторов происходит постоянное расслоение (формирование) плодородия корнеобитаемого слоя почвы (грунта) сверху вниз с устойчивым накоплением его в верхних слоях, обеспечивающее систематическое наращивание мощности высокоокультуренного плодородного корнеобитаемого слоя. Интенсивность протекания этого процесса зависит от вида сельскохозяйственных угодий и хозяйственного использования пашни». Этот закон говорит о нецелесообразности глубокой отвальной обработки, так как она постоянно вступает в противоборство с природой. Природа формирует плодородие в верхних слоях, а плуг хоронит результаты работы ее на глубину, то есть сводит к нулю. И так постоянно, ежегодно. Данный закон свидетельствует о целесообразности мелкого рыхления, исключающего заделку верхних слоев почвы и растительных остатков на глубину.
Глубокое рыхление может быть допустимо как кратковременная мера на почвах тяжелого гранулометрического состава (плотность почвы более 1,4 г/см3) и с низким содержанием гумуса (менее 3,7 %).
При соблюдении этого закона в практике земледелия можно обеспечить тесную связь системы обработки почвы с природой, что будет активно содействовать развитию и реализации биологического земледелия в сельскохозяйственном производстве.
Такой вывод подтверждают результаты исследований, в которых при применении мульчирующего способа обработки почвы в течение шести лет на 84 % уменьшился смыв почвы и почти в два раза увеличилось количество ходов червей с выходом на дневную поверхность. При этом количество водопрочных агрегатов размером более 1 мм возросло на 10...19 %, а гумуса — на 0,3 %.
Поверхностная заделка навоза и растительных удобрений приводит к повышению биологической активности почвы, к быстрой минерализации органических веществ. При заделке органических удобрений в глубокие слои почвы, бедные микроорганизмами, не улучшается существенно питательный режим почвы.
При этом в связи с увеличением засоренности посевов возникает проблема борьбы с сорняками. В интенсивном земледелии такую борьбу осуществляют при помощи гербицидов. В альтернативном земледелии борьбу с сорняками ведут с помощью севооборотов. Также борьба с сорными растениями включает очистку семенного материала, правильную подготовку, хранение, использование навоза, уничтожение сорняков на необрабатываемых землях, использование механических способов, а также биологические методы борьбы.
Уже сейчас существует немало реальных экономически безопасных методов борьбы с вредителями и болезнями культурных растений. При их применении можно резко сократить использование пестицидов, создающих реальную угрозу окружающей среде. Так, предпосевная культивация приводит к гибели почвообитающих вредителей. Численность стеблевого мотылька снижается при уничтожении послеуборочных остатков проса, кукурузы, конопли.
Необходимо также отметить, что сторонники интенсивных технологий, увлекаясь использованием пестицидов, часто устанавливают очень низкие экономические пороги вредоносности (ЭПВ), что ведет к увеличению пестицидной нагрузки. Например, для вредной черепашки ЭПВ составляют 0,2...0,5 шт/м2, в то же время вредных видов насекомых в природе 1 %, а полезных и нейтральных 99 %. Значит, вместе с одним вредителем на 1 м2 уничтожаются десятки других насекомых, тысячи и миллионы микроорганизмов. Наряду с гибелью вредных насекомых от действия химических препаратов происходит гибель или ограничение численности энтомофагов, птиц и других хищников, которые приносят пользу.
Однако не всегда можно избежать применения пестицидов. Особенно при возделывании овощных и пропашных культур. Поэтому в альтернативных системах земледелия допускают в качестве инсектицидов применение микробных препаратов, в качестве фунгицидов — серы, бордоской жидкости и др.
Большие надежды возлагают на создание сортов, устойчивых к болезням и вредителям, на развитие биологических методов защиты. Первостепенное значение имеют правильное использование севооборотов, выбор оптимальных сроков посева, норм высева, соответствующих приемов обработки почвы и ухода за растениями, при применении которых решаются проблемы защиты урожая без интенсивного применения химических средств защиты растений.
При нарушении строения пахотного слоя, вызванном механической обработкой, создаются благоприятные условия для протекания биологических, физико-химических, физических процессов в почве, а содержащийся в ней кислород и влага изменяют реакцию почвенного раствора в положительную сторону, усиливая активность почвенных микроорганизмов. Почвенная микрофлора, участвуя в синтезе и разложении органического вещества, обогащает почву гумусом и увеличивает в ней содержание доступных для растений форм азота, фосфора, калия, магния, серы, железа и других жизненно важных элементов питания растений.
Незаменима роль механической обработки почвы в уничтожении сорняков, в борьбе с вредителями и заболеваниями культурных растений. Хорошо известно, что в пахотном слое сосредоточено огромное количество семян и органов вегетативного размножения сорняков, а также всевозможных вредителей и возбудителей болезней. При проведении приемов механической обработки почвы в определенной последовательности можно обеспечить наилучший эффект их своевременного уничтожения.
Велико значение обработки почвы в заделке растительных остатков и удобрений на определенную глубину, при этом создается однородный по плодородию пахотный слой, благоприятный для развития корневых систем растений.
Огромную роль играет система обработки почвы в борьбе с эрозией. При дифференцированной противоэрозионной обработке ослабляются процессы эрозии, уменьшается сток атмосферных осадков с поверхности почвы, благодаря чему снижается вынос питательных элементов с поверхностным стоком и в грунтовые воды, меньше загрязняются биогенными элементами природные и искусственные водоемы. Таким образом, с помощью правильно подобранного комплекса приемов обработки почвы решают и экологические задачи.
Совокупность направлений по уменьшению затрат на осуществление приемов обработки почвы называется минимализацией. Она выражается в уменьшении глубины обработки почв, исключении некоторых приемов из системы обработки, совмещении нескольких технологических операций путем применения комбинированных агрегатов, использования менее энерго- и ресурсозатратных приемов и способов и т. п.
В настоящее время в земледелии существует множество технологических схем обработки почвы, которые в принципиальном плане можно разделить на три большие группы:
• технологии, основанные на использовании в качестве главного приема основной обработки почвы отвальной обработки;
• технологии, основанные на безотвальной обработке почвы;
• технологии с поверхностной обработкой почвы.
Приемы, лежащие в основе каждой из этих технологий, имеют определенные достоинства и недостатки.
К достоинствам отвальной обработки почвы относят создание хорошо аэрируемого, гомогенного по плодородию пахотного слоя, высокую фитосанитарную эффективность, обеспечение благоприятных условий для предпосевной обработки почвы. В то же время осуществление отвальной обработки связано с большими затратами энергетических и материальных ресурсов, интенсивной минерализацией гумуса, развитием эрозионных процессов.
Безотвальная (плоскорезная) обработка почвы менее энергоемкая. Если с применением вспашки затраты топлива составляют 30...35 %, то при использовании плоскорезной обработки они могут снижаться до 5...7 %. Соответственно происходит уменьшение и общих энергетических затрат. При плоскорезной обработке почвы уменьшаются потери гумусового фонда, снижается интенсивность эрозионных и дефляционных процессов по сравнению с отвальной обработкой.
Недостатки плоскорезной обработки почвы:
• низкая фитосанитарная эффективность. При безотвальном рыхлении возрастает засоренность посевов, улучшаются условия для сохранения зачатков вредоносных объектов;
• вследствие сохранения на поверхности почвы растительных остатков затрудняется создание хорошего посевного слоя;
• происходит дифференциация (резкое разделение) слоев пахотного горизонта по плодородию. Нижние слои пахотного горизонта имеют более низкое плодородие по сравнению с верхними.
Поверхностная обработка почвы, которую осуществляют чаще всего дисковыми почвообрабатывающими орудиями, очень экономична, но не обеспечивает создания глубокого окультуренного слоя почвы, уничтожения сорной растительности и т. д.
Положительные и отрицательные стороны рассматриваемых приемов могут иметь различное значение в зависимости от вида возделываемых культур, конкретных почвенно-климатических, складывающихся погодных и других условий.
Согласно литературным данным, систематическая отвальная обработка почвы имеет ряд недостатков, которые обусловливают необходимость проведения исследований по изучению возможности минимализации приемов основной обработки почвы.
О том, как можно подготовить почву к посеву без вспашки, давно говорили виднейшие ученые нашей страны. Еще 150 лет назад русский химик Д. И. Менделеев писал: «Что касается до числа паханий, то очень многие впадают в ошибку, полагая, что чем больше раз пахать, тем лучше...», но он не предлагал альтернативу вспашке, далее он писал: «Если, например, прикрыть почву листвой, соломой или вообще чем бы то ни было оттеняющим и дать ей спокойно полежать некоторое время, то она и без всякого пахания достигает зрелости».
Первым экспериментатором и пропагандистом мелкой бесплужной обработки в России был И. Е. Овсинский. В своей книге «Новая система земледелия» он впервые предложил систему бесплужной поверхностной обработки. Теоретической основой мелкой (до 5 см) обработки он считал достаточную водо- и воздухопроницаемость почв в их естественном сложении. При этом происходят предохранение влаги от испарения мульчирующим слоем, конденсация паров из проникающего в почву атмосферного воздуха, уничтожение сорной растительности посредством своевременной обработки почвы. Разработанная система сводилась к постоянной поверхностной обработке почвы не глубже 5 см специальными плужками, культиваторами и боронами. По разным причинам эта система обработки почвы широкого распространения не получила.
Т. С. Мальцев отрицал глубокую вспашку. Уже в начале 40-х годов прошлого столетия он предложил заменить вспашку безотвальной поверхностной обработкой. Наряду с ежегодной обработкой почвы дисковыми лущильниками на глубину 7...8 см один раз через 3...4 года он рекомендовал глубокую (на 30...35 см) обработку плугами без отвала. Мальцев на практике показал возможность получения высоких урожаев зерновых культур без оборота пласта почвы.
Академик Н. М. Тулайков в свое время подчеркивал, что глубокая вспашка по сравнению с мелкой не оказывает заметного влияния на урожайность зерновых культур.
В 60-х годах в результате исследований ВНИИ зернового хозяйства под руководством А. И. Бараева были разработаны системы почвозащитной безотвальной обработки почв в различных регионах страны, где основная обработка почвы, культивация, посев и уборка сельскохозяйственных культур были направлены на поддержание необходимого количества растительных остатков на поверхности в течение всего года. В настоящее время почвозащитные системы обработки почв на основе безотвальной обработки широко применяют в Северном Казахстане, в южных районах Западной Сибири, на Северном Кавказе, в Поволжье, на Украине.
С середины 70-х годов XX в. минимализацию обработки почвы стали широко изучать в различных зонах страны.
В настоящее время многое еще не изучено, поэтому возникают вопросы, касающиеся той или иной обработки почвы.
Многие исследователи считают, что применение поверхностной (на 8...10 см) обработки почвы под зерновые культуры способствует повышению урожая на Украине, в Центрально-Черноземном регионе, Западной Сибири.
По данным Воронежского СХИ, при поверхностной обработке почвы после уборки гороха достигается оптимальная глубина заделки семян, обеспечиваются своевременное появление полных всходов, лучшая сохранность растений при перезимовке и в результате получение большой урожайности — 3,36 т/га, или на 0,34 т/га выше урожайности пшеницы, посеянной по вспаханной почве. Мелкая мульчирующая обработка почвы под озимые в годы с хорошей влагообеспеченностью не уступает вспашке, а в сухие годы приводит к повышению урожайности на 0,25...0,3 т/га (ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии).
Ho многие исследователи также считают, что наиболее разумно и целесообразно чередовать отвальную и безотвальную обработку почвы. При этом создаются благоприятные условия для гумификации органических остатков и удобрений, поступающих в почву. Такая система обработки почвы не приводит, как правило, к снижению запасов органического вещества в ней, несмотря на увеличение доли минерализационных потерь; в результате достигается равномерное распределение растительных остатков по всей толщине пахотного слоя. В этом случае их разложение в меньшей степени зависит от погодно-климатических условий, что определяет величину эффективного плодородия.
При решении вопросов о том, какие приемы обработки почвы следует применять на том или ином поле и в какой последовательности, необходимо учитывать местные условия: свойства почвы; погоду; биологические особенности культур, которые возделывали ранее и будут возделывать; видовой и количественный составы сорняков, вредителей и болезней, имеющих распространение на данном поле. Все виды механической обработки почвы, связанные с возделыванием культур, сводятся к созданию в почве таких условий, которые в наибольшей степени удовлетворяли бы требования культурных растений. Исходя из этого, отдельные приемы обработки почвы объединяют в систему основной и систему предпосевной обработок.
В последние годы в связи с резким повышением цен на энергоносители, удобрения, семена, пестициды и сельскохозяйственную технику, а также в связи с заметным развитием эрозионных процессов внимание агрономической науки и практики все в большей степени сосредоточивается на разработке и внедрении энергосберегающих, минимализированных систем обработки почвы. Результаты многолетних опытов, проводимых в учебном хозяйстве CXA им. К. А Тимирязева «Михайловское», свидетельствуют, что одним из перспективных направлений минимализации обработки почвы может быть замена ежегодной отвальной вспашки периодическими поверхностными обработками. Так, применение поверхностной обработки (дискование на глубину 5...6 см в качестве приема основной обработки) в течение 7 лет на высоком фоне питания в плодосменном севообороте не привело к увеличению численности сорных растений в посевах полевых культур.
В опытах БелНИИ земледелия и кормов лучшие результаты в борьбе с сорняками показывала мелкая обработка почвы в сочетании с последующим рыхлением для уничтожения всходов сорняков.
При поверхностной плоскорезной обработке, в отличие от отвальной, органическое вещество остается в верхнем слое и под воздействием микроорганизмов быстро разлагается, улучшая питательный режим почвы.
Уменьшение глубины основной обработки путем применения разноглубинной фрезерной минимальной обработки способствует улучшению агрохимических показателей плодородия дерново-подзолистой почвы и оказывает положительное влияние на ее фитосанитарное состояние.
Систему обработки почвы в зависимости от биологических групп возделываемых культур, в свою очередь, делят на систему предпосевной обработки почвы под яровые и систему предпосевной обработки почвы под озимые культуры.
Безотвальные обработки почвы в севообороте необходимо применять под культуры, несущественно снижающие полевую всхожесть семян из-за наличия в посевном слое пожнивных остатков, и под культуры, технология возделывания которых не влечет значительного снижения коэффициента использования минеральных удобрений (яровые зерновые и озимые культуры). Отвальную обработку почвы следует проводить в севооборотах под культуры, неконкурентоспособные в отношении сорных растений (пропашные, технически возделываемые широкорядно, горох), и с целью заделки органических удобрений и большей массы пожнивных остатков (на полях после многолетних трав и т. д.).
По данным многолетних исследований, под озимые, размещенные в севооборотах по непаровым предшественникам и поздно убираемым парозанимающим культурам, очень эффективна поверхностная обработка почвы. Это связано с тем, что культурам данной группы не требуется глубокая вспашка. Кроме того, проведение обработки почвы в таких случаях другими способами (отвальное или безотвальное рыхление), как правило, не способствует созданию условий для формирования хорошего посевного слоя из-за плохой ее разделки вследствие сухости.
Углубление пахотного слоя с заделкой навоза в нижнюю его часть либо глубокое рыхление с поверхностным размещением удобрений приводит к улучшению структуры, физического состояния и водного режима почвы, заглублению корневых систем и тем самым обеспечивает надежное водоснабжение и питание растений в экстремальные по увлажнению годы. На углубление пахотного слоя почвы хорошо отзываются культуры с развитой корневой системой, а их воздействие на почву оценивают как биологический фактор окультуривания. Таким образом, глубокое укоренение культурных растений часто служит мотивировкой глубокой отвальной вспашки.
Проводить основную обработку почвы нужно всегда поперек склона. Применение приемов биологизации обусловливает необходимость учета целого ряда обстоятельств, связанных с посевом промежуточных культур, использованием органических удобрений в больших количествах и т. п.
При возделывании пропашных культур (сахарная свекла, картофель, кукуруза и др.) более целесообразно использовать в качестве способа обработки почвы вспашку (28...30 см). Это также связано с биологическими особенностями данных культур. В частности, для них особое значение имеют глубина обработки и гомогенность обрабатываемого горизонта, что с успехом можно регулировать посредством вспашки.
Эффективность применения той или иной механической обработки почвы, и в частности минимальной, определяется в основном физическим ее состоянием. Наиболее важные характеристики почвы — плотность ее сложения и водопрочность структуры, определяющие водно-воздушный и другие режимы.
Плотность сложения считается одним из основных агрофизических свойств, так как от нее зависят все режимы и процессы, происходящие в почве. И. Б. Ревут писал: «Плотность следует рассматривать как первичный элемент не только всей физики почв, но и жизни растений». К основным показателям, характеризующим уплотнение, относят объемную массу, порозность (общую, капиллярную и некапиллярную) и твердость почвы.
В результате механической обработки почвы плотность сложения обрабатываемого слоя значительно снижается. Однако, по свидетельству многочисленных исследований, интенсивная обработка почвы постепенно приводит к ухудшению агрофизических свойств в результате разрушения структуры, образования пыли и глыб, снижения содержания гумуса из-за повышенной минерализации, снижения устойчивости почв к эрозии.
Таким образом, литературные данные свидетельствуют о том, что одним из важнейших факторов повышения продуктивности полевых культур являются оптимальные агрофизические свойства почвы. В результате исследований, проведенных в лаборатории агрофизики почв ВНИИ зерна и продуктов его переработки и ЗПЭ, установлено, что при оптимизации агрофизических свойств пахотного слоя типичного чернозема урожайность возделываемых культур в условиях Центрально-Черноземного региона повышается на 10...15 %.
Основным и наиболее распространенным приемом бесплужной обработки почвы служит плоскорезное рыхление.
По данным Волгоградской опытной станции, на светло-каштановых почвах в среднем за ротацию шестипольного севооборота на фоне отвальной вспашки в метровом слое содержалось 228 мм влаги, на фоне плоскорезной обработки запасы влаги были на 30 мм выше. В результате лучший водный режим почвы при плоскорезной обработке, несмотря на некоторое увеличение количества сорных растений, способствовал увеличению урожайности культур: озимой ржи — на 0,08 т/га, яровой пшеницы — на 0,19... 0,25, ярового ячменя — на 0,25 т/га.
При плоскорезной обработке по сравнению со вспашкой можно снизить смыв почвы в 1,5...15,0 раз, а при дополнении щелеванием — в 18...23 раза. В четыре раза сокращается поверхностный сток.
На полях, где применяли плоскорезную обработку, на поверхности почвы сохраняется до 65...85 % стерни и других растительных остатков, которые хорошо задерживают снег зимой, а весной после его таяния служат надежным мульчирующим средством, предохраняющим почву от испарения влаги и ветровой эрозии. Почва меньше промерзает и лучше поглощает талые воды. В результате запасы продуктивной влаги перед посевом яровых культур и соответственно их урожай, как правило, выше, чем при отвальной вспашке.
Мелкая поверхностная обработка под озимые культуры наиболее эффективна в связи с тем, что у растений (озимой пшеницы и др.) при посеве по глубоко обработанной и недостаточно уплотненной почве образуются удлиненные междоузлия (до 3...4 см), которые разрываются вследствие оседания почвы. Связь между первичной корневой системой и надземной частью растения нарушается. Такие растения гибнут в зимний период. Если же посев осуществлен по уплотненной почве (уплотнение зависит не только от срока обработки почвы, но и от ее глубины), то корневые междоузлия, как правило, укорочены и не разрываются. Кроме того, на уплотненной почве быстрее образуется и развивается вторичная корневая система, благодаря чему растения имеют повышенную устойчивость к неблагоприятным условиям зимы.
При глубокой обработке почвы ее влажность к моменту посева озимых и в первый месяц после его проведения снижается. Поэтому при недостатке осадков в осенний период на полях, обработанных глубоко, получают изреженные всходы или вообще их не получают.
Мелкая поверхностная обработка способствует уменьшению затрат на единицу обрабатываемой площади, повышению производительности труда, сокращению сроков подготовки почвы, что имеет исключительно большое значение в напряженный период года при недостатке техники. При этом обеспечивается своевременное и качественное проведение полевых работ и, следовательно, увеличивается урожайность озимых и других культур севооборота.